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數(shù)字電視中央信號源 TV3300

數(shù)字電視中央信號源 TV3300

數(shù)字電視中央信號源

一、數(shù)字電視的基本知識

1.數(shù)字電視的概念
所謂數(shù)字電視,，就是將傳統(tǒng)的模擬電視信號經(jīng)過抽樣,、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進制數(shù)代表的數(shù)字式信號，然后進行各種功能的處理,、傳輸,、存儲和記錄，也可以用電子計算機進行處理,、監(jiān)測和控制,。采用數(shù)字技術(shù)不僅使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬式設(shè)備更高的技術(shù)性能，而且還具有模擬技術(shù)不能達到的新功能,，使電視技術(shù)進入嶄新時代,。

2.數(shù)字電視的基本原理

在傳統(tǒng)的模擬電視中，模擬全電視信號通過調(diào)制在無線電射頻載波上發(fā)送出去,。廣播信道可以是地面廣播,、有線電視網(wǎng)或衛(wèi)星廣播。數(shù)字電視則是將電視信號進行數(shù)字化采樣，其信號的數(shù)據(jù)率是很高的,，演播室質(zhì)量的數(shù)字化電視信號的數(shù)據(jù)率在200Mbps,。要在原模擬電視頻道帶寬內(nèi)傳輸如此高速率的數(shù)字信號是不可能的，因此,，必須發(fā)展數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)方法有兩種：一是在信源編碼過程中進行壓縮，利用人類聽覺視覺效應(yīng)去除信號中的多余成分,，在不影響收聽收看效果的前提下盡量壓縮數(shù)據(jù)率,；二是改進信道編碼，發(fā)展新的數(shù)字調(diào)制技術(shù),，提高單位頻寬數(shù)據(jù)傳送速率,。在信源編碼方面，IEEE的MPEG專家組已發(fā)展制訂了ISO/IEC11172(MPEG-1)和ISO/IEC13818(MPEG-2)兩項標準,。MPEG-1的輸入視頻格式為CIF352×288,，主要用于CD-ROM、VCD或T1(E1)線路傳輸,，碼率為固定的1.5Mbps,；MPEG-2供數(shù)字電視使用，它支持標準分辨率的16∶9寬屏及高清晰度電視等多種格式,，其碼率可變,，為3～40Mbps。

信源編碼是把節(jié)目源的模擬圖聲信號變?yōu)閿?shù)字信號,，再經(jīng)過MPEG-2壓縮編碼,，形成數(shù)字信號源，并根據(jù)多個節(jié)目傳輸?shù)囊?，編為?fù)用碼流,。MPEG-2是未來的廣播電視數(shù)字壓縮的標準。采用不同的層和級組合即可滿足從家庭質(zhì)量到廣播級質(zhì)量以及將要播出的高清晰度電視質(zhì)量不同的要求,，其應(yīng)用面很廣,。從進入家庭的DVD到衛(wèi)星電、廣播電視微波傳輸都采用了這一標準,。

目前,，數(shù)字電視的傳輸途徑可分為三種：數(shù)字衛(wèi)星、數(shù)字有線電視和數(shù)字地面開路電視,。這三種數(shù)字電視的信源編碼方式相同,，都是MPEG-2的復(fù)用數(shù)據(jù)包,，但由于它們的傳輸途徑不同,，它們的信道編碼也采用了不同的調(diào)制方式。例如，歐洲D(zhuǎn)VB數(shù)字電視系統(tǒng)中,，數(shù)字衛(wèi)星電系統(tǒng)(DVB-S)采用正交相移鍵控調(diào)制(OPSK),；數(shù)字有線電視系統(tǒng)(DVB-C)采用正交調(diào)幅調(diào)制(QAM)；數(shù)字地面開路電視系統(tǒng)(DVB-T)采用更為復(fù)雜的編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制(COFDM),。
數(shù)字電視中央信號源
3.數(shù)字電視的分類

數(shù)字電視可以按以下幾種方式分類：

(1)按信號傳輸方式分類：可以分為地面無線傳輸(地面數(shù)字電視),、衛(wèi)星傳輸(衛(wèi)星數(shù)字電視)、有線傳輸(有線數(shù)字電視)三類,。

(2)按產(chǎn)品類型分類：可以分為數(shù)字電視顯示器,、數(shù)字電視機頂盒、一體化數(shù)字電視接收機,。

(3)按清晰度分類：可以分為低清晰度數(shù)字電視(圖像水平清晰度大于250線),、標準清晰度數(shù)字電視(圖像水平清晰度大于500線)、高清晰度數(shù)字電視(圖像水平清晰度大于800線,，即HDTV),。VCD的圖像格式屬于低清晰度數(shù)字電視(LDTV)水平，DVD的圖像格式屬于標準清晰度數(shù)字電視(SDTV)水平,。

(4)按顯示屏幕幅型分類：可以分為4：3幅型比和16：9幅型比兩種類型,。

(5)按掃描線數(shù)(顯示格式)分類：可以分為HDTV掃描線數(shù)(大于1000線)和SDTV掃描線數(shù)(600～800線)等。

4.數(shù)字電視的優(yōu)點

數(shù)字電視技術(shù)與原有的模擬電視技術(shù)相比,，有如下優(yōu)點：

(l)信號雜波比和連續(xù)處理的次數(shù)無關(guān),。電視信號經(jīng)過數(shù)字化后是用若干位二進制的兩個電平來表示，因而在連續(xù)處理過程中或在傳輸過程中引入雜波后,，其雜波幅度只要不超過某一額定電平,，通過數(shù)字信號再生，都可能把它清除掉,，即使某一雜波電平超過額定值,，造成誤碼，也可以利用糾錯編,、解碼技術(shù)把它們糾正過來,。所以，在數(shù)字信號傳輸過程中,，不會降低信雜比,。而模擬信號在處理和傳輸中，每次都可能引入新的雜波,，為了保證zui終輸出有足夠的信雜比,，就必須對各種處理設(shè)備提出較高信雜比的要求。模擬信號要求 S/N＞40dB,，而數(shù)字信號只要求S/N＞20dB,。模擬信號在傳輸過程中噪聲逐步積累,，而數(shù)字信號在傳輸過程中，基本上不產(chǎn)生新的噪聲,，也即信雜比基本不變,。

(2)可避免系統(tǒng)的非線性失真的影響。而在模擬系統(tǒng)中,，非線性失真會造成圖像的明顯損傷,。

(3)數(shù)字設(shè)備輸出信號穩(wěn)定可靠。因數(shù)字信號只有”0″,、”l”兩個電平,，”l”電平的幅度大小只要滿足處理電路中可能識別出是”l”電平就可，大一點,、小一點無關(guān)緊要,。

(4)易于實現(xiàn)信號的存儲，而且存儲時間與信號的特性無關(guān),。近年來,，大規(guī)模集成電路(半導體存儲器)的發(fā)展，可以存儲多幀的電視信號,，從而完成用模擬技術(shù)不可能達到的處理功能,。例如，幀存儲器可用來實現(xiàn)幀同步和制式轉(zhuǎn)換等處理,獲得各種新的電視圖像特技效果,。

(5)由于采用數(shù)字技術(shù),，與計算機配合可以實現(xiàn)設(shè)備的自動控制和調(diào)整。

(6)數(shù)字技術(shù)可實現(xiàn)時分多路,，充分利用信道容量,，利用數(shù)字電視信號中行、場消隱時間,，可實現(xiàn)文字多工廣播(etext),。

(7)壓縮后的數(shù)字電視信號經(jīng)數(shù)字調(diào)制后，可進行開路廣播,，在設(shè)計的服務(wù)區(qū)內(nèi)(地面廣播),，觀眾將以極大的概率實現(xiàn)”無差錯接收”(發(fā)”0″收”0″，發(fā)” l”收”l”),，收看到的電視圖像及聲音質(zhì)量非常接近演播室質(zhì)量,。
(8)可以合理地利用各種類型的頻譜資源。以地面廣播而言,，數(shù)字電視可以啟用模擬電視禁用頻道”(taboo channel),，而且在今后能夠采用”單頻率網(wǎng)絡(luò)”(single frequency network)技術(shù)，例如 l套電視節(jié)目僅占用同 1個數(shù)字電視頻道而覆蓋全國,。此外,，現(xiàn)有的 6MHz模擬電視頻道,，可用于傳輸 l套數(shù)字高清晰度電視節(jié)目或者 4-6套質(zhì)量較高的數(shù)字常規(guī)電視節(jié)目，或者 16-24套與家用 VHS錄像機質(zhì)量相當?shù)臄?shù)字電視節(jié)目,。

(9)在同步轉(zhuǎn)移模式(STM)的通信網(wǎng)絡(luò)中，可實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的”動態(tài)組合”(dynamic combination),。例如,，在數(shù)字高清晰度電視節(jié)目中，經(jīng)常會出現(xiàn)圖像細節(jié)較少的時刻,。這時由于壓縮后的圖像數(shù)據(jù)量較少,，便可插入其它業(yè)務(wù)(如電視節(jié)目指南、電子游戲軟件等),，而不必插入大量沒有意義的”填充比特”,。

(10)很容易實現(xiàn)加密／解密和加擾／解擾技術(shù)，便于專業(yè)應(yīng)用以及廣播應(yīng)用(特別是開展各類收費業(yè)務(wù)),。

(ll)具有可擴展性,、可分級性和互操作性，便于在各類通信信道特別是異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)的網(wǎng)絡(luò)中傳輸,，也便于與計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通,。

(12)可以與計算機”融合”而構(gòu)成一類多媒體計算機系統(tǒng)，成為未來”國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”(NII)的重要組成部分,。
數(shù)字電視中央信號源
5.數(shù)字電視的相關(guān)技術(shù)

(1)數(shù)字電視廣播流程及實現(xiàn)手段

數(shù)字電視廣播,，其信號流程包括制作(編輯)、信號處理,、廣播(傳輸)和接收(顯示)幾個過程,。

目前用于數(shù)字節(jié)目制作的手段主要有：數(shù)字攝像機和數(shù)字照像相機、計算機,、數(shù)字編輯機,、數(shù)字字幕機；用于數(shù)字信號處理的手段有：數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP),、壓縮,、解壓、縮放等技術(shù),；用于傳輸?shù)氖侄斡校旱孛鎻V播傳輸,、有線電視(或光纜)傳輸、衛(wèi)星廣播(DSS)及寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)(ISDN),、DVD等,；用于接受顯示的手段有：陰極射線管顯示器(CRT)、液晶顯示器,、等離子體顯示器,、投影顯示(包括前投,、背投)等。

(2)數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù)

信源編解碼技術(shù)包括視頻壓縮編解碼技術(shù)及音頻壓縮編解碼技術(shù),。

數(shù)字電視尤其數(shù)字高清晰度電視與模擬電視相比,，在實現(xiàn)過程中 ，zui為困難的部分就是對視頻信號的壓縮,。在1920×1080顯示格式下,，數(shù)字化后的碼率在傳輸中高達995Mbit/s，這比現(xiàn)行模擬電視的傳輸信息量大得多,。因而數(shù)字電視的圖像不能象模擬電視的圖像那樣直接傳輸,，而是要多一道壓縮編碼工序。
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20～30Mbit/s,。視頻編碼計算時主要有以下客觀依據(jù)：(1)圖像時間的相關(guān)性。視頻信號由連續(xù)圖像組成,，相鄰圖像有很多相關(guān)性,，找出這些相關(guān)性就可減少信息量。(2)圖像空間的相關(guān)性,。例如圖像中有一大塊單一顏色,，那么不必把所有像素存貯。(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(guān)緊要的信息給予較大的失真處理，即使這些信息全部丟失了,，人眼也可能覺察不到,；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(tǒng)計特性。事件發(fā)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(fā)生的概率越大，則其熵值越小,，只需分配較短的碼字,。

與視頻編解碼相同，音頻編解碼主要功能是完成聲音信息的壓縮,。聲音信號數(shù)字化后,，信息量比模擬傳輸狀態(tài)大得多,，因而數(shù)字電視的聲音不能象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(yīng)。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(yīng)是一個較為復(fù)雜的心理和生理現(xiàn)象，包括人耳的頻域掩蔽效應(yīng)和時域掩蔽效應(yīng),。(2)人耳對聲音的方向特性,。對于2KHZ以上的高頻聲音信號,，人耳很難判斷其方向性,，因而立體聲廣播的高頻部分不必重復(fù)存貯。

上對數(shù)字圖像編碼曾制訂了三種標準,，主要用于電視會議的H.261,，主要用于靜止圖像的JPMG標準，主要用于連續(xù)圖像的MPEG標準,。

在HDTV視頻壓縮編解碼標準方面,，美國、歐洲,、日本沒有分歧,，都采用了MPEG-2標準。MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是”運動圖像專家組”,，壓縮后的信息可以供計算機處理,，也可以在現(xiàn)有和將來的電視廣播頻道中進行分配。

在音頻編碼方面,，歐洲,、日本采用了MPEG-2標準；美國采納了杜比公司(Dolby)的AC-3方案,，MPEG-2為備用方案,。

對于我國來說，今后信源編解碼標準也會與美國,、歐洲,、日本一樣采用MPEG-2標準。
數(shù)字電視中央信號源
(3)數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)

數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)是HDTV的關(guān)鍵部分之一,。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,，送給信道編碼及調(diào)制。接受端與此過程正好相反,。

模擬電視系統(tǒng)不存在復(fù)用器,。在數(shù)字電視中，復(fù)用器把音頻,、視頻,、輔助數(shù)據(jù)的碼流通過一個打包器打包(這是通俗的說法，其實是數(shù)據(jù)分組),，然后再復(fù)合成單路,。目前網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)都是按一定格式打包傳輸?shù)摹DTV數(shù)據(jù)的打包將使其具備了可擴展性,、分級性,、交互性的基礎(chǔ)。

付費電視是現(xiàn)在和將來電視發(fā)展的一個方向,。復(fù)用器可對打包的節(jié)目信息進行加擾,，使其隨機化，接收機具有密鑰才能解擾,。

在HDTV復(fù)用傳輸標準方面,，美國、歐洲,、日本也沒有分歧,，都采用了MPEG-2標準。美國已有了MPEG-2解復(fù)用的芯片,。我國恐怕也會采用MPEG-2作為復(fù)用傳輸?shù)臉藴省?br/>HDTV數(shù)據(jù)包長度是188個字節(jié),，正好是ATM信元的整數(shù)倍。今后以光纖為傳輸介質(zhì),，以ATM為信息傳輸模式的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)極有可能成為未來”信息高速公路”的主體設(shè)施,。可用4個ATM信元來完整地傳送一個HDTV傳送包,，因而可達到HDTV與ATM的方便接口,。

(4)數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)

數(shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過糾錯編碼、網(wǎng)格編碼,、均衡等技術(shù)提高信號的抗干擾能力,，通過調(diào)制把傳輸信號放在載波或脈沖串上，為發(fā)射做好準備,。我們目前所說的各國數(shù)字電視的制式,，標準不能統(tǒng)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(shù)的不同,，帶寬的不同，尤其是調(diào)制方式的不同,。

數(shù)字傳輸?shù)某Ｓ谜{(diào)制方式有：

正交振幅調(diào)制(QAM)：調(diào)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,。

鍵控移相調(diào)制(QPSK)：調(diào)制效率高,，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛(wèi)星廣播,。

殘留邊帶調(diào)制(VSB)：抗多徑傳播效應(yīng)好(即消除重影效果好),，適合地面廣播。

編碼正交頻分調(diào)制(COFDM)：抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好,，適合地面廣播和同頻網(wǎng)廣播,。

美國地面電視廣播迄今仍占其電視業(yè)務(wù)的一半以上，因此,，美國在發(fā)展高清晰度電視時首先考慮的是如何通過地面廣播網(wǎng)進行傳播,，并提出了以數(shù)字高清晰度電視為基礎(chǔ)的標準-ATSC,。美國HDTV地面廣播頻道的帶寬為6MHZ,，調(diào)制采用8VSB。預(yù)計美國的衛(wèi)星廣播電視會采用QPSK調(diào)制,，電纜電視會采用QAM或VSB調(diào)制,。

從1995年起，歐洲陸續(xù)發(fā)布了數(shù)字電視地面廣播(DVB-T),、數(shù)字電視衛(wèi)星廣播(DVB-S),、數(shù)字電視有線廣播(DVB-C)的標準。歐洲數(shù)字電視首先考慮的是衛(wèi)星信道,，采用QPSK調(diào)制,。歐洲地面廣播數(shù)字電視采用COFDM調(diào)制，8M帶寬,。歐洲電纜數(shù)字電視采用QAM調(diào)制,。
數(shù)字電視中央信號源
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)字電視的標準–ISDB,。