淺析數字電視系統的關鍵技術及標準

摘要：本文詳細分析了數字電視系統中的關鍵技術及其相關標準，并對現有標準進行了分析比較。

關鍵詞：信源編解碼；復用；調制；電視標準

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30155-02

Discusses the Key Technique and Standard of Digital TV System

LIU Ya-feng

(Xuzhou Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221008， China)

Abstract: In this paper ， it analyzes the key technique and standard of digital TV system.and contrast the current digital TV standard.

Key words: signal source encode and signal source decode; multiplexing; modulate; Standard of Digital TV

1 引言

數字電視（Digital TV）是從電視信號的采集、編輯、傳播、接收整個廣播鏈路數字化的數字電視廣播系統。 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。以上所述的各種手段中包括了數字電視系統中各種主要的技術，全數字高清淅度電視對各種技術要求更高。

2 數字電視系統的關鍵技術與標準

2.1數字電視的信源編解碼技術

數字電視的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。

2.1.1 視頻編解碼技術

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，最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壓縮處理；（4）事件間的統計特性。發生概率大的符號用短碼字表示，發生概率小的符號用長碼字表示，從而使平均碼長最短。

2.1.2 音頻編解碼技術

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。

2.1.3 信源編解碼的相關標準

國際上對數字圖像編碼曾制訂了三種標準，分別是主要用于電視會議的H.261、主要用于靜止圖像的JPMG標準和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、歐洲和日本都采用MPEG-2標準。MPEG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(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2為備用方案。但隨著技術的進步，國際上正在考慮用MPEG-4 AVC來代替目前的MPEG-2。 中國的數字音視頻編解碼標準工作組制定了面向數字電視和高清激光視盤播放機的AVS標準。該標準與MPEG-2標準完全兼容，也可以兼容MPEG-4 AVC/ H.264國際標準基本層，其壓縮水平據稱可達到MPEG-2標準的2-3倍，而與MPEG-4 AVC相比，AVS更加簡潔的設計降低了芯片實現的復雜度。

2.2 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。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。 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將成為未來\"信息高速公路\"的主體設施。在HDTV復用傳輸標準方面，美國、歐洲、日本都采用了MPEG-2標準。美國已有了MPEG-2解復用的專用芯片。我國也采用MPEG-2作為復用傳輸的標準。

2.3 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。目前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：

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，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。

3 世界上現有的主要數字電視標準

3.1 美國數字電視標準ATSC

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（Advanced Television System Committee先進電視制式委員會）。美國HDTV地面廣播頻道的帶寬為6MHz，調制采用8VSB。美國的衛星廣播電視采用QPSK調制，有線電視采用QAM或VSB調制。

ATSC數字電視標準由四個分離的層級組成，層級之間有清晰的界面。最高為圖像層，確定圖像的形式，包括象素陣列、幅型比和幀頻。接著是圖像壓縮層，采用MPEG-2壓縮標準。再下來是系統復用層，特定的數據被納入不同的壓縮包中，采用MPEG-2壓縮標準。最后是傳輸層，確定數據傳輸的調制和信道編碼方案。下面兩層共同承擔普通數據的傳輸。上面兩層確定在普通數據傳輸基礎上運行的特定配置，如HDTV或SDTV；還確定ATSC標準支持的具體圖像格式，共有18種(HDTV 6種、SDTV 12種)，其中14種采用逐行掃描方式。

另外，ATSC還開發并通過了可為采用50Hz幀頻的國家使用的另行標準。HDTV格式的象素陣列相同，但幀頻為25Hz和50Hz；SDTV格式的垂直分辨率為576行，水平分辨率則不同；也包含352×288格式，適應必要的窗口設置。

3.2 歐洲數字電視標準DVB

歐洲數字電視標準為DVB，即Digital Video Broadcasting，數字視頻廣播。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。歐洲有線數字電視采用QAM調制。

DVB-T(ETS 300 744)為數字地面電視廣播系統標準。這是最復雜的DVB傳輸系統。地面數字電視發射的傳輸容量，理論上與有線電視系統相當，本地區覆蓋好。采用編碼正交頻分復用(COFDM)調制方式，在8M Hz帶寬內能傳送4套電視節目，傳輸質量高；但其接收費用高。

DVB-S(ETS 300 421)為數字衛星廣播系統標準。衛星傳輸具有覆蓋面廣、節目容量大等特點。數據流的調制采用四相相移鍵控調制(QPSK)方式，工作頻率為11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式時，用戶端若達到CCIR 601演播室質量，碼率為9Mb/s；達到PAL質量，碼率為5Mb/s。一個54MHz轉發器傳送速率可達68Mb/s，可用于多套節目的復用。DVB-S標準幾乎為所有的衛星廣播數字電視系統所采用。我國也選用了DVB-S標準。

DVB-C(ETS 300 429) 為數字有線電視廣播系統標準。它具有16、32、64QAM(正交調幅)三種調制方式，工作頻率在10GHz以下。采用64QAM時，一個PAL通道的傳送碼率為41.34Mb/s，可用于多套節目的復用。系統前端可從衛星和地面發射獲得信號，在終端需要電纜機頂盒。

3.3 日本數字電視的標準ISDB

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。ISDB是日本的DIBEG(Digital Broadcasting Experts Group 數字廣播專家組)制訂的數字廣播系統標準，它利用一種已經標準化的復用方案在一個普通的傳輸信道上發送各種不同種類的信號，同時已經復用的信號也可以通過各種不同的傳輸信道發送出去。ISDB具有柔軟性、擴展性、共通性等特點，可以靈活地集成和發送多節目的電視和其它數據業務。

3.4 DVB與ATSC的比較

歐洲DVB標準和美國ATSC標準的主要區別如下：

方形像素：在ATSC標準中采納了“方形像素”，因為它們更加適合于計算機；而DVB標準最初沒有采納，最近也采納了。此外，范圍廣泛的視頻圖像格式也被DVB采納，而ATSC對此則不作強制性規定。

系統層和視頻編碼：DVB和ATSC標準都采納MPEG-2標準的系統層和視頻編碼，但是，由于MPEG-2標準并未對視頻算法作詳細規定，因而實施方案可以不同，與兩個標準都無關。

音頻編碼：DVB標準采納了MPEG-2的音頻壓縮算法；而ATSC標準則采納了AC-3的音頻壓縮算法。

信道編碼：兩者的擾碼器采用不同的多項式；兩者的前向糾錯（FEC）編碼采用不同的冗余度，DVB標準用16B，而ATSC標準用20B；兩者的交織過程不同。

在DVB標準中網格編碼有可選的不同速率，而在ATSC標準中地面廣播采用固定的2/3速率的網格編碼，有線電視則不需采用網格編碼。

調制技術：衛星廣播系統中DVB標準采用QPSK，而ATSC標準不涉及衛星廣播。有線電視系統中DVB標準采用任選的16/32/64QAM，而ATSC標準采用16VSB，兩者完全不同。地面廣播系統中DVB標準采用具有QPSK、16QAM或64QAM的COFDM；而ATSC標準采用8VSB。

4 結束語

電視對于當今任何國家來說，都是最重要的消費電子產品。近年技術上的進展，特別是數字編碼、數字傳輸、集成電路和顯示器件等方面的實用技術突破，已逐步形成世界范圍內的數字高清晰度電視市場。隨著數字電視走入消費市場，將帶動一系列相關產品的高速發展。更為重要的是數字電視在很大程度上擴展了電視廣播的功能和用途，為\"三機合一\"、\"三網合一\"提供了技術上的可能性，隨著時間推移，其外延及派生出的各種數字化產品將難以預料，其潛在商機是無限的。它將毫無疑問的改變人們進行生產、流通、學習、娛樂和交流的方式，使我國的電子信息產業走入一個全新的階段，創造巨大的經濟及社會效益。

參考文獻：

[1] 魯業頻.數字電視技術[M].合肥工業大學出版社，2006.

[2] 劉大會.數字電視實用技術[M].北京郵電大學出版社，2007.