試論數字電視技術原理及發展前景
摘要：本文介紹了數字電視的概念、特點及優點，闡述了數字電視的技術分類、標準、現狀以及發展情況。
關鍵詞：數字電視模擬電視編碼調制標準
1數字電視概念
1．1數字電視定義
數字電視是電視數字化和網絡化后的產物。數字電視是一個系統，是指從電視節目采集、制作、編輯、播出、傳輸、用戶端接收、顯示等全過程的數字化，換句話說就是系統所有過程信號全是由O、1組成的數字流。
數字電視已不僅僅是傳統意義上的電視，而是能提供包括圖像、數據、語音等全方位的服務，是3C融合的一個典范，是計算機、傳輸平臺、消費電子三個環節的聚焦點。
1．2數字電視與模擬電視的對比
數字電視采用的技術與原模擬電視有著很大的不同。其技術比較見下表。
1．3數字電視的優勢
1)現有模擬電視頻道帶寬為8MHz，只能傳送一套普通的模擬電視節目。采用數字電視后一個頻道內就傳送1—8套數字電視節目(隨著編碼技術的改進，傳送數量還會進一步提高)，電視頻道利用率大大提高。
數字電視與模擬電視的技術比較
模擬電視
數字電視
描述
采用模擬信號傳輸電視圖像、伴音、
附加功能等信號
采用數字信號傳輸電視圖像、伴音、附加功能等信號
信源編解碼
因為信號數據量不大。所以不存在信息編碼壓縮問題
電視信號數字化后，其信號的數據傳輸率很高。須具有良好的數據編碼壓縮技術
復用
無夏用器，視頻、音頻信號分別傳輸
將編碼后的視頻、音頻、輔助數據信號分別打包后復合成單路串行的比特流，使數字電視具備了可擴展性、分級性、交互性、與網絡的互通性
信道編解碼調制解調
圖像信號按行、場排列，并具有行、
場同步信號、前后均衡脈沖等，并對
視頻信號有補償處理。調制方式一般采用調頻或調幅
有壓縮及復用，傳送時的信號不再有模擬電視場、行標志及概念。通過
糾錯、均衡來提高信號抗干擾能力，調鍘采用QAM、COFDM等新方法。
且隨著調制方法技術的改進。傳輸效率會進一步提高
特點
信號數據量少，技術成熟．價格便宜
信號不易在傳輸中失真，清晰度高，占用頻帶窄。數字電視信號可方便地在數字網絡中傳輸，與計算機具有良好接口。
2)清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強。在同樣覆蓋范圍內，數字電視的發射功率要比模擬電視小一個數量級。
3)可以實現移動接收、便攜接收及各種數據增值業務，實現視頻點播等各種互動電視業務，實現加密／解密和加擾／解擾功能，保證通信的隱秘性及收費業務。
4)系統采用了開放的中間件技術，能實現各種交互式應用，可與計算機網絡及互聯網等的互通互連。
5)易于實現信號存儲，而且存儲時間與信號的特性無關，易于開展多種增值業務。
6)由于保留了現有模擬電視視頻格式，用戶端僅需加裝數字電視機頂盒即可接收數字電視節目，利于系統的平穩過渡，減少消費者的經濟負擔。
1．4數字電視的應用范圍
1)基本業務：只要節目源許可，用戶可以收看數百套數字電視節目，以及幾十套調頻廣播節目和數字音頻廣播(DAB)節目。
2)擴展業務：可提供如圖文電視、電視會議、數據信息廣播、加密電視、視頻點播等。
3)增值業務：可通過雙向傳輸系統進行交互式的多功能應用，如互聯網接入、遠程教學、遠程醫療、電子郵件、計算機聯網、數據通訊、家庭保安監控等多媒體信息服務。
1．5數字電視的弱點
數字電視并不是完美無缺的，它同樣存在著一些弱點。例如在取樣的過程、量化誤差、壓縮編碼所帶來的信號損傷，在節目制作及傳輸過程中貫通延遲。有些損傷可以修復，并不影響圖像的最終質量，而有些損傷只能通過一些補償措施削弱它的影響，但這并不能影響電視領域向數字化的轉變。與電視信號數字化后所帶來的好處相比，這些影響往往會被忽略。
2數字電視分類
2．1按信號傳輸方式可分為:地面無線傳輸數字電視(地面數字電視)；衛星傳輸數字電視(衛星數字電視)；有線傳輸數字電視(有線數字電視)。
2．2按圖像清晰度可分為三大類
1)數字高清晰度電視(HDTV)：需至少720線逐行或1080線隔行掃描、屏幕寬高比應為16：9、采用杜比數字音響，能將高清晰格式轉化為其他格式并能接收并顯示較低格式的信號，圖像質量可達到或接近35mm寬銀幕電影的水平。
2)數字標準清晰度電視(SDTV)：必須達到480線逐行掃描，能將720逐行、1080隔行等格式變為480逐行輸出，采用杜比數字音響。對應現有電視的分辨率，其圖像質量為演播室水平。
3)數字普通清晰度電視(LDTV)：顯示掃描格式低于標準清晰度電視，即低于480線逐行掃描的標準。對應現有VCD的分辨率。
2．3按照產品類型可分為
數字電視顯示器、數字電視機頂盒和一體化數字電視接收機；
2．4按顯示屏幕幅型比分類
數字電視可分為4：3和16：9幅型比兩種類型。
3數字電視技術
數字電視的實現，以下幾項技術是關鍵：
3．1數字電視的信源(視頻、音頻)編解碼技術在1920x1080顯示格式下，數字化后信號的數碼率在傳輸中高達995Mbit／s，這比現行模擬電視的傳輸信息量大得多，因此必須去除圖像信號中的多余信息，將數碼率壓縮到能在一個8MHz模擬電視信道中傳送。視頻編碼技術主要功能是完成圖像的壓縮，使數字電視的信號傳輸量由995Mbit／s減少為20Mbit／s～30Mbit／s。國際組織已經制定了對圖像進行壓縮編碼的標準有JPEG(靜態圖像壓縮編碼標準)、MPEG-2(運動圖像壓縮編碼標準)等。音頻編解碼主要功能是完成聲音信息的壓縮。對伴音進行壓縮編碼標準有MPEG伴音壓縮編碼標準、AC-3等。
3．2數字電視的復用系統
數字電視的復用系統從發送端信息的流向來看，它將視頻、音頻、輔助數據等編碼器送來的數據比特流，經處理復合成單路串行的比特流，送給信遭編碼及調制。接受端與此過程相反。在HDTV復用傳輸標準方面，美國、歐洲、日本都采用了MPEG-2標準。
3．3數字電視的信道編解碼及調制解調
為了提高傳輸的頻帶利用率，通過調制把傳輸信號放在載波或脈沖串上，為發射做好準備。數字電視采用多進制調制方法，例如：殘留邊帶調制(VSB)；正交振幅調制(QAM)；四相相移鍵控調制(QPSK)；差動四相相移鍵控調制(DQPSK)；編碼正交頻分復用調制(COFDM)等。
為了提高數字電視傳輸的可靠性，通過糾錯編碼、網格編碼、均衡等技術，提高信號的抗干擾能力，方法如：里德一索羅門碼、卷積碼、交織、格狀編碼調制等。美國、歐洲、日本數字電視的制式、標準不統一，主要是指在該方面的不同。
4數字電視標準
數字電視標準是指數字電視采用的視音頻采樣、壓縮格式、傳輸方式和服務信息格式等的規定。目前投入使用的有三種：
美國的ATSC(先進電視系統委員會)；歐洲的DVB(數字視頻廣播)；日本的ISDB(綜合服務數字廣播)。
每一種標準對于信源的處理、畫面格式及傳輸方式等方面均有一些差別。每一種數字電視標準又可分為衛星傳輸、電纜傳輸和地面傳輸方式。
4．1美國ATSC標準
ATSC標準由四個層級組成，最高為圖像層，確定圖像的形式，包括象素陣列、幅型比和幀頻。接著是圖像壓縮層。再下來是系統復用層，特定的數據被納入不同的壓縮包中。最后是傳輸層，確定數據傳輸的調制和信道編碼方案。下面兩層共同承擔普通數據的傳輸。上面兩層確定在普通數據傳輸基礎上運行的特定配置，如HDTV或SDTV；還確定ATSC標準支持的具體圖像格式。
另外，ATSC還開發并通過了可為采用50Hz幀頻的國家使用的另行標準。
ATSC成員30個，其中有美國國內成員20個、來自阿根廷、法國、韓國等7個國家的成員10個，中國的廣播科學研究院也參加了ATSC組織。
ATSC標準定義的畫面格式
支持室內接收、移動接收等需求，包括4個系統。
1)DVB傳輸系統：涉及衛星、有線電視、地面、SMATV、MMDS等所有傳輸媒體。
DVB-S數字衛星廣播系統標準。衛星傳輸具有覆蓋面廣、節目容量大等特點。
DVB-C數字有線電視廣播系統標準。系統前端可從衛星和地面發射獲得信號。
pWB-T數字地面電視廣播系統標準。本地區覆蓋最好。傳輸質量高，但接收費用也高。
DVB-SMATV是數字衛星共用天線電視(SMATV)廣播系統標準。
DVB-MS高于10GHz的數字廣播MMDS分配系統標準。
DVB-MC低于10GHz的數字廣播MMDS分配系統標準。
2)DVB基帶附加信息系統：可傳送接收IRD調諧、節目指南及圖文、字幕、圖標等信息。
DVB標準定義的畫面格式
DVB-SI數字廣播業務信息系統標準。
DVB-TXT數字圖文廣播系統標準，用于固定格式圖文電視的傳送。
DVB-SUB為數字廣播字幕系統標準，用于字幕及圖標的傳送。
3)DVB交互業務服務：對應標準有：DVB—NIP、DVB-R．CC和DVB-R．CT。
4)DVB條件接收及接口標準：條件接收是付費電視廣播的基本部分。DVB數字廣播系統與其他電信網絡(如SDH、ATM等)連接，可實現DVB向電信網絡的過渡。標準包括：DVB-C11DVB-PDH，DVB-SDH，DVB—ATM、DVB-PI和DVB-IRDI。
DVB成員已經達到265個(來自35個國家和地區)，主要集中在歐洲并遍及世界各地，我國的廣播科學研究院和TCL電子集團也在其中。
4．3日本ISDB標準
日本數字電視首先考慮的是衛星信道，采用QPSK調制。并在1999年發布了數字電視的標準--ISDB。ISDB是日本的DIBEG(數字廣播專家組)制訂的數字廣播系統標準，它利用一種已經標準化的復用方案在一個普通的傳輸信道上發送各種不同種類的信號，同時已經復用的信號也可以通過各種不同的傳輸信道發送出去。ISDB具有柔軟性、擴展性、共通性等特點，可以靈活地集成和發送多節目的電視和其它數據業務。
頻編碼
4．4三種數字電視標準的對比
無論哪一種制式，它們的視頻壓縮技術都采用了MPEG-2標準，但是由于美國和歐洲等在模擬電視的制式的差別，為了兼容性，它們的視頻采樣格式也存在差別，主要體現在行和列的分辨率及場頻等。
在數字電視信號的傳輸中，衛星傳輸一般采用QPSK調制技術，電纜傳輸一般采用QAM調制技術，但地面傳輸采用的技術則在不同的制式中存在很大差別，如美國的ATSC采用的是VSB調制技術，而歐洲的DVB和日本的ISDB則使用oFDM調制技術。
服務信息是指在數字電視中開展增值服務所用的數據，美國ATSC制式中的PSIP部分和歐洲DVB制式中的SI部分分別規定了各自數字電視中的服務信息格式。
ATScATV優點：頻譜效率高、功率峰均比低，明顯地減少了脈沖干擾。可將與原模擬NTSC信號的同頻和鄰頻干擾減至最小。缺點是不能抵抗多徑干擾，不支持移動接收。
DVB-T優點：在基于大量小功率、工作在同一頻道的眾多發射機，每一個均覆蓋一個較小的區域的這樣一種單頻網絡來說，DVB是一三種標準數字地面廣播系統的比較
種最佳選擇。同時提供了良好的移動接收性能。缺點是：其載／噪比低于8-VBS，并且限制了信號的有效傳輸距離，對來自于電機的`脈沖干擾較敏感，較高的峰／均值比，并且需要較高功率的發射機，保護間隔降低了頻譜效率并明顯減少帶寬的比特／赫茲率。
ISDB-T和DVB-T非常類似，根據分層和窄帶接收同時實現固定、移動和便攜接收，是日本制式的特點；與DVB-T相比，ISDB-T增加了部分接收和分層傳輸功能。
5中國的數字電視
早在1996年，我國便開始了數字電視的研究工作，數字電視被列人原國家科委“八五”重大科技產業工程項目，并成立了數字高清晰度電視的總體組。1999年10月，高清晰度方案被成功用于國慶50周年大典的數字電視現場直播。后國家將數字電視發展計劃納入“十五”高新技術的12個重大專項之列，數字電視研究工作全面啟動。
5．1中國數字電視標準
1)信源編碼技術標準：
中國的數字音視頻編解碼標準工作組制定了面向數字電視和高清激光視盤播放機的AVS標準。該標準與MPEG-2標準完全兼容，也可以兼容MPEG-4AVC／H．264國際標準基本層，其壓縮水平可達MPEG-2標準的2-3倍。
2)信道傳輸技術標準
中國的衛星數字電視標準采用歐洲DVB—S標準。
中國有線數字電視的標準還在報批過程中，大中型城市有線電視臺多采用歐洲的DVB-T標準在試播。
中國的地面數字電視標準方案目前還在制定過程之中。
3)條件接收系統標準(CA)、用戶管理系統(SMC)已制定完成。
5．2數字電視現狀及發展：
1)中國數字電視規劃：
國家廣電總局制定了《我國有線電視向數字化過渡時間表>。
2003年數字電視標準出臺(未按期實現)。
2005年進行數字電視的商業播出，有線數字電視用戶超過3000萬戶，直轄市、東部地區地(市)級以上城市、中部地區省會市和部分地(市)級城市、西部地區部分省會市的有線電視完成向數字化過渡。
2008年用數字電視轉播奧運會，東部地區縣以上城市、中部地區地(市)級城市和大分縣級城市、西部地區部分地(市)級以上城市和少數縣級城市的有線電視基本完成向數字化過渡。
2010年全面實現數字廣播電視，中部地區縣級城市、西部地區大部分縣以上城市的有線電視基本完成向數字化過渡。
2015年停播模擬信號，西部地區縣級城市的有線電視基本完成向數字化過渡。
2)數字電視現實的困難：
要發展數字電視面臨的問題還很多。一是原先電視臺設備的更換，節目的制作成本高于模擬電視。這直接造成數字電視初期節目源緊張。二是數字電視的基礎是雙向電視網絡，現有網絡由單向改為雙向改造成本較高，難度很大。三是我國數字電視標準的不確定也影響了數字電視的進程。
3)數字電視的前景
數字電視的技術優勢必然會取代模擬電視，數字技術的應用會使電視技術開辟一個新天地。當然模擬技術在局部小范圍的電視技術上也會占有一定市場。總之數字電視為電子信息產業提供了一個難得機遇。從模擬電視廣播向數字電視廣播的過渡，將帶來上萬億元的市場，它必將成為我國新的經濟增長點。
6結論
隨著我國社會現代化和信息化水平的不斷發展進步，數字電視也迎來了其發展的“春天”。數字電視在發展的過程中不但原有的復用技術和數字編碼技術得到了廣泛的應用和進一步的發展，同時隨著互聯網等新媒體傳播方式的引入也使數字電視的畫面更加清晰，音質更加立體。在未來的發展中，數字電視將呈現出其獨特的發展趨向：首先，數字電視終端升級將會是觀眾的體驗感得到一定程度的增強；其次，互聯網數字電視發展迅猛，通過電視與互聯網等多媒體技術的對接，使節目更加豐富，互動性更強；再次，數字電視的互聯接口更加豐富化，USB接口、SD接口等實現了普及；最后，DTV成為未來數字電視的主要發展方向，個人視頻錄像和微影像通過數字電視的處理器可以與數字電視充分對接。總之，未來數字電視的發展會朝著高清化、網絡化、接口豐富化以及DTV的方向迅速發展，通過先進技術的引入和應用為廣大受眾提供更加豐富的視覺盛宴和聽覺盛宴。
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