什么是HDTV？
HDTV是英文High Definition Television的缩写，通常称之为高清晰度电视，但在美国则称之为高级电视(ATV)。CCIR对HDTV的定义是：当观看距离为屏幕高度的三倍时，HDTV系统的垂直和水平方向的空间分辨力为现行电视系统的两倍，其宽高比为16∶9，并配有多声道的优质伴音。
HDTV技术漫谈1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith结成"巨星联盟",制订的HDTV标准。本文对该标准所涉及的HDTV系统功能、视频压缩、分组传输、数字音频编码、互用性,以及HDTV与NII等问题进行了论述。
1987年,美国联邦通信委员会(FCC)率先在美国市场开始了富有竞争性的高清晰度电视(HDTV)的测试和标准化工作。随后几年,采用竞争方式开发高清晰度电视系统协议。1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith等电子产业界的巨商结成了"巨星联盟",以期制订HDTV标准,并建立了"巨星联盟"HDTV系统(简称"巨星盟"系统)。同年春季,在美国先进电视测试中心测试了样机。制订的标准于1993年夏季得到了FCC的标准。
HDTV标准包括MPEG-2视频压缩和传送协议、多种传输格式、Dobly AC-3数字音频和残留边带数字调制等。根据这些标准,HDTV系统将为家庭提供绚丽多彩的图像和悦耳的声音;作为国家信息基础设施(NII)的组成部分,还能传送数据。大至社会,数字技术可望产生新的商用业务,促进半导体、计算机、通信和显示等重要产业的发展。在未来10年中,HDTV技术将对国家经济和用户电子产品产生重大影响。HDTV采用多种传输格式、数字压缩、分组技术和调制技术,其性能和质量都比目前的电视标准,如NTSC、PAL或SECAN前进一大步。根据"巨星联盟"建立的标准,居民家庭将接收200多万个像素组成的HDTV图像。这一像素量大约是目前NTSC图像空间分辨率的6倍。建议的标准所支持的逐行扫描(Progressis Scanning)可提供每秒60帧的瞬间分辨率,是NTSC标准图像每秒29.97帧的2倍。活动图像看上去是很舒服的,即使是在很大的电视屏幕观看也十分清晰,所显示的全景图像水平与垂直方向的比例为19:9,与现有的家用电视接收机的4:3相比是很大的改进。HDTV图像将采用数字调制,不会因传输信道中的无用调制产物而产生重像,也不会有弱信号引起的雪花现象。建议的HDTV系统在6MHz信道带宽内,采用数字残留边带(VSB)调制,提供约20Mb/s的传输通道。这种传输通道对NⅡ计划具有重要的作用。因为它不仅能传送HDTV数据,而且还能对家庭提供诸如电子报纸和证券价格一类的数字数据。它还可望以成本效益方法提供高清晰度的视频和音频通信,对视频通信,如可视电话、视像会议和多媒体，将产生重大影响。
一、HDTV的系统功能
"巨星联盟"系统的功能包括传输格式选择、视频编码、音频编码、传送、传输。该系统中的数字显示和处理可支持一种以上的扫描格式,而且扫描格式、不同视频信息和应用之间,容易实现互用。"巨星联盟"系统选择的扫描格式采用两种扫描线结构和几种帧率支持一套节目内容。建议的标准包括每帧720和1080行有效扫描线两种主要的扫描格式。有效扫描线代表经过编码并要传送的图像单元。720行扫描线格式每行扫描线有1280个有效取样点,1080行扫描线格式有1920个取样点。取样点为所有扫描格式生成正交像素,图像纵横比为16:9。这两种扫描格式加上其他各种扫描格式之间的直接转换,可适应电视广播、计算机多媒体、计算机图形、工业成像和NII的需要。就720扫描线逐行扫描格式而言,帧率可以是60、30或24Hz。1080行扫描格式包括每秒60半帧的隔行扫描以及24和30Hz帧率的逐行扫描两种方式。对于60Hz帧率压缩1080行逐行扫描格式,"巨星联盟"认为,在目前如果使用现有的信道容量,这种方法不能提供合适的HDTV质量,因此应采用1080隔行扫描格式。但是当技术上和经济上都可行时,1080压缩格式可支持逐行扫描传输方式。60Hz帧或半帧的像素时钟速率为74.25MHz,而59.94Hz帧或半帧率的像素时钟速率约为74.18MHz,这一时钟速率是60Hz帧率的1000/1001倍。由于采用多种格扫描式,要求在编码之前或编码以后进行格式变化。编码器输入端的变换器把图像变成适合编码的传输格式。同样,译码器输出端的变换器设置最终显示格式。最终显示格式不同于接收格式,例如电视接收机将自动改变扫描参数,以显示不同的信息格式。换句话说,电视接收机将把接收到的信息格式变成在显示器上规定显示格式。这种格式变换能消除传输或编码格式与信源格式间的影响,具有很大的灵活性。例如,如果显示隔行扫描视频信号,那么在变换成逐行扫描格式之后,用户要立即选择去隔行扫描。逐行扫描格式一般为60帧,1280像素×720有效扫描线。此外,还必须改变译码器输出,当译码器接收多种格式的信息时,以激励规定的显示格式。为了满足不同特色的电影的需要,"巨星联盟"系统包含24和30Hz两种帧率,并相应调整NTSC频率。因此,译码器要设计得能以24或30Hz帧率发送的图像序列释译减少的帧率。就720和1080行扫描格式而言,如果以59.94Hz或60.0Hz表示电影方式的内容,译码器可识别和利用较小的帧率。为达到较高的性能或满足新的应用要求,最初设定的扫描格式还可以扩展,使其能够传送1080行60.0Hz逐行扫描HDTV视频编码序列,以获得高清晰度的图像。
"巨星联盟"认为,实现上述目标的一种办法是传送增强数据(超过原系统的编码数据)。新的电视接收机可将数据组译码,并把它们加以组合,产生出1080行的逐行扫描图像。任何一种"巨星联盟"格式都可以得到增强。也就是说,这种数据可以建立在压缩1080行电影方式(30Hz)、720行(60Hz)或1080行隔行扫描传输的基础上。增强数据所需要的附加容量有几种途径,如提高压缩效率,从其他途径获得附加通信容量,或在NTSC广播信号传送到末端设备后,可用提高信号功率和数据率或重复使用NTSC通道能力来增强广播信号和其他的数据传输。
二、视频压缩
在视频信号压缩方面,"巨星联盟"系统应用移动补偿分离余弦变换(DCT)算法。DCT利用空间冗余,移动补偿利用时间冗余。视频编码器支持1080行隔行扫描和720行逐行扫描。它可支持双向帧(B-帧)预测、大范围移动预测、自适应半帧和帧DCT编码以及图像传送分析,包括本地量化程度控制和自动检测图像质量高的电影。B帧预测根据过去和预计的帧预测目前的帧,改善压缩效率。大移动范围预测,横向可达±127,纵向达±31。半帧、帧移动矢量和自适应半帧/帧DCT编码，可大大改善1080行隔行扫描格式的压缩效率。
三、分组传输
分组传输技术适用于多媒体广播传输业务,HDTV在很大程度上归功于这一传输技术的应用。"巨星联盟"系统的基本系统MPEG-2把压缩视频、音频和附属数据信息流装成固定长度的信息组,每个信息组只含一类数据:或视频或音频或附属数据。当不存在固定的混合信息组时,传送装置可动态地分配现有的信道带宽。
"巨星联盟"系统应用类似目前电话网络中使用的分组交换方法传送多媒体信息。每个分组由4字节的分组头和184个字节的有效载荷组成。有效载荷由一种信息(或视频或音频或报文)构成。4个字节的分组头允许接收机确定有效载荷中承载的数据类型。在分组头中可以规定8000字节以上的信息类型。附加信息帮助接收机识别在传输通道中已经产生错误的分组。
有效载荷可含一个适应头,以提供数据类型特定的有效信息。例如,它可以用一个分组表示盒式录像机中一种新图像的开始,类似于快速送带特性。每个传送分组由4个字节的分组头加184个字节的有效信息构成。分组头包含分组同步和识别有效信息。同步字节一般是分组头的第一个字节,它包括固定长度的预先设定的值。13比特的半帧称为分组标识,提供各单元比特流多路复用的方法。由于分组标识半帧的位置常常是固定的,一旦分组同步建立起来,直接提取出相对于特定单元的比特流的分组。固定的分组长度有助于检错和纠错。当传输条件差以至超过防错控制时,分组头用作数据单元流译码器的信令。译码器这时可以屏蔽掉误码,从而防止在图像和伴音中出现斑点和杂音。有时,为了预测音频和视频的定时同步,或随机接入压缩的比特流或接入本地节目,需要附加分组头信息。于是在传送分组的有效信息中装入了可变长度的半帧适应头。为使音频和视频口型同步,单元比特流传送对应于主时钟的表示时间的基准信号,将释译出的信息显示出来。为了产生一种节目,传输系统在分组单元比特流共享时间的基础上,复用控制数据流。这些节目以及整个系统控制数据流也被复用,组成多路复用系统。传输系统把这些节目定义为单元比特流的任意组合,并且多种节目可以复用,通过传输通道传送。传输多路复用固定长度的分组,生成可构成几种单独节目的单一比特流。一个专门确定的分组类型(PIDO)有一个借助传送比特流运载的节目流图。每套节目包含几种不同的信息或分组单元比特流。例如一套节目可以承载多种不同语言的音频信息,以作为公用视频的伴音传送。
四、AC-3数字音频编码系统
AC-3数字音频编码系统将离散多声道音频编码变成384kb/s的比特流。其音质优于日前的矩阵式环绕立体声,如广播电视和VHS Hi Fi传送媒体。AC-3编码通过把音频信息从时域变成频域,连续分析音频频谱,以足够的比特将重要的频谱分量编码,以获得适当的信噪比,而一些不重要的(听不到声音)的频谱分量不编码。通过抑制程序段或频道之间音频电平的波动,改善音频系统的效率,让听众动态选择音频节目,并为只具有单声道或立体声接收机的听众提供混声道。可同时传送多种音频比特流,满足视力和听力下降、多种语言或多种收听对象的需要。
五、数字残留边带
HDTV标准的传输系统应用残留边带(VSB)技术。尽管VSB的频谱类似其他的数字调制方法,但信号接收困难时,此信号可以得到增强。对于电视广播来说,该系统使用称为8-VSB的信号,包括4电平(four-level)AM残留边带信号加上把4电平输入信号变成8电平(eight-level)输出信号的格形编码信号。基本的数据传输频谱在大多数信道上是平滑的,像正交振幅调制(QAM)频谱一样,频段的两边有一个滚降区(roll-off)。但是抑制载频与QAM不同,QAM的抑制载频处在频段的中心位置,而VSB的抑制载频是在频段低端的滚降区。HDTV发射信号分布在与目前NTSC传输使用的同一6MHz频带内,这便于把现有的信道分配给HDTV。与NTSC相比,残留边带(VSB)频谱在整个6MHz频带内相对平滑。VSB信号的抑制载频是位于频段的低端滚降区一个导频单音。目前的NTSC电视接收机不能觉察这一导频信号,因此可以保护VSB信号不受NTSC载频在电视接收机梳形滤波器中产生的强信号的干扰。当发射机输入处于开路状态时,恒定值数据都是0,通常要产生一种不均匀的频谱,从而增大进入现有NTSC台的干扰信号。为此,输入数据由伪随机倒频序列加以修正,将频谱均等分割。由于"巨星联盟"视频压缩系统产生的MPEG依从数据增加到188字节(包含一个同频字节),传送的数据也同样增加。每个数据段包含187个数据字节、20个供前向纠错用的里德一索罗蒙(Reed-Solomon)奇偶字节和一个增强同步字节。增强同步字节取代MPEG同步字节,但需要时可在接收机中重新插入这一字节。VSB的一维性可使调制基带多电平信号在模-数传换器中数字化。数字电路控制所有的数字信号处理。在信噪比得到控制的电缆上,无需格形编码就可以实现16电平VSB调制信号频谱,而使现有的数据率比8-VSB提高一倍。VSB这一特性有助于接收机捕获和自动跟踪输入信号。
VSB的基本特征是用一个小的导频载频取代QAM中常用的全抑制载频。这样可把进入现有电视接收机的同频道干扰减至最小。如果没有其他的频道干扰,可在0信噪比的情况下获得这一导频信号,并可在严重干扰(如重影或频道干扰)条件下,提供获取信号的余量。
六、高度互用性
高度互用是HDTV的重要设计目标,所依据的原则有三点:
(1)分层的数字结构可与数据通信的开放系统互连(OSI)模型兼容,而OSI模型事实上是所有现代数字系统的基准模型。
(2)HDTV系统应用分组数据头/描述符方法,严格规定数据格式,可充分发挥数字系统的灵活性。
(3)HDTV系统的每一层可在对应层上与其他系统互用,所以许多系统都可以应用HDTV结构各层的功能。
"巨星联盟"系统的图像格式提供的正交像素水平和垂直分辨率是相等的,并提供逐行扫描。在图像层,HDTV传输标准容易与各种现有的像素格式(包括电影中使用的格式)、现有的HDTV生产设备、NTSC电视标准以及PC机和工作站一类的计算机显示器互用。如前所述,"巨星联盟"系统具有1920有效像素×1080行扫描线和1280像素×720行扫描
线两种像素格式,每一种格式都具有16:9的纵横比。这两种扫描格式按3:2的系数密切相关,所以直接内插一滤波器就可以把一种格式变成另一种格式。这两种扫描格式以3:2的系统与通用640像素×480行扫描线的VGA计算机格式相关,直接以VGA格式实现文本和图形的互用。
"巨星联盟"系统的压缩是把原始的视频和音频抽样点变成编码比特流。这种比特流实际上是一组数据和计算机指令,接收机根据这些数据指令重新生成原来的图像和声音。因此,该系统有利于与计算机和多媒体系统通常采用的压缩系统互用。例如,通过HDTV装置直接在压缩比特流级与计算机多媒体应用互用,而用户的HDTV盒式录像机将可以产生一种输出比特流,这一比特流可以输入到多媒体计算机,也可以借助CD ROM与HDTV接收机接口。HDTV系统还可以通过利用分组格式,加强与ATM的互用性,即在ATM链路上传送MPEG-2节目,在MPEG-2链路上传送ATM数据,以及用一个系统完全实现MPEG-2和ATM功能。
七、HDTV与NII
随着数字式HDTV的部署和新市场的产生,一些发达国家(如美国)有可能加速国家信息基础设施的发展。现有的有线电视系统可以传送HDTV,电视广播商也可迅速投入运营。HDTV将通过灵敏的电视接收机形成一个巨大的低成本、高清晰度电视市场。加上功能更强的微处理器、HDTV装置,将以很少的成本实现NII信息应用。任何一种HDTV接收机(甚至是隔行扫描接收机)大都要作为一种合适的NII终端供用户使用。并非所有的信息基础设施都是以公众为目的的。但是用户对NII的认可和应用的增多,可能产生对更先进的HDTV接收机的需求。为此,HDTV可能是NII的进一步发展和产生新的NII应用的催化剂。随着NII的发展,用户将会需要更先进的HDTV的其他的信息应用业务。
