商丘工學(xué)院 劉彥甲 晉會(huì)杰

1.數(shù)字電視的概述

1.1 數(shù)字電視的內(nèi)涵及原理

所謂數(shù)字電視，是將傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號(hào)，然后進(jìn)行各種功能的處理、壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和記錄，也可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、檢測(cè)和控制，通俗的說(shuō)就是數(shù)字電視在拍攝、編輯、制作、播出、傳輸、接收等電視信號(hào)播出和接收全過(guò)程都使用數(shù)字電視技術(shù)的現(xiàn)代電視技術(shù)[1]。

如圖1-1所示數(shù)字電視系統(tǒng)的方框圖[2]。

1.2 數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)

（1）抗干擾能力強(qiáng)

（2）易于存儲(chǔ)

（3）頻道利用率高

（4）伴音質(zhì)量好

（5）易于三網(wǎng)合一

（6）畫面質(zhì)量高

此外，數(shù)字電視還允許不同類型、不同等級(jí)、不同制式（屏幕的寬高比，立體聲伴音的通道數(shù)目）的信號(hào)在同一信道中傳輸，用同一臺(tái)電視接收機(jī)接收，甚至是雙向傳輸。可以說(shuō)多信息、高質(zhì)量和多功能是數(shù)字電視的總特征。

2.數(shù)字電視的分類

2.1 LDTV（200—300線）即低清晰度電視

LDTV主要是對(duì)應(yīng)現(xiàn)有VCD的分辨率量級(jí)。采用MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的VCD將逐漸被采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的DVD所替代，因而LDTV將逐漸被淘汰。

2.2 SDTV（500—600線）即標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視

SDTV主要是對(duì)應(yīng)現(xiàn)有電視分辨率量級(jí)，其圖像質(zhì)量為演播室水平，數(shù)字SDTV的接收主要是通過(guò)普通電視機(jī)上增加機(jī)頂盒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將使用戶充分利用現(xiàn)已購(gòu)買的普通模擬電視機(jī)的資源。數(shù)字SDTV與普通模擬電視機(jī)的圖像顯示行數(shù)一樣，數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)格式（SDTV）的數(shù)字電視機(jī)提供的影像，聲音質(zhì)量均超過(guò)現(xiàn)有電視機(jī)的水平，模擬信號(hào)抗干擾能力差，造成雪花、噪聲、重影、閃爍等不良效果，應(yīng)用數(shù)字SDTV可以最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有電視的顯示效果，此外數(shù)字SDTV與普通模擬電視的圖像顯示行數(shù)一樣，但可以帶來(lái)多樣性的服務(wù)，如交互式電視教育，視頻點(diǎn)播等，為“三機(jī)合一”，“三網(wǎng)融合”提供了技術(shù)上的可能性。機(jī)頂盒經(jīng)技術(shù)發(fā)展可以開(kāi)通上行通道，為有線電視開(kāi)設(shè)高速互連網(wǎng)等其他業(yè)務(wù)打下基礎(chǔ)。

圖1-1 數(shù)字電視系統(tǒng)方框圖

2.3 HDTV（1000線以上）即高清晰度電視

高清晰度電視，圖像質(zhì)量可達(dá)到或接近35mm寬銀幕電影的水平。按照國(guó)際電信聯(lián)盟CCIR的定義，高清晰度電視是一個(gè)具有正常視覺(jué)的觀眾在距離該系統(tǒng)顯示屏高度的三倍距離上所看到的圖像質(zhì)量應(yīng)具有觀看原始景物或看表演時(shí)所得到的質(zhì)量，它要求HDTV圖像的水平與垂直分解率較常規(guī)電視提高一倍以上，其圖像有效掃描線在1000行以上，每行有效像素達(dá)1920，信息是常規(guī)電視的5倍多，其顯示屏寬高比為16:9，水平視角30°，更符合人們的視覺(jué)特性。其圖像質(zhì)量高，伴音則采用多個(gè)聲道，具有環(huán)繞立體聲效果，并可加一個(gè)重低音聲道，每一個(gè)聲道的收聽(tīng)質(zhì)量與激光唱盤（CD）相當(dāng)。目前，世界各國(guó)的HDTV毫無(wú)例外地均采用數(shù)字電視信號(hào)及數(shù)字傳輸技術(shù)[3]。

HDTV目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，一些有影響的國(guó)際組織及一些從事HDTV研究較早的國(guó)家，相繼提出一系列技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

（1）圖像尺寸和寬高比

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，畫面尺寸越小，圖像質(zhì)量主觀感覺(jué)越好；圖像尺寸越大，重現(xiàn)圖像的真實(shí)感越強(qiáng).對(duì)高清晰度電視而言，畫面面積應(yīng)超過(guò)8000cm2，此時(shí)圖像的真實(shí)感及臨場(chǎng)感好；畫面寬高比為16:9。

（2）掃描行數(shù)及場(chǎng)頻

根據(jù)人眼視覺(jué)系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)和主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，當(dāng)觀看距離為顯示屏高度的3倍以上時(shí)，HDTV的掃描行數(shù)要求在1200行左右，此時(shí)圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)良好，目前已提出1050行、1125行和1250行幾種制式，最好的為1250行 。

（3）隔行掃描比

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，HDTV系統(tǒng)采用2:1的隔行掃描比較合適。倘若HDTV用于電影制作，則不能用隔行掃描而必須采用逐行掃描。

（4）音、色信號(hào)傳送方式及帶寬

人眼視覺(jué)系統(tǒng)的彩色感覺(jué)特性與亮度感覺(jué)特性相比較，前者頻帶比后者頻帶窄得多。同時(shí)考慮到為傳輸彩色圖像信息方便起見(jiàn)，采用亮、色信號(hào)分離的傳輸方式是最好的方法。亮度信號(hào)的帶寬與掃描行數(shù)及畫面寬高比有關(guān)，在2:1隔行掃描，9:6（5:3）幅度的情況下，其掃描行數(shù)分別為1050行和1125行時(shí)，亮度信號(hào)的帶寬將分別為21.9MHz和25MHz，比現(xiàn)行625行電視制式寬的多。為適應(yīng)近距離觀看時(shí)的主觀評(píng)價(jià)要求，其亮度信號(hào)帶寬與色度信號(hào)帶寬之比約為3:1。

3.數(shù)字電視的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

數(shù)字高清晰度電視與模擬電視相比，最為重要的是技術(shù)上對(duì)視頻信號(hào)的壓縮，在1920×1080顯示格下，數(shù)字化后的碼率在傳輸中高達(dá)995Mbit/s。這比現(xiàn)行模擬電視的傳輸信息量大得多。因而數(shù)字電視的圖像不能像模擬電視的圖像那樣直接傳輸，而是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮編碼。視頻編碼技術(shù)主要功能是完成圖像的壓縮，像數(shù)字電視的信號(hào)傳輸量由995Mbit/s減少為20—30Mbit/s，視頻編碼計(jì)算時(shí)主要有以下客觀依據(jù)：

3.1.1 視頻編碼壓縮技術(shù)

（1）圖像時(shí)間的相關(guān)性

視頻信號(hào)由連續(xù)圖像組成，相鄰圖像有很多相關(guān)性。減少這些相關(guān)性就可以減少信息量。

（2）圖像空間的相關(guān)性

例如圖像中有顏色相同的綠地，那么不必把所有的像素存儲(chǔ)。

（3）人眼的視覺(jué)特性

人眼對(duì)原始圖像各處失真敏感度不同，對(duì)不敏感的無(wú)關(guān)緊要的信息給予較大的失真處理。人眼覺(jué)察不到；相反，對(duì)人眼比較敏感的信息，則盡可能減少其失真。

（4）事件間的統(tǒng)計(jì)特性

事件發(fā)生的概率越小，則其熵值越大，表示信息量越大，需分配較長(zhǎng)的碼字；反之，發(fā)生的概率越大，則其熵值越小，只需分配較短的碼字。

圖像壓縮編碼的具體方法雖然還有多種，但大都是建立在上述基本思想之上的。已被有關(guān)國(guó)際組織定為壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)CCIR601-取樣標(biāo)準(zhǔn)；JPEG靜止圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)；H.261標(biāo)準(zhǔn)即會(huì)議電話和可視電話的標(biāo)準(zhǔn)；MPEG運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-1主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像和聲音在數(shù)字存儲(chǔ)時(shí)的壓縮編碼，MPEG-2它是活動(dòng)圖像包括HDTV傳輸標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2可采用多種編碼工具并實(shí)現(xiàn)不同層次的清晰度，分別稱為MPEG-2的類和級(jí)，MPEG-2的基本編碼過(guò)程與H.261相似，即通過(guò)DCT進(jìn)行幀間壓縮。除了在編碼語(yǔ)法上加進(jìn)了一些特別規(guī)定外，與H.261的一個(gè)重要不同是MPEG在預(yù)測(cè)編碼中加進(jìn)了一個(gè)雙向預(yù)測(cè)幀—B幀[5]。

利用MPEG-1的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)普通電視的數(shù)字化，將數(shù)據(jù)率壓縮到2.048Mb/s速率，其圖像質(zhì)量可優(yōu)于家用錄像機(jī)VHS的質(zhì)量。按MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中的主級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)率壓縮到8.448Mb/s。其圖像質(zhì)量可達(dá)現(xiàn)有電視演播室的質(zhì)量。按MPEG-2的高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)率壓縮到20Mb/s。其圖像質(zhì)量可達(dá)HDTV的質(zhì)量。

3.1.2 音頻壓縮技術(shù)

與數(shù)字圖像信號(hào)的壓縮編碼相同，數(shù)字聲音信號(hào)壓縮編碼的目的是降低聲音信號(hào)中的冗余和去掉聲音信號(hào)中不相關(guān)部分（不能被人耳感覺(jué)到的信號(hào)），將數(shù)字聲音的信息量減小到最小程度，但又能滿意地再現(xiàn)原始聲音的質(zhì)量。聲音信號(hào)數(shù)字化后，信息量比模擬傳輸狀態(tài)大得多，因而數(shù)字電視的聲音不能像模擬電視的聲音那樣直接傳輸，而是要多一道壓縮編碼工序。

音頻信號(hào)的壓縮編碼主要利用了人耳的聽(tīng)覺(jué)特性：

（1）聽(tīng)覺(jué)的掩蔽效應(yīng)

在人的聽(tīng)覺(jué)上，一個(gè)聲音的存在掩蔽了另一個(gè)聲音的存在，掩蔽效應(yīng)是一個(gè)較為復(fù)雜的心理和生理現(xiàn)象，包括人耳的頻域掩蔽效應(yīng)和時(shí)域掩蔽效應(yīng)。

（2）人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率特性

人耳能聽(tīng)到的音頻范圍為20Hz-20KHz，因而在這范圍以外的我們聽(tīng)不到的信號(hào)對(duì)其不進(jìn)行傳輸、編碼，從而降低了碼率。

（3）人耳的聽(tīng)閾特性

在20Hz～20KHz的可聽(tīng)聲音信號(hào)，即使在安靜的環(huán)境下，只有聲壓級(jí)超過(guò)某一閾值時(shí)人耳才能聽(tīng)到。

（4）人耳的方向特性

實(shí)驗(yàn)證明，人耳對(duì)2KHz以上的高頻率聲音信號(hào)不具有方向特性，在聲音編碼中也可利用此特性。把多個(gè)聲道信號(hào)的高頻部分耦合到一個(gè)公共聲道，以達(dá)到壓縮編碼的目的。

（5）聲音信號(hào)本身的冗余信息

數(shù)字音頻信號(hào)常用的壓縮編碼方法有3種：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼三種。

3.2 信道編碼及調(diào)制解調(diào)

數(shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過(guò)糾錯(cuò)編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等技術(shù)提高信號(hào)的抗干擾能力。通過(guò)調(diào)制把傳輸信號(hào)放在載波或脈沖串上，為發(fā)射做好準(zhǔn)備。我國(guó)目前所說(shuō)的各國(guó)數(shù)字電視的制式，標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一，主要是指各國(guó)在該方面的不同，具體包括糾錯(cuò)、均衡等技術(shù)的不同，帶寬的不同，尤其是調(diào)制方式的不同。

數(shù)字傳輸?shù)某Ｓ谜{(diào)制方式有三種：鍵控相移調(diào)制(QPSK)，調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛(wèi)星廣播；正交振幅調(diào)制(QAM)，調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸；殘留邊帶調(diào)制(VSB)，抗多徑傳播效應(yīng)好(即消除重影效果好)適合地面廣播[6]。

3.3 數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)

數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)是HDTV的關(guān)鍵部分之一，從發(fā)送端信息的流向來(lái)看，它將視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來(lái)的數(shù)據(jù)比特流，經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流，送給信道編碼及調(diào)制。接收端正好與此過(guò)程相反。

3.3.1 數(shù)據(jù)的打包功能提供了網(wǎng)絡(luò)通信的接口

模擬電視系統(tǒng)不存在復(fù)用器。在數(shù)字電視中，復(fù)用器把音頻、視頻、輔助數(shù)據(jù)的碼流通過(guò)一個(gè)打包器打包（這是通俗的說(shuō)法，其實(shí)是數(shù)據(jù)分組）。然后再?gòu)?fù)合成單路。目前網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)都是按一定格式打包傳輸?shù)?。HDTV數(shù)據(jù)的打包使其具備了可擴(kuò)展性、交互性的基礎(chǔ)。付費(fèi)電視是現(xiàn)在和將來(lái)電視發(fā)展的一個(gè)方向。復(fù)用器可對(duì)打包的節(jié)目信息進(jìn)行干擾，使其隨機(jī)化，接收機(jī)具有密鑰才能解擾。

3.3.2 復(fù)用器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在HDTV復(fù)用傳輸方面，美國(guó)、歐洲、日本都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)已有了MPEG-2解復(fù)用的專用芯片。我國(guó)恐怕也會(huì)采用MEPG-2作為復(fù)用傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)[7]。

HDTV數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是188個(gè)字節(jié)，正好是ATM信元的整數(shù)倍，今后以光纖為傳輸介質(zhì)，以ATM為傳輸方式的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)極有可能成為未來(lái)“信息高輸公路”的主體措施?？捎?個(gè)ATM信元來(lái)完整傳輸一個(gè)HDTV傳送包，因而可達(dá)到HDTV與ATM的方便接口。

4.數(shù)字電視的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 數(shù)字電視將取代模擬電視

隨著數(shù)字有線電視技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的日益成熟，普通數(shù)字電視（PDTV）將會(huì)逐漸取代模擬電視。電視臺(tái)同時(shí)發(fā)送模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，利用相當(dāng)于現(xiàn)行模擬電視水平的機(jī)頂盒接收，價(jià)格可以完全控制在幾百元。利用現(xiàn)在市面上較新的數(shù)字化彩電，可以同時(shí)接收模擬和數(shù)字電視信號(hào)。隨著機(jī)頂盒的降價(jià)，估計(jì)8-15年后，我國(guó)就可以不再發(fā)送模擬信號(hào)，而全部發(fā)送數(shù)字信號(hào)了。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SDTV）電視機(jī)取代模擬電視機(jī)

新推出的彩電和機(jī)頂盒按數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，PDTV仍然可以利用，只不過(guò)達(dá)不到預(yù)定的水平。經(jīng)過(guò)自然更新和換代，現(xiàn)有的3億多臺(tái)電視機(jī)和每年增加的兩萬(wàn)多臺(tái)電視機(jī)將逐漸過(guò)渡為SDTV電視機(jī)。SDTV圖像水平清晰度達(dá)到500線以上。相當(dāng)于DVD的水平。這種標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視系統(tǒng)是今后幾年我國(guó)廣播電視發(fā)展的重點(diǎn)，因?yàn)樗c現(xiàn)行彩色顯像管的極限清晰度（大于500線）是相適應(yīng)的。是一種投資少、見(jiàn)效快的方法。并且，彩電和機(jī)頂盒將會(huì)合二為一，估計(jì)這種標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視在我國(guó)將很快實(shí)現(xiàn)[8]。

4.3 高清晰度電視（HDTV）的實(shí)現(xiàn)和推廣

我國(guó)黑白電視機(jī)從1958年誕生到普及，用了18年時(shí)間，而彩色電視機(jī)只用了12年時(shí)間就得到了普及。由于現(xiàn)存的模擬電視機(jī)數(shù)量巨大，SDTV電視機(jī)完全取代模擬電視機(jī)要用10年左右的時(shí)間。隨著數(shù)字芯片和生產(chǎn)成本的下降，HDTV電視機(jī)的誕生和推廣普及，所用時(shí)間將會(huì)快的多，到那時(shí)，我國(guó)HDTV的消費(fèi)將會(huì)啟動(dòng)，數(shù)字電視完全進(jìn)入家庭就指日可待了[9]。

[1]余兆明,余智.數(shù)字電視原理[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2]劉文開(kāi),劉遠(yuǎn)航.地面廣播電視技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[3]Mujdat Cetin.Feature-enhanced synthetic aperture radar imaging.Boston University,Doctor Dissertatio.2001.

[4]余兆明.數(shù)字電視和高清晰度電視[M].北京:人民郵電出版社,1997.

[5]劉修文.衛(wèi)星數(shù)字電視直播接收技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6]鄭雯,翟希山,王志廣.數(shù)字電視原理、傳輸與接收[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[7]倪維楨,高鴻翔.數(shù)據(jù)通信原理[M].北京:人民郵電出版社,1997.

[8]徐孟俠.數(shù)字電視的發(fā)展[J].通信學(xué)報(bào),1995(5).

[9]婁天峰,黃津浦.發(fā)展中的中國(guó)數(shù)字電視[J].電視技術(shù),2003(7).