互动科普

数字电视转换难题

2009年2月17日注定是个意义重大的转折点。从那天起，“数字鸿沟”将不再仅仅针对电脑普及率（数字鸿沟原指不同地区、不同社会群体之间，因收入不同而导致电脑普及率相差悬殊的现象）；美国1,700家模拟电视台将彻底退出舞台，公众期待已久的全数字式广播终于登场。有线电视、卫星电视，以及电视机上装了数字调谐器（digital tuner）的用户仍然可以欣赏“CSI”、“美国偶像”等热门电视节目。家中只有老式电视机的2,l00万户美国家庭可要叫苦连天了——这些人要么一贫如洗，要么年老体衰，要么住在农村，通常使用兔耳天线或锈迹斑斑的屋顶天线来收看节目，模拟信号全面关闭以后，他们家中的电视机再也收不到任何节目了。

自从彩色电视取代黑白电视以来，还没有一项新技术能像数字电视这样，迫使消费者如此大规模地更新主打娱乐设备。模拟电视广播以无线电波作为信号载体，而数字电视则通过电脉冲精确、高效地传送信息，传送的图像品质极佳，清晰度之高令人叹服：原野上一根根小草的叶片清晰可辨；仔细看侦探片中警探手里的勒索信，上面的字迹也一样清清楚楚。数字电视只须占用不多的带宽便可容纳海量信息，也有助于实现多种新颖的交互功能。举例来说，观看棒球比赛时，可以查阅某位球员的技术统计数据，观看烹调节目时，也可以当场查看菜谱。广电公司可以在现有带宽内设置更多的电视频道，腾出来的频段可以提高其他许多领域中的通信质量，例如，在飓风等突发灾害的应急抢险行动中，增强公共安全部门的通信能力，或者改进下一代手机的通信品质。

但仍有若干棘手的技术问题横在我们面前，即使在模拟电视广播淡出江湖之后，遗留问题仍将困扰我们很多年。且不说只能接收模拟信号的用户看不到节目，肯定怨气冲天，即便那些已经拥有数字设备的家庭，也会遇到一些有碍正常收看节目的拦路虎。实际上，有线电视网可能无法传送纯数字信号，因为许多数字电视用户仍在使用老式电视机，其中内置的调谐器只能处理模拟信号。在那些已经开通数字电视的地区，也不时爆出图像质量差和带宽阻塞等问题。或许对数字鸿沟的解释可以改得更确切点：2009年以后的很长时间内，一系列数字鸿沟不仅会把数字电视和模拟电视的观众分隔开，还横在不同类别的数字电视用户之间。

20世纪80年代，日本就已经有了高清晰度电视（不过还是用模拟系统生成的），于是，将美国带入数字电视时代的主张开始在国会里得势了。（很多人不太清楚数字电视与高清电视有何区别。其实，高清电视只是数字电视中较为引人注目的类别之一。要开通高清电视，必须满足一些特殊条件：有更大的带宽来传送信号，有更高的存储容量来存储节目，有分辨率更高的屏幕来显示图像，还要有更大的显示设备，才能充分享受收看高清电视节目的乐趣。）针对不同厂商提出的不同设计，美国政府展开了一系列测试，试图确定在下一代电视系统中，应该着力发展哪一种。最初的测试结果表明，如果不压缩信号，就不可能让高清电视成为现实——数字电视与模拟电视最大的不同就在于，前者能极其有效地压缩视频信号。因此，改造模拟电视，提高分辨率的主张很快被否定了。

美国高级电视制式委员会（ASTC）最初开发的数字电视系统，与对立厂商阵营的产品互不兼容。后来经过双方协商，最终成功拟出统一的标准。委员会认可的数字电视格式共有l8种，其中，1080i和720p是高清电视制式，用于在宽屏上观看电视节目。l080i制式水平扫描就是指，显示每一帧图像时，都要在屏幕上沿水平方向扫描l080行，先扫描奇数行，再扫描偶数行，因此称为“隔行扫描”（“隔行”在英文中是interlacing，所以称作l080i）。720p制式则是逐行扫描，显示每一帧图像，都要在屏幕上依次扫描720行（p代表progressive ，即逐行）。反观模拟电视制式的扫描行数最多也只有480行。有人认为l080i制式具有空间优势，扫描的行数更多，所以图像更清晰；有人则宣称720p具有时间优势，因为它能更好地表现快速运动。基本上，只有广播技术人员和热衷电视节目制作的人才会为这两种制式的优劣高下而争论不休，普通观众对此并不在意，只要看起来舒服就行。

随着高清电视机的面市，1998年，美国公开推出了首批高清电视广播。20世纪90年代后期，有关方面曾希望2006年彻底淘汰模拟电视广播，但他们的计划泡汤了，因为没有多少人愿意购买价格不菲的数字电视机或机顶盒（用来接收数字信号），而且高清电视节目的制作也跟不上节奏。例如，当时NBC（美国全国广播公司）仅推出了一个用高清电视播出的专题节目“今夜秀”（Tonight Show，1999年开播），5年之后，NBC黄金时段的电视剧和情景喜剧才全部采用1080i制式播出，而且广播公司也无意淘汰模拟广播。同样是家用视频格式的DVD，面世的时间只比高清电视早一年，却一炮而红，迅速成为消费电子发展史上最有人气的新产品。相比之下，高清电视制式无论在销售额，还是在赢得公众认同的方面，都无法望其项背。

2005年3月，业内厂商在美国华盛顿特区举办了一次高清电视峰会，依然没有拿出终结模拟电视广播的确切方案。到2006年初，美国总统布什却签署了一项法案，限定在短短3年内过渡到全数字式电视广播。这项法案的名称——“2005年赤字削减法”，泄露了玄机：原来美国政府想从收回的模拟频段（约有l08兆赫）中拿出一部分再出售，借机捞一笔（可筹得数十亿美元）。除了政府急于圈钱之外，其他因素也在催促模拟广播电视退场：根据相关规定，美国新出产的电视机中，所有屏幕尺寸在25英寸及25英寸以上的都必须安装数字调谐装置（从今年3月l日起，不论屏幕大小，美国出产的新电视机都一律强制安装数字调谐器）；大部分黄金时段的联播节目和所有重大体育赛事都要采用高清电视播出；大部分有线电视网会开通4到l2个高清电视频道（不过与有线电视频道的总数相比，这个数字确实小得可怜）。

想说再见不容易

模拟电视广播一退场，电视机收不到节目，录像机录不下节目，屋顶天线变成一堆废铁……家里一系列电器都被迫更新。掏空荷包，急匆匆投入数字电视的时代，这才发现数字电视还不成熟，有时甚至还不如以前。

有人认为，政府强制模拟电视广播限期退出市场，影响远远超过20世纪60年代彩色电视取代黑白电视时的震荡——不管怎么说，这些黑白电视机到今天还能派得上用场。可现在，除非装上数字转换盒，否则电视机就得变成一堆废铁。不带附加功能的标配机顶盒售价预计约60美元；对任何一个家庭而言，为家里的每台电视机加装这样一个机顶盒，都是一笔不小的开支。

据美国广电协会（NAB）统计，美国2,100万户只能接收无线信号的家庭总共拥有4,500万台电视机。有些安装了有线或卫星电视接收装置的家庭中，即使本来拥有好几台电视机，也只为其中1台电视配备了接收装置，总计还有2,800万台左右的电视机无法收看收费节目。这样，大限到来时，美国全国约有7,300万台电视的屏幕上可能一片雪花，什么也看不到。（当然，许多家庭的电视连着DVD或电子游戏机，就算收不到电视信号，也不一定就毫无用处。）

为了减轻数字电视转换带来的经济压力，美国国会授权商务部国家电信与信息管理局（NTIA）动用15亿美元作为补贴。2008年起，负担不起机顶盒的家庭将获得两张票面价值各40美元的代金券。老式的VCR（磁带录像机）和DVR（硬盘录像机）也必须接到转换盒上才能录下地面传输的数字信号（即无线数字电视），从2007年l月l日起，市面上出售的所有新机，包括VCR、DVD播放／刻录机，DVR，电视卡等都必须内置数字调谐器。

不过，即使电视机能收到地面数字信号，也不能保证一定可以看到图像。模拟电视的收视质量可以“适度降级”（graceful degradation）：家住接收区边缘的观众可能会看到重影或忽明忽暗等现象，但多少能看到些东西。而数字电视走的是极端路线：要么清清楚楚，要么什么也看不到。

从数字电视的角度看，模拟电视每秒要完整传送30帧图像，简直是对带宽的极大浪费。数字电视只须传送基准画面以及各基准画面之间的变化，在此前提下，就能采用数字压缩技术传送图像。如果把分配给单个模拟频道的带宽，拿去传送标准清晰度的数字电视，足可容纳6个频道；就算用来传送对带宽要求严得多的高清电视，也可容纳1个频道。也正因为信号经过大幅压缩，所以瞬间的信号丢失对数字电视的接收影响极大。没有模拟电视那种高度的数据冗余作为缓冲，一旦有瞬间信号丢失，就只能定格在它接收到的最后一帧基准画面上，或者变成一幅马赛克拼图，甚至干脆黑屏。在侦探片中即将抖出杀手身份的关键时刻遇到这种问题，那就实在太扫兴了。

并不是只有在远离信号发射塔80英里外的山沟里，才能体会到与数字电视无缘的滋味。住在大城市的人也依然被多径反射（multipath reflection）弄得焦头烂额。电视信号往往要在建筑物的墙上辗转反射多次,才能进入用户的电视机，因此，用户接收到的往往是同一节目在不同时刻到达的多个信号。相比欧洲普遍采用的传送制式标准COFDM（编码正交频分复用调制），美国采用的8-VSB（8级残余边带）更容易受信号多次反射的影响。

与数字电视初创时代的老前辈相比，现在电视机处理器的功能更强大，能够更从容地应对这个问题。新一代电视机配备的高性能芯片，在相同时间内能够处理更多反射信号，而且过滤信号的速度也更快。不过，人们如果想换个频道，而这个频道的信号方向不同，可能换个台就要调整一下室内天线的方向，这让人回想起大多数家庭还没有屋顶天线和有线电视的年代。多径干扰确实是数字电视的软肋，但影响不是很大：没有加入有线电视网或卫星电视网的美国家庭约占总数的l5％，其中又只有一小部分受到这个困扰。虽然靠广告收入维持的“免费”电视自有它存在的理由，但无可讳言，付费收看的高清电视节目（包括优秀大片、体育节目及自然频道等）要比地面数字电视丰富得多，而且差距还可能进一步扩大。

权宜之计

数字化意味着更多的频道，更大的利润，运营商们都在盘算如何尽快甩开浪费带宽的模拟频道。一边是数字电视的诱惑，一边是观众家中的老式设备，身处两难境地中的地面电视、有线电视和卫星电视运营商各有各的打算。

美国政府额外拨给无线电视台6兆赫频段，供它们在过渡期间使用（地面数字电视除了覆盖普通用户，还会为移动车载电视、广场大屏幕等提供节目）。无线电视台将继续用两个频段（均为6兆赫）同时播送模拟信号和数字信号。这时，就可以做一些靠模拟信号不可能做到的事——同时播送几套节目：把6兆赫全用来播放一套高清电视，或者安排几套标清数字电视频道。美国广电协会宣称，其中一个标清电视频道可以一天24小时连续播出（即使电视台正在播放电视网的高清节目时也是如此），播放质量不会受太大影响。

2009年以后，有线电视用户仍然无法摆脱模拟电视。广播公司倒乐意尽快实现全数字化，因为观众更喜欢看高清频道。高清电视节目的宽频格式比标清电视的4∶3格式更符合观众们新买的16∶9电视机（也更适合他们的双眼），而且高清电视能展示的细节丰富得多。如果说CSI系列侦破剧的口号是“跟着证据走”，那么高清电视画面的两百万像素（分辨率达到1920×1080）能更清楚地指明寻找证据之路。然而，高清电视日益升温，给有线电视和卫星电视运营商摆出了一道难题：它们掌握的带宽有限，却要分配给为数众多的电视频道和其他广播业务使用。

有线电视网占去750兆赫的带宽，数以百计的电视频道、点播电影、电话业务、宽带上网以及互动节目向导还在你争我夺。由于模拟电视频道这个头号带宽杀手的缘故，即使最先进的有线系统眼下也只能为用户提供十几个高清频道。据有线电视行业的研究机构Cable-labs称，2009年以后的很长时间内，有线运营商还得继续传送模拟电视频道。在入户同轴电缆的传输容量中，这些线性的模拟频道（即连续传送，单向的频道）就占了550兆赫之多。有线电视公司不可能把模拟频道全部扫地出门，因为上百万有线电视用户还在用老式电视机。

当然，运营商们可以等，到下一个10年的某一时刻，大部分观众都换上数字电视机之后，再过渡到全数字化。这些数字电视机中不仅装有数字电视调谐器，还有其他各种条件接收系统（Conditional Access System，CAS），比如大小与信用卡相仿的有线卡（CableCARD）或有线卡的纯软件副本。不过，他们也有其他选择——让观众租用数字有线盒。为了解决这部分观众的问题，有线电视运营商得为每台电视机准备一个转换盒，对拥有多台电视机的家庭，还得提供好几个，公司恐怕不愿意承担这样的成本（这里所说的转换盒就是国内常说的数字电视机顶盒）。

改善传输技术能缓解传输渠道的问题。有线电视公司已试着采用改进版的系统架构——切换式广播业务（Switched broadcasting，又名Switched digital video，即切换数字视频）。在光纤／同轴电缆混合系统中，光纤通信干线的带宽似乎取之不尽——铺设到小区，构成有线电视网上的一个节点，然后由同轴电缆接过最后一棒，用它仅仅750兆赫的带宽，把信号送到节点范围内的300～500家用户。传统的信号分配方式会将所有频道同步传送到每个家庭中，这样家长可以收看高清体育频道（ESPNHD）的节目，而孩子则可以在自己的房间里欣赏MHD(MTV推出的高清音乐频道)。传统方法对所有频道一视同仁，不论是人气极高，还是无人问津，都会分配到相同的带宽。

而新的系统只为当时收视率较高的频道分配带宽。既然大多数人都选择了那几个频道，因此完全可以减少给冷门频道分配的份额，以便在需要时开通更多的高清频道，这正是新方法的巧妙之处。目前，有线电视行业比较关注光纤／同轴电缆混合系统，原因之一就是电信公司Verizon和AT&T之间的竞争日趋激烈。这些电信公司已经着手选择试点小区，把光纤铺到小区里的家家户户（或以若干户为一组，让光纤通到每一组)。预计几年内将有更多的家庭从各自所属的“电话”公司那里接收电视节目。

不同于各霸一方的有线电视公司，拥有卫星直播电视(DBS)的公司，比如DirecTV和DISH Network等，面向美国全国提供服务，而且一直采用高效的数字广播技术。每位用户都通过一台外置调谐器／解码器来接收信号，老式电视机也能正常收看。不过，随着频道总数节节攀升，网络高清电视的队伍日益壮大，而用户们越来越多地通过卫星电视收看本地频道的节目，DBS的带宽也有些招架不住了。

DBS决定三管齐下，应对挑战。首先增加卫星数量。使用老式设备的用户如果想收看新增的频道，可能需要再购买一台“锅盖”(碟形天线)，或者用椭圆形锅盖代替圆形锅盖，接收天空中不同位置的卫星发来的信号。其次，为了充分利用现有频率，DBS决心推广定向的点波束(spot beam)技术。卫星广播原本会将相同的信号像雨点般撒在整片大陆上，但点波束技术则会将频道聚焦，发送到城镇特别密集的地区。不同的点波束瞄准不同的城市。虽然每道点波束都传送电视连续剧“实习医生格蕾”(Grey’s Anatomy)似乎有点浪费带宽，但这有助于减轻带宽压力，因为本地商业广告和节目也可以打包放在点波束的信号中一起传送，这一点与地面或有线电视没什么区别。

第三，卫星系统正从MPEG-2视频压缩格式向MPEG-4过渡，可容纳的频道数目将提高一倍。不过，用户可能要换一台可解压MPEG-4信号的机顶盒。人们对画面中不同物体的更新要求有高有低，而MPEG-4编码格式可以把同一画面划分出不同的等级，所以编码效率较高。举例来说，足球比赛时，某个重要的前景物（如足球）可以保持最高的分辨率，而背景中那群球迷的图像的更新速率则可以相对滞后。这一思路与MP3音频压缩格式的编码原理如出一辙：有时，一件乐器的声音已经盖过了另一件乐器。既然有些声音本来就听不到，还不如干脆通过编码把它删掉，这样省下了不少比特，从而降低带宽的占用量。

最后一公里

数字电视的大潮让人有点措手不及，虽然还面对着重重困难，但人们可以肯定，模拟电视广播的时代将一去不复返。

无论通过哪种方式传送信号，想录下电视节目的观众都可能会碰上另一道数字屏障。地面传输的电视节目已经全数字化，内置模拟式调谐器的VCR无法录下这些节目，不过，有线电视的模拟频道还在播放，VCR暂时还不用退休。有线电视和卫星电视用户也可以选择淘汰VCR，租用或购买一台装有硬盘驱动器(能以最高分辨率录下节目)的高清性能机顶盒，或使用带外置硬盘的录像机(如TiVO公司最新推出的高清款录像装置)，内置硬盘的高清电视机。如果用户希望用同一台装置播放收藏的老式VHS盒式录像带，并录制无线高清电视节目，也可以选择DVHS机。

当然，以后可能会遇到数字图像丢失的问题，购买新的机顶盒也是件烦心事，但高清电视的拥护者们声称这些付出都是值得的，因为高清电视清晰的画面令人啧啧称奇，还能提供更多的服务。2009年2月的大限日益逼近，有一点可以肯定：电视的历史即将翻开全新的一页。