彩色电视技术论文

1数字电视的技术应用及发展现状摘要：近年来，随着社会发展和科技进步，全球数字电视技术产业发展迅速，竞争也在逐渐加剧，给中国数字电视产业发展壮大和国际化带来了一定的挑战和机遇。在国家发展和改革委员会的推动下，我国数字电视产业形成了地面、有线、卫星、IPTV等传输和接受方式，从发射设备—芯片—传输—接收设备—配套设备的完整产业链，形成了数字电视较完整标准体系和产业的发展趋势，并经过了部分城市的实际播出试验，正在向着我国信息产业的国际化方向发展。关键词：数字电视；技术；发展1数字电视的概述1.1电视技术的发展电视技术，经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程，有的国家已开始试播高清晰度电视和立体电视。我国决定从1999年10月1日起开始试播高清晰度电视(HDTV)。电视的使用范围早已超越了广播娱乐界，并深深地扩展到文化教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航等各个重要部门。现在的彩色电视虽已发展到色彩鲜艳，形象逼真的高超地步，但是，它们仍然是“模拟电视”。在图像信号的制作处理、控制调节、记录重放、调制解调、传输转播、接收显示等过程中，图像信号和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴上连续变化的模拟信号。模拟电视最明显的缺点是接力传输方式产生噪声，长距离传输的信噪比恶化，使图像清晰度越来越受到损伤；发送传输设备中，放大器的非线性积累使图像对比度产生越来越大的畸变；相位失真的积累产生色彩失真，使“鬼影”现象愈来愈严重。同时，模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难、以及成本高昂等缺点。近十多年来，由于微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号处理技术、计算机技术的突飞猛进，使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。特别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现,带来了许多数字图像方面的应用。技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成，数字电视接收机已上市出售，各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用。国际上也相应地制定了统一的数字电视信号的编码标准，为数字电视的发展奠定了坚实的基础。1.2数字电视名词解释所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代。1.3数字电视的优点数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点：信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使2某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信杂比。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信杂比，就必须对各种处理设备提出较高信杂比的要求。模拟信号要求S/N＞40dB，而数字信号只要求S/N＞20dB。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信杂比基本不变。可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有“0”、“l”两个电平，“l”电平的幅度大小只要满足处理电路中可能识别出是“l”电平就可，大一点、小一点无关紧要。易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规模集成电路(半导体存储器)的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理,获得各种新的电视图像特技效果。由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播(Teletext)压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内(地面广播)，观众将以极大的概率实现“无差错接收”(发“0”收“0”，发“l”收“l”)，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。可以合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播而言，数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”(taboochannel)，而且在今后能够采用“单频率网络”(singlefrequencynetwork)技术，例如l套电视节目仅占用同1个数字电视频道而覆盖全国。此外，现有的6MHz模拟电视频道，可用于传输l套数字高清晰度电视节目或者4-6套质量较高的数字常规电视节目，或者16-24套与家用VHS录像机质量相当的数字电视节目。在同步转移模式(STM)的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”(dynamiccombination)。例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻。这时由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务(如电视节目指南、传真、电子游戏软件等)，而不必插入大量没有意义的“填充比特”。很容易实现加密/解密和加扰/解扰技术，便于专业应用(包括军用)以及广播应用(特别是开展各类收费业务)。具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输，也便于与计算机网络联通。可以与计算机“融合”而构成一类多媒体计算机系统，成为未来“国家信息基础设施”(NII)的重要组成部分。数字电视不进行数据压缩时，数码率太高。例如，亮度信号抽样频率一般选为13.5MHz(3倍彩色副载波频率)，每样品值经8比特量化后，码率为13.5×8=108Mbit/s。两个色差信号R-Y、B-Y抽样频率，分别为6.75MHz(3/2倍彩色副载波频率)，每样品值经8比特量化后为54Mbit/s。所以在不采用任何压缩措施时，总的数码率为108十54十54=216(Mbit/s)。这相当于3000多路数字电话话路。从理论上讲，PCM二进制传输信道每lHz带宽能传输的最高码率是2bit/s。因此，这相当于要求信道提供108MHz的带宽，是现有视频信号带宽的10倍以上。所以说，不压缩时的数字电视信号的数码率太高，频3带太宽，从通信系统的观点来看，PCM传输方式是以带宽为代价换取高的传输质量。为了提高图像通信的有效性，一般不采用直接PCM方式传输，而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩，然后再传输。现正已提出、并正在探索各种数据压缩措施，可望数码率大大降低。例如：美国所提出的全数字高清晰度电视方案，数据压缩后的信号带宽，可做到与普通NTSC彩色电视信号的带宽相同(6MHz)，但图像质量实现了跃。按目前的国际水平，已实现的把一路普通彩色数字电视216Mb/s的数码率压缩到8.448Mb/s，它是未压缩前数据量的3.7%，相当于模拟信号带宽为4MHz,但与模拟彩色电视相比，其主观图像质量没有任何降低。另外，彩色数字会议电视系统，其数码率的国际标准为2.048Mb/S，数据量仅为未压缩前的1%，图像质量也可以达到满意的程度。可见，数据压缩的前景可观。数字调制技术更是方兴未艾。而且，8.448Mb/s的数字电视信号，经数字调制以后的模拟带宽可降到1.2MHz，则在6MHz带宽中，可传5路8.448Mb/s经调制以后的数字电视信号。1.4数字电视技术的发展趋势目前已被采用的数字电视设备有：数字特技、数字时基校正器、数字帧同步机、数字录像机、数字电视接收机等。数字化设备可大大扩展特技功能，加强艺术效果。从整个电视系统来说，发展数字电视可以分两步走：局部设备数字化。即摄像机输出为模拟信号，经模拟、数字转换(A/D)变成数字信号，在演播室的数字设备中进行处理，如数字特技处理等，处理完后，又转换成(D/A)模拟信号，再用电视发射机发射。接收机收到信号以后，检波成视频信号，再经A/D变换成数字信号，在接收机中进行数字处理(如数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影、画中画等)，再由D/A变换在显像管上显示出高度清晰、噪声很小的鲜艳图像。全系统实现数字化，即把要发送图像直接变换成数字信号，经编码压缩再变换成适合于传输的码型，在数字微波、数字光纤信道上传输，在接收端再将所收到的数据恢复成电视图像，在通道的所有环节上电视信号都是以数字形式传送的。1.5数字电视的国际标准自1948年提出视频数字化概念后,经过将近40年的探索,于1982年提出了电视演播室数字编码的国际标准(CCIR601号建议);又于1984年提出了第一个实用化的、适应于会议电视和可视电话要求的H.261标准;1993年公布了活动图像的编码压缩标准MPEG-1;1994年发表了MPEG-2标准,该标准向下兼容MPEG-1,向上兼容HDTV的图像质量;1999年公布了MPEG-4标准;今后还计划发表MPEG-7标准。下面将上述国际标准逐一介绍。CCIR601号建议为了便于国际间的节目交换，为消除数字设备之间的制式差别,和为625行电视系统与525行电视系统之间兼容，在1982年2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第15次全会上，通过了601号建议，确定以分量编码为基础,即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。该标准规定:不管是PAL制，还是NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为10bit,用于传输为8bit。Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4:2:2。4H·261标准1984年国际电报电话咨询委员会的第15研究组成立了一个专家组,专门研究电视电话的编码问题，所用的电话网络为综合业务数据网络ISDN，当时的目标是推荐一个图像编码标准，其传输速率为m×384kb/s(千位/秒)，m=l,2,3,4,5。这里384kb/s在ISDN中称为Ho通道。另有基本通道B的速率为64kb/s,6×B=384kb/s。5×Ho=30×B=1920kb/s为窄带ISDN的最高速率。后来因为384kb/s速率作为起始点偏高，广泛性受限制，另外跨度也太大，灵活性受影响，所以改为p×64kb/s,p=l，2,3,..30。最后又把p扩展到32，因为32×64kb/s=2084kb/s,其中2084＝211，基本上等于2Mb/s,实际上已超过了窄带ISDN的最高速率1920kb/s，最高速率也称通道容量。经过5年以上的精心研究和努力，终于在1990年12月完成和批准了CCITT推荐书H.261，即“采用p×64kb/s的声像业务的图像编解码”，H.261简称p×64。JPEG标准静像数据压缩标准JPEG(JointPhoto一graphicExpertsGroup)，直译为联合摄影术专家组，其中联合是指几个国际组织的联合。它是从1986年正式开始制订的。当时由两个国际组织联合支持，其一,是国际标准组织ISO;其二,是国际电报电话咨询委员会CCITT。到1987年l1月，国际电工委员会IEC也参加合作，因此说JPEG是三个国际组织合作的成果。虽然从1986开始，经过许多次国际会议讨论和修改后，于1992年7月2日表决通过标准的第一部分，但是可能对有关测试标准草案(即标准的第二部分)作进一步修改。JPEG是ISO的标准,同时也CCITT的推荐标准。MPEG-l标准MPEG是活动图像专家组(MovingPictureExpertGroup)的英文缩写。实际上，它是标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)联合技术委员会l(JTCl)的第29分委员会(SC29)的第ll工作组(WGll)，其全称是WGllofSC29ofISO/IECJTCl。MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，成立于1988年。专家组最初的任务有三个：实现1.5Mb/s、10Mb/s、40Mb/s的压