數字電視技術1

1、第1章 數字電視(sh z din sh)概述 1.1 基本定義1.2 數字電視的優(yōu)點 1.3 數字電視的有關參數1.4 數字電視發(fā)展(fzhn)概況 共三十三頁1.1 基本(jbn)定義 1. 數字電視(sh z din sh)廣播系統的構成 圖1-1是數字電視廣播系統方框圖。 該系統由信源編碼、 多路復用、信道編碼、調制、 信道和接收機等六部分組成。 共三十三頁圖1-1 數字電視(sh z din sh)廣播系統方框圖 共三十三頁 多路復用是將視頻、音頻和數據等各種媒體流按照一定的方法復用成一個節(jié)目的數據流，將多個節(jié)目的數據流再復用成單一的數據流的過程。 信道編碼是指糾錯編碼(詳見第4章)

2、。信道編碼是為提高數字通信傳輸的可靠性而采取的措施。為了能在接收端檢測和糾正傳輸中出現的錯誤，信道編碼在發(fā)送的信號(xnho)中增加了一部分冗余碼，因此增加了發(fā)送信號(xnho)的冗余度， 即通過犧牲信息傳輸的效率來換取可靠性的提高。 為了達到數字通信系統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。 共三十三頁 調制是指為了提高頻譜利用率，把寬帶的基帶數字信號變換成窄帶的高頻載波信號的過程。應根據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

3、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(chum)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，能夠滿足現代信息化社會“信息到人”的基本需求。 共三十三頁 2. 數字電視與電視數字化處理的區(qū)別 現在的模擬彩色電視接收機的電路中采用了多種數字化處理技術， 往往自稱為數碼電視或數字化電視。這些彩色電視機在不改變現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字化處理，獲得了更高質量的圖像和伴音，增加(zngji)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，無法接收數字電視信號，與真正

4、的數字電視是兩個不同的概念，不可混淆。 共三十三頁 這些數字化處理技術包括：用數字梳狀濾波器進行較完善的亮度、色度分離(fnl)，消除了亮、色竄擾現象；對亮度信號進行數字輪廓增強，提高了畫面清晰度； 對色度信號進行數字降噪和色調校正，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，是一種數字脈沖編碼調制立體聲廣播系統， 用7.28 MHz頻率廣

5、播)和環(huán)繞立體聲等功能。 共三十三頁 3 . SDTV和HDTV 數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(PAL、NTSC、SECAM)的數字電視系統，也稱為常規(guī)電視系統。其定義是， ITU-R 601標準的422的視頻， 經過某些數據壓縮處理(chl)后所能達到的圖像質量。其清晰度約為500電視線，視頻數碼率約為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的兩倍，寬高比

6、為169的數字電視系統。根據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，視頻數碼率約為20 Mb/s。 共三十三頁 國際電聯在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(fn wi)HRI0HRI3四個等級, 其空間分辨率分別為19201080、38402160、 57603240、76804320

7、, 其量化比特數分別為10、 10、 12、 12， 不壓縮數據速率分別為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。 共三十三頁1.2 數字電視(sh z din sh)的優(yōu)點與模擬電視相比， 數字電視的優(yōu)點表現在以下幾個方面。 圖像傳輸質量較高 2. 具有數字環(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(jindn) 6. 節(jié)省發(fā)送功率， 覆蓋范圍廣 7. 易于實現條件接收 共三十三

8、頁1.3 數字電視(sh z din sh)的有關參數 1 數碼率和傳碼率 在數字傳輸系統中， 傳輸的效率(xio l)用傳輸速率來衡量。 傳輸速率有信息傳輸速率(數碼率)和碼元傳輸速率(傳碼率)兩種。 數碼率，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，記為Rb，單位為比特秒，用符號bs表示。 經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m， 這里M2m。 共三十三頁 數碼率Rb

9、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。在數值(shz)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，m是碼元的二進制位數?？梢钥闯?， 在碼元為二進制(M2，m1)時，Rb=RB。 數碼率還可以反映頻帶占有情況。根據數碼率的定義，它可由比特數與頻率之乘積來表示(biosh)，這樣，數碼率與數字信號的傳輸速率之間就建立了對應關系。數碼率也直接反映了數字信號所占用的頻帶寬度，即數碼率越高，占用頻帶就越寬。因此， 數碼率有時也簡稱為傳輸速率。 共三十三頁 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

10、信號(xnho)傳輸過程中系統出現錯誤碼元的數目與所傳輸碼元總數之比值，即 (1-2) 誤碼率的大小，反映了系統傳輸(chun sh)錯誤碼元的概率大小。一般以多次傳輸(chun sh)的平均誤碼率表示。 共三十三頁 誤比特率也稱信息(xnx)差錯率或比特差錯率，是指傳錯信息(xnx)的比特數與所傳輸的總信息(xnx)比特數之比值， 即 (1-3) 誤比特率的大小，反映(fnyng)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(fnyng)了系統的可靠性。在二進制系統中，誤碼數目就等于傳輸信息量的比特數，即Pe=Pb。但在多進制系統中， Pe不等于

11、Pb 。 共三十三頁 2) 誤碼秒 串行數字視頻系統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(jyu)間隔出現的特點，一個數據字的出錯會引起數百個相同數字的出錯。在電視系統中關心的是節(jié)目出錯的次數， 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(errored seconds over a period of time)， 適合于受脈沖干擾而產生誤碼的場合，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。常用的參數還有上一次誤碼秒間隔

12、時間（time since the last errored seconds）。 共三十三頁 3. 頻帶利用率和功率利用率 在數字傳輸系統中，有時使用頻帶利用率和功率利用率來度量信息傳輸的有效性和可靠性。 頻帶利用率是衡量數字傳輸系統有效性的一個重要指標。 它表示(biosh)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的數碼率，單位為比特秒赫茲，用符號b(sHz) 表示(biosh)。共三十三頁 一般來說，在相同信道(xn do)頻帶寬度的條件下，系統的頻帶利用率越高，信息傳輸速率就越高，系統的有效性就發(fā)揮得越好。在二進制基帶系統中，最高頻帶利用率p=2b(sHz)。在多進制基

13、帶系統中，頻帶利用率可以大于2b(sHz)。在載波傳輸系統中，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，信息傳輸的可靠性就越高。 共三十三頁 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。信道容量與數碼率的區(qū)別在于(ziy)， 信道容量表示信道的最大數據傳輸速率，是信道傳輸能力的極限，而數碼率表示實際的數據傳輸速率。它們采用相同的單位b/s。 實際的信道

14、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) 共三十三頁式中：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(yugun)，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(wling)綱的數值： (1-6) 共三十三頁 根據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，如果滿足數碼(s

15、hm)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。 共三十三頁 (2) 當信道噪聲為高斯白噪聲時，式(1-4)中的噪聲功率N不是常數而與帶寬(di kun)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(di kun)B的增大而增大。當B趨于無窮大時，C趨于常數 1.44Sn0。 共三十三頁 (3) 由于信道容量就是(jish)信道的最大信息傳輸速率(即數碼率)， C=I/T, 其中I為信息量， T為傳輸時間， 代入式(

16、1-4)則可得 (1-8) 這說明，當SN一定(ydng)時， 給定的數據量可以用不同的帶寬B和時間T的組合來傳輸。 共三十三頁 (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據。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，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(tiozh)和編碼來完成的。為定量說明信

17、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，經變換器變換后，輸出信噪比為SoNo，根據式(1-8)則可以導出： 共三十三頁 (1-9) 或者(huzh) (1-10) 共三十三頁 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(xidi)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，但它與數碼中的比特有(t yu)區(qū)別。信息量的比特是指

18、真正有用的信息量，數碼中的比特既包括有用的符號也包括無用的符號。 共三十三頁 2) 平均碼字長度 設Ni為數字信號第i個碼字Ci的長度(即二進制代碼的位數)， 其相應出現的概率為Pi，則該數字信號所賦予的碼字平均長度N為 (1-12) 共三十三頁 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量，而碼字的平均長度包含有用和無用的信息，這樣， 無論是哪一種二進制編碼，其一個碼字的平均碼長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 (1-13) 此式說明，只要使NH，就可以得到某種無失真編碼方法。但如果NH，則表明這種編碼方法效率太低，占用的比特數太

19、多。 最好的編碼結果是NH，即=1。 這種狀態(tài)的編碼稱為最佳編碼，它不會因丟失信息而引起圖像失真，又占用最少的比特數。 如果編碼結果為N H，則必然會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。 共三十三頁1.4 數字電視發(fā)展(fzhn)概況 1. 數字電視發(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設計和芯片開發(fā)上已有相當的技術積累，相關市場應用和產品也極為豐富。數字攝錄設備，演播室視/音頻(ynpn)節(jié)目制作和控制設備，數字調制、 解調器，視頻處理系統, 數字視/音頻(ynpn)系統, HDTVSDTV測試儀表, 數字傳輸設備, 數字

20、通信、 電視及廣播發(fā)射機，衛(wèi)星收發(fā)與天線系統、網絡系統和各種類型的機頂盒等數字電視技術設備已基本成熟，正在等待商機以占領世界各地的市場。 共三十三頁 2. 我國的“三步走”戰(zhàn)略 根據我國的基本國情和廣電行業(yè)的實際，我國推進廣播電視數字化實施的是“三步走”戰(zhàn)略。 第一步是大力發(fā)展有線數字電視。目前，全國有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， 有線電視網絡加快了光纖化改造的步伐，局部地區(qū)實現了寬帶化和雙向化，基本具備了傳送數字節(jié)目的條件。只要在網絡前端建立數字平臺，把模擬信號轉換成數字信號，在用戶端安裝機頂盒，就可以(ky)實現端到端的數字化傳輸。到2004年，全國4

21、9個省市單位建立了有線數字電視示范網，已開播33套付費電視頻道和7套數字廣播節(jié)目，計劃到2005年達到3000萬數字有線用戶。 共三十三頁 第二步是從2005年起開展衛(wèi)星直播業(yè)務。由于我國目前沒有直播衛(wèi)星，因此衛(wèi)星直播試驗僅限于“村村通廣播電視”范圍。 2005年我國發(fā)射直播衛(wèi)星后， 將開展直播衛(wèi)星電視業(yè)務。 第三步是從2008年起大力發(fā)展地面數字廣播電視和高清晰度數字電視。目前，我國廣大農村和偏遠地區(qū)主要依靠無線方式(fngsh)接收廣播電視節(jié)目。由于我國地面數字電視標準尚未確定， 因此要形成產業(yè)規(guī)模需要較長時間。我國將在2005年開始播出地面數字電視和高清晰度電視，在2008年利用奧運會電視轉播的契機全面推廣地面數字電視和高清晰度電視。2015年，我國將停止模擬廣播電視播出。 共三十三頁 3. 我國廣播影視改革發(fā)展目標 我國廣播影視要努力實現“一個轉變”和“三個開放”，真正做到與時代同進、與世界同步。 “一個轉變”就是要通過數字化使廣播影視從傳統媒體向現代媒體轉變，使廣播電視既提供公共類節(jié)目的“廣播”，又提供專業(yè)化、個性化節(jié)目的“窄播”； 既提供單向式廣播，又提供交互式點播(dinb)； 既提供廣播影視節(jié)目，又提供多種信息服務； 既提供文化娛樂，又提供商務服務；使傳統的廣播電視終端逐漸轉變?yōu)楝F代的多媒體信息終端，使廣播影視真正成為“揚獨家之