数字电视与图像通信技术的发展(共9页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第1章 绪 论1.1 数字电视与图像通信技术的发展视频图像信息是自然界景象经摄像机等摄取或投影后在某种介质上的二维或三维的表达。照片、传真及各种图片是静止图像，而电视视频信号或电影等记录的主要是活动图像。无论是静止图像还是活动图像，在传输或通信时均首先通过扫描将图像信息变换成一定格式的视频图像信号，然后经图像处理、图像信源编码、信道编码及调制后发送出去，在接收端经相反的过程将图像信息恢复出来，从而实现通信的目的。从20世纪40年代黑白电视到50年代的彩色电视，模拟电视走过了四五十年漫长的道路。随着科学技术的进步，对电视信号进行模拟处理和传输已越来越不能满足人们对电视信号高质量、高清晰度及多功能的要求。那么，解决这一问题的根本途径是什么？经过多年来的研究得出的结论是：利用数字电视技术对电视信号进行处理和传输与模拟电视技术相比具有无可比拟的优越性。从1837年莫尔斯发明电报机，1895年马可尼成功进行了无线电报实验，到1995年11月发布低数码率视频编码的H.263建议，可视电话与会议电视已成为重要的通信手段，图像通信也得到快速发展。1.1.1 模拟电视及其数字处理模拟电视信号是指幅度及时间均连续变化的电视信号，NTSC、PAL、SECAM三大电视制式均是对模拟电视信号进行模拟处理和传输的体制。为了节省传输带宽，红（R）、绿（G）、蓝（B）模拟电视信号先组成一个亮度信号和两个色差信号，然后使色差信号对某副载波进行调制，调制后的色度信号再和亮度信号混合后变成全电视信号进行传输。为了能在接收端分离亮度信号和色度信号，可以在色差信号对副载波进行调制时将其频谱分布和亮度信号的频谱实现频谱交错。由于模拟梳状滤波器梳状特性较差，且亮度与色度的能量在高频谱部分不可避免地重叠在一起，以致在接收机中亮度和色度信号不能进行完善的分离，亮度、色度之间的串扰甚为严重，这是造成图像质量下降的重要原因之一。隔行扫描是三大制式的共同特点，它原本是提高清晰度、减少带宽的有效方法，但正是因为隔行扫描引起了行间闪烁与爬行现象。且由于帧频与场频太低，使电视图像出现了大面积闪烁，而且每帧行数太少，使行结构粗糙。模拟电视制式已不能满足人们对电视图像质量越来越高的要求。电视信号的数字化早在1948年就提出来了。在20世纪7080年代，科学家们已经研制出各种数字电视设备，如数字帧同步机、数字制式转换器、数字录像机和数字降噪器等，但这仅仅是模拟海洋中的一个个“数字孤岛”。之后又实现了在电视台内的数字电视处理与传输，除了信号源及发射端外，在电视台内几乎实现了全数字的处理。数字分量等手段的采用大大提高了电视台节目的制作质量，但遗憾的是，电视台内的数字电视信号还需要转换成模拟电视信号才能进行调制发射。接收机接收到的仍是模拟电视信号。 为了克服上述两个缺点，可以在不改变原来制式的情况下，在电视接收机内利用数字处理技术以提高接收机电视图像质量，这就是所谓的改良清晰度电视（IDTV）。其方法是：在接收机内将视频检波后的全电视信号进行数字化，然后对数字视频信号进行数字处理，利用数字梳状滤波器构成数字的亮色分离电路，大大提高亮色分离的性能，将亮色之间的串扰降低到人眼难以察觉的程度。隔行扫描所引起的行间闪烁与爬行现象、帧频太低所引起的大面积闪烁以及每帧行数太少引起的行结构粗糙等现象可以用倍行及倍场的方法加以改善。倍行即使行频增加一倍，倍场即使场频增加一倍。倍行、倍场处理后，每帧行数增加了一倍，行结构不再粗糙；场频增加了一倍，从50Hz增加到100Hz，消除了大面积闪烁、行间闪烁与爬行现象，改善了图像质量。而倍行及倍场处理也只有使用数字处理技术才能实现。在电视接收机内用数字处理代替模拟处理，图像质量的改善是有限的。于是人们希望在电视发射端进行改进以达到进一步提高图像质量的目的。20世纪80年代后期西欧及日本相继研制了称为EDTV的新一代电视系统，即增强清晰度电视。西欧的PAL-PLUS及日本的EDTV-1等增强清晰度电视相继开播，图像质量又有了明显的改善。但真正的全数字电视系统在20世纪90年代中期才正式开播，从此就进入了全数字电视时代。1.1.2 数字电视系统及数字电视发展进程1982年，国际无线电咨询委员会（CCIR）通过了601号建议，确定以分量编码4:2:2标准作为电视演播室数字编码的国际标准。601号建议规定，亮度信号和色度信号的取样频率分别为13.5MHz及6.75MHz，每一像素量化为8bit。符合601号建议的数字电视信号的总码率为216Mb/s，要传送这样高码率的数字电视信号至少需要几十MHz带宽的信道，这是不可行的。但当我们采用图像与声音压缩编码技术及数字传输技术后，就能在一路模拟电视频道（8MHz）中传送46路数字标准清晰度电视的节目。 如图1.1所示为数字电视系统方框图，图中左半部为发送端，数字的视频信号、数字的伴音信号及数据信号经压缩编码后使数码率压缩几十倍，大大提高了传输的有效性；接着进行信道编码，加入各种纠错编码，以提高传输的可靠性；最后进行数字调制，以提高信道的频谱利用率。该数字电视信号经发射机发送出去，在接收端由调谐器接收，经数字解调、信道解码及解调复用器后，分别通过视频、伴音及数据的压缩解码，恢复出原来的数字电视信号。数字的视频及伴音信号经数字/模拟（D/A）变换器变换成模拟电视信号后，即可在显示终端看到图像（某些显示终端如PDP，可直接进行数字显示）并听到伴音。图1.1中接收端一侧的大方框内所包含的部分即为数字电视综合接收解码器（IRD）或称数字电视接收机顶盒。1982年以后，随着CCIR601电视信号数字化标准及CCIR656接口规范的出台，迅速开启了电视台内设备数字化的热潮，时基校正器、帧同步机、制式转换器等电视台内几乎所有的设备都被数字设备代替，因此大大提高了节目制作及播出的质量。但最后这些数字信号仍需要被编码成模拟的CVBS信号（复合全电视信号）并经调制后由发射机发送出去。在接收机中，电视信号数字化后可以进行数字的亮色分离、数字彩色解码、数字的轮廓增强、数字的降噪及画中画等操作（以ITT公司的DIGIT2000为代表），使电视的图像质量得到显著提高。但这些改进仍停留在模拟电视的范畴内，只是把模拟信号进行了数字处理，改善了一些图像质量。图1.1 数字电视系统方框图受日本在1985年播出模拟HDTV的推动，欧美各国开始研制全数字的电视系统。但模拟信号数字化后，数据量很大，按601标准4:2:2取样8bit量化后的数码率达到216Mb/s。这么高的数码率，存储、实时传输与处理都是不现实的。于是从20世纪80年代开始，图像与声音压缩编码技术成了数字电视研究发展的核心课题。从1988年的会议电视H.261、标准1991年的JPEG静止图像压缩编码标准到1991年开始制订的MPEG-1、MPEG-2运动图像压缩编码标淮，数码率实现了压缩50倍而图像质量看不出明显失真的效果，这使得数字电视广播成为可能。20世纪80年代末及90年代初世界各国先后成功研制出了全数字的电视系统，主要有美国的ATSC及欧洲的DVB数字电视广播系统。1995年欧美开通了卫星及有线数字电视广播，1998年开通了地面数字电视广播。2003年日本开播了ISDB-T数字电视系统。我国也在1999年国庆50周年时成功地试播了自行研制的HDTV地面数字电视系统；2002年开始全国各地相继开播了有线及卫星数字电视广播；2006年8月我国颁布了地面数字电视国家标准；2008年1月1日，地面数字电视在北京开播，数字地面高清频道相继播出。新媒体的发展也取得突破，网络电视（IP TV）、手机电视等发展迅速。2008年6月9日，我国成功地发射第一颗直播卫星“中星9号”。2008年8月期间，我国成功举办了北京奥运会，广播影视服务奥运取得了圆满成功，数字高清晰度电视、移动多媒体广播电视、互联网广播电视等新手段的应用，丰富了科技奥运的内涵，成为了北京奥运会的亮点。 目前，我国已建成世界上覆盖人口最多，无线、有线、卫星、互联网等多种技术手段并用，中央与地方、城市与农村、国内与国外并重的规模庞大的广播影视网络。从2007年3月1日起，美国出产的电视机抛弃传统的模拟信号，转为只接收数字信号。因此，从全世界范围来看，数字取代模拟已成为大势所趋。美国和英国已分别宣布要在2009年及2010年全部转为数字电视广播信号，中国也计划在2015年停播模拟电视广播信号。1.1.3 图像通信的发展图像通信是现代通信技术的主要研究内容，它的发展与计算机多媒体技术及数字电视技术相辅相成。传真、可视图文（Videotex）、图文电视（Teletext）、静止图像通信、可视电话和会议电视等均是图像通信的内容。美国贝尔实验室早在1927年就进行了可视电话的实验。1964年，贝尔公司在纽约世界博览会上展出了世界上第一部可视电话（Picture phone I），直到1984年国际电报电话咨询委员会（CCITT，即现在的ITU-T）才制订出首个会议电视及可视电话H.100系列建议。1996年5月ITU-T批准了H.320会议电视系统，对会议电视系统的性能指标、压缩算法、信息结构、控制命令及组建会议电视网的原则等作了完整的规定，随后又公布了H.324建议、H.323建议和H.310建议等。这些建议的发表大大推动了可视电话及会议电视的发展及商品化。近几年发展起来的高清晰会议电视提供的9倍CIF的高清晰图像带来了视觉的新体验，其色彩更加鲜明逼真，运动更加清晰流畅。无论是哪种数字电视广播及现代图像通信的方式，其核心技术图像与声音压缩编码技术仍是开发的重点。为适应网络电视、移动视频、交互电视等的要求，在图像压缩编码上H.264（MPEG-4第10部分）的压缩效率比MPEG-4（第2部分）提高了一倍多。我国开发的具有自主知识产权的AVS标准已在卫星及网络传输上得到应用。除了压缩编码外，还必须大力研究信道编码（纠错编码）、先进的数字调制技术、数字版权（DRM）及条件接收（CA）技术等。随着通信网络技术即信息高速公路基础设施技术的飞速发展，原来的电信网、有线电视网及计算机网这三大网络有合一的趋势，数字电视信号及图像通信信号所产生的数字码流可以在这三大网络中进行传输、交换。人们可以通过信息高速公路收看世界上任一电视台播放的电视节目（只要向这一电视台发送一个点播信息即可），还可以根据需要收看不同清晰度电视的节目（所付费用不同）。可以和世界各地任何地方的人们“面对面”地进行通话或召开电视会议讨论某一重大决策。数字电视和图像通信已经没有什么本质上的区别，两者达到了实质性融合，人类已经进入了多媒体信息时代。1.2 数字电视与图像通信的关键技术1.2.1 数字视频压缩编解码技术数字电视与图像通信所传送的视频与音频在数字化后均有极高的数码率，例如，对图像亮度信号与色差信号分别用13.5MHz及6.75MHz的取样频率进行取样，用10位二进制数进行量化，其数码率达270Mb/s。而一个频带宽为8MHz的模拟电视频道若只使用二进制调制方法则只能传送不大于16Mb/s的二进制数据流。因此必须想法去除图像信号中的多余信息，将码率从270Mb/s压缩到能在一个频道中传送。通过研究电视图像信号的统计特性，可以发现在电视图像中存在着很大的相关性。去除这些相关性（即冗余度）就能实现码率压缩。能否实现高效的图像压缩编码成了是否能实现数字电视及图像通信的关键技术之一。20世纪80年代以来，图像与声音压缩编码技术有了长足的进展，图像预测编码技术、图像变换编码技术、统计编码（包括霍夫曼编码、算术编码与行程编码）及矢量量化编码等是基本的图像压缩编码技术。 MPEG（Moving Picture Experts Group，运动图像专家组）是专门从事多媒体视频和音频压缩标准制定的国际组织，MPEG系列标准已成为国际上影响最大的多媒体技术标准，它给数字电视、视听消费电子和多媒体通信等信息产业的发展带来了巨大而深远的影响。随着技术的进步，MPEG-2已不能适应信息时代飞速发展的要求。而新一代视频编码标准H.264（MPEG-4 AVC）具有压缩效率高、算法先进、性能优异等技术优势，目前H.264高清实时解码专用集成电路（ASIC）已经研制成功，可以预见，在不远的将来，H.264极有可能会取代MPEG-2而成为数字电视及其存储媒体的统一编码方式。另外，中国数字视音频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清晰度激光视盘播放机的AVS标准。AVS基于H.264标准，与MPEG-2完全兼容，同时又兼容H.264基本层，在许多方面具有自主知识产权，从而使专利费用大为降低。AVS压缩效率可达到MPEG-2的23倍，与H.264相比较，AVS具有更加简洁的设计，显著降低了芯片实现的复杂度。利用AVS取代MPEG-2，摆脱MPEGLA（MPEG许可证管理局）组织的专利束缚，对于中国视听产业的发展具有重要意义。1.2.2 数字音频压缩编码技术在数字电视与图像通信中，传送声音也是极为重要的。在一般的可视电话和会议电视系统中，声音带宽较窄（300Hz7kHz），而在数字电视系统中，高保真度的声音信号的带宽很宽（10Hz20kHz）。利用声音信息的冗余度及人的听觉生理心理特性，亦能高效地对数字声音信息进行压缩编码（针对不同的带宽要求，国际组织制订了不同的声音压缩编码标准）。对于窄带语音信号，CCITT（ITU-TS）发布了各种基于参数及波形编码的低码率混合编码标准，如G.711、G.721、G.722、G.723、G.728及G.729等各种标准。除了G.722的取样频率为16kHz外，其他各种标准取样频率均为8kHz。而量化精度除G.711为8bit外，其他均为16bit。上述各种标准的输出码率最低为5.3kb/s（G.723），最高为64kb/s（G.711及G.722）。对于宽带的高保真度声音信号，其主要标准有两个，一个是MPEG音频压缩编码标准，它是以欧洲的MUSICAM及ASPEC算法为基础而改进的一种标准；另一个是Dolby AC-3音频压缩编码标准。AC-3标准对声音信号的取样频率为48kHz，量化精度为1624bit，其基带音频的输入多达6个声道，即中心声道、左声道、右声道、左环绕、右环绕及低频增强声道。AC-3已作为DVD数字视盘及ATSC（美国数字电视标准）的声音压缩编码标准。1.2.3 数字电视复用、解复用技术数字电视系统中对多媒体数据在传输中进行打包、解包处理，亦称复用、解复用技术，它为系统具备可扩展性、可分级性与互操作性奠定了基础。在发送端复用设备将视频、音频和辅助数据等信源编码器送来的数据比特流经处理复合成单路的串行比特流，送给信道编码系统及调制系统，接收端与发送端正好相反。MPEG-2在系统传输层定义了两类数据流，即节目流（PS）与传送流（TS），H.264采用与MPEG-2相同的系统传输层。在数字电视复用传输标准方面，美国、欧洲、日本均采用MPEG-2标准，其中规定HDTV数据分组长度为188字节，正好是ATM信元的整数倍，因此，可以用4个ATM信元来传送一个完整的HDTV数据包，从而可方便地实现HDTV与ATM（异步传输模式）的接口，这对今后实现电信网、电视网、计算机网三网融合，构建基于ATM宽带交换以及大容量光纤传输的多媒体通信网具有重要意义。1.2.4 数字电视信道编解码技术信道编码是实现信号可靠传输的重要保证，其目的就是通过纠错编码、网格编码和均衡等技术来提高数字电视信号的抗干扰能力。纠错编码在信道编码中占据重要地位，其本质是通过按照一定规则重新排列信号码元或加入辅助码来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错处理，以保证信号的可靠传输。纠错检错码有线性分组码（如奇偶检验码）、循环冗余检测码、里德-索罗门（Reed-Solomon）码（外码）、交织器、去交织器、卷积编码、维特比解码和TCM 格状编码调制技术等。信道编码之后的基带信号经调制实现频谱搬移之后即可送入卫星、地面和有线传输信道中进行传输。1.2.5 数字电视调制解调技术在数字电视系统中，采用多进制的数字调制技术可大大提高信道的频谱利用率。主要调制技术如下。æ 正交幅度调制（QAM）：调制效率高，传输信噪比要求高，适于有线电视电缆传输。æ 四相移相键控（QPSK）：调制效率高，传输信噪比要求低，适于卫星传输。 æ 残留边带（VSB）调制：抗多径传播效果好（即消除重影效果好），适于地面开路传输。æ 编码正交频分复用（COFDM）：抗多径传播效果和同频干扰好，适于地面开路广播和同频网广播。1.2.6 数字电视条件接收技术条件接收系统是数字电视收费运营机制的重要保证。收费电视系统的基本特点是所提供的业务仅限于授权用户使用，即在节目供应单位、节目播出单位和收视用户之间建立起一种有偿服务体系。正是这种有偿服务体系，才使电视节目制作及播出的巨大投资得以补偿，为数字电视产业的持续健康发展奠定了良性循环的经济基础。条件接收系统集成了数据加扰/解扰、加密/解密及智能卡等技术。同时也涉及用户管理、节目管理及收费管理等信息应用管理技术，还能实现各项数字电视广播业务的授权管理及接收控制。1.2.7 高清晰度大屏幕显示技术如何使数字电视信号经信道传输之后的图像与伴音能够高质量、无失真地呈现给观众，这是显示领域的重要研究课题。以LCD（液晶显示）、PDP（等离子体显示屏）等为代表的平板显示技术正日益完善与成熟，平板电视正在逐步取代传统的CRT（阴极射线管）电视，并成为数字电视接收机的主流，它们不仅具有高清晰度的图像质量，色彩生动艳丽，而且性能优异、环保健康，再配之以高质量的环绕立体声，必将会带给观众高质量的视听享受。1.3 数字电视的优点及发展数字电视的重要意义数字电视和以三大制式为代表的模拟电视相比，有着突出的优点。其主要优点如下：æ 电视频道的利用率大大提高。在同样的频道中，模拟电视节目数与数字电视节目数的比较如表1.1所示。如上海数字有线电视台，1个8MHz频道可传送6个DVD质量的节目。表1.1 模拟电视节目数与数字电视节目数比较模拟电视节目数（300线）数字电视节目数DVD质量（500线）HDTV质量（1000线）1个频道（8MHz）1个6个12个68+16=84个频道（48.5957.75MHz）84个504个84168个æ 节目传输的可靠性及节目质量均大为提高。在数字电视的接收终端接收到的图像质量与播出图像质量相当。这是因为数字电视信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后用若干位二进制的0和1两个电平表示，在连续处理的过程中如果引入杂波，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生就可以把杂波清除掉。即使数字电视在传输的过程中有某一杂波因电平超过额定值而造成了误码，也可以利用纠错编/解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中不会降低信噪比，数字电视还可实现高质量的移动接收。æ 数字电视很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术。这项技术可以实现对用户收视权限及各类收费业务的控制，便于专业应用（包括军用）以及视频点播应用（VOD），还能开展各类条件接收的收费业务，这是数字电视的重要增值点，也是数字电视得以快速滚动式发展的基础。这项技术还可以实现各种数据增值业务以及视频点播等各种交互电视业务（或称互动电视业务）。æ 数字电视具有可扩展性、可分级性及互操作性，能够实现不同层次质量图像的相互兼容，易于建立全国数字电视传输网。æ 数字电视可以与计算机“融合”而构成一类多媒体计算机系统，成为未来国家信息基础设施的重要组成部分。可实现与计算机网络及互联网等的互通互连。数字电视可以实现设备的自动化操作和调整，与计算机配合可实现各种自动控制和操作。现今，广播电视数字化转换进程加快，新型服务不断开拓。随着数字化的推进，新型广播电视业务层出不穷，如交互电视、视频点播、海量的信息服务、车载移动电视和手持终端多媒体广播等。经过几十年的艰苦努力，我国形成了有线、无线、卫星等多种技术并用的广播电视传输覆盖网络，随着科技的发展，广播电视传输覆盖手段已进入了由模拟向数字化转换的新阶段，无线、有线、卫星有各自的明确定位，相互分工，相互补充。无线电视是广播电视为城乡群众提供公共服务的主要手段，有线电视是城镇居民接收广播电视节目的主要手段，卫星传输是为全国各地播出机构和传输机构提供节目源的主要手段，移动多媒体广播是为各种小尺寸和便携式移动终端流动人群提供广播电视节目服务的主要手段。它们各有各的定位、责任和服务对象。数字电视是从节目的摄制、播出、发射到接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。一个健全、完善的数字电视系统由节目、传输、服务和监管4个平台共同组成。发展数字电视是一项庞大的系统工程，需要相关行业及其支撑技术的推动与促进。伴随着通信、计算机、微电子、现代信号处理及多媒体技术的突飞猛进，通信网、计算机网与电视网的融合速度将越来越快，构筑全球性的信息高速公路已成为信息时代发展的重中之重。因此，发展数字电视已经不是单纯地为用户提供高品质的视听服务，更为重要的是，它将为电子信息产业提供一个难得的发展机遇，它提供了一个综合性的信息服务平台，从而有效地促进视听产品制造业及其相关产业的战略升级以及广播电视新兴产业的形成和发展。本章重点阐述了数字电视与图像通信关键技术，即图像与声音的信源压缩编码技术及数字传输技术（信道编码与多进制调制），然后介绍了数字电视与图像通信的主要应用系统，在图像通信系统中重点介绍了可视电话与会议电视系统。思考题1为什么说数字电视与图像通信已达到了实质性的融合？2模拟电视系统存在哪些缺陷？这些缺陷是什么原因引起的？3试画出数字电视传输系统原理框图并解释各功能块的作用。4简述国内外数字电视的发展与现状。5简述数字电视与图像通信的关键技术。6与模拟电视相比，数字电视具有哪些突出性的优点？7通过本章的学习，你对数字电视有了什么样的认识？8发展数字电视有什么重要意义？对电子信息产业有哪些重要影响？专心-专注-专业