黑龙江省幅员辽阔,既有大、小兴安岭连绵起伏,林海莽莽,又有东北平原、三江平原、松嫩平原地势平坦,一望千里。黑龙江的几个主要城市就分布在平原之上,这几个城市集中了黑龙江的绝大多数人口,即主要的收视人群,这样的地貌特点和人口分布有利于无线电视信号的发射覆盖,有利于发射站点的网络规划与建设,有利于提高在有效收视人群中的普及率。在北京、上海、湖南等省市纷纷成功搭建地面数字电视系统后,黑龙江电视台根据自身的特点,开始进行全省地面数字电视系统的规划、建设。
目前,国际上地面数字电视存在三种标准:欧洲DVB-T多载波方案,美国ATSC单载波方案,及日本改进型ISDB-T。我国于上世纪九十年代开始研发具有我国自主知识产权的地面数字电视标准,经过几轮的检验,目前存在清华大学DMB-T多载波、上海交大ADTB-T单载波以及广科院等几个方案。目前,国家标准还在制定中。黑龙江电视台考察了国内已建成的地面数字电视系统,综合考虑了各家标准,比较各种标准的优缺点,考虑到:
1.DVB-T多载波方案已成为欧洲标准,技术成熟、有保障,已被国内多家电视台采用;
2.DVB-T多载波方案从电视台的节目信号源端到用户的接收端,所涉及的产品种类齐全,丰富;
3.DVB-T多载波方案可持续发展性比较好。
决定选用欧洲的DVB-T多载波方案建设覆盖黑龙江省的地面数字电视。
一. DVB-T系统的关键技术
1.信源编码
DVB-T的信源编码标准是MPEG-2,通常广播级别的4:2:0格式需要的图像编码码流为5Mb/s,再加上伴音码率,发送一套电视节目需要5M多,如果传输信道采用QPSK调制、前向纠错1/2、保护间隔1/4模式,一个8MHz的频道只能发送一套节目,这样一来,数字电视并不能比模拟电视有更高的频率利用率。如果为增加节目套数,以牺牲画面清晰度为代价,人为降低编码率,虽然在移动小屏幕接收上,这种质量的劣化还不明显,但这与大屏幕、高清晰的数字电视的初衷完全背离。发展效率更高的编码设备是确保收视质量、降低码率的唯一方法,降低编码率的两个基本途径是编码算法的优化和冗余码率的降低,算法的优化以尽可能少的编码率来实现有用信息的编码,删除噪声以使编码率能够用于有价值的图像内容。
(1)算法优化
新一代的编码器采用了“前视”技术,进行多通道分析,在分析编码源进入主编码芯片前的半秒内对其进行深度分析,具有高活动性的图像接受高的比特率,而较低活动的图像则接受较低的比特率,前视编码芯片对输入视频进行复杂统计,能认识静止图像的存在,并知道它后面N帧相关图像,然后主编码芯片根据其分析对象进行相应的编码分配,在相邻宏块中实施不同的编码方案。
(2)降低噪声
噪声可定位为信号中不希望出现的和乱真的成分,其产生原因很多,在摄像过程中摄像机产生,模拟存储中存储器产生,传输系统产生等,信号噪声以两种方式破坏视频压缩编码系统的实施,噪声使图像看起来效果差,更重要的是,随机噪声不容易压缩,且视频压缩编码系统必须花费大量的比特再生不必要的噪声成份。而区分噪声和有价值的图像成份又是困难的,因为噪声和图像一起分享同样的频谱,降噪的复杂性在于噪声是从许多不同的处理过程中产生的,因此具有许多特点,比如有些噪声实际上不是随机的,但压缩编码系统把它当作随机噪声对待,又如脉冲噪声不仅降低图像质量,还会干扰其他降噪装置。
降低噪声和预处理用于在压缩编码之前减低视频复杂性且能够实现保证质量前提下的较低比特率,技术的关键是在删除噪声的同时不影响图像内容的清晰度,这就要求要有好的滤波器和高级的滤波控制,以自动地在正确区域过滤相应的噪声,根据处理的不同,新一代编码器基本使用的滤波器可分为:具有运动补偿功能的运动补偿瞬时低通滤波器;去除脉冲噪声的滤波器;边缘自适应滤波器;降低空间高斯噪声的非线性滤波器;水平滤波器等。
通过算法优化和降噪技术的使用,新一代的超级编码器可以在保证清晰度质量的情况下大大节省码率,在几代的压缩编码优化后,一路标准清晰度电视节目超级编码器编码率平均可到2Mb/s以下。
2.统计复用
为保证编码质量,我们一直采用固定编码率的方式发送电视节目,由于电视节目内容的不可确定性,在同一频道内可能有静止的图像,也可能有快速变化的图像,而编码率为满足快速变化的图像等复杂情况必须采用高的编码率,这就意味着在大多数情况下,编码率远远大于实际需要的码率。统计复用技术的采用能够明显的降低编码率,使在相同的带宽内传送更多的高品质节目成为可能。
最新的统计复用提高了对视频变化反应的灵活性和反应速度,使用“封装循环”,从编码器到复用器,复用器到编码器的双反馈装置,每个编码器提供两次视频编码,第一次是简单的前视编码和从输入内容中捕获统计,这些统计被送到复用器。复用器对特殊视频的瞬时复杂和缓冲池中的全部复杂图像加以考虑,并将适合的比特率送到每个编码器,编码器的第二次编码是优化编码,根据具体的视频情况来做最优且保证质量的编码。
使用先进的带降噪处理的超级编码器和算法优化的统计复用技术相配合,使在同一频带内尽可能多地搭载有效码率,传输多套节目成为可能。
3.传输信道
相对有线传输、卫星传输,地面利用无线电波传输电视信号的信道环境最为复杂、恶劣,回波干扰、噪声干扰、同频干扰严重,如何在这种信道环境中将数字电视节目信号无失真地完整地传送给用户接收端是DVB-T需要解决的关键。
(1)数据扰乱
用户接收端对收到的数字信号进行解码前必须提取出时钟,时钟的提取是利用传输流中“0”与“1”之间的波形跳变实现的,复用器输出的TS码流中可能包含连续的“0”或“1”,造成接收端解码器提取时钟困难。为了确保了保证在任何情况下进入传输信道的数据码流中“0”与“1”分散开,且出现的概率基本相等,用一个伪随机序列对输入的TS码流进行扰乱处理,扰乱后,无论原TS码流中的“0”与“1”是何种分布,扰乱后的数据码流中的“0”与“1”的概率都接近50%,且分散开来。从信号功率谱的角度看,扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了,使其分散开了,因此扰乱过程又被称为“能量分散”。
(2)纠错编码
地面广播信道的恶劣环境使误码频繁发生,干扰的种类不同,造成的误码有不同的特点,任何纠错编码的纠错能力都是有限的,当在传输信号中造成的误码超出纠错能力时,纠错编码将无法纠正错误。针对这种情况,DVB-T系统中的纠错编码采用了“外纠错码+外交织+内纠错码+内交织”两层纠错编码加两次交织的方案。
外码采用RS码,它在MPEG-2数字电视传输流188字节上,加入16个字节的冗余纠错码,可以纠正一个RS码字内的不超过8个字节的误码,构成一个204字节长度的传输流,该纠错码主要面向突发性连续错误,可以纠正一个RS码字内的不超过8个字节的误码。
外交织采用深度I=12的卷积交织,其功能是将连续的误码打散,让误码平均分布在多个188传输包码流当中,以提高上面的外纠错码的纠错效率。
内纠错码也称Viterbi纠错码。RS纠错码是面向188长度的传输包进行纠错的,而Viterbi纠错码是面向比特的纠错码。根据加入的冗余码长度,可以分成1/2、2/3、3/4、5/6、7/8四种。1/2具有最强的纠错码能力,但是其保护码与有用码比例为1比1,带宽比较浪费,7/8的保护码只占有用的八分之一,带宽利用率高,但是纠错能力弱。
内交织由比特交织和符号交织两个环节构成。与外交织不同,内层的比特交织和符号交织均采用矩阵交织,即块交织的方式。