谈数字视频广播特点

袁红军

（内蒙古呼伦贝尔市根河市金河广播电视中心，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

今天，尽管我们在家里仍然收看的还是模拟电视节目，但是节目制作棚里的设备已经是数字化了，从节目制作棚到发射塔的信号传输也已是数字化了，没有这些节目制作与传输的数字技术，我们的节目质量是无法满足的。当你通过卫星电视网、有线电视网或开路电视网观看电视节目时，你已经是位于数字电视传输的最后一个环节，这一个环节正在经历一场数字化革命，以达到电视节目的全数字化传输。在电视数字化的进程中，国际DVB组织(Digital Video Broadcasting)提出了全套的解决方案，这一方案涉及我们常用的传输媒介：数字卫星电视(DVB-S)、数字有线电视(DVB-C)、数字开路电视(DVB-T)。

一、DVB音频特点

DVB系统的音频编码使用MPEG-ILayerII笫二层音频编码，也称作MUSICAM。音频的MPEG-ILayerII编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。MPEG-ILayerII音频编码可用于单音、立体声、环绕声和多路多语言声音的编码。

二、DVB视频特点

对于视频，国际上采用标准的MPEG-2压缩编码，MPEG-2视频编码系统由一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的不同，它分成四种信源格式或称“等级”(level)，从录像带(VCR)的低图像清晰度到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级”以外，DVB视频标准还定义了“档次”(PROFILE)的概念，每一个不同的“档次”(PROFILE)能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。

（一）“档次”(PROFILE)

目前在MPEG-2系统中存在5个“档次”(PROFILE)，每一个“档次”(PROFILE)都会比它的前一个“档次”更加复杂、更加完善，提供更多的工具，同时其相对应的设备的价格也更高。

“档次”的最初级叫作简单档次(SIMPLEPROFILE)，随后是主档次(MAINPROFILE)，它比简单档次(SIMPLEPROPILE)增加了编码双向预测的功能，即：B-FRAMES，在使用同样的码流的情况下，它的质量会更好，但算法更加复杂，使用的芯片更多。主档次(MAINPROFILE)的解码芯片，可以兼容解码简单档次(SIMPLEPROFILE)的编码，这种向下兼容性贯穿整个系列的“档次”。

在主档次(MAINPROFILE)之后，是信噪比可分级档次(SNRSCALABLE)及空间频谱可分级档次(SPACILLYSCALABLEPROFILE)，这两种“档次”可以调整信噪比与码流率关系，以及图像清晰度与码流率之间的关系，出于其编码的复杂性以及接收设备价格昂贵问题，DVB标准目前不支持这两种“档次”。最高级的“档次”是HIGHPROFILE，它不仅兼容前面的低极“档次”，兼备所有的功能，而且可以进行多行同时编码，而前面的“档次”则是逐行编码。

我们看到没有压缩的电视图像码流率非常高，占用带宽太宽，不适用于传输，即使采用4:2:0格式，图像码流率也高达124.416Mb/s，MPEG-2的压缩算法采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法，使码流率降到3～8Mb/s仍然获得质量清晰的图像，使数字电视的传输成为可能。

（二）“等级”(level)

根据图像节目源的清晰度由低到高的不同，DVBMPEG-2标准分成许多“等级”，最低的LOWLEVEL的清晰度是IU-R-BT、601号建议的四分之一，即：352×288×25帧/秒。MAINLEVEL是完全符合IU-R-BT、601号建议的标准，即：720×576×25帧/秒。HIGH-1440LEVEL采用了每行1440个采样的方法。HIGHLEVEL采用了更高的每行1920个采样的方法。

目前，在世界上最常用的MPEG-2标准是MP@ML，即：MAINPROFLE@MAINLEVEL，它是第一代数字有线电视和数字卫星电视的基础，节目提供者可以提供625质量的节目，图像的长宽比可以是4:3或16:9;至于码流率，它是由节目提供者根据节目质量来选定的，图像质量越高，所需码流率越高，反之则越低。

三、MPEG-2码流复用及服务信息

参照数字电视传输，音频、视频及数字信号首先经过MPEG-2编码器进行数据压缩，通过节目复用器形成基本码流(ES)，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流(PES)。代表不同音频、视频信号的PES流被送入传输复用器进行系统复用，复用后的码流叫作传输流(TS)，传输流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统复用器上需要加入服务信息(SI)，使接收端可以识别不同的节目。为了便于理解DVB传输系统的服务信息，我们对传输码流的结构进行粗略的介绍，传输码流的长度定义为188个字节长。

每个传输流的前4个字节为字头(Header)，字头后面就是需要传送的有用信息，包括音频、视频或数据信息，通常是184个字节长度，有时在有用信息(UsefulData)中插入一段适配区域(Adaptation Field)，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟(PCR)。传输流的字头是识别传输流的关键，其结构由32个比特组成。

DVB标准的传输系统分成信源编码(SourceCoding)和信道编码(Channel Coding)两部分，信源编码采用MPEG-2码流。首先，对音频和视频进行节目复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。

信道编码包括前向纠错编码、解码、调制、解调和上下变额三部分。前向纠错码根据不同的传输媒介采用不同的组合。卫星传输采用QPSK调制，有线传输采用QAM调制，开路传输采用COFDM调制或16VSB调制。

（一）DVB标准卫星传输系统DVB-S

数字卫星电视的传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。卫星系统是一个单载波系统，如果我们将所要传输的有用信息称为“核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频以及数据被放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，然后进行信道处理，在卫星系统中，信道处理过程包括：

1.首先进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每8个字节进行一次。

2.然后进行数据的能量扩散，数据随机化，避免出现长串的0或1。

3.为每个数据包加上前向纠错的R-S编码，也叫作外码。R-S编码的加入会使原始数据长度由原来的188字节增加到204字节。

4.进行数据交织。

5.加入卷积码纠错，也称内码，内码的数量可以根据信号的传输环境进行调节。

6.最后对数据流进行QPSK调制。

总之，传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入R-S外纠错码保护，内纠错码是可以根据发射功率，天线尺寸以及码流率进行调节变化。举例来讲，一个36MHz带宽的卫星转发器采用3/4的卷积码可以达到的码流率是39Mb/s，这一码流率可以传送5—6路高质量电视信号。

（二）DVB标准有线传输系统DVB-C

数字有线电视采用与卫星同样的“核”，即MPEG-2压缩编码的传输流。由于传输媒介采用的是同轴线，与卫星传输相比外界干扰小，信号强度相对高些，所以前向纠错码保护中取消了内码。调制方式改成64-QAM方式，有时也可以采用16-QAM，32-QAM或更高的128-QAM，256-QAM。对于QAM调制而言，传输信息量越高，抗干扰能力越低。在一个8MHz标准电视频道内，如果使用64-QAM，所传输的数据速率为38.5Mb/s。

（三）DVB标准开路传输系统DVB-T

开路传输系统的标准是1998年2月批准通过的。第一个正式的开路传输系统于1998年初开始运营。MPEG-2数字音频、视频压缩编码仍然是开路传输的核心。其他特点是，采用COFDM调制方式，在这种调制方式内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2k载波方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度。

由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中的相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的迭加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。

从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性，DVB-T系统不仅包含了内外码(OuterCode，InnerCode)，而且加入了内外交织(OuterInterleave，InnerInterleave)。