高清数字电视技术详解

什么是数字电视？

数字电视(DTV)与模拟电视的本质不同在于信号的表达方式。现有模拟电视系统采用模拟电信号作为视频/音频信号的载体，而数字电视则以二进制数字电信号来表达视频和音频。这就涉及到一个基本概念：模拟信号与数字信号。简单点说，模拟信号是一种波形连续的信号，它广泛存在于自然界中：人或动物发出的语音、自然界的风声、水声，可见光等等都属于模拟性质的连续信号波，而传统电视系统采用的则是模拟的电信号，从物理上看这些信号都是连续的正弦电波，通过电压的高低幅度来表达不同的视频和音频信号。而数字信号则是一种离散的信号，模拟信号是数字信号的源头，任何数字信号都是从模拟信号中转换而来的。

目前，我们所用的数字信号都是采用二进制数，基本元素只有0和1，通过不同的组合表达不同的信息，例如，“1000，0101”与“0001，1100”两个8位二进制数表示的就是不同的信号。从物理上看，数字信号都是方型电波的形式，只有高电平和低电平两种概念、分别对应1和0，而不需要考虑具体的电压数值。

模拟信号是非常容易受干扰的，自然界的噪音、电磁辐射都会让正弦电波发生变形，如电压值被拉高或者被降低，所表达的信号就随之发生变形失真。对模拟电视而言，信号失真的后果便是画面模糊不清、出现各种条纹、屏幕雪花、杂音等等。此种失真几乎都发生在信号的传输过程中，这是模拟电视系统的先天缺陷。

数字信号的优点在于抗干扰能力强，虽然在传输过程中它受到外界的干扰程度与模拟信号相当，电压值一样会被拉高或降低，但只要这种失真不超过临界点，系统仍可以识别出该信号是1还是0；同样，在经过长距离传输后，数字信号电波的波形也会发生某些变化，但系统解码时信号仍然会根据高低电平的划分将它真实还原。不过，就此认为数字信号一定比模拟信号清晰并不正确。只有在需要有线或无线传输环境下，数字信号才具有这一特性；如果不考虑传输环节的干扰，那么模拟信号的质量也许会更为优秀，理由很简单，模拟信号是真实反映自然情况的信号。

数字电视标准数字电视相对模拟电视的巨大优势使之成为公认的下一代电视系统，而要将数字电视变成现实，业界需要完成复杂的系统性工作，而其中最重要的一环就是数字电视标准的制定。标准的作用在于定义整个数字电视系统的具体实现细节，它的主要内容涵盖以下几个方面：

第一，数字节目的前期制作

数字电视标准主要是定义数字视频所采用的压缩算法。我们知道，原始拍摄的数字点阵信号的容量非常巨大，必须通过算法将其压缩以利于传输、处理，这项技术有点类似于数码相机中采用的JPG图像压缩算法。同理，数字电视要求对视频流进行压缩，例如我们常说的MPEG1、MPEG2、MPEG4和RM等就是指视频压缩算法，其中MPEG2为DVD视频所采用，VCD节目则采用MPEG1算法压缩，至于MPEG4、RM格式则是网上非常流行的格式。理想的算法应该在保持清晰视频效果的同时具备尽可能高的压缩率、同时也应该考虑到向前兼容。目前，各数字电视标准均采用MPEG2压缩算法。同样，音频数据也需要压缩，数字电视标准也必须对其具体算法进行定义。

第二，数字节目的显示格式

例如应该采用什么比例的播放画面(是传统的4∶3还是16∶9)，画面的清晰度应该多少(1920×1080还是1280×720或其他)，画面采取何种扫描方式(是逐行扫描还是隔行扫描)，视频流应该以什么样的速度播放(60帧/秒、50帧/秒还是其他)，只有这些规格完全确定之后，设备厂商才可能根据标准来开发解码芯片和数字电视机。

第三，数字节目的传输手段

数字节目的传输采用何种传输手段？是通过现有的有线电视网络传输、卫星传输、微波传输还有依靠地面广播站等等。在逻辑层面上，标准还应规定载波的带宽和频率，信号应采用何种调制技术进行加载，可获得多高的传输速度等等。制定数字电视的传输标准与制定一个计算机网络标准涉及到的内容相当，这也充分说明数字电视是一个庞大的系统工程。在视频发送端，内容制作商选择符合标准的制作设备拍摄数字电视节目，或者是用相关设备将电影拷贝转成对应格式的数字电视数据；在视频传输端，芯片制造商设计出发送/接收芯片，然后传输设备商才能制造出相应的电视发送/接收机；在视频接收端，解码芯片制造商设计出数字电视的解码芯片，数字电

视机的控制芯片和对应的嵌入式操作系统也必须同步设计，电视机厂商在这些产品基础上才能制造出数字电视机。这样，整套数字电视系统就可以组合并运转起来。

三大标准解析

数字电视目前并不存在国际性的唯一标准，包括我国在内的许多国家都在制定自己的专属性标准，目前已制作完毕并投入实用的只有美国的ATSC标准(Advanced Television System Committee，先进电视制式委员会)、欧洲的DVB标准(Digital VideoBroadcasting，数字视频广播)和日本的ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting，综合业务数字广播)三种标准，下面，我们对这些标准进行详细的介绍。

美国ATSC标准

ATSC数字电视标准由四个部分构成，第一层为画面格式的定义，包括画面的像素阵列、画面的长宽比例和视频流的帧频率，主要是定义数字电视画面的显示结构，它包含了高清晰度的HDTV和标准清晰度的SDTV两大格式，而这些格式又对应不同的分辨率、不同的帧频/扫描格式组合(见附表)。

我们可以看到，ATSC标准一共定义了6种HDTV格式和12种SDTV格式，最高规格的高清晰分辨率格式为“1920×1080、60Hz/隔行扫描”的方案，如果采用逐行方案，帧率就无法保持60Hz，因为此时要传输的数据量过大、超出了地面广播的传输能力，因此1920×1080分辨率的HDTV只有30Hz和24Hz的逐行方案。整体而言，逐行扫描在ATSC标准中占据多数，使得数字电视节目与计算机的视频显示格式可以完美兼容、而不需要多余的转换过程。另外，ATSC还开发出50Hz的帧频率标准供其他国家和地区使用，其中HDTV格式的像素分辨率与附表的标准方案相同，只是将帧频降低为“50Hz/隔行”和“25Hz/逐行”两套方案；SDTV格式的分辨率则有较大差异，这样做是为了适应其他国家的实际情况。ATSC的视频压缩格式采用流行的MPEG2，音频格式则为AC-3，解码芯片的设计基本上都是现成的，可有效降低开发成本和难度。在传输方面，ATSC定义了数据传输的调制和信道编码方案：若采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，那么在6MHz信道的地面广播频道上就可实现19.3Mbps的传输速率；而如果采用适合有线电视系统的高数据率16-VSB传输模式，则可以在6MHz的有线电视信道中实现38.6Mbps的高传输速率。不过，美国的有线电视业并不是采用ATSC标准定义的16-VSB模式，而是采用与之相近但不同的传输标准，这与美国有线电视产业的实际情况有关，我们就不做赘述。

到目前为止，ATSC推广组织共有30个成员，其中美国国内的成员为20个，剩余十个分别来自于阿根廷、法国、韩国、中国等7个国家，我国的广播科学研究院也参加了ATSC组织。

欧洲DVB标准

欧洲的DVB数字电视标准并没有定义繁多的显示格式，而是对传输模式进行详细的定义。在格式方面，DVB的方案要显得简洁一些。此外，DVB标准一开始并没有打算采纳方形像素的方案，后来考虑到与计算机视频的平滑过渡，DVB标准最终仍然和ATSC一样采纳了方形像素。在系统层和视频编码部分，DVB与ATSC标准一样都选择MPEG-2压缩技术，但在具体的实现算法上二者存在一些差异(MPEG-2标准未对视频算法作出具体规定)；在音频编码方面，DVB标准选择了MPEG-2(ATSC标准采纳AC-3)，这让它的解码芯片设计更加省事。为了确保数据传输不失真，DVB和ATSC都采用“里德-所罗门前向纠错(FEC)”技术，但二者所采用的冗余度和纠错过程都有一定的差异。

欧洲DVB标准在传输模式方面与美国的ATSC标准差异甚大，DVB传输系统涉及卫星、有线电视、地面广播、SMATV、MMDS微波等所有传输媒体，并分别衍生了包括DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC在内的6个子协议，它们所采用的信号调制技术与ATSC有很大的不同。

日本ISDB标准

日本的ISDB标准更多考虑到电视方面的应用而未顾及与计算机的兼容，在它所定义的各项画面格式中，隔行扫描占据绝对的主导，适应计算机显示器的逐行扫描只有两项标准，而且最高分辨率只局限于1280×720。或许，日本的产业界更多考虑到计算机显示器的实际情况，毕竟没有多少家用PC的显示器可以支持1920×1080的高分辨率，1280×720规格已足够使用。在视频和音频压缩技术上，ISDB也采用了流行的MPEG2；传输模式则以地面广播ISDB-T标准为主导。ISDB-T其实可以说是欧洲的DVB-T规格的修改版，它同样采用COFDM正交频分复用调制技术，纠错模式也如出一辙，只是因日本电视射频的带宽为6MHz，所以二者的载波数和载波间隔等参数有所差别，大家可以从上表的比较中看出电子数字成像来。目前，ISDB共有40个成员、它们均为日本的电子公司和广播机构，该标准主要适用于日本地区。

等离子电视、液晶电视是数字电视吗?

目前，在全国各大城市的家电商场中都可以看到超薄型等离子体电视和液晶电视的身影，它们的共同特点是基于数字显示方式，分辨率可达到800×600，用户可以将电脑主机与等离子体电视或液晶电视连接起来实现画面的显示输出。许多人认为，这些价格昂贵、超薄机体并拥有大屏幕的产品就是数字电视机，这其实是一种很大的误解。等离子体电视、液晶电视是按照画面显示的原理来命名，而数字电视对应的是视频信号的接收、解码等步骤，在最终显示输出部分既可以选择等离子体、液晶等显示技术，也可以选择模拟机制的CRT显示技术。事实上，现在市面上的等离子体电视和液晶电视都属于模拟电视系统，它接收的视频信号为传统的模拟信号，只是电视机内有模数转换芯片，先将模拟信号转为数字信号后才在屏幕上显示，我们切不可将二者与数字电视混为一谈。

数字电视、机顶盒与模拟电视

我们常常可以看到，许多媒体都将数字电视与机顶盒相提并论，但在本文介绍的纯数字电视系统中，并没有机顶盒的身影，那么，它到底起什么作用呢?答案是：兼容。众所周知，目前国内市场上并没有真正的数字电视机。一些厂商大力宣扬的数字电视只是利用数字技术提升画面质量而已、本质上仍属于模拟电视体系。那么，如果电视台要试播出某个标准的数字电视节目，而用户家用又都是模拟电视机、根本不可能直接接收，开播数字电视岂非毫无意义?为此，业界提出了数字机顶盒的中介方案：机顶盒内部逻辑主要由解码芯片、数模转换芯片和嵌入式系统组成，它可以直接接收数字电视信号，然后再由数模转换芯片转换成模拟电视机可以接收到的模拟信号，通过它的转接、传统的模拟电视机便都能接收数字电视节目。显然，机顶盒只是过渡的中转方案，而多数模拟电视机的清晰度并不高，即便是价格昂贵的等离子体电视和液晶电视，它们的垂直分辨率也多数不超过500线、最多只能接收标准分辨率的数字电视而已，离真正的HDTV还有很大的差距。倘若家中使用的是老式的CRT电视，配上机顶盒也无法感受到数字电视的清晰度优势，充其量只能获得视频点播功能而已。在数字节目源稀少的情况下，这项功能并没有多大的吸引力，加上机顶盒的价格并不便宜，在市场中饱受冷遇。

数字电视的清晰度最高可达1920×1080，而目前4.7GB容量的DVD盘片也只能装载2小时左右的720×480分辨率MPEG2视频，若要存储同样时间的1920×1080高分辨率视频，光盘的容量至少增加4～5倍才行，为此，制定下一代DVD光存储标准的工作也被提到日程。该消息传出之后，许多业内人士感到万分不解，因为对PC来说，DVD提供的4.7GB存储容量非常足够，而DVD影片的清晰度看起来也相当棒，急忙制定下一代DVD看起来有点不可思议。其实，真正的原因在于承载高清晰度数字电视节目的迫切需求，因日本在数字电视方面普及迅速，该国的光存储工业也最为发达，下一代DVD很大程度上是由日本的电子企业主导。不过，在标准制定过程中，各个厂商因利益分歧导致标准出现了分裂，以索尼、松下和飞利浦(荷兰)为代表的Blu-ray Disc阵营和东芝、NEC主导的HDDVD(原名AOD)形成尖锐的对抗。

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