数字电视系统综合实验实验指导书教材.docx
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数字电视系统综合实验实验指导书教材
Wx2009DTV
数字电视
教学实验手册
上海吾信电子科技有限公司
目录
缩略语表
英文缩写
英文全称
中文含义
CAT
ConditionalAccessTable
条件接收表
CBR
ConstantBitRate
恒定编码率
CVCT
CableVirtualChannelTable
有线虚拟频道列表
DCT
DiscretecosinetransDTVrm
离散余弦变换
DFT
DiscreteDTVurierTransDTVrm
离散傅里叶变换
DVB
DigitalVideoBroadcasting
数字视频广播
EIT
EventInDTVrmationTable
事件信息表
ETT
ExtendedTextTable
扩展文字列表
GOP
Groupofpictures
图像组
HVS
Humanvisualsystem
人眼视觉系统
ISDB
IntegratedServicesDigitalBroadcasting
综合业务数字广播
JPEG
Jointphotographicexpertsgroup
静态图像专家组
MGT
MasterGuideTable
原版指南表
MPEG
MovingPictureExpertGroup
运动图像专家组
MPEG-1
基于数字存储媒体运动图像和声音的压缩标准
MPEG-2
通用的图像和声音压缩标准
MPEG-4
基于视频和音频对象的压缩标准
NIT
NetworkInDTVrmationTable
网络信息表
PAT
ProgramAssociationTable
节目关联表
PCR
Programclockreference
程序参考时钟
PID
ProgramIdentifier
节目标识
PMT
ProgramMapTable
节目映射表
PSI
ProgramSpecificInDTVrmation
节目专用信息
RRT
RatingRegionTable
等级区域表
SDT
ServiceDescriptionTable
服务描述表
SI
ServiceInDTVrmation
服务信息
TDT
TimeandDateTable
时间日期表
TS
TransportStream
传输流
TVCT
TerrestrialVirtualChannelTable
地面传输虚拟频道列表
VBR
VariableBitRate
可变编码率
第一章数字电视
1.1基本概念
近年来，电视领域发生了一系列的变化，电视数字化的进程明显加快，模拟信号向数字信号的过渡全面展开，电视会议、数字电视及高清晰度电视等新技术正迅速走进我们的生活。
电视系统的全面数字化使节目制作、传输直到播出带来了革命性的变化。
数字广播电视的双向化和数字化，并与计算机网和电信网的融合，预示着一个信息化时代的到来。
数字电视（Digitaltelevision,orDTV）含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是采用数字信号广播图像和声音的新的电视系统，它将模拟电视信号通过抽样、量化和编码，用二进制数来表达图像和伴音信号，使电视信号数字化。
其具体传输过程是：
由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。
因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。
与模拟电视相比，数字电视技术有以下特点和优势：
●节目和频道更丰富。
使用数字压缩技术，可在不影响信号质量的前提下更充分地利用频道资源，频道数可增至原有的6-8倍。
●电视频道更加专业化、个性化。
数字电视平台使付费电视成为可能，因此逐渐会涌现出独立的、全天候的专业频道，如电影、时装、汽车、房产、MTV、体育、游戏等，可极大程度地满足不同人群的个性化需要。
●采用数字技术对节目进行处理、传输和储存，可使图像更清晰、音质更好，观众可通过机顶盒在普通电视机上欣赏到DVD视频效果、CD音频效果的标准清晰度电视节目。
数字音频节目可直接进入家庭音响，声音更逼真。
●功能极大丰富。
数字电视能开展许多新的增值服务，电子节目菜单（EPG）就像手边的电视报，用遥控器就能查询节目、预定节目和选择节目，甚至定制收藏夹和节目单，好节目不会错过。
●伴随电脑、网络等新事物的诞生，数字电视将呈现出与计算机、电脑网络融合的趋
势，可提供更多样化的服务，如数据广播、音频服务、互动服务等。
数字电视不但可收看传统形式的节目，还可以浏览网页、炒股、发送邮件、享受远程教育和电视购物等。
1.2分类
●按信号传输方式分类：
可分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字
电视）、有线传输（有线数字电视）三类。
●按产品类型分类：
可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接收
机。
●按清晰度分类：
可分为低清晰度数字电视（图像水平清晰度大于250线）、标准清晰
度数字电视（图像水平清晰度大于500线）、高清晰度数字电视（图像水平清晰度大于800线，即HDTV）。
●按显示屏幕幅型分类：
可分为4：
3幅型比和16：
9幅型比两种类型。
●按扫描线数（显示格式）分类：
可分为HDTV扫描线数（大于1000线）和SDTV扫描线
数（600～800线）等。
1.3新业务
经过广播工作者的多年努力，电视已成为广大人民群众了解国内外大事和娱乐的重要工具。
很多国内、外的专业人士开始都认为；数字电视仅仅为用户带来的图像质量提高，频道数量增多，在现有的有线电视模拟系统中并不能显现其优势，不能吸引更多的用户。
甚至早期美国做过一次民意调查，只有9％的用户表示愿意多花钱看数字电视。
但我们为什么还要发展数字电视？
主要是数字电视广播技术有模拟技术不可替代的优势：
第一，利用数字音视频压缩技术，提高频率资源的利用率，可以在现有的一个模拟电视频道中传送4～10路标准清晰度的电视节目或一路高清晰度电视节目。
第二，提高电视图像和声音的传输和接收质量。
利用误码校正技术，可以保证电视机在电视广播信号的有效覆盖范围内得到相同的接收质量。
第三，数字电视广播改变了观众收看电视节目的形式，从被动地收看到主动地准交互（本地交互）、交互地收看等。
第四，数字技术的灵活性，使数字电视广播能够广播电视和声音节目外，还可以提供其它形式的数据广播。
有线电视网改造成双向网络后，可以提供交互和非交互业务。
但目前绝大部分的广播电视网只具备单向传输功能。
所以，图像和声音的广播仍是广播电视网的主要传输业务，各种形式的数据广播业务将会快速发展，未来必将成为广播电视网上业务的重要组成部分。
数字压缩技术和数字传输技术的发展，使观众可以从丰富的信息节目中选择自己需要的内容。
数字电视系统可能提供以下类型的业务：
1）多节目电视广播：
数字电视系统允许在一个模拟电视频道中传输多路电视节目。
多节
自电视广播和下面的多路声音广播是单向的、非交互的，除节目套数增加外，与现有的电视节目和广播没有什么区别。
2）多路声音广播：
在一个模拟电视频道中可以传送100路左右的立体声广播。
3）NVOD（准视频点播）：
NVOD是在一个模拟电视频道里以一定的时间间隔循环播放同一
电视节目，观众可以在一设定的时间内从头观看这一电视节目。
NVOD一般用于收视率较高的电影等吸引人的节目。
4）节目相关的数据：
将与节目有关的数据随节目一起传送。
这种数据有两类，一类是电
子节目指南（EPG），描述节目的播出时间和简要内容，如一部电影的播出时间、电影内容介绍、电影演员介绍等。
电子节目指南帮助观众方便快速地寻找自己感兴趣的节目。
另一类是与节目内容相关的数据，如与足球比赛节目有关的双方球队战绩、球员的个人背景资料等。
观众根据自己的需要选出某些与节目有关的数据。
5）数据广播：
将数据服务器中的大量数据循环地播出，可以对其中某些数据进行实时更
新。
这些数据可与电视节目无关，可以是游戏、软件、图片、各种网站上下载的信息、股票信息、电子报纸等。
用户可主动地从数字电视广播信号中找到需要的信息。
数据广播上电视台扩大业务范围，增加服务收入的重要方面之一。
6）交互式业务：
利用电话线或有线电视回传信道，实现用户与电视中心和有线电视前端
的交互操作，VOD是交互业务的典型例子。
数字电视在技术上的优势自然在经济利益上给我们带来好处。
节目数量的增加和频道的专业化可以满足不同观众群体的需求。
通过数字电视广播，电视台可以提供更多的节目和业务。
1.4认识误区
作为一种新生事物，许多人对数字电视仍然存在一些认识上的误区。
误区一：
付费数字电视仍会插播广告。
电视剧插播广告太多让很多观众感到头疼，有时一个不到一小时的电视节目，中间插播广告的次数竟多达五六次。
数字电视开播后是不会出现这种情况的。
广电总局批准开办的100多套付费数字电视节目是不会插播广告的，它们是完全靠收视费来运营的，“只播节目，不插广告”是付费数字电视的特点。
误区二：
收看数字电视得更换电视机。
很多人认为要收看数字电视必须购买现在市场上出售的“数字化彩电”，其实不然。
现在市场上出售的所谓“数字电视”或“数码电视”，只是对电视机内部的一些控制电路做了数字化的处理，但却不能接收数字信号，只有在电视机上安装数字电视机顶盒才能收看到数字电视。
也就是说，普通的电视机安装上机顶盒就可以接收数字电视。
现在市场上有一种“数字高清晰”电视机，能够在模拟信号向数字信号过渡时期欣赏到最佳的画质效果，但也不是数字电视机，要接收数字电视，仍要加装机顶盒。
目前电视机厂家还没有批量生产出可以直接接收数字信号（不需要机顶盒数字解码）的数字电视机。
误区三：
数字电视以“技术”来吸引观众。
不可否认，只有数字化才能提高节目容量，使节目做到个性化、专业化。
数字电视技术使得电视画面比传统的模拟电视更清晰，具有更优质的音响效果，节目容量更大，还能与用户进行互动。
但是消费者肯定不会只为收看更清晰的画面或者是电视节目能互动就付费。
他们更关心的是节目内容，只有内容吸引人，消费者才能心甘情愿地掏腰包。
第二章数字电视系统
2.1系统总体框架
数字电视系统（DTV）是指DTV编码传输和接收解码系统，不包括DTV摄录设备和显示设备。
一套完整的数字电视系统由3个部分组成：
数字电视前端系统、传输网络和用户终端系统。
数字电视前端系统通常划分为信源处理、信息处理和传输处理三部分。
从功能上又划分为用户管理子系统、CA（条件接收）子系统、信道编码调制前端设备子系统、数字节目的存储和编播子系统、数据广播和中间件子系统等。
图2-1数字电视系统框图
图2-1给出地面DTV系统的基本组成框图，该系统在应用中可以分为发射和接收2个子系统，发射部分在广播者一方，接收端构成未来数字电视机的接收电路主要部分，与发端相比，灵活性减少，但强调对标准的遵守和对显示格式的兼容。
该系统在技术上可以分为信源和信道两部分。
信源编码部分包括信源（音频／视频）编码器和复用器。
信源编码对视频／音频信号进行压缩编码，能够在一定压缩率的前提下得到最高的解码图像质量；信源部分算法主要依照MPEG-2标准（多声道音频编解码还可依照杜比AC-3{数字音频压缩编码系统}算法实现），视频编码器的性能对整个DTV系统的图像性能有决定性影响，对图像数据的压缩比应在30∶1～50∶1之间。
复用器提供系统业务灵活性和可扩展性，他完成各种数字码流的组合、调整以及提供与各种传输网络（电信、卫星、电缆、地面等）相适配的接口。
信道传输部分包括信道编码与调制、发射机、传输媒质、接收机和信道解调与解码，其中传输媒质可以是有线、卫星、地面、MMDS等。
根据媒质的不同在信道传输部分中将会采取不同的信道编码和调制方式，因此信道传输部分对应有3类标准：
地面广播、卫星直接广播和有线电视（电缆和MMDS{多点多信道分布式系统}）。
由于地面广播信道的特性十分不理想，各种干扰和杂波使信号的差错率增加、业务质量下降，为了更有效地克服恶劣的环境和移动接收，地面广播信道所采用的技术相对其他两类要复杂。
信道传输部分的任务是在给定传输带宽和考虑传输信道所存在的各种干扰的前提下保证最大容量数据流的正确传输。
他与所传输的数据内容无关，即这是一个相对于信源透明的数据码流传输公共平台，既可传输一路HDTV／多路SDTV节目的编码数据，亦可传输数据。
数字信号的编码与调制方式决定了信道传输部分的主要性能，采用不同编码与调制方式构成了各国DTV传输标准的不同。
地面广播DTV系统所用发射机可以用现有电视发射机改装，但当对发射效率要求高时，应采取非线性预校正等措施以保证其带内线性及对带外的抑制。
信源解码部分包括信源（音频／视频）解码器和解复用器。
高清晰度数字电视信宿部分要求符个条件（按照美国的标准）：
●能够接收和显示1920×1080i×60Hz的格式（简称隔行1080），此种格式的行频
是33．75kHz
●能够接收和显示1280×720p×60Hz的格式（简称逐行720），此种格式的行频是
45kHz
●显示画面的长宽比16∶9
由以上所述可以看到，数字电视系统与模拟电视系统（包括现有许多含有数字处理电路的改进型模拟电视）的根本区别在于电视信号编码和传输体制的革命性改变，即信源和信道部分数字技术的采用。
2.2数字电视标准
数字电视广播主要通过卫星、有线电视、MMDS2及地面无线等传输方式实现。
目前，全球数字电视广播有3种数字电视广播标准体系：
数字电视广播主要通过卫星、有线电视、MMDS2及地面无线等传输方式实现。
目前全球数字电视广播领域已有三种相对成熟的数字电视标准。
美国的标准是ATSC（AdvancedTelevisionSystemCommittee先进电视制式委员会）；欧洲的标准是DVB（DigitalVideoBroadcasting）；日本的标准是ISDB（IntegratedServicesDigitalBroadcasting综合业务数字广播）。
由于他们的信号传播性能的不同及所处传送环境的差异，其信道编码和调制方式也不尽相同。
由于卫星和有线电视的传输环境相对没那么复杂，所以其制式争议不大，卫星广播系统信道编码和调制标准采用基于QPSK（运用于数字电视的卫星抗干扰监控报警系统）调制的欧洲DVB-S（数字视频卫星广播技术），有线广播系统信道编码和调制标准采用基于多电平QAM（正交幅度）调制。
地面数字电视的传播条件复杂，容易受到地形、高楼遮挡及海面反向波的影响，同时还有模拟和数字同频信号、邻频信号及地面脉冲等的干扰，传送质量、可靠性及覆盖范围受到限制，特别是车载移动接收的高质量难度更加增大。
由于数字电视地面广播的传输环境恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其制式目前在各国仍有议。
目前，国际上地面数字电视广播传输系统有单载波OFDM和多载波COFDM两种传输方式，美国的ATSC方案采用的是8VSB单载波调制方式；欧洲的DVB方案采用的是COFDM多载波调制方式；而日本的ISDB方案采用的是修改后的OFDM调制方式。
目前我国主要采用DVB标准，DVB标准的传输系统分为信源编解码（SourceCoding）和信道编解码（ChannelCoding）两部分，信源编码采用MPEG-2编码标准，首先对音频和视频进行复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。
在接受端进行相应的解复用和解码。
信道编解码包括：
前向纠错编码、译码、调制、解调和上、下变频3部分。
2.3MPEG编码标准
MPEG压缩技术已是目前视频压缩的重要技术之一。
它解决了以往硬盘容量有限及计算机总线瓶颈效应，因而扩大了多媒体应用空间的自由度及灵活度。
它开拓了很多不同的数字影像应用，VCD节目制作就是运用了MPEG压缩技术。
MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，专家组最初的任务有三个：
实现1.5Mb/s、10Mb/s、40Mb/s的压缩编码标准，即MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3。
但因为MPEG-2的功能已使MPEG-3为多余，所M以MPEG-3于1992年撤消。
MPEG-4项目是1991年5月建议并于1993年7月确认。
到现在为止，MPEG公布的标准有：
●MPEG-1标准：
1993年8月公布。
用于传输1.5Mb/s数据传输率的数字存储媒体运动图
像及其伴音的编码；
●MPEG-2标准：
1994年11月公布。
其全称为：
“运动图像及其伴音的编码”，主要针
对高清晰度电视（HDTV）所需要的视频及伴音信号，传输速率为10Mbps，与MPEG-1兼容，适用于1.5Mbps～60Mbps甚至更高的编码范围；
●MPEG-4标准：
2002年10月公布。
该标准的目标为：
支持多种多媒体应用（主要偶重
于多媒体信息内容的访问），可根据应用的不同要求现场配置解码器。
2.3.1MPEG-1
MPEG-1标准正式应称为ISO11172，它由5部分组成：
系统、视频、音频、一致性以及软件。
MPEG-1系统提供一个把编码的音频和视频数据组合起来的包结构。
它使系统能够把几个音频和视频流复用成一个流，允许各个流同步在重放。
这要求所有的流都要以公共的系统时钟（STC）为基准。
从这个STC中，可导出演播时间标志（PTS）；它规定了一个特定的音频或视频帧在终端出现的时间。
由于带有B帧的视频编码要求重排解码图像，用解码时间标志（DTS）指明什么时候一个特定的图像必须被解码。
MPEG-1音频是一个不对音频信源性质做任何假设的一般标准。
然而，音频编码利用于人类听觉系统的感觉局限以降低不相干性。
MPEG-1音频定义了三层：
I，II和III，其中第III层MPEG-1音频编解码器正是现在每位音乐迷都知道的MP3。
较高的层具有较高的编码效率并要求增加的解码资源，尤其是层III由于计算复杂而引起过争议。
2.3.2MPEG-2
在MPEG-1标准化过程即将结束时，已经变得清楚的是，MPEG-1不能以广播质量有效地压缩隔行数字视频，性能最优的算法是需将MPEG-1扩展到处理隔行视频格式。
MPEG-2标准全称为“运动图像及其伴音的编码”，主要目的是使主要使用ITU-RBT.601（原来的CCIR601）4:
2:
0格式的隔行图像具有类似MPEG-1的功能，目标是产生4～8Mbps码率的电视质量图像和10～15Mbps码率的高质量图像。
该标准分为八个部分，统称为ISO/IEC1318国际标准。
第一部分：
系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式；
第二部分：
视频，描述视频编码方法；
第三部分：
音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法；
第四部分：
符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法；
第五部分：
数字存储器体-命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集；
第六部分：
非向后兼容的音频，规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码；
第七部分：
10比特视频，现已停止；
第八部分：
实时接口，规定了传送码流的实时接口。
MPEG-2视频编码标准是一个按等级划分的系列，按编码图像的分辨率分成4个“级”：
低级（LL：
lowlevel），输入信号的像素为ITU-R601格式的四分之一；主级（ML：
mainlevel），输入信号的像素为ITU-R601；高级-1440（H14L：
high-1440level）为4：
3模式电视高清晰度格式；高级（HL：
highlevel）为16：
9模式电视的高清晰度格式。
按所使用的编码工具的集合分成5个“类”：
简单类（SP：
simpleprofile），只有基准帧I和预测帧P；主类（MP：
mainprofile），比SP增加了双向推测帧B；信杂比分层类（SNRP：
SNRscalableprofile）；空间可分层类（SSP：
spatialscalableprofile）；高类（HP：
highprofile）。
“级”与“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集。
对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。
MPEG-2的编码码流分为6个层次。
从上至下依次为：
视频序列层（Sequence）；图像组层（GOP：
GroupofPicture）；图像层（Picture）；像条层（Slice）；宏块层（MacroBlock）和像块层（Block）。
其编码流程为：
在帧内编码的情况下，编码图像仅经过DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流，而不经过预测环处理。
DCT直接应用于原始的图像数据。
在帧间编码的情况下，原始图像首先与帧存储器中的预测图像进行比较，计算出运动矢量，由此运动矢量和参考帧生成原始图像的预测图像。
而后，将原始图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行DCT变换，再经过量化器和比特流编码器生成输出的编码比特流。
2.3.3MPEG-4
设计MPEG-4标准是为了在支持传统应用的同时，满足新一代高度交互性多媒体应用系统的需求。
这些多媒体应用系统除高效编码外，还要求先进的功能，例如各个对象的交互性、内容的可分级性和高度的差错复原性。
MPEG-4提供自然的和合成的音频、视频以及图形的基于对象的编码工具，旨在为视（音）频数据的通信、存取与管理提供一个灵活的框架与一套开放的编码工具。
MPEG-4标准由若干部分组成，主要部分是系统、视频和音频。
MPEG-4的音频和视频部分分别包括自然和合成的视频和音频的编码。
与以往的编码标准相比，MPEG-4新增了七个功能，各个功能的特点如下：
（1）基于内容的操作与比特流编辑支持无需编码就可进行基于内容的操作与比特
流编辑；
（2）自然与合成数据混合编码。
提供将自然视频图像同合成数据（文本、图形）有
效结合的方式，同时支持交互性操作；
（3）增强的时间域随机存取。
MPEG-4将提供具有效的随机存取方式：
在有限的时
间间隔内，可按帧或任意形状的对象，对一音、视频序列进行随机存取；
（4）提高编码效率。
在与现有的正在形成的标准的可比拟速率上，MPEG-4标准将
提供更好的主观视觉质量的图像；
（5）对多个并发数据流的编码。
MPEG-4将提供对一景物的有效多视角编码，加上
多伴音声道编码及有效的视听同步。
在立体视频应用方面，MPEG-4将利用同一景物的多视点观察所造成的信息冗余，在足够的观察视点条件下有效地描述三维自然景物；
（6）错误易发环境中的抗错性“灵活多样”是指允许采用各种有线网和各种存储
媒体，MPEG-4将提高抗错误能力，尤其是在易发生严重错误环境下的低比特应用中（移动通信链路）。
MPEG-4是第一个在其音、视频表示规范中考虑信道特性的标准，目的不是取代已由通信网提供的错误控制技术，而是提供一种对抗残留错误是紧韧性。
（7）基于内容的尺度可变性。
内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优
先级。
基于内容的尺度可变性是MPEG-4的核心，因为一旦图像中所含对象的目录及相应的优先级确定后，其它的集内容的功能就比较容易实现了。
对甚低比特率应用来说，尺度可变形成一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。
以上七个新的功能可以归纳为三类：
基于内容的交互性、高压缩率和灵活多样的存取模式。
前三个功能为基于内容的交互性
升级会员 