数字电视基础技术要点

数字电视基础技术

一、数字电视系统概述

电视技术的迅速发展，使它的使用范围早已超越了广播娱乐界，被广泛地应用到文化教育、科研管理、医疗卫生、公安交通、军事宇航和人们日常生活的各个领域。随着信息和知识时代的到来，信息和数字技术取得了巨大的发展，电视技术在经历了从无到有、从黑白电视到彩色电视的革命性转变后，自然而然的进入了从模拟电视到数字电视的第二次革命。

1.1数字电视的概念

所谓数字电视，就是将传统的模拟信号经过抽样、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传输、存储、记录和接收等各种处理的电视技术。

信号的数字化，将非常有利于用计算机对其进行处理、控制、监测。这个良好的技术平台将为新业务的开发提供非常大的发挥空间。数字电视系统简图如下图。

1.2 数字电视的优点:

频率利用率高：采用了先进的图像压缩编码技术，使每套节目占用的频带变窄，一个模拟电视频道可传送6～8套标准清晰度数字电视节目；对于用户来说，意味着可供选择的节目将更加丰富，同时，大容量的节目、低廉的传输成本和广泛的收视将使网络运营费用大幅度降低。

抗干扰力强：数字电视信号的信号噪声比与连续处理的次数无关，在传输过程中，无噪声积累，不会降低信噪比，它不受地理因素的限制，几乎可以无限扩大覆盖面。

清晰度高：接收端画质接近演播室水平；

音频效果良好：可提供5.1的环绕立体声；

服务类型多样：包括传统广播类基本业务、广播电视增值业务和数据通信类新业务；

可控可管理：利用CA系统对节目进行加密控制，SMS系统进行用户管理；

扩展性强：开放的业务平台，适合大规模业务经营，符合未来技术发展趋势。

1.3 数字电视的意义

数字电视的技术优势，无论是对于消费者，还是对于相关企业，甚至是对于整个电子产业、广播行业，都意味着一场巨大的变革。对于消费者而言，数字电视不只是图像更清晰、声音更逼真、屏幕更大及频道更多，而且集电视、电脑、电信的功能为一体，使电视的用途由单一性向多元化发展，成为千家万户进入信息高速公路的便捷通道。对于电视机厂家、电视台、电视制作和传播媒体而言，数字电视的出现既是一种挑战又是一种机遇，它所带来的电视市场的扩容潜力将无可估量，利用数字电视的交互式特点，开展各项增值业务，将推动多种行业的发展。

二、数字电视DVB系统

DVB-C系统原理图

DVB-C系统主要由信源系统、EPG管理系统、复用和加扰系统、编码和调制系统、条件接收系统、运营支撑系统、存储播出系统、回传处理系统、其它辅助系统等几个部分组成。

2.1信源系统

数字电视信源系统：包括数字卫星信号的接收，模拟信号的编码，SDH网络信号的分

接、转换。该系统的特点是将信号进行一定格式的转换，使之成为符合DVB-C标准TS流信号，而对节目的内容不加以编辑和存储。

2.2 EPG管理系统

EPG（Electrical Program Guide），即电子节目指南管理系统（以下简称EPG系统），是数字电视所特有的一项服务，也是数字电视发展的先导。

它的主要功能：

通过电视屏幕向用户提供由文字、图形和图像组成的人机交互界面，负责电视节目和各种增值业务的导航。

用户通过EPG选择收看电视节目和实现各种增值业务，并通过EPG使用机顶盒提供的各种功能。

2.3复用和加扰系统

复用和加扰系统主要实现：

将信号源输入的信号，根据码率进行节目、数据信息复用并完成加扰，形成若干个频道的码流。

复用和加扰系统根据使用设备的不同，系统结构也各不相同，有些复用器内置加扰模块，信号在复用器内部完成加扰，有些复用器内部不具有加扰模块，需外接独立加扰设备。

多路复用器是整个数字电视前端系统的核心部分。

2.4编码和调制系统

压缩编码系统的功能：

1、将模拟的视、音频信号数字化，采用广播级MPEG-2的编码方式进行编码，并实时传输到视频服务器或直接到复用器。

2、将非标准的数字视、音频信号通过压缩编码系统将其转换成TS流。

调制系统：

对于地市级以上的城市一般都需要向所管辖的郊县传送节目，因此在调制前信号需要分两路，一路直接进QAM调制器，进行本地调制，进入HFC网络；另一路通过工作板卡和适配器转换成DS3格式的信号，复接到SDH网络上传送到各个郊县的广电分机房，在广电分机房再使用工作板卡和适配器，将信号转换成TS流，使用QAM调制器进行调制，然后混入到当地的HFC网络。

目前，数字电视采用的是64QAM调制方式。

2.5条件接收系统

CA系统，即条件接收系统，主要用于数字电视广播系统的用户认证、授权和节目加扰，以便从用户处收取费用和阻止用户收看那些未经授权的付费频道。

同密，是数字电视前端使用两个或两个以上的CA系统，但机顶盒端只要集成了其中的任何一家CA系统，都能通过授权收看全部节目的加密形式。

杭州数字电视公司使用北京永新同方的TF2.1Pro系统和天柏宽网的CA4.0系统同密，采用哈雷THESYS网管和复用器。

2.6运营支撑系统

运营支撑系统主要对用户信息、用户设备信息、节目预定信息、用户授权信息、财务信息等进行处理、维护和管理，同时可为其他子系统提供用户授权管理的基本数据库信息。它的主要实现功能有：

用户信息管理、资源管理、产品管理、用户业务管理、用户业务支援、计费、收费、帐务管理、授权管理、报表管理等。

2.7存储播出系统/回传处理系统

存储播出系统的主要功能：

可以对多种格式的节目进行上载，收录存储多种传输方式的节目，并将其转换成TS流文件；

对节目库中存储的文件进行分类编目，提供高效的文件检索；

对（延时）播出的节目进行监审/编辑；

通过准视频点播（NVOD）系统完成节目播出。

回传系统主要通过IP方式实现。

2.8其他辅助系统

例：统一Loader管理系统、互动电视应用系统、网管及码流监视系统

统一Loader管理系统，即机顶盒的软件更新系统，数字电视前端将网络内的各个厂家和各种型号的机顶盒版本程序采用统一的标准封装成DVB标准的TS流，调制后在网络中传输，用户端只要接通电源就能自动完成机顶盒的升级，保证新业务新技术的及时推广和完善，而不需要回收机顶盒。

互动电视应用系统，即通过广播通道实现观众与在播电视节目之间的互动，前端可以在任意时刻设置与当前所播放的节目相关的有奖竞猜、竞拍，也可做收视调查、民意调查等其它的互动活动，而不需要借助手机短信，观众直接操作遥控器就能实现与电视的互动。

网管及码流监视系统，主要用于监视及监测目前节目播放的情况，也用于查询DVB相关的业务信息数据。

2.9 DVB传输网络HFC

数字电视传输的介质：HFC（Hybrid Fiber-Coax）光纤同轴混合网

单向广播式下传（普遍的实现方式）

双向交互式传输（需要双向网络改造）

带宽有550MHz、750MHz 、860MHz 等

每8M为一个通道，传送一套模拟电视节目

三、数字电视IPTV系统

3.1 IPTV系统架构

根据流媒体系统的技术本质和业务特点，IPTV系统的架构如下图所示：

PC

Network

PC

Network

PC

Network

采编播放系

统/ Web服

后台管理系

统/ 认证计费流媒体系统层

客户端层

构架分为三个层次：

核心流媒体&运营支撑层：流媒体应用服务及运营支撑系统的核心层。通过核心流媒体系统提供视频服务及应用系统管理；通过运营支撑系统实现对运营的管理。

CDN网络层：应用服务平台的服务质量保证层，通过内容分发网络（CDN）将应用服务，主要为视频流服务，推送到网络边缘，减轻骨干网络压力，为终端用户提供最佳质量的服务。

终端接入层：应用服务平台的终端层，机顶盒接入网络后，用户仅可使用此机顶盒的享用应用系统提供的视频服务。

四、数字电视实现原理

4.1 视频压缩和编码

MPEG（Moving Picture Expert Group）是“活动图像专家组”的英文简称，1988年成立以来已经制定了MPEG-1～MPEG-7等多个数字视频／数字音频压缩编码标准。

MPEG-2的压缩比可达200:1，

音频：支持5.1声道和7.1声道等多种模式，

速率：从4Mbps~80Mbps ，

应用：是DVD和数字电视所采用的压缩编码标准。

MPEG-4是一个适用于低传输速率应用的方案，

引入了基于视听对象（A VO：Audio-Visual Object）的编码，

提高了视频通信的交互能力和编码效率，

互联网上的一些号称达到DVD画质的影像很多是采用MPEG-4的。

MPEG-7是对各种多媒体信息进行标准化的描述。

如：数字图书馆、多媒体名录服务(如黄页) 、广播媒体选择、多媒体编辑等。

H.264，未来发展的趋势。

4.2 MPEG-2码流的六个层次

（1）视频序列层。

视频序列是节目的随机进入点；

（2）图象组层GOP 。

GOP 是视频编辑的随机进入点； （3）图象层。

帧是编码处理的单位； （4）象条层。

象条是用于同步的单位； （5）宏块层。

宏块是运动补尝处理的单位； （6）象块层。

象块则是DCT （离散余弦变换）处理单位。DCT 对数字化的图像帧进行编码是以块为单位进行。它把8×8像素块由空间域变换到频率域，得到64个DCT 系数。

视频编码和压缩示例：

4.3 传输流的形成

DCT 变换

数字信号

视觉量化

DCT 矩阵

量化矩阵

运动帧间预测

扫描

可变字长编码

扫描完数据

视频ES 流 假设码率180M,容量较大

压缩5～20倍

压缩4～5倍

压缩后码率4M~8M,可以使用

最基本的单位

4.4 TS流的基本概念

传输流Transport Stream（通常称为一路码流），是最基本的传输单元，实现数据最终以码流的方式输出。码流部分位于DVB协议的最底层，这一层关心数据打包，数据帧结构和传输，而不关心负载是什么。

码流中最基本的单位是188字节的包（Packet），前4BYTE是包头，后184为负载。

说明：有的包大小为204字节，那是因为在原来的188字节后加了16字节的前向纠错（R-S编码），需要进行转换处理时可以直接裁剪掉。

4.5 码流中包的传输

包是信息的最小单位，包的类型由包中的负载决定。该包有可能是视频，音频，辅助信息，或者是填充的空包。

码流的速率称为码率，单位是bit/s,因此可以计算出一个100M的码流文件在码流发生器上以38M码率发送时，持续时间是：

100M(BYTE) ×8 / 38M = 21.05秒

码流传输采用时分复用方法，也就是说在一个时间点内只有一种类型的数据包正在传

送。

五、数字电视关键技术

数字电视系统是综合现代计算机技术、通信技术、多媒体技术和电视技术的产物，主要体现在信源编解码、信道编解码、信息加密、电子导航、业务信息和业务系统等方面。

5.1 编码技术

现代通信技术中，传送信息的速率和信息传送的可靠性是评价系统性能的重要指标。在现实世界里，基本的限制条件影响到任何通信系统的性能。没有哪一个系统能够对各种变化作出瞬时响应，系统能够可靠地处置的频率范围也是有限的。显然可靠性和信息传输速率通常是相互矛盾的。对于给定系统而言，较高的传输速率一般意味着较低程度的可靠性，或者反之。为了有效地在两者之间达到平衡，必须改善通信系统的有效性和健壮性。信源编码和信道编码是完成这种任务的两种方法，数字电视开创性的工作首先集中在这两个互相制约的技术领域。

信源编码：大多数信息源产生的信号都包含信息的冗余度，信源编码则尽可能地去除这种冗余度，并提供方法使接收端可以有效且高保真地恢复原始信息。

信道编码：为保证信息可靠地在不同介质中传递，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验和纠正，这个过程就称为信道编码。

简言之，信源编码压缩原始信息，而信道编码则对原始信息进行扩张，前者提高信息传送速率，后者保证信息传送的可靠性。

5.2 CAS 加密技术

条件接收系统根据数字信号加密保密性强的特点，按照不同分组情况对不同的数字电视节目频道进行收费管理，从根本上解决了电视节目收费难的困扰。其技术途径是通过对数字电视信号进行数字加扰，实现传输码流中所含的视频信息和音频信息的加扰，同时将加扰处理的控制字经加密后形成加密信息随传输流一起传送。在用户端，未经授权的用户将不能对

T

码流中数据包的传送 时间轴

付费节目进行解扰而无法收看该节目。条件接收，一方面实现了节目与信息的分类和收费管理，另一方面给节目与信息通过广播信道传送提供了一种安全机制。

CW控制字：

在数字视频信号的环境中，加扰操作都是由一个加扰控制字所控制完成的，这个控制字可以同步地恢复加扰使用的随机序列对加扰视频信号进行解扰。

CW控制字每2~10秒更新一次，通常为69比特长。

ECM授权控制信息：

授权控制信息ECM是业务密钥对控制字和控制参数加密后得到的条件接收信息，用户端的解码器只有在得到现行有效的业务密钥后，才能得到控制字，从而实现对数据解扰。业务密钥的传送可以是通过智能卡等方式固化在芯片内传递，也可以是通过授权系统用分配密钥加密后经安全渠道传递给用户，通过EMM（授权管理信息）来实现。

EMM授权管理信息：

EMM（授权管理信息）用户授权系统用分配密钥对业务密钥加密后得到的条件接收信息称为EMM。

在接收端，解码器首先要用分配密钥对EMM解密，得到业务密钥，然后用业务密钥对ECM解密得到控制字和控制参数，才能对数据解扰。

STB端CA解扰流程：

分区域管理：

网络运营商可以通过使用地区管理，禁止指定地区内的用户收看节目，无论他们有没有授权，这种方式是地区禁播。

不使用地区禁播可以保证指定地区的有授权的用户可以收看节目。

一般情况下，这些地区是基于智能卡所有者所在的地理位置来划分的（如城市，区县，小区，街道等等）。

5.3 EPG导航技术

同大多数的类似系统一样，在我们的系统中EPG 就是服务商提供给观众的一项服务之一，它可以为观众提供正在播出的和将要播出的节目的信息。

由于数字传输的应用，原有的频率资源之内可以传输的节目数目有成倍的增长，花样繁多的节目以其广泛的涵盖面几乎可以满足任何观众的需求，但也给观众的选择观看带来了麻烦，这就要求我们定义一个合适的EPG 方案可为观众提供导航工具。

EPG主要功能：

1、主页面导航

在机顶盒端按照功能模块划分，如菜单页面、浏览器页面、点播页面等服务；

2、节目信息分类显示

对节目按一定的规则进行分类分别做显示，如基本服务、特许服务、测试服务、数据广播等服务；

3、自选节目（收藏）

用户可以选择只显示其喜爱的频道从中选择节目；

4、节目详细信息显示

显示节目的简介、背景说明、播放时间等扩展信息

EPG接收端信息的提取过程：

机顶盒对接收到的信息进行相应的解调和解码，得到TS码流，利用接收终端中的EPG 应用程序，将TS码流中的SI信息中的相应信息提取出来，生成电子节目菜单信息，供用户使用。

5.4 PSI/SI简介

业务信息是数字电视广播系统向接收设备传递的与业务相关的信息，这些信息将引导接收机在数字电视传输流中搜寻节目，构成电子节目所必需的指南。业务信息一部分来自MPEG-2定义的节目特定信息PSI（Program Specific Information），它定义了如何在一个传输流携带的多个节目中正确寻找到特定的节目；另一部分则是数字电视广播系统为整个广播网络中接收某个特定业务，并提供相关描述信息而定义的业务信息SI（Service Information）。

DVB将附加数据加到MPEG的PSI的上面，以便得到自动调谐和用户信息选择的环境。

数据结构定义为一组表

PSI 提供的信息用作：

用于所选业务的解码器设置

DVB 扩展到非-MPEG成份

SI数据提供的信息用作：

自动找到相应的TS流

业务的用户信息，“事件”和“节目成份”的选择

5.4.1 PSI表---解复用和解码所需的码流

节目关联表（PAT）：包含一个流中所有的节目映射表PMT的PID。

提供transport_stream_id，program_number 和program_map_id（PMT）之间的联系节目映射表（PMT）：包含视频、音频、PCR和数据的PID。

由PAT指向PMT时，PMT提供该program_number 有关的节目元素组（视频, 音频等）条件接收表（CAT）：包含所有节目的EMM识别号PID。

提供CA 系统和其EMM （Entitlement Management Messages）流的联系和与只有关的任何特殊信息

网络信息表（NIT）：包含节目的频率、符号率、转发器号等频道调谐参数。

提供TS流组和调谐信息，如频道频率和调制特性

5.4.2 SI表---构成各种功能的EPG

事件信息表（EIT）：包括了目前，随后和将来事件的信息。

Present/next，Full event scheduling

业务描述表（SDT）：列出TS流中包含的业务名和业务类型业务间的联系

指向MPEG PSI 中的节目

业务群关联表（BAT）：业务成组，可转换成“逻辑频道号”

时间、日期表（TDT）：传输目前的时间，用作接收机时钟的自动设置

时间偏置表（TOT）：传送时区差，包括目前的和下一个时差及下一时差发生的日期六、数字电视主要指标

6.1 MER调制差错率

MER（Modulation Error Ratio）：是对叠加在数字调制信号上的失真的对数测量结果，它是衡量数字电视的主要指标。单位：dB 。

MER=10lg [（平均调制误差度）２/（平均调制度）２］在用户端电缆信号出口处要求MER≥30dB

64QAM→≥27/28dB 256QAM→≥31dB

PS：便携式分析仪上显示的典型最大MER是35~38dB

6.2 BER比特误码率

BER （Bit Error Rate）：错误比特数与全部比特数的比值，它是数字传输系统中特有的指标，也是衡量通信系统有效性和可靠性优劣程度的主要指标。

BER一般表示成科学记数法，BER越低越好

要求：

一级光节点：BER≤10-8

二级光节点：BER≤10-7

用户终端接收点：BER≤10-6

6.3 FEC（前向错误纠正）

FEC（Forward Error Correction）：是一个系统，它会在数据流发送前增加一些比特用于纠正传输系统产生的出错，它的信息提供QAM接收器用来修复被误解的码。

1s周期内的误差测量

若在1s的周期内一些错误被发现，而且数量小可以被FEC管理，称为差错秒；

若在1s的周期内产生的错误FEC都无法管理，则称为严重差错秒。

PS：严重差错秒在FEC的输出处有10-6或更差的BER。

6.4 EVM（差错矢量度）

EVM（Error Vector Magnitude）：是对叠加在数字调制信号上的失真的线性测量结果，是表征平均误码量值与最大符号量值的比值。

从概念上看，EVM的公式为：

EVM=（调制误差幅/调制峰值幅）×100%

关系：EVM增大，造成出错的概率也随之增大。

七、数字电视的发展和展望

?1999年，中央台用数字电视直播国庆50周年庆典

?目前国内已形成杭州模式、青岛模式、佛山模式等数字电视发展的典型模式

?按国家广电总局有线电视由模拟向数字化过渡总体部署要求，全国要在2015年前实现有线电视数字化

?2005年底，杭州数字电视完成城区整体转换，用户数量达到50万户

数字电视的重要日子：

?2005年3月14日，李长春同志批示要求全国广大广电工作者要研究如何加快推进广播电视数字化的进程

?2005年7月15日，李长春批示应加大有线电视数字化的推动力度，争取由国办下达个文件

?2005年8月29日，刘云山同志批示：要按照长春同志批示，认真调研，提出政策性意见

整体转换要求：

?政府领导、广电实施、社会参与、群众认可、整体转换、市场运作

7.1 数字电视新应用

随着消费市场对数字电视（DTV）的兴趣从居室内的大屏幕电视扩展到在笔记本电脑、汽车以及手机中的便携电视，与之相关的芯片研发正在逐渐升温。

手机电视（Mobile TV）

英国电信巨头沃达丰集团和卫星电视运营商英国天空广播公司已联手为英国部分手机用户推出了电视服务。从2005年11月1日起，拥有带视频功能的第三代手机的沃达丰用户将可以在手机上收看天空公司的新闻、体育和娱乐电视节目。

NOKIA（诺基亚）宣布了世界第一个手机电视DVB-H服务的商业解决方案。

诺基亚的DVB-H TV手机明年可以正式开始收看手机电视。

电脑电视（PC TV）

据卓联（加拿大卓联半导体公司）的DVB营销经理Peter Coe介绍，在基于DVB-T的便携式DTV市场中，电脑电视（PC TV）芯片部分的市场规模2005年将扩大一倍以上，达到100至150万片。

德国的Micronas负责荷兰设计中心的总经理Wim Renirie 预测，DTV将成为多媒体笔记本电脑的标准配置。他认为，DVB-T卡和DVB-T USB棒市场的销量目前为每年70万片左右，而到2010年，带DVB-T的笔记本电脑将增至600万台。

汽车电视（CAR TV）

移动接收在运动状态（例如在200千米/小时行驶的汽车中）下通过适当的分集接收机实现连续接收。

八、总结

数字电视成熟的技术和健康的发展必将给人们带来巨大的收视新体验，也必将为广电行业、电子产业的规模化、集团化、产业化带来巨大的契机和机遇。期待数字电视更美好的未来。