数字电视原理与应用dtv.ppt
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1、数字电视原理与应用,Principle and Application of Digital Television,主讲:张文军教授上海交通大学图像通信与信息处理研究所20062007学年第一学期,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,2,数字电视原理与应用,课程安排,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,3,数字电视原理与应用,数字电视基本原理,视频压缩原理 第5章MPEG-2视频编码部分及其测量 第4,6,11章MPEG-2音频编码部分及其测量 第7章MPEG-2系统部分及其测量 第3,9,10章数字调制基础 第12章数字电视中的纠错编码原理 补充,MPEG-2系统及其
2、测量-1,class 05,4,数字电视原理与应用,MPEG-2系统部分及其测量,1.MPEG数据流,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,5,数字电视原理与应用,1、MPEG数据流,MPEG-2标准ISO/IEC 13818-1 系统层ISO/IEC 13818-2 视频编码层ISO/IEC 13818-3 音频编码层系统层也可用于传送音视频以外的数据,如Internet数据。系统层描述MPEG数据流的整体结构,实际中具有重要意义。原始SDTV信号(ITU601)码率270Mbit/s;CD质量的原始数字立体声音频信号码率为1.5Mbit/s。,图3.2 视频和音频信号,MPEG-
3、2系统及其测量-1,class 05,6,数字电视原理与应用,视频信号压缩到1Mbit/s(MPEG-1)和26Mbit/s(MPEG-2)音频信号压缩到100400kbit/s压缩后的视音频信号称作ES(elementary stream)流,包括:视频流音频流数据流任何类型的压缩或未压缩数据,1、MPEG数据流,图3.3 MPEG ES流,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,7,数字电视原理与应用,压缩后所有ES流被打成不同长度的包,叫做PES(packetized elementary streams)。根据不同时刻视音频内容的不同,压缩比也时刻变化,就需要有不同长度的数据包
4、。每个视频包有一个或几个压缩视频帧每个音频包有一个或多个压缩音频信号段每个PES包最大64kbytes,由头Header和净负荷数据payload组成:header包含了16位bit指示包的长度payload包含压缩视频/音频流或纯数据流视频包的长度某些情况下可大于64kbytes,此时包头(header)中包长度指示为0,解码器要利用其他机制找出包的终止处。,1、MPEG数据流,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,8,数字电视原理与应用,1、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,MPEG-2系统及其测量-
5、1,class 05,9,数字电视原理与应用,所有ES流首先被打包成不同长度的PES包,通常为64kbytes。开头为6byte的PES头:前3个byte是起始码前缀00 00 01,用于表明一个PES包的开始。第4个byte是起始码标志,说明起始码种类,表明payload中是视频、音频还是数据流。后两个byte是包长度,说明后面还有多少字节。如果长度为0,表示PES包大于64kbytes。然后是可选PES头最后是实际传送ES流的净负荷数据(payload),PES,图3.4 PES的组成,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,10,数字电视原理与应用,可选PES头:PES头的可选扩
6、展,根据当前传送ES流的要求设置。由12个比特的11个标志来控制可选PES头中包含哪些字段,其中有PTS(presentation time stamps)和DTS(decoding time stamps),这对视/音频同步非常重要。最后可能有填充字节。,PES,图3.4 PES的组成,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,11,数字电视原理与应用,PES结构不适合传输,尤其不适合一个数据流中有多个节目的广播应用。而MPEG-2目标是将6,10甚至20个电视节目或广播节目形成一个复用MPEG-2数据流,然后通过卫星、电缆或地面传输。因此,PES包再分成固定长度的更小的包,即TS包(
7、transport stream packets):188字节长 4个字节的TS头 184个字节的PES包数据,PES,图3.6 MPEG-2 TS包组成,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,12,数字电视原理与应用,对TS包再进行复用:先复用同一个节目的TS包,一个节目可包含一个或多个视频和音频信号(如不同角度摄像机、不同语言等)。所有节目的所有复用数据流再进行复用形成最终的TS流。MPEG-1,视频PES包与音频PES包复用,最大码率为1.5Mbit/s,用于VCD。,PES,Video PES,Audio PES,V,A,V,V,Multiplexed video and a
8、udio PES packets,Application:MPEG-1 Video CDMPEG-2 SVCDMPEG-2 Video DVD,图3.5 PES包的复用,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,13,数字电视原理与应用,MPEG-2的TS包长188字节,包含所有节目的所有数据。由于码率不同,MPEG-2 TS流中不同ES流的包出现频率不一样。每个节目有一个编码器对所有ES流编码,产生PES,并将PES包打包成TS包。每个节目的码率通常约28Mbit/s,但由于节目内容随时间变化,视/音频和数据总码率可以是固定或变化的,称为统计复用。所有节目的TS流再复用成一个总的TS流
9、,最大约40Mbit/s。,PES,图3.7 MPEG-2 TS流的复用,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,14,数字电视原理与应用,一个TS流中通常有6,8,10甚至20个节目组成。码率在传输过程中可变,但总码率必须保持不变。一个节目可以包括视频和音频,或单纯音频或单纯数据,结构灵活可变。TS流中包含一些“表”来描述组成结构,解码器可以利用这些表来确定TS流的当前结构。,PES,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,15,数字电视原理与应用,1、MPEG数据流,MPEG-2 TS包,PES包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,MPEG
10、-2系统及其测量-1,class 05,16,数字电视原理与应用,固定长度188字节,4字节header和184字节payloadheader包含了对包传输过程非常重要的信息:第一个字节是同步字节固定值47hex,在TS流中的间隔也固定。码流中其他位置也可能出现47hex,因此同步字节利用固定数值和固定间隔两方面联合实现同步。解码器在接收到5个TS包后开始同步。同步字节后的一个比特是传输差错标志由解调器在传输信道末端设置例如错误太多无法利用误码纠正机制进行恢复的情况。13bit的PID(packet identifier)描述该包中payload的内容以及该包属于哪个ES流。,MPEG-2 T
11、S包,图3.8 MPEG-2 TS包,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,17,数字电视原理与应用,DVB采用的误码保护是ReedSolomon纠错码调制器中TS包的188个字节后添加16个字节(DVB-S/C/T)或20个字节(ATSC)的误码保护。误码保护是特殊的校验和。接收端每个包可以纠正8/10个误码。如果某个包发生的误码超过8/10个,误码保护失败,误码不能纠正,这个包的传输差错标志就标记为错误,则解码器不能解码这个包,而要进行误码掩盖。,MPEG-2 TS包,图3.9 Reed-Solomon FEC,RS,RS,DVB/ATSCmod,DVB/ATSCDemod.,M
12、PEG-2TS,Transmissionlink,MPEG-2TS,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,18,数字电视原理与应用,有时TS包的头长度必须大于4个byte:包头扩展到payload中,payload长度相应缩短,但总包长度仍是188bytes。扩展的包头称作“adaptation field”。在4bytes的包头中由Adaptation control bits标志是否有adaptation field。,MPEG-2 TS包,图3.10 带adaptation field的TS包,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,19,数字电视原理与应用,TS包的结
13、构和长度与电话和LAN技术采用的异步转移模式ATM类似:ATM用于电话的远程网络和局域网的计算机网络中。ATM也采用包结构,每个包53bytes,由5bytes的头和48bytes的payload组成。MPEG-2初期考虑利用ATM传输,ATM包的payload中有一个特殊byte,实际payload只有47bytes,因此TS包的188bytes正好可以由4个ATM包传送。实际也存在MPEG-2通过ATM传输。,MPEG-2 TS包,图3.11 ATM包,ATM=Asynchronous Transfer Mode,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,20,数字电视原理与应用,1
14、、MPEG数据流,PES,MPEG-2 TS包,接收端所需信息,ATSC的PSIP,MPEG-2 TS其他重要细节,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,21,数字电视原理与应用,接收端所需信息,接收端所需信息,TS流同步(同步字节),读取当前节目结构(PAT,PMT),读取一个节目(PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目(CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),A,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,22,数字电视原理与应用,MPEG-2解码器接收到MPEG-2 TS流时,首先检测包结构,在TS流中查找同步字节:总是47hex,总位于
15、TS包开始位置,固定间隔为188字节。同时满足这两个条件,可以确定同步。如果出现一个字节为47hex,解码器将检测这个字节前后n倍188字节的位置是否也是同步字节。如果是,则当前字节为同步字节;否则,当前字节只是码流中偶尔出现的47hex,不是同步字节。接收端收到5个TS包之后开始同步。丢包3个之后解码器即失步。,A、TS流同步,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,23,数字电视原理与应用,接收端所需信息,接收端所需信息,TS流同步(同步字节),读取当前节目结构(PAT,PMT),读取一个节目(PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目(CAT),TS流附加信息
16、(SI/PSI/PSIP),MPEG-2系统及其测量-1,class 05,24,数字电视原理与应用,TS流中传送节目的数目和结构灵活多变,TS流中必须包含列表来描述TS流的瞬时结构。这些列表称为PSI(program specific information),是偶尔在payload中传输的表格,包括:PAT(program association table)PMT(program map tables),B、读取当前节目结构,图3.13 PAT和PMT,PAT=Program association table1 PID entry per program,PMT=Program map
17、 table1 PID entry per elementary stream,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,25,数字电视原理与应用,PAT每个TS流一个,每隔0.5秒重复。描述TS流中有多少个节目。包含该表的TS包的PID为0,便于识别。PAT的payload中传送特殊PID的列表,每个PID对应一个节目。这些PID是描述每个独立节目详细信息的指针。PID指向PMT表。,B、读取当前节目结构,PAT=Program association table1 PID entry per program,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,26,数字电视原理与应用,P
18、MT对应TS包有特殊的PID和特殊的payload。PMT的PID由PAT传送。例如要接收节目3时,先从PAT的payload中的所有PID列表中选出节目3的PID为1FF3hex,然后查找包头中PID=1FF3hex的TS包,就是节目3的PMT。PMT包含该节目中所有ES流(视频、音频或数据)的PID。,B、读取当前节目结构,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,27,数字电视原理与应用,一个节目可能有多个视频和音频流,解码器必须选择2个PID,一个视频流的PID(100hex),一个音频流的PID(200hex)。此后解码器只收集这些TS包,解复用,重新组成PES包,这些PES包
19、再送到视频或音频解码器。传输过程中TS流的结构也可能发生改变。解码端机顶盒,如DVB-S,必须连续检测TS流瞬时结构,读出PAT和PMT,做自适应调整。,B、读取当前节目结构,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,28,数字电视原理与应用,接收端所需信息,接收端所需信息,TS流同步(同步字节),读取当前节目结构(PAT,PMT),读取一个节目(PID),节目同步(PCR,DTS,PTS),读取一个加扰节目(CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),MPEG-2系统及其测量-1,class 05,29,数字电视原理与应用,PAT和PMT读出以后,用户确定出一个节目的两个PID
20、:待解码视频信号的PID(如100hex)待解码音频信号的PID(如200hex)解码器只处理这两个PID的TS包:解复用过程中,PID为100hex的所有TS包集合成视频PES包,送到视频解码器。同样,PID为200hex的所有TS包重新集合成音频PES包,送到音频解码器。如果ES流没有加扰,这时可以直接解码。,C、读取一个节目,图3.14 通过视频和音频PID访问节目,MPEG-2系统及其测量-1,class 05,30,数字电视原理与应用,接收端所需信息,接收端所需信息,TS流同步(同步字节),读取当前节目结构(PAT,PMT),读取一个节目(PID),节目同步(PCR,DTS,PTS)
21、,读取一个加扰节目(CAT),TS流附加信息(SI/PSI/PSIP),MPEG-2系统及其测量-1,class 05,31,数字电视原理与应用,对付费电视或许可证和地域限制等情况,ES流利用电子码进行传输保护。ES流利用各种方法进行混扰,接收端必须配有附加硬件并授权。附加硬件必须有TS流中合适的解扰和授权数据。因此TS流中传送一个特殊的表CAT(conditional access table)CAT提供了TS流其他数据包的PID,该数据包传送了解扰所需信息:ECM(entitlement control message)用于传送加扰码EMM(entitlement management m
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