第四章 数字电视基础

第四章数字电视基础4.1数字电视技术概述4.2音、视频信号的数字化4.3数字电视标准4.1数字电视技术概述从70年代开始，随着大规模集成电路、大容量半导体存储器和计算机技术的飞速发展，数字技术被越来越多的用于模拟电视信号的处理，进入了模拟电视数字化的新阶段。这一阶段以电视演播室的数字化为先导、数字电视制式转换器、帧同步机等相继问世。数字电视代表着现代电视技术的发展潮流，日益成为现代电视系统的主流。世界电视技术发展经历了一下三个阶段：第一代黑白电视，第二代模拟彩色电视，第三代高清晰度电视。下一页返回4.1数字电视技术概述4.1.1什么是数字电视数字电视最早诞生在90年代的德国，德国的ITT公司推出了世界上第一台数字彩色电视机，但这台数字彩色电视机成本很高。原因是它使用了帧存储器，当时集成电路的生产技术比较落后，电路密度很低，所以成本很高。这台数字彩色电视机功能很简单，但在技术上已达到了非常高的水平，如，用数字滤波技术进行Y/C分离和场闪烁处理。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述在此基础上，后来人们发明了画中画（PIP）电视，而后又发明了插行电视机，或叫改善清晰度电视机IDTV（Improved-DefinitionTelevision），也就是现在的倍行、倍场等电视机。这些电视机都是只对视频信号做一些很简单的数字技术处理，图像质量并没有明显提高，但当时被人们认为是数字电视，我们国家也把这种电视机定义为数字电视机，并制订了数字电视机标准，这个标准一直沿用到2000年。国外的全数字信号电视机早已诞生，并于上个世纪90代就已开始进行数字信号广播，如DVB、HDTV等。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述数字电视的发展，最早要追溯到60多年前的傅立叶变换理论，它奠定了数字电视技术的基础。MPEG信源编码技术标准的诞生，标志着数字电视技术已经基本成熟。MPEG信源编码技术中最重要的两项分别为：霍夫曼编码（Huffmancoding），差动脉冲编码调制（DPCM）。数字电视技术的基础是：模数转换A/D（Analog-to-DigitalConverter）和编码（Coding）技术。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述什么是数字电视呢？“数字电视”的含义并不是指具体的电视机，而是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。具体过程为：电视台发出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，由卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送出去，由数字电视接收后，通过数字解调和数字音、视频解码处理还原出原来的图像及伴音。在整个过程中没有D/A和A/D转换，仅在显像管激励终端和扬声器推动终端用D/A转换还原出负极性图像信号和正弦波音频信号；因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述4.1.2数字电视的优点传统的模拟电视广播存在一系列问题与缺陷，不能满足人们对高品质视听生活的不断追求。主要缺点如下：1）模拟电视图像清晰度差，存在亮色干扰、大面积闪烁现象，节目源不能多次复制。2）模拟电视带宽受限很大，模拟PAL制电视在8MHz带宽内只能传送1路模拟视频和模拟音频信号，由于同频及邻频干扰，增加新频道难度很大。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述3）模拟电视抗干扰能力差，接力传输产生噪声使信噪比不断恶化，图像损伤越来越严重，不能实现远距离传播。4）模拟电视稳定度及可靠性差，存在时域混叠、调整复杂、不便于集成及不易实现自动控制等缺点。数字电视具有以下优点：1）采用数字传输技术，可提高信号的传输质量，不会产生噪声累积，信号抗干扰能力大大增强，接收端几乎能无失真的复原。2）彩色逼真，无串色，不会产生信号的非线性和相位失真的累积。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述3）可实现不同分辨率等级(SDTV、HDTV)的接收，适合大屏幕及各种显示器。4）可移动接收，无重影。5）可在一个频道上传播4-8路SDTV节目，可实现多路数字环绕立体声，同时还有多语种功能。6）易于实现加密/解密和加扰/解扰处理，便于开展各类收费业务，这是数字电视的重要增值点，也是数字电视快速滚动式发展的基础。7）利用数字技术（如三维滤波、空间几何变换）产生各种特技形式，增强了节目的艺术效果和视觉冲击力。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述8）具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道网络中传输。4.1.3数字电视的发展（了解）1．国际发展概况数字电视技术最先出现在欧洲，自20世纪80年代开始，欧洲几个电视技术较先进的国家，如德国、法国、英国，都开始研究数字电视技术。德国的ITT公司推出了世界上第一台数字视频处理彩色电视机。MAC1、MAC2、MAC3（多模上一页下一页返回4.1数字电视技术概述拟分量分时传输技术）等都是在欧洲诞生的。随后开始了第三代数字卫星电视节目广播，当时数字技术已十分先进，它已经能够同时传播一路标准清晰度电视节目和多路伴音广播，并于1992年通过卫星进行了巴赛罗纳奥运会的实况转播。最早提出高清晰度电视这个概念的是日本，1984年日本NHK（日本广播协会）宣布了世界上第一个高清晰度研究方案，首先在卫星广播中采用了模拟调频技术的MUSE（多重亚抽样编码）系统，并于1988年开始了汉城奥运会试播。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述1990年美国的通用仪器公司（GeneralInstrument,GI）在电视传播信号的数字压缩方面取得了轰动世界的突破，实现了高清晰度电视广播频宽不超过6MHz的目标，这预示着美国全数字式HDTV电视研究的初步成功，同时也使美国在高清晰度电视技术上后来者居上，一举超过了日本和欧洲。1998年11月，11家电视台同时进行HDTV地面广播。荷兰在2006年底开始回收模拟频谱，成为全球首个全数字电视国家。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述法国在西欧国家来说算是数字电视起步相对较晚的国家，其数字地面广播平台直到2005年才正式开播(英国为1998、德国2002、意大利为2003)。英国在2007年3月宣布回收模拟频道，07年10月，一个称为Cumbria的小镇率先关闭模拟电视，直到2012年回收模拟频谱工作。2．国内发展概况我国数字电视的发展相比于国际比较落后，1995年中央电视台开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向上一页下一页返回4.1数字电视技术概述有线电视台传送4套加密电视节目。1998年6月，我国第一台自主研发的HDTV样机问世，并于同年9月在中央电视塔进行HDTV节目试播，1999年10月1日成功进行50年国庆阅兵直播。2003年我国启动广播电视数字化，2005年开展了数字卫星直播业务。2015年我国将停止模拟电视播出，实现数字电视有线、卫星和无线的全国覆盖。4.1.4数字电视的核心技术上一页下一页返回4.1数字电视技术概述1．信源编解码技术所谓信源是指字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据。信源编解码技术包括视频压缩编解码和音频压缩编解码技术。为什么要压缩编解码？如要显示1920×1080i的高清节目图像，其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。因而高清数字电视的图像不能直接传输，要对电视信号进行数字压缩编码。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述信源编码的主要任务是解决图像信号的压缩和保存问题。在数字电视的视频压缩编解码标准方面，国际上统一采用了MPEG2（活动图像专家组）标准。在音频压缩编解码方面，欧洲、日本采用了MPEG2标准；美采用杜比AC-3标准。2.信道编码技术经过信源编码产生的节目码流，要通过传输媒介（传输信道）才能到达接收端。传输信道主要有三种：卫星、有线和地面信道。通常，编码码流不能直接通过传输信道进行传上一页下一页返回4.1数字电视技术概述输，而要经过各种处理，使之适合在规定信道中传输。通信原理上，这种处理称为信道编码与调制。信号经过任何信道传输都会产生失真，这些失真导致接收端数字信号的误码（接收端1和0的错误判决）。为了克服传输过程中的误码，针对不同的传输信道，必须设计不同的信道编码方案和调制方案。数字电视信道编码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡技术等提高信号的抗干扰能力。例如数字电视系统采用RS编码或卷积码进行信道编码。其原理如下：上一页下一页返回4.1数字电视技术概述数字彩色信号在传输过程中，一般不是按电视机的扫描顺序来传送信号的，因为如果信号按顺序传送，信号在传输过程中出错时，则电视画面上会在某个地方集中出现一大片马赛克，使人看起来非常不舒服；如果信号不按顺序传送，而是按某种分布规律来传送，同样出错时，马赛克会被均匀地散布在整个画面上，使人可以接受。这种错位传输信号的方法称为RS编码或卷积码。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述信道编码的要求(1)增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率高，抗干扰能力强；(2)传输通道对于传输的数字信号内容没有任何限制；(3)传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性；(4)编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码；上一页下一页返回4.1数字电视技术概述(5)编码的数字信号具有适当的电平范围；(6)发生误码时，误码的扩散蔓延小。其中，最主要的可概括为两点。第一，附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力，这就涉及到差错控制编码原理和特性。其二，数据流的频谱特性要适应传输通道的通频带特性，以求信号能量经由通道传输时损失最小，有利于载波噪声比(载噪比，C/N)的提高，发生误码的可能性小。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述4.1.5数字电视系统的组成数字电视系统的组成如图4-1所示。发端由摄像机产生彩色电视图像、音频信号，经A/D变换后，变为数字音、视频信号送入信源编码中。信源编码的目的是对图像和音频数据进行压缩，去掉信号中的冗余部分，降低传输码率。然后，压缩后的数字视、音频数据信号送入传输流复用，（传输流复用完成多套节目复用功能）。然后，送入信道编码和调制器中，包括纠错编码和各种信号处理以及数字调制的功能，提高信号的抗干扰能力。因为数据码流经长距离传输后不可避免会混入噪声而发生误码。上一页下一页返回4.1数字电视技术概述经编码和调制后的信号再经输出接口电路送入传输线路。远距离传输线路，可以采用数字光纤、数字卫星，也可以采用数字微波线路，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，接收端通过输入接口电路把信号送入信道解码和数字解调器，经数字解调和信道解码可纠正由传输所造成的误码，然后将信号送入解多路复用，最后再分别送入视频、音频解压缩处理电路中，还原成模拟的视频、音频信号。返回上一页4.2音视频信号的数字化彩色模拟电视信号的数字化一般采用脉冲编码调制（PCM）方式，又称为编码器，包括采样、量化和编码3个过程，是产生数字电视信号的主要方法。模拟信号数字化框图如图4-2所示，其中fc为滤波器的截止频率，fs为取样频率。取样是将时间上连续的模拟信号转变为时间离散的信号。量化是将幅度连续信号转换为幅度离散编码是按照一定的规律，将时间和幅度上离散的信号编成二进制或多进制代码。PCM编码如加图4-3所示。4.2.1取样下一页返回4.2音视频信号的数字化1．取样定理（奈奎斯特定理）如果对一个最高频率为fm的时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时间间隔(取样周期)为Ts，取样频率为fs＝1/Ts，当取样频率满足时，通过这些离散的样点值可以不失真地恢复出原来的模拟信号。根据取样定理fs≥2fm（4.1）上一页下一页返回msff2Ts14.2音视频信号的数字化为便于D/A后还原信号，根据实验有：fS≥2.2fm（4.2）2取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置，有正交结构和行交叉结构等。在数字电视中一般采用正交结构，如图4-3