数字电视系统的关键技术及标准概述
一、什么是数字电视
数字电视 (Digital TV) 是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路数字化的数字电视广播系统。数字电视利用 MPEG 标准中的各种图像格式，把现行模拟电视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约 4.69 — 21Mbps ，其图像质量可以达到电视演播室的质量水平，胶片质量水平，图像水平清晰度达到 500 — 1200 线以上，并采用 AC — 3 声音信号压缩技术，传输 5.1 声道的环绕声信号。
二、数字电视的分类
按清图像晰度分类，数字电视包括数字高清晰度电视 (HDTV) 、数字标准清晰度电视 (SDTV) 和数字普通清晰度电视 (LDTV) 三种。 HDTV 的图像水平清晰度大于 800 线，图象质量可达到或接近 35mm 宽银幕电影的水平； SDTV 的图像水平清晰度大于 500 线，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平； LDTV 的图像水平清晰度为 200-300 线，主要是对应现有 VCD 的分辨率量级。
按信号传输方式分类，数字电视可分为地面无线传输数字电视 ( 地面数字电视 ) 、卫星传输数字电视 ( 卫星数字电视 ) 、有线传输数字电视 ( 有线数字电视 ) 三类。
按照产品类型分类，数字电视可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒和一体化数字电视接收机。
按显示屏幕幅型比分类，数字电视可分为 4 ∶ 3 幅型比和 16 ∶ 9 幅型比两种类型。
三、数字电视系统的关键技术及标准
1 、数字电视的信源编解码技术
视频编解码技术
数字电视尤其数字高清晰度电视与模拟电视相比，在实现过程中，最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在 1920 × 1080 显示格式下，数字化后的码率在传输中高达 995Mbit/s ，这比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而数字电视的图像不能象模拟电视的图像那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由 995Mbit/s 减少为 20 ～ 30Mbit/s 。
音频编解码技术
与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。
信源编解码的相关标准
国际上对数字图像编码曾制订了三种标准，分别是主要用于电视会议的 H.261 、主要用于静止图像的 JPMG 标准和主要用于连续图像的 MPEG 标准。
在 HDTV 视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲和日本设有分歧，都采用 MPEG-2 标准。 MPEG 压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来的电视广播频道中进行分配。在音频编码方面，欧洲、日本采用了 MPEG-2 标准；美国采纳了杜比 (Dolby) 公司的 AC-3 方案， MPEG-2 为备用方案。但随着技术的进步， 1994 年完成的 MPEG-2 随着技术的进步现在显得越来越落后，国际上正在考虑用 MPEG-4 AVC 来代替目前的 MPEG-2 。
中国方面，中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的 AVS 标准。该标准据称具有自主知识产权，与 MPEG-2 标准完全兼容，也可以兼容 MPEG-4 AVC/ H.264 国际标准基本层，其压缩水平据称可达到 MPEG-2 标准的 2-3 倍，而与 MPEG-4 AVC 相比， AVS 更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。
2 、数字电视的复用系统
数字电视的复用系统是 HDTV 的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。在 HDTV 复用传输标准方面，美国、欧洲、日本没有分歧，都采用了 MPEG-2 标准。美国已有 MPEG-2 解复用的专用芯片。
3 、数字电视的信道编解码及调制解调
数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。
数字传输的常用调制方式：
正交振幅调制 (QAM) ：调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。
键控移相调制 (QPSK) ：调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。
残留边带调制 (VSB) ：抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。
编码正交频分调制 (COFDM) ：抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。
四、世界上现有的主要数字电视标准
1 、美国数字电视标准 ATSC
美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准 -ATSC （ Advanced Television System Committee 先进电视制式委员会）。美国 HDTV 地面广播频道的带宽为 6MHZ ，调制采用 8VSB 。预计美国的卫星广播电视会采用 QPSK 调制，有线电视会采用 QAM 或 VSB 调制。
ATSC 数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用 MPEG-2 压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用 MPEG-2 压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用 Zenith 公司开发的 8-VSB 传输模式，在 6MHz 地面广播频道上可实现 19.3Mb/s 的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的 16-VSB 传输模式，可在 6MHz 有线电视信道中实现 38.6Mb/s 的传输速率。
下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如 HDTV 或 SDTV ；还确定 ATSC 标准支持的具体图像格式，共有 18 种 (HDTV 6 种、 SDTV 12 种 ) ，其中 14 种采用逐行扫描方式。
在 6 种 HDTV 格式中，因为 1920 × 1080 格式不适合在 6MHz 信道内以 60 帧 / 秒进行逐行扫描，故以隔行扫描取代之。 SDTV 的 640 × 480 图像格式与计算机的 VGA 格式相同，保证了与计算机的适用性。在 12 种 SDTV 格式中，有 9 种采用逐行扫描，保留 3 种为隔行扫描方式以适应现有的视频系统。
另外， ATSC 还开发并通过了可为采用 50Hz 帧频的国家使用的另行标准。 HDTV 格式的象素阵列相同，但帧频为 25Hz 和 50Hz ； SDTV 格式的垂直分辨率为 576 行，水平分辨率则不同；也包含 352 × 288 格式，适应必要的窗口设置。
2 、欧洲数字电视标准 DVB
欧洲数字电视标准为 DVB ，即 Digital Video Broadcasting ，数字视频广播。从 1995 年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播 (DVB-T) 、数字电视卫星广播 (DVB-S) 、数字电视有线广播 (DVB-C) 的标准。欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道，采用 QPSK 调制。欧洲地面广播数字电视采用 COFDM 调制， 8M 带宽。欧洲有线数字电视采用 QAM 调制。
DVB-T(ETS 300 744) 为数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的 DVB 传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用编码正交频分复用 (COFDM) 调制方式，在 8MHz 带宽内能传送 4 套电视节目，传输质量高；但其接收费用高。
DVB-S(ETS 300 421) 为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制 (QPSK) 方式，工作频率为 11/12GHz 。在使用 MPEG-2MP@ML 格式时，用户端若达到 CCIR 601 演播室质量，码率为 9Mb/s ；达到 PAL 质量，码率为 5Mb/s 。一个 54MHz 转发器传送速率可达 68Mb/s ，可用于多套节目的复用。 DVB-S 标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了 DVB-S 标准。
DVB-C(ETS 300 429) 为数字有线电视广播系统标准。它具有 16 、 32 、 64QAM( 正交调幅 ) 三种调制方式，工作频率在 10GHz 以下。采用 64QAM 时，一个 PAL 通道的传送码率为 41.34Mb/s ，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。
3 、日本数字电视的标准 ISDB
日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用 QPSK 调制。并在 1999 年发布了数字电视的标准 --ISDB 。 ISDB 是日本的 DIBEG(Digital Broadcasting Experts Group 数字广播专家组 ) 制订的数字广播系统标准，它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。 ISDB 具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。
4 、 DVB 与 ATSC 的比较
欧洲 DVB 标准和美国 ATSC 标准的主要区别如下：
方形像素：在 ATSC 标准中采纳了“方形像素” (Square Picture Eelements), 因为它们更加适合于计算机；而 DVB 标准最初没有采纳，最近也采纳了。此外，范围广泛的视频图像格式也被 DVB 采纳，而 ATSC 对此则不作强制性规定。
系统层和视频编码： DVB 和 ATSC 标准都采纳 MPEG-2 标准的系统层和视频编码，但是，由于 MPEG-2 标准并未对视频算法作详细规定，因而实施方案可以不同，与两个标准都无关。
音频编码： DVB 标准采纳了 MPEG-2 的音频压缩算法；而 ATSC 标准则采纳了 AC-3 的音频压缩算法。
信道编码：两者的扰码器（ Radomizers ）采用不同的多项式；两者的里德—所罗门前向纠错（ FEC ）编码采用不同的冗余度， DVB 标准用 16B ，而 ATSC 标准用功 20B ；两者的交织过程 (Interleaving) 不同；
在 DVB 标准中网格编码（ Trellix coding ）有可选的不同速率，而在 ATSC 标准中地面广播采用固定的 2/3 速率的网格编码，有线电视则不需采用网格编码。
调制技术：卫星广播系统中 DVB 标准采用 QPSK ，而 ATSC 标准不涉及卫星广播。有线电视系统中 DVB 标准采用任选的 16/32/64QAM ，而 ATSC 标准采用 16VSB ，两者完全不同。地面广播系统中 DVB 标准采用具有 QPSK 、 16QAM 或 64QAM 的 COFDM （ 2K 个或 8K 个载波）；而 ATSC 标准采用 8VSB 。
5 、三种数字地面广播系统的比较
ISDB-T 和欧洲的 DVB-T 非常类似 , 可以说是经修改的欧洲方案 , 传输方案仍是 COFDM, 使用的编码方式相同 , 调制方法也相同 , 也分为 2K 和 8K 两种模式。因为日本电视射频带宽为 6MHz, 所以载波数、载波间隔有所差别。 ISDB-T 与 DVB-T 、 ATSC ATV 的比较如下：
6 、 DVB 、 ATSC 和 ISDB 成员近况
据悉， DVB 成员已经达到 265 个 ( 来自 35 个国家和地区 ) ，主要集中在欧洲并遍及世界各地，我国的广播科学研究院和 TCL 电子集团也在其中。 ATSC 成员 30 个，其中有美国国内成员 20 个、来自阿根廷、法国、韩国等 7 个国家的成员 10 个，中国的广播科学研究院也参加了 ATSC 组织。 ISDB 筹划指导委员会委员 17 个，其他成员 23 个，其成员都是日本国内的电子公司和广播机构。
五、中国的数字电视标准
1 、中国的卫星数字电视标准
中国卫星数字电视采用 QPSK 调制方式，与欧洲、美国和日本采用的标准相同。由于中国限制个人直接接收卫星数字电视节目，所以目前是由有线电视台集中接收数字电视信号，并将其转化为模拟信号通过有线网络传输给广大用户收看的。
2 、中国的有线数字电视标准
中国有线数字电视的标准还在报批过程中，预计采用 QAM 调制方式，与欧洲、美国和日本相同。中国有线数字电视的发展基础较好，且播出所需的投入成本较小，已经在部分大中型城市试播。有线数字电视因不受国家政策限制，有可能会得到很快推广。
3 、中国的地面数字电视标准
数字电视地面广播与数字卫星广播相较，有容易普及、接收价格低廉的特点；与数字有线电视广播相较，则较不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的网络中断影响。因此，在传输状况、应用需求等方面，地面传输方式更加复杂，全球各地在地面数字电视传输系统方案的选择上争议也最大。
自 2001 年 4 月起，中国国家广电总局便开放数字电视广播系统的规格建议书的提交；并已在 2001 年 10 月开始在北京、上海及深圳三地进行数字地面广播标准的测试工作，在 2002 年至 2003 年间测试完成之后，开始进行最后标准的制定，目前还在制定过程之中。
目前中国各方面提交的地面数字电视标准提案共 5 套，分别是：
国家 HDTV 总体组 (The HDTV Technical Executive Experts Group) 一号提案：高级数字电视广播系统 (ADTB-T) ；
国家 HDTV 总体组 (The HDTV Technical Executive Experts Group) 二号提案：数字电视地面广播系统 (BDB-T/OFDM) ；
广电总局广播科学研究院 (Academy of Broadcasting Science, State Administration of Radio, Film and TV) 的射频子带分割双载波混合调变系统 (CDTB-T) ；
清华大学 (Tsinghua University) 地面数字多媒体电视广播传输协议 (TDS-OFDM based DMB-T) ；
成都电子科技大学 (Chengdu Electronic Technology University) 的同步多载波扩频地面数字电视传输系统 (SMCC/COFDM) 。
目前，这五种标准中，呈现出清华大学与上海交大的两种标准对垒之势。
清华大学的 DMB-T 标准
该标准在 OFDM( 正交频分复用 ) 的保护间隔 (Guard Interval) 中，去掉了导频部分，复用同步头。该同步头利用 DSS( 直接扩散方式，扩散符号使用的是 PN 系列 ) ，提高了灵敏度，有利于汽车等移动状态下接收信号。与欧洲方式相比，灵敏度提高了 10% 左右，信噪比的要求也可以降低到 -20dB 。同时信号的传输效率也提高了 10% 。
清华 DMB － T 协议简介
DMB-T (Terrestrial Digital Multimedia/Teelevision Broadcasting) 基于 TDS-OFDM (Time Domain Synchronous -Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 调制技术
分级的帧结构
强纠错编码技术
灵活的信道调制技术
OFDM 3780 个子载波， QPSK ＋ QAM 。抗多径和多普勒效应，支持单频网
高效可靠的时域同步技术
帧同步： Walsh 编码的 PN 序列， QPSK 调制。可靠同步，基站识别，终端定位和绝对时间同步，只接收需要信息，达到省电便携和移动的条件和目的
准确快速的信道估计技术
便于实现的快速算法
清华 DMB-T 方案的技术特点
具有自主知识产权（目前已有 19 个专利）
信道容量大 ( 最高每秒 32 兆位， 适于高清晰度电视广播 )
接收灵敏度高 ( 简单天线可以收视， 适于便携式接收机 )
同步恢复快（小于 5ms ），信道估计准确，抗干扰能力强（ 24dB 扩频增益），克服数字电视的悬崖效应，支持数据广播
能够抗静态多径 ( 简单天线接收 ) 和动态多径干扰 ( 适于运动环境下接收 )
能够抗各种家电脉冲干扰
频率规划效率高（支持同频网，可用低发射功率覆盖大范围）
采用分级编码技术，使标清和高清电视信号传输得到兼容
采用了扩频技术，大大提高了时域信号同步性能
在传输系统的信号调制和纠错编码两大部分都有创新
整体性能优于现有数字电视传输系统
具有可扩展性（交互式多媒体广播、蜂窝式广播网，等等）
上海交大的 ADTB-T 标准
ADTB-T 是一种“单载波”方案，采用 4 位或 16 位 QAM 变调方式，并在其中融入了独特的平均化技术，使用 8MHz 带宽，拥有 5Mbit/s 、 10Mbit/s 、 20Mbit/s 三种传输模式。目前正在开发第 4 代接收样机，同时正在进行高速移动接收试验。
关于移动接收信号的性能，据称超过了 DVB-T 。关于所需的灵敏度，据悉为 -82dBm( 最大 20Mbit/ 秒 ) ～ -92dBm( 最大 5Mbit/ 秒 ) 。
其主要的技术组成和特点包括：
有效的数据结构：满足灵活的综合数字业务和抗干扰要求
单载波调制技术： 4/16/64O-QAM
双导频辅助同步技术：稳健的上下导频辅助同步系统
优秀的信道编解码技术：级联的交织内外码 FEC
强大的对抗信道衰落的均衡技术： 0dB 多经和前、后向回波
更多高效的接收处理技术：普通高频头＋复杂的数字信号处理
大容量移动接收：移动条件下最高速率可达 12Mbps
ADTB-T 核心技术与创新点：
首次实现大容量（ 12Mbps ）的高速移动接收
首次实现单载波的单频网技术
提供了高 / 中 / 低码率业务混合传输的可能性
稳定可靠的固定接收性能，兼容有线接收
信号的峰均比低，载噪比门限低，有利于频谱规划，作到更好的信号覆盖
对抗相位噪声的能力强
跟踪快速变化信道的能力强
采用双导频信号，载波恢复和时钟恢复更稳健，可靠
取得近 20 项发明专利
4 、中国已经颁布的数字电视技术相关标准
目前中国已颁发的与数字电视相关的标准如下：
数字（高清晰度）电视标准体系（概况）
数字电视基础标准
GB/T7400.11 数字电视术语
GY/T134 数字电视图像质量主观评价方法
GY/T144 广播电视 SDH 干线网管理接口协议
GY/T145 广播电视 SDH 干线网网元管理信息模型规范
GY/Z174 数字电视广播业务信息（ SI ）规范
GY/Z175 数字电视广播条件接收系统（ CA ）规范
演播室参数标准
GB/T 14857 演播室数字电视编码参数规范
GB/T 17953 4 ∶ 2 ∶ 2 数字分量图像信号的接口
GY/T 155 高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值
GY/T 156 演播室数字音频参数
GY/T 157 演播室高清晰度电视数字视频信号接口
GY/T 158 演播室数字音频信号接口
GY/T 159 4 ∶ 4 ∶ 4 数字分量视频信号接口
GY/T 160 演播室数字电视辅助数据信号格式
GY/T 161 数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范
GY/T 162 高清晰度电视串行接口中作为附属数据信号的 24 比特数字音频格式
B11 GY/T 163 数字电视附属数据空间内时间码和控制码的格式
B12 GY/T 164 演播室串行数字光纤传输系统
B13 GB/T14919 数字声音信号源编码技术规范
B14 GB/T14920 四声道数字声音副载波系统技术规范
B15 GY/T167 数字分量演播室的同步基准信号
B16 GY/T165 电视中心播控系统数字播出通路技术指标和测量方法
视频编码及复用标准
GB/T 17975.2 信息技术——运动图像及其伴音信号的通用编码
MPEG-2 视频标准在数字（高清晰度）电视广播中的实施准则 ( 征求意见稿 )
MPEG-2 系统标准在数字（高清晰度）电视广播中的实施准则 ( 征求意见稿 )
信道编码及调制标准
GB/T 17700-1999 卫星数字电视广播信道编码及调制标准
GY/T170-2001 有线数字电视广播系统信道编码及调制规范
GY/T143 有线电视系统调幅激光器发送机和接收机入网技术条件和测量方法
GY/T146 卫星数字电视上行站通用规范
GY/T147 卫星数字电视接收站通用技术要求
GY/T148 卫星数字电视接收机技术要求
GY/T149 卫星数字电视接收站测量方法——系统测量
GY/T150 卫星数字电视接收站测量方法——室内单元测量
GY/T151 卫星数字电视接收站测量方法——室外单元测量
GY/T198 － 2003 《有线数字电视广播 QAM 调制器技术要求和测量方法》
