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了解數字電視與清晰度的基本知識

2013-11-12 23:30:53點擊:
  隨著各地方廣電部門相繼推出自己的數字電視整體平移計劃,數字電視與我們廣大消費者已經越來越近,所以有必要了解一些數字電視的基本知識,及其會帶給我們什么樣的享受。這篇文章將討論一下數字電視與清晰度的關系。 
什么是數字電視 
     數字電視的含義不僅是指我們一般人家中的電視接收機,而是包含了從攝制、發送、傳輸到接收的全過程。攝像機攝制的節目經過電視臺的后期制作后,由電視臺送出圖像及聲音信號,經數字壓縮和數字調制后,形成數字電視信號,經過空中無線方式或電纜有線方式傳送,由數字電視接收機接收后,通過數字解調和數字視音頻解碼處理還原出原來的圖像及伴音。因此,數字電視就是在電視臺播出節目和電視機接收節目全過程都采用數字技術進行處理的電視系統。下面我們分別介紹不同過程對數字電視清晰度的影響。 
源頭:數字攝像 
     攝像機技術的發展是伴隨著半導體技術和集成電路技術的進步而發展的。攝像機的功能是完成光電轉換,這就說明攝像機是由光學系統和電路處理系統兩部分來組成,在兩個系統之間起連接作用的就是極為重要的光電轉換器件CCD。攝像機的分辨率在鏡頭的分辨率與視頻信號帶寬保證的前提下,主要取決于圖像傳感器CCD的像素數,象素越多、帶寬越寬,清晰度就越高。 
     電路系統實際上是對由CCD轉換成的電信號進行各種處理和控制的系統。數字攝像機相對于模擬攝像機而言,關鍵部分就在這一處理過程中應用了全數字技術,相對于模擬信號處理更加優越與細致。這包括黑電平處理、伽瑪校正、輪廓信號校正、彩色校正、拐點/自動拐點處理等等。 
     攝像機一般使用分解力一詞來衡量它“分解被攝景物細節”的能力。單位是“電視行”,也稱線。它會隨CCD象素數的多少及視頻帶寬而變化。一般家用攝像機V8、Hi8、D8均使用8mm帶寬的錄像帶,但各自的水平分解力不一樣,分別為270、400、500線。V8、Hi8屬于模擬攝像機,而D8屬于數字攝像機。用于錄制電視節目的稱為廣播級攝像機,其圖像質量非常高,性能全面,但價格比較貴。目前電視臺用于錄制模擬電視節目的攝像機的水平分解力已經超過了800線,可以滿足標準清晰度數字電視(SDTV)節目的播出要求。 
     高清晰度攝像機作為提供高清信號的源頭,其性能指標將影響到整個高清電視系統的圖像質量,構成了整個HDTV端到端系統的首個重要環節。其結構大致如下:首先由高解像度的CCD(一般在兩百萬像素以上)獲得模擬分量信號,分別按特定的高清格式進行A/D轉換后獲得數字分量信號,再經由內置的數字處理電路進行各種信號處理后與音頻碼流復用混合,由SDI接口輸出未經壓縮的基帶數字信號。分解力需要達到1920X1080線,寬高比為16:9。 
過程:數字傳輸 
     電視節目傳輸的數字化是將傳送媒體的通道數字化,即進行數字化的信道編碼和調制,數字電視傳輸系統性能的優越性主要來源于信道編碼和信號調制方式的選擇。數字化后的電視信號在傳輸過程中,噪聲不會產生積累,各用戶的信號質量一樣,提高了傳輸質量。 
     由于無線電頻譜資源的有限性,用于傳送電視節目的頻譜范圍是有限制的,比如我國分配給電視專用的頻譜為48.5MHz~958MHz,同時按8MHz的信道寬度分配給不同的電視頻道。由于需要兼容現有模擬電視系統,數字電視信道的帶寬根據各個國家的規定分為6MHz、7MHz和8MHz三種。系統設計者必須考慮在這有限的帶寬中盡量提高有效性和可靠性,而這兩者實際是一對矛盾。
    決定電視清晰度的重要參數是行頻率和視頻傳輸系統的頻帶寬度,目前我國PAL制電視標準規定行周期為64μs,有效行時間為52.2μs,標稱視頻帶寬為6MHz。假設水平方向掃過一個象素的時間為td,當顯示如下圖所示的H型圖案時,圖像信號的頻率達到最大,其周期為2td,所以我國現行模擬電視標準可達到的最高垂直清晰度=52.2(μs)×2×6(MHz)×3/4≈469行(寬高比為4:3)。 
過程處理 
     若僅在模擬電視信號的基礎上經過采樣和量化,得到的數字電視信號的數據量將大得驚人。國際無線電咨詢委員會(CCIR)在1986年公布了601和605號建議,推薦使用4:2:2的采樣格式,亮度信號Y的采樣頻率選擇為13.5MHz,而色差信號Cr和Cb的采樣頻率選擇6.75MHz/s,量化值為8比特/樣本,得到總的數據傳輸率為216Mb/s(兆比特/秒)。若將其應用到高清晰度數字電視上,則數據傳輸率將高達1.188Gb/s,因此必須采用各種信源和信道編碼方式來降低碼率,才能在給定的信道帶寬內傳輸達到清晰度要求的電視信號。 
     電視信號的行與行、幀與幀之間存在很大的相關性,也就是存在冗余度,在傳輸前將冗余度去掉稱為信源壓縮編碼。目前數字電視的各種標準都采用MPEG-2壓縮編碼,MPEG是英文“運動圖像專家組”的首字母縮寫,這個專家組的任務是給用于數字儲存介質、電視廣播和通信的運動圖像和伴音制定一種通用的編碼方法。MPEG-2是一種比較成功的運動圖像壓縮標準,采用它可以將高清晰度數字電視的碼率降到20Mb/s(壓縮率超過50:1)。要想在6MHz的信道帶寬內傳輸一路高清晰度數字電視信號,則需將“譜效率”至少提高到4bit/s/Hz,也就是要利用各種調制和信道編碼技術。目前美國ATSC標準的地面傳輸采用8VSB調制,在6MHz地面廣播頻道上可實現19.3Mb/s的傳輸速率,有線傳輸采用16VSB調制,可在6MHz有線電視信道中實現38.6Mb/s的傳輸速率。歐洲DVB-C標準采用的則是64QAM調制方式,在一個現有電視頻道內的傳送碼率為41.34Mb/s,可用于多套節目的復用。 
     數字電視信號在傳輸過程中往往由于各種原因的干擾,接收端會誤判1或0,顯示出來就不是像模擬電視一樣僅在圖像上加一些干擾,而是使接收端產生圖象跳躍、不連續、出現馬賽克等現象。提高數據傳輸效率,降低誤碼率是信道編碼的任務。信道編碼的作用就是對數據流進行相應的處理,使系統具有一定的糾錯能力和抗干擾能力,極大地避免碼流傳送中誤碼的發生。信道編碼的本質是增加通信的可靠性,信道編碼的過程是在源數據碼流中加插一些碼元,從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的。目前的數字電視系統普遍采取兩級差錯糾正編碼,內碼一般采用網格編碼,而外碼用Reed Solomon碼。 
  
數字顯示 
     顯示設備的清晰度似乎是最好分辨的了,比如液晶和等離子等數字式顯示終端本身就具有一個物理分辨率,但是分辨率并不等于清晰度。彩色電視機的圖像清晰度主要由以下三方面的因素決定:廣播電視系統的制式;信號傳輸及處理系統;顯示器件的物理結構。 
     廣播電視系統的制式本身就規定了掃描線的多少,比如我們經常聽說的標準清晰度數字電視(SDTV)576i,576p,高清晰度數字電視(HDTV)720p,1080i等,其中的數字給出的就是垂直清晰度,i是指隔行掃描,p指逐行掃描。
      由于帶寬的限制,目前絕大多數的電視制式都采用隔行掃描的方式。隔行掃描時電視畫面第一場先掃描奇數行,第二場再掃描偶數行,兩次掃描的結果形成一幅完整的圖像;逐行掃描則一次性地生成完整圖像。由于電視圖像的運動性,隔行掃描系統水平掃描線之間會產生離散性,將導致兩條相鄰的水平掃描線之間會丟失部分細節。隔行掃描系數是采用主觀評價的方法,對逐行掃描顯示系統和隔行掃描顯示系統圖像重顯時的垂直分辨率進行比較后得出的,經多次試驗表明,隔行掃描系數一般為0.6 ~0.7(參考值)。即采用隔行掃描顯示方式的系統,其主觀評價的垂直清晰度,是逐行掃描顯示系統的60%~70%。 
     信號傳輸過程中若引入了干擾,或傳輸路徑太長引起信號衰減都可能使清晰度降低。信號處理電路或軟件若設計不合理,很容易損害圖像質量,所謂采用某種先進技術使圖像質量提高的宣傳是不可信的,最好的技術就是能夠重現廣播電視系統設計的圖像質量。任何企圖提高某一方面的圖像質量的方法,必然導致損害另一方面的結果。目前之所以在市場上出現各種各樣提高圖像質量的技術,是由于模擬電視系統在信號傳輸過程中引起的干擾積累,技術人員不得不付出一些代價去消除這些干擾。到了數字電視時代,顯示器件的物理分辨率必定是與數字電視系統的清晰度相吻合的,即不需要做格式轉換(隔行掃描到逐行掃描的變換可能是需要的),在加上數字電視系統的抗干擾能力,數字電視機將可以重現數字電視系統設計的清晰度,當然隔行掃描系數還是需要考慮進去 
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