数字电视相关技术及应用

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    前 言

     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是普通电视的2倍以上。（2）扩大了彩色重显范围，使色彩更加逼真，还原效果好。（3）画面宽高比从普通电视的4：3变为16：9，符合人眼的视觉特性。（4）具有高保真多声道环绕立体声。（5）具有大屏幕显示器。
     从高清晰度电视的发展过程来看，高清晰度电视有模拟高清晰度电视及数字高清晰度电视。但目前全数字化是各国电视发展的统一趋势，因而现在一般所说的HDTV应该特指数字高清晰度电视。
     5．数字ＳＤＴＶ与数字ＨＤＴＶ
     数字电视（Digital TV）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（High Definition Television）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。
     采用MPEG-1标准的VCD将逐渐被采用MPEG-2标准的DVD所替代，因而LDTV将被逐渐淘汰。SDTV与HDTV&9;均符合MPEG-2标准。虽然数字高清晰度电视是世界电视发展的趋势，但对于我国来说，在HDTV普及之前，至少还有10年以上的过渡期，这为SDTV的应用提供了条件。数字SDTV的接受将主要通过普通电视上增加机顶盒的方式来实现，这将使用户充分利用现已购买的普通模拟电视的资源。
     数字SDTV与普通模拟电视的图象显示行数一样，那么为什么还用机顶盒来接收SDTV呢？原因是数字信号的抗干扰能力强，标准格式（SDTV）的数字电视机提供的影像、声音质量均超过现有电视机的水平。用户对目前的模拟电视显示效果不满意，一个重要的原因不是显示器分辨率不够，而是模拟信号抗干扰能力差，造成了雪花、噪声、重影、闪烁等不良后果。应用数字SDTV可以最大限度地发挥现有电视的显示效果。此外，虽然数字SDTV与普通模拟电视的图象显示行数一样，但可以带来多样性的服务，如交互式电视教育、视频点播等，为"三机合一"、"三网融合"提供了技术上的可能性。
     概括起来说，模拟电视是目前常用电视，数字化电视及数字SDTV是过渡性产品，数字HDTV是今后的发展方向。

    二、数字电视相关技术简介
     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&9;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（Moving Picture Expert Group）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。
     3.4 MPEG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。
     4.3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。
     5.1数字传输的常用调制方式
     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。
     5.2美国数字电视的标准
     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。我国的HDTV样机由浙江大学承担了8VSB的信道编解码及调制解调部分的研制工作。
     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。我国的HDTV样机，原电子部飞虹公司承担了COFDM制式的信道编解码及调制解调部分的研制工作。
     5.4日本数字电视的标准
     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。
     各国数字电视标准对比
    
    
    
    
     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、数字电视前景分析
     1. 政府应该在数字电视推广中给予巨大支持
     国外公司意识到数字高清晰度电视技术复杂度高，产业规模大，竞争风险大，在操作层面上采取了战略合作的方式。如美国早期的"大联盟"，英国的"数字电视集团"等。这些集团在完成联合研究开发的同时，说服政府和广播者对其支持，同时协调相关产业（计算机和通信等）共同发展的关系。总之，可认为国际上发达国家的产业内部已形成保护其发展的基本规则，使发达国家的电视产业可以从容应对数字高清晰度电视这场革命性的产业变革。
     我国的主管部门已认识到数字化进程中我们技术准备的不足。但由于数字电视不仅技术复杂度高，而且推动产业发展的相关因素多，仅靠企业自主开发有困难。企业普遍认为政府应有效地协调资源，将企业与科研单位组织起来，开发自主知识产权，以推动产业发展。
     2．数字SDTV、数模兼容电视机将首先走向市场
     据有关资料统计，目前国内电视机用户已达3.4亿台，保守的估计，如果我国以20年时间完成向数字高清晰度电视的过渡，替换市场将形成平均年销售约1500万台的市场规模，可见市场十分庞大。电视接收机数字化过程中，对于我国来说主要问题为数字电视市场最初的主导产品是什么。
     高清晰度数字/模拟兼容电视机的市场目前已启动。目前我国数字电视标准没有制定，电视台也没有发射数字电视信号，因而现在用户不可能购买数字高清晰度电视机。但数字高清晰度电视是未来的发展方向，这一点无可质疑。对于用户来说，如果现在购买电视机，肯定要考虑几年后能不能用，目前市场上销售的模拟电视机肯定不能接收数字高清晰度电视节目。为充分考虑用户今后的利益，牡丹、TCL、康佳等目前推出了高清晰度数字/模拟兼容电视机，该型电视机可接收目前的模拟电视信号，并采用了数字处理技术，使电视信号更加细腻逼真；而且该型电视机保留了HDTV的信号接口，今后当数字电视信号发射后，可通过外接装置接收高清电视节目。这使用户的电视机在模拟至数字的过渡期中得到了合理应用。
     数字SDTV的市场将在未来几年内启动。从视觉效果角度分析：由于模拟信号抗干扰能力差，造成了雪花、重影、抖动、色彩混浊等现象的出现，使用户对电视图象质量不满意。数字电视抗干扰能力强，因此分辨率提高不多，图象质量已可使用户满意；从价格的角度分析：电视接收机数字化后，CRT显示器依然具有不可替代的地位，高分辨率的CRT显示器件价格昂贵，数字高清晰度电视机比数字标准清晰度电视机贵得多；此外，数字SDTV还可以为交互式服务打下良好基础。所以在数字电视发展初期，最易为我国大众接受的是数字标准清晰度电视接收机，最简单的方式就是在目前的模拟电视上加一个机顶盒就可实现数字标准清晰度电视的要求。为便于实现交互式功能、达到"三网融合"，有线数字SDTV发展的潜力最大。而数字高清晰度电视将作为企业的试制产品、技术储备，为企业下一步的发展做好准备。
     3.关键技术的掌握对于我国电视生产企业的发展至关重要
     电视对于当今任何国家来说，都是最重要的消费电子产品。数字高清晰度电视在发展初期的高昂费用使很多人预计其市场应用是10年到20年之后的事情，但近年技术上的进展，特别是数字编码、数字传输、集成电路和显示器件等方面的实用技术突破，已使在5年后逐步形成世界范围内的数字高清晰度电视市场成为可能。西方主要工业国家关于数字电视的产业技术准备和商业准备已基本完成。美国、欧洲及日本都已开始了数字电视广播。
     我国电子信息行业中，消费电子及其上游配套产业占有重要地位。目前我国消费电子行业的现状是总量大，而结构不尽合理，尤其关键技术掌握在国外企业手中，导致关键部件组件等基础工业技术薄弱。在目前知识经济条件下，一个重要特征是，掌握核心技术的外国企业通过对产品构成中的知识产权部分收取"许可证"费用，来获取知识收益。这将使国内企业在数字化竞争中处于不利地位，重蹈成为国外产品装配厂的覆辙。特别在我国入关后，需遵从国际商业规定，形势十分严峻。
     因而国内数字电视相关企业必须尽快有效掌握数字电视的关键技术（例如：集成电路、高清晰度显示器件），促使国内家电企业在新一轮消费电子市场的争夺中占据一定优势，避免巨大的消费电子市场被国外产品所充斥。
     4. 数字电视有着巨大的市场潜力
     消费电子数字化以数字电视技术的成熟为起点，原因是视频广播信息量大，它是消费电子数字化的瓶颈。数字电视的研制成功及开播，将使得信息家电成为一类独立产品进入市场，随之而来的是家庭消费数字产品的多样化，家庭娱乐设备的互联互操作的需求将十分强烈，从而引入了消费电子网络化的趋势。从另外一方面，随着以Inte.net为代表的计算机通信技术和业务的发展，公共网络迫切地要向家庭渗透，也形成家庭网络的需求。这两方面需求的汇聚恰好在消费电子数字化的起始阶段，而消费电子数字化又为实现家庭网络化提供了技术和市场前提。因此，在国际上形成了多种技术体制，以支持家庭内外的互联互操作，而且家庭多媒体网络日益成为未来在消费电子中最活跃的技术领域。
     所以随着数字电视走入消费市场，将带动一系列相关产品的高速发展。更为重要的是数字电视在很大程度上扩展了电视广播的功能和用途，为"三机合一"、"三网合一"提供了技术上的可能性，而随着时间推移，其外延及派生出的各种数字化产品将难以预料，其潜在商机是无限的。它将毫无疑问的改变人们进行生产、流通、学习、娱乐和交流的方式，使我国的电子信息产业走入一个全新的阶段，创造巨大的经济及社会效益。

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