配套課件-數(shù)字電視原理

1、數(shù)字電視原理與技術(shù)Principle and technology of Digital Television內(nèi)容概述第1章 概述第2章 模擬電視的基本原理第3章 數(shù)字電視的基本概念第4章 圖象信號的數(shù)字化第5章 數(shù)字電視的調(diào)制與解調(diào)第6章 數(shù)字電視的傳輸?shù)?章 特種成像及防爆電視第8章 數(shù)字電視應(yīng)用技術(shù)與發(fā)展第1章概論一、電視技術(shù)的發(fā)展歷程 二、數(shù)字電視的基本概念及優(yōu)點(diǎn)三、數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒 1. 數(shù)字電視系統(tǒng) 2. 數(shù)字電視機(jī)頂盒習(xí) 題電視技術(shù)是20世紀(jì)先進(jìn)的電子科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成果。作為以昂貴的電子設(shè)備為載體的大眾傳播媒介，它聲像并茂、色彩兼?zhèn)?，遠(yuǎn)距離傳送，不受文化、年齡的限

2、制，面向社會(huì)，深入家庭。電視就是根據(jù)人的視覺特性,經(jīng)電子掃描,用電的方法來傳送活動(dòng)圖像的技術(shù)。一、電視技術(shù)的發(fā)展歷程電視技術(shù)的發(fā)展歷程19世紀(jì)末，開始研究設(shè)計(jì)圖像的傳送技術(shù)。1873年，約瑟夫梅發(fā)現(xiàn)硒元素的光電特性。1883年圣誕節(jié)，尼普柯夫做了首次發(fā)射圖像的實(shí)驗(yàn)。1908年，肯培爾.斯文頓、羅申克夫提出電子掃描原理，奠定了近代電視技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1923年，茲沃爾金發(fā)明靜電積貯式攝像管和電子掃描式顯像管，這是近代電視攝像技術(shù)的先驅(qū)。1936年11月2日世界上第一座正式開播的電視臺(tái)1939年 美國公司開始播送全電子式電視信號電視技術(shù)的發(fā)展歷程1940年 古爾馬研制出機(jī)電式彩色電視系統(tǒng)1966年

3、 美國公司研制出集成電路電視機(jī)1985年3月17日索尼公司超大屏幕彩色電視墻亮相 隨后，英國電信公司推出綜合數(shù)字通信網(wǎng)路1991年11月25日 高清晰度電視開始試播1995年，日本索尼推出超微型彩色電視接收機(jī)1996年，日本索尼公司“壁掛”式電視1958年5月1日我國第一座電視臺(tái)北京電視臺(tái)試運(yùn)營電視技術(shù)的發(fā)展歷程我國第一座廣播電視臺(tái)世界第一臺(tái)電視機(jī)數(shù)字電視與模擬電視相比，有著一系列的優(yōu)點(diǎn): 二、數(shù)字電視的基本概念及優(yōu)點(diǎn)傳輸質(zhì)量高圖像清晰度高，伴音效果好功能強(qiáng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化容易實(shí)現(xiàn)三種彩色電視制式的統(tǒng)一頻道利用率高服務(wù)多樣化使用方面的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字電視信號易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和自動(dòng)化管理，大規(guī)模數(shù)字集成

4、電路的應(yīng)用提高了工作可靠性，幾乎無需調(diào)整。三、數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒1. 數(shù)字電視系統(tǒng)數(shù)字電視系統(tǒng)可分為三大部分：電視信號的數(shù)字化及其處理、數(shù)字電視信號的傳遞與交換、數(shù)字電視信號的接收和記錄。節(jié)目源廣播接收數(shù)字電視系統(tǒng)數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒數(shù)字電視系統(tǒng)圖1.1 數(shù)字電視系統(tǒng)框圖數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒數(shù)字電視系統(tǒng) 發(fā)送端由攝像機(jī)產(chǎn)生彩色電視圖像，經(jīng)AD變換后，變?yōu)閿?shù)字音、視頻信號送入音頻或視頻編碼器中。然后，經(jīng)MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的數(shù)字音、視頻信號和數(shù)據(jù)送入傳輸打包和復(fù)用。最后，送入信道編碼和調(diào)制器中，信道編碼和調(diào)制器包括糾錯(cuò)編碼和各種信號傳輸處理以及數(shù)字調(diào)制的功能，提高信號

5、在傳輸中的抗干擾能力和頻譜利用率。 接收端的過程與發(fā)送端相反，接收端接收信號后，通過輸入接口電路把信號送入信道解碼和解調(diào)器中，經(jīng)數(shù)字解調(diào)和信道解碼可糾正由傳輸所造成的誤碼，然后將信號送入傳輸解復(fù)用和解包中，最后再分別送入音頻或視頻解碼器中，還原成模擬的音頻、視頻信號。數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒2.數(shù)字電視機(jī)頂盒組成：調(diào)諧解調(diào)器、頻率合成器、信道解碼器(三者組成數(shù)字CATV高頻頭) 和MPEG-2解壓縮器。主要技術(shù)：信道解碼、信源解碼、上行數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼、嵌入式CPU、MPEG2解壓縮等。圖1.2 數(shù)字電視機(jī)頂盒框圖數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒數(shù)字電視機(jī)頂盒（1）信道解碼數(shù)字電視機(jī)頂盒中的信道

6、解碼電路相當(dāng)于模擬電視機(jī)中的高頻頭和中頻放大器。根據(jù)DTV目前已有的調(diào)制方式，信道解碼應(yīng)包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解調(diào)功能。 （2）信源解碼信源解碼器必須適應(yīng)不同的編碼策略，正確還原原始音、視頻數(shù)據(jù)。 （3）上行數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼目前普遍采用的有3種方式，分別為：電話線傳送上行數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)卡傳送上行數(shù)據(jù)和有線網(wǎng)絡(luò)傳送上行數(shù)據(jù)。 數(shù)字電視系統(tǒng)和數(shù)字電視機(jī)頂盒數(shù)字電視機(jī)頂盒（4）嵌入式CPU嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，當(dāng)數(shù)據(jù)完成信道解碼以后，首先要解復(fù)用，把傳輸流分成視頻、音頻，即使視頻、音頻數(shù)據(jù)分離。在數(shù)字電視機(jī)頂盒專用的CPU中集成了32個(gè)以上可編程PID濾波器，其中兩個(gè)用于視

7、頻和音頻濾波，其余的用于PSI、SI和Private數(shù)據(jù)濾波。 （5）MPEG2解碼MPEG2圖像信號處理方法分為運(yùn)動(dòng)預(yù)測、DCT、量化、可變長編碼四步，電路是由RISC處理器為核心的ASIC電路組成。 MPEG2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。習(xí) 題1-1 數(shù)字電視有哪些優(yōu)點(diǎn)？1-2 畫出數(shù)字電視系統(tǒng)框圖。第2章 模擬電視的基本原理 2.1色度學(xué)概念2.1.1 人眼的視覺特性 黑白和彩色電視技術(shù)，均利用了人眼視覺的某些特性而實(shí)現(xiàn)。黑白電視中，利用了人眼的視覺惰性和分辨力的局限性。彩色電視中，除了利用以上特性外,還利用了人眼

8、的彩色視覺特性。1)人眼的分辨力 分辨力：眼睛分辨景象細(xì)節(jié)的能力。分辨黑白圖像細(xì)節(jié)的能力稱亮度分辨力；分辨彩色圖像細(xì)節(jié)的能力稱彩色分辨力。分辨力的大小可用分辨角(視敏角)來表征，其關(guān)系為：分辨率=1/，所謂視敏角是指觀測點(diǎn)（眼睛）與被測的兩個(gè)點(diǎn)所形成的最小夾角，如圖2.1所示。2.1色度學(xué)概念圖2.1 分辨角的測定原理圖由圖可得： 式中，為人眼能分辨的景物細(xì)節(jié)的分辨角，d為景物細(xì)節(jié)間的距離，L為人眼到景物間的距離。2.1色度學(xué)概念 通常在中等亮度、中等對比度的情況下，當(dāng)觀察靜止圖像時(shí)，分辨角約為1-1.5；而觀察運(yùn)動(dòng)物體，分辨角將大些，即分辨力要低些。 分辨力在很大程度上取決于景物細(xì)節(jié)的亮度和

9、對比度。而實(shí)驗(yàn)表明，人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨力比黑白細(xì)節(jié)低，若將人眼對黑白細(xì)節(jié)的分辨能力定義為100%，則人眼對各種細(xì)節(jié)分辨力由表2.1給出一組實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)。2.1色度學(xué)概念2)視覺惰性與閃爍感暫留特性，也稱視覺惰性。通常，視覺暫留時(shí)間為0.050.2秒。圖2.2 視覺惰性示意圖2.1色度學(xué)概念2)視覺惰性與閃爍感 如圖2.2所示，從t1到t2、t3到t4分別為視覺的建立和消失的過程，因此在觀看圖像時(shí)，前一幅畫面的印象尚未完全消失，后一幅畫面的印象已建立，人眼就會(huì)感覺畫面是連續(xù)的，反之則是斷續(xù)的。若暫留時(shí)間為0.05秒，則產(chǎn)生連續(xù)感的每幅畫面變換頻率（幀頻）為20Hz。 將不再引起閃爍感覺的光源最

10、低重復(fù)頻率稱為臨界閃爍頻率 ，它與亮度的對數(shù)呈線性關(guān)系，若熒光屏的最高亮度為100尼特，則此電視圖像的 。2.1色度學(xué)概念3)相對視敏曲線 在夜晚或微弱的光線下，測得的人眼相對視敏函數(shù)曲線向左移，稱為暗視覺相對視敏曲線，正常情況下稱為明視覺相對視敏曲線。對于不同的人，相對視敏曲線的形狀是會(huì)稍有差異的。圖2.3 相對視敏曲線圖2.1色度學(xué)概念4)人眼的亮度視覺特性 亮度感覺,即包括人眼所能感覺到的最大亮度與最小亮度的差別及在不同環(huán)境亮度下對同一亮度所產(chǎn)生的主觀亮度感覺。 (1)人眼的亮度視覺范圍相當(dāng)寬，原因在于眼睛的感光作用可通過瞳孔的生理調(diào)節(jié)來適應(yīng)外界光強(qiáng)的突變。 (2)人眼的亮度感覺是相對的

11、，在不同環(huán)境亮度下，眼睛對同一景物亮度的主觀感覺并不相同。 (3)當(dāng)人眼適應(yīng)于不同的平均亮度后，可分辨的亮度范圍也不相同。2.1色度學(xué)概念5)人眼的彩色視覺特性 (1)物體的顏色 自然界五光十色，實(shí)際上我們看到的顏色有兩種來源：一種是發(fā)光體所呈現(xiàn)的顏色；一種是物體反射或透射的光。 (2)人眼的彩色感覺 人眼所看到的彩色是不同光譜成分作用于眼睛的綜合效果。2.1色度學(xué)概念2.1.2 彩色三要素和三基色原理1)彩色三要素 色度學(xué)中用亮度、色調(diào)和色飽和度三個(gè)彩色要素來描述某一彩色光。亮度是指光作用于人眼引起明暗程度的感覺。色調(diào)，反映彩色光的顏色類別，即人眼視覺的色感。色飽和度，是指彩色光所呈現(xiàn)的深淺

12、程度。色調(diào)和色飽和度統(tǒng)一說明了彩色的固有特點(diǎn)，常把色調(diào)和飽和度合稱為色度，它既表示了彩色光顏色的類別，又反映了顏色的深淺程度。2.1色度學(xué)概念2) 三基色原理三基色原理是指： 自然界中的大多數(shù)顏色，都可以用三基色按一定比例混合得到；或者說自然界中的大多數(shù)顏色都可以分解為三基色。三基色必須是相互獨(dú)立的,即其中任一種基色都不能由另外兩種基色混合而得到。三個(gè)基色的混合比例，決定了混合色的色調(diào)和飽和度?；旌仙牧炼鹊扔跇?gòu)成該混合色的各個(gè)基色的亮度之和。2.1色度學(xué)概念 通常在彩色電視中， 選擇紅色、綠色和藍(lán)色三個(gè)基色。三基色原理把需要傳送景物豐富多彩顏色的任務(wù)簡化為只需傳送三個(gè)基色信號。 三基色按照不

13、同的比例混合獲得彩色的方法稱為混色法?；焐ㄓ邢嗉踊焐拖鄿p混色之分。相加混色的混合規(guī)律如圖2.4所示。 其中，紅、綠、藍(lán)為投射到一個(gè)白色屏幕上的三束單色光，當(dāng)三者比例合適時(shí)，有如下混色規(guī)律：紅光 + 綠光 = 黃光紅光 + 藍(lán)光 = 品紅光綠光 + 藍(lán)光 = 青光紅光 + 綠光 + 藍(lán)光 = 白光圖2.4 三基色光想加混色法原理2.2 電視圖像的傳送亮度、色調(diào)、色飽和度都是空間x、y、z和時(shí)間t的函數(shù)，亮度方程：2.2.1 像素 根據(jù)人眼對細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺特性，一幅圖像可以看成由許許多多的小單元組成，在圖像處理系統(tǒng)中，把這些組成畫面的細(xì)小單元稱為像素。 2.2 電視圖像的傳送 傳輸方式：

14、把被傳送圖像上各像素的亮度按一定順序轉(zhuǎn)變成電信號，并依次傳送出去。在接收端的屏幕上，再按同樣的順序?qū)⒏鱾€(gè)電信號在相應(yīng)的位置上轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?。這種按順序傳送圖像像素的方法構(gòu)成的電視系統(tǒng)，稱為順序傳送系統(tǒng)。順序傳送必須迅速而準(zhǔn)確，每個(gè)像素要在輪到它的時(shí)候才被發(fā)送和接收，而且收、發(fā)端每個(gè)像素的位置要一一對應(yīng)。這種工作方式稱為同步。 2.2 電視圖像的傳送2.2.2光電與電光變換 在電視技術(shù)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件是發(fā)端的攝像管和接收端的顯像管。 1)攝像與光電轉(zhuǎn)換 2)顯像與電光轉(zhuǎn)換2.2.3電子掃描 從左至右的掃描稱為行掃描；自上而下的掃描稱為幀（或場）掃描。電視系統(tǒng)中，掃描是由電子槍進(jìn)行的，常稱為

15、電子掃描。2.2 電視圖像的傳送1)逐行掃描 電視系統(tǒng)中，攝像管與顯像管外面都裝有行與場兩對偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過行、場鋸齒波掃描電流，如圖2.5（a）所示，同時(shí)產(chǎn)生垂直方向和水平方向的偏轉(zhuǎn)磁場。在這兩個(gè)偏轉(zhuǎn)磁場的共同作用下，電子束就在攝像管的光敏靶面上或顯像管的熒光屏上進(jìn)行直線掃描。一行緊跟一行的掃描方式稱為逐行掃描。電子束在靶面上或在熒光屏上的掃描軌跡稱為掃描光柵。2.2 電視圖像的傳送 當(dāng)行掃描電流和場掃描電流分別流過行、場偏轉(zhuǎn)線圈時(shí)，電子束就在水平和垂直偏轉(zhuǎn)力的共同作用下進(jìn)行掃描。由于電子束水平方向的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度，在屏幕上出現(xiàn)的是稍微傾斜的直線光柵,如圖2.5（b

16、）所示。如果一場中掃描行數(shù)很多，則光柵的傾斜度就會(huì)減小，甚至看不出傾斜，這時(shí)掃描光柵被認(rèn)為是水平直線的。2.2 電視圖像的傳送 在逐行掃描中，每場的光柵都應(yīng)該相互重迭。若每場的掃描行數(shù)為Z，則 ，即場周期是行周期的Z（整數(shù)）倍。掃描行數(shù)越多，圖像越清晰。 為使圖像清晰，在逆程期間不傳送圖像信號。行掃描逆程系數(shù)的值一般在18%左右；場掃描逆程系數(shù)的值一般在8%左右。2.2 電視圖像的傳送2)隔行掃描 為保證足夠的清晰度并且不產(chǎn)生亮度閃爍感覺，掃描行數(shù)需在500行以上，場掃描頻率應(yīng)大于臨界閃爍頻率46.8Hz，即每秒傳送46.8場以上的圖像。 掃描原理：將一幀電視圖像分成兩場進(jìn)行掃描，第一場掃出光

17、柵的1、3、5、7、等奇數(shù)行，掃奇數(shù)行的場教奇數(shù)場；第二場掃第2、4、6、8、等偶數(shù)行，掃偶數(shù)行的場稱為偶數(shù)場。如圖2.6所示： 2.2 電視圖像的傳送2）隔行掃描 這樣，每幀圖像經(jīng)過兩場掃描，所有像素全部掃完，以后又重復(fù)上述過程。逐行掃描的場頻與幀頻是相同的，而隔行掃描中，幀掃描周期是場掃描周期的2倍，則幀掃描頻率是場掃描頻率的1/2。 行頻 與場頻 的關(guān)系為： 式中，為正整數(shù)，為幀掃描行數(shù)，且為奇數(shù)。2.2 電視圖像的傳送2)隔行掃描 我國采用625行的隔行掃描制，每一場的掃描行數(shù)為312.5行，由此得到行頻 與場頻 的關(guān)系為 式中，為正整數(shù)，為幀掃描行數(shù)，且為奇數(shù)。2.2 電視圖像的傳送

18、3)掃描的同步 實(shí)際上，只要掃描頻率相同、起始相位相同，收端就可以重現(xiàn)發(fā)端圖像。在電視系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)掃描同步的方法是在全電視信號中，加入行同步和場同步信號，并在逆程期間發(fā)送。 電子束在行、場掃描正程形成圖像信號，在逆程不傳送圖像信號，這時(shí)應(yīng)使攝像管和顯像管的掃描電子束截止，消除回掃線以便不干擾圖像信號。因此，在行、場掃描的逆程期間加入消隱信號，使電子束在掃描逆程期被截止，這時(shí)的圖像信號電平稱為黑色電平。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 利用了R、G、B三種基色的不同比例組合來模擬自然界的各種不同色彩。 一幅彩色圖像可以通過分色系統(tǒng)及光電轉(zhuǎn)換分解為三幅由R、G、B反應(yīng)的基色圖像。在接收端用反映三個(gè)

19、基色圖像的信號激發(fā)顯像管各自對應(yīng)的電子束并轟擊相應(yīng)的熒光粉，利用人眼的空間混色視覺效應(yīng)來恢復(fù)原彩色圖像的視覺感。如圖2.7所示：2.3彩色電視制式與彩色電視信號 圖2.7 彩色圖像的分解和重現(xiàn) 從發(fā)送端到接收端，傳送UR、UG、UB三種信息的方法稱為彩色電視制式或彩色電視系統(tǒng)，而不同的傳輸方式正式世界上各種彩色電視制式的分歧點(diǎn)。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.3.1彩色電視制式分類1)同時(shí)、順序制 按信息傳輸和三基色顯示的方式不同，可分為順序制、同時(shí)制和順序-同時(shí)制。 順序制是將三個(gè)基色信號按時(shí)間的先后順序傳輸和順序接收，即三個(gè)基色信號在時(shí)域中分時(shí)順序傳輸，在顯像端利用時(shí)間和空間混色實(shí)現(xiàn)圖

20、像的重現(xiàn)。如圖2.8所示圖2.8 順序制彩色電視原理2.3彩色電視制式與彩色電視信號 同時(shí)制是將三基色信號通過矩陣電路變換成一個(gè)反映彩色亮度的亮度信號和表示色度的兩個(gè)色差信號，然后將這三個(gè)傳輸信號在頻域上編碼，在同一信道中同時(shí)連續(xù)的傳輸?shù)浇邮斩?。接收端?jīng)過解碼和矩陣逆變換恢復(fù)成三個(gè)基色信號，再利用空間混色重現(xiàn)圖像。如圖2.9所示：圖2.9 同時(shí)制彩色電視原理2.3 彩色電視制式與彩色電視信號 目前世界上主要采用同時(shí)制的有NTSC制和PAL制。 順序-同時(shí)制是上述兩種方式的結(jié)合，兩個(gè)色差信號分時(shí)順序傳輸，可實(shí)現(xiàn)與黑白電視的兼容，目前世界上采用該制式的有SECAM制。2.3彩色電視制式與彩色電視信

21、號2)兼容制彩色電視制式 彩色電視是在黑白電視的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在彩電的發(fā)展過程中，有相當(dāng)長一段時(shí)間是黑白和彩色電視并存，因此必須研究黑白和彩色電視的兼容問題。2.3彩色電視制式與彩色電視信號所謂兼容性，廣義上有兩種含義： 黑白電視機(jī)接收彩色信號時(shí)，能產(chǎn)生與三基色信號相對應(yīng)的黑白圖像； 彩色電視機(jī)接收黑白信號時(shí)，能在彩色熒光屏上顯示黑白圖像。 狹義上將前者稱為兼容性，后者叫逆兼容性。這就要求彩色電視系統(tǒng)既具有黑白電視有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，又具有傳輸色信號的標(biāo)準(zhǔn)，因此所傳送的電視信號中應(yīng)有亮度信號和色度信號兩部分，并且應(yīng)盡可能的減小黑白電視機(jī)接收彩色信號時(shí)的色度干擾。目前世界上正式采用的彩色電視制式有N

22、TSC制、PAL制和SECAM制。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.3.2 亮度信號和色差信號 彩色電視信號的帶寬6 MHz(指我國電視制式)，因此選用的傳輸信號并非三個(gè)基色信號(R、G、B)，而是轉(zhuǎn)換成代表三個(gè)基本參量的新的傳輸信號(Y、RY、BY)，Y稱作亮度信號，RY、BY稱為色差信號。1)亮度信號 按計(jì)色制原理，可得亮度方程： （2-3） 該方程描述了采用等量三基色信號(R=G=B=1)，按式(2-3)比例混合即可得到亮度信號。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2)色差信號 運(yùn)用（2-3）式，色差信號計(jì)算如下: (2-4) (2-5) (2-6) 2.3彩色電視制式與彩色電視信號 若三

23、個(gè)基色信號等量，即R=G=B=1，式(2-3)值為1，而式(2-4)、(2-5)和（2-6） 值為零，即傳輸?shù)氖侵挥辛炼刃盘柕暮诎讏D像。 在接收端，為了重現(xiàn)圖像的三基色信號，將三個(gè)色差信號分別與亮度信號相加，就得到三個(gè)基色信號，即2.3彩色電視制式與彩色電視信號3)頻譜交錯(cuò)原理 黑白電視信號只有亮度信號，傳輸帶寬為6 MHz；彩色電視信號除了傳輸亮度之外，還要傳輸色差信號，而兩個(gè)色差信號RY、BY的帶寬分別為1.5 MHz。為實(shí)現(xiàn)兼容，整個(gè)電視信號的傳輸帶寬是不變的，因此選用同一個(gè)彩色副載波正交調(diào)制色差信號，使其頻譜落入6 MHz之內(nèi)，并設(shè)法不干擾亮度信號，做到三個(gè)信號Y、RY、BY的總帶寬仍

24、為6 MHz。 亮度信號Y選用6 MHz帶寬，兩個(gè)色差信號RY、BY分別選用1.5 MHz帶寬是考慮了人眼的視覺特性，因?yàn)槿搜蹖α炼燃?xì)節(jié)分辨力高，對色度細(xì)節(jié)分辨力低。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.3.3 NTSC制 NTSC(National Television Systems Committee) 制是1953年美國研制成功的一種兼容制彩色電視的制式，又稱正交平衡調(diào)幅制。1)正交調(diào)制原理 為了用單一頻率的副載波(正弦波)傳送色度信息，NTSC色度信號由兩個(gè)色差信號分別對初相位為0和90的兩個(gè)同頻副載波平衡調(diào)幅后混合而成。當(dāng)采用藍(lán)、紅色差信號時(shí)，色度信號可表示成 (2-10) 式中，

25、為副載波角頻率。NTSC正交調(diào)制方框圖如圖2.10所示。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 在NTSC制接收機(jī)中，上述已調(diào)信號同時(shí)經(jīng)過同步檢波器。同步檢波器可實(shí)現(xiàn)：對與解調(diào)副載波有90相位差的信號無檢波輸出，對與解調(diào)副載波同相的信號有檢波輸出，且輸出信號正比于這一分量所反映的調(diào)制信號。接收到的調(diào)制信號分別被初相位為0和90的兩個(gè)檢波器檢波，獲得BY和RY信號。圖2.10 正交調(diào)制方框圖2.3彩色電視制式與彩色電視信號 例如，將 與式(2-10)相乘，可得 （2-11） 若用低通濾波器消除（2-11）信號中的分量，則只剩下BY信號，而沒有RY信號。同理可知RY信號解調(diào)原理。同步檢波方框圖如圖2.1

26、1所示。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 由式（2-10）描述的色度信號及兩個(gè)平衡調(diào)幅波也可用矢量圖來表示，如圖2.12所示。圖中用水平和垂直矢量分別表示兩個(gè)相互正交的已調(diào)信號，矢量長度代表副載波的瞬時(shí)振幅（其變化規(guī)律反映調(diào)制信號），矢量取向反映副載波的初相位。由此，合成矢量就代表整個(gè)色度信號，其模和幅角的計(jì)算公式如下：2.3彩色電視制式與彩色電視信號 顯然，當(dāng)RY、BY改變時(shí)，合成矢量的模和幅角均會(huì)變化。這說明NTSC制色度信號既是調(diào)幅波又是調(diào)相波。 若以表示色同步信號，以表示其接近矩形的包絡(luò)脈沖(稱為旗形脈沖或K脈沖)，則有 2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.3彩色電視制式與彩色電視信號

27、2.3彩色電視制式與彩色電視信號3) NTSC制副載波頻率的選擇 通過精確選定副載波頻率，可使色度信號的各譜線群正好插在亮度信號各譜線群的中間，這就是頻譜交錯(cuò)原理。 當(dāng)對副載波平衡調(diào)幅形成已調(diào)信號時(shí)，發(fā)生了頻譜遷移，各譜線群出現(xiàn)在副載頻 處及 (n為正整數(shù))處。顯然，只要將 精確地選在兩個(gè)相鄰的整數(shù)倍行頻的正中間，兩個(gè)色度信號分量的各譜線群就正好都插在亮度信號各譜線群的中間，即實(shí)現(xiàn)了色度信號和亮度信號的頻譜交錯(cuò)。 對于525行、60場掃描的NTSC制，行頻 ，副載頻選為2.3彩色電視制式與彩色電視信號 1)PAL制調(diào)制原理 PAL制的已調(diào)色度信號為 其中 ， 2.3.4 PAL制 克服了NTS

28、C制在信號傳送中由于相位的變化而引起的色調(diào)失真。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 g(t)是一個(gè)逐行取+1和-1的開關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為其中， 表示行周期; n表示行數(shù)，為正整數(shù)。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.3彩色電視制式與彩色電視信號2)相位誤差失真的補(bǔ)償 PAL制的最大優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償相位誤差所造成的失真。設(shè)傳送紅色信號，第n行色度信號矢量為 因?yàn)橹鹦械瓜?，則第n+1行所傳送的已調(diào)色度信號矢量變?yōu)?.3彩色電視制式與彩色電視信號 也就是說，若C(n)在第一象限，則C(n+1)就在第四象限，成為C(n)的鏡像矢量?？梢韵胂?，第n+2行時(shí)，C(n+1)又回到第一象限，與C(n)重合。這樣，彩

29、色矢量就在第一、四象限逐行來回?cái)[動(dòng)。這是無相位失真時(shí)的情況，如圖2.14所示。圖2.14 PAL制相位失真的補(bǔ)償2.3彩色電視制式與彩色電視信號 由圖2.14可知，第n+1 行所得到的平均矢量為 上式是矢量相加，矢量Cs的方向與無失真矢量C(n)的方向完全相同，只是其幅度比C(n)略小。這說明色調(diào)沒有發(fā)生畸變，僅飽和度有所下降。因此，這個(gè)平均作用把嚴(yán)重的色調(diào)畸變改善為人眼不敏感的飽和度畸變，在很大程度上克服了NTSC制色調(diào)易發(fā)生畸變的缺點(diǎn)。2.3彩色電視制式與彩色電視信號3) PAL制副載波頻率的選擇 在PAL制中，由于V信號的副載波是逐行倒相的，因此PAL制的頻譜不同于NTSC制的頻譜。 P

30、AL制色度信號表達(dá)式為 式中：第一項(xiàng)和NTSC制的相同，因此已調(diào)U信號的頻譜與NTSC制的相同；第二項(xiàng)相當(dāng)于用V信號去調(diào)制一個(gè)逐行倒相的副載波， 可看做是方波對副載波的平衡調(diào)幅。下面先分析方波的頻譜。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 用傅里葉級數(shù)將 g(t) 展開，得 式中： 為行掃描角頻率。 的頻譜是由半行頻的奇數(shù)倍構(gòu)成的，基波為 ，其次是衰減很快的各奇次諧波等。由平衡調(diào)幅波的頻譜特點(diǎn)可知，在副載波 被 平衡調(diào)幅后，其頻率成分為上、下兩個(gè)邊頻 ,若副載波仍采用 行間置，則 必然是 的整數(shù)倍。2.3 彩色電視制式與彩色電視信號 為避免V信號和亮度信號的串?dāng)_，在PAL制中，彩色副載波頻率 不采用

31、半行頻間置，而采用 行頻間置，即選擇彩色副載波頻率為 ，一般取n=284，所以有 （我國PAL制行頻為15625Hz）。這樣，已調(diào)色度信號V和U的主譜線和亮度信號的主譜線相差 ，并分別安插在亮度信號譜線的兩邊，如圖2.15所示。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2.4 系統(tǒng)分解力與圖像清晰度 像素的多少，很大程度上取決于掃描行數(shù)，因而常用掃描行數(shù)來表征電視系統(tǒng)的分解力。分解力又分為垂直分解力和水平分解力。1)垂直分解力 垂直分解力是指電視系統(tǒng)沿圖像垂直方向所能分解的像素?cái)?shù)（或黑白相間的條紋數(shù)）。像素的大小取決于掃描電子束的截面積，當(dāng)截面積一定的情況下，垂直分解力直接決定于掃描行數(shù)，但它不會(huì)超過每

32、幅圖像的掃描行數(shù)。因?yàn)樵谶M(jìn)行圖像分解時(shí)，并不是每一個(gè)掃描行數(shù)都是有效的。 （1）在場掃描的逆程期內(nèi)，被消隱的行數(shù)不能用來分解圖像；若標(biāo)稱掃描行數(shù)為Z，則分解圖像的有效行數(shù)為（1-）Z（其中為場掃描逆程系數(shù)）。 （2）由于像素和掃描電子束之間相對位置的影響，使有效掃描行并不一定都能有效地分解圖像。如圖2.16所示。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 圖2.16（a）中，被攝圖像為黑白相間的縱向條紋，其黑白條紋寬度與電子束直徑相當(dāng)。在攝?。╝）中的第一列景象時(shí)，電子束剛好落在黑白相間的像素上，接收端可以正確地重現(xiàn)圖像（如圖（b）第一列），這時(shí)的垂直分解力等于有效的掃描行數(shù)（1-）Z。當(dāng)攝取圖（a）第

33、二列景象時(shí)，電子束掃描黑白像素各半，電子束攝取的信號只能反映被掃描部分亮度的平均值，在接收端重現(xiàn)的是一條灰色的帶子，如圖（b）第二列所示。若被攝圖像的黑白相間的條紋數(shù)減少一半，如圖（a）第三列所示，則其重現(xiàn)像如圖（b）第三列所示，這時(shí)的垂直分解力僅為有效行數(shù)的一半。當(dāng)黑白相間的條紋分別落在相鄰掃描行的1/3和2/3處時(shí)，如圖（a）第四列所示，重現(xiàn)時(shí)的圖像還能看到灰色深淺的變化（圖（b）第四列）。圖 2.16 掃描單元對垂直分解力的影響2.3彩色電視制式與彩色電視信號 由以上分析可知，由于掃描電子束與像素相對位置的影響，垂直分解力是介于有效掃描行數(shù) 和一半有效行數(shù)之間。通常用一個(gè)小于1的垂直分解

34、系數(shù) 來描述這一特性，一般取在0.650.75之間。綜合考慮，垂直分解力M為： 在我國電視標(biāo)準(zhǔn)中， 行，取 ，則M431行。2.3彩色電視制式與彩色電視信號2)水平分解力 水平分解力是指電視系統(tǒng)沿圖像水平方向所能分解的像素?cái)?shù)（或黑白相間的條紋數(shù)）。圖2.17（a）為一幅由許多黑白相間的垂直條紋組成的圖像，當(dāng)電子束截面積足夠小，相對于圖像細(xì)節(jié)變化可以忽略不計(jì)時(shí)，對應(yīng)的電信號為一串矩形脈沖，如圖2.17（b）所示。顯然，沿水平方向的條紋數(shù)愈多，或者說沿水平方向圖像細(xì)節(jié)變化愈快，信號的頻譜愈豐富，傳送相應(yīng)信號要求的通頻帶越寬，否則將產(chǎn)生失真?？梢?，傳輸通道的通頻帶將限制圖像的水平分解力。2.3彩色電

35、視制式與彩色電視信號 實(shí)際掃描電子束具有一定的截面積，而且掃描過程是連續(xù)漸進(jìn)的，其結(jié)果使脈沖前后沿展寬，引起圖像細(xì)節(jié)模糊。掃描電子束的截面積使電視系統(tǒng)水平分解力下降，這種現(xiàn)象稱為孔闌效應(yīng)。當(dāng)電子束直徑與條紋寬度相差不多時(shí)，圖像信號將接近于正弦波。如圖2.17（c）所示。2.3彩色電視制式與彩色電視信號 從減小孔闌效應(yīng)提高分解力考慮，電子束的直徑d應(yīng)盡量小，但并非越小越好，因?yàn)閽呙栊袛?shù)一定時(shí)，電子束截面積越小，則畫面被掃到的部分越小，從而降低了傳輸效率。因此應(yīng)合理選擇電子束直徑，以等于掃描行間距為宜。實(shí)踐證明，水平分解力與垂直分解力相同時(shí)圖像質(zhì)量為最佳，考慮到幀型比K（寬高比），則水平分解力N為

36、 （2-29） 當(dāng)掃描行數(shù)Z增加時(shí)，圖像分解的像素?cái)?shù)增多，清晰度提高；但Z的增加，要求電視傳輸通道的帶寬擴(kuò)大。按我國電視標(biāo)準(zhǔn) 可知隔行掃描電視信號帶寬接近6MHz。所以Z的選擇要從圖像質(zhì)量、清晰度、帶寬和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性等各方面綜合考慮。習(xí) 題2-1 簡述三基色原理。2-1 簡述隔行掃描原理。2-3 為什么要將R-Y、B-Y信號轉(zhuǎn)換成V、U信號？2-4 PAL彩色制如何實(shí)現(xiàn)相位失真的補(bǔ)償？2-5 比較NTSC和PAL制彩色電視的優(yōu)缺點(diǎn)。2-6 分析垂直分解力和水平分解力。第3章 數(shù)字電視的基本概念3.3 視頻分量信號量化 比特?cái)?shù)確定和量化電平的計(jì)算3.2 電視信號數(shù)字化參數(shù)3.1 數(shù)字電視原理概述

37、3.1數(shù)字電視原理概述 模擬電視最明顯的缺點(diǎn)是易受干擾、亮色互串、色度畸變、行閃爍、大面積閃爍、清晰度低；在接力傳輸時(shí)產(chǎn)生噪聲，長距離傳輸會(huì)使信噪比惡化，圖像清晰度受到損傷；在發(fā)送傳輸設(shè)備中，放大器的非線性積累使圖像對比度產(chǎn)生畸變；相位失真的積累產(chǎn)生色彩失真，使鬼影現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。同時(shí)模擬電視還有穩(wěn)定度差、可靠性低、調(diào)整復(fù)雜、不便集成、自動(dòng)控制困難以及成本高昂等缺點(diǎn)。數(shù)字電視技術(shù)與原有的模擬電視技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）數(shù)字信號在抗干擾性和幾乎無誤差、完美的圖像和聲音的廣播上，其性能要優(yōu)于模擬信號。 （2）數(shù)字設(shè)備輸出信號穩(wěn)定可靠。因數(shù)字信號只有“0”和“1”兩個(gè)電平，“1”電平的幅度大小

38、只要滿足處理電路中能識別出是“1”電平即可，因而能夠避免在模擬系統(tǒng)中非線性失真對圖像的影響，消除了微分增益和微分相位失真引起的圖像畸變。 （3）易于實(shí)現(xiàn)信號的存儲(chǔ)和進(jìn)行數(shù)字處理。數(shù)字電視信號具有極強(qiáng)的可復(fù)制性，用在節(jié)目制作上可提高圖像質(zhì)量。數(shù)字電視技術(shù)與原有的模擬電視技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)： （4）可以合理地利用各種類型的頻譜資源。數(shù)字信號可使用基于冗余度縮減的壓縮編碼技術(shù)，以提高頻譜利用率、增加系統(tǒng)可靠性、降低運(yùn)行費(fèi)用。 （5）很容易實(shí)現(xiàn)加密解密和加擾解擾技術(shù)，便于專業(yè)應(yīng)用（包括軍用）以及廣播應(yīng)用（特別是開展各類收費(fèi)業(yè)務(wù)）。 （6）數(shù)字電視信號具有可擴(kuò)展性、可分級性和互操作性，便于在各類通信信

39、道特別是異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）的網(wǎng)絡(luò)中傳輸，也便于與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通。 （7）數(shù)字電視技術(shù)帶來新的業(yè)務(wù)。 （8）數(shù)字電視可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)接收。 （9）數(shù)字電視具有高質(zhì)量的音響效果。數(shù)字電視有很多種分類方法，一般有以下幾種分類方式： （1）按信號傳輸方式可以分為地面無線傳輸（地面數(shù)字電視DVB-T）、衛(wèi)星傳輸（衛(wèi)星數(shù)字電視DVB-S）、有線傳輸（有線數(shù)字電視DVB-C）三類。 （2）數(shù)字電視按清晰度一般分為普及型清晰度數(shù)字電視（PDTV）、標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視（SDTV）、增強(qiáng)清晰度數(shù)字電視（EDTV）和高清晰度數(shù)字電視（HDTV）四種。不同清晰度級別的數(shù)字電視之間具有向下兼容性，高端產(chǎn)品可以兼容低端產(chǎn)品

40、。數(shù)字電視有很多種分類方法，一般有以下幾種分類方式： （3）按發(fā)送信號的幅型可以分為43幅型比和169幅型比兩種類型。但HDTV一定是16：9寬幅型比的。 （4）按產(chǎn)品類型分類:可以分為數(shù)字電視顯示器、數(shù)字電視機(jī)頂盒、一體化數(shù)字電視接收機(jī)。 （5）按掃描線數(shù)（顯示格式）分類：可以分為HDTV掃描線數(shù)（大于1000線）和SDTV掃描線數(shù)（600800線）等。3.2 電視信號數(shù)字化參數(shù) 電視信號數(shù)字化后數(shù)碼率很高，占用頻帶較寬，原有的傳輸信道已不適應(yīng)要求。因此電視信號數(shù)字化系統(tǒng)首先將模擬電視信號進(jìn)行取樣、量化、編碼變換為數(shù)字信號，然后在信道中傳輸或在設(shè)備中存儲(chǔ)并加工處理，最后由譯碼器（亦稱解碼器）

41、把數(shù)字信號還原為模擬信號。為了減少信道傳輸中產(chǎn)生的誤碼，要加信道編碼器進(jìn)行糾錯(cuò)。為了適應(yīng)不同特性的信道，信號應(yīng)進(jìn)行不同的調(diào)制和變換。 3.2 電視信號數(shù)字化參數(shù) 數(shù)字電視設(shè)備為了提高播出圖像的質(zhì)量，電視中心采用以下各種數(shù)字電視設(shè)備： （1）數(shù)字時(shí)基校正器，用以改善錄像機(jī)重放圖像的質(zhì)量。 （2）幀同步器。用以將不同來源的非同步電視信號變成同步的電視信號，以便進(jìn)行切換和特技混合等處理。 （3）數(shù)字制式轉(zhuǎn)換器。用以將不同制式的電視信號互相轉(zhuǎn)換，便于國際間電視節(jié)目交換。3.2.1 抽樣結(jié)構(gòu) 抽樣結(jié)構(gòu)是指抽樣點(diǎn)在空間與時(shí)間上的相對位置， 數(shù)字電視中一般大都采用固定正交結(jié)構(gòu)，即各幀、各場、各行的樣點(diǎn)都是垂

42、直對準(zhǔn)的，在圖像平面上沿水平方向取樣點(diǎn)等間隔排列，沿垂直方向取樣點(diǎn)上下對齊排列。有利于行、幀間信號處理。如圖3.1所示。圖3.1 固定正交結(jié)構(gòu)示意圖 （1）取樣定理，即取樣頻率應(yīng)該大于亮度視頻帶寬6MHz 的兩倍。 （2）為了便于節(jié)目的國際間交流，亮度信號取樣頻率的選擇還必須兼顧國際上不同的掃描格式?，F(xiàn)行的掃描格式主要有625行/50場和525行/59.94場兩種，它們的行頻分別為15625Hz和15734.264Hz。這兩個(gè)行頻的最小公倍數(shù)是2.25MHz，也就是說取樣頻率應(yīng)是2.25MHz的整數(shù)倍。即： 在對數(shù)據(jù)壓縮之前，必須對分量信號進(jìn)行正交抽樣。YUV抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)可分為三種： 444、

43、422和420。 1）444、 422和420抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu) 圖3.2所示為444、 422和420三種抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)。 圖3.2 抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu) 圖中： (a)為444抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中每一個(gè)抽樣點(diǎn)都有亮度信號Y和兩個(gè)色差信號U、V； (b)為422抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中每一個(gè)抽樣點(diǎn)都有亮度信號Y，而在行方向上每四個(gè)抽樣點(diǎn)分別有兩個(gè)色差信號U、V；(c)為420抽樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中每一個(gè)抽樣點(diǎn)都有亮度信號Y，而在上、下兩行每四個(gè)抽樣點(diǎn)分別有一個(gè)色差信號U、V。2）圖像數(shù)據(jù)格式和不壓縮時(shí)數(shù)碼率的計(jì)算 (1) 幾種典型數(shù)字電視設(shè)備的數(shù)據(jù)格式 表3.1 幾種典型的數(shù)字電視設(shè)備的數(shù)據(jù)格式(2)不壓縮時(shí)數(shù)碼率的計(jì)

44、算 數(shù)碼率 = 一幀圖像樣點(diǎn)樣數(shù)每樣點(diǎn)比特?cái)?shù)每秒幀數(shù)(25 Hz) 一幀圖像樣點(diǎn)樣數(shù)=每行有效樣點(diǎn)數(shù)一幀圖像的有效行數(shù) 對DVD圖像格式可作如下計(jì)算： 對于Y信號，速率的計(jì)算如下： 一行樣點(diǎn)數(shù)13.5 MHz/15.625 kHz=864 一行有效樣點(diǎn)數(shù)=864=8640.83=720(為水平回掃率，該式即表示去掉行消隱后的有效樣點(diǎn)數(shù)) 一幀有效行數(shù)=625-50=575 (取576，即表示去掉場消隱后的有效行數(shù)) 一幀圖像樣點(diǎn)數(shù)=720576=414 720 Y：7205768 bit25 Hz=82.944 Mb/s 對于U、V信號，如按YUV=422，其數(shù)碼率計(jì)算如下： V：360576

45、8 bit25 Hz=41.472 Mb/s U：3605768 bit25 Hz=41.472 Mb/s 合計(jì)為165.9 Mb/s 按這種計(jì)算方法算出的數(shù)碼率不包括行、場消隱期間的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。如按MPEG-2 MLMP(主檔次主等級)標(biāo)準(zhǔn)壓縮后，數(shù)碼率為8.448 Mb/s，壓縮比約為201; 如按MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)壓縮后，數(shù)碼率為2.048 Mb/s，壓縮比約為821。3.2.2 量化 抽樣把模擬信號變成了時(shí)間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進(jìn)行離散化處理，才能最終用數(shù)碼來表示。這就要對幅值進(jìn)行舍零取整的處理，這個(gè)過程稱為量化。 視頻信號量化采用舍入量化。如圖3.3所示，即

46、用四舍五入來處理被量化信號與預(yù)置量化級數(shù)電平之間的差值。在圖3.3中， 表示量化間距， 表示視頻信號， 表示量化后的電平函數(shù)值。這樣， 為舍入量化的量化誤差，最大量化誤差為 。3.2.2 量化 下面分析舍入量化的量化噪聲。 若輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍A一定時(shí)，把它變換為有限個(gè)M量化電平級，則量化間距A越小，量化級數(shù)M越多，可表示為 采用二進(jìn)制編碼，所需的比特?cái)?shù)n也隨M的增大而增大，即 M與n的取值主要由量化的信噪比決定。1) 均勻量化時(shí)的信噪比 在輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，任何地方的量化間隔幅度相等的量化稱均勻量化或線性量化，從圖3.3可以看出舍入量化的量化誤差為 或 。設(shè) 為連續(xù)信號， 為量化后輸出的

47、階梯信號， 為量化誤差，則有 （3.4） 舍入量化時(shí)， 除 的極大值和拐點(diǎn)緩變區(qū)外，其余部分都是鋸齒狀。的斜率k=A/T, 所以 。設(shè)量化噪聲功率為Nq，它是單位負(fù)載電阻上量化誤差電壓的平方在周期T中的平均值，即 （3.5） 1) 均勻量化時(shí)的信噪比 可以得出結(jié)論：量化間距A越小，量化誤差引起的失真功率也越小。電視信號(單極性信號)的量化信噪比。電視信號(單極性信號)的量化信噪比計(jì)算式如下： （3.6） 式中：SP-P表示電視信號峰峰值；Nq(r，m，s)表示噪聲信號均方根值。 式（3.6）用分貝表示： （3.7）1) 均勻量化時(shí)的信噪比 可以得出結(jié)論：量化比特?cái)?shù)n每增加1 bit，信噪比上升

48、6 dB，反之，每下降1 bit，信噪比降低6 dB。按照ITU-R BT.601建議，用于傳輸時(shí)的視頻信號量化比特?cái)?shù)取n=8 bit，此時(shí)，量化信噪比應(yīng)為59 dB。數(shù)字信號在傳輸過程中只要不產(chǎn)生誤碼，或者當(dāng)所產(chǎn)生的誤碼被全部糾正過來時(shí)，就不會(huì)增加新的噪聲。所以，在測量數(shù)字電視的信噪比時(shí)，基本上可由量化信噪比來確定。2) 聲音信號(雙極性信號)的量化信噪比。 設(shè)聲音信號的最大幅度為A，它是在+A到A之間變化的。對它均勻量化成N級，有 2A=NA，N=2n (以二進(jìn)制表示) 量化信噪比： （3.8） 用分貝表示為 （3.9） 3）用非均勻量化改善量化信噪比 式(3.6)和式(3.8)可分別寫成

49、 （3.10） （3.11） 由式(3.10)和式(3.11)可以看出，當(dāng)均勻量化間距A固定時(shí)，量化信噪比隨輸入信號幅度A的增加而增加。這就使得在強(qiáng)信號時(shí)可把噪聲淹沒掉，但在弱信號時(shí)，噪聲的干擾就十分顯著。為改善弱信號的信噪比，使得在輸入信號幅度變化時(shí)，量化信噪比基本不變，應(yīng)使均勻量化間距A隨輸入信號幅度A的改變而改變。即強(qiáng)信號時(shí)粗量化(加大A)，弱信號時(shí)細(xì)量化(減小A)，也就是采用非均勻量化(或稱非線性量化)來改善量化信噪比。 在對實(shí)際信號的統(tǒng)計(jì)中，我們發(fā)現(xiàn)，信號處于低電平范圍的概率大于高電平范圍的概率，因此設(shè)想：在均勻量化前先對信號進(jìn)行預(yù)處理，使出現(xiàn)概率較大的低電平部分得到較大的增強(qiáng)，出現(xiàn)

50、概率較小的高電平部分增強(qiáng)較小或基本保持不變；對信號進(jìn)行非均勻量化，即量距隨著信號電平的降低而減少，使各個(gè)電平的相對量化誤差基本保持不變。 以上兩種措施都稱為非均勻量化，都會(huì)使相對量化誤差的均方值減少，也就是使輸出量化信噪比提高。所以可以采用非均勻量化來改善量化信噪比。 非均勻量化的具體實(shí)現(xiàn)也就是采用以上兩種思路的方法。 一種方法是把非線性處理器放置在編碼器之前和解碼器之后的模擬電路部分，編解碼器中仍然采用均勻量化，在均勻量化編碼器之前，對輸入的信號進(jìn)行大幅度的壓縮，這樣就等效了對強(qiáng)信號進(jìn)行粗量化。在均勻量化解碼器之后，再進(jìn)行反特性擴(kuò)張，以恢復(fù)原始信號。 另一種方法是直接采用非均勻量化。對于視頻

51、信號，在高效編碼時(shí)常采用非均勻量化器。在MPEG標(biāo)準(zhǔn)中，DCT變換后對變換系數(shù)進(jìn)行非均勻量化，低頻信號采用細(xì)量化，高頻信號采用粗量化。3.2.3 編碼 抽樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。具體說來，就是用n比特二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的樣值，每個(gè)二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一個(gè)量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。編碼過程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)原信號。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特?cái)?shù)的積，稱為所傳輸數(shù)字信號的數(shù)碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特?cái)?shù)越大，數(shù)

52、碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。 3.2.3 編碼 彩色電視信號所用PCM 編碼方式有兩種，即全信號編碼和分量編碼。全信號編碼是將模擬的全電視信號直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)字式全電視信號；而分量編碼則是分別對Y，R-Y，B-Y信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將這些信號并路合成為數(shù)字式全電視信號。 復(fù)合編碼的優(yōu)點(diǎn)是碼率低些，設(shè)備較簡單，適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個(gè)數(shù)字設(shè)備的情況。采用復(fù)合編碼時(shí)由抽樣頻率和副載頻間的差拍造成的干擾將影響圖像的質(zhì)量，它的缺點(diǎn)是由于數(shù)字電視的抽樣頻率必須與彩色副載頻保持一定的關(guān)系，而各種制式的副載頻各不相同，難以統(tǒng)一。 3.2.3 編碼 分量編碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼與制式無關(guān)，只要抽

53、樣頻率與行頻有一定的關(guān)系，便于制式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。由于Y、RY、BY分別編碼，可采用時(shí)分復(fù)用方式，避免亮色互串，可獲得高質(zhì)量的圖像。在分量編碼中，亮度信號用較高的碼率傳送，兩個(gè)色差信號的碼率可低一些 ，但總的碼率比較高，設(shè)備價(jià)格相應(yīng)較貴。 如圖3.6所示。3.6（a）為全信號編碼，3.6（b）為分量信號編碼。 從圖3.6（a）可看出，模擬全電視信號經(jīng)A/D變換為數(shù)字信號，再經(jīng)全信號編碼壓縮后輸出，在接收端經(jīng)全信號解碼，最后經(jīng)D/A變換為模擬全電視信號。這種全信號編碼方式從示意圖看似簡單，但易造成亮、色干擾。對SECAM彩色電視制式來說，由于色差信號對副載波的調(diào)制方式是調(diào)頻的，難于采用全信號編碼，只

54、能用分量信號編碼。 圖3.6 全信號編碼和分量信號編碼框圖 從圖3.6（b）可看出，模擬信號經(jīng)A/D變換后，在經(jīng)過亮色分離，分離成數(shù)字亮度信號Y和來兩個(gè)色差信號U、V，并將其送入各自的編碼壓縮器中，在經(jīng)復(fù)用后輸出，在接收端經(jīng)分量信號解碼得到Y(jié)、U、V三個(gè)數(shù)字分離信號，最后經(jīng)D/A和模擬矩陣電路輸出為模擬全電視信號。分量信號編碼增加了數(shù)字亮、色分離，但編碼壓縮是對分量信號進(jìn)行的，消除了亮、色干擾現(xiàn)象。這種方式可使圖像質(zhì)量提高，因此應(yīng)用較為廣泛。國際標(biāo)準(zhǔn)中均采用分量信號編碼方式。圖3.6 全信號編碼和分量信號編碼框圖3.3 視頻分量信號量化比特?cái)?shù)確定和量化電平的計(jì)算 為了獲得高質(zhì)量的數(shù)字化電視信號

55、和便于國際間的節(jié)目交換，國際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）601號建議中要求全數(shù)字化的電視中心采用分量編碼，以便不同彩色電視制式采用統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)。其取樣頻率定為：Y 信號用13.5MHz，R-Y和B-Y信號用6.75MHz，都是8bit均勻量化。在抽樣、量化前還必須對三個(gè)分量信號進(jìn)行校正。由電視原理可知，亮度信號方程為： （3.12） 亮度信號方程為： （3.13） （3.14） 3.3 視頻分量信號量化比特?cái)?shù)確定和量化電平的計(jì)算 當(dāng)傳送黑白和彩色（包括補(bǔ)色）時(shí)，從以上三式可得到視頻信號的標(biāo)稱值，如表3.3所示。由表3.3可知亮度信號的動(dòng)態(tài)取值范圍在01之內(nèi)，色差信號R-Y的動(dòng)態(tài)范圍是0.70

56、1， B-Y 的動(dòng)態(tài)范圍是0.886。為了使色差信號的動(dòng)態(tài)范圍也控制在0.5之內(nèi)，需將色差信號進(jìn)行壓縮，壓縮系數(shù)為： （3.15） （3.16）表3.3 100%彩條色度信號、亮度信號和色差信號的標(biāo)稱值顏色信號RGBYR-YB-Y白1.01.01.01.000黑000000紅1.0000.2990.701-0.299綠01.000.587-0.587-0.587藍(lán)001.00.114-0.1140.886黃1.01.000.8860.114-0.886青01.01.00.701-0.7010.299紫1.001.00.4130.5870.587 歸一化后的色度信號和色差信號為： （3.17）

57、（3.18） 亮度信號Y以8 bit均勻量化時(shí)分為256 個(gè)量化級，即量化電平0255量化級，相當(dāng)于二進(jìn)制的0000000011111111。在PCM編碼中，雖然為了防止過載把視頻信號調(diào)整在1V峰峰值范圍內(nèi)，并為了避免因圖像信號直流成分變動(dòng)所引起的信號動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大而在量化前進(jìn)行了箝位，但造成過載仍是可能的，例如視頻信號電平的操作不穩(wěn)定性，因陡峭的前置濾波器和孔闌校正電路造成過沖以及鉗位過程中的過渡過程等。于是在256的量化級中上端留下20量化級，下端留下16量化級作為防止超越動(dòng)態(tài)范圍的保護(hù)帶。其中量化電平為16時(shí)代表黑量化電平極限，量化電平為235時(shí)代表白量化電平極限。亮度信號量化電平： （

58、3.19）黑色區(qū)：白色區(qū)：均勻量化后色差信號的量化電平計(jì)算： 色差信號經(jīng)過壓縮信號處理以后的動(dòng)態(tài)范圍為0.5+0.5，中間信號的零電平對應(yīng)的量化電平為256/2=128。色差信號總共分配224個(gè)量化級，上端和下端各留16個(gè)量化級作為防止過載的保護(hù)帶。色差信號量化電平： （3.20） （3.21）引入壓縮系數(shù)后，有下式： （3.22） （3.23）習(xí)題：3-1 普通彩色電視信號數(shù)字化后未經(jīng)壓縮的數(shù)碼率為多少？相當(dāng)于多少模擬信號帶寬？3-2 什么是固定正交結(jié)構(gòu)？請分別畫出4:4:4、4:2:2和4:2:0的結(jié)構(gòu)。3-3 按照8bit量化，求出標(biāo)準(zhǔn)彩條信號中紫色條的Y、U、V信號的量化電平。3-4

59、什么叫做HDTV？它的掃描行數(shù)和帶寬大約為多少？3-5 計(jì)算DVD在4:2:2格式下不壓縮時(shí)的數(shù)碼率？第4章 圖像信號的數(shù)字化4.1 電視信號的離散化 對一維模擬電視信號進(jìn)行離散化的過程稱為一維抽樣。例如，將一個(gè)連續(xù)的圖像信號送入圖4.1(a)所示的輸入端，系統(tǒng)中加入抽樣信號后，在抽樣脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，S接通，輸出端就得到被抽樣以后的信號，如圖4.1(d)所示。圖 4.1一維模擬電視信號f(t)離散化過程(a) 抽樣過程； (b) 輸入信號；(c) 抽樣信號；(d) 抽樣結(jié)果；(e) 單位抽樣脈沖；(f) 單位抽樣脈沖抽樣結(jié)果4.1 電視信號的離散化抽樣過程可看成為一個(gè)乘法過程，用數(shù)學(xué)關(guān)系表示為

60、：越小，越能正確反映出輸入信號在離散點(diǎn)的瞬時(shí)值。當(dāng)M的突發(fā)差錯(cuò)，經(jīng)過解交織后，可將長突發(fā)差錯(cuò)變換成長度為 的短突發(fā)差錯(cuò)； 在不計(jì)信道時(shí)延條件下完成交織與解交織變換，將產(chǎn)生2MN個(gè)符號的時(shí)延，其中發(fā)、收端各占一半；在很特殊的情況下，周期為M的k個(gè)單個(gè)隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)序列，經(jīng)交織與解交織后會(huì)產(chǎn)生長度為L的突發(fā)差錯(cuò)。6.3 數(shù)據(jù)交織和解交織 由以上的性質(zhì)可見，塊交織器是克服深度衰落的有效方法，并已在數(shù)字通信中獲得廣泛應(yīng)用。但主要缺點(diǎn)是帶來附加的2M*N個(gè)符號的延時(shí)，對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)如圖像和聲音帶來不利的影響。 上面討論的塊交織有兩大缺點(diǎn)： 附加延時(shí)和變隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)為突發(fā)差錯(cuò)。為克服這兩大缺點(diǎn)，提出了卷積交織。