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数字电视技术基础知识

数字电视技术基础知识. 美国哈雷公司上海办事处 经理、高级工程师 刘文涛 TEL ： 021-64834948 、 13901641576. 课程简介. 数字视频基础 模拟视频信号的数字化 为什么要压缩数字视频信号？ MPEG 压缩编码 数字电视基础 数字电视传输标准： MPEG-2/DVB 节目流 PS 、传输流 TS 的概念 数字信号的调制方式和传输中的纠错编码 数字电视系统概述 数字电视前端的基本构成 条件接收和机顶盒 DVB 同密基本知识. 模拟视频信号的数字化 (1). 模拟电视信号的数字化有两步：

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数字电视技术基础知识

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  1. 数字电视技术基础知识 美国哈雷公司上海办事处 经理、高级工程师刘文涛 TEL：021-64834948、13901641576

  2. 课程简介 • 数字视频基础 • 模拟视频信号的数字化 • 为什么要压缩数字视频信号？ • MPEG压缩编码 • 数字电视基础 • 数字电视传输标准：MPEG-2/DVB • 节目流PS、传输流TS的概念 • 数字信号的调制方式和传输中的纠错编码 • 数字电视系统概述 • 数字电视前端的基本构成 • 条件接收和机顶盒 • DVB同密基本知识

  3. 模拟视频信号的数字化(1) • 模拟电视信号的数字化有两步： （1）抽样(sampling)；（2）量化(quantization) • (1) 对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成抽样信号。 • (2) 把抽样量化，每一个抽样值用10比特(或8比特)位数表示。比特数大，量化就细，但是数据率也大。超过8比特，人眼几乎看不出图象质量的改变。

  4. 模拟视频信号的数字化(2) • 国际电信联盟(ITU)1982年制定了适合不同电视制式的统一标准，即ITU-R601规定的演播室用(广播级)分量电视信号的数字化标准。 • 对每行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮度分量(luminance)和两个色差分量(chrominance)。 • 在每行，对亮度分量的抽样频率为13.5MHz，对两个色差分量的抽样频率分别为6.75MHz。 • 625行50场制式(PAL和SECAM)：每行有864个亮度抽样: [13.5兆抽样/秒]/[(15625行/秒)] = 864抽样/行。 • 525行60场制式(NTSC)：每行有858个亮度抽样。 • 用这样方式(4:2:2抽样方式)取得的数字视频信号也称为D1格式信号。

  5. 数字视频基础 • 模拟信号和数字信号 • 模拟视频信号的数字化 • 为什么要压缩数字视频信号 • MPEG压缩编码

  6. 什么是非压缩数字视频信号？SDI • 如果每个抽样(sample)用10个比特(bit)来量化(quantize)，ITU-R601数字视频信号的最高比特率为270Mbps： (13.5 Msamples/s + 6.75 Msamples/s + 6.75 Msamples/s) * 10 bits/sample = 27 Msamples/s * 10 bits/s = 270 Mbp。 • 根据ITU-R601标准，每行只显示720个抽样，而且不显示所有行(PAL显示576行，NTSC显示480行)，不需要传输所有抽样。所以显示区的比特率是207.36Mbps。 • 如果传输4:2:0格式信号，显示区比特率是155.52Mbps。 • 除非能够大幅度地压缩这个数字化的视频信号，一般传输方法根本无法传输这么大的数据率(每套电视节目大约150 - 200兆带宽)，数字电视广播也无法成为现实。 • 电视台演播室提供给网络公司的数字信号一般就是SDI /270 Mbp不压缩数字视频信号.

  7. ITU-R 601 ITU-R 601 SIF CIF 525/60 NTSC 626/50 PAL (MPEG-1) ( ) 会议电视 858 864 每行亮度抽样 Total samples/line, Y 720 720 360 360 每行显示的亮度抽样 Active samples/line, Y 360 360 180 180 每行显示的色差抽样 Active samples/line, U and V 480 576 240/288 288 每帧显示的亮度抽样行 Active lines/frame, Y 480 576 120/144 144 每帧显示的色差抽样行 Active lines/frame, U and V 900,000 900,000 450,000 每帧抽样总数 Total samples/frame 数字视频信号的比特率 691,200 155,520 每帧显示的抽样总数 829,440 Active samples/frame 27 M 27 M 13.5 M 总抽样率 Total sample rate ( samples/s) 20.736 M 20.736 M 4.6656 M 被显示的抽样率 Active sample rate ( samples/s) 270 Mbps 270 Mbps 135 Mbps 最高比特率 Maximum bit rate (10 bit) 207.36 Mbps 207.36 Mbps 46.656 Mbps 被显示的抽样的比特率 Active sample bit rate (10 bit)

  8. 数字视频基础 • 模拟视频信号的数字化 • 为什么要压缩数字视频信号？ • MPEG压缩编码

  9. 怎么压缩数字视频？ • 要压缩数字视频信号数据量，作法是： • 多余的信息不传； • 人类视觉不敏感的信息不传； • 没有变的信息不传； • 必须传的信息要用最节省比特的方法传。 • 电视图象有很多冗余信息，有利于大幅度压缩。 • 空间域里有很多冗余信息(spatial redundancy) • 时间域里有很多冗余信息(time-domain redundancy)

  10. 为什么视频压缩成为可能？ • 视频压缩取决于（1）在图象或帧间的冗余量（2）人类视觉系统的特性 • 空间编码---空间冗余度涉及到一个图象的平面区域内相邻像素点之间的类似点。例如，一个包括了蓝天背景的图象可能会包含几排相同的蓝色像素点。空间编码只对这些像素中的一个点进行编码，因此大大减少了比特流中的冗余量，这种类型的编码器包括了一系列的步骤，包括离散余弦变换（Discrete Cosine Transform DCT)、加权、扫描以及加密编码等。

  11. 为什么视频压缩成为可能？ • 时间编码---减少了在视频码流中各个帧之间的冗余量，这一点可以通过动态估计以及帧间预知来完成。例如，想象你正在为显示一场足球比赛的俯视图这样一个视频信号进行编码，尽管球员们在每一帧都移动，但背景---球场本身并不改变，时间编码利用了连续帧之间的相似之处，仅对一帧与一帧的不同之处进行编码，时间编码的两种类型为帧间预知与移动预知。 • 帧间预知---采用一个被称为内部编码帧（I帧）的完整桢，作为在视频码流中复制其它帧的基础，冗余信息仅传输一次，因此可以大大降低比特率。I帧仅代表帧预知中所使用的三种帧类型中的一个。

  12. 为什么视频压缩成为可能？ • 预测帧，称为P帧，是由原先一个I帧或者原先一个P帧来预知的。编码器不传输P帧的所有转换系数，它仅发送与前面的I帧或P帧不同的那些系数。在解码器中，P帧采用前面的I帧或P帧作为参考加上其差异之处来再生，B帧按照与前面的或随后的I帧或P帧相同的方式进行双向预知，一个P帧通常需要一个I帧的数据的1/2，而一个B帧仅需要1/4。 • 当然，在一个视频码流中仅采用一个I帧作为生成所有其他帧的基础将会使得码流非常容易引入误码，因为I帧中的一个误码将会无限传播。由于这一原因，帧被分为图象组（Group of pictures GOP),通常长度为12~15个图象，GOP总是以一个完整的I帧开始和终止，因此，当前面的I帧出现故障时，可以快速进行误码校正。GOP还包括P帧和B帧。 • 移动预知---尽管物体可能会改变其在屏幕上的位置，但其外形保持不变。移动预知通过在编码器测试一个物体的移动来利用此相似性。此测试作为一个移动矢量被发送到解码器，然后解码器采用此矢量将特定图象由前一帧的位置移到下一帧的新位置上。

  13. 数字视频压缩标准 • 1987年，国际电工技术委员会（International Electronical Commisson IEC)和国际标准化组织（International Organization for Standardisation ISO)联合力量组成了联合技术委员会（Joint Techical Committee JTC1). • JTC的使命是协调信息技术（Information Industry IT)的国际标准。为了完成这一任务，此委员会将人员分为各种子委员会，其中一个子委员会29（subcommittee 29,SC29),致力于研究音频视频编码的标准化。 • SC29，其名称为“音频、图象、多媒体与超媒体信息编码”。它被分为几个工作组。工作组11（working Group11,WG11) “活动图象与音频编码”后来被称为活动图象专家组（Moving Pictures Expert Group) • 当1988年5月10日第一次正式的MPEG会议召开时，数字电视广播只不过是一种想法，音频CD的发展已经证明了模拟信号可以被数字化以便产生更佳的声音质量。

  14. MPEG-1，2标准简介 • MPEG（Moving Picture Expert Group)—活动图象专家组 • 1992年制定MPEG-1标准 • 最初的目标是将视频灌入激光盘，传输速率定为1.416Mbit/s • 低分辨率NTSC：352X240，PAL：352X288 • 广播工业界不满足VHS的图象质量的标准 • 1994年11月11日，MPEG-2在新加坡29次会议上批准了MPEG-2的决议，对国际标准化来说具有重要的里程碑。 • MPEG-2规定的图象格式符合CCIR.601建议（NTSC：704X480；PAL：704X576，传输码率4~8Mbit/s,包括逐行/隔行，16：9，HDTV） • MPEG-1是MPEG-2的一个子集，任何MPEG-2的解码器能够MPGE-1解码 • MPEG-2中的关键技术有3个：1）DCT---大大减少了图象的空间冗余度；2）运动补偿---大大减少了时间上的冗余度；3）Huffman编码在信息表示方面大大减少了冗余度

  15. MPEG-1,2应用情况(1) • VCD---用MPEG-1的压缩视频和音频数据，存储74分钟，达到VHS质量水平 • DVD---用MPEG-2格式将133分钟的电影节目压缩在一张光盘中，清晰度达到了每行720个像素 • MPEG-2标准中主要有：1) SDTV 标准清晰度电视（Standard Definition Television)； 2) HDTV高清晰度电视(High Definition Television) • MPEG-2已经被国际上公认为HDTV信源编码的标准 • 在HDTV方面，美国已经采用MPEG-2作为它的标准，欧洲方面也是用MPEG-2，只是倾向于兼容方式（MPEG-2中的一类），我国HDTV的制式标准也在研究中，基本上可以肯定在信源方面也是MPEG-2标准 • MPEG-2不仅在广播电视方面，而且在多媒体和信息高速公路、高清电影院等许多领域中有广泛的应用

  16. MPEG-2的压缩与传送 • MPEG-2标准定义了编码比特码流的结构和句法，但是并没有指定对比特码流进行编码的方法。这一灵活性为生产厂家和节目内容提供着赋予了空间，对特定的应用不断改进的解决方案。 • MPEG-2视频和音频压缩的目标是为了减少冗余量而不影响质量，压缩也会带来负面影响，因为它不会产生一个原来质量的声音或图象，信号被压缩的越多，最后生成的信号质量越低。电视台和消费者灵活地在高度压缩与高质量之间进行选择，MPEG-2定义了不同类型与级别，每个类型与级别提供不同程度的压缩质量比。通常将音视频压缩到原来大小的三十分之一左右。 • 视频一般压缩在5 Mbp/s;音频一般压缩为256 Kbp/s

  17. 视频压缩技术中一些算法 • 主要取决于编码器芯片的性能 • C-cube E4-II(LSI) 压缩编码芯片是世界上使用最多的芯片 • 世界上各大厂家都有各种专利算法 • 低成本编码器主要IBM和富士通的编码芯片

  18. 数字电视基础 • 数字电视传输标准：MPEG-2/DVB • 节目流PS、传输流TS的概念 • 数字信号的调制方式和传输中的纠错编码

  19. MPEG-2和DVB数字电视传输标准 • 13818-1系统(传输流内容要求、传输、接收) • 13818-2视频(图象格式、视频码流内容要求、解码) • 13818-3音频(音频信号的编码、码流内容要求、解码) • 13818-4一致性 • TS流中的其它信息 • PSI/SI表 • 本标准可以在www.dvbcn.com网站上下载

  20. 数字电视基础 • 数字电视传输标准：MPEG-2/DVB • 节目流PS、传输流TS的概念 • 数字信号的调制方式和传输中的纠错编码

  21. 传输流的产生 • 数字化和量化(digitize and quantize)模拟视频音频源 • 压缩数字视频和音频信号，产生视频基本码流(elementary stream, ES)和音频基本码流 • 把视频和音频基本流打成分组的基本流(packetized elementary stream, PES) • 把控制管理信息、电子菜单、数据广播信息以及其它数据信息达成分组的基本流 • 把PES码流打包成传输流分组(transport stream packets)，然后将所有包复用成一个传输流(transport stream, TS) • TS流中含有多种信息，这些信息全部分布在各个小分组包里。PID(packet identification，分组识别号)是识别各种信息的最重要工具。

  22. 传输流的产生 • PS 　－Program Stream 节目流 　－用于硬盘存储和光盘存储,由视音频　PES和数据PES组成，数据长度2048字节 • TS • Transport Stream 传送流 • 在MPEG－II中定义，由MPEG-II数据包构成，是DVB系统的传输基本单位，188字节

  23. 传输流的产生(方框图)

  24. 传输流的产生 • PES(可变长度)含有关基本流的信息，共解码时使用。 • TS(固定长度188bytes)含有关传输和解复用所需信息。分组长度适合实际传输信道。TS流中最重要的信息之一是分组识别号(packet identification, PID)

  25. DVB服务传送模型

  26. 传输流TS里有什么? • 视频节目(多个) • 电视节目的伴音(有些节目有多个伴音) • 数据广播，如图文电视数据、IP广播数据 • 电子菜单数据等 • 条件接收系统的授权管理和控制信息 • MPEG/DVB规定的表格

  27. 复 用 器 节目1（SPTS） MPTS 节目2 节目3 节目4 单节目流、多节目流以及复用

  28. DVB PSI/SI 表(1) • 机顶盒接收到的传输流里复用了众多节目和各种信息。这些信息并不是按顺序依次送到机顶盒的。 • 当用户在机顶盒遥控器上选了一个节目，机顶盒需要知道调到哪个频率；哪个节目能看，哪个不能看；到哪找能看的节目的码流；如果节目被加密了，怎么找到解密钥匙。 • 机顶盒怎样从一个传输流里千千万万个分组包当中找到用户想看得节目呢？ • 答案：靠PID和PSI/SI表。

  29. DVB PSI/SI 表(2) • 为了协助机顶盒在传输流中浏览，MPEG和DVB在标准中规定了一些信息表。没有这些信息表指路，机顶盒就迷失方向，什么都找不到。 • MPEG-2规定了三个主要表(PAT，PMT，CAT)，统称PSI表(program specific information，节目描述信息表)。PSI表里的信息只与本TS流内的节目及服务有关。 • DVB又补加了一些表(NIT，BAT，SDT，EIT，RST，TOT，ST)，统称SI表(service information，服务信息表)。SI表向机顶盒提供有关其它TS流或其它网络的信息。

  30. PSI结构示意图

  31. PSI/SI总体结构

  32. 节目关联表PAT • Program Association Table • 由PID 0X0000标识 • 指出传输码流中包括哪些节目 • 节目的编号与对应的节目映射表PMT的PID • 指定网络信息表NIT所对应的PID（可选） • CA描述子用于提供ECM数据的位置（可选）

  33. PAT表(program association table)

  34. 节目映射表PMT • Program Map Table • 其PID由PAT指定 • 指出节目中包含的内容 —节目由哪些流构成 —流的类型（音频、视频、数据） —节目中各流所对应的PID —节目的PCR所对应的PID

  35. PMT表(program map table)

  36. 条件接收表CAT • Conditional Access Table • 由PID 0X0001标识 • 指定一个或多个CA系统与其EMM信息之间的联系 • 指定EMM的PID • 其他相关参数 • 具体内容与所采用的CA系统有一定关系

  37. CAT表(conditional access table)

  38. DVB的SI • SI—Service Information 业务信息 • 提供有关业务和事件的识别信息 • 提供其他复用流中的业务和事件信息 • 目的： —利用NIT、PAT、PMT等信息进行频道调谐 —选择节目和定位 —实现电子节目指南EPG —作为API的基础 —进行CA控制

  39. SI的内容 • 业务群关联表BAT • 业务描述表SDT • 事件信息表EIT • 运行状态表RST • 时间和日期表TDT • 时间偏移表TOT • 填充表ST • 选择信息表SIT • 间断信息表DIT

  40. 网络信息表NIT • PID为0X0010 • 除现行网络外，可以为其他网络传输NIT表信息

  41. NIT表（注：整个网络一张表）

  42. 业务描述表SDT • Service Description Table • PID=0X0011 • 描述系统中业务名称、业务提供者、是否有相应的事件描述等方面的信息 • 可以描述当前传输流的，也可以描述其他传输流的，由表的标识字来区分

  43. SDT表 注：每个传输流一张表

  44. 事件信息表EIT • Event Information Table • PID=0X0012 • 包含事件的有关数据，如事件的名称、开始时间、时间长度、运行状态等 • 四类EIT —当前传输流的正在进行或将要进行的事件 —当前传输流计划进行的事件 —其他传输流正在进行或将要进行的事件 —其他传输流计划进行的事件 • 不同的表由表标识字来区别

  45. EIT表（P/F—Present现在/Fellowing伴同） EIT（Schdule—节目预告），注：每个传输流一张表

  46. 业务群关联表BAT • Bouquet Association Table • 提供有关业务群的信息，可包括业务群名称、业务组成等 • 此业务组成可能横跨于不同的网络上

  47. 数字电视基础 • 数字电视传输标准：MPEG-2/DVB • 节目流PS、传输流TS的概念 • 数字信号的调制方式和传输中的纠错编码

  48. 数字视频传输系统全图

  49. 传输中的损失 • 信号在传输过程中会受到各种噪声信号的干扰。数字信号受干扰时，有的字码会出错误。人眼对数字图象中误码后果很敏感。因此在数字电视里，误码率要低于亿分之一，否则图象质量会明显下降。 • 进入传输通道前：(1) 选择抗干扰能力好、效率高的调制方法。(2) 采取措施预防误码、发现误码、纠正误码。 • 调制和纠错措施的选择要根据传输通道的特性： • (1) 有线网：信噪比高，但电缆接头反射造成波形失真。主要误码现象为突发性干扰造成的突发性错误，误码成串出现。 • (2) 卫星：信噪比很低；产生误码原因主要是随机(热)噪声。 • (3) 微波：情况介于有线网和卫星传输之间。 • (4) 地面广播：传输环境复杂，各种干扰严重。

  50. 调制类型 • 数字调制（用基带信号对正弦载波信号的参量进行控制） • 频移键控（FSK） • 用两个不同的频率代表二进制数据，实现简单，解调不需要本地载波，电平变化适应力强，可看作两个幅度调制信号的叠加，缺点是占据频带宽；解调有签频法和过零检测法 • 相移键控（PSK） • 利用载波相位的变化来传送数据信息（QPSK） • 幅度相位复合调制（AM/PM） • 正交平衡调幅QAM方式；CCITV.29建议

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