第四章 数字电视基础.ppt
第四章 数字电视基础,4.1 数字电视技术概述 4.2 音、视频信号的数字化 4.3 数字电视标准,4.1 数字电视技术概述,从70年代开始，随着大规模集成电路、大容量半导体存储器和计算机技术的飞速发展，数字技术被越来越多的用于模拟电视信号的处理，进入了模拟电视数字化的新阶段。这一阶段以电视演播室的数字化为先导、数字电视制式转换器、帧同步机等相继问世。数字电视代表着现代电视技术的发展潮流，日益成为现代电视系统的主流。 世界电视技术发展经历了一下三个阶段： 第一代黑白电视，第二代模拟彩色电视，第三代高清晰度电视。,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,4.1.1 什么是数字电视 数字电视最早诞生在90年代的德国，德国的ITT公司推出了世界上第一台数字彩色电视机，但这台数字彩色电视机成本很高。原因是它使用了帧存储器，当时集成电路的生产技术比较落后，电路密度很低，所以成本很高。这台数字彩色电视机功能很简单，但在技术上已达到了非常高的水平，如，用数字滤波技术进行Y/C分离和场闪烁处理。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,在此基础上，后来人们发明了画中画（PIP）电视，而后又发明了插行电视机，或叫改善清晰度电视机IDTV（Improved-Definition Television），也就是现在的倍行、倍场等电视机。这些电视机都是只对视频信号做一些很简单的数字技术处理，图像质量并没有明显提高，但当时被人们认为是数字电视，我们国家也把这种电视机定义为数字电视机，并制订了数字电视机标准，这个标准一直沿用到2000年。 国外的全数字信号电视机早已诞生，并于上个世纪90代就已开始进行数字信号广播，如DVB、HDTV等。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,数字电视的发展，最早要追溯到60多年前的傅立叶变换理论，它奠定了数字电视技术的基础。MPEG信源编码技术标准的诞生，标志着数字电视技术已经基本成熟。MPEG信源编码技术中最重要的两项分别为：霍夫曼编码（Huffman coding），差动脉冲编码调制（DPCM）。 数字电视技术的基础是：模数转换A/D（Analog-to-Digital Converter）和编码（Coding）技术。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,什么是数字电视呢？“数字电视”的含义并不是指具体的电视机，而是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。具体过程为：电视台发出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，由卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送出去，由数字电视接收后，通过数字解调和数字音、视频解码处理还原出原来的图像及伴音。在整个过程中没有D/A和A/D转换，仅在显像管激励终端和扬声器推动终端用D/A转换还原出负极性图像信号和正弦波音频信号；因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,4.1.2 数字电视的优点 传统的模拟电视广播存在一系列问题与缺陷，不能满足人们对高品质视听生活的不断追求。主要缺点如下： 1）模拟电视图像清晰度差，存在亮色干扰、大面积闪烁现象，节目源不能多次复制。 2）模拟电视带宽受限很大，模拟PAL制电视在8MHz带宽内只能传送1路模拟视频和模拟音频信号，由于同频及邻频干扰，增加新频道难度很大。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,3）模拟电视抗干扰能力差，接力传输产生噪声使信噪比不断恶化，图像损伤越来越严重，不能实现远距离传播。 4）模拟电视稳定度及可靠性差，存在时域混叠、调整复杂、不便于集成及不易实现自动控制等缺点。 数字电视具有以下优点： 1）采用数字传输技术，可提高信号的传输质量，不会产生噪声累积，信号抗干扰能力大大增强，接收端几乎能无失真的复原。 2）彩色逼真，无串色，不会产生信号的非线性和相位失真的累积。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,3）可实现不同分辨率等级(SDTV、HDTV)的接收，适合大屏幕及各种显示器。 4）可移动接收，无重影。 5）可在一个频道上传播4-8路SDTV节目，可实现多路数字环绕立体声，同时还有多语种功能。 6）易于实现加密/解密和加扰/解扰处理，便于开展各类收费业务，这是数字电视的重要增值点，也是数字电视快速滚动式发展的基础。 7）利用数字技术（如三维滤波、空间几何变换）产生各种特技形式，增强了节目的艺术效果和视觉冲击力。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,8）具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道网络中传输。 4.1.3数字电视的发展（了解） 1 国际发展概况 数字电视技术最先出现在欧洲，自20世纪80年代开始，欧洲几个电视技术较先进的国家，如德国、法国、英国，都开始研究数字电视技术。德国的ITT公司推出了世界上第一台数字视频处 理彩色电视机。MAC1、MAC2、MAC3（多模,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,拟分量分时传输技术）等都是在欧洲诞生的。随后开始了第三代数字卫星电视节目广播，当时数字技术已十分先进，它已经能够同时传播一路标准清晰度电视节目和多路伴音广播，并于1992年通过卫星进行了巴赛罗纳奥运会的实况转播 。 最早提出高清晰度电视这个概念的是日本，1984年日本NHK（日本广播协会）宣布了世界上第一个高清晰度研究方案，首先在卫星广播中采用了模拟调频技术的MUSE（多重亚抽样编码）系统，并于1988年开始了汉城奥运会试播。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,1990年美国的通用仪器公司（General Instrument, GI）在电视传播信号的数字压缩方面取得了轰动世界的突破，实现了高清晰度电视广播频宽不超过6MHz的目标，这预示着美国全数字式HDTV电视研究的初步成功，同时也使美国在高清晰度电视技术上后来者居上，一举超过了日本和欧洲。 1998年11月，11家电视台同时进行HDTV地面广播。 荷兰在2006年底开始回收模拟频谱，成为全球首个全数字电视国家。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,法国在西欧国家来说算是数字电视起步相对较晚的国家，其数字地面广播平台直到2005年才正式开播(英国为1998、德国2002、意大利为2003)。 英国在2007年3月宣布回收模拟频道，07年10月，一个称为Cumbria的小镇率先关闭模拟电视，直到2012年回收模拟频谱工作。 2 国内发展概况 我国数字电视的发展相比于国际比较落后，1995年中央电视台开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,有线电视台传送4套加密电视节目。1998年6月，我国第一台自主研发的HDTV样机问世，并于同年9月在中央电视塔进行HDTV节目试播，1999年10月1日成功进行50年国庆阅兵直播。2003年我国启动广播电视数字化，2005年开展了数字卫星直播业务。2015年我国将停止模拟电视播出，实现数字电视有线、卫星和无线的全国覆盖。 4.1.4 数字电视的核心技术,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,1信源编解码技术 所谓信源是指字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据。信源编解码技术包括视频压缩编解码和音频压缩编解码技术。为什么要压缩编解码？如要显示19201080i的高清节目图像，其数字化后的码率在传输中高达995Mbit/s，这比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而高清数字电视的图像不能直接传输，要对电视信号进行数字压缩编码。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,信源编码的主要任务是解决图像信号的压缩和保存问题。在数字电视的视频压缩编解码标准方面，国际上统一采用了MPEG2（活动图像专家组）标准。在音频压缩编解码方面，欧洲、日本采用了MPEG2标准；美采用杜比AC-3标准。 2.信道编码技术 经过信源编码产生的节目码流，要通过传输媒介（传输信道）才能到达接收端。传输信道主要有三种：卫星、有线和地面信道。通常，编码码流不能直接通过传输信道进行传,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,输，而要经过各种处理，使之适合在规定信道中传输。通信原理上，这种处理称为信道编码与调制。 信号经过任何信道传输都会产生失真，这些失真导致接收端数字信号的误码（接收端1和0的错误判决）。为了克服传输过程中的误码，针对不同的传输信道，必须设计不同的信道编码方案和调制方案。数字电视信道编码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡技术等提高信号的抗干扰能力。例如数字电视系统采用RS编码或卷积码进行信道编码。其原理如下：,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,数字彩色信号在传输过程中，一般不是按电视机的扫描顺序来传送信号的，因为如果信号按顺序传送，信号在传输过程中出错时，则电视画面上会在某个地方集中出现一大片马赛克，使人看起来非常不舒服；如果信号不按顺序传送，而是按某种分布规律来传送，同样出错时，马赛克会被均匀地散布在整个画面上，使人可以接受。这种错位传输信号的方法称为RS编码或卷积码。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,信道编码的要求 (1)增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能 力，即编码效率高，抗干扰能力强； (2) 传输通道对于传输的数字信号内容没有任何限制； (3)传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； (4)编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码；,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,(5)编码的数字信号具有适当的电平范围； (6)发生误码时，误码的扩散蔓延小。 其中，最主要的可概括为两点。第一，附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力，这就涉及到差错控制编码原理和特性。其二，数据流的频谱特性要适应传输通道的通频带特性，以求信号能量经由通道传输时损失最小，有利于载波噪声比(载噪比，C/N)的提高，发生误码的可能性小。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,4.1.5 数字电视系统的组成 数字电视系统的组成如图4-1所示。发端由摄像机产生彩色电视图像、音频信号，经A/D变换后，变为数字音、视频信号送入信源编码中。信源编码的目的是对图像和音频数据进行压缩，去掉信号中的冗余部分，降低传输码率。然后，压缩后的数字视、音频数据信号送入传输流复用，（传输流复用完成多套节目复用功能）。然后，送入信道编码和调制器中，包括纠错编码和各种信号处理以及数字调制的功能，提高信号的抗干扰能力。因为数据码流经长距离传输后不可避免会混入噪声而发生误码。,上一页,下一页,返回,4.1 数字电视技术概述,经编码和调制后的信号再经输出接口电路送入传输线路。远距离传输线路，可以采用数字光纤、 数字卫星，也可以采用数字微波线路，以接力传输方式，站与站的距离可达50公里。收端的过程与发端相反，接收端通过输入接口电路把信号送入信道解码和数字解调器，经数字解调和信道解码可纠正由传输所造成的误码，然后将信号送入解多路复用，最后再分别送入视频、音频解压缩处理电路中，还原成模拟的视频、音频信号。,返回,上一页,4.2 音视频信号的数字化,彩色模拟电视信号的数字化一般采用脉冲编码调制（PCM）方式，又称为编码器，包括采样、量化和编码3个过程，是产生数字电视信号的主要方法。模拟信号数字化框图如图4-2所示，其中fc为滤波器的截止频率，fs为取样频率。 取样 是将时间上连续的模拟信号转变为时间离散的信号。 量化 是将幅度连续信号转换为幅度离散的信号。 编码 是按照一定的规律，将时间和幅度上离散的信号编成二进制或多进制代码。PCM编码如加图4-3所示。 4.2.1 取样,下一页,返回,4.2 音视频信号的数字化,1取样定理（奈奎斯特定理） 如果对一个最高频率为f m的时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时间间隔(取样周期)为Ts，取样
