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編碼/壓縮標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機制是下一代DTV部署中最重要的技術(shù)。本文討論了當(dāng)前和未來DTV發(fā)射機和接收機設(shè)計的技術(shù)挑戰(zhàn)和要求,以及固定和移動DTV的應(yīng)用,并基于Altera公司單芯片Stratix II FPGA,為適應(yīng)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的任何升級和變化提供了一個簡單的解決方法。
圖1:Stratix II單芯片編碼器的方框圖。
大約十年前,當(dāng)直播衛(wèi)星提供商DirecTV和Dish Network推出MPEG-2數(shù)字視頻傳輸業(yè)務(wù)時,對數(shù)字電視(DTV)的部署就開始了。現(xiàn)在,隨著DTV業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展到有線和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),DTV技術(shù)正在從標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)向高清晰度(HD)發(fā)展。盡管已有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機制被用來提高數(shù)字視頻帶寬的效率,但編碼/壓縮標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制機制仍然是下一代DTV部署中最重要的技術(shù)。
DTV的廣泛應(yīng)用始于美國的DirecTV和Dish Network公司以及歐洲Canal Plus的直播衛(wèi)星(DBS)。早期的DTV發(fā)射機制采用帶有內(nèi)部和外部前向糾錯(FEC)的QPSK調(diào)制來避免傳輸錯誤。日本國家廣播公司NHK在1986年推出了高清晰電視。但是直到大約四年前,該技術(shù)對主流消費應(yīng)用來說仍缺乏成本效益。
視頻壓縮技術(shù)
在傳輸視頻數(shù)據(jù)之前,視頻壓縮技術(shù)被用來降低原始視頻的固有帶寬。MPEG-2是最常用的壓縮技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)清晰度衛(wèi)星廣播的典型MPEG-2數(shù)據(jù)速率為20Mbps。MPEG-2壓縮技術(shù)基于這樣一個原理:運動圖像中的時間和空間冗余構(gòu)成了人所感知的視覺信息的主要部分；換言之,許多現(xiàn)有數(shù)據(jù)對重建十分清晰的視頻并非必要。
MPEG-2還是一種可升級的壓縮機制,其碼率范圍為～40Mbps。將典型的MPEG-2傳輸流與許多實際的視頻頻道進(jìn)行復(fù)用(取決于編碼碼率),使電視信號能在衛(wèi)星、有線和地面平臺上高效傳輸。然而,xDSL或通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)等其它傳輸設(shè)備所能提供的數(shù)據(jù)速率要低很多,即使對地面廣播而言,也沒有足夠的可用頻譜。因此,節(jié)目數(shù)量非常有限,這需要進(jìn)一步提高視頻壓縮效率。
隨著廣播公司制作出更高清晰度的視頻內(nèi)容,如果必須在傳輸流中傳輸更多頻道,MPEG-2格式則成為瓶頸。因此,下一代HDTV必須利用新的視頻壓縮格式以便節(jié)約系統(tǒng)帶寬。新興的/AVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)允許廣播公司在不增加有線帶寬頻譜的情況下增加SD和HD節(jié)目內(nèi)容。/AVC的壓縮效率通常比現(xiàn)在所有標(biāo)準(zhǔn)高1倍,特別是與全球DTV系統(tǒng)的基礎(chǔ)——MPEG-2相比,其壓縮效率提高了～1.5倍。
圖2: Stratix II單芯片DVB-T調(diào)制器的方框圖。
/AVC在任何碼率下的編碼效率至少是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2的兩倍。這意味著在相同碼率下,使用/AVC可獲得比MPEG-2高得多的視頻分辨率,或者/AVC只需MPEG2一半的碼率,就可實現(xiàn)相同的視頻質(zhì)量。/AVC的主要應(yīng)用是MPEG2不太適用的新興視頻業(yè)務(wù),特別是在帶寬有限的場合,例如移動應(yīng)用、基于ADSL的IPTV等。圖1顯示了Altera公司單芯片Stratix II FPGA /AVC編碼器的基本框圖。編碼需要極高的運算性能和存儲器帶寬,以及全面的靈活性,高性能Stratix II FPGA具備所有這些性能。
前面強調(diào)了視頻壓縮和編碼的重要性,下面將討論將數(shù)字視頻傳遞到消費者面前的現(xiàn)有和未來方法。
調(diào)制和傳輸方式
根據(jù)不同的傳輸方式,如衛(wèi)星、有線、地面、移動或者IP,可采用不同的調(diào)制方法來傳輸數(shù)字視頻。表中列出了目前或者計劃使用的各種調(diào)制方式。
過去十多年,DVB-S一直是MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻的數(shù)字衛(wèi)星傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方法,但隨著更多視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)向高清晰格式,DVB-S已被證實成為帶寬分配中的傳輸瓶頸。DVB-S2有望成為有效傳輸高清晰視頻的傳輸標(biāo)準(zhǔn),它可實現(xiàn)最佳性能,性能比DVB-S提高大約30%。另外,DVB-S2還受益于信道編碼技術(shù)的最新發(fā)展。結(jié)合各種調(diào)制格式(QPSK、8PSK、16APSK和32APSK),這種新的衛(wèi)星技術(shù)將實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的有效部署,如HDTV、寬帶因特網(wǎng)、交互式業(yè)務(wù),以及在傳統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答器中廣播更多數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)頻道。
目前正在使用或?qū)⒁褂玫母鞣N調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。
模擬電視傳輸?shù)慕?jīng)典方法將很快成為歷史。隨著世界各地政府要求最終全部采用地面?zhèn)鬏擠TV,很多設(shè)備制造商正在厲兵秣馬做準(zhǔn)備。不幸的是,由于政府的政治原因,全球每個國家和地區(qū)采用了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)。利用FPGA,設(shè)計工程師可創(chuàng)建一個單一的DTV傳輸平臺,通過對系統(tǒng)進(jìn)行簡單編程以針對特定地區(qū)修正調(diào)制標(biāo)準(zhǔn),該平臺可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)。
盡管北美采用ATSC調(diào)制機制,但在歐洲和一些亞洲地區(qū),DVB-T是目前最常用的調(diào)制方法。中國的DTV標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定,DMB-T和ADTB-T是兩個候選的競爭方案。日本則使用自己獨特的ISDB-T調(diào)制。圖2顯示了用Altera公司的Stratix II單芯片實現(xiàn)DVB-T調(diào)制的方框圖。
本文小結(jié)
與當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2相比,/AVC在所有碼率下的編碼效率至少提高了1倍。采用/AVC,系統(tǒng)設(shè)計工程師可實現(xiàn)比MPEG-2更高的視頻分辨率。然而,大量的標(biāo)準(zhǔn)(包括/AVC)目前仍在全球范圍內(nèi)使用,系統(tǒng)設(shè)計工程師在設(shè)計DTV發(fā)射機和接收機時必需解決這些標(biāo)準(zhǔn)共存的問題。設(shè)計工程師可利用FPGA來實現(xiàn)能很容易進(jìn)行配置的理想設(shè)計平臺。FPGA可提供強大的運算性能、高存儲器帶寬以及整體設(shè)計的靈活性和能力,這些都是滿足當(dāng)前眾多傳輸編碼要求所必須的。
作者:Tam Do
Altera公司
