數(shù)字電視技術(shù)1

1、第1章 數(shù)字電視概述 第1章 數(shù)字電視概述 1.1 基本定義基本定義1.2 數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn) 1.3 數(shù)字電視的有關(guān)參數(shù)數(shù)字電視的有關(guān)參數(shù)1.4 數(shù)字電視發(fā)展概況數(shù)字電視發(fā)展概況 第1章 數(shù)字電視概述 1.1 基本定義基本定義 1. 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的構(gòu)成 圖1-1是數(shù)字電視廣播系統(tǒng)方框圖。 該系統(tǒng)由信源編碼、 多路復(fù)用、信道編碼、調(diào)制、 信道和接收機(jī)等六部分組成。 第1章 數(shù)字電視概述 圖1-1 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)方框圖 音頻視頻輔助數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)信源編碼視頻壓縮音頻壓縮多路復(fù)用信道編碼調(diào)制信道接收機(jī)第1章 數(shù)字電視概述 多路復(fù)用是將視頻、音頻和數(shù)據(jù)等各種媒體流

2、按照一定的方法復(fù)用成一個(gè)節(jié)目的數(shù)據(jù)流，將多個(gè)節(jié)目的數(shù)據(jù)流再?gòu)?fù)用成單一的數(shù)據(jù)流的過(guò)程。 信道編碼是指糾錯(cuò)編碼(詳見(jiàn)第4章)。信道編碼是為提高數(shù)字通信傳輸?shù)目煽啃远扇〉拇胧?。為了能在接收端檢測(cè)和糾正傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，信道編碼在發(fā)送的信號(hào)中增加了一部分冗余碼，因此增加了發(fā)送信號(hào)的冗余度， 即通過(guò)犧牲信息傳輸?shù)男蕘?lái)?yè)Q取可靠性的提高。 為了達(dá)到數(shù)字通信系統(tǒng)的高效率和可靠性的最佳折中， 信源編碼和信道編碼都是必不可少的處理步驟。 第1章 數(shù)字電視概述 調(diào)制是指為了提高頻譜利用率，把寬帶的基帶數(shù)字信號(hào)變換成窄帶的高頻載波信號(hào)的過(guò)程。應(yīng)根據(jù)傳輸信道的特點(diǎn)采用效率較高的信號(hào)調(diào)制方式，常用的方式有QAM、 Q

3、PSK、 TCM、 COFDM和VSB。 相關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)第5章。 信道有衛(wèi)星廣播信道、有線電視信道和地面廣播信道等。 衛(wèi)星廣播著重于解決大面積覆蓋；有線電視廣播著重于解決城鎮(zhèn)等人口居住稠密地區(qū)“信息到戶”的問(wèn)題；地面無(wú)線廣播由于其獨(dú)有的簡(jiǎn)單接收和移動(dòng)接收的能力，能夠滿足現(xiàn)代信息化社會(huì)“信息到人”的基本需求。 第1章 數(shù)字電視概述 2. 數(shù)字電視與電視數(shù)字化處理的區(qū)別數(shù)字電視與電視數(shù)字化處理的區(qū)別 現(xiàn)在的模擬彩色電視接收機(jī)的電路中采用了多種數(shù)字化處理技術(shù)， 往往自稱為數(shù)碼電視或數(shù)字化電視。這些彩色電視機(jī)在不改變現(xiàn)行模擬廣播電視傳輸體制的前提下，對(duì)解調(diào)后的視頻和音頻的基帶信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字化處理，獲得了

4、更高質(zhì)量的圖像和伴音，增加了電視機(jī)的功能，但它仍屬于模擬電視的范疇， 只能接收模擬電視信號(hào)，無(wú)法接收數(shù)字電視信號(hào)，與真正的數(shù)字電視是兩個(gè)不同的概念，不可混淆。 第1章 數(shù)字電視概述 這些數(shù)字化處理技術(shù)包括：用數(shù)字梳狀濾波器進(jìn)行較完善的亮度、色度分離，消除了亮、色竄擾現(xiàn)象；對(duì)亮度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字輪廓增強(qiáng)，提高了畫(huà)面清晰度； 對(duì)色度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字降噪和色調(diào)校正，減少了畫(huà)面噪點(diǎn)和色調(diào)畸變； 用逐行掃描及倍場(chǎng)(Double Scan)消除行間閃爍和大面積閃爍， 提高了圖像的垂直清晰度； 處理后還能實(shí)現(xiàn)畫(huà)中畫(huà)、 靜止畫(huà)面等新功能以及麗音NICAM(Near Instantaneous Companding A

5、udio Multiplex， 準(zhǔn)瞬時(shí)壓擴(kuò)音頻多路傳輸，是一種數(shù)字脈沖編碼調(diào)制立體聲廣播系統(tǒng)， 用7.28 MHz頻率廣播)和環(huán)繞立體聲等功能。 第1章 數(shù)字電視概述 3 . SDTV和和HDTV 數(shù)字電視分為標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視和高清晰度電視。 標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視SDTV(Standard Definition Television)是指質(zhì)量相當(dāng)于目前模擬彩色電視系統(tǒng)(PAL、NTSC、SECAM)的數(shù)字電視系統(tǒng)，也稱為常規(guī)電視系統(tǒng)。其定義是， ITU-R 601標(biāo)準(zhǔn)的4 2 2的視頻， 經(jīng)過(guò)某些數(shù)據(jù)壓縮處理后所能達(dá)到的圖像質(zhì)量。其清晰度約為500電視線，視頻數(shù)碼率約為5 Mb/s。 高清晰度電視HD

6、TV(High Definition Television)是指水平清晰度和垂直清晰度大約為目前模擬彩色電視系統(tǒng)的兩倍，寬高比為16 9的數(shù)字電視系統(tǒng)。根據(jù)ITU的定義，一個(gè)具有正常視覺(jué)的觀眾在距離高清晰度電視機(jī)大約是顯示屏高度3倍的地方所看到的圖像質(zhì)量應(yīng)與觀看原景象或表演時(shí)所得到的印象相同。 其清晰度應(yīng)在800電視線以上，視頻數(shù)碼率約為20 Mb/s。 第1章 數(shù)字電視概述 國(guó)際電聯(lián)在ITU-R BT.1201建議書(shū)中提出了超高清晰度成像HRI(Hyperhigh Resolution Imaging)的若干標(biāo)準(zhǔn)， 其基本要素是圖像的最小分辨率為19201080， 傳輸速率為60幀秒。 HR

7、I分為HRI0HRI3四個(gè)等級(jí), 其空間分辨率分別為19201080、38402160、 57603240、76804320, 其量化比特?cái)?shù)分別為10、 10、 12、 12， 不壓縮數(shù)據(jù)速率分別為2.5、 10、40、 72 Gb/s, 傳輸速率分別為6080、 100150、 150600、150600 Mb/s。目前按此建議研制的超高清晰度圖像可用于醫(yī)療、 印刷、 電影、 電視和計(jì)算機(jī)圖形等領(lǐng)域。 第1章 數(shù)字電視概述 1.2 數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)與模擬電視相比， 數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 1. 圖像傳輸質(zhì)量較高 2. 具有數(shù)字環(huán)繞立體聲伴音 3. 頻譜資源利用率高 4

8、. 多信息、 多功能 5. 設(shè)備可靠， 維護(hù)簡(jiǎn)單 6. 節(jié)省發(fā)送功率， 覆蓋范圍廣 7. 易于實(shí)現(xiàn)條件接收 第1章 數(shù)字電視概述 1.3 數(shù)字電視的有關(guān)參數(shù)數(shù)字電視的有關(guān)參數(shù) 1 數(shù)碼率和傳碼率數(shù)碼率和傳碼率 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中， 傳輸?shù)男视脗鬏斔俾蕘?lái)衡量。 傳輸速率有信息傳輸速率(數(shù)碼率)和碼元傳輸速率(傳碼率)兩種。 數(shù)碼率，也稱比特率或者傳信率， 是指單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，記為Rb，單位為比特秒，用符號(hào)bs表示。 經(jīng)常還以兆比特秒和吉比特秒為單位，即用符號(hào)Mbs和Gbs表示。 傳碼率是碼元（symbol）的傳輸速率， 是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，記為RB，單位為波特(baud)

9、。為明確起見(jiàn)，在給出傳碼率的同時(shí)，應(yīng)說(shuō)明碼元的進(jìn)制M，或者說(shuō)明碼元的二進(jìn)制位數(shù)m， 這里M2m。 第1章 數(shù)字電視概述 數(shù)碼率Rb和傳碼率RB都是傳輸速率的指標(biāo)，但兩者的概念不相同，使用時(shí)不可混淆。在數(shù)值上它們可以按下式進(jìn)行換算： RbRBlbM RBm (b/s) (1-1) 式中，M為碼元的進(jìn)制數(shù)，m是碼元的二進(jìn)制位數(shù)?？梢钥闯?， 在碼元為二進(jìn)制(M2，m1)時(shí)，Rb=RB。 數(shù)碼率還可以反映頻帶占有情況。根據(jù)數(shù)碼率的定義，它可由比特?cái)?shù)與頻率之乘積來(lái)表示，這樣，數(shù)碼率與數(shù)字信號(hào)的傳輸速率之間就建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系。數(shù)碼率也直接反映了數(shù)字信號(hào)所占用的頻帶寬度，即數(shù)碼率越高，占用頻帶就越寬。因此，

10、數(shù)碼率有時(shí)也簡(jiǎn)稱為傳輸速率。 第1章 數(shù)字電視概述 2 誤碼率和誤碼秒誤碼率和誤碼秒 1) 誤碼率Pe 誤碼率也叫碼元差錯(cuò)率，是指信號(hào)傳輸過(guò)程中系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤碼元的數(shù)目與所傳輸碼元總數(shù)之比值，即 傳錯(cuò)碼元總數(shù)傳錯(cuò)碼元個(gè)eP(1-2) 誤碼率的大小，反映了系統(tǒng)傳輸錯(cuò)誤碼元的概率大小。一般以多次傳輸?shù)钠骄`碼率表示。 第1章 數(shù)字電視概述 誤比特率也稱信息差錯(cuò)率或比特差錯(cuò)率，是指?jìng)麇e(cuò)信息的比特?cái)?shù)與所傳輸?shù)目傂畔⒈忍財(cái)?shù)之比值， 即 傳輸?shù)目傂畔⒈忍財(cái)?shù)傳錯(cuò)信息比特?cái)?shù)bP (1-3) 誤比特率的大小，反映了信息在傳輸中由于碼元的錯(cuò)誤判斷而造成的傳送信息錯(cuò)誤的大小，它與誤碼率從兩個(gè)不同的層次反映了系統(tǒng)的可靠

11、性。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，誤碼數(shù)目就等于傳輸信息量的比特?cái)?shù)，即Pe=Pb。但在多進(jìn)制系統(tǒng)中， Pe不等于Pb 。 第1章 數(shù)字電視概述 2) 誤碼秒 串行數(shù)字視頻系統(tǒng)工作在基本上無(wú)隨機(jī)噪聲誤碼的環(huán)境下，其主要誤碼為脈沖誤碼，與隨機(jī)噪聲誤碼不同的是，它具有間隔出現(xiàn)的特點(diǎn)，一個(gè)數(shù)據(jù)字的出錯(cuò)會(huì)引起數(shù)百個(gè)相同數(shù)字的出錯(cuò)。在電視系統(tǒng)中關(guān)心的是節(jié)目出錯(cuò)的次數(shù)， 而不是多少比特受到影響，因此可使用誤碼秒(errored seconds)來(lái)度量這種脈沖誤碼的特性。誤碼秒是指一段時(shí)間之內(nèi)發(fā)生誤碼的秒數(shù)(errored seconds over a period of time)， 適合于受脈沖干擾而產(chǎn)生誤碼的場(chǎng)合，尤

12、其適合于評(píng)價(jià)由于短脈沖干擾引起視頻同步信號(hào)受損而造成圖像紛亂的情形。常用的參數(shù)還有上一次誤碼秒間隔時(shí)間（time since the last errored seconds）。 第1章 數(shù)字電視概述 3. 頻帶利用率和功率利用率頻帶利用率和功率利用率 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，有時(shí)使用頻帶利用率和功率利用率來(lái)度量信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?頻帶利用率是衡量數(shù)字傳輸系統(tǒng)有效性的一個(gè)重要指標(biāo)。 它表示在單位時(shí)間、單位頻帶內(nèi)傳輸信息的多少，即單位頻帶內(nèi)所能實(shí)現(xiàn)的數(shù)碼率，單位為比特秒赫茲，用符號(hào)b(sHz) 表示。第1章 數(shù)字電視概述 一般來(lái)說(shuō)，在相同信道頻帶寬度的條件下，系統(tǒng)的頻帶利用率越高，信息傳輸速率

13、就越高，系統(tǒng)的有效性就發(fā)揮得越好。在二進(jìn)制基帶系統(tǒng)中，最高頻帶利用率p=2b(sHz)。在多進(jìn)制基帶系統(tǒng)中，頻帶利用率可以大于2b(sHz)。在載波傳輸系統(tǒng)中，不同的調(diào)制方式可能有不同的頻帶利用率，故一般常用這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量調(diào)制方式的效率。 功率利用率是指在一定誤碼率的條件下，傳輸每比特信息所需要的最小信號(hào)平均功率。功率利用率越高，誤碼率越小，信息傳輸?shù)目煽啃跃驮礁摺?第1章 數(shù)字電視概述 4. 信道容量信道容量 信道容量反映一個(gè)信道的傳輸能力，而信道的傳輸能力是以這個(gè)信道最大可能傳輸信息的速率來(lái)度量的。所以信道容量定義為信道傳輸速率的最大值。信道容量與數(shù)碼率的區(qū)別在于， 信道容量表示信道的最大

14、數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸能力的極限，而數(shù)碼率表示實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。它們采用相同的單位b/s。 實(shí)際的信道總是要受到各種噪聲的干擾。香農(nóng)(Shannon)研究了受隨機(jī)噪聲干擾的信道情況，得出了計(jì)算信道容量的香農(nóng)公式： )b/s(1b1NSBC(1-4) 第1章 數(shù)字電視概述 式中：B為信道傳輸頻帶寬度，S為信號(hào)平均功率，N為白噪聲的平均功率，SN為信噪比。該式說(shuō)明：信道容量C與信道帶寬和信噪比有關(guān)，當(dāng)B與SN確定后，信道的最大信息傳輸速率就完全確定了。信噪比SN是無(wú)量綱的數(shù)值，通常用分貝表示為 )dB()/lg(10NSNS(1-5) 因此在用式(1-4)計(jì)算時(shí)，要將用分貝表示的（SN）按式(

15、1-6)換算為無(wú)量綱的數(shù)值： 10/)/(10NSNS(1-6) 第1章 數(shù)字電視概述 根據(jù)香農(nóng)公式還可以得出以下重要結(jié)論： (1) 任何一個(gè)信道都有信道容量C，如果滿足數(shù)碼率RbC， 那么在理論上存在一種方法使信源的輸出能以任意小的差錯(cuò)概率通過(guò)信道傳輸；如果RbC，則無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上是不可能的。 第1章 數(shù)字電視概述 (2) 當(dāng)信道噪聲為高斯白噪聲時(shí)，式(1-4)中的噪聲功率N不是常數(shù)而與帶寬B有關(guān)。若設(shè)單位頻帶內(nèi)的噪聲功率為n0(WHz)，則噪聲功率N=n0B，代入式(1-4)可得 BnBC0S1b1 (1-7) 在S和n0一定時(shí)，信道容量C隨帶寬B的增大而增大。當(dāng)B趨于無(wú)窮大時(shí)，C趨于

16、常數(shù) 1.44Sn0。 第1章 數(shù)字電視概述 (3) 由于信道容量就是信道的最大信息傳輸速率(即數(shù)碼率)， C=I/T, 其中I為信息量， T為傳輸時(shí)間， 代入式(1-4)則可得 NSTBI1b1(1-8) 這說(shuō)明，當(dāng)SN一定時(shí)， 給定的數(shù)據(jù)量可以用不同的帶寬B和時(shí)間T的組合來(lái)傳輸。 第1章 數(shù)字電視概述 (4) 在給定信道容量C的條件下，也可以用不同的帶寬和信噪比的組合來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。若減少帶寬，則必須發(fā)送較大的功率， 即增大信噪比SN；或者，若有較大的傳輸帶寬信息，則同樣的C能夠用較小的信號(hào)功率(即較小的SN)來(lái)傳送。也就是說(shuō)， 當(dāng)信噪比太小而不能保證通信質(zhì)量時(shí)， 常采用寬帶系統(tǒng)，即用增加帶寬

17、來(lái)改善傳輸質(zhì)量， 這就是所謂用帶寬換功率的方法。 在帶寬和信噪比的互換過(guò)程中，必須變換信號(hào)使之具有所要求的帶寬，這通常是由各種類型的調(diào)制和編碼來(lái)完成的。為定量說(shuō)明信噪比與帶寬的關(guān)系，我們?cè)O(shè)B為信道帶寬，Bi為輸入信號(hào)帶寬，輸入信噪比為SiNi，經(jīng)變換器變換后，輸出信噪比為SoNo，根據(jù)式(1-8)則可以導(dǎo)出： 第1章 數(shù)字電視概述 i/11BBiiooNSNS (1-9) 或者 i/BBiiooNSNS(1-10) 第1章 數(shù)字電視概述 5. 編碼效率編碼效率 1) 平均信息量 設(shè)有n個(gè)信號(hào)電平u1、u2、un，其對(duì)應(yīng)的概率值分別為P1、 P2、Pn，信號(hào)攜帶的信息量是-lbP1、-lbP2、

18、-lbPn比特， 則信源中單位元素(符號(hào))的平均信息量(即熵)便可由下式求出： )(b11比特iniiPPH(1-11) 這里，H不是一個(gè)符號(hào)或碼元的表示式，而是整個(gè)信源的平均信息量，單位為比特，但它與數(shù)碼中的比特有區(qū)別。信息量的比特是指真正有用的信息量，數(shù)碼中的比特既包括有用的符號(hào)也包括無(wú)用的符號(hào)。 第1章 數(shù)字電視概述 2) 平均碼字長(zhǎng)度 設(shè)Ni為數(shù)字信號(hào)第i個(gè)碼字Ci的長(zhǎng)度(即二進(jìn)制代碼的位數(shù))， 其相應(yīng)出現(xiàn)的概率為Pi，則該數(shù)字信號(hào)所賦予的碼字平均長(zhǎng)度N為 niiiNPN1(1-12) 第1章 數(shù)字電視概述 3) 編碼效率 由于熵是信源u1、u2、un的平均信息量，它表示真正有用的信息

19、量，而碼字的平均長(zhǎng)度包含有用和無(wú)用的信息，這樣， 無(wú)論是哪一種二進(jìn)制編碼，其一個(gè)碼字的平均碼長(zhǎng)N一定大于平均信息量H。為便于比較編碼效果，引出編碼效率為 NH(1-13) 此式說(shuō)明，只要使NH，就可以得到某種無(wú)失真編碼方法。但如果NH，則表明這種編碼方法效率太低，占用的比特?cái)?shù)太多。 最好的編碼結(jié)果是NH，即=1。 這種狀態(tài)的編碼稱為最佳編碼，它不會(huì)因丟失信息而引起圖像失真，又占用最少的比特?cái)?shù)。 如果編碼結(jié)果為N H，則必然會(huì)丟失信息而引起圖像失真， 這就是在允許失真條件下的一些失真編碼方法。 第1章 數(shù)字電視概述 1.4 數(shù)字電視發(fā)展概況數(shù)字電視發(fā)展概況 1. 數(shù)字電視發(fā)展概況數(shù)字電視發(fā)展概況

20、 衛(wèi)星和有線電視廣播的基本傳輸體制已確定，世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片開(kāi)發(fā)上已有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)積累，相關(guān)市場(chǎng)應(yīng)用和產(chǎn)品也極為豐富。數(shù)字?jǐn)z錄設(shè)備，演播室視/音頻節(jié)目制作和控制設(shè)備，數(shù)字調(diào)制、 解調(diào)器，視頻處理系統(tǒng), 數(shù)字視/音頻系統(tǒng), HDTVSDTV測(cè)試儀表, 數(shù)字傳輸設(shè)備, 數(shù)字通信、 電視及廣播發(fā)射機(jī)，衛(wèi)星收發(fā)與天線系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和各種類型的機(jī)頂盒等數(shù)字電視技術(shù)設(shè)備已基本成熟，正在等待商機(jī)以占領(lǐng)世界各地的市場(chǎng)。 第1章 數(shù)字電視概述 2. 我國(guó)的我國(guó)的“三步走三步走”戰(zhàn)略戰(zhàn)略 根據(jù)我國(guó)的基本國(guó)情和廣電行業(yè)的實(shí)際，我國(guó)推進(jìn)廣播電視數(shù)字化實(shí)施的是“三步走”戰(zhàn)略。 第一步是大力發(fā)展有線數(shù)字電

21、視。目前，全國(guó)有3.2億多戶家庭，有線電視用戶近1億，主要分布在城鎮(zhèn)地區(qū)。近年來(lái)， 有線電視網(wǎng)絡(luò)加快了光纖化改造的步伐，局部地區(qū)實(shí)現(xiàn)了寬帶化和雙向化，基本具備了傳送數(shù)字節(jié)目的條件。只要在網(wǎng)絡(luò)前端建立數(shù)字平臺(tái)，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在用戶端安裝機(jī)頂盒，就可以實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)字化傳輸。到2004年，全國(guó)49個(gè)省市單位建立了有線數(shù)字電視示范網(wǎng)，已開(kāi)播33套付費(fèi)電視頻道和7套數(shù)字廣播節(jié)目，計(jì)劃到2005年達(dá)到3000萬(wàn)數(shù)字有線用戶。 第1章 數(shù)字電視概述 第二步是從2005年起開(kāi)展衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)。由于我國(guó)目前沒(méi)有直播衛(wèi)星，因此衛(wèi)星直播試驗(yàn)僅限于“村村通廣播電視”范圍。 2005年我國(guó)發(fā)射直播衛(wèi)星后， 將開(kāi)展直播衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)。 第三步是從2008年起大力發(fā)展地面數(shù)字廣播電視和高清晰度數(shù)字電視。目前，我國(guó)廣大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)主要依靠無(wú)線方式接收廣播電視節(jié)目。由于我國(guó)地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)尚未確定， 因此要形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模需要較長(zhǎng)時(shí)間。我國(guó)將在2005年開(kāi)始播出地面數(shù)