数字电视教案.doc

《数字电视教案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电视教案.doc（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、引言所谓数字电视(Digital TV)是指电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路全部数字化的数字电视广播系统。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的技术性能,而且还具有模拟技术不能实现的新功能,使电视技术进入崭新的时代。近年来,数字电视是人们的热门话题之一。经过各种媒体的炒作和彩电厂家的广告宣传,诸如数码电视、全数字电视、多媒体电视、HDTV 等有关数字电视的各种名称不断出现在报端、杂志和街头广告中。其实在国内,真正的数字电视始终是“犹抱琵琶半遮面，”市场上所谓的数字电视多为采用各种数字处理电路的“数字化电视”。1998 年 9 月 23 日,英国广播公司(BBC)在世

2、界上首先开播商业化数字电视节目,被世界上许多有影响的媒体列为当年的十大新闻之一,它被视为电视发展史上继彩色电视之后的又一场重大革命，高清晰度数字电视是数字信号处理，大规模集成电路，计算机等领域的多项高科技成果的结晶,是继黑白电视、彩色电视之后的第三代电视。一数字电视概述1.1 数字电视技术现有的电视系统就其本质来说，在电视的产生、处理、记录、传送和接收的过程中，使用的都是模拟信号，即在时间和幅度上连续的信号。所谓数字电视信号是指在电视信号产生后的处理、记录、传送和接收的过程中使用的都是数字信号，即在时间上和幅度上都离散化的信号。数字电视系统可分为三大部分：电视信号的数字化及其处理、数字电视信号

3、的传送与交换、数字电视信号的接收和记录。电视信号的数字化需用三个步骤：抽样，量化，编码；抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续变化的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化；量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数的有一定间隔的离散值；编码是按一定规律，把量后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。现在的模拟全电视信号是通过调制在射频载波上发送出去的，数字电视是将电视信号进行数字化采样，其信号的数据量是很大的，非常不利于传输。因此数据压缩技术成为关键。实现数据压缩技术的方法有两种：一是信源编码过程中进行压缩，如 MPEG 专家

4、组已发展制订了 ISO/IEC13818（MPEG-2）国际标准，它支持标准分辨率 16：9 宽屏及高清晰度电视等多种格式；二是改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传输速率。如，在欧洲 DVB 数字电视系统中，数字卫星电视系统（DVB-S）采用正交相移键控调制（QPSK）；数字有线电视系统（DVB-C）采用正交调幅调制（QAM）；数字地面开路电视系统（DVB-T）采用正交频分复用调制（COFDM）。在数字电视中，采用了双向信息传输技术，增加了交互能力，赋予了电视许多全新的功能，使人们可以按照自己的需求获取各种网络服务，包括视频点播，网上购物，远程教学，远程医疗等新业务，使电视机

5、成为名副其实的信息家电，数字电视技术与传统的模拟电视技术相比，有以下优点：（1）易于实现自动控制，可靠性高。（2）抗干扰和克服非线性失真性能好，图象质量佳。（3）便于实现复杂的数字信号处理。（4）易于实现条件接收1.2数字电视技术的构成数字电视技术由两大部分组成，即系统技术和应用技术。系统技术主要包括条件接收技术（CAS），复用/解复用技术，用户管理技术（SMS）、节目管理技术（PMS）四大部分，其中，CAS、SMS、PMS 是构成可管理、可控制数字电视播出系统的技术核心。应用技术是支持 VOD、EPG、数据广播、交互游戏和交互证券等业务的软件技术。应用软件在系统前端和用户端设备中运行时，需要

6、建立一个开放的运用环境，需要与系统软件进行接口，这个运用环境和程序接口的建立由中间件系统来完成，因此，中间件系统在结构层次上位于系统技术和应用技术之间，是系统平台对综合业务（综合性和交互性）开放的支撑技术。条件接收技术（CAS）是提供对数字电视用户业务进行授权和认证的一种技术手段，通俗地讲，是对视音频和数据等信息实施加密/解密/接收的控制技术。条件接收系统能实现各项数字电视广播业务的授权管理和接收控制。该系统是一个综合性的系统，系统涉及了多种技术，包括系统管理技术、网络技术、加解扰技术、加解密技术、数字编码技术、数字复用技术、接收技术、智能卡技术等，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等信

7、息管理应用技术。中间件是一种 IRD 上的操作系统，可在其上开发多种电视和广播以外的服务信息，如天气预报、游戏等。当前的 EPG 就是在中间件上开发的。数字电视已经突破了单纯播放电视节目的范畴而发展成为兼备硬件和软件、能够进行一定播放和信息处理的综合信息平台。机顶盒 STB 是电视信号数字传输介质与模拟电视机之间的转换设备。硬件采用模块化的设计，可灵活配置，维护方便。机顶盒的基本原理是通过调制模块接收射频信号并变频为中频信号，然后进行 A/D 变换转化为数字信号，再进入 QAM 解调模块解调出 MPEG 传输流。解复用模块从传输流中抽出节目的 PES 音视频数据并解扰，再送入 PAL 编码器、

8、音频编码器，输出模拟音视频信号，机顶盒的组成包括接收前端、MPEG 解码、视音频图形处理、CPU、存储器以及各种接口。1.3 我国发展数字电视的步伐根据我国的基本国情，我国的数字电视事业采取与其他国家不尽相同的发展策略从有线切入，全面实施有线数字电视试验工程。为了确保全国数字电视业务的顺利进展，广电总局为我国的数字电视发展制定了明确的时间表：2003 年全面推进有线数字电视；2005 年开展数字卫星直播业务，开始地面数字电视试验，有线数字电视用户达到 3000 万；2008 年利用北京奥运会转播之机，全面推广地面数字电视和高清晰电视，在完成这三个发展阶段后，我国的数字广播电视可以通过有线、卫星

9、、无线三种方式实现对全国的覆盖。到 2015 年，我国将停止模拟电视播出。广播电视数字化将大大加快我国信息化进程。广播电视是最普及的信息工具和最好的信息载体，广播电视数字化将使我国目前的 4 亿台电视机，成为一个集公共传播、信息服务、文化娱乐、交流互动于一体的多媒体信息终端。而每个家庭的数字化又是城市现代化、社会信息化的重要标志。可以说，广播电视数字化是实现我国信息化的基础和有效途径。二 数字电视机顶盒技术有线广播电视网正在向数字化、网络化、产品化方向发展，最终建成为宽带综合信息网。依托有线广播电视网提供综合信息业务的关键设备是用户终端设备数字机顶盒，数字机顶盒可把数字电视信号转换成模拟电视机

10、能够接收的 PLA/NTSC 信号，也可增添支持视频点播(VOD)、Internet 浏览、播放 DVD、可视电话等多媒体功能及加扰、解密、放大等功能，与普通的模拟电视机组合便构成完整的数字电视接收机。2.1机顶盒的基本概念和分类及其特点2.1.1机顶盒的基本概念机顶盒是将数字电视信号转换成模拟电视可接收信号的一种装置。2.1.2机顶盒的分类及特点1.卫星直播数字电视机顶盒。2.数字有线电视机顶盒。该类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南（EPG）、准视频点播(NVOD）、按次付费观看（PPV）、软件在线升级、数据广播、Internet 接入、电子邮

11、件、IP 电话和视频点播等。3.数字地面机顶盒。4.上网机顶盒。上网机顶盒能将现行的模拟电视机作 INTERNET 的终端机，与电视机一起构成类似多媒体电脑，又称为 WEBTV。2.2数字有线电视机顶盒的软硬件结构2.2.1 机顶盒的硬件结构数字有线电视机顶盒硬件结构如图 1 所示。图中数字有线电视机顶盒采用 SGS Thomson 单芯片 STI5500，CPU、解复用、MPEG-2音视频解码全部集成在 STI5500。嵌入式操作系统和应用程序固化在 2 M 字节 FlashMemory 中。操作系统、应用程序占用了 2M 字节 Sdram，MPEG-2 解码和 OSD 显示也占用了 2 M

12、 字节 Sdram。通过 I2C 总线接收按键和遥控信息、前面板 LED 显示、调整调谐器和 QAM 解调器的参数，将重要参数保存在串行 EEPROM 中。数字有线电视机顶盒项目采用模块化设计，包括 5个模块：信道解码模块、STI5500 主模块、存储模块、外围接口模块、音视频放大输出模块，其中 STI5500 是核心部分，完成了 MPEG-2 解复用，MPEG-2 解码等功能。整体软件结构如图 2，可以分为 4 个层次：用户应用程序、用户应用层、硬件驱动层和实时操作系统层。1.硬件驱动层：提供多个驱动，主要针对各硬件模块提供相应的驱动程序，该层通过操作系 统 层 提 供 的 工 具，实 现

13、对 硬 件 设 备 和 接 口 模 块 的 控 制 和 管 理 等。（2）实时操作系统层：作为所有上层程序代码的基础，可以进行多任务调度、系统资源管理、中断处理、通信操作和同步处理等。（3）用户应用层：主要功能是在应用程序开发时提供所需的信息输出等功能。（4）用户应用程序：是用户应用软件的主体部分，也是软件开发的主要部分之一。2.2.3数字电视机顶盒的发展数字电视机顶盒是充当着电视台发送的数字电视信号与用户的显示设备两者之间桥梁的一种接收装置，是随着数字电视广播的发展而出现的，同时也在随着数字电视广播的发展而不断发展。由于数字电视的发展方向有两个方面：一方面，高清晰度的图象是人们追求的理想的电

14、视画面效果，所以数字高清晰度电视是数字电视的发展目标之一；另一方面，在数字电视系统中提供多种创新的服务功能也是一个重要的发展方向。因而，数字电视机顶盒技术的发展也会朝着两个方向前进，而且最终会是将两者集于一身。三 数字电视的标准3.1 数字电视的分类数字电视分为标准清晰度电视和高清晰度电视。标准清晰度电视 SDTV(Standard Definition Television)是指质量相当于目前模拟彩色电视系统(PAL、NTSC、SECAM)的数字电视系统，也称为常规电视系统。其定义是 ITU-R 601标准的 422 的视频，经过某些数据压缩处理后所能达到的图像质量。其清晰度约为 500线，

15、视频数码率约为 5 Mb/s。高清晰度电视 HDTV(High Definition Television)是指水平清晰度和垂直清晰度大约为目前模拟彩色电视系统的两倍，宽高比为 169 的数字电视系统。根据 ITU 的定义，一个具有正常视觉的观众在距离高清晰度电视机大约是显示屏高度 3 倍的地方所看到的图像质量应与观看原景象或表演时所得到的印象相同。其清晰度应在 800 电视线以上，视频数码率约为 20 Mb/s。3.2信源编解码技术3.2.1 视频编解码技术数字电视尤其是数字高清晰度电视与模拟电视相比,在实现过程中最困难的部分就是对视频信号的压缩,在 1920*1080 显示格式下,数字化后

16、的码率在传输中高达 995Mbit/s,比现行模拟电视的传输信息量大得多.因而数字电视的图像不能像模拟电视的图像那样直接传输,而是要多一道压缩编码工序.视频编码技术的主要功能是完成图像的压缩,使数字电视的信号传输量由 995Mbit/s 减少为 2030Mbit/s视频数据主要存在以下形式的冗余。1.空间冗余2.时间冗余3.结构冗余4.知识冗余5.视觉冗余3.2.2 视频压缩标准一、静止图像压缩标准(1)清晰度：静止图像中的细节容易被观察到，要求有更高的清晰度。(2)逐渐浮现(Progressive Build-up)的显示方式：在传输频带较窄时为了减少等待时间，要求编码能提供逐渐浮现的显示方

17、式，即先传模糊的整幅图像，再逐渐变清晰。(3)抗干扰：一幅图像的传输时间较长，各种干扰噪声的显示时间也较长，影响观看，要求编码与调制方式都有较强的抗干扰能力。1.JPEG 标准JPEG 是 ISO（International Standardization Organization，国际标准化组织）IEC(InternationalElectrotechnical Committee，国 际 电 工 技 术 委 员 会)和ITU-T(International Telecommunications Union，国际电信联盟)的联合图片专家小组(Joint Photographic Expert

18、sGroup)的缩写。1991 年 3 月，JPEG 建议（ISOIEC10918号标准）“多灰度静止图像的数字压缩编码(通常简称为 JPEG 标准)”正式通过，这是一个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止数字图像的压缩标准，包括无损压缩及基于离散余弦变换和 Huffman 编码的有损压缩两个部分。2.JPEG2000 标准JPEG2000 主要有以下特点：(1)JPEG2000 采用了小波变换(DWT)。JPEG 基本算法中的基于子块的 DCT 被离散小波变换 DWT(Discrete Wavelet Transform)取代。DWT 自身具有多分辨率图像表示性能，它可以大范围去除图像的相关

19、性，将图像能量分布更好地集中，使压缩效率得到提高。(2)JPEG2000 同时支持有损和无损压缩。(3)JPEG2000 支持 ROI 处理。(4)JPEG2000 可随机获取部分压缩码流。(5)JPEG2000 可随机存取图像某个区域。(6)JPEG2000 的抗误码性能得到提高。(7)JPEG2000 具有视觉频率加权。二、活动图像压缩标准1.概述通常把图像编码分为下面几个应用层次：(1)标准数字电视：图像分辨率为 720576，采用 ISO MPEG-2 标准，约 8 Mb/s 的码率可以达到演播室级的图像质量要求。地面广播时采用现代数字调制技术，可在一路 8 MHz信道传送 4 路标准

20、数字电视。(2)会议电视：图像分辨率为 352288，采用 ITU-T H.261 建议，码率为 P64 kbs(P=130)，属中、低速码率的图像压缩。一般认为，码率在 384 kb/s(P=6)以上时，图像质量才能让人比较满意。(3)数字影碟机等：图像分辨率为 352288，国际标准为 MPEG-1，码率为 1.5 Mb/s，其中约 1.2Mb/s 用于图像，其余用于声音和同步,可达到 VHS 录像带图像质量。(4)可视电话：图像分辨率为 176144，采用 1TU-T H.263 建议，码率为 64 kb/s以下，经调制解调后，能在现有的模拟电话线上传送活动的彩色电视电话图像，因此也称为

21、极低码率的图像编码。(5)高清晰度电视：图像分辨率可高达 19201080，具有两倍于现有标准的水平和垂直清晰度，采用 ISO MPEG-2 标准，码率约为 20 Mb/s。2.MPEG-1（1)图像格式 SIFMPEG-1 只处理逐行扫描的图像，对隔行扫描的图像源应先转换为逐行扫描格式后再编码；输入的视频信号必须是数字化的一个亮度信号和两个色差信号(Y，CB，CR)，要使码率为 11.5 Mb/s，应该选择图像速率为 24、25 帧/秒或 30 帧/秒，水平分辨率在 250400 像素，垂直分辨率在 200300 线的图像。对于典型的应用，MPEG-1 定义了 SIF 格式。表 2-5 和图

22、 2-18 分别为由 CCIR601 到 SIF 的格式转换数据和采样模式。（2)视频结构3.MPEG-2 标准（1)类和级为了适应广播、通信、计算机和家电视听产品的各种需求，适应不同的数字电视体系，MPEG-2 有 4 种输入格式(用级(levels)加以划分)和 5 种不同的处理方法(用类(profiles，也译成档次)加以划分)。a.低级 LL(Low Level)的图像输入格式，以亮度像素(记为 pel)数目计算，为 35224030 pels 或 35228825 pels，最大输出数码率是 4 Mb/s。b.主级 ML(Main Level)的图像输入格式完全符合 ITU-R601

23、 标准，即 72048030 pels 或 72057625 pels，最大输出数码率为 15 Mb/s(高类主级是20 Mb/s)。c.高 1440 级 H14L(High-1440Level)的图像输入格式是 14401152 pel/s 的高清晰度格式，最大输出数码率为 60 Mb/s(高类为 80 Mb/s)。d.高级 HL(High Level)的图像输入格式是 19201152 pel/s 的高清晰度格式，最大输出数码率为 80 Mb/s(高类为 100 Mb/s)。在 MPEG-2 的 5 个类中，每升高一类将提供前一类未使用的附加的码率压缩工具，编码更为精细。类之间存在向后兼容

24、性，若接收机能解码用高类工具编码的图像，也就能解码用较低类工具编码的图像。a.简单类 SP(Simple Profile)是最低的类。b.主类 MP(Main Profile)比简单类增加了双向预测压缩工具。主类没有可分级性，但质量要尽量好。c.信噪比可分级类 SNRP(SNR Scalable Profile)。d.空间可分级类 SSP(Spatially Scalable Profile)。SNRP 和 SSP 两个类允许将编码的视频数据分为基本层以及一个以上的上层信号。基本层包含编码图像的基本数据，但相应的图像质量较低。上层信号用来改进信噪比或清晰度。以上 4 个类是逐行处理色差信号的(

25、例如 420)。e.高类 HP(High Profile)则支持逐行同时处理色差信号(例如 422)，并且支持全部可分级性。MPEG-2 的类和级见表 2-6，表中 MPEG-2 格式用类和级的英文缩写词来表示，例如 MPML 指的是主类和主级。目前标准清晰度数字电视采用这种格式。(2)MPEG-2 编码的新功能a.基于场或基于帧的 DCT。b.4 种图像预测和运动补偿方式。c.运动矢量搜索精度以半像素为单位。(3)MPEG-2 视频解码器4.数字音/视频编/解码技术标准 AVSAVS 标准的特点a.高效。AVS 比 MPEG-2 编码效率高两倍，与 H.264 编码效率相当。b.复杂度低。A

26、VS 拥有两个参考图像，最小的运动补偿块为 88；许多在 HD-TV 和HD-VD(High Definition Video Disk，高清晰度视盘)应用中不需要的编码工具被删除，与MPEG-2 系统兼容。电视台现有的基于 MPEG-2 的编辑与传输系统不需要改变。c.许可费低。3.3世界上现有的主要数字电视标准1.美国数字电视标准 ATSC美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播,并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准 ATSC(Advanced Television System Committee,先进电视制式委员会)。美国 HDTV 地面广播频道的带宽为 6MH

27、z,调制采用 8-VSB.预计美国的卫星广播电视会采用 QPSK 调制,有线电视会采用 QAM 或 VSB 调制。ATSC 数字电视标准由 4 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 19.3Mbit/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1

28、6-VSB传输模式,可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mbit/s的传输速率.2.欧洲数字电视标准 DVB欧洲数字电视标准为 DVB,即 Digital Video Broadcasting。从 1995 年起,欧洲陆续发布了数字电视地面广播(DVB-T)、数字电视卫星广播(DVB-S)、数字电视有线广播(DVB-C)的标准。欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道,采用 QPSK 调制；欧洲地面广播数字电视采用COFDM 调制,8MHz 带宽；欧洲有线数字电视采用 QAM 调制。3.日本数字电视标准 ISDB日本数字电视首先考虑的是卫星信道,采用 QPSK 调制。并在 1999 年发布了数字电视

29、标准 IS-DB.ISDB 是日本 DBEG(Digital Broadcasting Experts Group,数字广播专家组)制订的数字广播系统标准。它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号,同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB 具有柔性,扩展性,共通性等特点,可以灵活地集成和发送多节目的电视和其他数据业务。2003 年 6 月，广电总局发布了我国有线数字电视向数字化过渡时间表，正式启动有线数字电视工作，并把 2004 年定为“数字化年”、“产业化年”。但是截至 2005 年上半年，我国数字电视用户才接近 200 万，离广电总局要求的 2005 年达到 3000 万户的差距还很大。2008 年奥运会将在北京举行，向全世界用高清转播奥运，是中国政府对世界的承诺。为此，相信很多用户将选择数字电视或网络电视观看奥运，这将极大地刺激数字电视产业的发展。