内容简介
本教材建设项目以广播电视工程本科生培养目标为依据,以系统技术为主要线索编写。从电视传像基本原理、数字电视概述、数字电视编码技术、复用技术、信道编码、数字电视调制与解调、数字电视组网技术、数字电视接收、数字电视标准几个方面进行深入浅出的论述。
本书旨在使读者全面了解各种数字电视技术的概念和基本原理,作者在编写本书时注重基本概念、系统结构、技术与标准发展、工程应用特色等多方面。在选材上,力求循序渐进、由浅入深、通俗易懂,使读者能够尽快地理解和掌握数字电视系统的基本概念和应用,并深入引导读者进一步的思考。
本书内容丰富新颖,原理简明易懂,材料充实,特别适合作为广播电视工程专业本科院校数字电视系统课程的教材,也可作为从事数字电视系统开发的工程技术人员的参考用书。
内页插图
目录
第1章电视传像基本原理1
1.1景物像的分解与像素的顺序传输1
1.1.1景物像的分解1
1.1.2像素的顺序传输2
1.2逐行扫描及隔行扫描3
1.2.1水平扫描和垂直扫描的参数3
1.2.2逐行扫描4
1.2.3隔行扫描5
1.3视频信号6
1.3.1概述6
1.3.2图像信号7
1.3.3复合消隐信号8
1.3.4复合同步信号8
1.4数字电视中的模拟域技术9
1.4.1三基色原理9
1.4.2亮度信号和色差信号10
1.4.3标准彩条信号12
1.4.4三大彩色电视制式14
1.4.5清晰度与分解力26
1.4.6电视通道的频带宽度28
习题29
第2章数字电视概述31
2.1数字电视的基本概念31
2.2数字电视的优点33
2.3数字电视的有关参数35◆数字电视系统目录2.4视频音频信号数字化参数38
2.4.1视频信号的抽样结构39
2.4.2视频、音频信号量化及量化噪声42
2.4.3全信号和分量信号编码45
2.4.4图像分量信号量化比特数确定和量化电平分配46
2.5图像分量信号量化电平和量化比特数的计算49
习题50
第3章数字电视编码技术52
3.1数字电视系统52
3.2视频压缩技术53
3.2.1视频信号压缩的可能性53
3.2.2视频信号的数字化54
3.2.3视频压缩算法的分类56
3.3预测编码58
3.3.1预测编码的类型59
3.3.2差分脉冲编码调制(DPCM)的分析62
3.3.3预测器63
3.4正交变换编码66
3.4.1正交变换的性质66
3.4.2一维离散余弦变换67
3.4.3二维DCT变换67
3.4.4量化器69
3.5统计编码70
3.5.1信息量和信息熵71
3.5.2哈夫曼编码71
3.5.3算术编码73
3.6其他视频压缩编码技术76
3.7视频压缩编码标准79
3.7.1ITU�睺 H.26179
3.7.2ITU�睺 H.26382
3.7.3MPEG��184
3.7.4MPEG��2标准89
3.8音频压缩技术93
3.8.1音频信号压缩的可能性93
3.8.2音频压缩标准——MUSICAM96
习题100
第4章复用技术102
4.1概述102
4.2节目复用103
4.2.1PES包103
4.2.2TS包104
4.2.3节目特定信息105
4.2.4业务信息107
4.2.5节目复用器的构成108
4.3系统复用109
4.3.1PSI信息的重构110
4.3.2节目参考时钟PCR修正111
4.4数据业务增值112
4.4.1数据增值业务的加入方式112
4.4.2MPEG��2对数据增值业务的支持112
4.4.3DVB对数据增值业务的支持113
4.4.4电子节目指南114
习题115
第5章信道编码117
5.1概述117
5.2信道编码基础118
5.3能量扩散121
5.4纠错编码122
5.5交织128
5.6卷积编码130
习题135
第6章数字电视调制与解调136
6.1数字电视调制概述136
6.2二进制数字调制137
6.2.1ASK137
6.2.2FSK138
6.2.3PSK139
6.3多进制数字调制141
6.3.1QPSK141
6.3.2QAM142
6.3.3VSB143
6.3.4OFDM144
6.4数字电视主要调制方式比较146
习题148
第7章数字电视组网技术149
7.1数字电视宽带干线传输技术149
7.2数字电视宽带交换技术150
7.3数字电视宽带接入网技术150
7.3.1宽带接入网概述151
7.3.2数字电视HFC接入技术153
7.3.3数字电视以太网接入技术157
7.3.4数字电视光纤接入技术159
7.3.5数字用户线接入技术162
习题166
第8章数字电视的接收167
8.1条件接收概述167
8.1.1数字电视条件接收系统的特点及要求167
8.1.2MPEG��2标准中有关CAS的规定168
8.1.3DVB标准中有关CAS的规定168
8.1.4同密和多密169
8.1.5条件接收系统的安全技术172
8.1.6条件接收的工作原理173
8.1.7国产条件接收系统175
8.2数字电视机顶盒177
8.3数字电视接收系统180
8.3.1卫星数字电视接收系统180
8.3.2有线数字电视接收系统181
8.3.3地面数字电视接收系统182
习题183
第9章数字电视标准185
9.1ATSC标准185
9.2DVB标准188
9.3ISDB�睺标准201
9.4我国地面数字电视标准203
9.5手机数字电视标准218
9.6直播星标准ABS�睸222
习题223
参考文献225
前言/序言
前言Foreword2008年12月4日,科技部与国家广电总局正式签署了《国家高性能宽带信息网暨中国下一代广播电视网自主创新合作协议书》,按照协议要求,广电总局开始着手建设下一代广播电视网络(Next Generation Broadcasting,NGB)。NGB的关键技术之一就是利用有线电视网络进行宽带化、双向化改造,使有线电视网网络超越其他现有网络,成为国家信息基础设施的重要组成部分。这项改造可以发挥有线电视网频宽带、成本低、易普及的优势,推进三网融合,使有线数字电视成为进入千家万户的多媒体信息平台,满足社会各界和广大居民多方面的需求。社会迫切需要掌握NGB接入网技术的人才。上海工程技术大学与国家宽带网络与应用工程技术研究中心校企联合试办广播通信网络工程专业,被列为教育部“卓越工程师教育培养计划”首批试点专业。
数字电视系统是广播电视工程专业的一门专业课程,相关教材比较少。我国广播电视事业经过半个多世纪的发展,取得了长足的进步。我国广播电视业大致可分为3个发展阶段,分别是1940—1978年、1979—1997年和1998年至今3个阶段。由于技术发展阶段和社会环境的不同,以及人们对广播电视认知度的差异,使得我国广播电视在3个不同阶段采用的模式有所不同。在不同的模式下,广播电视在各个阶段所发挥的作用也不同。特别是从1999年起,广播电视系统开始了产业化管理,这个阶段的技术使数字电视得到发展,注重用户体验的互动电视系统开始逐渐浮出水面。运营部门在满足用户收看电视的基本需求的同时,朝着大容量、数字化、双向功能和区域联网等方向发展。由于数字电视系统涉及的技术种类繁多,实现方式多样,目前的多数教材并没有从整个数字电视系统实现的角度进行总体介绍,不能满足对于卓越工程师培养目标的要求。因此,编写一本既适用于数字电视系统教学,又适应本专业卓越工程师培养目标要求的教材十分必要。为此,我们联合业内专家及具有丰富本科数字电视教学经验和实践知识的教师,合作编写此书,除了系统地介绍数字电视技术及其关键技术外,还对一些◆数字电视系统前言实际的工程实例设计及实现方法进行介绍,便于读者边学边实践,加快掌握数字电视系统知识的进程。
本书全面介绍数字电视系统的基本概念、结构、特点、关键技术、相关协议及典型应用,并从初学者的角度,以清晰的知识结构为读者提供了大量的工程应用实例,使读者能够快速上手, 具有较高的参考价值。
全书共分9章。第1章从电视传像的基本原理着手,介绍电视传像所涉及的基本理论知识。重点介绍景物像的分解与像素的顺序传输、逐行扫描和隔行扫描、视频信号的基本知识和数字电视中的模拟技术。为数字电视初学者介绍学习所需要掌握的基础知识。第2章主要是数字电视概述,包括数字电视的基本概念、优点及有关参数,重点介绍视频、音频信号的数字化参数,以及图像分量信号量化电平和量化比特数的计算,最后简单介绍数字电视机顶盒。第3章重点介绍数字电视编码技术,首先简单介绍数字电视系统,然后从视频信号压缩的可能性入手,介绍视频信号压缩方法,重点介绍预测编码、正交变换编码、统计编码,以及其他的一些视频压缩编码技术和标准。最后,简单介绍音频信号压缩的可能性和常用标准。第4章全面介绍数字电视复用技术,重点介绍节目复用中的各种包信号,比如打包基本流(PES)包、传送流(TS)包和包中的节目特定信息、业务信息,以及复用器的构成等。本章还重点介绍系统复用,包括节目特定信息(PSI)的重构、节目参考时钟(PCR)修正,最后,简单介绍数据业务的增值服务。第5章主要介绍数字电视的信道编码,重点介绍信道编码中的能量扩散、纠错编码、交织、卷积编码等技术。第6章介绍数字电视调制与解调,重点介绍二进制数字调制中的幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK),多进制中的四相移键控(QPSK)、正交振幅调制(QAM)、残留边带调制(VSB)和正交频分复用调制(OFDM)等调制解调方法。最后对数字电视中的各种主要调制方法进行了比较。第7章介绍数字电视组网技术,分别介绍数字电视宽带干线传输技术、交换技术,然后重点介绍宽带接入网技术,例如HFC接入技术、以太网接入技术、光纤接入技术和数字用户线接入技术等。第8章主要介绍数字电视接收,重点介绍数字电视的条件接收(CAS),包括条件接收系统的特点及要求、MPEG��2和DVB标准中对CAS的规定、同密和多密、CAS的安全技术、CAS的工作原理,以及国产条件接收系统。接下来简单介绍数字电视机顶盒。最后介绍数字电视的接收系统,包括卫星数字电视接收系统、有线数字电视接收系统和地面数字电视接收系统。第9章介绍数字电视标准,主要包括ATSC标准、DVB标准、ISDB�睺标准、我国地面数字电视标准、手机数字电视标准、直播星标准ABS�睸等。
本书综合国内外同类教材的特点,力求比较全面地反映主流技术与最新技术,注重基本概念、系统结构、技术与标准发展、工程应用特色等,主要特点如下:
(1) 注重基本概念。本书从数字电视工程的设计者和使用者角度讲述概念,主要介绍数字电视系统的基本理论,深入研究必备的基本概念和方法。
(2) 突出工程应用。本书力求反映数字电视系统的最新成果,把产业界的实际应用以工程项目的形式呈现在读者面前。同时也介绍工程的设计思想及硬、软件实现方案,便于读者边学习边实践,加快掌握数字电视技术应用的进程。
(3) 内容编排新颖。本书不是单纯地罗列概念和定义,而是注重概念的系统性,便于读者从概念层次、技术层次和应用层次上对数字电视系统的关键技术有比较全面的了解,能学以致用。
本书由韩华编写第1、2、3、8章,方易圆编写第4、6章,孙宪坤编写第5、7章,王益涵编写第9章。全书由韩华统稿。作者在编写本书的过程中,参阅了大量的国内外文献,并得到上海未来宽带技术及应用工程研究中心有限公司技术人员的大力支持,在此表示衷心感谢!
鉴于作者的水平有限,错误之处在所难免,恳请读者批评指正。
编者
于上海工程技术大学
2015年12月
《数字电视系统:概念、技术与应用》 一、 引言 在信息时代飞速发展的浪潮中,电视作为重要的信息传播媒介,正经历着一场深刻的变革。从模拟信号到数字信号的转变,不仅带来了图像和声音质量的巨大提升,更催生了全新的业务形态和互动体验。本书旨在系统、全面地阐述数字电视系统的基本概念、核心技术、关键设备以及广泛的应用前景,为相关领域的研究者、开发者、工程师以及对数字电视感兴趣的读者提供一份详实的学习资料。本书尤其关注数字电视技术在高等院校信息技术规划中的战略意义与实践路径,力求将前沿技术理论与实际应用需求紧密结合,为高等教育的信息化建设提供有力的技术支撑。 二、 数字电视系统基础概念 数字电视系统是一个复杂而庞大的技术体系,其核心在于将模拟信号转化为数字信号,并在此基础上进行高效的传输、处理和接收。本章将从最基础的概念入手,逐步深入。 信号的数字化: 详细介绍模拟信号与数字信号的区别,以及信号数字化的过程,包括采样、量化和编码。重点阐述采样率、量化位数等关键参数对数字信号质量的影响。 视频和音频压缩技术: 压缩是数字电视系统实现高效传输的关键。本章将深入剖析MPEG-2、H.264/AVC、H.265/HEVC等主流视频编码标准,以及AAC、AC-3等音频编码标准的工作原理、编码流程和性能优势。分析不同压缩标准的复杂度、码率效率和兼容性。 调制与解调: 数字信号的传输离不开有效的调制技术。我们将介绍QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等正交幅度调制技术,以及OFDM(正交频分复用)技术在数字电视传输中的应用,阐述其抗多径干扰的能力和频谱利用率。 信道编码与纠错: 数字信号在传输过程中容易受到噪声和干扰的影响,信道编码技术能够有效地检测和纠正错误。本章将介绍RS码(Reed-Solomon Code)和卷积码等纠错编码技术,并探讨它们在数字电视系统中的作用。 传输介质: 分析数字电视信号可以通过多种介质进行传输,包括同轴电缆(有线电视)、卫星、地面无线广播以及IP网络。介绍不同传输介质的特点、优势以及相应的传输标准。 数字电视标准: 探讨不同国家和地区为数字电视制定的标准,如DVB(欧洲)、ATSC(北美)、ISDB-T(日本)等。分析这些标准的异同,以及它们对设备兼容性和产业发展的影响。 三、 数字电视系统的关键技术 在基础概念之上,数字电视系统涉及一系列复杂而精密的先进技术,它们共同构成了数字电视的服务能力。 内容制作与采集: 讲解数字电视节目内容的制作流程,从高清摄像机、数字录音设备到后期制作软件,全面介绍数字内容生产链条。 内容分发网络(CDN): 随着IPTV和OTT业务的兴起,CDN在数字电视内容分发中的作用日益凸显。本章将介绍CDN的架构、工作原理以及如何提高视频流的播放流畅性和用户体验。 中间件技术: 中间件是数字电视操作系统与应用程序之间的桥梁。我们将介绍EPG(电子节目指南)、CAS(条件接收系统)和DRM(数字版权管理)等中间件技术,以及它们在实现互动电视、增值业务和内容保护方面的作用。 服务集成与管理: 探讨数字电视平台的建设,包括节目编排、业务管理、用户管理、计费系统等。分析如何构建一个稳定、高效、可扩展的数字电视运营支撑系统。 用户终端设备: 详细介绍数字电视接收终端,如数字电视机顶盒(STB)、智能电视(Smart TV)、以及移动设备上的接收应用。分析不同终端设备的硬件配置、软件功能以及人机交互设计。 IPTV与OTT电视: 区分IPTV(互联网协议电视)和OTT(Over-The-Top)电视的概念,分析它们的传输方式、内容来源和商业模式。探讨它们与传统数字电视的区别与融合趋势。 高清(HD)与超高清(UHD/4K/8K)技术: 深入研究高清和超高清视频的编码、传输和显示技术,包括更高的分辨率、更广的色域、更高的帧率以及HDR(高动态范围)技术。分析这些技术对用户视觉体验的革命性提升。 智能电视与可穿戴设备: 探讨智能电视的功能扩展,如应用商店、语音控制、人脸识别等。分析可穿戴设备(如智能手表、VR/AR设备)在未来电视互动中的潜力。 云计算与大数据在数字电视中的应用: 分析云计算如何为数字电视内容存储、处理和分发提供弹性算力,以及大数据分析如何用于用户行为分析、个性化推荐和精准广告投放。 四、 数字电视系统的应用与发展 数字电视技术的进步正在深刻地改变我们的娱乐方式和信息获取渠道,其应用场景也日益丰富。 直播电视与点播服务: 介绍数字电视如何提供高清、流畅的直播节目,以及VOD(视频点播)服务如何满足用户个性化的观看需求。 互动电视与增值业务: 探讨数字电视如何实现用户与电视节目之间的互动,例如参与投票、在线购物、游戏娱乐、信息查询等。分析互动电视的商业模式和发展潜力。 教育应用: 深入探讨数字电视技术在高等教育领域的应用。 远程教育与在线课程: 利用数字电视平台传输高清教学视频,实现跨地域的远程授课和互动学习。支持在线答疑、小组讨论等功能,打破传统课堂的限制。 智慧校园建设: 将数字电视网络与校园网络融合,实现校园信息的统一发布,如通知公告、新闻动态、活动预告等。通过电视终端提供便捷的信息查询服务。 实验教学与模拟仿真: 利用高清视频和互动技术,演示复杂的实验操作,或进行虚拟实验模拟,提升教学效果,降低实验成本和风险。 学科专业知识传播: 制作高质量的专业知识讲座、学术报告和技术交流视频,通过数字电视平台向校内师生传播,丰富教学资源。 学生生活服务: 提供与学生生活相关的服务信息,如校内新闻、社团活动、图书馆开放时间、食堂菜单等,提升校园生活便利性。 技术规划与融合: 分析高等院校在规划信息技术时,如何将数字电视系统纳入整体架构,考虑与现有网络基础设施、信息安全体系、数据管理平台的融合。强调标准统一、资源共享和协同运作的重要性。 商业与广告: 分析数字电视广告的特点,如精准投放、动态更新、互动性强等。探讨数字电视在电子商务、产品推广和品牌营销方面的作用。 医疗健康: 探讨数字电视在远程医疗咨询、健康科普教育、老年人关怀等方面的应用。 智慧城市与公共服务: 分析数字电视如何作为信息发布渠道,服务于城市管理、交通调度、应急通信等领域。 未来发展趋势: 展望数字电视技术的未来发展方向,如5G与数字电视的融合、AI在内容推荐和用户体验优化中的应用、VR/AR技术在沉浸式观看体验中的作用,以及物联网与数字电视的联动等。 五、 高等院校信息技术规划中的数字电视系统 本章将聚焦于数字电视系统在高等院校信息技术规划中的具体部署和策略,旨在为学校构建现代化、智能化、信息化的校园提供指导。 战略定位与价值: 明确数字电视系统在高教信息化建设中的战略地位,将其视为提升教学质量、创新教学模式、优化校园管理、丰富师生生活的重要工具。 需求分析与功能模块: 教学类需求: 远程教学、在线课程录播与点播、实验教学演示、学科知识普及、学术报告与讲座直播。 管理类需求: 校内信息发布(通知、公告、新闻)、会议直播、远程行政管理。 服务类需求: 校园生活信息查询(图书馆、食堂、活动)、文化娱乐内容提供。 技术支撑需求: 网络基础设施、内容存储与分发、系统安全、用户管理与权限控制。 技术选型与架构设计: 传输网络: 评估现有校园网的带宽和稳定性,选择合适的传输方案(如IPTV、OTT),考虑与有线电视网络的融合。 内容制作与管理平台: 选择易于使用的内容制作工具和高效的内容管理系统(CMS),支持多种格式的音视频内容。 终端设备: 明确各类场景下的终端需求(教室、会议室、宿舍、公共区域),选择适配的智能电视、机顶盒、平板电脑等。 中间件与应用开发: 考虑引入或自主开发适合校园需求的中间件,如校园信息发布系统、互动教学应用、点播平台等。 系统集成与互联互通: 确保数字电视系统能够与现有的校园一卡通系统、教务系统、图书馆系统、门禁系统等进行数据互联互通,实现信息共享和业务协同。 安全保障与合规性: 内容安全: 建立内容审核机制,防止传播不当信息。 网络安全: 加强网络访问控制,防范黑客攻击和数据泄露。 版权保护: 严格遵守版权法律法规,确保教学资源的合法使用。 用户隐私保护: 遵循相关法律法规,保护师生个人信息。 实施策略与步骤: 项目立项与论证: 明确项目目标、预算和时间表,进行充分的技术和经济可行性论证。 供应商选择与合作: 审慎选择技术实力雄厚、服务可靠的供应商。 分阶段实施与试点: 采取循序渐进的方式,先在部分区域或部门进行试点,积累经验后再全面推广。 培训与推广: 为教师、学生和管理人员提供系统的培训,推广数字电视系统的使用,提升用户满意度。 运维与升级: 建立完善的运维体系,定期对系统进行维护和升级,确保系统的稳定运行和技术先进性。 效益评估与持续改进: 教学效益: 评估系统对教学质量、教学模式、学生学习效果的提升程度。 管理效益: 评估系统在提升校园管理效率、信息传播速度、服务水平方面的贡献。 用户满意度: 通过问卷调查、用户反馈等方式,评估师生对系统的使用体验和满意度。 持续改进: 根据评估结果和用户反馈,不断优化系统功能、提升服务质量,推动数字电视系统在高等教育信息化建设中的持续发展。 六、 结论 数字电视系统是一项集通信、广播、计算机、网络等多种技术于一体的综合性系统工程。本书从基础概念到前沿技术,再到实际应用,力图全面展现数字电视的魅力与潜力。尤其是在高等院校信息技术规划方面,数字电视系统为提升教育现代化水平、构建智慧校园提供了强有力的技术支撑。随着技术的不断发展和创新,数字电视必将迎来更加广阔的应用前景,为我们的生活带来更多精彩。 本书的编写力求严谨、系统、实用,希望能为读者打开一扇了解数字电视世界的大门,并为高等院校信息技术规划者提供有价值的参考。