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数字电视

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家庭影院投影仪屏幕上的高清电视

电视基础

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模拟广播电视系统有多种帧率和分辨率。音频载波的频率和调制方式也存在进一步的差异。当彩色电视问世时,色调和饱和度信息以一种黑白电视忽略的方式添加到单色信号中。这样就实现了向后兼容。这一概念适用于所有模拟电视标准。

传统上,世界上同时存在着三种电视扫描标准。这些标准基于 1930 年代可用的技术,考虑了成本与性能的因素。第一个是美国的 NTSC(国家电视系统委员会)彩色电视系统,欧洲/澳大利亚的 PAL(相位交替行扫描)和法国 - 前苏联的 SECAM(带有存储器的顺序彩色)标准是后来发展起来的,试图解决 NTSC 系统的某些缺陷。PAL 的颜色编码类似于 NTSC 系统。然而,SECAM 采用与 PAL 或 NTSC 不同的调制方式。

原则上,所有三种颜色编码系统都可以与任何扫描线/帧率组合相结合。因此,为了完整地描述一个给定信号,有必要引用颜色系统和广播标准作为大写字母。例如,美国、加拿大、墨西哥和韩国使用 NTSC-M,日本使用 NTSC-J,英国使用 PAL-I,法国使用 SECAM-L,西欧大部分地区和澳大利亚使用 PAL-B/G,东欧大部分地区使用 SECAM-D/K 或 PAL-D/K。

然而,并非所有这些可能的组合都实际存在。NTSC 仅与系统 M 结合使用,尽管在英国曾进行过 NTSC-A(405 行)实验,在南美洲部分地区曾进行过 NTSC-N(625 行)实验。PAL 与多种 625 行标准(B、G、D、K、I、N)以及北美 525 行标准结合使用,相应地命名为 PAL-M。同样,SECAM 也与多种 625 行标准结合使用。

出于这个原因,许多人将任何 625/25 型信号称为“PAL”,将任何 525/30 型信号称为“NTSC”,即使是在指代数字信号时;例如,在 DVD-Video 中,没有任何模拟颜色编码,因此根本不存在 PAL 或 NTSC 信号。

525/60 标准 625/50 标准
每帧的线数 525 625
每场的线数 262.5 312.5
每秒的帧数 29.97 25
每秒的场数(), 赫兹

视频扫描

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视频扫描是指电视场景定义其亮度色度值的方式。它们指定了每帧的线数每秒的帧数。世界各地不同国家的技术和经济因素导致了在传输方面出现了许多不同的折衷方案。这些因素受制于一个事实,即一次只能传输一位信息。为了解决这个问题,传输必须分解成小的元素,这些元素按顺序传输,并在接收端本地重新组装。然后,重构的图像必须以快速的顺序显示,以模拟运动。

阴极射线管(CRT)电视通过在屏幕上扫描电子束,以水平线的形式形成光栅,来显示图像。在每行结束时,电子束返回到下一行的开始位置;最后一行结束时,电子束返回到屏幕的顶部。当电子束经过每个点时,它的强度会发生变化,从而改变该点的亮度。彩色电视系统与之相同,只是有一个额外的信号称为色度,它控制着光点的颜色。

光栅扫描在下面以略微简化的形式显示。

Illustration of raster scanning
视频扫描的示意图


在开发模拟电视时,还没有可以存储任何视频信号的经济适用技术;亮度信号必须在显示在 CRT 上的同时生成和传输。因此,必须使摄像机(或其他用于产生信号的设备)中的光栅扫描与电视机中的扫描完全同步。

CRT 的物理特性要求为光点移动回下一行的开始位置(水平回扫)或屏幕的开始位置(垂直回扫)留出有限的时间间隔。亮度信号的时序必须考虑这一点。

分辨率

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在电视中,分辨率用于指代每画面高度的线数 (LPH)。电视系统已被开发为具有正方形像素,或水平和垂直分辨率的比率相等。垂直分辨率是广播格式解析水平线的的能力。它通常显示为可以在电视屏幕上清晰解析的水平线数。

人眼有一种被称为飞现象的特性。飞现象被称为“一阶”运动感知。它是在视觉系统中相对简单的“运动传感器”的基础上建模的,这些传感器已经进化到检测视网膜上某一点的亮度变化,并在短时间延迟后将其与视网膜上相邻点的亮度变化相关联,因此,快速显示的连续扫描图像将允许人们感知到平滑运动的错觉。图像的闪烁可以使用 CRT 上的长余辉磷光体涂层来部分解决,这样连续的图像就会缓慢地消失。然而,慢速磷光体具有负面影响,即在屏幕上发生大量快速运动时会导致图像拖影和模糊。

最大帧率取决于电子设备和传输系统的带宽,以及图像中的水平扫描线数。25 或 30 赫兹的帧率是一个令人满意的折衷方案,而交织两张视频场来构建图像的过程被用来构建图像。此过程将每秒的视频帧数的表观数量增加一倍,并进一步减少闪烁和其他传输缺陷。

模拟视频信号结构

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数字视频基础

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数字音频基础

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广播标准

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不同的数字电视广播标准已在世界各地采用;以下是使用较为广泛的标准。

先进电视系统委员会 (ATSC) 标准是一套用于通过地面、有线和卫星网络传输数字电视信号的标准。ATSC 标准标记为 A/x (x 为标准编号)。数字电视广播标准 A/53 描述了美国数字电视系统的系统特征。该标准涵盖了通过地面广播和有线系统发起、编码、传输、发送和接收视频、音频和数据的各种子系统。ATSC 标准指定了一种系统,该系统旨在通过现有的 6-MHz 频道传输高质量的数字视频、数字音频和数据。该系统旨在以 19.29 兆比特每秒 (Mb/s) 的速率传送数字信息,并使用 8 级残留边带 (8VSB) 进行地面广播。

欧洲电信标准协会已采用一套用于数字广播电视、声音和数据服务的标准。已为卫星、有线和地面信号传输采用了标准。地面传输标准 ETS 300 744 称为数字视频广播 - 地面 (DVB-T)。该标准描述了用于数字广播电视的基本传输系统。在许多方面,它类似于美国的 DTV 标准。然而,在信道编码和调制方面也存在重要且显著的差异。DVB-T 标准指定了一种系统,该系统旨在通过现有的 7- 或 8-MHz 频道传输高质量的数字视频、数字音频和数据。该系统旨在以 4.98 到 31.67 Mb/s 的速率传送数字信息,并使用编码正交频分复用 (OFDM) 调制进行地面广播。

日本的数字广播专家组 (DiBEG) 已开发了一种用于数字广播电视、声音和数据服务的标准,称为集成服务数字广播 (ISDB)。已开发用于卫星、有线和地面信号传输的标准。这些标准包括对提供数字广播电视的基本传输系统的描述,包括信道编码和调制。地面数字电视的传输标准在许多方面与 DVBT 标准相似。它被称为集成服务数字广播 - 地面 (ISDB-T)。ISDB-T 标准指定了一种系统,该系统旨在通过现有的 6-、7- 或 8-MHz 频道进行传输。该系统旨在以 3.561 到 30.980 Mb/s 的数据速率传送数字信息。ISDB-T 使用编码正交频分复用 (OFDM) 调制和二维交织。它支持多达三层的层次化传输,并使用 MPEG-2 视频和高级音频编码。该标准已在日本和菲律宾采用。ISDB-T 国际版是该标准的改编版,使用 H.264/MPEG-4 AVC,已在南美大部分地区和葡萄牙语非洲国家采用。

DTMB 以前称为 DMB-T/H(数字多媒体广播 - 地面/手持式),是 ADTB-T(由上海交通大学开发)、DMB-T(由清华大学开发)和 TiMi(地面交互式多服务基础设施)标准的合并;最后一个标准是广播科学院在 2002 年提出的。DTMB 于 2004 年创建,并最终在 2006 年成为正式的 DTT 标准。该系统旨在以 4.813 到 32.486 Mb/s 的数据速率传送数字信息。DTMB 采用时域同步 (TDS) OFDM 技术,已在中国大陆(包括香港和澳门)采用。

串行信号传输和辅助数据

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技术的进步使得使用位串行分布传输电视信号具有成本效益。数字视频数据位、同步信息和辅助数据(隐藏字幕、AES/EBU 音频等)可以通过一根同轴电缆传输。

位串行数据速率表示为

4:2:2 分量数字串行比特率等于

数字压缩和分发

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先进电视概念

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DTV 协议和技术

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华夏公益教科书