信號與系統(tǒng)應(yīng)用論文

1、數(shù)字電視機頂盒的內(nèi)部系統(tǒng)信號處理過程及其特性研究 本文是信號與系統(tǒng)教學(xué)的課題之一。周朔 作者簡介：周朔（1994 ），男，北京工業(yè)大學(xué)實驗學(xué)院電子信息工程系，本科在校學(xué)生；（北京工業(yè)大學(xué) 實驗學(xué)院，北京，101101）摘要目的：為了研究數(shù)字電視機頂盒內(nèi)部信號處理的過程及其特點。方法：運用了原理列舉法 公式推導(dǎo)法等進行研究。結(jié)果：（1）數(shù)字電視機頂盒處理信號的原理很簡單；（2）數(shù)字電視機頂盒處理信號的過程與大學(xué)所掌握的信號知識有很大聯(lián)系（3）數(shù)字電視機頂盒內(nèi)部系統(tǒng)的構(gòu)成改進了原有電視的信號處理模式；關(guān)鍵詞： 數(shù)字電視機頂盒；信號處理；特性The research about the signal

2、 process of The Digital TV set top box and its feature Zhou Shuo(The Pilot College Of Beijing University of Technology, Beijing, 101101)Objective: In order to explore the process of The Digital TV set top box. Method :the use of experimental methods, principle list reduction and other research. Resu

3、lts:(1)The principle of the signal process of The Digital TV set top box is easy.; (2)the signal process of The Digital TV set top box have close relationship with the knowledge we have learned ；(3)The system of The Digital TV set top box transform the traditional process of the signal;Key words: Th

4、e Digital TV set top box; signal process; feature一、 數(shù)字電視信號的產(chǎn)生直接產(chǎn)生：字幕機，數(shù)字?jǐn)z像機等  轉(zhuǎn)換產(chǎn)生： 電影膠片電視電影機 ；  模擬信號 模擬信號：在我們打電話時，電話線上傳送的電信號是隨著我們通話聲音大小的變化而變化的。這個變化的電信號無論在時間上或是在幅度上都是連續(xù)的，我們把這種信號稱為模擬信號。平常我們所能看見的電視、聽見的聲音、電話、傳真信號等都屬這類信號。模擬信號在傳輸過程中容易衰減和失真-數(shù)字信號 數(shù)字信號：對模擬信號進行抽樣、量化和編碼，把連續(xù)的信號取值截取為一串間斷的脈沖信號，可以用二進制數(shù)進

5、行表示和記錄，我們稱之為數(shù)字信號。計算機內(nèi)部所能處理的信號都是數(shù)字信號。數(shù)字信號在傳輸過程中不容易失真，可再生（還原）性強。采用此方式對電視（視頻）信號進行處理，所獲得的信號就被稱之為數(shù)字電視（視頻）信號。（A/D轉(zhuǎn)換）信號數(shù)字化（1） 信號數(shù)字化過程 （模擬轉(zhuǎn)數(shù)字）   取樣：取樣頻率，抽樣定理：取樣頻率信號最高頻率的兩倍，將時間上連續(xù)信號變換成時間上離散的信號     量化：將數(shù)量上連續(xù)的離散信號樣值進行離散化處理，使之變成數(shù)量  上不連續(xù)的離散信號    編碼：量化后的信號仍然只

6、是離散信號，還不是數(shù)字信號。用n比特二進制碼（通常用8bit）來表示已經(jīng)量化了的取樣值，稱為編碼。 每個二進制數(shù)對應(yīng)一個量化電平，再按時序?qū)⑺鼈兣帕衅饋恚?就得到基帶數(shù)字信息流。 傳輸速率：傳輸速率=取樣頻率fs×量化比特數(shù)前置濾波器（fc=fs/2）取樣器量化器編碼器f(t)f(n)模擬信號（二）音頻信號的數(shù)字化   取樣頻率：>40KHz。  常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。   量化比特數(shù)：8bit，12bit，16bit。   聲道：單聲道，雙聲道（立體

7、聲） 取樣頻率×量化比特數(shù)×聲道數(shù)   數(shù)字音存儲量： 字節(jié)（8bit） （三）視頻信號的數(shù)字化  編碼方式：復(fù)合編碼將彩色全電視信息直接 編成PCM碼，與電視制式有關(guān)，需解碼， 頻分復(fù)用，產(chǎn)生亮，色串?dāng)_ 分量編碼將亮度信號Y，色差信號R- Y和B-Y分別編碼成PCM碼，與電 視制式無關(guān)，無需解碼，時分復(fù)用，無亮，色串?dāng)_（4） 量化比特數(shù)和量化級 量化比特：   Y，B-Y，R-Y都采用 8bit 均勻量化 ；未經(jīng)較正的信號采用10bit均勻量化  量化級：

8、60;亮度信號 8bit ，256個量化級，0-255 為防止過載 上端留20級，下端留16級，量化級 16 表示黑電平 ，量化級235表示白電平（5） 音頻與視頻信號的壓縮   數(shù)字信號的壓縮：電視信號數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量過大，使普通的存儲器難以接受。而且，數(shù)碼率太高使數(shù)字電視信號頻帶過寬，頻道利用率太低，甚至無法容納整個信號的傳輸。分量編碼：4:2:2標(biāo)準(zhǔn)：R=165.9Mb/s 頻帶寬度B83MHz ；4:4:4標(biāo)準(zhǔn)：R=278.7Mb/s 頻帶寬度B140MHz；4次群的R為139.264Mb/s，可傳話路1920路 。1920路

9、電話傳不了一套4:2:2的數(shù)字電視節(jié)目；用11套模擬電視節(jié)目換一套數(shù)字電視節(jié)目。號頻帶太寬，頻帶利用率低，頻率資源嚴(yán)重浪費。同時對電路要求高，設(shè)計復(fù)雜，維修困難，設(shè)備造價高。 所以對數(shù)字信號進行壓縮顯得很有必要。由于圖像本身存在大量的冗余: 空間相關(guān)冗余時間相關(guān)冗余；符號相關(guān)冗余；結(jié)構(gòu)相關(guān)冗余；知識相關(guān)冗余。以及人類的視覺冗余，所以對于圖像信號的壓縮時可行的。壓縮的途徑及方法：行、場逆程不傳送，在接收端重新形成；亞奈奎斯特取樣法，使得采樣頻率fs2fm，使混疊分量與亮度譜線交錯；采用高效率的編碼信源編碼，去除電視信號中的冗余。   圖像壓縮預(yù)測編碼：利用某種數(shù)學(xué)模式對以前已

10、知的相關(guān)數(shù)據(jù)進行運算，得出一個與當(dāng)前傳送樣值相接近的預(yù)測值，進而把當(dāng)前要傳送的值減去預(yù)測值，得到一個誤差值預(yù)測誤差，將這個誤差值編碼后傳送出去。 當(dāng)前樣值預(yù)測值預(yù)測誤差 預(yù)測編碼去除了電視信號中空間、時間上的冗余。 給出了良好的概率分布，為后面的 壓縮編碼創(chuàng)造了條件。 一維預(yù)測：參考樣值僅與xN當(dāng)前樣值處于同一掃描行內(nèi)的預(yù)測編碼； 二維預(yù)測：參考樣值除了本行之外還和前一行或前幾行的樣值有關(guān)； 三維預(yù)測：參考樣值除了本幀之外還和前一幀或前幾幀圖像的樣值有關(guān)。 由于一、二維預(yù)測都是在同一幀內(nèi)進行預(yù)測，所以也稱為幀內(nèi)預(yù)測編碼；三維預(yù)測與前面的幀有關(guān)，所以也稱為幀間預(yù)測編碼。 （2）變換編碼變換編碼中

11、經(jīng)常使用的是離散余弦變換DCT變換。DCT變換是把空間域上的信號變換到頻率域上，使能量在空間域上分散分布的原信號變換后能量在頻率域上相對集中到某些少數(shù)區(qū)域內(nèi)，即將空間域上的信號樣值變換成頻率域上的系數(shù)，經(jīng)變換后的系數(shù)按頻率由低到高分布。DCT變換的處理步驟：將一幅圖象分成若干像塊，每個像塊的大小為8×8個像素。 對每一塊像塊進行DCT變換。對變換后的系數(shù)進行量化。進行之字形掃描（讀出）和零游程編碼像塊樣值數(shù)據(jù)f(x,y)為8×8的矩陣，經(jīng)DCT后的頻域系數(shù)F(u,v)也為8×8的矩陣。此矩陣的左上角系數(shù)F00相當(dāng)于像塊中64個樣值的平均直流成分，其余的63個F(u

12、,v)均表示64個樣值中所含交流成分的系數(shù) 。經(jīng)過變換后，較大的系數(shù)集中在直流分量及附近的低頻區(qū)域，即信號能量主要集中在直流及低頻區(qū)域的少數(shù)變換系數(shù)上，高頻區(qū)域的系數(shù)多為0或很小。（3）統(tǒng)計編碼（熵編碼）統(tǒng)計編碼是基于信號統(tǒng)計特性的編碼技術(shù)。它的基本原理是按信源符號出現(xiàn)概率的不同分配以不同長度的碼字（bit數(shù)），概率大的分配以短的碼字，概率小的分配以長的碼字。這樣使最終的平均碼長很小，總的數(shù)碼率大大降低。經(jīng)常使用的是霍夫曼編碼?；镜牟襟E如下：將每個符號按其概率由大到小順序排列起來。將最小的兩個概率相加，并對其中較大的概率用“1”表示，較小的概率用“0”表示。反之也可，但賦值方式應(yīng)保持一致。把

13、求出的和值作為一個新的概率值再按重新排列。按照這樣的步驟重復(fù)進行，直到概率加到1。分配碼字。由概率為1處開始沿各點參加運算的分支線從后向前（從右向左）逐一寫出“0”、“1”的代號（從高位到低位寫）直到各符號為止。得到的代碼就是各信源符號的碼字。反之也可，從符號到匯合點p1（從左到右），但代碼的寫出是從低位到高位。  音頻壓縮聲音信號客觀統(tǒng)計規(guī)律。人耳聽覺的生理、心理學(xué)因素根據(jù)聲學(xué)理論，人耳存在著一個聽覺的閾值，當(dāng)某個頻率的聲音的強度（聲強）小于某個特定的數(shù)值之后，人耳就聽不見了，即當(dāng)聲音弱到人的耳朵剛剛可以聽見時，我們稱此時的聲音強度為“聽閾”。 在編碼時，可以根據(jù)人耳的特

14、性進行編碼，減少冗余?？蓪r間上彼此相繼的取樣值歸并成塊；由掩蔽效應(yīng)，人耳聽不到的不傳；對于人耳不能分辨方向的頻率接近的高頻音，不必再分聲道，將多聲道的高頻音耦合到一個公共通道；采用子頻帶編碼，由每個子頻帶中的最小同聽閾來確定各子頻帶取樣值的必要的量化。聲音壓縮主要有兩種編碼方法：MUSICAM編碼：MUSICAM-掩蔽型自適應(yīng)通用子頻帶集成編碼與復(fù)用。這種編碼的方法屬于子頻帶編碼，它是用濾波器組將寬頻帶的聲音信號的頻譜分割為寬度均為750Hz的32個子頻帶。每個子帶的量化和比特分配是利用人耳聽覺的心理聲學(xué)模型和音頻信號統(tǒng)計特性的內(nèi)在聯(lián)系確定，并清除音頻信號中的冗余和不相干部分，來實現(xiàn)有效的數(shù)

15、據(jù)壓縮。（六）數(shù)字信號的調(diào)制 完成壓縮后下一步就是將數(shù)字信號傳輸出去，數(shù)字電視的傳輸方式有三種,一種是衛(wèi)星傳輸,一種是有線傳輸,一種是地面?zhèn)鬏?。這三種數(shù)字電視的信源編碼都采用MPEG-2的復(fù)用數(shù)據(jù)包,但由于它們的傳輸途徑不同,因而在信道編碼方面采用不同的調(diào)制方式。主要有以下方式: 1.正交振幅調(diào)制(QAM):這是近年來被國際上移動通信技術(shù)專家十分重視的一種信號調(diào)制方式,正交振幅調(diào)制是用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。它的調(diào)制效率高,要求傳送途徑的信噪比高,它主要用于有線電視電纜傳輸。

16、 2.鍵控移相調(diào)制(QPSK):在數(shù)字信號的調(diào)制方式中,QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性,在電路上實現(xiàn)也較為簡單。所以它的調(diào)制效率高,要求傳送途徑的信噪比低,用于衛(wèi)星廣播傳輸方式。 3.殘留邊帶調(diào)制(VSB):VSB是介于SSB與DSB之間的一種調(diào)制方式,在VSB中,設(shè)法讓一個邊帶通過,同時又保留另一個邊帶的一部分,因此這種方法稱為殘留邊帶調(diào)制?？苟鄰?即重影)傳播效應(yīng)好,適合地面廣播。 4.編碼正交頻分調(diào)制(COFDM):它的基本思想通過采用允許子信道頻譜重疊,但相互間又不影響的頻分復(fù)用(FDM)方法來并行傳送數(shù)據(jù)。它抗多徑傳播

17、效應(yīng)和同頻干擾好,適合地面廣播和同頻網(wǎng)廣播。 二、 數(shù)字電視機頂盒對數(shù)字電視信號的輸入與接收機頂盒輸入端的基帶物理接口與同步單元能夠使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與信號格式相匹配，信號幀結(jié)構(gòu)與含同步字節(jié)的MPEG-21 MPEG-2解碼：MPEG-2是數(shù)字電視中的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前實用的視頻數(shù)字處理技術(shù)基本上是建立在MPEG-2技術(shù)基礎(chǔ)上，MPEG-2是包括從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁咔逦入娨暤娜恳?guī)范。MPLL用于VCD，可視電話會議和可視電話用的H.263和H.261是它的子集。MPML用于DVD、SDTV，MPHL用于HDTV。MPEG-2圖像信號處理方法分運動預(yù)測、DCT、量化、可變長編碼4步完成，電路是由RISC處

18、理器為核心的ASIC電路組成。MPEG-2解壓縮電路包含視頻、音頻解壓縮和其它功能。在視頻處理上要完成主畫面、子畫面解碼，最好具有分層解碼功能。圖文電視可用APHA迭顯功能選加在主畫面上，這就要求解碼器能同時解調(diào)主畫面圖像和圖文電視數(shù)據(jù)，要有很高的速度和處理能力。OSD是一層單色或偽彩色字幕，主要用于用戶操作提示。在音頻方面，由于歐洲D(zhuǎn)VB采用MPEG2伴音，美國的ATSC采用杜比AC3，因而音頻解碼要具有以上兩種功能。傳送層一致，有線數(shù)字電視傳送采用的MPEG-2數(shù)據(jù)傳送層由188個字節(jié)的包組成，其中包頭的4個字節(jié)中1個字節(jié)用于同步（47HEX），3個字節(jié)用于業(yè)務(wù)識別和加擾控制，其余的184

19、個字節(jié)是MPEG-2數(shù)據(jù)或附加數(shù)據(jù)。同步(SYNCI)變換和隨機化單元的功能是根據(jù)MPEG-2幀結(jié) 構(gòu)將SYNCI字節(jié)進行反轉(zhuǎn)，同時為實現(xiàn)頻譜成形對數(shù)據(jù)流進行隨機化處理。MPEG-2傳送復(fù)用器輸出端的數(shù)據(jù)可隨機化，在每8個傳送包的開始處將偽隨機二進制碼 （PRBS）寄存器進行初始化。為了向解擾器提供一個初始化信號，將每組8個傳送包中的第一個傳送包的MPEG-2同步字節(jié)由47HEX逐比特取反轉(zhuǎn)換為B8HEX，是傳送復(fù)用適配的 過程。偽隨機二進制碼（PRBS）生成器輸出的第一位加到被取反后的MPEG-2同步字節(jié)（B8HEX)后面的第一個字節(jié)的第一位（最高有效位MBS）上。在同步傳送其余的7個傳送包

20、的MPEG-2同步字節(jié)期間PRBS繼續(xù)工作，為使這此字節(jié)不被加擾，在此期間PRBS無輸出，因此PRBS序列的 周期是1 503 B。隨機化處理的過程無論是在調(diào)制器有無輸入時，還是輸入的比特流與MPEG-2傳送的格式不兼容時都要進行避免未調(diào)制的載波由調(diào)制器輸出。卷積交織器的作用是在保持同步字節(jié)的周期不變的條件下完成深度I12 B的誤碼保護數(shù)據(jù)包的卷積交織處理，生成一個交織幀。交織幀由相互交迭的誤碼保護數(shù)據(jù)包組成并且界定于已取反或沒有取反的MPEG-2同步字節(jié)。交織器由幾個分支構(gòu)成，由輸入開關(guān)周期性地把輸入字節(jié)流接入各路輸入。每一路是深度為M·j個單元的先入先出（FIFO）移位寄存器。每

21、個FIFO單元大小為一個字節(jié)，輸入輸出開關(guān)同步。字節(jié)到m位符號變換是將卷積交織器產(chǎn)生的字節(jié)變換為QAM符號（字節(jié)到符號的映射）。對于不同級別的QAM調(diào)制，映射的符號數(shù)不同。在任何情況下符號Z的MSB都是取字節(jié)V的MSB。相應(yīng)地該符號的下一個有效位應(yīng)取字節(jié)的下一個有效位。在2m-QAM調(diào)制情況下，該處理將k個字節(jié)映射到n個符號。其關(guān)系為8kn×m。為獲得2旋轉(zhuǎn)不變的QAM星座，對每個符號的2個最高有效位進行差分編碼。2個MSB（最高有效位IK QK）的差份編碼由下列布爾表達(dá)式表示：基帶成型單元的功能是把已經(jīng)被差分編碼的m位比符號映射成I，Q信號，并對該I，Q信號進行升余弦平方根滾降濾波

22、（滾降系數(shù)015）。QAM調(diào)制和物理接口單元的任務(wù)是對QAM信號進行調(diào)制，然后將已經(jīng)調(diào)制好的QAM信號通過IF或RF接口傳送到射頻通道（IF：圖像頻率信號，RF：射頻）。QAM是基于正交載波的抑制載波振幅調(diào)制，2個載波間相差2，QAM調(diào)制器的工作原理是發(fā)送數(shù)據(jù)比特符號編碼器內(nèi)被分成兩路（速率各為原來的一半），分別與一對正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出。QAM是一種對無線、有線或光纖鏈路上的數(shù)字信息進行編碼的方式，這種方法結(jié)合了振幅和相位2種調(diào)制技術(shù)，QAM是多相位移相鍵控的 一種擴展，多相位一相監(jiān)控也是一種相位調(diào)制方法，這二者之間最基本的區(qū)別是在QAM中不出現(xiàn)固定包絡(luò)，而在移相鍵控技術(shù)中則出現(xiàn)固定

23、包絡(luò)，利用其頻譜利用率高的特點采用QAM技術(shù)。QAM具有任意數(shù)量的離散數(shù)字等級。常見的有QAM-64 QAM-256。由有線數(shù)字電視前端系統(tǒng)輸出的已調(diào)信號通過有線的方式將數(shù)字電視信號傳送到用戶接收端。3、 數(shù)字電視機頂盒對數(shù)字電視信號的處理與輸出（一）數(shù)字電視機頂盒處理信號的第一步-有線數(shù)字電視用戶接收系統(tǒng)當(dāng)用戶接收端是數(shù)字電視機時，通過綜合解碼接收機（有線IRD）完成對信號的逆處理，將獲得的基帶信號通過基帶物理接口饋送給數(shù)字電視機。當(dāng)用戶接收端是模擬電視機時，要使通過有線信道傳送的數(shù)字電視信號在模擬電視機上播放，必須通過機頂盒進行信號處理。機頂盒的功能可對有線數(shù)字電視信號和通信壓縮信號進行解

24、碼和解擾。在機頂盒中需要提供一個軟件處理平臺，用于支持那些用來實現(xiàn)交互式業(yè)務(wù)用戶接口應(yīng)用軟件。對于來自RF（射頻）有線信道的數(shù)字信號，通過物理接口送入QAM解調(diào)器，QAM解調(diào)后供給信道解碼部分完成信道的前向糾錯解碼。然后對數(shù)據(jù)進行符號映 射、差分解碼、去交織、RS解碼及去能量擴散，再經(jīng)過解擾解密得到MPEG-2傳輸流(TS)。解復(fù)用器按一定的規(guī)則或根據(jù)用戶的要求，從包含多路節(jié)目的TS流中選取一路節(jié)目進行MPEG-2解碼，得到重建的視頻和音頻數(shù)據(jù)，再經(jīng)過NTSCPALMECAM視頻信號編碼以及音頻信號的DA轉(zhuǎn)換后送入模擬電視機。網(wǎng)絡(luò)接口單元的任務(wù)是信號的接收、變頻和解調(diào)。系統(tǒng)模塊主要包括CPU、

25、外圍存儲器及相關(guān)電路完成系統(tǒng)控制及機頂盒與外界的通信控制，MPEG-2傳輸解復(fù)用等。解碼模塊對MPEG-2碼流進行音頻視頻解碼，按所需的制式（PALNTSCMECAM）編碼并可插入圖文信號。模擬視頻音頻電視信號編碼單元包括AD轉(zhuǎn)換器、音頻視頻放大器等將數(shù)字信號，以轉(zhuǎn)換為模擬信號便于模擬電視機收看。（二）數(shù)字電視機頂盒的處理和輸出信號的過程進一步概述 數(shù)字電視機頂盒的處理和輸出信號的過程如下：現(xiàn)在的數(shù)字電視機頂盒應(yīng)具備了接收數(shù)字廣播信號（包括CATV上的音頻、視頻和資料信號）以及視頻點播功能，從RF端口接入的 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流經(jīng)過機頂盒各芯片完成解調(diào)、解復(fù)用、譯碼功能。其原理框圖如下圖。數(shù)字電視機頂盒

26、原理框圖 機頂盒是由數(shù)字調(diào)諧器、信道解調(diào)器、信源解復(fù)用器、MPEG-2H264解碼器、視頻編碼器、音頻D/A、嵌入式CPU系統(tǒng)和外圍接口、條件接收模塊等組成。我們從原理框圖中可以看出，數(shù)字調(diào)諧器接收來自有線電視網(wǎng)中的高頻信號，下變頻為中頻信號，并通過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換再生出傳輸端的數(shù)字信號，然后利用QAM解調(diào)器完成信道解碼并糾錯，在進行用戶身份識別確認(rèn)受權(quán)許可后，從載波中分離出包含音、視頻和其它數(shù)據(jù)信息的傳送流(TS流)。傳送流中一般包含多個音、視頻流及一些數(shù)據(jù)信息。解復(fù)用器則用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取用戶指定節(jié)目的PES數(shù)據(jù)，包括音、視頻流和數(shù)據(jù)流，送入MPEG-2或者H264解碼器及其相應(yīng)的解析軟件，完成視音頻信息的解壓與還原。再把解碼后的視頻數(shù)據(jù)輸出到PAL/NTSC視頻編碼器，重新編碼成模擬電視信號提供給電視機；而解碼后的音頻數(shù)據(jù)，則輸出到音頻D/A控制設(shè)備進行處理，比如輸出PCM音頻數(shù)據(jù)到PCM解碼器，PCM解碼器再輸出立體聲模擬音頻信號，經(jīng)音頻輸出接口送至音箱系統(tǒng)。五、數(shù)字電視機頂盒信號處理過程特點上文列舉的數(shù)字信號處理過程整體上可概括為如下流程圖數(shù)字信號的產(chǎn)生數(shù)字電視信號的傳輸 數(shù)字電視信號的輸入與處理數(shù)字