Principle and Application of Digital Television

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1 Principle and Application of Digital Television
数字电视原理与应用 Principle and Application of Digital Television 主讲：张文军 教授 上海交通大学图像通信与信息处理研究所 2006～2007学年第一学期

2 教师简介 主讲：张文军教授 学科和研究方向： zhangwenjun@sjtu.edu.cn 数字电视无线传输 数字媒体处理 网络流媒体
数字电视原理与应用 教师简介 主讲：张文军教授 学科和研究方向： 数字电视无线传输 数字媒体处理 网络流媒体 数字影视制作与内容保护 数字电视概述, class 01

3 课程安排－1 1 2 3 数字电视原理与应用 数字电视概述 数字电视基本原理 数字电视相关标准 电视技术的发展历程 模拟电视原理
数字电视发展 2 数字电视基本原理 视频压缩原理 MPEG-2视频编码及测量 MPEG-2音频编码及测量 MPEG-2系统及其测量 数字调制基础 数字电视纠错编码原理 3 数字电视相关标准 DVB-S标准及相关测量 DVB-C标准及相关测量 OFDM技术 DVB-T标准及相关测量 ATSC和ISDB-T标准及其测量 我国数字电视标准 数字电视概述, class 01

4 课程安排－2 数字电视基本原理 视频压缩原理 —第5章 MPEG-2视频编码部分及其测量—第4，6，11章
数字电视原理与应用 课程安排－2 数字电视基本原理 视频压缩原理 —第5章 MPEG-2视频编码部分及其测量—第4，6，11章 MPEG-2音频编码部分及其测量—第7章 MPEG-2系统部分及其测量 —第3，9，10章 数字调制基础 —第12章 数字电视中的纠错编码原理 —补充 数字电视概述, class 01

5 课程安排－3 数字电视相关标准 DVB-S标准及相关测量技术 —第13,14章 DVB-C标准及相关测量技术 —第15,17章
数字电视原理与应用 课程安排－3 数字电视相关标准 DVB-S标准及相关测量技术 —第13,14章 DVB-C标准及相关测量技术 —第15,17章 OFDM技术 —第18章 DVB-T标准及相关测量技术 —第19,20章 ATSC和ISDB-T标准及其测量 —第21,22,23章 我国的数字电视标准 —补充 数字电视概述, class 01

6 数字电视原理与应用 教材与参考书 Walter Fischer, Digital Television-A Practical Guide for Engineers, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004. Jerry Whitaker著，曹晨等译，《数字电视技术》：高清晰度数字视频原理与应用（第三版），电子工业出版社，2002年。 数字电视概述, class 01

7 数字电视原理与应用 考核方式 实验实习：40％（2次） 期末考试：60％ 考试方式：开卷 记分方式：百分制 数字电视概述, class 01

8 1 2 3 数字电视原理与应用 数字电视概述 数字电视基本原理 数字电视相关标准 电视技术的发展历程 模拟电视原理 数字电视的发展
视频压缩原理 MPEG-2视频编码及测量 MPEG-2音频编码及测量 MPEG-2系统及其测量 数字调制基础 数字电视的纠错编码原理 3 数字电视相关标准 DVB-S标准及相关测量 DVB-C标准及相关测量 OFDM技术 DVB-T标准及相关测量 ATSC和ISDB-T标准及其测量 我国的数字电视标准 数字电视概述, class 01

9 数字电视原理与应用 数字电视概述 1.电视技术的发展历程 2.模拟电视原理 3.数字电视的发展 数字电视概述, class 01

10 1、电视技术的发展历程 50年代，首先黑白电视 60年代末，彩色电视 80年代，D2MAC尝试对传统模拟电视改变，但没有成功。
数字电视原理与应用 1、电视技术的发展历程 尼普柯夫圆盘 黑白电视 彩色电视 数字电视 电视的发展 50年代，首先黑白电视 60年代末，彩色电视 80年代，D2MAC尝试对传统模拟电视改变，但没有成功。 日本和美国尝试HDTV传输，但最终也没有获得期望的成功。 90年代初，在演播室中使用未压缩的CCIR601数字电视信号。（270Mbit/s～800Mbit/s，信道传输必须压缩） 数字电视概述, class 01

11 电视技术是20世纪人类最伟大的发明之一 电视是人类进行信息传播变革中影响最大的研究成果。 电视技术是现代科学技术最先进研究成果的集合体。
数字电视原理与应用 电视技术是20世纪人类最伟大的发明之一 电视是人类进行信息传播变革中影响最大的研究成果。 电视技术是现代科学技术最先进研究成果的集合体。 早期电视和数据传输是两种不同系统，现在电视和计算机趋于融合。 95年以后数字电视时代，电视和数据服务已经完全融和在一起。 信息化时代的海量数据： GSM：9600bit/s UMTS：2Mbit/s ISDN：2x64kbit/s SDTV：270Mbit/s HDTV：800Mbit/s 数字电视概述, class 01

12 电视的诞生－1 基石：1883年圣诞节，德国的P.Nipkow发明“尼普柯夫圆盘” 数字电视原理与应用
使用机械扫描方法，作了首次发射图像传送的实验。每幅画面有24行扫描线，图像相当模糊。 “尼普柯夫圆盘”上螺旋形排列着一些孔洞，当这个盘子旋转时，通过每个孔洞可以浏览一幅图像的一行，光线透过这个孔洞照在这幅图像便完成了一次行扫描，硒光电池将图像的反射光转变成电信号，下一个孔洞顺序扫描紧挨着的那部分图像，直到完整的图像全部被扫描。 数字电视概述, class 01

13 电视的诞生－2 理论基础：1908年，英国肯培尔•斯文顿、俄国罗申克夫提出电子扫描原理，奠定了近代电视技术的理论基础。
数字电视原理与应用 电视的诞生－2 理论基础：1908年，英国肯培尔•斯文顿、俄国罗申克夫提出电子扫描原理，奠定了近代电视技术的理论基础。 1923年，美籍俄国人兹沃尔金（V.K.Zworykin）发明静电积贮式摄像管，后来又发明电子扫描式显像管，这是近代电视摄像术的先驱。 1929 年11月18日，Zworykin示范他的全部电子电视接收器。 1939 年前后使用的电视显象管和摄像管 V.K.Zworykin 数字电视概述, class 01

14 数字电视原理与应用 电视的诞生－3 1925年，英国的贝尔德（J.L.Baird）根据“尼普科夫圆盘”进行了新的研究工作，发明机械扫描式电视摄像机和接收机。当时画面分辨率仅30行扫描线，扫描器每秒只能5次扫过扫描区，画面本身仅有2英寸高、1 英寸宽。 1926年，贝尔德向英国报界作了一次播发和接收电视的表演，开创了电视技术研究的先河。 1927～1929年，贝尔德通过电话电缆首次进行机电式电视试播，并进行短波电视试验，英国广播公司开始试验播发电视节目。 1936年11月2日是一个值得纪念的日子，位于英国市郊的亚历山大宫的英国广播公司电视台开始正式播出。这是世界上第一座正式开播的电视台，人们把这一天作为电视事业的开端。英国正式开播的电视在开始时仍为机电系统，4个月后被电子系统取代。 1941年，美国国家电视标准委员会确定美国的电视技术标准为每秒30帧、每帧525行。同年7月1日，美国联邦通信委员会正式批准建立美国第一座电视台全国广播公司的纽约WNBT电视台。 数字电视概述, class 01

15 电视图像的彩色化 数字电视原理与应用 电视也同电影一样，经历了一个由黑白到彩色的发展过程，美国是世界上最早播出彩色电视节目的国家。
1953年，美国国家电视制式委员会提出NTSC(National Television System Committee)制。 1954年美国全国广播公司、哥伦比亚广播公司，采用NTSC制式首次播出彩色电视节目。 日本、加拿大分别于1957、1966年采用同一制式播出。 1956年，法国提出SECAM(SEquential CouleurAvecMemoire)制。 1960年，联邦德国提出PAL(Phase Alternation Line-by-Line)制。 为便于转播和交换节目，各国曾多次讨论统一电视制式问题，但由于政治及经济等方面的原因，始终未能达成一致。于是，国际上便形成了3种彩色电视制式同时并存的局面。 彩色电视机在哪国使用必须符合该国的黑白体制、彩色制式及频道划分，还要注意电源标准（有110伏/60赫与220伏/50赫之分），这样才能保证接收机安全可靠地接收到良好的彩色图像和伴音。 目前世界上采用PAL制的国家最多。中国所采用的电视制式为PAL/D，国家标准为：每帧扫描625行，每秒25帧。 数字电视概述, class 01

16 卫星广播电视的出现 1962年，美国发射“电星一号”通信卫星，进行了横跨大西洋的电视节目传送实验，这是一颗低轨道卫星，使用起来受到许多限制。
数字电视原理与应用 卫星广播电视的出现 1962年，美国发射“电星一号”通信卫星，进行了横跨大西洋的电视节目传送实验，这是一颗低轨道卫星，使用起来受到许多限制。 1963年，美国发射了世界第一颗同步通信卫星“同步二号”。 1964年，国际通信卫星组织的第一颗商用通信卫星“国际通信卫星一号”启用，使世界正式进入了卫星通信时代，国际间进行电视节目的传送和转播成为现实。 1969年7月20日阿波罗11号的整个登月过程就是通过卫星传送49个国家，有7.2亿人同时收看到了这个节目。 数字电视概述, class 01

17 数字电视原理与应用 高清晰度电视(HDTV) 电视画面同电影(35mm)相比还显得很粗糙，这是因为目前构成电视画面的像素较少的缘故。因而，人们又研制出高清晰度电视。 “高清晰度”指与现行电视相比，其水平和垂直方向的图象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕显示器近距离观看时，图象细腻逼真，无闪烁和粗糙感，并配以数字环绕音响伴音。 采用16:9的宽高比作为世界标准。 我国HDTV标准为1920×1080i，每帧图像有207万个像素。 数字电视概述, class 01

18 高清晰度电视(HDTV) 在HDTV的发展进程中，经历了一个由模拟向数字转化的过程。 数字电视原理与应用
日本早在1985年就建立了1125线、每秒60帧的MUSE制式(全视频带宽30MHz)的HDTV。但日本人在把所有的精力放在努力去完善模拟电视的清晰度同时，却忽视了数字技术发展的大趋势。 IEEE的MPEG专家组制订的MPEG-2标准和先进的数字通信技术，使得带宽高达20MHz的HDTV信号可以在6MHz左右的现行传输信道不失真地传送。 美国的全数字高清晰度电视已达到实用化。 1998年9月8日至12日，中央电视台利用我国研制成功第一套数字高清晰度电视系统试验发射了数字高清晰度电视节目，成为继美国、欧洲和日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。 国庆50周年庆典上，我国在北京试播了高清晰度数字电视，在技术标准上实现了ATSC和DVB（美、欧两大阵容）标准兼容。 数字电视概述, class 01

19 数字电视(DTV) 数字电视(DTV)包括
数字电视原理与应用 数字电视(DTV) 数字电视(DTV)包括 普及型数字电视(DPTV，352×288i，约300电视线) 标准清晰度数字电视(SDTV ，704×576i或720×480i，约500电视线，相当于DVD标准) 高清晰度数字电视(HDTV ，1920×1080i，约1000电视线) 均采用MPEG-2/1数字压缩技术。 标准清晰度电视的图像和伴音的质量都比目前模拟电视有所提高，并且其频道利用率高，在目前模拟电视的一个频道内可以同时播4套（或更多）标准清晰度节目。 目前我国各省级电视台的通过卫星传送的电视节目均是采用MPEG-2数字压缩的标准清晰度数字电视(SDTV)节目。 我国已于1998年11月组成了DTVIA（中国数字电视产业联盟），联合开发我国的DTV，抵御国外同类产品的打入和竞争。 数字电视概述, class 01

20 数字电视原理与应用 我国电视事业的发展-1 1958年5月1日，中国第一座电视台中央电视台（早期称北京电视台，1978年5月1日改称现名）使用二频道试播黑白电视，9月2日正式播出。 当时发射天线加设在广播大厦塔楼顶，高度为80米，覆盖半径25公里。 中央电视台开播不久，从苏联进口了200部黑白电视机，以后天津广播器材厂很快试制出“北京”牌电视机。 1958年10月1日上海电视台开始试播，12月20日哈尔滨电视台（即今天的黑龙江电视台）开始试播。 1961年底，全国共建地方电视台19座。1959年，无锡市建立中国第一座电视转播台，用差转的方式转播上海电视台的节目。 1960年5月1日在北京建成了第一个彩电试验台，用NTSC制进行了试播。但后来也由于国民经济暂时困难而“下马”。 1969年彩电研究二度开展并决定暂用PAL制（1982年正式决定PAL/D制为中国彩色电视的标准制式）。 数字电视概述, class 01

21 数字电视原理与应用 我国电视事业的发展-2 1973年5月1日，中央电视台用8频道在北京地区试播，同年10月1日正式播出。从1977年7月25日起，中央电视台的第一套节目全部改为彩色播出。 1999年10月我国所有省级电视台的电视节目全部上星，并基本形成了星、网结合的广播电视传输体系。 1999年10月1日，中央电视台高清晰度电视试播成功。 1986年建成的中央电视台彩电中心及90年代初建立的名列世界第三、四、五位（亚洲第一、二、三位）的： 上海东方明珠电视塔（高460米） 天津天塔（高415.2米） 中央广播电视发射塔（高405米） 目前世界电视发射塔最高者为553.3米的加拿大多伦多电视塔 其次为533.3米的莫斯科奥斯坦丁诺电视塔 数字电视概述, class 01

22 数字电视原理与应用 数字电视概述 1.电视技术的发展历程 2.模拟电视原理 3.数字电视的发展 数字电视概述, class 01

23 2、模拟电视原理 两种主要的模拟电视系统 三种彩色电视传输标准 扫描原理 亮度信号：0Volt（黑电平）～700mV（100％白电平）
数字电视原理与应用 2、模拟电视原理 两种主要的模拟电视系统 625线 50Hz ——50线不可见，575线可见 525线 60Hz ——28～42线不可见 三种彩色电视传输标准 PAL NTSC SECAM 扫描原理 扫描光栅 场扫描——克服闪烁 扫描频率的影响 亮度信号：0Volt（黑电平）～700mV（100％白电平） 复合消隐信号 复合同步信号，开槽场同步 黑白全电视信号 图像信号的频谱 数字电视概述, class 01

24 2、模拟电视原理 色差信号： 数字电视原理与应用 亮色分离，与黑白电视系统 兼容 彩色信号节省带宽，人眼视觉特性，对彩色不敏感
亮度信号带宽：4.2MHz（PAL M），5MHz（PAL B/G）和6MHz（PAL D/K,L） 色差信号带宽：1.3MHz 为传输，U=R-Y,V=B-Y被正交调制到彩色载频（PAL和NTSC）或者做频率调制（SECAM），然后直接叠加到亮度信号上 彩色载频选取：减少亮色串扰 数字电视概述, class 01

25 2、模拟电视原理 色差信号： 视频终端接口： 亮色分离，与黑白电视系统 兼容 彩色信号节省带宽，人眼视觉特性，对彩色不敏感
数字电视原理与应用 2、模拟电视原理 色差信号： 亮色分离，与黑白电视系统 兼容 彩色信号节省带宽，人眼视觉特性，对彩色不敏感 亮度信号带宽：4.2MHz（PAL M），5MHz（PAL B/G）和6MHz（PAL D/K,L） 色差信号带宽：1.3MHz 为传输，U=R-Y,V=B-Y被正交调制到彩色载频（PAL和NTSC）或者做频率调制（SECAM），然后直接叠加到亮度信号上 彩色载频选取：减少亮色串扰 视频终端接口： CCVS 75 Ohms 1 Vp-p RGB分量 Y/C分量（色度和亮度分离，为避免亮色串扰） 数字电视中推荐采用后两种接口 数字电视概述, class 01

26 数字电视原理与应用 数字电视概述 1.电视技术的发展历程 2.模拟电视原理 3.数字电视的发展 数字电视概述, class 01

27 3、数字电视的发展 基石：JPEG——DCT MPEG： MPEG-1：1993年，1.5Mbit/s，VCD MPEG-2：
数字电视原理与应用 3、数字电视的发展 基石：JPEG——DCT MPEG： MPEG-1：1993年，1.5Mbit/s，VCD MPEG-2： SDTV，HDTV(也支持，最初是MPEG-3) 系统、视频、音频 270Mbit/s视频信号压缩到2～6Mbit/s 1.5Mbit/s音频信号压缩到100～400kbit/s 压缩比如此大，可以在一路8MHz的模拟电视信道中传输多路节目 MPEG-4，MPEG-7，MPEG-21 数字电视概述, class 01

28 3、数字电视的发展 数字电视原理与应用 90年代初，欧洲的DVB(Digital Video Broadcasting)三种传输方法：
DVB-S：卫星传输，1995年，QPSK调制，33MHz带宽，数据率38Mbit/s，一个信道最多可传输6，8，甚至10路节目。 DVB-C：同轴电缆，1995年，64QAM调制，8MHz带宽，数据率38Mbit/s， DVB-T：地面传输，1998年，数据率5～31Mbit/s（实际使用22～25Mbit/s） 另外，MMDS(multipoint multi－channel distribution system) 北美： 电缆传输采用ITU-J83B 地面传输采用ATSC（Advanced Television System Committee） 日本： 电缆传输采用ITU-J83C 地面传输采用ISDB-T 数字电视概述, class 01

29 数字电视原理与应用 我国及交大数字电视的发展 数字电视概述, class 01

30 交大国际领先的ADTB-T 数字电视原理与应用 解决了单载波调制 “不能移动”的世界性技术难题，技术性能超过现有国际标准
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31 数字电视原理与应用 数字电视接收机专用芯片 “高清系列”芯片设计及量产 数字电视概述, class 01

32 机顶盒解决方案 数字电视原理与应用 卫星数字电视机顶盒 数模兼容一体机 有线数字电视机顶盒 DVB-S iDTV DVB-C
数字电视概述, class 01

33 高清晰度节目制作 数字电视原理与应用 HDE3000 高清编码器 RS-HD国产高清非编系统 HDS1000多节目复用器
数字电视概述, class 01

34 数字电视机卡分离技术方案 数字电视原理与应用 CA应用程序 CA插件 通用智能卡平台 CA应用软件 机顶盒 CA卡
数字电视概述, class 01

35 Thank You !