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摘要：本文详细分析了数字电视系统中的关键技术及其相关标准，并对现有标准进行了分析比较。
关键词：信源编解码；复用；调制；电视标准
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)19-30155-02
Discusses the Key Technique and Standard of Digital TV System
LIU Ya-feng
(Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221008, China)
Abstract: In this paper , it analyzes the key technique and standard of digital TV system.and contrast the current digital TV standard.
Key words: signal source encode and signal source decode; multiplexing; modulate; Standard of Digital TV
1 引言
数字电视（Digital TV）是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字化的数字电视广播系统。 目前用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：数字信号处理技术（DSP）、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：地面广播传输、有线电视（或光缆）传输、卫星广播（DSS）及宽带综合业务网（ISDN）、DVD等；用于接受显示的手段有：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示（包括前投、背投）等。以上所述的各种手段中包括了数字电视系统中各种主要的技术，全数字高清淅度电视对各种技术要求更高。
2 数字电视系统的关键技术与标准
2.1数字电视的信源编解码技术
数字电视的信源编解码技术包括视频压缩编解码技术及音频压缩编解码技术。
2.1.1 视频编解码技术
数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1920×1080显示格式下，数字化后的码率在传输中高达995Mbit/s，这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象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20～30Mbit/s。视频编码计算时主要有以下客观依据：（1）图像时间的相关性。视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量；（2）图像空间的相关性。例如图像中有一大块单一颜色，那么不必把所有像素存贮；（3）人眼的视觉特性。人眼对原始图像各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的压缩处理；（4）事件间的统计特性。发生概率大的符号用短码字表示，发生概率小的符号用长码字表示，从而使平均码长最短。
2.1.2 音频编解码技术
与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。 音频信号的压缩编码主要利用了人耳的听觉特性。（1）听觉的掩蔽效应。在人的听觉上，一个声音的存在掩蔽了另一个声音的存在，掩蔽效应是一个较为复杂的心理和生理现象，包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应；（2）人耳对声音的方向特性。对于2KHZ以上的高频声音信号，人耳很难判断其方向性，因而立体声广播的高频部分不必重复存贮。
2.1.3 信源编解码的相关标准
国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的H.261、主要用于静止图像的JPMG标准和主要用于连续图像的MPEG标准。
在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本都采用MPEG-2标准。MPEG压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。但随着技术的进步，国际上正在考虑用MPEG-4 AVC来代替目前的MPEG-2。 中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。该标准与MPEG-2标准完全兼容，也可以兼容MPEG-4 AVC/ H.264国际标准基本层，其压缩水平据称可达到MPEG-2标准的2-3倍，而与MPEG-4 AVC相比，AVS更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。
2.2 数字电视的复用系统
数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。目前网络通信的数据都是按一定格式打包传输的。HDTV数据的打包将使其具备了可扩展性、分级性、交互性的基础。 HDTV数据包长度是188个字节，正好是ATM信元的整数倍。今后以光纤为传输介质，以ATM为信息传输模式的宽带综合业务数字网将成为未来"信息高速公路"的主体设施。在HDTV复用传输标准方面，美国、欧洲、日本都采用了MPEG-2标准。美国已有了MPEG-2解复用的专用芯片。我国也采用MPEG-2作为复用传输的标准。
2.3 数字电视的信道编解码及调制解调
数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目前各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。
数字传输的常用调制方式：
正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好，适合地面广播。编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。
3 世界上现有的主要数字电视标准
3.1 美国数字电视标准ATSC
美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，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6MHz，调制采用8VSB。美国的卫星广播电视采用QPSK调制，有线电视采用QAM或VSB调制。
ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、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。下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV；还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种)，其中14种采用逐行扫描方式。
另外，ATSC还开发并通过了可为采用50Hz帧频的国家使用的另行标准。HDTV格式的象素阵列相同，但帧频为25Hz和50Hz；SDTV格式的垂直分辨率为576行，水平分辨率则不同；也包含352×288格式，适应必要的窗口设置。
3.2 欧洲数字电视标准DVB
欧洲数字电视标准为DVB，即Digital Video Broadcasting，数字视频广播。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，8M带宽。欧洲有线数字电视采用QAM调制。
DVB-T(ETS 300 744)为数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的DVB传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用编码正交频分复用(COFDM)调制方式，在8M Hz带宽内能传送4套电视节目，传输质量高；但其接收费用高。
DVB-S(ETS 300 421)为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式时，用户端若达到CCIR 601演播室质量，码率为9Mb/s；达到PAL质量，码率为5Mb/s。一个54MHz转发器传送速率可达68Mb/s，可用于多套节目的复用。DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。
DVB-C(ETS 300 429) 为数字有线电视广播系统标准。它具有16、32、64QAM(正交调幅)三种调制方式，工作频率在10GHz以下。采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mb/s，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。
3.3 日本数字电视的标准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年发布了数字电视的标准--ISDB。ISDB是日本的DIBEG(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具有柔软性、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它数据业务。
3.4 DVB与ATSC的比较
欧洲DVB标准和美国ATSC标准的主要区别如下：
方形像素：在ATSC标准中采纳了“方形像素”,因为它们更加适合于计算机；而DVB标准最初没有采纳，最近也采纳了。此外，范围广泛的视频图像格式也被DVB采纳，而ATSC对此则不作强制性规定。
系统层和视频编码：DVB和ATSC标准都采纳MPEG-2标准的系统层和视频编码，但是，由于MPEG-2标准并未对视频算法作详细规定，因而实施方案可以不同，与两个标准都无关。
音频编码：DVB标准采纳了MPEG-2的音频压缩算法；而ATSC标准则采纳了AC-3的音频压缩算法。
信道编码：两者的扰码器采用不同的多项式；两者的前向纠错（FEC）编码采用不同的冗余度，DVB标准用16B，而ATSC标准用20B；两者的交织过程不同。
在DVB标准中网格编码有可选的不同速率，而在ATSC标准中地面广播采用固定的2/3速率的网格编码，有线电视则不需采用网格编码。
调制技术：卫星广播系统中DVB标准采用QPSK，而ATSC标准不涉及卫星广播。有线电视系统中DVB标准采用任选的16/32/64QAM，而ATSC标准采用16VSB，两者完全不同。地面广播系统中DVB标准采用具有QPSK、16QAM或64QAM的COFDM；而ATSC标准采用8VSB。
4 结束语
电视对于当今任何国家来说，都是最重要的消费电子产品。近年技术上的进展，特别是数字编码、数字传输、集成电路和显示器件等方面的实用技术突破，已逐步形成世界范围内的数字高清晰度电视市场。随着数字电视走入消费市场，将带动一系列相关产品的高速发展。更为重要的是数字电视在很大程度上扩展了电视广播的功能和用途，为"三机合一"、"三网合一"提供了技术上的可能性，随着时间推移，其外延及派生出的各种数字化产品将难以预料，其潜在商机是无限的。它将毫无疑问的改变人们进行生产、流通、学习、娱乐和交流的方式，使我国的电子信息产业走入一个全新的阶段，创造巨大的经济及社会效益。
参考文献：
[1] 鲁业频.数字电视技术[M].合肥工业大学出版社,2006.
[2] 刘大会.数字电视实用技术[M].北京邮电大学出版社,2007.
关键词：信源编解码；复用；调制；电视标准
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)19-30155-02
Discusses the Key Technique and Standard of Digital TV System
LIU Ya-feng
(Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221008, China)
Abstract: In this paper , it analyzes the key technique and standard of digital TV system.and contrast the current digital TV standard.
Key words: signal source encode and signal source decode; multiplexing; modulate; Standard of Digital TV
1 引言
数字电视（Digital TV）是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字化的数字电视广播系统。 目前用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机；用于数字信号处理的手段有：数字信号处理技术（DSP）、压缩、解压、缩放等技术；用于传输的手段有：地面广播传输、有线电视（或光缆）传输、卫星广播（DSS）及宽带综合业务网（ISDN）、DVD等；用于接受显示的手段有：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示（包括前投、背投）等。以上所述的各种手段中包括了数字电视系统中各种主要的技术，全数字高清淅度电视对各种技术要求更高。
2 数字电视系统的关键技术与标准
2.1数字电视的信源编解码技术
数字电视的信源编解码技术包括视频压缩编解码技术及音频压缩编解码技术。
2.1.1 视频编解码技术
数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1920×1080显示格式下，数字化后的码率在传输中高达995Mbit/s，这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象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20～30Mbit/s。视频编码计算时主要有以下客观依据：（1）图像时间的相关性。视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量；（2）图像空间的相关性。例如图像中有一大块单一颜色，那么不必把所有像素存贮；（3）人眼的视觉特性。人眼对原始图像各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的压缩处理；（4）事件间的统计特性。发生概率大的符号用短码字表示，发生概率小的符号用长码字表示，从而使平均码长最短。
2.1.2 音频编解码技术
与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。 音频信号的压缩编码主要利用了人耳的听觉特性。（1）听觉的掩蔽效应。在人的听觉上，一个声音的存在掩蔽了另一个声音的存在，掩蔽效应是一个较为复杂的心理和生理现象，包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应；（2）人耳对声音的方向特性。对于2KHZ以上的高频声音信号，人耳很难判断其方向性，因而立体声广播的高频部分不必重复存贮。
2.1.3 信源编解码的相关标准
国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的H.261、主要用于静止图像的JPMG标准和主要用于连续图像的MPEG标准。
在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本都采用MPEG-2标准。MPEG压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。但随着技术的进步，国际上正在考虑用MPEG-4 AVC来代替目前的MPEG-2。 中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。该标准与MPEG-2标准完全兼容，也可以兼容MPEG-4 AVC/ H.264国际标准基本层，其压缩水平据称可达到MPEG-2标准的2-3倍，而与MPEG-4 AVC相比，AVS更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。
2.2 数字电视的复用系统
数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。目前网络通信的数据都是按一定格式打包传输的。HDTV数据的打包将使其具备了可扩展性、分级性、交互性的基础。 HDTV数据包长度是188个字节，正好是ATM信元的整数倍。今后以光纤为传输介质，以ATM为信息传输模式的宽带综合业务数字网将成为未来"信息高速公路"的主体设施。在HDTV复用传输标准方面，美国、欧洲、日本都采用了MPEG-2标准。美国已有了MPEG-2解复用的专用芯片。我国也采用MPEG-2作为复用传输的标准。
2.3 数字电视的信道编解码及调制解调
数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目前各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。
数字传输的常用调制方式：
正交振幅调制（QAM）：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。键控移相调制（QPSK）：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。残留边带调制（VSB）：抗多径传播效应好，适合地面广播。编码正交频分调制（COFDM）：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。
3 世界上现有的主要数字电视标准
3.1 美国数字电视标准ATSC
美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，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6MHz，调制采用8VSB。美国的卫星广播电视采用QPSK调制，有线电视采用QAM或VSB调制。
ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、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。下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV；还确定ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种)，其中14种采用逐行扫描方式。
另外，ATSC还开发并通过了可为采用50Hz帧频的国家使用的另行标准。HDTV格式的象素阵列相同，但帧频为25Hz和50Hz；SDTV格式的垂直分辨率为576行，水平分辨率则不同；也包含352×288格式，适应必要的窗口设置。
3.2 欧洲数字电视标准DVB
欧洲数字电视标准为DVB，即Digital Video Broadcasting，数字视频广播。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，8M带宽。欧洲有线数字电视采用QAM调制。
DVB-T(ETS 300 744)为数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的DVB传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用编码正交频分复用(COFDM)调制方式，在8M Hz带宽内能传送4套电视节目，传输质量高；但其接收费用高。
DVB-S(ETS 300 421)为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式时，用户端若达到CCIR 601演播室质量，码率为9Mb/s；达到PAL质量，码率为5Mb/s。一个54MHz转发器传送速率可达68Mb/s，可用于多套节目的复用。DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。
DVB-C(ETS 300 429) 为数字有线电视广播系统标准。它具有16、32、64QAM(正交调幅)三种调制方式，工作频率在10GHz以下。采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mb/s，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。
3.3 日本数字电视的标准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年发布了数字电视的标准--ISDB。ISDB是日本的DIBEG(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具有柔软性、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它数据业务。
3.4 DVB与ATSC的比较
欧洲DVB标准和美国ATSC标准的主要区别如下：
方形像素：在ATSC标准中采纳了“方形像素”,因为它们更加适合于计算机；而DVB标准最初没有采纳，最近也采纳了。此外，范围广泛的视频图像格式也被DVB采纳，而ATSC对此则不作强制性规定。
系统层和视频编码：DVB和ATSC标准都采纳MPEG-2标准的系统层和视频编码，但是，由于MPEG-2标准并未对视频算法作详细规定，因而实施方案可以不同，与两个标准都无关。
音频编码：DVB标准采纳了MPEG-2的音频压缩算法；而ATSC标准则采纳了AC-3的音频压缩算法。
信道编码：两者的扰码器采用不同的多项式；两者的前向纠错（FEC）编码采用不同的冗余度，DVB标准用16B，而ATSC标准用20B；两者的交织过程不同。
在DVB标准中网格编码有可选的不同速率，而在ATSC标准中地面广播采用固定的2/3速率的网格编码，有线电视则不需采用网格编码。
调制技术：卫星广播系统中DVB标准采用QPSK，而ATSC标准不涉及卫星广播。有线电视系统中DVB标准采用任选的16/32/64QAM，而ATSC标准采用16VSB，两者完全不同。地面广播系统中DVB标准采用具有QPSK、16QAM或64QAM的COFDM；而ATSC标准采用8VSB。
4 结束语
电视对于当今任何国家来说，都是最重要的消费电子产品。近年技术上的进展，特别是数字编码、数字传输、集成电路和显示器件等方面的实用技术突破，已逐步形成世界范围内的数字高清晰度电视市场。随着数字电视走入消费市场，将带动一系列相关产品的高速发展。更为重要的是数字电视在很大程度上扩展了电视广播的功能和用途，为"三机合一"、"三网合一"提供了技术上的可能性，随着时间推移，其外延及派生出的各种数字化产品将难以预料，其潜在商机是无限的。它将毫无疑问的改变人们进行生产、流通、学习、娱乐和交流的方式，使我国的电子信息产业走入一个全新的阶段，创造巨大的经济及社会效益。
参考文献：
[1] 鲁业频.数字电视技术[M].合肥工业大学出版社,2006.
[2] 刘大会.数字电视实用技术[M].北京邮电大学出版社,2007.