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數字衛星電視系統

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1 數字衛星電視系統 -簡介

  數字衛星電視系統,簡稱DVB-S系統,又稱DVB-S數字衛星電視系統
  數字衛星電視是近幾年迅速發展起來的,利用地球同步衛星將數字編碼壓縮的電視信號傳輸到用戶端的一種廣播電視形式。主要有兩種方式。一種是將數字電視信號傳送到有線電視前端,再由有線電視台轉換成模擬電視傳送到用戶家中。這種形式已經在世界各國普及應用多年。另一種方式是將數字電視信號直接傳送到用戶家中即:Direct to Home(DTH)方式。美國Direct TV公司是第一個應用這一技術的衛星電視營運公司。與第一種方式相比,DTH方式衛星發射功率大,可用較小的天線接收,普通家庭即可使用。同時,可以直接提供對用戶授權和加密管理,開展數字電視,按次付費電視(PPV),高清晰度電視等類型的先進電視服務,不受中間環節限制。此外DTH方式還可以開展許多電視服務之外的其他數字信息服務,如INTERNET高速下載,互動電視等。

2 數字衛星電視系統 -系統概述

  目前世界上許多國家都在發展數字衛星電視系統,原因在於其獨特的優點: 首先,數字電視通過衛星傳輸后,接收端的信號質量可與發送端的相比擬,這是因為它採用了數字傳輸和誤碼保護技術,而普通模擬電視信號採用的是模擬處理和傳輸方式,接收質量容易受雜訊及干擾的影響; 第二,數字衛星電視系統由於採用數字壓縮技術及數字調製技術,在只能傳1路模擬電視節的一個36MHz衛星轉發器上,可傳輸5—6路數字電視節日,從而大大的節約了空間頻率資源; 第三,採用大規模集成電路,使設備功耗降低、體積減小、可靠性提高並易於與計算機聯網。介於數字衛星電視具有上述突出的優點,再加上近年來高速信號處理技術和超大規模集成電路技術的發展,為實現數字衛星電視系統提供了基礎。 從1993年起,歐洲數字電視廣播集團陸續制定了一系列數字電視標準,即DVB(DigitalVideoBroadcast),其中包括適用於衛星鏈路的DVB-S標準。歐洲的DVB-S標準在亞洲、澳洲、美國都得到了響應,中國在1996年頒布廣播電視數字傳輸技術體制、決定採用符合DVB-S標準的數字電視衛星廣播系統。

3 數字衛星電視系統 -核心技術

  DVB系統的核心技術是通用MPEG-2視頻和音頻編碼,目前主要應用於數字衛星和電視廣播的是MP@ML。第一代的歐洲DVB接收機將提供直到625行演播室質量?ITU-Rec,BT601 的圖像?ITU是國際電聯 ,可以是4:3或16:9的寬高比。還可以根據業務要求確定所用碼率。一般來講,所選碼率越高,圖像的質量越好,但佔用頻帶越寬。碼率的選用與圖像的內容有很大關係,對於運動較多的圖像如體育節目可採用較高的碼率,對於卡通片等節目可以採用較低的碼率。因此,目前在把多個節目比特流複合成一個比特流的情況下,都採用統計復用的方法,能在不同碼率的節目間靈活地分配總碼率數。為了滿足各類素材的要求,ITU-Rec,BT601演播室質量所需數碼為9Mbit/s,PAL/SECAM,播出質量所需數碼率為5Mbit/s,由於用MPEG-2傳輸比特流是一種數據包結構,所以可以很方便地加入適當信息,把各種不同的業務,如圖像、聲音和數據業務和在一起,並對服務信息的格式作詳細的規定,所形成的標準就是服務信息標準ETS300468。DVB系統採用低數據率的MPEG-1層II音頻標準作為其通用的音頻壓縮編碼標準,以獲得接近於CD質量的聲音。

4 數字衛星電視系統 -基本組成

  發送端分為兩部分,一部分為信號形成即信源編碼和復用部分(這裡只介紹SCPC);另一部分為信號傳輸即通道編碼與數字調製部分。1)信源編碼和復用

  信源編碼部分主要完成模/數和標準變換以及數字壓縮功能。模/數和標準變換系統能處理多種不同格式、不同標準並將其變換為單一的、可以進行壓縮處理的數字信號;壓縮編碼部分即是把該數字信號進行壓縮,降低其碼率,使常規的一條模擬傳輸通道可傳輸多路數字電視信號且基本不降低信號質量;節目復用是指視音頻相輔助數據經節目復用器混合成一個數據流,即構成節目數碼流,同時加入一些業務用的信息。2)通道編碼和數字調製

  由於衛星通道中信號衰減很大,信噪比較低,因此必須犧牲一定的頻譜利用率以保證足夠的功率利用率,DVB-S系統就採取了兩種措施:一是採用級聯的通道編碼方案;二是採用QPSK調製。
  a)通道編碼數字信號在傳輸中最重要的是防止誤碼,因此傳輸中要在原信源編碼序列中以某種方式加入某些作為誤差控制用的數碼(即糾錯碼),以實現自動糾錯,從而提高信號傳輸的可靠性。DVB-S採用了前向糾錯編碼(FEC)。 級聯通道編碼由RS編碼(里德-索羅門編碼)和卷積碼組成。其中RS碼也稱為外碼,碼型為RS(204,188),其特點為糾正與本組(8比特為一組)有關的誤碼,對糾正突發性誤碼很有效。卷積編碼又為內碼,碼型可於1/2,2/3,3/4,5/6和7/8中選擇,選擇的標準是在頻譜利用率和抗誤碼性能間權衡,卷積編碼除糾正本組的誤碼以外,也糾正其他組的誤碼。 在RS碼與卷積碼間為一交織器,採用卷積交織方案。交織是為解決卷積編碼可能產生的連續誤碼,交織器可將連續誤碼分散開,使接收端能夠有效的糾錯,使連續誤碼不會超出糾錯能力。
  b)數字調製四相相移鍵控(QPSK)調製的傳輸效率高,抗誤碼性能較優,其調製信號是包絡恆定信號,傳輸通道中的幅度衰減對其性能無影響,非常適合衛星通道(因衛星傳輸通道衰減很大)但其通道利用率不高,僅為0.5Hz/bps。接收端如圖3示,天線接收下來的衛星信號(C頻段或Ku段)經低雜訊放大和下變頻變成L頻段(0.9-1.4GHz)信號,進入綜合接收解碼器(IRD),經調諧器和QPSK解調器解調為數字信號(數字流),此數據流經維特比解碼(Viterby)、去交織及R-S解碼,對傳輸中引入的誤碼進行糾錯,然後對此數字流進行去復用,解出的數據流送到MPEG-2視頻、音頻解碼器,經過解壓縮、數模變換等處理后輸出模擬信號,輸出的模擬視頻信號可以是分量信號也可以是複合信號。

5 數字衛星電視系統 -DVB-S數字衛星電視技術

  DVB-S標準提供了-套完整的適用於衛星傳輸的數字電視系統規範,選定ISO/IECMPEG-2標準作為音頻及視頻的編碼壓縮方式,對信源編碼進行了統一;隨後對MPEG-2碼流進行打包形成傳輸流(TS),進行多個傳輸流復用,然後進行通道編碼和數字調製,最後通過衛星進行傳輸。1)DVB音頻特點

  DVB-S系統的音頻編碼使用MPEG-2LayerII笫二層音頻編碼,也稱MUSICAM。音頻的MPEG-2LayerII編碼壓縮系統利用了聲音的低聲音頻譜掩蔽效應,這一人體生理學效應允許我們對於人耳不太敏感的頻率進行低碼率編碼,此技術的採用可以大大地降低音頻編碼速率。MPEG-2LayerII音頻編碼可用於單音,立體聲,環繞聲和多路多語言聲音的編碼。2)DVB視頻特點

  DVB-S系統的視頻採用標準的MPEG-2壓縮編碼,MPEG-2視頻編碼系統由一個大家族構成,每一個子系統之間都有兼容性和共同性,根據圖像清晰度的不同,它分成四種信源格式或稱「等級」(Level),從錄像帶(VCR)的低圖像清晰度,到高清晰度電視。除了根據圖像清晰度定義的「等級」以外,DVB-S視頻標準還定義了「檔次」(Profile)的概念,每一個不同的「檔次」(Profile)能夠提供構成編碼系統的壓縮工具和壓縮演算法。
  a)「檔次」(Profile)
  目前在MPEG-2系統中存在5個「檔次」(Profile),每一個「檔次」(Profile)都會比它的前一個「檔次」更加複雜,更加完善,提供更多的工具,同時其相對應的設備的價格也更高。
  「檔次」的最初級叫做簡單檔次(SimpleProfile),隨後是主檔次(MainProfile),它比簡單檔次(SimpleProfile)增加了編碼雙向預測的功能,即:B-FRAMES,在使用同樣的碼流的情況下,它的質量會更好,但演算法更加複雜,使用的晶元更多。主檔次(MainProfile)的解碼晶元,可以兼容解碼簡單檔次(SimpleProfile)的編碼,這種向下兼容性貫穿整個系列的「檔次」。
  ——在主檔次(MainProfile)之後,是信噪比可分級檔次(SNRScalable)及空間頻譜可分級檔次(SpacilityScalableProfile),這兩種"檔次"可以調整信噪比與碼流率關係以及圖像清晰度與碼流率之間的關係,出於其編碼的複雜性以及接收設備價格昂貴問題,DVB-S標準目前不支持這兩種「檔次」。最高級的「檔次」是HighProfile,它不僅兼容前面的低極「檔次」,兼備所有的功能,而且可以進行多行同時編碼,而前面的「檔次」則是逐行編碼。 ——在「檔次」中存在兩種圖像採樣方式,即:4:2:2和4:2:0格式。我們知道電視複合信號可以分成亮度信號分量(Y)和色度信號分量(R-Y,B-Y),4:2:2格式是對亮度信號進行4個採樣,對色度信號(R-Y,B-Y)進行2個採樣,見圖1;4:2:0格式的色度信號(R-Y,B-Y)只做隔行採樣,如果使用8比特採樣,我們可以算出對標準PAL制電視信號進行採樣后的4:2:2格式圖像碼流率如下: 亮度信號碼流率為:720×576×25幀/秒×8bit=82.944Mb/s 色度信號碼流率為:2×1/2×720×576×25幀/秒×8bit=82.944Mb/s 總碼流率為:82.944Mb/s+82.944Mb/s=165.888Mb/s 我們看到沒有壓縮的電視圖像碼流率非常高,佔用帶寬太寬,不適用於衛星傳輸,即使採用4:2:0格式,圖像碼流率也高達124.416Mb/s。MPEG-2的壓縮演算法採用除去電視視頻信號的時間冗餘和空間冗餘的演算法,使碼流率降到3~8Mb/s仍然獲得質量清晰的圖象,使數字電視的傳輸成為可能。壓縮演算法的核心主要包含有離散餘弦變換、之型掃描與遊程編碼、熵編碼、通道緩存、運動估計、運動補償等一些關鍵技術環節
  b)「等級」(Level)
  根據圖像節目源的清晰度由低到高的不同,MPEG-2標準分成許多「等級」,最低的LowLevel的清晰度是IU-R-BT.601建議的四分之一,即:352×288×25幀/秒;MainLevel是完全符合IU-R-BT.601建議的標準,即:720×576×25幀/秒;High-1440Level採用了每行1440個採樣的方法;HighLevel採用了更高的每行1920的採樣方法。 ——目前在世界上最常用的MPEG-2標準是MP@ML,即:MainProfile@MainLevel,它是第一代數字衛星電視的基礎,節目提供者可以提供625線質量的節目,圖像的長寬比可以是4:3或16:9;它的碼流率是由節目提供者根據節目質量來選定的,圖像質量越高,所需碼流率越高,反之則越低。
  3)MPEG-2碼流復用及服務信息
  音頻、視頻及數字信號首先經過MPEG-2編碼器進行數據壓縮,通過節目復用器形成基本碼流(ES),基本碼流經過打包后形成有包頭的基本碼流(PES)。代表不同音頻、視頻信號的PES流被送人傳輸復用器進行系統復用,復用后的碼流叫做傳輸流(TS),傳輸流中包括多個節目源的不同信號,為了區分這些信號,在系統復用器上需要加入服務信息(SI),使接收端可以識別不同的節目。

6 數字衛星電視系統 -DTH

  DTH在國際上存在兩大標準,歐洲的標準DVB-S和美國標準DigiCipher。但DVB標準逐漸在全球廣泛應用,後起的美國DTH公司Dish Network也採用了DVB標準。
  DTH系統由六個部分組成:1)前端系統(Headend)

  前端系統主要由視頻音頻壓縮編碼器,復用器等組成。前端系統主要任務是將電視信號進行數字編碼壓縮,利用統計復用技術,在有限的衛星轉發器頻帶上傳送更多的節目。DTH按MPEG-2標準對視頻音頻信號進行壓縮,用動態統計復用技術,可在一個27MHz的轉發器上傳送多達10套的電視節目。2)傳輸和上行系統(Uplink)

  傳輸和上行系統包括從前端到上行站的通信設備及上行設備。傳輸方式主要有中頻傳輸和數字基帶傳輸兩種。3)衛星(Satellite)

  DTH系統中採用大功率的直播衛星或通訊衛星。由於技術和造價等原因,有些DTH系統採用大功率通訊衛星,美國和加拿大的DTH公司採用了更為適宜的專用大功率直播衛星(DBS)。4)用戶管理系統(SMS)

  用戶管理系統是DTH系統的心臟,主要完成下列功能:
  A. 登記和管理用戶資料。
  B. 購買和包裝節目。
  C. 制定節目記費標準及用戶進行收費。
  D. 市場預測和營銷。
  用戶管理系統主要由用戶信息和節目信息的資料庫管理系統以及解答用戶問題,提供多種客戶服務的Call Center構成。 5)條件接收系統(CA)

  條件接收系統有兩項主要功能:
  A. 對節目數據加密。
  B. 對節目和用戶進行授權。
  目前國際上DTH系統所採用的條件接收系統主要有:美國NDS,以色列Irdeto,法國Via Access,瑞士Nagra Vision等。
  美國Direct TV公司以及採用Direct TV技術的加拿大Star Choice公司使用的是NDS條件接收系統;美國Dish Network(Echostar)公司以及採用Echostar技術的加拿大Bell ExpressVu公司使用的是Nagra Vission條件接收系統。 6)用戶接收系統(IRD)

  DTH用戶接收系統由一個小型的碟形衛星接收天線(Dish)和綜合接收解碼器(IRD)及智能卡(Smart Card)組成。
  IRD負責四項主要功能:
  A. 解碼節目數據流,並輸出到電視機中。
  B. 利用智能卡中的密鑰(Key)進行解密。
  C. 接收並處理各種用戶命令。
  D. 下載並運行各種應用軟體。
  DTH系統中的IRD已不是一個單純的硬體設備,它還包括了操作系統和大量的應用軟體。目前較成功的IRD操作系統是Open TV。美國Dish Network公司已開始逐步升級用戶的IRD為Open TV系統。

7 數字衛星電視系統 -DVB介紹

簡介

  DVB組織是一個來自33個國家、230個組織參加的國際機構,國家廣電總局廣科院於1999年4月13日作為協會會員加入了DVB組織。同時DVB(DigitalVideoBroadcasting)也是歐洲數字視頻廣播標準,主要的標準包括了衛星電視DVB-S、電纜電視DVB-C、地面廣播普通電視的DVB-T和高清晰度電視(HDTV)的廣播與傳輸,以上三種傳輸標準的編號分別為ETS300421,ETS300429和ETS300744?ETS是歐洲電信標準 。DVB-S是為改變模擬電視技術因標準不同而形成分割局面,從而制定的一套數字廣播技術規範,它擔負有促成其成為數字廣播技術的國際標準,推進廣播電視技術的國際交流,合作與發展的任務。要求

  DVB項目的主要目標是找到一種對所有傳輸媒體都適用的數字電視技術和系統。對它的要求是:
  1、能靈活傳送MPEG-2視頻、音頻和其他數據信號。
  2、使用統一的MPEG-2傳送比特流復用。
  3、使用統一的服務信息系統提供廣播節目的細節等信息。
  4、使用統一的一級里德-所羅門前向糾錯系統。
  5、使用統一的加擾系統,但可有不同的加密方式。
  6、選擇適用於不同傳輸媒體的調製方式和通道編碼方法以及任何必須的附加糾錯方法。
  7、鼓勵歐洲以外的地區使用DVB標準,推動建立世界範圍的數字視頻廣播標準。
  8、支持數字系統中的圖文電視系統。

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