数字电视传输技术 中国传媒大学 宽带网络研究所 金立标 博士 中中 国国 传传 媒媒 大大 学学 1 内容概述 • 数字电视基础 • 数字电视系统关键技术 • 地面数字电视传输技术 • IPTV数字电视技术 2 第一部分 数字电视基础 3 数字电视基础 • 数字电视系统基本构成 模数转换信源编码 信道编码 调制 数模转换信源解码 信道解码 解调 信道 模拟模拟电视 信号输入 模拟电视 信号输出 4 数字电视基础 1.1、基本概念 • 信道与带宽 • 信道可以分为两种： Ø传输模拟信号的称为模拟信道 Ø传输数字信号的称为数字信道 • 信道所能传送信号的频率宽度，称为带宽 Ø理想带宽 Ø实际带宽 5 • 数据传输速率 • 比特率：单位是bit/s简写b/s或bps，表示每 秒传输多少个二进制元素 • 波特率：也就是符号率，每秒传输的符号个 数 • R=Blog2N（b/s），其中R是比特率，B是波 特率，N是n比特的符号数 • 符号率＝带宽/1+a，a为升余弦滚降系数 数字电视基础 6 数字电视基础 • 数字电视分类 • PDTV：比特率为1～2Mbps，显示清晰度约 300线； • SDTV：比特率为3～8Mbps，清晰度为350～ 600线； • HDTV：比特率为18～20Mbps，显示清晰度 为800～1000线。
• 注：以上比特率为MPEG－2压缩后速率 7 数字电视基础 有线数字电视标准 • DVB-C ATSC-64QAM ATSC-16VSB ISDB-C •调制方式 16-64QAM 64QAM 16VSB 64QAM •带 宽 8MHz 6MHz 6MHz 6MHz •传输速率 31.64Mb/s 41.34Mb/s 43.05Mb/s 30.31Mb/s •滚降系数 15% 15% 11.5% 18% •纠错编码 RS(204,188) RS(128,122) RS(207,187) RS(204,188) •压缩方式 MPEG-2 8 1.2、模拟信号的数字化 • 抽样：时间上连续的取值变为有限个离散取值 • 量化：幅度上无限多种连续的样值变为有限个离 散值 • 编码：用n比特二进制码来表示已经量化了的取样 值 • 传输速率：传输速率=取样频率fs×量化比特数。
数字电视基础 取样编码量化 模拟电 视信号 数字电 视信号 9 数字电视基础 • 1.2、模拟信号的数字化 模拟信号数字信号 10 数字电视基础 • 数字电视信号的码率（未压缩） 标准清晰度数字电视（SDTV）： 在ITU-R601标准中，采用10bit量化时， 亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数 = 13.5MHz X 10bit = 135Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 6.75MHz X 10bit = 135Mbps SDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 135Mbps + 135Mbps = 270Mbps 11 数字电视基础 高清晰度电视（HDTV）： 在SMPTE274M数字电视标准中，采用10bit量化时， 亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数 = 74.25MHz X 10bit = 742.5Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 37.125MHz X 10bit = 742.5Mbps HDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 742.5Mbps + 742.5Mbps = 1485Mbps 12 数字电视基础 1.3、信源编码 编码器 传输带宽 要求100Mhz左右 传输带宽 只要求3Mhz左右 4:2:2编码、8bit量 化未压缩SDTV信号 从传输角度上考虑需要进行电视信号压缩 解码器 13 数字电视基础 • 1.3、信源编码 编码器 从存储角度上考虑需要进行电视信号压缩 解码器 10分钟要求 130Gb存储容量左右 10分钟只要求 4Gb左右 4:2:2编码、8bit量 化一帧SDTV图像数 据量8.6Mb 14 数字电视基础 • 1.3、信源编码 • 数据压缩的可能性 • 压缩过程：去除图像中与信息无关或对图像质量 影响不大的部分，即冗余部分。
电视信号中存在 很多这样的冗余部分，这就为压缩提供了可能性 • 电视信号的冗余性表现在以下几个方面： Ø空间相关冗余 Ø 时间相关冗余 15 数字电视基础 • 1.3、信源编码 • 数据压缩的方式 ØMPEG-1：典型应用如VCD等家用数字音象产 品最高编码速率1.8 Mb/S ØMPEG-2 ØMPEG-4： 主要是针对多媒体交互应用等通信领 域：是低比特率下的多媒体通信 ØH.264：在相同的SNR下，平均码流H.264比 MPEG-4降低41%，比MPEG-2降低67% （一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps) 16 1.4、信道编码 • 纠错：在信道编码过程中将附加数据加 于数据流之中，在接收端通过校验位来 发现有错误的数据字，并给予纠正 • 交织：编码时将数据码流按已定义的规 则“搅乱”，在接受端再将那些“搅乱 ”的数据字按相反的规则重新排列，恢 复出原始次序 数字电视基础 17 数字电视基础 • 1.5、调制传输 • 基带信号变为频带信号，频谱搬移 ； • 便于远距离传输； • QPSK、QAM、OFDM 18 第二部分 数字电视系统关键技术 19 数字电视前端平台 CA系统 NMS系统SMS系统 TS流 卫星接收机 卫星接收机 卫星接收机 复 用 器 加 扰 器 QAM 调制 器 IP数据 视频服务器 EPG系统 复 用 器 加 扰 器 QAM 调制 器 自办 节目 自办 节目 模拟 节目 复 用 器 加 扰 器 QAM 调制 器 编码器 编码器 编码器 混合 器 20 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.1 TS码流的形成 视频编码器 音频编码器 打包器 打包器 PS 复 用 TS码流 PS码流 PES ES 视频 音频 数据编码器 数据 TS 复 用 21 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • PS码流： 包的长度可变 抗误码能力低 适用于相对误码低的环境，如存储、制作DVD等 • TS码流 包的长度固定，188字节 抗误码能力较高 可用于相对较差的信道环境，如传输等 22 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.1 TS码流的结构 188字节 包头净荷包头净荷…包头净荷 适应字 段 81113 包 同步 误码指 示 开始 指示 传送优 先级 PID 加扰控 制 适应字 段控制 连续性 计数器 1224可变长 23 • 2.1.2编码速率 • MPEG-2编码器可由用户选择，把一个 频道的电视信号压缩成2~15Mbps等的 数字信号。
• 压缩为6MB/S和8MB/S的图象与没有压缩 的图象基本没有区别，但在压缩为 4MB/S以下的快速体育运动图象上，则 能看到图象的缺陷 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 24 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 2.1.3、设备选型 序号项目技术指标备注 1视频编码方式符合GB/T XXXX MP@ML 4:2:0 MP@4:2:2 （可选） 2视音频编码速率MP@ML 4:2:0 1.5 Mbps - 15Mbps 3音频采样频率32/48/44.1 kHz 4音频编码方式符合GB/T17975.3-2002和 GB/T17191.3-1997的第1层和 第2层格式环绕声可选 5音频编码速率32 kbit/s - 384 kbit/s 6输出TS流的符合 性 包含正确的PAT、PMT SDT （可选 ） 25 数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 • 常用接口 • 同步并行接口（SPI） • 异步串行接口（ASI） • 串行数据接口（SDI） 26 2.1.4编码器的使用 • 一套节目对应一路MPEG-2编码器； • 输入音视频信号，输出TS流；ASI接口； • SDH来的是TS流，无需MPEG-2编码器； • SDH是DS-3或E3接口，需适配器转换为ASI接口； • 增加MPEG-2编码器，还是增加数字卫星接收机？ • 如果卫星上的节目下来就是模拟的，那只能采用 编码器。
数字电视前端硬件平台 －2.1MPEG-2编码器 27 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 2.2.1概述 • 我国上星的数字电视节目采用的是QPSK调制方式 ，数字卫星接收机都是QPSK解调 • 有的虽然是接收卫星上的数字节目，但是输出的 还是模拟的音视频信号，不是真正的数字接收机 • 数字卫星接收机是直接输出TS码流； • 还有一种就是既能输出模拟信号，又能输出数字 的TS码流 28 • 2.2.2 QPSK调制原理 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 29 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 30 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 31 2.2.3节目速率举例 • 上星的节目采用QPSK调制解调方式，假设采用的 基本码率4.42MBPS，以及RS (204，188)、3/4卷 积码、QPSK调制方式 Ø其中4.42为符号率，也就是码率；由于采用 QPSK，所以一个符号需要用2个比特来表示； RS编码为（204，188），表示有效数据为188个 字节，有（204－188＝16）个字节用于冗余纠 错卷积码的效率为3/4 • 由此可以算出节目的传输速率： 4.42×2×3/4×188/204 =6.11 Mbps 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 32 2.2.4 SCPC/MCPC • SCPC是单路单载波传输方式，每个载波只传输1套 广播电视信号，这样一个转发器内同时存在多个 载波，其特点是各套节目可在不同地点上星。
• MCPC是多路单载波传输方式，每个载波可同时传 输多套广播电视信号，特点是1个转发器只有1个 载波，频带和功率的利用率较高，多套节目要经 复接后在同一地点上星 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 33 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 • 2.2.5、设备选型 • 输入接口：数字卫星高频头输入 • 输出接口：DVB标准ASI接口 • 网管接口：RS-232/以太网接口 • 支持单节目码流(SPTS)或多节目码流(MPTS) • 对MPTS码流具有节目选择和过滤功能 34 数字电视前端硬件平台－2.2数字卫星接收机 带宽：29.65MHz 信道编码 CNR门限 传输速率 QPSK 14.5 45 16QAM 22 89 64QAM 28 140 256QAM 34 180 35 数字电视前端硬件平台－－2.3复用器 2.3.1复用器的作用 • 对多路节目（也就是多路节目的TS流）复用，复 用成一路TS流，使得多路节目能够在一个频道中 传输。
• 在复用的过程中，插入PSI信息和SI信息，重新组 合，并且重新分配PID值 • 用于接收端的解复用和电子节目指南（EPG） 36 2.3.2、复用器的原理 （1）MPEG-2中的PSI信息 • 节目特定信息Program Specific Information（PSI）, 使用 了四个表来定义码流的结构： • 节目关联表（PAT）：描述多路节目的复用信息； • 节目映射表（PMT）：描述单路节目的复用信息； • 网络信息表（NIT）：描述网络传输的物理信。