数字技术基础与DVB

昵称8442 2006-05-29

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数字技术基础与DVB

当今数字技术的发展非常迅速，应用也越来越普及。有线电视的各种多功能业务（如VOD、DVB、互联网接入等）都是数字技术应用的体现。数字信号仅取0和1两个不同的状态，传输数字信号也只需要传输这两个符号，通常用饱和与截止状态来对这两个符号进行复制，若我们以5V高电平代表“1”而以0V的低电平代表“0”，则在传输时即使通道干扰或失真，使低电平跃升为1.5V，高电平跌到3.5V，人们还是有十分充足的把握毫不费力地将它们判断出来。一个形象化的说明如图1所示，图中A代表传输的模拟信号，当用模拟系统传输时，噪声和系统失真使其不能保持高保真，而用数字化处理后，虽然传输系统也会引入种种不利的影响，但只要对0和1这两个符号尚能判别，就有可能恢复信号，从而保持高品质。由于传输数字信号仅用到电路的两种状态，只要系统速率能满足码流速率的要求，一般说来系统不易产生动态失真和频响方面的问题，并且，数字信号在处理上的灵活性、通道中的抗干扰性、加工的简易性、存储的持久性以及失真的可修复性等，都可运用到视音频系统中，所以这就是数字技术为何得而高速发展的主要原因。

DVB业务，它是一种基于信源编码为MPEG-2的数字广播技术，这种技术有三种标准：1、DVB-S，它多用在卫星转发器上，带宽为26MHZ—72MHZ；2、DVB-T，它是针对地面广播的；3、DVB-C它主要用在有线电视上。DVB-C数字视频广播系统的信号通常采用QAM（正交幅相调制）方式进行传送，信号产生的流程图如图2所示。

要了解DVB的基本原理，必需要掌握一些数字技术的基本知识，为此在这里，以论述数字技术基本知识为主导，以增加大家对DVB技术的了解。

一、比特率和波特率

比特率是指二进制数码流的信息传输速率，单位是：bit/s简写b/s或bps，它表示每秒传输多少个二进制元素（每一个二进制的元素称为比特）。

波特又称调制速率，是针对模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是s/s，称为波特(baud)率。因此，调制速率也称为波特率(我台播出DVB系统的波特率是6.9MS/S)。

二、信源编码与信道编码

模拟视频信号和音频信号要变成数字信号，通常都要通过信元编码和信道编码两个过程才能完成。

1、信元编码

最常用的信源编码方式是脉冲编码（PCM），它需要经过抽样、量化和编码三个过程。抽样是将时间上连续的取值变为有限个离散取值的过程。

在模拟通信系统中传输的是连续的模拟信号，在数字通信中传输的是离散的数字信号，模拟信号是我们所传送的真实信息，如话音、视频信号，要将这些在时间上连续的模拟信号变成时间上不连续的数字信号，头一个工序就是对这些模拟信号进行抽样处理，如图3-b所示，它的工作过程如图4的等效电路。当抽样信号到来时，门电路导通，在输出端就得到一个样值。在图3-b中，我们按一定的时间间隔T，把模拟信号分成若干等分，在同一时间间隔内，用一个确定的幅度（样值）来代替原来模拟信号中该时间间隔内变化的幅度，显然这个抽样的时间间隔T越小，样值越能反映出原来模拟信号随时间变化的规律。这就是抽样信号的频率问题，根据研究，抽样信号和模拟信号必须满足Fs≥2Fimax，Fs是抽样信号的频率，Fimax是模拟信号的最高工作频率，也就是说，抽样信号的频率必须要大于或等于模拟信号最高频率的二倍，这样抽样所得到的样本才能比较正确地反映出原来模拟信号随时间变化的规律。

量化是将经抽样后幅度上无限多种连续的样值变为有限个离散值的过程。

抽样后所产生的样本电压值虽然是不连续的，也不一定是整数（如1V、1.23V、2.1V等），因此还必须将这些数值化为某个最小单位的整倍数，这个转化过程称为量化。图3-C显示了的量化过程，我们把样值实际的变化范围分成若干个小间隔，小间隔的数量N称为量化级，每一个小间隔的高度△称为量化阶。n位二进制数共有2ⁿ个不同的数，可以代表2ⁿ个不同的状态（如2²=4，用二进制可表示四种不同的数或状态：00、01、10、11，所对应的数用十进制表示是：0、1、2、3），用来表示量化时代表2ⁿ个不同的量化级，称为n比特量化。图3-C的量化是N=8个量化级，即有8个不同的量化状态，需要n=3位的二进制数来表示，把它称为3比特量化。在量化的过程中，是通过四舍五入的方法把落入每个小间隔的样值下移或上靠为一个标准的数值，这就使样值出现了误差，称之为量化误差或叫量化噪声。显然，间隔分得越细（即量化级数越多），量化误差越小，但量化级数越多生成的数据量也越大，设备也越复杂。实际上，如果量化误差比传输过程中的噪声还要小时，量化误差的影响就不重要了，没必要过分提高量化级数。

经过量化以后的样本脉冲信号仍有许多个不同的幅值，将它们直接传输仍会受到噪声，失真等的严重影响，还需要经过编码，变成为只有一个确定幅度的一系列脉冲，即所谓数据传输流了，如图3-d所示。

编码是把量化后的信号按照一定的对应关系转变成一系列数字编码脉冲的过程。

普通模拟电视信号经A/D变换后，其码率为216MB/S,要传送这一码率的数字信号要求带宽为144MHZ，为此要进行压缩处理。MPEG-2就是一种压缩式数字编码标准。

MPEG-2编码是属于信源编码范畴，它是DVB数字视频广播的视音频信源编码标准。这种信源编码以压缩信源数码率为目的，主要方法是找出各样值的相关特性予以去除，从而达到对视音频数据码率压缩的目的。

上面说过视频信号经过A/D变换后，其码率为216MB/S，传送这一信号的带宽为144MHZ，这样大的数据和信道带宽，带来了存储和传输的难题。通过研究，人们了解到，在这些大量的数据中，头一些是带有信息的，而另外一些则几乎不携带什么信息。我们把这大数据的总量称为数据量，把携带信息那部分的数据称为信息量，而把不携带信息的那部分数据称为冗余量，在信源编码时，人们总是力求去除那些冗余，以提高信号传输与存储的效率。

A、数据冗余的类别

为了实现对数据的压缩，首先必须了解数据中有那些类型的冗余，通常视音频数据中比较常见的冗余有：

①、空间冗余：在一幅图像的背景及其景物中，在某点自身与其相邻的一些区域内，常存在有规则的相关性。例如：一幅蔚蓝的天空中漂浮着白云的图像，其蔚蓝的天空及白云本身都具有较强的相关性，这种相关性的图像部分，在数据中就表现为冗余，空间冗余是视频图像中常见的一种冗余。

②、时间冗余：对于电视动画类的图像，在其序列的各前后相邻的两幅图像中，其图像呈现较强的相关性，这就反映为时间冗余。如某一幀图像经过T时间后，在某下一幀图像中带有较强的相关性（即画面象素相似）。

③、知觉冗余：知觉冗余是指那些处于人们听觉和视觉分辨力以下的视音频信号，若在编码时舍去这种在感知门限以下的信号，虽然这会使恢复原信号产生一定的失真，但并不能为人们所感知，为此，此种超出人们感知能力部分的编码就称为知觉冗余。例如：一般的视频图像采用2⁸的灰度等级，而人们的视觉分辨力仅达2⁶的等级，此差额即为视觉冗余。

B、数据压缩的基本概念

由上可知，信源中常含有一定的自然冗余度，它来源于信源本身的相关性，在MPEG-2标准中，采取了混合编码的方式来去除这些冗余，达到压缩码率的目的。它们主要有：

①、预测编码：它包括运动补偿、自适应预测、线性及非线性预测等。在一幀图像中，对于空间冗余，反映为同幀图像中相邻像素点之间有较强的相关性，故可用与某一像素点的相邻已编码点来进行预测估计。对于时间冗余，则表现为幀间相同位置点之间的相关性。对于电视图像的序列数据而言，空间相关性亦可用时间相关性来体现，反之亦然。例如：同一扫描行内相邻像素间表现为以取样周期为间隔的时间相关性，而相邻幀中间同一位置像素间则表现为以幀周期为间隔的时间相关性等。

②、变换编码：变换是指以时域到频域的变换处理，经常是将图像的光强矩阵（时域信号）变换到系数空间（频域）上再进行处理。

在空间上具有强相关的信号，反映在频域其能量常常集中在某些特定的区域，或者是系数矩阵的分布具有某些规律。我们可以利用这些规律，分配频域上的量化位数，从而达到数据压缩的目的。在变换编码中常用DCT（离散余弦变换）变换方法。

③、量化与矢量量化编码：在对图像信号中的像素进行量化时，除了一次量化一个像素点以外，也可一次量化多个点，这点是矢量量化。例如：我们每次量化两个相邻的像素点，并用一个量化码字表示。

此外还有信息熵编码、子带编码等，这里就不敖述了。

MPEG-2同时兼顾了高质量的图象和高压缩比，从码率为2MB/S的VHS图象质量直到码率为18MB/S的高清晰度电视（HDTV）。一般的MPEG-2编码器都可由用户选择，把一个频道的电视信号压缩成2MB/S、3MB/S、4MB/S、5MB/S、6MB/S和8MB/S等的数字信号。实际观测表明，压缩为6MB/S和8MB/S的图象与没有压缩的图象基本没有区别，但在压缩为4MB/S的快速体育运动图象上，则能看到图象的缺陷。因此，体育节目一般采用5MB/S以上的码率，标准清晰度电视（SDTV）采用4MB/S的码率，而普通电视的影视节目则多采用2MB/S—3MB/S的码率。