數(shù)字電視基礎(chǔ)培訓(xùn)

1、D D i g i t a l V V i d e o NN e t w o r k s L t d .天柏數(shù)字電視基礎(chǔ)培訓(xùn)產(chǎn)品市場部2007年1月4日Copyright 2000-2003 Digital Video Networks電視技術(shù)的發(fā)展歷程n 50年代，首先黑白電視n 60年代末，彩色電視n 80年代，D2MAC嘗試對傳統(tǒng)模擬電視改變，但沒有成功。n 日本和美國嘗試HDTV傳輸，但最終也沒有獲得期望的成功。n 90年代初，在演播室中使用未壓縮的CCIR601數(shù)字電視信號。（270Mbit/s800Mbit/s，信道傳輸必須壓縮）黑白電視彩色電視數(shù)字電視電視的發(fā)展Copyright

2、 2000-2003 Digital Video Networks電視圖像的彩色化n 1953年，美國國家電視制式委員會提出NTSC(National Television System Committee)制。n 日本、加拿大分別于1957、1966年采用同一制式播出。n 1956年，法國提出SECAM(SEquential CouleurAvecMemoire)制。n 1960年，德國提出PAL(Phase Alternation Line-by-Line)制。n 為便于轉(zhuǎn)播和交換節(jié)目，各國曾多次討論統(tǒng)一電視制式問題，但由于政治及經(jīng)濟等方面的原因，始終未能達成一致。于是，國際上便形成了3種

3、彩色電視制式同時并存的局面。 n 彩色電視機在哪國使用必須符合該國的黑白體制、彩色制式及頻道劃分，還要注意電源標準（有110伏/60赫與220伏/50赫之分），這樣才能保證接收機安全可靠地接收到良好的彩色圖像和伴音。n 目前世界上采用PAL制的國家最多。中國所采用的電視制式為PAL/D，國家標準為：每幀掃描625行，每秒25幀。 Copyright 2000-2003 Digital Video Networks高清晰度電視(HDTV)n “高清晰度”指與現(xiàn)行電視相比，其水平和垂直方向的圖象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕顯示器近距離觀看時，圖象細膩逼真，無閃爍和粗糙感，并配以數(shù)字環(huán)繞音響

4、伴音。n 采用16:9的寬高比作為世界標準。n 我國HDTV標準為19201080i，每幀圖像有207萬個像素。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks高清晰度電視(HDTV)n 在HDTV的發(fā)展進程中，經(jīng)歷了一個由模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化的過程。n 日本早在1985年就建立了1125線、每秒60幀的MUSE制式(全視頻帶寬30MHz)的HDTV。但日本人在把所有的精力放在努力去完善模擬電視的清晰度同時，卻忽視了數(shù)字技術(shù)發(fā)展的大趨勢。n IEEE的MPEG專家組制訂的MPEG-2標準和先進的數(shù)字通信技術(shù)，使得帶寬高達20MHz的HDTV信號可以在6MHz左右的

5、現(xiàn)行傳輸信道不失真地傳送。n 美國的全數(shù)字高清晰度電視已達到實用化。n 1998年9月8日至12日，中央電視臺利用我國研制成功第一套數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)試驗發(fā)射了數(shù)字高清晰度電視節(jié)目，成為繼美國、歐洲和日本之后世界上第四個擁有數(shù)字高清晰度電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的國家。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks數(shù)字電視(DTV)n 數(shù)字電視(DTV)包括 標準清晰度數(shù)字電視(SDTV ，704576i或720480i，約500電視線，相當于DVD標準) 高清晰度數(shù)字電視(HDTV ，19201080i，約1000電視線) 均采用MPEG-2/1數(shù)字壓縮技術(shù)

6、。n 標準清晰度電視的圖像和伴音的質(zhì)量都比目前模擬電視有所提高，并且其頻道利用率高，在目前模擬電視的一個頻道內(nèi)可以同時播6套（或更多）標準清晰度節(jié)目。n 目前我國各省級電視臺的通過衛(wèi)星傳送的電視節(jié)目均是采用MPEG-2數(shù)字壓縮的標準清晰度數(shù)字電視(SDTV)節(jié)目。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks數(shù)字電視的發(fā)展n MPEG： MPEG-1：1993年，1.5Mbit/s，VCD MPEG-2： SDTV，HDTV(也支持，最初是MPEG-3) 系統(tǒng)、視頻、音頻 270Mbit/s視頻信號壓縮到26Mbit/s 1.5Mbit/s音頻信號壓縮到1

7、00400kbit/s 壓縮比如此大，可以在一路8MHz的模擬電視信道中傳輸多路節(jié)目n MPEG-4，MPEG-7，MPEG-21Copyright 2000-2003 Digital Video Networks數(shù)字電視的發(fā)展n 90年代初，歐洲的DVB(Digital Video Broadcasting)三種傳輸方法： DVB-S：衛(wèi)星傳輸，1995年，QPSK調(diào)制，33MHz帶寬，數(shù)據(jù)率38Mbit/s，一個信道最多可傳輸6，8，甚至10路節(jié)目。 DVB-C：同軸電纜，1995年，64QAM調(diào)制，8MHz帶寬，數(shù)據(jù)率38Mbit/s， DVB-T：地面?zhèn)鬏敚?998年，數(shù)據(jù)率531Mb

8、it/s（實際使用2225Mbit/s）Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG數(shù)據(jù)流n MPEG-2標準 ISO/IEC 13818-1 系統(tǒng)層 ISO/IEC 13818-2 視頻編碼層 ISO/IEC 13818-3 音頻編碼層n 系統(tǒng)層也可用于傳送音視頻以外的數(shù)據(jù)，如Internet數(shù)據(jù)。n 系統(tǒng)層描述MPEG數(shù)據(jù)流的整體結(jié)構(gòu)，實際中具有重要意義。n 原始SDTV信號（ITU601）碼率270Mbit/s；n CD質(zhì)量的原始數(shù)字立體聲音頻信號碼率為1.5Mbit/s。32/44.1/48kHz音頻采樣頻率1520kHz BW1520k

9、Hz BWAD32/44.1/48kHz音頻采樣頻率ADRightLeft16 bitUp to 768kbit/s16 bitUp to 768kbit/s1.5Mbit/sCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG數(shù)據(jù)流n 視頻信號壓縮到1Mbit/s(MPEG-1)和26Mbit/s(MPEG-2)n 音頻信號壓縮到100400kbit/sn 壓縮后的視音頻信號稱作ES(elementary stream)流，包括： 視頻流 音頻流 數(shù)據(jù)流任何類型的壓縮或未壓縮數(shù)據(jù) var. length u p t o 6 4 kbytesPES pa

10、cketVideo PESAudio PESData PESPES headerCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG數(shù)據(jù)流n 所有ES流首先被打包成不同長度的PES(packetized elementary streams)包，通常為64kbytes。 開頭為6byte的PES頭： 前3個byte是起始碼前綴00 00 01，用于表明一個PES包的開始。 第4個byte是起始碼標志，說明起始碼種類，表明payload中是視頻、音頻還是數(shù)據(jù)流。 后兩個byte是包長度，說明后面還有多少字節(jié)。如果長度為0，表示PES包大于64kbytes。

11、n 然后是可選PES頭n 最后是實際傳送ES流的凈負荷數(shù)據(jù)(payload)PES headerOptionalPES header6 Byte HeaderMax.64kbyte payloadmax.64 kbyte 63 byte start code prefix 00 00 01Stream IDPES packetlengthCopyright 2000-2003 Digital Video Networks基本流PESn PES結(jié)構(gòu)不適合傳輸，尤其不適合一個數(shù)據(jù)流中有多個節(jié)目的廣播應(yīng)用。n 而MPEG-2目標是將6,10甚至20個電視節(jié)目或廣播節(jié)目形成一個復(fù)用MPEG-2數(shù)據(jù)流，

12、然后通過衛(wèi)星、電纜或地面?zhèn)鬏?。n 因此，PES包再分成固定長度的更小的包，即TS包(transport stream packets)：188字節(jié)長 4個字節(jié)的TS頭 184個字節(jié)的PES包數(shù)據(jù)PES headerPES headerPacketized elementary systemTransport streamPayloadunit startindicator=14 byteTS header184 bytepayloadPayloadUnit startIndicator=1Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksPES復(fù)用n MPEG

13、-2的TS包長188字節(jié)，包含所有節(jié)目的所有數(shù)據(jù)。n 由于碼率不同，MPEG-2 TS流中不同ES流的包出現(xiàn)頻率不一樣。n 每個節(jié)目有一個編碼器對所有ES流編碼，產(chǎn)生PES，并將PES包打包成TS包。n 每個節(jié)目的碼率通常約28Mbit/s，但由于節(jié)目內(nèi)容隨時間變化，視/音頻和數(shù)據(jù)總碼率可以是固定或變化的，稱為統(tǒng)計復(fù)用。n 所有節(jié)目的TS流再復(fù)用成一個總的TS流，最大約40Mbit/s。EncoderVideo 1EncoderEncoderVideo 2Video 3Audio 1Audio 2Audio 3Program 1Program 2Program 3MPEG-2 Multiple

14、xerCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS報文糾錯n DVB采用的誤碼保護是ReedSolomon糾錯碼n 調(diào)制器中TS包的188個字節(jié)后添加16個字節(jié)(DVB-S/C/T)或20個字節(jié)(ATSC)的誤碼保護。n 誤碼保護是特殊的校驗和。n 接收端每個包可以糾正8/10個誤碼。n 如果某個包發(fā)生的誤碼超過8/10個，誤碼保護失敗，誤碼不能糾正，這個包的傳輸差錯標志就標記為錯誤，則解碼器不能解碼這個包，而要進行誤碼掩蓋。4 byteheader184 bytepayload16 or 20 byte RS FEC204 or 208 byte1

15、88 byteCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS報文與ATM報文之間映射n TS包的結(jié)構(gòu)和長度與電話和LAN技術(shù)采用的異步轉(zhuǎn)移模式ATM類似： ATM用于電話的遠程網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)的計算機網(wǎng)絡(luò)中。 ATM也采用包結(jié)構(gòu)，每個包53bytes，由5bytes的頭和48bytes的payload組成。 MPEG-2初期考慮利用ATM傳輸，ATM包的payload中有一個特殊byte，實際payload只有47bytes，因此TS包的188bytes正好可以由4個ATM包傳送。 實際也存在MPEG-2通過ATM傳輸。5 byteheader48 byt

16、epayload53 Bytes5 byte header1 byte spec. information188 byte MPEG-2 TS packet47 bytepayload47 bytepayload47 bytepayload47 bytepayload4 ATM cellsATM=Asynchronous Transfer ModeCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS

17、,PTS)讀取一個加擾節(jié)目讀取一個加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksA、TS流同步n MPEG-2解碼器接收到MPEG-2 TS流時，首先檢測包結(jié)構(gòu)，在TS流中查找同步字節(jié)： 總是47hex，總位于TS包開始位置，固定間隔為188字節(jié)。 同時滿足這兩個條件，可以確定同步。 如果出現(xiàn)一個字節(jié)為47hex，解碼器將檢測這個字節(jié)前后n倍188字節(jié)的位置是否也是同步字節(jié)。 如果是，則當前字節(jié)為同步字節(jié)； 否則，當前字節(jié)只是碼流中偶爾出現(xiàn)的47hex，不是同步字節(jié)。n 接收端收到5個TS

18、包之后開始同步。n 丟包3個之后解碼器即失步。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS,PTS)讀取一個加擾節(jié)目讀取一個加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksB、讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)n TS流中傳送節(jié)目的數(shù)目和結(jié)構(gòu)靈活多變，TS流中必須包含列表來描述TS流的瞬時結(jié)構(gòu)。n 這些列表

19、稱為PSI(program specific information),是偶爾在payload中傳輸?shù)谋砀?，包? PAT(program association table) PMT(program map tables)PID1PID2PID from PATTSheaderPayload of TS packetPointer to video ESPointer to audio ESPID1PID2PID3PID4.Payload of TS packetTSheaderPID=0 x00Pointer to PMT1Pointer to PMT2Pointer to PMT3Poi

20、nter toPMT4PAT=Program association table1 PID entry per programPMT=Program map table1 PID entry per elementary streamCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksB、讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)n PAT 每個TS流一個，每隔0.5秒重復(fù)。 描述TS流中有多少個節(jié)目。 包含該表的TS包的PID為0，便于識別。 PAT的payload中傳送特殊PID的列表，每個PID對應(yīng)一個節(jié)目。 這些PID是描述每個獨立節(jié)目詳細信息的指針。 PID指向PMT表。n P

21、MT 對應(yīng)TS包有特殊的PID和特殊的payload。 PMT的PID由PAT傳送。 例如要接收節(jié)目3時，先從PAT的payload中的所有PID列表中選出節(jié)目3的PID為1FF3hex，然后查找包頭中PID= 1FF3hex的TS包，就是節(jié)目3的PMT。 PMT包含該節(jié)目中所有ES流（視頻、音頻或數(shù)據(jù)）的PID。n 一個節(jié)目可能有多個視頻和音頻流，解碼器必須選擇2個PID，一個視頻流的PID（100hex），一個音頻流的PID（200hex）。n 此后解碼器只收集這些TS包，解復(fù)用，重新組成PES包，這些PES包再送到視頻或音頻解碼器。Copyright 2000-2003 Digital

22、Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS,PTS)讀取一個加擾節(jié)目讀取一個加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksC、讀取一個節(jié)目n PAT和PMT讀出以后，用戶確定出一個節(jié)目的兩個PID： 待解碼視頻信號的PID（如100hex） 待解碼音頻信號的PID（如200hex）n 解碼器只處理這兩個PID的TS包： 解復(fù)用過程中，PID

23、為100hex的所有TS包集合成視頻PES包，送到視頻解碼器。 同樣，PID為200hex的所有TS包重新集合成音頻PES包，送到音頻解碼器。 如果ES流沒有加擾，這時可以直接解碼。Video PID=0 x100Audio PID=0 x200MPEG-2 TSCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS,PTS)讀取一個加擾節(jié)目讀取一個加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/P

24、SI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksD、讀取一個加擾節(jié)目n 對付費電視或許可證和地域限制等情況，ES流利用電子碼進行傳輸保護。 ES流利用各種方法進行加擾，接收端必須配有附加硬件并授權(quán)。 附加硬件必須有TS流中合適的解擾和授權(quán)數(shù)據(jù)。 因此TS流中傳送一個特殊的表CAT(conditional access table)n CAT提供了TS流其他數(shù)據(jù)包的PID，該數(shù)據(jù)包傳送了解擾所需信息： ECM(entitlement control message) EMM(entitlement management message)CAT(

25、PID=1)PIDPIDECMEntitlement control messagesEMM Entitlement Management messagesKey codesAllocation rightsCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksD、讀取一個加擾節(jié)目n 只有ES流本身可以加擾，TS包頭、表格和adaptation field不能加擾。n 解擾本身在MPEG解碼器以外的附加硬件設(shè)備進行，附加硬件與解擾方法相關(guān)。n 在MPEG解碼器做進一步處理之前，TS流在該硬件設(shè)備中循環(huán)。n ECM和EMM的信息，以及用戶的個人碼可以將碼流解擾。Co

26、mmon interfaceDescramblerSmart card(user data)Video decoderAudio decoderVideoAudiosssssDescrambled dataP s e u d o r a n d o m sequencyMPEG-2 TSDemultiplexerExorExorCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS,PTS)讀取一個加擾節(jié)目讀取一個

27、加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)接收端所需信息Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、節(jié)目同步時鐘同步n 實際解碼時還需要另外的同步步驟： 接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步 視音頻同步n 接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步 亮度信號采樣頻率13.5MHz，色度信號6.75MHz。27MHz是采樣頻率的倍數(shù)，作為發(fā)送端MPEG編碼器所有處理過程的參考或基本頻率。 編碼器中27MHz振蕩器作為系統(tǒng)時鐘(STC)的輸入。 STC是42bit計數(shù)器，由27MHz時鐘計數(shù)，溢出后重新從0開始，大約每26.5小時計數(shù)器復(fù)位為0。 接收端

28、也必須提供STC，其27MHz振蕩器和42bit計數(shù)器必須與編碼器STC完全同步。 MPEG碼流中需傳送參考信息PCR(program clock reference)，即在固定時刻將最新的STC計數(shù)器值復(fù)制到TS流中。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、節(jié)目同步時鐘同步n PCR使得碼流中帶有準確的內(nèi)部時鐘，所有編碼和解碼過程都受這個內(nèi)部時鐘控制。n 解碼器必須讀出PCR值，與自身系統(tǒng)時鐘（42bit計數(shù)器）比較： 如果收到的PCR與解碼器系統(tǒng)時鐘一致，則收發(fā)端時鐘同步； 如果不一致，則根據(jù)差別大小產(chǎn)生一個控制變量送到鎖相環(huán)，可以糾正接收端

29、的振蕩器。n 同時，42bit計數(shù)器總是設(shè)為收到的PCR值，這是系統(tǒng)初始化和節(jié)目改變時的基本要求。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、節(jié)目同步時鐘同步n 碼流中傳送的PCR值必須足夠多，有最大間隔的限制；而且要相對準確，沒有抖動。MPEG標準規(guī)定： 每個節(jié)目PCR的最大間隔為40ms。 PCR的抖動小于500ns。n PCR如果出錯： 本來應(yīng)該顯示彩色圖像，卻顯示出黑白圖像。 TS流重復(fù)用時會出現(xiàn)抖動，因為TS包順序改變，但其中PCR信息卻沒變。經(jīng)常會有最大30s的PCR抖動，該問題許多機頂盒可以解決。n PCR信息在相應(yīng)節(jié)目TS包的adap

30、tation field中傳送，而TS包類型的準確信息可以從PMT中獲得。n 節(jié)目時鐘同步以后，視音頻編碼就可以鎖定系統(tǒng)時鐘進行了。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、節(jié)目同步視音頻同步n 視頻和音頻PES包頭中需要有附加的時間信息。 該時間信息由STC獲得。 STC的33位MSB(最高有效字符)被插入到視音頻PES包頭中，最大間隔為700ms，稱為PTS(presentation time stamps) 由于編碼規(guī)則限制，視頻幀的傳輸順序與顯示順序不同，視頻流PES頭需要另外的時間戳，即DTS(decoding time stamps)n

31、 機頂盒中的MPEG-2解碼器就可以對一個節(jié)目的視音頻碼流進行解碼，產(chǎn)生模擬或數(shù)字的視音頻信號。Video PESaudio PESVideo PESPTS of video PESPES headerVideo lip sync to audioPTS of audio PESDTS of video PESPES headerCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字節(jié)同步字節(jié))讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)讀取當前節(jié)目結(jié)構(gòu)（PAT,PMT）讀取一個節(jié)目讀取一個節(jié)目(PID)節(jié)目同步節(jié)目同步(PCR,DTS,PTS)讀取一個

32、加擾節(jié)目讀取一個加擾節(jié)目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息n 歐洲D(zhuǎn)VB項目組和美國ATSC項目組都定義了數(shù)字視音頻節(jié)目傳輸?shù)母郊有畔?，以便簡化機頂盒操作，使其更加人性化： 在TS流中傳送節(jié)目名稱來分辨不同節(jié)目； 傳送EPG(electronic program guides)和時間日期信息來簡化相鄰信道搜索。n MPEG-2為擴展留有空間，在PSI、PMT和CAT之外，TS流中還可以有private tables，定義了用戶表的結(jié)構(gòu)以及如何將用戶表插入到TS流中。C

33、opyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息n DVB標準提出了許多附加表，稱為SI (service information)，SI包括8個表：PAT program association tablePMT program map tableCAT conditional access tableNIT network information tablePrivate tablesProgram specific informationNIT network information tableSDT service descripto

34、r tableBAT bouquet association tableEIT event information tableRST running status tableTDT time&date tableTOT time offset tableST stuffing tableCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息-NITn NIT描述了一個DVB傳輸通道的所有物理參數(shù)，包括下列信息： 傳輸路徑（衛(wèi)星、電纜、地面） 接收頻率 調(diào)制類型 誤碼保護 傳輸參數(shù)n 機頂盒在掃描或變換信道時，可以存儲一個物理信道的所有參數(shù)，便于以后很快跳回該信道。n 信道中也可以傳送相鄰或其他信道的傳輸參數(shù)，使得信道轉(zhuǎn)換靈活快捷。n 如果NIT中的傳輸參數(shù)與實際不符，會對許多接收設(shè)備，如機頂盒，產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。n 如果NIT中的傳輸頻率與實際接收頻率不同，許多接收設(shè)備在沒有任何原因提示的情況下，不產(chǎn)生任何圖像和聲音。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息-SDT/BAT/EITn SDT包