高清晰度數(shù)字電視的技術(shù)發(fā)展和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

編碼/壓縮標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機(jī)制是下一代DTV部署中最重要的技術(shù)。本文討論了當(dāng)前和未來(lái)DTV發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)和要求，以及固定和移動(dòng)DTV的應(yīng)用，并基于Altera公司單芯片Stratix II FPGA，為適應(yīng)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的任何升級(jí)和變化提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法。

圖1：Stratix II單芯片H.264編碼器的方框圖。
大約十年前，當(dāng)直播衛(wèi)星提供商DirecTV和Dish Network推出MPEG-2數(shù)字視頻傳輸業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)數(shù)字電視(DTV)的部署就開(kāi)始了。現(xiàn)在，隨著DTV業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展到有線和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，DTV技術(shù)正在從標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)向高清晰度(HD)發(fā)展。盡管已有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機(jī)制被用來(lái)提高數(shù)字視頻帶寬的效率，但編碼/壓縮標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機(jī)制仍然是下一代DTV部署中最重要的技術(shù)。
DTV的廣泛應(yīng)用始于美國(guó)的DirecTV和Dish Network公司以及歐洲Canal Plus的直播衛(wèi)星(DBS)。早期的DTV發(fā)射機(jī)制采用帶有內(nèi)部和外部前向糾錯(cuò)(FEC)的QPSK調(diào)制來(lái)避免傳輸錯(cuò)誤。日本國(guó)家廣播公司NHK在1986年推出了高清晰電視。但是直到大約四年前，該技術(shù)對(duì)主流消費(fèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍缺乏成本效益。
視頻壓縮技術(shù)
在傳輸視頻數(shù)據(jù)之前，視頻壓縮技術(shù)被用來(lái)降低原始視頻的固有帶寬。MPEG-2是最常用的壓縮技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)清晰度衛(wèi)星廣播的典型MPEG-2數(shù)據(jù)速率為20Mbps。MPEG-2壓縮技術(shù)基于這樣一個(gè)原理：運(yùn)動(dòng)圖像中的時(shí)間和空間冗余構(gòu)成了人所感知的視覺(jué)信息的主要部分；換言之，許多現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)重建十分清晰的視頻并非必要。
MPEG-2還是一種可升級(jí)的壓縮機(jī)制，其碼率范圍為1.5Mbps～40Mbps。將典型的MPEG-2傳輸流與許多實(shí)際的視頻頻道進(jìn)行復(fù)用(取決于編碼碼率)，使電視信號(hào)能在衛(wèi)星、有線和地面平臺(tái)上高效傳輸。然而，xDSL或通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)等其它傳輸設(shè)備所能提供的數(shù)據(jù)速率要低很多，即使對(duì)地面廣播而言，也沒(méi)有足夠的可用頻譜。因此，節(jié)目數(shù)量非常有限，這需要進(jìn)一步提高視頻壓縮效率。 隨著廣播公司制作出更高清晰度的視頻內(nèi)容，如果必須在傳輸流中傳輸更多頻道，MPEG-2格式則成為瓶頸。因此，下一代HDTV必須利用新的視頻壓縮格式以便節(jié)約系統(tǒng)帶寬。新興的H.264/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)允許廣播公司在不增加有線帶寬頻譜的情況下增加SD和HD節(jié)目?jī)?nèi)容。H.264/AVC的壓縮效率通常比現(xiàn)在所有標(biāo)準(zhǔn)高1倍，特別是與全球DTV系統(tǒng)的基礎(chǔ)——MPEG-2相比，其壓縮效率提高了1.25～1.5倍。

圖2: Stratix II單芯片DVB-T調(diào)制器的方框圖。
H.264/AVC在任何碼率下的編碼效率至少是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2的兩倍。這意味著在相同碼率下，使用H.264/AVC可獲得比MPEG-2高得多的視頻分辨率，或者H.264/AVC只需MPEG2一半的碼率，就可實(shí)現(xiàn)相同的視頻質(zhì)量。H.264/AVC的主要應(yīng)用是MPEG2不太適用的新興視頻業(yè)務(wù)，特別是在帶寬有限的場(chǎng)合，例如移動(dòng)應(yīng)用、基于ADSL的IPTV等。圖1顯示了Altera公司單芯片Stratix II FPGA H.264/AVC編碼器的基本框圖。H.264編碼需要極高的運(yùn)算性能和存儲(chǔ)器帶寬，以及全面的靈活性，高性能Stratix II FPGA具備所有這些性能。
前面強(qiáng)調(diào)了視頻壓縮和編碼的重要性，下面將討論將數(shù)字視頻傳遞到消費(fèi)者面前的現(xiàn)有和未來(lái)方法。
調(diào)制和傳輸方式
根據(jù)不同的傳輸方式，如衛(wèi)星、有線、地面、移動(dòng)或者IP，可采用不同的調(diào)制方法來(lái)傳輸數(shù)字視頻。表中列出了目前或者計(jì)劃使用的各種調(diào)制方式。
過(guò)去十多年，DVB-S一直是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻的數(shù)字衛(wèi)星傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方法，但隨著更多視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)向高清晰格式，DVB-S已被證實(shí)成為帶寬分配中的傳輸瓶頸。DVB-S2有望成為有效傳輸高清晰視頻的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它可實(shí)現(xiàn)最佳性能，性能比DVB-S提高大約30%。另外，DVB-S2還受益于信道編碼技術(shù)的最新發(fā)展。結(jié)合各種調(diào)制格式(QPSK、8PSK、16APSK和32APSK)，這種新的衛(wèi)星技術(shù)將實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的有效部署，如HDTV、寬帶因特網(wǎng)、交互式業(yè)務(wù)，以及在傳統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答器中廣播更多數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)頻道。
目前正在使用或?qū)⒁褂玫母鞣N調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。
模擬電視傳輸?shù)慕?jīng)典方法將很快成為歷史。隨著世界各地政府要求最終全部采用地面?zhèn)鬏擠TV，很多設(shè)備制造商正在厲兵秣馬做準(zhǔn)備。不幸的是，由于政府的政治原因，全球每個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)。利用FPGA，設(shè)計(jì)工程師可創(chuàng)建一個(gè)單一的DTV傳輸平臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單編程以針對(duì)特定地區(qū)修正調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)，該平臺(tái)可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)。
盡管北美采用ATSC調(diào)制機(jī)制，但在歐洲和一些亞洲地區(qū)，DVB-T是目前最常用的調(diào)制方法。中國(guó)的DTV標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定，DMB-T和ADTB-T是兩個(gè)候選的競(jìng)爭(zhēng)方案。日本則使用自己獨(dú)特的ISDB-T調(diào)制。圖2顯示了用Altera公司的Stratix II單芯片實(shí)現(xiàn)DVB-T調(diào)制的方框圖。
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本文小結(jié)
與當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2相比，H.264/AVC在所有碼率下的編碼效率至少提高了1倍。采用H.264/AVC