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數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)與DVB

當(dāng)今數(shù)字技術(shù)的發(fā)展非常迅速，應(yīng)用也越來(lái)越普及。有線電視的各種多功能業(yè)務(wù)（如VOD、DVB、互聯(lián)網(wǎng)接入等）都是數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的體現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)僅取0和1兩個(gè)不同的狀態(tài)，傳輸數(shù)字信號(hào)也只需要傳輸這兩個(gè)符號(hào)，通常用飽和與截止?fàn)顟B(tài)來(lái)對(duì)這兩個(gè)符號(hào)進(jìn)行復(fù)制，若我們以5V高電平代表“1”而以0V的低電平代表“0”，則在傳輸時(shí)即使通道干擾或失真，使低電平躍升為1.5V，高電平跌到3.5V，人們還是有十分充足的把握毫不費(fèi)力地將它們判斷出來(lái)。一個(gè)形象化的說(shuō)明如圖1所示，圖中A代表傳輸?shù)哪M信號(hào)，當(dāng)用模擬系統(tǒng)傳輸時(shí)，噪聲和系統(tǒng)失真使其不能保持高保真，而用數(shù)字化處理后，雖然傳輸系統(tǒng)也會(huì)引入種種不利的影響，但只要對(duì)0和1這兩個(gè)符號(hào)尚能判別，就有可能恢復(fù)信號(hào)，從而保持高品質(zhì)。由于傳輸數(shù)字信號(hào)僅用到電路的兩種狀態(tài)，只要系統(tǒng)速率能滿(mǎn)足碼流速率的要求，一般說(shuō)來(lái)系統(tǒng)不易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)失真和頻響方面的問(wèn)題，并且，數(shù)字信號(hào)在處理上的靈活性、通道中的抗干擾性、加工的簡(jiǎn)易性、存儲(chǔ)的持久性以及失真的可修復(fù)性等，都可運(yùn)用到視音頻系統(tǒng)中，所以這就是數(shù)字技術(shù)為何得而高速發(fā)展的主要原因。

DVB業(yè)務(wù)，它是一種基于信源編碼為MPEG-2的數(shù)字廣播技術(shù)，這種技術(shù)有三種標(biāo)準(zhǔn)：1、DVB-S，它多用在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，帶寬為26MHZ—72MHZ；2、DVB-T，它是針對(duì)地面廣播的；3、DVB-C它主要用在有線電視上。DVB-C數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的信號(hào)通常采用QAM（正交幅相調(diào)制）方式進(jìn)行傳送，信號(hào)產(chǎn)生的流程圖如圖2所示。

要了解DVB的基本原理，必需要掌握一些數(shù)字技術(shù)的基本知識(shí)，為此在這里，以論述數(shù)字技術(shù)基本知識(shí)為主導(dǎo)，以增加大家對(duì)DVB技術(shù)的了解。

一、比特率和波特率

比特率是指二進(jìn)制數(shù)碼流的信息傳輸速率，單位是：bit/s簡(jiǎn)寫(xiě)b/s或bps，它表示每秒傳輸多少個(gè)二進(jìn)制元素（每一個(gè)二進(jìn)制的元素稱(chēng)為比特）。

波特又稱(chēng)調(diào)制速率，是針對(duì)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸過(guò)程中，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號(hào)每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的數(shù)值，單位是s/s，稱(chēng)為波特(baud)率。因此，調(diào)制速率也稱(chēng)為波特率(我臺(tái)播出DVB系統(tǒng)的波特率是6.9MS/S)。

二、信源編碼與信道編碼

    模擬視頻信號(hào)和音頻信號(hào)要變成數(shù)字信號(hào)，通常都要通過(guò)信元編碼和信道編碼兩個(gè)過(guò)程才能完成。

1、信元編碼

最常用的信源編碼方式是脈沖編碼（PCM），它需要經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼三個(gè)過(guò)程。  

在模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)的模擬信號(hào)，在數(shù)字通信中傳輸?shù)氖请x散的數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)是我們所傳送的真實(shí)信息，如話(huà)音、視頻信號(hào)，要將這些在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成時(shí)間上不連續(xù)的數(shù)字信號(hào)，頭一個(gè)工序就是對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣處理，如圖3-b所示，它的工作過(guò)程如圖4的等效電路。當(dāng)抽樣信號(hào)到來(lái)時(shí)，門(mén)電路導(dǎo)通，在輸出端就得到一個(gè)樣值。在圖3-b中，我們按一定的時(shí)間間隔T，把模擬信號(hào)分成若干等分，在同一時(shí)間間隔內(nèi)，用一個(gè)確定的幅度（樣值）來(lái)代替原來(lái)模擬信號(hào)中該時(shí)間間隔內(nèi)變化的幅度，顯然這個(gè)抽樣的時(shí)間間隔T越小，樣值越能反映出原來(lái)模擬信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。這就是抽樣信號(hào)的頻率問(wèn)題，根據(jù)研究，抽樣信號(hào)和模擬信號(hào)必須滿(mǎn)足Fs≥2Fimax，Fs是抽樣信號(hào)的頻率，Fimax是模擬信號(hào)的最高工作頻率，也就是說(shuō)，抽樣信號(hào)的頻率必須要大于或等于模擬信號(hào)最高頻率的二倍，這樣抽樣所得到的樣本才能比較正確地反映出原來(lái)模擬信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。

量化是將經(jīng)抽樣后幅度上無(wú)限多種連續(xù)的樣值變?yōu)橛邢迋€(gè)離散值的過(guò)程。

抽樣后所產(chǎn)生的樣本電壓值雖然是不連續(xù)的，也不一定是整數(shù)（如1V、1.23V、2.1V等），因此還必須將這些數(shù)值化為某個(gè)最小單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為量化。圖3-C顯示了的量化過(guò)程，我們把樣值實(shí)際的變化范圍分成若干個(gè)小間隔，小間隔的數(shù)量N稱(chēng)為量化級(jí)，每一個(gè)小間隔的高度△稱(chēng)為量化階。n位二進(jìn)制數(shù)共有2ⁿ個(gè)不同的數(shù)，可以代表2ⁿ個(gè)不同的狀態(tài)（如2²=4，用二進(jìn)制可表示四種不同的數(shù)或狀態(tài)：00、01、10、11，所對(duì)應(yīng)的數(shù)用十進(jìn)制表示是：0、1、2、3），用來(lái)表示量化時(shí)代表2ⁿ個(gè)不同的量化級(jí)，稱(chēng)為n比特量化。圖3-C的量化是N=8個(gè)量化級(jí)，即有8個(gè)不同的量化狀態(tài)，需要n=3位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，把它稱(chēng)為3比特量化。在量化的過(guò)程中，是通過(guò)四舍五入的方法把落入每個(gè)小間隔的樣值下移或上靠為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值，這就使樣值出現(xiàn)了誤差，稱(chēng)之為量化誤差或叫量化噪聲。顯然，間隔分得越細(xì)（即量化級(jí)數(shù)越多），量化誤差越小，但量化級(jí)數(shù)越多生成的數(shù)據(jù)量也越大，設(shè)備也越復(fù)雜。實(shí)際上，如果量化誤差比傳輸過(guò)程中的噪聲還要小時(shí)，量化誤差的影響就不重要了，沒(méi)必要過(guò)分提高量化級(jí)數(shù)。

經(jīng)過(guò)量化以后的樣本脈沖信號(hào)仍有許多個(gè)不同的幅值，將它們直接傳輸仍會(huì)受到噪聲，失真等的嚴(yán)重影響，還需要經(jīng)過(guò)編碼，變成為只有一個(gè)確定幅度的一系列脈沖，即所謂數(shù)據(jù)傳輸流了，如圖3-d所示。

編碼是把量化后的信號(hào)按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)變成一系列數(shù)字編碼脈沖的過(guò)程。

普通模擬電視信號(hào)經(jīng)A/D變換后，其碼率為216MB/S,要傳送這一碼率的數(shù)字信號(hào)要求帶寬為144MHZ，為此要進(jìn)行壓縮處理。MPEG-2就是一種壓縮式數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)。

MPEG-2編碼是屬于信源編碼范疇，它是DVB數(shù)字視頻廣播的視音頻信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。這種信源編碼以壓縮信源數(shù)碼率為目的，主要方法是找出各樣值的相關(guān)特性予以去除，從而達(dá)到對(duì)視音頻數(shù)據(jù)碼率壓縮的目的。

上面說(shuō)過(guò)視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換后，其碼率為216MB/S，傳送這一信號(hào)的帶寬為144MHZ，這樣大的數(shù)據(jù)和信道帶寬，帶來(lái)了存儲(chǔ)和傳輸?shù)碾y題。通過(guò)研究，人們了解到，在這些大量的數(shù)據(jù)中，頭一些是帶有信息的，而另外一些則幾乎不攜帶什么信息。我們把這大數(shù)據(jù)的總量稱(chēng)為數(shù)據(jù)量，把攜帶信息那部分的數(shù)據(jù)稱(chēng)為信息量，而把不攜帶信息的那部分?jǐn)?shù)據(jù)稱(chēng)為冗余量，在信源編碼時(shí)，人們總是力求去除那些冗余，以提高信號(hào)傳輸與存儲(chǔ)的效率。

A、數(shù)據(jù)冗余的類(lèi)別

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮，首先必須了解數(shù)據(jù)中有那些類(lèi)型的冗余，通常視音頻數(shù)據(jù)中比較常見(jiàn)的冗余有：

①、空間冗余：在一幅圖像的背景及其景物中，在某點(diǎn)自身與其相鄰的一些區(qū)域內(nèi)，常存在有規(guī)則的相關(guān)性。例如：一幅蔚藍(lán)的天空中漂浮著白云的圖像，其蔚藍(lán)的天空及白云本身都具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這種相關(guān)性的圖像部分，在數(shù)據(jù)中就表現(xiàn)為冗余，空間冗余是視頻圖像中常見(jiàn)的一種冗余。

②、時(shí)間冗余：對(duì)于電視動(dòng)畫(huà)類(lèi)的圖像，在其序列的各前后相鄰的兩幅圖像中，其圖像呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，這就反映為時(shí)間冗余。如某一幀圖像經(jīng)過(guò)T時(shí)間后，在某下一幀圖像中帶有較強(qiáng)的相關(guān)性（即畫(huà)面象素相似）。

③、知覺(jué)冗余：知覺(jué)冗余是指那些處于人們聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)分辨力以下的視音頻信號(hào)，若在編碼時(shí)舍去這種在感知門(mén)限以下的信號(hào)，雖然這會(huì)使恢復(fù)原信號(hào)產(chǎn)生一定的失真，但并不能為人們所感知，為此，此種超出人們感知能力部分的編碼就稱(chēng)為知覺(jué)冗余。例如：一般的視頻圖像采用2⁸的灰度等級(jí)，而人們的視覺(jué)分辨力僅達(dá)2⁶的等級(jí)，此差額即為視覺(jué)冗余。

B、 數(shù)據(jù)壓縮的基本概念

由上可知，信源中常含有一定的自然冗余度，它來(lái)源于信源本身的相關(guān)性，在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中，采取了混合編碼的方式來(lái)去除這些冗余，達(dá)到壓縮碼率的目的。它們主要有：

①、預(yù)測(cè)編碼：它包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、自適應(yīng)預(yù)測(cè)、線性及非線性預(yù)測(cè)等。在一幀圖像中，對(duì)于空間冗余，反映為同幀圖像中相鄰像素點(diǎn)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，故可用與某一像素點(diǎn)的相鄰已編碼點(diǎn)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)。對(duì)于時(shí)間冗余，則表現(xiàn)為幀間相同位置點(diǎn)之間的相關(guān)性。對(duì)于電視圖像的序列數(shù)據(jù)而言，空間相關(guān)性亦可用時(shí)間相關(guān)性來(lái)體現(xiàn)，反之亦然。例如：同一掃描行內(nèi)相鄰像素間表現(xiàn)為以取樣周期為間隔的時(shí)間相關(guān)性，而相鄰幀中間同一位置像素間則表現(xiàn)為以幀周期為間隔的時(shí)間相關(guān)性等。

②、變換編碼：變換是指以時(shí)域到頻域的變換處理，經(jīng)常是將圖像的光強(qiáng)矩陣（時(shí)域信號(hào)）變換到系數(shù)空間（頻域）上再進(jìn)行處理。

在空間上具有強(qiáng)相關(guān)的信號(hào)，反映在頻域其能量常常集中在某些特定的區(qū)域，或者是系數(shù)矩陣的分布具有某些規(guī)律。我們可以利用這些規(guī)律，分配頻域上的量化位數(shù)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。在變換編碼中常用DCT（離散余弦變換）變換方法。

③、量化與矢量量化編碼：在對(duì)圖像信號(hào)中的像素進(jìn)行量化時(shí)，除了一次量化一個(gè)像素點(diǎn)以外，也可一次量化多個(gè)點(diǎn)，這點(diǎn)是矢量量化。例如：我們每次量化兩個(gè)相鄰的像素點(diǎn)，并用一個(gè)量化碼字表示。

此外還有信息熵編碼、子帶編碼等，這里就不敖述了。

MPEG-2同時(shí)兼顧了高質(zhì)量的圖象和高壓縮比，從碼率為2MB/S的VHS圖象質(zhì)量直到碼率為18MB/S的高清晰度電視（HDTV）。一般的MPEG-2編碼器都可由用戶(hù)選擇，把一個(gè)頻道的電視信號(hào)壓縮成2MB/S、3MB/S、4MB/S、5MB/S、6MB/S和8MB/S等的數(shù)字信號(hào)。實(shí)際觀測(cè)表明，壓縮為6MB/S和8MB/S的圖象與沒(méi)有壓縮的圖象基本沒(méi)有區(qū)別，但在壓縮為4MB/S的快速體育運(yùn)動(dòng)圖象上，則能看到圖象的缺陷。因此，體育節(jié)目一般采用5MB/S以上的碼率，標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（SDTV）采用4MB/S的碼率，而普通電視的影視節(jié)目則多采用2MB/S—3MB/S的碼率。

MPEG-2的簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，此圖是MPEG-2的視音頻數(shù)據(jù)信號(hào)處理流程圖。其簡(jiǎn)單的工作過(guò)程描述如下：

 

                                                   經(jīng)過(guò)視音頻壓縮來(lái)的數(shù)碼流稱(chēng)為ES流，將ES流打包后（打包的目的是將連續(xù)的數(shù)碼流，變成一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)包，它是編碼器與解碼器的直接連接形式。）的數(shù)碼流稱(chēng)為PES，視頻PES一般一幀一個(gè)包，音頻PES一般一個(gè)包的數(shù)據(jù)量不超過(guò)64KB。多個(gè)打包后的數(shù)碼流再經(jīng)過(guò)復(fù)用器成為傳送流（TS流）。

2、信道編碼

采用合適的調(diào)制方式和糾錯(cuò)方法，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。

數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過(guò)信道編碼這一環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，從而極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。

誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性?xún)?nèi)插等。