數(shù)字電視原理和調(diào)試培訓(xùn)

數(shù)字電視原理和調(diào)試培訓(xùn)1第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六講座目的1了解數(shù)字電視系統(tǒng)原理，主要數(shù)字電視的ATSC標(biāo)準(zhǔn)2熟悉ADM1TATSC數(shù)字電視模塊工作原理3掌握ADM1TATSC數(shù)字電視模塊的試產(chǎn)調(diào)試4掌握ADM1T調(diào)試過程中異常問題處理2第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容

第一部分?jǐn)?shù)字電視原理1發(fā)展數(shù)字電視的重要性2當(dāng)今主要數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)介紹3ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)介紹3.1ATSC系統(tǒng)圖像層3.2ATSC系統(tǒng)壓縮層3.3ATSC系統(tǒng)傳送層3.4ATSC傳輸層4數(shù)字電視學(xué)習(xí)和實踐參考3第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第二部分ADM1T數(shù)字電視模塊原理和調(diào)試1系統(tǒng)框圖2系統(tǒng)特征3系統(tǒng)調(diào)試4調(diào)試5故障處理4第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

第一部分?jǐn)?shù)字電視原理5第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六1數(shù)字電視的重要性

數(shù)字電視是電視技術(shù)史上繼黑白電視和彩色電視后的又一次技術(shù)革命，其重要性表現(xiàn)在：對國家數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字電視帶來巨大市場給國家?guī)砹艘淮翁嵘C合國力和發(fā)展民族經(jīng)濟(jì)重要的發(fā)展機(jī)遇。對用戶數(shù)字電視利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，對電視信號進(jìn)行數(shù)字化處理，克服了現(xiàn)行模擬彩色電視難以克服的串?dāng)_、清晰度差、大面積閃爍、行間閃爍、爬行等缺點，大大提高了電視節(jié)目的質(zhì)量，帶給人們更高的視聽享受，受到廣大用戶的青睞。6第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六對電視運營商在提高傳輸信道利用率、抗擊信道干擾方面，具有現(xiàn)行模擬彩色電視制式所不及的優(yōu)點，原來傳輸一套模擬節(jié)目的頻道，可以傳輸4-8套數(shù)字電視節(jié)目，增加了節(jié)目數(shù)量，降低了傳輸成本。同時數(shù)字電視智能化網(wǎng)絡(luò)管理得到運營商的接受。對電視制造企業(yè)模擬電視的利潤空間減縮和市場飽和使電視制造業(yè)面臨嚴(yán)重的危機(jī)，數(shù)字電視帶來的巨大市場和利潤無疑給電視制造業(yè)帶來了第二次春天。7第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六2數(shù)字電視的主要標(biāo)準(zhǔn)歐洲的DVB標(biāo)準(zhǔn)DVB數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)包括DVB-T、DVB-S、DVB-C三種標(biāo)準(zhǔn)。DVB-T是歐洲地面數(shù)字廣播電視標(biāo)準(zhǔn)，其主要特征采用COFDM（編碼正交頻分調(diào)制）調(diào)制技術(shù)，采用該標(biāo)準(zhǔn)的國家有歐洲各國、澳大利亞、亞洲大部分國家。

DVB-S是歐洲數(shù)字衛(wèi)星電視標(biāo)準(zhǔn)，其主要特征采用了QPSK調(diào)制技術(shù)。

DVB-C是有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，主要特征是采用了QAM調(diào)制技術(shù)。DVB-S和DVB-C成為全世界衛(wèi)星和有線電視網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。8第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六美國的ATSC高清數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)美國的ATSC標(biāo)準(zhǔn)最初是為高清電視標(biāo)準(zhǔn)，后來在“大聯(lián)盟”方案的基礎(chǔ)上兼容了標(biāo)清格式，并命名為ATSC數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)。在圖像壓縮編碼和傳送方面和DVB基本相同，音頻編碼采用了AC-3編碼技術(shù)，在信道編碼方面和DVB也有較大差別，調(diào)制方面采用了8VSB調(diào)制技術(shù)。采用ATSC標(biāo)準(zhǔn)的有北美各國、韓國、中國臺灣地區(qū)。日本的ISDB標(biāo)準(zhǔn)（略）即將出臺的中國數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)清華DMB-T方案：采用正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制模式(TDS-OFDM)，是歐洲的COFDM調(diào)制改進(jìn)方案。

交大ADTB-T方案使用單載波方案據(jù)報道兩方案均優(yōu)于歐洲D(zhuǎn)VB－T方案。9第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3ATSC系統(tǒng)介紹ATSC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視系統(tǒng)，分為四個層面：圖像層：提供了多種圖像格式和幀頻壓縮層：壓縮層采用了MPEG2視頻壓縮，和AC-3音頻壓縮傳送層：傳送層是一種基于MPEG2傳送數(shù)據(jù)包的格式傳輸層：8VSB殘留邊帶調(diào)制，在6MHz的頻道內(nèi)發(fā)送19.39bit/秒的凈數(shù)據(jù)率。

10第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.1ATSC系統(tǒng)圖像層ATSC圖像層定義了發(fā)送端編碼器的接口參數(shù)和編碼器內(nèi)部為準(zhǔn)備傳輸用的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時的傳輸格式參數(shù)。這些參數(shù)主要包括：1、每秒幀數(shù)；2、每幀的場數(shù)；3、每幀的有效行數(shù)；4、每幀的總行數(shù)；5、每行的有效視頻取樣數(shù)；6、每行的有效視頻時鐘周期總數(shù)；7、視頻取樣的取樣頻率；8、各參數(shù)的可允許組合。11第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（續(xù)）ATSC支持的圖像格式⑴HDTV，1920像素（H）×1080像素（V），寬高比16：9，幀頻60Hz/隔行掃描制，幀頻30Hz/逐行掃描制，幀頻24Hz/逐行掃描制；⑵HDTV，1280像素（H）×720像素（V），寬高比16：9，幀頻60Hz/逐行掃描制，幀頻30Hz/逐行掃描制，幀頻24Hz/逐行掃描制；⑶SDTV，704像素（H）×480像素（V），寬高比16：9或4：3，幀頻60Hz/隔行掃描制，幀頻60Hz/逐行掃描制，幀頻30Hz/逐行掃描制，幀頻24Hz/逐行掃描制；⑷SDTV，640像素（H）×480像素（V），寬高比4：3，幀頻60Hz/隔行掃描制，幀頻60Hz/逐行掃描制，幀頻30Hz/逐行掃描制，幀頻24Hz/逐行掃描制。12第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2ATSC系統(tǒng)壓縮層ATSC系統(tǒng)設(shè)計要求能在單個6MHZ地面頻道的中傳輸高質(zhì)量的視頻和音頻。由于原始數(shù)字化后的圖像數(shù)據(jù)量很大，實際上ATSC在6MHz帶寬的頻道內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)率能力才19.39266bit/s，就需要較高的壓縮率。為了獲得較高的數(shù)據(jù)壓縮率，ATSC采用了MPEG2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和AC-3音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，運用了信源的自適應(yīng)處理、運動補(bǔ)償、余弦變換和統(tǒng)計編碼等技術(shù)有效的實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)壓縮了。13第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1MPEG2標(biāo)準(zhǔn)介紹MPEG2壓縮標(biāo)準(zhǔn)有9個部分：第一部分（ISO/IEC13818-1）是系統(tǒng)部分，描述了多個視頻、音頻和數(shù)據(jù)基本碼流合成傳輸碼流和節(jié)目碼流的方式。ATSC的傳送層采用了該部分標(biāo)準(zhǔn)，將在后面介紹。第二部分（ISO/IEC13818-2）是視頻部分，描述了視頻壓縮編碼方法。ATSC的視頻壓縮層采用的就是MPEG2編碼方法，重點介紹。第三部分是音頻編碼，ATSC采用的是與之不同的AC-3音頻編碼方法。其他（略）14第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六MPEG2中的圖像分為3種類型，分別是I幀，P幀，B幀。I幀圖像采用了幀內(nèi)編碼方式，只利用了單幀圖像的空間相關(guān)性，I幀圖像的壓縮倍數(shù)較低，主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取，以及節(jié)目的切換和插入。P幀和B幀圖像利用了幀間編碼方式，即同時利用空間和時間上的相關(guān)性?？梢缘玫捷^高的壓縮率。P幀圖像可以包括幀內(nèi)編碼部分，即P幀的每個宏塊可以是前向預(yù)測編碼，也可以是幀內(nèi)編碼。B幀圖像采用了雙向時間預(yù)測，可以大大提高壓縮率。注意的是B幀采用了未來幀作參考，在MPEG2碼流中傳輸?shù)捻樞蚝惋@示的順序不同。3.2.1.1MPEG2視頻圖像類型15第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

MEPG-2幀圖像類型示意圖16第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1.2MPEG-2的編碼碼流層次MPEG-2的碼流分為6個層次，如圖示：1視頻序列層（Sequence）某路節(jié)目有一系列的圖像序列構(gòu)成，序列的起始碼后和序列頭包含了圖像尺寸，高寬比，圖像速率等信息。序列擴(kuò)展中包含了一些附加數(shù)據(jù)。為了保證能隨時圖像序列，序列頭是重復(fù)發(fā)送的。2圖像組層（GOP）一個圖像序列又是由多個圖像組構(gòu)成，一個圖像組是由相互間有一定預(yù)測和生成關(guān)系的一組I、P、B圖像構(gòu)成，但頭一幀圖像總是I幀。GOP頭包含了時間信息。3圖像層（PIC）圖像層分為I，P，B3類。PIC包含了圖像編碼的類型和參考信息。17第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1.2MPEG-2編碼碼流層次(續(xù))4像條層（Slice）圖像的下層是像條，它包括一定數(shù)量的宏塊，其順序和圖像掃描的順序一致。5宏塊層（MacroBlock）

MPEG2定義了4:2:0,4:2:2,4:4:4宏塊，分別表示了一個宏塊的亮度(Y)和色差(Cb、Cr)象素的數(shù)量關(guān)系。6像塊層（Block）像塊是MPEG-2碼流的底層，是DCT的基本單元。一般有8x8個抽樣值構(gòu)成。同一像塊內(nèi)的抽樣值必需同是Y信號值，或Cb或Cr抽樣值。18第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六MPEG2視頻編碼碼流層次圖19第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1.3MPEG2視頻壓縮原理

MPEG2的圖像壓縮編碼原理是利用了圖像的時間的相關(guān)性和空間相關(guān)性。時間相關(guān)性：一個象素和相鄰的象素之間在亮度和色度存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系稱之為時間相關(guān)性；空間相關(guān)性：一個圖像序列中前后幀圖像間也存在相關(guān)性，這種關(guān)系稱為空間相關(guān)性。正是圖像的時間和空間的相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息。此外，用相同的碼長來表示不同出現(xiàn)概率的碼字造成比特數(shù)的浪費，這種浪費稱之為符號冗余度。將這些冗余信息去掉，只保留少量有用信息進(jìn)行傳輸，就可以大大的節(jié)省傳輸頻帶。在接收當(dāng)利用這些有用信息，按照一定的算法恢復(fù)原來圖像。20第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六4.2.1.4MPEG2視頻壓縮方法I幀圖像編碼算法流程圖21第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六DCT離散余弦變換DCT變換是一種正交變換，它可以將8×8的圖像塊的空間表達(dá)式變換為頻率域表達(dá)式，變換后的數(shù)據(jù)只集中在直流和低頻附近，系數(shù)量化后高頻成分大多數(shù)為0，這樣只需少量的數(shù)據(jù)點就表示圖像塊，從而得到較好壓縮。DCT公式：（當(dāng)）

（其他情況）22第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六DCT變換前的圖像塊數(shù)據(jù)DCT變換再經(jīng)量化DCT系數(shù)塊的頻譜幾乎都集中在最左上角的系數(shù)塊中，最左上角的直流（DC）系數(shù)幅度最大。注意：DCT變換本身沒有壓縮，只是在量化后的“取、舍”才使之得到壓縮。

23第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六量化、之字掃描和游程編碼量化圖像數(shù)據(jù)DCT轉(zhuǎn)換為頻率系數(shù)后，還得進(jìn)行量化，才能編碼。量化階段需要兩個8*8矩陣數(shù)據(jù)，一個是亮度量化表，另一個則是色度量化表，將頻率系數(shù)除以量化矩陣的值，取得與商數(shù)最近的整數(shù)，即完成量化。量化后，頻率系數(shù)由浮點數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎麛?shù)。游程編碼經(jīng)DCT變換后的，低頻分量集中在左上角，其中F(0.0)代表了直流系數(shù)，即8×8象素塊的平均值，要對它單獨編碼。由于相鄰兩塊的DC系數(shù)相差很小，所有對他進(jìn)行差分編碼（DPCM）。兩個符號來表示，符號1表示信息的長度，符號2表示DC的幅度。其他的AC系數(shù)則進(jìn)行游程編碼。24第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六在游程編碼中，連續(xù)重復(fù)的字符用兩字節(jié)代替。位76543210第一字節(jié)兩個非0值間下一個非0值所占的連續(xù)0的個數(shù)的bit數(shù)位76543210第二字節(jié)下一個非0系數(shù)的實際值之字掃描為了使得低頻分量先出現(xiàn)，高頻分量后出現(xiàn)，增加游程編碼連續(xù)0的個數(shù)，采用了如右圖的“之”掃描。25第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六熵編碼在變長編碼中，出現(xiàn)概率大的信息用短碼字表示，而出現(xiàn)概率小的信息用長碼字來表示，使得編碼后的碼字平均長度接近碼源信息熵的編碼方法。最優(yōu)的熵編碼是Huffman編碼。在數(shù)字電視編碼中具體應(yīng)用，就是對DPCM編碼和游程編碼后的中間碼，按出現(xiàn)概率大小重新賦予碼字，使之達(dá)到減少符號冗余度的目的。

26第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.2.1.4MPEG2視頻壓縮方法(續(xù))P幀編碼對于P幀圖像編碼，在I幀編碼的基礎(chǔ)上增加了運動圖像補(bǔ)償。在圖像的宏塊運動補(bǔ)償之后，實際的圖像宏塊與運動補(bǔ)償后的圖像宏求差值，再對差值進(jìn)行DCT變換、量化、游程編碼、熵編碼，DCT以后的過程與I幀的編碼過程相同。用于P幀運動補(bǔ)償?shù)膮⒖紟乔跋虻摹?7第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

P幀圖像編碼示意圖28第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六B幀圖像編碼

B幀編碼

B幀編碼中，運動補(bǔ)償時不僅用到前向預(yù)測，還用到后向預(yù)測,編碼過程如圖。29第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.3ATSC系統(tǒng)傳送層

傳送層要完成的工作就是對編碼后的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)打包，實現(xiàn)多路路復(fù)用，如圖。30第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六基本比特流復(fù)用有兩種方法：節(jié)目流復(fù)用和傳送流復(fù)用。在復(fù)用前都要對音頻基本流和視頻基本流（ES）預(yù)先打包成基本流包（PES）。兩種復(fù)用方法的區(qū)別：

復(fù)用方式不同TS復(fù)用包采用固定字節(jié)長度188字節(jié)，而PS復(fù)用包長不定。應(yīng)用環(huán)境不同PS應(yīng)用于相對無誤碼環(huán)境，如（CD－ROM）。TS應(yīng)用于誤碼和數(shù)據(jù)丟失很容易的環(huán)境而定義。數(shù)字電視廣播采用的是TS復(fù)用。31第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六TS包的結(jié)構(gòu)32第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六傳輸包的有效載荷用來封裝組成節(jié)目的基本流包（PES），每個PES包只包含某一類的基本流（ES），且為不定長的。由于MPEG－2的傳輸包是定長的，如果一個PES包長大于184Byte，則必須對其分段，每段大小為184Byte，分段后不足184Byte的部分則加上適應(yīng)字段構(gòu)成184Byte。有否適應(yīng)字段是由包頭中的“適應(yīng)字段控制”來指示的。每段加上MPEG-2傳輸包包頭就形成一個MPEG-2傳輸包，每個傳輸包被賦予一個“包標(biāo)識PID”?！癙ID”有兩個含義：（1）指示內(nèi)容的性質(zhì)；（2）充當(dāng)流標(biāo)識。顯然，“有效載荷區(qū)”內(nèi)容來自同一個數(shù)據(jù)流的MPEG－2傳輸包的PID是相同的，且PID相同的傳輸包的計數(shù)可由包頭中的“連續(xù)計數(shù)器”來實現(xiàn)。每個MPEG-2傳輸包頭中的“有效傳輸開始指示”含義如下：如果有效載荷區(qū)傳送的是來自PES包的數(shù)據(jù)，則“有效傳輸開始指示”置“1”，表示“有效載荷區(qū)”的第一個字節(jié)是被分段的PES包的起始字節(jié)，而如果“有效載荷區(qū)”傳送的是來自節(jié)目特定信息PSI的數(shù)據(jù)，則“有效傳輸開始指示”置“1”，表示該傳輸包“有效載荷區(qū)”第一字節(jié)是PSI數(shù)據(jù)起首字節(jié)的位置指針?！皞鬏攦?yōu)先指示”置“1”，表示該優(yōu)先包的優(yōu)先級高，“傳輸錯誤指示”置“1”則表示該傳輸包在傳輸過程中有誤，而“同步字節(jié)”則用于定位MPEG－2傳輸包的起始字節(jié)。此外，為了使該套節(jié)目的解碼時鐘的編碼時鐘同步，必須通過MPEG－2傳輸包定時發(fā)送該套節(jié)目的時鐘參考值PCR，供解碼器時鐘恢復(fù)用，不同節(jié)目的PCR是不同的。33第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六MPEG－2傳輸包的“有效載荷區(qū)”不僅封裝了節(jié)目的基本流包如：視頻基本流包和音頻基本流包，而且還封裝了私有數(shù)據(jù)和一些特殊信息（PSI）。PSI按信息內(nèi)容以表格的形式組織，它包括了節(jié)目關(guān)聯(lián)表（PAT）、節(jié)目映射表（PMT）、網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT）、條件訪問表（CAT）。圖表示了4個PSI結(jié)構(gòu)和傳輸流的基本關(guān)系。34第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3.4ATSC系統(tǒng)傳輸層

ATSC系統(tǒng)的傳輸層，對傳送層打包和復(fù)用后的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行信道編碼和調(diào)制。ATSC不同于其他數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵區(qū)別在于信道編碼和調(diào)制方法的不同。下圖是ATSC數(shù)字電視傳輸層的信號處理框圖。35第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六隨機(jī)化隨即化的作用：當(dāng)信號中斷而輸入該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是常數(shù)時，仍能保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)隨機(jī)性，接收端能夠恢復(fù)時鐘比特信號。隨機(jī)化生成多項式：

初試值：0x1F180H

隨機(jī)化器36第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六RS糾錯編碼RS糾錯編碼以其對突發(fā)誤碼噪聲的糾錯能力據(jù)稱。ATSC系統(tǒng)采用RS10(207，187)，糾錯編碼。有效數(shù)據(jù)的塊長187字節(jié)，校驗字節(jié)