数字电视及其标准

 

什么是数字电视？

简而言之数字电视就是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对数字电视信号进行处理和调制的全新电视系统。该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的数字流来传播的，数字信号的传播速率是每秒19.39兆字节，如此大的数据流的传递保证了数字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足。同时还由于数字电视可以允许几种制式信号的同时存在，每个数字频道下又可分为几个子频道，从而既可以用一个大数据流——每秒19.39兆字节，也可将其分为几个分流，例如4个，每个的速度就是每秒4.85兆字节，这样虽然图像的清晰度要大打折扣，却可大大增加信息的种类，满足不同的需求。例如在转播一场体育比赛时，观众需要高清晰度的图像，电视台就应采用每秒19.39兆字节的传播；而在进行新闻广播时，观众注意的是新闻内容而不是播音员的形象，所以没必要采用那么高的清晰度，这时只需每秒3兆字节的速度就可以了，剩下16.39兆字节可用来传输别的内容。

 

目前对数字电视的具体解释主要有两种：

（1）80年代ITT公司研制了一套数字处理芯片，在接收模拟电视信号的情况下，再经模拟高中频处理，最后经模／数转换成数字信号进行数字处理，以改进图像清晰度。90年代又出现多种具有画中画、倍行和其他质量的、改进的“数字电视机”，不过这些电视机接收的仍是模拟电视信号，仍处于模拟传输的模拟系统中，所以只能称为“数字模拟电视机”，并不是真正意义上的数字电视。

　　（2）美国的“数字电视机”（简称DTV）专指地面数字电视广播系统。在这种系统中，除了目前节目制作中还有一部分是模拟的以外，从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对数字电视信号进行处理和调制。而也只有这种接收地面数字电视广播信号的电视机才是名副其实的数字电视机。

 

一、什么是数字电视

数字电视(Digital TV)是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字化的数字电视广播系统。数字电视利用MPEG标准中的各种图像格式，把现行模拟电视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约4.69—21Mbps，其图像质量可以达到电视演播室的质量水平，胶片质量水平，图像水平清晰度达到500—1200线以上，并采用AC—3声音信号压缩技术，传输5.1声道的环绕声信号。

二、数字电视的分类

按清图像晰度分类，数字电视包括数字高清晰度电视(HDTV)、数字标准清晰度电视(SDTV)和数字普通清晰度电视(LDTV)三种。HDTV的图像水平清晰度大于800线，图象质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平；SDTV的图像水平清晰度大于500线，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；LDTV的图像水平清晰度为200-300线，主要是对应现有VCD的分辨率量级。

按信号传输方式分类，数字电视可分为地面无线传输数字电视(地面数字电视)、卫星传输数字电视(卫星数字电视)、有线传输数字电视(有线数字电视)三类。

按照产品类型分类，数字电视可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒和一体化数字电视接收机。

按显示屏幕幅型比分类，数字电视可分为4∶3幅型比和16∶9幅型比两种类型。

 

三、数字电视系统的关键技术及标准

1、数字电视的信源编解码技术 视频编解码技术，数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1920×1080显示格式下，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。因而数字电视的图像不能象模拟电视的图像那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由995Mbit/s减少为20～30Mbit/s。

 

音频编解码技术

与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。

信源编解码的相关标准

国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的H.261、主要用于静止图像的JPMG标准和主要用于连续图像的MPEG标准。

在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本设有分歧，都采用MPEG-2标准。MPEG压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。但随着技术的进步，1994年完成的MPEG-2随着技术的进步现在显得越来越落后，国际上正在考虑用MPEG-4 AVC来代替目前的MPEG-2。

中国方面，中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。该标准据称具有自主知识产权，与MPEG-2标准完全兼容，也可以兼容MPEG-4 AVC/ H.264国际标准基本层，其压缩水平据称可达到MPEG-2标准的2-3倍，而与MPEG-4 AVC相比，AVS更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。

 

2 、数字电视的复用系统

数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。在HDTV复用传输标准方面，美国、欧洲、日本没有分歧，都采用了MPEG-2 标准。美国已有MPEG-2解复用的专用芯片。

 

3 、数字电视的信道编解码及调制解调

数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。

 

数字传输的常用调制方式：

正交振幅调制(QAM)：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。

键控移相调制(QPSK)：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。

残留边带调制(VSB)：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。

编码正交频分调制(COFDM)：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。

四、世界上现有的主要数字电视标准

 

1、美国数字电视标准ATSC

 

美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准-ATSC（Advanced Television System Committee先进电视制式委员会）。美国HDTV地面广播频道的带宽为6MHZ，调制采用8VSB。预计美国的卫星广播电视会采用QPSK调制，有线电视会采用QAM或VSB调制。

ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mb/s的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16-VSB传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mb/s的传输速率。

下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV；还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种)，其中14种采用逐行扫描方式。

在6种HDTV格式中，因为1920×1080格式不适合在6MHz信道内以60帧/秒进行逐行扫描，故以隔行扫描取代之。SDTV的640×480图像格式与计算机的VGA格式相同，保证了与计算机的适用性。在12种SDTV格式中，有9种采用逐行扫描，保留3种为隔行扫描方式以适应现有的视频系统。

另外，ATSC还开发并通过了可为采用50Hz帧频的国家使用的另行标准。HDTV格式的象素阵列相同，但帧频为25Hz和50Hz；SDTV格式的垂直分辨率为576行，水平分辨率则不同；也包含352×288格式，适应必要的窗口设置。

 

2 、欧洲数字电视标准DVB

欧洲数字电视标准为DVB，即Digital Video Broadcasting，数字视频广播。从1995年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播(DVB-T)、数字电视卫星广播(DVB-S)、数字电视有线广播(DVB-C)的标准。欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。欧洲地面广播数字电视采用COFDM调制，8M带宽。欧洲有线数字电视采用QAM调制。

DVB-T(ETS 300 744) 为数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的DVB传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用编码正交频分复用(COFDM)调制方式，在8MHz带宽内能传送4套电视节目，传输质量高；但其接收费用高。

DVB-S(ETS 300 421) 为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式时，用户端若达到CCIR 601演播室质量，码率为9Mb/s；达到PAL质量，码率为5Mb/s。一个54MHz转发器传送速率可达68Mb/s，可用于多套节目的复用。DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。

DVB-C(ETS 300 429) 为数字有线电视广播系统标准。它具有16、32、64QAM(正交调幅)三种调制方式，工作频率在10GHz以下。采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mb/s，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。

 

3 、日本数字电视的标准ISDB

 

日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。并在1999年发布了数字电视的标准--ISDB。ISDB是日本的DIBEG(Digital Broadcasting Experts Group 数字广播专家组)制订的数字广播系统标准，它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。

 

4 、DVB 与ATSC 的比较

欧洲DVB标准和美国ATSC标准的主要区别如下：

 

方形像素：在ATSC标准中采纳了“方形像素”(Square Picture Eelements),因为它们更加适合于计算机；而DVB标准最初没有采纳，最近也采纳了。此外，范围广泛的视频图像格式也被DVB采纳，而ATSC对此则不作强制性规定。

系统层和视频编码：DVB和ATSC标准都采纳MPEG-2标准的系统层和视频编码，但是，由于MPEG-2标准并未对视频算法作详细规定，因而实施方案可以不同，与两个标准都无关。

音频编码：DVB标准采纳了MPEG-2的音频压缩算法；而ATSC标准则采纳了AC-3的音频压缩算法。

信道编码：两者的扰码器（Radomizers）采用不同的多项式；两者的里德—所罗门前向纠错（FEC）编码采用不同的冗余度，DVB标准用16B，而ATSC标准用功20B；两者的交织过程(Interleaving)不同；

在DVB标准中网格编码（Trellix coding）有可选的不同速率，而在ATSC标准中地面广播采用固定的2/3速率的网格编码，有线电视则不需采用网格编码。

调制技术：卫星广播系统中DVB标准采用QPSK，而ATSC标准不涉及卫星广播。有线电视系统中DVB标准采用任选的16/32/64QAM，而ATSC标准采用16VSB，两者完全不同。地面广播系统中DVB标准采用具有QPSK、16QAM或64QAM的COFDM（2K个或8K个载波）；而ATSC标准采用8VSB。

 

5 、三种数字地面广播系统的比较

ISDB-T和欧洲的DVB-T非常类似,可以说是经修改的欧洲方案,传输方案仍是COFDM,使用的编码方式相同,调制方法也相同,也分为2K和8K两种模式。因为日本电视射频带宽为6MHz,所以载波数、载波间隔有所差别。ISDB-T与DVB-T、ATSC ATV的比较如下：

 

6 、DVB 、ATSC 和ISDB 成员近况

据悉，DVB成员已经达到265个(来自35个国家和地区)，主要集中在欧洲并遍及世界各地，我国的广播科学研究院和TCL电子集团也在其中。ATSC成员30个，其中有美国国内成员20个、来自阿根廷、法国、韩国等7个国家的成员10个，中国的广播科学研究院也参加了ATSC组织。ISDB筹划指导委员会委员17个，其他成员23个，其成员都是日本国内的电子公司和广播机构。