数字电视技术讲座.docx

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1、数字电视技术讲座 模拟电视与数字电视 MPEG-2数字视频编码及DVB相关技术 PSI与SI表 条件接收系统 (CAS) 新的数字电视前端系统架构模拟电视与数字电视模拟电视信号的产生 模拟电视信号的产生，是通过扫描的方式将二维的面抽丝成线模拟视频信号的基本参数比较基本参数NTSCPAL扫描方法隔行扫描，每帧两场隔行扫描，每帧两场帧频/场频29.97 Hz/59.94 Hz25 Hz/50 Hz扫描行数525625行频15.734 KHz15.625 KHz可见行数483575传输带宽6 MHz8 MHz为什么使用数字视频 便于利用计算机和数字技术编辑、处理和传输图像 无损耗、无噪声累积，有利于

2、反复编辑和复制 有利于不同电视制式的相互转换。 有利于实现视音频及数据在多媒体平台上的汇集，并便于节目的存储、检索和管理 利用数字压缩技术，节省传输带宽资源 可适用于多种网络和平台，促进业务的开展 易于实现内容加密和版权保护模拟视频信号的数字化 电视信号的数字化有两步，抽样和量化： 对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成离散信号。 把每个抽样的值用8比特 (或10比特) 位数表示。比特数位越多，量化就越细，但是数据量也大。抽样和量化的国际标准 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

3、行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮度分量和两个色差分量 在每行，对亮度分量的抽样频率为13.5 MHz，对两个色差分量的抽样频率分别为6.75 MHz 625行50场制式 (PAL) 每行有864个亮度抽样 525行60场制式 (NTSC) 每行有858个亮度抽样4:2:2和4:2:0抽样方式1个亮度采样点(Y)2个色差采样点(Cb, Cr)4:2:24:2:0数字视频信号的基本参数比较基本参数ITU-R 601 NTSCITU-R 601 PALH.261 CIF (会议电视)每行亮度抽样858864429/432每行可见亮度抽样720720352每行可见色差抽样3603601

4、80每帧可见亮度抽样行480576288每帧可见色差抽样行480480144每帧抽样总数9009001080000450450/540000每帧可见抽样总数691200829440155520总抽样频率27 MHz27 MHz13.5 MHz可见总抽样频率20.736 MHz20.736 MHz4.6656 MHz最高比特率 (10bit量化)270 Mbps270 Mbps135 Mbps可见抽样比特率 (10bit量化)207.36 Mbps207.36 Mbps46.656 Mbps数字视频信号为什么需要压缩 如果每个抽样用10bit量化，则数字视频信号的最高比特率为270Mbps (1

5、3.5+6.75+6.75)10=270 根据ITU-R 601标准，每行只有720个抽样可见，而且只有部分行可见 (PAL可见576行，NTSC可见480行)。所以可见区域编码后的比特率是207.36 Mbps 如果传输4:2:0格式信号，可见区域编码后比特率是155.52 Mbps。 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 (每套电视节目大约需要150200 Mbps带宽)，数字电视广播也无法成为现实数字视频压缩的目的 保证图像信息的完整 消除图像中的所有冗余信息 用最少的比特传输必要的信息 最大限度地降低复杂性和成本数字视频压缩基本思路 消除电视

6、图像中的冗余信息 时域冗余信息，相邻帧间图像变化不大 空间域冗余信息，同一帧图象内，相邻像素变化不大 利用人眼的视觉特征 对亮度变化的敏感度并不高 对色度变化的灵敏度更低 在物体边缘和高亮度区域，对噪声的灵敏度降低时域信息冗余分析 时域信息冗余的产生 PAL制式每秒传25帧图像，两帧相邻图像时间差距是0.04 在这么短时间里，图像中大部分没有变化 时域信息冗余实例 新闻节目中主持人坐在演播室的场景，其固定背景基本不会变化。在很短时间内，例如半秒钟 (12.5帧) 之内，主持人的姿态变化也很少，所以图像其它部分基本没有变化 当电视图像背景变化不太大时，即使图像中有运动物体，仍存在大量冗余信息。例

7、如一般的远景画面压缩时域冗余信息 没有变化的信息不需要重复编码 图像静止或活动很缓慢时，可以隔帧处理 利用帧间压缩时域里的冗余信息，比单纯采用帧内压缩的效率要高10倍以上。 在图像中活动缓慢区域，帧间压缩方法效果好， 在快速活动区域，帧间压缩方法失真大，而帧内压缩方法性能比较好。空间域信息冗余分析 空间信息冗余 在任何图像里有很多像素与其周围的其它像素相同 空间信息冗余实例 天空中如有一点是蓝色，它附近一片也会是蓝色 图像中亮度低于某一阈值即可以丢弃，因为人眼看不出黑色之间的区别。MPEG-2数字视频编码及DVB相关技术MPEG-2简介 MPEG运动图像专家组，ISO下属国际标准组织，专门制定

8、影像和声音压缩编码标准的组织 MPEG-2的分类与分级简单类主类4:2:2类SNR可分级类空间可分级类高级类高级1920115280 Mpbs100 Mpbs高级1440115260 Mpbs60 Mpbs80 Mpbs主级 72057615 Mpbs15 Mpbs50 Mpbs15 Mpbs20 Mpbs低级 3522884 Mbps4 Mbps备注无B帧 4:2:0 不分级有B帧 4:2:0 不分级有B帧 4:2:2 不分级有B帧 4:2:0 SNR可分级有B帧 4:2:0 SNR可分级 空间可分级有B帧 4:2:0 或4:2:2 SNR可分级 空间可分级MPEG-2压缩技术要点 不是对图

9、像本身编码，而是对图像相关信息编码 图像中的变化 图像中物体的运动 用数学方式描述这些变化和变动 帧间编码运动补偿预测编码 帧内编码DCT离散余弦变换 量化以及变长熵编码运动补偿预测编码压缩时域信息冗余 对图象活动部分的运动规律进行预测 只对运动规律进行编码MPEG-2多种预测图像格式 I-图像 (帧内编码图像) 空间域DCT压缩编码，只利用本帧内的信息 P-图像 (前向预测编码图像) 以I-图像为参考，通过运动补偿所预测出的图像 B-图像 (双向预测编码图像) 以I-图象和基于I-图象预测得到的P-图象，通过运动补偿所预测出的位于两者之间的图像。图像组(GOP)和帧间编码 GOP组越长，编码

10、效率越高 GOP组越短，技术上越容易实现 I帧要求的码率最高MPEG-2和DVB数字电视传输标准 系统 (传输流内容要求、传输、接收) 视频 (图像格式、视频码流内容要求、解码) 音频 (音频信号的编码、码流内容要求、解码) TS流中的其它信息 PSI/SI表传输流(TS流)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规定的表格传输流的生成流程图 视频编码器音频编码器音频编码器数据编码器27 MHz时钟格式化与复用PESMPEG单节目MPEG传输流传输流的生成 数

11、字化和量化模拟视音频源 压缩数字视频和音频信号，产生视频和音频基本码流 把视频和音频基本码流封装为基本流 (PES) 分包 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也封装为PES分包 PES包含有关基本流的信息，共解码时使用 把PES码流封装为传输流数据包，然后将所有包复用成一个传输流 (TS) TS (固定长度为188bytes) 包含有关传输和解复用所需信息，这些信息全部分布在各个小分包里，PID (分包识别号)是识别各种信息的最重要工具MPEG-2传输流 传送包的长度为 188 bytes 每一传送包开销均具有一段包标识 (PID) 每一信息净负荷均包含某个基流的信息PID

12、headhead视频、音频、数据及系统信息 信息净负荷(Payload)188 bytes开销(Header)MPEG-2传输流实例PID 121 MTV 视频PID 1338 NBC 视频PID 57 MTV 音频PID 6524 CBS 音频-英语PID 2099 NBC 音频-法语PID 0节目关联表PID 1338NBC 视频PID 1有条件接入表TS流的传输与调制方式的选择 调制方式的选择有两个考虑 传输通道的干扰情况和信噪比 传输效率。符号率决定传输带宽；每个符号里比特越多，固定带宽所传输得比特率就越高 在有线网里，信噪比大 ( 30 dB)，可以采用高效率的正交幅度调制方式 (Q

13、AM) 卫星广播，信噪比很低 (可能 0 dB)，必须采用抗干扰能力强的调制方式，如正交相位调制方式 (QPSK) 地面广播，多径传输干扰非常严重，宜使用宽带调制方式，如编码正交频分复用 (COFDM)QAM调制及星座图 64 QAM 效率高，每个符号可传输6bit。但星座矢量之间距离近，每个矢量受到干扰而移位后时容易与其它矢量混淆，造成较高的误码率。 QPSK效率比QAM低，每个符号只能传输2bit。但星座矢量之间距离远，每个矢量的允许漂移空间大；信噪比很低时仍可正确辨别各个矢量。64 QAM16 QAMQPSK传输通道中MPEG-2传输流的带宽Ru = 有效TS流比特率 (复用器输出，包括

14、视频、音频、EPG、CAS、数据等)BW = 传输通道带宽a = 传输通道频率响应参数M = 每符号代表几个比特(QPSK=2，16 QAM=4，64 QAM=6)rc = 卷积码效率(1/2, 5/8, 3/4, 7/8。如不用卷积码则为1)rRS = RS码效率 = 188/204MPEG-2传输流带宽计算实例 MPEG-2传输流各项参数 有线电视网，不用卷积码 模拟频道带宽 BW = 8 MHz 频道频响参数 a = 0.15 使用64 QAM 调制器，M = 6 计算结果 有效传输流比特率 = 38.4 Mbps 如果每套节目压缩编码用4 Mbps，那么每8 MHz的模拟频道里可传输8

15、套节目MPEG-2数字视频传输通道容量估算 8 MHz模拟频道可提供码率带宽 使用64 QAM每8 MHz可提供38 Mbps带宽 使用256 QAM每8 MHz可提供52 Mbps带宽 MPEG-2编码效率 一般节目: 2 to 4 Mb/s 体育及有快速运动的节目: 6 to 9 Mb/s 卡通: 1.5 to 3 Mb/s MPEG-2数字视频传输通道容量估算 使用64 QAM每8 MHz可传送6至9套MPEG-2节目 使用256 QAM每8 MHz可传送8至13套MPEG-2节目 统计复用后，使用256 QAM每8 MHz可传送大约16套MPEG-2节目PSI与SI表PSI/SI表的重

16、要意义 机顶盒接收到的传输流里复用了众多节目和各种信息。这些信息并不一定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，哪个节目不能看；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？ 答案依靠PID和PSI/SI表PSI/SI 表的定义 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 MPEG-2定义了三个主要表 (PAT、PMT、CAT)，统称PSI表 (节目信息表) PAT表提供每个节目的PMT表 PMT表提供节目的基本流(视频流、

17、音频流、数据流等) PSI各表里的信息只与本传输流内的节目及服务有关 DVB补充定义了一些表 (NIT、BAT、SDT、EIT、RST、TOT、ST)，统称SI表 (服务信息表) SI表向机顶盒提供有关其它流或其它网络的信息PSI 表功能 使机顶盒可以从单TS流中挑选出所需节目 机顶盒根据过滤出的PID号,迅速地将不同节目的视频、音频、数据信号分类并组合到一起 机顶盒根据PSI表所提供的必需的数据，从组合的节目中找到所需节目并提供给观众PSI 表的生成与内容 PSI表一般由前端系统网管产生，并送入复用器 PSI表是独立生成的 三个PSI表 PAT (Program Association Ta

18、ble) 传输流根目录节目与特定传输流的关联 PMT (Program Map Table) 所有PID与节目间的路由(映射)信息 CAT (Conditional Access Table) CAS 信息PAT节目关联表 PID值恒为 0x0000 解码器解出节目时的第一步 告诉解码器在传输流什么位置找出每套节目的“地图” 告诉解码器PMT表所在包的PID值PMT节目映射表 PMT从PAT表找到其PID 值 列出具体节目的视频，音频及数据内容的PID 值 如是加密节目，也列出其ECM*所在包的PID 值CAT条件接收表 PID 值恒为0x0001 CAS ID号 列出EMM信息所在包的PID

19、值 SI 表功能 是服务提供商通过一个大的传输流网络 (多节目流) 为用户提供节目和服务的必要的工具 与PSI 表一起，让机顶盒在整个网络所有的传输流中，分解出所有的节目 由 CAS (SIG，EPG) 系统生成 注入复用器内所有的传输流SI 表的内容 NIT (Network Information Table) 网络信息表 表明网络的物理结构和其特殊参数 SDT (Service Description Table) 服务描述表 定义网络中有效的服务内容 (视频、音频、数据) EIT (Event Information Table) 事件信息表 定义网络中所有的事件，提供针对它们的描述，

20、起始时间，持续时间 TDT (Time and Date Table) 时间信息表 与机顶盒有关的时间信息NIT网络信息表 PID值恒为0x0010 包含每个传输流的频率信息 当观众想看的节目不在当前的传输流内时，STB通过调谐、转换节目频道，找到所需节目. SDT服务描述表 PID 值恒为0x0011 定义网络中有效的服务内容并提供他们的有关信息 服务的名称 (如CNN、NBC、HBO等) 服务的种类 (如数字视频、音乐、图文信息等)EIT事件信息表 PID值恒为0x0012 为电子节目导视 (EPG) 提供主要的信息来源 时间分割 开始 & 结束时间 内容分级 节目分类 PPV、语言 事件

21、信息 CBS新闻 HBO星球大战 EIT的三种类型 当前EIT描述传输流当前正在广播的事件 后继EIT描述当前传输流的后继信息 规划EIT列出未来几小时，几天，整个网络的所有事件信息TDT时间信息表 PID值恒为0x0014 给机顶盒提供时间信息 间隔12秒发一次其他可选的SI 表 下列四种SI 表不太常用 BATBouquet Association Table Running Status Table TOTTiming Offset Table STStuffing Table机顶盒解码流程说明 机顶盒首先找到所用PID=0的分组，用它们重建PAT表 根据用户所选的节目号，机顶盒从PAT

22、表找到所选节目的PMT表的位置 (即PID) 机顶盒用这个PID找到所有PMT的分组，重建PMT表 根据从PMT找到的PID，机顶盒找到所有视频、音频和数据分组；重建视频ES流、音频ES流和数据流。 机顶盒对音频视频基本流进行解码，将数字电视信号转换到模拟电视信号，输出到电视或监视器。 如果节目来自多个TS流，需先用PAT表里的NIT表找到节目所在频道或TS流，收到那个TS流后找它的PAT表。机顶盒解码流程图解机顶盒解码实例 机顶盒当前的频道状态 56频道 “ESPN” (Transport #3) 新的选择4频道 “HBO” (Transport #2) 机顶盒分析4频道NIT NIT链接4

23、频道到TRANSPORT #2 机顶盒比较新的传输流号与当前的传输流号 机顶盒调谐到新的传输流号条件接收系统 (CAS) 加扰是将一种加密算法应用于节目内容的过程 加密在前端提供一个加密信息，使被授权的用户端解扰器能以此信息来对数据解扰，该信息受CA系统控制，并以加密形式配置在传输流信息中CA系统组成部分数字电视接收机(含智能卡) 接收被加扰的节目 解扰被授权接收的节目CA系统 控制哪些接收机可以取出哪些解扰密钥 保存用户授权信息 加扰节目和播出节目 广播密钥(ECM)和授权管理信息(EMM)前端设备CA系统工作原理图解 (一)l ECM 产生器 - 产生授权控制消息 (ECM) ECM 含有

24、被加密的解扰密钥(控制字control words) ECM 控制接收机取出解扰密钥l EMM 产生器 - 产生授权管理消息 (EMM) EMM 含有被加密的用户授权信息 (针对每个用户ECM (加密了的控制字)用户授权Ciphering智能卡私人钥匙( Private Key)EMM (加密了的用户授权)Ciphering控制字被加密后放在ECM里播出用户授权被加密后放在EMM里播出控制字CA系统工作原理图解 (二)l 用控制字对视频、音频和数据进行加扰l 向接收机重复广播 ECMs 和 EMMs前端设备控制字用来对视频、音频和数据进行加扰CipheringCiphering智能卡私人钥匙(

25、 Private Key)EMM 加密了的用户授权)ECM (加密了的控制字)Scrambling加扰了的分量分量(连续的视频、音频和数据)控制字用户授权CA系统工作原理图解 (三)Smart CardCA系统前端设备数字机顶盒l 智能卡(smart card)有解密ECM和EMM的钥匙l 机顶盒根据EMM里的授权信息来决定解密哪个ECM并取出控制字CipheringCiphering智能卡私人钥匙EMM (加密了的用户授权)ECM (加密了的控制字)Scrambling加扰了的分量Deciphering 智能卡私人钥匙用户授权Deciphering控制字Descrambling分量分量(连续

26、视频、音频和数据)控制字用户授权用智能卡解密EMM如果EMM里受了权，用智能卡解密ECM用ECM里的控制字解扰视频、音频和数据l新的数字电视前端系统架构如何搭建数字电视前端系统架构业绩开源节流基于各类消费群体与形态的营销模式维系营销运作的运营平台与体系支持运营平台与体系的网络架构实现网络架构的技术系统与解决方案现代数字电视系统的属性需求 社会属性 党和政府的宣传喉舌 社会主义精神文明建设的重要阵地 经济属性 系统的生存必须依赖良好的商业运营 系统的发展必须以赢利为最终目的 产业属性 数字电视可以衍生出众多的附属产业 数字电视最终将融入未来巨大的数字传媒产业链中 网络属性 来源于以上三大属性需求

27、现代数字电视系统的网络属性需求 对应前三大属性需求，系统的网络属性需求有 社会属性需求 安全性 向下兼容 经济属性需求 开放性和兼容性 可靠和稳定性 产业属性需求 开放性 平滑的升级和扩容基于IP的数字电视前端系统基础架构 开放性强 支持与其他网络和系统的互联互通 兼容性好 支持多种业务平台和子系统 支持平滑升级与扩容 安全可靠 电信级的运营保障现代数字电视运营模式探讨 广播节目或业务的推送服务 数字电视广播（标清/高清）、PVR 数字音频广播 股票信息、社会公共信息服务、数据广播等 特质化数字视频服务 点播节目或业务的交互服务 视频点播 时移电视 互联网接入 电子商务、电子政务、电子银行、在

28、线游戏等等 合作运营 与其他经济实体合作 与其他运营商合作数字电视业务体系 广播业务 数字电视广播业务 数字音频广播业务 数据广播、股票信息以及社会公共信息服务 交互业务 视频点播/时移电视 互联网接入 合作业务 为其他运营商提供低码率小画面编码信源 广告业务数字电视前端系统基本构成 (广播业务 各种信源 卫星接收 本地编码 远端下行 股票信息、社会公众信息以及数据广播服务器 码流处理 统计复用 码流整型 QAM调制数字电视前端系统基本构成 (交互业务 视频点播/时移电视 媒资获取、存储、分发系统 视频服务器 互联网接入 CMTS 互联网出口接入 其他数字电视前端系统基本构成 (后台支撑) E

29、PG CAS SMS Back Office MidWare NMS数字电视前端系统基本构成标清数字电视广播业务高清数字电视广播业务特质化数字视频业务数字音频广播业务数据广播与股票信息业务视频点播或时移电视业务互联网接入业务普通模拟电视广播业务IP架构条件接收电子菜单用户收费管理中间件Back Office前端信号监视哈雷IP架构数字电视传输系统主交换机备份交换机备份编码器编码器ION-2基带视音频信号分前端/直播车编码器ELC7000HFC传输基带视音频信号码流处理中心PSM1000通用QAM平台bNSG9000码流处理中心PSM1000数字业务管理系统数字马赛克PRM8000边缘QAM平台NSG9000广告插入PSM2000分前端卫星接收机