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便携式移动电视接收系统浅论

便携式移动电视接收系统浅论

分类:消费类电子论文   更新:2015/6/3   作者:佚名   来源:本站原创

便携式移动电视接收系统浅论

  本文简单介绍了新一代便携式移动电视接收标准DVB-H及移动电视的信源压缩编码标准H.264,重点介绍了DVB-H系统的构成、时间分片技术、MPE-FEC、4K传输模式及使得H.264能适应移动电视接收的几个主要技术特点。

  关键字:

  DVB-H、H.264

  使用便携式通讯工具比如手机,随时随地的收看电视以前是一个梦想,随着信源编码技术、信道传输和新一代基础通讯网络的建立,使便携式移动接收子系统也从单一的文字、图片形式的接收转向更丰富多彩的视音频形式接收。电视行业为了适应这种趋势,也对相关技术进行了标准的制定和技术研发。现在就相关技术做以下的论述。

  要在手机上看电视,技术上需要处理好三个环节:信号源、传播途径和接收终端。信号源方面,需要有高压缩比的信源压缩编码标准;传播途径方面,有无线微波和网络传输。为了实现移动接收,需要抗干扰能力强的数字调制和信道处理技术。接收终端方面,必须开发高集成度、体积小、重量轻、耗电小的芯片,以及体积小、高容量的充电电池。

  目前,该服务的实现主要有三条途径:

  1. 利用移动网络实现的方式

  目前美国和我国移动运营商推出的手机电视业务主要是依靠现有的移动网络来实现的。中国移动的手机电视业务是基于其GPRS网络,中国联通则是依靠其CDMA网络。不管是GPRS手机还是CDMA手机,都需要在装有操作系统的手机终端(一般是PDA手机等高档产品)上安装相应的播放软件,而相应的电视节目源则由移动通信公司或者通过相应的服务提供商来组织和提供。

  2. 利用卫星网络实现的方式

  利用手机来接收卫星播发的电视节目信号是一个非常新的想法。目前只有韩国在力推手机电视广播(DMB)。这种DMB接收机能提供高质量的图像,使用该接收机模块能使用户同时接收地面无线电视广播和卫星电视广播的信号。

  3. 手机中安装数字电视接收模块的方式

  目前最被看好的手机电视技术方式是通过整合数字电视和移动电话的方式。这种方式需要在手机终端上安装微波数字电视接收模块,可以不通过移动通信网络的链路,直接获得数字电视信号。目前,手机数字电视标准只有欧洲的DVB-H和日本的单频段转播标准。

  在国内,只有中央电视台和少数的几家移动公司相继推出了手机电视业务。以中央电视台为例,由于目前国内还没有DVB-H的数字广播网络,他们是通过2.5G或2.75G网络传输技术来播放“手机电视”节目的,即利用中国移动GPRS/EDGE网络或中国联通CDMA网络,通过WAP门户网站为用户提供在线直播或点播的流媒体音视频节目的服务。

  以下讨论关于手机电视的传输标准和编码标准:

  一、手机电视的传输标准——DVB-H

  DVB-H(早期为DVB-X)标准全称为Digital Video Broadcasting Handheld,它是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。DVB-H植基于DVB-T,是一种以IP封包(datagrams)来传送资料(主要为数字多媒体资料)的系统。该标准被认为是DVB-T标准的扩展应用,但是和DVB-T相比,DVB-H终端具有更低的功耗,移动接收和抗干扰性能更为优越,因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收信号。事实上,由于DVB-H是一种支持多媒体业务的标准,除了电视业务外它还可以开展电子报纸、电子拍卖、旅游向导、游戏、视频点播和交互等多种综合性业务。总之,DVB-H标准就是依托目前DVB-T传输系统,通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等便携设备能够稳定的接收广播电视信号。

  为了减低小型手持式设备的功耗,DVB-H采用了一种叫做“时间切片”(time-slicing)的技术,把IP封包在切割成很短的时段(time slots)内以数据突发Data Burst方式传送。接受器的前端电路(front end)只有在所选定服务Data Burst的时段才会开启,在这个极短暂的时段之中,资料被高速地接收下来,并可以储存在设备具有的缓冲区内,此缓冲区可以储存下载的内容,也可以直接播放现场直播的资料文件。

  1、DVB-H系统结构

  DVB-H支持的是手机等小型移动终端设备,是手机数字电视传输的标准。DVB-H是建立在DVB数据广播和DVB-T传输之上的标准,更注重于协议的实现。系统前端由DVB-H封装机和DVB-H调制器构成,DVB-H封装机负责将IP数据封装成MPEG-2系统传输流,DVB-H调制器负责信道编码和调制;系统终端由DVB-H解调器和DVB-H终端构成,DVB-H解调器负责信道解调、解码,DVB-H终端负责相关业务显示、处理。

  DVB-H传输系统还具有以下特殊要求:

  (1)为延长电池的使用时间,终端周期地关掉一部分接收电路以节省功耗;

  (2)能漫游,漫游时仍能非常顺利地接收DVB-H业务;

  (3)传输系统能保证在各种移动速率下顺利接收DVB-H业务;

  (4)系统具有很强的抗干扰能力;

  (5)系统具有相当的灵活性,以适应不同传输带宽和信道带宽应用。

  2、协议层次划分

  DVB-H标准将实现数据链路层和物理层。

  (1)数据链路层——采用时间分片技术,用于降低平均功耗,便于进行平稳、无缝的业务交换;采用MPE(多协议封装)前向纠错技术,提高移动使用中的C/N门限和多普勒性能,增强抗脉冲干扰能力。

  (2)物理层——与DVB-T相比,增加了4k传输模式和深度符号交织等内容。

  其它技术特点包括:在传输参数信令(Transmission Parameter Signaling,TPS)比特中增加DVB-H信令,用于提高业务发展速度;蜂窝标识(在TPS中)用于支持移动接收时快速信号扫描和频率交换;增加4k模式以适应移动接收和单频蜂窝网,提高网络设计、规划的灵活性;2k和4k模式进行深度符号交织,进一步提高移动环境和冲击噪声环境下的鲁棒性。

  3、关键新技术

  (1)功耗:DVB-H要求射频接收和信道解调、解码部分的功耗小于100mW。

  (2)网络设计

  由于DVB-H终端在网络内移动时接收天线小巧且单一,必须优化设计单频网。为此,DVB-H增加了新的技术模块,主要包括:

  ①时间分片——基于时分复用的技术,节省接收终端功耗和便于网络交换;

  ②MPE-FEC——基于RS纠错编码技术,增加额外的前向纠错编码,提高系统的移动和抗脉冲干扰能力;

  ③4k模式——用于提高网络设计的灵活性;

  ④DVB-H TPS——为DVB-H专用的传输参数信令,用于提高系统同步和业务访问速度。

  下面对时间分片、MPE-FEC、4k模式及DVB-H TPS进行详细的介绍:

  ① 时间分片

  时间分片技术是DVB-H中最为重要的新技术模块,采用突发方式传送数据,每个突发时间片传送一个业务,在业务传送时间片内该业务将单独占有全部数据带宽,并指出下一个相同业务时间片产生的时刻,这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务,在业务空闲时间做节能处理,从而降低总的平均功耗。这期间前端放射机是一直工作的,在相同业务的两个时间片之间将会传送其他业务数据,DVB-H信号就是由许多这样的时间片组成的。从接收机的角度而言,接收到的业务数据并非如传统恒定速率的连续输入方式,数据以离散的方式间隔到达,称之为突发传送,如果解码终端要求数据速率较低但必须是恒定码率,接收机可以对接收到的突发数据先进行缓冲,然后生成速率不变的数据流。它不但能够有效降低手持终端的平均功耗,并且还是实现不同网络间平稳、无缝的业务交换基础。

  a、时间分片与功耗

  时间分片技术采用突发式传送数据,与传统数据流业务相比具有更高的瞬时速率。为了达到节省功耗的要求,突发带宽一般为固定带宽的10倍左右。例如一个恒定速率为350kbit/s的业务流,它意味着要求一个4Mbit/s左右的突发带宽。突发带宽在固定带宽两倍的情况下功耗就可以节省50%,因此如果带宽为10倍,可以节省90%。

  b、时间分片与PSI/SI

  DVB-H标准规定PSI/SI(节目特定信息Program Specific Information, PSI /业务信息Service Information, SI)信息不进行时间分片处理,它们将被分配一个固定带宽进行传送,这主要是因为目前使用的PSI/SI信息并不支持时间分片传送,如果进行改动将难以和目前数据表兼容。PSI信息使用4个表来定义码流的结构:节目关联表(Program Association Table,PAT)、节目映射表(Program Map Table,PMT)、网络信息表(Network Information Table ,NIT)、条件访问表(Conditional Access Table,CAT)。

  手持终端在DVB-H系统中需访问SI中的NIT(Network Information Table,NIT网络信息表)、和中间代码INT表。NIT表的目的是提供有关物理网络的信息,其内容是固定的,当手持终端加入到一个新网络中时首先要接收该表,确定网络参数。当在不同的传输流之间切换时,手持终端需读取INT表,除非以后INT表发生了变更,则终端将不再接收INT表,INT表变更信息在PSI的PMT (Program Map Table,PMT节目映射表)表中进行标识。PMT表指出了组成节目业务(Service)的各个码流的PID号,并对各路码流进行描述

  由于DVB标准规定PSI信息必须每隔100ms重传一次,如果突发脉冲的业务传送时间比100ms时间长,则手持终端能在接收业务的同时访问所有PSI信息;如果业务传送时间小于100ms,手持终端需在业务接收完毕后继续保持一段工作时间,以确保完成所请求PSI表的接收。

  c、时间分片与业务交换

  采用时间分片技术使手持终端能在业务传送的空闲周期对相邻的蜂窝进行监视,扫描其他的频率信号、测试信号的强度,但并不中断本业务的接收。当用户进入新的网络时,根据监视结果在空闲周期切换到具有相同业务的不同传输流上,以实现较好的无缝隙业务交换。如果在前端对业务同步精确编排,能够使相同业务及时出现在相邻峰窝的不同时隙上,而用户不会察觉这种变化。

  d、时间片和条件接收

  DVB-H可采用两种方式实现条件接收,一种是基于IP的条件接收系统(IP-CAS ,IP数据广播加密)。所有的CAS(条件接收系统)相关信息都在IP数据中,并可以支持时间分片技术,确保节省功耗。但DVB-H标准不须支持CAS和接收机间的双向传送,IP-CAS的只须支持广播环境。

  ??? 另一种方式是采用DVB通用加扰算法的条件接受系统(DVB-CAS,电视加密系统),此时在DVB-H系统通中传送CAS信息将面临一些问题。由于DVB-CAS使用电子干扰ECM(Electronic Counter Measure)传送解扰密钥,因此ECM不能进行时间分片,另外DVB-CAS还使用管理信息EMM (EMM-Entitlement Management Message),用于传送授权管理信息,由于EMM的时间间隔是随机的,终端必须一直工作以确保不会丢失EMM,并且直接使用DVB-CAS将影响网络漫游业务。

  为确保解扰工作的进行,接收机必须完成ECM接收,系统通过ECM重复率描述符标识ECM最小重复周期。如果手持终端在开始接收业务数据前至少完成了一个ECM最小周期接收,则至少能收到一个ECM,从而获取解扰密钥。通常解扰密钥的有效时间为10s,为此接收机必须确保在业务数据到达前10s完成解扰密钥接收。

  EMM将采用时间片方式传送。首先将EMM封装为IP数据报形式,封装后EMM-IP 数据的时间分片方式与其他的IP数据相同,并采用MPE-FEC以减少数据丢失。从接收终端的角度来看,载有EMM的IP数据是一个附加业务,它是必须被接收的,恢复出的EMM-IP数据将被传送到DVB-CAS特定的模块对EMM信息处理。

  通过上述方式处理后,DVB-CAS不会对用户漫游造成任何影响。

  ? ②MPE-FEC

  DVB-H标准在数据链路层为IP数据报增加了RS(Reed-Solomon)纠错编码,作为MPE的前向纠错编码,校验信息将在指定的FEC段中传送,我们称之为MPE-FEC。MPE-FEC的目标是提高移动信道中的C/N、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。

  实验证明即使在非常糟糕的接收环境中,适当的使用MPE-FEC仍可以准确无误恢复出IP数据。MPE-FEC的数据开销分配非常灵活,在其它传输参数不变的情况下,如果校验开销提高到25%,则MPE-FEC能够使手持终端达到和使用天线分集接收时相同的C/N。实际上,我们可以通过选定一个高配置的传输参数提高传输码率来补偿MPE-FEC的开销,而它将提供比DVB-T(没有MPE-FEC)好得多的性能,例如在高速、单一天线的情况下,采用MPE-FEC的手持终端能够在DVB-T环境下接收8K/16-QAM甚至是8K/64-QAM信号,此外MPE-FEC提供非常好的抗脉冲干扰能力。

  ? ③4k模式和深度符号交织

  DVB-H标准在DVB-T原有的2K(2048)和8K(8192)模式下增加了4K(4096)模式,通过协调移动接收性能和单频网规模进一步提高网络设计的灵活性。同时,为进一步提高移动时2K和4K模式的抗脉冲干性能,DVB-H标准特别引入了深度符号交织(in-depth interleaving)技术。

  在DVB-T系统中,2K模式比8K模式提供更好的移动接收性能,但是2K模式的符号周期和保护间隔非常短,使得2K模式仅仅适用于小型单频网。新增加的4K模式符号具有较长的周期和保护间隔,能够建造中型单频网,网络设计者能够更好地进行网络优化,提高频谱效率,虽然这种优化不如8K模式的效率高,但是4K模式比8K模式的符号周期短,能够更频繁的进行信道估计,提供一个比8K更好的移动性能。总之,4K模式的性能介于2K和8K之间,为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的选项。

  DVB-H中3种模式关于单频网峰窝规模和移动接收性能的特点可总结如下:

  a、8K模式适用于单个发射机和大、中、小型单频网,它的多普勒性能允许进行高速的移动接收。

  b、4K模式适用于单个放射机和中、小型单频网,它的多普勒性能允许进行更高速的移动接收。

  c、2K模式适用于单个放射机和小型单频网,它的多普勒性能允许进行超高速的移动接收。

  在脉冲噪声干扰条件下,由于8K模式的符号周期较长,噪声功率被平均分配到8192个子载波上,因此比2K和4K具有更好的抗干扰性能。DVB-H标准为克服这一缺点,利用8K符号的交织器对2K和4K进行深度符号交织,使二者能够具有接近8K模式的抗脉冲干扰性能。

  ④DVB-H的传输参数信令TPS

  DVB-H的TPS能够为系统提供一个鲁棒、易访问的信令机制,能使接收机更快地发现DVB-H业务。TPS是一个具有良好鲁棒性的信号,即使在低C/N的条件下,解调器仍能快速将其锁定。DVB-H系统使用两个新TPS比特标识时间片和可选的MPE-FEC是否存在,另外用DVB-T中已存在的一些共享比特表示4K模式、符号交织深度和峰窝标识。

  DVB-H标准适用于移动通信和多媒体业务,为电视广播做准备,因此视频压缩技术至关重要。传统的视频压缩标准如MPEG-2显然不能满足DVB-H的要求,为此针对DVB-H考查了多种视频压缩格式,其中最为令人瞩目的是H.264。

  二、手机电视的信源压缩编码标准—H.264

  H.264是ITU-T视频编码专家组(VCEG)和ISO/IEC活动图像编码专家组(MPEG)的联合视频组(JVT)开发的一个新的数字视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。在技术上,H.264标准中有多个亮点,如:统一的VLC符号编码;高精度、多模式的位移估计;基于4×4块的整数变换;分层的编码语法等。这些技术亮点使得它具备更好的压缩性能,同时也增强了对各种信道的适应能力,采用“网络友好”的结构和语法,有利于对误码和丢包的处理;应用范围较宽,以满足不同速率、不同解析度及不同传输(存储)场合的需求;这些使得H.264算法具有很高的编码效率, 它的压缩率比MPEG-2高2~3倍,1Mb/s速率的图像效果接近MPEG-2中DVD的图像质量,同样,H.264码流结构的网络适应性也很强,这增强了它的差错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络应用。是目前手机电视中最为理想的信源压缩编码标准。

  1、H.264的技术特点:

  (1)H.264 就改善图像质量有以下特点

  H.264 运动补偿中的块大小可变,最小的亮度补偿块可以小到4×4。

  H.264 采用了1/4采样精度的运动补偿,大大减少了内插处理的复杂度。

  H.264中运动矢量不再限制在已编码参考图像的内部。

  H.264中使用了高级图像选择技术,可以用已编过码且保留在缓冲区的图像进行预测。

  ??? H.264消除了参考图像的顺序必须依赖显示图像顺序的这种相关性。

  H.264消除了参考图像与图像表示方式的限制,使B帧图像在很多情况下也能作为参考帧预测图像。

  H.264采用了加权预测,允许一定的加权补偿预测和偏移,在淡入淡出中可大大的提高编码效率。

  H.264改变了在以前的标准中,预测编码图像的“跳过”区不能有运动的限制。对“跳过”区的运动采用推测方法。对双预测的B帧图像,采用高级运动预测方法,称为“直接”运动补偿,进一步改善编码效率。

  H.264采用帧内编码的直接空间预测,将编码图像边沿进行外推应用到当前帧内编码图像的预测。

  H.264采用了循环去块效应滤波器,此消除基于块的视频编码在图像中存在块效应,改善视频的主观和客观质量。

  (2)H.264 就善预测方法来改善编码效率有以下特点:

  ①以前的标准变换的块都是8×8,H.264主要使用4×4块变换,使编码器表示信号局部适应性更好,更适合预测编码,减少“铃”效应。另外图像边界需要小块变换。

  ②H.264通常使用小块变换,但有些信号包含足够的相关性,要求以大块表示,这就是分级块变换。H.264有两种方式实现。低频色度信号可用8×8,;对帧内编码,可使用特别的编码类型,低频亮度信号可用16×16块。

  ③所有以前标准使用的变换要求32位运算,H.264C只使用16位运算的短字长变换。

  ④以前标准反变换和变换之间存在一定容限的误差,每个解码器输出视频信号都不相同,产生小的漂移,最终影响图像的质量,H.264实现了完全匹配。

  ⑤H.264使用两种熵编码方法,CAVLC(上下文自适应的可变长编码)和CABAC(上下文自适应二进制算术编码),两种都是基于上下文的熵编码技术。

  (3)H.264具有强大的纠错功能和各种网络环境操作灵活性,主要特性如下:

  ①H.264的参数集结构设计了强大、有效的传输头部信息具有较强的抗误码特性,采用了很灵活、特殊的方式,分开处理关键信息,可以在各种环境下可靠传送。

  ②H.264中的每一个语法结构放置在称为NAL网络抽象层的单元中,改变了以前标准中都要采用强制性特定位流接口的情况,能适应不同网络中的视频传输,有较好的网络亲和性。

  ③在H.264可采用非常灵活的像条大小。

  ④H.264可以将图像划分为像条组,每个像条可以独立解码。灵活宏块排序(FMO)通过管理图像区之间的关系,具有很强的抗数据丢失能力。

  ⑤H.264支持任意的像条排序,每个像条几乎可以独立解码,所以像条可以按任意顺序发送和接收。在实时应用中,可以改善端到端的延时特性。

  ⑥为提高抗数据丢失的能力,H.264允许编码器发送图像区的冗余表示,当图像区的主表示丢失时仍可以正确解码。

  ⑦H.264可以根据每个像条语法元素的范畴,将像条语法划分为3部分,分开传送。

  下面就H.264的几个重要特性进行详细介绍:

  1、帧内预测

  对I帧的编码是利用空间相关性而非时间相关性而实现的。以前的标准只利用了一个宏块内部的相关性,而忽视了宏块之间的相关性,所以编码后的数据量较大。为了进一步利用空间相关性,H.264引入了帧内预测以提高压缩效率。简单地说,帧内预测编码就是用周围邻近的象素值来预测当前的象素值,然后对预测误差进行编码。这种预测是基于块的,对于亮度分量,块的大小可以在16×16和4×4之间选择,16×16块有4种预测模式16×16 、 16×8 、 8×16 和 8×8,4×4块有9种

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