電視技術(shù)培訓(xùn)知識(shí)

計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院電視原理目前一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.1

數(shù)字彩色電視制式概述模擬彩色電視制式的缺陷高清晰度電視的需求數(shù)字技術(shù)的發(fā)展國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)高清晰度電視的定義：①垂直和水平方向的空間分解力大致是CCIR601號(hào)建議書中規(guī)定值的兩倍，例如水平1920像素，垂直1080像素；②寬高比為16:9，屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度大于1米，并配有多聲道優(yōu)質(zhì)伴音；③觀看距離為屏幕高度的三倍時(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于35mm電影放映的圖像質(zhì)量。

多極化的傳輸標(biāo)準(zhǔn)目前二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)美國(guó)1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出發(fā)展ATV(AdvancedTelevision，高級(jí)電視)1990年5月,美國(guó)GI公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTV傳輸制式——DigiCipher1993年5月成立HDTV大聯(lián)盟(GrandAlliance,GA)，著手制定統(tǒng)一的美國(guó)HDTV標(biāo)準(zhǔn)1995年4月通過了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)目前三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)歐洲1981年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出C-MAC(MultipledAnalogueComponent)制:

亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬8.4MHz1986年提出HD-MAC制 受美國(guó)數(shù)字制式影響，1993年開展DVB(DigitalVideoBroadcasting)研究1995年，歐洲成立了DVB聯(lián)盟，共同制定數(shù)字電視的DVB標(biāo)準(zhǔn)：

DVB-S(Satellite)、DVB-C(Cable)、DVB-T(Terrestrial)目前四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)日本日本廣播協(xié)會(huì)(NHK)1970-80年代提出模擬高清晰度電視制式——MUSE制（多重亞奈抽樣編碼）：

1125行，60場(chǎng)，隔行掃描，16:9幅型比；色度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：TCI（時(shí)間壓縮合成）；多重亞奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：4場(chǎng)傳送1幅HDTV圖像；8.1MHz帶寬，調(diào)頻傳送1996年啟動(dòng)數(shù)字電視研制1998年9月制訂ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的DVB-T類似目前五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)中國(guó)2002年組建音視頻技術(shù)（AVS）標(biāo)準(zhǔn)工作組2006年視頻部分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需要注意：上述標(biāo)準(zhǔn)適用于HDTV和SDTV目前六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

4.1.2通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮的必要性4:2:2，PAL：864×625×25×2×8=216Mb/s(108MHz)數(shù)字電視系統(tǒng)框圖目前七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)即活動(dòng)圖像專家組，建立于1988年MPEG-1：4:2:0采樣壓縮，每秒1.5Mbps的傳輸碼率，圖像大小352×240，掃描頻率30場(chǎng)/秒。圖像質(zhì)量比電視略強(qiáng)，適合于非專業(yè)視頻領(lǐng)域，如VCD等。MPEG-4：一種廣域傳輸標(biāo)準(zhǔn)，傳輸碼率10kbps-1Mbps，于2000年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):內(nèi)容的交互性,高效的壓縮性，通用的訪問性目前八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。“Profile”和“Level”(“型”和“級(jí)”)

按視頻格式分四個(gè)級(jí) 按編碼工具分五個(gè)型 “級(jí)”與“型”的若干組合構(gòu)成MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的子集：對(duì)某一輸入格式的圖像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率范圍內(nèi)的編碼碼流。在20種可能的組合中，目前有11種是已獲通過的，稱為MPEG-2適用點(diǎn)。目前九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

圖像輸入格式最大輸出碼率主型高型低級(jí)LLITU-R601標(biāo)準(zhǔn)的1/44Mb/s

352×240×30pel/s352×288×25pel/s主級(jí)ML符合ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)15Mb/s20Mb/s720×480×30pel/s720×576×25pel/s高1440級(jí)H14LITU-R601標(biāo)準(zhǔn)的4倍（4:3）60Mb/s80Mb/s1440×1152×30pel高級(jí)HLITU-R601標(biāo)準(zhǔn)的4倍(16:9)80Mb/s100Mb/s1920×1152×30pel目前十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)碼率簡(jiǎn)單型SP主型MP信噪比可分級(jí)型SNRP空間可分級(jí)型SSP高型HP低級(jí)LL

44

主級(jí)ML151515

20高1440級(jí)H14L

60

6080高級(jí)HL

80

100目前十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)MPEG-2適用點(diǎn)目前十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

視頻信源編碼的理論依據(jù)原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大量無(wú)需傳送的多余信息：圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性——空間相關(guān)性相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性——時(shí)間相關(guān)性信息保持無(wú)損壓縮編碼人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最高的分辨力：信息非保持有損壓縮編碼4.2視頻信源編碼原理目前十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.2.2預(yù)測(cè)編碼原理預(yù)測(cè)編碼概述預(yù)測(cè)編碼也稱為差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM，DifferentialPulseCodeModulation)，使用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。約80%-90%以上的殘差信號(hào)的絕對(duì)值落在16-18個(gè)量化級(jí)以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用1階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)采用1階前向預(yù)測(cè)或2階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中。目前十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電視畫面組成的視頻序列（sequence）劃分為許多圖像組（GOP,GroupofPicture），每個(gè)圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在預(yù)測(cè)和生成關(guān)系。采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為I圖像(Intra-CodedPicture)采用前向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為P圖像(Predictively-CodedPicture)采用雙向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為B圖像(Bidirectionally-CodedPicture)下頁(yè)為由9幀圖像組成的GOP示意圖目前十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序編碼器輸出端或解碼器輸入端的編解碼順序目前十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn) 視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

塊:Block8×8像素塊宏塊:Macroblock16×16像素塊像條:Slice——由多個(gè)Macroblock組成圖像組：GOP視頻序列：Sequence圖像：Picture目前十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)宏塊的組成4:2:0格式的宏塊4:2:2格式的宏塊4:4:4格式的宏塊宏塊的三種構(gòu)成方式，其中亮度塊的數(shù)目均為4，而色度塊的數(shù)目分別為2、4和8。目前十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)8×8的像塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT，DiscreteCosineTransform），將像塊變換為由8×8個(gè)變換系數(shù)組成的系數(shù)塊。位于系數(shù)塊左上角的第一個(gè)系數(shù)是像塊中8×8個(gè)像素的平均值，代表像塊的直流分量，稱為DC系數(shù)，其余系數(shù)為AC系數(shù)。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的DC系數(shù)進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相關(guān)性。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行。幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè)：目前十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)行的I圖像——幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是P圖像和B圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的I幀便于初始化接收機(jī)和捕獲頻道。I幀出現(xiàn)的頻度可以變化，由編碼器選擇。P圖像——前向編碼預(yù)測(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前面一幀I圖像或P圖像中相應(yīng)像素值，即幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前值預(yù)測(cè)。B圖像——雙向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前后相鄰幀相應(yīng)像素值的加權(quán)平均。B圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像。使用B幀可提高壓縮效率，但需要幀存儲(chǔ)器。目前二十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

最簡(jiǎn)單的時(shí)域預(yù)測(cè)就是用前一幀作為當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)參考幀。 一個(gè)視頻序列里兩個(gè)相鄰幀如右圖所示。第一幀作為第二幀的參考幀，殘差是第二幀與參考幀之差。目前二十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差值。這種簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)的明顯問題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說(shuō)預(yù)測(cè)后還有很多信息需要壓縮。多數(shù)殘差是由于兩幀之間物體運(yùn)動(dòng)引起的，所以更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。 目前二十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖目前二十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。運(yùn)動(dòng)估值：通過比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的幀間預(yù)測(cè)稱為具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)。采用塊匹配算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值是十分困難的。在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的 運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其整體的運(yùn)動(dòng)就可以了。目前二十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的16×16亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊——匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定運(yùn)動(dòng)矢量。目前二十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，MeanAbsoluteDifference），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對(duì)值的平均值。當(dāng)MAD(i,j)達(dá)到最小時(shí)，兩個(gè)像素塊匹配。此時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量為MV（i,j）。這種搜索方法稱為全搜索，運(yùn)算量相當(dāng)大。為加快搜索過程，提出了三步法、共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法。目前二十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算。目前二十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前二十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)B幀圖像的幀間預(yù)測(cè)編碼 預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值——雙向預(yù)測(cè)。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。 圖4-9

在圖像序列中，P幀和B幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量?？紤]到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量也采用預(yù)測(cè)編碼。

目前二十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)幀間預(yù)測(cè)模式為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像，數(shù)字電視的幀間預(yù)測(cè)編碼主要有兩類：幀預(yù)測(cè)和場(chǎng)預(yù)測(cè)。幀預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。P幀預(yù)測(cè)示意B幀預(yù)測(cè)示意目前三十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來(lái)自于最近的重構(gòu)參考圖像。編碼幀中第一場(chǎng)圖像的預(yù)測(cè)編碼幀中第二場(chǎng)圖像為底場(chǎng)的預(yù)測(cè)目前三十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)B場(chǎng)預(yù)測(cè)：用于預(yù)測(cè)的兩個(gè)參考場(chǎng)來(lái)自于最近的解碼參考頂場(chǎng)和底場(chǎng)。編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè)B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè)目前三十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.2.3變換編碼原理變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變換域，以去除空間相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)目前三十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)離散余弦變換(DCT，DiscreteCosineTransform) 考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以塊為單位進(jìn)行的，采用8×8塊。 設(shè)由8×8像素組成的像素塊用矩陣X表示，變換后的系數(shù)塊用矩陣Y表示，則：

正向DCT

反DCT

其中C表示8×8的DCT矩陣，CT是其轉(zhuǎn)置矩陣C滿足正交矩陣性質(zhì)目前三十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)右圖為8×8DCT基本圖像。任何8×8圖像塊都可以用基本圖像與變換系數(shù)乘積的組合來(lái)表示。DCT系數(shù)矩陣左上角系數(shù)y00對(duì)應(yīng)空間直流分量，稱為DC系數(shù)，其他63個(gè)對(duì)應(yīng)交流分量，稱為AC系數(shù)。目前三十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)經(jīng)過DCT變換后，64個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)。原樣值是9比特，數(shù)據(jù)從0～511；得到的直流系數(shù)的范圍是0～4095，交流系數(shù)的范圍是-2048～2047；量化之后大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)?。人眼對(duì)低頻分量比較敏感，對(duì)高頻分量則不太敏感；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼率。

I幀：系數(shù)矩陣左上角部位的系數(shù)對(duì)應(yīng)空間低頻分量，采用較小的量化間隔，位于右下角部位的系數(shù)采用較大的量化間隔。

P幀和B幀：是對(duì)幀間預(yù)測(cè)差值的變換，DCT系數(shù)不僅僅決定于空間頻率，故采用相同的量化間隔。DCT系數(shù)的量化目前三十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)816192226272934161622242729343719222627293434382222262729343740222627293235404826272932354048582627293438465669272935384656698316161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616對(duì)于I幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣對(duì)于P幀和B幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣目前三十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)對(duì)自然景物圖像的統(tǒng)計(jì)表明，DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。圖游程編碼的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)由二元數(shù)組(run,level)組成的數(shù)組序列，其中run表示連零的長(zhǎng)度，level表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)EOB(EndofBlock)來(lái)代表。游程編碼(RLC，RunLengthCoding)目前三十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)幀圖像的DCT系數(shù)分布（按非零系數(shù)可能性畫圖）場(chǎng)圖像的DCT系數(shù)分布（對(duì)照幀圖像，左側(cè)有更多的非零系數(shù)，這是由于場(chǎng)圖像在垂直方向有更強(qiáng)的高頻分量）對(duì)應(yīng)這兩種圖像結(jié)構(gòu)，規(guī)定了兩種掃描方式，Zigzag掃描與交替掃描。目前四十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)經(jīng)DCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此按Zigzag掃描讀出實(shí)際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的。掃描后出現(xiàn)連零的機(jī)會(huì)比較多，特別到最后，如果都是零，在讀到最后一個(gè)數(shù)后，只要給出“塊結(jié)束”（EOB）碼，就可以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。如圖

目前四十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.2.4熵編碼原理熵編碼（EntropyCoding）是一類無(wú)損編碼，編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵?；舴蚵?Huffman)編碼：變長(zhǎng)編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)分配較短的碼字，對(duì)出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字，以獲得較短的平均碼長(zhǎng)。運(yùn)動(dòng)矢量的熵編碼：對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的水平和垂直方向差值進(jìn)行熵編碼。DCT系數(shù)的熵編碼目前四十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.2.5MPEG-2視頻編碼器和解碼器MPEG-2視頻編碼器目前四十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)MPEG-2視頻解碼器目前四十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.3ATSC數(shù)字電視制式水平×垂直有效像素幅型比60/59.94逐行60/59.94隔行30/29.97逐行24/29.97逐行1920×1080（方像素）16:9√√√1280×720（方像素）16:9√√√704×480（寬屏）16:9√√√√704×480（CCIR601）4:3√√√√640×480（VGA，方像素）4:3√√√√ATSC制的視頻格式4.3.1ATSC制概述目前四十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)系統(tǒng)分為三部分：信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送、射頻發(fā)送。目前四十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)信源編碼和壓縮 視頻編碼和壓縮——MPEG-2

音頻編碼和壓縮——DolbyAC-3(384Kb/s,5.1聲道)，AAC

輔助數(shù)據(jù)——條件接收(CA)等控制數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送把不同信息類型的比特流打成包給每一個(gè)包以唯一的標(biāo)識(shí)符(ID)將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時(shí)分復(fù)用組合成傳送包(TSP)射頻發(fā)送對(duì)傳送流進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式：

8VSB調(diào)制的地面廣播模式(19Mb/s) 16VSB調(diào)制的有線高比特率模式(38Mb/s)目前四十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前四十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.3.2傳送層的功能和格式數(shù)字電視碼流有多個(gè)不同的層次和類型：ES、PES、PS、TS。ES(ElementaryStream)基本流，是直接從編碼器出來(lái)的數(shù)據(jù)流，可以是視頻數(shù)據(jù)流，音頻數(shù)據(jù)流，或其他編碼數(shù)據(jù)流。PES(PacketizedElementaryStream)打包基本流，ES流經(jīng)過PES打包器之后，被轉(zhuǎn)換成PES包。PS(ProgramStream)節(jié)目流，是將一個(gè)或幾個(gè)具有公共時(shí)間基準(zhǔn)的PES組合成的復(fù)用流。PS流比較適用于相對(duì)誤碼率小的傳輸環(huán)境中，如交互式多媒體環(huán)境和媒體存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。TS(TransportStream)傳輸流，是有一個(gè)或幾個(gè)不同的PES經(jīng)傳輸流打包后組成的復(fù)合流。TS流更適合在有干擾或誤碼的環(huán)境中傳輸。目前四十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前五十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)PES包起始碼前綴比特流IDPES包長(zhǎng)度PES包頭標(biāo)志PES包頭長(zhǎng)度PES包頭區(qū)（可變長(zhǎng)度）PES包數(shù)據(jù)塊（可變長(zhǎng)度）PES包頭標(biāo)志（說(shuō)明比特流特性的標(biāo)識(shí)符）：加擾指示，優(yōu)先級(jí)指示，數(shù)據(jù)相配指示，有無(wú)版權(quán)，原版或復(fù)制，有無(wú)PTS（顯示時(shí)間標(biāo)志）和DTS（解碼時(shí)間標(biāo)志），包頭是否含時(shí)鐘基準(zhǔn)，包頭是否含比特率，包頭是否含說(shuō)明流來(lái)源的DSM(數(shù)字存儲(chǔ)媒體)模式的字段，是否有CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)），是否有擴(kuò)展段。PES包頭區(qū)（各段可選）：

PTS/DTS，DSM模式，附加復(fù)制信息，擴(kuò)展數(shù)據(jù)，填充字節(jié)PES包數(shù)據(jù)塊：有效負(fù)載數(shù)據(jù)，即來(lái)自相應(yīng)編碼器的一個(gè)連續(xù)的基本流。

目前五十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)TS包固定長(zhǎng)度（188字節(jié)）：包頭（4字節(jié)） 包同步，包識(shí)別（PID），連續(xù)計(jì)數(shù)，加擾控制等適配區(qū)（可變長(zhǎng)度） 同步和定時(shí)——對(duì)27MHz系統(tǒng)時(shí)鐘（STC）周期性抽樣形成的節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn) (PSR)，每100ms至少傳送一次 基本流的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)指示——頻道切換用 本地節(jié)目插入指示有效負(fù)載數(shù)據(jù)（最多184字節(jié)）包頭適配區(qū)

有效負(fù)載數(shù)據(jù)視頻音頻視頻音頻視頻音頻視頻……每一個(gè)新的PES包需要啟動(dòng)一個(gè)新的TS包目前五十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.3.3前向糾錯(cuò)信道編碼48個(gè)0+187個(gè)信息字節(jié)20個(gè)校驗(yàn)字節(jié)去信道能量擴(kuò)散RS編碼交織卷積編碼8VSB調(diào)制傳送流包ATSC制信道編碼和調(diào)制RS編碼及其糾錯(cuò)譯碼

RS（207，187），縮短的RS（255，235）187個(gè)信息字節(jié)20個(gè)校驗(yàn)字節(jié)1個(gè)同步字節(jié)目前五十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)縮短的RS（255，235）對(duì)應(yīng)于域生成多項(xiàng)式：

中的元素由0和組成是的一個(gè)本原根。加法：模2加，即二進(jìn)制異或運(yùn)算乘法：目前五十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)元素二進(jìn)制十進(jìn)制000000011000000102000001004000010008000100001600100000320100000064100000001280001110129目前五十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

校驗(yàn)生成多項(xiàng)式：187個(gè)信息字節(jié)信息多項(xiàng)式：

校驗(yàn)多項(xiàng)式：

20個(gè)校驗(yàn)字節(jié)：A信息字節(jié)B152165121121240185174A0BRS(207,187)RS(207,187)編碼電路目前五十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)RS(207,187)碼：碼字多項(xiàng)式：可糾正t=10個(gè)字節(jié)或80比特的誤碼無(wú)誤碼時(shí)c(x)能被g(x)整除，有誤碼時(shí)c(x)不能被g(x)整除，收端根據(jù)余式和商式確定誤碼的位置和樣式，實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)譯碼。目前五十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)卷積編碼及維特比譯碼基礎(chǔ)知識(shí)110001100/010/001/111/111/101/100/010/00M2M1y1y0x

0000000000

010101

1010101010101010000000010101011111111111111100011011用于ATSC制的1/2比率4狀態(tài)反饋卷積編碼器(a)編碼器結(jié)構(gòu)圖(b)狀態(tài)圖(c)格形圖

（4-52）

目前五十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)

對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的bit序列，由于誤碼，存在條不同的可能路徑。從這些可能的不同路徑中找到編碼時(shí)走過的路徑，進(jìn)而推算出編碼時(shí)的輸入bit。維特比譯碼從所產(chǎn)生的各種可能路徑中找出一條最大似然路徑，使沿著這條路徑得到的序列與接收的碼序列相同或差別最小。設(shè)格形圖上的序列為，接收到的幅度失真的碼序列為，其判決再生的序列為，則格形圖序列與接收序列之間差別測(cè)度：漢明距離（硬判決）若發(fā)送端將碼序列映射為電平序列，接收到的幅度失真的電平序列量化編碼為，格形圖上的數(shù)字序列為，則格形圖序列與接收序列之間的差別測(cè)度：歐幾里得距離（軟判決）

ATSC制維特比譯碼采用軟判決，其最大似然路徑是歐幾里得距離為最小的路徑。目前五十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)TCM-8VSB調(diào)制技術(shù)從格形圖上可以看出，在兩個(gè)狀態(tài)間至少需要3個(gè)時(shí)間段才有不同的編碼路徑，維特比譯碼從這些路徑中選擇與接收到的幅度失真電平序列歐幾里得距離為最小的路徑，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)譯碼。這些路徑之間的最小歐幾里得距離越大，信號(hào)的抗噪能力越強(qiáng)。ATSC制采用ASK調(diào)制（幅移鍵控調(diào)制）若將兩比特?cái)?shù)據(jù)映射為4電平符號(hào)：Ai=-3,-1,1,3,分別調(diào)制4個(gè)不同幅度的高頻信號(hào)，稱為4ASK調(diào)制。直接映射時(shí)，最小歐幾里得距離為2，用平均功率歸一化的最小歐幾里得距離為D0=0.894，8ASK歸一化的最小歐幾里得距離為D0=0.436。ATSC制采用2/3比率的格形編碼，格形圖的歐幾里得自由距離為dfree=3D0=3×0.436=1.31。編碼增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB目前六十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)預(yù)編碼器格形編碼器DM2M1Z2Z1Z08VSB000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a)8VSB格形編碼器(a)格形編碼器、預(yù)編碼器和符號(hào)映射器；(b)格形圖(b)8電平符號(hào)映射器格形編碼器預(yù)編碼器00010001011010000000110111111001001100110111101100011011狀態(tài)目前六十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)預(yù)編碼器格形編碼器DM2M1Z2Z1Z08VSB000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+78VSBY1Y2Z1Z2Z08電平符號(hào)映射器格形編碼器預(yù)編碼器目前六十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)交織通過交織(interleaving)可使突發(fā)差錯(cuò)分散為隨機(jī)差錯(cuò)，以充分發(fā)揮糾錯(cuò)編碼的作用。

段間卷積字節(jié)交織器：由I=52個(gè)分支組成，在第j(j=0,1,…,I-1)分支上設(shè)有容量為jM個(gè)字節(jié)的移位寄存器，M=4

N=IM=52×4=208

即4個(gè)切換周期正好是一個(gè)糾錯(cuò)編碼包的長(zhǎng)度。

交織器用參數(shù)描述，對(duì)于(208,52)交織器交織前同一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)在交織后將分散到52個(gè)數(shù)據(jù)段中(一個(gè)糾錯(cuò)編碼包對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)段)。段內(nèi)交織：是與格形編碼結(jié)合進(jìn)行的，由每字節(jié)1位置切換的12個(gè)格形編碼器組成。目前六十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)能量擴(kuò)散（隨機(jī)化）改善傳輸頻譜特性

隨機(jī)化電路是一個(gè)

16bit最大長(zhǎng)度偽隨機(jī)碼發(fā)生器，其生成多項(xiàng)式為由它生成的偽隨機(jī)二進(jìn)序列（PRBS,Pseudo-randomBinarySequence）與輸入碼流進(jìn)行模2加，使數(shù)據(jù)隨機(jī)化。d0d1d2d7d3d4d5d6使能D0D1D2D7D3D4D5D6ATSC制的隨機(jī)化電路每個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的第一個(gè)數(shù)據(jù)段的段同步期間初始化F180H目前六十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)VSB數(shù)據(jù)幀和頻譜隨機(jī)化RS編碼器交織器格形編碼器復(fù)用器導(dǎo)頻信號(hào)插入VSB

調(diào)制器射頻上變頻器段同步場(chǎng)同步VSB發(fā)射機(jī)框圖65.38導(dǎo)頻抑制載波10.7ATSC制射頻信號(hào)頻譜目前六十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)段同步場(chǎng)同步#1場(chǎng)同步#2

數(shù)據(jù)+FEC

數(shù)據(jù)+FEC313段313段828符號(hào)4數(shù)據(jù)段832符號(hào)（208字節(jié)）數(shù)據(jù)段同步數(shù)據(jù)段同步4符號(hào)4符號(hào)數(shù)據(jù)+FEC24.2ms24.2ms+5+3-1+1-3-5-7+7導(dǎo)頻1.251段（77.3um）PN511PN63PN63PN63模式保留符號(hào)率Rs=10.76MS/s有效負(fù)載數(shù)據(jù)率Rp=19.28Mb/sVSB數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)目前六十六頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.4DVB制式水平×垂直有效像素幅型比50逐行60/59.94逐行25逐行25隔行30/29.9724/23.976逐行30隔行29.97隔行29.97/23.976逐行1440×115216:9√1920×108016:9√√√√√1920×103516:9√√√1280×72016:9√√√√720×5764:3/16:9√√√544480

×5763524:3/16:9√√720×4804:3/16:9√√√√640×4804:3√√√√544480×4803524:3/16:9√√352×2884:3/16:9√352×2404:3/16:9√4.4.1DVB制的視頻格式與接口DVB制的視頻格式目前六十七頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)DVB設(shè)備的接口SPI

同步并行接口，用在設(shè)備相距較近的場(chǎng)合。它有11對(duì)信號(hào)線，并行地發(fā)送時(shí)鐘、數(shù)據(jù)（占8對(duì)信號(hào)線）和同步信號(hào)等。全部信號(hào)與時(shí)鐘同步，它的頻率隨傳送流的碼率而定。SSI

同步串行接口，是同步并行接口的一種擴(kuò)展。它的功能與SPI相當(dāng)，只是在兩端進(jìn)行了并串的正、反變換。這種接口使用的連接速率就是傳送流的碼率，傳輸介質(zhì)可以是電纜或光纖。SSI目前用得較少。ASI

異步串行接口，傳輸介質(zhì)可以是電纜或光纖。它采用固定的連接速率（270Mbps）。目前六十八頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)按DVB-T制采用的信道編碼和射頻信號(hào)形成的特點(diǎn)，它又被稱為編碼正交頻分復(fù)用(COFDM，CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)多載波制式。采用“數(shù)據(jù)容器”模型，容納各類數(shù)據(jù)，在一個(gè)頻道內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)無(wú)誤碼傳輸。適應(yīng)8MHz頻道。系統(tǒng)具有單頻網(wǎng)運(yùn)行能力。能夠克服來(lái)自采用相同頻率的鄰近發(fā)射機(jī)的類似回波的同頻道干擾。4.4.2DVB-T制概述目前六十九頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)DVB-T系統(tǒng)功能框圖目前七十頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.4.3DVB-T的信道編碼能量擴(kuò)散 PRBS生成多項(xiàng)式為 移位寄存器每8個(gè)MPEG-2數(shù)據(jù)包初始化一次，初始值為。外編碼 DVB-T的外碼采用RS(204,188)碼，它是由RS(255,239)碼縮短而成的。外交織 數(shù)據(jù)流經(jīng)外碼編碼后送到卷積交織器進(jìn)行字節(jié)交織。DVB-T采用(204,12)交織器，M=17，I=12，N=IM=204，交織深度為12個(gè)糾錯(cuò)編碼包。內(nèi)編碼 基于1/2比率64狀態(tài)的基本卷積碼生成的收縮卷積碼目前七十一頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)編碼比率r收縮圖樣輸出序列路徑的最小自由距離1/2X：1Y：1X1Y1102/3X：10Y：11X1Y1Y263/4X：101Y：110X1Y1Y2X355/6X：10101Y：11010X1Y1Y2X3Y4X547/8X：1000101Y：1111010X1Y1Y2Y3Y4X5Y6X73基本卷積編碼器具有6個(gè)移位寄存器，每輸入1個(gè)比特輸出2個(gè)比特和：

卷積收縮碼圖樣和輸出序列

接收端使用1/2比率的維特比譯碼器，在被收縮的位置上插入一個(gè)特殊的符號(hào)“×”(=Don’tCare）。目前七十二頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)內(nèi)交織x0,x1,x2,…解復(fù)用符號(hào)交織比特交織I0比特交織I1比特交織I2比特交織I3b0,0,b0,1,…b1,0,b1,1,…b2,0,b2,1,…b3,0,b3,1,…a0,0,a0,1,…a1,0,a1,1,…a2,0,a2,1,…a3,0,a3,1,…y0,y1,…映射I0,I1,…Q0,Q1,…非分層16-QAM的內(nèi)交織和映射方框圖比特交織：符號(hào)交織：2K模式：

8K模式：

QPSK：v=216-QAM：v=464-QAM：v=6

目前七十三頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)QPSK和QAM調(diào)制QPSK調(diào)制：一個(gè)符號(hào)包含2bit即映射到星座圖生成4種相位不同但幅度相同的調(diào)制載波：、、稱為四相鍵控調(diào)制即QPSK。若原始數(shù)字序列的碼率為R，則經(jīng)QPSK調(diào)制后的符號(hào)率為R/2，提高了信號(hào)傳輸?shù)男省?/p>

11-1-100100111IqQq（對(duì)應(yīng)y0,q）（對(duì)應(yīng)y1,q）QPSK星座圖（bit順序y0,q

y1,q）目前七十四頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)11-1-10011101101111111IqQq（對(duì)應(yīng)y0,q

y2,q）（對(duì)應(yīng)y1,q

y3,q）均勻16-QAM星座圖（bit順序y0,q

y1,q

y2,q

y3,q）3-3-33101010001001110111001110001000000001010101100100M-QAM調(diào)制：一個(gè)符號(hào)包含bit，M種符號(hào)對(duì)應(yīng)星座圖上的M個(gè)點(diǎn)

和分別對(duì)正交的載波調(diào)制，生成M種不同相位或不同幅度的調(diào)制載波，稱為M正交幅度調(diào)制即M-QAM若原始數(shù)字序列的碼率為R，則經(jīng)M-QAM調(diào)制后的符號(hào)率為。M越大傳輸效率越高，但在相同的信號(hào)平均功率S下，星座點(diǎn)的最小歐氏距離越小，抗誤碼性能越差。

目前七十五頁(yè)\總數(shù)八十四頁(yè)\編于十七點(diǎn)4.4.4COFDM信號(hào)的形成與傳輸在多徑傳播下，當(dāng)多徑延時(shí)τ較大時(shí)，相關(guān)帶寬△f=1/τ可能小于信號(hào)帶寬，造成頻率選擇性衰落，產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾。正交頻分復(fù)用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波并行傳輸方式，N路降碼率的數(shù)據(jù)符號(hào)并行地在N路載波中傳送，使每路載波的帶寬小于△f，有效地抑制碼間干擾。多徑傳播還會(huì)引起平坦性衰落和多普勒頻