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1、1,北京永新同方数字电视技术有限公司,数字电视简介,2,概要,MPEG-2,DVB简介数字电视系统的基本组成MPEG-2编码技术MPEG-2传输技术PSI/SI表的意义CA系统功能的介绍信号全流程,3,MPEG-Moving Picture Experts Group,ISO属下，制定活动画面和音频的压缩标准定义压缩码流格式，从而定义解压缩系统将编码压缩算法留给制造商，因此各家编码器会有差异,4,MPEG-2,压缩系统，覆盖VHS至HDTV的广播需求非常高的压缩码率，图像质量优于MPEG-1支持多声道环绕立体声MP&ML(Main Profile&Main Level)-标准广播电视格式和DV
2、DMP&HL(Main Profile&High Level)-HDTV 4:2:2演播室之间的高质量视频传输旨在简化解码端，尽可能降低接收费用,5,DVB-Digital Video Broadcasting,数字视频和音频格式的标准产生于欧洲，许多国家采用(美国ATSC,日本ISDB)DVB针对不同的网络和系统定义不同的版本DVB界定了cable,satellite,terrestrial,telecom及其它 网络DVB对某些领域进行了说明：SI（service information）有线网络的双向控制信号加扰条件接入接口,6,数字电视系统的基本构架,OPTICAL NODE,COAX
3、,200-500 HOMES,DISTRIBUTION AREA,PC,MODEM,CABLE,PHONE,DIGITAL SET-TOP,FIBER,Analog video,Satellite video,Video servers,DigitalTransport,LAN/WAN data routers,Subscriber management,HFC network,传输接口,复用/再复用,编码压缩,7,MPEG-2编码压缩技术,标准:ISO/IEC13818,8,模拟视频信号的数字化(1),电视信号的数字化有两步，抽样(sampling)和量化(quantization)：(1)
4、对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成离散(discrete)信号。(2)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，但是数据率也大。超过8比特，人眼几乎看不出图像质量的改变。,9,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
5、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。,10,未压缩图像抽样,4:2:2,4:2:0,1个亮度采样点(Y),2个色差采样点(Cb,Cr),“4”=4 倍于次载波带宽的取样频率,13.5 MHz,“2”=2 倍于次载波带宽的取样频率,6.75 MHz,理想情况下，像素可由 1个亮度+2个色差信号(采样点)来描述,11,为何需要压缩?,未压缩的PAL制式电视信号：ITU-R601 如果每个抽样(s
6、ample)用10个比特(bit)来量化(quantize)，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。,12,数字视频压缩的目标,保留图像中所有信息消除图像中所有多余的信息用最节省比特的方法传输必须传的信息最大限度地降低复杂性和成本,13,压缩数字视频基本思路,消除电视图像中多余信息时域冗余信息(time-domain redundancy)。相邻图像之间变化不大。空间域冗余信息(spatial re
7、dundancy)。在同一图像中，相邻像素(pixel)变化不大。利用人眼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。,14,MPEG-2 类别与级别,High(高),Main(主),Low(低),Simple(简),Main(主),4:2:2,High(高),Profiles(类),Levels(级),4:2:0720 x 57615 Mb/sI,P,4:2:0720 x 57615 Mb/sI,P,B,4:2:0,4:2:2720 x 57620 Mb/sI,P,B,4:2:0352 x 2884 Mb/sI,P,B,4:2:01920
8、 x 115280 Mb/sI,P,B,4:2:0,4:2:21920 x 1152100 Mb/sI,P,B,4:2:2720 x 57650 Mb/sI,P,B,15,MPEG视频压缩基本算法,不传图像本身；传有关图像的数据：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时域预测(motion compensated time domain prediction)频域分解(DCT)量化(quantization)可变长熵编码(variable length entropy encoding),16,MPEG-2图像种类,用过去的I-图像获得运动矢量和图像差别,Full Image
9、,I-Picture,P-Picture,用过去的I-图像和将来的P-图像获得运动矢量和图像差别,I-图像(Intra-coded Picture，帧内编码图像)：空间域DCT压缩，只利用本帧内的信息。P-图像(Predictive-coded Picture，预测编码图像)：从过去的一帧参考图像，通过运动补偿所预测出的图像。B-图像(Bi-directionally predictive-coded Picture，双向预测编码图像)：从过去和将来的参考图像，通过运动补偿所预测出的图像。,17,帧内压缩,4:2:2 to 4:2:0,DCT,量化,变长 编码,游程长度编码,复用,缓存,全二进
10、制数据,信息丢失数据减少,信息丢失数据减少,数据减少,数据减少,速率控制,Quantizing(量化):减少每个系数的比特数Variable Length Coding(变长编码):用短码表示出现 频繁的值Run Length Coding(游程长度编码):用特定码替换 一串“0”值帧内压缩用于产生I-帧,量子化表,压缩数据,18,帧间压缩,代表一个宏方块:包含16 x 16 像元,第N帧,第N1帧,移动矢量,19,帧间压缩,相减,产生移动矢量,前帧,相加,现帧,差帧,移动矢量,预示现帧,与数据流复用,具有较少的信息量,该框图显示如何产生前向预示帧，即P-帧MPEG 亦使用双向预示帧，即B-帧
11、,图象组(GOP)和帧间编码,I,I,B,B,P,B,B,P,B,B,P,B,B,P,B,B,前向预测,双向预测,前向预测,显示顺序(编码器输入，解码器输出)编码顺序(编码器输出，解码器输入,time,GOP:N=15M=4,I,B,P,B,B,P,B,B,P,B,B,P,B,B,I,B,GOP 图象组,N=12,M=3,I,I AnchorLeast efficient,MPML 要求的GOP典型结构为12帧,B,B Most Efficient butadd delay,P,P Anchor,GOP组越长,编码效率越高GOP组越短,技术上越容易实现I帧要求的码率最高,22,I,P,及B帧,
12、I-帧:包含全部图像信息 P-帧:由前面的I-帧或P-帧预测生成 B-帧:由前面与后面的I-帧或P-帧预测生成 每隔12帧传送一个I-帧,23,MPEG-2和DVB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,24,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规定的表格时钟,25,MPEG-2 传送流产生框图,视频编码器,音频编码器,音频编码器,数据
13、,PES,MPEG 传送流,格式化与复用,单节目 MPEG 传送流,一个“节目”包含了数个基流(通道)与一个27 MHz 时钟,基流(通道),26,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
14、用成一个传输流(transport stream,TS),27,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)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。,28,MPEG-2 传送流,MPEG-2 包,PID,head,head,视频、音频、数据及系统信息,传送包的长度为 188 bytes 每一传
15、送包开销均具有一段包标识(Packet ID(PID)节。每一信息净负荷均包含某个基流的信息。,开销(Header),信息净负荷(Payload),188 bytes,29,MPEG-2 传送流,传送流举例,30,TS流调制方式的选择,调制方式的选择有两个考虑：(1)传输通道的干扰情况和信噪比。(2)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QAM调制方式。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COFDM。
16、,31,调制方式(信号星座图),64 QAM 效率高，每个符号传输6比特(可代表64个值)。但信号星座样点之间距离近，每个信号受到干扰而移位后时容易与其它信号混淆，造成较高的误码率。QPSK没有QAM效率高，每个符号只传输2比特(可代表4个值)。不过信号点之间距离远，每个点的允许漂移空间大；信噪比很低时仍可正确辨别各个信号。,32,传输通道中MPEG-2传输流的带宽,Ru=useful bit rate 有效TS流比特率(复用器输出。包括视频、音频、EPG、CAS、数据等)BW=bandpass bandwidth 传输通道带宽a=raised cosine roll-off factor 传
17、输通道频率响应参数M=bits per symbol 每符号代表几个比特(2 for QPSK,4 for 16 QAM,6 for 64 QAM)rc=convolution code rate 卷积码效率(1/2,5/8,3/4,7/8。如不用卷积码，这项等于1)rRS=Reed-Solomon factor(RS码效率)=188/204,33,传输流带宽计算(例),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，在8 MHz的模拟频道里可传输8套节
18、目(4 Mbps x 8=32 Mbps)。,34,数字视频估算,QAM 调制64 QAM 38 Mb/s in 8 MHz 256 QAM provides 52 Mb/s in 8 MHzMPEG-2 编码一般节目: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/sMPEG-2 通过 QAM64 QAM 6 to 9 MPEG-2 节目 in 8 MHz256 QAM 8 to 13 MPEG-2 节目 in 8 MHz统计复用256 QAM provides 16 MPEG-2 节目 in 8 MHz,35,PSI/SI 表,PSI由MP
19、EG2所定义SI由DVB所定义,36,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：靠PID和PSI/SI表。,37,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，P
20、MT，CAT)，统称PSI表(program specific information，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、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流或其它网络的信息。,38,PSI 表作用,使观众能从单TS流中挑选出所需节目STB 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,组合到一起STB 根据PSI表所提供的必需的数
21、据,从组合的节目中找到所需节目并提供给观众,39,PSI 表的生成,一般由前端系统网管产生,并送入每个复用器独立生成,40,PSI 表的内容,三个PSI表格PAT(Program Association Table)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,41,PAT 节目关联表,PID值恒为 0 x0000解码器解出一套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,42,PMT 节目映射表,
22、PID 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,43,CAT 条件接入表,*EMMs update the subscription options or pay-per-view rights for each subscriber or for group of subscriber,PID 值恒为0 x0001CAS ID号列出EMM(Entitlement Management Messages)信息所在包的PID值,44,SI 表的作用,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
23、和服务的必要的工具与PSI 表一起,让STB在整个传输流网络中,分解分解出所有的节目由 CAS(SIG,EPG)系统生成注入复用器所有的传输流,45,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,起始时间,持续时间TDT(Time and Date Table)时间信息表与STB有关的时间信息,46,NIT
24、-网络信息表,PID值恒为 0 x0010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.,47,SDT 服务描述表,PID 值恒为0 x0011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),48,EIT 事件信息表,PID值恒为0 x0012 为Electronic Program Guide(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,etc事件信息CBS 新闻HBO 星球大战,EIT 事件信息表,EIT的三
25、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.,50,TDT 时间信息表,PID值恒为0 x0014给 STB 提供时间信息间隔1-2 秒发一次,可选的SI 表,下列四种SI 表不太常用BAT-Bouquet Association TableRunning Status TableTOT-Timing Offset TableST-Stuffing Table,52,节目选择过程,解码器挑选某套节目的流程当前的选择56频道“ESPN”(Transport#3)新的选择4频道,“HBO”(Transp
26、ort#2)STB 分析 4频道NIT NIT 链接 4频道 到 TRANSPORT#2STB 比较 新的 传输流号与 当前的传输流号STB 调谐到新的 传输流号,53,节目选择过程,STB 下载Transport#2的PAT PAT 提供PMT的 PID PMT提供4频道节目的PID音频 PIDs视频 PIDsECM(Entitlement Control Message)PIDsEMMs图文 PIDs,等.用ECM 和 EMM STB 解密4频道节目,54,机顶盒解码过程,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表找到所选节目的PMT表的
27、位置(即PID)。机顶盒用这个PID找到所有PMT的分组，重建PMT表。PMT表含视频码流包的PID，音频码流包的PID，以及各个数据码流包的PID。,55,机顶盒解码过程,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。,56,条件接入系统(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
28、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,57,CA系统简介(1),包括CA功能的系统有3个主要部分:,CA系统,前端设备,数字电视接收机(含智能卡),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),接收被加扰的节目 解扰被授权接收的节目,58,CA系统简介(2),CA系统,用户授权,ECM 产生器-产生授权控制消息Entitlement Control Messages(ECM)ECM 含有被加密的解扰密钥(控制字control words)ECM 控制接收机取出解扰密钥,ECM Gen,EM
29、M Gen,EMM 产生器-产生授权管理消息Entitlement Management Messages(EMM)EMM 含有被加密的用户授权信息(针对每个用户),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,59,CA系统简介(3),CA系统,Ciphering,Ciphering,智能卡私人钥匙(Private Key),EMM 加密了的用户授权),ECM(加密了的控制字),用控制字对视频、音频和数据进行加扰向接收机重复广播 ECMs 和 EMMs,控制字,用户授权,控制字用来对视频、音频和数据进行加扰,前端设备,60,CA系统简介(4),CA系统,Ciphe
30、ring,Ciphering,智能卡私人钥匙,EMM(加密了的用户授权),ECM(加密了的控制字),前端设备,Scrambling,加扰了的分量,智能卡(smart card)有解密ECM和EMM的钥匙机顶盒根据EMM里的授权信息来决定解密哪个ECM并取出控制字,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,数字机顶盒,61,CA系统简介(总结),CA系统,Ciphering,Ciphering,智能卡私人钥匙,EMM(加密了的用户授权),ECM(加密了的控制字),前端设备,Scrambling,加扰了的分量,控制字,用户授权,数字机顶盒,
