数字电视基础知识.ppt

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数字电视体系及有线数字电视传输技术,唐明光电子科技大学5.18,2006,内容安排,一、数字电视基本概念二、数字电视系统组成及关键技术三、数字电视标准四、有线数字电视技术基础五、信源编码技术-压缩编码技术六、信道编码和调制七、有线数字电视传输技术八、条件接收（CA）系统九、有线电视传输系统对数字电视信号质量的影响十、机顶盒的应用要求十一、数字电视参数的测量,1.什么是数字电视数字电视是一个系统。

它指一个从节目摄制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视系统。

一、数字电视基本概念,2.数字电视实现的意义数字电视系统建成后将成为一个数字信号传输平台：

它使整个广播电视节目制作和传输质量显著改善信道资源利用率大大提高提供其他增值业务：

数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电视购物，为“三网融合”提供了技术上的可能性。

3.数字电视分类HDTV：

图像分辨率19201080（16：

9）SDTV：

图像分辨率720576（PAL）720480（NTSC）LDTV：

VCD级图像分辨率,4.数字电视的优点数字传输，信号质量高彩色逼真可实现不同分辨率等级接收（HDTV，SDTV）可移动接收，无重影增加节目频道应实现加解密和加解扰，便于展开CA业务准交互和交互其它增值业务,二.数字电视系统组成及关键技术,1、系统组成从横向看：

（硬件系统）节目制作数字信号处理传输接收显示从纵向看：

（软件系统）物理层传输协议中间件标准信息表示信息使用内容保护,节目制作设备：

数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑机、数字字幕机、非线性编辑系统数字处理设备及技术：

压缩编/解码设备及技术、数据加/解扰设备及技术、加/解密设备及技术信号传输：

地面、有线、卫星接收设备：

数字电视接收机（卫星、有线）显示：

CRT、LCD、PDP、投影显示等,2.关键技术1）信源编码技术视频压缩编码MPEG-2音频压缩编码MPEG-2（欧洲、日本）AC-3（美国）我国标准：

GB/T17975.22000“信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范第2部分：

视频”GB/T17975.32000“信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范第部分：

音频”,2）传输复用技术数据打包：

N个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组传输流复用：

将N个打包的数据复合成单路串行传输流标准：

国际MPEG-2我国GB/T17975.12000“信息技术运动图像及其伴音信号通用编码第1部分：

系统”传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传输，从而使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。

3）信道编码和调制经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有线、卫星）中传输，必须经过某种处理，使之变成适合在规定的信道中传输的形式。

在通信原理中把这种处理称为信道编码和调制。

信道编码包括：

纠错编码、网格编码、均衡等。

信道编码目的：

提高传输信号在信道中的抗干扰能力标准：

GY/T1702001“有线数字电视广播系统信道编码与调制规范”,4）有条件接收（CA）CA只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用户不能使用这一业务。

CA涉及技术：

前端的加密和加扰技术接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术标准：

GY/Z175-2001“数字电视广播条件接收系统规范”,5）软件平台中间件机顶盒中硬件功能：

接收RF信号、信道解码、解调。

MPEG-2码流解码，模拟视/音频输出。

机顶盒中软件功能：

电视节目内容显示、EPG节目信息、操作界面的实现等。

中间件：

是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统。

中间件构成：

Java虚拟机、JavaScript虚拟机、HTML虚拟机等。

三.数字电视标准,1.国际：

三大标准DVB-S欧洲：

DVB（数字视频广播）DVB-TDVB-C美国：

ATSC（高级电视制式）日本：

ISDB（综合业务数字广播）,2.中国：

数字电视演播室参数标准数字电视广播标准,GY/T170-2001有线数字电视广播信道编码与调制规范GY/T106-1999有线电视广播系统技术规范GY/Z174-2001数字电视广播业务信息规范GY/Z175-2001数字电视广播条件接收系统规范GY/T148-2000卫星数字电视接收机技术要求GY/T158-2000演播室数字音频信号接口GY/T160-2000数字分量演播室接口中的附属数据信号格式GY/T161-2000数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范GY/T163-2000数字电视附属数据空间内时间码和控制码的传输格式GY/T164-2000演播室串行数字光纤传输系统GY/T167-2000数字分量演播室的同步基准信号GY/T180-2001HFC网络上行传输物理通道技术规范GB/T16694-1996智能卡接口规范,GB/T17975.1-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第1部分系统GB/T17975.2-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第2部分视频GB/T17975.3-2000信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码第3部分音频GB/T17881-1999广播电视光缆干线同步数字体系（SDH）传输接口技术规范GB/T17953-20004：

2：

2数字分量图像信号接口ISO7816智能卡接口规范,符合2003年4月1日国家广电总局科技司发行的有线数字电视暂行技术要求文件汇编,用户管理系统监管平台数据交换接口要求（暂行）运动图像及其伴音信号的通用编码系统、视频和音频部分的实施指南（暂行）有线数字电视条件接收系统应用指南（暂行）有线数字电视广播业务信息应用指南（暂行）有线数字电视电子节目指南指导性意见（暂行）有线数字电视中间件指导性意见（暂行）有线数字电视机顶盒和遥控器功能实施指导性意见（暂行）节目订购单和用户结账单格式基本要求（暂行）有线数字电视广播条件接收系统入网技术要求和评测方法（暂行）有线数字电视广播用户管理系统入网技术要求和评测方法（暂行）EN300429DVB系统中的帧结构、信道编码和调制（DVB-C）EN300428DVB系统中服务信息（SI）规范（DVB-SI）ETR211DVB服务信息（SI）的使用和执行指南（DVB-SI）EN300472DVB的比特流中传送图文信息和规范（DVB-TXT）EN301192数据广播的DVB规范（DVB-DATA）EN50083-9CATV/SMATV前端和DVB/MPEG-2传输流同类专业设备和接口（DVB-PI）,EN50221关于条件接收和其它DVB解码器运营的通用接口规范（DVB-CI）TS102201DVBIRD的接口技术规范（DBVB-IRD）TS101197DVB系统中同时加密（simulcrypt）的技术规范（DVB-SIM）TS103197.V1.1.1同密接口ETR289通用加扰系统描述（DVB-CS）ETR154MPEG-2系统、视频和音频在卫星、有线和地面广播应用中的实现指南（DVB-MPEG）ETS300743DVB字幕系统（DVB-SUB）ETS300802DVB交互服务独立网络协议（DVB-NIP）ETS/EN300429DVB系统中的帧结构、信道编码和调制（DVB-C）,四.有线数字电视技术基础,1.有线数字电视信号传输等级及传输系统模式1）传输等级LDTV，SDTV，HDTV2）传输系统模式电缆传输PCM方式光纤传输SDH方式光纤同轴混合传输HFC数字调制方式,2有线数字电视的主流标准与方式1）标准：

DVB-CATSC-16VSB，ATSC-64QAMISDB-C,2）四种方式：

DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C传送方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM频带宽度8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s接收滚降15%15%11.5%18%纠错率RS（204,188）RS（128,122）RS（207,187）RS（204,188）压缩方式MPEG-2,3数字电视信号的产生直接产生：

字幕机，数字摄像机等转换生产：

电影胶片电视电影机模拟-数字（A/D转换）信号数字化,1）信号数字化过程取样：

取样频率，Nyquist定理连续信号变换成离散信号量化：

将离散信号样值进行离散化处理离散化的量化级量化噪声编码：

量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。

用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。

每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列起来，就得到基带数字信息流。

传输速率：

传输速率=取样频率fs量化比特数,2）音频信号的数字化取样频率：

40KHz。

常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。

量化比特数：

8bit，12bit，16bit。

声道：

单声道，双声道（立体声）取样频率量化比特数声道数数字音存储量：

（字节）8bit例：

CD标准取样频率44.1KHz，量化比特数16bit，立体声，存储一分钟数字音乐的容量为10,584,000字节或84,672,000比特。

3）视频信号的数字化编码方式：

复合编码将彩色全电视信息直接编成PCM码分量编码将亮度信号Y，色差信号R-Y和B-Y分别编码或PCM码,二者比较：

“复合编码”与电视制式有关“分量编码”与电视制式无关在节目后期制作中：

“复合”需解码“分量”无需解码传输时：

“复合”由于频分复用，产生亮，色串扰“分量”采用时分复用，无亮，色串扰,分量编码取样频率亮度信号取样频率：

足够小的混叠噪声fs=（2.22.7）fmfm=5.8-6MHzfs12.7613.2MHz满足行锁相采样fs=mfH,m为整数使525/652行兼容（525行/60场625行/50场）要采用同一取样频率在13.2MHz附近，只有13.5MHz=15625Hz864（625/50）=15734.264Hz858（525/60）亮度信号取样频率取样13.5MHz,色差信号取样频率：

需要满足与亮度信号同样的三个要求取为fS=6.75MHz分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求Y：

（B-Y）：

（R-Y）：

=13.5MHz：

13.5MHz：

13.5MHz=4：

4：

4Y：

（B-Y）：

（R-Y）：

=13.5MHz：

6.75MHz：

6.75MHz=4：

2：

2（演播室图像质量标准）Y：

（B-Y）：

（R-Y）：

=13.5MHz：

3.375MHz：

3.375MHz=4：

1：

1（4：

2：

0）4：

4：

4，4：

2：

2和4：

2：

0三种是可以相互兼容，相互转换的由高档转为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。

4：

4：

44：

2：

24：

2：

0,4）量化比特数和量化级,量化比特：

Y，B-Y，R-Y都采用8bit均匀量化未经较正的信号采用10bit均匀量化量化级：

亮度信号8bit，256个量化级，0-255为防止过载上端留20级下端留16级量化级16表示黑电平量化级235表示白电平,5）ITU-R601建议编码主要参数（4：

4：

4格式）参数625行50场/s制式525行60场/s制式1，编码信号经过校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB2，各信号的全行样点数8648583，取样结构正交，按场，行，帧重复，并与此4：

2：

2标准的亮度样点重合4，每种信号的取样频率13.5MHz5，编码方式每样值至少8比特均匀量化PCM6，用样点表示的数字有效行长度至少7207，视频信号电平每样值共220量化级，黑电平对应于第16量化级；8比特的最高有效位峰值白电平相应于第235量化级（MSB）量化级之间的在量化等级中部共分224级，零电平对应128级对应值（范围：

0255）,ITU-R601建议演播室分量编码主要参数（422格式）参数625行50场/s制式525行60场/s制式1、编码信号Y、R-Y、B-Y2、全行样点数亮度信号（Y）864858每个色差信号（R-Y、B-Y）4324293、取样结构正交，场、行、帧重复，R-Y和B-Y的样点同位，并和每行第奇数个（1，3，5.）Y样点同位4、取样频率亮度信号13.5MHz每个色差信号6.75MHz5、编码方式线性PCM、8比特量化/每个取样值6、每数字有效行数样点数亮度信号720每个色差信号3607、视频信号电平与量化级间的对应值亮度信号每个色差信号共22个量化级，黑电平对应量化级16；峰值白电平对应量化级235在量化等级中间部，共分224级，零电平对应于128级,数字电视信号的码率,1）标准清晰度数字电视（SDTV）：

在ITU-R601标准中，采用10bit量化时，亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=13.5MHzX10bit=135Mbps2个色差信号的码率为2X6.75MHzX10bit=135MbpsSDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=135Mbps+135Mbps=270Mbps,2）高清晰度电视（HDTV）：

在SMPTE274M数字电视标准中，采用10bit量化时，亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2个色差信号的码率为2X37.125MHzX10bit=742.5MbpsHDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=742.5Mbps+742.5Mbps=1485Mbps,数字电视信号的有效码率,有效码率（视频有效码率）：

1）标准清晰度数字电视信号的有效码率是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。

因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的60%-80%。

在ITU-R601标准中，8bit量化时，NTSC（480/60i）亮度信号的有效码率为：

每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=720X480X8X30=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：

2X360X480X8X30=82.944Mbps总有效码率为：

亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（480/60i）,PAL（576/50i）亮度信号的有效码率为：

每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=720X576X8X25=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：

2X360X576X8X25=82.944Mbps总有效码率为：

亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（576/50i）,2）高清晰度数字电视信号的有效码率在SMPTE274M数字电视标准中，采用8bits量化时1080/60i信号格式量度信号的有效码率为每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频=1920X1080X8X30=497.664Mbps2个色差信号的有效码率为2X960X1080X8X30=497.664Mbps总有效码率为2X497.664=995.328Mbps（1080/60i）1080/50i信号格式的有效码率为1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i）,数字电视技术中电视系统的表示方法示例,1080/60i：

1080表示每帧有效扫描行数，60表示帧频或场频，i表示隔行扫描。

720/50P：

720表示每帧有效扫描行数，50表示帧频或场频，P表示逐行扫描。

NTSC制可表示为：

480/60iPAL制可表示为：

576/50i1080/60i还可表示为：

1080/60/2：

1720/50P还可表示为：

720/50/1：

11080/60i还可表示为：

108060i720/50P还可表示为：

72050P,五.信源编码技术压缩编码技术,1数字视频压缩的必要性HDTV19201080显示格式数字化后传输速率995Mb/SSDTV复合编码135Mb/S分量编码4：

2：

2216Mb/S存储：

2小时HDTV，存储量7164Gbit/S2小时SDTV，存储量972Gbit/S复合编码1555Gbit/S分量编码传输：

HDTV需1Gb/S信道SDTV需12个155Mb/S信道无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。

2压缩编码方法,1）利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩电视图象中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同，具有时间相关性，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。

2）利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。

3）利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩对经常出现的数据用短码组表，对不经常出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。

从而实现与统计冗余有关的压缩。

4）利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩人眼的视觉特性：

对亮度信号比对色度信号敏感对低频信号比对高频信号敏感对静止图象比对运动图象敏感对图象中水平和垂直线条比对斜线条敏感包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。

压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。

3基本的图象压缩编码技术,1）分类冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。

即它是可还原的。

信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。

即它是不可还原的。

2）图象压缩技术优劣评估条件信息压缩比：

压缩前后所需的信息存储量之比重现图象精度：

重现的图象与原图象相比有多大失真执行速度：

压缩算法要多少时间完成压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。

电视节目制作：

压缩比2：

1至8：

1Sony数字Betacam录象机2.37：

1模拟分量录象机BetacamSP8：

1VCD母盘，压缩比12：

1采用帧内压缩方式，JPEG标准。

电视广播：

压缩比15：

120：

1采用帧间预测编码，MPEG2标准有线数字电视压缩比可加大至30：

1，MPEG2标准,3）基本压缩编码方法,预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。

这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测）。

利用象素的相关性还可进一步减小差值。

DPCM系统原理图,离散余弦变换（DCT）DCT（DiscreteCosineTransform）是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。

DCT是先将整体图像分成NN像素块，然后对NN像素块逐一进行DCT变换。

由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。

因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。

到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。

虽有失真，但人眼是可以接受的。

游程长度编码（RunlengthEncoding）是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。

在用之字形读出方式情况下，出现连零的机会较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只要给出“块结束”（EOB）码，就可以结束输出，从而节省很多码率。

通常，DCT系数量化之后，都采用之字形方式读出。

霍夫曼（Hoffman）编码霍夫曼（Hoffman）编码（属于统计编码）是可变字长编码（VLC:

Variable-LengthCoding）的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。

4视频压缩编解码标准,1）H.261标准1980年CCITT通过为国际标准用于可视电话，P64Kb/S，P=130可变，（641920）Kb/S用于会议电视，P36H.261（又称P64）是最早的一个码率压缩标准。

2）JPEG标准1986年提出，1992年公布为国际标准。

属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。

压缩比：

325.3接近原始图象质量5.311图象很好,满足绝大多数应用1116图象好,满足多数应用1532图象较好,满足某些应用,3）MPEG1标准1988年提出，1992年公布为国际标准典型应用如VCD等家用数字音象产品。

最高编码速率1.8Mb/S实现方法：

DCT、运动补偿和霍夫曼编码信源输入格式为SIF（SourceInpntFormat），如为CCIR601格式的信源要转换成SIF格式才能输入MPEG1编码器。

a）MPEG-1标准于1992年出版，目标是“对当比特率为1.5Mb/s时，用于数字存储媒体的动态图像及其伴音的编码”。

它首先提出了流（Sequence）数据结构，使视频数据的描述更加完善。

b）为了解决随机访问和高效压缩的要求冲突，在MPEG-1中定义了四种主要的图像类型：

I帧、P帧、B帧和D图像。

I帧只使用帧内编码，必须传递，P帧用于前向预测，B帧用于双向预测，D图像用于甚低频图像的浏览。

c）MPEG-1视频压缩中主要用到两项基本技术：

1、基于1616块运动补偿：

适用于预测编码和插补编码，用于减少帧序列的时间冗余度；2、基于变换域（DCT）的压缩技术：

用于减少空间冗余度。

在MPEG-1中，DCT不仅用于帧内压缩，而且对帧间预测误差，也可再作DCT变换，以达到进一步压缩的目的。

MPEG-1中的帧内编码：

像素点的DCT编码与JPEG相似，先进行DCT变换，然后通过量化和零行程等混合编码达到压缩。

但在系数量化阶段，MPEG的量化器考虑到运动信息和视觉质量提出了若干改进，如视觉权量化，即以视觉域值作为量化矩阵的步长；帧内块和非帧内块区别量化，对帧内的宏块和非帧内块采取两种不同的量化器；可调整量化器，在块与块的基础上对量化步长作自适应调整。

d）MPEG-1中用到帧间编码：

视频压缩标准中，几乎都用到了运动补偿技术（简称MC技术），一般为“简单帧间预测+运动补偿”框架。

MC技术通常由以下几个方面组成：

1、图像分割：

将视频图像分割成静止和运动两部分；2、运动检测和估值：

检测运动类型（平移、旋转和缩放等），估计运动物体的位移值；3、运动补偿：

用位移估值（即运动矢量）进行运动补偿预测；4、预测信息编码：

对预测信息进行编码，作为边信息传送给接收端。

图像分割（它是MC技术的基础），采用了两种方法：

块匹配法（BMA）和像素递归法（PRA）。

1、BMA是把图像分成若干矩形子块，适当选择子块大小，把子块分成静止和运动两类，估计出运动子块的位移，进行预测编码。

2、PRA则是对每个像素的位移进行递归估计,其精度相对来说较高，对多运动图像适应能力强，但跟综能力较弱，且实现复杂。

BMA虽精度较低，但位移跟综能力较强，且实现简单，很有实用性。

e）在MPEG-1中，帧间预测后宏块被送入DCT变换，而运动矢量则用DPCM编码，再经VLC量化和霍夫曼编码后完成压缩过程。

4）MPEG2标准1988年提出，1994年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括SDTV和