有線數(shù)字電視到戶(hù)圖像質(zhì)量下降原因分析

有線數(shù)字電視用戶(hù)家庭圖像質(zhì)量評(píng)估與改善的研究到戶(hù)圖像質(zhì)量下降的原因分析前言在中國(guó)，有線電視已成為廣大人民群眾不可或缺的重要信息和娛樂(lè)的途徑。有線電視數(shù)字化后，家家戶(hù)戶(hù)的電視機(jī)成為集公共傳播、信息服務(wù)于一體的家庭多媒體信息終端，使家庭率先步入信息化，成為城市信息化、現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。有線數(shù)字電視技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)了極大的方便與享受。同時(shí)，電視媒體作為國(guó)家的一種重要宣傳工具，也有著其不可替代的重要地位。因此確保高質(zhì)量的有線數(shù)字電視圖像是一個(gè)十分重要而現(xiàn)實(shí)的課題，這就給廣大的有線電視工作者提出了一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題：如何確保有限數(shù)字電視的圖像質(zhì)量。原因分析有線數(shù)字電視播出到收看節(jié)目的過(guò)程是將各種節(jié)目源，通過(guò)不同播出設(shè)備處理后，再送到射頻前端進(jìn)行混合調(diào)制，調(diào)制后信號(hào)再經(jīng)過(guò)有線電視干線網(wǎng)、光節(jié)點(diǎn)、放大器和分配網(wǎng)到達(dá)用戶(hù)終端，最終由用戶(hù)端機(jī)頂盒接收處理后在電視機(jī)上顯示節(jié)目畫(huà)面。從上面的播出到收看流程可以看出影響播出信號(hào)品質(zhì)的因素主要有節(jié)目源本身的質(zhì)量、在播出設(shè)備前端出現(xiàn)的問(wèn)題、傳輸過(guò)程中的干擾和接收端質(zhì)量。到戶(hù)圖像質(zhì)量好壞是與節(jié)目源作為對(duì)比，因此，導(dǎo)致到戶(hù)圖像質(zhì)量下降的因素被劃定為播出設(shè)備、傳輸干擾和接收端三個(gè)部分。播出設(shè)備由于有線數(shù)字電視對(duì)接收到信號(hào)源要重新編碼、復(fù)用、加擾、調(diào)制后才進(jìn)行傳輸，因此在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)直接導(dǎo)致到戶(hù)圖像質(zhì)量的下降。壓縮編碼數(shù)字信號(hào)圖像質(zhì)量與模擬信號(hào)圖像質(zhì)量發(fā)生的失真類(lèi)型的原因是不同的，數(shù)字圖像壓縮編碼時(shí)，圖像質(zhì)量劣化的出現(xiàn)于細(xì)微的圖像色彩、圖像清晰度、圖像中運(yùn)動(dòng)物體的變化方向、運(yùn)動(dòng)速度的快慢、圖像中原本才在的噪聲等等這些圖像的類(lèi)型以及壓縮算法的不同都有很大的關(guān)系。壓縮編碼后，數(shù)字信號(hào)圖像質(zhì)量有以下幾個(gè)方面的失真類(lèi)型：數(shù)字壓縮適配數(shù)據(jù)基本塊編碼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致接收的圖像有很明顯的變形；在空間與單個(gè)幀中，用減少每個(gè)水平掃面線的像素?cái)?shù)來(lái)減少帶寬的結(jié)構(gòu)將會(huì)導(dǎo)致圖像模糊或輪廓不清；圖像信號(hào)邊緣忙亂的失真主要是集中在圖像中所顯示物體的邊緣部分，這是由時(shí)域中變化的尖峰或空域中的不同噪聲所產(chǎn)生；在DCT算法的壓縮系統(tǒng)，如果接收到的圖像與當(dāng)前場(chǎng)景或是前一場(chǎng)景，沒(méi)有一點(diǎn)相似的地方或者相似的地方特別少，這樣其中一個(gè)塊或者多個(gè)塊產(chǎn)生失真，就會(huì)在相鄰的塊之間產(chǎn)生較大的對(duì)比差異，從而導(dǎo)致圖像產(chǎn)生馬賽克；壓縮引起的文字噪聲失真產(chǎn)生于相鄰像素之間的量化錯(cuò)誤，由于場(chǎng)景內(nèi)容不同，量化間隔的尺度就會(huì)有所變化，產(chǎn)生的量化錯(cuò)誤表現(xiàn)形式是圖像上出現(xiàn)微微發(fā)光的小亮塊，就像“蚊子”一樣在一幅場(chǎng)景中隨時(shí)的閃現(xiàn)在物體的周?chē)@種現(xiàn)象通常被稱(chēng)為“飛蚊效應(yīng)”；比特率的降低會(huì)造成系統(tǒng)信噪比的下降；還有一種是量化噪聲，在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，模擬信號(hào)不精確的數(shù)字量化，也會(huì)產(chǎn)生一部分噪聲，對(duì)于所輸入的經(jīng)過(guò)數(shù)字采樣的模擬視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，視頻分辨率的數(shù)字化描述是有限的，而且它也不可能完全如實(shí)的進(jìn)行采樣和進(jìn)行量化。復(fù)用加擾調(diào)制信號(hào)傳輸質(zhì)量外界電磁波侵入噪聲干擾有線電視HFC網(wǎng)中的光纖光纜傳輸部分因有抗電磁波噪聲干擾的特點(diǎn)，所以空中的各種電磁波噪聲無(wú)法干擾光纖中傳送的數(shù)字電視信號(hào)。而HFC中的同軸電纜分配網(wǎng)由于抗干擾能力低，所以空中傳播的電磁波噪聲非常容易從同軸電纜分配網(wǎng)各個(gè)渠道進(jìn)入有線電視系統(tǒng)，給系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字電視信號(hào)造成不同程度的干擾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)造成的干擾，是有線電視網(wǎng)絡(luò)主要的干擾源。移動(dòng)通信信號(hào)有較強(qiáng)的方向性，但因?yàn)橐苿?dòng)通信發(fā)射塔的多方向發(fā)射，就又構(gòu)成了對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)的全方位干擾；同時(shí)移動(dòng)通信信號(hào)發(fā)射功率大，對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)影響就顯得更為突出；另外，由于移動(dòng)通信的特點(diǎn)，其信號(hào)每時(shí)每刻都會(huì)不間斷地對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾；移動(dòng)通信信號(hào)具有較強(qiáng)的穿透力，低質(zhì)量的屏蔽層很難抵抗電波的穿透；最后一點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)，那就是移動(dòng)通信所使用的頻率與有線電視傳輸頻率相近，造成頻道干擾程度明顯因此，有線網(wǎng)絡(luò)中使用的電纜所具有的抗外來(lái)干擾的能力就顯得非常關(guān)鍵。使用年限過(guò)長(zhǎng)、老化、人為損壞、接口氧化、外波破裂等原因都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中電纜的屏蔽系數(shù)下降而不能抵御外界電磁波的侵入，造成有線網(wǎng)絡(luò)受干擾的程度加大；同時(shí)，電纜的老化還會(huì)造成電氣傳輸特性變差、阻抗特性發(fā)生變化、網(wǎng)絡(luò)傳輸電平下降，外來(lái)電磁波噪聲就更容易進(jìn)入有線電視傳輸系統(tǒng)形成干擾。盡管外來(lái)干擾是客觀存在的，但是只要我們提高網(wǎng)絡(luò)材料的傳輸質(zhì)量，選擇屏蔽系數(shù)高的電纜、盡量延伸數(shù)字電視信號(hào)的光纜傳輸，縮短同軸電纜傳輸，注重加強(qiáng)有線電視網(wǎng)絡(luò)施工工藝，注意有線數(shù)字電視頻點(diǎn)的規(guī)劃安排，就有可能抑制和克服外界電磁波侵入對(duì)數(shù)字電視信號(hào)產(chǎn)生的噪聲干擾。同時(shí)在線路安裝時(shí)加強(qiáng)注意回避電磁波，如新建房走暗線加金屬套管等方法來(lái)避免外界電磁波侵入噪聲干擾。網(wǎng)絡(luò)適配帶來(lái)的相位噪聲干擾與模擬電視信號(hào)不同的是，由于數(shù)字電視信號(hào)普遍采用的是QAM調(diào)制方式，所以，除了載波的幅度攜帶了信息外，載波的相位也攜帶了信息，而網(wǎng)絡(luò)的失配產(chǎn)生反射所造成的多徑效應(yīng)，或者附近存在同頻信號(hào)的干擾往往就能影響有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的相位特性。有線電視網(wǎng)絡(luò)如果存在失配（比如空閑的輸出端沒(méi)有接入假負(fù)載），將產(chǎn)生信號(hào)反射，這樣使到達(dá)機(jī)頂盒的信號(hào)不只是直接路徑傳來(lái)的，還有由反射路徑傳來(lái)的。直接路徑與反射路徑之間存在時(shí)間差，從載頻角度講，只要兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差改變1/fc（fc是射頻載頻頻率），兩者的相位差就改變2π弧度，就是說(shuō)很小的時(shí)間差就會(huì)引起很大的相位差，在兩信號(hào)相位差為2π時(shí)，二者同相相加，合成信號(hào)幅度最大；兩者相位差為π時(shí)，二者反相相減，合成信號(hào)幅度最小。時(shí)間上延時(shí)的信號(hào)與直接信號(hào)到達(dá)接收機(jī)混合在一起，不但會(huì)從幅度上的影響，更會(huì)從相位上影響數(shù)字信號(hào)的正確解碼。造成網(wǎng)絡(luò)反射的原因有：電纜的物理?yè)p傷、接頭的氧化進(jìn)水、干線空閑端口沒(méi)接假負(fù)載、分配器有空口沒(méi)有接假負(fù)載等，這些都造成網(wǎng)絡(luò)失配而產(chǎn)生反射。同時(shí)，如上文中說(shuō)到的有線網(wǎng)絡(luò)受到外界電磁波信號(hào)的侵入噪聲干擾，也會(huì)造成信號(hào)疊加的問(wèn)題，從而產(chǎn)生相位噪聲。相位噪聲對(duì)模擬電視影響比較輕，即便相位噪聲指標(biāo)很差，也不過(guò)表現(xiàn)為圖象暗場(chǎng)是出現(xiàn)雜亂無(wú)章的花紋，因此相位噪聲指標(biāo)在模擬電視里往往不被考察。而對(duì)于數(shù)字電視，這種噪聲則會(huì)影響數(shù)字電視信號(hào)的正確解碼，引起部分節(jié)目有馬賽克或無(wú)法接收，因此相位噪聲是引起數(shù)字電視傳輸故障的重要原因之一。有線數(shù)字電視抗失真產(chǎn)物的組合互調(diào)噪聲干擾在多頻道傳輸?shù)腃ATV系統(tǒng)中，由于相關(guān)設(shè)備存在著一定程度的非線性傳輸特性，必然會(huì)產(chǎn)生大量的非線性失真產(chǎn)物，這些產(chǎn)物落在傳輸頻道內(nèi)，會(huì)在載頻附近聚集成“簇”，對(duì)頻道形成“綜合”差拍干擾。其中，由二次失真產(chǎn)物聚集而成的“綜合”互調(diào)干擾為CSO，由三次失真產(chǎn)物聚集而成的“綜合”差拍干擾為CTB。數(shù)字電視信號(hào)采用的QAM調(diào)制方式又稱(chēng)為正交幅相調(diào)制，它既對(duì)載波的振幅進(jìn)行調(diào)制，又對(duì)載波的相位進(jìn)行調(diào)制，又由于調(diào)幅是平衡調(diào)幅，所以抑制了載波，其能量是均勻分布在整個(gè)限定帶寬內(nèi)的。由于這個(gè)特點(diǎn)，在傳輸頻帶內(nèi)存在非線性失真的情況下，所產(chǎn)生的互調(diào)、交調(diào)產(chǎn)物就不是呈離散性的分布，而是呈白噪聲的性質(zhì)，在被干擾的頻道內(nèi)彌散分布，這等于在被干擾頻道里增加了噪聲，成為組合互調(diào)噪聲CIN，使數(shù)字電視出現(xiàn)頻繁的靜幀或馬賽克現(xiàn)象，雖然該頻道的信號(hào)電平并沒(méi)有降低。GY/T221-2006《有線數(shù)字電視系統(tǒng)技術(shù)要求和測(cè)量方法》中規(guī)定了數(shù)字電視對(duì)系統(tǒng)CTB、CSO指標(biāo)的要求和模擬電視一樣，都是≥54dB；而對(duì)于數(shù)字頻道和模擬頻道電平差為－10～0dB。有資料介紹，當(dāng)數(shù)字載波電平高出非線性失真電平50dB時(shí)，信號(hào)質(zhì)量將不受影響；當(dāng)高出40～46dB時(shí)，數(shù)字電視信號(hào)在非常好和馬賽克之間；而當(dāng)這個(gè)比值低于40dB時(shí)，數(shù)字信號(hào)將出現(xiàn)靜幀或嚴(yán)重的馬賽克現(xiàn)象。因此，當(dāng)有線電視系統(tǒng)的實(shí)際失真指標(biāo)CTB、CSO達(dá)到54時(shí)，由于有線數(shù)字電視信號(hào)的電平比模擬電視低10個(gè)dB，因此對(duì)于數(shù)字電視來(lái)說(shuō)，CTB、CSO指標(biāo)只有44dB，余量不到4dB。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的失真指標(biāo)逐漸劣化時(shí)，圖像質(zhì)量雖沒(méi)有逐步劣化過(guò)程，而一旦當(dāng)失真指標(biāo)降低4個(gè)dB，數(shù)字電視由于“懸崖效應(yīng)”，電視畫(huà)面將立刻變?yōu)殪o幀或嚴(yán)重的“馬賽克”現(xiàn)象。同時(shí)，由于系統(tǒng)電平升高1dB，失真指標(biāo)將劣化2dB，那么不到4dB的失真指標(biāo)余量意味著系統(tǒng)電平波動(dòng)上限不到2dB。因此，光發(fā)射機(jī)輸入電平過(guò)高、光接收機(jī)和放大器輸出電平過(guò)高，會(huì)使得失真指標(biāo)下降，從而很容易導(dǎo)致成片有線數(shù)字電視用戶(hù)出現(xiàn)收視畫(huà)面靜幀、馬賽克甚至黑屏現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，為了降低系統(tǒng)中的CSO和CTB非線性失真，有兩個(gè)方面的工作要做。一方面是CATV系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和指標(biāo)分配應(yīng)合理、先進(jìn)；另一方面是設(shè)備和部件的設(shè)計(jì)要考慮如何提高線性。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，可以考慮如下幾種措施：有線傳輸手段盡量以光纖取代電纜，對(duì)于較長(zhǎng)距離的超干線或干線采用特殊技術(shù)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的CTB和CSO非線性失真指標(biāo)。選擇合適的干線放大器工作點(diǎn)，提高其線性動(dòng)態(tài)范圍。合理選擇頻道、增加并聯(lián)路數(shù)。適當(dāng)降低放大器的工作電平，以提高C/CTB和C/CSO。正確設(shè)計(jì)、選用放大器，濾除或抵消系統(tǒng)已有的非線性失真。用新技術(shù)改進(jìn)頻道設(shè)置，從主客觀上降低CSO和CTB。HFC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身帶來(lái)的電路噪聲干擾模擬有線電視時(shí)代HFC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前端設(shè)備有調(diào)制器、光發(fā)射機(jī)等，而數(shù)字電視時(shí)代所涉及的前端系統(tǒng)通常由編碼、復(fù)用、加擾、調(diào)制、CA、EPG、NVOD、SMS、數(shù)據(jù)廣播等眾多子系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)備組成更為紛繁復(fù)雜，同時(shí)整個(gè)有線電視傳輸網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有大量的光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、光纖、光連接器、分光器、放大器、分支分配器等，它們都是產(chǎn)生隨機(jī)噪聲的主要原因。而隨機(jī)噪聲通?？煞譃閮纱箢?lèi)，其一是外部電磁波侵入噪聲，其二是便是HFC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身帶來(lái)的電路噪聲。有線數(shù)字電視前端目前的有線數(shù)字電視前端是一個(gè)集成了廣播電視、計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等的綜合性大規(guī)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)。這些設(shè)備由不同廠家生產(chǎn)，它們產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）水平往往參差不齊，而且不同設(shè)備的固有噪聲源對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)也有較大差異。另外由于有線電視技術(shù)發(fā)展的種種因素，有線數(shù)字電視前端機(jī)房普遍還同時(shí)安裝了各種模擬設(shè)備、數(shù)字設(shè)備、數(shù)據(jù)設(shè)備，它們共用一個(gè)機(jī)房，從而使得前端的電磁環(huán)境更為復(fù)雜。各種前端設(shè)備內(nèi)部固有噪聲源主要有晶體振蕩器和時(shí)鐘分頻電路、開(kāi)關(guān)電源、快速時(shí)間轉(zhuǎn)換電路、A/D變換器、無(wú)端接電路等，這些設(shè)備所帶來(lái)的噪聲對(duì)數(shù)字電視會(huì)產(chǎn)生使視/音頻信噪比下降、通過(guò)不同途徑的累加引發(fā)時(shí)基抖動(dòng)、漂移，使系統(tǒng)出口節(jié)目時(shí)鐘（PCR）指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)等影響，從而導(dǎo)致PSI/SI表格發(fā)送錯(cuò)誤、發(fā)送間隔時(shí)間產(chǎn)生時(shí)延、PCR抖動(dòng)及時(shí)延等數(shù)字電視故障。HFC網(wǎng)絡(luò)光傳輸鏈路光發(fā)射機(jī)/光接收機(jī)的輸入信號(hào)大小直接影響其輸出信號(hào)的非線性失真，使數(shù)字電視信號(hào)的BER劣化，以及數(shù)字解調(diào)器瞬間失去同步而無(wú)法解調(diào)。因此必須控制輸入光發(fā)射機(jī)的RF電平，使工作頻帶內(nèi)的總RF功率不會(huì)導(dǎo)致激光器的削波失真，同時(shí)控制輸入光接收機(jī)的光功率，使光檢測(cè)器不致產(chǎn)生飽和失真。另外，光纖的色散對(duì)長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)將產(chǎn)生波形失真、組合二次差拍失真（CSO），這將導(dǎo)致數(shù)字電視信號(hào)的信噪比和MER降低，因此需要精心設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)，必要時(shí)對(duì)光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償。同軸分配網(wǎng)絡(luò)光節(jié)點(diǎn)后的放大器級(jí)數(shù)應(yīng)最大限度地控制，它是設(shè)備產(chǎn)生熱噪聲和載噪比累積的主要原因。有線電視網(wǎng)絡(luò)的改造除將光節(jié)點(diǎn)向小區(qū)延伸外，光節(jié)點(diǎn)后盡量不設(shè)放大器，最多只設(shè)1-2級(jí)放大器。放大器應(yīng)選擇噪聲指標(biāo)最低，穩(wěn)定可靠性高的寬帶放大器，為光節(jié)點(diǎn)以后降低噪聲把好第一關(guān)。用戶(hù)端接收馬賽克造成原因：機(jī)頂盒信號(hào)輸入口和輸出口的信號(hào)線連接線不緊密、連接線的接頭不規(guī)范或接地不好造成；機(jī)頂盒接收電平偏低或過(guò)高造成（高頻頭的接收解碼能力要求在一個(gè)電平范圍之內(nèi),過(guò)高或偏低對(duì)它的解碼能力都有影響）；機(jī)頂盒高頻頭故障；黑屏造成原因：對(duì)于加密和非加密節(jié)目都有黑屏現(xiàn)象，有可能是機(jī)頂盒本身的軟件有不完善的地方，需要軟件工程師對(duì)機(jī)頂盒的軟件進(jìn)行改進(jìn)；只有加密節(jié)目黑屏，有可能IC卡出現(xiàn)問(wèn)題；雪花無(wú)圖像造成原因：機(jī)頂盒的音視頻線與電視機(jī)對(duì)應(yīng)的音視頻輸入接口連接不好機(jī)頂盒的電源燈和工作指示燈都變亮,那可能是電視機(jī)沒(méi)有切換到視頻輸入的方式。有的廠家生產(chǎn)的電視機(jī)不能對(duì)視頻進(jìn)行自動(dòng)保存,在每次開(kāi)機(jī)的時(shí)候都需要切換一次。黑白圖像造成原因：檢查機(jī)頂盒的信號(hào)輸出接口是否與電視機(jī)的信號(hào)輸入接口相對(duì)應(yīng),不要將信號(hào)輸入接到電視機(jī)的其他不對(duì)應(yīng)的接口上。如果接線都正確,檢查電視機(jī)是否切換到輸入口對(duì)應(yīng)的視頻上,如果視頻切換沒(méi)有對(duì)應(yīng),也有可能造成圖像沒(méi)有色彩,出現(xiàn)黑白圖像。如果機(jī)頂盒的連接線和電視機(jī)的視頻輸入都正確,開(kāi)機(jī)后所有頻道都沒(méi)有彩色或有時(shí)有彩色,可判斷是機(jī)頂盒本身的問(wèn)題,需要進(jìn)行維修處理。電視機(jī)的制式設(shè)置不對(duì),在電視機(jī)的系統(tǒng)設(shè)置里將電視機(jī)的制式調(diào)為自動(dòng)或PAL制式。高清機(jī)頂盒觀看標(biāo)清節(jié)目質(zhì)量下降隨著高清機(jī)頂盒的大量使用，人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：使用高清機(jī)頂盒觀看標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目的圖像質(zhì)量不但沒(méi)有提高，反而還不如標(biāo)清機(jī)頂盒節(jié)目圖像清晰。下面我們就來(lái)簡(jiǎn)單分析一下這里面的原因。首先，我們先來(lái)了解兩個(gè)概念：標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度的定義是什么。標(biāo)準(zhǔn)清晰度又稱(chēng)SDTV，分辨率為704×576i。高清晰度又稱(chēng)為HDTV，分為三種，分別是720P（1280×720p），1080i（1920×1080i），1080p（1920×1080p）。帶”i”的是隔行掃描，后綴為P的表示逐行掃描。中國(guó)的標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目是PAL制式，是分辨率為576i，也就是高清機(jī)頂盒接收到的標(biāo)清圖像格式為576i，高清機(jī)頂盒圖像輸出格式一般是1080i，高