信源編碼、復(fù)用技術(shù)在有線數(shù)字電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

有線數(shù)字電視系統(tǒng)由信源編碼、復(fù)用、信道編碼和調(diào)制、傳輸信道、數(shù)字機(jī)頂盒等五個(gè)環(huán)節(jié)組成。模擬視音頻信號(hào)按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)抽樣、量化及壓縮編碼形成基本碼流ES。把基本碼流分割成段，并加上相應(yīng)的頭文件打包形成打包的基本碼流PES，并將PES包再分段打成有固定長(zhǎng)度188字節(jié)的傳送包TS流。TS流經(jīng)系統(tǒng)復(fù)用加入PSI/SI信息、加密信息等形成多路節(jié)目傳輸流，最后經(jīng)過(guò)64QAM調(diào)制及上變頻形成射頻信號(hào)在HFC網(wǎng)中傳輸，在機(jī)頂盒解碼恢復(fù)模擬音視頻信號(hào)。

本文以MPEG-2編碼標(biāo)準(zhǔn)為主，談信源編碼、復(fù)用技術(shù)在有線數(shù)字電視系統(tǒng)中的應(yīng)用。

我國(guó)數(shù)字電視系統(tǒng)中標(biāo)清數(shù)字電視SDTV的信源編碼與復(fù)用傳輸都基于MPEG-2國(guó)際編碼標(biāo)準(zhǔn)，其編碼碼率可達(dá)到3Mb/s～50Mb/s，采用的是MP@ML主類和主級(jí)，主級(jí)(MainLevel)的圖像寬高比為4∶3，輸入圖像格為720×576×25，壓縮后的碼率在4-8Mbps。

有線數(shù)字電視前端信號(hào)源流程

有線數(shù)字電視前端信號(hào)源主要是中央電視臺(tái)、各省及直轄市衛(wèi)視節(jié)目、中央電視臺(tái)和各省臺(tái)數(shù)字電視付費(fèi)節(jié)目及本地電視臺(tái)節(jié)目等。

通過(guò)衛(wèi)星和國(guó)家光纜干線傳輸?shù)墓?jié)目都在各自的播出系統(tǒng)處理為數(shù)字編碼、復(fù)用后的SPTS和MPTS節(jié)目，在有線數(shù)字電視前端機(jī)房通過(guò)數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)解復(fù)用為ASI格式的TS流送到前端復(fù)用器中。

本地電視臺(tái)節(jié)目通過(guò)城域光纜干線傳送至有線前端，并在前端機(jī)房編碼后送至復(fù)用器中和其他節(jié)目一起復(fù)用傳送。

以下為典型的有線電視前端信號(hào)流程圖。 

有線電視前端信號(hào)流程圖

本地電視臺(tái)節(jié)目的編碼處理

不管是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)硬盤播出的，還是傳統(tǒng)基帶模擬輸出的本地電視臺(tái)節(jié)目的視頻、音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換或數(shù)字接口的轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、壓縮、188字節(jié)的打包復(fù)用，最終輸出成SPTS流。其中視、音頻信號(hào)編碼復(fù)用都采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。視頻接口有CVBS的、S端子的、SDI（嵌入式數(shù)字音頻或非嵌入式）的等，視頻壓縮方式為4:2:0或4:2:2，4:2:0時(shí)最大碼率可達(dá)到15Mbps，4:2:2時(shí)最大碼率可達(dá)到50Mbps。一般設(shè)置在4-8Mbps。音頻接口有RCA的、XLR的和AES/EBU的等，碼率可達(dá)到384Kbps。除了視頻、音頻數(shù)據(jù)，編碼器中還包括PSI/SI等其他信息也一起進(jìn)行打包、復(fù)用。

以下為數(shù)字編碼器信號(hào)處理流程圖：

數(shù)字編碼器信號(hào)處理流程圖

3.1數(shù)字編碼器對(duì)模擬視、音頻指標(biāo)的要求

由于本地電視臺(tái)節(jié)目錄播系統(tǒng)設(shè)備新舊程度及其所采用的技術(shù)不同，節(jié)目質(zhì)量也參差不齊，隨之編碼器編碼效果也不同。

編碼器將模擬視音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中將超過(guò)可調(diào)整輸入幅度范圍的信號(hào)進(jìn)行切割處理，為此，模擬視音頻輸入幅度應(yīng)嚴(yán)格在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)，否則，因?yàn)榉冗^(guò)載，造成畫(huà)面色彩失真、發(fā)白，聲音過(guò)暴，給用戶視聽(tīng)感覺(jué)帶來(lái)嚴(yán)重的應(yīng)響。

在視音頻測(cè)量?jī)x器上測(cè)出的通結(jié)果為視音頻信號(hào)過(guò)載的部分被切割，嚴(yán)重的波形成方波。

3.2視音頻信號(hào)的壓縮處理

本地電視臺(tái)的視音頻信號(hào)經(jīng)壓縮、打包成SPTS的流，并根據(jù)規(guī)劃安排到對(duì)應(yīng)的前端復(fù)用器中進(jìn)行再次復(fù)用為MPTS流。

數(shù)字編碼器的抗干擾能力非常重要，視頻帶外信號(hào)通過(guò)數(shù)字化處理后進(jìn)入到帶內(nèi)信號(hào)中產(chǎn)生干擾。數(shù)字編碼處理過(guò)程為對(duì)復(fù)合模擬視頻信號(hào)進(jìn)行亮度、色度信號(hào)的分離處理后進(jìn)行亮度、色度信號(hào)的分別抽樣、量化和編碼。由于PAL制式視頻信號(hào)帶寬在0-5.75MHz，為此選擇的視頻亮度濾波器頻譜特性為允許在0-6.75Mhz的信號(hào)無(wú)損通過(guò)，帶外抑制度在8MHz頻譜處為40dB。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)數(shù)字編碼設(shè)備與廣播短波發(fā)射臺(tái)在一起時(shí)，雖然短波頻率在8MHz-15MHz左右，由于短波信號(hào)發(fā)射功率較強(qiáng)，超過(guò)編碼器帶外抑制能力。為此，輸入的視頻信號(hào)中除了有用的視頻信號(hào)外還攜帶著脈沖接近或超過(guò)視頻幅度的短波信號(hào)。根據(jù)柰奎斯特抽樣原理，亮度抽樣率為13.5MHz，抽樣頻譜可覆蓋至6.75MHz到20MHz處。編碼器抽樣處理后將這帶外的無(wú)用信號(hào)一并回折到視頻通帶內(nèi)，從而導(dǎo)致了編碼器中出現(xiàn)干擾。為此，對(duì)此類干擾要求機(jī)房接地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，視頻處理設(shè)備抗干擾性好，編碼器器輸入濾波器性能要好，或者根據(jù)地區(qū)的特殊性選擇抽樣率更高的編碼器來(lái)解決。

同時(shí)，在編碼器的壓縮過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)節(jié)目類型配置不同的視頻碼率、音頻碼率和系統(tǒng)總輸出碼率，遵循對(duì)活動(dòng)畫(huà)面較頻繁的體育類節(jié)目分配碼率高一些，對(duì)靜止畫(huà)面多電影、新聞?lì)惖墓?jié)目，分配的碼率低一些的原則。由于前端選擇的編碼器與復(fù)用器不是一個(gè)廠家的,不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的統(tǒng)計(jì)復(fù)用,為此，編碼器輸出碼率設(shè)置為固定碼率。同時(shí)，由于系統(tǒng)總輸出碼率包括視頻碼率、音頻碼率和PCR碼率等其他開(kāi)銷之和，所以系統(tǒng)總輸出碼率必須大于視頻碼率。

在實(shí)際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，復(fù)用器中設(shè)置輸入信號(hào)的視頻碼率時(shí)，雖然分配的視頻碼率比編碼器中的視頻碼率高，因?yàn)榫幋a器中的系統(tǒng)總輸出碼率過(guò)高出現(xiàn)信號(hào)通過(guò)復(fù)用器后的馬賽克現(xiàn)象。在碼流分析儀中分析為TR101290的二級(jí)錯(cuò)誤：PCR（PCR用于恢復(fù)接收端解碼本地的27MHz系統(tǒng)時(shí)鐘）精度間隔超過(guò)40ms，導(dǎo)致接收端時(shí)鐘抖動(dòng)或者漂移，影響畫(huà)面顯示時(shí)間。為此，碼率配置必須找到合適點(diǎn)，碼率配置過(guò)低，畫(huà)面清晰度會(huì)明顯下降，出現(xiàn)小塊效應(yīng)。

信號(hào)的復(fù)用處理

4.1復(fù)用器的功能及節(jié)目的復(fù)用過(guò)程

由于衛(wèi)星接收機(jī)解復(fù)用后ASI格式的中央電視臺(tái)和各省節(jié)目都攜帶各自的PSI/SI表，同時(shí)這些MPTS流中包含多套節(jié)目，數(shù)字電視前端將根據(jù)自己的節(jié)目總體規(guī)劃選擇所需節(jié)目，同時(shí)插入本地的PSI/SI表和私有數(shù)據(jù)等。為此，選擇復(fù)用器必須有PID過(guò)濾，PID映射、PCR校正、PSI/SI提取、插入、修改等功能，并支持私有描述符的插入和編輯功能。并為處理高碼率的輸入信號(hào)，必須有較大的緩沖區(qū)，包括視頻、音頻和系統(tǒng)緩沖區(qū)，從而避免信號(hào)的溢入溢出。其中SPTS流碼率在配置在4-8Mbps左右，受64QAM調(diào)制器最高有效碼率的限制，MPTS流有效碼率一般在38.01Mbps以下。

以下為復(fù)用器信號(hào)處理流程圖：

復(fù)用器信號(hào)處理流程圖

節(jié)目的復(fù)用過(guò)程中，盡量將高碼率SPTS和低碼率的SPTS信號(hào)靈活搭配，并將最高有效碼率控制在38.01Mbps以下；MPTS的節(jié)目由于上行之前的編碼復(fù)用基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，碼率根據(jù)節(jié)目?jī)?nèi)容可變的，為了節(jié)約頻道資源，對(duì)MPTS流不進(jìn)行拆分，只進(jìn)行節(jié)目各表的讀取和PAT、PMT表的重新映射和插入本地的CA、EPG數(shù)據(jù)等。

傳統(tǒng)的復(fù)用器是基于時(shí)分復(fù)用的，編碼器輸出的碼率是固定的，編碼器與復(fù)用器之間是單向的關(guān)系，而比較先進(jìn)的復(fù)用器具有統(tǒng)計(jì)復(fù)用功能，編碼器和復(fù)用器雙向通訊，根據(jù)節(jié)目數(shù)據(jù)量復(fù)用器將38Mbps的有效速率合理分配給不同節(jié)目，編碼器的輸出碼率可變的。

傳統(tǒng)的復(fù)用器是基于時(shí)分復(fù)用的，編碼器輸出的碼率是固定的，編碼器與復(fù)用器之間的關(guān)系是單向的，而比較先進(jìn)的復(fù)用器具有統(tǒng)計(jì)復(fù)用功能，編碼器和復(fù)用器雙向通訊，編碼器的輸出碼率可變的，根據(jù)節(jié)目數(shù)據(jù)量，復(fù)用器將38Mbps的有效速率合理分配給不同節(jié)目。

比較先進(jìn)的復(fù)用器還具有碼率修正功能，通過(guò)將過(guò)高的碼流解碼還原到節(jié)目壓縮過(guò)程，進(jìn)行量化系數(shù)的調(diào)整至碼率在64QAM系統(tǒng)中不出現(xiàn)馬賽克等異常信號(hào)。

4.2編碼器、復(fù)用器的接口

根據(jù)數(shù)字電視前端組網(wǎng)方式和信號(hào)源的多樣化，有基于ASI信號(hào)的系統(tǒng)，基于MPEGOVERIP、MPEGOVERSDH的系統(tǒng)，為此，編碼器的輸出和復(fù)用器的輸入、輸出接口有ASI/SPI的、IP的、DS3的等。用戶可根據(jù)自己的需求靈活配置各種接口。

4.3編碼、復(fù)用器的網(wǎng)管系統(tǒng)

編碼器除了在設(shè)備面板上做一些基本的設(shè)置外，還可以用網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，修改等，也可以遠(yuǎn)程操作。由于數(shù)字電視復(fù)用器中需要調(diào)整的參數(shù)很多，包括節(jié)目輸入/輸出表的修改，添加ECM、EMM和其他私有數(shù)據(jù)等，為此，它的網(wǎng)管系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性至關(guān)重要。網(wǎng)管設(shè)備的操作系統(tǒng)或網(wǎng)管軟件異常、會(huì)導(dǎo)致EMM數(shù)據(jù)、ECM數(shù)據(jù)的丟失，嚴(yán)重時(shí)用戶無(wú)法正常收到CA數(shù)據(jù)，導(dǎo)致合法用戶無(wú)法正常收看節(jié)目。

結(jié)束語(yǔ)

編碼器，復(fù)用器作為數(shù)字電視系統(tǒng)中關(guān)鍵的信源處理部分，其功能是否全面、性能指標(biāo)的好與否，設(shè)備及相關(guān)軟件的穩(wěn)定性、可靠性和擴(kuò)展性等都大大影響系統(tǒng)播出質(zhì)量和數(shù)字電視的運(yùn)營(yíng)，為此，選擇該類設(shè)備時(shí)必須進(jìn)行全面的考察、測(cè)試，從而更適合系統(tǒng)的運(yùn)作。