数字电视基础知识讲座,一、什么是数字电视？,二、模拟视频信号的数字化,三、压缩的必要性、可能性及方法,四、数据电视的传输码流,五、数字电视的特点,六、数字电视前端的组成和功能,七、有关数字电视的几个术语,一、什么是数字电视？,数字电视是指从节目摄制、制作、存储、发射、传输，到信号接收、处理、显示等过程完全数字化的电视系统。从技术来讲：就是用离散的电量表示连续的电量，在电视信号的产生、传输、接收各个环节上，都使用离散数字来表示、处理。也就是说，数字电视是信源、信道、信宿三个环节上全面数字化的电视系统。信源指节目的产生：摄、录、编；信道指传输；信宿指接收、显示。,数字电视由五个环节组成,1、信源编码：就是把原始的模拟电视信号用数字编码来表示，也称为数字化、模/数转换（A/D转换）。然后，进行压缩。数字电视信号源有三项：视频数据流、音频数据流和辅助数据流。 辅助数据流包括管理数据、有条件接收数据以及与节目有关的数据。,复 用,2、复用：就是把上述三项数据流合成一路。采用以“包”为单位的时分复用方式。首先把上面说的三项数据流分割成一定长度的包（也称分组），在“包”的头部加上标识，作为区分是于哪个流的标志，以便在接收时把它们区别开。然后把它们合流为单一的复用流。一个视频数据流、一个音频数据流、一个辅助数据流合成一套节目流。尔后，多套节目流再合成为传输流。,信道编码和调制,3、信道编码和调制：上述数据流不适于在传输通道中传输。为了使信号适配于传输信道，减少传输过程的差错，还需要对数据流进行必要的处理（再编码），这种做法叫信道适配，也称为信道编码。它的作用主要是负责误码的检错和纠错。调制的作用是把基带数据流搬移到高载波上去，把基带信号变成频带信号。使之可以在频分复用的模拟信道中传输。,传输信道,4、传输信道： 数字干线 有HFC、 卫星 无线 存储介质等,接 收,5、接收 就是用机顶盒，把从信道上接收的数据流还原成原始的模拟电视信号。 数字电视接收的过程： 调谐从众多高频频道中取出需要的频道，其作用相当于高频头。 解调从载运信号码流的高频载波上取出码流。 解复用从码流中把不同节目数据包分离开来。 解码把数字码恢复成节目。 制式编码把接收得到的电视信号按当地需要编成相应制式的复合视频信号（如PAL）。,抽 样,电视信号数字化过程有三步，抽样，量化和编码 抽样就是用扫描的方法对信号进行等间隔取值，把连续信号变成离散信号。,二、模拟视频信号的数字化,取样间隔与信号性质有关，要符合奈奎斯特定理：即取样频率要大于信号最高频率的二倍。这样抽取的样值就包含了原来模拟信号的全部信息而不遗漏。不仅时间上离散，幅度值上也要离散。 例如电视亮度信号，最高频率是6Mhz，取样频率就应该大于26=12Mhz。,量 化,连续的值被离散化的有限个等级代了，这个过程叫做量化。 量化取多少个等级合适？等级多了好，但要付出的代价大。理论和实际都证明，对电视图象信号，用256 个等级就可以了。,编 码（信号编码）,取样、量化只是在时间和幅度上把信号的表示做到了离散化，还不是数字化。数字化的目的是用“0”和“1”两个数字码表示一切等级、量值。 但“0”和“1”只能表示两个等级，256 个等级怎么办？使用“0”“1”的排列组成码就解决了。 把量化后的信号，用“0”和“1”组成的码来表示，叫做信号编码 例如，我们用8 位“0”和“1”编成8 位码，00000000、00000001、 00000010 11111111，就有了256=28 种不重复的码，表示256 个量。,编 码（信道编码）,由“0”、“1”组成的脉冲串，直接在网络上传送，叫做基带传输,它要占用从0 开始的无限带宽。HFC网络传输模拟电视信号是采用AM-VSB（残留边带调幅）频分复用方式传输的。每套电视节目先调制到一个指定的高频率载波上,然后混合送到HFC网络上传输。节目是以频率不同而区分的，这就是频分复用。每套节目占用的频带宽度8Mhz。这就是我们目前HFC 的规矩体制。 数字化后的基带传输，不符合目前HFC 的传输体制，数字电视信号不能以基带的形式与现有的模拟电视信号兼容传输。为了使数字基带信号适应HFC 网络的要求，与模拟的频带信号在HFC 中兼容传输，就需要做适当处理，这种做法叫信道编码。,经过取样、量化、编码后的电视信号信息量非常大，电视亮度信号的最高频率是6Mhz，每个色差信号的最高频率为两个1.5Mhz。根据奈奎斯特 定理，亮度与色度信号的取样频率分别应该大于12Mhz和23Mhz=6Mhz。量化等级取256， 需要8 位二进制编码。这样，传送一套电视节目，所需要的码率（每秒钟传送码的位数）为 （12+23）8=144Mbit/s。（实际的 还要大） 所以，要想使数字化节目真正能付之使用，必须对码率进行压缩。这就是数字电视信号压缩的必要性。,三、压缩的必要性、可能性及方法,电视信号存在着冗余。 空间冗余。就是一幅画面内，各象素之间有很强的相关性。例如，蓝天，不必全部蓝天的每一个象素都传送一次，只传送一个象素就行，其余的全部按第一个复制 时间冗余。相邻两帧图像的内容也大体相似。例如只传送第一帧、在接收端，第三帧用第一帧预测产生，第二帧用第一、三两帧取平均产生，这又可以压缩码率。 视觉冗余。利用人眼对图象高频细节、色度信号灵敏度低的特点进行压缩，把人眼本来看不到的信号取消，以节省码率。,压缩的方法,压缩的方法，采用MPEG-2 标准。它针对图像上述几种冗余的特点，运用运动估值、离散余弦变换（DCT）、自适应量化和熵编码等技术（实际是一些算法），实现对信号码率的压缩。把数字化后144Mbit/s 的码率压缩到6Mbit/s，仍然可以保持SDTV 的水平。而且压缩比可变。由VCD 到HDTV 等级都可以。目前数字有线电视使用的压缩等级是主级主类：MPML， 相当于SDTV（标准清晰度电视720*576象素）水平。,压缩的方法,运动估值是为了消除相邻帧间的空间冗余。因为相邻的帧间，图象大量的数据是相同的，不必都全部传输，仅传递相邻帧的变化部分就可以了，这样就可以压缩了传输的数据量。 离散余弦变换DCT，是将信号由空间域变换到频域，使信号能量集中到低频率。,压缩的方法,自适应量化是针对DCT而言，因为人眼的视觉对图象细节不敏感，故表示图象细节的高频部 分可以压缩。自适应量化就是对DCT变换后的高频系数采用粗量化，对低频系数细量化。实 际上是基于视觉冗余。 熵编码，就是可变字长编码。给使用概率大的事件分配短字码，给使用概率小的事件分配长 字码，最大限度的提高编码效率。,模拟电视信号经过A/D 转换、压缩变成了由二进制脉冲组成的脉冲序列，叫做码流。每一套节目有视频码流、音频码流，这些与模拟信号一一对应的码流称为基本流ES。为便于传输，实现时分复用，基本流ES 必须“打包”，就是将顺序、连续传输的数据流按一定的时间长度进行分割，打包也称为分组。在每个包前加上包头，就构成了打包的基本流ES。传送一套节目有三种基本码流：视频、音频和相应的数据流，需要把它们组合到一起，也就是复用。,四、数据电视的传输码流,复用的方法是时分复用。上述把同一节目的三种基本流复用到一起叫节目复用。复用后，根据需要可以形成节目流PS 和传输流TS。它们分别适用于不同的传输环境。PS 包的长度较长，且可变，适用于在良好的媒质里传输。TS 包长是固定的，188 个字节，适用于容易出错的媒体中传输。在有线电视系统中传输的是传输流TS。 TS 包的包头，长4 个字节，包头里最重要的要素是包识别符PID，它标识该包是属于哪套节目的什么流。接着的是可变长度的适配域，后面是净荷，净荷携带实际内容。,与模拟电视相比，数字电视有如下特点： 数字信号传输噪声没有积累.数字传输技术有非常有效的纠错方式，如R-S 纠错，可以把误码率由10E-4 改善到10E-12. 数字信号的传输和处理过程不存在非线性失真 有较好的收视稳定性。数字电视收看质量有“断崖效应”，只要有图像，质量就是好的，无噪点，稳定。,五、数字电视的特点, 采用压缩率非常高的MPEG-2 压缩方法，加上采用高效率的调制方式，可以在一个8Mhz的带宽里传送6 套以上质量达到标准清晰度SDTV）的节目。这给有线电视提供更多套节目，为实现VOD NVOD 提供资源。 可以在现行传输体制下传输高清电视HDTV。 数字信号容易处理，易于使用大规模集成电路和微型化容易大量使用软件，实现智能化操作。 对节目加扰、加密容易、可靠，保证商业运作,OPTICAL NODE,COAX,用户分配网,PC,MODEM,CABLE,PHONE,DIGITAL SET-TOP,光纤,模拟信号,视频信号,卫星信号,数字信号,网络,用户管理,HFC网络,传输接口,复用 / 再复用,编码压缩,六、数字电视前端的组成和功能,数字前端可以分为输入、处理和输出三部分输入部分输入部分的主要功能，就是把来自不同渠道、不同格式的视音频信号，进行数字化、压缩编码或码流适配，统一为符合DVB-C 标准的MPEG-2 传输流格式和ASI 接口的传输流，输出到处理部分 数字电视的节目源有：卫星接收（数字或模拟）、数字干线SDH、本地自办、视频服务器或媒体播放器输出的数字节目（本地自办、NVOD、VOD）、各类数据广播节目等。与节目相关的PSI、SI、EPG以及各种管理信息，也都是必须进入网络和节目一起向用户传输的。,处理部分信号处理部分是前端的核心。它的功能是：复用和加扰 对所有输入的节目码流进行切换、调度、分组、复用（再复用）；插入（更新）节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG、各种管理信息（ECM、EMM）等，把它们与节目信号一起复用进数字传输通道； 对条件接收节目进行加扰；进行节目管理、用户管理和系统管理.,复用：所谓复用，是使多路信号共享一条物理信道。例如，一个载波频道可以载运6 套节目，首先要在未调制前将六套节目的传输码流按时分复用的方法复用到一起。 时分复用（TDM），是把传输通路分成若干个时间段（时隙），每段时隙分配给一套节目或一个特定的码流。在分配的这段时隙内，节目唯一的占有整个频带，各节目周期的轮流占用。 复用器可以把多路单节目传输流（SPTS），按时分复用成一路多节目传输流（MPTS），这叫做复接。也可以把输入的一路MPTS，分开成多路SPTS，这叫做分接。 复用器可以输入节目传输流，也可以输入PSI、SI、EPG 等数据流，实现复用。,复用器的功能有； 对每个输入码流进行检测，包括TS 流同步是否丢失，同伴字节是否错误，TS 流是否连续，PAT、PMT表和PID 值是否正确等。 从输入的MPEG-2 TS 中过滤出基本流ES，提取PSI/SI。将基本流复用成符合MPEG-2 标准的TS 流，同时生成PSI/SI。 已经加扰的码流不再解扰，直接以加扰形式与其它码流复用，包括ECM、EMM。 数字电视里与节目有关的信息EPG、PSI、SI，管理信息ECM、EMM，加扰信息等都是从复用器加入的。,处理部分的另一个重要功能是加扰。 加扰是在前端系统的控制字CW的控制下，连续不断的对被传送的全部内容（视、音频流和数据流）进行扰乱，使不用恰当的解码器和密钥就不能收到正确的信号。 加扰的方法是由伪随机码发生器产生的伪随机序列与原始的传输流进行XOR运算，改变被传输信息的特征，使信号变为不可预测的数据流。 加扰可以在有内置加扰模块的复用器中进行，也可以外接独立的加扰器进行。,输出部分前端输出部分的功能，是把处理部分送来的，已按每8Mhz 带宽容量复用和加扰好了的多路数字电视节目传输流（含节目、PSI、SI、EPG 及管理信息），变成可以在有线电视HFC网络中传输的调制射频信号。该功能由信道编码和调制两部分完成，但二者都装在调制器里边。调制器主输出口是电视频道RF 输出。 64QAM 调制频道传输实质上是数字信号的模拟传输，HFC网络可以不做任何改动，包括电放大器、光设备、无源器件等。,