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第三講 數字視頻廣播(DVB)
數字電視是在還沒(méi)有察覺(jué)的情況下就已經(jīng)進(jìn)入了我們的生活。而我們能夠開(kāi)始感覺(jué)到數字技術(shù)的沖擊只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題，今天數字技術(shù)已經(jīng)在我們生活的方方面面有所體現，從電話(huà)、傳真機到微型電腦，再到目前風(fēng)靡世界的因特網(wǎng)。
今天， 盡管我們在家里仍然收看的還是模擬電視節目，但是節目制作棚里的設備已經(jīng)是數字化了，從節目制作棚到發(fā)射塔的信號傳輸也已是數字化了，沒(méi)有這些節目制作與傳輸的數字技術(shù)，我們的節目質(zhì)量是無(wú)法滿(mǎn)足的。當你通過(guò)衛星電視網(wǎng)、有線(xiàn)電視網(wǎng)或開(kāi)路電視網(wǎng)觀(guān)看電視節目時(shí)，你已經(jīng)是位于數字電視傳輸的最后一個(gè)環(huán)節，這一個(gè)環(huán)節正在經(jīng)歷一場(chǎng)數字化革命,以達到電視節目的全數字化傳輸。在電視數字化的進(jìn)程中,國際 DVB組織(Digital Video Broadcasting)提出了全套的解決方案，這-方案涉及我們常用的傳輸媒介：數字衛星電視(DVB-S)、數字有線(xiàn)電視(DVB-C) 、數字開(kāi)路電視(DVB-T) 。
電視數字化的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)!
在歐洲，從1991 年開(kāi)始，電視臺、家電產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家和標準制訂者坐到了一起，商談組成-個(gè)工作組，共同制訂數字電視的發(fā)展規劃，工作組的成員發(fā)展很快，這一個(gè)由歐洲人發(fā)起的組織很快就吸引美國及日本的許多成員，變成了-個(gè)世界性組織。 1993年9月工作組起草了一個(gè)備忘錄，將工作組更名為DVB組織，即國際數字視頻廣播組織。數字電視的發(fā)展進(jìn)入了新的時(shí)代。
根據過(guò)去痛苦的教訓，工業(yè)界決定要以市場(chǎng)的商業(yè)需求作為標準制訂的指導， DVB組織決定新的技術(shù)必須是建立在 MPEG-2壓縮算法上的數字技術(shù)，必須是市場(chǎng)導向的。
由于相對較低的基礎設施費用投入和各國相對簡(jiǎn)單的標準協(xié)調問(wèn)題,數字衛星電視(DVB-S)網(wǎng)、數字有線(xiàn)電視(DVB-C)網(wǎng)和數字開(kāi)路電視(DVB-T)網(wǎng)先走一步，發(fā)展更快。 1995年 DVB組織確立了數字衛星電視的標準 DVB-S， 1996年數字有線(xiàn)電視DVB-C數字共用天線(xiàn)電視、數字微波電視等標準隨之確立，數字開(kāi)路電視 DVB-T的采用緊隨其后，將給整個(gè)社會(huì )帶來(lái)更深刻的變化。 I997年以 DVB標準為基礎的數字電視已經(jīng)在全世界普及，擁有了幾百萬(wàn)用戶(hù)。 1998年末，微型計算機用戶(hù)可以通過(guò)在他們使用的微機內插入數字衛星接收卡，用來(lái)享受因特網(wǎng)服務(wù)。目前，數字地面電視(DVB-T)標準正在逐漸被世界各國所采用，為今后的高清晰度電視開(kāi)辟了廣泛的前景。
DVB標準提供了-套完整的，適用于不同媒介的數字電視廣播系統規范，其周全的計劃及廣范的共識是其成功的關(guān)鍵。從一開(kāi)始，大家就選定ISO/IEC MPEG-2標準作為音頻及視頻的編碼壓縮方式，對信源編碼進(jìn)行了統一，隨后對 MPEG-2碼流進(jìn)行打包形成傳輸流(TS)，進(jìn)行多個(gè)傳輸流復用，最后通過(guò)衛星、有線(xiàn)電視及開(kāi)路電視等不同媒介傳輸方式進(jìn)行傳輸。
1. DVB標準的核心
●系統采用 MPEG壓縮的音頻，視頻及數據格式作為數據源
●系統采用公共 MPEG-2傳輸流(TS)復用方式
●系統采用公共的用于描述廣播節目的系統服務(wù)信息(SI)
●系統的第一級信道編碼采用 R-S前向糾錯編碼保護
●調制與其它附屬的信道編碼方式，由不同的傳輸媒介來(lái)確定
●使用通用的加擾方式以及條件接收界面
2. DVB音頻特點(diǎn)
DVB系統的音頻編碼使用 MPEG-I LayerII笫二層音頻編碼，也稱(chēng)做MUSICAM。音頻的 MPEG-I Layer II編碼壓縮系統利用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應，這一人體生理學(xué)效應允許我們對于人耳不太敏感的頻率進(jìn)行低碼率編碼，這一技術(shù)的采用可以大大地降低音頻編碼速率。 MPEG-I Layer II 音頻編碼可用于單音，立體聲，環(huán)繞聲和多路多語(yǔ)言聲音的編碼。
3. DVB視頻特點(diǎn)
對于視頻,國際上采用標準的 MPEG-2壓縮編碼，MPEG-2視頻編碼系統由一個(gè)大家族構成，每一個(gè)系統之間都有兼容性和共同性，根據圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱(chēng)“等級”(LEVEL)，從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度，到高清晰度電視。除了根據圖像清晰度定義的“等級”以外， DVB視頻標準還定義了“檔次”(PROFILE)的概念，每一個(gè)不同的“檔次”(PROFILE)能夠提供構成編碼系統的壓縮工具和壓縮算法。
a)“檔次”(PROFILE)
目前在 MPEG-2系統中存在 5個(gè)“檔次”(PROFILE)，每一個(gè)“檔次”(PROFILE)都會(huì )比它的前一個(gè)“檔次”更加復雜，更加完善，提供更多的工具,同時(shí)其相對應的設備的價(jià)格也更高。
“檔次”的最初級叫做簡(jiǎn)單檔次(SIMPLE PROFILE)，隨后是主檔次(MAIN PROFILE)，它比簡(jiǎn)單檔次(SIMPLE PROPILE)增加了編碼雙向預測的功能，即：B-FRAMES，在使用同樣的碼流的情況下，它的質(zhì)量會(huì )更好，但算法更加復雜，使用的芯片更多。主檔次(MAIN PROFILE)的解碼芯片,可以兼容解碼簡(jiǎn)單檔次(SIMPLE PROFILE)的編碼，這種向下兼容性貫穿整個(gè)系列的“檔次”。
在主檔次(MAIN PROFILE)之后,是信噪比可分級檔次(SNR SCALABLE)及空間頻譜可分級檔次(SPACILLY SCALABLE PROFILE)，這兩種“檔次”可以調整信噪比與碼流率關(guān)系,以及圖像清晰度與碼流率之間的關(guān)系，出于其編碼的復雜性以及接收設備價(jià)格昂貴問(wèn)題， DVB標準目前不支持這兩種“檔次”。最高級的“檔次”是 HIGH PROFILE，它不僅兼容前面的低極“檔次”，兼備所有的功能，而且可以進(jìn)行多行，同時(shí)編碼，而前面的“檔次”則是逐行編碼。
在“檔次”中存在兩種圖像采樣方式，即： 4:2:2和4:2:0格式。我們知道電視復合信號可以分成亮度信號分量(Y)和色度信號分量(R-Y,B-Y)，4:2:2格式是對亮度信號進(jìn)行4個(gè)采樣，對色度信號(R-Y，B-Y)進(jìn)行 2個(gè)采樣，見(jiàn)圖3.1； 4:2:0格式的色度信號(R-Y,B-Y)只做隔行采樣，如果使用8比特采樣,我們可以算出對標準 PAL制電視信號進(jìn)行采樣后的 4:2:2格式圖像碼流率如下：
亮度信號碼流率為： 720× 576× 25幀/秒× 8bit=82.944Mb/s
色度信號碼流率為： 2×1/2× 720× 576× 25幀/秒× 8bit=82.944Mb/s
總碼流率為： 82.944Mb/s +82.944Mb/s =165.888Mb/s
我們看到?jīng)]有壓縮的電視圖像碼流率非常高，占用帶寬太寬，不適用于傳輸，即使采用 4:2:0格式,圖像碼流率也高達 124.416Mb/s, MPEG-2的壓縮算法采用除去電視視頻信號的時(shí)間冗余和空間冗余的算法，使碼流率降到 3~8Mb/s仍然獲得質(zhì)量清晰的圖象，使數字電視的傳輸成為可能。
(b)“等級”(LEVEL)
根據圖像節目源的清晰度由低到高的不同， DVB MPEG-2標準分成許多“等級”,最低的 LOW LEVEL的清晰度是IU-R-BT、 601建議的四分之一，即： 352×288×25幀/秒。 MAIN LEVEL是完全符合IU-R-BT、 601建議的標準，即：720×576×25幀/秒。HIGH-1440 LEVEL采用了每行 1440個(gè)采樣的方法。 HIGH LEVEL采用了更高的每行1920的采樣方法。
目前在世界上最常用的 MPEG-2標準是 MP@ ML，即： MAIN PROFLE@ MAIN LEVEL,它是第一代數字有線(xiàn)電視和數字衛星電視的基礎，節目提供者可以提供 625線(xiàn)質(zhì)量的節目，圖像的長(cháng)寬比可以是4: 3或 I 6: 9; 至于碼流率，它是由節目提供者根據節目質(zhì)量來(lái)選定的，圖像質(zhì)量越高，所需碼流率越高，反之則越低。
4. MPEG-2碼流復用及服務(wù)信息
參照數字電視傳輸方框圖3.5，音頻、視頻及數字信號首先經(jīng)過(guò) MPEG-2編碼器進(jìn)行數據壓縮，通過(guò)節目復用器形成基本碼流(ES)，基本碼流經(jīng)過(guò)打包后形成有包頭的基本碼流(PES)。代表不同音頻、視頻信號的 PES流被送人傳輸復用器進(jìn)行系統復用，復用后的碼流叫做傳輸流(TS)，傳輸流中包括多個(gè)節目源的不同信號，為了區分這些信號，在系統復用器上需要加入服務(wù)信息(SI)，使接收端可以識別不同的節目。為了便于理解 DVB傳輸系統的服務(wù)信息，我們對傳輸碼流的結構進(jìn)行粗略的介紹，傳輸碼流的長(cháng)度定義為 188個(gè)字節長(cháng)，見(jiàn)下圖3.3 。
每個(gè)傳輸流的前4個(gè)字節為字頭(Header)，字頭后面就是需要傳送的有用信息，包括音頻，視頻或數據信息，通常是 184個(gè)字節長(cháng)度，有時(shí)在有用信息(Useful Data)中插入一段適配區域(Adaptation Field)，用于補充長(cháng)度不完整的傳輸流，放置解碼時(shí)鐘(PCR)。傳輸流的字頭是識別傳輸流的關(guān)鍵，其結構見(jiàn)下圖3.4，由 32個(gè)比特組成，其含義見(jiàn)下圖3.4。
在字頭32比特中，13位的 PID碼特別重要，它是辨別碼流信息性質(zhì)的關(guān)鍵，是節目信息的“身份證”，不同的電視節目和服務(wù)信息(SI)對應有不同的 PID碼。對于一臺解碼接收機而言，為了找到它所要接收的電視節目，它首先通過(guò) PID碼找到服務(wù)信息(SI)所對應的不同表格(Table),DVB標準定義了如下服務(wù)信息表格：
PAT: Program Allocation Table 節目分配表
CAT: Conditional Access Table 有條件接收表
PMT: Program Map Table 節目分布表
NIT: Network Information Table 網(wǎng)絡(luò )信息表
SDT: Service Description Table 服務(wù)描述表
EIT: Event Information Table 事件信息表
TDT：Timeand Date Table 時(shí)間日期表
通過(guò)這些服務(wù)信息表格，可以查到所要接收節目的PID碼和對應的時(shí)鐘PCR，節目就可以還原。
DVB標準的傳輸系統分成信源編碼(Source Coding)和信道編碼(channel Coding)兩部分，信源編碼采用 MPEG-2碼流。首先，對音頻和視頻進(jìn)行節目復用，然后再將多個(gè)數字電視節目流進(jìn)行傳輸復用。
信道編碼包括：前向糾錯編碼、解碼、調制、解調和上下變額三部分。前向糾錯碼根據不同的傳輸媒介采用不同的組合。衛星傳輸采用 QPSK調制，有線(xiàn)傳輸采用 QAM調制，開(kāi)路傳輸采用 COFDM調制或 I6VSB調制。見(jiàn)圖3.5。
1. DVB標淮衛星傳輸系統 DVB-S
數字衛星電視的傳輸是為了滿(mǎn)足衛星轉發(fā)器的帶寬及衛星信號的傳輸特點(diǎn)而沒(méi)計的。衛星系統是一個(gè)單載波系統，如果我們將所要傳輸的有用信息稱(chēng)為“核”，那么它的周?chē)嗽S多保護層，使信號在傳輸過(guò)程中有更強的抗干擾能力，視頻、音頻以及數據被放入固定長(cháng)度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進(jìn)行信道處理，在衛星系統中，信道處理過(guò)程包括：
(a) 首先進(jìn)行同步字節的倒相，倒相字節的長(cháng)度為每 8個(gè)字節進(jìn)行一次。
(b) 然后進(jìn)行數據的能量擴散，數據隨機化，避免出現長(cháng)串的0或1。
(c) 為每個(gè)數據包加上前向糾錯的 R-S編碼，也叫做外碼。 R-S編碼的加入會(huì )使原始數據長(cháng)度由原來(lái)的188字節增加到 204字節。
(d) 進(jìn)行數據交織。
(e) 加入卷積碼糾錯，也稱(chēng)內碼，內碼的數量可以根據信號的傳輸環(huán)境進(jìn)行調節。
(f) 最后對數據流進(jìn)行 QPSK調制。見(jiàn)圖3.6。
總之，傳輸系統首先對突發(fā)的誤碼進(jìn)行離散化，然后加入 R-S外糾錯碼保護，內糾錯碼是可以根據發(fā)射功率，天線(xiàn)尺寸以及碼流率進(jìn)行調節變化。舉例來(lái)講，一個(gè)36MHz帶寬的衛星轉發(fā)器采用3/4的卷積碼可以達到的碼流率是39Mb/s，這一碼流率可以傳送5-6路高質(zhì)量電視信號。見(jiàn)圖3.7。
2. DVB標準有線(xiàn)傳輸系統 DVB-C
數字有線(xiàn)電視采用與衛星同樣的“核”，即 MPEG-2壓縮編碼的傳輸流。由于傳輸媒介采用的是同軸線(xiàn)，與衛星傳輸相比外界干擾小，信號強度相對高些，所以前向糾錯碼保護中取消了內碼。調制方式改成 64-QAM方式，有時(shí)也可以采用 I6-QAM，32-QAM或更高的 128-QAM，256-QAM。對于 QAM調制而言，傳輸信息量越高，抗干擾能力越低。在一個(gè) 8MHz標準電視頻道內，如果使用 64-QAM，所傳輸的數據速率為 38.5Mb/s。見(jiàn)圖3.8。
3. DVB標準開(kāi)路傳輸系統 DVB-T
開(kāi)路傳輸系統的標準是1998年2月批準通過(guò)的。第一個(gè)正式的開(kāi)路傳輸系統于I998年初開(kāi)始運營(yíng)。 MPEG-2數字音頻、視頻壓縮編碼仍然是開(kāi)路傳輸的核心。其它特點(diǎn)是，采用 COFDM調制方式，在這種調制方式內，可以分成適用于小范圍的單發(fā)射機運行的2k載波方式，適用于大范圍多發(fā)射機的8k載波方式。 COFDM調制方式將信息分布到許多個(gè)載波上面，這種技術(shù)曾經(jīng)成功地運用到了數字音、視頻廣播DAB上面，用來(lái)避免傳輸環(huán)境造成的多徑反射效應，其代價(jià)是引入了傳輸“保護間隔”。這些“保護間隔”會(huì )占用一部分帶寬，通常 COFDM的載波數量越多，對于給定的最大反射延時(shí)時(shí)間，傳輸容量損失越小。但是總有一個(gè)平穩點(diǎn)，增加載波數量會(huì )使接收機復雜性增加，破壞相位噪聲靈敏度。
由于COFDM調制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許在單頻網(wǎng)中的相鄰網(wǎng)絡(luò )的電磁覆蓋重疊，在重疊的區域內可以將來(lái)自?xún)蓚€(gè)發(fā)射塔的電磁波看成是一個(gè)發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的疊加。但是如果兩個(gè)發(fā)射塔相距較遠，發(fā)自?xún)伤碾姶挪ǖ臅r(shí)間延遲比較長(cháng)，系統就需要較大的保護間隔。
從前向糾錯碼來(lái)看，由于傳輸環(huán)境的復雜性， DVB-T系統不僅包含了內外碼(Outer Code， Inner Code)。而且加入了內外交織( Outer Interleave， Inner Interleave )。
有條件接收
數字電視的有條件接收是一個(gè)比較復雜的題目，各個(gè)國家、各個(gè)公司都希望保守自已的秘密，大家很難達成一致意見(jiàn)，最終 DVB標準達成以下共識：
a) 兩種加解擾方式共存于市場(chǎng)，第一種為“Simulcrypt‘，每臺接收機只能使用單一的解擾方式，排斥其它的解擾方式。第二種為”Multrypt‘，每臺接收機通過(guò)定義的公共接口(Common Interface)允許使用多種解擾方式。
b) 定義一種公共的加解擾算法，使消費者使用單一的解碼器。
c) 要求條件接收的供應商提供進(jìn)入數字解碼器的接口方法。
d) 公布有條件接收公共接口(Common Interface)的技術(shù)規格。
e) 起草反盜版建議。
f) 有條件接收系統供應商向其它數字電視生產(chǎn)廠(chǎng)商所提供的產(chǎn)品必須是合情合理的產(chǎn)品,并且是禁止排斥公共接口(Common Interface)的產(chǎn)品。
g) 有條件接收系統必須允許節目經(jīng)營(yíng)者之間的有條件控制轉移，比如衛星有條件接收的節目進(jìn)入有線(xiàn)網(wǎng)后，原有的有條件接收系統可以被新的有條件接收系統所替換。 |
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