有线数字电视的前端播出系统

2003-10-14 世界宽带网络

王晓涛

本文作者王晓涛先生，太原有线电视网络中心传输部工程师。

关键词: 播出系统 数字电视 MPEG-2

一 概述

数字电视是数字化信息技术革命的产物，它将传统的模拟电视信号经过量化和编码转换成由二进制数组成的数字式信号，然后对数字式信号进行各种功能的处理、传输、存储和记录。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术所不具备的新功能。电视技术在经历了从黑白电视到彩色电视的革命性转变后，已经进入了从模拟电视到数字电视的第二次革命。

数字电视必须实现从电视节目的摄制、记录、编辑、存储、播出、传输到接收的整个系统数字化，它是对现有电视广播系统的整体变革。具体到传输方式上，模拟传输是把信息作为连续不间断的信号处理。

数字传输是把信息作为离散的数值信号处理，即在振幅调制和频率调制这样的模拟传输方式中，通过载波的振幅和频率等参数与所发送信息量成比例的变化来实现信息的传输。而在数字传输方式中则是根据脉冲的有无来实现信息的传输，所以在传输中，数字信号比模拟信号抗干扰能力强。

二 数字前端的组成

数字电视广播不仅是电视广播信号的数字化，而且提供一种全新的业务平台。数字电视系统是一个规模巨大的系统工程，数字电视广播不仅能提高节目传送能力，还能够传送模拟电视广播不能传送的其它业务。从这个意义上来说，数字电视前端包括数字电视信源、中间件、准视频点播、编码复用、条件接收、用户管理、调制设备及网络管理设备。

本文单就数字电视信号在前端的形成、传输，来阐述数字电视前端的组成与特性。

1. 数字电视的信号源

数字电视的信号主要来源于数字卫星接收机、编码器和一些数字存储设备等。

数字卫星接收机输出标准的TS传输流信号，可直接送入传输复用器。编码器对模拟信号进行编码压缩处理后，输出标准TS信号。

2. 信源编码与编码器

模拟电视信号经过一系列的抽样、量化后形成数字信号，但这样的数字信号不太实用。

例如一路复合PAL制信号数字化后码率为177Mb/s，对存储器容量要求很大，占用的带宽也将达80MHz左右，这样将使数字信号失去实用价值，因此还需对上述信号进行压缩，压缩后的信号所占用的带宽大大低于原模拟信号的频带。

一般信息源产生的信号都包含信息的(时间、空间)冗余度，信源编码就是尽可能去除这种冗余度，并提供方法使接收端可以有效且高保真地恢复原始信息，这就是所谓的信源编码技术。

为了进一步提高图像压缩比，最大程度上减少时间冗余度，信源编码使用MPEG-2标准的编码方式，这种编码方式既采用了帧内编码，又采用了帧间编码，因此它的压缩效率较高。MPEG标准是一个由很多元素和功能构成的标准。

MPEG划分了不同的“Profile”和“Level”(档次和等级)，适用于不同的应用方面，对于专业视频应用而言，MPEG-2标准最常用的是主要档次(Main Profile)，并与主要等级(Main Level)联系起来使用，它给出的图像大小为720×576，数据率为15Mb/s，帧频为25帧/s(PAL制)。MPEG-2格式经常用档次和等级的缩写表示，如：MP[wang1]＠ML是指主要档次和主要等级，目前用于标准数字电视、卫星、电缆、广播的DVB标准就是用这一格式。

MPEG-2编码器就是将模拟音视频信号按照MPEG-2标准进行压缩编码，然后转换成数字传输流的一种设备。首先对模拟信号中象素的亮度、色度进行采样，然后将时间离散化的信号按一定的量化间隔，达成幅度离散化，最后以特定规则编码，形成数字信号，再经过压缩后用于传输。视频压缩算法采用MPEG-2标准，MPEG-1只提供逐行扫描，MPEG-2既提供逐行扫描又提供隔行扫描，适用于高清晰度和标准清晰度的压缩编码。

3. MPEG-2码流复用器

复用器是将MPEG-2编码器输出的TS流，或者数字卫星接收机输出的TS流以及数字电视系统中的其他数据信息进行复用处理，输出符合DVB/MPEG的传输流。

复用器通常有6输入口和8输入口，输出速率为符合下一级64QAM要求的38Mb/s。

4. 信道编码和调制设备

经过对模拟电视信号的数字变换、信源压缩编码、业务内容和业务数据拼接复用，形成符合MPEG-2系统层标准的传输流TS，由此完成数字电视播出信息流的集成，实现多路数字电视节目传送。

下一步是将这种信息流可靠而高效地通过网络向接收终端和其他网络转发节点传输，由信道编码和调制设备完成此项工作。

如上所述，按照MPEG-2标准的编码器对模拟视音频信号经过编码并经传输复用得到了TS传送码流，TS流是经过了高倍压缩后的数字电视信号，压缩编码大大节省了传输频道带宽，提高了频道利用率，但同时也付出了一个代价，即对传输干扰变得十分敏感。例如传输过程中的噪声干扰对模拟电视一般仅造成“雪花”干扰，但对数字电视则可能在恢复图像中造成大块的失真。压缩倍数越高，数字电视对传输干扰的抵抗能力就越弱，对传输可靠性的要求也就越高。

为保证数字信号可靠地在不同传输介质中传递，某些冗余度必须以受控制的方式增加到信号中，以便于传输误码的检测和纠正，这个过程就称为信道编码。信源编码的目的是去除冗余信息，提高信源的传输效率，而信道编码的目的是增加冗余信息，从而提高传输的可靠性，提高数字电视系统的抗干扰能力。

数字电视传输有三个主要的标准，它们分别是美国的ATSC、欧洲的DVB和日本的ISDB，其中DVB标准得到了最广泛的应用，我国也采用了DVB标准作为数字卫星电视、数字有线电视的传输标准。

DVB以MPEG-2标准的视音频码流作为统一信源，进行多流复用后，最后通过卫星、电缆及开路等不同媒介传输方式进行传输。

DVB标准的核心是：系统采用MPEG压缩的音频、视频及数据格式作为数据源；系统采用公共MPEG-2传输流(TS)复用方式；系统采用公共的用于描述广播节目的系统业务信息；系统的第一级信道编码采用前向纠错编码保护；调制与其它附属的信道编码方式由不同的传输媒介来确定；使用通用的加扰方式以及有条件接收界面。DVB-C (数字有线电视系统标准)以有线电视网作为传输介质，它具有16、64、256QAM等多种方式。采用64QAM正交调幅调制时，一个PAL通道的传送码率为38Mb/s。

DVB-C的信道编码和调制包括以下几个部分：

(1)基带接口：使数据与信号源格式相适配；

(2)数据随机化：根据MPEG-2帧结构对数据流进行随机化处理，使数据序列能量均匀分布；

(3)RS编码器：对已随机化的传送包和同步字节产生误码保护包，RS编码可有效纠正随机性误码带来的影响；

(4)卷积交织器：完成一个深度I= 12的误码保护包的字节交织，交织对突发型误码有较好的抑制能力；

(5)QAM映射：将交织器产生的字节变换成QAM符号，同时对每个符号的两个最高有效位进行差分编码；

(6)基带形成：将经过差分编码的m比特符号映射为I、Q信号，对I、Q信号进行升余弦平方根滚降滤波；

(7)QAM调制：对信号进行QAM调制，并通过中频IF和射频RF送到射频信道。

5. 网络管理系统

数字前端的复杂性、连续性使得模拟前端的监控手段远远不能满足其要求，数字电视系统对网络设备的管理提出了更新、更高的要求。

随着网络协议的丰富和完善，各厂商对DVB标准的支持，网管系统的内容和手段日益完善和强大，网管系统一般有设备管理、网络监控、信号控制几个方面。对前端所有设备，包括信号的接收、编码、复用、传送等部分，以及整个Cable网络中不同前端中的设备进行管理。

网管的基本功能有：

(1)性能管理，对网络设备的状态以及网络和网络单元的有效性进行评估和报告；

(2)故障管理，对网络及其运行环境的异常情况进行动态检测；

(3)配置管理，提供收集、鉴别、控制来自代理的数据，并将数据提供给代理；

(4)安全管理，提供保证运行中的网络安全；

(5)计费管理，提供测量网络中各种业务的使用数量并确定使用成本。

（全文完）