有线数字电视用户家庭图像质量评估与改善的研究
1 到户图像质量下降的原因分析
1.1 前言
在中国，有线电视已成为广大人民群众不可或缺的重要信息和娱乐的途径。有线电视数字化后，家家户户的电视机成为集公共传播、信息服务于一体的家庭多媒体信息终端，使家庭率先步入信息化，成为城市信息化、现代化的重要标志。有线数字电视技术的不断发展，给人们的生活带来了极大的方便与享受。同时，电视媒体作为国家的一种重要宣传工具，也有着其不可替代的重要地位。因此确保高质量的有线数字电视图像是一个十分重要而现实的课题，这就给广大的有线电视工作者提出了一个非常现实的问题：如何确保有限数字电视的图像质量。
1.2 原因分析
有线数字电视播出到收看节目的过程是将各种节目源，通过不同播出设备处理后，再送到射频前端进行混合调制，调制后信号再经过有线电视干线网、光节点、放大器和分配网到达用
户终端，最终由用户端机顶盒接收处理后在电视机上显示节目画面。
从上面的播出到收看流程可以看出影响播出信号品质的因素主要有节目源本身的质量、在播出设备前端出现的问题、传输过程中的干扰和接收端质量。
到户图像质量好坏是与节目源作为对比，因此，导致到户图像质量下降的因素被划定为播出设备、传输干扰和接收端三个部分。
1.3 播出设备
由于有线数字电视对接收到信号源要重新编码、复用、加扰、调制后才进行传输，因此在这个过程中出现问题会直接导致到户图像质量的下降。
1.3.1 压缩编码
数字信号图像质量与模拟信号图像质量发生的失真类型的原因是不同的，数字图像压缩编码时，图像质量劣化的出现于细微的图像色彩、图像清晰度、图像中运动物体的变化方向、运动速度的快慢、图像中原本才在的噪声等等这些图像的类型以及压缩算法的不同都有很大的关系。压缩编码后，数字信号图像质量有以下几个方面的失真类型：
数字压缩适配数据基本块编码结构，这种结构会导致接收的图像有很明显的变形；
在空间与单个帧中，用减少每个水平扫面线的像素数来减少带宽的结构将会导致图像模糊或轮廓不清；
图像信号边缘忙乱的失真主要是集中在图像中所显示物体的边缘部分，这是由时域中变化的尖峰或空域中的不同噪声所产生；
在DCT算法的压缩系统，如果接收到的图像与当前场景或是前一场景，没有一点相似的地方或者相似的地方特别少，这样其中一个块或者多个块产生失真，就会在相邻的块之间产生较大的对比差异，从而导致图像产生马赛克；
压缩引起的文字噪声失真产生于相邻像素之间的量化错误，由于场景内容不同，量化间隔的尺度就会有所变化，产生的量化错误表现形式是图像上出现微微发光的小亮块，就像“蚊子”一样在一幅场景中随时的闪现在物体的周围，这种现象通常被称为“飞蚊效应”；
比特率的降低会造成系统信噪比的下降；
还有一种是量化噪声，在模数转换时，模拟信号不精确的数字量化，也会产生一部分噪声，对于所输入的经过数字采样的模拟视频信号来说，视频分辨率的数字化描述是有限的，而且它也不可能完全如实的进行采样和进行量化。
1.3.2 复用
1.3.3 加扰
1.3.4 调制
1.4 信号传输质量
1.4.1 外界电磁波侵入噪声干扰
有线电视HFC网中的光纤光缆传输部分因有抗电磁波噪声干扰的特点，所以空中的各种电磁波噪声无法干扰光纤中传送的数字电视信号。而HFC中的同轴电缆分配网由于抗干扰能力低，所以空中传播的电磁波噪声非常容易从同轴电缆分配网各个渠道进入有线电视系统，给系统中传输的数字电视信号造成不同程度的干扰
移动通信网络对有线电视网络造成的干扰，是有线电视网络主要的干扰源。移动通信信号有较强的方向性，但因为移动通信发射塔的多方向发射，就又构成了对有线电视网络的全方位干扰；同时移动通信信号发射功率大，对有线电视网络影响就显得更为突出；另外，由于移动通信的特点，其信号每时每刻都会不间断地对网络产生干扰；移动通信信号具有较强的穿透力，低质量的屏蔽层很难抵抗电波的穿透；最后一点也是最重要的一点，那就是移动通信所使用的频率与有线电视传输频率相近，造成频道干扰程度明显
因此，有线网络中使用的电缆所具有的抗外来干扰的能力就显得非常关键。使用年限过长、老化、人为损坏、接口氧化、外波破裂等原因都会使网络中电缆的屏蔽系数下降而不能抵御外界电磁波的侵入，造成有线网络受干扰的程度加大；同时，电缆的老化还会造成电气传输特性变差、阻抗特性发生变化、网络传输电平下降，外来电磁波噪声就更容易进入有线电视传输系统形成干扰。
尽管外来干扰是客观存在的，但是只要我们提高网络材料的传输质量，选择屏蔽系数高的电缆、尽量延伸数字电视信号的光缆传输，缩短同轴电缆传输，注重加强有线电视网络施工工艺，注意有线数字电视频点的规划安排，就有可能抑制和克服外界电磁波侵入对数字
电视信号产生的噪声干扰。同时在线路安装时加强注意回避电磁波，如新建房走暗线加金属套管等方法来避免外界电磁波侵入噪声干扰。
1.4.2 网络适配带来的相位噪声干扰
与模拟电视信号不同的是，由于数字电视信号普遍采用的是QAM调制方式，所以，除了载波的幅度携带了信息外，载波的相位也携带了信息，而网络的失配产生反射所造成的多径效应，或者附近存在同频信号的干扰往往就能影响有线数字电视网络的相位特性。
有线电视网络如果存在失配（比如空闲的输出端没有接入假负载），将产生信号反射，这样使到达机顶盒的信号不只是直接路径传来的，还有由反射路径传来的。直接路径与反射路径之间存在时间差，从载频角度讲，只要两个信号到达的时间差改变1/fc（fc是射频载频频率），两者的相位差就改变2π弧度，就是说很小的时间差就会引起很大的相位差，在两信号相位差为2π时，二者同相相加，合成信号幅度最大；两者相位差为π时，二者反相相减，合成信号幅度最小。时间上延时的信号与直接信号到达接收机混合在一起，不但会从幅度上的影响，更会从相位上影响数字信号的正确解码。
造成网络反射的原因有：电缆的物理损伤、接头的氧化进水、干线空闲端口没接假负载、分配器有空口没有接假负载等，这些都造成网络失配而产生反射。同时，如上文中说到的有线网络受到外界电磁波信号的侵入噪声干扰，也会造成信号叠加的问题，从而产生相位噪声。
相位噪声对模拟电视影响比较轻，即便相位噪声指标很差，也不过表现为图象暗场是出现杂乱无章的花纹，因此相位噪声指标在模拟电视里往往不被考察。而对于数字电视，这种噪声则会影响数字电视信号的正确解码，引起部分节目有马赛克或无法接收，因此相位噪声是引起数字电视传输故障的重要原因之一。
1.4.3 有线数字电视抗失真产物的组合互调噪声干扰
在多频道传输的CATV系统中，由于相关设备存在着一定程度的非线性传输特性，必然会产生大量的非线性失真产物，这些产物落在传输频道内，会在载频附近聚集成“簇”，对频道形成“综合”差拍干扰。其中，由二次失真产物聚集而成的“综合”互调干扰为CSO，由三次失真产物聚集而成的“综合”差拍干扰为CTB。
数字电视信号采用的QAM调制方式又称为正交幅相调制，它既对载波的振幅进行调制，又对载波的相位进行调制，又由于调幅是平衡调幅，所以抑制了载波，其能量是均匀分布在整个限定带宽内的。由于这个特点，在传输频带内存在非线性失真的情况下，所产生的互调、交调产物就不是呈离散性的分布，而是呈白噪声的性质，在被干扰的频道内弥散分布，这等于在被干扰频道里增加了噪声，成为组合互调噪声CIN，使数字电视出现频繁的静帧或马赛克现象，虽然该频道的信号电平并没有降低。
GY/T 221-2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》中规定了数字电视对系统CTB、CSO指标的要求和模拟电视一样，都是≥54dB；而对于数字频道和模拟频道电平差为－10～0dB。有资料介绍，当数字载波电平高出非线性失真电平50dB时，信号质量将不受影响；当高出40～46dB时，数字电视信号在非常好和马赛克之间；而当这个比值低于40dB时，数字信号将出现静帧或严重的马赛克现象。
因此，当有线电视系统的实际失真指标CTB、CSO达到54时，由于有线数字电视信号的电平比模拟电视低10个dB，因此对于数字电视来说，CTB、CSO指标只有44dB，余量不到4dB。当网络的失真指标逐渐劣化时，图像质量虽没有逐步劣化过程，而一旦当失真指标
降低4个dB，数字电视由于“悬崖效应”，电视画面将立刻变为静帧或严重的“马赛克”现象。同时，由于系统电平升高1dB，失真指标将劣化2dB，那么不到4dB的失真指标余量意味着系统电平波动上限不到2dB。因此，光发射机输入电平过高、光接收机和放大器输出电平过高，会使得失真指标下降，从而很容易导致成片有线数字电视用户出现收视画面静帧、马赛克甚至黑屏现象。
一般说来，为了降低系统中的CSO和CTB非线性失真，有两个方面的工作要做。一方面是CATV系统整体设计和指标分配应合理、先进；另一方面是设备和部件的设计要考虑如何提高线性。就系统设计而言，可以考虑如下几种措施：
有线传输手段尽量以光纤取代电缆，对于较长距离的超干线或干线采用特殊技术，以提高整个系统的CTB和CSO非线性失真指标。
选择合适的干线放大器工作点，提高其线性动态范围。
合理选择频道、增加并联路数。
适当降低放大器的工作电平，以提高C/CTB和C/CSO。
正确设计、选用放大器，滤除或抵消系统已有的非线性失真。
用新技术改进频道设置，从主客观上降低CSO和CTB。
1.4.4 HFC网络系统本身带来的电路噪声干扰
模拟有线电视时代HFC网络系统的前端设备有调制器、光发射机等，而数字电视时代所涉及的前端系统通常由编码、复用、加扰、调制、CA、EPG、NVOD、SMS、数据广播等众多子系统构成，设备组成更为纷繁复杂，同时整个有线电视传输网络中设有大量的光发射机、光接收机、光纤、光连接器、分光器、放大器、分支分配器等，它们都是产生随机噪声的主要原因。而随机噪声通常可分为两大类，其一是外部电磁波侵入噪声，其二是便是HFC网络系统本身带来的电路噪声。
有线数字电视前端
目前的有线数字电视前端是一个集成了广播电视、计算机通信和网络传输设备等的综合性大规模现代通信系统。这些设备由不同厂家生产，它们产生的电磁干扰（EMI）水平往往参差不齐，而且不同设备的固有噪声源对系统噪声的贡献也有较大差异。另外由于有线电
视技术发展的种种因素，有线数字电视前端机房普遍还同时安装了各种模拟设备、数字设备、数据设备，它们共用一个机房，从而使得前端的电磁环境更为复杂。
各种前端设备内部固有噪声源主要有晶体振荡器和时钟分频电路、开关电源、快速时间转换电路、A/D变换器、无端接电路等，这些设备所带来的噪声对数字电视会产生使视/音频信噪比下降、通过不同途径的累加引发时基抖动、漂移，使系统出口节目时钟（PCR）指标严重超标等影响，从而导致PSI/SI表格发送错误、发送间隔时间产生时延、PCR抖动及时延等数字电视故障。

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