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)頂盒等五個環(huán)節(jié)組成。模擬視音頻信號按照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過抽樣、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64QAM調(diào)制及上變頻形成射頻信號在HFC網(wǎng)中傳輸，在機(jī)頂盒解碼恢復(fù)模擬音視頻信號。

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，主級(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)字電視前端信號源流程

有線數(shù)字電視前端信號源主要是中央電視臺、各省及直轄市衛(wèi)視節(jié)目、中央電視臺和各省臺數(shù)字電視付費節(jié)目及本地電視臺節(jié)目等。

通過衛(wèi)星和國家光纜干線傳輸?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。

本地電視臺節(jié)目通過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流程圖。 

有線電視前端信號流程圖

本地電視臺節(jié)目的編碼處理

不管是已經(jīng)實現(xiàn)硬盤播出的，還是傳統(tǒng)基帶模擬輸出的本地電視臺節(jié)目的視頻、音頻信號經(jīng)過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時最大碼率可達(dá)到15Mbps，4:2:2時最大碼率可達(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)字編碼器信號處理流程圖：

數(shù)字編碼器信號處理流程圖

3.1數(shù)字編碼器對模擬視、音頻指標(biāo)的要求

由于本地電視臺節(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進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換過程中將超過可調(diào)整輸入幅度范圍的信號進(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，因為幅度過載，造成畫面色彩失真、發(fā)白，聲音過暴，給用戶視聽感覺帶來嚴(yán)重的應(yīng)響。

在視音頻測量儀器上測出的通結(jié)果為視音頻信號過載的部分被切割，嚴(yán)重的波形成方波。

3.2視音頻信號的壓縮處理

本地電視臺的視音頻信號經(jīng)壓縮、打包成SPTS的流，并根據(jù)規(guī)劃安排到對應(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，視頻帶外信號通過數(shù)字化處理后進(jìn)入到帶內(nèi)信號中產(chǎn)生干擾。數(shù)字編碼處理過程為對復(fù)合模擬視頻信號進(jìn)行亮度、色度信號的分離處理后進(jìn)行亮度、色度信號的分別抽樣、量化和編碼。由于PAL制式視頻信號帶寬在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的信號無損通過，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)射臺在一起時，雖然短波頻率在8MHz-15MHz左右，由于短波信號發(fā)射功率較強(qiáng)，超過編碼器帶外抑制能力。為此，輸入的視頻信號中除了有用的視頻信號外還攜帶著脈沖接近或超過視頻幅度的短波信號。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用信號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解決。

同時，在編碼器的壓縮過程中，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，遵循對活動畫面較頻繁的體育類節(jié)目分配碼率高一些，對靜止畫面多電影、新聞類的節(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)用器不是一個廠家的,不能實現(xiàn)兩個設(shè)備之間的統(tǒng)計復(fù)用,為此，編碼器輸出碼率設(shè)置為固定碼率。同時，由于系統(tǒng)總輸出碼率包括視頻碼率、音頻碼率和PCR碼率等其他開銷之和，所以系統(tǒng)總輸出碼率必須大于視頻碼率。

在實際應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，復(fù)用器中設(shè)置輸入信號的視頻碼率時，雖然分配的視頻碼率比編碼器中的視頻碼率高，因為編碼器中的系統(tǒng)總輸出碼率過高出現(xiàn)信號通過復(fù)用器后的馬賽克現(xiàn)象。在碼流分析儀中分析為TR101290的二級錯誤：PCR（PCR用于恢復(fù)接收端解碼本地的27MHz系統(tǒng)時鐘）精度間隔超過40ms，導(dǎo)致接收端時鐘抖動或者漂移，影響畫面顯示時間。為此，碼率配置必須找到合適點，碼率配置過低，畫面清晰度會明顯下降，出現(xiàn)小塊效應(yīng)。

信號的復(fù)用處理

4.1復(fù)用器的功能及節(jié)目的復(fù)用過程

由于衛(wèi)星接收機(jī)解復(fù)用后ASI格式的中央電視臺和各省節(jié)目都攜帶各自的PSI/SI表，同時這些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，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)用器信號處理流程圖：

復(fù)用器信號處理流程圖

節(jié)目的復(fù)用過程中，盡量將高碼率SPTS和低碼率的SPTS信號靈活搭配，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)計復(fù)用技術(shù)，碼率根據(jù)節(jié)目內(nèi)容可變的，為了節(jié)約頻道資源，對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，通過將過高的碼流解碼還原到節(jié)目壓縮過程，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。

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)方式和信號源的多樣化，有基于ASI信號的系統(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、會導(dǎo)致EMM數(shù)據(jù)、ECM數(shù)據(jù)的丟失，嚴(yán)重時用戶無法正常收到CA數(shù)據(jù)，導(dǎo)致合法用戶無法正常收看節(jié)目。

結(jié)束語

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)字電視的運營，為此，選擇該類設(shè)備時必須進(jìn)行全面的考察、測試，從而更適合系統(tǒng)的運作。