數(shù)字電視技術(shù)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(diǎn) 1.3 數(shù)字電視的有關(guān)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(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。,圖1-1 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)方框圖,多路復(fù)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(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榱四茉诮邮斩藱z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。,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、 QPSK、 TCM、 COFDM和VSB。 相關(guān)內(nèi)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(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。,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(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。,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)畫中畫、 靜止畫面等新功能以及麗音NICAM(Near Instantaneous Companding Audio 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。,3 . SDTV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422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(gè)具有正常視覺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。,國(guó)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(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。 HRI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。,1.2 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。 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. 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,1.3 數(shù)字電視的有關(guān)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?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)。為明確起見，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。,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， 數(shù)碼率有時(shí)也簡(jiǎn)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(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,(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。,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,(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)的可靠性。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，誤碼數(shù)目就等于誤比特率，即Pe=Pb。但在多進(jìn)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(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）。,3. 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。,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?4. 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：,(1-4),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,(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(1-6)換算為無(wú)量綱的數(shù)值：,(1-6),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。,(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,(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(shí)間， 代入式(1-4)則可得,(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。,(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：,(1-9),或者,(1-10),5. 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、-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：,(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)。,(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(shù)先進(jìn)的國(guó)家在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和芯片開發(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。,2. 我國(guó)數(shù)字電視的現(xiàn)狀 目前我國(guó)有線電視用戶數(shù)已達(dá)到1.74億，在數(shù)量上市美國(guó)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(gè)省區(qū)市完成全省網(wǎng)絡(luò)整合，160多個(gè)地市、460多個(gè)縣市完成了數(shù)字化整體轉(zhuǎn)換，全國(guó)有線數(shù)字電視用戶數(shù)超過(guò)6500萬(wàn)，為正式啟動(dòng)三網(wǎng)融合試點(diǎn)打下了良好基礎(chǔ)。我國(guó)自主研發(fā)的CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)手機(jī)電視在320個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)，成為全球最大的移動(dòng)廣播電視覆蓋網(wǎng)。全國(guó)具備傳播視聽節(jié)目資質(zhì)的網(wǎng)站達(dá)400多家，中國(guó)網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)、國(guó)際在線、中國(guó)廣播網(wǎng)、中國(guó)電影網(wǎng)等一批網(wǎng)絡(luò)視聽媒體的影響日益擴(kuò)大。已建成亞洲規(guī)模最大的國(guó)家數(shù)字電影制作基地，同時(shí)全國(guó)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(gè)放映廳的速度在快速持續(xù)增長(zhǎng)。 。,數(shù)字電視用戶,開展衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)。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(hào)”，有47套電視節(jié)目以免費(fèi)的形式下發(fā)，全國(guó)98%以上的居民使用0.45米-0.6米天線即可接收到中國(guó)的衛(wèi)星電視節(jié)目。2009年發(fā)射“鑫諾4號(hào)”直播衛(wèi)星，2010年9月12日8點(diǎn)08分48秒“鑫諾6號(hào)”成功定點(diǎn)于東經(jīng)126.4度赤道上空?！蚌沃Z6號(hào)”衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命為15年，裝載有24個(gè)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器、8個(gè)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和1個(gè)S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星波束可覆蓋包括中國(guó)全境的亞太地區(qū)及部分周邊國(guó)家和地區(qū)，也是繼“鑫諾三號(hào)”、“中星6B”之后，又一顆能夠充分滿足中國(guó)廣播電視信息傳輸安全要求的高質(zhì)量衛(wèi)星。 ,2010年，高清節(jié)目的覆蓋范圍將會(huì)大面積擴(kuò)大，