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1、数字化趋势数字电视概述马立欣1 数字电视起源数字电视是在研究岛清晰度电视的基础f 提出并发展起来的。传统的电视系统，从图像信号的产生、传输处理以及图像的复原整个过程都是在模拟信号的体制下完成的。这种体制采用时间轴取样，每帧在垂直方向取样，以幅度调制方式传送电视信号。为避开人眼对图像重现的敏感频率，将一帧分为奇、偶两场。接收端采用隔行扫描方式蕈现图像。由于技术的局限，在造价与图像质量方面进行了折中使传统电视存在先天的不足，如：传输中易产生噪声积累、易受干扰，色度畸变、亮色互串、行N 烁、行蠕动、大面积附烁等，极大地限制了它的应用。在信息科学技术飞速发展的今天，作为信息的承载体，模拟体制电视已经没
2、有更多的发展卒问，不能满足人们的更高要求。、嘣际上关十新代电 = ! I I 系统的研究6 0 年代末就已肝始了：这是在研究人类视觉和心理的基础上提H j 来的，最初的目的仅仅是满足人们对于高质量画面的愉悦感和临场感。原I T U R 给高清晰度电视下的定义是：高清晰度电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度三倍距离以上所看到的图像应具有观看原始景物或表演时所得到的印象。J 9 8 4 年，日本N H K ( 日本广播防会) 宣布了壮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M U S E ( 多霞业抽样编码) 系统，基带81M H z ，压缩比为3
3、：1 ，并于1 9 8 8 年开始了试播。欧洲则推出了H D - M A C 制式的模拟数字混台的高清晰度电视系统，并于1 9 9 2 年通过卫星进行了巴赛罗纳奥运会的实况转播，基带为1 0 1 2 5M H z ，压缩比为4 ：1 。当时众多的专家都趋向于模拟传输技术。转折开始于9 0 年代初。美国也进行r 高清晰度电祝广播制式的研究。最初美国是支持日本M U S E制式的，但随着形势的发展，高清晰度电视所蕴涵的潜在的巨大商业价值，令美国意识到必须不遗余力，切入这H 场：当时由于对高清晰度电视制式各执一词，相持不下，美国联邦通信委员会便将所提交的六套方案进行了测试，结果表明，四套全数字传输系
4、统明显优于模拟传输系统，这决定了数字压缩编码数字传输的电视系统将占主导地位全数字电视系统的出现已是大势所趋。此后，数字高清晰度电视的研究突飞猛进，最终使欧洲放弃了H D M A C 制式，使日本为M U S E 投入了巨额开发经费后，进退两难。最终决定采用全数字制式。2 数字电视概述数宁电视包括标准清晰度数字电视( S D T V S 0 0 线左右的分辨率) 和高清晰度数字电视( H D T v ) ，足一种高技术含量的产品。其中H D T V 是数字电视发展的顶级产品，它是超大规模集成电路技术、计算机技术、通信技术、数字压缩及解压缩技术和高清晰度显示器技术高度综合的产物。数字电视是指包括节
5、目制作、信道传输和接收德码部分全部采用数字处理的全新电视系统，其间4数字电视与数字视频广播采H 了数字图像压缩编码、数字伴音压缩编码，数字多路复用技术、信道纠错编码技术以及适用丁各 种传输信道的调制解凋技术等。图1 示出数字电视系统框图，以下探讨图中各部分的丁作过程和相关原理。1 ) 视频R G B 信号通过信源分解，转换为Y ，c r ，c b 信号以降低信号的相关性，2 ) 视频信号完成亮色分离后即进行压缩编码。之所以进行压缩编码，是四为数字化之后，信号的码率摄高t 与用的频带资源过大。以现有图像质量的视频分龌信号为例：图1 数字电视系统框图亮色信号以4 ：2 ：2 方式取样，Y 信号取样
6、频率为1 3 5M H z s ，C r ，C b 分别以6 7 5M H z s 取样取样值采用8b i t 量化，则总的视频传输码率为1 3 5 M H z s 8 b i t 十6 7 5 M H z s 8 b i t x 2 = 2 1 6 M b p s如果不经雎缩，这样高的数码率所需的传输带宽将在1 0 0M H z 以上。而未经压缩的数字H D T V 信号码率则高达1G H z s ，占用的频带资源更多，未经处理进行传输是不现实的，必须采用实用高效的压缩编码技术，降低码率这是数字电视得以发展的关键。电税的图像信号可以进行压缩的主要原因在于，信号中存在冗余时间上或空问上的可预见
7、的分量，而小可预见的异常分量则成为熵，熵是信号分鼍中最有价值的信息。编码器的作用是最大限度地滤除冗余内容，并形成适于传输的信号，只将熵传送绗解码器。耳前数字电视的视频压缩编码采用M P E G 一2 标准。M P E G 是由I S O ( 国际标准化组织) 建立起来的活动图像专家组的简称。M P E G - 2 涵盖了从标准清晰度电视到高清晰度电视范围内的视频压缩业务共制定5 类4 个等级，1 1 种有效组合的系统构架，见表1 ：不商的类刘应着不同复杂度的压缩工具，类的升级意味着对前一类增加一些额外的压缩J 具。水同的5数字化趋势6等级对应着不同的图像源格式，如标准清晰度或高清晰度，内含一系
8、列的图像质量。在M P E G 一2 的构架下，压缩采用了四种方式：( 1 ) 运动估值是用于消除相邻帧的时间冗余。利用差值检测和块匹配法，仅传递相邻桢的差值和相关运动矢量，从而压缩信源的信息量。表lM P E G - 2 系统构槊踱娄删s P ) 捌信t 躲芦空是器级蒯H P )百甄厂一一i 正面j i 矿高级( H L )茹麓1 5 2I P ，B 4 0 019 2 0 x l1 5 2 1 0 0 脚s1 ，P ，B1 i 矿一i i t 雨五矿一高1 4 4 4 级1A 4 0 x l1 5 214 4 0 x 11 5 2l4 4 0 11 5 2( H L q 4 4 0 )6
9、0 M b p s6 0 M b p 自8 0 M b p s1 。P BI ，P ，BI ，P ，B4 - 2 ：04 ：2 = 04 ：2 ：04 ：2 ：2 4 ：2 ：0 捌m 一篙：j 篇：镒：淼誓I ，PI ，P ，BI ，P ，BI ，P ，B丽万一4 ：2 ：0 一一 删s L )；篱8 嚣嚣81 P ，BI ，P ，B( 2 ) 离散余弦变换( D c T ) 是用于域变换，将信号从空间域变换到频域，使信号的能量集中在几个低频系数上从而为信息的高效压缩创造了条件。( 3 ) 自适应量化用于消除不相关信息。自适应量化是针对D C T 系数而言的，对于信息的重现密切相关的低频系数
10、采用细量化，对视觉不太敏感的高频系数则采用粗量化，在保留熵与减少冗余之间选择最佳取值。( 4 ) 熵编码用于消除冗余信息。将游程编码与萑夫曼编码联合使用，降低多零值系数的编码比特数，同时给概率大的事件分配短码字，概率小的事件分配长码字，最大限度地提高编码效率。3 ) 打包器将雁缩编码输出视频、音频和格式化的辅助数据流分割成各种P E S 数据包，这些P E S 包分别古有同步时间标记的包头信息，用以创建传输流。4 ) 业务复用将各种P E S 数据包整台成单个的传输数据包。其长短是固定的1 8 8B y t e ，古有4B y t e 的包头信息和长度不定的适应层信息与有效载荷。这种周定长度的
11、包有着如下的优势：( 1 ) 可实现动态的带宽分配传输流中包含音频、视频、辅助控制信息等，对于信息量较大的视频流，通过增加视频包出现的频率实现带宽的重分配。( 2 ) 可实现业务的分级性对于复用后的传输流，可以与其它基本比特流在更高一级上复用，这一业务的可分级性，为不同等级的图像信息在同一传输瀛中传送以及更多的业务插人提供了最大的灵活性。( 3 ) 有较强的抗误码能力由于传输包长度固定，误码的检测和纠错可以一个包为单位进行，误码仅仅对一个包造戚影响，而对整个传输癍没有防碍。( 4 ) 与A T M 格式保持了互操作性数字电挑与数字视频广播在A T M 信元中t 包含5B y t e 舶包头，1
12、B y t e 的适应层4 7B y t e 的有效载荷，有艘载荷的大小恰好是1 8 8B y t e 的1 4 ，因此4 个A T M 信元可以传送个数字电视传输包，为将来的网络融合打下基础。传输包的结构如图2 所示。其中包头包含了包同步字、包识别符( P I D ) 、连续记效器、有条件接收标志位等信息，适应层提供了基本比特流解码的同步与时序等信息。有效载荷即是需传输的音频、视频和辅助控制信息。5 ) 音频编码利用了人耳对声音的掩蔽现象和典型音频信号不可能全频率同时出现的事实将音频频谱滤波或变换分解得到频域系数，根据掩蔽效应，确定系数量化精度，从而以尽可能少的比特表示音频信号。6 ) 传输
13、系统包括信息编码和调制部分。信道编码主要用于抑制信道所面临的同频干扰、多径传精干扰等，使传输中减少干扰造成的误码。这意1 。一1 8 8B y t e1 “。一包头4 B y t e适应层有效辩荷 i =传输谋码起始传输包识别符加扰适应层循环 标志位信息优先位H D控制位控制位记敦嚣适应层有效1b i t1b i t1b i t1 3b i t2 b i t4 b i t藏荷 l 适应层不连续随机访问原始流优先5 十标志 长度标志位标志位标志位可选字段填充字段8 b i t1b i tlb i t】b i t5b i t图2 传输包结构味着利用现有频道资源可以传输更高的画质和音质。谰制部分根据
14、不同的传输媒体如：卫星、电缆、地面无线广播等，采用效率最高的信号调制方式，然后将信号发送出去。从应用状况来看，数字电视标准的不同一般表现在传输系统结构和音频编码方式上，以目前的两大数字电视标准：美国先进数字电视A T S C 标准和欧洲数字视频广播D V B 标准为例，传输系统结构如图3 。两种传输系统结构各有特色，前者使用均衡器消除回波，技术成熟，但普遍认为，对长时延的回波消除效果较差，不适应于移动接收，且系统结构较为复杂；后者在欧洲数字音频广播中得到成功的应用，对多径传输干扰有良好的消除效果，系统结构简单，但在数字电视尤其是数字高清晰度电视中的应用效果如何，仍需进一步实验证明。7 ) 作为
15、数字终端接收机实现的是发送端的逆过程，即解调、信道解码、解复用、解压缩、显示格式转换，以实现信号的再现。通过上述视频音频的压缩编码过程，信息得到有效的压缩，如：H D T V1G b p s 的信息量经5 0 倍压缩后，可降低为2 0 M b p s 左右，可以在现有的6 M H z 或8 M H z 的电视信道中可靠地传输。同时高技的信道编码方式，使传输的误码率降低，提升了传输质量。与现行模拟制式电视相比，数字电视有着明显的优势：( 1 ) 消除了模拟处理中所固有的噪声积累，提高丁图像质量。( 2 ) 由于采用高教图像压缩编码算法，提高了传输中的抗干扰能力。( 3 ) 易于实现各种信息的复用
16、。( 4 ) 提高了频谱利用率。7数字化趋势( 5 ) 降低发射功率。( 6 ) 在图像格式L ，与计算机兼容，易于同计算机连接处理图像信息。、( 7 ) 在传输格式上，与新型的通信技术保持最大限度的互操作性。( 8 ) 图像分级处理，充分展现了扩展性。3 数字电视标准与实施状况简介从数字电视的传输途径上主要分为羔大类：( 1 ) 卫星数字电视( 2 ) 电缆数字电视( 3 ) 地面数字电视。从系统上，数字电视大致可分为两大系统：( 1 ) 美国大联盟( G A ) 提出的先进数字电视A7 I S C 标准数宁卫星电视广播虽然于1 9 9 4 年6 月1 7 日由美国首先开始，而f l 目前用户已超过3 0 0 万，但以地面广播为主，电缆传输为辅的美国数字式电视A T S C 标准，却是在1 9 9 6 年1 2 月经过美国电视台、计算机、电视生产厂商9 年的探讨、研究和争论，才由美国联邦通讯委员会( F c c
