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第57章 数字电视传播(9)

(3)半导体存储卡

半导体存储卡是一种固态产品,具有存储性能优越、不需要机械系统的特点,也就是工作时没有运动部件。存储卡采用闪存(flash Memory)技术,是一种稳定的存储解决方案,不需要电池来维持其中存储的数据。

对所保存的数据来说,存储卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高;比传统的磁盘驱动器的可靠性高5到10倍,而且存储卡的用电量仅为小型磁盘驱动器的5%左右。存储卡工作时一般采用逻辑寻址方式,它没有磁头和磁道的转换操作,因此在访问连续扇区时,操作速度比磁盘的物理寻址方式速度快。

根据不同的生产厂商和不同的应用,闪存卡有Smart Media(SM卡)、Compact Flash(CF卡)、Multi Media Card(MMC卡)、Secure Digital(SD卡)、Memory Stick(记忆棒)、XD-Picture Card(XD卡)和微硬盘(MICRODRIVE)等多种,这些闪存卡虽然外观、规格不同,但技术原理都是相同的。

美国San Disk公司于1994年推出的CF卡、Fujifilm和Olympus(奥林巴斯)2002年7月联合发布的XD卡、东芝公司(TAEC)1995年推出的SM卡已经比较少见了,而且应用面很窄。

目前常用的存储卡是Secure Digital存储卡,即“安全数字”卡,简称SD卡,1999年由日本松下电器、东芝和美国的San Disk联合推出。SD卡应用类型广泛,还带有写保护开关,可以防止数据被误删,是被专家预言将来“一统闪存卡江山”的数字存储卡。

TF卡,也叫micro SD卡,一种读取速度快、体积超小的存储卡,适用于超薄、超小的数码设备。价格较贵,可以通过转接器变成一张普通SD卡,兼容性比较好。

MMC卡,即Multi Media Card多媒体卡,由西门子公司和San Disk于1997年推出。和SD卡基本相同,使用SD卡的设备都可以兼容,但价格比SD卡贵一些,而且不能写保护。

Memory Stick,简称MS,即存储棒,又称记忆棒,是索尼公司于1997年开发的数据存储介质。特点是读写速度快,外形简洁,没有金属成分(金手指)外露,抗干扰、抗锈能力好,价格不是很贵。

USB接口和闪存技术结合的方便携带、外观精美时尚的移动存储器,称为闪存盘,又名U盘。

2.数字多媒体信息存储策略

数字多媒体信息的存储主要有两大策略:采用RAID多磁盘技术和采用层次化存储方案。

采用多磁盘技术是解决多媒体信息存储的一个重要途径。多媒体应用中的热点内容同时被访问的概率很大,如果将整个文件都存储在一个磁盘上,同时访问此文件的用户数目必然受到磁盘带宽的限制。最简单的解决办法是在多个磁盘上保留多个备份,但这种方法过于昂贵,更为有效的方法则是将文件分散到多个磁盘中,在多媒体服务器中广泛使用的RAID(独立磁盘冗余阵列)技术就是基于多磁盘原理。多磁盘情况下的数据组织与管理对实现高效数据存取非常重要,它已经成为信息存储技术的研究热点之一,其目标是既提高服务质量又避免负载不平衡。

层次化存储方案也是数字多媒体信息存储的重要途径。不同类型的存储媒体在存储容量、数据传输速率、性能价格比等方面存在较大差异,一般来说,数据传输速率高的存储媒体容量较小、价格较高,而容量大、价格低的存储媒体传输速率较低。为同时满足多媒体信息存储在容量、数据传输速率和价格等方面的要求,采用层次化存储是一种较为理想的解决方案,即将各种具有不同特点的物理存储媒体以层次化方式组合在一起。具体存储结构如下:半导体存储器位于结构中的最高层,其数据读写速度非常快,主要为下一层的磁盘介质提供数据的高速缓存;由IDE、SCSI等接口形式的硬盘和硬盘阵列组成了系统的第二层,其特点是速度快,价格较高,为多媒体系统提供对实时连续媒体流的即时读写能力,并支持大量用户的同时访问。该层的存储设备容量较大时价格也较高,因而性价比并不太高,主要用于存储经常被访问的热点内容,因而也被称为在线存储设备;第三层的存储设备一般由各类光盘和光盘库组成,其数据读写速度一般低于磁盘,但其存储容量大、成本低,适用于存储大容量、不经常被访问的多媒体数据,由于光盘方便更换,因此被认为是一种无限容量的存储设备。由于此类设备在数据读取时不能立即得到响应,因此也被称为近线存储设备;层次结构的最下层是磁带和磁带库,在某些应用中,需要大容量的数据存储,但对数据的读取速度要求不高,这时可以采用大容量磁带和磁带库作为存储设备,主要用于对重要数据的备份以及对较少使用但很有价值的数据的存储,由于对此类设备中数据的访问不能得到即时响应,因此常被称为离线存储设备。

在使用层次存储时,多媒体数据在各层存储设备之间的迁移是一个重要问题,通常系统会引入存储调度机制,按照某种调度算法自动调节存储设备间的数据迁移,从而最大限度地实现数据的合理应用。

3.高速数据接口

数字电视信息存储系统的实现不是简单的存储方式和存储介质的改变,而是涉及到数据压缩、网络传输等诸多技术,如存储系统不仅要求存储设备容量足够大,而且要求存储设备有足够的带宽,以便能够实现高速数据传输。目前常用的高速输入输出接口有SCSI、SATA、FC等标准。

并行SCSI接口即“小型计算机系统专用接口”,主要用来连接外部设备以提高系统性能或增加新的功能,如硬盘、光驱、扫描仪、磁带机、打印机等。因为SCSI接口卡和设备非常昂贵,所以SCSI接口的机种主要以工作站、服务器等中高档设备为主。

但随着PC技术的逐渐成熟,SCSI设备被广泛地使用,支持SCSI接口的外设产品从原本仅有硬盘、磁带机,增加到扫描仪、光驱、刻录机、MO等各种设备,再加上制造技术的进步,SCSI卡与外设的价格都已经在可接受范围内,因此SCSI在个人PC的应用日渐增多。

串行硬盘接口SATA也是被看好的另一个产品,其第一代即可得到150Mb/s的数据传输率,已超过目前并行ATA所能提供的最高133Mb/s的数据传输率,而串行ATA的最终目标是实现存储系统突发数据传输率600Mb/s,这将比目前的硬盘速度快得多,其次,串行ATA在系统复杂程度及拓展性方面,是并行ATA无法比拟的,在串行ATA标准中,只需要四个针脚就能完成所有工作,一个针脚供电,一个针脚接地,一个针脚发送数据,一个针脚接收数据。

光纤通道FC(Fibre channel)是在SCSI接口基础上发展起来的能满足多路视频并发的高性能串行接口,带宽达到Gb/s。我们知道,一个高速的I/O接口对非线性编辑系统来说非常重要。在非线性编辑系统还是单机应用时,SCSI技术基本能够满足视音频传输的需要,但电视节目制作最终将网络化,迫切需要更大更快的存储器,并且克服SCSI连接的距离限制,解决的办法是在利用现代光纤通信技术、网络技术的基础上,建立以FC为核心的快速存储网络(SAN)。

FC是ANSI标准X3.230-19,这个标准描述了一个点对点的物理接口,支持超过10公里的传输距离;FC是一种通用传输机制,支持TCP/IP、ATM等多种通信协议;FC最早只支持光纤连接,后来也可以支持铜缆;FC技术对于视频图像和海量数据的存储及传输极为理想,能提供实时的广播级视音频数据访问能力。目前,FC技术已被许多计算机厂家推荐为电视节目制作设备的数据存储连接标准,同时得到了生产厂商的广泛支持。

串行存储结构SSA是一种高性能的串行接口,也是一种用于多媒体数据传输的网络结构,对非线性网络工作组同样适用,主要用于将硬盘机、磁带机、CD-ROM、打印机、扫描仪以及其他外设连接到工作站、服务器或存储子系统上。它是唯一一个从一开始就是为满足广泛的I/O设备连接需要而设计的串行接口。SSA接口的外设均有两对端口,每一个端口可以同时提供两路20Mb/s的数据通道(发送和接收),可以全双工通信,因而总的传输速率达80Mb/s。SSA支持热插拔。

八、数字视频传输技术

不同数字电视标准的数字视频传输技术在具体组成和功能上稍有不同,但整个系统基本一致,本部分以欧洲的数字电视标准DVB为例进行说明。DVB标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范,采用ISO/IEC MPEG2标准作为音频及视频的压缩编码方式,随后对MPEG2码流打包形成传输流,进行多个传输流复用,最后通过电视网进行传输。DVB数字电视传输系统利用了包括卫星、有线、地面等所有通用电视广播传输媒体,它们分别对应的DVB标准为DVB-S、DVB-C、DVB-T等。

电视网又称电视传输覆盖网,包含覆盖和传输两个重要环节。覆盖是将信号进行分配,由点到面进行大面积广播,包括由电视发射台和转播台组成的无线电视覆盖网、有线电视覆盖网,还有卫星广播电视覆盖网。传输则是指信号的传送,指电视信号通过微波、光纤和卫星等多种传输媒介,由点到点或到多点的单向或双向远距离传送。

1.数字电视传输系统的基本模式

数字电视传输系统涉及调制、编码、发送和接收、解码、解调多个子系统。当然,数字电视系统的组成不是唯一的固定结构,具体内容和要求不同,有的单元可以不用,但编码解码器是必不可少的。当系统不含调制解调器时,常称为数字基带系统。

该系统中,信源、信道、接收终端与模拟系统基本相同,而编码器与调制器(有时还包括多路复用)、解码器与解调器(有时含解复用)的原理和对象则与模拟系统有原则区别。

信源是产生和输出广播电视信号的设备,如录音机、摄像机等。广播电视信号的接收者称为接收终端或信宿,如电视机。接收终端还要根据人的要求对视频图像进行某种处理,包括:在保证一定图像质量的前提下,尽可能压缩数据量;消除视频信号产生、传输、获取过程中的失真等等。信道是广播电视信号的传输通道,可以是铜缆、光缆,也可以是电磁波或其他介质。

编码器的作用是将信源发出的模拟信号转换成数字信号。解码器与编码器的功能相反,是把数字信号还原为模拟信号。编码器与解码器一般包括两部分:信源编码、信道编码和信源解码、信道解码。信源编码的主要任务是:第一,将信源送出的模拟信号数字化(用一组数字脉冲信号来表示信息的过程);第二,在保证一定传输质量的前提下,用尽量少的数字脉冲来表示信源产生的信息,以提高信号传输的有效性。所以信源编码也称为频带压缩编码。

信道编码是一种代码变换,主要解决数字信号传输的可靠性,所以又称为抗干扰编码。根据信道的情况不同,信道编码方案也有所不同。在DVB-T里由于是无线信道且存在多径干扰和其他的干扰,为此它的信道编码是:RS+外交织+卷积码+内交织,采用两次交织处理的级联编码,纠错能力增强。RS作为外编码,其编码效率是188/204,卷积码作为内编码,其编码效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五种(又称内码率)选择,信道的总编码效率是两种编码效率的级联叠加。DVB-C采用有线信道,信道干扰少,所以它的信道编码是RS+交织。而DVB-S是无线信道,信道质量介于地面和有线方式之间,所以它的信道编码采用RS+交织+卷积码,也是级联编码。

调制器的作用是把二进制脉冲变换或调制成适合在信道上传输的波形。解调则是调制的逆过程,是从已调制信号中恢复出原数字信号送解码器解码。

同步单元是数字系统的重要组成部分。同步是指数字系统的收、发两端要有统一的时间标准,使收发步调一致。数字信号由一个个脉冲按节拍组成,为了保证数字信号经传输后能正确地恢复所传信息,必须在传输过程中始终保持发、收两端的脉冲在时间上严格一致,一旦同步出现差错,系统就会出现大量错误,甚至整个系统失效。

噪声源是一个等效概念,为了便于分析干扰的影响,通常把始端、终端及传输信道中所存在的干扰折合到信道中,据此研究信号在传输中的衰减和畸变。

在传输视频信号的过程中,需要消除视频信号传输过程中的各种干扰和噪声,通常采用纠错编码、自适应均衡和自适应滤波等技术;为了节省频带除了使用高效压缩技术外,还可以使用先进的数字调制技术。

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