有线数字电视技术讲座(扫盲)

有线数字电视讲座(扫盲班)

一、什么是数字电视？

数字电视是相对于模拟电视而言的。我们知道，电视——就是实时向远处传送可视的活动图像。具体的方法，是先把光的图像变成与其对应的电信号，利用电信号可以传得远的特点，实现向远处传送的目的。

（一）什么叫模拟电视？自然界的实际景物图象千差万异，无论从亮度层次上，色彩种类上，都是极丰富的。用电信号表示它，一定是一个可以取任意值的连续变化的电量。我们把这样直接与自然界实际图象对应的，连续变化的电信号称为模拟信号，就是模拟实际，与实际一样。用这种方式传送电视就是模拟电视。

（二）什么是数字电视？先从用离散值代表模拟量谈起。举个例子，人的脚在一定尺度内，其长短分布是无限多个的，数值上是连续的。就是多长的都有，这好比模拟量。但实际在工厂生产鞋的时候，并不是这样，而是仅使用一定数量的号码，就适应了整个人群不同尺寸的脚。只要选择靠近的某些号码，就可以穿。这些尺寸不连续的号码，把连续的脚长“离散化”了，就是用离散量表示连续量，这种用离散量表示连续量的做法叫模拟量的数字化。数字电视，就是设想用离散的电量表示连续的电量，在电视信号的产生、传输、接收各个环节上，都使用离散数字来表示、处理。也就是说，数字电视是信源、信道、信宿三个环节上全面数字化的电视系统。信源指节目的产生：摄、录、编；信道指传输；信宿指接收、显示。

（三）数字电视由五个环节组成:

1、信源编码：就是把原始的模拟电视信号用数字编码来表示，也称为数字化、模/数转换（A/D 转换）。然后，进行压缩。数字电视信号源有三项：视频数据流、音频数据流和辅助数据流。辅助数据流包括管理数据、有条件接收数据以及与节目有关的数据。

2、复用：就是把上述三项数据流合成一路。采用以“包”为单位的时分复用方式。首先把上面说的三项数据流分割成一定长度的包（也称分组），在“包”的头部加上标识，作为区分是属于哪个流的标志，以便在接收时把它们区别开。然后把它们合流为单一的复用流。一个视频数据流、一个音频数据流、一个辅助数据流合成一套节目流。尔后，多套节目流再合成为传输流。

3、信道编码和调制：上述数据流不适于在传输通道中传输。为了使信号适配于传输信道，减少传输过程的差错，还需要对数据流进行必要的处理（再编码），这种做法叫信道适配，也称为信道编码。它的作用主要是负责误码的检错和纠错。调制的作用是把基带数据流搬移到高频载波上去，把基带信号变成频带信号。使之可以在频分复用的模拟信道中

4、传输信道：有HFC、数字干线、卫星、无线、存储介质等。

5、接收机：就是机顶盒，实现上述四项环节的逆过程，把从信道上接收的数据流还原成原始的模拟电视信号。

（四）怎样把模拟电视信号数字化？

1、先要解决用离散数字来表示连续的模拟信号问题。

打个比方：气温是逐渐变化的，每时每刻都在变化，因而它是随时间连续变化的模拟量。但观测气温不必每分每秒都测量，隔一定时间测一点画在坐标图上，连一条线，就表示了气温的变化。如果时间间隔合适，这条线的形状与连续不间断测量的曲线形状会基本吻合，即，用离散量可以表示连续的模拟量。这种间隔测量的方式，叫做在连续变化的模拟量上的取样。这是把模拟信号数字化的第一步。

2、取样间隔多大合适？

首先的原则是能基本如实的代表原来的连续模拟量。间隔太远了要漏去重要的信息，比如测气温，最高气温出现在每天的14：00，取样间隔太大，偏偏漏掉了14：00，就会发生大错。因而，取样间隔与信号性质有关，要符合奈奎斯特定理：即取样频率要大于信号最高频率的二倍。这样抽取的样值就包含了原来模拟信号的全部信息而不遗漏。例如电视亮度信号，最高频率是6Mhz，取样频率就应该大于2×6=12Mhz。取样的实现也简单，让信号经过一个电子开关，开关每秒钟接通12M 次（当然每次接通时间都很短），就实现了在模拟信号中每秒取12M 个离散了的样值。这些样值，不再是连续的了。取样的结果，仅是把模拟信号进行时间上的离散。样值的幅度，仍然是模拟取值的，具有连续的数值。必须在幅度值上也进行离散处理，才能实现不仅时间上离散，幅度值上也离散。对幅度值的离散，就是把幅度值分成若干等级，对不在等级线上的进行舍零取整处理，归到相邻的等级上去。这与我们买鞋是一个道理。这样，连续的幅度值就用离散化的有限个等级取代了，这个过程叫做量化。

3、量化取多少个等级合适？

等级多了好，但要付出的代价大。理论和实际都证明，对电视图象信号，用256 个等级就可以了。取样、量化只是在时间和幅度上把信号的表示做到了离散化，还不是数字化。数字化的目的是用“0”和“1”两个数字码表示一切等级、量值。为什么要用“0”和“1”，不用0—9，就是因为“0”和“1”最容易用电量来表示。如，有电压是“1”，无电压是‘0“；开关接通是“1”，开关断开是“0’,但“0”和“1”只能表示两个等级，256 个等级怎么办？使用“0”“1”的排列组成码就解决了。这有如条码，条码只有黑、白两种条，但它们不同的组合可以编出无数的码，可以分别代表多种商品。例如，我们用8 位“0”和“1”编成8 位码，00000000、00000001、00000010……..11111111，就有了256=28 种不重复的码，表示256 个量。把量化后的信号，用“0”和“1”组成的码来表示，叫做编码。用数字编码表示量化的信号，模拟信号才算是真正数字化了。总的是，模拟数字化三个过程：取样、量化和编码。

二、有关数字压缩。

讨论压缩的必要性、可能性和压缩的方法。

1、压缩的必要性

下面的讨论会看到，经过取样、量化、编码后的电视信号信息量非常大。电视亮度信号的最高频率是6Mhz，每个色差信号大最高频率为两个1.5Mhz。根据奈奎斯特定理，亮度与色度信号的取样频率分别应该大于12Mhz和2×3Mhz=6Mhz。量化等级取256，需要8 位二进

中，1个符号代表m比特（64QAM m=6）。由1字节=8比特转换为1 符号=m比特，称为字节到符号的映射。映射就是转换，在64QAM，要将3 个字节转换为4 个6bit的字符。打个比方说，学生看电影，每8 个人一组去影院。而影院是每6 个人一条凳子。这样，学生就得由每8 个人一组，转换为每6 个人一条凳子。

差分编码。

数字电视的调制方式是正交调幅，它需要把码流分成两路，一路称为同向分量I，一路称为正交分量Q。I 和Q 分别对频率相同而相互正交的载波进行幅度调制（两个正交的载波是cosωt 和sinωt）。最后，二者叠加成QAM 调制信号。因而，进入QAM 调制之前，要把数据码流分成两路，即差分编码。它实质上是把单路串行码流分成两路并行码流。

基带成型滤波是脉冲波型变换。比特信号的“0 和“1”是方脉冲，具有无限带宽。我们的网络是限带的（每个频道8Mhz），自然无法适应。为了减少比特占用的带宽，又不影响收到信号的判决，可以把方的脉冲改变一下形状。把上升沿和下降沿由突变的直线变为圆滑的曲线，把方波圆滑化。这种方法称为滚降。在电路上是使方形脉冲通过一个升余弦滚降滤波器。其滚降系数取α=5。

调制，是解决数字基带信号不能直接在HFC网络中与模拟信号按频分复用兼容传输的问题。

用基带信号改变高频率载波的某个参数，让高频率载波载运基带信号并实现频谱从基带到载波频率的搬移，叫做调制。频率搬移是频分复用所必须的。调制就是使载波的参数按所载运基带信号的变化而变化。用载波的不同状态表示基带信号。调制方式有调幅（AM），调频（FM），调相（PM）几种。我们使用的是QAM 调制，叫做正交幅度调制。它先把调制信号码流分成独立的两路，分别对同频正交的两个载波进行双边带抑制载波调幅，最后两路已调信号相加输出。QAM 调制是幅度调制与相位调制的结合，既调幅又调相。有线电视使用的QAM 调制是64QAM，就是调制后，载波有64 种状态，每个状态代表一个符号（一个符号是6 位比特组成的码）。64QAM 的调制状态可以直观的用星座图表示。座标里的64 个点，代表64 个符号。正常时，这些符号点在小方格中间。信号的劣化，造成符号点的偏移，严重时偏移到格子外，就“串”了。造成符号被错判。

MPEG-2 码流经过上述的信道编码、调制，最终把传输码流载运到一个指定频率、8Mhz带宽的高频率载波上。从高频率载波的形式讲，它与现在HFC 网中传输的模拟电视频道信号就一样了，可以堂而皇之的混合进网传输了，并与模拟信号同等待遇，被光链路、电缆链路传输到用户.

64QAM调制由于既调幅又调相，频率利用率高，每8Mhz带宽可以传输的信息速率达40Mbit/s以上，我们选为38Mbit/s。就是说，把几套节目先通过复用器复用成38Mbit/s 的多节目传输流MPTS，再送进调制器。

64QAM 的性能为：进制8，频谱利用率6bit/Hz，每套节目压缩到1.5Mbit/s 时，每8Mhz 频道可以传送17 套节目,压缩到2Mbit/s 时，可以传送13 套节目,压缩到4Mbit/s,可以传送

6 套节目。正常接收所需要的C/N（无纠错）28dB，用R-S 纠错为23dB。

经调制后码速率的变化如下：

R-S 编码，由于传输包长由188 变成了204 字节，每包码字数增加了，速率将提高到约为38×204/188=41Mbit/s。字节到字符映射，因为每字符为6bit，比特速率变为字符速率约为41/6=6.8Ms/s(每秒字符)。再经升余弦滚降滤波，我们实际使用的符号率是6.875Ms/s。这是一个非常重要的传输参数，是配置调制器和机顶盒必须的。

六、有线电视前端。

㈠数字有线电视前端的功能：

数字电视信号在有线电视HFC网内的传输，核心是信号对网络的适配问题。模拟电视信号数字化、压缩即信源编码，解决了用数字比特代表连续的模拟信号和速率对网络的适配。那么如何解决传输对网络的适配，使用户达到满意的接收，这就是前端要解决的问题。具体说，前端的主要功能是：

⑴组织节目。

节目为王。向用户提供多套数，高质量的节目是数字电视的生命所在。数字有线电视的节目源主要有：来自卫星的节目；以SDH形式从光缆传来的节目；本地自办节目；由视频服务器播出的NVOD、VOD 节目；由本台更新、增加的电子节目指南（EPG）等。前端的组织作用，就是要把这些不同的节目进行数字化，压缩编码等过程，统一为MPEG-2 传输流（MPEG-2 TS）和ASI接口格式。

⑵监视、调度和切换播出节目。

在有线电视HFC网中，数字电视也应当按每8Mhz带宽一个频道来传输。那么，哪个频道传送哪几套节目，以及节目之间的切换、调度，都要在前端完成。完成这个任务的设备是一个多输入口，多输出口的数字切换矩阵，也称路由器。它还可以为信号源的监视提供选择节目的功能。

⑶系统管理。

数字有线电视节目是以一种新的付费方式提供给授权用户的。因而可靠的授权管理是数字有线电视必备的功能。

系统管理包括有条件接收系统CAS、用户管理系统SMS和网络管理系统NMS。

有条件接收系统CAS；对节目和数据进行加扰、加密，对用户进行授权管理，实现有偿服务。

用户（订户）管理系统SMS：对用户进行管理，包括用户信息、用户设备信息、数字产品信息、订购信息、授权信息、财务信息等。

网络管理系统NMS：对前端和网络设备进行集中管理，包括规划、参数设置、检测报警等。从信号形成、流向到质量进行控制，对系统运行状态、故障、错误进行报警，保证系统协调、正常、安全运行。

⑷复用。