摘 要：數(shù)字電視技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，特別是目前各省臺(tái)演播室數(shù)字化建設(shè)改造基本完成，更是加速了端到端數(shù)字化播出的進(jìn)程。對(duì)福建省臺(tái)8套節(jié)目數(shù)字化下傳實(shí)例做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹，針對(duì)視頻信號(hào)在數(shù)字化傳輸維護(hù)中所遇到的調(diào)制、適配、抖動(dòng)3個(gè)技術(shù)問題進(jìn)行分析。

　　1實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸?shù)臈l件

　　各省臺(tái)信號(hào)已完成演播室數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了SDI數(shù)字視頻輸出(含嵌入音頻)，SDI傳輸?shù)氖遣蓸恿炕鬀]有壓縮的數(shù)字視音頻信號(hào)，其傳輸碼率為270Mb it/s，不僅占用帶寬很大，而且傳輸距離只有100m 左右,在內(nèi)部節(jié)目交換尚可，要傳輸?shù)饺「鞯厥?縣有線臺(tái)不借助其他技術(shù)手段是不可能完成的。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化播出需要具備以下一些技術(shù)條件。

　　( 1)視頻前端數(shù)字化: 將占用大帶寬的SD I信號(hào)采用DVB- C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼、復(fù)用，使其形成適合傳輸?shù)腄S3數(shù)字視頻信號(hào)( DS3接口即廣電SDH網(wǎng)絡(luò)普遍采用的一種45Mb/ s的支路C3接口)。

　　( 2)省干傳輸網(wǎng): 目前我國數(shù)字電視傳輸體系采用歐洲D(zhuǎn)VB- C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，而這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)必須建立在地面光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)上，安全可靠的干線網(wǎng)絡(luò)傳輸是省級(jí)數(shù)字電視傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)。

　　( 3)各地HFC 網(wǎng)絡(luò): 一千米的接入，即各地市/縣HFC 網(wǎng)絡(luò)，它采用QAM 調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生RF 信號(hào)，在原來傳輸一套模擬節(jié)目所占的8M 帶寬頻道上傳輸經(jīng)壓縮編碼后的數(shù)字信號(hào)。

　　上述3個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)的結(jié)合，使得演播室視頻信號(hào)數(shù)字化傳送成為可能。

　　2 福建省臺(tái)信號(hào)數(shù)字化下傳流程簡(jiǎn)介

　　省臺(tái)各個(gè)播控室的信號(hào)，通過編碼、復(fù)用、適配、傳輸、解復(fù)用、調(diào)制的方式完成傳送。福建目前共擁有10套省級(jí)節(jié)目，考慮到節(jié)目壓縮后的視頻質(zhì)量須達(dá)到標(biāo)清要求，設(shè)計(jì)時(shí)將10套節(jié)目分成2個(gè)DS3流進(jìn)行傳輸，一個(gè)DS3流中傳輸8套，另2套節(jié)目與其他落地衛(wèi)視節(jié)目打包形成另一個(gè)DS3流。因?yàn)閿?shù)字化傳輸過程基本一致，這里只對(duì)一個(gè)DS3包下傳進(jìn)行分析。圖1是福建省臺(tái)8套節(jié)目下傳的流程。

圖1 節(jié)目傳輸流程圖

　　流程補(bǔ)充說明: 在省干中心機(jī)房建立一個(gè)前端編碼前端，將所有信號(hào)編碼壓縮，再通過復(fù)用將所需節(jié)目打包傳輸。我司2007年新建數(shù)字化視頻前端平臺(tái)，采用哈雷編碼器以4#2#0的MPEG??2壓縮編碼方式進(jìn)行編碼，節(jié)目碼率設(shè)置為4. 5Mb it/ s，其中視頻碼率為4Mb it/ s、音頻為128 kb it/ s (體育頻道因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)量比較大，視頻碼率采用4. 5Mbit/ s，總輸出設(shè)為5Mbit/ s)，并在編碼端對(duì)每路信號(hào)指定視頻、音頻與PCR 的PID值，指定3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的PID值，是因?yàn)槲覀冊(cè)谶\(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)解碼端因自身問題或其他原因產(chǎn)生PSI/SI信息丟失時(shí)，可以通過指定PID 來進(jìn)行解碼。

　　然后將8路編碼器輸出的ASI信號(hào)輸入多節(jié)目碼流復(fù)用器形成M - ASI信號(hào)，福建8套節(jié)目共產(chǎn)生的總碼流為4. 5 Mbit/ s ×7 + 5Mb it/ s= 36. 5 Mbit/ s，因?yàn)樾纬傻腁SI流目前在我司原有的SDH 干線網(wǎng)絡(luò)上無法直接下傳，必須進(jìn)行再適配形成DS3 信號(hào)再傳輸。形成的DS3信號(hào)進(jìn)入C3 容器，并終形成STM - 1 信號(hào)，通過我司SDH 干線網(wǎng)絡(luò)廣播至全省各地市/縣。

　　目前福建各地市/縣采用155/622傳輸設(shè)備與我司當(dāng)?shù)馗删€機(jī)房聯(lián)接，然后采用DS3- 45M 接口將信號(hào)落地。目前已完成數(shù)字化改造的地方如福州、廈門、泉州、漳州等地將適配后信號(hào)根據(jù)自己的需要直接或提取幾套節(jié)目ASI信號(hào)，進(jìn)行QAM 調(diào)制后通過HFC 傳輸至各有線用戶，部分縣未完成數(shù)字化改造的將信號(hào)適配、解復(fù)用后形成模擬A/V 信號(hào)通過模擬調(diào)制方式形成RF信號(hào)完成傳輸。

　　3 數(shù)字化下傳過程關(guān)鍵技術(shù)分析與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

　　8套節(jié)目的總輸出碼率為36. 5Mb it/ s，而DS3輸出接口速率可達(dá)45Mb it/ s，為什么不再加一套或兩套節(jié)目進(jìn)行傳送呢? 這里要對(duì)QAM 調(diào)制和DS3接口碼率進(jìn)行說明。

　　3. 1 QAM 調(diào)制

　　目前廣電有線在數(shù)字調(diào)制時(shí)基本上采用64QAM的調(diào)制方式，而HFC的頻道帶寬為8MH z。符號(hào)率和傳輸帶寬的關(guān)系是: 傳輸帶寬= 符號(hào)率( 1+ ??)，??是低通濾波器的滾降系數(shù)，DVB- C 標(biāo)準(zhǔn)中??的取值為0. 15，所以在一個(gè)8MH z信道中理論上符號(hào)速率= 8/ ( 1+ 0. 15) = 6. 96 Mbaud，一般在我國有線電視的調(diào)制過程中，符號(hào)取均值: 6. 875Mbaud，那么采用64QAM調(diào)制( 26 = 64，即每個(gè)符號(hào)表示6個(gè)比特)的帶寬= 6. 875 ? *1. 25Mbps，在DVB - C 的信道編碼中采用RS( 204，188) ，所以有效碼率= 41. 25 ? 188/204= 38. 014Mbps?，F(xiàn)在明白為什么福建省臺(tái)8套在ASI 輸出的總碼率設(shè)置為36. 5 Mb it/ s了。當(dāng)然如果采用128QAM 的調(diào)制方法，有效碼率可以達(dá)到= 6. 875 ? 7 ? 188/204 = 44. 35Mbps。而DS3的接口速率為45Mbps，那么是否就可將前端的總碼率設(shè)置成45M，通過DS3傳輸后，再通過128QAM 的方法進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到更高的傳輸帶寬利用率呢? 因此，對(duì)SDH 中DS3的傳輸速率和接口特性進(jìn)行分析就顯得尤其必要。

　　3. 2DS3接口技術(shù)與適配

　　DS3是準(zhǔn)同步數(shù)字體系中三次群格式，早用于電信電話網(wǎng)，其接口速率為44. 736 Mbit/ s，也就是通常大家所說的DS3 45M接口。DS3是由復(fù)幀構(gòu)成，一個(gè)復(fù)幀又由7 個(gè)子復(fù)幀組成，每個(gè)子復(fù)幀又由8 塊85 bit塊 組成，其中84 bit凈荷，1 b it為DS3通道開銷,DS3接口的有效碼率= 44. 736 ? 84/85= 44. 209Mb/ s。

　　上述可以看出DS3復(fù)幀中除了56 b it的開銷之外，分配給有效凈荷為4 704 bi,t 即每588字節(jié)的凈荷業(yè)務(wù)可被一個(gè)復(fù)幀傳送，而MPEG??2中規(guī)定的TS包為188字節(jié)或204字節(jié)，588字節(jié)均不是188或204 的整數(shù)倍，所以一個(gè)DS3接口在實(shí)際傳送有效凈荷碼率的能力是低于44. 209Mb/ s的。這是采用將TS流直接映射所得到碼率。其實(shí)在ITU - T J1. 31建議中對(duì)如何將MPEG- 2信號(hào)適配到DS3中已經(jīng)有了規(guī)定，其建議在基于DS3接口的網(wǎng)絡(luò)中傳輸MPEG - 2信號(hào)時(shí),首先將MPEG - 2 信號(hào)適配到ATM 信元中，然后將ATM信元映射到DS3幀結(jié)構(gòu)中。由于ATM 的QoS保證，為電視信號(hào)提供更加可靠的傳輸通道，但也因此增加在ATM 層面的開銷字節(jié)，大家都知道ATM 信元由53個(gè)字節(jié)組成，其中信元開銷占5個(gè)字節(jié)，凈荷48字節(jié)，雖然抗損傷的能力提高了，卻也付出了有效凈荷減少的代價(jià)。不考慮其他ATM 信元與DS3幀格式之間的關(guān)系，或加入其他字節(jié)開銷，僅采用ATM 封裝的方式，其有效碼率= 44. 209 ? 48/53= 40. 03Mbit/ s，實(shí)際值應(yīng)比這個(gè)值更低，這也就回答了上述關(guān)于總輸出碼率與64QAM調(diào)制關(guān)系的問題。由于ATM 適配效率比較低，目前各個(gè)廠家在MPEG??2的TS到DS3的所采用的適配方式也不同，國內(nèi)廠家一般采用直接映射的方法。這種直接映射的適配方式，也就是通常所說的透明傳輸，而這種透明傳輸方式又分為成幀結(jié)構(gòu)的傳輸和非成幀結(jié)構(gòu)的傳輸，不同廠家采用的適配方式也不一樣，有的甚至加入了私有協(xié)議，這也就是我們?cè)谌粘９ぷ髦谐０l(fā)現(xiàn)不同廠家在適配過程中無法互聯(lián)互通的原因。筆者通過多年維護(hù)分析發(fā)現(xiàn)，目前廣播電視在數(shù)字化傳輸過程中常使用的適配格式上的一些不同,現(xiàn)歸納供大家參考，見表1。

表1 DS3接口表

　　我們?cè)趯?shí)際工作中不可避免會(huì)遇到混合組網(wǎng)的問題，因?yàn)檫x用設(shè)備不同，適配層面的對(duì)接的確無法互聯(lián)互通，這個(gè)問題在我們做南平地市混合節(jié)目下傳就遇到過，終的解決方案是再增加一對(duì)適配器以完成互通。當(dāng)然目前有不少廠家也生產(chǎn)出了多協(xié)議的適配器，通過網(wǎng)管的控制調(diào)用不同廠家的DS3接口協(xié)議以完成適配。這種通過協(xié)議轉(zhuǎn)換必然帶來信號(hào)的損傷,雖然這種損傷的影響極小，但作為廣播電視傳輸來說,追求更高質(zhì)量的播出效果一直是這一行業(yè)的責(zé)任，為此我們?cè)谧稣w方案設(shè)計(jì)或建設(shè)時(shí)，采用同一廠家的適配器，以減少接口協(xié)議不同而帶來的麻煩。

　　3. 3 PCR抖動(dòng)的產(chǎn)生和原因分析

　　在福建省臺(tái)信號(hào)數(shù)字化下傳播出過程中，我們會(huì)遇到播出視頻信號(hào)馬賽克、定幀、黑屏等現(xiàn)像，除了上述所說的視頻碼率復(fù)用過大，采用QAM 調(diào)制不夠高導(dǎo)制信號(hào)溢出外，還有一個(gè)問題就是PCR抖動(dòng)問題。

　　PCR 即節(jié)目時(shí)鐘參考，主要用來產(chǎn)生解碼時(shí)鐘,使視、音頻達(dá)到同步作用。在發(fā)端，利用計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，形成PCR 值，然后每隔一段時(shí)間將PCR 值隨數(shù)據(jù)一起傳送給收端; 收端有一個(gè)正在工作的本地時(shí)鐘( 27MHz) ，其額定頻率與發(fā)端時(shí)鐘相等，同樣也有一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)它計(jì)數(shù)形成一個(gè)本地時(shí)鐘參考。這時(shí)發(fā)端會(huì)將PCR 從傳送流中提出來，與音頻幀、視頻幀的編碼信息插入PES包中，接收端將音頻幀、視頻幀中的PCR 值放在緩存器中(編碼器和解碼器之間的延遲是固定的) ，等待比較發(fā)端的音視頻中的值出現(xiàn)，然后用比較的結(jié)果控制壓控振蕩器( VCXO )，通過調(diào)整使收發(fā)端的頻率鎖相，實(shí)現(xiàn)收發(fā)端聲音和圖像完全同步。

　　DVB 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了PCR 的抖動(dòng)量≤500 ns,MPEG - 2規(guī)定的PCR 抖動(dòng)量≤ 4 ms，PCR 之間的是間隔時(shí)間，DVB中規(guī)定為≤ 40m s，MPEG- 2中規(guī)定為≤ 100 ms，日常維護(hù)中我們采用的是DVB 標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，目前各廠家生產(chǎn)的設(shè)備在PCR 上都大大低于DVB標(biāo)準(zhǔn)值，那又為什么會(huì)出現(xiàn)PCR抖動(dòng)問題? 這里有兩大原因，一是傳輸網(wǎng)本身誤碼引起的PCR 抖動(dòng)，如機(jī)房環(huán)境溫度過高、光纜線路損耗過大、環(huán)網(wǎng)自動(dòng)保護(hù)倒換啟動(dòng)之際誤碼過大等;二是視頻傳輸設(shè)備本身在復(fù)用、適配過程中引起，如復(fù)用多路來自不同編碼器信號(hào)、適配協(xié)議、PCR 恢復(fù)算法等。上述原因使得我們前面談到的固定延遲發(fā)生改變，導(dǎo)致原有的PCR 值與實(shí)際接收到的PCR 值產(chǎn)生差異，也就出現(xiàn)了PCR抖動(dòng)。

　　在維護(hù)過程中我們發(fā)現(xiàn)傳輸網(wǎng)本身引起的抖動(dòng),因?yàn)槎际撬矔r(shí)產(chǎn)生的大量誤碼，通過復(fù)位適配器、解碼器基本上能解決問題。如果傳輸網(wǎng)誤碼量小但不間斷產(chǎn)生，那么通過解碼器將PCR 的同步設(shè)置為本地同步(通常情況下我們?cè)诰幋a端給PCR 設(shè)置一個(gè)PID 值,這個(gè)PID 一般跟隨視頻PID 值，而解碼常默認(rèn)設(shè)置為PCR 同步方式)，即接收端不采用編碼器產(chǎn)生PCR 對(duì)比值來進(jìn)行解碼，而是采用解碼器本身產(chǎn)生的PCR 值來解碼，也能暫時(shí)解決。但由于在整個(gè)視頻傳輸系統(tǒng)中編碼器的PCR 是的，解碼器所產(chǎn)生的PCR遠(yuǎn)不如編碼器，所以當(dāng)傳輸鏈路出現(xiàn)誤碼引起PCR 抖動(dòng)過大時(shí)，暫時(shí)采用不同步方式只能是應(yīng)急解決方法，一旦傳輸層誤碼消失，需及時(shí)改回原設(shè)置。如果長時(shí)間使用，由于其PCR 偏差累積也會(huì)導(dǎo)致馬賽克問題。通過實(shí)際測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)在視頻信號(hào)復(fù)用、適配過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)影響遠(yuǎn)比傳輸網(wǎng)因誤碼產(chǎn)生的抖動(dòng)來得大，而且多數(shù)情況下是不可消除的。下面是筆者通過目前省網(wǎng)使用比較多的哈雷、華為、數(shù)碼視訊3個(gè)品牌視頻適配相互適配，實(shí)測(cè)得出的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，見表2。

表2 各種情況下AS I輸出信號(hào)的PCR抖動(dòng)

　　從表中數(shù)據(jù)可以看出在各種情況下PCR 間隔的變化基本一致，均在DVB 標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這里就不再討論。我們來看一下PCR的抖動(dòng)，可以看出復(fù)用后PCR 抖動(dòng)有所增加，說明在多路復(fù)用時(shí)，還是加劇了PCR 的抖動(dòng)值。因?yàn)槎嗦窂?fù)用時(shí)，改變了原有TS 流數(shù)據(jù)分組，復(fù)用器雖然也都重新對(duì)PCR 進(jìn)行了修正,但由于每路編碼后的輸出碼率不同，復(fù)用器在進(jìn)行多路復(fù)用時(shí)也會(huì)根據(jù)不同編碼器的碼率，調(diào)整復(fù)用后的輸出碼率，間接也就產(chǎn)生了PCR 抖動(dòng)，表2中復(fù)用后的PCR抖動(dòng)值比單路編碼器所產(chǎn)生的抖動(dòng)要大也正是如此。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，來自不同廠家的編碼器進(jìn)行多路復(fù)用所產(chǎn)生PCR 抖動(dòng)值要高于來自同一廠家編碼器復(fù)用后的抖動(dòng)值，復(fù)用多臺(tái)編碼信號(hào)采用不同碼率與采用相同碼率編碼所產(chǎn)生的PCR 抖動(dòng)也不一樣,后者比前者要低。從表中可以看出不同適配協(xié)議所產(chǎn)生的PCR 抖動(dòng)各有不一，國內(nèi)廠家在這方面做得比較統(tǒng)一，采用不同協(xié)議適配后的PCR 抖動(dòng)變化不大，但國外品牌適配所產(chǎn)生的PCR 抖動(dòng)就相當(dāng)大。這也就是之前所分析的在DS3適配層，有的采用ATM 封裝,有的采用直接映射，有的采用成幀，有的采用不成幀所導(dǎo)致的。所以在設(shè)計(jì)視頻數(shù)字化下傳方案時(shí)，采用同一品牌設(shè)備，統(tǒng)籌安排盡量讓各路信號(hào)的編碼碼率趨于統(tǒng)一，以減少PCR 抖動(dòng)影響節(jié)目下傳質(zhì)量。

　　以上是筆者在福建省臺(tái)信號(hào)數(shù)字化下傳的建設(shè)和維護(hù)過程中關(guān)于QMA 調(diào)制、DS3適配、視頻PCR 抖動(dòng)方面總結(jié)的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，希望能對(duì)從事視頻數(shù)字化建設(shè)和維護(hù)的人員有一點(diǎn)參考作用。