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1、航天学院电子系,1,第二章 数字电视基础,本章内容,1.数字电视的组成 2.模拟电视信号的数字化 3.压缩编码原理 4.信道编著码 5.数字调制技术 6.数字电视标准 7.数字音频技术,本章要点,模拟电视图像信号数字化的方法和取样格式 数字高清和数字标清电视的主要技术指标 信源压缩编码的原理和方法 信道纠错编码的原理和方法 QPSK、MQAM、COFDM三种数字调制方式的主要特点、各自优点及应用场合 中国数字电视的卫星、地面和有线广播三大标准的主要内容 人耳的听觉特性和MPEG的音频压缩技术,2.1 数字电视组成及标清和高清电视的标准,电视系统是指从电视信号制作到电视信号发射和电视信号接收的全
2、过程。 根据传播的路径不同，电视广播系统可分为地面电视广播、有线电视广播和卫星电视广播三种电视广播网络系统。 若电视节目信号是模拟信号，则为模拟电视系统； 若电视节目信号是数字信号，则为数字电视系统。 能直接接收数字电视信号的电视机为数字电视机， 而接收模拟电视信号的电视机是模拟电视机。,2.1.1 数字电视系统的组成,2.1.2 模拟电视信号的数字化,模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和编码。 取样-将时间和幅度上连续的模拟信号转变为时间离散的信号，即时间离散化。 量化-将幅度连续信号转换为幅度离散的信号，即幅度离散化。 编码-按照一定的规律，将时间和幅度上离散的信号用对应的二进制或多进制
3、代码表示。 模拟信号数字化框图如图所示，其中fc为滤波器的截止频率，fs为取样频率。 取样定理：如果对一个时间连续的模拟信号f(t)进行等时间间隔取样，设f(t)频谱的最高频率是fc，取样后的离散函数fs(t)经低通滤波器，要能无失真地恢复原信号f(t),则应满足取样频率fs2fc。,1.取样 （1）取样结构的选择 取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置，有正交结构和行交叉结构等,在数字电视中采用正交结构。 （2）取样频率的选择 1)首先应该满足取样定理，即 fs2fu12MHz 2)为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍 即: fs=nfH 3)为了便于节目的国际间交流
4、，亮度信号取样频率的选择还必须兼顾国际上两种扫描格式。即是625行50场和525行59.94场两种，它们的行频分别为15625Hz和15734.265Hz，这两个行频的最小公倍数是2.25MHz，也就是说取样频率应是2.25MHz的整数倍。 即: fs=m2.25MHz 其中m为整数。 4)编码后的比特率Rbfsn，其中，n为量化比特数。从降低码率考虑，fs选得越接近2fu=12MHz越好。 在CCIR601建议中，m6，亮-度信号取样频率fs为13.5 MHz。对于625行50场扫描格式的亮度信号来说，每行的取样点数为: (13.5106)15625=864,(3)色度格式,1）4：2：2格
5、式 在4：2：2格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即为： fcr=fcb=0.5fy=6.75MHz 即:fy:fcr:fcb = 4:2:2,2)4；4：4 格式 色差信号Cr和Cb的取样频率与亮度信号取样频率相同，即 fy=fcr=fcb=13.5MHz fy:fcr:fcb = 4：4：4 3)4:2:0格式 色差信号C，和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即: fcr=fcb=0.25fy=3.375MHz,4:4:4格式中亮度和色差信号样点的位置,4:2:0格式中亮度和色差信号样点的位置,2. 量化,（1）量化噪声对图像的影响 量化比特数n选
6、得大数据量大;量化比特数n选得小要产生如下量化噪声: 1)颗粒杂波 2)伪轮廓 3)边缘忙乱(锯齿状边缘),(2)量化后码电平分配,1)亮度信号量化后码电平分配 以8比特均匀量化为例: 0和255这两个级留作同步信息用。 在256级内上端留20级、下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。码电平分配如图所示。 亮度信号经归一化处理后EY的动态范围为01，经量化后总共占220个量化级，码电平16对应消隐电平，码电平235对应峰白电平。,2)色差信号量化后码电平分配 色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB的动态范围为-0.5+0.5，让色差零电平对应码电平2562128，色差信号总共占225
7、个量化级，如图所示。 8比特量化在某些场合是不够的，后来的数字演播室中又扩展到10比特。,2.1.3 标清(SDTV)和高清(HDTV)电视标准,1. 标准清晰度数字电视演播室标准 标清(SDTV)和原625行/50场模拟电视对应,2. 数字高清晰度电视,HDTV主要特点 1) 画面宽高比为169 2) 分辨力为19201080,3、24P格式,HDTV标准中有24P格式(19201080/24/11)，这是符合电影规范的逐行扫描方式，是新的电视节目制作格式。,4.数字视频信号与模拟视频信号波形的定时关系,现将625行25帧隔行扫描的电视信号转换成标清数字电视信号的行和场定时关系介绍如下： (
8、1)行定时关系 图中T为时钟周期，T=1/（13.5+6.5+6.5）MHZ=37s。以模拟行同步前沿OH为基准，数字行起始于模拟行同步前沿OH前24T处，每行64s，共有864个亮度周期，8642=1728个时钟周期。而数字有效行起始于模拟行同步前沿OH后264T处，数字有效行内有720个亮度取样周期，占1440T。数字行消隐起始于模拟行同步前沿OH前24T处，共占288T。左端有4T的定时基准码EAV,代表有效视频结束；右端有4T的定时基准码SAV，代表有效视频开始。,其它定时关系请参阅教材,和有关资料,2.2 电视图像信号压缩编码原理及方法,图像信号压缩编码的作用: 在对图像质量影响较小
9、的条件下,使数据量大大减少 压缩编码的基础: 图像信源的自然冗余和人眼的视觉特性 压缩编码的方法: 用MPEG-2的压缩编码技术,对信号进行处理 。MPEG-2综合了多种压缩方法,2.2.1 压缩编码基础,1图像数据的冗余度 (1)空间冗余 在一幅图像中规则的物体和规则的背景具有很强的相关性(相同的)。例如在蓝天或草地的背景中，所有点的亮度、色度及饱和度基本是相同的。这称之为空间冗余。 (2)时间冗余 电视图像序列中相邻两幅图像之间有较大的相关性(相同的) 。例如，一辆火车在画面中奔驰，前后两帧图像中只是火车向前行驶了一点，背景基本不变，火车本身的信息也是时间相关的，这是时间冗余。 (3)视觉
10、冗余 人眼对图像的变化并不都能察觉出来。对图像的编码和解码处理尽管引入了噪声使图像发生了变化，但这些变化如果不被视觉所察觉，我们仍认为图像是无损的。例如人眼视觉的灰度级分辨力大概为2627，而一般图像的量化采用的是28灰度等级，这样的编码冗余属于一种视觉冗余。,2人眼的视觉特性,(1)亮度辨别阈值 人眼刚刚能察觉的亮度变化值称为亮度辨别阈值。当景物的亮度变化很少时，人眼是辨别不出的， (2)视觉阈值 视觉阈值是指干扰或失真刚好可以被察觉的门限值，低于它就察觉不出来，高于它才看得出来，这是一个统计值。 (3)空间分辨力 空间分辨力是指对一幅图像相邻像素的灰度和细节的分辨力。 视觉对于对于静止图像
11、或变化缓慢的图像，具有较高的空间分辨力；而对于活动图像，空间分辨力减低。这就是说，在实际生活中，目标的运动细节大多数未被人眼所感受，而是凭人脑的记忆和想象形成的。 (4)掩盖效应 “掩盖效应”是指人眼对图像中量化误差的敏感程度。人眼对图像中误差的辨别能力受“掩盖效应”的影响，亮度变化越剧烈，如突变的轮廓和边缘处，量化误差越容易被掩盖，人眼越不易察觉；相反在亮度缓慢变化的平坦区误差容易被察觉。,3数据压缩编码方法的分类,可分为两大类，一类是无损压缩，另一类是有损压缩。根据压缩机理的不同，数据压缩编码方法大致可以分成三类。 (1)基于图像信源统计特性的压缩方法，有预测编码、变换编码、矢量量化编码、
12、子带-小波编码和神经网络编码法等。 (2)基于人眼视觉特性的压缩方法，有基于方向滤波的图像编码法和基于图像轮廓-纹理的编码法等。 (3)基于图像景物特征的压缩方法，有分形编码法和基于模型的编码方法等。,2.2.2 压缩编码的方法,1. 预测编码 是减少数据在时间和空间上的相关性。 （1）预测编码基本原理 预测编码是根据某一模型利用过去的样值对当前样值进行预测，然后将当前样值的实际值与预测值相减得到一个误差值，只对这一预测误差值进行编码。如果样值序列有较强的相关性，那么预测误差信号将比原始信号小得多，因而可以用较少的电平等级对预测误差信号进行量化，从而可以大大减少传输的数据量。典型的预测编码系统
13、如图所示。,2.正交变换（DCT）编码,基本思想是将在通常的空间域（x,y,z,t）描述的图像信号变换到另外的向量空间(如频率域)进行描述，然后再根据图像在变换域中系数的特点和人眼的视觉特性进行编码。若图像数据在空间上具有较强的相关性（相同），变换到频域后能量往往被集中在少数样值上，通过舍弃一些较小的系数，实现数据压缩的目的。 常用的图像正交变换有：离散傅立叶变换(DFT)、最佳变换(KL)、离散余弦变换(DCT)及沃尔什变换(WH)等。 正交变换编码系统框图如图所示。,3.子带编码,（1）子带编码原理 是利用带通滤波器组将信道频带分割成若干个子频带，将子频带搬移至零频处进行子带取样，再对每一
14、个子带用一个与其统计特性相适配的编码器进行图像数据压缩。解码时在接收端将解码信号搬移到原始频率位置，然后同步相加合成为原始信号。 子带编码非常适合于分辨率可分多级的视频编码。例如，可以将二维图像频谱分解成LL(水平低通，垂直低通)、LH(水平低通，垂直高通)、HL(水平高通，垂直低通)和HH(水平高通，垂直高通)4个面积相等的子图像。 若发端将全部4个子带信号编码传送，而接收端只收LL子带的信号，则得到普通分辨力的图像；若接收全部四个子带的信号，则获得高分辨力的电视图像。,二维频带分解,2.2.3 信源编码的国际标准,1CCIR建议 即以亮度分量Y和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码（不
15、是用RGB） 该标准规定： (1)不论是PAL制，还是NTSC制电视，Y、R-Y、B-Y三个分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz和6.75MHz； (2)抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为10bit，用于传输为8bit； (3)Y、R-Y、B-Y三个分量样点格式为4:2:2。 在1983年9月又作了3点补充： (1)规定编码信号是经过预校正的Y、R-Y、B-Y信号； (2量化级0和255的码字专用于同步，1-254的量化级用于视频信号； (3) 规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔，对525行/60场NTSC制式来说为16个样点，对625行/50场PAL制式
16、来说则为12个样点。为了便于制式转换，不论625行50场或525行60场，其数字有效行的亮度样点数都是720，色差信号的样点数均为360。,2JPEG标准 静止图像数据压缩标准（JPEG），它是从1986年正式开始制订的。 3H.261标准 1988年CCIR制订的，是为电视电话/会议电视的压缩标准。 4MPEG-1标准 1992年由国际标准化组织(1SO)通过的活动图像编码压缩标准。它的图像压缩算法的框图基本与H.261相同，但有重要改进。,5MPEG-2标准,1）是目前全世界用得最广的压缩标准 2）1994年11月通过，基本结构与MPEG-1完全相同，但MPEG-2标准在MPEG-1基础上作了重要扩展和改进，将其图像质量从基本级到最高级分成4级。最高级图像质量，可达HDTV质量。 3） MPEG-2标准共有3部分：第1部分是系统，第2部分是图像，第3部分是声音(略)。 4）系统编码规定两种方式：节目码流PS和传送码流TS，系统码流结构框图如图
