数字电视

摘要
数字电视是近几年来人们谈论最多的话题之一。

由于数字电视是一种新鲜的事物，一些相关报道及文章的介绍，出现一些似是而非的概念，如“数码电视”、“全数字电视”、“全媒体电视”、“多媒体电视”等，造成大众感到困惑，茫然不知所措。

本文围绕“电视数字化意味着什么”，展开讨论。

在今天的电视制作和发行中，数字技术正在全面的替代模拟技术。

笔者着重讨论的是电视数字化技术，从数字电视的含义、数字信号及其标准、数字电视相关技术、数字电视的优点进行探讨。

关键词：电视数字化；数字电视；数字信号
Abstract
Digital TV is in last few years the people talking about one of the most popular topics. As digital TV is a kind of new things, some relevant report and the article introduced, appear some specious concepts such as "digital TV", "full digital TV", "entire media TV", "multimedia TV" etc, are confused by the public, are at a loss. This paper focus on the "digital TV what it means" discussions. In today's TV production and distribution, digital technology is the comprehensive alternative simulation technology.
The author focuses on the discussion of the digital technology is TV, from the meaning of digital TV, digital signal and its standards, digital TV related technology, digital TV advantages are discussed
Keywords: Digital TV; DTV; Digital signal
目录
一、数字电视的含义 (1)
二、数字电视信号及其标准 (1)
（一）数字电视信号 (1)
（二）数字电视信号标准 (1)
三、电视数字化相关技术 (2)
（一）数字电视制作的手段 (2)
（二）数字电视信号编码技术 (2)
1、用数字电视信号视频编码技术 (3)
2、用数字电视信号音频编码技术 (3)
（三）数字电视纠错解码技术 (4)
（四）数字传输常用调制方式 (4)
（五）数字电视系统 (4)
四、数字电视的优点 (5)
注释 (7)
参考文献 (7)
谢辞 (7)
随着21世纪的到来，人类开始步入信息社会，对信息的要求不断提高，电视技术也将扮演更加重要的角色。

伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将会在技术、功能上逐步与信息、网络领域等其它手段相互融合，从而形成焕然一新新的、庞大的数字电视产业。

电视数字化是一种必然的趋势，剩下的只是时间的问题。

一、数字电视的含义
数字电视（Digital TV）又称为数位电视，是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字化信号或对该系统所有的信号传播，都是通过由0、1数字串所构成的数字流，来传播的电视类型，与模拟电视相对。

从技术特征讲，是指电视节目的采集、制作、编辑、播出、传输、接收的全部过程都采用数字技术。

如果站在数字电视制作技术的角度来看电视制作的过程的话，我们可以把它看成是以一个计算机为中心的工作站。

二、数字电视信号及其标准
（一）数字电视信号
在数字系统内传输的信号，其载荷信息的物理量在时间上是离散且取值也离散，则被称为数字信号（Digital signal）。

它是离散信号（discrete-time signal）的数字化表示，通常由模拟信号（analog signal）获得。

电视数字化系统是通过对扫描图像和录制的模拟信号进行取样（选择它的各个部分），把模拟的视频信号和音频信号转换和翻译成几百万个不连续的、固定的开或关脉冲。

即在数字处理的过程中，所需处理的数字信号是二进制数，它以“0”和“1”两种状态来表示。

其中“0”状态通常相当于数字信号的低电平，“1”状态通常相当于数字信号的高电平。

因而，整个处理过程只存在低电平和高电平两种状态。

在运算和处理的过程中，即使这些信号有些失真或附加噪音，但只要能区分这两种电平，则数据信号不会改变，也就是说，数字记录实际储蓄的不是视频和音频信号，而是数据。

当储蓄在硬盘驱动器上时，单个的开或关脉冲看上去是一样的，无论其内容怎么样。

（二）数字电视信号标准
与其他运动的画面一样，数字系统把图像记录为一系列静止的镜头和画面
（帧）。

当它们以一定的速度播放时，看上去就构成了连贯的画面。

1帧电视画面由两个场的扫描线构成。

由电子枪发射出来的电子束扫描电视屏幕时的情景很像我们的阅读—从左到右以及从上到下。

但是与阅读不同的是，电子束在它第一次扫描时是隔行跳读，只读单数行，然后电子束回到屏幕的顶部并扫描所有的双数行。

单数行和双数行连续的扫描称为隔行扫描。

由于扫描时，帧和场的不同，分为不同的信号标准。

有几个国际承认的电视广播和电视设备标准，这些标准允许设备制造商、电视广播业者在广播电视和家庭录像的制作和\接受的环节之间保证兼容性。

换句话说，它使得用某一信号标准的电视机能够接收和显示用那种信号广播的电视信号。

但是麻烦的是这种信号在世界各地有好几个，他们相互之间并不相容法国和东欧一些国家使用SECAM标准，中国、英国和欧洲的大部分国家使用PAL，北美和日本使用NTSC，其他国家使用以上三种标准的其中一个。

三、电视数字化相关技术
（一）数字电视制作的手段
在传统的电视制作中，电视制作分为三个阶段：前期制作（策划），中期制作（拍摄）和后期制作（编辑）。

由于前期制作主要策划和准备工作，所以数字电视在前期制作和传统电视无根本区别。

数字电视技术对传统电视技术的更新主要是在中期和后期制作阶段。

数字电视制作和传统电视制作相比，还多了一个在编辑过程之后把电视节目放入不同的发行媒体的技术处理过程。

概括的说数字电视制作流程包括数据的输入、处理和输出三个基本过程。

其中数据输入可以包括获取声画素材的过程（拍摄）和把声画素材数字化的过程（捕获）。

数字处理则包括对声画素材进行编辑和特技处理的过程。

数字输出则包括把完成的电视节目压缩和输出到录像带、CD-ROM、Internet和DVD等不同媒体的过程。

在以上三个过程中，当前用到的数字节目制作的手段有：数字摄像机和数字照相机、话筒、计算机、数字编辑机、数字字幕机，数字信号处理的手段有：数字信号处理技术(DSP)、压缩、解压、缩放等技术，传输的手段有：地面广播传输、有线电视(或光缆)传输、卫星广播(DSS)及宽带综合业务网(ISDN)、DVD等，接受显示的手段有：阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示(包括前投、背投)等。

（二）数字电视信号编码技术
用数字节目制作的手段处理后，电视信号的数码率很高，例如4：2：2编码，8bit量化的SDTV的数码率为216Mbps。

若按2bit构成一个周期，则传输这样以一路信号需要108MHz的通道带宽。

而对于10bit量化的HDTV信号来说，其数码率达到1485Mbps，所以其传输通道带宽高达742.5Mbps。

因此若不采取措施，这样的信号无法在一般的通道中传输，更无法在现有的6Mhz宽带中传输。

另外，电视数据化后，信息量非常大。

在4：2：2编码，8bit量化的情况下，一帧SDTV图像的数据量为8.6Mb，记录10分钟的节目需要130Gb的储蓄器容量。

而一帧HDTV图像的数据量为59.4M, 记录10分钟的节目需要891Gb的储蓄器容量.可见若不压缩数据量，就无法在普通的储蓄设备上实现数字电视信号的储存。

1、视频编码技术的目的是减少数据量，降低信号传输的数码率。

压缩的实际过程是去除素材中那些与信息无关或者对素材质量影响不大的部分，即冗余部分。

视频编码计算时主要有以下客观依据：(1)时间和空间的相关冗余。

时间和空间的相关性造成了电视信号的冗余，减少这些冗余就可以实现素材的压缩。

例如相邻的两个像素完全相同，则只需传递第一个像素信息，接受端利用第一个像素信息来恢复第二个像素信息。

再例如，如果相邻两帧有相同的静止的背景图片，则第二帧无须传送背景信息，在接受端完全可以利用第一帧的信息来恢复第二帧的背景画面。

(2)人眼的视觉特性。

人眼的视觉效果是图像质量只直接也是最终的检验标准。

人眼对原始图素材各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息可以给予较大的失真处理，即使这些信息全部都丢失了，人眼也可能不会觉察；相之，对人眼比较敏感的信息，则要尽可能减少其失真。

例如通过对人眼视觉特性的研究，发现人眼对静止或缓慢运动的灰度等级的及图像细节的分辨率很高，而对快速运动的灰度等级的及图像细节的分辨率很低。

另外人眼在观察大面积像块时，对灰度等级分辨率很高，而对轮廓细节的分辨率较低；相反，在观察图像的轮廓边沿等细节部分时，细节分辨率高而灰度等级分辨率会降低。

这说明人眼接受信息的能力有限。

利用这些特性，在传送图像时实现码率压缩。

(3) 熵冗余。

根据信息论，信息熵是指单位字符所包含的信息量，平均码长是指信息编码后，单位码所包含的数据量，符号和码字是一一对应的关系。

当信源中各符号出现的概率相等时，信息熵达最大值，与平均码长相等，即信息量与数据量相等。

但一
般情况下反生的概论并不相等，发生的概率越小，其熵值越大，表示信息量也就越大，则需分配较长的码字；相反，发生的概率越大，其熵值越小，只需要分配较短的码字。

通过信源编码，可初去熵冗余，使平均码长接近熵值，这样可以达到压缩码率的目的。

2、与视频编解码一样，音频编解码的主要功能也是完成声音信息的压缩。

声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态要大得多，因此数字电视的声音就不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码的工序。

音频信号的压缩编码则主要利用了人耳的听觉特性。

(1)听觉掩蔽效应。

在人的听觉上，一个声音的存在会掩蔽另一个声音的存在。

掩蔽效应是较为复杂的心理和生理现象，它包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应。

(2)对声音的方向特性。

对于2KHZ以上的高频声音，人耳就很难判断其方向性，因此立体声广播的高频部分就不必重复存贮。

（三）数字电视纠错解码技术
数字信号经信源压缩编码后，大大节省了传输宽带，提高了频带利用率，使传输成为可能。

但是对一个实际的数字系统来说，不仅要实现传输，而且要实现可靠的传输。

虽然数字信号比模拟信号有更强的抗干扰能力，但由于信道特性不理想以及内外杂波的影响，时数字信号不可避免的发生错误，即误码。

要实现电视信号的可靠传输，就必须对误码进行控制，以保证接受端在较差的接受环境下也能准确恢复数据。

误码控制通常包括误码检测和误码校正两个方面，通过特定的纠错编解码技术实现。

（四）数字传输常用的调制方式
正交振幅调制：调制效率比较高，要求传送途径的信噪比高，适合于有线电视电缆传输。

键控移相调制：调制效率比较高，要求传送途径的信噪比低，适合于卫星广播。

残留边带调制：抗多径传播效应好(消除重影效果好)，适合于地面广播。

编码正交频分调制：抗多径传播效应和同频干扰好，适合于地面广播和同频网广播。

（五）数字电视系统
从总体上说，数字电视系统有三个部分组成：信号源端、传输系统及接受端
如图所示：
笔者在这里主要讲数字电视的复用系统，它是HDTV 的关键部分之一。

从发送端信息的流向看，复用系统将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理后，复合成单路串行的比特流，再送给信道编码及调制。

而接受端与此过程正好相反。

在数字电视中，我们用复用器把音频、视频、辅助数据的码流通过一个打包器打包，然后复合成单路。

目前，网络通信的数据都是按一定格式打包传输的。

而HDTV 数据的打包将使其具备了可扩展性、分级性、交互性的基础。

模拟电视系统就不存在复用器。

付费电视是现在和将来电视发展的一个新方向。

复用器可对打包的节目信息进行加扰，能够使其随机化，接收机只有具有密钥才能解扰。

四、数字电视的优点
（一）数字电视的优点
数字电视技术与模拟电视技术相比，有如下优点：
1、信号的杂波比和连续处理的次数无关。

电视信号是经过数字化后，用若干位二进制的两个电平来表示的，因而在连续处理过程中或是在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一电平，通过数字信号的再生，都有可能把杂波清除掉。

即使某一杂波电平超过了特定值，造成误码，我们也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。

所以，在数字信号的传输过程中，信杂比不会降低。

然而模拟信号在处理和传输中，每次都有可能引入新的杂波。

为了保证最终的输出有足够的信杂比，就必须对处理设备提出较高信杂比的要求。

例如，模拟信号要求 S/N>40dB ，但数字信号只要求S/N>20dB 。

模拟信号会在传输过程中噪声逐步积累，但数字信号在传输过程中，基本上不会产生新的噪声，即信杂比基本不变。

2、可以避免系统的非线性失真。

在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤，降低了影像的质量，影响观赏效果。

数字系统能够给观众提供更为清晰的画面，给观众带来流畅的观赏效果
3、数字设备的输出信号稳定可靠。

因为数字信号只有“0”、“1”两个电平，“1”电平的幅度大小只要是满足处理电路中，可能识别出是“1”电平就可以，大一点或小一点无关紧要。

4、易于实现信号存储，且存储时间与信号的特性无关。

近年来，大规模集成电路的发展，我们可以存储多帧的电视信号，从而可以完成用模拟技术不可能达到的处理功能。

如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换的处理,获得新的电视图像特技效果。

5、由于采用数字技术后，计算机的配合可以实现设备的自动控制和调整，它高效的处理速度，为我们节省大量的时间。

6、数字技术可以实现时分多路。

即充分利用信道容量，利用数字信号中行、场消隐时间，就可以实现文字多工广播。

7、压缩后的数字信号经数字调制后，可进行开路广播。

即在设计的服务区内特指地面广播，观众将以非常大的概率实现“无差错接收”(发“0”收“0”，发“1”收“1”)，收看到的电视图像及声音质量将非常接近演播室质量。

8、可合理地利用各种类型的频谱资源。

以地面广播为例，数字电视可以启用模拟电视的禁用频道(taboo channel)，并且在今后能够采用“单频率网络”(single frequency network)技术，例如l套的电视节目仅占用同1个数字电视频道就能覆盖全国。

另外，现有的6MHz模拟电视频道，就可用于传输l套数字高清晰度电视节目或者4到6套质量较高的数字常规电视节目或者16-24套与家用VHS录像机质量相当的数字电视节目[1]。

9、在同步转移模式的通信网络中，可以实现多种业务的“动态组合”(dynamic combination)。

例如在数字高清晰度电视节目中，经常出现图像细节较少的时刻。

这时，由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务（电视节目指南、传真、电子游戏软件等），而不必插入大量没有实际意义的“填充比特”。

10、容易实现加密/解密和加扰/解扰技术。

使它便于专业应用（包括军用）及广播应用（特别是开展各类收费业务）。

11、有可扩展性、可分级性和互操作性。

使它便于在各类通信信道，特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输，也便于实现与计算机网络联通。

12、可以与计算机“融合”，而构成一类多媒体计算机系统，将成为未来“国家信息基础设施”(NII)的重要组成部分。

电视是人们最喜闻乐见、最具影响力的传媒之一，也是当今不可缺少的信息和娱乐工具。

广播电视技术是一项综合性技术，是20世纪发展最快的技术之一。

在我国，近年来大力推行由电视模拟信号向数字信号的转换。

计划于2015年前在全国范围关闭模拟信号。

电视数字化发展方兴未艾，前景十分看好。

注释
①笔者认为数字电视节目并不一定就是收费节目，这往往会给大众造成误解。

数字电视节目只是提供了比模拟电视更清晰的画面。

观众对节目的选择更自由了，而且不必像以前那样受到电视节目播放时间的限制。

数字电视节目还给观众提供了更多的方便，人们可以在电视上购物等。

参考文献
[1]陈犀禾.数字电视制作[M].上海：上海大学出版社，2001.12.
[4]肖平.电视数字化的影响[N].人民日报，1999-02-25（10）.
[5]史萍.广播电视技术概论[M].中国广播电视出版社，2005.
[5]屈亚红.展望数字电视[D].陕西师范大学，2004.
其他文献标示代码：报纸[N]；学位论文[D]；论文集[C]；论文集中析出文献[A]；研究报告[R]；磁带[MT]；磁盘[DK]；光盘[CD]；联机网络[OL]；标准[S]；书籍[M]；其他未说明的文献类型[Z]。