互动科普

经过一段漫长而充满争议的过程之后，数字电视标准终于在美国出台。它很快就将取代现今已过时的电视系统。

几个月之内北美的电视将经历一场剧变，其变化的深刻与彻底不亚于当初彩色电视的出现。1998年11月，大城市地区的广播系统将开始数字广播，此种广播将提供比现今的广播系统清晰得多的图象与声音。这种新的电视系统称为数字电视(digital television，缩写为DTV)，它还具有传统广播所不具备的许多特点，诸如提供辅助数据频道以及很容易与计算机和通信网络连接等。

从现有系统到新的数字系统的转变经历了一个漫长的、常常是有争议的过程(现有电视系统是在四十年代和五十年代期间由国家电视系统委员会(NTSC)建立起来的)。各主要有关方面之间曾有过许多年的竞争与合作。联邦通信委员会(FCC)的官员、广播公司、电视机制造商以及学术界人士试图提出一个不会使现有的电视马上过时的数字标准。某些细节——特别是关于把计算机服务引入电视行业的细节——还有待敲定与落实。

与此同时，国际上的情况仍不明朗。至今加拿大和韩国已表态支持美国的新标准。然而，亚洲、欧洲和拉丁美洲的大多数国家仍在对该标准和其它一些可能性进行评估。

但是大部分问题已经解决。由于在通信、信号处理和甚大规模集成技术等方面所取得的进展，现在已经能够对建立在具有五十年历史的技术基础上的电视系统进行重大改造。新系统将主要在特高频(UHF)频段的各频道上工作，其频率范围在470兆赫到890兆赫之间(14频道到83频道)。老系统和新系统将在2006年以前共存，预计到2006年时广播公司将不再在甚高频(VHF)频段和UHF频段上使用NTSC信号(VHF频段的频率范围在54兆赫到216兆赫之间，即2频道到13频道)。然后联邦通信委员会将把这些频道重新分配给数字电视或分配给其它业务，例如无线通信等。

过去联邦通信委员会一直对地面广播媒体的技术标准行使着主管权，但是该委员会的影响的确也扩大到了海底电报和卫星通信经营者，因为它们可能希望采纳地面广播标准，以避免给它们自己及其客户造成混乱、带来额外的开支以及增加技术上的复杂性等。但是，在这种情况下，又有一个导致问题复杂化的因素——某些海底电报和卫星通信经营者已经在开始广播数字信号，但用的不是高分辨率格式。到一定时候，如果广播公司、海底电报和卫星通信业者想要在技术上实现协调一致而相安无事的话，就必须解决这个问题。

促使电视过渡到新系统上的动力来自于人们期望看到更佳的图象，这一过程实际上在数字时代到来以前就开始了。在六十年代后期，NHK(日本政府主管的电视广播机构)进行了开发高分辨率电视(HDTV)的首次尝试。NHK同日本的电子器件制造厂商合作，开发了一种称为MUSE的模拟系统(MUSE是multiplesub—nyquistencoding的缩写，即“多重次尼奎斯特编码”)。MUSE编码方案传送的信息量为先前的5倍，因而产生出更清晰的图象。问题在于它也需要占用5倍的广播空间。NTSC系统用一个6兆赫宽的频道传送声音和电视信号，而MUSE系统则需要占用大约3O兆赫的频道空间。

当时没有足够的频道空间来容纳这样一种编码方案。在NTSC的早期，带宽是相当充分的。按现今的标准来衡量，NTSC的方法利用带宽的效率非常之低。在电视图象中，相邻象素的强度常常极为相似，或者至少是与邻近象素的强度相关。由于NTSC传送整幅整幅的画面而没有利用这种相关性，因此许多冗余信息又被传送。对频谱的这种低效利用导致不同的NTSC信号之间产生干扰。随着电视台数量的不断增加，干扰成了一个很严重的问题。

解决这个问题的办法是把某些频道留出来不予使用，这些频道称为“禁用频道”(taboo channel)。通常，在美国人口高度稠密的地区，每两个VHF频道只分配一个供使用，而每6个UHF频道只拿出一个使用。移动无线电通信和其它通信业务也需要占用可用带宽。最终结果是，在美国的频谱中根本就没有为需要大量带宽的HDTV系统(例如MUSE系统)留下地盘。

在广播机构的请求下，联邦通信委员在1987年9月设立了“高级电视咨询委员会”(ACATS)，该委员会的任务是就关于美国高级电视的标准化问题向联邦通信委员会提出咨询意见。1988年，该委员会邀请工业界、大学和研究实验室提出高级电视的标准。

决斗方式

在ACATS对各种方案进行审查筛选并筹备测试实验室以进行正式的技术评估之时，联邦通信委员会作出了一项关键的决定。1990年3月，该委员会选择同时联播方式(simulcast)而不是接收机相容方式(receiver—compatible)用于先进电视。

采用后一种方式意味着现有的电视机将能够接收HDTV信号并生成一幅可以观看的图象。NTSC在引入彩色电视时使用的正是这样一种方法，因此当时已有的黑白电视机将不会过时。接收机相容方式在这种情况下是有效的，因为颜色信息不需要大量的带宽。6兆赫宽的频道中只要拿出一小部分就可以容纳颜色信息，不会给黑白图象带来严重的不利影响。

然而，HDTV的信号所需要的信息比彩色电视信号多得多。因此，如果要采用接收机相容方式，就必须增加一个扩充频道(augmentation channel)，以传送HDTV所需的额外信息——实际上就是再用一个6兆赫宽的频道。

这一方案将会造成若干重大问题。它要求用一个NTSC频道作为传送HDTV信号的基础，这就意味着频谱利用效率非常之低的NTSC系统将无法转变为一种现代化的高效技术系统。此外，引入HDTV将会永久性地要求为每一个现有的NTSC频道增加一个新频道。

由于这些原因，联邦通信委员会决定采纳同时联播方式。与接收机相容方式不同(这种方式中HDTV信号是从NTSC信号中获得的，额外的信息由一个扩充频道传送)，同时联播的HDTV信号是在它自己的6兆赫宽的频道中播送的，与NTSC信号无关。这样就可以设计一个现代化的播送系统来传送整个HDTV信号。

当然，同时联播方式的缺点是现今的电视机将不能接收HDTV信号。为了使现有的电视机不至于马上就过时，联邦通信委员会决定给美国1500家申请开展HDTV电视业务的电视台全都增加一个用于HDTV的新频道。在过渡时期内，两种电视将并存最初联邦通信委员会规定同一节目在两个频道上同时播出或彼此只错开很短一段时间——因此有了“同时联播”这个术语(此要求后来取消了)。一旦美国有足够多的地方开播HDTV，则NTSC电视将停播。后者先前所占用的频谱将用作其它的HDTV频道或用于其它的业务。

同时联播方式具有一系列优点。有了这种方式，就可以设计一种新的、能有效利用频谱的HDTV信号，它需要的功率低得多，对其它信号(包括NTSC信号)的干扰也小得多。这种设计使禁用频道的利用成为可能。(没有禁用频道，联邦通信委员会就不可能给每家现有的NTSC广播公司新增一个频道以用于HDTV电视。)此外，在过渡时期结束以后，同时联播将最终取消频谱利用效率极差的NTSC频道。而且，取消具有强烈干扰特性的NTSC信号将使其它频道获得更充分的利用。联邦通信委员会1990年的决定是在争取实现美国HDTV标准化的过程中的一项关键决策。

此后不久，许多小组便纷纷提出以同时联播方式为基础的各种HDTV系统。最后联邦通信委员会的ACATS批准了5项方案进入正式评审阶段。其中一项方案主张采用模拟系统，而其余四项方案则是完全数字式的。在弗吉尼亚州亚历山大先进电视测试中心进行的实验室测试对这五个系统进行了评估。加拿大渥太华的先进电视评估实验室对图象质量进行了主观的判断。

1993年2月，ACATS的一个专家小组审查了测试结果并提出了建议。这个专家小组的结论是，4种数字系统的性能大大优于那个模拟系统的性能。该小组还发现这4种数字系统各有所长，因此，它无法具体推荐其中某一种系统。该小组转而要求，在每一数字系统的提出者们对该系统作了改进后重新对其进行测试。

ACATS接受了专家小组的建议。不过它也作了另一手准备——鼓励这4个数字系统的提出者们把不同系统的最突出的优点结合起来以提出单一的系统供专家们评估。

向统一的标准迈进

4个数字系统的提出者们的确曾决定制定一种单一的方案。1993年5月，它们组成了一个号称“大联盟”的集团，由7家单位组成：美国电报电话公司、Zenith公司、新泽西州普林斯顿DavidSarnofr研究中心、芝加哥通用仪器公司、麻省理工学院(作者本人就是该校的代表)、菲利浦电气公司北美公司和法国Thomson消费电子产品公司。在1993到1994年间，大联盟从这4个数字系统中选择了各自最突出的技术特长，并对它们加以进一步的改进。先进电视系统委员会—一一个行业集团——把以大联盟的HDTV原型方案为基础的一项技术标准制定成了书面文件。

为了在一个6兆赫宽的频道内传送高清晰度图象所需的全部信息，数据压缩是必不可少的。(这是因为，一个6兆赫宽的频道的数据传送能力为每秒2千万位，但未经压缩的高清晰度图象需要每秒10亿位的数据速率。)大联盟方案依靠一种名为MPEG一2的数据压缩方法(MPEG是“MovingPicturesExpertsGroup”(电影专家集团)的缩写)。MPEG压缩方法的关键在于，它不是象现今的NTSC系统那样发送整幅图象，而是只发送图象中变化了的部分。例如，在新闻广播中，MPEG不会反复地发送播音台和背景的图象，因为这些图象是静止不变的：它发送的图象主要是播音员的动作。这样，更新一幅图象所需要的数据就少得多了。(当然，还是常常有需要传送整幅图象的情况。)

压缩后的图象、声音和其它任何数据首先经过多路传输处理——也就是被组合成一个位序列。然后对这一位流进行调制(也就是把它迭加在电磁波上)。接着，对于地面广播的场合，调制后的信号经过空中传送出去。天线接收到信号并把它送到接收机上，接收机将信号解调，产生一个位流。这一位流经多路信号分离后产生出压缩了的数据，然后再对这些数据进行解压缩处理。

1995年l1月，ACATS把先进电视系统委员会整理出来后形成文件的标准推荐给联邦通信委员会，后者接受了这一标准，但有一点细节除外。该标准限制广播公司只能用18种图象分辨率格式(Video resolution format)——也就是18种传输图象的方法。联邦通信委员会在1996年12月放宽了这一限制[见框图的文字说明]。

1997年初，为了支持这个新的技术标准，联邦通信委员会又作出一些决定(例如分配频道等)。从1997年秋开始，各大广播公司被安排在大城市地区(包括波士顿、洛杉矶和华盛顿特区等)播送数字电视信号。

以上述标准为基础的数字电视系统将是非常灵活的。它可以在一个6兆赫的带宽内发送非常漂亮的高清晰度图象和多声道环绕声。或者它也可以发送几套其分辨率同现今电视节目差不多的标准清晰度电视节目。由于具有这种灵活性，这个电视系统的缩写名称已经从HDTV(high—definition television，高清晰度电视)变成了涵义更广的DTV(digital televisin，数字电视)。此外，新的标准使用低得多的发射机功率，就可以覆盖比NTSC系统所能覆盖的更大的地区。

这项标准也可以把未来的技术上的改进吸纳进去。例如，MPEG一2仅规定了编码位流和解码过程的句法。这种留有余地的做法使编码过程具有一定的灵活性，因而编码过程将来可以升级换代而不用修改标准。

获得数字图象

正如我们已经看到的那样，现今的电视机不能接收新信号并显示可以观看的图象。这个问题有两个解决办法。一种办法自然是买一台新电视机：1998年1月，在拉斯维加斯举行的消费电子产品博览会上，已经有数字电视接收机展出。1998年秋这种电视机将批量上市销售。一台具备HDTV显示能力的大屏幕数字电视接收机开始时售价将相当昂贵一一5千美元以上。不过，随着越来越多的电视机售出，价格将迅速下降。

另一种办法是在NTSC接收机上安装一个“机顶盒”(Set—topbox)。这个机顶盒的价格仅数百美元，它把数字电视信号解码，并将其转换为模拟的NTSC信号。虽然观看者不会欣赏到HDTV的清晰度，但是图象质量仍然将比同样的节目通过模拟NTSC频道播出时的图象质量要好。

即使没有数字电视接收机，有一项改进也将是一目了然的，那就是接收质量。模拟的NTSC信号将会受各种频道退化过程(Channel degradation)的影响，例如多径效应(重影)和随机噪声(雪花)。数字图象则与模拟信号不同。在一定的覆盖范围内，数字图象要么完美无缺，要么根本没有。这种“不是最好就是最糟”的现象与数字音乐相似：在数字音乐中，放唱机无法读出弄脏了的或损坏了的光盘。

数字电视系统高度的空间分辨能力使屏幕尺寸可以增大，从而提高了图象的逼真程度。在NTSC系统中，最适宜的观看距离大约是图象高度的8倍，以避免人们看出屏幕上的行结构。因此，如果显示屏的高度为三分之二米(即电视机的对角线尺寸为4O英寸)，那么最适宜的观看距离就是4．25米。这种距离上的要求使许多家庭难以放置一台大屏幕的电视接收机。此外，在这一距离上的视野角大约为10度。

对于高清晰度的数字电视机，最适宜的观看距离通常为图象高度的3倍。因此，拿上面提到的那种电视机(显示屏高度为三分之二米)来说，观看距离应当为1．8米，这对于许多家庭来说是行得通的。对于更宽的屏幕，在这一观看距离上的视野角也更大(约30度)，从而产生更逼真的观看效果。

新标准的另一优点是加大了图象的宽度与高度之比例(宽高比)。NTSC电视接收机所显示的图象的宽高比为4：3，这一宽高比反映了NTSC系统最初出现的那个时代所制作的电影的宽高比。自那以来，电影已经变得越来越宽了。为了适应这一变化，数字电视系统的宽高比也随之而加大(例如16：9)。

数字电视系统也可以传送CD音质的多声道音响，从而进一步增强视觉效果。多声道可以产生电影院中的环绕声效果。多声道也可以用来在同一个电视节目中传送不同的语言。

新的数字系统将对电视进行另一种或许是更为深刻的重大改革。传统上电视一直是独立的装置，其主要用处是娱乐。但是，数字系统除了改进图象质量并提供多套节目外，还能接收通信系统传送的数据，从而提供股票报价或电子函件之类的信息。这样，电视显示屏就可以当作电视电话、报纸或计算机监视器使用。

这种许多用途合而为一的前景促使计算机行业打入先前由广播公司垄断的地盘。这两大阵营之间仍有许多问题需要落实，但它们的融合看来是不可避免的。几乎可以肯定的是，在不远的将来，电视将被看成是家庭的娱乐、通信和信息中心。归根结底，这一融合对我们的影响可能比数字系统传送的优质图象和声音的影响要大得多。

避开棘手的决策

即使联邦通信委员会(FCC)采纳的新标准超过了数字电视系统原先的要求，并将在未来的岁月中很好地发挥作用，但它最终能在多大程度上获得成功则部分地取决于该委员会留给市场去处理的某些决定新标准是比较灵活的：它不仅容许大联盟(GrandAlliance)最初提出的6种传输格式，而且也容许其它许多种格式，这部分是由于倾向于采用不同格式的各行业在最后一分钟达成了妥协。为了了解这一决定的潜在后果，考察一下隔行扫描与取代它的现代扫描方法——逐行扫描之间的基本差别将会有所帮助。

隔行扫描格式是国家电视系统委员会(NTSC)标准的基础。这种格式传送的图象是以每秒若干次的固定速率记录下来的一幅场景的快照在隔行扫描中，一幅快照仅由奇数行组成，它后面紧跟着一幅仅包括偶数行的快照，然后这一过程不断重复下去。每幅快照——奇数行与偶数行——称为一个半频(field)。

虽然屏幕上显示出来的仅是一幅场景的快照，但只要有足够多的快照，人的视觉系统看到的就将是连续的运动。在NTSC系统中，快照的显示速率为每秒60个半帧。这一速率相当高，足以使观看者感受到连续的运动而不会觉察到显示的闪烁扫描线的总数大约为480条，每条扫描线含有大约420个象素。(扫描线的数目代表图象的垂直空间分辨率，而每一行的象素数目则代表水平空间分辨率)

隔行扫描的一种替代方法是逐行扫描。在逐行扫描中，每幅快照的所有扫描线都被扫描。逐行扫描中的快照被称为帧(frame)。然而，对于NTSC方法，这种类型的扫描被证明是不合实用的。由于带宽的限制，逐行扫描的速率只能达到每秒30帧，这将引起图象严重闪烁原则上，如果每幅逐行扫描的帧被显示两次，那么接收机就能够避免图象的闪烁。然而，这将需要使用帧存储器，而这种技术在NTSC实现标准化之时尚不存在因此隔行扫描在电视制造业和广播业中站稳了脚跟。随后许多HDTV电视设备(包括摄象机)为隔行扫描开发了出来。

遗憾的是，隔行扫描将产生某些视频缺陷，例如行间闪烁等。对于娱乐性质的图象，这个问题一般还是不非常令人烦恼，但是在显示文字、计算机图形或其它有清晰线条的材料时，这些缺陷就可能非常令人讨厌了。试考虑一条清晰的水平线条，它完全在奇数半帧内而不在偶数半帧内。虽然总的扫描速率为60赫，但是那条清晰的水平线条的扫描速率却较低，为30赫。因此这一线条将发生闪烁。由于这个原因(以及其他一些原因)，几乎所有的计算机监视器都采用逐行扫描对隔行扫描的信号可以作“消除隔行(deinterlace)的处理，使它也能在逐行扫描的监视器上观看。但是，这一转换需要经过复杂的信号处理才能达到相当高的性能水平。而且，这样所得的图象还是赶不上一开始就用逐行扫描格式传送的图象好。勿庸奇怪，计算机行业主张采用逐行扫描，因为这将有助于他们在广播行业以及一般的家庭市场中占据更大的地盘。鼓吹逐行扫描的还有电影行业，该行业希望改善电影显示的质量。

关于传输格式的争论曾达到相当激烈的地步，拖了美国数字电视的后腿。大联盟HDTV系统提出了5种逐行扫描格式和一种隔行扫描格式。为了迎合标准的电视分辨率，先进电视咨询委员会的建议规定了另外12个既包括了逐行扫描格式、也包括了隔行扫描格式的标准格式。但是联邦通信委员会在1996年12月采纳了广播行业与计算机行业达成的一项折衷方案。这一匆忙达成的协议取消了对传输格式的大部分限制。它不仅允许使用包括隔行扫描在内的所有18种格式，而且允许使用其它许多逐行扫描和隔行扫描格式。实际上，联邦通信委员会把选择传输格式的问题留给了市场去解决.

事实上，允许多种传输格式并存是有非常充分的理由的。一个电视系统必须能适应多种视频输入源：摄象机、电影、磁媒质与光媒质、合成图象，等等，所有这些输入源都有它们自己的一类格式。在只使用一种传输格式的NTSC系统中，各种不同的输入源被转换为一种格式后进行传输。例如，电影的格式为每秒24帧，因此它将通过隔行扫描转换为每秒60个半帧(即NTSC格式)后再传输。然而，只使用种传输格式，从利用可用频谱的角度来看其效率是很低的。

为了弄清楚其中的原因，试考虑电影播放这一情况。每一新的频道每秒能传送60帧图象（逐行扫描线为720条）。电影以每秒24帧的速度放映，因此只需要利用大约一半的带宽(空出的地方可以传送另一部HDTV电影、计算机数据或其它节目。)强制使用一种格式意味着电影必须以每秒60帧的速度传送——换言之，每一帧必须发送两次到三次，而用来传送其它数据的空间就少了。因此，频谱被一些重复的数据占据了。

如果允许多种传输格式，那么也就可以对不同的场合使用不同的格式。例如，播送体育赛事的广播公司可以使用一种具有高分辨率的格式。反之，新闻节目可以选择一种分辨率稍微差一些的格式，并把由此省下来的频道容量用来传送其它节目。

联邦通信委员会由于允许新的数字电视标准采用多种不同的传输格式，因而使得图象传输格式可以同原始输人源的格式完全相同或非常接近。从发挥频谱效率的角度来看，容许使用所有各种可能的图象格式或许是最理想的。

但是从接收机——也就是消费者的电视机一一的角度来看，格式太多可能是代价昂贵的，一种监视器通常只能用一种格式显示图象，因此它接收到的不同格式必须转换为一种显示格式。允许使用太多的格式可能使转换工作复杂化。总之，只要仔细地选择多种格式中的一小部分格式，就可以获得多种格式所带来的大部分好处。

由于逐行扫描这种格式总的说来性能要略胜一筹，因此在不远的将来所有新的显示器可能都是逐行扫描型的。但是联邦通信委员会决定允许在传输路径上既使用逐行扫描格式也使用隔行扫描格式，这就使广播公司能够有所选择，如果广播公司使用逐行扫描进行传输，那么隔行扫描和逐行扫描显示器都可以使用，而接收机不需要花费多少额外成本。这是因为，通过相当简单的信号处理，就能很好地完成由逐行扫描到隔行扫描的转换。所有数字式接收机可望都具备这种功能。但是，如果广播公司采用隔行扫描，则逐行扫描的接收机就必须对隔行扫描格式进行转换，而这样一种。消除隔行的过程需要经过复杂的信号处理才能达到良好的性能水平，这将抬高逐行扫描显示器的成本，而该类显示器现在其成本已经高于隔行扫描的显示器。

广播公司对于发送隔行格式的信号具有一定的积极性，因为摄象机以及其它采用隔行扫描的制作设施都是现成的。另外，现有的许多影象资料都是按隔行格式制成的。

由于联邦通信委员会允许在传输路径上使用隔行扫描，因此它实际上就是要求在所有逐行扫描接收机中必须有消隔行器(deinterlacer)(除非每一家大广播公司全都不用隔行扫描格式)。对于一般公众这是比要求在发射装置上安装消隔行器沉重得多的负担，因为发射机的数目远少于接收机。此外，消隔行器在发射机上工作时其性能比在接收机上工作时好得多，因为发射机可以使用未编码的原始图象。

标准的一项重要功能是规定某些限制以保护公众利益，例如，限定只采用某种特定的图象压缩方法，数字电视接收机就只需要实现联邦通信委员会采纳的图象压缩法的解码方法。然而，对于传输格式的场合，联邦通信委员会却避免作出困难的决策．现在，决定将由短期的市场力量作出，而这可能将使广播行业和公众长期依赖于隔行扫描格式及其相关的设备，其时间将比联邦通信委员会当初如果作出硬性规定、把可以选择的范围限制在长远来看更可取的逐行扫描格式的情况下长得多。