數(shù)字電視基礎知識培訓.ppt

1 概要 MPEG 2 DVB簡介數(shù)字電視系統(tǒng)的基本組成MPEG 2編碼技術MPEG 2傳輸技術PSI SI表的意義CA系統(tǒng)功能的介紹信號全流程 2 MPEG MovingPictureExpertsGroup ISO屬下 制定活動畫面和音頻的壓縮標準定義壓縮碼流格式 從而定義解壓縮系統(tǒng)將編碼壓縮算法留給制造商 因此各家編碼器會有差異 3 MPEG 2 壓縮系統(tǒng) 覆蓋VHS至HDTV的廣播需求非常高的壓縮碼率 圖像質(zhì)量優(yōu)于MPEG 1支持多聲道環(huán)繞立體聲MP ML MainProfile MainLevel 標準廣播電視格式和DVDMP HL MainProfile HighLevel HDTV4 2 2 演播室之間的高質(zhì)量視頻傳輸旨在簡化解碼端 盡可能降低接收費用 4 DVB DigitalVideoBroadcasting 數(shù)字視頻和音頻格式的標準產(chǎn)生于歐洲 許多國家采用 美國ATSC 日本ISDB DVB針對不同的網(wǎng)絡和系統(tǒng)定義不同的版本DVB界定了cable satellite terrestrial telecom及其它網(wǎng)絡DVB對某些領域進行了說明 SI serviceinformation 有線網(wǎng)絡的雙向控制信號加擾條件接入接口 5 數(shù)字電視系統(tǒng)的基本構架 OPTICALNODE COAX 200 500HOMES DISTRIBUTIONAREA PC MODEM CABLE PHONE DIGITALSET TOP FIBER Analogvideo Satellitevideo Videoservers DigitalTransport LAN WANdatarouters Subscribermanagement HFCnetwork 傳輸接口 復用 再復用 編碼壓縮 6 MPEG 2編碼壓縮技術 標準 ISO IEC13818 7 模擬視頻信號的數(shù)字化 1 電視信號的數(shù)字化有兩步 抽樣 sampling 和量化 quantization 1 對掃描信號幅度進行等間隔抽樣 把連續(xù)信號變成離散 discrete 信號 2 把每個抽樣的值用8比特 或10比特 位數(shù)表示 比特數(shù)位越多 量化就越細 但是數(shù)據(jù)率也大 超過8比特 人眼幾乎看不出圖像質(zhì)量的改變 8 模擬視頻信號的數(shù)字化 2 國際電信聯(lián)盟 ITU 1982年制定了適合不同電視制式的統(tǒng)一標準 即ITU R601規(guī)定的演播室用 廣播級 分量電視信號的數(shù)字化標準 對每行水平掃描輸出進行抽樣 每個抽樣點有3個分量 亮度分量 luminance 和兩個色差分量 chrominance 在每行 對亮度分量的抽樣頻率為13 5MHz 對兩個色差分量的抽樣頻率分別為6 75MHz 625行50場制式 PAL和SECAM 每行有864個亮度抽樣 13 5兆抽樣 秒 15625行 秒 864抽樣 行 525行60場制式 NTSC 每行有858個亮度抽樣 用這樣方式 4 2 2抽樣方式 取得的數(shù)字視頻信號也稱為D1格式信號 9 未壓縮圖像抽樣 4 2 2 4 2 0 1個亮度采樣點 Y 2個色差采樣點 Cb Cr 4 4倍于次載波帶寬的取樣頻率 13 5MHz 2 2倍于次載波帶寬的取樣頻率 6 75MHz 理想情況下 像素可由1個亮度 2個色差信號 采樣點 來描述 10 為何需要壓縮 未壓縮的PAL制式電視信號 ITU R601如果每個抽樣 sample 用10個比特 bit 來量化 quantize 數(shù)字視頻信號的最高比特率為270Mbps 13 5Msamples s 6 75Msamples s 6 75Msamples s 10bits sample 27Msamples s 10bits s 270Mbp 11 數(shù)字視頻壓縮的目標 保留圖像中所有信息消除圖像中所有多余的信息用最節(jié)省比特的方法傳輸必須傳的信息最大限度地降低復雜性和成本 12 壓縮數(shù)字視頻基本思路 消除電視圖像中多余信息時域冗余信息 time domainredundancy 相鄰圖像之間變化不大 空間域冗余信息 spatialredundancy 在同一圖像中 相鄰像素 pixel 變化不大 利用人眼視覺特征對亮度變化的敏感度并不高對色度變化的靈敏度更低在物體邊緣和高亮度區(qū)域 對噪聲的靈敏度降低 13 MPEG 2類別與級別 High 高 Main 主 Low 低 Simple 簡 Main 主 4 2 2 High 高 Profiles 類 Levels 級 4 2 0720 x57615Mb sI P 4 2 0720 x57615Mb sI P B 4 2 0 4 2 2720 x57620Mb sI P B 4 2 0352x2884Mb sI P B 4 2 01920 x115280Mb sI P B 4 2 0 4 2 21920 x1152100Mb sI P B 4 2 2720 x57650Mb sI P B 14 MPEG視頻壓縮基本算法 不傳圖像本身 傳有關圖像的數(shù)據(jù) 圖像中的變化圖像中物體的運動用數(shù)學方式描述這些變化和變動時域預測 motioncompensatedtimedomainprediction 頻域分解 DCT 量化 quantization 可變長熵編碼 variablelengthentropyencoding 15 MPEG 2圖像種類 用過去的I 圖像獲得運動矢量和圖像差別 FullImage I Picture P Picture 用過去的I 圖像和將來的P 圖像獲得運動矢量和圖像差別 I 圖像 Intra codedPicture 幀內(nèi)編碼圖像 空間域DCT壓縮 只利用本幀內(nèi)的信息 P 圖像 Predictive codedPicture 預測編碼圖像 從過去的一幀參考圖像 通過運動補償所預測出的圖像 B 圖像 Bi directionallypredictive codedPicture 雙向預測編碼圖像 從過去和將來的參考圖像 通過運動補償所預測出的圖像 16 幀內(nèi)壓縮 4 2 2to4 2 0 DCT 量化 變長編碼 游程長度編碼 復用 緩存 全二進制數(shù)據(jù) 信息丟失數(shù)據(jù)減少 信息丟失數(shù)據(jù)減少 數(shù)據(jù)減少 數(shù)據(jù)減少 速率控制 Quantizing 量化 減少每個系數(shù)的比特數(shù)VariableLengthCoding 變長編碼 用短碼表示出現(xiàn)頻繁的值RunLengthCoding 游程長度編碼 用特定碼替換一串 0 值幀內(nèi)壓縮用于產(chǎn)生I 幀 量子化表 壓縮數(shù)據(jù) 17 幀間壓縮 代表一個宏方塊 包含16x16像元 第N幀 第N 1幀 移動矢量 18 幀間壓縮 相減 產(chǎn)生移動矢量 前幀 相加 現(xiàn)幀 差幀 移動矢量 預示現(xiàn)幀 與數(shù)據(jù)流復用 具有較少的信息量 該框圖顯示如何產(chǎn)生前向預示幀 即P 幀MPEG亦使用雙向預示幀 即B 幀 圖象組 GOP 和幀間編碼 I I B B P B B P B B P B B P B B 前向預測 雙向預測 前向預測 顯示順序 編碼器輸入 解碼器輸出 編碼順序 編碼器輸出 解碼器輸入 time GOP N 15M 4 I B P B B P B B P B B P B B I B GOP 圖象組 N 12 M 3 I IAnchorLeastefficient MP ML要求的GOP典型結構為12幀 B BMostEfficientbutadddelay P PAnchor GOP組越長 編碼效率越高GOP組越短 技術上越容易實現(xiàn)I幀要求的碼率最高 21 I P 及B幀 I 幀 包含全部圖像信息P 幀 由前面的I 幀或P 幀預測生成B 幀 由前面與后面的I 幀或P 幀預測生成每隔12幀傳送一個I 幀 22 MPEG 2和DVB傳輸標準 系統(tǒng) 傳輸流內(nèi)容要求 傳輸 接收 視頻 圖像格式 視頻碼流內(nèi)容要求 解碼 音頻 音頻信號的編碼 碼流內(nèi)容要求 解碼 TS流中的其它信息PSI SI表 23 傳輸流 TS流 里有什么 視頻節(jié)目 多個 電視節(jié)目的伴音 有些節(jié)目有多個伴音 數(shù)據(jù)廣播 如圖文電視數(shù)據(jù) IP廣播數(shù)據(jù)電子菜單數(shù)據(jù)等條件接收系統(tǒng)的授權管理和控制信息MPEG DVB規(guī)定的表格時鐘 24 MPEG 2傳送流產(chǎn)生框圖 視頻編碼器 音頻編碼器 音頻編碼器 數(shù)據(jù) PES MPEG傳送流 格式化與復用 單節(jié)目MPEG傳送流 一個 節(jié)目 包含了數(shù)個基流 通道 與一個27MHz時鐘 基流 通道 25 傳輸流的產(chǎn)生 數(shù)字化和量化 digitizeandquantize 模擬視頻音頻源壓縮數(shù)字視頻和音頻信號 產(chǎn)生視頻基本碼流 elementarystream ES 和音頻基本碼流把視頻和音頻基本流打成分組的基本流 packetizedelementarystream PES 把控制管理信息 電子菜單 數(shù)據(jù)廣播信息以及其它數(shù)據(jù)信息達成分組的基本流把PES碼流打包成傳輸流分組 transportstreampackets 然后將所有包復用成一個傳輸流 transportstream TS 26 傳輸流的產(chǎn)生 PES 可變長度 含有關基本流的信息 共解碼時使用 TS 固定長度188bytes 含有關傳輸和解復用所需信息 分組長度適合實際傳輸信道 TS流中最重要的信息之一是分組識別號 packetidentification PID TS流中含有多種信息 這些信息全部分布在各個小分組包里 PID packetidentification 分組識別號 是識別各種信息的最重要工具 27 MPEG 2傳送流 MPEG 2包 PID head head 視頻 音頻 數(shù)據(jù)及系統(tǒng)信息 傳送包的長度為188bytes每一傳送包開銷均具有一段包標識 PacketID PID 節(jié) 每一信息凈負荷均包含某個基流的信息 開銷 Header 信息凈負荷 Payload 188bytes 28 MPEG 2傳送流 傳送流舉例 29 TS流調(diào)制方式的選擇 調(diào)制方式的選擇有兩個考慮 1 傳輸通道的干擾情況和信噪比 2 傳輸效率 符號率決定傳輸帶寬 每個符號里比特越多 固定帶寬所傳輸?shù)帽忍芈示驮礁?在有線網(wǎng)里 信噪比大 30dB 可以采用高效率的QAM調(diào)制方式 衛(wèi)星廣播 信噪比很低 可能 0dB 必須采用抗干擾能力強的調(diào)制方式 如QPSK 地面廣播 多徑傳輸干擾非常嚴重 宜使用寬帶調(diào)制方式 如COFDM 30 調(diào)制方式 信號星座圖 64QAM效率高 每個符號傳輸6比特 可代表64個值 但信號星座樣點之間距離近 每個信號受到干擾而移位后時容易與其它信號混淆 造成較高的誤碼率 QPSK沒有QAM效率高 每個符號只傳輸2比特 可代表4個值 不過信號點之間距離遠 每個點的允許漂移空間大 信噪比很低時仍可正確辨別各個信號 31 傳輸通道中MPEG 2傳輸流的帶寬 Ru usefulbitrate有效TS流比特率 復用器輸出 包括視頻 音頻 EPG CAS 數(shù)據(jù)等 BW bandpassbandwidth傳輸通道帶寬a raisedcosineroll offfactor傳輸通道頻率響應參數(shù)M bitspersymbol每符號代表幾個比特 2forQPSK 4for16QAM 6for64QAM rc convolutioncoderate卷積碼效率 1 2 5 8 3 4 7 8 如不用卷積碼 這項等于1 rRS Reed Solomonfactor RS碼效率 188 204 32 傳輸流帶寬計算 例 有線電視網(wǎng) 不用卷積碼模擬頻道帶寬BW 8MHz頻道頻響參數(shù)a 0 15用64QAM調(diào)制器 M 6計算結果 有效傳輸流比特率 38 4Mbps如果每套節(jié)目壓縮編碼用4Mbps 在8MHz的模擬頻道里可傳輸8套節(jié)目 4Mbpsx8 32Mbps 33 數(shù)字視頻估算 QAM調(diào)制64QAM 38Mb sin8MHz256QAMprovides 52Mb sin8MHzMPEG 2編碼一般節(jié)目 2to4Mb s體育及有快速運動的節(jié)目 6to9Mb s卡通 1 5to3Mb sMPEG 2通過QAM64QAM 6to9MPEG 2節(jié)目in8MHz256QAM 8to13MPEG 2節(jié)目in8MHz統(tǒng)計復用256QAMprovides 16MPEG 2節(jié)目in8MHz 34 PSI SI表 PSI由MPEG 2所定義SI由DVB所定義 35 PSI SI表 1 機頂盒接收到的傳輸流里復用了眾多節(jié)目和各種信息 這些信息并不一定是按順序依次送到機頂盒的 當用戶在機頂盒遙控器上選了一個節(jié)目 機頂盒需要知道調(diào)到哪個頻率 哪個節(jié)目能看 哪個節(jié)目不能看 到哪找能看的節(jié)目的碼流 如果節(jié)目被加密了 怎么找到解密鑰匙 機頂盒怎樣從一個傳輸流里千千萬萬個分組包當中找到用戶想看得節(jié)目呢 答案 靠PID和PSI SI表 36 PSI SI表 2 為了協(xié)助機頂盒在傳輸流中瀏覽 MPEG和DVB在標準中規(guī)定了一些信息表 沒有這些信息表指路 機頂盒就迷失方向 什么都找不到 MPEG 2規(guī)定了三個主要表 PAT PMT CAT 統(tǒng)稱PSI表 programspecificinformation 節(jié)目信息表 PAT表提供每個節(jié)目的PMT表PMT表提供節(jié)目的基本流 視頻流 音頻流 數(shù)據(jù)流等 PSI各表里的信息只與本傳輸流內(nèi)的節(jié)目及服務有關DVB又補加了一些表 NIT BAT SDT EIT RST TOT ST 統(tǒng)稱SI表 serviceinformation 服務信息表 SI表向機頂盒提供有關其它流或其它網(wǎng)絡的信息 37 PSI表作用 使觀眾能從單TS流中挑選出所需節(jié)目STB根據(jù)過濾出的PID號 迅速地將不同節(jié)目的視頻 音頻 數(shù)據(jù)信號分類 組合到一起STB根據(jù)PSI表所提供的必需的數(shù)據(jù) 從組合的節(jié)目中找到所需節(jié)目并提供給觀眾 38 PSI表的生成 一般由前端系統(tǒng)網(wǎng)管產(chǎn)生 并送入每個復用器獨立生成 39 PSI表的內(nèi)容 三個PSI表格PAT ProgramAssociationTable 傳輸流根目錄節(jié)目與特定傳輸流的關聯(lián) PMT ProgramMapTable 所有PID與節(jié)目間的路由 映射 信息CAT ConditionalAccessTable CAS信息 40 PAT 節(jié)目關聯(lián)表 PID值恒為0 x0000解碼器解出一套節(jié)目時的第一步告訴解碼器在傳輸流什么位置找出每套節(jié)目的 地圖 告訴解碼器PMT表所在包的PID值 41 PMT 節(jié)目映射表 PID從PAT表找到其PID值列出具體節(jié)目的視頻 音頻及數(shù)據(jù)內(nèi)容的PID值如是加密節(jié)目 也列出其ECM 所在包的PID值 42 CAT 條件接入表 EMMsupdatethesubscriptionoptionsorpay per viewrightsforeachsubscriberorforgroupofsubscriber PID值恒為0 x0001CASID號列出EMM EntitlementManagementMessages 信息所在包的PID值 43 SI表的作用 是服務提供商通過一個大的傳輸流網(wǎng)絡 多節(jié)目流 為用戶提供節(jié)目和服務的必要的工具與PSI表一起 讓STB在整個傳輸流網(wǎng)絡中 分解分解出所有的節(jié)目由CAS SIG EPG 系統(tǒng)生成注入復用器所有的傳輸流 44 SI表的內(nèi)容 NIT NetworkInformationTable 網(wǎng)絡信息表表明網(wǎng)絡的物理結構和其特殊參數(shù)SDT ServiceDescriptionTable 服務描述表定義網(wǎng)絡中有效的服務內(nèi)容 視頻 音頻 數(shù)據(jù) EIT EventInformationTable 事件信息表定義網(wǎng)絡中所有的事件 提供針對它們的描述 起始時間 持續(xù)時間TDT TimeandDateTable 時間信息表與STB有關的時間信息 45 NIT 網(wǎng)絡信息表 PID值恒為0 x0010包含每個傳輸流的頻率信息 當觀眾想看的節(jié)目不在當前的傳輸流內(nèi)時 STB通過調(diào)諧 轉換節(jié)目頻道 找到所需節(jié)目 46 SDT 服務描述表 PID值恒為0 x0011定義網(wǎng)絡中有效的服務內(nèi)容并提供他們的有關信息服務的名稱 如CNN NBC HBO 等 服務的種類 如數(shù)字視頻 音樂 圖文信息 等 47 EIT 事件信息表 PID值恒為0 x0012為ElectronicProgramGuide EPG 提供主要的信息來源時間分割開始 結束時間內(nèi)容分級節(jié)目分類PPV 語言 etc事件信息CBS新聞HBO 星球大戰(zhàn) EIT 事件信息表 EIT的三種類型當前EIT 描述傳輸流當前正在廣播的事件后繼EIT 描述當前傳輸流的后繼信息規(guī)劃EIT 列出未來幾小時 幾天 整個網(wǎng)絡的所有事件信息 49 TDT 時間信息表 PID值恒為0 x0014給STB提供時間信息間隔1 2秒發(fā)一次 可選的SI表 下列四種SI表不太常用BAT BouquetAssociationTableRunningStatusTableTOT TimingOffsetTableST StuffingTable 51 節(jié)目選擇過程 解碼器挑選某套節(jié)目的流程當前的選擇56頻道 ESPN Transport 3 新的選擇4頻道 HBO Transport 2 STB分析4頻道NITNIT鏈接4頻道到TRANSPORT 2STB比較新的傳輸流號與當前的傳輸流號STB調(diào)諧到新的傳輸流號 52 節(jié)目選擇過程 STB下載Transport 2的PATPAT提供PMT的PIDPMT提供4頻道節(jié)目的PID音頻PIDs視頻PIDsECM EntitlementControlMessage PIDsEMM s圖文PIDs 等 用ECM和EMMSTB解密4頻道節(jié)目 53 機頂盒解碼過程 機頂盒首先找到所用PID 0的分組 用它們重建PAT表 根據(jù)用戶所選的節(jié)目號 機頂盒從PAT表找到所選節(jié)目的PMT表的位置 即PID 機頂盒用這個PID找到所有PMT的分組 重建PMT表 PMT表含視頻碼流包的PID 音頻碼流包的PID 以及各個數(shù)據(jù)碼流包的PID 54 機頂盒解碼過程 根據(jù)從PMT找到的PID 機頂盒找到所有視頻 音頻和數(shù)據(jù)分組 重建視頻ES流 音頻ES流和數(shù)據(jù)流 機頂盒對音頻視頻基本流進行解碼 將數(shù)字電視信號轉換到模擬電視信號 輸出到電視或監(jiān)視器 如果節(jié)目來自多個TS流 需先用PAT表里的NIT表找到節(jié)目所在頻道或TS流 收到那個TS流后找它的PAT表 55 條件接入系統(tǒng) CAS 加擾 是將一種加密算法應用于節(jié)目內(nèi)容的過程加密 在前端提供一個加密信息 使被授權的用戶端解擾器能以此信息來對數(shù)據(jù)解擾 該信息受CA系