数字电视技术第1章概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 数字电视概述,第,1,章 数字电视概述,1.1 根本定义,1.2 数字电视的优点,1.3 数字电视的有关参数,1.4 数字电视开展概况,1.1 根本定义,1.数字电视播送系统的构成,图1-1是数字电视播送系统方框图。该系统由信源编码、多路复用、信道编码、调制、信道和接收机等六局部组成。,图1-1 数字电视播送系统方框图,多路复用是将视频、音频和数据等各种媒体流按照一定的方法复用成一个节目的数据流，将多个节目的数据流再复用成单一的数据流的过程。,信道编码是指纠错编码(详见第4章)。信道编码是为提高数字通信传输的可靠性而采取的措施。为了能在接收端检测和纠正传输中出现的错误，信道编码在发送的信号中增加了一局部冗余码，因此增加了发送信号的冗余度，即通过牺牲信息传输的效率来换取可靠性的提高。,为了到达数字通信系统的高效率和可靠性的最正确折中，信源编码和信道编码都是必不可少的处理步骤。,调制是指为了提高频谱利用率，把宽带的基带数字信号变换成窄带的高频载波信号的过程。应根据传输信道的特点采用效率较高的信号调制方式，常用的方式有QAM、QPSK、TCM、COFDM和VSB。相关内容详见第5章。,信道有卫星播送信道、有线电视信道和地面播送信道等。卫星播送着重于解决大面积覆盖；有线电视播送着重于解决城镇等人口居住稠密地区“信息到户的问题；地面无线播送由于其独有的简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会“信息到人的根本需求。,2.数字电视与电视数字化处理的区别,现在的模拟彩色电视接收机的电路中采用了多种数字化处理技术，往往自称为数码电视或数字化电视。这些彩色电视机在不改变现行模拟播送电视传输体制的前提下，对解调后的视频和音频的基带信号进行了数字化处理，获得了更高质量的图像和伴音，增加了电视机的功能，但它仍属于模拟电视的范畴，只能接收模拟电视信号，无法接收数字电视信号，与真正的数字电视是两个不同的概念，不可混淆。,这些数字化处理技术包括：用数字梳状滤波器进行较完善的亮度、色度别离，消除了亮、色窜扰现象；对亮度信号进行数字轮廓增强，提高了画面清晰度；对色度信号进行数字降噪和色调校正，减少了画面噪点和色调畸变；用逐行扫描及倍场(Double Scan)消除行间闪烁和大面积闪烁，提高了图像的垂直清晰度；处理后还能实现画中画、静止画面等新功能以及丽音NICAM(Near Instantaneous Companding Audio Multiplex，准瞬时压扩音频多路传输，是一种数字脉冲编码调制立体声播送系统，用7.28 MHz频率播送)和环绕立体声等功能。,3.SDTV和HDTV,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到达的图像质量。其清晰度约为500电视线，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。,国际电联在ITU-R BT.1201建议书中提出了超高清晰度成像HRI(Hyperhigh Resolution Imaging)的假设干标准，其根本要素是图像的最小分辨率为19201080，传输速率为60帧秒。HRI分为HRI0HRI3四个等级,其空间分辨率分别为19201080、38402160、57603240、76804320,其量化比特数分别为10、10、12、12，不压缩数据速率分别为2.5、10、40、72 Gb/s,传输速率分别为6080、100150、150600、150600 Mb/s。目前按此建议研制的超高清晰度图像可用于医疗、印刷、电影、电视和计算机图形等领域。,1.2,数字电视的优点,与模拟电视相比，数字电视的优点表现在以下几个方面。,图像传输质量较高,2.,具有数字环绕立体声伴音,3.,频谱资源利用率高,4.,多信息、多功能,5.,设备可靠，维护简单,6.,节省发送功率，覆盖范围广,7.,易于实现条件接收,1.3,数字电视的有关参数,1 数码率和传码率,在数字传输系统中，传输的效率用传输速率来衡量。传输速率有信息传输速率(数码率)和码元传输速率(传码率)两种。,数码率，也称比特率或者传信率，是指单位时间内传送的二进制比特数，记为Rb，单位为比特秒，用符号bs表示。经常还以兆比特秒和吉比特秒为单位，即用符号Mbs和Gbs表示。,传码率是码元symbol的传输速率，是指单位时间内传输码元的数目，记为RB，单位为波特(baud)。为明确起见，在给出传码率的同时，应说明码元的进制M，或者说明码元的二进制位数m，这里M2m。,数码率,R,b,和传码率,R,B,都是传输速率的指标，但两者的概念不相同，使用时不可混淆。在数值上它们可以按下式进行换算：,R,b,R,B,lb,M,R,B,m,(b/s),(1-1),式中，,M,为码元的进制数，,m,是码元的二进制位数。可以看出，在码元为二进制,(,M,2,，,m,1),时，,R,b,=,R,B,。,数码率还可以反映频带占有情况。根据数码率的定义，它可由比特数与频率之乘积来表示，这样，数码率与数字信号的传输速率之间就建立了对应关系。数码率也直接反映了数字信号所占用的频带宽度，即数码率越高，占用频带就越宽。因此，数码率有时也简称为传输速率。,2 误码率和误码秒,1)误码率Pe,误码率也叫码元过失率，是指信号传输过程中系统出现错误码元的数目与所传输码元总数之比值，即,(1-2),误码率的大小，反映了系统传输错误码元的概率大小。一般以屡次传输的平均误码率表示。,误比特率也称信息过失率或比特过失率，是指传错信息的比特数与所传输的总信息比特数之比值，即,(1-3),误比特率的大小，反映了信息在传输中由于码元的错误判断而造成的传送信息错误的大小，它与误码率从两个不同的层次反映了系统的可靠性。在二进制系统中，误码数目就等于误比特率，即,P,e,=,P,b,。但在多进制系统中，,P,e,不等于,P,b,。,2)误码秒,串行数字视频系统工作在根本上无随机噪声误码的环境下，其主要误码为脉冲误码，与随机噪声误码不同的是，它具有间隔出现的特点，一个数据字的出错会引起数百个相同数字的出错。在电视系统中关心的是节目出错的次数，而不是多少比特受到影响，因此可使用误码秒(errored seconds)来度量这种脉冲误码的特性。误码秒是指一段时间之内发生误码的秒数(errored seconds over a period of time)，适合于受脉冲干扰而产生误码的场合，尤其适合于评价由于短脉冲干扰引起视频同步信号受损而造成图像纷乱的情形。常用的参数还有上一次误码秒间隔时间time since the last errored seconds。,3.,频带利用率和功率利用率,在数字传输系统中，有时使用频带利用率和功率利用率来度量信息传输的有效性和可靠性。,频带利用率是衡量数字传输系统有效性的一个重要指标。它表示在单位时间、单位频带内传输信息的多少，即单位频带内所能实现的数码率，单位为比特秒赫兹，用符号,b,(s,Hz),表示。,一般来说，在相同信道频带宽度的条件下，系统的频带利用率越高，信息传输速率就越高，系统的有效性就发挥得越好。在二进制基带系统中，最高频带利用率,p=2b,(s,Hz),。在多进制基带系统中，频带利用率可以大于,2b,(s,Hz),。在载波传输系统中，不同的调制方式可能有不同的频带利用率，故一般常用这个指标来衡量调制方式的效率。,功率利用率是指在一定误码率的条件下，传输每比特信息所需要的最小信号平均功率。功率利用率越高，误码率越小，信息传输的可靠性就越高。,4.,信道容量,信道容量反映一个信道的传输能力，而信道的传输能力是以这个信道最大可能传输信息的速率来度量的。所以信道容量定义为信道传输速率的最大值。信道容量与数码率的区别在于，信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输能力的极限，而数码率表示实际的数据传输速率。它们采用相同的单位,b/s,。,实际的信道总是要受到各种噪声的干扰。香农,(Shannon),研究了受随机噪声干扰的信道情况，得出了计算信道容量的香农公式：,(1-4),式中：,B,为信道传输频带宽度，,S,为信号平均功率，,N,为白噪声的平均功率，,S,N,为信噪比。该式说明：信道容量,C,与信道带宽和信噪比有关，当,B,与,S,N,确定后，信道的最大信息传输速率就完全确定了。信噪比,S,N,是无量纲的数值，通常用分贝表示为,(1-5),因此在用式(1-4)计算时，要将用分贝表示的SN按式(1-6)换算为无量纲的数值：,(1-6),根据香农公式还可以得出以下重要结论：,(1)任何一个信道都有信道容量C，如果满足数码率RbC，那么在理论上存在一种方法使信源的输出能以任意小的过失概率通过信道传输；如果RbC，那么无过失传输在理论上是不可能的。,(2)当信道噪声为高斯白噪声时，式(1-4)中的噪声功率N不是常数而与带宽B有关。假设设单位频带内的噪声功率为n0(WHz)，那么噪声功率N=n0B，代入式(1-4)可得,(1-7),在,S,和,n,0,一定时，信道容量,C,随带宽,B,的增大而增大。当,B,趋于无穷大时，,C,趋于常数,1.44S,n,0,。,(3)由于信道容量就是信道的最大信息传输速率(即数码率)，C=I/T,其中I为信息量，T为传输时间，代入式(1-4)那么可得,(1-8),这说明，当,S,N,一定时，给定的数据量可以用不同的带宽,B,和时间,T,的组合来传输。,(4)在给定信道容量C的条件下，也可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输数据。假设减少带宽，那么必须发送较大的功率，即增大信噪比SN；或者，假设有较大的传输带宽信息，那么同样的C能够用较小的信号功率(即较小的SN)来传送。也就是说，当信噪比太小而不能保证通信质量时，常采用宽带系统，即用增加带宽来改善传输质量，这就是所谓用带宽换功率的方法。在带宽和信噪比的互换过程中，必须变换信号使之具有所要求的带宽，这通常是由各种类型的调制和编码来完成的。为定量说明信噪比与带宽的关系，我们设B为信道带宽，Bi为输入信号带宽，输入信噪比为SiNi，经变换器变换后，输出信噪比为SoNo，根据式(1-8)那么可以导出：,(1-9),或者,(1-10),5.编码效率,1)平均信息量,设有n个信号电平u1、u2、un，其对应的概率值分别为P1、P2、Pn，信号携带的信息量是-lbP1、-lbP2、-lbPn比特，那么信源中单位元素(符号)的平均信息量(即熵)便可由下式求出：,(1-11),这里，,H,不是一个符号或码元的表示式，而是整个信源的平均信息量，单位为比特，但它与数码中的比特有区别。信息量的比特是指真正有用的信息量，数码中的比特既包括有用的符号也包括无用的符号。,2),平均码字长度,设,N,i,为数字信号第,i,个码字,C,i,的长度,(,即二进制代码的位数,),，其相应出现的概率为,P,i,，则该数字信号所赋予的码字平均长度,N,为,(1-12),3),编码效率,由于熵是信源,u,1,、,u,2,、,、,u,n,的平均信息量，它表示真正有用的信息量，而码字的平均长度包含有用和无用的信息，这样，无论是哪一种二进制编码，其一个码字的平均码长,N,一定大于平均信息量,H,。为便于比较编码效果，引出编码效率为,(1