高清晰度数字电视发展现状.docx

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高清晰度数字电视发展现状

一、电视系统的发展历史1

二、高清晰度电视（HDTV）3

1.HDTV简介3

2.HDTV的图像格式4

3.HDTV的编码算法5

4.HDTV发展动态与前景8

三、超高清晰度电视（UHDTV）8

1.UHDTV简介8

2.UHDTV特制传感器9

3.UHDTV进展和展望10

四、数字电视标准12

1.ATSC简介12

2.DVB简介14

3.ATSC与DVB的比较15

4.DVB、ATSC近况和前景16

五、参考文献17

高清晰度数字电视发展现状

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一、电视系统的发展历史

从技术的角度看，电视系统的发展历经了黑白电视、彩色电视和数字电视（DTV）三个历史阶段，目前，第四代电视技术――高清晰度电视（HDTV）正在全球范围内蓬勃发展。

黑白电视和彩色电视使用的是模拟电视技术。

图像信号的产生、传输、处理到接收机的复原，整个过程几乎都是在模拟体制下完成的。

其特点是采用时间轴取样，每帧在垂直方向取样，以幅度调制方式传送电视图像信号。

为降低频带，同时避开人眼对图像重现的敏感频率，将一帧图像又分成奇、偶两场扫描。

加上20世纪六、七十年代期间，确定模拟电视主要技术参数时，其相关理论和技术的缺陷，使传统的模拟电视存在易受干扰、色度畸变、亮色串扰、行串扰、行蠕动、大面积闪烁、清晰度低和临场感弱等缺点。

在模拟领域，无论怎样更新、改进硬件结构，电视所应有的功能和声像质量还远没有达到，不足以使其全面地发生根本性的变革。

20世纪80年代，在德国出现了数字电视接收机，从而揭开了数字电视的帷幕。

数字电视（DTV）是一个从节目采集、节目制作节目传输直到用户端都以数字方式处理信号的端到端的系统。

基于DVB技术标准的广播式和“交互式”数字电视．采用先进用户管理技术能将节目内容的质量和数量做得尽善尽美并为用户带来更多的节目选择和更好的节目质量效果，与模拟电视相比，数字电视具有图像质量高、节目容量大（是模拟电视传输通道节目容量的l0倍以上）和伴音效果好的特点。

数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点：

（1）信号杂波比和连续处理的次数无关。

电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。

所以，在数字信号传输过程中，不会降低信噪比。

而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信噪比，就必须对各种处理设备提出较高信噪比的要求。

模拟信号要求S/N＞40dB，而数字信号只要求S/N＞20dB。

模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信噪比基本不变。

（2）可避免系统的非线性失真的影响。

而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。

（3）数字设备输出信号稳定可靠。

因数字信号只有“0”、“1”两个电平，“1”电平的幅度大小只要满足处理电路中可能识别出是“1”电平就可，大一点、小一点无关紧要。

（4）易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。

近年来，大规模集成电路（半导体存储器）的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。

例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理,获得各种新的电视图像特技效果。

（5）由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。

（6）数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播（Teletext）。

（7）压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内（地面广播），观众将以极大的概率实现“无差错接收”（发“0”收“0”，发“1”收“1”），收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。

（8）可以合理地利用各种类型的频谱资源。

以地面广播而言，数字电视可以启用模拟电视频道；禁用频道（taboochannel），而且在今后能够采用“单频率网络”（singlefrequencynetwork）技术，例如1套电视节目仅占用同1个数字电视频道而覆盖全国。

此外，现有的6MHz模拟电视频道，可用于传输1套数字高清晰度电视节目或者4-6套质量较高的数字常规电视节目，或者16-24套与家用VHS录像机质量相当的数字电视节目。

（9）在同步转移模式（STM）的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”（dynamiccombination）。

例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻。

这时由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务（如电视节目指南、传真、电子游戏软件等），而不必插入大量没有意义的“填充比特”。

（10）很容易实现加密／解密和加扰／解扰技术，便于专业应用（包括军用）以及广播应用（特别是开展各类收费业务）。

（11）具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式（ATM）的网络中传输，也便于与计算机网络联通。

（12）可以与计算机"融合"而构成一类多媒体计算机系统，成为未来"国家信息基础设施"（NII）的重要组成部分。

数字电视技术（DTV）虽然有了很大的进步，但是随着人们需求的不断跟进，人们对视频的各项品质提出了更高的要求：

屏幕要更宽、画质要更高！

于是，高清晰度电视（HDTV）就孕育而生了。

二、高清晰度电视（HDTV）

1.HDTV简介

高清晰度电视是一种新的电视业务，国际电联作的定义：

“高清晰度电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印象”。

目前水平和垂直清晰度是常规电视的两倍左右，配有多路环绕立体声。

HDTV与当前采用模拟信号传输的传统电视系统不同，HDTV采用了数字信号传输。

由于HDTV从电视节目的采集、制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化，因此HDTV给我们带来了极高的清晰度，分辨率最高可达1920×1080，帧率高达60fps，是足够让目前的DVD汗颜的。

除此之外，HDTV的屏幕宽高比也由原先的4:

3变成了16:

9，若使用大屏幕显示则有亲临影院的感觉。

同时由于运用了数字技术，信号抗噪能力也大大加强，在声音系统上，HDTV支持杜比5.1声道传送，带给人Hi-Fi级别的听觉享受。

和模拟电视相比，数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点，诸多的优点也必然推动HDTV成为家庭影院的主力。

HDTV也是DTV标准中的一种，拥有最佳的视频、音频效果。

DTV是一种数字电视技术，是目前传统模拟电视技术的接班人。

所谓的数字电视，是指从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电视信号，或对该系统所有的信号传播都是通过由二进制数字所构成的数字流来完成的。

此外DTV技术还可分为LDTV（LowDefinitionTeleVision）低清晰度电视，其图像水平清晰度大于250线，分辨率为340×255，采用4：

3的幅型比，主要是对应现有VCD的分辨率量级；标准清晰度电视（SDTVStandardDefinitionTeleVision）其图像水平清晰度为500--600线，最低为480线，分辨率为720×576，采用4：

3的幅型比，主要是对应现有DVD的分辨率量级。

目前应用于广播级的后期制作中的视频标准主要是SDTV及HDTV。

和模拟电视相比，数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点。

2.HDTV的图像格式

HDTV规定了视频必须至少具备720线非交错式（720p，即常说的逐行）或1080线交错式隔行（1080i，即常说的隔行）扫描（DVD标准为480线），屏幕纵横比为16:

9。

音频输出为5.1声道（杜比数字格式），同时能兼容接收其它较低格式的信号并进行数字化处理重放。

HDTV有三种显示格式，分别是：

720P（1280×720，非交错式，场频为24、30或60），1080i（1920×1080，交错式，场频60），1080P（1920×1080，非交错式，场频为24或30），不过这从根本上说也只是继承模拟视频的算法，主要是为了与原有电视视频清晰度标准对应。

对于真正的HDTV而言，决定清晰度的标准只有两个：

分辨率与编码算法。

其中网络上流传的以720P和1080i最为常见，而在微软WMV-HD站点上1080P的样片相对较多。

美国的高清标准主要有两种格式，分别为1280×720p/60和1920×1080i/60；欧洲倾向于1920×1080i/50；其中以720p为最高格式，需要的行频支持为45kHz，而1080i/60Hz的行频支持只需33.75kHz，1080i/50Hz的行频要求就更低了，仅为28.125kHz。

在高清信号的三种格式中，1080i/50Hz及1080i/60Hz虽然在扫描线数上突破了1000线，但它们采用的都是隔行扫描模式，1080线是通过两次扫描来完成的，每场实际扫描线数只有一半即1080/2=540线。

由于一幅完整的画面需要用两次扫描来显示，这种隔行扫描技术原理上的限制，在显示精细画面尤其是静止画面时仍然存在轻微的闪烁和爬行现象。

但720p/60Hz不同，它采用的是逐行扫描模式，一幅完整画面一次显示完成，单次扫描线数可达720线，水平扫描达到1280点；同时由于场频为60Hz，画面既稳定清晰又不闪烁。

我们经常看到的HDTV分辨率是1280×720和1920×1080，这对于如今的显示器而言的确是不小的考验，如果分辨率进一步提高，那么将很难在现有的显示器上获得更加出色的画质，因为此时的瓶颈在于显示设备。

另外也可以肯定的是，对于32英寸以下的屏幕而言，1920×1080分辨率基本已经达到人眼对动态视频清晰度的分辨极限，也就是说再高的分辨率也只有在大屏幕显示器上才能显现出优势。

3.HDTV的编码算法

除了分辨率是HDTV的关键，编码算法也是不可忽视的环节。

HDTV基本可以分为MPEG2-TS、WMV-HD和H.264这三种算法，不同的编码技术自然在压缩比和画质方面有着区别。

相对而言，MPEG2-TS的“压缩比”较差，而WMV-HD和H.264更加先进一些。

而十分容易理解的是，“压缩比”较差的编码技术对于解码环境的要求也比较低，也就说在硬件设备方面的要求可以降低。

（1）MPEG-TS主要应用于实时传送的节目，比如实时广播的电视节目。

TS即是"TransportStream"的缩写。

它是分包发送的，每一个包长为188字节。

在TS流里可以填入很多类型的数据，如视频、音频、自定义信息等。

他的包的结构为，包头为4个字节，负载为184个字节。

制定TS流标准的机构就规定了一些数据结构来定义。

比如:

PSI（ProgramSpecificInformation）表，所以解析起来就像这样:

先接收一个负载里为PAT的数据包，在整个数据包里找到一个PMT包的ID。

然后再接收一个含有PMT的数据包，在这个数据包里找到有关填入数据类型的ID。

之后就在接收到的TS包里找含有这个ID的负载内容，这个内容就是填入的信息。

根据填入的数据类型的ID的不同，在TS流复合多种信息是可行的。

关键就是找到标识的ID号。

（2）WMV-HD是由软件业的巨头微软公司所创立的一种视频压缩格式。

其压缩率甚至高于MPEG-2标准，同样是2小时的HDTV节目，如果使用MPEG-2最多只能压缩至30GB，而使用WMV-HD这样的高压缩率编码器，在画质丝毫不降的前提下都可压缩到15GB以下。

WMV-HD，基于WMV9标准，是微软开发的视频压缩技术系列中的最新版本，尽管WMV-HD是微软的独有标准，但因其在操作系统中大力支持WMV系列版本，从而在桌面系统得以迅速普及。

在性能上，WMV-HD的数据压缩率与H.264一样，两者的应用领域也极其相似，因此在新一代主流视频编码标准霸主地位的争夺之中，双方展开了针锋相对的斗争，而斗争的焦点集中在下一代光盘规格“HDDVD”和数字微波广播电视等领域。

一般采用.wmv为后缀的HDTV文件就是采用的WMV-HD压缩的。

以.wmv后缀名的文件通常包括了WMV格式编码的视频和WMA编码的音频。

一些采用了WMV-HD重新编码的HDTV文件，因为有着较高的压缩率，在播放时就需要非常高的CPU运算能力来进行实时解码，一般来说P42.0G/AMD2000+以上及同级别的CPU可达到这个要求。

同时，由于HDTV的数据流较大，需要足够的内存来支持，推荐在256M以上。

如果你的电脑满足不了这样的配置，就可能会在播放过程中产生画面与语音不同步、画面经常停顿、爆音等现象。

严重的话甚至无法顺利观看。

如果这种现象不太严重，则可以通过优化系统和一些小技巧来改善。

（3）H.264（ITU-T命名），或称之为MPEG-4AVC（ISO/IEC命名），是一种由ITU-T与ISO/IEC正在联合进行开发的视频编解码方案，即将成为MPEG-4标准的第10部分（ISOMPEG-4Part10）。

关于该技术的视频编码方案，现在正式命名为ITU-TH.264或“JVT/AVC草案”。

H.264/MPEG-4AVC作为MPEG-4标准的扩展（MPEG-4Part10），充分利用了现有MPEG-4标准中的各个环节。

H.264/MPEG-4AVC就在现有MPEG-4AdvancedSimpleProfile的基础之上进行发展的。

技术上，它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验。

与H.263v2（H.263+）或MPEG-4简单类（SimpleProfile）相比，H.264在使用与上述编码方法类似的最佳编码器时，在大多数码率下最多可节省50%的码率。

H.264在所有码率下都能持续提供较高的视频质量。

H.264能工作在低延时模式以适应实时通信的应用（如视频会议），同时又能很好地工作在没有延时限制的应用，如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用。

H.264提供包传输网中处理包丢失所需的工具，以及在易误码的无线网中处理比特误码的工具。

在系统层面上，H.264提出了一个新的概念，在视频编码层（VideoCodingLayer,VCL）和网络提取层（NetworkAbstractionLayer,NAL）之间进行概念性分割，前者是视频内容的核心压缩内容之表述，后者是通过特定类型网络进行递送的表述，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。

H.264的系统编码框图如图2-1所示。

图2-1H.264的系统编码框图

4.HDTV发展动态与前景

2001-2006年中国高清数字电视产业处于市场的孕育期，因此产业链上终端设备市场规模占绝大部分比重。

根据CMP咨询公司的统计2006年全年产业规模达到330亿元，其中以高清电视机和机顶盒为主体的高清终端设备市场规模占比达到93.9％，而真正的内容制作和网络传输市场仅占了1.2％。

预计2007-2011年，我国高清数字电视产业市场规模将继续保持快速增长，预计到2009年市场规模有望突破1000亿元，并且增长过程中产业结构也将逐年向均衡化的状态发展，节目制作市场规模占比将逐年提高。

三、超高清晰度电视（UHDTV）

1.UHDTV简介

UHDTV（UltraHighDefinitionTelevision）是一种特高清晰度电视系统标准，采用比现有的高清电视（HDTV）和数字电影更高的分辨率7680×4320和50/60fps的帧率进行视频的采集、传输、存储和显示，除了在视频分辨率定义之外，UHDTV还定义了22.2多声道音频系统标准。

鉴于1920×1080已成为高清通用图像格式（HDCIF），而且UHDTV是一种旨在表现影视、戏剧、综艺、体育赛事、音乐会等节目的数字视频系统，因此UHDTV的图像格式要高于现有HDCIF的质量。

UHDTV的图像格式分为UHDTV1（3840×2160）与UHDTV2（7680×4320）两个层次，支持50Hz、60Hz及59.94Hz等几种帧率，系统采用逐行扫描。

由于采用正交采样，因此UHDTV图像的像素横纵比（PAR）为1:

1，显示横纵比（DAR）为16:

9。

为了保持与现有HDTV系统的兼容性，除上述两种图像格式的像素数量分别为HDCIF的4倍与16倍之外，UHDTV系统的基色坐标、标准白、光电转换函数、亮度/色差分量方程等色度学指标都与ITU-RBT.709、SMPTERP177等现有标准兼容。

UHDTV图像的数字表示形式与相关采样结构为R’G’B’（4:

4:

4）或Y’CB’CR’（4:

4:

4/4:

2:

2/4:

2:

0），每个分量的量化位数皆为10或12bit，不过R’G’B’/Y’CB’CR’分量并未全部占用1024或4096个可用码值。

一段长度为1分钟的UHDTV2格式的图像需占用194GB的存储空间，为了将UHDTV的4倍或16倍于HDCIF的原始信息量压缩至可接受的水平，NHK采用多个编解码器并行工作的方法，过去的展示曾采用MPEG-2，在今年的OpenHouse活动中，NHK展示了与富士通实验室联合研制的基于MPEG-4AVC/H.264实时编解码器样机，可将UHDTV高达24Gbit/s的原始速率压缩至原来的1/100至1/200，而后通过一个利用21GHz频带的宽带传送系统通过超高速数据通信卫星转发至千家万户。

2005年11月，NHK还曾利用密集波分复用技术，进行了通过光纤网络传送24Gbit/s原始数据流的实验，传送距离达到了260千米。

图3-1UHDTV效果图

2.UHDTV特制传感器

为了产生UHDTV所需的超高清晰度图像，NHK曾采用富士能公司设计的4通道分光棱镜和4枚美光科技生产的800万像素传感器，其中两片感应绿光并进行斜向像素偏移，另外两片分别感应红光与蓝光，通过与池上通信机株式会社的合作，设计出UHDTV摄像机。

在今年的OpenHouse，NHK还展示了2.5英寸、3300万像素CMOS影像传感器的样品，在综合考虑镜头解析度与尺寸、传感器灵敏度与动态范围后，NHK决定将像素尺寸控制为3.8微米，并采用低电压差分方式，以满足UHDTV摄像机对高速传输与低功耗的需求.为了还原UHDTV图像，NHK还与JVC合作，设计出了对比度达1000000:

1的UHDTV投影机，同时在100英寸以上的等离子显示器上显示UHDTV图像的研究也在进行中。

图3-2800万像素传感器

此外，为配合UHDTV系统开发的22.2声道音响系统，通过位于观众前后左右上下的22个音源以及2个低频效果音源，可营造出一个比现有5.1或7.1环绕声系统更加逼真的声场。

3.UHDTV进展和展望

NHK的SHV系统已在2005年日本爱知世博会、NAB2006、IBC2006、CEATEC2006、NAB2007以及由NNKSTRL举办、一年一度的OpenHouse等场合多次进行公开演示，并于2009年实现商用。

笔者期待在不久的未来能有机会置身于一个300英寸银幕前，在0.75倍于屏幕高度的距离现场感受接近100度的水平视角以及22.2声道的环绕声音响带来的UHDTV体验。

图3-37680X4320分辨率UHDTV震撼上演

日本广播公司（NHK）旗下的科学技术研究实验室（STRL）日前演示了超高清（UHD）电视的卫星广播，据称其分辨率将达到目前高清电视的16倍。

NHK将该技术称为“SuperHiVision”，具有7680×4320像素的分辨率，逐行扫描速度为每秒60帧。

STRL作为NHK旗下的中心实验室，曾在上月于拉斯维加斯举行的NAB展会上进行了图像演示，利用光纤传输。

通过在模拟卫星广播中检验信号传输并实验室中加以演示，研究人员使这项技术更加接近成为现实。

日本获得了21GHz频段用于将来的卫星广播。

如果开始UHDTV广播，由于可以获得较宽的带宽，卫星播放是可行的。

UHDTV信号经过压缩、调制和经过一个上行转换器，然后发送到一个实验性21GHz频段的卫星收发器。

随后，信号被传送到一个下行转换器，经过解调和解码后显示出来。

NHK还没有为这种下一代广播系统制订规格，但正在使用SuperHiVision作为研究基础。

目前SuperHiVision基带信号的数据率为每秒24Gbit，而HDTV基带信号的目前数据率仅为1.5Gbit。

NHK曾在上年年底演示过这种通过连接距离达260公里的光纤网络的SuperHi-Vision节目的实况转播，目标直指下一代广播，能为观众传送逼真图像。

NHK还研制出SuperHi-Vision照相机，配备了800万像素的CCD图像传感器，能拍摄4k×8k个图像。

在现场测试中，它将两个照相机送到一间海洋公园，采用由多家网络公司建设的光纤网络发送没有图像压缩的基带信号。

每秒总共24千兆位的信号采用DWDM（密集波分复用）方法被分为161.5GbpsHD-SDI信号发送。

实验室高级研究工程师MikioMaeda表示：

“SuperHi-Vision拥有巨大的信息量，难以传送。

采用光纤的16波，我们成功地实现了长距离实况转播。

这意味着SuperHi-Vision证实了成为未来电视广播技术的可能性。

”

四、数字电视标准

目前数字电视主要有两种标准。

一是欧洲ETSI的DVB（日本DiBEG的ISDB-T源于DVB,不另作分类）;二是美国先进电视委员会ATSC的DTV。

DVB家族分为三个部分:

用于卫星数字电视广播的DVB-S;用于有线（同轴电缆）数字电视广播的DVB-C;以及用于地面数字电视广播的DVB-T。

其中DVB-S标准已为全球所认同;DVB-C为欧洲,澳大利亚,北美,南美等一些国家接受;而数字电视地面广播DVB-T已在欧洲,澳大利亚,新加坡进行了广泛的测试试验得到认可。

　　ATSC的DTV是一种地面数字电视广播标准,与DVB-T形成竞争,已在澳大利亚,新加坡等国家与DVB-T进行对比试验。

目前接受该标准的国家和地区有美国,加拿大,墨西哥,阿根廷,韩国,台湾等。

另外,北美地区在卫星数字电视广播方面接受DVB-S,DSS（休斯数字卫星系统）;在有线数字电视广播方面接受OpenCable（美国CableLabs制定的数字有线标准，该标准接受ATSC制式以及国际电讯联盟（ITU）的ITU-TJ.83的用于电视、声音和数据服务的有线数字多节目制式）。

1.ATSC简介

ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。

最高层为图像层，确定图像的形式，包括像素阵列，幅型比和帧频。

第二层是图像压缩层，采用MPEG-2图像压缩标准。

第三层是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，如节目1图像，节目2声音，或者辅助数据，采用MPEG-2系统标准。

最后一层是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。

对于地面广播，其标准采用Zenith公司开发的8VSB，此系统可通过6MHz的地面广播频道实现19.3Mb/s的传输速率。

该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16VSB模式，可在6MHz的有线信道中实现38.6Mb/s的传输速率。

下面两层共同承担普通数据的传输，上面两层确定地普通数据传输的基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV（标准清晰度电视）。

上面两层还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种格式（HDTV6种、SDTV12种），14种采用逐行扫描方式。

尽管ATSCDTV标准包含了