书城教材教辅新传媒技术概论
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第35章 传媒节目的数字传输与播出(2)

2.接收门限电平低、传输距离远

原广电部GY/T106-1999标准中提出了有线电视广播系统技术规范,下行模拟传输系统要求载噪比C/N ≥ 43dB。欧广联(EBU)给出了图像信号的5级评分标准,若要达到4级以上的良好质量,则要求信噪比S/N ≥ 36.6dB。在模拟信号的传输中,为防止信号的衰落,必须有6dB 的衰落储备量,因此模拟调幅微波传输链路中系统设计的载噪比C/N 必须≥ 49dB。在模拟调频微波传输链路中,由于S/N 存在18dB 调频改善系数,所以C/N ≥ 31dB 就够了。

同样的模拟链路,如果采用数字压缩编码方式,中频调制器采用64QAM正交幅度调制,在留有6dB 储备量之后,只需C/N ≥ 28dB 就能得到DVD 的图像质量。

若采用QPSK 相移键控调制,则只需C/N ≥ 18dB 就可以得到高质量的图像质量。模拟调幅(AM )微波与64QAM 调制数字微波相比,门限下降了约20dB;模拟调频(FM )微波与QPSK 调制数字微波相比,也相差约10dB。

从上述分析不难得出数字微波比模拟微波传输距离远的结论。如果原设计模拟MMDS 微波传输距离为40km,在同样的有效发射功率、同样的反馈、同样的路由前提下,采用数字MMDS 微波传输后,就能轻易地覆盖100km 以上的距离。

3.图像质量好,抗干扰能力强

由于采用了数字滤波、数字存储及再生中继技术,排除了噪声和失真积累的影响,改善了图像的信噪比,彻底消除了亮度干扰,接收机的载噪比C/N 在门限值以上时,几乎可以得到无损伤的还原,即使经过多级中继、转发也不会降低图像质量,因此数字电视传输的图像质量远远高于模拟电视传输的图像质量。

5.2 数字化传输的技术讨论

5.2.1 SDH 技术在电视传输中的应用

1.SDH 概况

国际电信联盟标准部(ITU‐T ) 的前身国际电报电话咨询委员会(CCITT)在1988年与美国国家标准化协会(ANSI)的T1委员会达成协议,将美国贝尔通信研究所1985年提出的同步光网络(SONET)概念和标准修订后重新命名为同步数字体系(SDH),称为SDH 技术。光纤传输具有传输频带宽、传输容量大、传输损耗低、传输信息不受电磁干扰等优点,用光纤传输的广播电视信号不仅传输质量好且信号稳定,因而光纤已成为传输广播电视信号的新媒介。SDH 技术与光纤技术相结合而构成的同步数字传输网是一个融复接、线路传输及交换功能于一体,由统一网管系统管理操作的综合信息网络,可实现网络有效管理、动态网络维护、开业务时的性能监视等功能,有效地提高了网络资源的利用率,满足了广播电视传输网的信息传输和交换的要求,因而SDH 技术目前已成为电视领域传输技术方面的发展和应用热点。

2.SDH 技术的基本传输原理

SDH 采用的信息结构等级称为同步传送模块STM‐N(N=1,4,16,64),最基本的模块为STM‐1,四个STM‐1同步复用构成STM‐4,16个STM‐1或四个STM‐4同步复用构成STM‐16;SDH 采用块状的帧结构来承载信息,每帧由纵向9行和横向270×N 列字节组成,每个字节含8比特,整个帧结构分成段开销(SOH)区、STM‐N 净负荷区和管理单元指针(AUPTR)区三个区域。

段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配以保证信息能够正常灵活的传送,它又分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH);管理单元指针用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM‐N 帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷;净负荷区域用于存放真正用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。SDH 的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输。

SDH 传输业务信号时各种业务信号要进入SDH 的帧都要经过映射、定位和复用三个步骤。映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器(C),再加入通道开销(POH)形成虚容器(VC)的过程,帧相位发生偏差称为帧偏移,定位即是将帧偏移信息收进支路单元(TU)或管理单元(AU)的过程,它通过支路单元指针(TUPTR)或管理单元指针(AUPTR)的功能来实现;复用则是将多个低价通道层信号通过码速调整使之进入高价通道或将多个高价通道层信号通过码速调整使之进入复用层的过程。

SDH 网络设备有交换设备,包括配有SDH 标准光接口和电接口的交换机,传送设备包括终端复用器、分插复用器和数字交叉连接设备及再生器,接入设备包括数字环路载波、光纤环路系统等。其中分插复用器(ADM )是SDH 网络中应用最广泛的设备,它利用时隙交换实现宽带管理即允许两个STM‐N 信号之间的不同VC 实现互联,并具有无需分接和终接整体信号即可将各种G703《数字体系接口物理/电气特性》规定的STM‐N 信号接入STM‐M(M > N)内作任何支路的能力。ADM 在环形网中应用时还具有独特的自愈能力,即网络发生故障时无需人为干预就可在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务,也就是说使网络具备发现故障的能力并能找到替代路由在时限内重新建立通信线路。

3.SDH 技术传输电视信号的过程

SDH 技术基本处于ISO/OSI 的第一层,用来保障比特流传输的正确性。

它不具备动态链路建立和交换能力,只拥有静态的电路分插复用和交叉连接能力,即通过操作员发出电路连接指令来建立某个物理通道。电视广播领域的SDH 网起着公共的物理传输平台的作用,在此平台上一部分带宽用来传输经数字终端设备(CODEC)编解码的电视节目,另一部分用来直接传输用户数据或是传输从ATM、IP 交换机汇聚来的数据流等。

用SDH 技术传输广播电视信号必须先对信号进行数字化处理。当压缩所含信息量大的图像时由于要牺牲掉部分图像信息从而导致方块效应;图像压缩编码后每个数码对前后图像都有影响,如果传输中发生误码则接收端还原出来的图像将会受较大影响,即误码扩散问题。

SDH 的传输速率中,34.368Mbps 和139.264Mbps 是最适合电视图像传输的速率。广播电视节目信号是模拟信号,要先经过编码器变换成数字信号压缩后形成139.264Mbps 的码率进入到C4容器或者压缩后形成34.368Mbps的码率进入C3容器并最终形成STM‐1。电视节目的视频和音频信号存放在SDH 的帧结构中的净负荷区域内,SDH 设备的34Mbps (或45Mbps)和139.264Mbps接口接图像编码器,2Mbps 接口接数据和话音输入设备,转换成SDH 形式的广播电视信号通过光纤或者微波发射进行传输。信号传到业务站点后经解码器将图像数据信号还原成模拟信号,通过调制器将其变换到相应频道经有线电视网传到用户家中。

我国的彩色电视采用的是PAL 制式,亮度信号(Y)取样频率为13.5MHz,色差信号(R‐Y,B‐Y)的取样频率各为6.75MHz,Y,R‐Y,B‐Y 每个取样信号被8bit 量化,则总的传输码率为13.5*8+ 6.75*8+ 6.75*8=216Mbps,对传输速率2.5Gbps 的STM‐16而言只能传输8路视频信号,因而用SDH 传输电视信号首先要对其进行压缩编码处理。传输电视信号常用的压缩编码技术有差值脉冲编码调制(DPCM),利用图像数据在空间和时间上的冗余特性用相邻的已知像素或图像块对当前待编码的像素或图像块进行预测然后对预测值和真实值的差值即预测误差进行量化和编码。这种压缩方式算法简单易于实现,缺点是编码压缩比低、对信道噪声及误码敏感、易产生误码扩散等。电视广播信号的传输目前采用这种压缩技术较多,每路电视信号经DPCM 压缩编码成70Mbps,两路70Mbps 信号复合成140Mbps 进入STM‐1,即每个STM‐1传输两路DPCM 压缩的电视信号。除此之外还有MPEG‐2压缩技术,这是当前电视编解码的标准,电视节目信号可压缩到1.5~15Mbps,用SDH 的STM‐16(2.5Gbps)可传输300多套MPEG‐2压缩的数字电视信号。MPEG‐2的缺点是压缩比较高时信号质量较差,特别是压缩到2Mbps 以下时图像的马赛克效应非常明显,因而一般常压缩到8Mbps,复用成34Mbps 进入C3容器最终形成STM‐1。由于MPEG‐2编解码器价格较高故目前应用较少。

SDH 技术传输电视信号时要求SDH 网有较好的时钟同步性能和低抖动性能。网络的同步性能差会引起指针调整,指针调整将导致彩色电视信号瞬时变色,而网络的低抖动性能将通过SDH 网传递给解码器在解码器输出端产生抖动引起信号色彩的变化。目前主要采用比特泄漏技术来减少指针调整的问题,或者在SDH 信号进入映射器前将时钟信号和数据信号分离使数据信号经过映射器后再和时钟信号合成,但这种方法需对SDH 设备作较大的改动。消除抖动的有效办法就是选用不引入抖动的SDH 设备和能容忍抖动的图像编解码器等。SDH 技术主要是为传输话音和数据业务而制定的,对视频业务而言SDH 技术还存有许多不足之处,有待于今后在实践中不断完善,从而使其更加适合于电视信号的传输。

5.2.2 数字图像传输中的误差

通常实时数字图像的传输有几个苛刻的要求:宽的传输频带,小的传输时延和低的误码率。实际的传输网络总会在数据传输中发生误码和数据包丢失,这对解码图像数据有严重的影响。MPEG 压缩算法去掉了活动图像序列中的大部分内在相关性,使编码数据在受到误差影响时容易产生问题,由于空间和时间上的冗余被去掉了,误差对解码序列的质量有严重的影响,单个比特的误码就会在解码序列中引起一大部分空间和时间区域的质量下降。

1.误差的产生

网络的传输误差一般有两类:误码和数据包丢失。下面分别讨论其产生的原因。

(1)误码

误码的产生主要是信道的频率特性和传输所引入的噪声影响的结果,即噪声的存在可能使接收机对输入电平的判决发生错误。误码率的大小取决于传输信道的特性,例如,地面光纤传输系统的设计误码率为10~9,实际使用时可能更低。

(2)数据包丢失

有一些网络(例如基于IP 的网络)不能保证所传输的数据一定到达目的地,所选择的路径,路径上每个节点的处理速度和容量,以及同时传输的其他数据的流量等因素都决定着网络上的时延。如果数据包的时延太大,超过所携带图像信息的解码和显示的时间,将被作为数据包丢失处理。由于阻塞超出网络节点的容量,也可能发生数据包丢失。即使是ATM 网络,也会发生信元的丢失,一种特定连接的业务质量是在连接建立之初商定的,即在具体应用和用户网络接口(UNI)之间形成一个通信约定,只要用户不突破该约定中的限制,ATM 网络应保证一个最大的信元丢失率。也有一些ATM 网络并不完全采用这种连接约定管理方式,所以当网络上的数据流量超过交换机的容量时,就会发生信元丢失。ATM 网络正在逐步建立之中,导致各种不同网络和协议的混合,在这类网络中可能保证不了很高的业务质量,所以信元或数据包丢失在所难免。在无线ATM 网络中,传播条件的变化容易在网络中产生信元丢失率的大范围变化。

2.误差对编码图像序列的影响

现有的国际图像编码标准有许多相似之处,都是采用运动补偿预测、预测误差的DCT 变换、量化和变长编码等。以下以MPEG 为例进行讨论。

(1)编码数据不同位置误码的影响MPEG 数据以分层结构组织,发生在不同层的误码对MPEG 的影响是不同的。

序列头。序列头包含图像尺寸、宽高比、图像速率等解码器正确解码所需的重要信息,这些参数中的误码会使解码器无法对序列正确解码。

图像头。图像头包含图像编码类型和时间参考信息。如果一个图像头因误码而丢失,解码器要等下一个序列或图像起始码,这样整个图像就丢失了。

如果丢的是P 帧或I 帧,预测将向前找最接近的P 帧或I 帧,这样就会在解码图像中有明显的位移直到下一个I 帧为止。

图像条头。条层中的头信息主要用于错误恢复,即其图像条头是等长编码的,可用来检测条的开始,如果图像条头中发生误码可使整个条不能正确地解码。

条数据。一个条中的宏块头、DCT 系数、运动矢量等数据都以不等长码字编码形成一个变长编码比特流,其中的误码可产生几种影响:

若误码将一个有效的不等长码字改变为另一个同样长度的有效不等长码字,解码器检测不出误码的存在,后续不等长码字仍然可正确地解码;若误码将一个有效的不等长码字改变为另一个不同长度的有效不等长码字,解码器检测不出这一点上误码的存在,将导致与比特流的同步丢失,所以后面可能会发现非法的码字;