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第三講 數(shù)字視頻廣播(DVB)
數(shù)字電視是在還沒有察覺的情況下就已經(jīng)進入了我們的生活。而我們能夠開始感覺到數(shù)字技術(shù)的沖擊只是一個時間問題，今天數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在我們生活的方方面面有所體現(xiàn)，從電話、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(jié)目，但是節(jié)目制作棚里的設(shè)備已經(jīng)是數(shù)字化了，從節(jié)目制作棚到發(fā)射塔的信號傳輸也已是數(shù)字化了，沒有這些節(jié)目制作與傳輸?shù)臄?shù)字技術(shù)，我們的節(jié)目質(zhì)量是無法滿足的。當(dāng)你通過衛(wèi)星電視網(wǎng)、有線電視網(wǎng)或開路電視網(wǎng)觀看電視節(jié)目時，你已經(jīng)是位于數(shù)字電視傳輸?shù)淖詈笠粋€環(huán)節(jié)，這一個環(huán)節(jié)正在經(jīng)歷一場數(shù)字化革命,以達到電視節(jié)目的全數(shù)字化傳輸。在電視數(shù)字化的進程中,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(shù)字衛(wèi)星電視(DVB-S)、數(shù)字有線電視(DVB-C) 、數(shù)字開路電視(DVB-T) 。
電視數(shù)字化的時代已經(jīng)到來!
在歐洲，從1991 年開始，電視臺、家電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家和標準制訂者坐到了一起，商談組成-個工作組，共同制訂數(shù)字電視的發(fā)展規(guī)劃，工作組的成員發(fā)展很快，這一個由歐洲人發(fā)起的組織很快就吸引美國及日本的許多成員，變成了-個世界性組織。 1993年9月工作組起草了一個備忘錄，將工作組更名為DVB組織，即國際數(shù)字視頻廣播組織。數(shù)字電視的發(fā)展進入了新的時代。
根據(jù)過去痛苦的教訓(xùn)，工業(yè)界決定要以市場的商業(yè)需求作為標準制訂的指導(dǎo)， 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(shù)字技術(shù)，必須是市場導(dǎo)向的。
由于相對較低的基礎(chǔ)設(shè)施費用投入和各國相對簡單的標準協(xié)調(diào)問題,數(shù)字衛(wèi)星電視(DVB-S)網(wǎng)、數(shù)字有線電視(DVB-C)網(wǎng)和數(shù)字開路電視(DVB-T)網(wǎng)先走一步，發(fā)展更快。 1995年 DVB組織確立了數(shù)字衛(wèi)星電視的標準 DVB-S， 1996年數(shù)字有線電視DVB-C數(shù)字共用天線電視、數(shù)字微波電視等標準隨之確立，數(shù)字開路電視 DVB-T的采用緊隨其后，將給整個社會帶來更深刻的變化。 I997年以 DVB標準為基礎(chǔ)的數(shù)字電視已經(jīng)在全世界普及，擁有了幾百萬用戶。 1998年末，微型計算機用戶可以通過在他們使用的微機內(nèi)插入數(shù)字衛(wèi)星接收卡，用來享受因特網(wǎng)服務(wù)。目前，數(shù)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(shù)字電視廣播系統(tǒng)規(guī)范，其周全的計劃及廣范的共識是其成功的關(guān)鍵。從一開始，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，對信源編碼進行了統(tǒng)一，隨后對 MPEG-2碼流進行打包形成傳輸流(TS)，進行多個傳輸流復(fù)用，最后通過衛(wèi)星、有線電視及開路電視等不同媒介傳輸方式進行傳輸。
1. DVB標準的核心
●系統(tǒng)采用 MPEG壓縮的音頻，視頻及數(shù)據(jù)格式作為數(shù)據(jù)源
●系統(tǒng)采用公共 MPEG-2傳輸流(TS)復(fù)用方式
●系統(tǒng)采用公共的用于描述廣播節(jié)目的系統(tǒng)服務(wù)信息(SI)
●系統(tǒng)的第一級信道編碼采用 R-S前向糾錯編碼保護
●調(diào)制與其它附屬的信道編碼方式，由不同的傳輸媒介來確定
●使用通用的加擾方式以及條件接收界面
2. DVB音頻特點
DVB系統(tǒng)的音頻編碼使用 MPEG-I LayerII笫二層音頻編碼，也稱做MUSICAM。音頻的 MPEG-I Layer II編碼壓縮系統(tǒng)利用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應(yīng)，這一人體生理學(xué)效應(yīng)允許我們對于人耳不太敏感的頻率進行低碼率編碼，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)繞聲和多路多語言聲音的編碼。
3. DVB視頻特點
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(tǒng)由一個大家族構(gòu)成，每一個系統(tǒng)之間都有兼容性和共同性，根據(jù)圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱“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(jù)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，每一個不同的“檔次”(PROFILE)能夠提供構(gòu)成編碼系統(tǒng)的壓縮工具和壓縮算法。
a)“檔次”(PROFILE)
目前在 MPEG-2系統(tǒng)中存在 5個“檔次”(PROFILE)，每一個“檔次”(PROFILE)都會比它的前一個“檔次”更加復(fù)雜，更加完善，提供更多的工具,同時其相對應(yīng)的設(shè)備的價格也更高。
“檔次”的最初級叫做簡單檔次(SIMPLE PROFILE)，隨后是主檔次(MAIN PROFILE)，它比簡單檔次(SIMPLE PROPILE)增加了編碼雙向預(yù)測的功能，即：B-FRAMES，在使用同樣的碼流的情況下，它的質(zhì)量會更好，但算法更加復(fù)雜，使用的芯片更多。主檔次(MAIN PROFILE)的解碼芯片,可以兼容解碼簡單檔次(SIMPLE PROFILE)的編碼，這種向下兼容性貫穿整個系列的“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(diào)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(fù)雜性以及接收設(shè)備價格昂貴問題， 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?zhèn)渌械墓δ埽铱梢赃M行多行，同時編碼，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(fù)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行4個采樣，對色度信號(R-Y，B-Y)進行 2個采樣，見圖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(shù)字電視的傳輸成為可能。
(b)“等級”(LEVEL)
根據(jù)圖像節(jié)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(shù)字有線電視和數(shù)字衛(wèi)星電視的基礎(chǔ)，節(jié)目提供者可以提供 625線質(zhì)量的節(jié)目，圖像的長寬比可以是4: 3或 I 6: 9; 至于碼流率，它是由節(jié)目提供者根據(jù)節(jié)目質(zhì)量來選定的，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(fù)用及服務(wù)信息
參照數(shù)字電視傳輸方框圖3.5，音頻、視頻及數(shù)字信號首先經(jīng)過 MPEG-2編碼器進行數(shù)據(jù)壓縮，通過節(jié)目復(fù)用器形成基本碼流(ES)，基本碼流經(jīng)過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(fù)用器進行系統(tǒng)復(fù)用，復(fù)用后的碼流叫做傳輸流(TS)，傳輸流中包括多個節(jié)目源的不同信號，為了區(qū)分這些信號，在系統(tǒng)復(fù)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(jié)目。為了便于理解 DVB傳輸系統(tǒng)的服務(wù)信息，我們對傳輸碼流的結(jié)構(gòu)進行粗略的介紹，傳輸碼流的長度定義為 188個字節(jié)長，見下圖3.3 。
每個傳輸流的前4個字節(jié)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(shù)據(jù)信息，通常是 184個字節(jié)長度，有時在有用信息(Useful Data)中插入一段適配區(qū)域(Adaptation Field)，用于補充長度不完整的傳輸流，放置解碼時鐘(PCR)。傳輸流的字頭是識別傳輸流的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)見下圖3.4，由 32個比特組成，其含義見下圖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(jié)目信息的“身份證”，不同的電視節(jié)目和服務(wù)信息(SI)對應(yīng)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(jié)目，它首先通過 PID碼找到服務(wù)信息(SI)所對應(yīng)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(jié)目分配表
CAT: Conditional Access Table 有條件接收表
PMT: Program Map Table 節(jié)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 時間日期表
通過這些服務(wù)信息表格，可以查到所要接收節(jié)目的PID碼和對應(yīng)的時鐘PCR，節(jié)目就可以還原。
DVB標準的傳輸系統(tǒng)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，對音頻和視頻進行節(jié)目復(fù)用，然后再將多個數(shù)字電視節(jié)目流進行傳輸復(fù)用。
信道編碼包括：前向糾錯編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)和上下變額三部分。前向糾錯碼根據(jù)不同的傳輸媒介采用不同的組合。衛(wèi)星傳輸采用 QPSK調(diào)制，有線傳輸采用 QAM調(diào)制，開路傳輸采用 COFDM調(diào)制或 I6VSB調(diào)制。見圖3.5。
1. DVB標淮衛(wèi)星傳輸系統(tǒng) DVB-S
數(shù)字衛(wèi)星電視的傳輸是為了滿足衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬及衛(wèi)星信號的傳輸特點而沒計的。衛(wèi)星系統(tǒng)是一個單載波系統(tǒng)，如果我們將所要傳輸?shù)挠杏眯畔⒎Q為“核”，那么它的周圍包裹了許多保護層，使信號在傳輸過程中有更強的抗干擾能力，視頻、音頻以及數(shù)據(jù)被放入固定長度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進行信道處理，在衛(wèi)星系統(tǒng)中，信道處理過程包括：
(a) 首先進行同步字節(jié)的倒相，倒相字節(jié)的長度為每 8個字節(jié)進行一次。
(b) 然后進行數(shù)據(jù)的能量擴散，數(shù)據(jù)隨機化，避免出現(xiàn)長串的0或1。
(c) 為每個數(shù)據(jù)包加上前向糾錯的 R-S編碼，也叫做外碼。 R-S編碼的加入會使原始數(shù)據(jù)長度由原來的188字節(jié)增加到 204字節(jié)。
(d) 進行數(shù)據(jù)交織。
(e) 加入卷積碼糾錯，也稱內(nèi)碼，內(nèi)碼的數(shù)量可以根據(jù)信號的傳輸環(huán)境進行調(diào)節(jié)。
(f) 最后對數(shù)據(jù)流進行 QPSK調(diào)制。見圖3.6。
總之，傳輸系統(tǒng)首先對突發(fā)的誤碼進行離散化，然后加入 R-S外糾錯碼保護，內(nèi)糾錯碼是可以根據(jù)發(fā)射功率，天線尺寸以及碼流率進行調(diào)節(jié)變化。舉例來講，一個36MHz帶寬的衛(wèi)星轉(zhuǎn)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。見圖3.7。
2. DVB標準有線傳輸系統(tǒng) DVB-C
數(shù)字有線電視采用與衛(wèi)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，與衛(wèi)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(nèi)碼。調(diào)制方式改成 64-QAM方式，有時也可以采用 I6-QAM，32-QAM或更高的 128-QAM，256-QAM。對于 QAM調(diào)制而言，傳輸信息量越高，抗干擾能力越低。在一個 8MHz標準電視頻道內(nèi)，如果使用 64-QAM，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為 38.5Mb/s。見圖3.8。
3. DVB標準開路傳輸系統(tǒng) DVB-T
開路傳輸系統(tǒng)的標準是1998年2月批準通過的。第一個正式的開路傳輸系統(tǒng)于I998年初開始運營。 MPEG-2數(shù)字音頻、視頻壓縮編碼仍然是開路傳輸?shù)暮诵?。其它特點是，采用 COFDM調(diào)制方式，在這種調(diào)制方式內(nèi)，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(diào)制方式將信息分布到許多個載波上面，這種技術(shù)曾經(jīng)成功地運用到了數(shù)字音、視頻廣播DAB上面，用來避免傳輸環(huán)境造成的多徑反射效應(yīng)，其代價是引入了傳輸“保護間隔”。這些“保護間隔”會占用一部分帶寬，通常 COFDM的載波數(shù)量越多，對于給定的最大反射延時時間，傳輸容量損失越小。但是總有一個平穩(wěn)點，增加載波數(shù)量會使接收機復(fù)雜性增加，破壞相位噪聲靈敏度。
由于COFDM調(diào)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(qū)域內(nèi)可以將來自兩個發(fā)射塔的電磁波看成是一個發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的疊加。但是如果兩個發(fā)射塔相距較遠，發(fā)自兩塔的電磁波的時間延遲比較長，系統(tǒng)就需要較大的保護間隔。
從前向糾錯碼來看，由于傳輸環(huán)境的復(fù)雜性， DVB-T系統(tǒng)不僅包含了內(nèi)外碼(Outer Code， Inner Code)。而且加入了內(nèi)外交織( Outer Interleave， Inner Interleave )。
有條件接收
數(shù)字電視的有條件接收是一個比較復(fù)雜的題目，各個國家、各個公司都希望保守自已的秘密，大家很難達成一致意見，最終 DVB標準達成以下共識：
a) 兩種加解擾方式共存于市場，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(yīng)商提供進入數(shù)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(guī)格。
e) 起草反盜版建議。
f) 有條件接收系統(tǒng)供應(yīng)商向其它數(shù)字電視生產(chǎn)廠商所提供的產(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(tǒng)必須允許節(jié)目經(jīng)營者之間的有條件控制轉(zhuǎn)移，比如衛(wèi)星有條件接收的節(jié)目進入有線網(wǎng)后，原有的有條件接收系統(tǒng)可以被新的有條件接收系統(tǒng)所替換。 |
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