高清晰度数字电视的技术发展和设计挑战

编码/压缩标准和调制机制是下一代DTV部署中最重要的技术。本文讨论了当前和未来DTV发射机和接收机设计的技术挑战和要求，以及固定和移动DTV的应用，并基于Altera公司单芯片Stratix II FPGA，为适应当前标准的任何升级和变化提供了一个简单的解决方法。

图1：Stratix II单芯片H.264编码器的方框图。
大约十年前，当直播卫星提供商DirecTV和Dish Network推出MPEG-2数字视频传输业务时，对数字电视(DTV)的部署就开始了。现在，随着DTV业务不断扩展到有线和卫星网络，DTV技术正在从标准清晰度(SD)向高清晰度(HD)发展。尽管已有多种不同的标准和调制机制被用来提高数字视频带宽的效率，但编码/压缩标准和调制机制仍然是下一代DTV部署中最重要的技术。
DTV的广泛应用始于美国的DirecTV和Dish Network公司以及欧洲Canal Plus的直播卫星(DBS)。早期的DTV发射机制采用带有内部和外部前向纠错(FEC)的QPSK调制来避免传输错误。日本国家广播公司NHK在1986年推出了高清晰电视。但是直到大约四年前，该技术对主流消费应用来说仍缺乏成本效益。
视频压缩技术
在传输视频数据之前，视频压缩技术被用来降低原始视频的固有带宽。MPEG-2是最常用的压缩技术，标准清晰度卫星广播的典型MPEG-2数据速率为20Mbps。MPEG-2压缩技术基于这样一个原理：运动图像中的时间和空间冗余构成了人所感知的视觉信息的主要部分；换言之，许多现有数据对重建十分清晰的视频并非必要。
MPEG-2还是一种可升级的压缩机制，其码率范围为1.5Mbps～40Mbps。将典型的MPEG-2传输流与许多实际的视频频道进行复用(取决于编码码率)，使电视信号能在卫星、有线和地面平台上高效传输。然而，xDSL或通用移动通信系统(UMTS)等其它传输设备所能提供的数据速率要低很多，即使对地面广播而言，也没有足够的可用频谱。因此，节目数量非常有限，这需要进一步提高视频压缩效率。 随着广播公司制作出更高清晰度的视频内容，如果必须在传输流中传输更多频道，MPEG-2格式则成为瓶颈。因此，下一代HDTV必须利用新的视频压缩格式以便节约系统带宽。新兴的H.264/AVC压缩标准允许广播公司在不增加有线带宽频谱的情况下增加SD和HD节目内容。H.264/AVC的压缩效率通常比现在所有标准高1倍，特别是与全球DTV系统的基础——MPEG-2相比，其压缩效率提高了1.25～1.5倍。

图2: Stratix II单芯片DVB-T调制器的方框图。
H.264/AVC在任何码率下的编码效率至少是目前行业标准MPEG-2的两倍。这意味着在相同码率下，使用H.264/AVC可获得比MPEG-2高得多的视频分辨率，或者H.264/AVC只需MPEG2一半的码率，就可实现相同的视频质量。H.264/AVC的主要应用是MPEG2不太适用的新兴视频业务，特别是在带宽有限的场合，例如移动应用、基于ADSL的IPTV等。图1显示了Altera公司单芯片Stratix II FPGA H.264/AVC编码器的基本框图。H.264编码需要极高的运算性能和存储器带宽，以及全面的灵活性，高性能Stratix II FPGA具备所有这些性能。
前面强调了视频压缩和编码的重要性，下面将讨论将数字视频传递到消费者面前的现有和未来方法。
调制和传输方式
根据不同的传输方式，如卫星、有线、地面、移动或者IP，可采用不同的调制方法来传输数字视频。表中列出了目前或者计划使用的各种调制方式。
过去十多年，DVB-S一直是MPEG-2标准清晰度视频的数字卫星传输的标准方法，但随着更多视频内容转向高清晰格式，DVB-S已被证实成为带宽分配中的传输瓶颈。DVB-S2有望成为有效传输高清晰视频的传输标准，它可实现最佳性能，性能比DVB-S提高大约30%。另外，DVB-S2还受益于信道编码技术的最新发展。结合各种调制格式(QPSK、8PSK、16APSK和32APSK)，这种新的卫星技术将实现高数据速率应用的有效部署，如HDTV、宽带因特网、交互式业务，以及在传统发送应答器中广播更多数量的标准频道。
目前正在使用或将要使用的各种调制标准。
模拟电视传输的经典方法将很快成为历史。随着世界各地政府要求最终全部采用地面传输DTV，很多设备制造商正在厉兵秣马做准备。不幸的是，由于政府的政治原因，全球每个国家和地区采用了多种不同的标准。利用FPGA，设计工程师可创建一个单一的DTV传输平台，通过对系统进行简单编程以针对特定地区修正调制标准，该平台可适应不同标准。
尽管北美采用ATSC调制机制，但在欧洲和一些亚洲地区，DVB-T是目前最常用的调制方法。中国的DTV标准尚未最终确定，DMB-T和ADTB-T是两个候选的竞争方案。日本则使用自己独特的ISDB-T调制。图2显示了用Altera公司的Stratix II单芯片实现DVB-T调制的方框图。
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本文小结
与当前行业标准MPEG-2相比，H.264/AVC在所有码率下的编码效率至少提高了1倍。采用H.264/AVC