AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視中的應(yīng)用

文/羅通

1. AVS+技術(shù)概述

我國數(shù)字化建設(shè)發(fā)展達(dá)到一定程度后，需要在原有建設(shè)基礎(chǔ)上對設(shè)備技術(shù)體系進(jìn)行優(yōu)化升級，采用功能更加強(qiáng)大、性能更加穩(wěn)定的編解碼技術(shù)，以提供穩(wěn)定的數(shù)字電視和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)支持。在數(shù)字音視頻建設(shè)方面，必須強(qiáng)化自主研發(fā)，而AVS+技術(shù)則屬于這種形式。通過自主研發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可對我國的數(shù)字電視和數(shù)字地面應(yīng)用產(chǎn)生巨大的支持作用。隨著該技術(shù)的不斷優(yōu)化完善，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步推廣地面數(shù)字電視建設(shè)，近年來，國家加大相關(guān)領(lǐng)域的投入，通過制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范相應(yīng)的建設(shè)。

2012年7 月頒布的《廣播電視先進(jìn)音視頻編解碼第1部分：視頻》中對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步明確，該標(biāo)準(zhǔn)就是AVS+技術(shù)的實(shí)施規(guī)范。之后發(fā)布的《廣播電視先進(jìn)視頻編解碼（AVS+）技術(shù)應(yīng)用實(shí)施指南》中，強(qiáng)調(diào)了“快速推進(jìn)、平穩(wěn)過渡、增量優(yōu)先、兼顧存量”的建設(shè)指導(dǎo)原則，將AVS+技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋衛(wèi)星、IPTV、地面數(shù)字電視、有線電視等多個(gè)領(lǐng)域，并明確了具體建設(shè)應(yīng)用的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。自2014年7月，AVS+技術(shù)應(yīng)用在高清電視等領(lǐng)域的建設(shè)全面開始，這極大地促進(jìn)了我國信息化社會的建設(shè)，對整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會全面建設(shè)都有非常重要的推動作用。

2. AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視中的應(yīng)用

數(shù)字化建設(shè)不僅要覆蓋城市地區(qū)，對于一些較為分散的區(qū)域，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電視服務(wù)，就需要借助衛(wèi)星等傳播方式，將數(shù)字信號進(jìn)行有效通信，使得這些地區(qū)也可以使用數(shù)字終端設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)生活活動。從其現(xiàn)實(shí)的影響來看，對于我國這樣一個(gè)幅員遼闊、地形復(fù)雜的國家來說，有著非常重要的價(jià)值和意義。國家加大相關(guān)方面的投入，不僅出于對地面數(shù)字電視等應(yīng)用領(lǐng)域的考慮，也包括未來的高質(zhì)量信息化建設(shè)，都需要在相關(guān)方面加強(qiáng)，這是必然的趨勢。

2.1 AVS+技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

地面數(shù)字電視只是AVS+技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)榈孛鏀?shù)字電視信號傳輸采用單向廣播式模式，相比其他通信技術(shù)來說實(shí)現(xiàn)更為容易一些。但對于數(shù)字電視來說，最重要的性能就是要保證數(shù)據(jù)的容量和傳輸質(zhì)量，這對于信息的編解碼技術(shù)有著非常具體和更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，與目前在用的有線數(shù)字電視以及衛(wèi)星電視相比，其在播放和傳輸性能表現(xiàn)上優(yōu)勢非常顯著。目前，因?yàn)锳VS+技術(shù)應(yīng)用相關(guān)建設(shè)程度不夠，導(dǎo)致在頻率資源方面非常稀缺，但其優(yōu)勢體現(xiàn)在對于確定地域和群體市場上的業(yè)務(wù)，尤其是移動電視領(lǐng)域有非常突出的應(yīng)用優(yōu)勢。該技術(shù)形式涵蓋的范圍非常廣泛，地面電視徹底實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的難度較為突出，加之之前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題，使得整個(gè)建設(shè)與實(shí)際需求上有較為嚴(yán)重的滯后。

AVS+技術(shù)是基于AVS技術(shù)發(fā)展而來，而AVS技術(shù)屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對于國家在相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)有著極為重要的戰(zhàn)略性價(jià)值。對于信息傳輸來說，編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有著尤其重要的價(jià)值，擁有自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，就可以不受制于人，在系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以有更多的發(fā)揮空間和自由度。隨著應(yīng)用范圍和領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，該技術(shù)規(guī)范的影響力會越來越大，包括對系統(tǒng)的升級和優(yōu)化，可以按照我國自己的節(jié)奏和步調(diào)完成，不必害怕中間存在技術(shù)漏洞和隱患問題。目前，AVS+技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是國際電信聯(lián)盟認(rèn)可的三大視頻標(biāo)準(zhǔn)之一，是我國力主推動的數(shù)字電視視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，并在多個(gè)國家的廣電建設(shè)領(lǐng)域得到非常充分的開發(fā)和應(yīng)用。借助該項(xiàng)技術(shù)，我國從被動的數(shù)字視聽技術(shù)接受國變?yōu)檩敵鰢?，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也逐漸由大變強(qiáng)，在整個(gè)技術(shù)創(chuàng)新過程中發(fā)揮著更加重要的支撐作用。

2.2 AVS+技術(shù)的工作原理

2.2.1 AVS+技術(shù)框架設(shè)計(jì)

從具體的技術(shù)角度來看，AVS+技術(shù)相比于MPEG技術(shù)，在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)上均選擇了混合編碼的框架設(shè)計(jì)，在該技術(shù)框架內(nèi)，整合了數(shù)據(jù)信息的量化變換、熵編碼、幀內(nèi)與幀間預(yù)測、環(huán)路濾波等功能單元模塊，這些模塊的功能發(fā)揮對于目前主流的視頻和音頻內(nèi)容有很好的兼容性效果，是主要技術(shù)路線的穩(wěn)定保障。與MPEG技術(shù)模式不同的地方，AVS+技術(shù)在一些優(yōu)化技術(shù)方面進(jìn)行了更多的創(chuàng)新和發(fā)展，這些創(chuàng)新技術(shù)可以提供低復(fù)雜背景下滿足高性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與國際通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有很好的相當(dāng)性，并具備了因自主知識產(chǎn)權(quán)所帶來的框架優(yōu)勢。

在AVS+技術(shù)應(yīng)用中，其具有典型特征的核心框架設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容涵蓋了多個(gè)方面：幀內(nèi)預(yù)測、整數(shù)變換、數(shù)據(jù)量化處理、精度像素插值處理、幀間預(yù)測運(yùn)動補(bǔ)償功能、二維熵編碼功能、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波功能等。通過這些框架功能的定位，AVS+技術(shù)對用于視頻處理的I幀、P 幀和B幀三種類型圖像的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義，通常I幀宏塊采取定義方式為幀內(nèi)預(yù)測，而P 幀及B幀則要同時(shí)完成幀內(nèi)及幀間的預(yù)測。完成這些預(yù)測算法后，需要對殘差整數(shù)變換同時(shí)進(jìn)行數(shù)字量化，并比照量化標(biāo)準(zhǔn)完成相應(yīng)的掃描任務(wù)，通過掃描獲取一維模式的排列系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量化系數(shù)的熵編碼功能。采用AVS+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的視頻量化以及格式轉(zhuǎn)換功能的完成需要通過采用加減移位方式進(jìn)行計(jì)算操作，此時(shí)只需確保16位的計(jì)算精度就能夠滿足算法和功能需要。在框架設(shè)計(jì)中，還要考慮AVS+技術(shù)的視頻標(biāo)準(zhǔn)圖像濾波問題，為此，需要采用環(huán)路濾波器作為圖像創(chuàng)建的基本過濾單元，將圖像中存在的噪聲干擾和方塊效應(yīng)進(jìn)行有效消除，通過這種設(shè)計(jì)和算法的使用，能夠有效改善圖像質(zhì)量，同時(shí)，還可以最大程度地提升編碼運(yùn)行的質(zhì)量和效率。

2.2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源部分是整個(gè)AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最基本的功能單元，是確保系統(tǒng)中的中央處理器以及數(shù)字處理單元對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理的基本保證。隨著系統(tǒng)的功能整合程度更加深入，同時(shí)對設(shè)備用電的穩(wěn)定性要求也在持續(xù)提升，電源模塊的重要性更加凸顯，對其最大的設(shè)計(jì)要求是輸出電流穩(wěn)定性和電壓波峰數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)上。在針對AVS+技術(shù)系統(tǒng)的地面數(shù)字電視應(yīng)用的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了采用更加精巧和低電容大容量的硬件設(shè)計(jì)外，AVS+技術(shù)的應(yīng)用可以引入熱設(shè)計(jì)質(zhì)量更高的電源系統(tǒng)，其還可以實(shí)現(xiàn)電壓輸出波動性更小，且恢復(fù)周期更短的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)方式的采用，能夠有效解決模塊快速響應(yīng)和動態(tài)控制的需求，這一特點(diǎn)更加適合較大電流和較低電壓的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2.3 AVS+技術(shù)應(yīng)用工作流程

對于滿足閉環(huán)式AVS+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的功能系統(tǒng)而言，其功能配置需要提供一些基本元件，主要包括三部分：一是內(nèi)置于系統(tǒng)主板上數(shù)據(jù)處理器的電源控制模塊APC；二是集成了PWI功能的從屬器管理單元模塊；三是完成連接功能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€。這些功能單元各自發(fā)揮作用，形成系統(tǒng)總體功能的優(yōu)化和完善。具體來說，其功能的實(shí)現(xiàn)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵的步驟。

一是信息采集。系統(tǒng)所采集的信息與負(fù)載情況密切相關(guān)，通過獲取這些信息計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)計(jì)算過程由系統(tǒng)專用軟件自動完成，硬件設(shè)備也在這個(gè)過程中起到有效的支撐作用。軟件功能的有效發(fā)揮，需要與操作系統(tǒng)形成良性的兼容關(guān)系，通過函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序的調(diào)用，并對調(diào)用次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和記錄，根據(jù)不同的算法衡量系統(tǒng)各種硬件設(shè)備的工作狀態(tài)。中央處理器完成數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理功能，對負(fù)載使用情況和性能發(fā)揮進(jìn)行有效預(yù)測，比如Freecscale中集成的軟件系統(tǒng)i.Mx3.1，利用對核心單元信號的采集，判斷Cache、總線和內(nèi)存等資源的利用狀態(tài)。信息的采集功能可以提供計(jì)算功能的完整性和精確性，同時(shí)還可以降低對中央處理器的資源占用負(fù)擔(dān)，在進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)流處理時(shí)可以發(fā)揮出良好的性能優(yōu)勢。

二是需求預(yù)測。預(yù)測和預(yù)判是提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的常用設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)確高效地進(jìn)行預(yù)測需要系統(tǒng)的應(yīng)用軟件完成高質(zhì)量的數(shù)據(jù)整理和處理功能。具體來說，需要對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的各功能單元情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果以及正常情況預(yù)測整個(gè)系統(tǒng)接下來的性能表現(xiàn)，根據(jù)預(yù)測情況及時(shí)調(diào)整資源調(diào)用相關(guān)程序，形成預(yù)操作等步驟，最終提升系統(tǒng)的總體運(yùn)營水平。

3. AVS+在地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 AVS+技術(shù)地面數(shù)字電視應(yīng)用方案

AVS+技術(shù)用于地面數(shù)字電視系統(tǒng)，其實(shí)際的應(yīng)用方案選擇大致有三種，在這三種應(yīng)用方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用AVS+技術(shù)的源壓縮解碼不存在中間進(jìn)行系統(tǒng)解碼的過程。AVS+編碼壓縮架構(gòu)技術(shù)也可以與MPEG-2/H.264及MPEG-2格式進(jìn)行配合，而AVS+技術(shù)需要在過程中進(jìn)行解碼。通過這些設(shè)計(jì)，可以確保該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的充分兼容性，是系統(tǒng)設(shè)備必須考慮的一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。

3.1.1 源端編碼及終端解碼應(yīng)用方案

在該應(yīng)用方案中，AVS+技術(shù)實(shí)現(xiàn)了端到端的編解碼功能，系統(tǒng)在源端的信號輸出采用AVS+編碼技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，而在地面數(shù)字電視的應(yīng)用端再通過AVS+技術(shù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作。整個(gè)過程中都采用AVS+編碼數(shù)據(jù)流，因此無需進(jìn)行中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換和解碼操作。在地面數(shù)字電視接收端，所有電視節(jié)目都需要利用SDI端口進(jìn)行接收，并將接收到的音視頻信息輸送至AVS+編碼器。而AVS+編碼器完成電視節(jié)目的編碼，通過通訊接口輸出數(shù)據(jù)流，該輸出格式為TS形式，再利用ASI接口傳輸給復(fù)用器。在此過程中，相關(guān)的業(yè)務(wù)信息經(jīng)由發(fā)生器將節(jié)目信息傳給復(fù)用器，復(fù)用器完成數(shù)據(jù)選擇的優(yōu)化處理，繼續(xù)將節(jié)目數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)制器，TS數(shù)據(jù)流經(jīng)充分調(diào)制完成數(shù)據(jù)輸送任務(wù)；最后，經(jīng)由AVS+解碼器對接收的信號實(shí)施調(diào)制和解碼等操作，在電視上輸出節(jié)目內(nèi)容。

3.1.2 AVS+源端編碼應(yīng)用方案

該方案的設(shè)計(jì)采用在源端進(jìn)行AVS+技術(shù)的編碼，整個(gè)輸送過程中的信號前端采用AVS+壓縮格式，而在終端接收設(shè)備的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)則采用MPEG-2/H.264格式進(jìn)行接收和處理。該應(yīng)用方案需要在中間環(huán)節(jié)對傳輸?shù)男盘枌?shí)施轉(zhuǎn)碼操作，以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息的有效控制需要。地面數(shù)字電視節(jié)目數(shù)據(jù)信息經(jīng)過有效的調(diào)制后被直接傳輸給接收機(jī)完成數(shù)據(jù)的解調(diào)操作，完成解調(diào)后再送至轉(zhuǎn)碼器，將數(shù)據(jù)中TS格式的信號利用ASI接口完成轉(zhuǎn)碼操作。進(jìn)行轉(zhuǎn)碼時(shí)，系統(tǒng)會按照MPEG-2或H.264格式對節(jié)目內(nèi)容中的音視頻信息重新進(jìn)行編碼。經(jīng)過該環(huán)節(jié)，可以使節(jié)目流轉(zhuǎn)為另外格式的編碼信號，經(jīng)轉(zhuǎn)碼后形成的數(shù)據(jù)流格式為MPEG-2或H.264，該格式可以在用戶終端處進(jìn)行直接使用。

3.1.3 源端MPEG-2編碼應(yīng)用方案

該應(yīng)用方案利用源端MPEG-2編碼，在終端則采用AVS+格式進(jìn)行接收，節(jié)目信號進(jìn)行傳輸過程中需要轉(zhuǎn)碼節(jié)目信號。這些節(jié)目信號利用SDI接口進(jìn)一步送給MPEG-2編碼器，經(jīng)ASI接口再將節(jié)目信息傳輸至復(fù)用器。在此過程中，業(yè)務(wù)信息發(fā)生器會自動生成數(shù)據(jù)流相關(guān)信息，并和MPEG-2編碼器信號一起送給復(fù)用器。此時(shí)，復(fù)用器的功能就是對接收信息優(yōu)化整合，之后這些數(shù)據(jù)傳遞給地面電視接收機(jī)完成數(shù)據(jù)解調(diào)，之后，數(shù)據(jù)信號經(jīng)ASI傳到轉(zhuǎn)碼器，利用轉(zhuǎn)碼器完成數(shù)據(jù)流的格式轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)格式變?yōu)锳VS+格式。利用有效的信道方式將節(jié)目信號流輸送給AVS+解碼器完成數(shù)據(jù)的解碼，最終在用戶電視上輸出高清電視節(jié)目。

3.2 AVS+技術(shù)的地面數(shù)字電視應(yīng)用范例

按照國家相關(guān)部門的計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2020年，我國全面實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)的地面數(shù)字電視廣播覆蓋，屆時(shí)地面模擬電視信號就可以全部停播。至目前，該項(xiàng)工作正有條不紊地進(jìn)行，就H省來說，通過AVS+技術(shù)架構(gòu)地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，有力地推動了該領(lǐng)域的全面建設(shè)水平。從地理上看，H省多丘陵高山，有線及網(wǎng)絡(luò)電視的覆蓋率較低。但因?yàn)樯鐣枰?，?dǎo)致近些年付費(fèi)無線數(shù)字電視得到較快發(fā)展，無線頻率應(yīng)用和管理都較為混亂，電磁環(huán)境非常惡劣，因此，地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)建設(shè)顯得非常必要。

H省地面數(shù)字電視網(wǎng)建設(shè)始于2013年，經(jīng)過1年時(shí)間基本完成大部分建設(shè)項(xiàng)目。在建設(shè)初期，編碼技術(shù)形式選用H.264編碼，利用18M帶寬承載16套標(biāo)清電視節(jié)目。但因?yàn)閷＠M(fèi)用過高，難以實(shí)現(xiàn)公益性發(fā)展無線數(shù)字電視的目標(biāo)?；诖?，選擇我國自主創(chuàng)新發(fā)展擁有知識產(chǎn)權(quán)的AVS技術(shù)編碼，但通過實(shí)際播放測試，對比播放效果發(fā)現(xiàn)，同樣編碼16套標(biāo)清電視節(jié)目，相比H.264格式，直觀觀看對比，采用AVS技術(shù)進(jìn)行編解碼的效果稍差一些。為解決播放質(zhì)量問題，H省相關(guān)建設(shè)單位通過2013年CCBN展會引進(jìn)滿足國家新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的廣州柯維新研制的AVS+技術(shù)編碼器。相同情況下，對包括H.264、AVS和AVS+在內(nèi)的三種應(yīng)用模式進(jìn)行對比，AVS+編解碼技術(shù)總體表現(xiàn)顯然最優(yōu)?；诖?，H省地面數(shù)字電視以AVS+技術(shù)為建設(shè)選擇。

結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前，我國正全面鋪開AVS+技術(shù)在地面數(shù)字電視系統(tǒng)等領(lǐng)域的建設(shè)，為此，國家廣電部門特別出臺相關(guān)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)計(jì)劃，對建設(shè)內(nèi)容和相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行明確。隨著這些項(xiàng)目建設(shè)的逐漸推進(jìn)，對我國的信息化建設(shè)有極大的促進(jìn)作用。AVS+技術(shù)是我國自主開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其在地面數(shù)字電視等領(lǐng)域的全面應(yīng)用不但有助于數(shù)字化建設(shè)的深度實(shí)施，而且促進(jìn)了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的推廣和發(fā)展，對于整個(gè)信息產(chǎn)品的發(fā)展都有較大幫助作用，并對我國的自主創(chuàng)新能力和社會全面建設(shè)具有較大的促進(jìn)作用。