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數(shù)字電視技術(shù)
數(shù)字電視技術(shù) 摘要:本文介紹了數(shù)字電視的概念、特點及優(yōu)點,闡述了數(shù)字電視的技術(shù)分類、標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀以及發(fā)展情況。
關(guān)鍵詞:數(shù)字電視 模擬電視 編碼 調(diào)制 標(biāo)準(zhǔn)
1 數(shù)字電視概念
1.1數(shù)字電視定義
數(shù)字電視是電視數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化后的產(chǎn)物。數(shù)字電視是一個系統(tǒng),是指從電視節(jié)目采集、制作、編輯、播出、傳輸、用戶端接收、顯示等全過程的數(shù)字化,換句話說就是系統(tǒng)所有過程信號全是由O、1組成的數(shù)字流。
數(shù)字電視已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的電視,而是能提供包括圖像、數(shù)據(jù)、語音等全方位的服務(wù),是3C融合的一個典范,是計算機、傳輸平臺、消費電子三個環(huán)節(jié)的聚焦點。
1.2數(shù)字電視與模擬電視的對比
數(shù)字電視采用的技術(shù)與原模擬電視有著很大的不同。其技術(shù)比較見下表。
1.3數(shù)字電視的優(yōu)勢
1)現(xiàn)有模擬電視頻道帶寬為8MHz,只能傳送一套普通的模擬電視節(jié)目。采用數(shù)字電視后一個頻道內(nèi)就傳送1—8套數(shù)字電視節(jié)目(隨著編碼技術(shù)的改進,傳送數(shù)量還會進一步提高),電視頻道利用率大大提高。
數(shù)字電視與模擬電視的技術(shù)比較
模擬電視
數(shù)字電視
描述
采用模擬信號傳輸電視圖像、伴音、
附加功能等信號
采用數(shù)字信號傳輸電視圖像、伴音、附加功能等信號
信源編解碼
因為信號數(shù)據(jù)量不大。所以不存在信息編碼壓縮問題
電視信號數(shù)字化后,其信號的數(shù)據(jù)傳輸率很高。須具有良好的數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)
復(fù)用
無夏用器,視頻、音頻信號分別傳輸
將編碼后的視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)信號分別打包后復(fù)合成單路串行的比特流,使數(shù)字電視具備了可擴展性、分級性、交互性、與網(wǎng)絡(luò)的互通性
信道編解碼調(diào)制解調(diào)
圖像信號按行、場排列,并具有行、
場同步信號、前后均衡脈沖等,并對
視頻信號有補償處理。調(diào)制方式一般采用調(diào)頻或調(diào)幅
有壓縮及復(fù)用,傳送時的信號不再有模擬電視場、行標(biāo)志及概念。通過
糾錯、均衡來提高信號抗干擾能力,調(diào)鍘采用QAM、COFDM等新方法。
且隨著調(diào)制方法技術(shù)的改進。傳輸效率會進一步提高
特點
信號數(shù)據(jù)量少,技術(shù)成熟.價格便宜
信號不易在傳輸中失真,清晰度高,占用頻帶窄。數(shù)字電視信號可方便地在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中傳輸,與計算機具有良好接口。
2)清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強。在同樣覆蓋范圍內(nèi),數(shù)字電視的發(fā)射功率要比模擬電視小一個數(shù)量級。
3)可以實現(xiàn)移動接收、便攜接收及各種數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù),實現(xiàn)視頻點播等各種互動電視業(yè)務(wù),實現(xiàn)加密/解密和加擾/解擾功能,保證通信的隱秘性及收費業(yè)務(wù)。
4)系統(tǒng)采用了開放的中間件技術(shù),能實現(xiàn)各種交互式應(yīng)用,可與計算機網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)等的互通互連。
5)易于實現(xiàn)信號存儲,而且存儲時間與信號的特性無關(guān),易于開展多種增值業(yè)務(wù)。
6)由于保留了現(xiàn)有模擬電視視頻格式,用戶端僅需加裝數(shù)字電視機頂盒即可接收數(shù)字電視節(jié)目,利于系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡,減少消費者的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。
1.4數(shù)字電視的應(yīng)用范圍
1)基本業(yè)務(wù):只要節(jié)目源許可,用戶可以收看數(shù)百套數(shù)字電視節(jié)目,以及幾十套調(diào)頻廣播節(jié)目和數(shù)字音頻廣播(DAB)節(jié)目。
2)擴展業(yè)務(wù):可提供如圖文電視、電視會議、數(shù)據(jù)信息廣播、加密電視、視頻點播等。
3)增值業(yè)務(wù):可通過雙向傳輸系統(tǒng)進行交互式的多功能應(yīng)用,如互聯(lián)網(wǎng)接入、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子郵件、計算機聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通訊、家庭保安監(jiān)控等多媒體信息服務(wù)。
1.5數(shù)字電視的弱點
數(shù)字電視并不是完美無缺的,它同樣存在著一些弱點。例如在取樣的過程、量化誤差、壓縮編碼所帶來的信號損傷,在節(jié)目制作及傳輸過程中貫通延遲。有些損傷可以修復(fù),并不影響圖像的最終質(zhì)量,而有些損傷只能通過一些補償措施削弱它的影響,但這并不能影響電視領(lǐng)域向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。與電視信號數(shù)字化后所帶來的好處相比,這些影響往往會被忽略。
2數(shù)字電視分類
2.1按信號傳輸方式可分為:地面無線傳輸數(shù)字電視(地面數(shù)字電視);衛(wèi)星傳輸數(shù)字電視(衛(wèi)星數(shù)字電視);有線傳輸數(shù)字電視(有線數(shù)字電視)。
2.2按圖像清晰度可分為三大類
1)數(shù)字高清晰度電視(HDTV):需至少720線逐行或1080線隔行掃描、屏幕寬高比應(yīng)為16:9、采用杜比數(shù)字音響,能將高清晰格式轉(zhuǎn)化為其他格式并能接收并顯示較低格式的信號,圖像質(zhì)量可達到或接近35mm寬銀幕電影的水平。
2)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV):必須達到480線逐行掃描,能將720逐行、1080隔行等格式變?yōu)?80逐行輸出,采用杜比數(shù)字音響。對應(yīng)現(xiàn)有電視的分辨率,其圖像質(zhì)量為演播室水平。
3)數(shù)字普通清晰度電視(LDTV):顯示掃描格式低于標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視,即低于480線逐行掃描的標(biāo)準(zhǔn)。對應(yīng)現(xiàn)有VCD的分辨率。
2.3按照產(chǎn)品類型可分為
數(shù)字電視顯示器、數(shù)字電視機頂盒和一體化數(shù)字電視接收機;
2.4按顯示屏幕幅型比分類
數(shù)字電視可分為4:3和16:9幅型比兩種類型。
3 數(shù)字電視技術(shù)
數(shù)字電視的實現(xiàn),以下幾項技術(shù)是關(guān)鍵:
3.1數(shù)字電視的信源(視頻、音頻)編解碼技術(shù)在1920x 1080顯示格式下,數(shù)字化后信號的數(shù)碼率在傳輸中高達995Mbit/s,這比現(xiàn)行模擬電視的傳輸信息量大得多,因此必須去除圖像信號中的多余信息,將數(shù)碼率壓縮到能在一個8MHz模擬電視信道中傳送。視頻編碼技術(shù)主要功能是完成圖像的壓縮,使數(shù)字電視的信號傳輸量由995Mbit/s減少為20Mbit/s~30Mbit/s。國際組織已經(jīng)制定了對圖像進行壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)有JPEG(靜態(tài)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn))、MPEG-2(運動圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn))等。音頻編解碼主要功能是完成聲音信息的壓縮。對伴音進行壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG伴音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)、AC-3等。
3.2數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)
數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)從發(fā)送端信息的流向來看,它將視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來的數(shù)據(jù)比特流,經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流,送給信遭編碼及調(diào)制。接受端與此過程相反。在HDTV復(fù)用傳輸標(biāo)準(zhǔn)方面,美國、歐洲、日本都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。
3.3數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)
為了提高傳輸?shù)念l帶利用率,通過調(diào)制把傳輸信號放在載波或脈沖串上,為發(fā)射做好準(zhǔn)備。數(shù)字電視采用多進制調(diào)制方法,例如:殘留邊帶調(diào)制(VSB);正交振幅調(diào)制(QAM);四相相移鍵控調(diào)制(QPSK);差動四相相移鍵控調(diào)制(DQPSK);編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制(COFDM)等。
為了提高數(shù)字電視傳輸?shù)目煽啃?通過糾錯編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等技術(shù),提高信號的抗干擾能力,方法如:里德一索羅門碼、卷積碼、交織、格狀編碼調(diào)制等。美國、歐洲、日本數(shù)字電視的制式、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,主要是指在該方面的不同。
4 數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)是指數(shù)字電視采用的視音頻采樣、壓縮格式、傳輸方式和服務(wù)信息格式等的規(guī)定。目前投入使用的有三種:
美國的ATSC(先進電視系統(tǒng)委員會);歐洲的DVB(數(shù)字視頻廣播);日本的ISDB(綜合服務(wù)數(shù)字廣播)。
每一種標(biāo)準(zhǔn)對于信源的處理、畫面格式及傳輸方式等方面均有一些差別。每一種數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)又可分為衛(wèi)星傳輸、電纜傳輸和地面?zhèn)鬏敺绞健?br> 4.1美國ATSC標(biāo)準(zhǔn)
ATSC標(biāo)準(zhǔn)由四個層級組成,最高為圖像層,確定圖像的形式,包括象素陣列、幅型比和幀頻。接著是圖像壓縮層。再下來是系統(tǒng)復(fù)用層,特定的數(shù)據(jù)被納入不同的壓縮包中。最后是傳輸層,確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制和信道編碼方案。下面兩層共同承擔(dān)普通數(shù)據(jù)的傳輸。上面兩層確定在普通數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上運行的特定配置,如HDTV或SDTV;還確定ATSC標(biāo)準(zhǔn)支持的具體圖像格式。
另外,ATSC還開發(fā)并通過了可為采用50Hz幀頻的國家使用的另行標(biāo)準(zhǔn)。
ATSC成員30個,其中有美國國內(nèi)成員20個、來自阿根廷、法國、韓國等7個國家的成員10個,中國的廣播科學(xué)研究院也參加了ATSC組織。
ATSC標(biāo)準(zhǔn)定義的畫面格式
格式
畫面分辨率
畫面幅型比
圖像幀頻率
掃描力式
HDTV
1920x1080
16:9
60Hz
隔行
30Hz
逐行
24Hz
1280x720
60Hz
30Hz
24Hz
SDTV
704x480
16:9或40
60Hz
隔行
30Hz
逐行
24Hz
640x480
4:3
60Hz
隔行
30Hz
逐行
24Hz
4.2歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)
支持室內(nèi)接收、移動接收等需求,包括4個系統(tǒng)。
1)DVB傳輸系統(tǒng):涉及衛(wèi)星、有線電視、地面、SMATV、MMDS等所有傳輸媒體。
DVB-S數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星傳輸具有覆蓋面廣、節(jié)目容量大等特點。
DVB-C數(shù)字有線電視廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)前端可從衛(wèi)星和地面發(fā)射獲得信號。
pWB-T數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。本地區(qū)覆蓋最好。傳輸質(zhì)量高,但接收費用也高。
DVB-SMATV是數(shù)字衛(wèi)星共用天線電視(SMATV)廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
DVB-MS高于10GHz的數(shù)字廣播MMDS分配系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
DVB-MC低于10GHz的數(shù)字廣播MMDS分配系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
2)DVB基帶附加信息系統(tǒng):可傳送接收IRD調(diào)諧、節(jié)目指南及圖文、字幕、圖標(biāo)等信息。
DVB標(biāo)準(zhǔn)定義的畫面格式
畫面分辨率
畫面幅型比
圖像幀頻率
掃描方式
1920x1080
16:9
25Hz/30Hz
隔行
720x576
16:9或4:3
50Hz
逐行
544x576
25Hz
隔行/逐行
480x576
352x576
DVB-SI數(shù)字廣播業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。
DVB-TXT數(shù)字圖文廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),用于固定格式圖文電視的傳送。
DVB-SUB為數(shù)字廣播字幕系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),用于字幕及圖標(biāo)的傳送。
3)DVB交互業(yè)務(wù)服務(wù):對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)有:DVB—NIP、DVB-R.CC和DVB-R.CT。
4)DVB條件接收及接口標(biāo)準(zhǔn):條件接收是付費電視廣播的基本部分。DVB數(shù)字廣播系統(tǒng)與其他電信網(wǎng)絡(luò)(如SDH、ATM等)連接,可實現(xiàn)DVB向電信網(wǎng)絡(luò)的過渡。標(biāo)準(zhǔn)包括:DVB-C11 DVB-PDH,DVB-SDH,DVB—ATM、DVB-PI和DVB-IRDI。
DVB成員已經(jīng)達到265個(來自35個國家和地區(qū)),主要集中在歐洲并遍及世界各地,我國的廣播科學(xué)研究院和TCL電子集團也在其中。
4.3日本ISDB標(biāo)準(zhǔn)
日本數(shù)字電視首先考慮的是衛(wèi)星信道,采用QPSK調(diào)制。并在1999年發(fā)布了數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)--ISDB。ISDB是日本的DIBEG(數(shù)字廣播專家組)制訂的數(shù)字廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),它利用一種已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)用方案在一個普通的傳輸信道上發(fā)送各種不同種類的信號,同時已經(jīng)復(fù)用的信號也可以通過各種不同的傳輸信道發(fā)送出去。ISDB具有柔軟性、擴展性、共通性等特點,可以靈活地集成和發(fā)送多節(jié)目的電視和其它數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
ISDB籌劃指導(dǎo)委員會委員17個,其他成員23個,其成員均為日本國內(nèi)電子公司和廣播ISDB標(biāo)準(zhǔn)定義的畫面格式三種數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)對比機構(gòu)。
水平分辨率
垂直分辨宰
疊面幅型比
圖像幀頻率
掃描方式
1920
1080
16:9
30Hz
隔行
1440
720
480
1280
運行
720
運行/隔行
544
隔行
480
4:3
美國標(biāo)準(zhǔn)ATSC
歐洲標(biāo)準(zhǔn)DVB
日本標(biāo)準(zhǔn)ISDB
地面
衛(wèi)星
有線
地面
衛(wèi)星
有線
地面
衛(wèi)星
有線
調(diào)制方式
8VSB/16VSB
QBK
QAM
2k/8kCOFDM
QpsK
QAM
分段COFDM
QPSK
QAM
視頻編碼
MPEG-2
MPEG-2
MPEG-2
音頻編碼
AC-3
復(fù)用
MPEG-2
MPEG
4.4三種數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的對比
無論哪一種制式,它們的視頻壓縮技術(shù)都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn),但是由于美國和歐洲等在模擬電視的制式的差別,為了兼容性,它們的視頻采樣格式也存在差別,主要體現(xiàn)在行和列的分辨率及場頻等。
在數(shù)字電視信號的傳輸中,衛(wèi)星傳輸一般采用QPSK調(diào)制技術(shù),電纜傳輸一般采用QAM調(diào)制技術(shù),但地面?zhèn)鬏敳捎玫募夹g(shù)則在不同的制式中存在很大差別,如美國的ATSC采用的是VSB調(diào)制技術(shù),而歐洲的DVB和日本的ISDB則使用oFDM調(diào)制技術(shù)。
服務(wù)信息是指在數(shù)字電視中開展增值服務(wù)所用的數(shù)據(jù),美國ATSC制式中的PSIP部分和歐洲D(zhuǎn)VB制式中的SI部分分別規(guī)定了各自數(shù)字電視中的服務(wù)信息格式。
ATSc ATV優(yōu)點:頻譜效率高、功率峰均比低,明顯地減少了脈沖干擾�？蓪⑴c原模擬NTSC信號的同頻和鄰頻干擾減至最小。缺點是不能抵抗多徑干擾,不支持移動接收。
DVB-T優(yōu)點:在基于大量小功率、工作在同一頻道的眾多發(fā)射機,每一個均覆蓋一個較小的區(qū)域的這樣一種單頻網(wǎng)絡(luò)來說,DVB是一三種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字地面廣播系統(tǒng)的比較
美國ATSC ATV
歐洲D(zhuǎn)VB-T
日本ISDB-T
帶寬
5.6MHz
6.6,7.6 MHz
5.6MHz,432kHz
調(diào)制
8VSB
COFDM
載頻調(diào)制
QPSK,16QAM,64QAM
DQPSK,16QAM,64QAM
多工方式
MPEG-2系統(tǒng)
編碼
MPEG-2編碼(聲音為AC-3)
MPEG-2編碼
信息碼率
19.39 Mb/s
4.35Mb/s~31.67 Mb/s
5.6 MHz:3.68 Mb/s~21.46 Mb/s
432kMHz:283kb/s~1.65 Mb/s
移動接受
不可以
困難(有條件可以)
可以
種最佳選擇。同時提供了良好的移動接收性能。缺點是:其載/噪比低于8-VBS,并且限制了信號的有效傳輸距離,對來自于電機的脈沖干擾較敏感,較高的峰/均值比,并且需要較高功率的發(fā)射機,保護間隔降低了頻譜效率并明顯減少帶寬的比特/赫茲率。
ISDB-T和DVB-T非常類似,根據(jù)分層和窄帶接收同時實現(xiàn)固定、移動和便攜接收,是日本制式的特點;與DVB-T相比,ISDB-T增加了部分接收和分層傳輸功能。
5中國的數(shù)字電視
早在1996年,我國便開始了數(shù)字電視的研究工作,數(shù)字電視被列人原國家科委“八五”重大科技產(chǎn)業(yè)工程項目,并成立了數(shù)字高清晰度電視的總體組。1999年10月,高清晰度方案被成功用于國慶50周年大典的數(shù)字電視現(xiàn)場直播。后國家將數(shù)字電視發(fā)展計劃納入“十五”高新技術(shù)的12個重大專項之列,數(shù)字電視研究工作全面啟動。
5.1中國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)
1)信源編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):
中國的數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)工作組制定了面向數(shù)字電視和高清激光視盤播放機的AVS標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)與MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)完全兼容,也可以兼容MPEG-4AVC/H.264國際標(biāo)準(zhǔn)基本層,其壓縮水平可達MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的2-3倍。
2)信道傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
中國的衛(wèi)星數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲D(zhuǎn)VB—S標(biāo)準(zhǔn)。
中國有線數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)還在報批過程中,大中型城市有線電視臺多采用歐洲的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)在試播。
中國的地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)方案目前還在制定過程之中。
3)條件接收系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(CA)、用戶管理系統(tǒng)(SMC)已制定完成。
5.2數(shù)字電視現(xiàn)狀及發(fā)展:
1)中國數(shù)字電視規(guī)劃:
國家廣電總局制定了《我國有線電視向數(shù)字化過渡時間表>。
◎2003年數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)出臺(未按期實現(xiàn))。
◎2005年進行數(shù)字電視的商業(yè)播出,有線數(shù)字電視用戶超過3000萬戶,直轄市、東部地區(qū)地(市)級以上城市、中部地區(qū)省會市和部分地(市)級城市、西部地區(qū)部分省會市的有線電視完成向數(shù)字化過渡。
◎2008年用數(shù)字電視轉(zhuǎn)播奧運會,東部地區(qū)縣以上城市、中部地區(qū)地(市)級城市和大分縣級城市、西部地區(qū)部分地(市)級以上城市和少數(shù)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。
◎2010年全面實現(xiàn)數(shù)字廣播電視,中部地區(qū)縣級城市、西部地區(qū)大部分縣以上城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。
◎2015年停播模擬信號,西部地區(qū)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。
2)數(shù)字電視現(xiàn)實的困難:
要發(fā)展數(shù)字電視面臨的問題還很多。一是原先電視臺設(shè)備的更換,節(jié)目的制作成本高于模擬電視。這直接造成數(shù)字電視初期節(jié)目源緊張。二是數(shù)字電視的基礎(chǔ)是雙向電視網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)由單向改為雙向改造成本較高,難度很大。三是我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的不確定也影響了數(shù)字電視的進程。
3)數(shù)字電視的前景
數(shù)字電視的技術(shù)優(yōu)勢必然會取代模擬電視,數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用會使電視技術(shù)開辟一個新天地。當(dāng)然模擬技術(shù)在局部小范圍的電視技術(shù)上也會占有一定市場�？傊�?dāng)?shù)字電視為電子信息產(chǎn)業(yè)提供了一個難得機遇。從模擬電視廣播向數(shù)字電視廣播的過渡,將帶來上萬億元的市場,它必將成為我國新的經(jīng)濟增長點。
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