数字电视系统综合实验 实验指导书.docx

1、数字电视系统综合实验 实验指导书 Wx2009DTV数 字 电 视 系 统实 验 指 导 书电子信息系目 录 缩略语表英文缩写英文全称中文含义CATConditional Access Table条件接收表CBRConstant Bit Rate恒定编码率CVCTCable Virtual Channel Table有线虚拟频道列表DCT Discrete cosine transDTVrm离散余弦变换DFT Discrete DTVurier TransDTVrm离散傅里叶变换DVBDigital Video Broadcasting 数字视频广播EITEvent InDTVrmation

2、Table事件信息表ETT Extended Text Table扩展文字列表GOP Group of pictures图像组HVSHuman visual system人眼视觉系统ISDBIntegrated Services Digital Broadcasting综合业务数字广播JPEGJoint photographic experts group静态图像专家组MGTMaster Guide Table原版指南表MPEGMoving Picture Expert Group运动图像专家组MPEG-1基于数字存储媒体运动图像和声音的压缩标准MPEG-2通用的图像和声音压缩标准MPEG-4

3、基于视频和音频对象的压缩标准NITNetwork InDTVrmation Table网络信息表PATProgram Association Table节目关联表PCRProgram clock reference程序参考时钟PIDProgram Identifier节目标识PMTProgram Map Table节目映射表PSIProgram Specific InDTVrmation节目专用信息RRTRating Region Table等级区域表SDTService Description Table服务描述表SIService InDTVrmation服务信息TDTTime and D

4、ate Table时间日期表TSTransport Stream传输流TVCTTerrestrial Virtual Channel Table地面传输虚拟频道列表VBRVariable Bit Rate可变编码率 DTV实验操作指导1.1 硬件操作说明DTV 实验系统可以采用PC客户端软件或WEB GUI方式进行远程控制，以进行数字电视相关实验的操作。该系统实验箱提供了理想的封装，用户可通过实验箱面板所示的插槽，对实验设备进行连接。 实验基本设备：DTV实验箱、计算机、网线、视(音)频线； 实验系统输入：DVD、VCD、DV等视频播放器； 实验系统输出：电视机、监视器等显示器； 设备连接步骤

5、：(1) 将视频播放器(如DVD)的视(音)频线按对应的红、黄、白三色插入实验箱的“输入”端口；(2) 将显示器(如彩色电视机) 的视(音)频线按对应的红、黄、白三色插入实验箱的“输出”端口；(3) 将网线的两端分别于计算机与实验箱的“网口”端口相连；(4) 配置计算机的网络属性 ； 实验使用步骤：(1) 正确连接硬件设备连接线；(2) 正确设置计算机的TCP/IP参数(192.168.5.217;255.255.255.0；192.168.5.89)(3) 打开计算机的Internet Explorer，登录到控制网页，输入IP地址：http:/192.168.5.237，进入身份确认窗口，

6、如图1-1所示；(6) 键入用户名与密码(设初始用户名：admin；密码：password)，打开DTVDTV数字电视实验网页，如图1-2所示，实验包含7个可选控键：数字电视实验、流媒体实验、音频设置、视频设置、高级设置、IP地址设置、密码修改；(7) 用户根据要求选择相应的实验操作；图1-1 身份确认窗口 图1-2 DTV数字电视实验系统网页1.2 实验操作说明本系统适用于数字电视课程实验实习及实际的数字电视传输培训等，通过提供的可视化界面，实现视(音)频A/D ，D/A演示实验数字电视编解码实验流媒体编解码实验以及音频编解码实验。总体实验的目的是在实验中，通过亲手对系统有关程序的操作，建立

7、并加深实验者对数字电视系统的总体概念。1.2.1视频实验实验1 信源编解码实验实验目的：演示视频信源按MPEG-2和MPEG-4标准编解码，对视频编解码有直观的了解实验内容：连接硬件设备，进行DTV数字电视实验系统后，打开“数字电视实验”或“流媒体实验”网页，选中“开始工作”选项，选择匹配的视频制式及其他相关参数，按“确定”键，系统开始编解码操作。图1-3与图1-4分别对应MPEG-2与MPEG-4格式下视频编解码实验对话框。图1-3 数字电视实验参数设置示例图1-4 流媒体实验参数设置示例注意： “开始工作”选项未选中时，系统只进行参数设置，编码器未启动； 视频制式包括NTSC 和PAL 两

8、种制式，这两种制式是不能互相兼容的，如果在PAL制式的电视上播放NTSC的影响，画面将变成黑白，NTSC制式的也是一样，PAL制式和NTSC的分辨率也有所不同； 输入格式为Composite Channel 或 S端子； 如表1-1所示，实验系统视频采样分辨率按不同的视频制式，可采用不同的级别； 编码格式：恒定编码率CBR(Constant Bit Rate)或可变编码率VBR(Variable Bit Rate)。选择可变编码率(VBR)时，码率为编码码率峰值，单位为Kbps。撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果3、 写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获

9、得的收获4、 测试结果分析实验2 信源恒定比特率(CBR)编码实验实验目的：分别在MPEG-2与MPEG-4编码格式下，采用恒定比特率(Constant Bit Rate，CBR)方式进行数字电视信源编码，比较不同比特率情况下的编解码输出效果。实验原理：使用恒定比特率编码时，比特率编码输出过程中基本保持恒定并且接近目标比特率，始终处于由缓冲区大小确定的时间窗内。CBR编码的缺点在于编码内容的质量不稳定。因为内容的某些片段要比其他片段更难压缩，所以CBR流的某些部分质量就比其他部分差。此外，CBR编码会导致相邻流的质量不同。通常在较低比特率下，质量的变化会更加明显。实验内容：连接硬件设备，进行D

10、TV数字电视实验系统后，打开“数字电视实验”或“流媒体实验”网页，选择编码格式为CBR方式，填入较低码率进行编解码演示，观察视频输出效果。再填入较高码率进行编解码演示，观察视频输出效果，并与低码率的情况进行比较。图1-5与图1-6分别对应MPEG-2与MPEG-4格式下的信源CBR编码实验对话框。 图1-5 MPEG-2格式下信源CBR编码实验图1-6 MPEG-4格式下信源CBR编码实验撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果3、 写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获4、 测试结果分析。实验3 信源可变比特率(VBR)编码实验实验目的：分别在MPEG

11、-2与MPEG-4编码格式下，采用可变比特率(VBR)方式进行数字电视信源编码，比较不同比特率情况下的编解码输出效果，并与恒定比特率(CBR)方式作比较。实验原理：可变码率英文是variable bit rate，缩写VBR。这是一个用来形容通信服务质量(QoS DTVr Quality of Service)的术语，和该词相对应的词是固定码率或固定比特率，英文constant bit rate，缩写CBR。当形容编解码器的时候，VBR编码指的是编码器的输出码率(或者解码器的输入码率)可以根据编码器的输入源信号的负责度来自适应地调整，以达到保持输出质量不变而不是保持输出码率保持不变。VBR编码

12、适用于需要恒定音视频输出质量的情况。使用VBR编码时，系统将根据一定的标准自动为内容的简单部分分配较少的比特，从而留出足量的比特用于生成高质量的复杂部分。对混合内容使用VBR编码时，在文件大小相同的条件下，VBR编码的输出结果要比CBR编码的输出结果质量好得多。在某些情况下，与CBR编码文件质量相同的VBR编码文件，其大小可能只有前者的一半。而对于复杂性较低的内容（如新闻播音），则不会受益于VBR编码。实验内容：连接硬件设备，进行DTV数字电视实验系统后，打开“数字电视实验”或“流媒体实验”网页，选择编码格式VBR方式。在VBR平均码率框内填入所需VBR平均码率，在码率框中填入VBR峰值码率。

13、分别选择低码率与高码率进行实验，比较其输出结果，最后再与CBR编码方式做比较。图1-7与图1-8分别对应MPEG-2与MPEG-4格式下的信源VBR编码实验对话框。图1-7 MPEG-2格式下信源VBR编码实验图1-8 MPEG-4格式下信源VBR编码实验撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果3、 写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获4、 测试结果分析实验4 不同码率编解码实验实验目的：分别在MPEG-2与MPEG-4编码格式下，比较码率对压缩编码的影响。实验原理：码率是影响视频编码质量的重要因素，高码率意味着有更多的比特分配到每一帧进行编码，从而降

14、低编码误差提高视频解码播放的效果，但是对传输带宽提出了更高的要求。低码率降低了对带宽的要求，但是提高了编码误差，视频解码播放的效果相应降低。实验内容：连接硬件设备，进行DTV数字电视实验系统后，打开“数字电视实验”或“流媒体实验”网页，选择CBR或者VBR方式，在码率框内分别设置低、高码率进行编解码，观察输出的视频效果，图1-9与图1-10分别对应MPEG-2与MPEG-4格式下的不同码率编码实验对话框。图1-9 MPEG-2格式下不同码率编解码实验图1-10 MPEG-4格式下不同码率编解码实验撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果3、 写出调试中碰到的问题

15、，以及解决办法，获得的收获4、 测试结果分析实验5 不同GOP结构编码实验 实验目的：分别在MPEG-2与MPEG-4编码格式下，比较采用不同GOP结构编码的效果。实验原理：一个GOP由I为起始的一串IBP帧组成，其结构由MN标示。M表示GOP的长度，即前一个I帧到下一个I帧之前的B帧之间的间隔，如IBBPBBPBBI中GOP的长度为9。N则表示相邻I帧或P帧距离。GOP越长，MPEG-2编码越有效，所需的码率越低，但是解码视频质量也相对降低。一般的GOP结构最多由12帧组成。I帧重复频率不同，可提供不同的输出码率。GOP的结构随码率变化而不同，如码率大于40Mbps时，帧重复方式推荐为只有I

16、帧，GOP最短，具有高效率的优点；码率为15-40Mbps时，帧重复方式推荐为IB，GOP较短；码率小于15 Mbps时，帧重复方式推荐为IBP或IBBP，GOP较长，有延迟，影响存取速度。总之，图像质量随着码率10-50 Mbps的升高而提高。尽管帧重复方式可以是IP,IB,IBP,IBBP,甚至是只有I帧，但针对不同的应用及码率，有不同的GOP结构：新闻编采，码率18Mbps，采用IB帧的GOP结构；节目分配，码率20Mbps，采用IBBP帧的GOP结构；存档，码率30Mbps，采用IB帧的GOP结构：后期制作，码率50Mbps，采用I帧GOP结构。实验内容：连接硬件设备，进行DTV数字电

17、视实验系统后，打开“高级配置”网页，在高级配置中GOP结构选项中选择不同的M，N参数进行编解码实验，比较视频输出的效果，图1-11实验对话框示例图。图1-11不同GOP结构编码实验参数设置示例说明： GOP（Group Of Picture）结构设置： N：一个GOP中的帧数目（范围1-256） M：参考帧间距（范围0-3） 若设置M=0，则必须设置N=1。若M不为0，N为M的倍数。 节目ID（Program ID）设置： PMT（Program Map Table）PID：21-8190 （默认为33） 视频PID：21-8190 （默认为33） 音频PID：21-8190 （默认为34）撰

18、写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果2、写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获3、测试结果分析实验6 数字电视编码标准与流媒体编码标准的比较实验目的：比较采用相同码率编码条件下的数字电视信源编码标准(MPEG-2)与流媒体信源编码标准(MPEG-4)的编解码效果。实验原理：相对于MPEG-2，MPEG-4的压缩率相当高，非常适用于低码率情况下的压缩编码。实验内容：分别采用MPEG-2与MPEG-4标准进行编解码，对于低码率与高码率的不同情况，以及不同的GOP情况，比较输出视频效果。撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果

19、2、写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获3、测试结果分析实验7 视频A/D D/A实验实验目的：分析对输入的模拟视频信号的采样和转换实验原理：A/D转换器的作用是把连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，主要包括取样、量化和编码三大部分。其中，取样实现了时间轴上的离散化，量化过程则实现了幅度轴上的离散化，而编码是实现把离散化了的数据用二进制码型表示，进而变为一系列的电脉冲。A/D转换器中的编码，是把代表特定量化电平等级的比较器的输出状态数据组合，变换成以n比特表示的二进制数码，即每一组二进制数码代表了一个取样值的量化电平等级。模拟信号被数字化之后，送入数字设备进行处理、记录或传送。最

20、后，当与其他模拟信号设备联结时，需要重新还原为模拟信号。D/A转换器的作用即为把数字信号还原为模拟信号，该转换主要有数字解码、内插低通滤和零阶保持补偿等三部分电路组成。数字解码是主要部分，其作用是把代表取样值的二进制数码还原为相应的量化电平脉冲。内插低通滤波器，用于把离散的脉冲转换为在时间轴上连续的模拟信号。由于内插滤纸不可能具有理想的门函数频率特性，又因编码时的取样脉冲也不可能是理想的冲击函数序列而是具有一定宽度的脉冲，这都会使恢复的模拟信号高频成分受到损失。因此，内插低通滤波器之后，又加入零阶保持补偿电路，用于提升模拟信号的高频成分，使输出信号更接近原来的模拟信号。实验内容：连接硬件设备，

21、进行DTV数字电视实验系统后，打开“视频设置”网页，选择调整视频亮度、对比度、色饱和度及色调的参考值，观察输出的视频效果，图1-12为视频A/D，D/A实验对话框设置示例图。图1-12 视频A/D D/A实验参数设置示例撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果2、写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获3、测试结果分析1.2.2音频实验实验1 音频编解码实验实验目的：比较MPEG-2与MPEG-4标准下的音频编解码效果。实验内容：在两种编码标准下，对各种码率的码流进行编解码，观察声音经编码后的时延情况，分析不同情况下音频的编解码效果，比较编码前和编码后声音

22、质量的情况，分析信号的差异。撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果2、写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获3、测试结果分析实验2 音频A/D D/A实验实验目的：分析对输入的模拟音频信号的采样和转换实验原理：在电视系统中，声音与图像是同时传送的，所以实现数字化时还应当考虑对声音信号的数字化。声音信号的A/D转换也与图像信号A/D转换相似，包括取样、量化和编码。但由于声音信号的带宽、动态范围及信杂比的要求等与图像信号相比有很大的区别，所以声音信号的取样频率标准及量化电平数均与图像信号不同。另外，对于电视伴音，由于在与视频单通道同时采用时分复用方式，在选

23、择声音的取样频率参数时，还应考虑与图像信号的扫描行频、场频及取样频率的关系。音频信号取样频率的选择原则也是根据奈奎斯特取样定理，即取样频率。音频信号的上限频率，演播室内的高保真音频信号取为20KHz，传输用或普能音频信号则取为15 KHz。为了防止取样频谱混叠，取样前同样采用前置低通滤波器，把过高的频率及杂波滤除。考虑到低通滤波器的过渡特性，通常选取样频率为：在复合全电视信号直接编码方式中，为了满足声音与图像时分复用，应选择声音取样频率为行频的整数倍，早期当用磁带录像机来记录数字音频时，规定每场312.5行（625行/50场扫描标准）中，用294行记录数字音频数据，而且每行记3个样位，所以得出

24、：294350=44.1KHz，成为音频取样频率标准。这也同时满足的要求，这里取为20KHz。在分量编码方式中，亮度信号取样频率先为13.5 KHz，且，即与各种电视制式的行频成整倍数关系，可选音频取样频率为：也同样满足的条件。而且与32KHz取样频率之间有简单的换算关系：设声音信号的最大幅度为A，它是从+A到-A范围内变化。对它均匀量化成N级，有： (以二进制表示)用分贝表示：由量化信噪比和比特数的关系，见表4-2。国际标准规定，音频信号量化比特数比特。表1-2 语言信号量化比特数与信噪比的关系N(bit)12141620243274dB86dB98dB122dB146dB194dB实验内容

25、：连接硬件设备，进行DTV数字电视实验系统后，连接音频输入输出接口，分别调整音频参数，即采样率、编码码率、声道，来观察并分析音频编解码的变化情况。也可以通过面板的A/D，D/A测试针与示波器连接，可以看到音频的输出波形的变化。图1-13为音频A/D，D/A实验对话框设置示例图。 图1-13 音频A/D D/A实验参数设置示例撰写报告的要求：1、 写出实验原理。2、 写出调试过程，提供程序运行结果2、写出调试中碰到的问题，以及解决办法，获得的收获3、测试结果分析1.2.3网络配置实验用户可通过修改网络配置参数，实现对DTV数字电视实验箱的远程控制，网络配置参数如图1-14所示。图1-15为密码修

26、改对话框，管理员可通过该功能实现DTV实验系统的权限设置管理功能。图1-14 网络配置参数对话框图1-15更新管理员密码对话框1.2.4视频分析实验实验目的：对实验的视频文件进行后期分析，了解码流的数据结构。实验原理： 传输流的包长为固定的188个字节，包含所有节目的所有数据。每个传输流的前4个字节为字头(Header)，字头后面就是需要传送的有效负荷(payload)信息，包含音频、视频或数据信息，通常是184个字节长度。传输流的内容包括分组方法、节目专用信息(Program Specific InDTVrmation，PSI)表以及程序参考时钟(Program clock referenc

27、e，PCR)的提取。(1) 分组方法：传输流的包长固定为188个字节，包含TS头和有效负荷区。如图4-16所示，TS头是由同步字节、标志比特、指示比特、PID及纠错信息等组成。其中PID用于区别不同的流和不同的PSI信息。 图1-16：传输流基本结构示意图 如上图所示，4字节的TS头中包含了对包传输过程非常重要的信息：A) 第一个字节是同步字节a) 固定值47hex，在TS流中的间隔也固定；b) 码流中其他位置也可能出现47hex，因此同步字节利用固定数值和固定间隔两方面联合实现同步；c) 解码器在接收到5个TS包后开始同步；B) 同步字节后的一个比特是传输差错标志a) 由解调器在传输信道末端

28、设置；b) 例如错误太多无法利用误码纠正机制进行恢复的情况；C) 13比特的传输包PIDa) 描述该包中有效负荷的内容以及该包属于哪个ES流；除了同步字节、传输错误指示和包标识PID以外，TS头还包括一些其他有用信息：A) 有效负荷开始指示a) 一个比特来标记一个有效负荷的开始；b) 如果该比特为1，表示该TS包是一个新有效负荷的开始，该TS包包含了视频或音频PES包和PES头的开始，或者是表的开始，此时TS包的有效负荷第一个字节为table ID。B) 传输优先指示a) 一个比特，表示该TS包比其他相同PID的TS包的优先级更高。 图1-17 传输流头信息数据结构 综上所述，如图4-17所示

29、，传输流TS头包含的信息中依比特顺序为：同步字节、传输错指示、起始指示、传送优先级、包识别PID、加扰控制、自适应区控制、连续计数。(2) PSI表PSI主要包括几大类表：节目关联表(Program Association Table，PAT)、节目映射表(Program Map Table，PMT)、网络信息表(Network InDTVrmation Table，NIT)、条件接收表(Conditional Access Table，CAT)。其中最重要的表信息是PAT和PMT。PAT是PSI信息的根，列出了传送码流中所有节目的PMT的PID，而PMT则列出与该节目有关的所有基本码流，如视

30、频、音频和PCR及有关信息的PID。 PAT表：其PID固定为0x0000，它的主要作用是指出该传输流ID，以及该路传输流中所对应的几路节目流的MAP表和网络信息表的PID。 PMT表：其PID由PAT给出，通过该表可以得到一路节目中包含的信息。例如，该路节目由哪些流构成和这些流的类型(视频，音频，数据)，指定节目中各流对应的PID，以及该节目的PCR所对应的PID。 NIT表：该表的PID是由PAT提供给出的。作用主要是对多路传输流的识别，NIT提供多路传输流，物理网络及网络传输的相关的一些信息，如用于调谐的频率信息以及编码方式。调制方式等参数方面的信息。 CAT表：其PID设置为0x0001。(3) PCR提取DVB系统是一个实时传输系统，为了保证系统的正常工作，要求接收端与发送端的频率和相位必须一致，但在实际状态中，接收后端的解码器时钟不可能与发送前端的编码器时钟完全同步，为此建立了PCR来进行实时校正。通过TS中的PCR字段，为不断校正机顶盒所产生的本地时钟与编码器发送端时钟间的“微小”差距。在前端的编码器中，有一个由硬件时钟电路产生的27MHz时钟，编码过