DVB-H_和H.264

Simon 整理收集 DVB-H 和 H.264 手机电视的传输标准——DVB-H DVB-H 系统结构 DVB-H 支持的是手机等小型移动终端设备，可望成为手机数字电视传输标准。DVB-H 是建立在 DVB 数据广播和 DVB-T 传输之上的标准，更注重于实现。系统前端由 DVB-H 封装机和调制器构成，前者负责将 IP 数据封装成 MPEG-2 传输流，后者负责信道编码和调 制。系统终端由 DVB-H 解调器和终端构成，前者负责信道解调、解码；后者负责相关业务 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。 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 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、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。 关键新技术 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。 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： 时间分片——基于时分复用技术，节省接收终端功耗和便于网络交换； MPE-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； 4k 模式——用于提高网络设计的灵活性； DVB-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。 时间分片 DVB-H 信号由许多时间片组成，时间分片采用突发方式传送数据，每个突发时间片传 送一个业务，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，能够在指 定的时刻接收选定的业务；空闲时间节能，降低平均功耗。在相同业务的两个时间片之间， 将会传送其他业务数据。接收到的数据并非恒定速率，它以离散的方式间隔到达，称之为突 发传送。如果解码终端要求恒定码率，可以先进行缓冲，生成速率不变的数据流。 (1)时间分片与功耗 时间分片、突发传送数据，具有更高的瞬时速率。为节省功耗，突发带宽一般为固定带 第 1 页（共 5 页） Simon 整理收集 宽的 10 倍左右。例如一个恒定速率为 350kb/s 的业务流，要求 4Mb/s 左右的突发带宽。突 发带宽为固定带宽的两倍时，功耗可节省 50%，如果为 10 倍，则功耗可以节省 90%。 (2)时间分片与 PSI/SI DVB-H 标准 PSI/SI 信息不进行时间分片处理，分配一个固定带宽。 手持终端需访问 SI 中的 NIT 和 INT 表。NIT 表的内容是恒定的，当手持终端加入一个 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，手持终端须 读取 INT 表，INT 表变更信息在 PSI 的 PMT 表中标识。 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 超过 100ms，则手持终端能够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，手持终端须在业务接收完毕后继续工作一段时间，确保完成所请求 PSI 表的接收。 (3)时间分片与业务交换 采用时间分片技术，使手持终端能够在业务传送空闲周期对相邻蜂窝进行监视，扫描其 他频率信号、测试信号强度，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，从而实现准最优、无缝业务交换。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。 (4)时间片和条件接收 DVB-H 可采用两种条件接收方式。其中一种是基于 IP 的条件接收系统(IP-CAS)，所有 的 CAS 相关信息都在 IP 数据中，并可以支持时间分片技术，以减小功耗。 MPE-FEC DVB-H 在数据链路层为 IP 数据报增加了 RS 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，称之为 MPE-FEC。提高移动信道中的 C/N、多普勒性 能及抗脉冲干扰能力。 4k 模式和深度符号交织 为进一步提高移动时 4k 模式的抗脉冲干扰性能，DVB-H 标准特别引入了深度符号交织 技术。 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，并能够更好地进行网 络优化，以提高频谱效率。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，能够更频繁地进行信道估计，提供比 8k 更好的移动性能。 DVB-H 传输参数信令 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 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(即 MPEG-4 的第 10 部分)。 手机电视的编码标准——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。2002 年 6 月 JVT 第 5 次会议通过了 H.264 的 FCD 板。H.264 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，是目 前手机电视中最为理想的信源压缩编码标准。 第 2 页（共 5 页） Simon 整理收集 H.264 是 DPCM 加变换编码的混合编码模式。它不用众多的选项，获得比 H.263++好得 多的压缩性能；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；它的基本系统是开放的。 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。这些使得 H.264 算法具有很高的 编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比 H.263 降低 50%左右的码率。H.264 的码流结 构网络适应性强，增强了差错恢复能力，能够很好地适应 IP 和无线网络应用。 H.264 的特点 H.264 在编码框架上还是沿用以往的 MC-DCT 结构，即运动补偿加变换编码的混合结 构，因而保留了先前标准的一些特点，如不受限制的运动矢量、对运动矢量的中值预测等。 然而，由于它采用了以下技术，因而在性能上有了很大的提高。 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，4×4 块 有 9 种预测模式；对于色度分量，预测是对整个 8×8 块进行的，有 4 种预测模式。除了 DC 预测外，其他每种预测模式对应不同方向上的预测。 帧间预测 与以往的标准一样，H.264 使用运动估计和运动补偿来消除时间冗余，但是，它又具有 不同的特点。 (1)预测时所用块的大小可变 由于基于块的运动模型假设块内的所有象素都做了相同的平移，在运动比较剧烈时或者 在运动物体的边缘处，这一假设会与实际出入较大，从而导致较大的预测误差，这时减小块 的大小可以使假设在小的块中依然成立。另外，小的块所造成的块效应相对也小，一般来说 小的块可以提高预测的效果。 为此，H.264 一共采用了 7 种方式对一个宏块进行分割，每种方式下块的大小和形状都不相 同，这就使编码器可以根据图像的内容选择最好的预测模式。 与仅使用 16×16块进行预测相比，使用不同大小和形状的块可以使码率降低 15％以上。 (2)更精细的预测精度 在 H.264 中，亮度分量的运动矢量使用 1/4 象素精度。色度分量的运动矢量由亮度运动矢量 导出，由于色度分量的分辨率是亮度分量的一半(对 4∶2∶0)，所以其运动矢量精度将为 1/8。 也就是说，一个单位的色度分量的运动矢量所代表的位移仅为色度分量取样点间距离的 1/8。 如此精细的预测精度，较之整数精度可以使码率降低 20％以上。 (3)多参考帧 H.264 支持多参考帧预测，即可以有多于一个(最多 5 个)在当前帧之前解码的帧作为参 考帧，产生对当前帧的预测。这适用于视频序列中含有周期性运动的情况。采用这一技术， 可以改善运动估计的性能，提高 H.264 解码器的错误恢复能力；但是，也增加了缓存的容量， 加大了编解码器的复杂性。不过，正如前面提到的，H.264 的提出是基于半导体技术的飞速 发展，因此这两个负担在不久的将来会变得微不足道。较之只使用一个参考帧，使用 5 个参 考帧可以使码率降低 5～10％。 (4)去块效应滤波器 第 3 页（共 5 页） Simon 整理收集 它的作用是消除经反量化和反变换后重建图像中由于预测误差产生的块效应，即块边缘 处的象素值跳变，从而改善图像的主观质量，并减小预测误差。H.264 中的去块效应滤波器 还能够根据图像内容做出判断，只对由于块效应产生的象素值跳变进行平滑，而对图像中物 体边缘处的象素值不连续给予保留，以免造成边缘模糊。与以往的去块效应滤波器同的是， 经过滤波后的图像将根据需要放在缓存中用于帧间预测，而不是仅仅在输出重建图像时用来 改善主观质量。也就是说，该滤波器位于解码环中而非解码环的输出外，因而又称作环滤波 器。须要注意：对于帧内预测，使用的是未经过滤波的重建图像。 整数变换 H.264 对帧内或帧间预测的残差进行 DCT 编码。为了降低浮点运算带来的硬件设计复 杂性，更重要的是，避免舍入误差造成的编码器和解码器之间不匹配的问题，新标准对 DCT 的定义做了修改，使得变换仅用整数加减法和移位操作即可实现，这样在不考虑量化影响的 情况下，解码端的输出可以准确地恢复编码端的输入。当然，这样做的代价是压缩性能略微 下降。此外，该变换是针对 4×4 块进行的，这也有助于减小块效应。 为了进一步利用图像的空间相关性，在对色度分量的预测残差和 16×16 帧内预测的预 测残差进行上述整数 DCT 之后，标准还将每个 4×4 变换系数块中的 DC 系数组成 2×2 或 4×4 大小的块，进一步做哈达玛(Hadamard)变换。 熵编码 对于 Slice 层以上的数据，H.264 采用 Exp-Golomb 码，这是一种没有自适应能力的 VLC。 而对于 Slice 层(含)以下的数据，如果是残差，H.264 有两种熵编码方式：基于上下文的自适 应变长码(CAVLC)和基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)；如果不是残差，H.264 采用 Exp-Golomb 码或 CABAC 编码，视编码器的设置而定。 (1)CAVLC VLC 的基本思想就是对出现频率高的符号使用较短的码字，而对出现频率低的符号采 用较长的码字。这样可以使得平均码长最小。 在 CAVLC 中，H.264 采用若干 VLC 码表，不同的码表对应不同的概率模型。编码器能 够根据上下文，如周围块的非零系数或系数的绝对值大小，在这些码表中自动地选择，尽可 能地与当前数据的概率模型匹配，从而实现上下文自适应的功能。 (2)CABAC 算术编码是一种高效的熵编码，其每个符号所对应的码长被认为是分数。由于对每 一个符号的编码都与以前编码的结果有关，所以它考虑的是信源符号序列整体的概率特性， 而不是单个符号的概率特性，从而能够更大程度地逼近信源的极限熵，降低码率。 为了绕开算术编码中无限精度小数的表示问题及对信源符号概率进行估计，现代的算术 编码多以有限状态机的方式实现，H.264 的 CABAC 便是一个例子。在 CABAC 中，每编码 一个二进制符号，编码器就会自动调整对信源概率模型(用一个“状态”来表示)的估计，随 后的二进制符号就在这个新的概率模型基础上进行编码。这样的编码器不需要信源统计特性 的先验知识，而是在编码过程中自适应地估计。显然，与 CAVLC 编码中预先设定好若干概 率模型的相比，CABAC 有更大的灵活性，可以获得更好的编码性能—码率降低大约 10%。 SP Slice SP Slice 的主要目的是用于不同码流的切换，也可用于码流的随机访问、快进/快退和错 误恢复。这里所说的不同码流，是指在不同比特率限制下对同一信源进行编码所产生的码流。 设切换前传输码流中最后一帧为 Al，切换后的目标码流第一帧为 B2(假设是 P 帧)，由于 B2 的参考帧不存在，直接切换显然会导致严重失真，而且这种失真会向后传递。一种简单的解 决方法就是传输帧内编码的 B2，但是一般 I 帧的数据量很大，这种方法会造成传输码率陡 第 4 页（共 5 页） Simon 整理收集 然增大。根据前面的假设，由于是对同一信源进行编码，尽管比特率不同，但切换前后的两 帧必然有相当大的相关性，所以编码器可以将 Al 作为 B2 的参考帧，对 B2 进行帧间预测， 预测误差就是 SP Slice，然后通过传递 SP Slice 完成码流的切换。与常规 P 帧不同的是，生 成 SP Slice 所进行的预测是在 Al 和 B2 的变换域中进行的。SP Slice 要求切换后 B2 的图像 应和直接传送目标码流时一样。显然，如果切换的目标是毫不相关的另一码流，SP Slice 就 不适用了。 灵活的宏块排序 灵活的宏块排序(FMO)，是指将一幅图像中的宏块分成几个组，分别独立编码，某一个 组中的宏块不一定是在常规扫描顺序下前后连续，而可能是随机地分散在图像中各个不同的 位置。这样，在传输时，如果发生错误，某个组中的某些宏块不能正确解码时，解码器仍然 可以根据图像的空间相关性，依靠其周围正确译码的象素，对其进行恢复。 H.264 的应用场合相当广泛，包括可视电话(固定或移动)、实时视频会议系统、视频监控系 统及因特网视频传输、多媒体信息存储等。 第 5 页（共 5 页）