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系統的垂直和水平方向的空間分辨力為現行電視系統的兩倍，其寬高比為16∶9，并配有多聲道的優質伴音。
HDTV技術漫談1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith結成"巨星聯盟",制訂的HDTV標準。本文對該標準所涉及的HDTV系統功能、視頻壓縮、分組傳輸、數字音頻編碼、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,采用競爭方式開發高清晰度電視系統協議。1993年,AT&T、MIT、Philips、Sarnoff、Thomson和Zenith等電子產業界的巨商結成了"巨星聯盟",以期制訂HDTV標準,并建立了"巨星聯盟"HDTV系統(簡稱"巨星盟"系統)。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視頻壓縮和傳送協議、多種傳輸格式、Dobly AC-3數字音頻和殘留邊帶數字調制等。根據這些標準,HDTV系統將為家庭提供絢麗多彩的圖像和悅耳的聲音;作為國家信息基礎設施(NII)的組成部分,還能傳送數據。大至社會,數字技術可望產生新的商用業務,促進半導體、計算機、通信和顯示等重要產業的發展。在未來10年中,HDTV技術將對國家經濟和用戶電子產品產生重大影響。HDTV采用多種傳輸格式、數字壓縮、分組技術和調制技術,其性能和質量都比目前的電視標準,如NTSC、PAL或SECAN前進一大步。根據"巨星聯盟"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圖像將采用數字調制,不會因傳輸信道中的無用調制產物而產生重像,也不會有弱信號引起的雪花現象。建議的HDTV系統在6MHz信道帶寬內,采用數字殘留邊帶(VSB)調制,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數據,而且還能對家庭提供諸如電子報紙和證券價格一類的數字數據。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，將產生重大影響。
一、HDTV的系統功能
"巨星聯盟"系統的功能包括傳輸格式選擇、視頻編碼、音頻編碼、傳送、傳輸。該系統中的數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,容易實現互用。"巨星聯盟"系統選擇的掃描格式采用兩種掃描線結構和幾種幀率支持一套節目內容。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換,可適應電視廣播、計算機多媒體、計算機圖形、工業成像和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,"巨星聯盟"認為,在目前如果使用現有的信道容量,這種方法不能提供合適的HDTV質量,因此應采用1080隔行掃描格式。但是當技術上和經濟上都可行時,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,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,以激勵規定的顯示格式。為了滿足不同特色的電影的需要,"巨星聯盟"系統包含24和30Hz兩種幀率,并相應調整NTSC頻率。因此,譯碼器要設計得能以24或30Hz幀率發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。
"巨星聯盟"認為,實現上述目標的一種辦法是傳送增強數據(超過原系統的編碼數據)。新的電視接收機可將數據組譯碼,并把它們加以組合,產生出1080行的逐行掃描圖像。任何一種"巨星聯盟"格式都可以得到增強。也就是說,這種數據可以建立在壓縮1080行電影方式(30Hz)、720行(60Hz)或1080行隔行掃描傳輸的基礎上。增強數據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備后,可用提高信號功率和數據率或重復使用NTSC通道能力來增強廣播信號和其他的數據傳輸。
二、視頻壓縮
在視頻信號壓縮方面,"巨星聯盟"系統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量高的電影。B幀預測根據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
分組傳輸技術適用于多媒體廣播傳輸業務,HDTV在很大程度上歸功于這一傳輸技術的應用。"巨星聯盟"系統的基本系統MPEG-2把壓縮視頻、音頻和附屬數據信息流裝成固定長度的信息組,每個信息組只含一類數據:或視頻或音頻或附屬數據。當不存在固定的混合信息組時,傳送裝置可動態地分配現有的信道帶寬。
"巨星聯盟"系統應用類似目前電話網絡中使用的分組交換方法傳送多媒體信息。每個分組由4字節的分組頭和184個字節的有效載荷組成。有效載荷由一種信息(或視頻或音頻或報文)構成。4個字節的分組頭允許接收機確定有效載荷中承載的數據類型。在分組頭中可以規定8000字節以上的信息類型。附加信息幫助接收機識別在傳輸通道中已經產生錯誤的分組。
有效載荷可含一個適應頭,以提供數據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個字節的分組頭加184個字節的有效信息構成。分組頭包含分組同步和識別有效信息。同步字節一般是分組頭的第一個字節,它包括固定長度的預先設定的值。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,分組頭用作數據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。為了產生一種節目,傳輸系統在分組單元比特流共享時間的基礎上,復用控制數據流。這些節目以及整個系統控制數據流也被復用,組成多路復用系統。傳輸系統把這些節目定義為單元比特流的任意組合,并且多種節目可以復用,通過傳輸通道傳送。傳輸多路復用固定長度的分組,生成可構成幾種單獨節目的單一比特流。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目流圖。每套節目包含幾種不同的信息或分組單元比特流。例如一套節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數字音頻編碼系統
AC-3數字音頻編碼系統將離散多聲道音頻編碼變成384kb/s的比特流。其音質優于日前的矩陣式環繞立體聲,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,以獲得適當的信噪比,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,改善音頻系統的效率,讓聽眾動態選擇音頻節目,并為只具有單聲道或立體聲接收機的聽眾提供混聲道。可同時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、數字殘留邊帶
HDTV標準的傳輸系統應用殘留邊帶(VSB)技術。盡管VSB的頻譜類似其他的數字調制方法,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。基本的數據傳輸頻譜在大多數信道上是平滑的,像正交振幅調制(QAM)頻譜一樣,頻段的兩邊有一個滾降區(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。HDTV發射信號分布在與目前NTSC傳輸使用的同一6MHz頻帶內,這便于把現有的信道分配給HDTV。與NTSC相比,殘留邊帶(VSB)頻譜在整個6MHz頻帶內相對平滑。VSB信號的抑制載頻是位于頻段的低端滾降區一個導頻單音。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生的強信號的干擾。當發射機輸入處于開路狀態時,恒定值數據都是0,通常要產生一種不均勻的頻譜,從而增大進入現有NTSC臺的干擾信號。為此,輸入數據由偽隨機倒頻序列加以修正,將頻譜均等分割。由于"巨星聯盟"視頻壓縮系統產生的MPEG依從數據增加到188字節(包含一個同頻字節),傳送的數據也同樣增加。每個數據段包含187個數據字節、20個供前向糾錯用的里德一索羅蒙(Reed-Solomon)奇偶字節和一個增強同步字節。增強同步字節取代MPEG同步字節,但需要時可在接收機中重新插入這一字節。VSB的一維性可使調制基帶多電平信號在模-數傳換器中數字化。數字電路控制所有的數字信號處理。在信噪比得到控制的電纜上,無需格形編碼就可以實現16電平VSB調制信號頻譜,而使現有的數據率比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的重要設計目標,所依據的原則有三點:
(1)分層的數字結構可與數據通信的開放系統互連(OSI)模型兼容,而OSI模型事實上是所有現代數字系統的基準模型。
(2)HDTV系統應用分組數據頭/描述符方法,嚴格規定數據格式,可充分發揮數字系統的靈活性。
(3)HDTV系統的每一層可在對應層上與其他系統互用,所以許多系統都可以應用HDTV結構各層的功能。
"巨星聯盟"系統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有的像素格式(包括電影中使用的格式)、現有的HDTV生產設備、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,"巨星聯盟"系統具有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的系數密切相關,所以直接內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的系統與通用640像素×480行掃描線的VGA計算機格式相關,直接以VGA格式實現文本和圖形的互用。
"巨星聯盟"系統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據和計算機指令,接收機根據這些數據指令重新生成原來的圖像和聲音。因此,該系統有利于與計算機和多媒體系統通常采用的壓縮系統互用。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節目,在MPEG-2鏈路上傳送ATM數據,以及用一個系統完全實現MPEG-2和ATM功能。
七、HDTV與NII
隨著數字式HDTV的部署和新市場的產生,一些發達國家(如美國)有可能加速國家信息基礎設施的發展。現有的有線電視系統可以傳送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設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的進一步發展和產生新的NII應用的催化劑。隨著NII的發展,用戶將會需要更先進的HDTV的其他的信息應用業務。
