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數字電視中央信號源 TV3300

數字電視中央信號源 TV3300

數字電視中央信號源

一、數字電視的基本知識

1.數字電視的概念
所謂數字電視，就是將傳統的模擬電視信號經過抽樣、量化和編碼轉換成用二進制數代表的數字式信號，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、監測和控制。采用數字技術不僅使各種電視設備獲得比原有模擬式設備更高的技術性能，而且還具有模擬技術不能達到的新功能，使電視技術進入嶄新時代。

2.數字電視的基本原理

在傳統的模擬電視中，模擬全電視信號通過調制在無線電射頻載波上發送出去。廣播信道可以是地面廣播、有線電視網或衛星廣播。數字電視則是將電視信號進行數字化采樣，其信號的數據率是很高的，演播室質量的數字化電視信號的數據率在200Mbps。要在原模擬電視頻道帶寬內傳輸如此高速率的數字信號是不可能的，因此，必須發展數據壓縮技術。

實現數據壓縮技術方法有兩種：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據率；二是改進信道編碼，發展新的數字調制技術，提高單位頻寬數據傳送速率。在信源編碼方面，IEEE的MPEG專家組已發展制訂了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。

信源編碼是把節目源的模擬圖聲信號變為數字信號，再經過MPEG-2壓縮編碼，形成數字信號源，并根據多個節目傳輸的要求，編為復用碼流。MPEG-2是未來的廣播電視數字壓縮的標準。采用不同的層和級組合即可滿足從家庭質量到廣播級質量以及將要播出的高清晰度電視質量不同的要求，其應用面很廣。從進入家庭的DVD到衛星電、廣播電視微波傳輸都采用了這一標準。

目前，數字電視的傳輸途徑可分為三種：數字衛星、數字有線電視和數字地面開路電視。這三種數字電視的信源編碼方式相同，都是MPEG-2的復用數據包，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制方式。例如，歐洲DVB數字電視系統中，數字衛星電系統(DVB-S)采用正交相移鍵控調制(OPSK)；數字有線電視系統(DVB-C)采用正交調幅調制(QAM)；數字地面開路電視系統(DVB-T)采用更為復雜的編碼正交頻分復用調制(COFDM)。
數字電視中央信號源
3.數字電視的分類

數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(地面數字電視)、衛星傳輸(衛星數字電視)、有線傳輸(有線數字電視)三類。

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

(3)按清晰度分類：可以分為低清晰度數字電視(圖像水平清晰度大于250線)、標準清晰度數字電視(圖像水平清晰度大于500線)、高清晰度數字電視(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字電視(LDTV)水平，DVD的圖像格式屬于標準清晰度數字電視(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(顯示格式)分類：可以分為HDTV掃描線數(大于1000線)和SDTV掃描線數(600～800線)等。

4.數字電視的優點

數字電視技術與原有的模擬電視技術相比，有如下優點：

(l)信號雜波比和連續處理的次數無關。電視信號經過數字化后是用若干位二進制的兩個電平來表示，因而在連續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、解碼技術把它們糾正過來。所以，在數字信號傳輸過程中，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備提出較高信雜比的要求。模擬信號要求 S/N＞40dB，而數字信號只要求S/N＞20dB。模擬信號在傳輸過程中噪聲逐步積累，而數字信號在傳輸過程中，基本上不產生新的噪聲，也即信雜比基本不變。

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

(3)數字設備輸出信號穩定可靠。因數字信號只有"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、小一點無關緊要。

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

(5)由于采用數字技術，與計算機配合可以實現設備的自動控制和調整。

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

(7)壓縮后的數字電視信號經數字調制后，可進行開路廣播，在設計的服務區內(地面廣播)，觀眾將以極大的概率實現"無差錯接收"(發"0″收"0″，發" l"收"l")，收看到的電視圖像及聲音質量非常接近演播室質量。
(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"單頻率網絡"(single frequency network)技術，例如 l套電視節目僅占用同 1個數字電視頻道而覆蓋全國。此外，現有的 6MHz模擬電視頻道，可用于傳輸 l套數字高清晰度電視節目或者 4-6套質量較高的數字常規電視節目，或者 16-24套與家用 VHS錄像機質量相當的數字電視節目。

(9)在同步轉移模式(STM)的通信網絡中，可實現多種業務的"動態組合"(dynamic combination)。例如，在數字高清晰度電視節目中，經常會出現圖像細節較少的時刻。這時由于壓縮后的圖像數據量較少，便可插入其它業務(如電視節目指南、電子游戲軟件等)，而不必插入大量沒有意義的"填充比特"。

(10)很容易實現加密／解密和加擾／解擾技術，便于專業應用以及廣播應用(特別是開展各類收費業務)。

(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移模式(ATM)的網絡中傳輸，也便于與計算機網絡聯通。

(12)可以與計算機"融合"而構成一類多媒體計算機系統，成為未來"國家信息基礎設施"(NII)的重要組成部分。
數字電視中央信號源
5.數字電視的相關技術

(1)數字電視廣播流程及實現手段

數字電視廣播，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。

目前用于數字節目制作的手段主要有：數字攝像機和數字照像相機、計算機、數字編輯機、數字字幕機；用于數字信號處理的手段有：數字信號處理技術(DSP)、壓縮、解壓、縮放等技術；用于傳輸的手段有：地面廣播傳輸、有線電視(或光纜)傳輸、衛星廣播(DSS)及寬帶綜合業務網(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)數字電視的信源編解碼技術

信源編解碼技術包括視頻壓縮編解碼技術及音頻壓縮編解碼技術。

數字電視尤其數字高清晰度電視與模擬電視相比，在實現過程中 ，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，數字化后的碼率在傳輸中高達995Mbit/s，這比現行模擬電視的傳輸信息量大得多。因而數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。
視頻編碼技術主要功能是完成圖像的壓縮，使數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：(1)圖像時間的相關性。視頻信號由連續圖像組成，相鄰圖像有很多相關性，找出這些相關性就可減少信息量。(2)圖像空間的相關性。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)事件間的統計特性。事件發生的概率越小，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。聲音信號數字化后，信息量比模擬傳輸狀態大得多，因而數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。在人的聽覺上，一個聲音的存在掩蔽了另一個聲音的存在，掩蔽效應是一個較為復雜的心理和生理現象，包括人耳的頻域掩蔽效應和時域掩蔽效應。(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存貯。

上對數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。
數字電視中央信號源
(3)數字電視的復用系統

數字電視的復用系統是HDTV的關鍵部分之一。從發送端信息的流向來看，它將視頻、音頻、輔助數據等編碼器送來的數據比特流，經處理復合成單路串行的比特流，送給信道編碼及調制。接受端與此過程正好相反。

模擬電視系統不存在復用器。在數字電視中，復用器把音頻、視頻、輔助數據的碼流通過一個打包器打包(這是通俗的說法，其實是數據分組)，然后再復合成單路。目前網絡通信的數據都是按一定格式打包傳輸的。HDTV數據的打包將使其具備了可擴展性、分級性、交互性的基礎。

付費電視是現在和將來電視發展的一個方向。復用器可對打包的節目信息進行加擾，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解復用的芯片。我國恐怕也會采用MPEG-2作為復用傳輸的標準。
HDTV數據包長度是188個字節，正好是ATM信元的整數倍。今后以光纖為傳輸介質，以ATM為信息傳輸模式的寬帶綜合業務數字網極有可能成為未來"信息高速公路"的主體設施。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)數字電視的信道編解碼及調制解調

數字電視信道編解碼及調制解調的目的是通過糾錯編碼、網格編碼、均衡等技術提高信號的抗干擾能力，通過調制把傳輸信號放在載波或脈沖串上，為發射做好準備。我們目前所說的各國數字電視的制式，標準不能統一，主要是指各國在該方面的不同，具體包括糾錯、均衡等技術的不同，帶寬的不同，尤其是調制方式的不同。

數字傳輸的常用調制方式有：

正交振幅調制(QAM)：調制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。

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

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

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

美國地面電視廣播迄今仍占其電視業務的一半以上，因此，美國在發展高清晰度電視時首先考慮的是如何通過地面廣播網進行傳播，并提出了以數字高清晰度電視為基礎的標準-ATSC。美國HDTV地面廣播頻道的帶寬為6MHZ，調制采用8VSB。預計美國的衛星廣播電視會采用QPSK調制，電纜電視會采用QAM或VSB調制。

從1995年起，歐洲陸續發布了數字電視地面廣播(DVB-T)、數字電視衛星廣播(DVB-S)、數字電視有線廣播(DVB-C)的標準。歐洲數字電視首先考慮的是衛星信道，采用QPSK調制。歐洲地面廣播數字電視采用COFDM調制，8M帶寬。歐洲電纜數字電視采用QAM調制。
數字電視中央信號源
日本數字電視首先考慮的是衛星信道，采用QPSK調制。并在1999年發布了數字電視的標準–ISDB。