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谈基于MPEG-2标准的标清数字编码复用技术
2008/4/9/11:53  来源：中国数字电视

    1、引言
    有线数字电视系统由信源编码、复用、信道编码和调制、传输信道、数字机顶盒等五个环节组成。模拟视音频信号按照MPEG-2标准经过抽样、量化及压缩编码形成基本码流ES。把基本码流分割成段，并加上相应的头文件打包形成打包的基本码流PES，并将PES包再分段打成有固定长度188字节的传送包TS流。TS流经系统复用加入PSI/SI信息、加密信息等形成多路节目传输流，最后经过64QAM调制及上变频形成射频信号在HFC网中传输，在机顶盒解码恢复模拟音视频信号。
    本文以MPEG-2编码标准为主，谈信源编码、复用技术在有线数字电视系统中的应用。
    我国数字电视系统中标清数字电视SDTV的信源编码与复用传输都基于MPEG-2国际编码标准，其编码码率可达到3Mb/s～50Mb/s，采用的是MP@ML主类和主级，主级(MainLevel)的图像宽高比为4∶3，输入图像格为720×576×25，压缩后的码率在4-8Mbps。
    2、有线数字电视前端信号源流程
    有线数字电视前端信号源主要是中央电视台、各省及直辖市卫视节目、中央电视台和各省台数字电视付费节目及本地电视台节目等。
    通过卫星和国家光缆干线传输的节目都在各自的播出系统处理为数字编码、复用后的SPTS和MPTS节目，在有线数字电视前端机房通过数字卫星接收机解复用为ASI格式的TS流送到前端复用器中。
    本地电视台节目通过城域光缆干线传送至有线前端，并在前端机房编码后送至复用器中和其他节目一起复用传送。
    以下为典型的有线电视前端信号流程图。 

有线电视前端信号流程图
3、本地电视台节目的编码处理
    不管是已经实现硬盘播出的，还是传统基带模拟输出的本地电视台节目的视频、音频信号经过A/D转换或数字接口的转换、预处理、压缩、188字节的打包复用，最终输出成SPTS流。其中视、音频信号编码复用都采用MPEG-2标准视频接口有CVBS的、S端子的、SDI（嵌入式数字音频或非嵌入式）的等，视频压缩方式为4:2:0或4:2:2，4:2:0时最大码率可达到15Mbps，4:2:2时最大码率可达到50Mbps。一般设置在4-8Mbps。音频接口有RCA的、XLR的和AES/EBU的等，码率可达到384Kbps。除了视频、音频数据，编码器中还包括PSI/SI等其他信息也一起进行打包、复用。
    以下为数字编码器信号处理流程图：

数字编码器信号处理流程图
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    3.1数字编码器对模拟视、音频指标的要求
    由于本地电视台节目录播系统设备新旧程度及其所采用的技术不同，节目质量也参差不齐，随之编码器编码效果也不同。
    编码器将模拟视音频信号进行A/D转换过程中将超过可调整输入幅度范围的信号进行切割处理，为此，模拟视音频输入幅度应严格在标准规定范围之内，否则，因为幅度过载，造成画面色彩失真、发白，声音过暴，给用户视听感觉带来严重的应响。
    在视音频测量仪器上测出的通结果为视音频信号过载的部分被切割，严重的波形成方波。
    3.2视音频信号的压缩处理
    本地电视台的视音频信号经压缩、打包成SPTS的流，并根据规划安排到对应的前端复用器中进行再次复用为MPTS流。
    数字编码器的抗干扰能力非常重要，视频带外信号通过数字化处理后进入到带内信号中产生干扰。数字编码处理过程为对复合模拟视频信号进行亮度、色度信号的分离处理后进行亮度、色度信号的分别抽样、量化和编码。由于PAL制式视频信号带宽在0-5.75MHz，为此选择的视频亮度滤波器频谱特性为允许在0-6.75Mhz的信号无损通过，带外抑制度在8MHz频谱处为40dB。应用中发现数字编码设备与广播短波发射台在一起时，虽然短波频率在8MHz-15MHz左右，由于短波信号发射功率较强，超过编码器带外抑制能力。为此，输入的视频信号中除了有用的视频信号外还携带着脉冲接近或超过视频幅度的短波信号。根据柰奎斯特抽样原理，亮度抽样率为13.5MHz，抽样频谱可覆盖至6.75MHz到20MHz处。编码器抽样处理后将这带外的无用信号一并回折到视频通带内，从而导致了编码器中出现干扰。为此，对此类干扰要求机房接地达到标准，视频处理设备抗干扰性好，编码器器输入滤波器性能要好，或者根据地区的特殊性选择抽样率更高的编码器来解决。
同时，在编码器的压缩过程中，应根据节目类型配置不同的视频码率、音频码率和系统总输出码率，遵循对活动画面较频繁的体育类节目分配码率高一些，对静止画面多电影、新闻类的节目，分配的码率低一些的原则。由于前端选择的编码器与复用器不是一个厂家的,不能实现两个设备之间的统计复用,为此，编码器输出码率设置为固定码率。同时，由于系统总输出码率包括视频码率、音频码率和PCR码率等其他开销之和，所以系统总输出码率必须大于视频码率。
    在实际应用中还发现，复用器中设置输入信号的视频码率时，虽然分配的视频码率比编码器中的视频码率高，因为编码器中的系统总输出码率过高出现信号通过复用器后的马赛克现象。在码流分析仪中分析为TR101290的二级错误：PCR（PCR用于恢复接收端解码本地的27MHz系统时钟）精度间隔超过40ms，导致接收端时钟抖动或者漂移，影响画面显示时间。为此，码率配置必须找到合适点，码率配置过低，画面清晰度会明显下降，出现小块效应。
    4、信号的复用处理
    4.1复用器的功能及节目的复用过程
    由于卫星接收机解复用后ASI格式的中央电视台和各省节目都携带各自的PSI/SI表，同时这些MPTS流中包含多套节目，数字电视前端将根据自己的节目总体规划选择所需节目，同时插入本地的PSI/SI表和私有数据等。为此，选择复用器必须有PID过滤，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编辑功能。并为处理高码率的输入信号，必须有较大的缓冲区，包括视频、音频和系统缓冲区，从而避免信号的溢入溢出。其中SPTS流码率在配置在4-8Mbps左右，受64QAM调制器最高有效码率的限制，MPTS流有效码率一般在38.01Mbps以下。
    以下为复用器信号处理流程图：

复用器信号处理流程图
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    节目的复用过程中，尽量将高码率SPTS和低码率的SPTS信号灵活搭配，并将最高有效码率控制在38.01Mbps以下；MPTS的节目由于上行之前的编码复用基于统计复用技术，码率根据节目内容可变的，为了节约频道资源，对MPTS流不进行拆分，只进行节目各表的读取和PAT、PMT表的重新映射和插入本地的CA、EPG数据等。
    传统的复用器是基于时分复用的，编码器输出的码率是固定的，编码器与复用器之间是单向的关系，而比较先进的复用器具有统计复用功能，编码器和复用器双向通讯，根据节目数据量复用器将38Mbps的有效速率合理分配给不同节目，编码器的输出码率可变的。
    传统的复用器是基于时分复用的，编码器输出的码率是固定的，编码器与复用器之间的关系是单向的，而比较先进的复用器具有统计复用功能，编码器和复用器双向通讯，编码器的输出码率可变的，根据节目数据量，复用器将38Mbps的有效速率合理分配给不同节目。
    比较先进的复用器还具有码率修正功能，通过将过高的码流解码还原到节目压缩过程，进行量化系数的调整至码率在64QAM系统中不出现马赛克等异常信号。
    4.2编码器、复用器的接口
    根据数字电视前端组网方式和信号源的多样化，有基于ASI信号的系统，基
    于MPEGOVERIP、MPEGOVERSDH的系统，为此，编码器的输出和复用器的输入、输出接口有ASI/SPI的、IP的、DS3的等。用户可根据自己的需求灵活配置各种接口。
 4.3编码、复用器的网管系统
    编码器除了在设备面板上做一些基本的设置外，还可以用网管系统进行相关参数的调整，修改等，也可以远程操作。由于数字电视复用器中需要调整的参数很多，包括节目输入/输出表的修改，添加ECM、EMM和其他私有数据等，为此，它的网管系统的稳定性、可靠性、灵活性至关重要。网管设备的操作系统或网管软件异常、会导致EMM数据、ECM数据的丢失，严重时用户无法正常收到CA数据，导致合法用户无法正常收看节目。
    5、结束语
    编码器，复用器作为数字电视系统中关键的信源处理部分，其功能是否全面、性能指标的好与否，设备及相关软件的稳定性、可靠性和扩展性等都大大影响系统播出质量和数字电视的运营，为此，选择该类设备时必须进行全面的考察、测试，从而更适合系统的运作。