数字电视培训讲义.ppt

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1、广播电视数字基础,第一章 数字电视技术发展基本情况,数字电视:是指在电视信号产生后的处理、记录、传送、接收的过程中使用的都是数字信号。 相应的设备称为数字电视设备。,一、数字电视有三种传输方式,地面无线电视广播 有线电视广播 卫星电视广播,a、地面数字电视 世界各国都非常重视地面数字电视广播的发展。因为地面数字电视广播是公共服务，频率资源是社会的公共资源，是政府管理和控制的不可再生资源，数字电视广播发展会对信息制造业产生巨大的影响。,地面无线电视数字化,发展目标： 公共服务、标清、高清 固定接收、移动接收、,广播电台,地面光缆 微波,发射机1,发射机2,发射机3,地面无线广播数字化,数字声音广

2、播（DAB） 调幅广播数字化（DRM）,地面数字电视广播传输标准,国际上形成了四种不同的地面数字电视广播传输标准：美国ATSC、欧州DVB-T、日本ISDB-T。 2006年8月18日我国颁布地面数字电视传输标准数字电视地面传输系统帧结构、信道编码和调制技术规范GB20600-2006，并将从2007年8月1日起正式实施。,b、有线数字电视 模拟技术的有线电视网率先进入了数字化时代，从2003年起，我国已在49个城市开展了有线数字电视试点工作，探索出了数字化整体转换的“青岛模式”，目前，青岛、杭州、深圳等100多个城市已经实现了全市用户的数字化。今后五年，全国城市的有线电视将全部完成数字化整体

3、转换。,数字化后：有线数字电视将向多媒体、宽带综合业务、双向交互多功能方向发展，并成为国家信息化建设的重要组成部分。,C、卫星数字电视 国际上，数字电视广播以卫星电视广播为突破口，逐步带动有线数字化和地面数字化。我国1996年中央电视台采用数字卫星电视信号传输系统开始，目前通过卫星传输的电视信号全部都是数字电视信号。,随着大功率卫星制造技术和数字压缩技术的发展，卫星直播数字电视系统已进入实用，并具有覆盖广、抗干扰、方便接收的特点。,2007年我国将要发射的卫星直播数字电视系统，其上行专用频段为17.3-17.8GHz，下行专用频段为11.7-12.2GHz，电波采用圆极化方式，用户使用直径50

4、厘米左右的小口径天线和一台卫星接收机就可很好地接收上百套广播电视节目。,上行站,电台、电视台,地面光缆、微波,2006年底发射我国直播卫星 我国专用调制技术ABS-S 首先用于村村通节目源 不加密传输中央和各省卫视节目,集体接收,个体接收,卫星直播广播电视,d、高清晰度电视 无论是在模拟电视还是数字电视中，高清晰度电视都是一项非常重要业务。按照国际电联的定义，高清电视是指在屏幕高度3倍的距离观看高清电视时应有身临其境的感觉。（普通电视为6倍）,高清晰度电视图象的宽高比为16：9，人眼的水平视角要达到30度，声音需采用多路环绕立体声，使观众感受到家庭影院的效果。,二、电视发展趋势,数字电视已经成

5、为电视发展不可动摇的必然方向。 我国数字电视发展将实施“三步走”的战略： 2003年开始推进有线数字化 2006年发展卫星直播电视广播 2008年全面发展地面数字电视广播 2015年关闭模拟电视,数字化使电视机成为家庭多媒体信息终端,三、广电数字化意义重大,使电视机成为集公共传播、信息服务、文化娱 乐于一体的多媒体信息终端 . 实现千家万户、人人享用、安全可控的信息化 是符合我国国情的、用较短时间、用较低成本 跨越数字鸿沟的有效途径. 在“三网融合”中发挥重要作用. 带动文化、教育、媒体、服务等行业的发展. 形成新的文化娱乐消费市场. 带动媒体产业、信息产业、电子产品制造业 等民族工业的发展.

6、 推动广播电视的发展和改革.,广播电视数字化产生的深刻变革 1、图像和声音质量提高： 数字电视只要接收端能接收到，图像质量就较好。 2、服务方式改进： 不仅可以向大众提供“广播”服务，还可对特定人群提供丰富多彩的专业化、多样化、对象化节目，提供端到端的个性化“窄播”服务，不仅提供单向节目服务，还可提供个性化的互动和点播。,3、盈利模式改变： 数字电视所形成的商务服务平台，可以开展电视购物、商务信息发布、付费电视、点播服务和电视彩信、短信服务等多种服务。 利用这一平台还可完成交纳水、电、煤气费，股票交易等多种金融服务。 4、发展空间拓宽： 数字化后，频道资源极大丰富，使广播电视的业务范围不断延伸

7、，从单一服务向综合服务发展,5、接收方式变化： 广播电视数字化以后，人们可随时随地收看电视节目。 6、广播电视数字化是我国信息化的最佳途径： 普通电视加装机顶盒后就成为家庭的多媒体信息终端，成为我国信息化最经济、最便捷的载体最普及的工具。我国计算机普及率城镇为33%、农村为2%，彩电普及率城镇为133%、农村为75% 广播电视数字化是一项惠及千家万户的民心工程，是用较短时间、较低成本跨越数字鸿沟，推进信息化的有效途径。,第二章 广播电视数字化基础知识,* 数字技术与模拟技术的本质区别： 数字信号是用“0”和“1”两个数值通过不同的组合表示声音和图象的变化，数字处理的本质是信息再生而不是处理收到

8、的信号波形。由于只有“0”和“1”两个值，即使传输通道受到很大干扰，仍能判断原来发送的信息是“0”还是“1”，只要恢复的信息没有错，接收端就能还原出和发送端一样质量的图象和声音。,1、 数字技术与模拟技术相比有明显的优点： 抗干扰，多次处理质量损失小； 传输效率高，节省资源； 可以融合多种业务； 便于存储、检索、共享； 易于大规模集成，成本低，可快速处理复杂问题； 易于精确管理，提供优质服务。 数字化是一场技术的变革，将改变传统的生产方式，提供更广阔的发展空间。,2、数字系统基本处理环节： 首先是原始视音频和数据的数字化，即用“0”和“1”表示模拟信号；视音频和数据的压缩，即通过一定的手段减少

9、原始信号源中的“0”和“1”的总数但不影响信号还原后的效果；信道编码，即对卫星、有线、地面三种主要的不同传输通道，针对拟传输的信号预先进行有针对性的处理。 接收端根据不同传输通道所做的处理进行解调然后解包、解压缩，最后用电视机或其他的接收设备接收。,一、模拟信号的数字化： 模拟信号的数字化要经过三个步骤： 取样、量化、编码。 取样是指每隔一定时间记录一个模拟信号当时的数值，只要在接收端恢复同样的值，经过处理就和原来的信号没有区别。 量化是指用一定精度测量出每个样值的大小，比如测出的值为4，6；编码就用“0”和“1”二进制数字表示这个值，如用0100表示4，用0110表示6；这样原来的模拟信号4

10、、6就变成了0100 0110表示的信号了。,（b）量化编码,（3）几个名词,信号带宽B 抽样频率fs、抽样周期T 信号动态范围A 量化级差、量化级数N、量化比特数n 相互之间关系 N=A / ,1、比特（bit） 英文binary digit的简写译音。直译二进制数字。 二进制数字一位=1bit. 数字通信中，还是信息量的度量单位，用来表示信息和大小量的单位。 k bit所含信息量可反映2k个状态。 N进制与2进制的关系：n（bit）=log2N,* 常见术语,衡量通信系统的传输速率，表示有效性的指标。 它表示单位时间内传送码元(比特)的数目。 比特率：用Rb表示。单位： bit/s、 bp

11、s (bit per second) Rb=fsn 数码率：用RB表示 。单位：波特B（Baud） N进制下两者之间的关系：Rb=RBlog2 N,2、数码率（比特率）,衡量通信系统有效性的一个重要指标。 它表示单位时间、单位频带内传输信息量的多少。即单位频带所能实现的信息速率（比特率）。 单位：bit/shz 。 常用来衡量调制方式效率。,3、 频带利用率,衡量通信系统可靠性的一个重要指标。,4、误码率Pe（误比特率Pb）,分量信号：Y 色度信号： CR=0.713(R-Y) CB=0.564(B-Y),* 数字电视格式,高档级的演播室标准。 Y：fs=13.5=3.3754（Mhz） 分辨

12、力：720576 CR、CB：fs=13.5=3.3754（Mhz） 分辨力：720576,1、4：4：4 格式,2、4：2：2格式（CCIR.601）,演播室节目制作标准 Y：fs=13.5=3.3754（Mhz） 分辨力：720576 CR、CB：fs=6.75=3.3752（Mhz） 分辨力：360576,3、4：2：0格式,十分重要的格式，即MPEG-2（MPML）。 Y：fs=13.5=3.3754（Mhz） 分辨力：720576 CR、CB：fs=6.75=3.3752（Mhz） 分辨力：360288,4、2：1：1格式（SIF格式）,MPEG-1标准，我国流行的VCD所采用的格式

13、。 Y：fs=6.75=3.3752（Mhz） 分辨力：360288 CR、CB：fs=3.3751（Mhz） 分辨力：180144,4、2：1：1格式（SIF格式）,MPEG-1标准，我国流行的VCD所采用的格式。 Y：fs=6.75=3.3752（Mhz） 分辨力：360288 CR、CB：fs=3.3751（Mhz） 分辨力：180144,数字电视广播系统的组成及关键技术,二、数字电视的信源编码 电视信号在获取后经过的第一个处理环节就是信源编码。信源编码是通过压缩编码来去掉信号源中的冗余成分，以达到压缩码率和带宽，实现信号有效传输的目的。因此压缩编码的技术与标准成为信源编码的核心。,码率

14、压缩主要是使用多种手段提高传输效率，如减少静止图象的重复发送和减少运动部分的重复发送等。一秒钟的静止图象就是25幅相同图象由于数字处理可以对图象进行存储，因此只需传送1幅图象，其他24幅图象可以在接收端利用存储的图象重复显示。对于运动图象来说，每幅图象都不太一样，但图象中运动部分通常变化不大只是位置的移动，这时第一次只要分别传送运动部分和背景，后面再传输运动部分在各画面中的座标，就可以在接收端组合出不同运动位置的图象，这样就大大节省了传输码率。,20世纪90年代以来，各种压缩编码的国际标准相继推出，其中MPEG2是专为数字电视 （包括标准数字电视和数字高清晰度电视）制定的压缩编码标准。MPEG

15、2压缩编码输出 的码流作为数字电视信源编码的标准输出码流已被广泛认可。,20世纪90年代以来，各种压缩编码的国际标准相继推出，其中MPEG2是专为数字电视（包括标准数字电视和数字高清晰度电视）制定的压缩编码标准。MPEG2压缩编码输出的码流作为数字电视信源编码的标准输出码流已被广泛认可。,MPEG压缩标准,MPEG（Moving Picture Expert Group）意思是“运动图像专家组”，这个专家组的任务是给用于数字储存介质、电视广播和通信的运动图像和它的伴音制定一种通用的编码方法。,符合这种编码方法的视频可以作为计算机数据的形式加以管理，可以存储于各种存储媒体，可以在现有的或将来的网

16、络上进行传送和接收，也可以在现有和将来的广播频道中进行分配。,MPEG中的关键压缩技术有三个：DCT、运动补偿和Huffman编码。DCT大大减小了图像的空间冗余度，运动补偿则大大减小了时间冗余度，而Huffman编码则在信息表示方面大大减小了冗余度。,1、MPEG中的三个关键压缩技术,1）DCT变换 同傅立叶分析中任何信号可以分解成基波和不同幅度的谐波的组合具有相同的物理意义，任何像块都可以看成由64个不同幅度的基本图像的组合，这64个系数代表64个基本图像的“加权”值。 如果子像块样值 f(i, j) 为88的矩阵时，经DCT变换后的频域系数 F(u, v) 也为88的矩阵。此矩阵的左上角

17、系数 F(0, 0) 相对于子像块的直流系数，其余的 F(u, v) 均表示交流系数。频率系数 F(u, v) 的绝对值代表空间频域上频谱的能量分布，而负号表示相位相反。绝大部分能量集中在直流分量和少数的低频成分上。,DCT变换空间频率分布,2）运动补偿,处理单元为NN的像块。MPEG-2中为1616的宏快。 编码过程：,当前帧在过去帧的窗口中寻找匹配部分，从中找到运动矢量； 根据运动矢量，将过去帧位移，求得对当前帧的估计（即预测帧）； 将这个估计和当前帧相减，求得估计的误差值（即误差帧）； 将运动矢量和估计的误差值送到接收端去。,3）霍夫曼（Huffman）编码,霍夫曼（Huffman）编码

18、是统计编码的一种 统计编码是按信源符号出现的概率的不同分配以不同长度的码字（bit数），概率小的分配以长的码字，概率大的分配以短的码字。这样，就能使总的数码率大大降低。 统计编码应当安排在预测编码或DCT变换编码之后，否则统计编码将得不到什么效果。或者说，预测编码和变变换编码是统计编码的先决条件，因为通过这两种编码，信源符号的概率都由近于等概率变成了明显的不等概率分布。,将输入入各符号按其出现的概率由大到小自上至下排 列（相同概率的符号可以任意颠倒排列位置）：,读出时由该符号开始一直走到最后的“1”，将路线上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好（概括为“由前往后读，由低往高写”十个

19、字），就是该符号的霍夫曼编码的码字。,把相加求出的和值作为一个新的概率值和剩余的概率值重新排队。按此重复上述步骤，直到剩余最后两个概率值；,把两个最小的概率相加，并对其中概率较大者赋与“0”，概率较小者赋与“1”，也可以反过来，概率较大者赋与“1”，概率较小者赋与“0”，但以后的选择应保持一致：,霍夫曼编码过程,2、MPEG-2的类和级,类（ Profile）：或称层面。按照意思，我们把它译作“类型”，实际还是“子集”的意思。信号处理压缩使用的工具，高一级类向下兼容。MPEG-2共有5个类。,级（level）：或称档次，指被处理的信号参数和取值范围。对应图像的清晰度。,也就是说，类是表示处理信

20、号压缩工具的种类，而级则表示被处理信号参数的等级。,五类,SP（Simple Profile）简化的编码器和解码器，压缩过程中不使用B帧。,SSP（Spacial Scalable Profile）清晰度可调，可同时提供两种质量的图像。,SNP（SNP Scalable Profile）信噪比可调，可同时提供两种质量的图像。,MP（Main Profile）目前性能价格比最好的编码器和解码器，压缩过程中使用I帧、B帧、P帧。,HP（High Profile）用于高清晰度电视，可采用4：2：2的图像格式。,四级,LL（Low Level）图像为SIF格式，有效像素不超过360288，类似于MPE

21、G-1。,ML（Main Level）图像为4:2:0格式，有效像素不超过720576。,H1440（High-1440 Level）图像达到高清晰度电视的水准，有效像数不超过14401152。,HL（High Level）图像达到宽屏幕的高清晰度电视的水准，有效像数不超过19201152。,3、打包复用和业务信息： 通过数字压缩技术，可以将数据量压缩30-400倍，这样在一个模拟频道中就可传送4-10套数字节目。将多套节目合在一起的过程称为复用。 复用前为了在接收端能找到相应的节目，要先把各套节目的数字信号打成一定长度的包，在每个包前面有一个包头，在包头内注上包内数字节目的有关信息。 原来模

22、拟系统一个频率对应一套节目，而数字系统要增加复用环节，一个频率对应多套节目，因此要增加复用器的设置管理。,由于多套节目混合在一个通道内，与模拟接收的选台方式不同，数字接收在接收端要先找到各个节目的识别号及其相关节目信息，节目的识别号及其相关信息就叫业务信息。,复用系统是数字电视的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接收端与此过程正好相反。在复用标准方面，美国、欧洲、日本没有分歧，都采用了MPEG-2 标准。,MPEG-2的复用,三、数字电视的信道编码 由于信道，尤其是无线信道的影响，如多经等，

23、数据在传输时会造成失真和损失，从而在接收端，有些数据无法恢复，形成误码。为使数据在信道中可靠传输，尽量降低误码率，往往在发送端，采用编码技术，在传送的数据中以受控的方式引入冗余。而在接收端通过相应的解码，从冗余传输的信息中恢复出由信道损失的数据，从而降低误码率，提高数据在信道中的抗干扰能力。 信道编码是通过按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错，以保证信号的可靠传输。,1、错误类型和误码控制方法 错误类型 随机错误、突发错误 误码控制方法 反馈重发，又称后向纠错 检错纠正，又称前向纠错或自动纠错。 混合纠错,2、几种误码控制方式 1)、水平奇偶

24、校验,2)、循环冗余码(CRC),前提:发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G(x) (生成多项式)。 发送端:计算校验和,将校验和加在数据末尾,使这个带校验和的数据能被G(x)除尽. 接收端:收到带校验和的数据后,用G(x)去除它,如果有余数,则传输出错,实现:用简单的硬件(移位寄存器电路)即可,传输码元=数据（移位后）+余数 11010110111110,数据=1101011011,循环冗余码(CRC)例子：,编码码组（14，10）,G(x) (生成多项式)= =10011,3)、里德-索罗蒙（RS）码,RS纠错编码（Reed-Solomon Code）以其对突发噪声的纠错能力著称。,R

25、S码也是一种分组码，但是以一个符号为单位处理的，每个符号由m bit组成。,在（n, k）RS码中输入信号分成 km 比特一组，每组包括k个信息符号，每个符号由 m 比特组成，而不是单个比特。再加上 r 个监督符号，总码长为 n=k+r 个符号， 并满足 符号。,RS码是非二进制的码，其码字符号取值域与生成多项式的根所在域相同，均在GF(2m)上。,RS码的特点,RS码可由下列形式的生成多项式生成 g(x)(xa) (xa2) (xa2t) 用以纠正 t 个符号错误，其中，a为GF(2m)的本原元素，是本原多项式p(x)的根。P(x)是一个m次多项式。,RS码有如下参数： 码长 n2m1符号

26、或m(2m1)比特 信息段 k符号 或km比特 监督段 nk2t符号 或m(nk)比特 最小码距 d2t1符号 或m (2t1)比特,3)、交织,交织技术是将顺序传送的码流序列按一定规律重新进行排列，以使突发误码分散到不相邻的样值中，在接收端再按规定的规律恢复成原来顺序的一种编码方式。 分组交织器比较适合于供分组码使用。 卷积交织器比较适合于供卷积码使用。,分组交织,分组交织,交织器输入端按行输入，每行是 (n,k) 码的一个码字， 共 I 行 n 列，则该码阵即为 (nI,kI) 交错码的一个码字， 其中 I 称为交织深度，称每一行为交错码的行码或子码。输出时，规定按列的次序从左至右传输至信

27、道。 分组交织要求发送端和接收端分别有 nI 个码元的延 时，即从交织数据的产生到去交织的传递时延总共为 2nI 。,卷积交织,I 为交织 深度，M=nI为每个支路的延时，交织器中是逐渐递增的。去交织器中是刚好反转的。以保证译 码前数据流的时序得到还原。 经卷积交织后，一个 n 长的码字的相邻码元在信道上 相互间隔 n 个时间单元，而整个码字被分散到了 nI 个 时间单元中。 卷积交织去交织的总时延约为分组交织去交织的一半nI。,卷积交织与去交织实例,例：n=204,I=12,4)、卷积编码,卷积编码过程中，k 个信息码元被编成 n 个码元，但 这 n 个码元不仅与本组的k个信息码元有关，而且

28、与前 面（K1）组信息码元有关，编码过程中互相关联的 码元为 Kn 个。同样在卷积码的译码过程中，不仅从当 前时刻收到的码字中提取有关信息，还要利用以前或以 后各时刻收到的码字提取有关信息。,卷积编码,对于每组输入k比特输出 n 比特的卷积码，通常表示 为（n, k, K），其中K称约束长度，编码效率Rc=k/n。 （n，k，K）卷积码可用有限个状态的线性移位寄存器 来产生，这个移位寄存器包括 K 段移位寄存器，每段 有 k 级，共 Kk 级寄存器，以及 n 个模2和相加器。在 卷积编码器中，移位寄存器的各级与模2加法器的连接 关系可用 n 个生成多项式表示。多项式的系数表示某 个模2加法器与

29、各级寄存器的连接关系，“1”表示连接， “0”表示不连接。,（2，1，7）卷积编码器,生成多项式G1、G2产生，其中 G1(171)8001111001=x6+x5+x4+x3+1 G2(133)8001011011=x6+x4+x3+x+1,第三章 数字电视传输系统,数字电视信号的调制 已经编码的基带数字信号可以直接进行传送，但由于数字基带信号中常有丰富的低频分量。因此，在短距离传送时(100米以下)可采用基带传输。当要进行远距离传输时就要采取载波传输方式了。数字信号的载波传送与基带传送的主要区别就是增加了调制与解调的环节。,数字调制是用载波信号的某些离散状态来表示所传输的信息，和模拟调制一

30、样，数字调制也以正弦波为载波并有调幅、调频和调相三种基本方式。在目前比较通用的术语中，把数字调制称为“键控”，就是说把所要传输的信息码元的脉冲序列看作“电键”，对载波的某些参量进行控制，因此有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK），并可以派生出多种其它形式的数字键控方式。,在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位分别只有两种变化状态，表示为2ASK、2FSK、2PSK,不同传输通道需要不同处理： 由于不同传输通道传输条件不同，数字电视信号需预先经过不同处理。 有线传输系统是个封闭的系统，它通过光纤和电缆把数字电视信号传输到千家万户，受到的干扰小，处理相对简单。 卫星传输系

31、统中，卫星在赤道上空3.6万公里，距地面远，覆盖范围大，信号传输要克服空间因素及远距离的影响，处理相对复杂。,地面广播系统中，数字电视信号通过发射塔发射，在可视距离内传输，覆盖范围小，由于受障碍物遮挡、反射和干扰的影响，处理比较复杂。,正交移相键控调制（QPSK） 由于移相键控的抗噪能力较强和所占频带较窄，因此，在数字化设备中，采用移相键控调制法的较普遍。 最简单的相移键控是二相调制（BPSK），即用载波的（0，）两种相位传送二进制的数字（1，0）。,为了进一步提高传输速率，现代数字调相技术中，经常利用载波的一种相位去携带一组二进制信息码，如四相调制（QPSK），载波的四种相位（，）对应四种二

32、进制码元的组合（00，01，10，11），在发端一个码元周期内（双比特）传送了位码，因此其信息传输速率是BPSK的倍，依此类推，相位分得越多，传输速率越高，但相邻载波间的相位差越小，在接收端对鉴相器的要求越高，将使误码率增加。 键控移相调制技术调制效率高，对传送途径信噪比的要求低，适合卫星广播。,正交幅度调制（QAM） 正交幅度调制（QAM）是利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。通常有二进制 QAM，四进制QAM（16QAM），八进制QAM（64QAM）等。 正交振幅调制（QAM）调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。目前，欧洲 DVB 有线电缆传输标准

33、DVB-C中采用QAM调制。根据信道质量和传输数据率要求的不同，可采用16-QAM， 64-QAM 和256-QAM等。,正交频分复用调制(OFDM) 正交频分复用是一种多载波调制方式。正交频分复用就是将经过信道编码后的数据符号分别调制到频域上相互正交的大量子载波上，然后将所有调制后信号叠加（复用），形成OFDM信号。 正交频分复用调制(OFDM）抗多径传播效应和同频干扰好，使得其既可用于地面传输固定接收，而且可以用于便携和移动接收，适合地面广播和同频网广播。数字电视地面传输标准中采用的就是OFDM。,300 米传输路经差= 1 微秒传输延时差,COFDM提高传输质量的措施,COFDM通过多个载波频率调制，减小反射干扰信号的影响。 利用在每个信号周期前插入一个保护间隔来对付多径衰落。 采用频谱开槽的办法来消除同频干扰。 采用RS码并辅以交织来对付各种噪声干扰，降低误码率。,