數(shù)字電視技術第1章.ppt

第1章 數(shù)字電視概述,1.1 基本定義 1.2 數(shù)字電視的優(yōu)點 1.3 數(shù)字電視的有關參數(shù) 1.4 數(shù)字電視發(fā)展概況,1.1 基本定義,1. 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的構成,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、 多路復用、信道編碼、調制、 信道和接收機等六部分組成。,圖1-1 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)方框圖,多路復用是將視頻、音頻和數(shù)據(jù)等各種媒體流按照一定的方法復用成一個節(jié)目的數(shù)據(jù)流，將多個節(jié)目的數(shù)據(jù)流再復用成單一的數(shù)據(jù)流的過程。 信道編碼是指糾錯編碼(詳見第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和糾正傳輸中出現(xiàn)的錯誤，信道編碼在發(fā)送的信號中增加了一部分冗余碼，因此增加了發(fā)送信號的冗余度， 即通過犧牲信息傳輸?shù)男蕘頁Q取可靠性的提高。 為了達到數(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。,調制是指為了提高頻譜利用率，把寬帶的基帶數(shù)字信號變換成窄帶的高頻載波信號的過程。應根據(jù)傳輸信道的特點采用效率較高的信號調制方式，常用的方式有QAM、 QPSK、 TCM、 COFDM和VSB。 相關內容詳見第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”的問題；地面無線廣播由于其獨有的簡單接收和移動接收的能力，能夠滿足現(xiàn)代信息化社會“信息到人”的基本需求。,2. 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的電路中采用了多種數(shù)字化處理技術， 往往自稱為數(shù)碼電視或數(shù)字化電視。這些彩色電視機在不改變現(xiàn)行模擬廣播電視傳輸體制的前提下，對解調后的視頻和音頻的基帶信號進行了數(shù)字化處理，獲得了更高質量的圖像和伴音，增加了電視機的功能，但它仍屬于模擬電視的范疇， 只能接收模擬電視信號，無法接收數(shù)字電視信號，與真正的數(shù)字電視是兩個不同的概念，不可混淆。,這些數(shù)字化處理技術包括：用數(shù)字梳狀濾波器進行較完善的亮度、色度分離，消除了亮、色竄擾現(xiàn)象；對亮度信號進行數(shù)字輪廓增強，提高了畫面清晰度； 對色度信號進行數(shù)字降噪和色調校正，減少了畫面噪點和色調畸變； 用逐行掃描及倍場(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； 處理后還能實現(xiàn)畫中畫、 靜止畫面等新功能以及麗音NICAM(Near Instantaneous Companding Audio Multiplex， 準瞬時壓擴音頻多路傳輸，是一種數(shù)字脈沖編碼調制立體聲廣播系統(tǒng)， 用7.28 MHz頻率廣播)和環(huán)繞立體聲等功能。,3 . SDTV和HDTV 數(shù)字電視分為標準清晰度電視和高清晰度電視。 標準清晰度電視SDTV(Standard Definition Television)是指質量相當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標準的422的視頻， 經(jīng)過某些數(shù)據(jù)壓縮處理后所能達到的圖像質量。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HDTV(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169的數(shù)字電視系統(tǒng)。根據(jù)ITU的定義，一個具有正常視覺的觀眾在距離高清晰度電視機大約是顯示屏高度3倍的地方所看到的圖像質量應與觀看原景象或表演時所得到的印象相同。 其清晰度應在800電視線以上，視頻數(shù)碼率約為20 Mb/s。,國際電聯(lián)在ITU-R BT.1201建議書中提出了超高清晰度成像HRI(Hyperhigh Resolution Imaging)的若干標準， 其基本要素是圖像的最小分辨率為19201080， 傳輸速率為60幀秒。 HRI分為HRI0HRI3四個等級, 其空間分辨率分別為19201080、38402160、 57603240、76804320, 其量化比特數(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、 電視和計算機圖形等領域。,1.2 數(shù)字電視的優(yōu)點,與模擬電視相比， 數(shù)字電視的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面。 圖像傳輸質量較高 2. 具有數(shù)字環(huán)繞立體聲伴音 3. 頻譜資源利用率高 4. 多信息、 多功能 5. 設備可靠， 維護簡單 6. 節(jié)省發(fā)送功率， 覆蓋范圍廣 7. 易于實現(xiàn)條件接收,1.3 數(shù)字電視的有關參數(shù),1 數(shù)碼率和傳碼率 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中， 傳輸?shù)男视脗鬏斔俾蕘砗饬俊?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， 是指單位時間內傳送的二進制比特數(shù)，記為Rb，單位為比特秒，用符號bs表示。 經(jīng)常還以兆比特秒和吉比特秒為單位，即用符號Mbs和Gbs表示。 傳碼率是碼元（symbol）的傳輸速率， 是指單位時間內傳輸碼元的數(shù)目，記為RB，單位為波特(baud)。為明確起見，在給出傳碼率的同時，應說明碼元的進制M，或者說明碼元的二進制位數(shù)m， 這里M2m。,數(shù)碼率Rb和傳碼率RB都是傳輸速率的指標，但兩者的概念不相同，使用時不可混淆。在數(shù)值上它們可以按下式進行換算：,RbRBlbM RBm (b/s),(1-1),式中，M為碼元的進制數(shù)，m是碼元的二進制位數(shù)。可以看出， 在碼元為二進制(M2，m1)時，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，它可由比特數(shù)與頻率之乘積來表示，這樣，數(shù)碼率與數(shù)字信號的傳輸速率之間就建立了對應關系。數(shù)碼率也直接反映了數(shù)字信號所占用的頻帶寬度，即數(shù)碼率越高，占用頻帶就越寬。因此， 數(shù)碼率有時也簡稱為傳輸速率。,2 誤碼率和誤碼秒 1) 誤碼率Pe 誤碼率也叫碼元差錯率，是指信號傳輸過程中系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤碼元的數(shù)目與所傳輸碼元總數(shù)之比值，即,(1-2),誤碼率的大小，反映了系統(tǒng)傳輸錯誤碼元的概率大小。一般以多次傳輸?shù)钠骄`碼率表示。,誤比特率也稱信息差錯率或比特差錯率，是指傳錯信息的比特數(shù)與所傳輸?shù)目傂畔⒈忍財?shù)之比值， 即,(1-3),誤比特率的大小，反映了信息在傳輸中由于碼元的錯誤判斷而造成的傳送信息錯誤的大小，它與誤碼率從兩個不同的層次反映了系統(tǒng)的可靠性。在二進制系統(tǒng)中，誤碼數(shù)目就等于誤比特率，即Pe=Pb。但在多進制系統(tǒng)中， Pe不等于Pb 。,2) 誤碼秒 串行數(shù)字視頻系統(tǒng)工作在基本上無隨機噪聲誤碼的環(huán)境下，其主要誤碼為脈沖誤碼，與隨機噪聲誤碼不同的是，它具有間隔出現(xiàn)的特點，一個數(shù)據(jù)字的出錯會引起數(shù)百個相同數(shù)字的出錯。在電視系統(tǒng)中關心的是節(jié)目出錯的次數(shù)， 而不是多少比特受到影響，因此可使用誤碼秒(errored seconds)來度量這種脈沖誤碼的特性。誤碼秒是指一段時間之內發(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)生誤碼的場合，尤其適合于評價由于短脈沖干擾引起視頻同步信號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間（time since the last errored seconds）。,3. 頻帶利用率和功率利用率 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，有時使用頻帶利用率和功率利用率來度量信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?頻帶利用率是衡量數(shù)字傳輸系統(tǒng)有效性的一個重要指標。 它表示在單位時間、單位頻帶內傳輸信息的多少，即單位頻帶內所能實現(xiàn)的數(shù)碼率，單位為比特秒赫茲，用符號b(sHz) 表示。,一般來說，在相同信道頻帶寬度的條件下，系統(tǒng)的頻帶利用率越高，信息傳輸速率就越高，系統(tǒng)的有效性就發(fā)揮得越好。在二進制基帶系統(tǒng)中，最高頻帶利用率p=2b(sHz)。在多進制基帶系統(tǒng)中，頻帶利用率可以大于2b(sHz)。在載波傳輸系統(tǒng)中，不同的調制方式可能有不同的頻帶利用率，故一般常用這個指標來衡量調制方式的效率。 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?4. 信道容量 信道容量反映一個信道的傳輸能力，而信道的傳輸能力是以這個信道最大可能傳輸信息的速率來度量的。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)碼率表示實際的數(shù)據(jù)傳輸速率。它們采用相同的單位b/s。 實際的信道總是要受到各種噪聲的干擾。香農(Shannon)研究了受隨機噪聲干擾的信道情況，得出了計算信道容量的香農公式：,(1-4),式中：B為信道傳輸頻帶寬度，S為信號平均功率，N為白噪聲的平均功率，SN為信噪比。該式說明：信道容量C與信道帶寬和信噪比有關，當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是無量綱的數(shù)值，通常用分貝表示為,(1-5),因此在用式(1-4)計算時，要將用分貝表示的（SN）按式(1-6)換算為無量綱的數(shù)值：,(1-6),根據(jù)香農公式還可以得出以下重要結論： (1) 任何一個信道都有信道容量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概率通過信道傳輸；如果RbC，則無差錯傳輸在理論上是不可能的。,(2) 當信道噪聲為高斯白噪聲時，式(1-4)中的噪聲功率N不是常數(shù)而與帶寬B有關。若設單位頻帶內的噪聲功率為n0(WHz)，則噪聲功率N=n0B，代入式(1-4)可得,(1-7),在S和n0一定時，信道容量C隨帶寬B的增大而增大。當B趨于無窮大時，C趨于常數(shù) 1.44Sn0。,(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為傳輸時間， 代入式(1-4)則可得,(1-8),這說明，當SN一定時， 給定的數(shù)據(jù)量可以用不同的帶寬B和時間T的組合來傳輸。,(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能夠用較小的信號功率(即較小的SN)來傳送。也就是說， 當信噪比太小而不能保證通信質量時， 常采用寬帶系統(tǒng)，即用增加帶寬來改善傳輸質量， 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程中，必須變換信號使之具有所要求的帶寬，這通常是由各種類型的調制和編碼來完成的。為定量說明信噪比與帶寬的關系，我們設B為信道帶寬，Bi為輸入信號帶寬，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)則可以導出：,(1-9),或者,(1-10),5. 編碼效率 1) 平均信息量 設有n個信號電平u1、u2、un，其對應的概率值分別為P1、 P2、Pn，信號攜帶的信息量是-lbP1、-lbP2、-lbPn比特， 則信源中單位元素(符號)的平均信息量(即熵)便可由下式求出：,(1-11),這里，H不是一個符號或碼元的表示式，而是整個信源的平均信息量，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也包括無用的符號。,(1-12),(1-13),1.4 數(shù)字電視發(fā)展概況,1. 數(shù)字電視發(fā)展概況 衛(wèi)星和有線電視廣播的基本傳輸體制已確定，世界上技術先進的國家在系統(tǒng)設計和芯片開發(fā)上已有相當?shù)募夹g積累，相關市場應用和產(chǎn)品也極為豐富。數(shù)字攝錄設備，演播室視/音頻節(jié)目制作和控制設備，數(shù)字調制、 解調器，視頻處理系統(tǒng), 數(shù)字視/音頻系統(tǒng), HDTVSDTV測試儀表, 數(shù)字傳輸設備, 數(shù)字通信、 電視及廣播發(fā)射機，衛(wèi)星收發(fā)與天線系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)和各種類型的機頂盒等數(shù)字電視技術設備已基本成熟。,2. 我國數(shù)字電視的現(xiàn)狀 目前我國有線電視用戶數(shù)已達到1.74億，在數(shù)量上市美國有線電視用戶的2.5倍，是世界第一大規(guī)模。目前已有14個省區(qū)市完成全省網(wǎng)絡整合，160多個地市、460多個縣市完成了數(shù)字化整體轉換，全國有線數(shù)字電視用戶數(shù)超過6500萬，為正式啟動三網(wǎng)融合試點打下了良好基礎。我國自主研發(fā)的CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)手機電視在320個城市開通運營，成為全球最大的移動廣播電視覆蓋網(wǎng)。全國具備傳播視聽節(jié)目資質的網(wǎng)站達400多家，中國網(wǎng)絡電視臺、國際在線、中國廣播網(wǎng)、中國電影網(wǎng)等一批網(wǎng)絡視聽媒體的影響日益擴大。已建成亞洲規(guī)模最大的國家數(shù)字電影制作基地，同時全國已組建城市數(shù)字電影院線37條，包括影院1826家、銀幕5300塊，2010年上半年以每天建成3個放映廳的速度在快速持續(xù)增長。 。,數(shù)字電視用戶,開展衛(wèi)星直播業(yè)務。2006發(fā)射的年“鑫諾2”衛(wèi)星出現(xiàn)故障后，2008年6月發(fā)射了“中星9號”，有47套電視節(jié)目以免費的形式下發(fā)，全國98%以上的居民使用0.45米-0.6米天線即可接收到中國的衛(wèi)星電視節(jié)目。2009年發(fā)射“鑫諾4號”直播衛(wèi)星，2010年9月12日8點08分48秒“鑫諾6號”成功定點于東經(jīng)126.4度赤道上空?！蚌沃Z6號”衛(wèi)星，設計壽命為15年，裝載有24個C頻段轉發(fā)器、8個Ku頻段轉發(fā)器和1個S頻段轉發(fā)器，衛(wèi)星波束可覆蓋包括中國全境的亞太地區(qū)及部分周邊國家和地區(qū)，也是繼“鑫諾三號”、“中星6B”之后，又一顆能夠充分滿足中國廣播電視信息傳輸安全要求的高質量衛(wèi)星。 ,2010年，高清節(jié)目的覆蓋范圍將會大面積擴大，