第一讲 数字电视概论

数字电视原理

主讲：蔡伟Email：caiwei960@126.com2009～2010学年第二学期第一讲数字电视概论PrincipleofDigitalTelevision教学要求：了解三大彩色电视制式的特点及缺陷；理解数字电视的概念、分类及优点；掌握视频信号的采样、量化及编码；掌握数字电视系统的结构;了解数字电视的发展。1、电视技术的发展历程尼普柯夫圆盘

黑白电视彩色电视数字电视电视的发展50年代，首先黑白电视60年代末，彩色电视80年代，D2MAC尝试对传统模拟电视改变，但没有成功。日本和美国尝试HDTV传输，但最终也没有获得期望的成功。90年代初，在演播室中使用未压缩的CCIR601数字电视信号。（270Mbit/s～800Mbit/s，信道传输必须压缩）电视技术是20世纪人类最伟大的发明之一电视是人类进行信息传播变革中影响最大的研究成果。电视技术是现代科学技术最先进研究成果的集合体。早期电视和数据传输是两种不同系统，现在电视和计算机趋于融合。95年以后数字电视时代，电视和数据服务已经完全融和在一起。信息化时代的海量数据：GSM：9600bit/sUMTS：2Mbit/sISDN：2x64kbit/sSDTV：270Mbit/sHDTV：800Mbit/s电视的诞生－1基石：1883年圣诞节，德国的P.Nipkow发明“尼普柯夫圆盘”使用机械扫描方法，作了首次发射图像传送的实验。每幅画面有24行扫描线，图像相当模糊。“尼普柯夫圆盘”上螺旋形排列着一些孔洞，当这个盘子旋转时，通过每个孔洞可以浏览一幅图像的一行，光线透过这个孔洞照在这幅图像便完成了一次行扫描，硒光电池将图像的反射光转变成电信号，下一个孔洞顺序扫描紧挨着的那部分图像，直到完整的图像全部被扫描。电视的诞生－2理论基础：1908年，英国肯培尔•斯文顿、俄国罗申克夫提出电子扫描原理，奠定了近代电视技术的理论基础。1923年，美籍俄国人兹沃尔金（V.K.Zworykin）发明静电积贮式摄像管，后来又发明电子扫描式显像管，这是近代电视摄像术的先驱。1929年11月18日，Zworykin示范他的全部电子电视接收器。V.K.Zworykin

1939年前后使用的电视显象管和摄像管

电视的诞生－31925年，英国的贝尔德（J.L.Baird）根据“尼普科夫圆盘”进行了新的研究工作，发明机械扫描式电视摄像机和接收机。当时画面分辨率仅30行扫描线，扫描器每秒只能5次扫过扫描区，画面本身仅有2英寸高、1英寸宽。1926年，贝尔德向英国报界作了一次播发和接收电视的表演，开创了电视技术研究的先河。1927～1929年，贝尔德通过电话电缆首次进行机电式电视试播，并进行短波电视试验，英国广播公司开始试验播发电视节目。

1936年11月2日是一个值得纪念的日子，位于英国市郊的亚历山大宫的英国广播公司电视台开始正式播出。这是世界上第一座正式开播的电视台，人们把这一天作为电视事业的开端。英国正式开播的电视在开始时仍为机电系统，4个月后被电子系统取代。1941年，美国国家电视标准委员会确定美国的电视技术标准为每秒30帧、每帧525行。同年7月1日，美国联邦通信委员会正式批准建立美国第一座电视台全国广播公司的纽约WNBT电视台。

电视图像的彩色化电视也同电影一样，经历了一个由黑白到彩色的发展过程，美国是世界上最早播出彩色电视节目的国家。1953年，美国国家电视制式委员会提出NTSC(NationalTelevisionSystemCommittee)制。1954年美国全国广播公司、哥伦比亚广播公司，采用NTSC制式首次播出彩色电视节目。日本、加拿大分别于1957、1966年采用同一制式播出。1956年，法国提出SECAM(SEquential

CouleurAvecMemoire)制。1960年，联邦德国提出PAL(PhaseAlternationLine-by-Line)制。为便于转播和交换节目，各国曾多次讨论统一电视制式问题，但由于政治及经济等方面的原因，始终未能达成一致。于是，国际上便形成了3种彩色电视制式同时并存的局面。彩色电视机在哪国使用必须符合该国的黑白体制、彩色制式及频道划分，还要注意电源标准（有110伏/60赫与220伏/50赫之分），这样才能保证接收机安全可靠地接收到良好的彩色图像和伴音。目前世界上采用PAL制的国家最多。中国所采用的电视制式为PAL/D，国家标准为：每帧扫描625行，每秒25帧。

卫星广播电视的出现

1962年，美国发射“电星一号”通信卫星，进行了横跨大西洋的电视节目传送实验，这是一颗低轨道卫星，使用起来受到许多限制。1963年，美国发射了世界第一颗同步通信卫星“同步二号”。1964年，国际通信卫星组织的第一颗商用通信卫星“国际通信卫星一号”启用，使世界正式进入了卫星通信时代，国际间进行电视节目的传送和转播成为现实。1969年7月20日阿波罗11号的整个登月过程就是通过卫星传送49个国家，有7.2亿人同时收看到了这个节目。

高清晰度电视(HDTV)电视画面同电影(35mm)相比还显得很粗糙，这是因为目前构成电视画面的像素较少的缘故。因而，人们又研制出高清晰度电视。“高清晰度”指与现行电视相比，其水平和垂直方向的图象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕显示器近距离观看时，图象细腻逼真，无闪烁和粗糙感，并配以数字环绕音响伴音。采用16:9的宽高比作为世界标准。我国HDTV标准为1920×1080i，每帧图像有207万个像素。

高清晰度电视(HDTV)在HDTV的发展进程中，经历了一个由模拟向数字转化的过程。日本早在1985年就建立了1125线、每秒60帧的MUSE制式(全视频带宽30MHz)的HDTV。但日本人在把所有的精力放在努力去完善模拟电视的清晰度同时，却忽视了数字技术发展的大趋势。IEEE的MPEG专家组制订的MPEG-2标准和先进的数字通信技术，使得带宽高达20MHz的HDTV信号可以在6MHz左右的现行传输信道不失真地传送。美国的全数字高清晰度电视已达到实用化。1998年9月8日至12日，中央电视台利用我国研制成功第一套数字高清晰度电视系统试验发射了数字高清晰度电视节目，成为继美国、欧洲和日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。国庆50周年庆典上，我国在北京试播了高清晰度数字电视，在技术标准上实现了ATSC和DVB（美、欧两大阵容）标准兼容。

1.1模拟彩色电视制式1953年，美国国家电视制式委员会提出NTSC(NationalTelevisionSystemCommittee)制。1954年美国全国广播公司、哥伦比亚广播公司，采用NTSC制式首次播出彩色电视节目。日本、加拿大分别于1957、1966年采用同一制式播出。1956年，法国提出SECAM(SEquential

CouleurAvecMemoire)制。1960年，联邦德国提出PAL(PhaseAlternationLine-by-Line)制。为便于转播和交换节目，各国曾多次讨论统一电视制式问题，但由于政治及经济等方面的原因，始终未能达成一致。于是，国际上便形成了3种彩色电视制式同时并存的局面。彩色电视机在哪国使用还要注意电源标准（有110伏/60赫与220伏/50赫之分），这样才能保证接收机安全可靠地接收到良好的彩色图像和伴音。目前世界上采用PAL制的国家最多。中国所采用的电视制式为PAL/D，国家标准为：每帧扫描625行，每秒25帧。1.模拟彩色电视制式的相似性电视制式是指一个电视系统中，扫描参数(如625行/50场/2：1)、图像格式、视频带宽(如6MHz)、射频带宽(如8MHz)、调制极性、声音载频与图像载频以及调制方式等参数的综合。2.

三大制式的不兼容性三大制式主要在以下几个方面不兼容。(1)频道带宽不同。NTSC使用6MHz频道宽度；而PAL有6MHz，7MHz和8MHz几种带宽；SECAM带宽为8MHz。(2)视频信号带宽不同。NTSC使用4.2MHz带宽；PAL使用4.2MHz，5MHz，5.5MHz和6MHz带宽，SECAM使用6MHz。(3)信号的行结构不同。NTSC采用每帧525行，每秒30帧；PAL和SECAM使用每帧625行，每秒25帧。因此行频也不同。(4)色副载波不相兼容。NTSC使用3.579545MHz，PAL使用4.43361875MHz，SECAM使用两个副载波4.40625MHz和4.250MHz。(5)声音载波的偏置不相同。在NTSC中声音载波的偏置为4.5MHz；在PAL中为5.5MHz或6MHz，取决于PAL的类型；SECAM使6.5MHz。3.模拟电视制式的缺陷(1)亮度分解力不足(2)色度分解力不足(3)亮色互串(4)电视信号的时间利用率不充分(5)声音信号只有单声道(6)不适合磁带节目的多带复制(7)宽高比不适合人眼的视觉特性1.2数字电视的概念是指一个从节目摄制、制作、编辑、存储、发射、传输，到信号接收、处理、显示等过程完全数字化的电视系统。1.3数字电视的分类LDTV:352*240VCDSDTV:720*576演播室水平HDTV:1920*108035mm电影HDTV:是一个透明的系统，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。1.4数字电视的优点：信号抗干扰能力强；易于保存和复制；充分利用信道容量，增加节目频道；可移动接收；易于实现加密/解密和加扰/解扰处理；数字特技；交互；多种信息服务；彩色逼真，无窜色；5.1声道环绕立体声。1.5采样1.5.1概念：把时间上连续的模拟信号变成时间上离散的有限个样值。1.5.2采样结构：取样点在空间与时间上的相对位置1.5.3采样结构的类型：正交结构和行交叉结构正交结构：在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列行交叉结构：每行内的取样点数为整数加半个为了保证取样结构是正交的，要求行周期TH必须是取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs应等于行频fH的整数倍，即1．4∶2∶2格式在4∶2∶2格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即2．4∶4∶4格式在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率与亮度信号取样频率相同，即亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比为3．4∶2∶0格式本格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即4．4∶1∶1格式在4∶1∶1格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即1.8量化量化就是把幅度连续变化的信号变换为幅度离散的信号，这是模拟信号到数字信号的映射变换。显然，一个量化器只能取有限多个量化级，因此量化过程将不可避免地带来量化误差。设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一量化间隔ΔA是相等的，共分为M级，设M=2n，其中n为量化比特数，即A=M×ΔA=2n×ΔAM和n的取值主要是由量化信噪比决定的。视频信号的信噪比：10.8+6n音频信号的信噪比：1.76+6n按量化间隔是否均匀，分为线性量化（均匀量化）和非线性量化（非均匀量化）按归并方式，分为舍入量化和截尾量化。1.9电视信号的量化1.9.1量化前的归一化处理在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和E(B-Y)进行量化和编码前，必须进行归一化处理。由电视原理可知，亮度和色差信号的构成如下： 令信号值归一化(即最大电平为1.0V)，则100％彩条信号的各值如表2-2所示。2.码电平分配及数字表达式(1)亮度信号量化后码电平分配在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的量化级，其二进制的范围是00000000～11111111，相应的十进制范围为0～255。(2)色差信号量化后码电平分配色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB的动态范围为-0.5～0.5，让色差零电平对应码电平256÷2=128，色差信号总共占225个量化级。(3)码电平数字表达式 亮度和色差信号量化以后取其最邻近的整数作为码电平值，其数字化表达式为DY=INT［(219EY+16)×2n-8］DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］

其中n为量化比特数，符号INT［］表示对［］中的小数部分四舍五入取整数。1.10数字电视系统简介一个典型的数字电视广播网络系统如图1-1所示。图1-1数字电视广播网络系统框图数字电视广播系统框图如图1-2所示。图1-2数字电视广播系统框图(1)数字演播室系统。(2)视、音频信号的压缩编码部分。(3)系统业务复用部分。(4)信道编码部分。(5)调制传输部分。1.11数字电视的发展第一个阶段为个别电视设备的数字化阶段。第二个阶段为全功能数字电视演播室阶段。第三个阶段为数字视频广播阶段。