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1、数字电视原理与应用,Principle and Application of Digital Television,主讲：张文军教授 上海交通大学图像通信与信息处理研究所 Email： 20062007学年第一学期,课程安排,2,专业课堂,数字电视基本原理,视频压缩原理 第5章 MPEG-2视频编码部分及其测量 第4,6,11章 MPEG-2音频编码部分及其测量 第7章 MPEG-2系统部分及其测量 第3,9,10章 数字调制基础 第12章 数字电视中的纠错编码原理 补充,3,专业课堂,MPEG-2系统部分及其测量,1.MPEG数据流,4,专业课堂,1、MPEG数据流,MPEG-2标准 ISO
2、/IEC 13818-1 系统层 ISO/IEC 13818-2 视频编码层 ISO/IEC 13818-3 音频编码层 系统层也可用于传送音视频以外的数据，如Internet数据。 系统层描述MPEG数据流的整体结构，实际中具有重要意义。 原始SDTV信号（ITU601）码率270Mbit/s； CD质量的原始数字立体声音频信号码率为1.5Mbit/s。,图3.2 视频和音频信号,5,专业课堂,视频信号压缩到1Mbit/s(MPEG-1)和26Mbit/s(MPEG-2) 音频信号压缩到100400kbit/s 压缩后的视音频信号称作ES(elementary stream)流，包括： 视频
3、流 音频流 数据流任何类型的压缩或未压缩数据,1、MPEG数据流,图3.3 MPEG ES流,6,专业课堂,压缩后所有ES流被打成不同长度的包，叫做PES(packetized elementary streams)。 根据不同时刻视音频内容的不同，压缩比也时刻变化，就需要有不同长度的数据包。 每个视频包有一个或几个压缩视频帧 每个音频包有一个或多个压缩音频信号段 每个PES包最大64kbytes，由头Header和净负荷数据payload组成： header包含了16位bit指示包的长度 payload包含压缩视频/音频流或纯数据流 视频包的长度某些情况下可大于64kbytes，此时包头(h
4、eader)中包长度指示为0，解码器要利用其他机制找出包的终止处。,1、MPEG数据流,7,专业课堂,1、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,8,专业课堂,所有ES流首先被打包成不同长度的PES包，通常为64kbytes。 开头为6byte的PES头： 前3个byte是起始码前缀00 00 01，用于表明一个PES包的开始。 第4个byte是起始码标志，说明起始码种类，表明payload中是视频、音频还是数据流。 后两个byte是包长度，说明后面还有多少字节。如果长度为0，表示PES包大于64kbytes。 然后是可
5、选PES头 最后是实际传送ES流的净负荷数据(payload),PES,图3.4 PES的组成,9,专业课堂,可选PES头： PES头的可选扩展，根据当前传送ES流的要求设置。 由12个比特的11个标志来控制可选PES头中包含哪些字段，其中有PTS(presentation time stamps)和DTS(decoding time stamps)，这对视/音频同步非常重要。 最后可能有填充字节。,PES,图3.4 PES的组成,10,专业课堂,PES结构不适合传输，尤其不适合一个数据流中有多个节目的广播应用。 而MPEG-2目标是将6,10甚至20个电视节目或广播节目形成一个复用MPEG-
6、2数据流，然后通过卫星、电缆或地面传输。 因此，PES包再分成固定长度的更小的包，即TS包(transport stream packets)： 188字节长 4个字节的TS头 184个字节的PES包数据,PES,图3.6 MPEG-2 TS包组成,11,专业课堂,对TS包再进行复用： 先复用同一个节目的TS包，一个节目可包含一个或多个视频和音频信号（如不同角度摄像机、不同语言等）。 所有节目的所有复用数据流再进行复用形成最终的TS流。 MPEG-1，视频PES包与音频PES包复用，最大码率为1.5Mbit/s，用于VCD。,PES,Video PES,Audio PES,V,A,V,V,Mu
7、ltiplexed video and audio PES packets,Application: MPEG-1 Video CD MPEG-2 SVCD MPEG-2 Video DVD,图3.5 PES包的复用,12,专业课堂,MPEG-2的TS包长188字节，包含所有节目的所有数据。 由于码率不同，MPEG-2 TS流中不同ES流的包出现频率不一样。 每个节目有一个编码器对所有ES流编码，产生PES，并将PES包打包成TS包。 每个节目的码率通常约28Mbit/s，但由于节目内容随时间变化，视/音频和数据总码率可以是固定或变化的，称为统计复用。 所有节目的TS流再复用成一个总的TS流，
8、最大约40Mbit/s。,PES,图3.7 MPEG-2 TS流的复用,13,专业课堂,一个TS流中通常有6,8,10甚至20个节目组成。 码率在传输过程中可变，但总码率必须保持不变。 一个节目可以包括视频和音频，或单纯音频或单纯数据，结构灵活可变。 TS流中包含一些“表”来描述组成结构，解码器可以利用这些表来确定TS流的当前结构。,PES,14,专业课堂,1、MPEG数据流,MPEG-2 TS包,PES包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,15,专业课堂,固定长度188字节，4字节header和184字节payload header包含了对包传输过程非常重要
9、的信息： 第一个字节是同步字节 固定值47hex，在TS流中的间隔也固定。 码流中其他位置也可能出现47hex，因此同步字节利用固定数值和固定间隔两方面联合实现同步。 解码器在接收到5个TS包后开始同步。 同步字节后的一个比特是传输差错标志 由解调器在传输信道末端设置 例如错误太多无法利用误码纠正机制进行恢复的情况。 13bit的PID(packet identifier) 描述该包中payload的内容以及该包属于哪个ES流。,MPEG-2 TS包,图3.8 MPEG-2 TS包,16,专业课堂,DVB采用的误码保护是ReedSolomon纠错码 调制器中TS包的188个字节后添加16个字节
10、(DVB-S/C/T)或20个字节(ATSC)的误码保护。 误码保护是特殊的校验和。 接收端每个包可以纠正8/10个误码。 如果某个包发生的误码超过8/10个，误码保护失败，误码不能纠正，这个包的传输差错标志就标记为错误，则解码器不能解码这个包，而要进行误码掩盖。,MPEG-2 TS包,图3.9 Reed-Solomon FEC,RS,RS,DVB/ ATSC mod,DVB/ ATSC Demod.,MPEG-2 TS,Transmission link,MPEG-2 TS,17,专业课堂,有时TS包的头长度必须大于4个byte： 包头扩展到payload中，payload长度相应缩短，但总
11、包长度仍是188bytes。 扩展的包头称作“adaptation field”。 在4bytes的包头中由Adaptation control bits标志是否有adaptation field。,MPEG-2 TS包,图3.10 带adaptation field的TS包,18,专业课堂,TS包的结构和长度与电话和LAN技术采用的异步转移模式ATM类似： ATM用于电话的远程网络和局域网的计算机网络中。 ATM也采用包结构，每个包53bytes，由5bytes的头和48bytes的payload组成。 MPEG-2初期考虑利用ATM传输，ATM包的payload中有一个特殊byte，实际p
12、ayload只有47bytes，因此TS包的188bytes正好可以由4个ATM包传送。 实际也存在MPEG-2通过ATM传输。,MPEG-2 TS包,图3.11 ATM包,ATM=Asynchronous Transfer Mode,19,专业课堂,1、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,20,专业课堂,接收端所需信息,接收端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PS
13、I/PSIP),A,21,专业课堂,MPEG-2解码器接收到MPEG-2 TS流时，首先检测包结构，在TS流中查找同步字节： 总是47hex，总位于TS包开始位置，固定间隔为188字节。 同时满足这两个条件，可以确定同步。 如果出现一个字节为47hex，解码器将检测这个字节前后n倍188字节的位置是否也是同步字节。 如果是，则当前字节为同步字节； 否则，当前字节只是码流中偶尔出现的47hex，不是同步字节。 接收端收到5个TS包之后开始同步。 丢包3个之后解码器即失步。,A、TS流同步,22,专业课堂,接收端所需信息,接收端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT
14、）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),23,专业课堂,TS流中传送节目的数目和结构灵活多变，TS流中必须包含列表来描述TS流的瞬时结构。 这些列表称为PSI(program specific information),是偶尔在payload中传输的表格，包括: PAT(program association table) PMT(program map tables),B、读取当前节目结构,图3.13 PAT和PMT,PAT=Program association table 1 PID ent
15、ry per program,PMT=Program map table 1 PID entry per elementary stream,24,专业课堂,PAT 每个TS流一个，每隔0.5秒重复。 描述TS流中有多少个节目。 包含该表的TS包的PID为0，便于识别。 PAT的payload中传送特殊PID的列表，每个PID对应一个节目。 这些PID是描述每个独立节目详细信息的指针。 PID指向PMT表。,B、读取当前节目结构,PAT=Program association table 1 PID entry per program,25,专业课堂,PMT 对应TS包有特殊的PID和特殊的p
16、ayload。 PMT的PID由PAT传送。 例如要接收节目3时，先从PAT的payload中的所有PID列表中选出节目3的PID为1FF3hex，然后查找包头中PID= 1FF3hex的TS包，就是节目3的PMT。 PMT包含该节目中所有ES流（视频、音频或数据）的PID。,B、读取当前节目结构,26,专业课堂,一个节目可能有多个视频和音频流，解码器必须选择2个PID，一个视频流的PID（100hex），一个音频流的PID（200hex）。 此后解码器只收集这些TS包，解复用，重新组成PES包，这些PES包再送到视频或音频解码器。 传输过程中TS流的结构也可能发生改变。解码端机顶盒， 如DV
17、B-S，必须连续检测TS流瞬时结构，读出PAT和PMT，做自适应调整。,B、读取当前节目结构,27,专业课堂,接收端所需信息,接收端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),28,专业课堂,PAT和PMT读出以后，用户确定出一个节目的两个PID： 待解码视频信号的PID（如100hex） 待解码音频信号的PID（如200hex） 解码器只处理这两个PID的TS包： 解复用过程中，PID为100hex的所有TS包集合成视频PES包，
18、送到视频解码器。 同样，PID为200hex的所有TS包重新集合成音频PES包，送到音频解码器。 如果ES流没有加扰，这时可以直接解码。,C、读取一个节目,图3.14 通过视频和音频PID访问节目,29,专业课堂,接收端所需信息,接收端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),30,专业课堂,对付费电视或许可证和地域限制等情况，ES流利用电子码进行传输保护。 ES流利用各种方法进行混扰，接收端必须配有附加硬件并授权。 附加硬件必须
19、有TS流中合适的解扰和授权数据。 因此TS流中传送一个特殊的表CAT(conditional access table) CAT提供了TS流其他数据包的PID，该数据包传送了解扰所需信息： ECM(entitlement control message) 用于传送加扰码 EMM(entitlement management message) 用于用户管理,D、读取一个加扰节目,图3.15 CAT,31,专业课堂,只有ES流本身可以加扰，TS包头、表格和adaptation field不能加扰。 解扰本身在MPEG解码器以外的附加硬件设备进行，附加硬件与解扰方法相关，可以做成智能板卡通过CI(c
20、ommon interface)插入机顶盒。 在MPEG解码器做进一步处理之前，TS流在该硬件设备中循环。 ECM和EMM的信息，以及用户的个人码可以将码流解扰。,D、读取一个加扰节目,图3.16 解码器的解扰,Common interface,Descrambler,Smart card (user data),Video decoder,Audio decoder,Video,Audio,s,s,s,s,s,Descrambled data,Pseudo random sequency,MPEG-2 TS,Demultiplexer,Exor,Exor,32,专业课堂,接收端所需信息,接收
21、端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),33,专业课堂,实际解码时还需要另外的同步步骤： 接收端时钟和发送端时钟同步 视音频同步,E、节目同步,视音频PID获得,ES流解扰,码流解复用,视音频PES包重新生成,视音频解码器,34,专业课堂,接收端时钟和发送端时钟同步 亮度信号采样频率13.5MHz，色度信号6.75MHz。27MHz是采样频率的倍数，作为发送端MPEG编码器所有处理过程的参考或基本频率。 编码器中27MHz振荡
22、器作为系统时钟(STC)的输入。 STC是42bit计数器，由27MHz时钟计数，溢出后重新从0开始。 LSB位不会计数到FFF，最大只有300，大约每26.5小时计数器复位为0。 接收端也必须提供STC，其27MHz振荡器和42bit计数器必须与编码器STC完全同步。 MPEG码流中需传送参考信息PCR(program clock reference)，即在固定时刻将最新的STC计数器值复制到TS流中。,E、节目同步时钟同步,35,专业课堂,E、节目同步时钟同步,PCR使得码流中带有准确的内部时钟，所有编码和解码过程都受这个内部时钟控制。 解码器必须读出PCR值，与自身系统时钟（42bit计
23、数器）比较： 如果收到的PCR与解码器系统时钟一致，则收发端时钟同步； 如果不一致，则根据差别大小产生一个控制变量送到锁相环，可以纠正接收端的振荡器。 同时，42bit计数器总是设为收到的PCR值，这是系统初始化和节目改变时的基本要求。,图3.17 PCR,36,专业课堂,码流中传送的PCR值必须足够多，有最大间隔的限制；而且要相对准确，没有抖动。MPEG标准规定： 每个节目PCR的最大间隔为40ms。 PCR的抖动小于500ns。 PCR如果出错： 本来应该显示彩色图像，却显示出黑白图像。 TS流重复用时会出现抖动，因为TS包顺序改变，但其中PCR信息却没变。经常会有最大30s的PCR抖动，
24、该问题许多机顶盒可以解决。 PCR信息在相应节目TS包的adaptation field中传送，而TS包类型的准确信息可以从PMT中获得。 节目时钟同步以后，视音频编码就可以锁定系统时钟进行了。,E、节目同步时钟同步,37,专业课堂,视频和音频PES包头中需要有附加的时间信息。 该时间信息由STC获得。 STC的33位MSB(最高有效字符)被插入到视音频PES包头中，最大间隔为700ms，称为PTS(presentation time stamps) 由于编码规则限制，视频帧的传输顺序与显示顺序不同，视频流PES头需要另外的时间戳，即DTS(decoding time stamps) 机顶盒中
25、的MPEG-2解码器就可以对一个节目的视音频码流进行解码，产生模拟或数字的视音频信号。,E、节目同步视音频同步,图3.18 PTS和DTS,38,专业课堂,接收端所需信息,接收端 所需信息,TS流同步 (同步字节),读取当前节目结构（PAT,PMT）,读取一个节目 (PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目 (CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),39,专业课堂,欧洲DVB项目组和美国ATSC项目组都定义了数字视音频节目传输的附加信息，以便简化机顶盒操作，使其更加人性化： 在TS流中传送节目名称来分辨不同节目； 传送EPG(electronic progra
26、m guides)和时间日期信息来简化相邻信道搜索。 MPEG-2为扩展留有空间，在PSI、PMT和CAT之外，TS流中还可以有private tables，定义了用户表的结构以及如何将用户表插入到TS流中。,F、TS流附加信息,图3.19 Private Table,40,专业课堂,MPEG-2对表的规定： 每个表在一个或多个TS包的payload部分传送，TS包具有只为该表保留的特殊PID。 每个表payload的第一个字节是table ID，是识别该表的特殊字节。 每个表分成多个部分，每个部分允许最大长度为4个字节，每个部分结尾是该部分的32位CRC校验和。 PSI结构完全相同： PAT
27、的PID为0，其第一个字节table ID为0 PMT的PID在PAT中定义，其table ID为2 CAT也有自己的PID和table ID PSI可以由一个或多个PAT,PMT和CAT的TS包组成。 DVB项目组实现了： NIT(network information table)标准中没有详细规定。 CAT标准中只规定了大致轮廓。,Private Tables,41,专业课堂,利用MPEG-2 private tables特性，DVB标准提出了许多附加表，称为SI(service information)，SI包括8个表：,DVB SI,42,专业课堂,NIT描述了一个DVB传输通道的所
28、有物理参数，包括下列信息： 传输路径（卫星、电缆、地面） 接收频率 调制类型 误码保护 传输参数 机顶盒在扫描或变换信道时，可以存储一个物理信道的所有参数，便于以后很快跳回该信道。 信道中也可以传送相邻或其他信道的传输参数，使得信道转换灵活快捷。 如果NIT中的传输参数与实际不符，会对许多接收设备，如机顶盒，产生不可预知的影响。 如果NIT中的传输频率与实际接收频率不同，许多接收设备在没有任何原因提示的情况下，不产生任何图像和声音。,DVB SINIT,43,专业课堂,SDT包含对TS流中节目（服务）的更多详细描述： 节目名称，如CNN,CBS,Eurosport,ARD,ZDF,BBC,AC
29、B,SBS等等 在提供节目PID的同时，SDT对用户提供了文本信息。 通过提供文本列表，使得接收设备操作灵活。 BAT，与SDT密切相关： BAT与SDT的PID相同，只是table ID不同。 SDT描述一个物理信道的节目结构。 BAT描述几个或大量物理信道的节目结构。,DVB SISDT,44,专业课堂,BAT即一个多信道节目表: 提供一组信道所有服务的总体描述。 如果一个信道不足以传送所有节目，节目提供商可以利用一组信道。 例如德国的付费电视提供商Premiere World。 一些卫星或电缆DVB信道集合成一组信道。 相应BAT在所有信道中传送，以便在该组信道内进行灵活的节目切换。,D
30、VB SIBAT,图3.23 BAT,如同花瓶中的一束花，每朵花相应于一个物理信道。 例如一组8MHz带宽的电视信道，中心频率为330MHz，338MHz，346MHz，354MHz和362MHz。每个信道能包含6个节目。 每朵花有各自特性：颜色、花瓣数、花的类型等。 每个信道的节目由SDT描述，如同每朵花。,45,专业课堂,EIT(event information table) 即DVB中的EPG(electronic program guide)表 包含一天或一周内所有广播的计划开始和结束时间。 结构非常灵活，允许传送大量附加信息 不是所有机顶盒都支持这一特性 RST(running s
31、tatus table) 广播的计划开始和结束时间常常会发生变化和延迟 为在某时刻启动和停止一个视频录像机，由RST传送相关控制信息。 RST可以与模拟电视信号中数据线的VPS信号相比。,DVB SIEIT和RST,46,专业课堂,机顶盒操作还需要传输当前时钟和当前日期，分两步： TDT(time&date table) 传送GMT或UTC 即零度子午线的当前时刻 TOT(time offset table) 传送不同时区各自适当的时间偏移量 TDT和TOT中的信息如何计算以及计算到什么程度，取决于机顶盒的软件 对广播时间信息的完全支持还需要机顶盒得到当前的位置信息： 对拥有多个时区的国家，如
32、澳大利亚和美国，这个问题尤其重要。 ST(stuffing table) 用于覆盖TS流中的信息。 有时需要取消TS流中的一些表。 CATV终端站接收到一个DVB-S信号以后，NIT必须进行交换或覆盖；或者为中继信号，必须取消某些节目。,DVB SITDT/TOT和ST,47,专业课堂,DVB中SI的PID和table ID具有固定值：,DVB SI的PID和table ID,48,专业课堂,1、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,49,专业课堂,ATSC(Advanced Television System Com
33、mittee)： 美国为地面和电缆数字电视制订的独立标准。 采用MPEG-2 TS，MPEG-2视频和AC-3 Dolby数字音频作为基带信号。 采用8-或16-VSB调制方式。 还需要PSI以外的表。类似DVB的SI表，ATSC定义了PSIP表。 ATSC中，MPEG-2定义的PSI表用于读取视音频流， TS流包含一个PAT和几个PMTs。 ATSC的实际表用private table实现。,ATSC的PSIP,50,专业课堂,PSIP(program and system information protocol) 即DVB SI的另一种方式，分为7个表。,ATSC的PSIP,51,专业课
34、堂,MGT(Master Guide Table) 主要表，包含部分ATSC表的PID。 MGT由packet ID1FFBhex和table ID=C7hex识别。 EIT(Event Information Table) TS流必须包含至少4个EIT(EIT-0,EIT-1,EIT-2,EIT-3) 这些EIT的PID在MGT中。 最多可以有128个EIT，数目可选。 一个EIT包含3小时EPG。 算上4个强制EIT，可以包含12小时EPG。 ETT(extended text table) MGT还可以包含一些可选PID指向ETT。 每个存在的ETT与一个EIT相对应。 ETT-0包含E
35、IT-0的扩展文本信息。 总共可以有128个ETT。,ATSC PSIP,52,专业课堂,VCT(Virtual Channel Table) 对不同传输路径可分为： TVCT(Terrestrial Virtual Channel Table) CVCT(Cable Virtual Channel Table) 虚拟信道的识别信息，包含在一个复用TS流中进行传送。 还包含节目名称。 相应于DVB的SDT。,ATSC PSIP,53,专业课堂,STT(System Time Table) 传送所有必须的时间信息 Packet ID为1FFBhex，table ID为CDhex。 包括: GPS
36、(global positioning system)时间 GPS时间与UTC(=GMT)的时间差 RRT(Rating Region Table) 用于限制观众的年龄和地区。 在地区信息之外，还包括当前广播节目设定最小年龄的相关信息。 父母可以利用机顶盒实现加锁功能。 Packet ID= 1FFBhex，table ID=CAhex。,ATSC PSIP,54,专业课堂,ATSC PSIP,PSIP表的PID和table ID值如下表所示：,55,专业课堂,1、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,56,专业课堂,
37、除了同步字节、传输误码标识和PID以外，TS头还包括： Payload Unit Start Indicator 一个比特来标记一个payload的开始 如果该比特为1，表示该TS包是一个新payload的开始，该TS包包含了视频或音频PES包和PES头的开始，或者是表的开始，此时TS包的payload第一个字节为table ID。 Transport Priority 一个比特，表示该TS包比其他相同PID的TS包的优先级更高。,MPEG-2 TS其他重要细节,图3.31 MPEG-2 TS流其他细节,57,专业课堂,除了同步字节、传输误码标识和PID以外，TS头还包括： Transport
38、 Scrambing Control Bits 两个比特，标记TS包的payload部分是否被混杂。 如果两个比特都为0，表示payload没有混杂。 如果其中有一个比特不为0，表示payload进行了混杂，需要CAT来解扰。 Adaptation Field Control Bits 两个比特，标记是否有扩展头adaptation field 如果两个比特都为0，表示没有adaptation field 如果有adaptation field，payload变短，头变长，但总包长度保持188字节。 Continuity Counter 每个具有相同PID的TS包带有自身的4bit计数器。 从0到15连续计数TS包数目，到15以后重新从0开始。 可以发现丢失TS包的情况，并识别码流错误（计数不连续）。 允许在改变节目时出现不连续计数，由adaptation field中的Discontinuity Indicator来标记。,MPEG-2 TS其他重要细节,58,专业课堂,Z,Thank You !,