数字电视基础

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1、第第8 8章章 数字电视基础数字电视基础学习指导本章将介绍数字电视的基础知识，主要内容包括数字电视信号的产生及编码方式、数 字高清晰度电视的信号格式、数字电视信号的数码率等。本章重点为：8.2 数字电视信号的产生8.3 数字高清晰度电视8.4 数字电视信号的数码率本章难点为：8.2 数字电视信号的产生本章选学内容为：8.5 数字电视信号的压缩8.6 数字电视信号的误码控制8.18.1 概述概述数字电视技术的发展数字电视技术的发展数字电视技术是近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

2、用 的有数字时基校正器（DTBC） 、数字帧同步机、数字特技机等；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；第三阶段：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 DVB、ATSC 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。数字电视的优点数字电视的优点所谓数字电视，就是将模拟电视信号经取样、量化和编码后转换成用二进制数表示的数字信号，然后进行各种处理，如编码、调制、传输

3、、存储等。采用数字技术不仅可以使 各种电视设备获得比原有模拟设备更高的性能，而且还可以实现模拟技术不能实现的新功 能。数字电视技术的优势主要表现在以下几个方面：在复制或传输等处理过程中，噪声不会累积。数字电视信号只有“0”、 “1”两个电平， 各种处理过程中产生的噪声只要不超过某个额定电平，通过数字再生技术就可以将其清除 掉。即使无法清除，也可以通过纠错编码技术进行误码校正。因此，数字电视信号在复制 或传输等处理过程中，信噪比基本保持不变。数字信号稳定可靠，易于实现存储、计算机处理、网络传输等功能，而且数字电视 信号很容易实现加/解密处理。可充分利用信道容量。数字电视信号可采用时分多路复用方式

4、，在行、场消隐期间 实现数据广播。压缩后的数字信号经调制后可进行开路广播，在设计的服务区内（地面广播） ，观众 能以较高的概论实现“无差错接收”，使收到的电视图像和声音质量接近演播室质量。可合理利用各种类型的频谱资源。以地面广播为例，数字电视可以启用模拟电视的 “禁用频道”（taboo channel） ，而且可采用“单频网络”（single frequency）技术，例如一套电 视节目仅占用同一个数字电视频道就可覆盖全国。SDTVSDTV 和和 HDTVHDTV数字电视包括标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV） 。SDTV：是指对传统的模拟电视（如 NTSC、PAL 等）信号进

5、行数字化后得到的信号。 标准清晰度数字电视系统具有和模拟电视系统相同或相似的扫描格式和参数；HDTV：是新一代的电视系统，其性能和指标都远远超过了标准清晰度电视，扫描格 式及参数也完全不同于传统的模拟电视系统。国际上通常将黑白电视称为第一代电视，将彩色电视称为第二代电视，而将高清晰度 电视（HDTV）称为第三代电视。8.28.2 数字电视信号的产生及编码数字电视信号的产生及编码 1 1 数字电视信号的产生数字电视信号的产生从摄像机的光电转换器件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

6、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。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。另外，对电视信号进行取样时，为了便于行、场、帧间的信号处理，其取样结构一般 都采用固定正交结构。取样结构：指取样点在画面上相对于空间和时间的分布规律；固定正交取样结构：每一行的样点正好处于前一场和前一行

7、样点的正下方，而且与 前一帧的样点重合，如 图8-1 固定正交取样结构 所示。由于电视画面是以帧、场、行为周期重复的，因此只要将取样频率选择为行频的整数 倍，就可保证每一行的取样点数为整数，进而实现固定正交取样结构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

8、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，并不是量化级数越多越好，量化级数 增加后，量化比特数也相应增加，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。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。3 分量编码方式分量编码方式 取样

9、：取样结构：固定正交结构。取样频率：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。在选择取样频率时，要考虑以下几个方面：a.为了便于国际间的节目交换，取样频率应能同时兼容625行/50场和525行/60场两种 扫描系统。 根据取样定理，当亮度信号的上限频率为 fm6MHz 时，取样频率 fs2.2fm13.2MHz。b.又为了实现固定正交取样结构，fs 应为行频 fH的整数倍。对于625行/50场系统，行 频为15.625kHz；对525行/60场，行频为15.734264kHz。为了满足兼容要求，取样频率 fs 应为两种行频的公倍数。综合考虑上述因

10、素后，分量编码中亮度信号的取样频率选取为13.5MHz。因此，对于 625行/50场系统，亮度信号每行取样点数为：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，如 图8-2 几种分量编码方式的取样格式 所示。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。4:4:4编码方式：亮度信号和两个色差信号（或 R、G、B 信号）的取样频率均为 13.5MHz，且取样

11、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。4:2:0编码方式：亮度信号与色差信号的取样频率与4：2：2方式相同，但两个色差 信号每两行取一行，因此在水平和垂直方向上的分解力均为亮度信号的一半。 量化及编码分量编码方式中，三个分量信号的量化级数均为256（或1024）级，即量化比特数为8 比特（或10比特） 。有关量

12、化及编码的详细内容请看相关资料：资料8.1 分量信号的量化及 编码。SDTV 的基本参数表8-1 几种分量编码方式的基本参数（625行/50场）列出了上述几种分量编码方式的 取样频率及相关参数。其中，每帧有效行数指一帧中正程期间的行数，625行/50场系统规 定为576行；每行有效像素数是指数字有效行期间的取样点数。数字有效行相当于模拟电视 信号的行正程，但时基上略有不同，如 图8-3 数字有效行 所示。图中 OH为每行开始的 第一个取样点的位置，即每个数字有效行开始的基准参考点，也是模拟电视信号行同步开 始的位置。数字有效行由133852之间的720个样值组成。资料资料8.1 分量信号的量化

13、及编码分量信号的量化及编码分量编码方式中，为了将三个分量归一化到相同的动态范围，需要对红色差信号 R-Y 和蓝色差信号 B-Y 进行压缩，压缩系数分别为0.5/0.701和0.5/0.886。压缩后的色差信号 为：下图给出了8比特量化时，彩条信号三个分量的量化等级和二进制码。为防止量化过载， 不采取从0到255级的全范围量化，而是在上下两端都留出了过载保护带。例如，亮度信号 的黑电平和白电平分别对应第16和第235级，即信号的动态范围限制在16235量化级之间， 而015级和236255级则为过载保护带。色差信号两端各留出了15个量化级，用于防止量 化过载。8.38.3 数字高清晰度电视数字高

14、清晰度电视1 1 高清晰度电视的发展历史及现状高清晰度电视的发展历史及现状传统的彩色电视广播建立在黑白电视广播基础之上，为了能与黑白电视制式相兼容， 它采取了很多技术。尽管这些措施解决了兼容性问题，但同时也带来了很多弊端，如图 像亮度和色度分解力较低、存在亮度信号和色度信号之间的相互串扰等等。随着电视的 普及和人们鉴赏能力的不断提高，传统彩色电视所提供的图像质量已无法满足人们的要 求。人们希望电视图像的质量能够接近35mm 胶片的影像质量。出于这一目的，人们开始 了新一代电视的研究，这就是高清晰度电视 HDTV（High Definition Television） 。高清晰度电视的发展历史可

15、分为两个阶段，即模拟高清晰度电视和数字高清晰度电视。 日本从1970年开始研究开发模拟 HDTV 技术，于80年代提出 MUSE 制高清晰度电视系统并 试播成功。MUSE 制的特点是采用了多重亚取样技术，将30MHz 的基带信号带宽压缩到了8.1MHz，从而能在一个12GHz 的卫星频道中传输。西欧从70年代末也开始了 HDTV 的研究， 后提出了 HD-MAC 制的高清晰度电视系统方案。HD-MAC 制中采用的关键技术是“亚取样” 和“行穿插” 。经压缩后可将信号带宽降低为原来的四分之一。从本质上讲，MUSE 制 HD- MAC 制都属于模拟电视系统，只不过采用了一些数字处理。而且，它们都无

16、法与现有地面 电视广播频道相兼容，只能采用卫星通道传送。后来，随着数字技术的发展，数字高清 晰度电视的优势已经越来越明显，日本和欧洲也先后转而研究开发数字高清晰度电视系 统。数字高清晰度电视系统的研究始于美国。美国于1987年开始研究与现有地面电视广播 频道兼容的高级电视（ATV：Advanced Television）系统。此系统共有包含高清晰度电 视在内的18种数字电视格式，后来被推荐为美国的 ATV 广播标准，称之为 ATSC 数字电视 标准。美国的数字高清晰度电视的特点是可在 NTSC 频道中播出。另外，由于采用了数字 化传输，因此接收端能得到与演播室相差无几的高质量图像，而且可用很小的功率播出。 欧洲在放弃 HD-MAC 制之后，也开始了数字电视系统的研究开发，目前已形成较为完善的 标准，称为 DVB（Digital Video Broadcasting）标准。另外，日本也提出了一种全数字 广播方案，称为综合业务数字广播 ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting） ， 用于数