談數字視頻廣播特點

袁紅軍

（內蒙古呼倫貝爾市根河市金河廣播電視中心，內蒙古 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目，但是節目制作棚里的設備已經是數字化了，從節目制作棚到發射塔的信號傳輸也已是數字化了，沒有這些節目制作與傳輸的數字技術，我們的節目質量是無法滿足的。當你通過衛星電視網、有線電視網或開路電視網觀看電視節目時，你已經是位于數字電視傳輸的最后一個環節，這一個環節正在經歷一場數字化革命，以達到電視節目的全數字化傳輸。在電視數字化的進程中，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：數字衛星電視(DVB-S)、數字有線電視(DVB-C)、數字開路電視(DVB-T)。

一、DVB音頻特點

DVB系統的音頻編碼使用MPEG-ILayerII笫二層音頻編碼，也稱作MUSICAM。音頻的MPEG-ILayerII編碼壓縮系統利用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應，這一人體生理學效應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視頻編碼系統由一個大家族構成，每一個系統之間都有兼容性和共同性，根據圖像清晰度的不同，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)能夠提供構成編碼系統的壓縮工具和壓縮算法。

（一）“檔次”(PROFILE)

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

“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)增加了編碼雙向預測的功能，即：B-FRAMES，在使用同樣的碼流的情況下，它的質量會更好，但算法更加復雜，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”可以調整信噪比與碼流率關系，以及圖像清晰度與碼流率之間的關系，出于其編碼的復雜性以及接收設備價格昂貴問題，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”，兼備所有的功能，而且可以進行多行同時編碼，而前面的“檔次”則是逐行編碼。

我們看到沒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仍然獲得質量清晰的圖像，使數字電視的傳輸成為可能。

（二）“等級”(level)

根據圖像節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，它是第一代數字有線電視和數字衛星電視的基礎，節目提供者可以提供625質量的節目，圖像的長寬比可以是4:3或16:9;至于碼流率，它是由節目提供者根據節目質量來選定的，圖像質量越高，所需碼流率越高，反之則越低。

三、MPEG-2碼流復用及服務信息

參照數字電視傳輸，音頻、視頻及數字信號首先經過MPEG-2編碼器進行數據壓縮，通過節目復用器形成基本碼流(ES)，基本碼流經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流被送入傳輸復用器進行系統復用，復用后的碼流叫作傳輸流(TS)，傳輸流中包括多個節目源的不同信號，為了區分這些信號，在系統復用器上需要加入服務信息(SI)，使接收端可以識別不同的節目。為了便于理解DVB傳輸系統的服務信息，我們對傳輸碼流的結構進行粗略的介紹，傳輸碼流的長度定義為188個字節長。

每個傳輸流的前4個字節為字頭(Header)，字頭后面就是需要傳送的有用信息，包括音頻、視頻或數據信息，通常是184個字節長度，有時在有用信息(UsefulData)中插入一段適配區域(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鍵，其結構由32個比特組成。

DVB標準的傳輸系統分成信源編碼(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目復用，然后再將多個數字電視節目流進行傳輸復用。

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

（一）DVB標準衛星傳輸系統DVB-S

數字衛星電視的傳輸是為了滿足衛星轉發器的帶寬及衛星信號的傳輸特點而設計的。衛星系統是一個單載波系統，如果我們將所要傳輸的有用信息稱為“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、音頻以及數據被放入固定長度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進行信道處理，在衛星系統中，信道處理過程包括：

1.首先進行同步字節的倒相，倒相字節的長度為每8個字節進行一次。

2.然后進行數據的能量擴散，數據隨機化，避免出現長串的0或1。

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

4.進行數據交織。

5.加入卷積碼糾錯，也稱內碼，內碼的數量可以根據信號的傳輸環境進行調節。

6.最后對數據流進行QPSK調制。

總之，傳輸系統首先對突發的誤碼進行離散化，然后加入R-S外糾錯碼保護，內糾錯碼是可以根據發射功率，天線尺寸以及碼流率進行調節變化。舉例來講，一個36MHz帶寬的衛星轉發器采用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路高質量電視信號。

（二）DVB標準有線傳輸系統DVB-C

數字有線電視采用與衛星同樣的“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碼。調制方式改成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，如果使用64-QAM，所傳輸的數據速率為38.5Mb/s。

（三）DVB標準開路傳輸系統DVB-T

開路傳輸系統的標準是1998年2月批準通過的。第一個正式的開路傳輸系統于1998年初開始運營。MPEG-2數字音頻、視頻壓縮編碼仍然是開路傳輸的核心。其他特點是，采用COFDM調制方式，在這種調制方式內，可以分成適用于小范圍的單發射機運行的2k載波方式，適用于大范圍多發射機的8k載波方式。COFDM調制方式將信息分布到許多個載波上面，這種技術曾經成功地運用到了數字音、視頻廣播DAB上面，用來避免傳輸環境造成的多徑反射效應，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。但是總有一個平穩點，增加載波數量會使接收機復雜性增加，破壞相位噪聲靈敏度。

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

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