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1、数字电视基础,数字电视的基础知识 数字电视信号的产生 数字电视信号的数码率 压缩的可能性、必要性 数字电视信号的编码 数字电视信号的压缩标准 数字电视信号误码控制 数字电视信号传输标准,数字电视基础知识,数字电视技术是近20年来发展最快的技术之一。总体来看，数字电视技术的发展经历了三个主要阶段。 第一阶段：在20世纪80年代以前，当时以研究开发单独的局部设备为主，投入使用的有数字时基校正器（DTBC）、数字帧同步机（DFS)、数字特技机(DVE)等； 第二阶段：是在80年代到90年代，这一阶段的特点是开发成功了数字整机电视设备，如数字录像机、数字信号处理摄像机等；,数字电视基础知识,第三阶段：
2、是在90年代以后，在这一阶段，数字电视技术已开始从单个设备向整个系统发展，一些研究机构提出了全数字化的数字电视广播标准，如欧洲的DVB格式、美国的ATSC格式等，而且数字电视技术与高清晰度电视技术结合在一起，一些发达国家已经开始进行数字电视或数字高清晰度电视系统的试播。,数字电视基础知识,数字电视的优点： 信号经过多次复制、转接和远距离传输时，不会有干扰和失真的积累，信躁比好。抗干扰性能强，图像质量好； 数字电视系统主要由数字集成电路组成，系统的性能和可靠性可望大幅度提高； 它可以实现模拟电视不易实现的功能，譬如：时轴处理，制式转换、特技等功能； 它也易于实现电视信号的实时处理，以完成图像质量
3、的改善、压缩频带、二维滤波等功能； 在传输中，它易于将图像信号和伴音信号时分复用，充分利用数字传输的优越性。,数字电视基础知识,6. 信号杂波比和连续处理的次数无关。 7. 可避免系统的非线性失真的影响。 8. 数字设备输出信号稳定可靠。 9. 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。 10.由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 11.数字技术可充分利用信道容量，利用电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播(Teletext),数字电视基础知识,12. 压缩后的数字电视信号经数字调制后，在 开路广播时，可抗多径干扰，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室
4、质量。 13. 可以合理地利用各种类型的频谱资源。 14. 很容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于增值应用(开展各类收费业务)。 15. 具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信网络中传输，也便于与计算机网络联通。,数字电视信号的产生,数字信号的产生：从摄像机光电转换后得到的电视信号都是模拟信号，将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模/数（A/D）转换过程。 模/数转换包含三个过程，即取样、量化及编码。其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码。,数字电视信号的产生,将模拟
5、信号变换成数字信号称为模、数（A/D）转换。最基本的方法是所谓脉冲编码调制（PCM）。运用该方法实现电视信号的数字化需要三个步骤：抽样、量化和编码。 抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来的时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散，其理论基础是奈奎斯特抽样定理。,数字电视信号的产生,量化是用有限个幅度近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的幅度离散化。 编码则是按照一定的规律，把量化后的值用数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输 。,数字电视信号的产生,在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反，再经过后置滤波又恢复
6、成原来的模拟信号。称为数模（D/A）转换。 将输入的每一位数字量转换为与其相对应的模拟量，各位对应的模拟量相加则得到DA转换器的输出，模拟输出与数字量输入成正比。一般的DA转换器都是根据这一原理设计的。 图,数字电视信号的产生,D/A转换基本原理,数字信号的产生,根据电视信号的特点，其数字化的方式有两种，即复合编码方式和分量编码方式。 复合编码方式：将彩色电视信号作为一个整体进行取样、量化和编码，得到一个数字复合电视信号； 分量编码方式：对亮度信号和两个色差信号分别进行取样、量化和编码，得到三个数字分量电视信号。,数字信号的产生,复合编码的优点是码率低些，设备较简单，适用于在模拟系统中插入单个
7、数字设备的情况。 它的缺点是由于数字电视的取样频率必须与彩色副载波频率保持一定的关系，而各种制式的副载波频率各不相同，难以统一。采用复合编码时由取样频率和副载波频率间的差拍造成的干扰将影响图像的质量。,数字信号的产生,取样频率：在选择取样频率时，要考虑以下几个方面： 取样频率（fs）必须大于或等于信号最高频率（fm）的二倍 取样频率选取为色副载波的整数倍，即fsn fsc，这样可避免取样信号与色副载波的高次谐波产生的差拍成分串入视频信号中形成网纹干扰； 取样频率还必须是行频的整数倍，这样才能实现固定正交取样结构。,数字信号的产生,取样结构：固定正交结构。固定正交取样结构：每一行的样点正好处于前
8、一场和前一行样点的正下方，而且与前一帧的样点重合。,数字信号的产生,量化：量化过程是把取样后的信号幅值归并到有限个幅度等级上，并用一个相应的数据来表示。归并过程使得量化后的信号幅度与取样信号实际幅度之间有偏差，这称为量化误差。量化误差的存在会使重现图像上产生杂波干扰，称为量化杂波或量化噪声。 为了使量化后的电视信号具有足够的信噪比，应尽量减小量化误差，即尽量增加量化级数。在电视信号的模数转换过程中，如果要保证实际图像的量化信噪比大于50dB，则量化级数至少应为256级，即量化比特数为8比特。在有些应用场合，量化比特数可达10比特或更高，这时可得到量化信噪比更高的信号。不过，量化级数增加后，量化
9、比特数也相应增加，导致数码率的增加，这会给后续的信号处理和传输带来很多困难。,数字信号的产生,编码：编码过程是将量化后的取样值用一组二进制码表示。例如，设量化级数为256级（0255级），即8比特量化，若用自然二进制码方式进行编码，则对应这256个量化值，就可用0000000011111111这一组二进制码表示。经过取样、量化和编码之后，原模拟电视信号就变成了由一系列“0”、“1”组成的数据流。,数字信号的产生,分量编码的优点是编码与制式无关，分量编码方式是将亮度信号和色差信号分别进行取样、量化和编码，因此不需考虑色副载波的影响。只要抽样频率与行频有一定的关系，便于制式转换和统 一，而且由于Y
10、、(RY)、(BY)分别编码，可采用时分复用方式，避免亮色互串，可获得高质量的图像。在分量编码中，亮度信号用较高的码率传送，两个色差信号的码率可低一些 ，但总的码率比较高，设备价格相应较贵。,数字信号的产生,根据亮度信号和两个色差信号取样频率及取样结构之间的关系，分量编码方式可分为4:2:2、4:4:4、4:1:1和4:2:0四种： 4:2:2编码方式：亮度信号的取样频率为13.5MHz，两个色差信号的取样频率均为6.75MHz。显然，这种方式下色差信号的水平分解力是亮度信号的一半。4:2:2编码方式广泛应用于演播室节目制作和传输中。,数字信号的产生,4:4:4编码方式：亮度信号和两个色差信号
11、（或R、G、B信号）的取样频率均为13.5MHz，且取样结构完全相同。这种方式下，三个信号具有相同的水平和垂直分解力。这种方式一般用在对R、G、B信号进行数字化的场合。 4:1:1编码方式：亮度信号和两个色差信号的取样频率分别为13.5MHz、3.375MHz、3.375MHz，因此两个色差信号在垂直方向上的分解力与亮度信号相同，但在水平方向上的分解力是亮度信号的1/4。,数字电视信号的数码率,数码率：在单位时间内传送的数据量。在实时传输情况下，数码率等于取样频率与量化比特数的乘积。在数字电视中，数码率的单位通常为Mbps，即兆比特/秒。 量化级数越多，信躁比越高，但量化级数增加后，量化比特数
12、也相应增加，导致数码率的增加，这会给后续的信号处理和传输带来很多困难。 取样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高， 所需要的传输带宽就越宽。,数字电视信号的数码率,SDTV系统的数码率： 复合编码方式： 采用8比特量化时，数码率为： 17.72(MHz)8(bit)141.76 Mbps采用10比特量化时，数码率为：17.72(MHz)10(bit)177.2 Mbps 4:2:2分量编码方式： 当采用10比特量化时:亮度信号的数码率为：13.5(MHz)10(bit)135 Mbps两个色差信号的数码率为: 26.75(MHz)10(bit)135 Mbps所以总的数码率为： 亮度信号数码
13、率色差信号数码率270 Mbps,数字电视信号的数码率,HDTV系统的数码率： 4:2:2分量编码方式，采用10比特量化时，亮度信号的数码率为： 74.25(MHz)10(bit)742.5 Mbps 两个色差信号的数码率为: 237.125(MHz)10(bit)742.5 Mbps 所以总的数码率为： 亮度信号数码率色差信号数码率1485 Mbps,压缩的可能性、必要性,数字电视信号为什么要压缩： 电视信号数字化后有很多优点，但同时也有一个缺点，即数码率很高。例如4：2：2编码、8比特量化的SDTV信号数码率为216 Mbps。 则传输这样一路数字电视信号需要有108MHz的通道带宽。而对
14、于10比特量化的HDTV信号来说，其数码率达到1485 Mbps，所需的传输通道带宽高达742.5MHz。因此，若不采取措施，这样的信号无法在一般的通道中传输，更无法在现有电视的6MHz带宽中传输。,压缩的可能性、必要性,数据量非常大之后，除了信号传输有问题外，信号的存贮也有问题。 在4：2：2编码、8比特量化情况下，一帧SDTV图像的数据量约为8.6Mb，要记录10分钟的电视节目就需要130Gb的存储器容量；记录10分钟HDTV的节目需要891Gb的存储器容量。可见，若不压缩数据量，就无法在普通的存储设备上实现数字电视信号的存储。 要实现数字电视信号的有效存储和传输，就需要采取措施降低其数据
15、量和数码率，也就是说要设法对数字电视信号进行压缩，通常将这一过程称为信源编码。,压缩的可能性、必要性,压缩的可能性：电视信号压缩的目的是减小数据量，降低信号传输的数码率。压缩过程实际上就是去除图像中那些与信息无关或对图像质量影响不大的部分，即冗余部分。根据电视信号的特点及人眼的视觉特性，电视信号中存在很多的冗余部分，去除图像中那些与信息无关或对图像质量影响不大的部分，这就为图像压缩提供了可能性。电视信号的冗余性表现在以下几个方面：时间和空间相关冗余、视觉冗余、熵冗余。电视信号的冗余表现在以下几个部分：,压缩的可能性、必要性,空间相关性：对于大多数电视图像来说，相邻像素之间、相邻行之间图像内容变
16、化很小，即具有很大的相关性（或称相似性），这种相关性称为电视信号的空间相关性或帧内相关性。 时间相关性：电视信号是利用人眼的视觉特性，借助于快速传送相关画面的方式来再现活动画面的，因此在相邻场或帧的对应像素间也存在很强的相关性，称之为时间相关性或帧间相关性。 时间和空间相关性造成了电视信号的冗余，减少这些冗余就可以实现图像压缩。,压缩的可能性、必要性,人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检验标准，对于人眼难以识别的数据或对视觉效果影响甚微的数据，都可认为是多余的数据，可以省去。这些多余部分就是视觉冗余。 例如，通过对人眼视觉特性的研究，发现人眼对静止或缓慢运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力很高，而对快速运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力却较低。人眼在观察大面积像块时，对灰度等级分辨力很高，而对轮廓细节的分辨力则较低； 这些说明人眼接收综合信息的速率有限 。,数字电视信号的压缩编码,数字电视信号经压缩后可大大降低数码率，所要求的传输带宽也随之降低。压缩后的一路数字电视信号可在通常的模拟电视频道内传输，而且还可在一个频道内传输多套（46套）数字电视节目。因此，
