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数字电视标准概述北京航空航天大学 刘荣科整理关键字： 数字电视 标准清晰度数字电视 高清晰度数字电视 MPEG-2 MPEG-4 H.264 ATSC DVB ISDB AVS 手机电视 IPTV 数字电视（DTV：Digital Television）是指采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、编码，经存储或实时广播后，供用户接收、播放的电视系统。系统的各个环节，包括从演播室节目制作，到处理、传送、存储/传输，直至接收、显示等过程都采用数字信号。与传统的模拟电视相比，数字电视在图像和声音质量两面都有重大改进。根据清晰度可分为：标准清晰度数字电视（SDTV：Standard Definition Television）和高清晰度数字电视（HDTV：HighDefinition Television）,码率分别约为4兆和20兆比特左右。 近几年来，市场上常见的数码电视，尽管在原有模拟电视的个别环节中使用了一些数字信号处理技术如清晰度、降噪、去闪烁等，用来提高和改善模拟彩色电视机的图像和声音质量，但从天线接收的信号，都不是真正意义上的数字电视，它与全数字电视信号并不能直接兼容。相反，真正的数字电视则可以接收全数字电视信号，充分发挥数字电视的优越性。 本文将简单介绍数字电视标准以及相关的网络电视和移动电视等标准，以数字电视领域相关标准的概况和相互间的关系。一 数字电视国际标准及其比较 目前，全球数字电视广播领域已有三种相对成熟的数字电视标准。它们分别是：美国的标准ATSC（Advanced Television System Committee先进电视系统委员会）； 欧洲的标准DVB (Digital Video Broadcasting数字视频广播）；日本的标准ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting综合业务数字广播）。 信源部分的国际标准主要是ITU-T 建议的H.261、H.262、H.263、H.264 系列标准，以H.264为代表；MPEG（活动图像专家组）提出的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等视音频标准，以MPEG-2、MPEG-4为代表（www.mpeg.org）以及中国的数字音视频编解码技术标准工作组（AVS）制订的拥有自主知识产权的AVS编解码标准()等。 信道部分的标准比较多，根据传输媒介的不同分为卫星(S)、有线(C)、地面(T)三种。地面数字电视接收，包括：地面固定接收、移动接收和手机电视(H)。 目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1996年高级电视系统委员会(ATSC) 研发的格形编码八电平残留边带(8-VSB) 即：ATSC 8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播(DVB-T) 采用编码正交频分复用(COFDM) 即：DVB-T COFDM；日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T) 采用正交频分复用(OFDM) 即：ISDB-T OFDM。2006年中国颁布了数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制的数字电视地面传输标准GB20600-2006，该标准为强制性国家标准，2007 年8 月1 日正式实施。上述标准主要适用于固定接收和移动接收。因此，为了实现手机终端上不通过移动通信网络的链路而直接获得数字电视信号，出现了手机电视的标准，如欧洲的DVB-H和国家广电总局颁布的行业标准CMMB等。1美国ATSC 8-VSB系统美国ATSC 8VSB系统是为了在单个 6MHz 频道中传输高质量视频和音频（HDTV）以及辅助数据而设计的，用于地面广播分配系统。它能够可靠地在 6MHz 内用8VSB调制传输 19.4 Mbit/s 的数据。8-VSB “地面同播模式” 可抵抗 NTSC 干扰，对于地面广播，此系统的设计允许在已有的NTSC 发射机上分配一个额外的具有可比覆盖范围的数字发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现存 NTSC 节目影响最小。8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号，用于辅助载波恢复；并加入了段同步信号，用于8-VSB系统同步和时钟信道编码纠错保护措施。但该系统存在一系列问题。最主要的是对付强动态多径困难，另外，该系统在对付模拟电视同播时采用了梳状滤波器，梳状滤波器开启时，系统门限上升3dB，且开启与否是通过判决后的硬开关。这一方案在实用中不仅会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动，造成系统工作不稳定，还由于其引入的电平数目和12路交织，影响系统网格解码和均衡器的工作。ATSC 8-VSB传输系统具较好的载噪比，可在较低的载噪比下运行，但系统为抗NTSC同步干扰在接收机中加梳状滤波器，却牺牲了约3.5dB的载噪比性能；对抗多径效应而造成的频率选择性哀落，8VSB传输方式采用了均衡器来消除回波，但对回波时延变化很敏感；结构复杂，是一个固定码率的数字传输系统使用单载波调制技术，不支持移动接收。2欧洲DVB-T COFDM系统欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB) 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准，在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。使用MPEG-2传送比特流复用，里德-索罗门(RS) 前向纠错系统，采用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1705个载波（“2K”）或6817个载波(“8K”) 模式。“2K” 模式用于普通网，“8K” 模式用于大小单频网(SFN) ，“2K”与“8K” 系统是兼容的。欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。这些导频信号一举多得，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。该系统又使用了保护间隔的技术，即在每个符号（块）前加入一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径的影响。可以认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国ATSC 8-VSB系统。另外，欧洲系统还对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成了多种传输模式供使用者选择。多种模式常用的其实只有两到三种，分别对应固定接收和移动接收应用。欧洲系统同样存在一系列缺陷。首先是频带损失严重：导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的14%左右，若采用大的保护间隔，此数值将超过30%。欧洲方案的综合频带利用率比美国的VSB方案多损失6%至23%。因此，以过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能，显然不是一个好的折衷方案。其次，即使放置了大量导频信号，对信道估计仍是不足：COFDM中的导频信号是一个亚采样信号，且COFDM采用块信号处理方式（每次上千点），在理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性，只能给出大约平均值，这也是欧洲系统始终无法达到理论值的原因之一（与理论值差2-3dB），因此，现有欧洲COFDM系统事实上并不是对付移动多径最有效的手段。再次，欧洲系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。欧洲还强调在其卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块以保证其三者之间的兼容性，因为信道编码模块在电路实现中所占比例不大，这种部分兼容方式阻止了在地面广播方案中采用更有效的其它信道编码方法。由于DVB-T COFDM系统，有利于数字与模拟电视共存，在与现行模拟电视混合传输方面显示出优势，设计上不需要优化就能对付各种模拟制式的干扰。有抗多径失真的能力，在移动接收方面显示其独特的优势，它因有灵活性使得可以按特定的工作环境与服务要求进行传输试验，在澳大利亚、拉丁美洲、香港地区等受到赞许。3日本ISDB-T OFDM系统日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统采用MPEG-2传送比特复用，OFDM调制方式，使用的编码方式、调制、传输与DVB-T COFDM基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432KHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5秒），增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务。ISDB-T 概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不同的。4三种标准的比较从调制的观点看，OFDM 和单载波调制方案，例如 VSB 和 QAM，对相加性高斯白噪声（AWGN）信道应该有相同的 C/N 门限。信道编码、信道估计、均衡方案以及其它的实现限制（相位噪声、量化噪声、互调失真）等导致了不同的 C/N 门限。数据码率和门限定义差别，在AWGN 信道上的 Eb/N0 门限。为 DVB-T 和 ISDB-T 选择了两种卷积编码率，R=2/3 和 3/4，提高了和 ATSC 系统可比的数据码率。从射频背靠背的测试数据看，ATSC 系统在 AWGN 信道上目前有几个 dB 的好处。再一次应该指出的是所有的系统都是可能提高改善的，并且对于 DTTB，AWGN 信道可能不是最好的信道模型，特别是室内接收。因为三个系统都能不用改变信道编码方案而用于不同的信道带宽。二 中国数字电视地面传输标准 2006中国颁布的数字电视地面传输标准GB20600-2006，是清华大学的DMB-T 方案（多载波）和上海交大的ADTB-T 方案（单载波）的融合标准，即DMB-TH 标准。该标准支持高清晰度电视（HDTV）、标准清晰度电视（SDTV）和多媒体数据广播等多种业务，满足大范围固定覆盖和移动接收的需要。 GB20600-2006具有自主创新的特点，提高系统性能的关键技术有：实现快速同步和高效信道估计与均衡的PN序列帧头设计和符号保护间隔填充方法、低密度校验纠错码(LDPC)、时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)调制、与自然时间同步的可寻址的多层信道帧结构、系统信息的扩频传输方法等。该标准支持4.813Mbit/s32.486Mbit/s的系统净荷传输数据率。 该标准支持固定(含室内、外)接收和移动接收两种模式。在固定接收模式下，可以提供标准清晰度数字电视业务、高清晰度电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务；在移动接收模式下，可以提供标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务。 该标准支持多频网和单频网两种组网模式，可根据应用业务的特性和组网环境选择不同的传输模式和参数，并支持多业务的混合模式，达到业务特性与传输模式的匹配，实现业务运营的灵活性和经济性。三 手机电视标准 手机电视是指以手机为终端设备,传输电视内容的一项技术或应用。手机电视业务的实现方式主要有三种：第一种是利用现有的移动网络来实现。中国移动的手机电视业务是基于其GPRS网络,而中国联通则是依靠其 CDMA-1X网络。第二种是通过卫星网络来实现。直接利用手机来接收卫星播发的数字电视节目信号是一个非常新颖的想法，目前，只有韩国在力推这种手机电视广播方式（中国联通对该方式表示出很大兴趣），据SK电讯称，DMB接收机能提供高质量的图像,用户使用该接收机模块能够同时接收地面无线电视广播和卫星电视广播的信号。第三种是利用数字地面广播的方式来实现。这种方式需要在手机终端上安装微波数字电视接收模块，可以不通过移动通信网络的链路而直接获得数字电视信号。目前，最被看好的手机电视实现模式是“广播电视网络+移动网络”。 2006年10月，国家广电总局正式颁布了具有自主知识产权的移动多媒体广播行业标准CMMB（中国移动多媒体广播）。2007年5月，中国标准化协会推出了“TDSCDMADABAVS”的组合方案，即CDMB手机电视标准。至此，国内当下正在推进的手机电视标准已包括欧洲主导的DVB-H、韩国热推的T-DMB、高通主导的Media FLO、国家广电总局颁布的行业标准CMMB、凌讯科技的DMB-TH、北京新岸线的T-MMB、华为的CMB标准以及中国标准化协会的CDMB共8种主流标准。四 网络电视标准 网络电视( IPTV: Internet Protocol Television), 是指基于IP 的电视广播服务。该业务将电视机或个人计算机作为显示终端, 通过宽带网络向用户提供数字广播电视、视频服务、信息服务、互动社区、互动休闲娱乐、电子商务等宽带业务。IPTV 的主要特点是交互性和实时性, 系统结构主要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证计费等子系统, 主要存储及传送的内容是流媒体文件, 基于IP 网络传输, 通常要在边缘设置内容分配服务节点, 配置流媒体服务及存储设备, 用户终端可以是IP 机顶盒+电视机, 也可以是PC。 在IPTV系统中，音视频编解码技术在整个系统中处于重要地位。IPTV作为IP网络上的视频应用，对音视频编解码有很高的要求。首先，编码要有高的压缩效率和好的图像质量，压缩效率越高，传输占用带宽越小;图像质量越高，则用户体验越好。其次，IPTV平台应能兼容不同编码标准的媒体文件，以适应今后业务的发展要求。最后，要求终端支持多种编码格式或具备在线升级功能。 目前主流的音视频编解码格式有: ITU-T 建议的H.26X 系列标准，以H.264为代表; MPEG 组织制定的MPEG-X系列标准，以MPEG-2和MPEG-4为代表；中国的数字音视频编解码技术标准工作组（AVS）制订的AVS标准。尽管IPTV 标准有很多种，但在国内主要采用MPEG-4和H.264两种技术。目前IPTV运营平台多以MPEG-2, MPEG-4 等协议作为视频协议，带宽与图像质量矛盾突出，实现DVD质量需要占用的带宽太高，同时由于MPEG-2, MPEG-4 所需码流较高，也使得IPTV 运营的带宽、存储等成本居高不下。并且这两种 标准并非国际通行，许多芯片和设备厂家也不支持该标准。这就造成了MPEG-4 Part2的封闭性，对IPTV业务扩展带来麻烦。另外现有的IPTV 多以PC作为收视终端，效果差且不符合传统的收视模式。并且目前的系统和终端尚无法做到平滑地从MPEG-4升级到H.264。 广电部门电视传输标准一直采用的是MEPG-2，甚至央视在开通数字高清晰电视的时候，采用的也是MEPG-2，因此广电部门仍然倾向MEPG-4，并且MEPG-2 能够很好地过渡到MEPG-4。H.264由于采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，不仅比H.263 和MPEG-4 节约了50% 的码率，具有较强的干扰性，容易获得平稳的图像质量。H.264使图像压缩技术上升到了一个更高阶段，能够在较低带宽上提供高质量的图像传输，这正好适应目前国内运营商接入网带宽还非常有限的状况。H.264具有高电信工程技术与标准化的编码效率和图像质量，代表了编解码技术的发展方向。同时，由于标准的开放性以及获得了3GPP、DVD Forum的支持，使得H.264成为IPTV最被看好的技术标准，该标准被认为是技术先进，代表未来的方向。上海电信研究院多名专家公开支持H.264是未来IPTV的发展方向，中国电信也倾向使用H.264。MPEG-4 技术稳定且具有成本优势。而H.264由于技术含量高，导致国内某些厂商很难赶上，使得H.264成本相对MPEG-4 贵很多，因此产品价格成为制约H.264规模商用的主要因素。只有生产厂商规模生产，H.264机顶盒的价格才有望下降到与MPEG-4机顶盒同样的水平。 与MPEG-4 和H.264 相比，AVS是国内提出的具有自主知识产权的IPTV 标准。音视频技术标准专家、MPEG-4工作组首任主席Cliff Reader 博士认为，AVS技术达国际水平，与H.264技术不相上下。相比较之下，MPEG-2已经没有技术上的优势。AVS的优势还在于其专利收费。H.264有两个组织在进行专利收费，前者有18家企业，后者有5家企业，这两个组织又各有一套收费政策，不久还有第三个组织加入收费行列中来。作为技术标准，AVS收取的专利费用很低，远远低于国际上的同类标准。在标准的国际领域一路破风而行，被国际电联列为IPTV信源国际标准之一，AVS作为IPTV国际标准有望2007年底公布。 从目前业务形态来看，数字电视、IPTV、手机电视之间的内容同质化问题十分严重。目前其三者所处的市场推广阶段大体相同，在市场推广初期，三者之间存在的内容同质化问题不会对手机电视用户的发展产生影响，但随着市场竞争的升级，内容同质化问题最终会促使手机电视、IPTV、数字电视之间形成竞争关系。就三者各自的业务特点来说，手机电视对IPTV和数字电视的冲击相对较小。而IPTV和数字电视形成明显的竞争格局。 因此在内容经营方面，三者应根据自身技术特点开展合适的业务，注重开创特色节目内容，形成错位经营，避免形成争夺用户的局面。