高清數(shù)字電視技術(shù)詳解

劉炳君

什么是數(shù)字電視？

數(shù)字電視(DTV)與模擬電視的本質(zhì)不同在于信號(hào)的表達(dá)方式?，F(xiàn)有模擬電視系統(tǒng)采用模擬電信號(hào)作為視頻/音頻信號(hào)的載體，而數(shù)字電視則以二進(jìn)制數(shù)字電信號(hào)來表達(dá)視頻和音頻。這就涉及到一個(gè)基本概念：模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。簡(jiǎn)單點(diǎn)說，模擬信號(hào)是一種波形連續(xù)的信號(hào)，它廣泛存在于自然界中：人或動(dòng)物發(fā)出的語音、自然界的風(fēng)聲、水聲，可見光等等都屬于模擬性質(zhì)的連續(xù)信號(hào)波，而傳統(tǒng)電視系統(tǒng)采用的則是模擬的電信號(hào)，從物理上看這些信號(hào)都是連續(xù)的正弦電波，通過電壓的高低幅度來表達(dá)不同的視頻和音頻信號(hào)。而數(shù)字信號(hào)則是一種離散的信號(hào)，模擬信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的源頭，任何數(shù)字信號(hào)都是從模擬信號(hào)中轉(zhuǎn)換而來的。

目前，我們所用的數(shù)字信號(hào)都是采用二進(jìn)制數(shù)，基本元素只有0和1，通過不同的組合表達(dá)不同的信息，例如，“1000，0101”與“0001，1100”兩個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)表示的就是不同的信號(hào)。從物理上看，數(shù)字信號(hào)都是方型電波的形式，只有高電平和低電平兩種概念、分別對(duì)應(yīng)1和0，而不需要考慮具體的電壓數(shù)值。

模擬信號(hào)是非常容易受干擾的，自然界的噪音、電磁輻射都會(huì)讓正弦電波發(fā)生變形，如電壓值被拉高或者被降低，所表達(dá)的信號(hào)就隨之發(fā)生變形失真。對(duì)模擬電視而言，信號(hào)失真的后果便是畫面模糊不清、出現(xiàn)各種條紋、屏幕雪花、雜音等等。此種失真幾乎都發(fā)生在信號(hào)的傳輸過程中，這是模擬電視系統(tǒng)的先天缺陷。

數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng)，雖然在傳輸過程中它受到外界的干擾程度與模擬信號(hào)相當(dāng)，電壓值一樣會(huì)被拉高或降低，但只要這種失真不超過臨界點(diǎn)，系統(tǒng)仍可以識(shí)別出該信號(hào)是1還是0；同樣，在經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后，數(shù)字信號(hào)電波的波形也會(huì)發(fā)生某些變化，但系統(tǒng)解碼時(shí)信號(hào)仍然會(huì)根據(jù)高低電平的劃分將它真實(shí)還原。不過，就此認(rèn)為數(shù)字信號(hào)一定比模擬信號(hào)清晰并不正確。只有在需要有線或無線傳輸環(huán)境下，數(shù)字信號(hào)才具有這一特性；如果不考慮傳輸環(huán)節(jié)的干擾，那么模擬信號(hào)的質(zhì)量也許會(huì)更為優(yōu)秀，理由很簡(jiǎn)單，模擬信號(hào)是真實(shí)反映自然情況的信號(hào)。

數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視相對(duì)模擬電視的巨大優(yōu)勢(shì)使之成為公認(rèn)的下一代電視系統(tǒng)，而要將數(shù)字電視變成現(xiàn)實(shí)，業(yè)界需要完成復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，而其中最重要的一環(huán)就是數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的制定。標(biāo)準(zhǔn)的作用在于定義整個(gè)數(shù)字電視系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，它的主要內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面：

第一，數(shù)字節(jié)目的前期制作

數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)主要是定義數(shù)字視頻所采用的壓縮算法。我們知道，原始拍攝的數(shù)字點(diǎn)陣信號(hào)的容量非常巨大，必須通過算法將其壓縮以利于傳輸、處理，這項(xiàng)技術(shù)有點(diǎn)類似于數(shù)碼相機(jī)中采用的JPG圖像壓縮算法。同理，數(shù)字電視要求對(duì)視頻流進(jìn)行壓縮，例如我們常說的MPEG1、MPEG2、MPEG4和RM等就是指視頻壓縮算法，其中MPEG2為DVD視頻所采用，VCD節(jié)目則采用MPEG1算法壓縮，至于MPEG4、RM格式則是網(wǎng)上非常流行的格式。理想的算法應(yīng)該在保持清晰視頻效果的同時(shí)具備盡可能高的壓縮率、同時(shí)也應(yīng)該考慮到向前兼容。目前，各數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)均采用MPEG2壓縮算法。同樣，音頻數(shù)據(jù)也需要壓縮，數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)也必須對(duì)其具體算法進(jìn)行定義。

第二，數(shù)字節(jié)目的顯示格式

例如應(yīng)該采用什么比例的播放畫面(是傳統(tǒng)的4∶3還是16∶9)，畫面的清晰度應(yīng)該多少(1920×1080還是1280×720或其他)，畫面采取何種掃描方式(是逐行掃描還是隔行掃描)，視頻流應(yīng)該以什么樣的速度播放(60幀/秒、50幀/秒還是其他)，只有這些規(guī)格完全確定之后，設(shè)備廠商才可能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)解碼芯片和數(shù)字電視機(jī)。

第三，數(shù)字節(jié)目的傳輸手段

數(shù)字節(jié)目的傳輸采用何種傳輸手段？是通過現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸、衛(wèi)星傳輸、微波傳輸還有依靠地面廣播站等等。在邏輯層面上，標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)規(guī)定載波的帶寬和頻率，信號(hào)應(yīng)采用何種調(diào)制技術(shù)進(jìn)行加載，可獲得多高的傳輸速度等等。制定數(shù)字電視的傳輸標(biāo)準(zhǔn)與制定一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)涉及到的內(nèi)容相當(dāng)，這也充分說明數(shù)字電視是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。在視頻發(fā)送端，內(nèi)容制作商選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的制作設(shè)備拍攝數(shù)字電視節(jié)目，或者是用相關(guān)設(shè)備將電影拷貝轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)格式的數(shù)字電視數(shù)據(jù)；在視頻傳輸端，芯片制造商設(shè)計(jì)出發(fā)送/接收芯片，然后傳輸設(shè)備商才能制造出相應(yīng)的電視發(fā)送/接收機(jī)；在視頻接收端，解碼芯片制造商設(shè)計(jì)出數(shù)字電視的解碼芯片，數(shù)字電

視機(jī)的控制芯片和對(duì)應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須同步設(shè)計(jì)，電視機(jī)廠商在這些產(chǎn)品基礎(chǔ)上才能制造出數(shù)字電視機(jī)。這樣，整套數(shù)字電視系統(tǒng)就可以組合并運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

三大標(biāo)準(zhǔn)解析

數(shù)字電視目前并不存在國(guó)際性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都在制定自己的專屬性標(biāo)準(zhǔn)，目前已制作完畢并投入實(shí)用的只有美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Television System Committee，先進(jìn)電視制式委員會(huì))、歐洲的DVB標(biāo)準(zhǔn)(Digital VideoBroadcasting，數(shù)字視頻廣播)和日本的ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播)三種標(biāo)準(zhǔn)，下面，我們對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

美國(guó)ATSC標(biāo)準(zhǔn)

ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)由四個(gè)部分構(gòu)成，第一層為畫面格式的定義，包括畫面的像素陣列、畫面的長(zhǎng)寬比例和視頻流的幀頻率，主要是定義數(shù)字電視畫面的顯示結(jié)構(gòu)，它包含了高清晰度的HDTV和標(biāo)準(zhǔn)清晰度的SDTV兩大格式，而這些格式又對(duì)應(yīng)不同的分辨率、不同的幀頻/掃描格式組合(見附表)。

我們可以看到，ATSC標(biāo)準(zhǔn)一共定義了6種HDTV格式和12種SDTV格式，最高規(guī)格的高清晰分辨率格式為“1920×1080、60Hz/隔行掃描”的方案，如果采用逐行方案，幀率就無法保持60Hz，因?yàn)榇藭r(shí)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過大、超出了地面廣播的傳輸能力，因此1920×1080分辨率的HDTV只有30Hz和24Hz的逐行方案。整體而言，逐行掃描在ATSC標(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)多數(shù)，使得數(shù)字電視節(jié)目與計(jì)算機(jī)的視頻顯示格式可以完美兼容、而不需要多余的轉(zhuǎn)換過程。另外，ATSC還開發(fā)出50Hz的幀頻率標(biāo)準(zhǔn)供其他國(guó)家和地區(qū)使用，其中HDTV格式的像素分辨率與附表的標(biāo)準(zhǔn)方案相同，只是將幀頻降低為“50Hz/隔行”和“25Hz/逐行”兩套方案；SDTV格式的分辨率則有較大差異，這樣做是為了適應(yīng)其他國(guó)家的實(shí)際情況。ATSC的視頻壓縮格式采用流行的MPEG2，音頻格式則為AC-3，解碼芯片的設(shè)計(jì)基本上都是現(xiàn)成的，可有效降低開發(fā)成本和難度。在傳輸方面，ATSC定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制和信道編碼方案：若采用Zenith公司開發(fā)的8-VSB傳輸模式，那么在6MHz信道的地面廣播頻道上就可實(shí)現(xiàn)19.3Mbps的傳輸速率；而如果采用適合有線電視系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)率16-VSB傳輸模式，則可以在6MHz的有線電視信道中實(shí)現(xiàn)38.6Mbps的高傳輸速率。不過，美國(guó)的有線電視業(yè)并不是采用ATSC標(biāo)準(zhǔn)定義的16-VSB模式，而是采用與之相近但不同的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這與美國(guó)有線電視產(chǎn)業(yè)的實(shí)際情況有關(guān)，我們就不做贅述。

到目前為止，ATSC推廣組織共有30個(gè)成員，其中美國(guó)國(guó)內(nèi)的成員為20個(gè)，剩余十個(gè)分別來自于阿根廷、法國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)等7個(gè)國(guó)家，我國(guó)的廣播科學(xué)研究院也參加了ATSC組織。

歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)

歐洲的DVB數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義繁多的顯示格式，而是對(duì)傳輸模式進(jìn)行詳細(xì)的定義。在格式方面，DVB的方案要顯得簡(jiǎn)潔一些。此外，DVB標(biāo)準(zhǔn)一開始并沒有打算采納方形像素的方案，后來考慮到與計(jì)算機(jī)視頻的平滑過渡，DVB標(biāo)準(zhǔn)最終仍然和ATSC一樣采納了方形像素。在系統(tǒng)層和視頻編碼部分，DVB與ATSC標(biāo)準(zhǔn)一樣都選擇MPEG-2壓縮技術(shù)，但在具體的實(shí)現(xiàn)算法上二者存在一些差異(MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)視頻算法作出具體規(guī)定)；在音頻編碼方面，DVB標(biāo)準(zhǔn)選擇了MPEG-2(ATSC標(biāo)準(zhǔn)采納AC-3)，這讓它的解碼芯片設(shè)計(jì)更加省事。為了確保數(shù)據(jù)傳輸不失真，DVB和ATSC都采用“里德-所羅門前向糾錯(cuò)(FEC)”技術(shù)，但二者所采用的冗余度和糾錯(cuò)過程都有一定的差異。

歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)在傳輸模式方面與美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)差異甚大，DVB傳輸系統(tǒng)涉及衛(wèi)星、有線電視、地面廣播、SMATV、MMDS微波等所有傳輸媒體，并分別衍生了包括DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC在內(nèi)的6個(gè)子協(xié)議，它們所采用的信號(hào)調(diào)制技術(shù)與ATSC有很大的不同。

日本ISDB標(biāo)準(zhǔn)

日本的ISDB標(biāo)準(zhǔn)更多考慮到電視方面的應(yīng)用而未顧及與計(jì)算機(jī)的兼容，在它所定義的各項(xiàng)畫面格式中，隔行掃描占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)，適應(yīng)計(jì)算機(jī)顯示器的逐行掃描只有兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，而且最高分辨率只局限于1280×720?；蛟S，日本的產(chǎn)業(yè)界更多考慮到計(jì)算機(jī)顯示器的實(shí)際情況，畢竟沒有多少家用PC的顯示器可以支持1920×1080的高分辨率，1280×720規(guī)格已足夠使用。在視頻和音頻壓縮技術(shù)上，ISDB也采用了流行的MPEG2；傳輸模式則以地面廣播ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)。ISDB-T其實(shí)可以說是歐洲的DVB-T規(guī)格的修改版，它同樣采用COFDM正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，糾錯(cuò)模式也如出一轍，只是因日本電視射頻的帶寬為6MHz，所以二者的載波數(shù)和載波間隔等參數(shù)有所差別，大家可以從上表的比較中看出電子數(shù)字成像來。目前，ISDB共有40個(gè)成員、它們均為日本的電子公司和廣播機(jī)構(gòu)，該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于日本地區(qū)。

等離子電視、液晶電視是數(shù)字電視嗎?

目前，在全國(guó)各大城市的家電商場(chǎng)中都可以看到超薄型等離子體電視和液晶電視的身影，它們的共同特點(diǎn)是基于數(shù)字顯示方式，分辨率可達(dá)到800×600，用戶可以將電腦主機(jī)與等離子體電視或液晶電視連接起來實(shí)現(xiàn)畫面的顯示輸出。許多人認(rèn)為，這些價(jià)格昂貴、超薄機(jī)體并擁有大屏幕的產(chǎn)品就是數(shù)字電視機(jī)，這其實(shí)是一種很大的誤解。等離子體電視、液晶電視是按照畫面顯示的原理來命名，而數(shù)字電視對(duì)應(yīng)的是視頻信號(hào)的接收、解碼等步驟，在最終顯示輸出部分既可以選擇等離子體、液晶等顯示技術(shù)，也可以選擇模擬機(jī)制的CRT顯示技術(shù)。事實(shí)上，現(xiàn)在市面上的等離子體電視和液晶電視都屬于模擬電視系統(tǒng)，它接收的視頻信號(hào)為傳統(tǒng)的模擬信號(hào)，只是電視機(jī)內(nèi)有模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后才在屏幕上顯示，我們切不可將二者與數(shù)字電視混為一談。

數(shù)字電視、機(jī)頂盒與模擬電視

我們常?？梢钥吹?，許多媒體都將數(shù)字電視與機(jī)頂盒相提并論，但在本文介紹的純數(shù)字電視系統(tǒng)中，并沒有機(jī)頂盒的身影，那么，它到底起什么作用呢?答案是：兼容。眾所周知，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上并沒有真正的數(shù)字電視機(jī)。一些廠商大力宣揚(yáng)的數(shù)字電視只是利用數(shù)字技術(shù)提升畫面質(zhì)量而已、本質(zhì)上仍屬于模擬電視體系。那么，如果電視臺(tái)要試播出某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視節(jié)目，而用戶家用又都是模擬電視機(jī)、根本不可能直接接收，開播數(shù)字電視豈非毫無意義?為此，業(yè)界提出了數(shù)字機(jī)頂盒的中介方案：機(jī)頂盒內(nèi)部邏輯主要由解碼芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和嵌入式系統(tǒng)組成，它可以直接接收數(shù)字電視信號(hào)，然后再由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電視機(jī)可以接收到的模擬信號(hào)，通過它的轉(zhuǎn)接、傳統(tǒng)的模擬電視機(jī)便都能接收數(shù)字電視節(jié)目。顯然，機(jī)頂盒只是過渡的中轉(zhuǎn)方案，而多數(shù)模擬電視機(jī)的清晰度并不高，即便是價(jià)格昂貴的等離子體電視和液晶電視，它們的垂直分辨率也多數(shù)不超過500線、最多只能接收標(biāo)準(zhǔn)分辨率的數(shù)字電視而已，離真正的HDTV還有很大的差距。倘若家中使用的是老式的CRT電視，配上機(jī)頂盒也無法感受到數(shù)字電視的清晰度優(yōu)勢(shì)，充其量只能獲得視頻點(diǎn)播功能而已。在數(shù)字節(jié)目源稀少的情況下，這項(xiàng)功能并沒有多大的吸引力，加上機(jī)頂盒的價(jià)格并不便宜，在市場(chǎng)中飽受冷遇。

數(shù)字電視的清晰度最高可達(dá)1920×1080，而目前4.7GB容量的DVD盤片也只能裝載2小時(shí)左右的720×480分辨率MPEG2視頻，若要存儲(chǔ)同樣時(shí)間的1920×1080高分辨率視頻，光盤的容量至少增加4～5倍才行，為此，制定下一代DVD光存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的工作也被提到日程。該消息傳出之后，許多業(yè)內(nèi)人士感到萬分不解，因?yàn)閷?duì)PC來說，DVD提供的4.7GB存儲(chǔ)容量非常足夠，而DVD影片的清晰度看起來也相當(dāng)棒，急忙制定下一代DVD看起來有點(diǎn)不可思議。其實(shí)，真正的原因在于承載高清晰度數(shù)字電視節(jié)目的迫切需求，因日本在數(shù)字電視方面普及迅速，該國(guó)的光存儲(chǔ)工業(yè)也最為發(fā)達(dá)，下一代DVD很大程度上是由日本的電子企業(yè)主導(dǎo)。不過，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，各個(gè)廠商因利益分歧導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了分裂，以索尼、松下和飛利浦(荷蘭)為代表的Blu-ray Disc陣營(yíng)和東芝、NEC主導(dǎo)的HDDVD(原名AOD)形成尖銳的對(duì)抗。