什么是HDTV？
HDTV是英文High Definition Television的縮寫，通常稱之為高清晰度電視，但在美國則稱之為高級電視(ATV)。CCIR對HDTV的定義是：當觀看距離為屏幕高度的三倍時，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標準。本文對該標準所涉及的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等問題進行了論述。
1987年,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)率先在美國市場開始了富有競爭性的高清晰度電視(HDTV)的測試和標準化工作。隨后幾年,采用競爭方式開發(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標準,并建立了"巨星聯(lián)盟"HDTV系統(tǒng)(簡稱"巨星盟"系統(tǒng))。同年春季,在美國先進電視測試中心測試了樣機。制訂的標準于1993年夏季得到了FCC的標準。
HDTV標準包括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)這些標準,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,數(shù)字技術(shù)可望產(chǎn)生新的商用業(yè)務(wù),促進半導體、計算機、通信和顯示等重要產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來10年中,HDTV技術(shù)將對國家經(jīng)濟和用戶電子產(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準,如NTSC、PAL或SECAN前進一大步。根據(jù)"巨星聯(lián)盟"建立的標準,居民家庭將接收200多萬個像素組成的HDTV圖像。這一像素量大約是目前NTSC圖像空間分辨率的6倍。建議的標準所支持的逐行掃描(Progressis Scanning)可提供每秒60幀的瞬間分辨率,是NTSC標準圖像每秒29.97幀的2倍。活動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的4:3相比是很大的改進。HDTV圖像將采用數(shù)字調(diào)制,不會因傳輸信道中的無用調(diào)制產(chǎn)物而產(chǎn)生重像,也不會有弱信號引起的雪花現(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NⅡ計劃具有重要的作用。因為它不僅能傳送HDTV數(shù)據(jù),而且還能對家庭提供諸如電子報紙和證券價格一類的數(shù)字數(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,對視頻通信,如可視電話、視像會議和多媒體，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、不同視頻信息和應用之間,容易實現(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結(jié)構(gòu)和幾種幀率支持一套節(jié)目內(nèi)容。建議的標準包括每幀720和1080行有效掃描線兩種主要的掃描格式。有效掃描線代表經(jīng)過編碼并要傳送的圖像單元。720行掃描線格式每行掃描線有1280個有效取樣點,1080行掃描線格式有1920個取樣點。取樣點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,可適應電視廣播、計算機多媒體、計算機圖形、工業(yè)成像和NII的需要。就720掃描線逐行掃描格式而言,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。對于60Hz幀率壓縮1080行逐行掃描格式,"巨星聯(lián)盟"認為,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,因此應采用1080隔行掃描格式。但是當技術(shù)上和經(jīng)濟上都可行時,1080壓縮格式可支持逐行掃描傳輸方式。60Hz幀或半幀的像素時鐘速率為74.25MHz,而59.94Hz幀或半幀率的像素時鐘速率約為74.18MHz,這一時鐘速率是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,例如電視接收機將自動改變掃描參數(shù),以顯示不同的信息格式。換句話說,電視接收機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,那么在變換成逐行掃描格式之后,用戶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。此外,還必須改變譯碼器輸出,當譯碼器接收多種格式的信息時,以激勵規(guī)定的顯示格式。為了滿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,并相應調(diào)整NTSC頻率。因此,譯碼器要設(shè)計得能以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,譯碼器可識別和利用較小的幀率。為達到較高的性能或滿足新的應用要求,最初設(shè)定的掃描格式還可以擴展,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"認為,實現(xiàn)上述目標的一種辦法是傳送增強數(shù)據(jù)(超過原系統(tǒng)的編碼數(shù)據(jù))。新的電視接收機可將數(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。也就是說,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A(chǔ)上。增強數(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廣播信號傳送到末端設(shè)備后,可用提高信號功率和數(shù)據(jù)率或重復使用NTSC通道能力來增強廣播信號和其他的數(shù)據(jù)傳輸。
二、視頻壓縮
在視頻信號壓縮方面,"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)應用移動補償分離余弦變換(DCT)算法。DCT利用空間冗余,移動補償利用時間冗余。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)預測、大范圍移動預測、自適應半幀和幀DCT編碼以及圖像傳送分析,包括本地量化程度控制和自動檢測圖像質(zhì)量高的電影。B幀預測根據(jù)過去和預計的幀預測目前的幀,改善壓縮效率。大移動范圍預測,橫向可達±127,縱向達±31。半幀、幀移動矢量和自適應半幀/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)信息流裝成固定長度的信息組,每個信息組只含一類數(shù)據(jù):或視頻或音頻或附屬數(shù)據(jù)。當不存在固定的混合信息組時,傳送裝置可動態(tài)地分配現(xiàn)有的信道帶寬。
"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)應用類似目前電話網(wǎng)絡(luò)中使用的分組交換方法傳送多媒體信息。每個分組由4字節(jié)的分組頭和184個字節(jié)的有效載荷組成。有效載荷由一種信息(或視頻或音頻或報文)構(gòu)成。4個字節(jié)的分組頭允許接收機確定有效載荷中承載的數(shù)據(jù)類型。在分組頭中可以規(guī)定8000字節(jié)以上的信息類型。附加信息幫助接收機識別在傳輸通道中已經(jīng)產(chǎn)生錯誤的分組。
有效載荷可含一個適應頭,以提供數(shù)據(jù)類型特定的有效信息。例如,它可以用一個分組表示盒式錄像機中一種新圖像的開始,類似于快速送帶特性。每個傳送分組由4個字節(jié)的分組頭加184個字節(jié)的有效信息構(gòu)成。分組頭包含分組同步和識別有效信息。同步字節(jié)一般是分組頭的第一個字節(jié),它包括固定長度的預先設(shè)定的值。13比特的半幀稱為分組標識,提供各單元比特流多路復用的方法。由于分組標識半幀的位置常常是固定的,一旦分組同步建立起來,直接提取出相對于特定單元的比特流的分組。固定的分組長度有助于檢錯和糾錯。當傳輸條件差以至超過防錯控制時,分組頭用作數(shù)據(jù)單元流譯碼器的信令。譯碼器這時可以屏蔽掉誤碼,從而防止在圖像和伴音中出現(xiàn)斑點和雜音。有時,為了預測音頻和視頻的定時同步,或隨機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度的半幀適應頭。為使音頻和視頻口型同步,單元比特流傳送對應于主時鐘的表示時間的基準信號,將釋譯出的信息顯示出來。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間的基礎(chǔ)上,復用控制數(shù)據(jù)流。這些節(jié)目以及整個系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)流也被復用,組成多路復用系統(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)目可以復用,通過傳輸通道傳送。傳輸多路復用固定長度的分組,生成可構(gòu)成幾種單獨節(jié)目的單一比特流。一個專門確定的分組類型(PIDO)有一個借助傳送比特流運載的節(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編碼通過把音頻信息從時域變成頻域,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?shù)男旁氡?而一些不重要的(聽不到聲音)的頻譜分量不編碼。通過抑制程序段或頻道之間音頻電平的波動,改善音頻系統(tǒng)的效率,讓聽眾動態(tài)選擇音頻節(jié)目,并為只具有單聲道或立體聲接收機的聽眾提供混聲道�？赏瑫r傳送多種音頻比特流,滿足視力和聽力下降、多種語言或多種收聽對象的需要。
五、數(shù)字殘留邊帶
HDTV標準的傳輸系統(tǒng)應用殘留邊帶(VSB)技術(shù)。盡管VSB的頻譜類似其他的數(shù)字調(diào)制方法,但信號接收困難時,此信號可以得到增強。對于電視廣播來說,該系統(tǒng)使用稱為8-VSB的信號,包括4電平(four-level)AM殘留邊帶信號加上把4電平輸入信號變成8電平(eight-level)輸出信號的格形編碼信號�；镜臄�(shù)據(jù)傳輸頻譜在大多數(shù)信道上是平滑的,像正交振幅調(diào)制(QAM)頻譜一樣,頻段的兩邊有一個滾降區(qū)(roll-off)。但是抑制載頻與QAM不同,QAM的抑制載頻處在頻段的中心位置,而VSB的抑制載頻是在頻段低端的滾降區(qū)。HDTV發(fā)射信號分布在與目前NTSC傳輸使用的同一6MHz頻帶內(nèi),這便于把現(xiàn)有的信道分配給HDTV。與NTSC相比,殘留邊帶(VSB)頻譜在整個6MHz頻帶內(nèi)相對平滑。VSB信號的抑制載頻是位于頻段的低端滾降區(qū)一個導頻單音。目前的NTSC電視接收機不能覺察這一導頻信號,因此可以保護VSB信號不受NTSC載頻在電視接收機梳形濾波器中產(chǎn)生的強信號的干擾。當發(fā)射機輸入處于開路狀態(tài)時,恒定值數(shù)據(jù)都是0,通常要產(chǎn)生一種不均勻的頻譜,從而增大進入現(xiàn)有NTSC臺的干擾信號。為此,輸入數(shù)據(jù)由偽隨機倒頻序列加以修正,將頻譜均等分割。由于"巨星聯(lián)盟"視頻壓縮系統(tǒng)產(chǎn)生的MPEG依從數(shù)據(jù)增加到188字節(jié)(包含一個同頻字節(jié)),傳送的數(shù)據(jù)也同樣增加。每個數(shù)據(jù)段包含187個數(shù)據(jù)字節(jié)、20個供前向糾錯用的里德一索羅蒙(Reed-Solomon)奇偶字節(jié)和一個增強同步字節(jié)。增強同步字節(jié)取代MPEG同步字節(jié),但需要時可在接收機中重新插入這一字節(jié)。VSB的一維性可使調(diào)制基帶多電平信號在模-數(shù)傳換器中數(shù)字化。數(shù)字電路控制所有的數(shù)字信號處理。在信噪比得到控制的電纜上,無需格形編碼就可以實現(xiàn)16電平VSB調(diào)制信號頻譜,而使現(xiàn)有的數(shù)據(jù)率比8-VSB提高一倍。VSB這一特性有助于接收機捕獲和自動跟蹤輸入信號。
VSB的基本特征是用一個小的導頻載頻取代QAM中常用的全抑制載頻。這樣可把進入現(xiàn)有電視接收機的同頻道干擾減至最小。如果沒有其他的頻道干擾,可在0信噪比的情況下獲得這一導頻信號,并可在嚴重干擾(如重影或頻道干擾)條件下,提供獲取信號的余量。
六、高度互用性
高度互用是HDTV的重要設(shè)計目標,所依據(jù)的原則有三點:
(1)分層的數(shù)字結(jié)構(gòu)可與數(shù)據(jù)通信的開放系統(tǒng)互連(OSI)模型兼容,而OSI模型事實上是所有現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基準模型。
(2)HDTV系統(tǒng)應用分組數(shù)據(jù)頭/描述符方法,嚴格規(guī)定數(shù)據(jù)格式,可充分發(fā)揮數(shù)字系統(tǒng)的靈活性。
(3)HDTV系統(tǒng)的每一層可在對應層上與其他系統(tǒng)互用,所以許多系統(tǒng)都可以應用HDTV結(jié)構(gòu)各層的功能。
"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)的圖像格式提供的正交像素水平和垂直分辨率是相等的,并提供逐行掃描。在圖像層,HDTV傳輸標準容易與各種現(xiàn)有的像素格式(包括電影中使用的格式)、現(xiàn)有的HDTV生產(chǎn)設(shè)備、NTSC電視標準以及PC機和工作站一類的計算機顯示器互用。如前所述,"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)具有1920有效像素×1080行掃描線和1280像素×720行掃描
線兩種像素格式,每一種格式都具有16:9的縱橫比。這兩種掃描格式按3:2的系數(shù)密切相關(guān),所以直接內(nèi)插一濾波器就可以把一種格式變成另一種格式。這兩種掃描格式以3:2的系統(tǒng)與通用640像素×480行掃描線的VGA計算機格式相關(guān),直接以VGA格式實現(xiàn)文本和圖形的互用。
"巨星聯(lián)盟"系統(tǒng)的壓縮是把原始的視頻和音頻抽樣點變成編碼比特流。這種比特流實際上是一組數(shù)據(jù)和計算機指令,接收機根據(jù)這些數(shù)據(jù)指令重新生成原來的圖像和聲音。因此,該系統(tǒng)有利于與計算機和多媒體系統(tǒng)通常采用的壓縮系統(tǒng)互用。例如,通過HDTV裝置直接在壓縮比特流級與計算機多媒體應用互用,而用戶的HDTV盒式錄像機將可以產(chǎn)生一種輸出比特流,這一比特流可以輸入到多媒體計算機,也可以借助CD ROM與HDTV接收機接口。HDTV系統(tǒng)還可以通過利用分組格式,加強與ATM的互用性,即在ATM鏈路上傳送MPEG-2節(jié)目,在MPEG-2鏈路上傳送ATM數(shù)據(jù),以及用一個系統(tǒng)完全實現(xiàn)MPEG-2和ATM功能。
七、HDTV與NII
隨著數(shù)字式HDTV的部署和新市場的產(chǎn)生,一些發(fā)達國家(如美國)有可能加速國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。現(xiàn)有的有線電視系統(tǒng)可以傳送HDTV,電視廣播商也可迅速投入運營。HDTV將通過靈敏的電視接收機形成一個巨大的低成本、高清晰度電視市場。加上功能更強的微處理器、HDTV裝置,將以很少的成本實現(xiàn)NII信息應用。任何一種HDTV接收機(甚至是隔行掃描接收機)大都要作為一種合適的NII終端供用戶使用。并非所有的信息基礎(chǔ)設(shè)施都是以公眾為目的的。但是用戶對NII的認可和應用的增多,可能產(chǎn)生對更先進的HDTV接收機的需求。為此,HDTV可能是NII的進一步發(fā)展和產(chǎn)生新的NII應用的催化劑。隨著NII的發(fā)展,用戶將會需要更先進的HDTV的其他的信息應用業(yè)務(wù)。
