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数字电视传输技术

中 国 传 媒 大 学. 数字电视传输技术. 中国传媒大学 宽带网络研究所 金立标 博士. 内容概述. 数字电视基础 数字电视系统关键技术 地面数字电视传输技术 IPTV 数字电视技术. 第一部分 数字电视基础. 信道编码 调制. 模数转换. 信源编码. 模拟 电视信号 输入. 信道. 信道解码 解调. 数模转换. 信源解码. 模拟 电视信号 输出. 数字电视基础. 数字电视系统基本构成. 数字电视基础. 1.1、基本概念 信道与带宽 信道可以分为两种： 传输模拟信号的称为模拟信道 传输数字信号的称为数字信道 。

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数字电视传输技术

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  1. 中 国 传 媒 大 学 数字电视传输技术 中国传媒大学 宽带网络研究所 金立标 博士

  2. 内容概述 • 数字电视基础 • 数字电视系统关键技术 • 地面数字电视传输技术 • IPTV数字电视技术

  3. 第一部分 数字电视基础

  4. 信道编码 调制 模数转换 信源编码 模拟电视信号输入 信道 信道解码 解调 数模转换 信源解码 模拟电视信号输出 数字电视基础 • 数字电视系统基本构成

  5. 数字电视基础 1.1、基本概念 • 信道与带宽 • 信道可以分为两种： • 传输模拟信号的称为模拟信道 • 传输数字信号的称为数字信道 。 • 信道所能传送信号的频率宽度，称为带宽。 • 理想带宽 • 实际带宽

  6. 数字电视基础 • 数据传输速率 • 比特率：单位是bit/s简写b/s或bps，表示每秒传输多少个二进制元素。 • 波特率：也就是符号率，每秒传输的符号个数。 • R=Blog2N（b/s），其中R是比特率，B是波特率，N是n比特的符号数。 • 符号率＝带宽/1+a，a为升余弦滚降系数。

  7. 数字电视基础 • 数字电视分类 • PDTV：比特率为1～2Mbps，显示清晰度约300线； • SDTV：比特率为3～8Mbps，清晰度为350～600线； • HDTV：比特率为18～20Mbps，显示清晰度为800～1000线。 • 注：以上比特率为MPEG－2压缩后速率。

  8. 数字电视基础 有线数字电视标准 • DVB-C ATSC-64QAM ATSC-16VSB ISDB-C • 调制方式 16-64QAM 64QAM 16VSB 64QAM • 带 宽 8MHz 6MHz 6MHz 6MHz • 传输速率 31.64Mb/s 41.34Mb/s 43.05Mb/s 30.31Mb/s • 滚降系数 15% 15% 11.5% 18% • 纠错编码 RS(204,188) RS(128,122) RS(207,187) RS(204,188) • 压缩方式 MPEG-2

  9. 模拟电 视信号 数字电 视信号 量化 编码 取样 数字电视基础 1.2、模拟信号的数字化 • 抽样：时间上连续的取值变为有限个离散取值。 • 量化：幅度上无限多种连续的样值变为有限个离散值 。 • 编码：用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值。 • 传输速率：传输速率=取样频率fs×量化比特数。

  10. 模拟信号 数字信号 数字电视基础 • 1.2、模拟信号的数字化

  11. 数字电视基础 • 数字电视信号的码率（未压缩） 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 = 13.5MHz X 10bit = 135Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 6.75MHz X 10bit = 135Mbps SDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 135Mbps + 135Mbps = 270Mbps

  12. 数字电视基础 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 = 74.25MHz X 10bit = 742.5Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 37.125MHz X 10bit = 742.5Mbps HDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 742.5Mbps + 742.5Mbps = 1485Mbps

  13. 传输带宽 要求100Mhz左右 传输带宽 只要求3Mhz左右 解码器 编码器 4:2:2编码、8bit量化未压缩SDTV信号 从传输角度上考虑需要进行电视信号压缩 数字电视基础 1.3、信源编码

  14. 10分钟要求 130Gb存储容量左右 10分钟只要求 4Gb左右 解码器 编码器 4:2:2编码、8bit量化一帧SDTV图像数据量8.6Mb 从存储角度上考虑需要进行电视信号压缩 数字电视基础 • 1.3、信源编码

  15. 数字电视基础 • 1.3、信源编码 • 数据压缩的可能性 • 压缩过程：去除图像中与信息无关或对图像质量影响不大的部分，即冗余部分。电视信号中存在很多这样的冗余部分，这就为压缩提供了可能性。 • 电视信号的冗余性表现在以下几个方面： • 空间相关冗余 • 时间相关冗余

  16. 数字电视基础 • 1.3、信源编码 • 数据压缩的方式 • MPEG-1：典型应用如VCD等家用数字音象产品。最高编码速率1.8 Mb/S。 • MPEG-2 • MPEG-4： 主要是针对多媒体交互应用等通信领域：是低比特率下的多媒体通信。 • H.264：在相同的SNR下，平均码流H.264比MPEG-4降低41%，比MPEG-2降低67% （一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps)

  17. 数字电视基础 1.4、信道编码 • 纠错：在信道编码过程中将附加数据加于数据流之中，在接收端通过校验位来发现有错误的数据字，并给予纠正。 • 交织：编码时将数据码流按已定义的规则“搅乱”，在接受端再将那些“搅乱”的数据字按相反的规则重新排列，恢复出原始次序。

  18. 数字电视基础 • 1.5、调制传输 • 基带信号变为频带信号，频谱搬移； • 便于远距离传输； • QPSK、QAM、OFDM。

  19. 第二部分 数字电视系统关键技术

  20. SMS系统 NMS系统 CA系统 QAM 调制器 QAM 调制器 QAM 调制器 卫星接收机 复 用 器 加 扰 器 加 扰 器 加 扰 器 TS流 卫星接收机 卫星接收机 复 用 器 复 用 器 IP数据 混合器 视频服务器 EPG系统 自办 节目 编码器 自办 节目 编码器 模拟 节目 编码器 数字电视前端平台

  21. 视频编码器 打包器 TS码流 视频 音频编码器 打包器 音频 PS码流 数据 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.1 TS码流的形成 ES PES TS 复 用 PS 复 用 数据编码器

  22. 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • PS码流： 包的长度可变 抗误码能力低 适用于相对误码低的环境，如存储、制作DVD等 • TS码流 包的长度固定，188字节 抗误码能力较高 可用于相对较差的信道环境，如传输等

  23. 188字节 包头 净荷 误码指示 开始指示 传送优先级 PID 加扰控制 适应字段控制 连续性计数器 包 同步 适应字段 1 1 可变长 4 8 1 13 2 2 包头 净荷 … 包头 净荷 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.1 TS码流的结构

  24. 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.2编码速率 • MPEG-2编码器可由用户选择，把一个频道的电视信号压缩成2~15Mbps等的数字信号。 • 压缩为6MB/S和8MB/S的图象与没有压缩的图象基本没有区别，但在压缩为4MB/S以下的快速体育运动图象上，则能看到图象的缺陷。

  25. 序号 项目 技术指标 备注 1 视频编码方式 符合GB/T XXXX MP@ML 4:2:0 MP@4:2:2 （可选） 2 视音频编码速率 MP@ML 4:2:0 1.5 Mbps -15Mbps 3 音频采样频率 32/48/44.1 kHz 4 音频编码方式 符合GB/T17975.3-2002和GB/T17191.3-1997的第1层和第2层格式。环绕声可选。 5 音频编码速率 32 kbit/s - 384 kbit/s 6 输出TS流的符合性 包含正确的PAT、PMT SDT （可选） 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.3、设备选型

  26. 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 常用接口 • 同步并行接口（SPI） • 异步串行接口（ASI） • 串行数据接口（SDI）

  27. 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 2.1.4编码器的使用 • 一套节目对应一路MPEG-2编码器； • 输入音视频信号，输出TS流；ASI接口； • SDH来的是TS流，无需MPEG-2编码器； • SDH是DS-3或E3接口，需适配器转换为ASI接口； • 增加MPEG-2编码器，还是增加数字卫星接收机？ • 如果卫星上的节目下来就是模拟的，那只能采用编码器。

  28. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 2.2.1概述 • 我国上星的数字电视节目采用的是QPSK调制方式 ，数字卫星接收机都是QPSK解调 。 • 有的虽然是接收卫星上的数字节目，但是输出的还是模拟的音视频信号，不是真正的数字接收机。 • 数字卫星接收机是直接输出TS码流； • 还有一种就是既能输出模拟信号，又能输出数字的TS码流。

  29. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 • 2.2.2 QPSK调制原理

  30. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机

  31. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机

  32. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 2.2.3节目速率举例 • 上星的节目采用QPSK调制解调方式，假设采用的基本码率4.42MBPS，以及RS (204，188)、3/4卷积码、QPSK调制方式 。 • 其中4.42为符号率，也就是码率；由于采用QPSK，所以一个符号需要用2个比特来表示；RS编码为（204，188），表示有效数据为188个字节，有（204－188＝16）个字节用于冗余纠错。卷积码的效率为3/4。 • 由此可以算出节目的传输速率：4.42×2×3/4×188/204 =6.11 Mbps

  33. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 2.2.4 SCPC/MCPC • SCPC是单路单载波传输方式，每个载波只传输1套广播电视信号，这样一个转发器内同时存在多个载波，其特点是各套节目可在不同地点上星。 • MCPC是多路单载波传输方式，每个载波可同时传输多套广播电视信号，特点是1个转发器只有1个载波，频带和功率的利用率较高，多套节目要经复接后在同一地点上星。

  34. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 • 2.2.5、设备选型 • 输入接口：数字卫星高频头输入 • 输出接口：DVB标准ASI接口 • 网管接口：RS-232/以太网接口 • 支持单节目码流(SPTS)或多节目码流(MPTS) • 对MPTS码流具有节目选择和过滤功能

  35. 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 带宽：29.65MHz 信道编码 CNR门限传输速率 QPSK 14.5 45 16QAM 22 89 64QAM 28 140 256QAM 34 180

  36. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.1复用器的作用 • 对多路节目（也就是多路节目的TS流）复用，复用成一路TS流，使得多路节目能够在一个频道中传输。 • 在复用的过程中，插入PSI信息和SI信息，重新组合，并且重新分配PID值。 • 用于接收端的解复用和电子节目指南（EPG）。

  37. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.2、复用器的原理 （1）MPEG-2中的PSI信息 • 节目特定信息Program Specific Information（PSI）,使用了四个表来定义码流的结构： • 节目关联表（PAT）：描述多路节目的复用信息； • 节目映射表（PMT）：描述单路节目的复用信息； • 网络信息表（NIT）：描述网络传输的物理信息； • 条件访问表（CAT）：描述条件接收系统的信息。

  38. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.2、复用器的原理 • 节目关联表 • 包含了与多路节目复用有关的控制信息： • 用于指出TS流中包括哪些节目，每个节目的编号及相应的PMT的位置（PID）；同时还提供网络信息表（NIT）的位置。 • PAT丢失，将导致接收端无法解码TS流中的任何节目。 • PAT所在的TS包的PID=0。 PAT (PID=0) NIT (PID=16)

  39. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.2、复用器的原理 • 节目映射表 • 包含了与单路节目复用有关的控制信息： • 指出某一套节目由哪些节目流构成，以及这些流的类型（视频、音频、数据）及位置，即对应的TS包的PID值。 • 同时给出该节目的节目时钟参考（PCR）字段的位置 • PMT所在的TS包都有自己独特的PID。 节目1 PMT

  40. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.2、复用器的原理 • 条件接收表（CAT） • 给出有关条件接收系统的信息，指定授权管理信息（EMM）所在的TS包的PID值及其它相关参数。 • CAT所在的TS包的PID=1。 • 网络信息表（NIT） • 提供与多组传送流、物理网络及网络传输相关的信息，如调谐频率、编码方式、调制方式等参数。 • PID由PAT指定。

  41. 节目类型 Programnumber(节目号) PMT_PID（节目映射表的PID号） PID值 MPEG_2视频码流 0 0x10（指示NIT表的PID号） 0xFF（255） 2 MPEG_2音频码流 0x64（指示节目2的PMT的PID） 0x100（256） MPEG_2音频码流 0x101（257） 私人数据 0x102（258） 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器

  42. PA T表(PID 0) NIT表 节目 0 17 网络私用数据 节目 1 22 节目 2 33 ... ... 节目 k 55 CAT表(PID 1) ... ... 码流 1 视频 16 码流 1 视频 54 条件接收数据 码流 2 音频1 81 码流 2 音频1 48 码流 3 音频2 82 码流 3 音频2 49 ... ... ... ... ... ... P M T表 码流 k 数据 88 码流 k 数据 55 ... ... ... ... ... ... 传送流(TS流) 节目1 PMT 节目2 音频2 节目1 视频 PAT 节目2 视频 节目2 PMT EMM 节目2 视频 节目1 音频1 ... ... ... ... ... ... ... ... 33 ? 54 22 0 16 48 16 82

  43. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 2.3.3、PID冲突问题 • 同一个频道或同一个复用器 • 不同频道或不同的复用器

  44. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 2.3.4、解复用

  45. 序号 项目 技术要求 1 PSI生成 生成PMT/PAT 2 输入接口 应支持ASI接口；支持MPTS与SPTS输入； 自适应包长188和204字节的TS流。 3 输出接口 应支持ASI输出接口 4 输出速率 单口有效输出码率： ≥ 38.01Mbps（包长188字节） ≥ 41.25Mbps（包长204字节） 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 2.3.5、复用器的选型

  46. 序号 检测项目 单位 技术要求 1 PAT ms 25~500 2 PMT ms 25~500 3 NIT ms 25~10000 4 SDT ms 25~2000 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 续上表（表格重复间隔）

  47. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 2.3.6、复用器的安装调试 • 确定复用几套节目：根据卫星接收机和编码器的输出速率，复用器的输入输出速率，以及QAM调制器的调制方式和符号率来确定。 • 设置复用器的TS流输出总码率； • 设置复用器的输出方式（ASI接口、SPI接口、DS3等）； • 设置复用器的输出TS流的传输包的长度（188或204）；

  48. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 2.3.7、TS码流的检测分析 • 根据ETR101 290标准，可将数字电视基带错误划分为三个等级，： • 第一优先级错误：会引起解码器无法进行解码 ； • 第二优先级错误：会损伤已解码的图像，或者造成断续解码 ； • 第三优先级错误：指示出编码器、复用器的问题，但不影响解码，对图像质量影响较小 。

  49. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • （1）第一优先级错误 • 同步错误 • 连续2个或2个以上的同步字节（0x47)错误，此时应指示同步丢失 ； • 正常同步后方可进行其它参数的检测。传输流失去同步，表明传输过程中有一部分数据丢失，将直接影响解码后画面的质量。 • 严重的同步丢失现象则表明传输中断，同步字节出现错误。

  50. 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 • 同步字节错误 • 同步字节错误和同步错误的区别在于传输数据包长仍为188字节或204字节，但同步字头的标准值0×47被其他数字代替 ； • 当出现同步字节错误时，同步字头的值为其他数值，表明在传输过程中部分数据出现错误，可能导致接收时出现马赛克，严重时可能导致解码器解不出信号。

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