数字电视技术.docx

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数字电视技术

数字电视技术

一、数字电视概况

所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。

数字电视（DigitalTV）包括数字HDTV、数字SDTV和数字LDTV三种。

三者区别主要在于图像质量和信道传输所占带宽的不同。

从视觉效果来看，数字HDTV（1000线以上）为高清晰度电视（HighDefinitionTelevision）的简称，图象质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平；SDTV（500-600线）即标准清晰度电视，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；LDTV（200-300线）即普通清晰度电视，主要是对应现有VCD的分辨率量级。

因为电视全数字化是今后的趋势，所以目前提HDTV以及SDTV、LDTV如无特别说明，均指全数字体制。

数字电视与模拟电视相比的优点如下：

1）频率利用率高

利用带宽压缩技术可以在一个频道内播送5套和目前方式画面清晰度相同的节目，100频道级的声音广播，PC用数据广播，高画面广播等多样性广播可共同利用同一频率资源，而且占用频带窄。

地面广播时，原PAL信道可播放高清晰度电视或4套标准格式数字电视。

有线电视网络中一个PAL通道可播8～10套标准分辨率数字电视。

2）抗干扰性强

同等传送条件下的抗干扰能力优于模拟电视，清晰度高，使用不受传输、转播影响，在接收端仍可达到演播室水平；音频效果好，可支持五声道加超重低音声道的5＋1环绕声家庭影院服务，可具有CD级音质效果。

3）数字设备输出信号稳定可靠，信号杂波比和连续处理的次数无关，可避免系统的非线性失真的影响。

4）易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。

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"l"收"l"），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。

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"（dynamicombination）。

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。

数字高清晰度电视集成了近年来高速发展的超大规模集成电路、高分辨率大屏幕显示器件、高密度数字记录、计算机多媒体技术、数字通讯与传输技术、数字压缩与解压缩技术、激光技术、数模转换技术等方面的最新成就，使电视生产技术更趋向于数字化、集成化、模块化，是电视技术领域内由模拟技术全面转向数字技术的一场革命。

数字高清晰度电视的产业化将带动我国微电子制造业、电信业、电视系统、计算机软硬件、影视业等行业的发展，从而有力地拉动电子信息及相关产业的腾飞。

二、数字电视的标准

当前数字电视的标准主要有以下三种，如表1所示：

1、美国数字电视标准ATSC

美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准-ATSC。

美国HDTV地面广播频道的带宽为6MHZ，调制采用8VSB。

预计美国的卫星广播电视会采用QPSK调制，电缆电视会采用QAM或VSB调制。

2、欧洲数字电视标准DVB

从1995年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播（DVB-T）、数字电视卫星广播（DVB-S）、数字电视有线广播（DVB-C）的标准。

欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。

欧洲地面广播数字电视采用COFDM调制，8M带宽。

欧洲电缆数字电视采用QAM调制。

3、日本数字电视标准ISDB

日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。

并在1999年发布了数字电视的标准--ISDB。

美国标准ATSC

欧洲标准DVB

日本标准ISDB

地面

卫星

有线

地面

卫星

有线

地面

卫星

有线

调制方式

8VSB/16VSB

QPSK

QAM

2k/8kCOFDM

QPSK

QAM

分段COFDM

QPSK

QAM

视频编码方式

MPEG-2

MPEG-2

MPEG-2

音频编码方式

AC-3

MPEG-2

MPEG-2

复用方式

MPEG-2

MPEG-2

MPEG-2

三、数字电视相关技术

1.数字电视广播流程及实现手段

    数字电视广播，其信号流程包括制作（编辑）、信号处理、广播（传输）和接收（显示）几个过程。

    目前用于数字节目制作的手段主要有：

数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：

数字信号处理技术（DSP）、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：

地面广播传输、有线电视（或光缆）传输、卫星广播（DSS）及宽带综合业务网（ISDN）、DVD等；用于接受显示的手段有：

阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示（包括前投、背投）等。

2.数字电视关键技术

    以上所述的各种手段中包括了数字电视系统中各种主要的技术，全数字高清淅度电视对各种技术要求更高。

原国家科委所组织的HDTV总体组在攻关过程中涉及九个单位，包括七个专项课题。

这七个专项课题虽然不完全包括数字电视广播流程中的所有技术，但涉及了所有关键技术。

    在这七个专项课题中信源编解码、复用、信道编解码及调制解调是HDTV的技术核心。

 3.数字电视的信源编解码技术

    信源编解码技术包括视频压缩编解码技术及音频压缩编解码技术。

在我国的HDTV功能样机研制中，视频压缩编解码技术由上海交大、天津大学、电子科学研究院共同完成；音频压缩编解码技术由电子部三所完成。

 3.1视频编解码技术是HDTV的技术难点

    数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。

在1920×1080显示格式下，数字化后的码率在传输中高达995Mbit/s，这比现行模拟电视的传输信息量大得多。

因而数字电视的图像不能象模拟电视的图像那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。

    视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由995Mbit/s减少为20～30Mbit/s。

视频编码计算时主要有以下客观依据：

（1）图像时间的相关性。

视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量。

（2）图像空间的相关性。

例如图像中有一大块单一颜色，那么不必把所有像素存贮。

（3）人眼的视觉特性。

人眼对原始图像各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的失真处理，即使这些信息全部丢失了，人眼也可能觉察不到；相反，对人眼比较敏感的信息，则尽可能减少其失真。

（4）事件间的统计特性。

事件发生的概率越小，则其熵值越大，表示信息量越大，需分配较长的码字；反之，发生的概率越大，则其熵值越小，只需分配较短的码字。

3.2音频编解码技术

    与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。

声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。

    音频信号的压缩编码主要利用了人耳的听觉特性。

（1）听觉的掩蔽效应。

在人的听觉上，一个声音的存在掩蔽了另一个声音的存在，掩蔽效应是一个较为复杂的心理和生理现象，包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应。

（2）人耳对声音的方向特性。

对于2KHZ以上的高频声音信号，人耳很难判断其方向性，因而立体声广播的高频部分不必重复存贮。

3.3信源编解码的相关标准

    国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，主要用于电视会议的H.261，主要用于静止图像的JPMG标准，主要用于连续图像的MPEG标准。

    在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲、日本设有分歧，都采用了MPEG-2标准。

MPEG（MovingPictureExpertGroup）意思是"运动图像专家组"，压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。

    在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比公司（Dolby）的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。

    对于我国来说，今后信源编解码标准也会与美国、欧洲、日本一样采用MPEG-2标准。

3.4MPEG的相关应用

    MPEG-1已经广泛地用于VCD和CD-ROM等光盘产品中。

MPEG-2不仅已被国际上公认为HDTV信源压缩编码的标准，而且在许多方面得到了实际的应用，例如DVD就是应用了MPEG-2标准。

在国外MPEG-2解码器已做成芯片，而目前我国HDTV关键芯片仍需进口，这将制约我国HDTV的进一步发展及产业化。

4.数字电视的复用系统

数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。

从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。

接受端与此过程正好相反。

我国的HDTV功能样机，复用器部分由原广电部广播科学研究院研制开发。

4.1数据的打包功能提供了网络通信的接口

模拟电视系统不存在复用器。

在数字电视中，复用器把音频、视频、辅助数据的码流通过一个打包器打包（这是通俗的说法，其实是数据分组），然后再复合成单路。

目前网络通信的数据都是按一定格式打包传输的。

HDTV数据的打包将使其具备了可扩展性、分级性、交互性的基础。

付费电视是现在和将来电视发展的一个方向。

复用器可对打包的节目信息进行加扰，使其随机化，接收机具有密钥才能解扰。

4.2复用器的相关标准

    在HDTV复用传输标准方面，美国、欧洲、日本也没有分歧，都采用了MPEG-2标准。

美国已有了MPEG-2解复用的专用芯片。

我国恐怕也会采用MPEG-2作为复用传输的标准。

    HDTV数据包长度是188个字节，正好是ATM信元的整数倍。

今后以光纤为传输介质，以ATM为信息传输模式的宽带综合业务数字网极有可能成为未来"信息高速公路"的主体设施。

可用4个ATM信元来完整地传送一个HDTV传送包，因而可达到HDTV与ATM的方便接口。

5.数字电视的信道编解码及调制解调

    数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。

我们目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。

   数字传输的常用调制方式有：

    正交振幅调制（QAM）：

调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。

    键控移相调制（QPSK）：

调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。

    残留边带调制（VSB）：

抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。

    编码正交频分调制（COFDM）：

抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。

四、数字电视系统

目前已被采用的数字电视设备有：

数字特技、数字时基校正器、数字帧同步机、数字录像机、数字电视接收机等。

数字化设备可大大扩展特技功能，加强艺术效果。

从整个电视系统来说，发展数字电视可以分两步走：

（1）局部设备数字化。

即摄像机输出为模拟信号，经模拟、数字转换（A／D）变成数字信号，在演播室的数字设备中进行处理，如数字特技处理等，处理完后，又转换成（D／A）模拟信号，再用电视发射机发射。

接收机收到信号以后，检波成视频信号，再经A／D变换成数字信号，在接收机中进行数字处理（如数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、画中画等），再由D／A变换在显像管上显示出高度清晰、噪声很小的鲜艳图像。

（2）全系统实现数字化，即把要发送图像直接变换成数字信号，经编码压缩再变换成适合于传输的码型，在数字微波、数字光纤信道上传输，在接收端再将所收到的数据恢复成电视图像，在通道的所有环节上电视信号都是以数字形式传送的。

图l-l为演播室数字处理框图。

信号源为彩色摄像机送出R、G、B信号后，均经A／D变换成数字视频信号送至节目制作单元，同时还有数字录像机、数字特技以及数字制式转换器送来的信号均送入节目制作单元中，经节目制作以后的信号，再送至D／A变换器中，变成模拟信号，然后送往电视发射机。

图l-2为数字电视传输系统框图。

发端由摄像机产生彩色电视图像，经A／D变换后，变为数字视频信号送入信源编码中。

信源编码承担着图像数据压缩功能，它去掉信号中的冗余部分，使传输码率降低。

经信源编码后的图像信号送入多路复用器中与数字音频信号进行多路复用，然后送入信道编码器，信道编码即为纠错编码，提高信号在传输中的抗干扰能力。

这是因为数据码流经长距离传输后不可避免地会引入噪声而发生误码。

因此，加入纠错码以提高其抗干扰能力。

经纠错编码后的信号送入输出接口电路。

输出接口电路起码型变换作用，即把单极性码变成有利于传输的双极性码。

远距离传输时，可以采用数字微波线路，也可以采用数字光纤线路，以接力传输方式，站与站的距离可达50公里。

收端的过程与发端相反，接收端收下信号后，输入接口电路把双极性信号变为单极性信号，再送入信道解码中，在信道解码中可纠正由传输所造成的误码，然后信号送入解多路复用，再分别送入视频、音频处理电路中，还原成模拟的视频、音频信号。

图l-l演播室数字处理框图

图l-2数字电视传输系统框图

数字电视接收机框图如图l-3所示，电视接收天线接收下来的信号经高频通道、中频放大，然后，送至视频检波得到模拟信号。

再经A／D变换，变为数字信号，送入数字处理器中，进行数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、行频加倍、去闪烁处理、画中画处理等，最后送入D/A变换器中，变成模拟信号供显象管显示。

电视发射高频部分和电视接收高频通道部分均为模拟系统，这是因为在接近1000MHz频率要实现数字化,就目前的技术水平不可能完成。

图l-3数字电视接收机框图

对数字电视信号进行编码,可分为全信号编码和分量编码，如图l-4所示。

其中图（a）为全信号编码，图（b）为分量信号编码。

从图（a）可以看出，模拟全电视信号经A／D变换，变为数字信号，经数字处理后，再送入D／A变换，还原成模拟全信号。

全信号编码，从框图上看似乎很简单，但这种方法易造成亮、色干扰。

尤其对SECAM制（东欧国家彩色电视制式）来说，由于色差信号对副载频的调制方式是调频的，难于采用全信号编码，只能采用分量编码。

图（b）是分量信号编码框图，模拟全信号经A／D变换后，再经数字亮、色分离，分成数字亮度信号和数字色差信号，送入数字信号处理器中，经处理后的信号再经数字式全信号编码，然后经D／A变成模拟全信号。

该图虽增加数字亮、色分离和数字式全信号编码，但数字处理是对分量信号进行的，消除了亮、色干扰现象。

这种处理方式可使图像质量提高，因此应用较为广泛，国际标准也建议采用分量信号编码方式。

从数字电视发展的趋势来看，可有如下进程:

第一步实现普通电视的数字化，利用MPEG-l的国际标准，将数据率压缩到2.048Mb/s速率，其图像质量可优于家用录像机VHS的质量。

第二步按MPEG-2标准中的主级标准，将数据率压缩到8.448Mb/s，其图像质量可达现有电视演播室的质量。

第三步按MPEG-2的高级标准，将数据率压缩到20Mb/s左右，其图像质量可达HDTV的质量。

将来，人们不会只满足于HDTV，还会有更高级的电视。

例如，可能出现垂直和水平清晰度分别为现有电视的4倍和8倍的特高清晰度电视（UDTV）和超高清晰度电视（SDTV），扫描行数可达2248行，其图像质量可达70mm电影的水平。

图l-4全信号编码和分量编码

三、中国数字电视发展状况

数字电视产业有着非常巨大的投资商机，其机会蕴藏于数字电视产业链中的每一个环节。

在未来十年内，数字电视设备市场、数字电视网络运营、节目制作与集成及信息服务拥有非常大的市场潜力和机会。

目前我国的有线电视用户近1亿，随着有线电视及数字电视的发展，到2005年，有线电视用户将达到1.5亿。

根据广电总局的“十五规划”，2015年将关闭模拟电视，全部实现

3　结束语

数字电视技术是伴随着电脑、多媒体、因特网、卫星直播等高科技的推广和应用而出现的，因此它不仅是1954年第一台彩色电视机问世以来电视技术领域的又一场革命，而且将带动整个电信工业的技术革命，并将在一定程度上改变人类社会的生活质量和方式。

总体说来，中国在发展数字电视方面成就显著，紧跟新技术发展的步代，而且由于日本、美国、欧洲的制式之争，在客观上延误了统一数字电视格式的时间，也给中国数字电视的发展提供了一个前所未有的发展机遇。

因此，中国可以有一个机会，在相对接近的技术水平上，在一个新的数字电视的起点与各国竞争，中国不能放掉这个机会，中国也不会放掉这个机会。

数字HDTV是继黑白模拟电视、彩色模拟电视之后的第三代电视，其图象清晰度在水平和垂直方向比现行电视提高一倍以上，象素和信息量比现行电视增加约5倍。

采用30英寸以上的16：

9宽高比的大屏幕显示器观看，图象细腻逼真，在视觉效果上达到或接近35mm宽银幕电影的水平，并配以多路环绕立体声音响，有很强的临场感。

    数字高清晰度电视集成了近年来高速发展的超大规模集成电路、高分辨率大屏幕显示器件、高密度数字记录、计算机多媒体技术、数字通讯与传输技术、数字压缩与解压缩技术、激光技术、数模转换技术等方面的最新成就，使电视生产技术更趋向于数字化、集成化、模块化，是电视技术领域内由模拟技术全面转向数字技术的一场革命。

数字高清晰度电视的产业化将带动我国微电子制造业、电信业、电视系统、计算机软硬件、影视业等行业的发展，从而有力地拉动电子信息及相关产业的腾飞。

    一、各类电视有关概念的对比

    １．模拟传输与数字传输

    数字（Digital）在英语中原本是手指脚趾（Digit）这一名词的形容词形式，表示的"数值"或"离散值"等含意，例如：

0，1，……。

模拟（Analog）这个词的意思是指相似物或类似物，有"连续的数值"的含意。

    由上述词源可知，在传输方式上，模拟传输是把信息作为＂连续值＂处理；数字传输是把信息作为＂数值＂处理。

即：

在振幅调制和频率调制这样的模拟传输方式中，是让载波的振幅和频率等参数与所有发送信息成比例的变化，以此来实现信息的传输；而在数字传输方式中，通常是采用载波，但也会用脉冲串取代载波，并根据脉冲的有无来实现信息的传输。

所以在传输中，数字信号比模拟信号抗干扰能力强。

    2．模拟电视与数字电视

    数字高清晰度电视作为一种全数字电视，实现了电视节目摄、录、播、发、输、收整个系统的数字化，是对现有电视广播系统的整体变革。

具体来讲，数字高清晰度电视采用数字摄像机、数字录像机等数字设备完成节目的制作和编排，电视台发射传输和电视接收机接收到的载波信号均为数字载波信号，电视接收机内部则全部采用数字信号处理电路。

数字电视与模拟电视的最大区别在于：

数字电视载波传输的为数字信号，模拟电视载波传输的为模拟信号。

因此，数字电视与传统模拟电视系统和近年来市场上出现的载波仍然传输模拟信号、仅在电视接收机内部信号处理电路上作部分数字化处理的数字化彩电相比有了质的变化。

模拟电视

数字电视

描述

采用模拟信号传输电视图象、伴音、附加功能等信号

采用数字信号传输电视图象、伴音、附加功能等信号

信源编解码

因为信号数据量不大，所以不存在信息编码压缩问题

电视信号数字化后，其信号的数据传输率很高，可达1Gbit/s，因而必须具有良好的数据编码压缩技术，这是数字电视首要技术难点

复用

无复用器，视频、音频信号分别传输

将编码后的视频、音频、辅助数据信号分别打包后复合成单路串行的比特流，这使数字电视具备了可扩展性、分级性、交互性、与网络互通性的基础

信道编解码调制解调

图象信号按行、场排列，并具有行、场同步信号、前后均衡脉冲等，并对视频信号有补偿处理。

调制方式一般采用调频或调幅

因为有压缩及复用，因而传送时的信号不再有场、行标志及概念。

通过纠错、均衡来提高信号抗干扰能力，调制采用QAM、COFDM等新方法。

而且同一种调制方法随着技术的改进，传输效率会得到大幅提高，每套节目所占的带宽会越来越小

特点

信号数据量少，技术成熟，价格便宜

信号不易在传输中失真，清晰度高。

占用频带窄，例如PAL信道可播放四套标准格式数字电视。

数字电视信号可方便地在数字网络中传输,与计算机具有良好接口,或许数字电视今后象计算机一样具有插板结构、可进行系统升级。

3．数字化电视与数字电视

    所谓数字化电视就是在现有模拟彩色电视机体制下，充分利用目前数字图象处理和微电子技术的成果，对模拟的彩色电视信号图象进行数字化的处理，以求获得更好的图像重现的效果。

从本质上讲，数字化电视仍属于模拟电视的范畴。

    数字化电视与数字电视二者之间最大的区别是数字化电视的图象、伴音传输信号仍为模拟信号，数字电视的图象、伴音传输信号是数字信号；二者的共同之处在于在电视接收机的信号处理上都不同程度地采用了数字处理技术。

    数字化电视与模拟电视的最大区别是信号处理方法的不同。

    显然数字化电视是从模拟电视至数字电视的一种过渡性产品，按一台电视机10年的使用奉命寿命计，在实现全数字电视之前，我国现有的电视至少还要更新一次。

与数字电视相比，数字化电视便宜得多；与模拟电视相比，数字化电视有以下优点：

（1）采用双倍扫描技术，清除了目前50场/秒扫描带来的大面积闪烁感，对眼睛有益；

（2）实现了逐行显示的标准ＶＧＡ图象，可成为计算机终端显示器；（3）数字降噪技术可减轻画面噪点；（4）数字梳状滤波器使亮色完全分离，消除串扰；（5）易于实现多视窗、画中画、画外画、视窗放大、静止画面等功能。

    4．普通电视与高清晰度电视

    随着社会的发展，普通电视的显示效果已逐渐不能满足人们的需求，人们追求的目标是增强观看电视的真实感，也就是要使观看者有身临其境的感觉。

有关人员研究的结果表明必须增加图象的宽度，使它和人的视觉系统的视场相适应，这就要使图象的总面积增加。

可以通过改善普通电视的宽高比和增加屏幕尺寸来实现这个目标，但仅采取这个措施是不行的，这样会使观看者感到图象的分解力下降，并使行的结构明显。

要避免这一点，就需采用有能产生更多扫描线的新的扫描格式，同时在模拟电视情况下，传输带宽就要增加以便容纳更高的水平分辨力和更宽的图象格式。

    一般来说，高清晰度电视系统的设计要求是需达到观看者在图象高度的大约3倍距离处能看到或接近看到图象清楚细节的程度，使视力正常的观看者具有看原始景物的感觉，图象质量的视觉效果可达到或接近35mm宽银幕电影的水平。

高清晰度电视具有以下鲜明的特点：

（1）图象清晰度在水平和垂直方向上均