什么是HDTV？

內(nèi)容導(dǎo)航： 第1頁(yè)：什么是HDTV？ 第2頁(yè)：五、數(shù)字殘留邊帶

什么是HDTV？

　　HDTV是英文High Definition Television的縮寫(xiě)，通常稱(chēng)之為高清晰度電視，但在美國(guó)則稱(chēng)之為高級(jí)電視(ATV)。CCIR對(duì)HDTV的定義是：當(dāng)觀看距離為屏幕高度的三倍時(shí)，HDTV系統(tǒng)的垂直和水平方向的空間分辨力為現(xiàn)行電視系統(tǒng)的兩倍，其寬高比為16∶9，并配有多聲道的優(yōu)質(zhì)伴音。

　　HDTV技術(shù)漫談1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith結(jié)成"巨星聯(lián)盟",制訂的HDTV標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的HDTV系統(tǒng)功能、視頻壓縮、分組傳輸、數(shù)字音頻編碼、互用性,以及HDTV與NII等問(wèn)題進(jìn)行了論述。

　　1987年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)率先在美國(guó)市場(chǎng)開(kāi)始了富有競(jìng)爭(zhēng)性的高清晰度電視(HDTV)的測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)化工作。隨后幾年,采用競(jìng)爭(zhēng)方式開(kāi)發(fā)高清晰度電視系統(tǒng)協(xié)議。1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith等電子產(chǎn)業(yè)界的巨商結(jié)成了"巨星聯(lián)盟",以期制訂HDTV標(biāo)準(zhǔn),并建立了"巨星聯(lián)盟"HDTV系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)"巨星盟"系統(tǒng))。同年春季,在美國(guó)先進(jìn)電視測(cè)試中心測(cè)試了樣機(jī)。制訂的標(biāo)準(zhǔn)于1993年夏季得到了FCC的標(biāo)準(zhǔn)。

　　HDTV標(biāo)準(zhǔn)包括MPEG-2視頻壓縮和傳送協(xié)議、多種傳輸格式、Dobly AC-3數(shù)字音頻和殘留邊帶數(shù)字調(diào)制等。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn),HDTV系統(tǒng)將為家庭提供絢麗多彩的圖像和悅耳的聲音;作為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII)的組成部分,還能傳送數(shù)據(jù)。大至社會(huì),數(shù)字技術(shù)可望產(chǎn)生新的商用業(yè)務(wù),促進(jìn)半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信和顯示等重要產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來(lái)10年中,HDTV技術(shù)將對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和用戶(hù)電子產(chǎn)品產(chǎn)生重大影響。HDTV采用多種傳輸格式、數(shù)字壓縮、分組技術(shù)和調(diào)制技術(shù),其性能和質(zhì)量都比目前的電視標(biāo)準(zhǔn),如NTSC、PAL或SECAN前進(jìn)一大步。根據(jù)"巨星聯(lián)盟"建立的標(biāo)準(zhǔn),居民家庭將接收200多萬(wàn)個(gè)像素組成的HDTV圖像。這一像素量大約是目前NTSC圖像空間分辨率的6倍。建議的標(biāo)準(zhǔn)所支持的逐行掃描(Progressis Scanning)可提供每秒60幀的瞬間分辨率,是NTSC標(biāo)準(zhǔn)圖像每秒29.97幀的2倍�；顒�(dòng)圖像看上去是很舒服的,即使是在很大的電視屏幕觀看也十分清晰,所顯示的全景圖像水平與垂直方向的比例為19:9,與現(xiàn)有的家用電視接收機(jī)的4:3相比是很大的改進(jìn)。HDTV圖像將采用數(shù)字調(diào)制,不會(huì)因傳輸信道中的無(wú)用調(diào)制產(chǎn)物而產(chǎn)生重像,也不會(huì)有弱信號(hào)引起的雪花現(xiàn)象。建議的HDTV系統(tǒng)在6MHz信道帶寬內(nèi),采用數(shù)字殘留邊帶(VSB)調(diào)制,提供約20Mb/s的傳輸通道。這種傳輸通道對(duì)NⅡ計(jì)劃具有重要的作用。因?yàn)樗�不僅能傳送HDTV數(shù)據(jù),而且還能對(duì)家庭提供諸如電子報(bào)紙和證券價(jià)格一類(lèi)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。它還可望以成本效益方法提供高清晰度的視頻和音頻通信,對(duì)視頻通信,如可視電話(huà)、視像會(huì)議和多媒體，將產(chǎn)生重大影響。

一、HDTV的系統(tǒng)功能

　　"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)的功能包括傳輸格式選擇、視頻編碼、音頻編碼、傳送、傳輸。該系統(tǒng)中的數(shù)字顯示和處理可支持一種以上的掃描格式,而且掃描格式、不同視頻信息和應(yīng)用之間,容易實(shí)現(xiàn)互用。"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)選擇的掃描格式采用兩種掃描線(xiàn)結(jié)構(gòu)和幾種幀率支持一套節(jié)目?jī)?nèi)容。建議的標(biāo)準(zhǔn)包括每幀720和1080行有效掃描線(xiàn)兩種主要的掃描格式。有效掃描線(xiàn)代表經(jīng)過(guò)編碼并要傳送的圖像單元。720行掃描線(xiàn)格式每行掃描線(xiàn)有1280個(gè)有效取樣點(diǎn),1080行掃描線(xiàn)格式有1920個(gè)取樣點(diǎn)。取樣點(diǎn)為所有掃描格式生成正交像素,圖像縱橫比為16:9。這兩種掃描格式加上其他各種掃描格式之間的直接轉(zhuǎn)換,可適應(yīng)電視廣播、計(jì)算機(jī)多媒體、計(jì)算機(jī)圖形、工業(yè)成像和NII的需要。就720掃描線(xiàn)逐行掃描格式而言,幀率可以是60、30或24Hz。1080行掃描格式包括每秒60半幀的隔行掃描以及24和30Hz幀率的逐行掃描兩種方式。對(duì)于60Hz幀率壓縮1080行逐行掃描格式,"巨星聯(lián)盟"認(rèn)為,在目前如果使用現(xiàn)有的信道容量,這種方法不能提供合適的HDTV質(zhì)量,因此應(yīng)采用1080隔行掃描格式。但是當(dāng)技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可行時(shí),1080壓縮格式可支持逐行掃描傳輸方式。60Hz幀或半幀的像素時(shí)鐘速率為74.25MHz,而59.94Hz幀或半幀率的像素時(shí)鐘速率約為74.18MHz,這一時(shí)鐘速率是60Hz幀率的1000/1001倍。由于采用多種格掃描式,要求在編碼之前或編碼以后進(jìn)行格式變化。編碼器輸入端的變換器把圖像變成適合編碼的傳輸格式。同樣,譯碼器輸出端的變換器設(shè)置最終顯示格式。最終顯示格式不同于接收格式,例如電視接收機(jī)將自動(dòng)改變掃描參數(shù),以顯示不同的信息格式。換句話(huà)說(shuō),電視接收機(jī)將把接收到的信息格式變成在顯示器上規(guī)定顯示格式。這種格式變換能消除傳輸或編碼格式與信源格式間的影響,具有很大的靈活性。例如,如果顯示隔行掃描視頻信號(hào),那么在變換成逐行掃描格式之后,用戶(hù)要立即選擇去隔行掃描。逐行掃描格式一般為60幀,1280像素×720有效掃描線(xiàn)。此外,還必須改變譯碼器輸出,當(dāng)譯碼器接收多種格式的信息時(shí),以激勵(lì)規(guī)定的顯示格式。為了滿(mǎn)足不同特色的電影的需要,"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)包含24和30Hz兩種幀率,并相應(yīng)調(diào)整NTSC頻率。因此,譯碼器要設(shè)計(jì)得能以24或30Hz幀率發(fā)送的圖像序列釋譯減少的幀率。就720和1080行掃描格式而言,如果以59.94Hz或60.0Hz表示電影方式的內(nèi)容,譯碼器可識(shí)別和利用較小的幀率。為達(dá)到較高的性能或滿(mǎn)足新的應(yīng)用要求,最初設(shè)定的掃描格式還可以擴(kuò)展,使其能夠傳送1080行60.0Hz逐行掃描HDTV視頻編碼序列,以獲得高清晰度的圖像。

　　"巨星聯(lián)盟"認(rèn)為,實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的一種辦法是傳送增強(qiáng)數(shù)據(jù)(超過(guò)原系統(tǒng)的編碼數(shù)據(jù))。新的電視接收機(jī)可將數(shù)據(jù)組譯碼,并把它們加以組合,產(chǎn)生出1080行的逐行掃描圖像。任何一種"巨星聯(lián)盟"格式都可以得到增強(qiáng)。也就是說(shuō),這種數(shù)據(jù)可以建立在壓縮1080行電影方式(30Hz)、720行(60Hz)或1080行隔行掃描傳輸?shù)幕�礎(chǔ)上。增強(qiáng)數(shù)據(jù)所需要的附加容量有幾種途徑,如提高壓縮效率,從其他途徑獲得附加通信容量,或在NTSC廣播信號(hào)傳送到末端設(shè)備后,可用提高信號(hào)功率和數(shù)據(jù)率或重復(fù)使用NTSC通道能力來(lái)增強(qiáng)廣播信號(hào)和其他的數(shù)據(jù)傳輸。

二、視頻壓縮

　　在視頻信號(hào)壓縮方面,"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)應(yīng)用移動(dòng)補(bǔ)償分離余弦變換(DCT)算法。DCT利用空間冗余,移動(dòng)補(bǔ)償利用時(shí)間冗余。視頻編碼器支持1080行隔行掃描和720行逐行掃描。它可支持雙向幀(B-幀)預(yù)測(cè)、大范圍移動(dòng)預(yù)測(cè)、自適應(yīng)半幀和幀DCT編碼以及圖像傳送分析,包括本地量化程度控制和自動(dòng)檢測(cè)圖像質(zhì)量高的電影。B幀預(yù)測(cè)根據(jù)過(guò)去和預(yù)計(jì)的幀預(yù)測(cè)目前的幀,改善壓縮效率。大移動(dòng)范圍預(yù)測(cè),橫向可達(dá)±127,縱向達(dá)±31。半幀、幀移動(dòng)矢量和自適應(yīng)半幀/幀DCT編碼，可大大改善1080行隔行掃描格式的壓縮效率。

三、分組傳輸

　　分組傳輸技術(shù)適用于多媒體廣播傳輸業(yè)務(wù),HDTV在很大程度上歸功于這一傳輸技術(shù)的應(yīng)用。"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)的基本系統(tǒng)MPEG-2把壓縮視頻、音頻和附屬數(shù)據(jù)信息流裝成固定長(zhǎng)度的信息組,每個(gè)信息組只含一類(lèi)數(shù)據(jù):或視頻或音頻或附屬數(shù)據(jù)。當(dāng)不存在固定的混合信息組時(shí),傳送裝置可動(dòng)態(tài)地分配現(xiàn)有的信道帶寬。

　　"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)應(yīng)用類(lèi)似目前電話(huà)網(wǎng)絡(luò)中使用的分組交換方法傳送多媒體信息。每個(gè)分組由4字節(jié)的分組頭和184個(gè)字節(jié)的有效載荷組成。有效載荷由一種信息(或視頻或音頻或報(bào)文)構(gòu)成。4個(gè)字節(jié)的分組頭允許接收機(jī)確定有效載荷中承載的數(shù)據(jù)類(lèi)型。在分組頭中可以規(guī)定8000字節(jié)以上的信息類(lèi)型。附加信息幫助接收機(jī)識(shí)別在傳輸通道中已經(jīng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的分組。

　　有效載荷可含一個(gè)適應(yīng)頭,以提供數(shù)據(jù)類(lèi)型特定的有效信息。例如,它可以用一個(gè)分組表示盒式錄像機(jī)中一種新圖像的開(kāi)始,類(lèi)似于快速送帶特性。每個(gè)傳送分組由4個(gè)字節(jié)的分組頭加184個(gè)字節(jié)的有效信息構(gòu)成。分組頭包含分組同步和識(shí)別有效信息。同步字節(jié)一般是分組頭的第一個(gè)字節(jié),它包括固定長(zhǎng)度的預(yù)先設(shè)定的值。13比特的半幀稱(chēng)為分組標(biāo)識(shí),提供各單元比特流多路復(fù)用的方法。由于分組標(biāo)識(shí)半幀的位置常常是固定的,一旦分組同步建立起來(lái),直接提取出相對(duì)于特定單元的比特流的分組。固定的分組長(zhǎng)度有助于檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。當(dāng)傳輸條件差以至超過(guò)防錯(cuò)控制時(shí),分組頭用作數(shù)據(jù)單元流譯碼器的信令。譯碼器這時(shí)可以屏蔽掉誤碼,從而防止在圖像和伴音中出現(xiàn)斑點(diǎn)和雜音。有時(shí),為了預(yù)測(cè)音頻和視頻的定時(shí)同步,或隨機(jī)接入壓縮的比特流或接入本地節(jié)目,需要附加分組頭信息。于是在傳送分組的有效信息中裝入了可變長(zhǎng)度的半幀適應(yīng)頭。為使音頻和視頻口型同步,單元比特流傳送對(duì)應(yīng)于主時(shí)鐘的表示時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào),將釋譯出的信息顯示出來(lái)。為了產(chǎn)生一種節(jié)目,傳輸系統(tǒng)在分組單元比特流共享時(shí)間的基礎(chǔ)上,復(fù)用控制數(shù)據(jù)流。這些節(jié)目以及整個(gè)系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)流也被復(fù)用,組成多路復(fù)用系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)把這些節(jié)目定義為單元比特流的任意組合,并且多種節(jié)目可以復(fù)用,通過(guò)傳輸通道傳送。傳輸多路復(fù)用固定長(zhǎng)度的分組,生成可構(gòu)成幾種單獨(dú)節(jié)目的單一比特流。一個(gè)專(zhuān)門(mén)確定的分組類(lèi)型(PIDO)有一個(gè)借助傳送比特流運(yùn)載的節(jié)目流圖。每套節(jié)目包含幾種不同的信息或分組單元比特流。例如一套節(jié)目可以承載多種不同語(yǔ)言的音頻信息,以作為公用視頻的伴音傳送。

　　四、AC-3數(shù)字音頻編碼系統(tǒng)

　　AC-3數(shù)字音頻編碼系統(tǒng)將離散多聲道音頻編碼變成384kb/s的比特流。其音質(zhì)優(yōu)于日前的矩陣式環(huán)繞立體聲,如廣播電視和VHS Hi Fi傳送媒體。AC-3編碼通過(guò)把音頻信息從時(shí)域變成頻域,連續(xù)分析音頻頻譜,以足夠的比特將重要的頻譜分量編碼,以獲得適當(dāng)?shù)男旁氡?而一些不重要的(聽(tīng)不到聲音)的頻譜分量不編碼。通過(guò)抑制程序段或頻道之間音頻電平的波動(dòng),改善音頻系統(tǒng)的效率,讓聽(tīng)眾動(dòng)態(tài)選擇音頻節(jié)目,并為只具有單聲道或立體聲接收機(jī)的聽(tīng)眾提供混聲道�？赏瑫r(shí)傳送多種音頻比特流,滿(mǎn)足視力和聽(tīng)力下降、多種語(yǔ)言或多種收聽(tīng)對(duì)象的需要。

　　

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