談數(shù)字視頻廣播特點

袁紅軍

（內(nèi)蒙古呼倫貝爾市根河市金河廣播電視中心，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

今天，盡管我們在家里仍然收看的還是模擬電視節(jié)目，但是節(jié)目制作棚里的設(shè)備已經(jīng)是數(shù)字化了，從節(jié)目制作棚到發(fā)射塔的信號傳輸也已是數(shù)字化了，沒有這些節(jié)目制作與傳輸?shù)臄?shù)字技術(shù)，我們的節(jié)目質(zhì)量是無法滿足的。當(dāng)你通過衛(wèi)星電視網(wǎng)、有線電視網(wǎng)或開路電視網(wǎng)觀看電視節(jié)目時，你已經(jīng)是位于數(shù)字電視傳輸?shù)淖詈笠粋€環(huán)節(jié)，這一個環(huán)節(jié)正在經(jīng)歷一場數(shù)字化革命，以達到電視節(jié)目的全數(shù)字化傳輸。在電視數(shù)字化的進程中，國際DVB組織(Digital Video Broadcasting)提出了全套的解決方案，這一方案涉及我們常用的傳輸媒介：數(shù)字衛(wèi)星電視(DVB-S)、數(shù)字有線電視(DVB-C)、數(shù)字開路電視(DVB-T)。

一、DVB音頻特點

DVB系統(tǒng)的音頻編碼使用MPEG-ILayerII笫二層音頻編碼，也稱作MUSICAM。音頻的MPEG-ILayerII編碼壓縮系統(tǒng)利用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應(yīng)，這一人體生理學(xué)效應(yīng)允許我們對于人耳不太敏感的頻率進行低碼率編碼，這一技術(shù)的采用可以大大地降低音頻編碼速率。MPEG-ILayerII音頻編碼可用于單音、立體聲、環(huán)繞聲和多路多語言聲音的編碼。

二、DVB視頻特點

對于視頻，國際上采用標準的MPEG-2壓縮編碼，MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)由一個大家族構(gòu)成，每一個系統(tǒng)之間都有兼容性和共同性，根據(jù)圖像清晰度的不同，它分成四種信源格式或稱“等級”(level)，從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度到高清晰度電視。除了根據(jù)圖像清晰度定義的“等級”以外，DVB視頻標準還定義了“檔次”(PROFILE)的概念，每一個不同的“檔次”(PROFILE)能夠提供構(gòu)成編碼系統(tǒng)的壓縮工具和壓縮算法。

（一）“檔次”(PROFILE)

目前在MPEG-2系統(tǒng)中存在5個“檔次”(PROFILE)，每一個“檔次”(PROFILE)都會比它的前一個“檔次”更加復(fù)雜、更加完善，提供更多的工具，同時其相對應(yīng)的設(shè)備的價格也更高。

“檔次”的最初級叫作簡單檔次(SIMPLEPROFILE)，隨后是主檔次(MAINPROFILE)，它比簡單檔次(SIMPLEPROPILE)增加了編碼雙向預(yù)測的功能，即：B-FRAMES，在使用同樣的碼流的情況下，它的質(zhì)量會更好，但算法更加復(fù)雜，使用的芯片更多。主檔次(MAINPROFILE)的解碼芯片，可以兼容解碼簡單檔次(SIMPLEPROFILE)的編碼，這種向下兼容性貫穿整個系列的“檔次”。

在主檔次(MAINPROFILE)之后，是信噪比可分級檔次(SNRSCALABLE)及空間頻譜可分級檔次(SPACILLYSCALABLEPROFILE)，這兩種“檔次”可以調(diào)整信噪比與碼流率關(guān)系，以及圖像清晰度與碼流率之間的關(guān)系，出于其編碼的復(fù)雜性以及接收設(shè)備價格昂貴問題，DVB標準目前不支持這兩種“檔次”。最高級的“檔次”是HIGHPROFILE，它不僅兼容前面的低極“檔次”，兼?zhèn)渌械墓δ?，而且可以進行多行同時編碼，而前面的“檔次”則是逐行編碼。

我們看到?jīng)]有壓縮的電視圖像碼流率非常高，占用帶寬太寬，不適用于傳輸，即使采用4:2:0格式，圖像碼流率也高達124.416Mb/s，MPEG-2的壓縮算法采用除去電視視頻信號的時間冗余和空間冗余的算法，使碼流率降到3～8Mb/s仍然獲得質(zhì)量清晰的圖像，使數(shù)字電視的傳輸成為可能。

（二）“等級”(level)

根據(jù)圖像節(jié)目源的清晰度由低到高的不同，DVBMPEG-2標準分成許多“等級”，最低的LOWLEVEL的清晰度是IU-R-BT、601號建議的四分之一，即：352×288×25幀/秒。MAINLEVEL是完全符合IU-R-BT、601號建議的標準，即：720×576×25幀/秒。HIGH-1440LEVEL采用了每行1440個采樣的方法。HIGHLEVEL采用了更高的每行1920個采樣的方法。

目前，在世界上最常用的MPEG-2標準是MP@ML，即：MAINPROFLE@MAINLEVEL，它是第一代數(shù)字有線電視和數(shù)字衛(wèi)星電視的基礎(chǔ)，節(jié)目提供者可以提供625質(zhì)量的節(jié)目，圖像的長寬比可以是4:3或16:9;至于碼流率，它是由節(jié)目提供者根據(jù)節(jié)目質(zhì)量來選定的，圖像質(zhì)量越高，所需碼流率越高，反之則越低。

三、MPEG-2碼流復(fù)用及服務(wù)信息

參照數(shù)字電視傳輸，音頻、視頻及數(shù)字信號首先經(jīng)過MPEG-2編碼器進行數(shù)據(jù)壓縮，通過節(jié)目復(fù)用器形成基本碼流(ES)，基本碼流經(jīng)過打包后形成有包頭的基本碼流(PES)。代表不同音頻、視頻信號的PES流被送入傳輸復(fù)用器進行系統(tǒng)復(fù)用，復(fù)用后的碼流叫作傳輸流(TS)，傳輸流中包括多個節(jié)目源的不同信號，為了區(qū)分這些信號，在系統(tǒng)復(fù)用器上需要加入服務(wù)信息(SI)，使接收端可以識別不同的節(jié)目。為了便于理解DVB傳輸系統(tǒng)的服務(wù)信息，我們對傳輸碼流的結(jié)構(gòu)進行粗略的介紹，傳輸碼流的長度定義為188個字節(jié)長。

每個傳輸流的前4個字節(jié)為字頭(Header)，字頭后面就是需要傳送的有用信息，包括音頻、視頻或數(shù)據(jù)信息，通常是184個字節(jié)長度，有時在有用信息(UsefulData)中插入一段適配區(qū)域(Adaptation Field)，用于補充長度不完整的傳輸流，放置解碼時鐘(PCR)。傳輸流的字頭是識別傳輸流的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)由32個比特組成。

DVB標準的傳輸系統(tǒng)分成信源編碼(SourceCoding)和信道編碼(Channel Coding)兩部分，信源編碼采用MPEG-2碼流。首先，對音頻和視頻進行節(jié)目復(fù)用，然后再將多個數(shù)字電視節(jié)目流進行傳輸復(fù)用。

信道編碼包括前向糾錯編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)和上下變額三部分。前向糾錯碼根據(jù)不同的傳輸媒介采用不同的組合。衛(wèi)星傳輸采用QPSK調(diào)制，有線傳輸采用QAM調(diào)制，開路傳輸采用COFDM調(diào)制或16VSB調(diào)制。

（一）DVB標準衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)DVB-S

數(shù)字衛(wèi)星電視的傳輸是為了滿足衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬及衛(wèi)星信號的傳輸特點而設(shè)計的。衛(wèi)星系統(tǒng)是一個單載波系統(tǒng)，如果我們將所要傳輸?shù)挠杏眯畔⒎Q為“核”，那么它的周圍包裹了許多保護層，使信號在傳輸過程中有更強的抗干擾能力，視頻、音頻以及數(shù)據(jù)被放入固定長度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進行信道處理，在衛(wèi)星系統(tǒng)中，信道處理過程包括：

1.首先進行同步字節(jié)的倒相，倒相字節(jié)的長度為每8個字節(jié)進行一次。

2.然后進行數(shù)據(jù)的能量擴散，數(shù)據(jù)隨機化，避免出現(xiàn)長串的0或1。

3.為每個數(shù)據(jù)包加上前向糾錯的R-S編碼，也叫作外碼。R-S編碼的加入會使原始數(shù)據(jù)長度由原來的188字節(jié)增加到204字節(jié)。

4.進行數(shù)據(jù)交織。

5.加入卷積碼糾錯，也稱內(nèi)碼，內(nèi)碼的數(shù)量可以根據(jù)信號的傳輸環(huán)境進行調(diào)節(jié)。

6.最后對數(shù)據(jù)流進行QPSK調(diào)制。

總之，傳輸系統(tǒng)首先對突發(fā)的誤碼進行離散化，然后加入R-S外糾錯碼保護，內(nèi)糾錯碼是可以根據(jù)發(fā)射功率，天線尺寸以及碼流率進行調(diào)節(jié)變化。舉例來講，一個36MHz帶寬的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器采用3/4的卷積碼可以達到的碼流率是39Mb/s，這一碼流率可以傳送5—6路高質(zhì)量電視信號。

（二）DVB標準有線傳輸系統(tǒng)DVB-C

數(shù)字有線電視采用與衛(wèi)星同樣的“核”，即MPEG-2壓縮編碼的傳輸流。由于傳輸媒介采用的是同軸線，與衛(wèi)星傳輸相比外界干擾小，信號強度相對高些，所以前向糾錯碼保護中取消了內(nèi)碼。調(diào)制方式改成64-QAM方式，有時也可以采用16-QAM，32-QAM或更高的128-QAM，256-QAM。對于QAM調(diào)制而言，傳輸信息量越高，抗干擾能力越低。在一個8MHz標準電視頻道內(nèi)，如果使用64-QAM，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為38.5Mb/s。

（三）DVB標準開路傳輸系統(tǒng)DVB-T

開路傳輸系統(tǒng)的標準是1998年2月批準通過的。第一個正式的開路傳輸系統(tǒng)于1998年初開始運營。MPEG-2數(shù)字音頻、視頻壓縮編碼仍然是開路傳輸?shù)暮诵摹Ｆ渌攸c是，采用COFDM調(diào)制方式，在這種調(diào)制方式內(nèi)，可以分成適用于小范圍的單發(fā)射機運行的2k載波方式，適用于大范圍多發(fā)射機的8k載波方式。COFDM調(diào)制方式將信息分布到許多個載波上面，這種技術(shù)曾經(jīng)成功地運用到了數(shù)字音、視頻廣播DAB上面，用來避免傳輸環(huán)境造成的多徑反射效應(yīng)，其代價是引入了傳輸“保護間隔”。這些“保護間隔”會占用一部分帶寬，通常COFDM的載波數(shù)量越多，對于給定的最大反射延時時間，傳輸容量損失越小。但是總有一個平穩(wěn)點，增加載波數(shù)量會使接收機復(fù)雜性增加，破壞相位噪聲靈敏度。

由于COFDM調(diào)制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許在單頻網(wǎng)中的相鄰網(wǎng)絡(luò)的電磁覆蓋重疊，在重疊的區(qū)域內(nèi)可以將來自兩個發(fā)射塔的電磁波看成是一個發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的迭加。但是如果兩個發(fā)射塔相距較遠，發(fā)自兩塔的電磁波的時間延遲比較長，系統(tǒng)就需要較大的保護間隔。

從前向糾錯碼來看，由于傳輸環(huán)境的復(fù)雜性，DVB-T系統(tǒng)不僅包含了內(nèi)外碼(OuterCode，InnerCode)，而且加入了內(nèi)外交織(OuterInterleave，InnerInterleave)。