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数字电视技术论文

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摘要:本文介绍了数字电视的概念、特点及优点,阐述了数字电视的技术分类、标准、现状以及发展情况。

关键词:数字电视模拟电视编码调制标准

1数字电视概念

1.1数字电视定义

数字电视是电视数字化和网络化后的产物。数字电视是一个系统,是指从电视节目采集、制作、编辑、播出、传输、用户端接收、显示等全过程的数字化,换句话说就是系统所有过程信号全是由O、1组成的数字流。

数字电视已不仅仅是传统意义上的电视,而是能提供包括图像、数据、语音等全方位的服务,是3C融合的一个典范,是计算机、传输平台、消费电子三个环节的聚焦点。

1.2数字电视与模拟电视的对比

数字电视采用的技术与原模拟电视有着很大的不同。其技术比较见下表。

1.3数字电视的优势

1)现有模拟电视频道带宽为8MHz,只能传送一套普通的模拟电视节目。采用数字电视后一个频道内就传送1—8套数字电视节目(随着编码技术的改进,传送数量还会进一步提高),电视频道利用率大大提高。

数字电视与模拟电视的技术比较

模拟电视

数字电视

描述

采用模拟信号传输电视图像、伴音、

附加功能等信号

采用数字信号传输电视图像、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。须具有良好的数据编码压缩技术

复用

无夏用器,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,使数字电视具备了可扩展性、分级性、交互性、与网络的互通性

信道编解码调制解调

图像信号按行、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

有压缩及复用,传送时的信号不再有模拟电视场、行标志及概念。通过

纠错、均衡来提高信号抗干扰能力,调铡采用QAM、COFDM等新方法。

且随着调制方法技术的改进。传输效率会进一步提高

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。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。

2)清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。在同样覆盖范围内,数字电视的发射功率要比模拟电视小一个数量级。

3)可以实现移动接收、便携接收及各种数据增值业务,实现视频点播等各种互动电视业务,实现加密/解密和加扰/解扰功能,保证通信的隐秘性及收费业务。

4)系统采用了开放的中间件技术,能实现各种交互式应用,可与计算机网络及互联网等的互通互连。

5)易于实现信号存储,而且存储时间与信号的特性无关,易于开展多种增值业务。

6)由于保留了现有模拟电视视频格式,用户端仅需加装数字电视机顶盒即可接收数字电视节目,利于系统的平稳过渡,减少消费者的经济负担。

1.4数字电视的应用范围

1)基本业务:只要节目源许可,用户可以收看数百套数字电视节目,以及几十套调频广播节目和数字音频广播(DAB)节目。

2)扩展业务:可提供如图文电视、电视会议、数据信息广播、加密电视、视频点播等。

3)增值业务:可通过双向传输系统进行交互式的多功能应用,如互联网接入、远程教学、远程医疗、电子邮件、计算机联网、数据通讯、家庭保安监控等多媒体信息服务。

1.5数字电视的弱点

数字电视并不是完美无缺的,它同样存在着一些弱点。例如在取样的过程、量化误差、压缩编码所带来的信号损伤,在节目制作及传输过程中贯通延迟。有些损伤可以修复,并不影响图像的最终质量,而有些损伤只能通过一些补偿措施削弱它的影响,但这并不能影响电视领域向数字化的转变。与电视信号数字化后所带来的好处相比,这些影响往往会被忽略。

2数字电视分类

2.1按信号传输方式可分为:地面无线传输数字电视(地面数字电视);卫星传输数字电视(卫星数字电视);有线传输数字电视(有线数字电视)。

2.2按图像清晰度可分为三大类

1)数字高清晰度电视(HDTV):需至少720线逐行或1080线隔行扫描、屏幕宽高比应为16:9、采用杜比数字音响,能将高清晰格式转化为其他格式并能接收并显示较低格式的信号,图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平。

2)数字标准清晰度电视(SDTV):必须达到480线逐行扫描,能将720逐行、1080隔行等格式变为480逐行输出,采用杜比数字音响。对应现有电视的分辨率,其图像质量为演播室水平。

3)数字普通清晰度电视(LDTV):显示扫描格式低于标准清晰度电视,即低于480线逐行扫描的标准。对应现有VCD的分辨率。

2.3按照产品类型可分为

数字电视显示器、数字电视机顶盒和一体化数字电视接收机;

2.4按显示屏幕幅型比分类

数字电视可分为4:3和16:9幅型比两种类型。

3数字电视技术

数字电视的实现,以下几项技术是关键:

3.1数字电视的信源(视频、音频)编解码技术在1920x1080显示格式下,数字化后信号的数码率在传输中高达995Mbit/s,这比现行模拟电视的传输信息量大得多,因此必须去除图像信号中的多余信息,将数码率压缩到能在一个8MHz模拟电视信道中传送。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20Mbit/s~30Mbit/s。国际组织已经制定了对图像进行压缩编码的标准有JPEG(静态图像压缩编码标准)、MPEG-2(运动图像压缩编码标准)等。音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。对伴音进行压缩编码标准有MPEG伴音压缩编码标准、AC-3等。

3.2数字电视的复用系统

数字电视的复用系统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,送给信遭编码及调制。接受端与此过程相反。在HDTV复用传输标准方面,美国、欧洲、日本都采用了MPEG-2标准。

3.3数字电视的信道编解码及调制解调

为了提高传输的频带利用率,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。数字电视采用多进制调制方法,例如:残留边带调制(VSB);正交振幅调制(QAM);四相相移键控调制(QPSK);差动四相相移键控调制(DQPSK);编码正交频分复用调制(COFDM)等。

为了提高数字电视传输的可靠性,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,方法如:里德一索罗门码、卷积码、交织、格状编码调制等。美国、欧洲、日本数字电视的制式、标准不统一,主要是指在该方面的不同。

4数字电视标准

数字电视标准是指数字电视采用的视音频采样、压缩格式、传输方式和服务信息格式等的规定。目前投入使用的有三种:

美国的ATSC(先进电视系统委员会);欧洲的DVB(数字视频广播);日本的ISDB(综合服务数字广播)。

每一种标准对于信源的处理、画面格式及传输方式等方面均有一些差别。每一种数字电视标准又可分为卫星传输、电缆传输和地面传输方式。

4.1美国ATSC标准

ATSC标准由四个层级组成,最高为图像层,确定图像的形式,包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层。再下来是系统复用层,特定的数据被纳入不同的压缩包中。最后是传输层,确定数据传输的调制和信道编码方案。下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置,如HDTV或SDTV;还确定ATSC标准支持的具体图像格式。

另外,ATSC还开发并通过了可为采用50Hz帧频的国家使用的另行标准。

ATSC成员30个,其中有美国国内成员20个、来自阿根廷、法国、韩国等7个国家的成员10个,中国的广播科学研究院也参加了ATSC组织。

ATSC标准定义的画面格式

支持室内接收、移动接收等需求,包括4个系统。

1)DVB传输系统:涉及卫星、有线电视、地面、SMATV、MMDS等所有传输媒体。

DVB-S数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。

DVB-C数字有线电视广播系统标准。系统前端可从卫星和地面发射获得信号。

pWB-T数字地面电视广播系统标准。本地区覆盖最好。传输质量高,但接收费用也高。

DVB-SMATV是数字卫星共用天线电视(SMATV)广播系统标准。

DVB-MS高于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准。

DVB-MC低于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准。

2)DVB基带附加信息系统:可传送接收IRD调谐、节目指南及图文、字幕、图标等信息。

DVB标准定义的画面格式

DVB-SI数字广播业务信息系统标准。

DVB-TXT数字图文广播系统标准,用于固定格式图文电视的传送。

DVB-SUB为数字广播字幕系统标准,用于字幕及图标的传送。

3)DVB交互业务服务:对应标准有:DVB—NIP、DVB-R.CC和DVB-R.CT。

4)DVB条件接收及接口标准:条件接收是付费电视广播的基本部分。DVB数字广播系统与其他电信网络(如SDH、ATM等)连接,可实现DVB向电信网络的过渡。标准包括:DVB-C11DVB-PDH,DVB-SDH,DVB—ATM、DVB-PI和DVB-IRDI。

DVB成员已经达到265个(来自35个国家和地区),主要集中在欧洲并遍及世界各地,我国的广播科学研究院和TCL电子集团也在其中。

4.3日本ISDB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。ISDB是日本的DIBEG(数字广播专家组)制订的数字广播系统标准,它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号,同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点,可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。

频编码

4.4三种数字电视标准的对比

无论哪一种制式,它们的视频压缩技术都采用了MPEG-2标准,但是由于美国和欧洲等在模拟电视的制式的差别,为了兼容性,它们的视频采样格式也存在差别,主要体现在行和列的分辨率及场频等。

在数字电视信号的传输中,卫星传输一般采用QPSK调制技术,电缆传输一般采用QAM调制技术,但地面传输采用的技术则在不同的制式中存在很大差别,如美国的ATSC采用的是VSB调制技术,而欧洲的DVB和日本的ISDB则使用oFDM调制技术。

服务信息是指在数字电视中开展增值服务所用的数据,美国ATSC制式中的PSIP部分和欧洲DVB制式中的SI部分分别规定了各自数字电视中的服务信息格式。

ATScATV优点:频谱效率高、功率峰均比低,明显地减少了脉冲干扰。可将与原模拟NTSC信号的同频和邻频干扰减至最小。缺点是不能抵抗多径干扰,不支持移动接收。

DVB-T优点:在基于大量小功率、工作在同一频道的众多发射机,每一个均覆盖一个较小的区域的这样一种单频网络来说,DVB是一三种标准数字地面广播系统的比较

种最佳选择。同时提供了良好的移动接收性能。缺点是:其载/噪比低于8-VBS,并且限制了信号的有效传输距离,对来自于电机的脉冲干扰较敏感,较高的峰/均值比,并且需要较高功率的发射机,保护间隔降低了频谱效率并明显减少带宽的比特/赫兹率。

ISDB-T和DVB-T非常类似,根据分层和窄带接收同时实现固定、移动和便携接收,是日本制式的特点;与DVB-T相比,ISDB-T增加了部分接收和分层传输功能。

5中国的数字电视

早在1996年,我国便开始了数字电视的研究工作,数字电视被列人原国家科委“八五”重大科技产业工程项目,并成立了数字高清晰度电视的总体组。1999年10月,高清晰度方案被成功用于国庆50周年大典的数字电视现场直播。后国家将数字电视发展计划纳入“十五”高新技术的12个重大专项之列,数字电视研究工作全面启动。

5.1中国数字电视标准

1)信源编码技术标准:

中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。该标准与MPEG-2标准完全兼容,也可以兼容MPEG-4AVC/H.264国际标准基本层,其压缩水平可达MPEG-2标准的2-3倍。

2)信道传输技术标准

中国的卫星数字电视标准采用欧洲DVB—S标准。

中国有线数字电视的标准还在报批过程中,大中型城市有线电视台多采用欧洲的DVB-T标准在试播。

中国的地面数字电视标准方案目前还在制定过程之中。

3)条件接收系统标准(CA)、用户管理系统(SMC)已制定完成。

5.2数字电视现状及发展:

1)中国数字电视规划:

国家广电总局制定了《我国有线电视向数字化过渡时间表>。

◎2003年数字电视标准出台(未按期实现)。

◎2005年进行数字电视的商业播出,有线数字电视用户超过3000万户,直辖市、东部地区地(市)级以上城市、中部地区省会市和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。

◎2008年用数字电视转播奥运会,东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。

◎2010年全面实现数字广播电视,中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡。

◎2015年停播模拟信号,西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。

2)数字电视现实的困难:

要发展数字电视面临的问题还很多。一是原先电视台设备的更换,节目的制作成本高于模拟电视。这直接造成数字电视初期节目源紧张。二是数字电视的基础是双向电视网络,现有网络由单向改为双向改造成本较高,难度很大。三是我国数字电视标准的不确定也影响了数字电视的进程。

3)数字电视的前景

数字电视的技术优势必然会取代模拟电视,数字技术的应用会使电视技术开辟一个新天地。当然模拟技术在局部小范围的电视技术上也会占有一定市场。总之数字电视为电子信息产业提供了一个难得机遇。从模拟电视广播向数字电视广播的过渡,将带来上万亿元的市场,它必将成为我国新的经济增长点。

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