数字电视关键技术及数字播出解决专项方案.doc

数字电视技术及数字播出处理方案
文：徐新学    时间：-7-17 15:54:22

宿州电视台
       现在，中国广播影视已进入科技发展新阶段，尤其是数字技术快速发展给广播影视带来了自诞生以来最大一次技术变革，推进着广播影视升级换代和技术转型。依据中国广播电视数字化发展“三步走”战略计划，在全国推广地面数字电视，将全方面实现地面数字电视播出，到将停止模拟电视播出,现在已进入广播电视数字化发展时代。学习数字电视技术，参与数字化基础实践，实现广播影视系统由模拟向数字化平稳过渡，是全国广电系统担负历史任。所以掌握数字电视信号监视和指标测量就成为工程技术人员新时期必需要含有业务技能。
　　一、 数字演播室编码标准
　　早在上世纪七十年代，英国广播企业和索尼企业就分别展示了其各自开发彩色数字录像机，成为最早数字电视产品，由此促成了电视信号模数转换规范产生。常规模拟电视首先变为数字高清电视HDTV。为了在PAL、NTSC、SECAM三大制式之间确定共同数字化参数，国际无线电咨询委员会（CCIR）于1980提出了电视信号模数转换标准，即称为数字演播室标准CCIR601，成为模拟电视向数字电视转变过程中第一个标准规范，该标准和525/60和625/50扫描标准全部兼容，而且是全部以后分量数字开发基础。以后CCIR成为国际电信联盟无线电委员会，称为ITU-R，对应CCIR-601也改称为ITU-R601。在该标准中，对采样频率、采样格式、色彩空间转换等全部作了严格要求，关键参数有：
　　（1）采样频率
　　依据奈奎斯特定理，对含有6MHz带宽亮度信号来说，抽样频率必需大于其频率2倍，另外，为了确保信号同时，采样频率也必需是行频整数倍，所以标准要求：fs=13.5MHz
　　（2）采样格式
　　标准提议以4:2:2采样格式,即亮度信号13.5MHz频率采样,两个色差信号则用6.75MHz频率采样。即在每一行中Cb和Cr样本和奇数Y样本共位。
　　数字场中有效行分配以能够避免数字处理半行方法排列，625/50信号两个数字场中有效行数目全部是288，一帧有效行是576而不是模拟信号575行，场1数字消隐占24行，场2数字消隐占25行。
　　每行数字分量信号取样点数为:
　　（625/50制式）
　　每行亮度取样点=13.5MHz/15625Hz=864
　　每行每个色差取样点=6.75MHz/15625Hz=432（525/60制式）
　　每行亮度取样点=13.5MHz/15734.266Hz=858
　　每行每个色差取样点 =6.75MHz/15734.266Hz=429
　　CCIR提议两种制式有效行取样点亮度信号取720个，两个色差信号各取360个，即每个有效行包含720个亮度数据和720个色度数据（两个色度各360个），这么就统一了数字分量编码标准，使三种制式便于转换和统一。所以有效行亮度信号和两个色差信号取样点之比也为4:2:2（720:360:360）。这就是数字分量编码4:2:2标准,也称为4:2:2格式。
　　（3）分辨率
　　分辨率即是每帧图像有效行内有效样本数，CCIR601要求对全部制式，其每一行有效样本点数为720个。因为不一样制式其有效行数不一样，其分辨率也不一样，分别为：
　　PAL制和SECAM制为：720×576
　　NTSC制为：720×480
　　（4）数据量
　　假如按4:2:2格式采样，10Bit量化时，数字视频数据量为：
　　13.5×10+6.75×10+6.75×10=270Mbps
　　假如按4:2:2格式采样，8Bit量化时，数字视频数据量为：
　　13.5×8+6.75×8+6.75×8=216Mbps
　　（5）数据时分复用
　　经量化、编码后视频数据字有3个样本值，CCIR601要求进行多路复用后按27Mwords/s来传输,其中字按以下次序传输:Cb、Y、Cr、Y、Cb、Y、Cr、Y、Cb、Y、Cr、Y…,其中前3个字包含共位亮度和色度样本，以下字Y包含仅亮度（单独）样本。每个有效行第一个视频数据字是Cb。
　　（6）SDI（数字分量串行接口）技术
　　SDI就是把数据字各个比特和对应数据经过单一通道次序进行传送接口。因为串行数字信号数据率很高（270Mbps），在传送前必需经过处理，电影电视工程师协会提议用扰码不归零倒相调制NRZI编码技术（遇1时翻转，遇0时保持不变）来替换早期分组编码，确保在接收端可靠地恢复数据，其标准称为SMPTE—259M。该标准包含含数字音频在内数字复合和数字分量信号。关键有以下四种：
　　SMPTE 259-A：143Mbps  NTSC数字复合
　　SMPTE 259-B：177Mbps  PAL数字复合
　　SMPTE 259-C：270Mbps  525/625数字分量
　　SMPTE 259-D：360Mbps  525/625  16:9数字分量
　　（7）数字音频嵌入解嵌技术
　　在4:2:2串行数据流中，视频行、场消隐期间除定时基准信号（EAV、SAV）有用外，其它样点全部是固定消隐电平值，在数据处理时是用不上，这么，数字音频数据就能够按一定格式以辅助数据形式插入到数字视频分量行辅助数据区中，从而和数字分量视频信号同时传输，即实现音频嵌入。解嵌是嵌入逆过程。
　　中国家标准清数字电视（SDTV）所依据标准就是ITU-R BT601。其图像格式为720×576/50/2:1，一帧625行，有效行288×2，数字场消隐期24+25=49行，4：2：2取样格式，SDI串行接口，数据率为270Mbps，视频信源编码采取MPEG-2中MP@ML标准。
　　二、数字SDI播出系统处理方案
　　在模拟电视向数字电视转变进程中，数字化播出相当关键。早在几年前，广告和新闻节目标硬盘播出就在很多电视台广泛采取。近几年伴随视频压缩技术、大容量存放技术和传输技术快速发展，使得以硬盘存放为基础建立数字化硬盘播出系统方法已被业内所认同，并正在逐步得以推广应用。
　　1、 搭建数字SDI播出系统标准
　　（1）可靠性安全标准 
　　电视播出系统安全可靠是电视播出生命。系统可靠性又依靠于系统软、硬件设备可靠性。对所选择设备应做系统、全方面可靠性、稳定性运行状态考察。
　　（2）平稳过渡数模兼容标准
　　数字技术在电视业界前期制作中应用较早，但用在电视信号传送播出上，应该说，还处于初级阶段。实现电视播出网络全数字化，播出信号全部采取数字SDI接口，指标当然会很好，但因为各电视台设备和资金情况不一样，如现在数字设备还较少，就能够考虑先上盘带结合播出方法，遵照平稳过渡循序渐进标准，待条件成熟后再过渡到数字SDI播出。当然有条件电视台，就能够一步到位实现全数字SDI播出。现在越来越多电视台采取后者方法。
　　（3）系统易扩充升级标准
　　系统设计中，应依据目前国际广播电视发展趋势和中国广播电视现实状况，结合本台以后电视事业发展需求，充足留有扩充余地并使设备含有升级灵活性。所以系统积木式和设备模块化结构就显得尤其关键。
　　（4）科学优异性标准
　　系统组成应是科学组合和搭配，成熟优异技术无疑是首选目标。在电视技术发展日新月异今天，设备组成应确保最少三至五年内不被淘汰。
　　（5）通道指标达标标准
　　确保系统质量指标又是一项关键标准，这也是实现数字播出关键目标之一，系统指标关键取决于系统中关键设备指标，所以要求系统中关键设备要经过广电总局检测。  
　　（6）售后保障标准
　　进入硬盘尤其是SDI播出后，对应技术越来越优异，检测手段越来越复杂，多数电视台对数字设备检测仪器和检测手段还不完备，所以厂家售后保障就显得尤为关键。
　　2、 数字化方案
　　服务器为关键硬盘播出方法是肯定选择。播出系统数字化是电视系统整体数字化一个关键步骤，除了对硬盘播出系统含有安全、可靠这一基础要求以外，多套节目集中播出这一方法对系统存放容量、节目标输入输出通道数、数据传输速率和数据读写速度等均提出了很高要求。系统设计应以视频服务器为关键，以播出矩阵为中心，内部信号一律采取SDI信号，少数模拟设备经ADC送播出，外送信号采取SDI和模拟复合共存形式，并要着重考虑以下方面:
　　●硬盘视频服务器要能支持多频道播出要求，通道数最少可扩充至4-6个频道；
　　●播出要采取MPEG-2(4:2:2)格式传输、存放节目信号，支持6Mb/s—12Mb/s码流编码；
　　●存放容量要能满足多个频道3天以上滚动播出需求，且存放容量要易扩充并含有RAID冗余功效；
　　●系统内部一律采取SDI数字信号（内嵌AES/EBU标准音频），符合SMPTE 259-C：270Mbps 625/50数字分量格式；
　　●为确保安全播出，系统内部关键部件如视频服务器、切换矩阵、SQL数据库、播出控制机、同时机等均应进行热备份，主备同时工作，随时能够倒换；
　　●为提升信号指标，字幕、台标须经键混叠加，键混、数字帧同时、数字音频处理器（DAP）等串接在播出线上设备要含有掉电直通功效。
　　另外，总控技术近几年发展尤为快速，正在逐步实现数字化、网络化和智能化，并已成为整个电视播出系统关键，担负着对多个频道播出全部输入、输出信号接收、分配、调度和传输，和全部信号处理、检测和监视等任务。
　　目前，播出对安全要求在不停提升，尤其是在对部分大型户外活动进行直播时，往往要求采取延时播出方法。所以，系统中要有延时视频服务器，在延时基础上能够对直播信号进行段落删除、广告插播和垫片替换等功效。
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