數字電視技術原理的確定研究

商丘工學院 劉彥甲 晉會杰

1.數字電視的概述

1.1 數字電視的內涵及原理

所謂數字電視，是將傳統的模擬電視信號經過抽樣量化和編碼轉換成用二進制數代表的數字式信號，然后進行各種功能的處理、壓縮、傳輸、存儲和記錄，也可以用電子計算機進行處理、檢測和控制，通俗的說就是數字電視在拍攝、編輯、制作、播出、傳輸、接收等電視信號播出和接收全過程都使用數字電視技術的現代電視技術[1]。

如圖1-1所示數字電視系統的方框圖[2]。

1.2 數字電視的優點

（1）抗干擾能力強

（2）易于存儲

（3）頻道利用率高

（4）伴音質量好

（5）易于三網合一

（6）畫面質量高

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

2.數字電視的分類

2.1 LDTV（200—300線）即低清晰度電視

LDTV主要是對應現有VCD的分辨率量級。采用MPEG-1標準的VCD將逐漸被采用MPEG-2標準的DVD所替代，因而LDTV將逐漸被淘汰。

2.2 SDTV（500—600線）即標準清晰度電視

SDTV主要是對應現有電視分辨率量級，其圖像質量為演播室水平，數字SDTV的接收主要是通過普通電視機上增加機頂盒的方式來實現，這將使用戶充分利用現已購買的普通模擬電視機的資源。數字SDTV與普通模擬電視機的圖像顯示行數一樣，數字信號的抗干擾能力強，標準格式（SDTV）的數字電視機提供的影像，聲音質量均超過現有電視機的水平，模擬信號抗干擾能力差，造成雪花、噪聲、重影、閃爍等不良效果，應用數字SDTV可以最大限度地發揮現有電視的顯示效果，此外數字SDTV與普通模擬電視的圖像顯示行數一樣，但可以帶來多樣性的服務，如交互式電視教育，視頻點播等，為“三機合一”，“三網融合”提供了技術上的可能性。機頂盒經技術發展可以開通上行通道，為有線電視開設高速互連網等其他業務打下基礎。

圖1-1 數字電視系統方框圖

2.3 HDTV（1000線以上）即高清晰度電視

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

HDTV目前尚無統一的國際標準，一些有影響的國際組織及一些從事HDTV研究較早的國家，相繼提出一系列技術規范和標準，其內容包括以下幾點：

（1）圖像尺寸和寬高比

主觀評價實驗表明，畫面尺寸越小，圖像質量主觀感覺越好；圖像尺寸越大，重現圖像的真實感越強.對高清晰度電視而言，畫面面積應超過8000cm2，此時圖像的真實感及臨場感好；畫面寬高比為16:9。

（2）掃描行數及場頻

根據人眼視覺系統的空間頻率響應和主觀評價的結果，當觀看距離為顯示屏高度的3倍以上時，HDTV的掃描行數要求在1200行左右，此時圖像質量的主觀評價良好，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

主觀評價實驗認為，HDTV系統采用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、色信號傳送方式及帶寬

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

3.數字電視的關鍵技術

3.1 數據壓縮技術

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

3.1.1 視頻編碼壓縮技術

（1）圖像時間的相關性

視頻信號由連續圖像組成，相鄰圖像有很多相關性。減少這些相關性就可以減少信息量。

（2）圖像空間的相關性

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。

（3）人眼的視覺特性

人眼對原始圖像各處失真敏感度不同，對不敏感的無關緊要的信息給予較大的失真處理。人眼覺察不到；相反，對人眼比較敏感的信息，則盡可能減少其失真。

（4）事件間的統計特性

事件發生的概率越小，則其熵值越大，表示信息量越大，需分配較長的碼字；反之，發生的概率越大，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。已被有關國際組織定為壓縮編碼的標準。數字演播室標準CCIR601-取樣標準；JPEG靜止圖像壓縮編碼的標準；H.261標準即會議電話和可視電話的標準；MPEG運動圖像的壓縮編碼標準，MPEG-1主要是針對運動圖像和聲音在數字存儲時的壓縮編碼，MPEG-2它是活動圖像包括HDTV傳輸標準。MPEG-2可采用多種編碼工具并實現不同層次的清晰度，分別稱為MPEG-2的類和級，MPEG-2的基本編碼過程與H.261相似，即通過DCT進行幀間壓縮。除了在編碼語法上加進了一些特別規定外，與H.261的一個重要不同是MPEG在預測編碼中加進了一個雙向預測幀—B幀[5]。

利用MPEG-1的國際標準，實現普通電視的數字化，將數據率壓縮到2.048Mb/s速率，其圖像質量可優于家用錄像機VHS的質量。按MPEG-2標準中的主級標準，將數據率壓縮到8.448Mb/s。其圖像質量可達現有電視演播室的質量。按MPEG-2的高級標準，將數據率壓縮到20Mb/s。其圖像質量可達HDTV的質量。

3.1.2 音頻壓縮技術

與數字圖像信號的壓縮編碼相同，數字聲音信號壓縮編碼的目的是降低聲音信號中的冗余和去掉聲音信號中不相關部分（不能被人耳感覺到的信號），將數字聲音的信息量減小到最小程度，但又能滿意地再現原始聲音的質量。聲音信號數字化后，信息量比模擬傳輸狀態大得多，因而數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。

音頻信號的壓縮編碼主要利用了人耳的聽覺特性：

（1）聽覺的掩蔽效應

在人的聽覺上，一個聲音的存在掩蔽了另一個聲音的存在，掩蔽效應是一個較為復雜的心理和生理現象，包括人耳的頻域掩蔽效應和時域掩蔽效應。

（2）人耳聽覺的頻率特性

人耳能聽到的音頻范圍為20Hz-20KHz，因而在這范圍以外的我們聽不到的信號對其不進行傳輸、編碼，從而降低了碼率。

（3）人耳的聽閾特性

在20Hz～20KHz的可聽聲音信號，即使在安靜的環境下，只有聲壓級超過某一閾值時人耳才能聽到。

（4）人耳的方向特性

實驗證明，人耳對2KHz以上的高頻率聲音信號不具有方向特性，在聲音編碼中也可利用此特性。把多個聲道信號的高頻部分耦合到一個公共聲道，以達到壓縮編碼的目的。

（5）聲音信號本身的冗余信息

數字音頻信號常用的壓縮編碼方法有3種：波形編碼、參數編碼和混合編碼三種。

3.2 信道編碼及調制解調

數字電視信道編解碼及調制解調的目的是通過糾錯編碼、網格編碼、均衡等技術提高信號的抗干擾能力。通過調制把傳輸信號放在載波或脈沖串上，為發射做好準備。我國目前所說的各國數字電視的制式，標準不能統一，主要是指各國在該方面的不同，具體包括糾錯、均衡等技術的不同，帶寬的不同，尤其是調制方式的不同。

數字傳輸的常用調制方式有三種：鍵控相移調制(QPSK)，調制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛星廣播；正交振幅調制(QAM)，調制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸；殘留邊帶調制(VSB)，抗多徑傳播效應好(即消除重影效果好)適合地面廣播[6]。

3.3 數字電視的復用系統

數字電視的復用系統是HDTV的關鍵部分之一，從發送端信息的流向來看，它將視頻、音頻、輔助數據等編碼器送來的數據比特流，經處理復合成單路串行的比特流，送給信道編碼及調制。接收端正好與此過程相反。

3.3.1 數據的打包功能提供了網絡通信的接口

模擬電視系統不存在復用器。在數字電視中，復用器把音頻、視頻、輔助數據的碼流通過一個打包器打包（這是通俗的說法，其實是數據分組）。然后再復合成單路。目前網絡通信的數據都是按一定格式打包傳輸的。HDTV數據的打包使其具備了可擴展性、交互性的基礎。付費電視是現在和將來電視發展的一個方向。復用器可對打包的節目信息進行干擾，使其隨機化，接收機具有密鑰才能解擾。

3.3.2 復用器的相關標準

在HDTV復用傳輸方面，美國、歐洲、日本都采用了MPEG-2標準。美國已有了MPEG-2解復用的專用芯片。我國恐怕也會采用MEPG-2作為復用傳輸的標準[7]。

HDTV數據包長度是188個字節，正好是ATM信元的整數倍，今后以光纖為傳輸介質，以ATM為傳輸方式的寬帶綜合業務數字網極有可能成為未來“信息高輸公路”的主體措施。可用4個ATM信元來完整傳輸一個HDTV傳送包，因而可達到HDTV與ATM的方便接口。

4.數字電視的發展趨勢

4.1 數字電視將取代模擬電視

隨著數字有線電視技術的發展和產品的日益成熟，普通數字電視（PDTV）將會逐漸取代模擬電視。電視臺同時發送模擬信號和數字信號，利用相當于現行模擬電視水平的機頂盒接收，價格可以完全控制在幾百元。利用現在市面上較新的數字化彩電，可以同時接收模擬和數字電視信號。隨著機頂盒的降價，估計8-15年后，我國就可以不再發送模擬信號，而全部發送數字信號了。

4.2 標準清晰度（SDTV）電視機取代模擬電視機

新推出的彩電和機頂盒按數字電視標準生產，PDTV仍然可以利用，只不過達不到預定的水平。經過自然更新和換代，現有的3億多臺電視機和每年增加的兩萬多臺電視機將逐漸過渡為SDTV電視機。SDTV圖像水平清晰度達到500線以上。相當于DVD的水平。這種標準清晰度電視系統是今后幾年我國廣播電視發展的重點，因為它與現行彩色顯像管的極限清晰度（大于500線）是相適應的。是一種投資少、見效快的方法。并且，彩電和機頂盒將會合二為一，估計這種標準清晰度電視在我國將很快實現[8]。

4.3 高清晰度電視（HDTV）的實現和推廣

我國黑白電視機從1958年誕生到普及，用了18年時間，而彩色電視機只用了12年時間就得到了普及。由于現存的模擬電視機數量巨大，SDTV電視機完全取代模擬電視機要用10年左右的時間。隨著數字芯片和生產成本的下降，HDTV電視機的誕生和推廣普及，所用時間將會快的多，到那時，我國HDTV的消費將會啟動，數字電視完全進入家庭就指日可待了[9]。

[1]余兆明,余智.數字電視原理[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2]劉文開,劉遠航.地面廣播電視技術[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.衛星數字電視直播接收技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

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

[7]倪維楨,高鴻翔.數據通信原理[M].北京:人民郵電出版社,1997.

[8]徐孟俠.數字電視的發展[J].通信學報,1995(5).

[9]婁天峰,黃津浦.發展中的中國數字電視[J].電視技術,2003(7).