数字电视技术及其应用（二）

抖动的性能参数主要为以下3种：

（1）输入抖动容限期系统容许输入信号的最大抖动范围。

（2）输出抖动 系统输出口的信号抖动特性。

（3）抖动转移特性 在不同的测试频率下，系统输入信号的抖动值和输出信号的抖动值之比（增益）的分布特性。

6、可靠性与寿命

人们习惯于用产品的技术性能指标作为衡量产品质量优劣的标志。但这只是一个方面，还不能反映产品质量的全貌。只有既具备良好的技术性能，又经久耐用、充分可靠的产品才能算真正质量好的产品。而后者通常用产品的可靠性与寿命来加以衡量。对于一个数字系统而言，产品可靠性与寿命包括系统的两个终端接口间传输通道上所有产品的可靠性与寿命。通过对使用现场的实际调查，统计故障次数、记录每两次故障的间隔时间、每次故障的维修时间等，可以求出该系统的平均故障间隔时间和平均维修时间。

可靠性是产品在规定的条件下和时间内，完成规定功能的能力。常用故障率（λ）或平均故障间隔时间和平均维修时间来表征。

故障率（λ）表示产品工作到时间t的条件下，单位时间内发生失效的概率，常用10-9/h作为基准单位，称为一菲物（fit）。

平均寿命时间（MTTF）为设备或系统发生失效前的平均工作时间。

平均故障间隔时间（MTBF）指相邻两次故障的间隔时间。

平均维修时间（MTTR）是排除故障需用的时间。

七、数字信号压缩

随着传输信息量的增加，频率资源就会越来越紧张。如高清晰度电视、视频会议、电子图书、多媒体、数字广播都要占用相当宽的频带。

假定传送1个频道电视信号，亮度信号最高频率设为6MHz，色差信号（R-Y和B-Y）最高频率设为1.5MHz。根据取样定理，亮度信号和色差信号的取样频率分别应为12MHz和3MHz。若量化分层数目为256，则需用8bit二进制电码来传送每个取样的量化值。这样，传送速率应为（12+3）×8=120Mb/s。如此高的传送速率要占用很宽的频带，大约在100MHz以上。因此，压缩频带宽度是数字电视中一个重要课题。

如果加上文字、声音、图形、图像，信息数据量是非常大的，实时地处理这样大的数据量，传输速率和存储容量都难以达到。因此，必须高效、实时地对数据量进行压缩，特别是对视频图像进行压缩。

一幅电视画面的各个像素是相互关联的，在同一行内相邻像素之间、相邻两行之间、相邻帧之间都有相关性，这说明信息中存在冗余度，去除或减少冗余度便可压缩传输码率，也压缩了频带。图像冗余度分空间冗余度（Spatial redundancy）和时间冗余度（Time redundancy）。空间冗余指1帧内规则的图像或者图像中相似的内容，这些像素都有很强的相关性，因此可进行帧内压缩，只对没有相关性的部分进行变换编码；时间冗余度指各帧之间图像相似的内容，统计表明，帧间像素变化量一般只有10%左右，因此可利用视频图像前、后帧之间的时域相关性进行帧间压缩，即从过去几帧图像的内容预测下一帧图像，仅仅把与前几帧不相同的数据进行预测编码。此外，人眼对频率分量过高的杂波灵敏度较低，同时对图像的亮度较敏感而对彩色分辨力弱，人眼对图像边缘部分杂波灵敏度也较低，因此可对灵敏度较低部分进行压缩。还可对某些复杂图像和快速变化图像可以进行要或不要的选择，以减小数据量。

空间冗余度压缩编码需首先把图像划分成一个个子区域，每个子区域的尺寸可以是1×4、1×8、1×16个像素（一维情况），也可以是4×4、8×8、16×16个像素（二维情况），典型的变换编码为离散余弦变换（DCT，Discrete Cosine Transform）。

目前主要有3大图像压缩编码标准：JPEG（Joint Photographics Expert Group，联合图片专家组）标准、MPEG（Motion Picture Expert Group，活动图像专家组）标准和H.261，其中MPEG标准是最常用的标准。

1、JPEG标准

JPEG标准主要针对静止图像，也被应用于活动图像。它压缩比较低，对于中等复杂程度的彩色图像，其压缩比与图像质量的关系如表3所示。

2、MPEG标准

MPEG标准主要包括MPEG-1和MPEG-2两种标准，MPEG是活动图像专家组（Motion Picture Expert Group）的缩写。MPEG-1是码率达1.5Mb/s的编码；MPEG-2是码率达10Mb/s的编码。随着技术发展的需要，人们开发、研究了MPEG-4，它是甚低码率（Very low bit rate，＜64kb/s)的视频、音频编码。

MPEG标准中目前最引人注目的是MPEG-2，它是通用的活动图像及其伴音的编码标准，适于各种应用，如存储媒体、分配传输和通信等。

MPEG-2标准全部项目有9部分。第1部分：系统；第2部分：视频；第3部分：音频；第4部分；符合性测试；第5部分：软件；第6部分：数字存储媒体的指令和控制；第7部分：非向后兼容的音频；第8部分：10比特视频；第9部分：实时接口。

第2部分视频是标准的核心，它采用帧间和帧内相结合的压缩方法。1）减少时域冗余度。MPEG把活动图像划分为I帧（帧内图）、P帧（预测图）和B帧（插补图）。I帧仅作帧内压缩编码，经过中度压缩，可作为随机存取的起点，所以I帧图像必须传送；P帧仅作正向帧间预测， 对预测误差作有条件的传送，压缩程度较I帧高；B帧以I帧和P帧为参照，作双向帧间预测插补，它的压缩程度高。2）减小空域冗余度。MPEG基于DCT的压缩编码，减小空域冗余度，与JPEG标准采用的方法基本相同，整个过程分为3个步骤：基于宏块的DCT正交变换，计算变换系数；对变换系数进行标量量化，按“Z”字形扫描顺序重新组合数据；对数据进行编码，进一步压缩数据。与JPEG不同的是，MPEG中的视频信息不仅包含静止图像画面（帧内图），而且包含运动信息（帧间预测图、插补图）。

MPEG-1标准的平均压缩比为50：1，图像分辨率为352×240像素（30帧/s）或352×288像素（25帧/s），主要用于压缩静止图像。

MPEG-2的图像分辨率为720×480，立体声与MPEG-1标准的音频相兼容，主要用于压缩活动图像。

3、H.261标准

H.261标准用于电视电话和电视会议的图像压缩编码，以64kb/s的整数倍为传输速率，图像分辨率及帧变更速率可调整，该标准不适用于广播电视。

数字压缩图像和非压缩图像比较还是有一些缺点的，比如：1）数字压缩图像在高速度变化时，某些图像信息会丢失。此外，数字压缩图像如果在传输中发生误码，接收端还原出来的图像质量要受很大影响，即存在压缩编码特有的误码扩散问题。2）由于压缩编码取消了行、场消隐信号，这使得要利用行、场消隐期间来传送信息的设备成为不可能。

八、数字视频广播标准

由于高清晰度电视（HDTV）的成本太高等因素，世界各国在实现HDTV之前，为了使数字视频及其相关的交互式业务在世界范围内统一，采取了广播电视质量介于模拟电视和HDTV之间的数字视频广播（DVB，Digital Video Broadcast）标准。这些标准由数字视频音频委员会（DAVIC）制订，该组织是一个跨国界、跨行业的国际组织，已有300多个成员，遍布30多个国家。目前，基于DVB标准的各种数字视频广播系统已经开始在欧洲、美洲、亚洲、非洲和澳洲运营，以后将进入一个更加广泛的实施、扩充阶段。卫星、微波、有线电视和地面广播等多种媒体都遵照数字视频广播标准，这对设备研制、生产、有线电视业者和用户都很重要。比如合乎标准的数字用户终端，将导致设备制造商和供应商的竞争，给用户带来价格和质量上的好处。现在，市场上已有Philips、NDS、ScintificAtlanta、Thomson等公司生产的DVB产品面世。

DVB标准的核心内容是在信源编码、视音频压缩和复用部分采用了MPEG标准。而在信道编码和调制部分制订了一系列标准，采用RS（Reed Solomon，里德——索罗门）前向纠错码和卷积纠错码，根据不同的媒体选择相应的调制方式和信道编码。这些标准包括：

DVB-S：用于卫星电视广播，采用11/12GHz频段。

DVB-C：用于有线电视广播。

DVB-PI：用于DVB与有线电视前端和SMATV前端接口。

DVB-T：用于地面开路电视广播。

DVB-TXT：用于数字电视图文系统。

DVB-SI：用于服务信息系统。

DVB-MC：用于多点微波分配系统（MMDS），采用10GHz以下频段。

DVB-IRDI：综合接收解码器（IRD）接口。

还有其他标准，例如DVB测试（DVB-M）、加扰和有条件接收接口（DVB-CA）。

DVB正在完善的标准包括交互式电视系统标准（DVB-I）、交互系统网络协议（DVB-NIP）、交互系统中有线电视（CATV）和公共电话交换网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）的频道标准、DVB和SDH及ATM的接口标准。

DVB标准不仅适用于现在的数字电视，将来还可用于高清晰度电视（HDTV），其比特率需达到60Mb/s。而低清晰度电视只需4Mb/s，标准清晰度电视为15Mb/s。

DVB系统如图6所示，先采用MPEG-2数据压缩方式实现电视图像的频带压缩，电视伴音则常常采用MPEG-1数据压缩方式，然后根据DVB的信道编码标准实现电视图像信号的低误码率传送。

图6 数字电视广播系统示意图

MPEG-2编码属于信源编码，它主要规定了数字信号的压缩和复用。例如帧间和帧内运动补偿（去掉时间冗余）、离散余弦变换（组织信息内容）、可变长游程编码（去掉信息冗余）。

在复用方面规定了视频、音频数据流的复用方式、同步方式、数据包组成（188个字节）。

对于500线普通水平清晰度的电视图像，如果采用一般的数字编码，其采样频率和传送码速率如表4，如果采用MPEG-2压缩编码，压缩比12-62时，码速率仅为2-10Mb/s。

1、DVB-S卫星数字电视

卫星数字电视广播的信源部分见图7所示。多路音频A、视频V，或数据信号先经过MPEG-2数字编码压缩器，将200Mb/s以上的速率压缩到6Mb/s以下，多路被压缩的MPEG-2数据流送入数字多路复用器混合，得到1路比6Mb/s高得多的MPEG-2数码流，最后送入信道编码部分。如果需要对电视节目加扰，可将电视加扰信号送入复用器。图中的MPEG-2数字编码压缩器主要技术性能如下：

输入信号 PAL（或NTSC ）复合模拟信号，视频、音频模拟信号；

分辨率 CCIR601到SIF；

宽高比 4：3，16：9；

比特率 1.5—15Mb/s，可变；

输出 E-1、E-3、DS-3、OC-3、ATM可选，2个串行输出口，1个并行输出口。

数字多路复用器主要技术性能如下：

输入信号 4路，RS232或RS422数据流（600—19200b/s），Ethernet码流（2.1Mb/s）,电视加扰信号;

输出 可与QPSK或QAM调制器连接，可再次送入复用器，有2个MPEG-2码流输出口，E-3、DS-3、OC-3、ATM可选。

图7 DVB-S信源编码方框图

DVB-S卫星数字电视的信道编码主要使用卷积码、RS码等编码方式，调制方式为QPSK调制，输出70MHz中频，最后上变频到卫星频道，如图8（a）所示。

图8（b）是接收端的信道解码方框图，与图8（a）相反，输出的是MPEG-2数码流。

接收卫星数字电视的综合接收解码器（IRD）由MPEG-2解码器和信道解码器组成，它必须同时合乎DVB-S标准和MPEG-2标准。

图8 DVB-S系统方框图

QPSK调制器主要性能如表5。

2、DVB-C有线数字电视

由于有线电视信号在同轴电缆和光纤中传输，受外界干扰小，DVB-C规定使用QAM调制方式。信道编码和调制主要内容有：1）频谱扩散。在数据流中加入伪随机序列，其频谱如白噪声的频谱。2）采用RS编码。在数据包的188个字节上加16个保护字节，用来进行前向纠错。3）比特交织编码。深度12字节，用来纠正突发错误。4）QAM调制。根据传输环境，可采用16-QAM、3-2QAM、64-QAM、258-QAM。传输距离远、噪声较大的系统采用低速率的16-QAM、3-2QAM，反之采用高速率的64-QAM、258-QAM。比如64-QAM在8MHz带宽内传输速率达38.5Mb/s。5）平方根奈奎斯特滤波器。滚降率15%，以兼顾频道利用率和非线性失真。M-QAM数字调制器主要技术性能见表6，M=16，32，64，128，256。

有线数字电视前端如果信号源是录像机AV输出，用MPEG-2编码压缩器转换成数据流；如果是卫星模拟电视，经过高频头、卫星接收机输出AV信号，用MPEG-2编码压缩器转换成数据流，多路数据流经数字多路复用器混合成MPEG-2码流，采用QAM调制，输出中频36MHz或44MHz，再上变频到有线电视频道。如果是卫星数字电视，经过高频头下变频后送入QPSK-QAM调制转换器，（QPSK-QAM调制转换器主要技术性能见表7），将QPSK转换为QAM调制信号，再通过上变频器上变频到有线电视频道。最后将多路有线电视频道混合送入电缆网络或者光发送机，也可以送入宽频带微波发射机。

3、DVB-T开路数字电视

在开路模拟电视频段（UHF、VHF），由于建筑物、高山的多次反射和各种噪声干扰，使开路电视的质量不高，并且频率资源严重不足，为此有必要改进为开路数字电视。开路数字电视系统由MPEG-2编码压缩器、前向纠错（FEC）、正交编码频分复用器（COFDM）、数字调制器、上变频器组成，最后输出频段仍然是UHF、VHF各个频道，如图9所示。除了MPEG-2编码压缩器、前向纠错与卫星数字电视和有线数字电视相同外，正交编码频分复用器是开路数字电视的特点。这些特点有：（1）在频域上采用多载波方式，有2000个或8000个载波。（2）在时域上将数字基带信号分成若干区段去调制多个载波。（3）构成DVB-T的某一发射网络的所有发射站，通过全球定位系统（GPS）被锁定在某个精密频率上，使所有发射机使用同一频率，在同一时间发射同一比特信息。

图9 开路数字电视广播系统方框图

开路数字电视可以采用QPSK调制，也可以采用QAM调制，其输出上变频后送入发射天线向空间发射。

九、主要网络标准

信息传输包括传送、交换和接入3部分，CATV是未来信息传输的宽带接入部分，也可能成为完全的信息传输网络。宽带接入网络适用于传送模拟和数字业务，如电话、有线电视、数据（会议电视、HDTV、电视购物）等等。为了与其他信息传输网络连接，CATV也必须符合统一的网络标准，考虑到有线电视网络未来接入国际互联网或者广域网，现对几种主要网络标准与规范做出如下简单介绍，其中，传输和接收数字电视也离不开这几种主要网络标准。

在局部范围内（如1个企业、1个大厦、1个大饭店内）把多台计算机连接起来互相通信，以共享硬件资源和数据信息的网络称为局域网（LAN，Local Area Networks）。当前世界上最多的LAN是以太网（Ethernet，局域网的一种），以太网标准是IEEE802.3系列中的多个标准，包括10BASE、100BASE、1000BASE等多种，它们成功地解决了计算机连接口、连接介质和信息传输等问题。由于信号在线路上的损耗，各种LAN技术都限制了局域网的覆盖范围，如10BASE5最大传输距离500m；10BROAD36适用于有线电视电缆传输，最大距离3600m，传输速率最高可达到10Mb/s。为了实现计算机的远距离连接，又制订了广域网WAN（Wide Area Networks）标准，包括X..25、帧中继、ATM、IDSN、SDH等标准（或协议），主要采用高速调制解调器和数字用户线路（DSL）来传输信号，并采用专用计算机来处理和传送信号给本地多媒体计算机。

1、国际互联网（因特网）协议

为了把不兼容的WAN和LAN互连而成为国际互连网，需要统一的国际标准，以协调符合各自网络标准（或协议）的软件和硬件的运行。这些标准中主要的两个是传输控制协议TCP（Transimission Control Protocol）和网际协议IP（Internet Protocol），合称为传输控制/网际协议（TCP/IP）。IP网络比起其他网络有下述特点：对子网的特定协议有高度独立性，子网之间也有较强的独立性，子网对用户特定协议有高度独立性。因此，IP的子网可以是以太网、帧中继、ATM等各种网络。

IP是无连接操作协议，TCP是面向连接的协议。无连接操作指在数据传输前，用户和网络间不建立逻辑连接，每个数据单元都作为一个独立的单元传输。因此，数据单元可以采取不同的路径以避开网络中的故障节点和拥塞节点。面向连接操作指在数据传输前，用户和网络间首先建立起一个逻辑连接，然后通过逻辑连接传输数据单元，这些数据单元之间保持着某种关系。由于IP数据单元的头信息较长，“位”的开销大，并且不支持（或很少支持）顺序控制和确认功能，用户数据可能会丢失、重复甚至顺序颠倒。传输控制协议TCP却能解决这些问题，它能很好地完成可靠性控制、流量控制、顺序控制等任务，所以TCP和IP联系非常紧密，以致于把TCP和IP紧接在一起，成为TCP/IP协议。

大家所熟悉的电子邮件（E-mail）、文件传输（FTP）、远程登录（Telnet）等协议也符合TCP/IP，是TCP/IP的应用层协议。

2、准同步数字体系

目前在电信网络中有许多地方采用准同步数字体系（PDH），PDH有1.544Mb/s和2.048Mb/s两种速率，是对64Kb/s电话频道按等级编组的一套数字传输码流规范。它主要为话音业务设计，也可服务于视频传输。

准同步数字体系（PDH）缺点有：（1）只有1.544Mb/s和2.048Mb/s两种基群信号采用同步复用，其余高速等级采用异步复用。为了取出或者插入一个数据流，必须在大范围内进行多路复用和多路解复用，调整码速率。（2）主要是点对点连接，多路复用的结构使得其他节点出现故障后很难改线传输，也难于测量网络性能和管理远地网络单元。（3）没有足够的带宽。（4）在世界范围内存在几种相互独立的地区性标准，难以实现国际互通。

随着信息社会的发展，准同步数字体系已不能满足需要，因此，现在信息传输大量采用同步数字体系。

3、同步数字体系

同步数字体系（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）由若干基本网络单元组成，是一个将复用、传送、交换、网络管理融为一体的多用途信息网络，它的核心是同步复用、信息结构、分插和交叉连接、统一的光接口，具有全世界统一的网络节点接口，如64Kb/s电话节点、宽带交换节点。同步数字体系不仅适用于光缆，也适用于微波和卫星传输；不仅适用于长途网，也适用于中继和接入网；不仅与PDH完全兼容，并可接入异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）、宽带综合业务数字网络（B-ISDN）、同步光纤网络（SONET，Synchronous Optical Network）传送的信息。

SDH的信息结构分成若干标准等级，称为同步传送模块STM-1，传送速率为155.20Mb/s；4个STM-1同步复用构成STM-4，传送速率为4×155.20Mb/s=622.080Mb/s；4个STM-4(或16个STM-1)同步复用构成STM-16，传送速率为4×622.080Mb/s=2488.320Mb/s；依次类推，得到STM-64……。SDH有强大的网络管理系统，可进行性能监视、网络维护、实现不同的公司设备互通等功能。

数字同步体系SDH的视频音频编码器能够接收基带信号，而中频图像、扰频图像，以及按MPEG-2压缩后再进行多路复用和调制的图像信号则不能够直接输入SDH的视频音频编码器。因此，要在SDH网络分配点加入机上变换器和加扰器等设备。各个公司生产的SDH设备虽然接口相同，但是编码器、解码器的编码方式为各个公司专用，不能够兼容，所以不容易在一个系统中混合使用。

从使用方面来看，SDH与PDH存在以下差别：（1）速率不同。PDH有2Mbps、18Mbps、34Mbps和140Mbps（相当于1920条话路）几种；SDH有155Mbps、1440Mbps、2488Mbps和9953Mbps几种。（2）复用方式不同。PDH复用是一级一级往上复用或者往下解复用，比如先将4个2Mbps信号复用为一个8Mbps，4个8Mbps复用为一个34Mbps，4个34Mbps复用为一个140Mbps；反之，解复用逐级往下进行。SDH复用则是一次完成，从2Mbps一步就复用到155Mbps，反之，从155Mbps分离出2Mbps信号。（3）光接口标准不同。P DH设备光接口标准各个公司不统一，所以各个公司设备必须经过光电、电光转换，从而增加大量设备。SDH统一了光接口标准，不同地区的光信号无需进行光电转换。（4）PDH没有足够的信道来集中管理和调度全部网络；SDH有足够信道来存放网络管理信息。SDH可实现高速大容量数字传输、远距离可视电话、交互式电视、远距离医疗诊断等。

但是，SDH有一些缺点，如频带利用率没有PDH高、抖动性能差、软件权利过大等。

4、异步传输模式

异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）是实现宽带数字综合业务的网络标准，采用高速虚拟电路导向的信元交换方式，其中每一个信元都是固定的53bit长度，前5bit用来说明目的地址，其他48bit表示信息。这种方式可以有效地减少信息传递过程的延迟及不规则延迟，因此ATM异步传输模式适合于对时间敏感的各种信息传递，例如语音、电视视频和多媒体信息。它的传输速度有一个很大的范围（ATM的可调节频带宽度为64Kbps——622Mbps），未来将会达到每分钟10亿位（Gigabit）的速度。可根据不同需要动态分配带宽，为了适应不同要求的传输速度，对视频、音频、数据采取分级传输方式，可应用于局域网，也可以应用于广域网。此外，ATM还可直接延伸到桌上型电脑，以便让应用软件发挥ATM的多种功能。

ATM兼具电路交换系统和包交换系统。电路交换系统虽然可以保持一定频带宽度和时间延迟，但是频率资源无法共享。初期电话交换系统每次通话时，都必须在发话方和受话方中间建立一条专门的线路，在同一时间内，只能有一对使用者，即使线路处于空闲状态，其他用户也无法分享。后来的时分多工技术为每一个用户划分出一个特定时隙来传输数字语音，但这个时隙也具有严格的专属性，即同一时间内，其他用户也无法分享。因此，电路交换系统使得频率资源大量浪费。随着计算机技术飞速发展，另一种语音数字传输技术开始兴起，这就是包交换技术。用户传送的信息被切割成长短不一的片断，每一片断包含有地址信息，以信息包的形式在网络上流动。目前，许多公司已经开发出很多ATM产品，例如：25M/100M网络卡、ATM集线器、局域网模拟程式、ATM广域网交换器等等。这些产品将为在大范围内实现影视点播、远距离教学和多媒体服务打下了坚实基础。

我国电信部门由于历史原因，在广域网上运行有多种不同协议或标准的设备，如符合DDN（数字数据网）、X.25、ATM、帧中继、ISDN、ChinaNet、169网等平台的设备。为了兼顾这些设备，电信公司不得不发展支持多协议、多业务的网络技术，这就是在ATM基础上的标记交换（MPLS标准）技术，它既支持IP，又支持多协议、多业务的路由交换机，他们正在建设FTTSA（Fiber to the Service Area，光纤到服务区），而FTTH（Fiber to the Home，光纤到家）则是未来发展的目标。在省会之间构成1级环网，地市之间构成2级环网，第3级则是县和县以下构成星形网络。在服务区内是对称的高比特速率数字用户线（HDSL），上、下行传送速率2Mb/s左右，双向传输，作局域网。或者采用非对称数字用户线（ADSL），下行传送速率2-8Mb/s，双向传输，上行传送速率160-640Kbps。

我国有线电视网络（包括数字微波）采用的是SDH来实现全省联网，其中主要设备有用于点播的视频服务器、电缆调制解调器、路由器（Router）、数字局端机（HDT）和用户接口单元等。而各个有线电视台可采用10/100/1000Mbps以太网和G位路由交换机来建设宽带IP城域网，在SDH网络上运行IP，进而在光缆网上运行IP，实现以IP为基础的全国联网。如果采用密集波分复用（DWDM）技术，还可扩展带宽。

由于我国大多数有线电视台已经建成光缆电缆混合网，在其光缆干线部分，都有多余的光纤，一般是2芯以上（网络设计时的备用光纤，所以完全可利用这些多余光纤来建设宽带IP网。现在已推出了一种交互式数字视频网络（SDV），它包含了数字节点和模拟节点，既可与电信网连接，又可与现有的有线电视网连接。