第五节电视信号的编码

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1、第五节 电视信号的编码电视信号的编码 一 、电视信号的数字化 模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是模拟/数字转换 编码过程 (称可为 PCM 调制脉冲编码调制,由 A/D 转换器实现), 由数字电视信号转换为模拟信号则称 PCM 解调过程(由 D/A 转换 器实现)。这两个过程的转换，如图 6-2 所示。 在 A/D 转换器中，在时钟和同步信号控制下，对模拟信号进 行取样，取样后的信号为 PAM（脉冲幅度调制）信号。取样频率 为 fs(周期为 T)，它是由时钟信号产生的。PAM 信号经过量化， 变为幅度仅有有限个离散值的的 PAM 信号。然后，再根据取样点 的离散值，编成 n 位的二进制数字

2、码（PCM，即脉冲编码调制） 。 设离散值的最大个数为 M， n 与 M 的关系为 2 n =M. 2 或 n= 2 M （6-1） 若量化的过程是均匀的，则称均匀量化，这种码称为线性码 （一般称为二进制自然码） 。在 A/D 转换器中，量化和编码通常 是同时完成的。即在编码的过程中（编码的过程可理解为将取样 值与各量化值进行比较，取最接近它的样值） ，舍去或补足小于 二分之一的量化层值的量化误差，就得到了已量化的数字信号。 若编出的 n 位码用 n 位线输出，就是并行码。在数字设备内 部常用并行码。若进行远距离传输，或与其它信号综合传输时， 则通过并串变换，变成串行码。此时，每个数字用 n

3、比特二进 制码表示。数字信号的速率为 nfS。图 6-3（a） （b） （c） （d） 为 n=3、M=8 为例表示上述 PCM 的编码过程。图 6-3 (a)为模拟 电视信号；图 6-3 (b)为理想的取样信号序列 ；图（c）为取样 信号和量化后的数字信号（PAM） ；图（d）为不归零的串行数字 信号（PCM） 。 图 6-3（e） （f） （g）表示 PCM 编码过程的频域变换。图 6-3 （e）是模拟电视信号的频谱；图（f）为取样信号的频谱。取样 过程在时域上实际是两信号相乘过程。 因此，在频域上相当于 两信号的频谱的卷积，即将 F（t）在频率轴上以 fs 为周期进行 拓展。图（g）就是

4、 PAM 信号的频谱。由于 PCM 信号是量化编码 后的 PAM 信号，量化引起的误差是相同的。因此，图（g）的频 谱也近似为 PCM 的频谱。根据取样定理,当信号的最高频率为 fm 3 时,应有 fS 2fm ,实际上为了便于 D/A 后利用滤波还原信号, 应有 fS 2.2 fm。 图 6-2 中的 D/A 转换器完成数字信号到模拟信号的转换。其 过程是 PCM 信号以并行方式输入（若是串行码，要进行串并变 换） ，通过各码的加权相加，就得到量化的 PAM 信号，再通过截 止频率为 fs 的低通滤波器，就得到了模拟信号。 二、图像信号的编码方案与参数确定 彩色图像信号通常有两种形式:彩色全

5、电视信号(Y/C);亮度 信号/色差信号(Y / R-Y,B-Y,也可称为分量信号)。因此对图像 信号的 PCM 编码也有全信号编码和分量编码两种,数字电视系统 宜用分量编码,电视接收机中的数字化处理宜用全信号编码. 1. 全电视信号编码 4 (1) 取样频率 全电视信号编码就是直接对此信号进行编码。 由于取样过程 是非线性过程(时域相乘),在对对全电视信号采样量化时,取样 频率 fS 的选择,除了要满足取样定理外还要： 要考虑采样后的信号中 fS 与 fSC（彩色副载波）的差频的 影响:当 fS=3 fSC 或 fS=4 fSC 时, fS 与 fSC 的差频将落在 Y 信号的 频谱间隙中，

6、这样对图像的影响不易被觉察。因此，通常取 fS=3 fSC 或 fS=4 fSC。 对 NTSC 信号 fS=3 fSC=10.7MHZ 或 fS=4 fSC=14.3MHZ。 对于 PAL 制信号 fS=3 fSC=13.3MHZ 或 fS=4 fSC=17.7MHZ。 应考虑使取样点在屏幕中的位置固定,且满足正交取样条 件。即应构成使取样点构成的点阵在屏幕中的位置即固定，且垂 直对齐，这种结构称为正交取样取样结构。如图 6-4 所示。这种 正交取样结构，便于进行行间、场间和帧间处理。 5 现以 PAL 制为例,当 fS=4 fSC 时 fSC=(283+3/4) fH +25 ,即 一行中

7、(1135+4/625)个取样周期.每帧的取样点个数为整数 625(1135+4/625)个取样点 ,两相邻帧间取样点的位置相 同.相邻行(奇,偶两场)的起始点相隔 313(1135+4/625) 个采 样点,也是近似整数 (仅差 0.0032),满足正交结构。可以分析 fS=3 fSC 时，点阵结构要四帧重复，且相邻并不对齐（差 1/4 周 期） 。因此，采用 fS=4 fSC 较多。另一好处是因 fS/2 与 fm 间有较 大间隔,可以降低模拟低通滤波器和数字滤波器的设计难度。 (但 码率高) (2) 编码位数 量化信噪比 图像信号的编码位数 n 是由所需的量化层数决定的。量化层 少了，图

8、像中的灰度变化及彩色变化将不能反映实际情况，这就 失去反映细节的能力，也就产生图像失真。编码位数越多，再生 的图像质量就越高。但是，编码位数 n 越多，编码图像的传输速 率就越高，所占的频带就越宽，存储容量就越大。这就对硬件电 路要求就越高。对于经过 校正的图像信号，一般都采用均匀量 化，即用线性编码。设单极性图像信号的变化范围为 0 到 1，分 为 2n 个量化层，每个量化层高为 2-n。由于均匀分布 ，量化误 差的均方根值： 12 2 12 2 2 rms n n N 6 对于满量程（S=1）的信噪比为： ) dB ( 8 . 10 6 12 2 lg 20 rms n N S n （6-

9、2） 实验表明:当 n = 7 ,8(即将信号量化为 127 至 255 个层时), 人们已很难感到量化的影响(但对于未经 校正的图像信号,则 需要量化位数应大于 11),对应的量化信噪比约为 5060dB。 全信号编码时的数据速率 以 PAL 制 fS=4 fSC,n = 8(8 位 A/D 转换)为例,总数据速率约 为 44.438=141.76Mb/s。 由此可见,数字图像信号的数据速率是很高的.每一帧的数 据量为 5.67Mb 或 708.8kB。 2. 分量编码 分量编码就是对 Y,R-Y,B-Y 或三个基色分量 R,G,B 分别编码, 进行并行传输或时分复用传输。 (1) 取样频率

10、 fS 的选定原则和标准 选定原则 fS 应大于最高频率(Y:5.86MHz,色差 2 MHz)的 2.2 倍。 为了得到正交的点阵结构,取样频率应为行频 fH 的整数倍。 考虑 fS 能对 50Hz /625 行,60Hz/ 525 行两种制式兼容，即 7 fS 是两者行频的公倍数,以为了便于不同电视制式转换。 亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的 关系,以使两者的取样点能重合或有固定的位置关系。 CCIR(国际无线电咨询委员会)的分量编码国际标准 对 Y / R-Y/B-Y 的取样频率为 13.5/6.75/6.75MHz,简称 4:2:2 标准.( fS = 13.5MH

11、z = 858 fS 525 行 = 864 fS 625 行,fH 525 行 =15734.264Hz ) 低标准: 4:1:1/ 13.5/3.375/3.375MHz,或 2:1:1/ 6.75/3.375/3.375MHz (2) 数字有效行(内的信号样点数) 图像信号是在每行的正程出现的，因此，标准规定在一行中 由一定的取样点构成数字有效行， 并且规定两种制式的数字有效 行均为亮度信号样点数:720,色度样点数:360 个,便于两种制式 的转换。一行的起点定在行同步前沿脉冲的中部。PAL 制的有效 行由样点 133 至 852 构成,而正程对应的样点为 142 至 844。 如 图

12、 6-5 所示。 8 (3) 编码位数和排列 分量编码规定：亮度信号和色差信号分别规化为 01 及 -0.5+0.5 的范围,并都编为 8 位线性码.由于原来的 R-Y 最大 值为 0.701（0.70）,B-Y 的最大值为 0.886（0.89）,故要对 R-Y 和 B-Y 进行压缩,压缩比分别为 KR-Y =0.5/0.701,K B-Y =0.5/0.866, 压缩后三分量 Y,(R-Y),(B-Y)的表示式为: Y=0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B; (B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5B Y 编为自然二进码,双极性

13、的(R-Y),(B-Y)编为偏移二进制码,即 -0.5 对应自然码的 0,+0.5 为 255,零电平为 128。为了防止信号 过载,直流漂移,256 个量化级并不全用。亮度信号的黑白电平对 应于 16 至 235 量化级,色差信号则在底部和顶各留 16 个量化级。 9 分量编码的数字信号在传输时的数据序列: (B-Y)Y(R-Y) (Y) (B-Y)Y(R-Y) (Y) 这里(B-Y)Y(R-Y)是空间同一取样点的数字,而(R-Y) (Y) (B-Y) 中的(Y)是仅有亮度取样的空间取样点的数字,它规定在一行的 偶数样点上。 3. 电视伴音信号的编码 由于伴音与电视体制没有确定的关系、编码比

14、较简单。模拟 伴音信号的频带为 20Hz 至 15kHz，高质量的伴音为 20Hz 至 20kHz。对于 15kHz 信号取样频率一般取 fS32kHz。对于 20kHz 信号，取样频率可取 fS48kHz。取样频率应与图像取样频率保 持固定的关系，从同一时钟源得到。在 PAL 的分量编码时，若仍 采用 48kHz 取样频率，就可以保持这种关系： 13.5MHz 375 3 4 = 48k 伴音编码的位数要比图像编码的位数多。 这是因为伴音信号 的动态范围大（ 90dB 以上） ，高质量的伴音要求很高的信号噪 声比，应有 8590dB 的信号量化噪声比。由上面的均匀量化的 信噪比公式，则均匀量化所需的编码位数为 13 至 14 位。在演播 室的高质量话音编码中， 若要对低电平的声音仍有高的信号噪声 比，编码位数甚至要取到 16 位。 伴音信号由于信号幅值分布的特性(非均匀分布，幅值大的概率 小)以及人的听觉持性，也可以采用非线性编码，这样 n11、12 10 时也可以得到很高的声音质量。 虽然伴音编码的位数比图像编码 的位数多，但因是低速编码，反而更容易实现。