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了解数字电视与清晰度的基本知识

2013-11-12 23:30:53点击:
  随着各地方广电部门相继推出自己的数字电视整体平移计划,数字电视与我们广大消费者已经越来越近,所以有必要了解一些数字电视的基本知识,及其会带给我们什么样的享受。这篇文章将讨论一下数字电视与清晰度的关系。 
什么是数字电视 
     数字电视的含义不仅是指我们一般人家中的电视接收机,而是包含了从摄制、发送、传输到接收的全过程。摄像机摄制的节目经过电视台的后期制作后,由电视台送出图像及声音信号,经数字压缩和数字调制后,形成数字电视信号,经过空中无线方式或电缆有线方式传送,由数字电视接收机接收后,通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因此,数字电视就是在电视台播出节目和电视机接收节目全过程都采用数字技术进行处理的电视系统。下面我们分别介绍不同过程对数字电视清晰度的影响。 
源头:数字摄像 
     摄像机技术的发展是伴随着半导体技术和集成电路技术的进步而发展的。摄像机的功能是完成光电转换,这就说明摄像机是由光学系统和电路处理系统两部分来组成,在两个系统之间起连接作用的就是极为重要的光电转换器件CCD。摄像机的分辨率在镜头的分辨率与视频信号带宽保证的前提下,主要取决于图像传感器CCD的像素数,象素越多、带宽越宽,清晰度就越高。 
     电路系统实际上是对由CCD转换成的电信号进行各种处理和控制的系统。数字摄像机相对于模拟摄像机而言,关键部分就在这一处理过程中应用了全数字技术,相对于模拟信号处理更加优越与细致。这包括黑电平处理、伽玛校正、轮廓信号校正、彩色校正、拐点/自动拐点处理等等。 
     摄像机一般使用分解力一词来衡量它“分解被摄景物细节”的能力。单位是“电视行”,也称线。它会随CCD象素数的多少及视频带宽而变化。一般家用摄像机V8、Hi8、D8均使用8mm带宽的录像带,但各自的水平分解力不一样,分别为270、400、500线。V8、Hi8属于模拟摄像机,而D8属于数字摄像机。用于录制电视节目的称为广播级摄像机,其图像质量非常高,性能全面,但价格比较贵。目前电视台用于录制模拟电视节目的摄像机的水平分解力已经超过了800线,可以满足标准清晰度数字电视(SDTV)节目的播出要求。 
     高清晰度摄像机作为提供高清信号的源头,其性能指标将影响到整个高清电视系统的图像质量,构成了整个HDTV端到端系统的首个重要环节。其结构大致如下:首先由高解像度的CCD(一般在两百万像素以上)获得模拟分量信号,分别按特定的高清格式进行A/D转换后获得数字分量信号,再经由内置的数字处理电路进行各种信号处理后与音频码流复用混合,由SDI接口输出未经压缩的基带数字信号。分解力需要达到1920X1080线,宽高比为16:9。 
过程:数字传输 
     电视节目传输的数字化是将传送媒体的通道数字化,即进行数字化的信道编码和调制,数字电视传输系统性能的优越性主要来源于信道编码和信号调制方式的选择。数字化后的电视信号在传输过程中,噪声不会产生积累,各用户的信号质量一样,提高了传输质量。 
     由于无线电频谱资源的有限性,用于传送电视节目的频谱范围是有限制的,比如我国分配给电视专用的频谱为48.5MHz~958MHz,同时按8MHz的信道宽度分配给不同的电视频道。由于需要兼容现有模拟电视系统,数字电视信道的带宽根据各个国家的规定分为6MHz、7MHz和8MHz三种。系统设计者必须考虑在这有限的带宽中尽量提高有效性和可靠性,而这两者实际是一对矛盾。
    决定电视清晰度的重要参数是行频率和视频传输系统的频带宽度,目前我国PAL制电视标准规定行周期为64μs,有效行时间为52.2μs,标称视频带宽为6MHz。假设水平方向扫过一个象素的时间为td,当显示如下图所示的H型图案时,图像信号的频率达到最大,其周期为2td,所以我国现行模拟电视标准可达到的最高垂直清晰度=52.2(μs)×2×6(MHz)×3/4≈469行(宽高比为4:3)。 
过程处理 
     若仅在模拟电视信号的基础上经过采样和量化,得到的数字电视信号的数据量将大得惊人。国际无线电咨询委员会(CCIR)在1986年公布了601和605号建议,推荐使用4:2:2的采样格式,亮度信号Y的采样频率选择为13.5MHz,而色差信号Cr和Cb的采样频率选择6.75MHz/s,量化值为8比特/样本,得到总的数据传输率为216Mb/s(兆比特/秒)。若将其应用到高清晰度数字电视上,则数据传输率将高达1.188Gb/s,因此必须采用各种信源和信道编码方式来降低码率,才能在给定的信道带宽内传输达到清晰度要求的电视信号。 
     电视信号的行与行、帧与帧之间存在很大的相关性,也就是存在冗余度,在传输前将冗余度去掉称为信源压缩编码。目前数字电视的各种标准都采用MPEG-2压缩编码,MPEG是英文“运动图像专家组”的首字母缩写,这个专家组的任务是给用于数字储存介质、电视广播和通信的运动图像和伴音制定一种通用的编码方法。MPEG-2是一种比较成功的运动图像压缩标准,采用它可以将高清晰度数字电视的码率降到20Mb/s(压缩率超过50:1)。要想在6MHz的信道带宽内传输一路高清晰度数字电视信号,则需将“谱效率”至少提高到4bit/s/Hz,也就是要利用各种调制和信道编码技术。目前美国ATSC标准的地面传输采用8VSB调制,在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mb/s的传输速率,有线传输采用16VSB调制,可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mb/s的传输速率。欧洲DVB-C标准采用的则是64QAM调制方式,在一个现有电视频道内的传送码率为41.34Mb/s,可用于多套节目的复用。 
     数字电视信号在传输过程中往往由于各种原因的干扰,接收端会误判1或0,显示出来就不是像模拟电视一样仅在图像上加一些干扰,而是使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。提高数据传输效率,降低误码率是信道编码的任务。信道编码的作用就是对数据流进行相应的处理,使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力,极大地避免码流传送中误码的发生。信道编码的本质是增加通信的可靠性,信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元,从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。目前的数字电视系统普遍采取两级差错纠正编码,内码一般采用网格编码,而外码用Reed Solomon码。 
  
数字显示 
     显示设备的清晰度似乎是最好分辨的了,比如液晶和等离子等数字式显示终端本身就具有一个物理分辨率,但是分辨率并不等于清晰度。彩色电视机的图像清晰度主要由以下三方面的因素决定:广播电视系统的制式;信号传输及处理系统;显示器件的物理结构。 
     广播电视系统的制式本身就规定了扫描线的多少,比如我们经常听说的标准清晰度数字电视(SDTV)576i,576p,高清晰度数字电视(HDTV)720p,1080i等,其中的数字给出的就是垂直清晰度,i是指隔行扫描,p指逐行扫描。
      由于带宽的限制,目前绝大多数的电视制式都采用隔行扫描的方式。隔行扫描时电视画面第一场先扫描奇数行,第二场再扫描偶数行,两次扫描的结果形成一幅完整的图像;逐行扫描则一次性地生成完整图像。由于电视图像的运动性,隔行扫描系统水平扫描线之间会产生离散性,将导致两条相邻的水平扫描线之间会丢失部分细节。隔行扫描系数是采用主观评价的方法,对逐行扫描显示系统和隔行扫描显示系统图像重显时的垂直分辨率进行比较后得出的,经多次试验表明,隔行扫描系数一般为0.6 ~0.7(参考值)。即采用隔行扫描显示方式的系统,其主观评价的垂直清晰度,是逐行扫描显示系统的60%~70%。 
     信号传输过程中若引入了干扰,或传输路径太长引起信号衰减都可能使清晰度降低。信号处理电路或软件若设计不合理,很容易损害图像质量,所谓采用某种先进技术使图像质量提高的宣传是不可信的,最好的技术就是能够重现广播电视系统设计的图像质量。任何企图提高某一方面的图像质量的方法,必然导致损害另一方面的结果。目前之所以在市场上出现各种各样提高图像质量的技术,是由于模拟电视系统在信号传输过程中引起的干扰积累,技术人员不得不付出一些代价去消除这些干扰。到了数字电视时代,显示器件的物理分辨率必定是与数字电视系统的清晰度相吻合的,即不需要做格式转换(隔行扫描到逐行扫描的变换可能是需要的),在加上数字电视系统的抗干扰能力,数字电视机将可以重现数字电视系统设计的清晰度,当然隔行扫描系数还是需要考虑进去