有线数字电视讲座（1-7）
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有线数字电视讲座（1-7）
一、什么是数字电视？
数字电视是相对于模拟电视而言的。
我们知道，电视——就是实时向远处传送可视的活动图像。具体的方法，是先把光的图像变成与其对应的电信号，利用电信号可以传得远的特点，实现向远处传送的目的。
什么叫模拟电视？自然界的实际景物图象千差万异，无论从亮度层次上，色彩种类上，都是极丰富的。用电信号表示它，一定是一个可以取任意值的连续变化的电量。我们把这样直接与自然界实际图象对应的，连续变化的电信号称为模拟信号，就是模拟实际，与实际一样。用这种方式传送电视就是模拟电视。
什么是数字电视？先从用离散值代表模拟量谈起。举个例子，人的脚在一定尺度内，其长短分布是无限多个的，数值上是连续的。就是多长的都有，这好比模拟量。但实际在工厂生产鞋的时候，并不是这样，而是仅使用一定数量的号码，就适应了整个人群不同尺寸的脚。只要选择靠近的某些号码，就可以穿。这些尺寸不连续的号码，把连续的脚长‚离散化‛了，就是用离散量表示连续量，这种用离散量表示连续量的做法叫模拟量的数字化。 数字电视，就是设想用离散的电量表示连续的电量，在电视信号的产生、传输、接收各个环节上，都使用离散数字来表示、处理。也就是说，数字电视是信源、信道、信宿三个环节上全面数字化的电视系统。信源指节目的产生：摄、录、编；信道指传输；信宿指接收、显示。
数字电视由五个环节组成:
1、信源编码：就是把原始的模拟电视信号用数字编码来表示，也称为数字化、模/数转换（A/D转换）。然后，进行压缩。数字电视信号源有三项：视频数据流、音频数据流和辅助数据流。辅助数据流包括管理数据、有条件接收数据以及与节目有关的数据。
2、复用：就是把上述三项数据流合成一路。采用以‚包‛为单位的时分复用方式。首先把上面说的三项数据流分割成一定长度的包（也称分组），在‚包‛的头部加上标识，作为区分是属于哪个流的标志，以便在接收时把它们区别开。然后把它们合流为单一的复用流。一个视频数据流、一个音频数据流、一个辅助数据流合成一套节目流。尔后，多套节目流再合成为传输流。
3、信道编码和调制：上述数据流不适于在传输通道中传输。为了使信号适配于传输信道，减少传输过程的差错，还需要对数据流进行必要的处理（再编码），这种做法叫信道适配，也称为信道编码。它的作用主要是负责误码的检错和纠错。调制的作用是把基带数据流搬移到高频载波上去，把基带信号变成频带信号。使之可以在频分复用的模拟信道中
4、传输信道：有HFC、数字干线、卫星、无线、存储介质等。
5、接收机：就是机顶盒，实现上述四项环节的逆过程，把从信道上接收的数据流还原成原始的模拟电视信号。
二、怎样把模拟电视信号数字化？
先要解决用离散数字来表示连续的模拟信号问题。打个比方：气温是逐渐变化的，每时每刻都在变化，因而它是随时间连续变化的模拟量。但观测气温不必每分每秒都测量，隔一定时间测一点画在坐标图上，连一条线，就表示了气温的变化。如果时间间隔合适，这条线的形状与连续不间断测量的曲线形状会基本吻合，即，用离散量可以表示连续的模拟量。
这种间隔测量的方式，叫做在连续变化的模拟量上的取样。这是把模拟信号数字化的第一步。
取样间隔多大合适？首先的原则是能基本如实的代表原来的连续模拟量。间隔太远了要漏去重要的信息，比如测气温，最高气温出现在每天的14：00，取样间隔太大，偏偏漏掉了14：00，就会发生大错。因而，取样间隔与信号性质有关，要符合奈奎斯特定理：即取样频率要大于信号最高频率的二倍。这样抽取的样值就包含了原来模拟信号的全部信息而不遗漏。例如电视亮度信号，最高频率是6Mhz，取样频率就应该大于2×6=12Mhz。取样的实现也简单，让信号经过一个电子开关，开关每秒钟接通12M次（当然每次接通时间都很短），就实现了在模拟信号中每秒取12M个离散了的样值。这些样值，不再是连续的了。
取样的结果，仅是把模拟信号进行时间上的离散。样值的幅度，仍然是模拟取值的，具有连续的数值。必须在幅度值上也进行离散处理，才能实现不仅时间上离散，幅度值上也离散。对幅度值的离散，就是把幅度值分成若干等级，对不在等级线上的进行舍零取整处理，归到相邻的等级上去。这与我们买鞋是一个道理。这样，连续的幅度值就用离散化的有限个等级取代了，这个过程叫做量化。 量化取多少个等级合适？等级多了好，但要付出的代价大。理论和实际都证明，对电视图象信号，用256个等级就可以了。
取样、量化只是在时间和幅度上把信号的表示做到了离散化，还不是数字化。数字化的目的是用‚0‛和‚1‛两个数字码表示一切等级、量值。为什么要用‚0‛和‚1‛，不用0—9，就是因为‚0‛和‚1‛最容易用电量来表示。如，有电压是‚1‛，无电压是‘0‚；开关接通是‚1‛，开关断开是‚0’。但‚0‛和‚1‛只能表示两个等级，256个等级怎么办？使用‚0‛‚1‛的排列组成码就解决了。这有如条码，条码只有黑、白两种条，但它们不同的组合可以编出无数的码，可以分别代表多种商品。例如，我们用8位‚0‛和‚1‛编成8位码，00000000、0000000
1、00000010……..11111111，就有了256=28种不重复的码，表示256个量。把量化后的信号，用‚0‛和‚1‛组成的码来表示，叫做编码。用数字编码表示量化的信号，模拟信号才算是真正数字化了。
总的是，模拟数字化三个过程：取样、量化和编码。
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二、有关数字压缩。
讨论压缩的必要性、可能性和压缩的方法。
下面的讨论会看到，经过取样、量化、编码后的电视信号信息量非常大。 电视亮度信号的最高频率是6Mhz，每个色差信号大最高频率为两个1.5Mhz。根据奈奎斯特定理，亮度与色度信号的取样频率分别应该大于12Mhz和2×3Mhz=6Mhz。量化等级取256，需要8位二进制编码。这样，传送一套电视节目，所需要的码率（每秒钟传送码的位数）为 （12+2×3）×8=144Mbit/s。传送这么高的速率，对我们现在一个频道8Mhz的带宽，实在是大得了不得。实际上取样频率是13.5Mhz,量化比特数是10,因而码率为270Mhz。所以，要想使数字化节目真正能付之使用，必须对码率进行压缩。这就是数字电视信号压缩的必要性。
数字电视信号之可以压缩，是因为电视信号存在着冗余。首先是空间冗余。就是一幅画面内，各象素之间有很强的相关性。例如，蓝天，不必全部蓝天的每一个象素都传送一次，只传送一个象素就行，其余的，到接收点全部按第一个复制。这样一来就节约了大量信息，去除了冗余。其次是时间冗余。相邻两帧图像的内容也大体相似。我们可以不必每一帧图像都传，例如只传送第一帧、在接收端，第三帧用第一帧预测产生，第二帧用第
一、三两帧取平均产生，这又可以压缩码率。再次，是人的视觉冗余。利用人眼对图象高频细节、色度信号灵敏度低的特点进行压缩，把人眼本来看不到的信号取消，以节省码率。这就是信号压缩的可能性。
压缩的方法，采用MPEG-2标准。它针对图像上述几种冗余的特点，运用运动估值、离散余弦变换（DCT）、自适应量化和熵编码等技术（实际是一些算法），实现对信号码率的压缩。把数字化后144Mbit/s的码率压缩到6Mbit/s，仍然可以保持SDTV的水平。而且压缩比可变，由VCD到HDTV等级都可以。目前数字有线电视使用的压缩等级是主级主类：MP@ML，相当于SDTV（标准清晰度电视720*576象素）水平。
运动估值是为了消除相邻帧间的空间冗余。因为相邻的帧间，图象大量的数据是相同的，不必都全部传输，仅传递相邻帧的变化部分就可以了，这样就可以压缩了传输的数据量。 离散余弦变换DCT，是将信号由空间域变换到频域，使信号能量集中到低频率。
自适应量化是针对DCT而言，因为人眼的视觉对图象细节不敏感，故表示图象细节的高频部分可以压缩。自适应量化就是对DCT变换后的高频系数采用粗量化，对低频系数细量化。实际上是基于视觉冗余。
熵编码，就是可变字长编码。给使用概率大的事件分配短字码，给使用概率小的事件分配长字码，最大限度的提高编码效率。
三、数据电视的传输码流；
模拟电视信号经过A/D转换、压缩后，变成了由二进制脉冲组成的脉冲序列，叫做码流。每一套节目有视频码流、音频码流，这些与模拟信号一一对应的码流称为基本流ES。为便于传输，实现时分复用，基本流ES必须‚打包‛，就是将顺序、连续传输的数据流按一定的时间长度进行分割，分割的小段叫做‚包‛，因而打包也称为分组。在每个包前加上包头，就构成了打包的基本流PES。传送一套节目有三种基本码流：视频、音频和相应的数据流，需要把它们组合到一起，叫做复用。复用的方法是时分复用。上述把同一节目的三种基本流复用到一起叫节目复用。复用后，根据需要可以形成节目流PS和传输流TS。它们分别适用于不同的传输环境。PS包的长度较长，且可变，适用于在良好的媒质里传输。TS包长是固定的，188个字节，适用于容易出错的媒体中传输。在有线电视系统中传输的是传输流TS。
TS包的包头，长4个字节，包头里最重要的要素是包识别符PID，它标识该包是属于哪套节目的什么流。接着的是可变长度的适配域，后面是净荷，净荷携带实际内容。
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五、数字电视的特点。
与模拟电视相比，数字电视有如下特点：
⑴数字信号传输噪声没有积累。我们知道，模拟信号在传输的每个环节，都要加入噪声，如放大器，每级放大器的噪声都要加进去，放大后信号大了，C/N低了。数字信号是一连串的‚0‛和‚1‛脉冲序列，在传输过程中，侵入的噪声可以通过再生的方法去除。所谓再生处理，就是收到信号后，不是直接放大，而是重新在有脉冲的位臵制作一个形状完全相同的脉冲，恢复信号中脉冲的原样而清除了噪声。再生是基带数字传输抗干扰的重要手段。其次，数字传输技术有非常有效的纠错方式，如我们使用的R-S纠错，可以把误码率由10E-4改善到10E-12。所以，我们收看数字有线电视时，主观感觉最为明显的是画面清洁，没有杂波、雪花。从维修的角度，数字信号对C/N的要求也比模拟信号宽容。模拟信号C/N=43dB时可以得到4分的收看质量。数字电视C/N=31dB就可以满意收看。事实上，整个网络中，数字信号的功率电平就是以比模拟电平低10dB来传输的。
⑵
数字信号的传输和处理过程不存在非线性失真。
⑶
有较好的收视稳定性。模拟电视的收看质量的劣化是渐变的，图像由好到坏有一个过程，令人讨厌。数字电视收看质量的劣化有‚断崖效应‛，只要有图像，质量就是好的，无噪点，稳定。信号劣化，就立即马塞克，没有过渡。相对于模拟信号，给收看者以稳定的感觉。
⑷
模拟改数字以后，极大地释放了频率资源。 由于采用压缩率非常高的MPEG-2压缩方法，使码率降低很多，加上采用高效率的调制方式，可以在一个8Mhz的带宽里传送6套以上质量达到标准清晰度（SDTV）的节目。这给有线电视提供更多套节目，为实现NVOD、VOD提供资源。 ⑸
可以在现行传输体制下传输高清晰度电视（HDTV）。
⑹
数字信号容易处理，易于使用大规模集成电路和微型化，生产时设备一致性好，无须调整。容易大量使用软件，实现智能化操作。 ⑺
对节目加扰、加密容易、可靠，保证商业运作。
六、 数字电视信号是怎样在有线电视HFC网上传输的？
模拟电视连续的电信号数字化后，变成了完全由‚0‛、‚1‛组成的脉冲串（经过MPEG-2编码形成由MPEG-2包组成的传输流）。直接把数字串在网络上传送，叫做基带传输（未经某种处理的数字信号称为基带信号）。它要占用从0开始的无限带宽。但是我们现在的HFC网络，传输模拟电视信号是采用AM-VSB（残留边带调幅）频分复用方式传输的。就是说，每套电视节目先调制到一个指定的高频率载波上（采用残留边带调幅方式），每一个高频率载运一套节目，占用不同频率的载频，混合送到HFC网络上传输。节目是以频率不同而区分的，这就是频分复用。每套节目占用的频带宽度都是8Mhz。这就是我们目前HFC的规矩——体制。数字化后的基带，不符合目前HFC的传输体制，没有办法让数字电视信号以基带的形式上网与现有的模拟电视信号兼容传输。数字电视信号要服从原来的规矩，这叫做兼容。为了使数字基带信号适应HFC网络的要求，与模拟的频带信号在HFC中兼容传输，就需要对数字基带信号做适当处理，我们称这种做法叫信道编码。就是说，信道编码，是使数字基带信号适配进HFC网络的过程。
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信道编码是在前端完成的。包括以下几个部分：码流的随机化；R-S编码；卷积交织；字节到字符的映射；差分编码；基带成型滤波和QAM调制。
码流的随机化（也叫扰码）处理，有两个目的：一是防止在特殊情况下出现调制器输出未调制载波，对系统产生干扰。二是把MPEG-2码流中的连‚0‛、连‚1‛信号搅乱。因为连‚0‛、连‚1‛会破坏传输系统的定时功能，而定时一旦被破坏，收、发双方会失去同步，时分复用的数字传输就完全乱了。随机化的方法，是采用伪随机码（PRBS）对输入的MPEG-2码流进行随机化处理。就是用较长的伪随机序列与MPEG-2序列送如移位寄存器一个比特一个比特地‚模2加‛，使原来的信号规律也具有了伪随机性质。这样连‚0‛、连‚1‛的现象就被消灭了。由于伪随机码具有相当大的带宽，码流被随机化处理以后，功率谱被扩散，所以随机化处理也叫能量扩散。
R-S编码是为了纠错的。模拟方式传输错误一般称为失真——与原信号不一样。模拟传输时，失真的表现是渐变的。收视者对限度以内的失真劣化可以容忍。数字电视中的一切劣化集中表现为码错误——误码。数字信号误码对图像质量的影响有断崖效应，即码错误率超过一定值，整个图象会立即变成不可看，收视者没有容忍的余地。所以数字传输要集中力量解决误码问题，采用有效的措施，纠正传输误码。现在使用的R-S编码，纠错能力相当强，对每个传输包而言，可纠正8个字节随机错误的任意组合，或者可纠正长度不大于57的突发错误。具体的说，在输入误码率10E-4的情况下，纠正错误码，达到10E-12。误码率劣于10E-4已经无法恢复图像，而10E-12相当于几个小时才出现一个误码。可见其纠错能力之强。
R-S纠错是在发送端的MPEG-2码流中插入16个用于检验的冗余字节，使MPEG-2的传输包由188字节变成了188+16=204字节。在接收端，靠检验该冗余字节的情况，来判断并纠正错误。RS编码称为外层纠错编码，对突发干扰有较强的纠错能力。
卷积交织，是内层编码，它能使连续发生的误码发散。DVB-C采用的卷积交织深度为I=12。
字节到字符的映射（转换），也是一种适配。MPEG-2的传输流是以字节为单位传输的，1字节=8比特。在后面要进行的QAM调制中，是以符号为单位进行的。在2mQAM调制中，1个符号代表m比特（64QAM m=6）。由1字节=8比特转换为1符号=m比特，称为字节到符号的映射。映射就是转换，在64QAM，要将3个字节转换为4个6bit的字符。打个比方说，学生看电影，每8个人一组去影院。而影院是每6个人一条凳子。这样，学生就得由每8个人一组，转换为每6个人一条凳子。
差分编码。数字电视的调制方式是正交调幅，它需要把码流分成两路，一路称为同向分量I，一路称为正交分量Q。I和Q分别对频率相同而相互正交的载波进行幅度调制（两个正交的载波是cosωt和sinωt）。最后，二者叠加成QAM调制信号。因而，进入QAM调制之前，要把数据码流分成两路，即差分编码。它实质上是把单路串行码流分成两路并行码流。
基带成型滤波是脉冲波型变换。比特信号的‚0和‚1‛是方脉冲，具有无限带宽。我们的网络是限带的（每个频道8Mhz），自然无法适应。为了减少比特占用的带宽，又不影响收到信号的判决，可以把方的脉冲改变一下形状。把上升沿和下降沿由突变的直线变为圆滑的曲线，把方波圆滑化。这种方法称为滚降。在电路上是使方形脉冲通过一个升余弦滚降滤波器。其滚降系数取α=5。
调制，是解决数字基带信号不能直接在HFC网络中与模拟信号按频分复用兼容传输的问题。用基带信号改变高频率载波的某个参数，让高频率载波载运基带信号并实现频谱从基带到载波频率的搬移，叫做调制。频率搬移是频分复用所必须的。调制就是使载波的参数按所载运基带信号的变化而变化。用载波的不同状态表示基带信号。调制方式有调幅（AM），调频（FM），调相（PM）几种。我们使用的是QAM调制，叫做正交幅度调制。它先把调制信号码流分成独立的两路，分别对同频正交的两个载波进行双边带抑制载波调幅，最后两路已调信号相加输出。QAM调制是幅度调制与相位调制的结合，既调幅又调相。有线电视使用的QAM调制是64QAM，就是调制后，载波有64种状态，每个状态代表一个符号（一个符号是6位比特组成的码）。
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64QAM的调制状态可以直观的用星座图表示。座标里的64个点，代表64个符号。正常时，这些符号点在小方格中间。信号的劣化，造成符号点的偏移，严重时偏移到格子外，就‚串‛了。造成符号被错判。
MPEG-2码流经过上述的信道编码、调制，最终把传输码流载运到一个指定频率、8Mhz带宽的高频率载波上。从高频率载波的形式讲，它与现在HFC网中传输的模拟电视频道信号就一样了，可以堂而皇之的混合进网传输了，并与模拟信号同等待遇，被光链路、电缆链路传输到用户.64QAM调制由于既调幅又调相，频率利用率高，每8Mhz带宽可以传输的信息速率达40Mbit/s以上，我们选为38Mbit/s。就是说，把几套节目先通过复用器复用成38Mbit/s的多节目传输流MPTS，再送进调制器。
64QAM的性能为：进制8，频谱利用率6bit/Hz，每套节目压缩到1.5Mbit/s时，每8Mhz频道可以传送17套节目,压缩到2Mbit/s时，可以传送13套节目,压缩到4Mbit/s,可以传送6套节目。正常接收所需要的C/N（无纠错）28dB，用R-S纠错为23dB。
经调制后码速率的变化如下：
R-S编码，由于传输包长由188变成了204字节，每包码字数增加了，速率将提高到约为38×204/188=41Mbit/s。
字节到字符映射，因为每字符为6bit，比特速率变为字符速率约为41/6=6.8Ms/s(每秒字符)。再经升余弦滚降滤波，我们实际使用的符号率是6.875Ms/s。这是一个非常重要的传输参数，是配臵调制器和机顶盒必须的。
七 有线电视前端。
㈠ 数字有线电视前端的功能：
数字电视信号在有线电视HFC网内的传输，核心是信号对网络的适配问题。模拟电视信号数字化、压缩即信源编码，解决了用数字比特代表连续的模拟信号和速率对网络的适配。那么如何解决传输对网络的适配，使用户达到满意的接收，这就是前端要解决的问题。
具体说，前端的主要功能是： ⑴组织节目。 节目为王。向用户提供多套数，高质量的节目是数字电视的生命所在。数字有线电视的节目源主要有：来自卫星的节目；以SDH形式从光缆传来的节目；本地自办节目；由视频服务器播出的NVOD、VOD节目；由本台更新、增加的电子节目指南（EPG）等。前端的组织作用，就是要把这些不同的节目进行数字化，压缩编码等过程，统一为MPEG-2传输流（MPEG-2 TS）和ASI接口格式。
⑵监视、调度和切换播出节目。
在有线电视HFC网中，数字电视也应当按每8Mhz带宽一个频道来传输。那么，哪个频道传送哪几套节目，以及节目之间的切换、调度，都要在前端完成。完成这个任务的设备是一个多输入口，多输出口的数字切换矩阵，也称路由器。它还可以为信号源的监视提供选择节目的功能。
⑶系统管理。
数字有线电视节目是以一种新的付费方式提供给授权用户的。因而可靠的授权管理是数字有线电视必备的功能。系统管理包括有条件接收系统CAS、用户管理系统SMS和网络管理系统NMS。
有条件接收系统CAS；对节目和数据进行加扰、加密，对用户进行授权管理，实现有偿服务。
用户（订户）管理系统SMS：对用户进行管理，包括用户信息、用户设备信息、数字产品信息、订购信息、授权信息、财务信息等。
网络管理系统NMS：对前端和网络设备进行集中管理，包括规划、参数设臵、检测报警等。从信号形成、流向到质量进行控制，对系统运行状态、故障、错误进行报警，保证系统协调、正常、安全运行。
⑷复用。 为了与模拟传输体制兼容，从多种渠道组织来的数字电视节目，都需要调制到8Mhz带宽的不同频道上。而每个频道不但载运不只一套节目，还必须载运引导接收机正确工作的节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG以及授权管理信息ECM、EMM等。这些都需要在进入调制之前把它们复用到一起。
⑸进行信道编码和调制，实现与有线网络的传输适配。 ㈡前端的组成。
比照模拟电视前端的组成，数字前端可以分为输入、处理和输出三部分。 ⑴输入部分。
输入部分的主要功能，就是把来自不同渠道、不同格式的视音频信号，进行数字化、压缩编码或码流适配，统一为符合DVB-C标准的MPEG-2传输流格式和ASI接口的传输流，输出到处理部分。
数字电视的节目源有：卫星接收（数字或模拟）、数字干线SDH、本地自办、视频服务器或媒体播放器输出的数字节目（本地自办、NVOD、VOD）、各类数据广播节目等。与节目相关的PSI、SI、EPG以及各种管理信息，也都是必须进入网络和节目一起向用户传输的。
有线数字电视讲座（7）
前端，信号的统一格式是什么样的？
是DVB-C标准规定的MPEG-2传输流。由长度为188字节的传输包组成。每个包有4个字节的包头，可变字节长度的适配域和有效载荷。在传输链路里，这些MPEG-2传输包一个包一个包的串行传输。 实际上，为了提高系统的纠错能力，每个包增加了长度为16个字节的R-S纠错码，包长变成了204字节。
在整个数字有线电视系统中，设备与设备间，设备与线路间的传输接口，被规定为ASI（异步串行接口）。它的传输速率为270Mbit/s，可以轻松地承载8Mhz带宽，64QAM调制的数据流。ASI物理接插形式，用得最多的是BNC卡口。
下面研究不同格式接口的节目如何统一成MPEG-2传输流格式和ASI接口。 模拟视音频节目，经编码器完成数字化、压缩形成MPEG-2格式。编码器输入视音频信号，输出码率可在1.5?15Mbit/s之间调整的MPEG-2传输流，输出接口是ASI。
SDH传送的数字电视节目，已经是MPEG-2传输流。对应于电视的输出口是DS-3（或E3）口，以45Mbit/s的速率传送5?6套复用的节目。把它纳入数字有线电视，只需在SDH输出与数字有线电视的输入之间加一个适配器完成DS-3到ASI的转换就可以了。
点播类节目，如NVOD、VOD也是数字电视的重要节目源。它是由视频服务器经硬盘播出设备输出MPEG-2码流的。将此类节目接入数字前端，需要作接口的转换。一般来说，用于HFC网络播出的硬盘播放器，大都提供ASI接口，甚至已经将码流调制到高频载波上形成64QAM射频信号。输出为ASI接口的可以直接进切换矩阵，64QAM输出的，只要频率和电平合适，就直接与现有的模拟频道混合，进入HFC传输。对于输出口为DS-3（45Mbit/s）、ATM（155Mbit/s）以及高速以太网口，都需要经过适配器将接口转换为ASI，才能进数字切换矩阵。 开展多媒体传输和因特网接入，还要通过数据广播服务器、IP网关（代理服务器）等，组织相关信号。
⑵处理部分：
信号处理部分是前端的核心。它的功能是：对所有输入的节目码流进行切换、调度、分组、复用（再复用）；插入（更新）节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG、各种管理信息（ECM、EMM）等，把它们与节目信号一起复用进数字传输通道；对条件接收节目进行加扰；进行节目管理、用户管理和系统管理。
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544】【2005年12月27日 星期二 11:59】【 加入博采】
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