视频信号数字化传输关键技术解析

     摘 要：数字电视技术经过多年的发展已相当成熟，特别是目前各省台演播室数字化建设改造基本完成，更是加速了端到端数字化播出的进程。对福建省台8套节目数字化下传实例做一个简要的介绍，针对视频信号在数字化传输维护中所遇到的调制、适配、抖动3个技术问题进行分析。

　　1实现数字化传输的条件

　　各省台信号已完成演播室数字化，实现了SDI数字视频输出(含嵌入音频)，SDI传输的是采样量化后没有压缩的数字视音频信号，其传输码率为270Mb it/s，不仅占用带宽很大，而且传输距离只有100m 左右,在内部节目交换尚可，要传输到全省各地市/县有线台不借助其他技术手段是不可能完成的。实现数字化播出需要具备以下一些技术条件。

　　( 1)视频前端数字化: 将占用大带宽的SD I信号采用DVB- C标准进行压缩编码、复用，使其形成适合传输的DS3数字视频信号( DS3接口即广电SDH网络普遍采用的一种45Mb/ s的支路C3接口)。

　　( 2)省干传输网: 目前我国数字电视传输体系采用欧洲DVB- C标准进行建设，而这一标准的实现必须建立在地面光纤传输的基础上，安全可靠的干线网络传输是省级数字电视传输的中间环节。

　　( 3)各地HFC 网络: 一千米的接入，即各地市/县HFC 网络，它采用QAM 调制技术，产生RF 信号，在原来传输一套模拟节目所占的8M 带宽频道上传输经压缩编码后的数字信号。

　　上述3个基础平台的结合，使得演播室视频信号数字化传送成为可能。

　　2 福建省台信号数字化下传流程简介

　　省台各个播控室的信号，通过编码、复用、适配、传输、解复用、调制的方式完成传送。福建目前共拥有10套省级节目，考虑到节目压缩后的视频质量须达到标清要求，设计时将10套节目分成2个DS3流进行传输，一个DS3流中传输8套，另2套节目与其他落地卫视节目打包形成另一个DS3流。因为数字化传输过程基本一致，这里只对一个DS3包下传进行分析。图1是福建省台8套节目下传的流程。

图1 节目传输流程图

　　流程补充说明: 在省干中心机房建立一个前端编码前端，将所有信号编码压缩，再通过复用将所需节目打包传输。我司2007年新建数字化视频前端平台，采用哈雷编码器以4#2#0的MPEG??2压缩编码方式进行编码，节目码率设置为4. 5Mb it/ s，其中视频码率为4Mb it/ s、音频为128 kb it/ s (体育频道因为其运动量比较大，视频码率采用4. 5Mbit/ s，总输出设为5Mbit/ s)，并在编码端对每路信号指定视频、音频与PCR 的PID值，指定3个关键技术参数的PID值，是因为我们在运行维护中发现当解码端因自身问题或其他原因产生PSI/SI信息丢失时，可以通过指定PID 来进行解码。

　　然后将8路编码器输出的ASI信号输入多节目码流复用器形成M - ASI信号，福建8套节目共产生的总码流为4. 5 Mbit/ s ×7 + 5Mb it/ s= 36. 5 Mbit/ s，因为形成的ASI流目前在我司原有的SDH 干线网络上无法直接下传，必须进行再适配形成DS3 信号再传输。形成的DS3信号进入C3 容器，并终形成STM - 1 信号，通过我司SDH 干线网络广播至全省各地市/县。

　　目前福建各地市/县采用155/622传输设备与我司当地干线机房联接，然后采用DS3- 45M 接口将信号落地。目前已完成数字化改造的地方如福州、厦门、泉州、漳州等地将适配后信号根据自己的需要直接或提取几套节目ASI信号，进行QAM 调制后通过HFC 传输至各有线用户，部分县未完成数字化改造的将信号适配、解复用后形成模拟A/V 信号通过模拟调制方式形成RF信号完成传输。

　　3 数字化下传过程关键技术分析与经验总结

　　8套节目的总输出码率为36. 5Mb it/ s，而DS3输出接口速率可达45Mb it/ s，为什么不再加一套或两套节目进行传送呢? 这里要对QAM 调制和DS3接口码率进行说明。

　　3. 1 QAM 调制

　　目前广电有线在数字调制时基本上采用64QAM的调制方式，而HFC的频道带宽为8MH z。符号率和传输带宽的关系是: 传输带宽= 符号率( 1+ ??)，??是低通滤波器的滚降系数，DVB- C 标准中??的取值为0. 15，所以在一个8MH z信道中理论上符号速率= 8/ ( 1+ 0. 15) = 6. 96 Mbaud，一般在我国有线电视的调制过程中，符号取均值: 6. 875Mbaud，那么采用64QAM调制( 26 = 64，即每个符号表示6个比特)的带宽= 6. 875 ? *1. 25Mbps，在DVB - C 的信道编码中采用RS( 204，188) ，所以有效码率= 41. 25 ? 188/204= 38. 014Mbps。现在明白为什么福建省台8套在ASI 输出的总码率设置为36. 5 Mb it/ s了。当然如果采用128QAM 的调制方法，有效码率可以达到= 6. 875 ? 7 ? 188/204 = 44. 35Mbps。而DS3的接口速率为45Mbps，那么是否就可将前端的总码率设置成45M，通过DS3传输后，再通过128QAM 的方法进行调制，以达到更高的传输带宽利用率呢? 因此，对SDH 中DS3的传输速率和接口特性进行分析就显得尤其必要。

　　3. 2DS3接口技术与适配

　　DS3是准同步数字体系中三次群格式，早用于电信电话网，其接口速率为44. 736 Mbit/ s，也就是通常大家所说的DS3 45M接口。DS3是由复帧构成，一个复帧又由7 个子复帧组成，每个子复帧又由8 块85 bit块 组成，其中84 bit净荷，1 b it为DS3通道开销,DS3接口的有效码率= 44. 736 ? 84/85= 44. 209Mb/ s。

　　上述可以看出DS3复帧中除了56 b it的开销之外，分配给有效净荷为4 704 bi,t 即每588字节的净荷业务可被一个复帧传送，而MPEG??2中规定的TS包为188字节或204字节，588字节均不是188或204 的整数倍，所以一个DS3接口在实际传送有效净荷码率的能力是低于44. 209Mb/ s的。这是采用将TS流直接映射所得到码率。其实在ITU - T J1. 31建议中对如何将MPEG- 2信号适配到DS3中已经有了规定，其建议在基于DS3接口的网络中传输MPEG - 2信号时,首先将MPEG - 2 信号适配到ATM 信元中，然后将ATM信元映射到DS3帧结构中。由于ATM 的QoS保证，为电视信号提供更加可靠的传输通道，但也因此增加在ATM 层面的开销字节，大家都知道ATM 信元由53个字节组成，其中信元开销占5个字节，净荷48字节，虽然抗损伤的能力提高了，却也付出了有效净荷减少的代价。不考虑其他ATM 信元与DS3帧格式之间的关系，或加入其他字节开销，仅采用ATM 封装的方式，其有效码率= 44. 209 ? 48/53= 40. 03Mbit/ s，实际值应比这个值更低，这也就回答了上述关于总输出码率与64QAM调制关系的问题。由于ATM 适配效率比较低，目前各个厂家在MPEG??2的TS到DS3的所采用的适配方式也不同，国内厂家一般采用直接映射的方法。这种直接映射的适配方式，也就是通常所说的透明传输，而这种透明传输方式又分为成帧结构的传输和非成帧结构的传输，不同厂家采用的适配方式也不一样，有的甚至加入了私有协议，这也就是我们在日常工作中常发现不同厂家在适配过程中无法互联互通的原因。笔者通过多年维护分析发现，目前广播电视在数字化传输过程中常使用的适配格式上的一些不同,现归纳供大家参考，见表1。

表1 DS3接口表

　　我们在实际工作中不可避免会遇到混合组网的问题，因为选用设备不同，适配层面的对接的确无法互联互通，这个问题在我们做南平地市混合节目下传就遇到过，终的解决方案是再增加一对适配器以完成互通。当然目前有不少厂家也生产出了多协议的适配器，通过网管的控制调用不同厂家的DS3接口协议以完成适配。这种通过协议转换必然带来信号的损伤,虽然这种损伤的影响极小，但作为广播电视传输来说,追求更高质量的播出效果一直是这一行业的责任，为此我们在做整体方案设计或建设时，采用同一厂家的适配器，以减少接口协议不同而带来的麻烦。

　　3. 3 PCR抖动的产生和原因分析

　　在福建省台信号数字化下传播出过程中，我们会遇到播出视频信号马赛克、定帧、黑屏等现像，除了上述所说的视频码率复用过大，采用QAM 调制不够高导制信号溢出外，还有一个问题就是PCR抖动问题。

　　PCR 即节目时钟参考，主要用来产生解码时钟,使视、音频达到同步作用。在发端，利用计数器对系统时钟计数，形成PCR 值，然后每隔一段时间将PCR 值随数据一起传送给收端; 收端有一个正在工作的本地时钟( 27MHz) ，其额定频率与发端时钟相等，同样也有一个计数器对它计数形成一个本地时钟参考。这时发端会将PCR 从传送流中提出来，与音频帧、视频帧的编码信息插入PES包中，接收端将音频帧、视频帧中的PCR 值放在缓存器中(编码器和解码器之间的延迟是固定的) ，等待比较发端的音视频中的值出现，然后用比较的结果控制压控振荡器( VCXO )，通过调整使收发端的频率锁相，实现收发端声音和图像完全同步。

　　DVB 标准中规定了PCR 的抖动量≤500 ns,MPEG - 2规定的PCR 抖动量≤ 4 ms，PCR 之间的是间隔时间，DVB中规定为≤ 40m s，MPEG- 2中规定为≤ 100 ms，日常维护中我们采用的是DVB 标准。

　　由于电子技术的飞速发展，目前各厂家生产的设备在PCR 上都大大低于DVB标准值，那又为什么会出现PCR抖动问题? 这里有两大原因，一是传输网本身误码引起的PCR 抖动，如机房环境温度过高、光缆线路损耗过大、环网自动保护倒换启动之际误码过大等;二是视频传输设备本身在复用、适配过程中引起，如复用多路来自不同编码器信号、适配协议、PCR 恢复算法等。上述原因使得我们前面谈到的固定延迟发生改变，导致原有的PCR 值与实际接收到的PCR 值产生差异，也就出现了PCR抖动。

　　在维护过程中我们发现传输网本身引起的抖动,因为都是瞬时产生的大量误码，通过复位适配器、解码器基本上能解决问题。如果传输网误码量小但不间断产生，那么通过解码器将PCR 的同步设置为本地同步(通常情况下我们在编码端给PCR 设置一个PID 值,这个PID 一般跟随视频PID 值，而解码常默认设置为PCR 同步方式)，即接收端不采用编码器产生PCR 对比值来进行解码，而是采用解码器本身产生的PCR 值来解码，也能暂时解决。但由于在整个视频传输系统中编码器的PCR 是的，解码器所产生的PCR远不如编码器，所以当传输链路出现误码引起PCR 抖动过大时，暂时采用不同步方式只能是应急解决方法，一旦传输层误码消失，需及时改回原设置。如果长时间使用，由于其PCR 偏差累积也会导致马赛克问题。通过实际测试，我们发现在视频信号复用、适配过程中产生的抖动影响远比传输网因误码产生的抖动来得大，而且多数情况下是不可消除的。下面是笔者通过目前省网使用比较多的哈雷、华为、数码视讯3个品牌视频适配相互适配，实测得出的数据来进行分析，见表2。

表2 各种情况下AS I输出信号的PCR抖动

　　从表中数据可以看出在各种情况下PCR 间隔的变化基本一致，均在DVB 标准范围内，这里就不再讨论。我们来看一下PCR的抖动，可以看出复用后PCR 抖动有所增加，说明在多路复用时，还是加剧了PCR 的抖动值。因为多路复用时，改变了原有TS 流数据分组，复用器虽然也都重新对PCR 进行了修正,但由于每路编码后的输出码率不同，复用器在进行多路复用时也会根据不同编码器的码率，调整复用后的输出码率，间接也就产生了PCR 抖动，表2中复用后的PCR抖动值比单路编码器所产生的抖动要大也正是如此。通过测试发现，来自不同厂家的编码器进行多路复用所产生PCR 抖动值要高于来自同一厂家编码器复用后的抖动值，复用多台编码信号采用不同码率与采用相同码率编码所产生的PCR 抖动也不一样,后者比前者要低。从表中可以看出不同适配协议所产生的PCR 抖动各有不一，国内厂家在这方面做得比较统一，采用不同协议适配后的PCR 抖动变化不大，但国外品牌适配所产生的PCR 抖动就相当大。这也就是之前所分析的在DS3适配层，有的采用ATM 封装,有的采用直接映射，有的采用成帧，有的采用不成帧所导致的。所以在设计视频数字化下传方案时，采用同一品牌设备，统筹安排尽量让各路信号的编码码率趋于统一，以减少PCR 抖动影响节目下传质量。

　　以上是笔者在福建省台信号数字化下传的建设和维护过程中关于QMA 调制、DS3适配、视频PCR 抖动方面总结的一点经验与体会，希望能对从事视频数字化建设和维护的人员有一点参考作用。