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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(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。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(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，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?，編為復用碼流。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(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DVB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)采用更為復雜的編碼正交頻分復用調(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)字電視技術與原有的模擬電視技術相比，有如下優(yōu)點：

(l)信號雜波比和連續(xù)處理的次數(shù)無關。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。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，與計算機配合可以實現(xiàn)設備的自動控制和調(diào)整。

(6)數(shù)字技術可實現(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，在設計的服務區(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(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"(single frequency network)技術，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錄像機質量相當?shù)臄?shù)字電視節(jié)目。

(9)在同步轉移模式(STM)的通信網(wǎng)絡中，可實現(xiàn)多種業(yè)務的"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(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，便于專業(yè)應用以及廣播應用(特別是開展各類收費業(yè)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(wǎng)絡中傳輸，也便于與計算機網(wǎng)絡聯(lián)通。

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

(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(DSP)、壓縮、解壓、縮放等技術；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

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(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)圖像時間的相關性。視頻信號由連續(xù)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(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。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(xiàn)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(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)字電視的復用系統(tǒng)

數(shù)字電視的復用系統(tǒng)是HDTV的關鍵部分之一。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)不存在復用器。在數(shù)字電視中，復用器把音頻、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)，然后再復合成單路。目前網(wǎng)絡通信的數(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展性、分級性、交互性的基礎。

付費電視是現(xiàn)在和將來電視發(fā)展的一個方向。復用器可對打包的節(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?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，以ATM為信息傳輸模式的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)極有可能成為未來"信息高速公路"的主體設施?？捎?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。