数字电视技术结构.doc
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1、数字电视技术结构数字电视技术由两大部分组成,即系统技术和应用技术。系统技术重要涉及条件接受技术(CAS)、复用/解复用技术、用户管理技术(SMS)、节目管理技术(PMS)四大部,其中,CAS、SMS、PMS是构成可管理、可控制数字电视播出系统的技术核心。应用技术是支持VOD、EPG、数据广播、交互游戏和交互证券等业务的软件技术。应用软件在系统前端和用户端设备中运营时,需要建立一个开放的运用环境,需要与系统软件进行接口,这个运用环境和程序接口的建立由中间件系统来完毕,因此,中间件系统在结构层次上位于系统技术和应用技术之间,是系统平台对综合业务(综合性和交互性)开放的支撑技术。复用/解复用技术由G
2、B/T17957.1、ISO/ICE13818描述,它所规定的TS流是运载由CAS、SMS、SMS关联生成的控制信息、PSI/SI信息、图像/伴音信息的载体,处在系统技术的最低层,是整个系统平台的物理支撑。条件接受技术(CAS)是提供对数字电视用户业务进行授权和认证的一种技术手段,通俗地讲,是对视频、音频和数据等信息实行加密、解密、接受的控制技术。CAS是实现允许被授权的用户使用某一业务;未经授权的用户不能使用某一业务的系统技术,可以对数字电视业务准时间、频道和节目进行有效的控制和管理。数字电视一般采用机顶盒(STB)智能卡的方式实现用户端对数字电视节目的条件接受。第一讲数字电视概述电视技术,
3、经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程,有的国家已开始试播高清楚度电视和立体电视。我国决定从1999年10月1日起开始试播高清楚度电视(HDTV)。电视的使用范围早已超越了广播娱乐界,并深深地扩展到文化教育、科研管理、工矿公司、医疗卫生、公安交通、军事宇航等各个重要部门。现在的彩色电视虽已发展到色彩鲜艳,形象逼真的高超地步,但是,它们仍然是“模拟电视”。在图像信号的制作解决、控制调节、记录重放、调制解调、传输转播、接受显示等过程中,图像信号和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴上连续变化的模拟信号。模拟电视最明显的缺陷是接力传输方式产生噪声,长距离传输的信噪比恶化,使图像清楚度越来越受到损伤;发送传输
4、设备中,放大器的非线性积累使图像对比度产生越来越大的畸变;相位失真的积累产生色彩失真,使“鬼影”现象愈来愈严重。同时,模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难、以及成本高昂等缺陷。近十数年来,由于微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号解决技术、计算机技术的突飞猛进,使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。特别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现,带来了许多数字图像方面的应用。技术先进国家的电视演播室设备数字化已完毕,数字电视接受机已上市出售,各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用。国际上也相应地制定了统一的数字电视信号的编码标
5、准,为数字电视的发展奠定了坚实的基础。所谓数字电视,是将传统的模拟电视信号通过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的解决、传输、存储和记录,也可以用电子计算机进行解决、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能,并且还具有模拟技术不能达成的新功能,使电视技术进入崭新时代。数字电视技术与原有的模拟电视技术相比,有如下优点:(l)信号杂波比和连续解决的次数无关。电视信号通过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表达,因而在连续解决过程中或在传输过程中引入杂波后,其杂波幅度只要不超过某一额定电平,通过数字信号再生,都也许把它清除掉,即使某
6、一杂波电平超过额定值,导致误码,也可以运用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以,在数字信号传输过程中,不会减少信杂比。而模拟信号在解决和传输中,每次都也许引入新的杂波,为了保证最终输出有足够的信杂比,就必须对各种解决设备提出较高信杂比的规定。模拟信号规定S/N40dB,而数字信号只规定S/N20dB。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累,而数字信号在传输过程中,基本上不产生新的噪声,也即信杂比基本不变。(2)可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中,非线性失真会导致图像的明显损伤。(3)数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有“0”、“l”两个电平,“l”电平的幅度大小只要满足解决电路中也许辨
7、认出是“l”电平就可,大一点、小一点无关紧要。(4)易于实现信号的存储,并且存储时间与信号的特性无关。近年来,大规模集成电路(半导体存储器)的发展,可以存储多帧的电视信号,从而完毕用模拟技术不也许达成的解决功能。例如,帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等解决,获得各种新的电视图像特技效果。(5)由于采用数字技术,与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。(6)数字技术可实现时分多路,充足运用信道容量,运用数字电视信号中行、场消隐时间,可实现文字多工广播(Teletext)(7)压缩后的数字电视信号经数字调制后,可进行开路广播,在设计的服务区内(地面广播),观众将以极大的概率实现“无差错接受”(
8、发“0”收“0”,发“l”收“l”),收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。(8)可以合理地运用各种类型的频谱资源。以地面广播而言,数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”(taboochannel),并且在此后可以采用“单频率网络”(singlefrequencynetwork)技术,例如l套电视节目仅占用同1个数字电视频道而覆盖全国。此外,现有的6MHz模拟电视频道,可用于传输l套数字高清楚度电视节目或者4-6套质量较高的数字常规电视节目,或者16-24套与家用VHS录像机质量相称的数字电视节目。(9)在同步转移模式(STM)的通信网络中,可实现多种业务的“动态组合”(dynamic
9、combination)。例如,在数字高清楚度电视节目中,经常会出现图像细节较少的时刻。这时由于压缩后的图像数据量较少,便可插入其它业务(如电视节目指南、传真、电子游戏软件等),而不必插入大量没故意义的“填充比特”。(10)很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术,便于专业应用(涉及军用)以及广播应用(特别是开展各类收费业务)。(ll)具有可扩展性、可分级性和互操作性,便于在各类通信信道特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输,也便于与计算机网络联通。(12)可以与计算机“融合”而构成一类多媒体计算机系统,成为未来“国家信息基础设施”(NII)的重要组成部分。数字电视不进行数据压缩时,数码率太高。
10、例如,亮度信号抽样频率一般选为13.5MHz(3倍彩色副载波频率),每样品值经8比特量化后,码率为13.58=108Mbit/s。两个色差信号R-Y、B-Y抽样频率,分别为6.75MHz(3/2倍彩色副载波频率),每样品值经8比特量化后为54Mbit/s。所以在不采用任何压缩措施时,总的数码率为108十54十54=216(Mbit/s)。这相称于3000多路数字电话话路。从理论上讲,PCM二进制传输信道每lHz带宽能传输的最高码率是2bit/s。因此,这相称于规定信道提供108MHz的带宽,是现有视频信号带宽的10倍以上。所以说,不压缩时的数字电视信号的数码率太高,频带太宽,从通信系统的观点来
11、看,PCM传输方式是以带宽为代价换取高的传输质量。为了提高图像通信的有效性,一般不采用直接PCM方式传输,而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩,然后再传输。现正已提出、并正在探索各种数据压缩措施,可望数码率大大减少。例如:美国所提出的全数字高清楚度电视方案,数据压缩后的信号带宽,可做到与普通NTSC彩色电视信号的带宽相同(6MHz),但图像质量实现了跃。按目前的国际水平,已实现的把一路普通彩色数字电视216Mb/s的数码率压缩到8.448Mb/s,它是未压缩前数据量的3.7%,相称于模拟信号带宽为4MHz,但与模拟彩色电视相比,其主观图像质量没有任何减少。此外,彩色数字会议电视系统,其数码率
12、的国际标准为2.048Mb/S,数据量仅为未压缩前的1%,图像质量也可以达成满意的限度。可见,数据压缩的前景可观。数字调制技术更是方兴未艾。并且,8.448Mb/s的数字电视信号,经数字调制以后的模拟带宽可降到1.2MHz,则在6MHz带宽中,可传5路8.448Mb/s经调制以后的数字电视信号。目前已被采用的数字电视设备有:数字特技、数字时基校正器、数字帧同步机、数字录像机、数字电视接受机等。数字化设备可大大扩展特技功能,加强艺术效果。从整个电视系统来说,发展数字电视可以分两步走:(l)局部设备数字化。即摄像机输出为模拟信号,经模拟、数字转换(A/D)变成数字信号,在演播室的数字设备中进行解决
13、,如数字特技解决等,解决完后,又转换成(D/A)模拟信号,再用电视发射机发射。接受机收到信号以后,检波成视频信号,再经A/D变换成数字信号,在接受机中进行数字解决(如数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、画中画等),再由D/A变换在显像管上显示出高度清楚、噪声很小的鲜艳图像。(2)全系统实现数字化,即把要发送图像直接变换成数字信号,经编码压缩再变换成适合于传输的码型,在数字微波、数字光纤信道上传输,在接受端再将所收到的数据恢复成电视图像,在通道的所有环节上电视信号都是以数字形式传送的。图l-l为演播室数字解决框图。信号源为彩色摄像机送出R、G、B信号后,均经A/D变换成数字视频信号送至节目制作单
14、元,同时尚有数字录像机、数字特技以及数字制式转换器送来的信号均送入节目制作单元中,经节目制作以后的信号,再送至D/A变换器中,变成模拟信号,然后送往电视发射机。图l-2为数字电视传输系统框图。发端由摄像机产生彩色电视图像,经A/D变换后,变为数字视频信号送入信源编码中。信源编码承担着图像数据压缩功能,它去掉信号中的冗余部分,使传输码率减少。经信源编码后的图像信号送入多路复用器中与数字音频信号进行多路复用,然后送入信道编码器,信道编码即为纠错编码,提高信号在传输中的抗干扰能力。这是由于数据码流经长距离传输后不可避免地会引入噪声而发生误码。因此,加入纠错码以提高其抗干扰能力。经纠错编码后的信号送入
15、输出接口电路。输出接口电路起码型变换作用,即把单极性码变成有助于传输的双极性码。远距离传输时,可以采用数字微波线路,也可以采用数字光纤线路,以接力传输方式,站与站的距离可达50公里。收端的过程与发端相反,接受端收下信号后,输入接口电路把双极性信号变为单极性信号,再送入信道解码中,在信道解码中可纠正由传输所导致的误码,然后信号送入解多路复用,再分别送入视频、音频解决电路中,还原成模拟的视频、音频信号。图l-l演播室数字解决框图图l-2数字电视传输系统框图数字电视接受机框图如图l-3所示,电视接受天线接受下来的信号经高频通道、中频放大,然后,送至视频检波得到模拟信号。再经A/D变换,变为数字信号,
16、送入数字解决器中,进行数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、行频加倍、去闪烁解决、画中画解决等,最后送入D/A变换器中,变成模拟信号供显象管显示。电视发射高频部分和电视接受高频通道部分均为模拟系统,这是由于在接近1000MHz频率要实现数字化,就目前的技术水平不也许完毕。图l-3数字电视接受机框图对数字电视信号进行编码,可分为全信号编码和分量编码,如图l-4所示。其中图(a)为全信号编码,图(b)为分量信号编码。从图(a)可以看出,模拟全电视信号经A/D变换,变为数字信号,经数字解决后,再送入D/A变换,还原成模拟全信号。全信号编码,从框图上看似乎很简朴,但这种方法易导致亮、色干扰。特别对SEC
17、A制(东欧国家彩色电视制式)来说,由于色差信号对副载频的调制方式是调频的,难于采用全信号编码,只能采用分量编码。图(b)是分量信号编码框图,模拟全信号经A/D变换后,再经数字亮、色分离,提成数字亮度信号和数字色差信号,送入数字信号解决器中,经解决后的信号再经数字式全信号编码,然后经D/A变成模拟全信号。该图虽增长数字亮、色分离和数字式全信号编码,但数字解决是对分量信号进行的,消除了亮、色干扰现象。这种解决方式可使图像质量提高,因此应用较为广泛,国际标准也建议采用分量信号编码方式。从数宇电视发展的趋势来看,可有如下进程:第一步实现普通电视的数字化,运用MPEG-l的国际标准,将数据率压缩到2.0
18、48Mb/s速率,其图像质量可优于家用录像机VHS的质量。第二步按MPEG-2标准中的主级标准,将数据率压缩到8.448Mb/s,其图像质量可达现有电视演播室的质量。第三步按MPEG-2的高级标准,将数据率压缩到20Mb/s左右,其图像质量可达HDTV的质量。将来,人们不会只满足于HDTV,还会有更高级的电视。例如,也许出现垂直和水平清楚度分别为现有电视的4倍和8倍的特高清楚度电视(UDTV)和超高清楚度电视(SDTV),扫描行数可达2248行,其图像质量可达70mm电影的水平。图l-4全信号编码和分量编码第二讲数字电视的国际标准自1948年提出视频数字化概念后,通过将近40年的探索,于198
19、2年提出了电视演播室数字编码的国际标准(CCIR601号建议);又于1984年提出了第一个实用化的、适应于会议电视和可视电话规定的H.261标准;1993年公布了活动图像的编码压缩标准MPEG-1;1994年发表了MPEG-2标准,该标准向下兼容MPEG-1,向上兼容HDTV的图像质量;1999年公布了MPEG-4标准;此后还计划发表MPEG-7标准。下面将上述国际标准逐个介绍。2.1.CCIR601号建议为了便于国际间的节目互换,为消除数字设备之间的制式差别,和为625行电视系统与525行电视系统之间兼容,在1982年2月国际无线电征询委员会(CCIR)第15次全会上,通过了601号建议,拟
20、定以分量编码为基础,即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。该标准规定:(1).不管是PAL制,还是NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。(2).抽样后采用线性量化,每个样点的量化比特数用于演播室为10bit,用于传输为8bit。(3).Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4:2:2。在1983年9月召开的国际无线电征询委员会(CCIR)中期会议上,又作了三点补充:(l)明确规定编码信号是通过预校正的Y、(R-Y)、B-Y)信号;(2)相应于量化级0和255的码字专用于同步
21、,l到254的量化级用于视频信号;(3)进一步明确了模拟与数字行的相应关系,并规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔,对525行、60场/秒制式来说为16个样点,对625行、50场/秒制式则为12个样点。不管625行/50场或525行/60场,其数字有效行的亮度样点数都是720,色差信号的样点数均是360,这是为了便于制式转换。若亮度样点数被2除,就得到色差信号的数据。2.2.H261标准1984年国际电报电话征询委员会的第15研究组成立了一个专家组,专门研究电视电话的编码问题,所用的电话网络为综合业务数据网络ISDN,当时的目的是推荐一个图像编码标准,其传输速率为m384kb/s(千位/秒
22、),m=l,2,3,4,5。这里384kb/s在ISDN中称为Ho通道。另有基本通道B的速率为64kb/s,6B=384kb/s。5Ho=30B=1920kb/s为窄带ISDN的最高速率。后来由于384kb/s速率作为起始点偏高,广泛性受限制,此外跨度也太大,灵活性受影响,所以改为p64kb/s,p=l,2,3,.30。最后又把p扩展到32,由于3264kb/s=2084kb/s,其中2084211,基本上等于2Mb/s,事实上已超过了窄带ISDN的最高速率1920kb/s,最高速率也称通道容量。通过5年以上的精心研究和努力,终于在1990年12月完毕和批准了CCITT推荐书H.261,即“采
23、用p64kb/s的声像业务的图像编解码”,H.261简称p64。由于H.261标准是用于电视电话和电视会议,所以推荐的图像编码算法必须是实时解决的,并且规定最小的延迟时间,由于图像必须和语音密切配合,否则必须延迟语音时间。当p取l或2时,速率只能达成128kb/s,由于速率较低只能传清楚度不太高的图像,所以适合于面对面的电视电话。当p6时,速率384kb/s则速率较高,可以传输清楚度尚好的图像,所以合用于电视会议。2.3.JPEG标准静像数据压缩标准JPEG(JointPhoto一graphicExpertsGroup),直译为联合摄影术专家组,其中联合是指几个国际组织的联合。它是从1986年
24、正式开始制订的。当时由两个国际组织联合支持,其一,是国际标准组织ISO;其二,是国际电报电话征询委员会CCITT。到1987年l1月,国际电工委员会IEC也参与合作,因此说JPEG是三个国际组织合作的成果。虽然从1986开始,通过许多次国际会议讨论和修改后,于1992年7月2日表决通过标准的第一部分,但是也许对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作进一步修改。JPEG是ISO的标准,同时也CCITT的推荐标准。JPEG是数字图像压缩的国际标准。它用于连续变化的静止图像,这里涉及灰度等级和颜色两方面的连续变化。JPEG包含两种基本压缩方法,各有不同的操作模式。第一种是有损压缩,它是以DCT(Di
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