华中科技大学 李幡等
摘要：本文分析了影响数字电视传输业务质量QOS的主要原因及组成QOS的各参数的意义。并分析了改善QOS的方法。
关键词：业务质量QOS误码延时数据传输率
1 概述
随着数字电视逐步走入人们的生活，今天的电视观众接受到了越来越多的数字电视节目服务。如多套中央台电视节目，许多省台卫星电视节目都是通过数字电视信号传播的。但是，观众接受到的数字电视信号中也会有一些不足之处，如有时会有马赛克现象，有时画面停顿，或声音不连贯等现象，有时还相当严重。那么，我们所看到的数字电视的质量由哪些因数决定，及如何提高数字电视质量是大家非常关心的问题。
传统的计算机数据如文字信息占用的频带很少，而且不要求实时出现在用户面前，但视频信号或音频信号的要求就不同了。视频信号或音频信号属于实时数据，它们传输时有许多要求：更高的传输带宽，必须有最小的延时，不能容忍高误码率。
对于实时视频信号的传输而言，延时是一个关键问题，因为视频帧必须以25帧/秒～30帧/秒的固定速率出现在观众面前，实时编码的视频数据不能容忍大的延时变化。
实际的传输网络和系统将导致误码进入运载的数据上（例如，比特误码和包误码），编码的视频数据在传输时对误码很敏感，而且较低的误码等级在解码后将出现严重的质量损失。
当数据通过任何网络时，网络都会提供一定的性能等级，例如：数据传输率、传输延时量、误码率，这些性能特性在网络系统中用QOS（服务质量参数）描述。提供给用户的网络QOS由许多因素决定，包括网络的类型和等级，网络目前的使用状态，传输数据的类型，等等。实际可用的QOS不能预见，在许多情况下，即使在同样的网络上也将随连接的变化而变化。
现有的许多网络不能给用户提供QOS保证，意味着QOS以一种不可预见的方式变化，基于ATM宽带网一个重要的优点是它们能提供质量保证。在ATM网中，用户与网络提供者之间在每个连接的开始时可以进行“通信契约”的磋商。这种契约明确说明了在连接期间能提供的最低QOS，这样便可以在每个连接开始时根据网络状态严格限制数据量。
下面具体分析一下影响数字电视服务质量的因数。
2 影响数字电视服务质量的因数
21 误码和损伤
实用的通信网络将误码和损伤带入传输的数据中，即使相对低的比特误码率或包/信元损伤都能对解码后的视频数据造成严重的质量影响，例如MPEG和H261的压缩算法消除了运动图像序列中的大量冗余量，当编码数据受到误码影响时，这将出现问题。因为空间和时间的冗余量已经消除，单个比特误码能使解码序列中一定的空间和时间区域质量恶化。
运动补偿时间预测将导致误码在时间和空间扩散，如果将一个恶化的帧作为预测帧的基准，那么这些帧将根据这个恶化的帧进行重建，因此误码将在解码的帧中扩散。在编码的H261帧或MPEG1或MPEG2的I帧或P帧中产生的误码将有这种现象。这个误码在MPEG系统中能够在时间上向前或向后扩散。在B帧中采用了双向预测编码技术，当序列中下一个I帧被解码器解码时，时间扩散将停止，这是由于不再用前面的任何帧进行预测。
22 延时
许多因素决定了一个视频传输系统的总延时量。首先，编码导致延时。在分块编码的电路中例如DCT编码，在每个块的每列被编码和传输之前，需要存储每帧的几行（典型的为8或16行），这将导致几ms的延时。在CBR编码器中传输之前需要缓存数据，又增加了一些延时，延时量的大小与缓存器的大小成正比。在MPEG中采用的双向预测编码导致更大的延时。
其次，传输介质导致延时。这种延时可能是固定和可预测的（例如，在一个线路交换网如ISDN中），也可能是可变和不可预测的（例如，在IP网中）。
再其次，出现在解码器的延时。实时视频必须以固定速率显示，如果通过网络的延时发生了变化，数据必须在解码器中缓存，以便平滑输出。这时，产生的延时量与解码器的输入缓存器的大小成比例。
在有两种类型的实时传输系统（如采用H261标准的视频会议系统）中，每种类型的总量很关键，超过几百ms的延时，会使“自然的”对话变得很困难。
23 数据传输率
实际可用的数据传输率很影响编码的视频数据的质量。实用的视频编码技术通常是“有损失的”，即通过编码和压缩处理后在原始序列中一些图像细节的数据丢失了。大体来说，任何有损视频编码技术，编码数据的平均比特率与解码后的质量成比例。
3 固定比特率传输
许多现存的视频传输系统采用固定比特率通道（如，基于ISDN的视频会议系统，数字电视播）。编码的视频数据必须以固定比特率（CBR）在通道中传输。但是，目前流行的标准中的任何一种视频编码方式都有高的可变比特率。基于DCT的编码特性中，含有大量空间细节的帧将产生比含有较少空间细节的帧更多的数据。
为了将不同的数据率映射到CBR通道，在视频编码中形成数据时需要在传输之前缓存，这有利于对短数据率变化量进行平滑输出。长的变化量（由于序列内容空间和时间的变化）采用这种方法不能平滑地输出，除非采用非常大的缓存器。常用的取代方法是将输出比特率的某些信息反馈给编码器，以便调节压缩比例。这是通过调节量化步长来实现的。
这就意味着解码器的质量变化由编码器输出比特率来决定。例如，一幅含有高细节成分和大运动分量的风景将用较高的量化步长编码，因此得到的质量将比低细节和少运动分量的风景差。如果风景中含有大量运动信息将会造成严重的质量损伤。
4 QoS的指标分析
下面以ATM连接的数字电视为例，说明影响服务质量QoS的相关参数。ATM论坛流量管理4.0定义了如下的QoS参数。
最大信元传输延迟Max CTD(Maximum Cell Transfer Delay)
峰峰值信元延迟变化CDV（Cell Delay Variation）
信元丢失率CLR(Cell Loss Ratio)
信元差错率CER(Cell Error Ratio)
信元块严重出错率SECBR(Severely Error Cell Block Ratio)
信元误插入率CMR(Cell Misinsertion Rate)
信元传输延迟和信元延迟抖动：ATM终端系统和ATM网络均会影响端到端网络传输延迟。连接路径由3部分组成：从发送端到网络局端、网络内部段以及网络局端到用户端。
端到端连接的延迟是通信过程经历的各个网络段延迟的总和。延迟可以分成两部分：固定延迟部分和可变延迟部分。下面因素导致了网络中固定延迟：
信元传播时间
信元交换时间
信元传输时间
可变传输延迟则应归结为以下因素：
信元调度
信元处理
信元缓存时间
信元丢失率CLR（Cell Loss Ratio）： CLR是丢失信元数目和传送信元总数的比例。
CLR＝NlcNtc
其中Nlc为丢失信元数目（Number of lost cell）
Ntc为传输信元总数（Number of transmitted cell）
信元丢失可能是由于以下原因引起的：
物理层的信元错误
节点到节点或信元传输路由（中继）修改或错误
阻塞导致的排队过程的缺乏足够的缓存能力
信元差错率CER（Cell Error Ratio）：信元差错率是指出错的信元占整个发送信元的比例，即：
CER＝NecNgc＋Nec
其中Nec为差错信元数目
Ngc为正确传送的信元数目
信元块严重出错比率SECBR（Severely Errored Cell Block Ratio）：SECBR是出错的信元块占整个传输信元块的比例，即：
SECBR＝NecbNtcb
其中Necb为出错信元块数目
Ntcb＝发送信元块总数
信元误插入速率CMR(Cell Misinsertion Rate)：CMR是在单位时间内误插入信元的数目，该参数是以速率计数，和前面的比率参数是不同的。
MIR＝NmcT
其中Nmc为误插入信元数目
T为时间间隔
5 改善数字电视服务质量QoS的途径
数字电视传输系统的总的质量受几个阶段影响：编码、协议处理、传输和解码。因此，从下面几方面改进服务质量QoS。
51 编码
多数情况下，在编码器中能够很灵活地调整编码参数。例如，有多种方法增强MPEG数据的抗误码能力，通过选择编码系数以使误码在解码序列中的扩散减少到最小。空间定位确保同步标识以一定频率间隔出现。当解码器收到这些标识中的一个时，能够对误码进行纠错，因此这种标识在比特流中出现越多，解码器便能够越快地纠错。时间定位能够通过提高帧内编码帧（在MPEG中的I帧）数量来实现。I或P帧的误码能在时间上扩散（这是由于采了运动补偿预测方法），但这些误码不会扩散到下一个I帧。这些定位技术使编码效率降低，因此必须与高压缩比需求平衡。
52 协议处理
在传输前的编码和协议处理也能影响QOS。前向码校正（FEC）编码降低了编码数据中出现的误码率，因此改善了在传输误码或损伤之间的视觉质量。在有噪声的环境如数字电视的地面或卫星广播中，FEC是保证得到可接受的QOS的重要手段。
在传输前将编码的视频分为分量或层，这有助于提高灵活性和视频传输系统中的QOS。
编码数据的不同层对误码和损伤有不同的容忍度。在传输误码出现时，解码视频的视觉质量能够通过在传输过程中优先决定层来提高，以使较多的可能出现误码信息（基本层）用低误码概率传输，较少的误码信息（灵敏层）用较高的误码概率传输，这能提高一个已知误码率的视频信号的视觉质量。
53 传输
传输通道或网络的特性和性能影响了编码视频的质量。目前已采用通过地面或卫星通道的数字电视广播，这些通道易于出现误码，尤其在差的传播环境或在卫星覆盖区域边缘处接收时。在这些条件下，误码增加图像质量会恶化，但有利于采用分层编码技术。采用CBR方式传输的网络例如ISDN，提供了某种QOS保证，但它是有限的，比特率也是固定的，对于固有的、突发的、高比特率编码的视频来说它不是很理想。基于ATM方式的网络更适合传输编码视频这种实时、高带宽的信号，并能提供某种范围内的QOS保证，但是，这些网络在传输视频信号时仍然有很多限制。
54 解码
视频质量也受解码器设计的影响。例如，一个误码率的传输通道可以通过解码器的误码消除措施得以补偿。误码消除措施是一种有效的减少由误码或损伤导致的视觉影响的方法。采用简单的误码消除电路，例如用相邻的、同样的空间或时间区域取代有失真的或有信号丢失的区域，可以使图像质量有很大的改善。
总之，任何视频传输的目的应该是支持可靠的、高质量的视觉通信。一个实用的视频通信系统应能够在一定范围的网络QOS内提供可接受的视觉质量，要达到此目的，以上提到的每个环节都应精心设计、反复调试。
摘自 中国CATV
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