法国、英国,都开始研究数字电视技术,并且诞生过MAC1、MAC2、MAC3(多模拟分量分时传输技

上网时间: 2004年05月17日? 作者:陶显芳? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:数字电视? 数字视频压缩技术标准? MPEG-X?

术)等,三代数字卫星电视节目广播,当时数字技术已经很先进,它已经能够同时传播一路标准

清晰度电视节目和多路伴音广播

数字电视浅谈

作者:陶显芳

一、数字电视的技术发展

微软总裁比尔盖茨说过:“我们总觉得自己每天没做什么事情,但如果我们拿今天所做的事与几

年前或者十几年前相比,就又会觉得,我们已经做了一件非常了不起的事”。

我们无法知道地球已经转动了多少万万年,但我们可以知道,2003年的一天与2002年和2004年的

一天差别不会太大,但是技术发展的速度会令你不敢断言,即使是10年以后的事也很难预料,谁

能想象得到,未来广播电视技术会有哪些发展?

自从上个世纪80年代,德国的ITT公司推出了世界上第一台数字视频处理彩色电视机,彩色电视

数字化的技术步伐就一直没有停止过。

1970年,日本广播公司最早开始了模拟式高清晰度电视的研制。这种高清晰度电视在一秒钟内可

交错绘出30幅画面,每幅画面用1125线的行扫描,荧光屏长宽比5 :3。与普通的电视机相比,

双倍的扫描线和加宽的画面(普通电视为4 :3)使得一幅图像所容纳的信息量增加了5倍。

1980年,英国的BBC 和IBA广播公司开发了一种不同于日本的高清晰度电视系统。它充分利用卫

星通道上的可用频带来传送信号,可与现有的电视系统兼容。BBC公司还开发了一种数控电视,用

数字信号去控制被压缩的图像信号,通过电视机上的一块简单电路来控制电视机再现画面,这种

系统的信号处理设备主要是发射机和摄像机。因此不会给消费者增加什么费用。英国采用的是控

制信号数字化、图像信号模拟化的混合系统。

数字电视技术最先出现是在欧洲,从八十年代开始,欧洲几个电视技术较先进的国家,如德国、

法国、英国,都开始研究数字电视技术,并且诞生过MAC1、MAC2、MAC3(多模拟分量分时传输技

术)等,三代数字卫星电视节目广播,当时数字技术已经很先进,它已经能够同时传播一路标准

清晰度电视节目和多路伴音广播。与此同时,日本的数字电视技术也达到了很高的水平,日本是

世界上第一个用MUSE(多重压缩编码)技术进行高清电视节目广播的国家,但试播不到两年,由

于新的数字技术不断出现,MUSE技术相对已落后,不得不放弃自己的MUSE技术标准。

1982年,新一代数字式电视机由美国的数字电视公司首先研制成功。这种电视机的结构主要由5

块超大规模集成电路组成,元部件比模拟式电视机减少一半以上,因而使生产工艺大大简化,生

产成本降低。1983年,该电视机开始正式生产并投放市场。

从九十年代开始,数字电视技术在世界范围内飞速发展,除了欧洲之外,美国、日本等技术先进

国家也都认识到数字电视技术对本国经济发展的重要性,因此也加入到数字电视技术的研究的行

列,并制定了现代数字视频压缩技术的一系列主要标准MPEG-X。连像中国这样电视技术相对落后

的国家,也被卷入了数字电视技术足球比赛的行列,中国也准备在MPEG的基础上制订出自己的数

字电视标准系列。

1995年9月15日美国正式通过ATSC数字电视国家标准。ATSC的英文全称是Advanced Television

Systems Committee(美国高级电视业务顾问委员会)。ATSC制信源编码采用MPEG-2视频压缩和

AC-3音频压缩;信道编码采用VSB调制,提供了两种模式:地面广播模式(8VSB)和高数据率模

式(16VSB)。随着多媒体传输业务的不断发展,为了适应移动接收的需要,近来又计划增加2

VSB的移动接收模式。

1996年4月法国第一个开始数字电视商业广播,全世界的数字电视广播迅猛发展,其中尤以DVB-S

广播技术的应用发展最普及和迅猛。DVB-S标准甚至被美国这样的数字技术超级发达的国家采用

。随DVB-S之后,DVB-C也在逐渐普及,特别是在中国这样的要控制媒体的国家里,DVB-C或其变

种技术必是数字电视广播技术的主体。DVB-T技术在DVB-S和DVB-C之后,也被欧洲、亚太甚至美

国等地的不少国家用于商业广播。

1998年11月美国开始数字电视广播,计划2006年将全面实现数字电视广播并全部收回模拟电视的

NTSC频道。

1998年9月我国的数字电视广播HDTV-T在中央电视塔上进行广播试验成功,并宣布我国数字电视

广播三步走计划,将于2008年正式试播HDTV-T,计划2015年将全面实现数字电视广播,同时停止

模拟电视广播。数字电视的时代即将到来,模拟电视终将被数字电视所取代。

随着各数字电视的标准出台,多个国家或联合或独立实施数字电视广播项目。欧洲成立了由三十

多个国家230多个成员组成的国际机构:数字电视广播(DVB)联盟,DVB联盟共同制定了DVB数字

卫星电视(DVB-S,QPSK调制)、DVB数字有线电视(DVB-C,QAM调制)、DVB数字地面广播电视

(DVB-T,COFDM调制)标准。这些标准现在已经作为世界统一标准被大多数国家接受,世界上许

多国家已经以DVB技术进行商业广播。

由于欧美已完成数字式高清晰度电视的研制,并将之纳入多媒体技术,迫使日本也发展数字式高

清晰度电视。日本电报电话公司、日本电气公司、日立制作所、东京大学等11家公司和8所大学,

1990年开始合作研究开发下一代高清晰度电视机。下一代高清晰度电视的最大特征是清晰度更高

,扫描线数为2048条,约为已有的高清晰度电视(1125条)的两倍,是一般电视的4倍,就连出

现在电视屏幕上的报纸上的小铅字都能加以辨认。预计到2015年将实现家庭实用化。

2000年国际电联无线电通信部门(ITU-R)审议通过了一份新建议书“在卫星广播频道内由ISDB

(综合业务数字广播)提供的先进多媒体服务传输系统”详细介绍了一种提供多种信息服务的新

的技术系统,把它与ITV-R BO.1211建议书和ITU-R BO.1294建议书以同等地位推荐给ITU成员国

作为可选项目纳入实际应用。

国际电联考虑到由广播频道提供多种信息服务诸如包括高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视

(SDTV)的视频、音频、文本、图形和数据等已很普遍,而通过数字技术比如ISDB技术可以对这

些信息进行更有效而灵活的综合处理,进一步提高服务质量。这其中MPEG-2传送流(MPEG-TS)

已广泛地用作数码信息的载体,如果将集成的数据/业务也通过传送流的基带来完成,则可获得最

大的传输效益。众所周知,用于ISDB典型业务的先进多媒体传输系统的突出特征应是具有最高的

灵活性,例如可适应多种MPEG传送流,对于合适的调制方案8PSK、QPSK或BPSK等,可以允许时间

复用等等。

ISDB(综合业务数字广播)是新型的多媒体广播业务,它系统地综合了各项数字内容,每一项内

容可以包括从LDTV到HDTV的多节目视频、多节目音频、图形、文本等。如今大部分的数字内容均

被编码到MPEG-2传输流格式并被广泛传输。由于ISDB包含了不同的业务,其传输系统必然要涵盖

各种业务不同的需求,例如HDTV需要一个大的传输容量,而数据业务需要极高的业务可靠性,诸

如条件接入的键控传输,软件下载等。为了集成这些业务需求不同的信号,要求传输系统提供一

系列可供选择的调制和误码保护方案,并且能够灵活组合以满足所集成业务的每一需求,特别是

工作在11?12GHz卫星广播业务(BSS)频段、又处于多雨衰减区国家的卫星ISDB系统的需求。

尽管MPEG-2已相当成熟和盛行,但科学家从未停止过信源编码方面的继续研究。MPEG-4就是其中

之一。视频编码经历了H.261,MPEG-1到MPEG-2的变迁。对广播来说已经是相当完备的系统标准

,但对于通信和计算机应用仍是不足,于是MPEG-4的系统层在原有ES流复用层(FlexMux)的基

础上扩展了传送复用层(TransMux),几乎包括了所有多媒体、存贮媒体和通信的接口,如(

RTP)UDP IP,PES MPEG2 TS,AAL ATM,H223 PSTN,DABMux等等。使得MPEG-4的系统应用极

其广泛。

在信源方面,不是简单地对连续的图像和声音进行压缩,而是对图像和声音进行详细的分解和描

述,将计算机中“对象”(Objects)的概念引入MPEG-4,对音视频对象和背景及文字分别进行

压缩,甚至采用参数控制综合合成的办法还原图像和声音,使效率大大提高。如播音员脸部动画

的综合,文字到声音的语音合成等,使解码处理可扩展到对象的缩放。也即除自然图像外,增加

了人工合成,创造和处理的痕迹。如水影加密和解密技术,也是目前人们正在研究的热门技术。

MPEG-4的类和级也有很大的变化,对视像内容来说,分为自然视频内容,自然和合成混合图像内

容两部分。自然视频内容的类又分为5类:简单视像类,用于移动通信;简单可分级视像类,用于

有质量分级的互联网的软件解码;核心视像类,对简单视像类补充任意形状和随时间缩放的对象

编码,用于互联网多媒体应用;主视像类,对核心视像类补充隔行、半透明和子图画对象编码,

用于交互多媒体质量的广播和DVD的应用;N-比特视像类,对核心视像类对象的样本量化深度进

行调节,可有4到12比特量化的核心视像类,用于监视等应用。

对于合成的自然图像混合视像内容又有4类:简单面部动画视像类、可分级纹理视像类、基本动画

2D纹理视像类和混合视像类。图形类共有两类:2D图形类和完全的图形类。场景描述类共有5类

:简单场景类、2D场景类、虚拟现实模块语言(VRML)场景类、音频场景类和完全场景类。音频

的类型有:话音类、低码率合成音频类、可分级音频类和主音频类。级是对比特率、取样率、图

像分辨率及复杂性进行分级。不可能没有级的类,但有的类只有一级。

MPEG4综合了目前电视、电脑和通信等多媒体的应用技术,内容还在不断地扩充,版本也不断地

在升级,它与MPEG2最大的区别,就是以对象为基础的空间可分级性。MPEG4版本2应用的一个例

子是HomeNet Processing Laboratory 和SONY公司研制的逐行扫描清晰度电视编码器,使用

MPEG4空间可分级对1080行 60帧逐行扫描高清晰度电视进行编码,MPEG4空间可分级的性能通常

优于MPEG2的单层编码,而且所需的帧存在也要少12.5%,而且1080P很容易下变换到1080I和

720P,该实验将高质量1080P/60的传输码率降至18Mbps。人们都相信MPEG4最终会取代MPEG2,

但由于MPEG2在数字电视节目方面已使用多年,MPEG4作为一个还在不断更新的技术标准也需要稳

定一段时间。

2002年7月,我国开始研制具有自己知识产权的AVS(Audio Video Standard)音视频压缩标准

,以此取代MGEG2图像压缩标准,并于2003年7月宣布基本取得成功,新的AVS音视频压缩标准技

术性能比MGEG2更优越,活动图像更清晰,图像压缩比更大,是MGEG2图像压缩比的2.4倍,它与

MPEG4的正在升级的版本JVT(Joint Video Team)同一技术水平,且互相兼容。

2003年11月18日,我国又宣布EVD( Enhanced Video Disk )技术标准制定成功,EVD光盘图

像信息量是现DVD的3倍。EVD技术标准综合了目前国际上最先进的VP5、VP6技术优点,使我国的

数字电视技术又向国际先进国家行列跨进了一大步,并把目前的DVD技术远远地抛到了后面。

另外,任何一项新的应用技术出现,其背后都是受人们的利益所驱动,MGEG2、MPEG4、JVT、AVS

、DVD、EVD等的背后都代表着一个强势集团或联盟的利益。单从技术上分,很容易知道,谁应该

取代谁,但从利益上分,就很难分得清楚。没有一个强势的技术集团或联盟在背后做支持,任何

新的应用技术都不可能成为国际标准。飞利浦的DVD+RW,和先锋的DVD-RW,及松下的DVD-RAM

等三个DVD新技术标准,早在几年前几乎同时出现,大家势均力敌争斗多年,现在谁也没有成为国

际标准,因此这些新一代可录DVD产品也迟迟没有在国际市场上大量出现,直到前几天,索尼、三

星、LG、夏普、苹果、东芝、日立、JVC等众多厂家才开始松动,准备向DVD+RW阵营抛出橄榄枝

目前中国还没有一个像飞利浦、先锋、松下这样知名的强势集团或联盟,要想使AVS和EVD成为国

际标准,根本不可能,连成为本国标准推行起来也都很困难,因为中国的音视频产品关键的生产

技术(或产业链)还在国外,而且新一代MPEG4和DVD+RW的技术产品在质量和性能上,一定会超

越AVS和EVD的技术产品。另外,AVS和EVD部分技术也是买别人的(如VP5、VP6),将来同样还得

要付费。我们不得不叹息,我们抓不住机会,是因为技术发展得太快。

新一代的高清晰度电视是数字式高清晰度电视。数字电视图像清晰,色彩鲜艳,声音悦耳,画面

质量不受影响,观众还可改变电视节目的内容。电视节目的传输采用电子计算机技术,以数字形

式来传输信号,在传输过程中不会受信号强弱的干扰。并且由于数字信号可以重新编排组合,因

此数字电视也能像电脑一样存储大量的数据信息,于是观众便可以有选择地收看电视内容,还可

以自己编制程序,只播出他所选择的那部分内容,而略过中间的其他节目。观众甚至可以任意调

换电视剧中的男、女主角,改变剧情,将自己喜爱的主人公“请”出来宣读晚间新闻,或是把自

己拍摄的录相带(或DV)放在某个电视剧中,亲自当一回导演。因此,未来的电视观众将拥有看

电视的主动性。当然这些都是属于人们茶前饭后畅谈的话题,未来的数字电视到底是什么样?现

在没人能说清楚,可能小孩比我们想象得还会更丰富。

二、什么是数字电视

数字电视的发展是一步一步走过来的,如果追索起源头,要追索到60多年前的付立叶先生,他的

付立叶变换理论奠定了数字电视技术的基础,继他之后,还有一大堆应用科学家在默默地耕耘了

五十多年。MPEG信源编码技术标准的诞生,标志着数字电视技术已经基本成熟。而MPEG信源编码

技术中的17个重要专利技术,就有两个发生在1950年,分别为:哈夫曼编码(Huffmancoging)

,差动脉冲编码调制(DPCM)。后面的15个重要技术基本上也都是按均匀密度分布在时间轴上,

可见工作之艰辛,并不是某人灵感一来就能发明成功的。这些技术的应用都是为了一个目的,就

是使数字信号能够在各种线路中进行传输。

数字电视的技术基础是模数转换ADC(Analog-to-Digital Converter)和编码(Coding)技术

。编码技术现在已经成为一门很热门的科学技术,它是数学和物理学及其它科学交融在一起的,

一个崭新领域中的应用技术。在全数字电视技术中,有两个很关键的编码技术――信源编码和信

道编码。信源编码的主要任务是解决图像信号的压缩和保存问题;信道编码的主要任务是解决图

像信号的传输问题。

1、ADC与二进制编码

ADC模数转换也叫取样,是把模拟信号转换成数字信号的必要过程。我们知道模拟信号是由无数个

连续的点来组成,任何电路都无法对无数个点的信息进行如:插行、压缩等处理,因此只能从无

数个点中抽出一些有代表性的点进行处理,这种方法就叫取样,或叫A/D(模拟/数字)转换。取

样可以比喻成把图片通过一个丝网后再印到报纸上(这叫丝网印刷),报纸上的图片就变成由很

多小点点组成,这些小点点就是从图片中无数个点取样后得来的。经过取样得到的点,越密和越

细,图像就越逼真。

对视频信号取样也存在这样的道理,取样频率越高,相当于抽样的点越多,数据就越真实,但数

据占的内存也多。除了点的密度对图像质量有影响外,每个点所表示数值的精度也会影响图像质

量,这个叫量化,即分层。层分得越多,精度就越高,量化精度单位用bit(二进制的位)表示,

即多少bit编码,或叫二进制编码。

目前对视频信号进行取样时,一般取样脉冲频率都是取视频最高频率的3倍,和用8bit进行量化

编码,即把视频信号分成256层(也叫阶梯)。图1是对视频信号进行取样与二进制编码的原理图

如果用上述方法对PAL制图像信号进行处理,那么对于6MHz的亮度信号取样脉冲频率应为18MHz,

但为了减少干扰,一般都取彩色副载波频率的4倍,即17.72MHz为取样频率。为此求得传送亮度

信号的码率为142Mbit/S,另外还有两个色差信号R-Y和B-Y也要传送,如果按3MHz带宽来计算,

两个色差信号的码率为144Mbit/S,这样全电视信号的码率为286Mbit/S,这个还没有把传输过程

中的帧同步脉冲计算进去,如果把帧同步脉冲计算进去,码率还需要提高2-10%,即超过300

Mbit/S。这么高的码率在一般线路中根本就无法传送,况且还有伴音信号也要传送呢。

法国、英国,都开始研究数字电视技术,并且诞生过MAC1、MAC2、MAC3(多模拟分量分时传输技_ESMCOL_1

对于HDTV高清晰度电视机,我国的HDTV高清晰度电视视频信号最高带宽是6?MHz,约为PAL制视频

带宽的11倍,如果把它换算成码率就是3200Mbit/S,这么高的码率,任何线路都无法传输,目前

用有线电视线路传输数字信号,最高码率只能达到30Mbit/S左右。因此,为了能够传输数字电视

信号,必须要对数字电视信号进行压缩,要么数字电视节目广播就无法实现。

2、信源编码

字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据本身的编码通常称为信源编码,信源编码

标准是信息领域的基础性标准。无论是数字电视、激光视盘机,还是多媒体通信和各种视听消费

电子产品,都需要音视频信源编码这个基础性标准。

大家用电脑打字一定很熟悉,当你用WORD编辑软件把文章(DOC文件)写完,存好盘后,再用

PCTOOLS工具软件把你的DOC文件打开,你一定能看到你想象不到的东西,内容全是一些16进制的

数字,这些数字叫代码,它与文章中的字符一一对应。现在我们换一种方法,用小画板软件来写

同样内容的文章。你又会发现,用小画板软件写出来的BMP文件,占的内存(文件容量)是DOC文

件的好几十倍,你知道这是为什么?原来WORD编辑软件使用的是字库和代码技术,而小画板软件

使用的是点阵技术,即文字是由一些与坐标位置决定的点来组成,没有使用字库,因此,两者在

工作效率上相差几十倍。

目前模拟信号电视机图像信号处理技术就很类似小画板软件使用的点阵技术,而全数字电视机的

图像信号处理技术就很类似WORD编辑软件使用的字库和代码技术。实际上这种代码传输技术在图

文电视中很早就已使用过,在图文电视机中一般都安装有一个带有图文字库的译码器,对方发送

图文信号的时候只需发送图文代码信息,这样可以大大地提高数据传输效率。

对于电视机,显示内容是活动图像信息,它哪来的“字库”或“图库”呢?这个就是电视图像特

有的“相关性”技术问题。原来在电视图像信号中,90%以上的图像信息是互相相关的,我们在模

拟电视机中使用的Y/C(亮度信号/彩色信号)分离技术,就是利用两行图像信号的相关性,来进

行Y/C分离。如果它们之间内容不相关,Y/C信号则无法进行分离。全数字信号电视也一样,如果

图像内容不相关,则图像信号压缩也就要免谈。如果图像内容有相关性,那么上一幅图像的内容

就相当于下一幅图像的“图形库”,或一幅图像中的某部分就是另一部分的“图形库”,因此,

下一幅图像或图像中某一个与另一个相关的部分,在发送信号时,只需发送一个“代码”,而传

送一个“代码”要比送一个“图形库”效率高很多,显示时也只需把内容从“图形库”中取出即

可,这就是MPEG图像压缩的原理。

利用电视信号的相关性,可以进行图像信号压缩,这个原理大家已经明白,但要找出图像相关性

的内容来,那就不是一件很容易的事情,这个技术真的是太复杂了。为了容易理解电视图像的相

关性,我们不妨设想做一些试验,把图像平均分成几大块,然后每一块,每一块的进行比较,如

果有相同的,我们就定义它们有相关性;如果没有相同的,我们继续细分下去,把每大块又分成

几小块,一直比较下去,最后会发现,块分得越细,相同块的数目就越多,但分得太细需要的代

码也增多,所以并不是分得越细越好。我们在看VCD的时候经常发现,如果VCD读光盘数据出错,

就会在图像中看到“马赛克”,这些“马赛克”就是图像分区时的最小单位,或把数码相片进行

放大,也可以看到类似“马赛克”的小区,这就是数码图像的最小“图形库”,每个小“图形库

”都要对应一个“代码”。

在单幅图像中找出相关性的几率并不是很大的,所以对单幅图像的压缩率并不很大,这个通过观

察数码相片的容量就很容易明白,如果把寻找相关性的范围扩大到两幅图像,你就会发现,具有

相关性的内容太多了,这是因为运动物体对于人的眼睛感觉器官来说,是很慢的,如果很快,人

的眼睛就看不清楚,看不清楚的东西就不能算成图像。电视机每秒钟向人们演示图像是50次或以

上(PAL为50次,NTSC为60次),如果你的眼睛是个摄影机,你也无法感觉到图像的微小变化,

这就表明相邻两幅图像的相关性非常大,而图像之间相隔距离较远时,其图像的相关性才逐步减

小,并且这种相关性很强的图像变化时,一般都是有规律的,也就是说每一幅图像的变化是可以

预测的。实际上在上一幅图像的基础上乘以一个带有方向的系数,即左、右、上、下移动,就可

以得到一幅运动图像的新图像。这里顺便指出,上面说到的一幅图像,并不是特指人们从电视机

显示屏上看到的整幅画面,而是可大可小的一部分。

利用图像的可预测性,可以大大的提高“图形库”的利用律,即很多幅图像都可以公用一个“图

形库”。MPEG在传送图像时就是这样,对于高速变化的图像,如果时间来得及(即码率不是很高

时),就传送新的内容来显示,如果来不及(即码率很高时)就用“图形库”中的内容来顶替(

即预测),反正高速运动的图像人们也看不清。例如:MPEG在传送5幅图像时,可能只传其中的3

幅(时间来得及时),也可能只传两幅(时间来不及时),具体过程是,先传第1和第5幅,然后

时间来得及就传第3幅,时间来不及就插第3幅(根据1和5预测3),最后再插第2幅(根据1和3预

测2),和第4幅(根据3和5预测4)。

上面我们只是从感性上和很肤浅的对图像压缩的原理进行了分析,如果我们把上面的分析内容移

到数学领域,那么我们将要面对非常多的西格玛“∑”(求和)和矩阵符号。顺便介绍一下,对

数字电视图像压缩处理最出名的理论是:DCT(Discrete Cosine Transform)离散余弦变换(

付立叶变换),和DPCM差动脉冲编码调制,还有哈夫曼编码(Huffmancoging)。

图像信号的压缩过程也是数字电路(或计算机)对数字信号的处理过程,计算机虽然很聪明,但

它只会做加法运算。其它的减法、乘法、除法还有函数运算,计算机都是把它们转换成加法进行

运算。付立叶先生60年前可能就预见到了我们要对数字信号进行处理,所以他发明了付立叶变换

。其原理是:一个周期函数可以展开成无数个正弦或余弦函数之和,函数的周期越短,其(级数

)收敛就越快,周期越长其收敛就越慢。对于上面我们分析的图像信号,全部都可以看成是周期

函数信号。相关性很强的图像信号可看成是短周期函数信号,相关性很弱的图像信号可看成是长

周期函数信号。因此,经过付立叶变换后的信号,只需对展开成级数的各项系数进行处理和传送

。在实际处理过程中,一般只取付立叶级数的前几项,因为大部分能量都是集中在前三项级数之

中,信号相关性越强,能量越集中。

DPCM差动脉冲编码调制也有人叫预测编码,它的定义是:在线性预测编码中,首先用过去的若干

像素值对当前像素值进行线性预测,然后将其差值进行PCM编码传送,接收端将此差值积分而再生

图像;哈夫曼编码也叫可变长编码,它对出现概率大的差值信号编以短码,对概率小的差值信号

编以长码,哈夫曼编码可获得最小的平均码长。

在数字电视技术中,除了图像需要压缩以外,声音也要压缩,但声音压缩要比图像压缩简单很多

,因为声音的信息量比起图像的信息量来,少得可怜。人的耳朵能听到声音的频率范围是20Hz到

20kHz,如果我们把20Hz到20kHz按照一定的频带宽度分成很多个频率通道,用来对声音进行过滤

和处理,就能对声音信号进行压缩。这个频率通道就相当于,歌曲中的谐音:多、来、米、发、

梭、拉、妻、多(12345671)。

声音压缩的原理也是利用“字库”的概念,在信号的译码端,安装有很多个与信号发送编码端对

应的频率发生器(如12345671谐音器)。另外声音还有一个屏蔽效应,就是,人的耳朵对某个频

率范围的声音灵敏度特别高(600Hz附近),对一些频率却很低(低频和高频);还有,如果有

几种声音同时存在,声音大的内容很容易听到,而声音很小的东西要非常注意才能听到(对数特

性)。利用这些特点,在编码的时候就可以分长码和短码来对不同的内容进行编码,对主要声音

内容用长码,对次要内容用短码――这叫有所为和有所不为。经过多种方法对声音信号压缩处理

后,声音信号传送的码率可变得非常低,即压缩比非常大。

声音信号压缩的原理可以比喻成,某人想听某钢琴家弹钢琴,一种方法是把钢琴家连同钢琴都请

到家来;另一种方法是,只请钢琴家而用自己的钢琴进行演奏;再有一种方法是,只需对方把曲

谱寄过来,而用自己的钢琴和家人来演奏,显然是最后一种方法最简便。

在全数字信号电视系统中,图像信号和音频号之所以能压缩,并不完全是信源编码端的功劳,接

收端译码器的功劳也非常大,没有译码器强大的数据处理功能,图像信号和音频信号的压缩是不

可能的。其实从信源端发送给接收端,真正属于图像内容的信息并不多,大部分都是“补丁”(

差值),和“指令”(代码),译码器通过对这些数据进行加工,不断地更新自己的“数据库”

(图形库),然后重新编码输出,最后进行D/A转换,输出音视频。

目前图像压缩标准有MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7,根据用途的不同压缩方法和码率也不一样

。MPEG1用于VCD,清晰度很低,但码率也很低;MPEG2用于SDTV或HDTV,清晰度很高,但码率也

很高;MPEG4本来准备用于可视电话,它压缩比很高,码率也很低,活动图像质量比MPEG2差,但

它可以在电脑上进行标清节目显示,所以有人准备把它进行升级来替代MPEG2(如MPEG4的升级版

JVT);MPEG7用于图书馆档案查询,压缩比非常高,码率很低。声音压缩标准现在较常用的有杜

比和AC3两种。

我们国家目前也想自己搞一套音视频压缩编码标准AVS(Audio Video coding Standard),

AVS1.0的标准准备与新的国际音视频标准JVT(Joint Video Team)兼容,性能与MPEG4的升级

版本差不多,这个AVS标准是否成功,取决于国内IC生产厂家愿不愿意跟进,和政府扶植的力度

,但愿上帝保佑中国。

3、信道编码

数字信号传输和模拟信号传输是不一样的,模拟信号一般通过高频调制以后就可以通过线路进行

传输,接收端对输入信号进行解调后,就可以输出模拟信号;而数字信号传输就不同了,数字信

号不但需要调制,调制之前还要进行编码,接收端对输入信号首先进行解调,然后再解码。经过

编码的信号一般含有同步头,用户码、数据码、自由码、结束码等,这叫做一帧编码,数字信号

就是一帧,一帧地进行传送的,如MPEG数字信号,每帧为188bit。对数字信号解码也必须按顺序

,一帧,一帧地进行。

同步头一般人都很容易理解,它表示一帧编码信号的开始;用户码用来表示这帧内容的属性,即

这一帧东西是谁的,在数码通信中一般都有多个用户同时在进行通信,编码时就按用户分帧来传

输信号,这样对解码比较简单,如果只有一个用户,可以不需要用户码;数据码是需要传输的最

主要内容,在属性不容易出错的情况下,它可以有多组数据码,每组分别表示一个信号分量;自

由码一般是作为备用的,用来加密或其它用途;结束码表示这一帧内容传输已经结束,告诉译码

器做好下一帧信号解码的准备。

模拟信号需要同时传输多路信号时(或多个信号分量),一般是采用正交调制或复合调制,如PAL

电视信号:亮度信号,6MHz(标称为6MHz,实际只有4.15MHz),对38MHz载波调幅;两个色差

Y-R和Y-B,1.5MHz,对4.43MHz付载波正交调幅;伴音,500KHz,对6.5MHz付载波调频。它占用

的频率资源,除了载波频率外还要把频率带宽算上,因为载波是可选择的,所以一般都只说频率

带宽,PAL电视信号的带宽为8MHz(6 + 1.5 + 0.5)。PAL电视信号的4个模拟分量在传输时,

属于同时传输。

而数字信号需要同时传输多路信号时(或多个信号分量),一般是采用串行编码,即一帧编码中

可以有多组数据码(代表多个信号分量),如数据码1代表亮度信号,数据码2表示色差信号Y-R

,数据码3表示色差信号Y-B,等等,如一帧容量有限,可以加用户码分帧来传输多个信号分量。

数字信号调制要比模拟信号简单很多,一般用QPSK(正交调相)或QAM(正交调相又调幅)调制

,也可以用FSK(键控调频)或ASK(键控调幅)调制,很少用AM(调幅)和FM(调频)调制。因

为前者调制效率非常高,特别是QAM调制,256QAM调制的频谱利用率是8bit/Hz,还有一种多载波

调制COFDM,其频谱利用率更高,可达16bit/Hz。数字信号传输占用的频率资源,除了载波频率

带宽以外,还有一个传输码率。例如利用有线电视信号传输网络6MHz带宽可以传输两路标清电视

信号,最高码率达36Mbit/S(6?QAM)。

数码通信的好处是,可以把多路信号,或多个用户信号同时挤在一条线路上,只要这条线路传输

码率足够高。这种情况叫打包,或就信号复用,解码时,则需要先拆包(也叫解复用)后才能解

码。打包的原理就是上面的帧编码原理,不同传输系统,帧编码的长度是不一样的,因此在进行

多种信号传输过程中,经常要拆包和重新打包。

数字彩色信号在传输过程中,一般都不是按电视机的扫描顺序来传送信号的,这是因为信号在传

输过程中可能会出错。当信号在传输过程中出错时,如果信号按顺序传送,则电视画面上会集中

在某个地方出现一大片马赛克,使人看起来非常不爽;如果信号不是按顺序传送,而是按某种分

布规律来传送,同样出错时,马赛克会被均匀地散布在整个画面上,使人看起来感到还可以接受

。这种错位传输信号的方法称为RS编码或卷积,这也是数字电视信道编码中的一项重要技术。

三、SDTV和HDTV

SDTV和HDTV人们分别把它们叫标准清晰度数字电视和高清晰度数字电视,SDTV电视节目很早在欧

洲就开始广播,如,DVB-S(卫星数字视频广播)、DVB-C(有线数字视频广播)、DVB-T(地面

数字视频广播),这些都是属于标准清晰度数字电视,目前SDTV电视图像分辨率标准为:576×

720 4:3 ,即扫描参数与现在的模拟电视一样,但水平清晰度提高了一倍多。HDTV的概念第一

个提出来,和第一个进行节目广播的是日本,但它的HDTV技术标准(MUSE)没有人跟风。最后美

国于1995年又推出一种新的HDTV标准(ATSC),并于1996年开始正式广播。此事一时引起很大的

轰动,连日本已经开始广播了两年的MUSE-HDTV节目也被迫停止广播,准备跟风美国。

目前SDTV和HDTV都是采用MPEG2图像压缩标准,但由于MPEG-LA公司提出要对MPEG标准的使用者

收费,加上HDTV的传输码率要比SDTV高好几倍,使得HDTV-T(地面广播)在传输技术上遇到了较

大的难度,一时人们对HDTV的热情开始冷却了下来。

我国政府对实现SDTV和HDTV数字电视广播的热情很高,并制定了未来5年和15年数字电视发展的

时间表,但我国的SDTV和HDTV标准迟迟没有定下来。

从技术上考虑,SDTV和HDTV数字电视的显示格式一共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种),其中14种

采用逐行扫描方式。

(1)HDTV,1920像素(H)×1080像素(V),宽高比16:9,帧频60Hz/隔行扫描,帧频30Hz/逐行扫

描,帧频24Hz/逐行扫描。

(2)HDTV,1280×720,16:9宽高比,帧频60Hz/逐行扫描,帧频30Hz/逐行扫描,帧频24Hz/逐行

扫描。

(3)SDTV,704×480,16:9或4:3宽高比,帧频60Hz/隔行扫描,帧频60Hz/逐行扫描,帧频30

Hz/逐行扫描,帧频24Hz/逐行扫描。

(4)SDTV,6?0×480,4:3宽高比,帧频60Hz/隔行扫描,帧频60Hz/逐行扫描,帧频30Hz/逐行扫

描,帧频24Hz/逐行扫描。

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6?0×480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。

我们国家可能采用的标准:

(1)SDTV标准 576×720 4:3


(2)SDTV标准 576×1024 16:9


(3)SDTV标准 540×720 4:3


(4)SDTV标准 540×960 16:9


(5)HDTV标准 1080×1920 16:9

另外,还有三种信号传输标准格式:

(1)ATSC标准

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,包括像素阵列、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。

(2)DVB标准

DVB传输系统涉及卫星、有线电视、地面、SMATV、MMDS 等所有传输媒体。它们对应的DVB标准为

:DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC。

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、6?QAM(正交调幅)三种调制方式,工作频率在10

GHz以下。采用6?QAM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。

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-SMATV(ETS 300 473)


为数字卫星共用天线电视(SMATV)广播系统标准。它是在DVB-S和DVB-C基础上制定的。

DVB-MS(ETS 300 748)


为高于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准。

它基于DVB-S,使携带大量节目的微波信号直接入户。用DVB-S接收机配上一个MMDS频率变换器,

就可接收DVB-MS信号。

DVB-MC(ETS 300 749)


为低于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准。

它基于DVB-C,使携带大量节目的微波信号直接入户。用DVB-C接收机配上一个MMDS频率变换器,

就可接收DVB-MC信号。

(3)ISDB标准

ISDB(综合业务数字广播)是新型的多媒体广播业务,它系统地综合了各项数字内容,每一项内

容可以包括从LDTV到HDTV的多节目视频、多节目音频、图形、文本等。如今大部分的数字内容均

被编码到MPEG-2传输流格式并被广泛传输。由于ISDB包含了不同的业务,其传输系统必然要涵盖

各种业务不同的需求,例如HDTV需要一个大的传输容量,而数据业务需要极高的业务可靠性,诸

如条件接入的键控传输,软件下载等。为了集成这些业务需求不同的信号,要求传输系统提供一

系列可供选择的调制和误码保护方案,并且能够灵活组合以满足所集成业务的每一需求,特别是

工作在11?12GHz卫星广播业务(BSS)频段、又处于多雨衰减区国家的卫星ISDB系统的需求。

ISDB标准首先是日本提出和使用,这个标准比前面的两个标准复杂,但用途更广,和更有前途。


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