DTV發(fā)射機和接收機設計的技術

1、編碼/壓縮標準和調(diào)制機制是下一代DTV部署中最重要的技術。本文討論了當前和未來DTV發(fā)射機和接收機設計的技術挑戰(zhàn)和要求，以及固定和移動DTV的應用，并基于Altera公司單芯片Stratix II FPGA，為適應當前標準的任何升級和變化提供了一個簡單的解決方法。 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)務時，對數(shù)字電視(DTV)的部署就開始了?，F(xiàn)在，隨著DTV業(yè)務不斷擴展到有線和衛(wèi)星網(wǎng)絡，DTV技術正在從標準清晰度(SD)向高清晰度(HD)發(fā)展。盡管已有多種不同的標準和調(diào)制機制

2、被用來提高數(shù)字視頻帶寬的效率，但編碼/壓縮標準和調(diào)制機制仍然是下一代DTV部署中最重要的技術。 DTV的廣泛應用始于美國的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)射機制采用帶有內(nèi)部和外部前向糾錯(FEC)的QPSK調(diào)制來避免傳輸錯誤。日本國家廣播公司NHK在1986年推出了高清晰電視。但是直到大約四年前，該技術對主流消費應用來說仍缺乏成本效益。 視頻壓縮技術 在傳輸視頻數(shù)據(jù)之前，視頻壓縮技術被用來降低原始視頻的固有帶寬。MPEG-2是最常用的壓縮技術，標準清晰度衛(wèi)星廣播的典型MPEG-2數(shù)據(jù)速率為20Mbps。MPEG-2壓縮

3、技術基于這樣一個原理：運動圖像中的時間和空間冗余構成了人所感知的視覺信息的主要部分；換言之，許多現(xiàn)有數(shù)據(jù)對重建十分清晰的視頻并非必要。 MPEG-2還是一種可升級的壓縮機制，其碼率范圍為1.5Mbps40Mbps。將典型的MPEG-2傳輸流與許多實際的視頻頻道進行復用(取決于編碼碼率)，使電視信號能在衛(wèi)星、有線和地面平臺上高效傳輸。然而，xDSL或通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)等其它傳輸設備所能提供的數(shù)據(jù)速率要低很多，即使對地面廣播而言，也沒有足夠的可用頻譜。因此，節(jié)目數(shù)量非常有限，這需要進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-

4、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壓縮標準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)目內(nèi)容。H.264/AVC的壓縮效率通常比現(xiàn)在所有標準高1倍，特別是與全球DTV系統(tǒng)的基礎MPEG-2相比，其壓縮效率提高了1.251.5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)標準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，就可實現(xiàn)相同的視頻

5、質(zhì)量。H.264/AVC的主要應用是MPEG2不太適用的新興視頻業(yè)務，特別是在帶寬有限的場合，例如移動應用、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編碼需要極高的運算性能和存儲器帶寬，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)字視頻傳遞到消費者面前的現(xiàn)有和未來方法。 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、移動或者IP，可采用不同的調(diào)制方法來傳輸數(shù)字視頻。表中列出了目前或者計劃使用的各種調(diào)制方式。 過去十

6、多年，DVB-S一直是MPEG-2標準清晰度視頻的數(shù)字衛(wèi)星傳輸?shù)臉藴史椒?，但隨著更多視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)向高清晰格式，DVB-S已被證實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準，它可實現(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的最新發(fā)展。結合各種調(diào)制格式(QPSK、8PSK、16APSK和32APSK)，這種新的衛(wèi)星技術將實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率應用的有效部署，如HDTV、寬帶因特網(wǎng)、交互式業(yè)務，以及在傳統(tǒng)發(fā)送應答器中廣播更多數(shù)量的標準頻道。 目前正在使用或?qū)⒁褂玫母鞣N調(diào)制標準。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

7、終全部采用地面?zhèn)鬏擠TV，很多設備制造商正在厲兵秣馬做準備。不幸的是，由于政府的政治原因，全球每個國家和地區(qū)采用了多種不同的標準。利用FPGA，設計工程師可創(chuàng)建一個單一的DTV傳輸平臺，通過對系統(tǒng)進行簡單編程以針對特定地區(qū)修正調(diào)制標準，該平臺可適應不同標準。 盡管北美采用ATSC調(diào)制機制，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。中國的DTV標準尚未最終確定，DMB-T和ADTB-T是兩個候選的競爭方案。日本則使用自己獨特的ISDB-T調(diào)制。圖2顯示了用Altera公司的Stratix II單芯片實現(xiàn)DVB-T調(diào)制的方框圖。 本文小結 與當前行業(yè)標準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，系統(tǒng)設計工程師可實現(xiàn)比MPEG-2更高的視頻分辨率。然而，大量的標準(包括H.264/AVC)目前仍在全球范圍內(nèi)使用，系統(tǒng)設計工程師在設計DTV發(fā)射機和接收機時必需解決這