数字电视技术原理的确定研究

商丘工学院 刘彦甲 晋会杰

1.数字电视的概述

1.1 数字电视的内涵及原理

所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、压缩、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、检测和控制，通俗的说就是数字电视在拍摄、编辑、制作、播出、传输、接收等电视信号播出和接收全过程都使用数字电视技术的现代电视技术[1]。

如图1-1所示数字电视系统的方框图[2]。

1.2 数字电视的优点

（1）抗干扰能力强

（2）易于存储

（3）频道利用率高

（4）伴音质量好

（5）易于三网合一

（6）画面质量高

此外，数字电视还允许不同类型、不同等级、不同制式（屏幕的宽高比，立体声伴音的通道数目）的信号在同一信道中传输，用同一台电视接收机接收，甚至是双向传输。可以说多信息、高质量和多功能是数字电视的总特征。

2.数字电视的分类

2.1 LDTV（200—300线）即低清晰度电视

LDTV主要是对应现有VCD的分辨率量级。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将逐渐被淘汰。

2.2 SDTV（500—600线）即标准清晰度电视

SDTV主要是对应现有电视分辨率量级，其图像质量为演播室水平，数字SDTV的接收主要是通过普通电视机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机的资源。数字SDTV与普通模拟电视机的图像显示行数一样，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，模拟信号抗干扰能力差，造成雪花、噪声、重影、闪烁等不良效果，应用数字SDTV可以最大限度地发挥现有电视的显示效果，此外数字SDTV与普通模拟电视的图像显示行数一样，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。机顶盒经技术发展可以开通上行通道，为有线电视开设高速互连网等其他业务打下基础。

图1-1 数字电视系统方框图

2.3 HDTV（1000线以上）即高清晰度电视

高清晰度电视，图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平。按照国际电信联盟CCIR的定义，高清晰度电视是一个具有正常视觉的观众在距离该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或看表演时所得到的质量，它要求HDTV图像的水平与垂直分解率较常规电视提高一倍以上，其图像有效扫描线在1000行以上，每行有效像素达1920，信息是常规电视的5倍多，其显示屏宽高比为16:9，水平视角30°，更符合人们的视觉特性。其图像质量高，伴音则采用多个声道，具有环绕立体声效果，并可加一个重低音声道，每一个声道的收听质量与激光唱盘（CD）相当。目前，世界各国的HDTV毫无例外地均采用数字电视信号及数字传输技术[3]。

HDTV目前尚无统一的国际标准，一些有影响的国际组织及一些从事HDTV研究较早的国家，相继提出一系列技术规范和标准，其内容包括以下几点：

（1）图像尺寸和宽高比

主观评价实验表明，画面尺寸越小，图像质量主观感觉越好；图像尺寸越大，重现图像的真实感越强.对高清晰度电视而言，画面面积应超过8000cm2，此时图像的真实感及临场感好；画面宽高比为16:9。

（2）扫描行数及场频

根据人眼视觉系统的空间频率响应和主观评价的结果，当观看距离为显示屏高度的3倍以上时，HDTV的扫描行数要求在1200行左右，此时图像质量的主观评价良好，目前已提出1050行、1125行和1250行几种制式，最好的为1250行 。

（3）隔行扫描比

主观评价实验认为，HDTV系统采用2:1的隔行扫描比较合适。倘若HDTV用于电影制作，则不能用隔行扫描而必须采用逐行扫描。

（4）音、色信号传送方式及带宽

人眼视觉系统的彩色感觉特性与亮度感觉特性相比较，前者频带比后者频带窄得多。同时考虑到为传输彩色图像信息方便起见，采用亮、色信号分离的传输方式是最好的方法。亮度信号的带宽与扫描行数及画面宽高比有关，在2:1隔行扫描，9:6（5:3）幅度的情况下，其扫描行数分别为1050行和1125行时，亮度信号的带宽将分别为21.9MHz和25MHz，比现行625行电视制式宽的多。为适应近距离观看时的主观评价要求，其亮度信号带宽与色度信号带宽之比约为3:1。

3.数字电视的关键技术

3.1 数据压缩技术

数字高清晰度电视与模拟电视相比，最为重要的是技术上对视频信号的压缩，在1920×1080显示格下，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像模拟电视的图像那样直接传输，而是要实现数据的压缩编码。视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，像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：

3.1.1 视频编码压缩技术

（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。减少这些相关性就可以减少信息量。

（2）图像空间的相关性

例如图像中有颜色相同的绿地，那么不必把所有的像素存储。

（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。人眼觉察不到；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。

图像压缩编码的具体方法虽然还有多种，但大都是建立在上述基本思想之上的。已被有关国际组织定为压缩编码的标准。数字演播室标准CCIR601-取样标准；JPEG静止图像压缩编码的标准；H.261标准即会议电话和可视电话的标准；MPEG运动图像的压缩编码标准，MPEG-1主要是针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，MPEG-2它是活动图像包括HDTV传输标准。MPEG-2可采用多种编码工具并实现不同层次的清晰度，分别称为MPEG-2的类和级，MPEG-2的基本编码过程与H.261相似，即通过DCT进行帧间压缩。除了在编码语法上加进了一些特别规定外，与H.261的一个重要不同是MPEG在预测编码中加进了一个双向预测帧—B帧[5]。

利用MPEG-1的国际标准，实现普通电视的数字化，将数据率压缩到2.048Mb/s速率，其图像质量可优于家用录像机VHS的质量。按MPEG-2标准中的主级标准，将数据率压缩到8.448Mb/s。其图像质量可达现有电视演播室的质量。按MPEG-2的高级标准，将数据率压缩到20Mb/s。其图像质量可达HDTV的质量。

3.1.2 音频压缩技术

与数字图像信号的压缩编码相同，数字声音信号压缩编码的目的是降低声音信号中的冗余和去掉声音信号中不相关部分（不能被人耳感觉到的信号），将数字声音的信息量减小到最小程度，但又能满意地再现原始声音的质量。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像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）人耳听觉的频率特性

人耳能听到的音频范围为20Hz-20KHz，因而在这范围以外的我们听不到的信号对其不进行传输、编码，从而降低了码率。

（3）人耳的听阈特性

在20Hz～20KHz的可听声音信号，即使在安静的环境下，只有声压级超过某一阈值时人耳才能听到。

（4）人耳的方向特性

实验证明，人耳对2KHz以上的高频率声音信号不具有方向特性，在声音编码中也可利用此特性。把多个声道信号的高频部分耦合到一个公共声道，以达到压缩编码的目的。

（5）声音信号本身的冗余信息

数字音频信号常用的压缩编码方法有3种：波形编码、参数编码和混合编码三种。

3.2 信道编码及调制解调

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。我国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。

数字传输的常用调制方式有三种：键控相移调制(QPSK)，调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播；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；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[6]。

3.3 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。接收端正好与此过程相反。

3.3.1 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数据的打包使其具备了可扩展性、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干扰，使其随机化，接收机具有密钥才能解扰。

3.3.2 复用器的相关标准

在HDTV复用传输方面，美国、欧洲、日本都采用了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MEPG-2作为复用传输的标准[7]。

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为传输方式的宽带综合业务数字网极有可能成为未来“信息高输公路”的主体措施。可用4个ATM信元来完整传输一个HDTV传送包，因而可达到HDTV与ATM的方便接口。

4.数字电视的发展趋势

4.1 数字电视将取代模拟电视

随着数字有线电视技术的发展和产品的日益成熟，普通数字电视（PDTV）将会逐渐取代模拟电视。电视台同时发送模拟信号和数字信号，利用相当于现行模拟电视水平的机顶盒接收，价格可以完全控制在几百元。利用现在市面上较新的数字化彩电，可以同时接收模拟和数字电视信号。随着机顶盒的降价，估计8-15年后，我国就可以不再发送模拟信号，而全部发送数字信号了。

4.2 标准清晰度（SDTV）电视机取代模拟电视机

新推出的彩电和机顶盒按数字电视标准生产，PDTV仍然可以利用，只不过达不到预定的水平。经过自然更新和换代，现有的3亿多台电视机和每年增加的两万多台电视机将逐渐过渡为SDTV电视机。SDTV图像水平清晰度达到500线以上。相当于DVD的水平。这种标准清晰度电视系统是今后几年我国广播电视发展的重点，因为它与现行彩色显像管的极限清晰度（大于500线）是相适应的。是一种投资少、见效快的方法。并且，彩电和机顶盒将会合二为一，估计这种标准清晰度电视在我国将很快实现[8]。

4.3 高清晰度电视（HDTV）的实现和推广

我国黑白电视机从1958年诞生到普及，用了18年时间，而彩色电视机只用了12年时间就得到了普及。由于现存的模拟电视机数量巨大，SDTV电视机完全取代模拟电视机要用10年左右的时间。随着数字芯片和生产成本的下降，HDTV电视机的诞生和推广普及，所用时间将会快的多，到那时，我国HDTV的消费将会启动，数字电视完全进入家庭就指日可待了[9]。

[1]余兆明,余智.数字电视原理[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]刘文开,刘远航.地面广播电视技术[M].北京:人民邮电出版社,2003.

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

[4]余兆明.数字电视和高清晰度电视[M].北京:人民邮电出版社,1997.

[5]刘修文.卫星数字电视直播接收技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]郑雯,翟希山,王志广.数字电视原理、传输与接收[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[7]倪维桢,高鸿翔.数据通信原理[M].北京:人民邮电出版社,1997.

[8]徐孟侠.数字电视的发展[J].通信学报,1995(5).

[9]娄天峰,黄津浦.发展中的中国数字电视[J].电视技术,2003(7).