數(shù)字電視基礎(chǔ)知識

數(shù)字電視基礎(chǔ)知識陳柏年CATV機(jī)線員大賽培訓(xùn)之92014年12月北京所應(yīng)掌握的相關(guān)概念（1）數(shù)字電視的概念、編碼、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，（2）DVB-C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，（3）電子節(jié)目指南（EPG），（4）有條件接收系統(tǒng)（CAS），（5）用戶管理系統(tǒng)（SMS），（6）有線數(shù)字電視機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)與原理。模擬電視數(shù)字電視信號描述用模擬信號傳輸用數(shù)字信號傳輸信源編碼信號量不大，無需壓縮數(shù)碼率高，必須壓縮復(fù)用視、音頻信號分別傳輸視、音頻和數(shù)據(jù)分別打包后復(fù)合成一路信道編碼圖像信號按行、場排列，有行、場同步信號，有均衡脈沖等無行、場標(biāo)志及概念；通過糾錯、時域均衡抗干擾調(diào)制AM或FMQPSK、QAM、COFDM特點信號量小，技術(shù)成熟，質(zhì)量較差，占用頻帶寬不易失真，抗干擾，清晰度高，占用頻帶窄模擬電視和數(shù)字電視比較數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的原理框圖數(shù)字電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字電視系統(tǒng)的核心技術(shù)信源編／解碼技術(shù)傳送復(fù)用技術(shù)信道編／解碼技術(shù)調(diào)制／解調(diào)技術(shù)中間件技術(shù)條件接收大屏幕顯示技術(shù)數(shù)字電視已經(jīng)不是單一的電視業(yè)務(wù)，而是指通過電視傳輸通道傳輸?shù)臄?shù)字業(yè)務(wù)，包括視頻、音頻、圖像、數(shù)據(jù)等。1、數(shù)字電視的三個國際標(biāo)準(zhǔn)

美國的ATSC高級電視系統(tǒng)委員會（AdvancedTelevisionSystemCommittee）歐洲的DVB數(shù)字視頻廣播（DigitalVideoBroadcasting）日本的ISDB綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播（IntegratedServicesDigitalBroadcasting）2、數(shù)字電視傳輸和處理的主要問題（1）信源編碼主要任務(wù)：完成A/D變換和壓縮編碼。重點：實現(xiàn)數(shù)碼率的壓縮。（2）信道編碼主要任務(wù)：完成碼型變換和差錯控制。重點：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯復(fù)合編碼和分量編碼（二）ITU-R-601建議1、4:2:2編碼方式：亮度信號的取樣頻率=13.5MHz，兩個色差信號的取樣頻率=6.75MHz。色差信號的水平分解力是亮度信號的一半。廣泛應(yīng)用于演播室節(jié)目制作和傳輸中。2、4:4:4編碼方式：亮度信號和兩個色差信號（或R、G、B信號）的取樣頻率=13.5MHz，三個信號具有相同的水平和垂直分解力。一般用在對R、G、B信號進(jìn)行數(shù)字化的場合。（二）ITU-R-601建議3、4:1:1編碼方式：亮度信號取樣頻率=13.5MHz，色差信號的取樣頻率=3.375MHz，兩個色差信號在垂直方向上的分解力與亮度信號相同，但在水平方向上的分解力是亮度信號的1/4。4、4:2:0編碼方式：亮度信號與色差信號的取樣頻率與4：2：2方式相同，但兩個色差信號每兩行取一行，在水平和垂直方向上的分解力均為亮度信號的一半。電視系統(tǒng)的表示方法示例1080/60i：1080表示每幀有效掃描行數(shù)，60表示幀頻或場頻，i表示隔行掃描。可表示為：1080/60/2：1；還可表示為：1080@60i720/50P：720表示每幀有效掃描行數(shù)，50表示幀頻或場頻，P表示逐行掃描?？杀硎緸椋?20/50/1：1；還可表示為：720@50PNTSC制可表示為：480/60iPAL制可表示為：576/50i數(shù)字電視信號壓縮的可能性數(shù)據(jù)量=信息量+冗余量=關(guān)鍵信息量+[次要信息量+（時間冗余+空間冗余+視覺冗余+熵冗余）]視頻壓縮編碼技術(shù)基本概念（1）無損壓縮和有損壓縮（2）幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮（3）對稱壓縮編碼和不對稱壓縮編碼數(shù)字電視信號壓縮的可能性數(shù)據(jù)量=信息量+冗余量=關(guān)鍵信息量+[次要信息量+（時間冗余+空間冗余+視覺冗余+熵冗余）]視頻壓縮編碼技術(shù)基本概念（1）無損壓縮和有損壓縮（2）幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮（3）對稱壓縮編碼和不對稱壓縮編碼數(shù)字電視信號壓縮的可能性數(shù)據(jù)量=信息量+冗余量=關(guān)鍵信息量+[次要信息量+（時間冗余+空間冗余+視覺冗余+熵冗余）]視頻壓縮編碼技術(shù)基本概念（1）無損壓縮和有損壓縮（2）幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮（3）對稱壓縮編碼和不對稱壓縮編碼（四）MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)1、MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號：ISO/IEC11172。標(biāo)準(zhǔn)全名：“信息技術(shù)—用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)大約1.5Mbps的數(shù)字存儲媒體的電視圖像和伴音編碼”目標(biāo)：壓縮的輸出速率定義在1.5Mbit/s以下。場合：用于在CD-ROM上存儲數(shù)字影視和在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字影視。激光視盤VCD（352×288）固定速率：視頻速率1.5Mbps

，音頻速率64kbps、128kbps、192kbps。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)方法：DCT、運動補償和霍夫曼編碼

信源輸入格式：SIF（SourceInpntFormat），如為CCIR–601格式的信源要轉(zhuǎn)換成SIF格式才能輸入MPEG–1編碼器。MPEG-1壓縮編碼三種模式三種壓縮編碼模式：采用幀內(nèi)壓縮編碼的幀稱為I幀（又稱幀內(nèi)編碼幀，IntraCodedFrames）。采用前向預(yù)測編碼的幀稱為P幀（又稱前向預(yù)測幀，PredictedFrames），它是前一個I幀或P幀的預(yù)測幀，也采用DCT編碼。與采用雙向預(yù)測編碼相對應(yīng)的幀稱為B幀（又稱雙向預(yù)測幀，Bi-DirectionalFrames）。B幀插在I、P或P、P之間，是從相鄰最近的I幀或P幀作雙向預(yù)測進(jìn)行編碼。

MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)組成和特點MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)由下列三部分組成系統(tǒng)：伴音壓縮數(shù)據(jù)和圖象數(shù)據(jù)的復(fù)用及同步視頻：視頻壓縮伴音：伴音壓縮，有64、128和192kbps三種碼率MPEG-1的特點定義了一套標(biāo)準(zhǔn)語法用于編碼流的表示及解碼并不限定具體的編碼算法，只要求產(chǎn)生有效編碼流支持多種圖象尺寸、寬高比、信道傳輸率隨機(jī)訪問：通過I幀定位可以迅速解碼任一幀快進(jìn)快退：實現(xiàn)快速交互（1）MPEG視頻碼流的層次結(jié)構(gòu)“圖像序列”（VidioSequence）：隨機(jī)存取段落，由若干圖象組構(gòu)成“圖像組”（GroupofPictrue）：隨機(jī)存取視頻單元，由相互有預(yù)測和生成關(guān)系的一組各種類型圖象組成“圖像”（Pictrue）：基本編碼單元，分為I、P、B、D四種類型，代表了各自地壓縮模式“宏塊條”或“切片”（Slice）：重新同步單元，宏塊的集合，主要用于誤差恢復(fù)“宏塊”（Microblock）：運動補償單元，只對亮度信號做運動估值，色度信號采用同一宏塊中亮度信號的運動矢量“塊”（Block）：最小的DCT編碼單元，為8×8的象素矩陣MPEG的層次結(jié)構(gòu)層功能1“塊”（Block）DCT處理單元2“宏塊”（Microblock）運動補償單元3“宏塊條”（Slice）同步恢復(fù)單元4“圖像”（Pictrue）基本編碼單元5“圖像組”（GroupofPictrue）視頻隨機(jī)存取單元6“圖像序列”（VidioSequence）節(jié)目段落隨機(jī)存取（上下文單元）MPEG視頻碼流結(jié)構(gòu)

MPEG-1和MPEG-2的視頻結(jié)構(gòu)是相同的，共分為六層，如圖所示

MPEG為了更好地表示編碼數(shù)據(jù)，用語法規(guī)定了一個層次性的結(jié)構(gòu)。因此，圖像序列也被安為一種有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。共分6層：圖像組GOP（groupofpictures）一個GOP：共有12幀，其中包含1個I幀、3個P幀和8個B幀。MPEG-1的圖像組結(jié)構(gòu)

幀重排由于在編碼B幀時，需要用將來的一個幀作為參考幀，因此需要把按顯示順序送進(jìn)來的圖像序列重新排列后再進(jìn)入編碼器。2、MPEG-2（P222）

MPEG-2是1994年公布的另一視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)號：ISO/IEC13818。標(biāo)準(zhǔn)全名：“信息技術(shù)—活動圖像及有關(guān)聲音信息的通用編碼”基本目標(biāo)：一般為4Mbps~9Mbps、最高達(dá)15Mbps的運動圖像及其伴音的數(shù)字壓縮編碼。場合：用于數(shù)字電視，廣泛用于各種速率（2-20Mbps）和各種分辨率的情況，而且可接受隔行掃描的輸入信號。DVD（720×576）（1）MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的九個組成部分系統(tǒng)System：描述多個視頻、音頻和數(shù)據(jù)基本碼流ES的同步和合成。主要解決多個視頻、音頻和數(shù)據(jù)流的組合問題。電視圖像Video：規(guī)定視頻的編碼和解碼。聲音Audio-規(guī)定聲音數(shù)據(jù)的編碼和解碼：是MPEG-1Audio的擴(kuò)充。一致性測試Coformancetesting：詳細(xì)說明位數(shù)據(jù)流的測試方法和解碼器是否滿足要求。如何測試和比較被測碼流是否符合MPEG-2第一、二、三部分的規(guī)定。軟件模擬Softwaresimulation：用軟件執(zhí)行前個三部分的結(jié)果，形成技術(shù)報告。給出了MPEG-1第一、二、三部分的軟件實現(xiàn)。2、MPEG-2（P222）

MPEG-2是1994年公布的另一視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)號：ISO/IEC13818。標(biāo)準(zhǔn)全名：“信息技術(shù)—活動圖像及有關(guān)聲音信息的通用編碼”基本目標(biāo)：一般為4Mbps~9Mbps、最高達(dá)15Mbps的運動圖像及其伴音的數(shù)字壓縮編碼。場合：用于數(shù)字電視，廣泛用于各種速率（2-20Mbps）和各種分辨率的情況，而且可接受隔行掃描的輸入信號。DVD（720×576）（1）MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的九個組成部分系統(tǒng)System：描述多個視頻、音頻和數(shù)據(jù)基本碼流ES的同步和合成。主要解決多個視頻、音頻和數(shù)據(jù)流的組合問題。電視圖像Video：規(guī)定視頻的編碼和解碼。聲音Audio-規(guī)定聲音數(shù)據(jù)的編碼和解碼：是MPEG-1Audio的擴(kuò)充。一致性測試Coformancetesting：詳細(xì)說明位數(shù)據(jù)流的測試方法和解碼器是否滿足要求。如何測試和比較被測碼流是否符合MPEG-2第一、二、三部分的規(guī)定。軟件模擬Softwaresimulation：用軟件執(zhí)行前個三部分的結(jié)果，形成技術(shù)報告。給出了MPEG-1第一、二、三部分的軟件實現(xiàn)。MPEG-2的編碼流程①輸入一個I幀、P幀或B幀；②在B幀或P幀的情況下進(jìn)行運動預(yù)測補償；③進(jìn)行88像素的DCT變換；④變換系數(shù)被量化(量化級安排依賴于可用的比特率)；⑤完成變字長編碼，實現(xiàn)比特率的縮減。MPEG-2的解碼流程是MPEG-2的編碼流程的反過程。（2）MPEG-2的表征形式：類和級MPEG-2規(guī)定了視頻編解碼及壓縮的“通用語法(GenericSyntax)”。并定義語法中一組子集：“類”（profile）：按使用的工具和方法不同，且滿足特定應(yīng)用要求的一組子集。不同的壓縮處理方法?！凹墶保╨evel）：根據(jù)編碼圖像不同的分辨率。輸入圖像信號的格式。MPEG-2的類和級的組合類與級的有效組合共有11種等級/類簡單類主類SNR可分級類空間可分級類高類低級352×288MP@LLSNR@LL主級720×576SP@MLMP@MLSNR@MLHP@ML高級14401440×1152MP@H1440SSP@H1440HP@H1440高級1920×1152MP@HLHP@HLMPEG-2四個重要的類級組合四個組合主類@主級（MP@ML）：DVB、DVD、數(shù)字有線電視、ITV等簡單類@主級（SP@ML）：數(shù)字有線電視、數(shù)字錄象機(jī)主類@高級（MP@HL）：全數(shù)字HDTV空間可分級類@高級-1440（SSP@H1440）：歐洲的HDTVMPEG音頻壓縮音頻采樣率：可以是32、44.1、48kHz

壓縮的比特流可支持以4種可能的模式之一：用于單一音頻通道的單聲道模式用于兩個獨立音頻通道的雙－單聲道模式

用于立體聲通道的立體聲模式

相關(guān)聯(lián)合立體聲模式

MPEG音頻壓縮比特率：壓縮的比特流可以選擇一個每通道從32kbps到224kbps的預(yù)先設(shè)定的固定比特率三個層次：MPEG音頻能夠從三個獨立層進(jìn)行壓縮，這在編碼復(fù)雜性和壓縮的音頻質(zhì)量之間提供了寬裕的權(quán)衡范圍編碼的比特率支持可選的循環(huán)冗余校驗（CRC）誤碼檢測碼MPEG音頻提供了比特流中包含輔助數(shù)據(jù)的方法（3）MPEG-2碼流形成過程

（3）MPEG-2碼流形成過程

TS的結(jié)構(gòu)PES經(jīng)過復(fù)用再打成188字節(jié)的固定長度包便形成TS流或TS包。TS流是各傳輸系統(tǒng)之間的連接形式，是傳輸設(shè)備間的基本接口。其結(jié)構(gòu)如上圖示。TS由帶有一個或多個獨立時基的一個或多個節(jié)目組合而成。注意：TS不是由節(jié)目碼流PS構(gòu)成，而由PES復(fù)接而成。包標(biāo)識符（PID）每一個打包在TS中的PES都伴有一個包標(biāo)識符（PID）。一個特定節(jié)目的所有TS包不管它是視頻、音頻還是數(shù)據(jù)，都能借助于它們的PID從復(fù)合的碼流中提取出來。一個或幾個節(jié)目被加進(jìn)（復(fù)接）TS中，也可被提取（解復(fù)用）出來。一個TS中的每一個節(jié)目關(guān)聯(lián)到一個獨立的時鐘。TS側(cè)重于傳輸方面的結(jié)構(gòu)和說明，如加入同步、說明有無差錯、有無加擾等。其中包的識別對解碼有著重要作用，是識別碼流和信息的標(biāo)簽。兩級復(fù)用框圖

（4）MPEG－2四種壓縮方式運動估值是用于消除相鄰幀的時間冗余。利用差值檢測和塊匹配法，僅傳遞相鄰幀的差值和相關(guān)運動矢量，從而壓縮信源的信息量。離散余弦變換（DCT）是用于域變換，將信號從空間域變換到頻域，使信號的能量集中在幾個低頻系數(shù)上，從而為信息的高效壓縮創(chuàng)造了條件。自適應(yīng)量化用于消除不相關(guān)信息。自適應(yīng)量化是針對DCT系數(shù)而言的，對于信息的重現(xiàn)密切相關(guān)的低頻系數(shù)采用細(xì)量化，對視覺不太敏感的高頻系數(shù)則采用粗量化，在保留墻與減少冗余之間選擇最佳取值。熵編碼用于消除冗余信息。將游程編碼與霍夫曼編碼聯(lián)合使用，降低多零值系數(shù)的編碼比特數(shù)，同時給概率大的事件分配短碼字，概率小的事件分配長碼字，最大限度地提高編碼效率。MPEG-2的同步MPEG算法提供一定的定時方法，保證視音頻的同步。MPEG-1為解碼器制定了兩個時鐘：系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR）顯示時間標(biāo)記（PTS）MPEG-2為解碼器制定了三個時鐘：系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR）顯