数字电视和高清晰度电视
杜百川
[摘要]：文章介绍了数字电视的定义和按传输媒体、传输环节、业务和质量的分类。指出数字电视是指系统，高清晰度电视是指系统内的业务，同时给出ITU—R给高清晰度电视下的定义。介绍了美国、澳大利亚、新加坡决定采用各自数字地面电视广播标准的理由和准则。探讨了卫星、有线和地面电视广播系统实现数字化面临的不同问题，介绍了MPEG-2的基本原理和业务信息、有条件接收，以及在嵌入式系统和应用程序之间的中层协议。
一、什么是数字电视和高清晰度电视
对专业分类来说，通常是将有类似处理方法，有共同规律的东西归为一类。因此，凡在电视信号的获取、处理、传输和接收的过程中使用数字电视信号的，都可以称为数字电视系统或数字电视设备。这里数字电视信号可以是直接生成的数字电视信号，如动画、字幕机和数字摄像机产生的数字信号；也可以是由模拟信号经数字化以后产生的数字电视信号；也可以是经处理的数字电视信号，如MPEG格式的压缩数字电视信号。 数字电视在这里是广义的概念，数字电视系统可按节目制作，一次分配、二次分配、发送和接收分类；也可以按卫星传输系统，地面传输系统和有线电视传输系统分类；或按消费类、专业类和演播室数字设备分类；或按低清晰度、常规清晰度和高清晰度业务分类。因此市场上会出现多种多样的数字电视系统和设备。 关于“数字电视机”目前有两种不同的解释，80年代ITT公司就研制了一套数字处理芯片，在接收模拟电视信号的情况下，在模拟高、中频处理以后，经A／D转换成数字信号后进行数字处理，以便改进图像清晰度、降噪、倍行或用其他方法去闪烁。80年代末，国内为了推进该芯片在中国的应用，还成立过数字电视协会，严格地说应是“数字电视机芯片协会”。但因当时国内市场尚不成熟，推广不是很快，到90年代才有多种具有画中画、倍行和其他质量改进的“数字电视机”。这种数字电视机接收的是模拟电视信号，仍处在模拟传输的模拟系统中，更不是“全数字电视机”。但“数字电视”这一名词在模拟传输系统向数字系统转化时一直用于模拟系统中的数字设备。如数字录像机，数字摄像机，数字特技等。数字电视系统的出现，使数字电视系统和模拟系统中的数字设备的命名出现混淆，需要加以区别和说明。实际上，新的系统和原系统的主要区别在传输。新的数字电视系统的名称也并非一样，如美国的“数字电视”(DTV：Digital TV)专指美国地面数字电视广播系统。这是一个专用名词，不是前面我们说的广义数字电视的概念。而欧洲的地面数字电视广播系统是DVB—T。在这种地面数字电视广播系统中，除了目前节目制作还有一部分是模拟的外，从演播室开始，到发射机到传输到接收的所有环节都是使用数字电视信号或对数字电视信号进行处理和调制，接收这种地面数字电视广播信号的电视机才是名副其实的数字电视机，即不能加“全”字。这样就出现了两种数字电视设备，接收模拟电视信号的数字设备和接收数字电视信号的数字设备，在模拟电视系统向数字转化的过渡阶段，应加以区分，一旦完成这一过渡，就不存在任何问题了。 高清晰度电视是一种电视业务，原ITU—R给高清晰度电视下的定义是：“高清晰度电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印象”。其水平和垂直清晰度是常规电视的两倍左右。配有多路环绕立体声。 所以，广义上说，数字电视是数字传输系统，是原有电视系统的数字化。数字电视系统可以传送多种业务，如高清晰度电视、常规清晰度电视、立体声及数据业务等等。下一代电视系统是可以传送普通清晰度电视和高清晰度电视等不同级别图像，集图像、声音和数据等多种业务的数字系统的认识是世界各国广播工作者和科学家在付出巨大代价后才得到的。
大家都说，广播电视的发展趋势是数字化、网络化和信息化。实际上也是广播电视发展的几个阶段。首先是广播电视通道的数字化，对于电视的数字化，主要是卫星、有线和地面三大媒体。首先是卫星数字电视的发展，包括卫星电视广播和卫星电视直播，随后是数字有线电视，最后是数字地面电视。仅仅传输的数字化只是将传送媒体的通道数字化，只是选择了信道编码和调制方式。从信息交换的层次来说，是最低层物理层。而要交换信息，还必须网络化，要把千家万户和内容提供者和业务提供者连接在一起， 这在信息交换的层次中是传送层、链路层、会晤层和网络管理层。但数字化和网络化只是工具，信息化才是目的。这就要选择信息表述的方法、格式和信息压缩、检索的方法。要解决信息浏览，加密传送的方法。信息业务的开发最终成为关键。信息业务的三大媒体通信、广播和计算机正因广播电视数字化而最终融合。使多种业务能在各种通道中传送。电视通道有可能成为所有信息业务到达家庭的最佳途径。而要实现这一目标，广播环境要进行双向化改造，要把原来点到面的传送方式改造为双向传送。但这不是简单的双向化，是下行宽上行窄的双向化。而通信环境也要向非对称传送方向发展，以适应信息传送下行宽上行窄的特点。两个网进行各自的改造，逐步实现两网业务的互连和最终两网物理的融合。信息和业务本身也会有很大变化，不再是简单的话音、声音、图形、图像，可能是多种格式和媒体的组合。为了适应众多的格式和控制不同目的不同对象的传送，内容和业务本身附加一些功能。如可执行内容，本身带有格式的执行方式，可在特定环境中自动执行。
数字系统和模拟系统不同，信息和载体的关系没有那么密切。在模拟系统中，信息及其所需的传输技术和承载的媒体之间密切不可分。人们一提起调频广播，尽管这是一个纯技术名称，但人们都知道这是高质量广播业务，而调幅广播则对应于低质量广播业务。因为相应的业务需要相应的技术来传送。而在数字通道中，首先是将信道最佳化，使其能传送最大的比特数和传输最可靠。至于如何安排业务，则可根据业务质量安排不同的比特数。数字化、网络化和信息化的结果就是使信息和载体逐步剥离。这将引起业务的重新划分，网络的重新划分、组织结构的调整和媒体传送方式的竞争。
四、各种媒体均衡发展
就原来的广播电视媒体来说，卫星、有线和地面三大媒体均衡发展是关键。我国和欧美不同，三大媒体均属广播电影电视总局管理，可以综合规划。我国幅员辽阔，对边远地区卫星传输显然是最佳途径。但在城市，高楼林立，互相遮挡，有的住户面对北面，不可能收到南方位于赤道上空的卫星信号。因此，有线电视的发展对于人口稠密的城市来说是经济有效的方式。加上有线电视的其他一些优点，如网络优势和多种业务，城市主要发展有线电视是最佳途径。究竟中国的地面数字电视如何推广，选用什么制式，播出什么类型的节目，应当有什么样的政策引导，是需要解决的问题。中国有中国的国情，与美国不一样，与欧洲也不一样。美国推出数字地面广播，第一位的原因是战略目标，美国在刚刚提出高清晰度电视时就意识到科学和技术是这场国际竞争的关键。1989年—1990年，美国参众两院的一些委员会、分委员会就HDTV举行了多次听证会，通过了“美国技术优胜地位法案”，认为美国产业在诸如高清晰度信息系统，先进制造技术和先进材料等领域的开发、设计和制造方面保持领先地位对美国至关重要，并制定了一系列措施以促进相关技术的发展。1987年成立高级电视顾问委员会(ACATS)，对建立美国高级电视的步骤、组织、技术进行了周密的准备。主要分为三步：第一步决定系统的选择准则，包括频谱利用、经济性和技术先进性的10条准则；第二步根据以上准则对参加竞争美国标准的系统进行测试；第三步对测试结果进行比较，试图选定其中最好的系统推荐为美国国家标准。第二位的原因是节省频率资源，美国FCC计划在模拟到数字转换结束时可以完全收回VHF频段并逐步实现电视频率收费。英国推动DVB—T也有类似的理由。我国是发展中国家，频率收费和限时转换都比较困难。地面数字电视广播的推广主要来自市场。由于地面数字电视可以做到便携接收和移动接收，可以供私人轿车和出租车后座观看。长途客车和火车乘客观看还需要大的单频网。中国地面数字电视发展的关键在数据广播和高清晰度电视。地面数字广播可以在原普通模拟电视频道内播出一套完整的高清晰电视节目，清晰度有大幅的提高、声音质量也有大幅的改善可以做到真正的家庭影院。但其发展不可能很快，不会象卫星，马上遍布全国。可以设想，高清晰度电视的推广首先是在主要的大城市，如北京、上海、广州、深圳等，主要瞄准商业用户如大商场的电视墙、街头的大屏幕，或设立高清影视。这样三种媒体有各自的优势，有各自的发展空间和时间，实现均衡发展。
五、数字电视地面广播的主要问题
地面广播受众多因素的影响，如多径问题，接收方式问题，接收区域问题，频率规划问题等。多径接收，是指因地形地貌，如山、房屋等反射，使到达接收点的信号不止一个。在模拟电视中的反映是重影，在数字接收中，某些特定相位的多径信号将使接收完全失败。在这种情况下，接收好坏不单单依赖于与发射台距离的远近，而且在很大程度上还依赖于接收信号之间的相位。接收方式是指固定接收，车载移动接收，还是便携接收。固定接收接有固定天线，电视机不能随便搬移，一般来说接收条件经调整后不再变化；便携接收可以是指在居室内使用机上天线，可以在居室内不同地点接收，因接收条件的变化而使信道特性有差异；另一种便携接收是可以将接收机装入衣袋，在户外低速移动接收。 移动接收，指车载高速移动接收，接收条件因地貌的不断变化而随之变化，同时因车速的变化还会受到多普勒效应频率变化的影响。接收地点是指由于接收地点离主发射台的距离变化和与其他发射台发射信号间相对关系的变化而引起的接收条件的变化。所有上述问题均使地面广播问题复杂化，使接收信道随时间、频率和地点而发生变化。 引起不同频率信号衰落的主要原因是多径接收，只要信号带宽大于延时时间的倒数，以接收时间倒数频率为周期，会出现周期性的衰落现象，这类似于一个信号通过延时线后原信号按不同比例加减而形成的数字滤波的情况相同。其结果使信道出现频率选择性。移动接收时，主信号和反射信号到达接收点的角度有可能不同，因多普勒效应，其频率发生了不同的变化，两者的差拍使接收信号的幅度随时间周期变化，其结果使信道出现时间选择性。而由于接收地点的不同和相邻台距离的不同，主信号和其他台信号之间的关系不同而使接收出现地点的选择性。这三种影响都必须在传输方案选择时加以考虑。 在模拟的情况下，接收性能随离发射台的距离变大而逐步变差，不会象数字系统那样在接收得好和接收不好之间有突出的变化。在数字接收情况下，这一过渡区有时只有几米。因此模拟接收是按50％的时间概率和50％的地点概率进行频率规划的，而数字接收则提高到99％的时间概率和99％的地点概率来规划。应注意的是，尽管99％比50％大得多，但数字情况下仍有1％的时间或1%的地点根本收不到。而在模拟的情况下，如不考虑接收质量，有可能大部分时间和地点都能接收到。
六、各国对地面数字电视广播系统的基本要求
各国在制定地面数字电视标准的时候，都要根据国情和地面电视的特点充分发挥数字地面广播的性能和优点。 美国有十大选择准则：服务范围；对原频道的适应程度；对广播业者的经济性；对其他媒体的经济性；对消费者的经济性；音视频质量；传输的可靠性；其他业务及特性；可扩展性；与其他业务的互操作性。 新加坡面积比较小，因此覆盖和频率不是大的问题。电视台也较少，在单频网的情况下，不存在同频或邻频干扰的问题，而是与其他国家协调的问题。其选择原则是：包括移动接收在内的传输特性；数字电视设备的可得性；实施费用；各种应用的可能性；与广播、信息技术和通讯网的互操作性；潜在增长的可能性；频谱利用效率；可分级性；保密性。 澳大利亚的选择准则是：覆盖方面，(1)A级覆盖区人口百分数，(2)B级覆盖区人口百分数，(3)楼顶天线接收情况，(4)移动接收情况，(5)同频特性，(6)邻频特性，(7)多径特性，(8)抗电子干扰，(9)转送到MSTV和有线电视连接能力；系统设计方面，(1)合用共同的发射天线，(2)转发的难易和价格，(3)同频转发的可能性，(4)能否使用现存发射机；支持的工作模式，(1)HDTV，(2)隐蔽字幕，(3)多语言，(4)音频；系统总体要求，(1)采用可接受的而不是单一的HDTV系统，(2)能在7MHz带宽工作，(3)有用比特率，(4)总编解码延时，(5)系统升级和进一步发展的可能性；接收方面，(1)接收机的可得性和价格，(2)机顶盒接收高清晰度电视的能力，(3)同时接收PAL和数字电视的能力，(4)接收机并不是专为澳大利亚设计的，(5)接收机应用软件升级与工具，(6)接收机锁定时间。由于美国是首先建议地面电视采用数字电视，美国的通信和计算机业也较强，这方面的选择准则值得我国参考。但美国的地面数字电视发展较早，欧洲标准的可移动接收和单频多技术及与其他传输媒体的互操作性对我国也极为重要。
七、MPEG-2
尽管不断有新的码率压缩方法出现，但MPEG-2在实用化方面已远远走在前面。MPEG有一系列标准，MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，和MPEG-7。MPEG- l是用于数字存贮媒体、码率只到1.5Mbps。 MPEG-2目前分为9个部分，即系统，视频，音频，符合测试，软件模拟，DSM-CC扩展的完全软件实现，系统解码的实时接口扩展。系统部分解决多个视频，音频和数据基本码流的组合问题。产生两种码流：节目码流和传送码流，用于不同的环境。节目码流是由打包的基本码流组合而成，用于误码相对较小的环境。节目码流的包可变也相对较长。传送包将时基相互独立的打包的基本码流组合成单一的码流。适用于误码较多的环境，传送包长188拜特(byte)。在第二部分视频中，按清晰度将图像分为4个等级，按使用的工具和方法不同分为5种处理类型，普通清晰度数字电视使用主类和主级MP@ML。用于演播室编辑用的4:2:2MP@ML于1996年1月通过，合并于视频标准中。目前还在开发的还有多重观看点类(Multiview Profil：MVP)，允许使用现有MPEG-2视频编码工具将两个相差小角度的摄像机摄取的同一场景进行有效的编码。第三部分音频与MPEG-l音频标准反向兼容，并支持多通道音频编码。第六部分是规定数字存贮媒体指令和控制(Digital Storage Media command and control：DSM-CC)协议，用以支持单独的或网络环境下的DSM-CC模式，将码流从服务器传送给用户，己于1996年6月通过。第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码，这一标准己在1997年4月通过。第八部分原计划用于10比特视频抽样的编码，但因有兴趣的厂家不多，己停止。第九部分规定了传送码流的实时接口(Real Time Interface：RTl)，于l996年6月通过为国际标准。第十部分将是DSM-CC的符合测试标准。MPEG-4是音视频对象(objects)的编码。 尽管MPEG-l和MPEG-2已得到广泛应用，但仍需要一个用于表述、集成和变换音视频信息的标准，如在固定的宽带系统及移动通信窄带系统中的应用。MPEG-4的目标是建立一个通用有效的编码方法，对称之为音视频对象的应用音视频数据格式进行编码，这些音视频对象可以是自然的(Natural)或合成的(Synthetic)。使用的工具可以来自已有的标准如MPEG-l，MPEG-2, G.723，H.261和H.263，这有利于与原格式反向兼容。也可以采用MPEG-4专门开发的工具来编码。数字音视频信息越来越多，但对音视频信息的检索却很困难，目前尽管有许多文字为基础的搜索浏览工具，如Internet网上的多种搜索软件，但要发现音视频素材却很困难。MPEG-7的目标是建立一种多种媒体内容描述接口(Multimedla Content Description Interface)，简称MPEG-7。信息的内容包括：静止图像、图形、音频、活动图像和有关这些元素如何组成多媒体的信息。特殊例子如脸部描述，个人特征等。希望使用很少特征就可以对信息进行检索。例如对音乐，只要演奏很少几个音符就可以得到与该段音乐有关的一系列乐曲；对图形，只要在屏幕上画很少几条线就可以找到相应包括该特征的图形、商标等；对图像只要定义了色表或纹理，就可以得到一系列相应的对象来组合图像；对运动，只要给出一组对象和运动位置描述，就可以得到相应的动画。 但MPEG只规定了码流格式，统一了解码控制，也有人称之为解码标准，并末规定信道编码调制方式，也未规定接收机接收数字信号所必须的业务信息，也未规定信息表述方式和传送控制方式，这些标准由其他的标准组织来完成，如ATSC，DVB，DAVIC，DIBEG等等。
八、业务信息和有条件接收
MPEG对节目的定义和广播对节目的定义是不一样的，许多人并没有意识到这一点。广播所说的节目是指有共同时间基准并有相同起始和结束时间的元素的集合，而MPEG所指的节目是有共同时间基准并有相同的节目号的元素的集合，但同一个时间基准的码流有可能对应于一个或多个节目号。每个码流都有一个包识别码(Packet ID：PID)，用以识别不同节目的信息传送包，具有同一节目号的视频或音频包经解复用后得到复原的PES(Packetized Elementary Stream)包并送往相应的视频或音频解码器进行解码，有关PID的信息及各PID之间的关系包含在节目专用信息中(Program Specific Information：PSI)。MPEG-2解码器使用PSI信息来自动设置解码所需的各种参数。PSI信息使用4个表来定义码流的结构，这4个表是节目相关表(Program Association Table：PAT)，PID是O，节目相关表是PSI信息的根，要查找信息时首先必须从节目相关表开始。表中列出了传送码流中所有节目的PID所指出的相应的节目对应表(Program Map Tables：PMT)，可根据节目PID找到相应的PMT包，在PMT表中又可以找到与该节目有关的所有基本码流，如视频、音频和数据及有关信息的PID。除PAT表包的PID永远是0外，还有两种包的PID是预留的，一是空包，用来作码流填充，PID是8191，是PID所有允许值0到8191的最后一个。二是条件接收表包（Conditional Access Table：CAT），PID值总是1，在CAT表中将给出授权管理信息(Entitlement Management Message：EMM)所在包的PID等信息。第4个表是网络信息表(Network Information Table：NIT)给出相应的网络信息。所有PSI信息必须以一定的频率不断发送，每秒钟至少要发送20次。PSI信息的主要作用是自动设置解码器解码所需的参数，提供解码所需的信息并提供音视频同步信息。但仅有MPEG-2的PSI信息尚不能使综合解码接收机(Integrated Receiver Decoder：IRD)自动接收某一业务并提供相应的节目信息，因此DVB标准提供额外的服务信息(Service Information：SI)作为PSI的补充，SI信息主要提供整个IRD的设置信息，而不象PSI信息那样主要是提供MPEG-2解码信息，从而可使IRD自动调谐接收特定的节目并可对节目进行分组。SI中有传送的节目信息，包括节目的种类，节目的时间，节目的来源等。这些信息主要包括在4个基本表和一系列可选送的表中。4个基本表是网络信息表(NIT)，业务描述表(Service Description Table：SDT)，节目信息表(Event Information Table：EIT)，时间及日期表(Time and Date Table：TDT)。NIT表把属于特定节目提供者所有节目集中在一起，提供调谐接收必须的转发器、频率、符号率等数据，供IRD自动调谐接收用，同时也用于在节目接收参数有变化时及时更新参数使IRD能自行跟踪接收。业务描述表给出特定复用器中与每个节目或业务有关的其他节目名字与参数。节目信息表给出各类节目的时间安排。时间与日期表提供节目开始的具体时间，由于TDT表有具体的时钟信息，因此有时也可作为IRD的解码时钟的更新。除这4个表外，DVB-SI信息表还有节目组相关表(Bouquet Association Table：BAT)，可以作为给不同观众不同组合节目的一种方法，运行状态表(Running Status Tablo：RST)用于快速更新某节目或某些节目的运行参数，RST只有在状态或节目变更时才发送一次。填充表(Stuffing Table：ST)用来替代不传送的表。使用EIT表和SDT表就可以组成电子节目指导(Electronic Program Guide: EPG)，为了使EPG的应用程序能直接与SI数据联系起来自动选择节目，在EPG应用程序和SI数据之间还需要某种软件接口，即应用程序接口(API:Aplication Programming Interface)，某些API可能包括MPEG-5的多媒体支持或Java编程语言的支持。 有条件接收也直接与EPG和API有关。接收机由CAT表中得到授权管理信息(EMM：Entitlement Management Message)，并通过对授权控制信息(ECM：Entitlement Control Message)的运算得到解密所需的密钥，对允许观看的节目进行解密。实际上是使用加密和加扰技术对用户进行管理，支持多路视频、声频和数据，用户管理系统管理上百个频道，千余种节目(业务)的授权和更新。可进行节目的重新包装和实现多种业务，包括准点播电视和双向业务。可进行灵活的编址和包括多种限制条件多种灵活的按次付费，如OPPV，I PPV，TPPV等。还包括免费预览，消费量控制，信息发送，选择所需的不同语言，交互式广告，观看历史的记录与统计，回叫(报告消费和观看状况，可设定或不设定门限)及其他的安全措施。
九、中间件(Middleware)
中间件则是指硬件和软件会合的部分，是系统的关键。目前有美国的ATVEF、DASE，欧洲的MHEG 5或EUROMHEG或MHP。MHP API支持实时码流应用，下载和本地存储应用，允许任何广播业者或任何应用供应商写和提供应用程序，使所有应用看起来象是由广播业者和／或应用供应商控制。提供对DVB—SI数据的接入，允许任何制造商以自己的方式执行API，能完全独立并分离于CA系统。ATVEF支持用HTML描述图形、文字、视频和其他媒体的表述；用统一源识别码(URl：Uniform Resource ldentifiers)作为所有多媒体单元的参考码，包括电视广播业者和其他内容供应商能有单一方向的链路；用ECMA描述和文件对象模块(ECMA Script和Document Object Model)作为对HTML内容的控制及HTML内容对广播视频的同步；多用途互联网邮件扩展/超文本传送协议(MIME/HTTP：MultipurposInternet MailExtensions/Hyper text Transport Protocol)型数据头作为内容控制数据的表述；互联网协议(IP：Internet Protocol)作为所有数据的基本传送方法，使多种IP能使用统一方向的链路；用会晤公告协议/会晤描述协议(SAP/SDP：Session Announcement Protocol和Session Description Protocol)作为交互内容的公告流。 可以看出，条件接收和中间件的确定，最终确定系统的总体性能和将来的发展。
摘自<6609net>