数字电视技术基础.docx
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数字电视技术基础
第一章广播电视的数字化进程
在人类社会踏入新世纪之初，受益于科技进步带来的社会文明的人们，回首历数20世纪十大发明时，无不将电视作为最伟大的发明之一，电视以作用于人类视、听两个主要感观的广播方式，进入了全球60%以上的家庭，几乎遍及到人类活动的所有场所，目前中国已拥有8000万个有线电视用户，电视已成为人们日常生活中不可缺少的部分。
1．广播电视的数字化
广播电视在二十世纪七十、八十年的发展历程中，技术进步始终以扩大覆盖率、提高影响力、拓展传输手段、改善服务质量为目标，然而近二、三十年广播电视发生了根本性的变革：
模拟向数字技术的过渡阶段。
数字技术的采用，其原因至少有以下三方面。
其一，是数字信号在抗干扰性和几乎无误差、完美的图像和声音的广播上，其性能要优于模拟信号。
其二，是数字信号的比特流可以在一个传输频道内复接、交织，因而可使辅助信号或数据信号与视音频信号一起被发射、传输、存储或处理，使原来的广播电视频道具有拓展综合信息广播的能力，增加了广播电视节目的多样性。
其三，是数字信号可使用基于冗余度缩减的压缩编码技术，以提高频谱利用率，增加系统可靠性，降低运行费用，使广播电视具有数字声广播、标准数字电视（SDTV）、高清晰度电视（HDTV）的传送能力。
电视广播的数字化，既涉及到采、编、录、制整个节目制作过程的数字化，又涉及到从播出到接收的传输系统的数字化。
从九十年代开始陆续发表的数字地面电视传输标准，对数字电视的发送和接收整个传输链路的数字化作了详细的描述和规定。
✧日本的数字电视起步最早，于1994年开始试播高清晰电视节目，直到1997年9月成立了“数字广播专家组（DIBEG）”，并提出了“综合业务数字广播ISDB”系统标准。
✧美国1987年成立了高级电视业务顾问委员会（ACATS），策划美国高级电视。
于1996年12月，通过ATSC数字电视标准作为美国国家标准。
✧欧洲1993年组织了有200多个组织参加的DVB项目，即数字视频广播系统，它包括了卫星、有线电视、无线电视等多种传输方式的普通数字电视和高清晰度电视广播。
✧中国亦已于1997年元旦开始，在卫星数字电视广播系统采用DVB-S标准播出；而符合DVB-C信道编码和调制方式的有线数字电视传输标准正在报批中，而我国也将制定自己的高清数字电视传输标准。
2．数据业务与有线电视网络
自1993美国提出“信息高速公路”概念以来，因特网的浪潮席卷全球，推动着全球经济的发展和变革。
1997
1998
2002
2005
2010
全球
1．2亿
2亿
3．2亿
5亿
10亿
中国
67万
210万
2400万
5000万
2．5亿
表一因特网用户发展趋势
由上表可以看出，根据网络业务的数据化趋势预测，若全球网络的数据业务和话务分别按40%和10%的年增长率发展，全球将在2003年后，网络的数据业务将超过话务量。
未来十年内，网络数据业务的急剧增长，势必导致对网络带宽的急切追求，同时推动多媒体软硬件产业的迅速发展。
换言之，制约网络数据业务发展的因素，将主要来自网络带宽的制约和多媒体终端的普及率的制约。
目前提出的解决方案，要求网络能实现带宽的按需分配，使网络的运行具有网络带宽的动态分配机制。
随着光纤技术的逐步引入网络主干，使网络带宽的瓶颈转移到网络最后一公里范围的用户接入系统。
相比之下，采用同轴电缆分配结构的有线电视分配网要比采用铜双绞线的电信接入网更具有优势。
播入方式
传输速率
传输距离
备注
N-SDN
128kb/s
几十公里
数字
用户线
（DSL）
HDSL
784kb/s
约3.6km
ADSL
1.5Mb/s（下行）
约5.4km
256k/s（上行）
SDSL
1.5Mb/s
正研制
VDSL
26Mb/s（下行）
约300m
正研制
1Mb/s（上行）
有线电视网
HFC
50Mb/s（下行）
N+公里
16Mb/s（上行）
表二电信网与有线电视网的数据传输特性
由表二可见，HFC结构的有线电视网，其数据传输速率是目前采用ADSL或N-ISDN接入方式的电信网的20-200倍，且传输距离长，运行成本低。
近几年来，有线电视网的宽带特性倍受关注，引得许多电信业出巨资并购有线电视网，例如：
美国AT&T公司用480亿美元购并美国TCI有线电视网；中国电信投资地方有线电视网的改造。
3．有线电视系统的数字化
为适应数字电视广播或未来高清晰度电视广播的传输要求，并满足不断增长的数据业务对网络带宽的需求，有线电视系统的数字化已势在必行。
有线电视系统数字化的最直接的好处，是：
✧提高频谱利用率，增加频道容量；
✧利用有条件接收、加强网络管理；
✧开发交互式业务、增加网络收益；
为此，我国广电部在1997年将有线电视业务定位为基本业务、扩展业务、增值业务等三类业务，以推动有线电视系统的数字化。
有线电视系统的数字化工作，主要在两个方面展开。
一、HFC网络结构的改造。
即根据网络覆盖地域的实际情况，建设环型或星型结构的光纤骨干网，尽量将光节点下移，以缩小同轴电缆分配系统的用户规模；拓宽电缆分配系统的传输带宽，优化回传通道的设计，改善上行信道的传输特性。
二、制定一系列数字有线电视的传输标准。
目前已实施的有北美的有线电视数字视频传输标准和欧洲的DVB标准。
我国基本确认采用DVB标准。
DVB-C标准
北美标准
信源编码
视频
MPEG-2
MPEG-2
音频
MPEG-2层Ⅱ
DolbyAC-3
复用
MPEG-2
MPEG-2
信道编码
外纠错码
RS
（204．188．8）
RS
（204．188．8）
内纠错码
交织码
交织码
调制
QAM
QAM
表三DVB-C标准与北美标准的对比
作为交互式有线电视业务传输系统标准，国际电联颁发了美国的DOCSIS标准，和欧洲的DAVIC标准。
我国许多地方大都采用DOCSIS标准。
欧、美两种交互式有线电视业务系统的主要差别，在于欧洲的DAVIC是基于ATM的通信机制，而美国的DOCSIS则主要基于IP包的通信方式。
第二章数字电视技术基础
1．信源编码技术
当模拟信号数字化后其频带大大加宽，一路6MHz的普通电视信号数字化后，其数码率将高达167Mbps，对储存器要求很大，占有的带宽将达80MHz左右，只有采用数字压缩技术才能很好地解决上述困难，压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带。
应用种类
比特数/象素
象素数/行
行数/帧
帧数/秒
亮色比
比特/秒
（压缩前）
比特/秒
（压缩后）
HDTV
8
1920
1080
30
4:
1:
1
1.18G
20~25M
SDTV
8
720
480
30
4:
1:
1
167M
4~8M
会议电视CIF
8
352
288
30
4:
1:
1
36.5M
1.5~2M
桌上电视QCF
8
176
144
30
4:
1:
1
9.1M
128K
电视电话
8
128
112
30
4:
1:
1
5.2M
56K
有线电视网中数字压缩技术主要包括用于会议电视系统的H.261压缩编码，用于计算机静止图像压缩的JPEG和用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术。
编码压缩方法有许多种，从信息论角度出发可分为两大类：
（1）冗余度压缩方法，也称无损压缩。
具体讲就是解码图像和压缩编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。
哈夫曼编码、算术编码、行程编码、Lempel2ev编码属于无损压缩编码。
（2）信息量压缩方法，也称有损压缩。
也就是讲解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。
DPCM和运动补偿的预测编码、正交变换编码、统计分块编码、分形编码属于有损压缩编码。
JPEG标准：
JPEG主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于帧内，便于编辑。
JPEG标准所根据的算法是基于DCT（离散余弦变换）和可变长编码，关键技术有变换编码、量化、差分编码、运动补偿、霍夫曼编码和游程编码等。
DC
压缩的图像
AC
图一JPEG系统框图
MPEG-2标准：
MPEG意思是“运动图像专家组”，MPEG-2是MPEG专家组制定的有关运动图像的一组压缩编码标准。
MPEG-2规定的图像格式符合CCIR601建议（NTSC为704*480，PAL为704*576），规定的码率为4~8Mbps。
MPEG用句法规定了一个层次性的结构，共分六层。
这六层是图像序列--图像组--图像--宏块条--宏块--块。
一个图像包含亮度序列和色度序列。
在MPEG-2中亮度和色度的格式有4:
2:
0，4:
2:
2及4:
4:
4。
MPEG标识了三种不同类型的图像帧：
✧I帧。
这是一个自包含的帧，它只不过是一幅JPEG编码的图像，属帧内编码；
✧P帧这种帧通过计算当前帧与前一个帧的差别来进行编码，属E向预测；
✧B帧类似于P帧，但它被插入在前一帧和后续帧之间，属双向预测。
ESPES节目流PS
ESPES
ES传输流TS
PES
图二MPEG-2系统框图
MPEG-2系统的作用有以下几点：
（1）对音频、视频、数据、控制等基本流起系统复用的作用；
（2）提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始化和管理；
（3）给解码器提供一种信息（PSI），使之更容易和更迅速地找到节目；
（4）给误差恢复，有条件接入，随机接入，数字存储控制提供支持。
2．信道编码技术
数字信号在传输过程中，会受到各种噪声和干扰的影响，使接收端产生错误判决，造成误码（差错）。
差错的类型主要有二种。
（1）随机差错：
由随机噪声所造成的差错。
（2）突发差错：
指成串出现的差错，差错分布比较密集，差错之间有相关性。
为了达到规定的误码率，提高数字通信的可靠性，往往要采用信道编码来发现可能产生的误码（检错码）或发现并纠正错码（纠错码）。
信道编码也称为差错控制编码。
基本做法是：
发送端在传输的信息码元序列中附加一些冗余的监督码元，这些监督码元和信息码元之间按编码规则形成一定的关系，接收端则通过检查这种关系来发现或纠正可能产生的误码。
信道编码的目的主要有两点：
（1）要求码列的频谱特性适应通道频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性，提高传输速率。
（2）增加纠错能力，使得即便出现差错，也能得到纠正。
差错控制方式常用有以下三种。
（1）检错重发方式（ARQ）：
发送端发出检错码，接收端收到后经检验如果发现传输中有错码，但不知错码的准确位置，则通过反向信道把这一判断结果发送给发送端。
（2）前向纠错方式（FEC）：
发送端发送纠错码，接收端在收到的信码中不仅能发现错码，而且还能够确定错码的准确位置，并纠正错码。
（3）混合纠错方式（HEC）：
该方式是前两种方式的结合，发端发送的码不仅能够检测错误，而且还具有一定纠错能力。
纠错编码方式简介：
✧奇偶监督码：
也称奇偶校检码，是一种最简单的线性分组检错编码方式；
✧行列监督码：
是二维奇偶校检码，又称为矩阵码；
✧恒比码：
又称为定比码，每个码组“1”和“0”都保持固定的比例；
✧汉明码：
属于线性分组编码方式，又称为群码；
✧循环码（CRC）：
具有循环性，即循环码中任一码组循环一位以后，仍为该码中的一个码组；
✧RS码（里德-索罗门码）：
对突发性错误有较强的纠错能力，被DVB标准采用。
RS（204，188，8）即分组码符号长度为204个，188个信息符号，可纠错8个。
✧连环码（卷积码）：
连环码是一种非分组码，通常它更适用于前向纠错法。
✧交织法：
交织法结合纠正离散差错的简单编码就可完成纠正群差错的任务。
3．数字信号的载波调制
数字基带信号的频谱集中分布在低频段，不适合直接在带通信道中传输，为了在带通信道中传输数字信号，必须采用数字调制技术将基带信号的频谱搬移到适合信道传输的频段，再进行传输，这种通信方式称为数字信号的载波传输（调制传输）。
所谓数字调制是指用基带信号对正弦载波信号的某些参量进行控制，使其随基带信号的变化而变化。
数字调制有三种基本调制方式：
幅度键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）。
主要介绍在数字电视中广泛应用的几种数字调制方法。
四相相移键控（QPSK）：
图三QPSK调制原理及其星座图（a）原理图（b）星座图
QPSK调制的原理是把相继两个码元的四种组合（00.01.10.11）对应于正弦波的四个相位：
Si（t）=cos（wct+Qi）i=1,2,3,4;-T/2≤t≤T/2
当Qi=0,±π/2,π,±π/4,±3π/4时,Si（t）=aicosWct+bisinWct
相应的Qi是±π/4,±3π/4时,（2ai,2bi）=（1,1）,（-1,1）,（-1,-1）,（1,-1）
用（ai,bi）在二维平面上表示，即得图3（b）星座图。
QPSK正交调制器原理图如图3（a），它可以看成由两个BSPK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经串一并变换，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性=电平信号I（t）和Q（t），然后对CosWct和SinWct进行调制，相加后即得到QPSK信号。
QPSK调制广泛用数字卫星电视的下传信道和有线电视数据上传信道上。
世界上著名的QPSK调制器生产商有PHILIPS、科学亚特兰大、康讯、哈雷、Skystream、Newtec等。
正交振幅调制（QAM）
如果让ai,bi本身取不同的值，所作的处理就是正交振幅调制（QAM），图4是16QAM和32QAM的星座图。
正交轴
********
******
**********
同相轴
**********
******
********
图416QAM和32QAM的星座图
由图可见，在同相轴和正交轴上的幅度电平不再是2个而是4个（16QAM）和6个（32QAM）所能传输的数码率也将是原来的4倍和5倍。
图416QAM信号的调制原理图
16QAM信号的调制和解调方框图示图4，这是正交调幅方式，用两路正交的4电平振幅键控信号叠加而成。
64QAM调制采用6电平方式，所以传输的数码率是原来的6倍，例如原模拟电视一个频道8MHz带宽内，利用64QAM调制传输数字信号，可以传输数码率为7*6=42Mbps。
但并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率，因为随着电平数的增加，电平间的间隔减小，噪声容限减小，同时噪声条件下误码增加。
QAM调制器是有线电视数字化中主要的传输设备之一，世界上著名的生产厂商有：
比利时巴可公司、德国赫斯曼公司、美国PBI公司等。
正交频分复用（OFDM）
数字传输中一个很大的问题是多径反射问题，即电视中的重影问题。
如果反射信号接近一个周期或在多个周期中心附近，会给判决带来严重的码间干扰。
使用正交频分复用（OFDM）方法可以有效地克服反射或重影造成的影响。
基本方法是把原来的一个载波变成多个载波，把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上。
由于数码率大大降低，比特周期大大加长，因此反射波的影响就大为减小。
由于OFDM各载波间是正交的，因此即使各载间有重叠部分，解调时也能利用正交性把各载波信号分开，就可充分利用带宽，安排尽量多的载波。
欧洲的DVB-T、HDTV以及DVB系统都采用OFDM调制方式，我国的数字地面广播体系也采用此类方法--COFDM。
第三章CATV宽带综合服务网
4．CATV宽带综合服务网的特点和组成
CATV宽带综合服务网与其它数字通信网有所不同，它表现出多样性和兼容性的特征。
（1）模拟信号和数字信号并存；
（2）频分复用与时分复用并存；
（3）光缆与电缆并存；
（4）信号分配与信号交换并存。
一个完善的CATV宽带综合服务网大体上可分为如下三个部分。
（1）模拟电视和话音通道，它是一个单向广播方式网络；
（2）交互式数据和话音通信网，这是一个双向交互式网络；
（3）交互式视频服务系统：
如视频点播（VOD、NVOD）、资料检索和浏览、远程教学和电子游戏等；
✧对称双向传输系统：
系指上行、下行带宽都占1个频道带宽，即8MHz以上的系统，如图6示。
图6
上图中模拟信号和数字信号按频分复用方式处理，数字信号分为两部分：
（1）数字视频信号：
以8MHz为一单位，置一载波，可以复用6~10套节目，然后用64QAM调制。
（2）数字交互式信号：
即数据和IP电话信号。
下行频带位于550MHz~750MHz，其带宽为8MHz~30MHz；上行频带位于5~42MHz之中，其带宽为8~10MHz，调制方式可采用QPSK或QAM。
✧不对称双向传输系统：
一般指上行系统利用电话线和公用电信网络。
如图示同洲IPoverDVB有线系统，用户只需在计算机中插入用户接收卡或用带有数据输出的机顶盒与计算机连接，就可以进行高速数据下载；上行利用电话Modem接入PSTN网。
5．DVB-C前端
数字有线电视前端构成框图如下：
前端大致可分成四个主要部分：
输入部分，处理、复用部分，输出调制器部分和管理系统。
✧输入部分：
（1）卫星接收：
采用接收与解码为一体的，带有TS传输流输出的数字卫星接收机IRD将数字卫星电视信号接收下来，直接进行QPSK解调送出TS流即可，此类设备多为国外设备，如菲利蒲、现代、科学亚特兰大等，国产品牌以同洲CDVB99Plus为主。
（2）数字开路信号的接收机：
由于通常DVB-T的编码器是可在HDTV与SDTV之间切换，故接收机也能作相应的切换，目前由于我国DVB-T的标准尚在制定中，此类接收设备还未能商用。
（3）来自数字式通信干线的传输流：
它们可能是SDH、PDH、ATM等网络传输，对这些传输流，则主要是接口形式的适配。
同洲公司生产的IPGW-2000网关就是适用于IP转成DVB的网络适配设备。
（4）对于来自本地节目源的A/V信号：
需要进行MPEG-2的编码，如果多节目产生一个传输流，则需有多路复用器。
目前国际上较有名的复用器生产厂家有：
比利时的巴可公司、荷兰的菲利浦、以色列的Scopus等。
✧TS流的监视、处理与复用
信号源所送出的传输流（TS），在送到QAM调制器前，首先要受到检查，监视的主要内容如下：
TS流同步丢失否？
同步字节错误否？
TS流连续否？
PAT正确否？
PMT正确否？
PID正确否？
此外，由于来自DVB-S、DVB-T等节目的SI服务信息是不同于DVB-C分配系统所需要的PSI、SI，所以需要进行重新定义的处理，更新PSI和SI信息。
由于节目经取、舍、复用成新的TS流，所以PAT、PMT等也要更新。
复用可分为一般复用和统计复用。
一般复用即将输入的多个TS流的信息汇总成一个比特率更高的TS流输出，不改变各TS流中所含节目信息的比特率。
而统计复用则可分析各输入节目的具体情况，按需分配，使有限的比特率能尽可能合理的在所有的节目间进行动态分配，以达到压缩总比特率而尽量不影响节目质量的目的。
✧QAM调制部分：
QAM调制器可用模拟方案或数字滤波器法两种方案实现。
Barco公司的QAM调制器属数字方案，赫斯曼公司的QAM调制器属模拟方案的。
数字方案有下述优点：
（1）完美的正交调制；
（2）没有幅度不平衡；
（3）载波完全抑制；
（4）无非线性失真等。
以Barco的QAM为例说明其性能：
输入：
ASI或SPI方式，66特率1~80Mbit/s。
输出：
频率8~863MHz，电平50~60dBmv，带宽1~8MHz。
信道编码：
里德索罗门编码和卷积交织。
QAM点数：
QPSK，16，32，64，128，256QAM。
符号率：
1~7Msps
其符号率与带宽的关系式为：
Bw=1.15*bit/log2（n）=1.15*符号率。
传输网络的条件越好，则可用星座点数多，则可用的bit率高，于是每个信道可传送的节目套数越多。
一般用64QAM，在8MHz带宽内，比特率为41.7Mbit/s，每个频道可传6~8套节目。
6．数字机顶盒STB
作为模拟电视向数字电视过渡期的解决方案，STB是一种集电脑、电视和电信技术为一体的高科技产品，支持现有模拟电视业务和未来数字视频业务。
从使用上讲，它是以电视机为显示设备，接收来自各种数字广播系统数字信号的用户端数字设备。
从信号处理和应用操作上看，STB包含以下层次：
（1）物理层和连接层：
包括高频调谐器、QPSK、QAM、OFDM、VSB解调，卷积解码，去交织，RS解码，解能量扩散。
（2）传输层：
解复用，把传输流分成视频、音频和数据包。
（3）节目层：
MPEG-2视频解码，MPEG/AC-3音频解码；
（4）用户层：
服务信息，电子节目表（EPG），图形用户界面（GUI），浏览器，遥控，条件接收，数据解码。
（5）输出接口：
模拟音视频接口，数字视音频接口，数据接口，键盘，鼠标等。
图机顶盒结构框图
机顶盒技术通常包括四个部分：
✧机顶盒硬件技术；
✧操作系统；
✧应用程序；
✧连接应用程序与操作系统，硬件的中间件；
中间件所指的是位于机顶盒的硬件驱动程序和实时操作系统之上，数字交互业务应用程序之下，连接两部分的软件。
中间件用来将机顶盒中的应用程序和底层的硬件和网络部件分离开，使应用程序的开发与硬件底层脱离，与平台无关；并且中间件提供通用的应用程序接口（API），能使应用程序的开发难度大大降低而效率大大提高。
中间件对于电视网络开展大规模的数字交互业务是不可或缺的部分。
中间件的应用可以为数字交互业务系统提供以下好处：
（1）独立于操作系统；
（2）独立于硬件平台；
（3）内容丰富的应用程序接口；
（4）应用程序开发简单；
（5）多种实用工具；
（6）软件重用；
STB采用较多的中间件有QpenTV、PowerTV、WinCE、JavaChorusOS、DavidbyMicrowave、OS-9、Poss、Mediahigh-way、Navio等。
目前的技术趋势，一是STB应能支持多操作平台；二是将IP协议全面引入STB。
支持TCP/IP协议的中间件主要是OpenTV、PowerTV和ＤavidbyMicrowave等。
✧OpenTV是目前国际上卫星电视直播领域常用的中间件，是大部分EPG的开发平台。
基于OpenTV还可以开发各种电视和广播之外的信息服务，如天气预报，游戏等。
特点是具有较好的开放性。
此外常用的还有MediaHigh-way。
✧PowerTV系统具有可扩充性、可移植性、可靠性、跨平台等特点。
其设计目标是：
实时多媒体传送；满足用户使用的简单性、可靠性、便利性和娱乐性；低成本；支持混合业务和传输操作；多开发平台；适合不同运行时间要求的应用。
✧WinCE适用于消费内嵌式或便携式智能产品。
具有内核紧凑、资源占用小、
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