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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(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、存儲和記錄，也可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(dá)到的新功能，使電視技術(shù)進(jìn)入嶄新時(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

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(jī)頂盒、一體化數(shù)字電視接收機(jī)。

(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)

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(diǎn)：

(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(jìn)制的兩個(gè)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(gè)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(diǎn)、小一點(diǎn)無關(guān)緊要。

(4)易于實(shí)現(xiàn)信號的存儲，而且存儲時(shí)間與信號的特性無關(guān)。近年來，大規(guī)模集成電路(半導(dǎo)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(dá)到的處理功能。例如，幀存儲器可用來實(shí)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(jì)算機(jī)配合可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制和調(diào)整。

(6)數(shù)字技術(shù)可實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)間，可實(shí)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(jìn)行開路廣播，在設(shè)計(jì)的服務(wù)區(qū)內(nèi)(地面廣播)，觀眾將以極大的概率實(shí)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(gè)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(jī)質(zhì)量相當(dāng)?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(shí)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(xì)節(jié)較少的時(shí)刻。這時(shí)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(shí)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(fèi)業(yè)務(wù))。

(ll)具有可擴(kuò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。

(12)可以與計(jì)算機(jī)"融合"而構(gòu)成一類多媒體計(jì)算機(jī)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(shí)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(gè)過程。

目前用于數(shù)字節(jié)目制作的手段主要有：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)字照像相機(jī)、計(jì)算機(jī)、數(shù)字編輯機(jī)、數(shù)字字幕機(jī)；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(shí)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(dá)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(jì)算時(shí)主要有以下客觀依據(jù)：(1)圖像時(shí)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(jì)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(gè)聲音的存在掩蔽了另一個(gè)聲音的存在，掩蔽效應(yīng)是一個(gè)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，主要用于電視會議的H.261，主要用于靜止圖像的JPMG標(biāo)準(zhǔn)，主要用于連續(xù)圖像的MPEG標(biāo)準(zhǔn)。

在HDTV視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)方面，美國、歐洲、日本沒有分歧，都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是"運(yùn)動圖像專家組"，壓縮后的信息可以供計(jì)算機(jī)處理，也可以在現(xiàn)有和將來的電視廣播頻道中進(jìn)行分配。

在音頻編碼方面，歐洲、日本采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)也會與美國、歐洲、日本一樣采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。
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(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(gè)打包器打包(這是通俗的說法，其實(shí)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)?。HDTV數(shù)據(jù)的打包將使其具備了可擴(kuò)展性、分級性、交互性的基礎(chǔ)。

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

在HDTV復(fù)用傳輸標(biāo)準(zhǔn)方面，美國、歐洲、日本也沒有分歧，都采用了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。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?biāo)準(zhǔn)。
HDTV數(shù)據(jù)包長度是188個(gè)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?？捎?個(gè)ATM信元來完整地傳送一個(gè)HDTV傳送包，因而可達(dá)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(zhǔn)備。我們目前所說的各國數(shù)字電視的制式，標(biāo)準(zhǔn)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(shí)首先考慮的是如何通過地面廣播網(wǎng)進(jìn)行傳播，并提出了以數(shù)字高清晰度電視為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)-ATSC。美國HDTV地面廣播頻道的帶寬為6MHZ，調(diào)制采用8VSB。預(yù)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)–ISDB。