發布日期：2022-07-15 點擊率：46
圖1:Stratix II單芯片編碼器的方框圖。
大約十年前,當直播衛星提供商DirecTV和Dish Network推出MPEG-2數字視頻傳輸業務時,對數字電視(DTV)的部署就開始了。現在,隨著DTV業務不斷擴展到有線和衛星網絡,DTV技術正在從標準清晰度(SD)向高清晰度(HD)發展。盡管已有多種不同的標準和調制機制被用來提高數字視頻帶寬的效率,但編碼/壓縮標準和調制機制仍然是下一代DTV部署中最重要的技術。
DTV的廣泛應用始于美國的DirecTV和Dish Network公司以及歐洲Canal Plus的直播衛星(DBS)。早期的DTV發射機制采用帶有內部和外部前向糾錯(FEC)的QPSK調制來避免傳輸錯誤。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,該技術對主流消費應用來說仍缺乏成本效益。
視頻壓縮技術
在傳輸視頻數據之前,視頻壓縮技術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,標準清晰度衛星廣播的典型MPEG-2數據速率為20Mbps。MPEG-2壓縮技術基于這樣一個原理:運動圖像中的時間和空間冗余構成了人所感知的視覺信息的主要部分；換言之,許多現有數據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行復用(取決于編碼碼率),使電視信號能在衛星、有線和地面平臺上高效傳輸。然而,xDSL或通用移動通信系統(UMTS)等其它傳輸設備所能提供的數據速率要低很多,即使對地面廣播而言,也沒有足夠的可用頻譜。因此,節目數量非常有限,這需要進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約系統帶寬。新興的/AVC壓縮標準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節目內容。/AVC的壓縮效率通常比現在所有標準高1倍,特別是與全球DTV系統的基礎——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標準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,就可實現相同的視頻質量。/AVC的主要應用是MPEG2不太適用的新興視頻業務,特別是在帶寬有限的場合,例如移動應用、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。
前面強調了視頻壓縮和編碼的重要性,下面將討論將數字視頻傳遞到消費者面前的現有和未來方法。
調制和傳輸方式
根據不同的傳輸方式,如衛星、有線、地面、移動或者IP,可采用不同的調制方法來傳輸數字視頻。表中列出了目前或者計劃使用的各種調制方式。
過去十多年,DVB-S一直是MPEG-2標準清晰度視頻的數字衛星傳輸的標準方法,但隨著更多視頻內容轉向高清晰格式,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準,它可實現最佳性能,性能比DVB-S提高大約30%。另外,DVB-S2還受益于信道編碼技術的最新發展。結合各種調制格式(QPSK、8PSK、16APSK和32APSK),這種新的衛星技術將實現高數據速率應用的有效部署,如HDTV、寬帶因特網、交互式業務,以及在傳統發送應答器中廣播更多數量的標準頻道。
目前正在使用或將要使用的各種調制標準。
模擬電視傳輸的經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傳輸DTV,很多設備制造商正在厲兵秣馬做準備。不幸的是,由于政府的政治原因,全球每個國家和地區采用了多種不同的標準。利用FPGA,設計工程師可創建一個單一的DTV傳輸平臺,通過對系統進行簡單編程以針對特定地區修正調制標準,該平臺可適應不同標準。
盡管北美采用ATSC調制機制,但在歐洲和一些亞洲地區,DVB-T是目前最常用的調制方法。中國的DTV標準尚未最終確定,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調制。圖2顯示了用Altera公司的Stratix II單芯片實現DVB-T調制的方框圖。
本文小結
與當前行業標準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,系統設計工程師可實現比MPEG-2更高的視頻分辨率。然而,大量的標準(包括/AVC)目前仍在全球范圍內使用,系統設計工程師在設計DTV發射機和接收機時必需解決這些標準共存的問題。設計工程師可利用FPGA來實現能很容易進行配置的理想設計平臺。FPGA可提供強大的運算性能、高存儲器帶寬以及整體設計的靈活性和能力,這些都是滿足當前眾多傳輸編碼要求所必須的。
作者:Tam Do
Altera公司
