數(shù)字電視唐明光教授

數(shù)字電視唐明光教授2024/3/27數(shù)字電視唐明光教授內(nèi)容安排一、數(shù)字電視基本概念二、數(shù)字電視系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)三、數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)四、有線數(shù)字電視技術(shù)基礎(chǔ)五、信源編碼技術(shù)--壓縮編碼技術(shù)六、信道編碼和調(diào)制七、有線數(shù)字電視傳輸技術(shù)八、條件接收（CA）系統(tǒng)九、有線電視傳輸系統(tǒng)對數(shù)字電視信號質(zhì)量的影響十、機頂盒的應(yīng)用要求十一、數(shù)字電視參數(shù)的測量

數(shù)字電視唐明光教授1.什么是數(shù)字電視

數(shù)字電視是一個系統(tǒng)。它指一個從節(jié)目攝制、制作、編輯、存儲、發(fā)送、傳輸，到信號接收、處理、顯示等全過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。一、數(shù)字電視基本概念數(shù)字電視唐明光教授2.數(shù)字電視實現(xiàn)的意義

數(shù)字電視系統(tǒng)將成為一個數(shù)字信號傳輸平臺：整個廣播電視節(jié)目制作和傳輸質(zhì)量顯著改善信道資源利用率大大提高提供其他增值業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)廣播，視頻點播，電子商務(wù)，軟件下載，電視購物，……為“三網(wǎng)融合”提供了技術(shù)上的可能性。數(shù)字電視唐明光教授

3.數(shù)字電視分類

HDTV：圖像分辨率1920×1080（16：9）SDTV：圖像分辨率720×756（PAL）720×480（NTSC）LDTV：VCD級圖像分辨率數(shù)字電視唐明光教授4.數(shù)字電視的優(yōu)點

數(shù)字傳輸，信號質(zhì)量高彩色逼真可實現(xiàn)不同分辨率等級接收（HDTV，SDTV）可移動接收，無重影增加節(jié)目頻道應(yīng)實現(xiàn)加解密和加解擾，便于展開CA業(yè)務(wù)準(zhǔn)交互和交互其它增值業(yè)務(wù)數(shù)字電視唐明光教授二.數(shù)字電視系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)1、系統(tǒng)組成

從橫向看：（硬件系統(tǒng)）節(jié)目制作數(shù)字信號處理傳輸接收顯示從縱向看：（軟件系統(tǒng)）物理層傳輸協(xié)議中間件標(biāo)準(zhǔn)信息表示信息使用內(nèi)容保護數(shù)字電視唐明光教授?

節(jié)目制作設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字錄像機、數(shù)字特技機、數(shù)字編輯機、數(shù)字字幕機、非線性編輯系統(tǒng)數(shù)字處理設(shè)備及技術(shù)：壓縮編/解碼設(shè)備及技術(shù)、數(shù)據(jù)加/解擾設(shè)備及技術(shù)、加/解密設(shè)備及技術(shù)信號傳輸：地面、有線、衛(wèi)星接收設(shè)備：數(shù)字電視接收機（衛(wèi)星、有線）顯示：CRT、LCD、PDP、投影顯示等數(shù)字電視唐明光教授2.關(guān)鍵技術(shù)1)信源編碼技術(shù)

視頻壓縮編碼——MPEG-2音頻壓縮編碼——MPEG-2（歐洲、日本）AC-3(美國)我國標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17975.2—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號的通用編碼規(guī)范第2部分：視頻”GB/T17975.3—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號的通用編碼規(guī)范第３部分：音頻”數(shù)字電視唐明光教授2)傳輸復(fù)用技術(shù)

數(shù)據(jù)打包：N個信道的視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸流復(fù)用：將N個打包的數(shù)據(jù)復(fù)合成單路串行傳輸流標(biāo)準(zhǔn)：國際MPEG-2我國GB/T17975.1—2000“信息技術(shù)—運動圖像及其伴音信號通用編碼第1部分：系統(tǒng)”

傳送復(fù)用使電視信號具有與數(shù)據(jù)通信相似的數(shù)據(jù)分組（打包）傳輸，從而使數(shù)字電視系統(tǒng)具備了可擴展、分級和交互通信的基礎(chǔ)。數(shù)字電視唐明光教授3)信道編碼和調(diào)制

經(jīng)信源編碼的傳輸碼流通常不適合在傳輸信道（無線、有線、衛(wèi)星）中傳輸，必須經(jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定的信道中傳輸?shù)男问健Ｔ谕ㄐ旁碇邪堰@種處理稱為信道編碼和調(diào)制。信道編碼包括：糾錯編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等。信道編碼目的：提高傳輸信號在信道中的抗干擾能力標(biāo)準(zhǔn)：GY/T170—2001“有線數(shù)字電視廣播系統(tǒng)信道編碼與調(diào)制規(guī)范”數(shù)字電視唐明光教授4)有條件接收（CA）CA只允許已付費的授權(quán)用戶使用某一業(yè)務(wù)，未經(jīng)授權(quán)的用戶不能使用這一業(yè)務(wù)。CA涉及技術(shù)：前端的加密和加擾技術(shù)接收端的對用戶尋址控制和授權(quán)解擾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GY/Z175-2001“數(shù)字電視廣播條件接收系統(tǒng)規(guī)范”數(shù)字電視唐明光教授5)軟件平臺——中間件機頂盒中硬件功能：接收RF信號、信道解碼、解調(diào)。MPEG-2碼流解碼，模擬視/音頻輸出。機頂盒中軟件功能：電視節(jié)目內(nèi)容顯示、EPG節(jié)目信息、操作界面的實現(xiàn)等。中間件：是一種將應(yīng)用程序與底層的實時操作系統(tǒng)及硬實現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，支持跨硬件平臺和跨操作系統(tǒng)的軟件運行，使應(yīng)用不依賴于特定的硬件平臺和操作系統(tǒng)。中間件構(gòu)成：Java虛擬機、JavaScript虛擬機、HTML虛擬機等。

數(shù)字電視唐明光教授三.數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)1.國際：三大標(biāo)準(zhǔn)

DVB-S歐洲：DVB（數(shù)字視頻廣播）DVB-TDVB-C美國：ATSC（高級電視制式）日本：ISDB（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播）數(shù)字電視唐明光教授2.中國：數(shù)字電視演播室參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視唐明光教授

四.有線數(shù)字電視技術(shù)基礎(chǔ)

1.有線數(shù)字電視信號傳輸?shù)燃壖皞鬏斚到y(tǒng)模式

1）傳輸?shù)燃?/p>

LDTV，SDTV，HDTV

2)傳輸系統(tǒng)模式

電纜傳輸——PCM方式光纖傳輸——SDH方式光纖—同軸混合傳輸——HFC數(shù)字調(diào)制方式數(shù)字電視唐明光教授

2．有線數(shù)字電視的主流標(biāo)準(zhǔn)與方式

1)標(biāo)準(zhǔn)：DVB-C

ATSC-16VSB，ATSC-64QAMISDB-C數(shù)字電視唐明光教授

2)四種方式：

DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C傳送方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM頻帶寬度8MHz6MHz6MHz6MHz傳輸速率31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s接收滾降13%15%11.5%18%糾錯率RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188)壓縮方式MPEG-2數(shù)字電視唐明光教授3．?dāng)?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)換生產(chǎn)：電影膠片——電視電影機

模擬-數(shù)字（A/D轉(zhuǎn)換）——信號數(shù)字化數(shù)字電視唐明光教授1)信號數(shù)字化過程

取樣：取樣頻率，Nyquist定理連續(xù)信號變換成離散信號量化：將離散信號樣值進(jìn)行離散化處理離散化的量化級量化噪聲編碼：量化后的信號仍然只是離散信號，還不是數(shù)字信號。用n比特二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的取樣值，稱為編碼。每個二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一個量化電平，再按時序?qū)⑺鼈兣帕衅饋?，就得到基帶?shù)字信息流。傳輸速率：傳輸速率=取樣頻率fs×量化比特數(shù)數(shù)字電視唐明光教授2）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例：CD標(biāo)準(zhǔn)取樣頻率44.1KHz，量化比特數(shù)16bit，立體聲，存儲一分鐘數(shù)字音樂的容量為10,584,000字節(jié)或84,672,000比特。數(shù)字電視唐明光教授3）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碼分量編碼——將亮度信號Y，色差信號R-Y和B-Y分別編碼或PCM碼數(shù)字電視唐明光教授

二者比較：“復(fù)合編碼”與電視制式有關(guān)“分量編碼”與電視制式無關(guān)在節(jié)目后期制作中：“復(fù)合”需解碼“分量”無需解碼傳輸時：“復(fù)合”由于頻分復(fù)用，產(chǎn)生亮，色串?dāng)_“分量”采用時分復(fù)用，無亮，色串?dāng)_數(shù)字電視唐明光教授

分量編碼取樣頻率

亮度信號取樣頻率：足夠小的混疊噪聲fs=（2.2～2.7）fmfm=5.8-6MHzfs≥12.76～13.2MHz滿足行鎖相采樣fs=mfH,m為整數(shù)使525/652行兼容（525行/60場625行/50場）要采用同一取樣頻率在13.2MHz附近，只有13.5MHz=15625Hz×864(625/50)=15734.264Hz×858(525/60)

亮度信號取樣頻率取樣13.5MHz數(shù)字電視唐明光教授

色差信號取樣頻率：

需要滿足與亮度信號同樣的三個要求

取為fS=6.75MHz分量編碼取樣頻率的組合，適應(yīng)不同圖像質(zhì)量要求Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：13.5MHz：13.5MHz=4：4：4

Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz=4：2：2（演播室圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz=4：1：1（4：2：0）4：4：4，4：2：2和4：2：0三種是可以相互兼容，相互轉(zhuǎn)換的由高檔轉(zhuǎn)為低檔，樣點數(shù)減少，稱為數(shù)字信號的抽去；反之稱為數(shù)字信號的內(nèi)插。數(shù)字電視唐明光教授4：4：44：2：24：2：0視頻取樣示例4：2：24：2：04：4：4

像素：在理想情況下可用“1份亮度+2份彩色差的樣品”來描述：

表示1份亮度樣品(Y)重合的亮度、色度樣品表示2個色度樣品(R-Y，B-Y)4為13.5MHz、2為6.75MHz和1為3.75MHz的取樣頻率數(shù)字電視唐明光教授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)γ較正的信號采用10bit均勻量化

量化級：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表示白電平數(shù)字電視唐明光教授5）ITU-R601建議編碼主要參數(shù)（4：4：4格式）

參數(shù)625行50場/s制式525行60場/s制式1，編碼信號經(jīng)過γ校正的信號EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB2，各信號的全行樣點數(shù)8648583，取樣結(jié)構(gòu)正交，按場，行，幀重復(fù)，并與此4：2：2標(biāo)準(zhǔn)的亮度樣點重合4，每種信號的取樣頻率13.5MHz5，編碼方式每樣值至少8比特均勻量化PCM6，用樣點表示的數(shù)字有效行長度至少7207，視頻信號電平每樣值共220量化級，黑電平對應(yīng)于第16量化級；8比特的最高有效位峰值白電平相應(yīng)于第235量化級（MSB）量化級之間的在量化等級中部共分224級，零電平對應(yīng)128級對應(yīng)值（范圍：0—255）數(shù)字電視唐明光教授ITU-R601建議演播室分量編碼主要參數(shù)(4∶2∶2格式)參

數(shù)625行50場/s制式525行60場/s制式1、編碼信號Y、R-Y、B-Y2、全行樣點數(shù)

亮度信號(Y)864858

每個色差信號(R-Y、B-Y)432429

3、取樣結(jié)構(gòu)正交，場、行、幀重復(fù)，R-Y和B-Y的樣點同位，并和每行第奇數(shù)個(1，3，5...)Y樣點同位4、取樣頻率

亮度信號13.5MHz

每個色差信號6.75MHz5、編碼方式線性PCM、8比特量化/每個取樣值6、每數(shù)字有效行數(shù)樣點數(shù)

亮度信號720

每個色差信號3607、視頻信號電平與量化級間的對應(yīng)值

亮度信號

每個色差信號

共22個量化級，黑電平對應(yīng)量化級16；峰值白電平對應(yīng)量化級235在量化等級中間部，共分224級，零電平對應(yīng)于128級

數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視信號的碼率1）標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視（SDTV）：在ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)中，采用10bit量化時，亮度信號的碼率為取樣頻率X量化比特數(shù)=13.5MHzX10bit=135Mbps2個色差信號的碼率為2X6.75MHzX10bit=135Mbps

SDTV的總碼率為亮度信號碼率+2個色差信號碼率=135Mbps+135Mbps=270Mbps

數(shù)字電視唐明光教授2）高清晰度電視（HDTV）：在SMPTE274M數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，采用10bit量化時，亮度信號的碼率為取樣頻率X量化比特數(shù)=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2個色差信號的碼率為2X37.125MHzX10bit=742.5Mbps

HDTV的總碼率為亮度信號碼率+2個色差信號碼率=742.5Mbps+742.5Mbps=1485Mbps數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視信號的有效碼率

有效碼率（視頻有效碼率）：

1）標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率

是指在單位時間內(nèi)與視頻信號有關(guān)的數(shù)據(jù)量。因為在電視信號的水平和垂直消隱期間內(nèi)沒有視頻信號，所以有效碼率一般只是碼率的60%--80%。

在ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)中，8bit量化時，NTSC（480/60i）亮度信號的有效碼率為：每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻=720X480X8X30=82.944Mbps2個色差信號的有效碼率為：2X360X480X8X30=82.944Mbps總有效碼率為：亮度信號有效碼率+2個色差信號有效碼率

=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（480/60i）

數(shù)字電視唐明光教授

PAL（576/50i）亮度信號的有效碼率為：每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻=720X576X8X25=82.944Mbps2個色差信號的有效碼率為：2X360X576X8X25=82.944Mbps總有效碼率為：亮度信號有效碼率+2個色差信號有效碼率

=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（576/50i）

數(shù)字電視唐明光教授

2）高清晰度數(shù)字電視信號的有效碼率

在SMPTE274M數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，采用8bits量化時1080/60i信號格式量度信號的有效碼率為每行的取樣點數(shù)X有效掃描行數(shù)X量化比特數(shù)X幀頻=1920X1080X8X30=497.664Mbps2個色差信號的有效碼率為2X960X1080X8X30=497.664Mbps

總有效碼率為2X497.664=995.328Mbps（1080/60i）1080/50i信號格式的有效碼率為1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i）

數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視技術(shù)中電視系統(tǒng)的表示方法示例1080/60i：1080表示每幀有效掃描行數(shù)，60表示幀頻或場頻，i表示隔行掃描。720/50P：720表示每幀有效掃描行數(shù)，50表示幀頻或場頻，P表示逐行掃描。NTSC制可表示為：480/60iPAL制可表示為：576/50i1080/60i還可表示為：1080/60/2：1720/50P還可表示為：720/50/1：11080/60i還可表示為：1080@60i720/50P還可表示為：720@50P數(shù)字電視唐明光教授五.信源編碼技術(shù)—壓縮編碼技術(shù)1．?dāng)?shù)字視頻壓縮的必要性

HDTV1920×1080顯示格式數(shù)字化后傳輸速率995Mb/SSDTV復(fù)合編碼135Mb/S分量編碼4：2：2216Mb/S存儲：2小時HDTV，存儲量7164Gbit/S2小時SDTV，存儲量972Gbit/S復(fù)合編碼1555Gbit/S分量編碼傳輸：HDTV需1Gb/S信道SDTV需1～2個155Mb/S信道無論對于存儲或傳輸，碼率壓縮都是絕對必要的。數(shù)字電視唐明光教授

2．壓縮編碼方法1)利用圖象時間的相關(guān)性與時間冗余度的壓縮電視圖象中相繼各幀對應(yīng)象素點的值往往相近或相同，具有時間相關(guān)性，找出這些相關(guān)性就可以減小信息量，從而實現(xiàn)與時間有關(guān)的壓縮。

2)利用圖象空間的相關(guān)性與空間冗余度的壓縮一幅圖象相鄰各點的取值往往相近或相同，具有空間相關(guān)性，找出這些相關(guān)性就可以減少信息量，從而實現(xiàn)與空間有關(guān)的壓縮。數(shù)字電視唐明光教授

3)利用事件的統(tǒng)計特性與統(tǒng)計冗余度的壓縮

對經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用短碼組表，對不經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用長碼組表示，則最終用于表示這一串?dāng)?shù)據(jù)的總碼位就減少了。從而實現(xiàn)與統(tǒng)計冗余有關(guān)的壓縮。數(shù)字電視唐明光教授4)利用人眼的視覺特性與視覺冗余度的壓縮人眼的視覺特性：對亮度信號比對色度信號敏感對低頻信號比對高頻信號敏感對靜止圖象比對運動圖象敏感對圖象中水平和垂直線條比對斜線條敏感包含在色度信號、圖象高頻信號和運動圖象中的一些數(shù)據(jù)并不能對增加圖象相對于人眼清晰度作出貢獻(xiàn)，而被認(rèn)為是多余的數(shù)據(jù)，這就是視覺冗余度。壓縮視覺冗余度就是去掉那些相對人眼而言是看不到的或可有可無的圖象數(shù)據(jù)。數(shù)字電視唐明光教授3．基本的圖象壓縮編碼技術(shù)1)分類

冗余度壓縮技術(shù)，無損傷壓縮技術(shù)，無失真，數(shù)學(xué)上可逆。即它是可還原的。

信息量壓縮技術(shù)，有損傷壓縮技術(shù)，有失真，數(shù)學(xué)上不可逆。即它是不可還原的。數(shù)字電視唐明光教授2)圖象壓縮技術(shù)優(yōu)劣評估條件

信息壓縮比：壓縮前后所需的信息存儲量之比

重現(xiàn)圖象精度：重現(xiàn)的圖象與原圖象相比有多大失真

執(zhí)行速度：壓縮算法要多少時間完成

壓縮比增大，圖象損傷程度也隨之加大。

數(shù)字電視唐明光教授

電視節(jié)目制作：壓縮比2：1至8：1Sony數(shù)字Betacam錄象機2.37：1模擬分量錄象機Betacam–SP8：1VCD母盤，壓縮比12：1采用幀內(nèi)壓縮方式，JPEG標(biāo)準(zhǔn)。電視廣播：壓縮比15：1～20：1采用幀間預(yù)測編碼，MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)有線數(shù)字電視壓縮比可加大至30：1，MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視唐明光教授3)基本壓縮編碼方法預(yù)測編碼（DPCM）——差分脈沖編碼調(diào)制DPCM不直接傳送圖象樣值本身，而是對實際樣值與它的一個預(yù)測值之間的差值進(jìn)行再次量化、編碼。

這種方法可消除圖象信號的空間相關(guān)冗余幀內(nèi)預(yù)測）和時間相關(guān)冗余（幀間預(yù)測）。利用象素的相關(guān)性還可進(jìn)一步減小差值。數(shù)字電視唐明光教授

離散余弦變換（DCT）

DCT(DiscreteCosineTransform)是數(shù)碼率壓縮的一種常用的變換編碼方法。DCT是先將整體圖像分成N

N像素塊，然后對N

N像素塊逐一進(jìn)行DCT變換。由于多數(shù)圖像高頻分量較少，相應(yīng)圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加之人眼對高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率，要大大小于傳送像素所用的數(shù)碼率。到達(dá)接收端后通過反離散余弦變換回到樣值。雖有失真，但人眼是可以接受的。數(shù)字電視唐明光教授

游程長度編碼（RunlengthEncoding）

是指一個碼可同時表示碼的值和前面有幾個零。在用之字形讀出方式情況下，出現(xiàn)連零的機會較多，尤其在最后，如果都是零，在讀到最后一個數(shù)后只要給出“塊結(jié)束”（EOB）碼，就可以結(jié)束輸出，從而節(jié)省很多碼率。通常，DCT系數(shù)量化之后，都采用之字形方式讀出。數(shù)字電視唐明光教授

霍夫曼（Hoffman）編碼

霍夫曼(Hoffman)編碼(屬于統(tǒng)計編碼)是可變字長編碼(VLC:Variable-LengthCoding)的一種，相當(dāng)于對概率大的符號給短碼，對概率小的符號給長碼。

數(shù)字電視唐明光教授4．視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)1）H.261標(biāo)準(zhǔn)

1980年CCITT通過為國際標(biāo)準(zhǔn)用于可視電話，P×64Kb/S，P=1～30可變，（64～1920)Kb/S用于會議電視，P≥36

H.261(又稱P

64)是最早的一個碼率壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字電視唐明光教授2）JPEG標(biāo)準(zhǔn)

1986年提出，1992年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)。屬幀內(nèi)壓縮編碼方法，主要用于數(shù)字電視編錄設(shè)備（如非線性編輯系統(tǒng)）。壓縮比：４～32４～5.3接近原始圖象質(zhì)量5.3～11圖象很好,滿足絕大多數(shù)應(yīng)用11～16圖象好,滿足多數(shù)應(yīng)用15～32圖象較好,滿足某些應(yīng)用數(shù)字電視唐明光教授3）MPEG–1標(biāo)準(zhǔn)

?1988年提出，1992年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)

?典型應(yīng)用如VCD等家用數(shù)字音象產(chǎn)品。最高編碼速率1.8Mb/S?實現(xiàn)方法：DCT、運動補償和霍夫曼編碼?信源輸入格式為SIF（SourceInpntFormat），如為CCIR–601格式的信源要轉(zhuǎn)換成SIF格式才能輸入MPEG–1編碼器。數(shù)字電視唐明光教授

4）MPEG–2標(biāo)準(zhǔn)

1988年提出，1994年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)，是專門針對數(shù)字電視（包括SDTV和HDTV）的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG是運動圖像專家組(MovingPicturesExpertGroup)的縮寫，成立于1988年，以建立活動圖像及相應(yīng)音頻的編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2的主級和主類提供720×576(PAL)25幀的ITU–R601建議圖像質(zhì)量。在壓縮比為30∶1或更小時，MPEG-2可以提供廣播質(zhì)量的編碼圖像，MPEG-2也可工作在大壓縮比如200∶1下，效果與MPEG–1相差不大（即與MPEG-1兼容）。a）

MPEG–2是一個系統(tǒng)，它的作用是：對音頻、視頻、數(shù)據(jù)、控制等基本比特流實現(xiàn)復(fù)用提供各種定時及初始化經(jīng)解碼器提供PSI（節(jié)目特定信息）支持有條件接收（CA），隨機接入，數(shù)字存儲和糾錯b）MPEG-2系統(tǒng)輸出兩個數(shù)碼流：

節(jié)目比特流PS，用于相對無誤差的環(huán)境

傳輸比特流TS，用于有噪聲媒質(zhì)數(shù)字電視唐明光教授d）MPEG-2的類與級1、MPEG-2有4種輸入格式，稱為級(Levels或等級)。從有限清晰度的VHS(家用錄像系統(tǒng))質(zhì)量圖像直到HDTV圖像，每一種輸入格式編碼后都有一個相應(yīng)的范圍。除了在源格式提供這種靈活性之外，MPEG-2還有不同的處理方法，稱為類(profiles或?qū)用?，每一類都包括壓縮和使用方法的一個集合。不同的類意味著使用不同集合的碼率壓縮工具。2、MPEG–2共分６類，較高的類編碼更精細(xì)，而且每升高一類將提供前一類沒有使用的附加工具。甲）簡單類(SP)

乙）主類(MP)

丙）信噪比可分級類SNRP丁）空間可分級類SSP戊）高級類(HP)

己）４：２：２格式在主類上的類是信噪比可分級類(SNRP)、空間可分級類(SSP)、高級類和4:2:2格式。這允許將編碼的視頻數(shù)據(jù)分為基本層和另一個或更多的上層信號?；緦颖硎揪幋a圖像的基本數(shù)據(jù)但代表的圖像質(zhì)量較低。上層信號則可用來改進(jìn)信噪比或清晰度。數(shù)字電視唐明光教授e）圖像的4個級別：甲）低級(LL：LowLevel)的輸入格式的像素是ITU-R601格式的1/4，即352×240×30或352×288×25，相應(yīng)編碼最大輸出碼率為4Mb/s。乙）主級(ML：Mainlevel)：輸入格式完全符合ITU-RRec.601格式，720×480×30或720×576×25，輸出最大碼率除高級類和4:2:2外是15Mb/s，高級類主級是20Mb/s，4:2:2是50Mb/s。丙）高1440級(H14L：High–1440Level)：是每行1440有效像素的高清晰度格式。除高級類外，最大輸出碼率為60Mb/s，相應(yīng)的高級類輸出碼率為80Mb/s。丁）高級(HL)：輸入是每行1920有效像素的高清晰度格式，輸出最大碼率為80Mb/s，相應(yīng)的高類輸出碼率為100Mb/s。數(shù)字電視唐明光教授f）MPEG-2的類和級的組合如下圖(常用縮寫表示如MP@ML主類主級、MP@HL主類高級等)。MP@LL352

28830Hz4Mb/s，4Mb級

(Levels)高級(HIGH)1440高級(HIGH-1440)MP@HL1920

115260Hz80Mb/s，128MbMP@H14L1440

115260Hz60Mb/s，64MbSSP@H14L1440

115260Hz60Mb/s，128MbHP@H11440

115260Hz80Mb/s，128MbHP@HL1920

115260Hz100Mb/s，256MbHP@M352

28830Hz20Mb/s，32MbSP@ML720x57615Mb/s，8MbMP@ML720

57630Hz15Mb/s，16MbSNRP@LL352

28830Hz4Mb/s，8MbSNRP@MM720

57630Hz15Mb/s，30Mb主級(MAIN)低級(LOW)

MPEG-2的類和級簡單類信噪比可分級類主類(MAIN)高類(MAIN)(SIMPLE)（SNRSCL)空間可分級類（SPAＳＣＬ）類(Profiles)專業(yè)類(4:2:2)720

60830Hz50Mb/s,16Mb數(shù)字電視唐明光教授在24個所選組合中有12個是獲準(zhǔn)通過的。圖中顯示了每種組合的最大分辨率(水平×垂直)、最大幀速、最高碼速和解碼器必須的緩存容量。

最廣泛采用的類和級是MP@ML和SP@ML。4:2:2是對主類的修改，它用4:2:2色度格式代替了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中其它類所共用的4:2:0格式。由于色差數(shù)據(jù)量增加，故規(guī)定了比主類更高的數(shù)據(jù)率。4:2:2主要用于演播室設(shè)備，故又稱演播室類或?qū)I(yè)類。MPEG-2的色度格式除專業(yè)類外，都是4:2:0(或4:1:1)，圖像類型(除簡單類為I、P外)都是I、P、B。在所有MPEG-2實際實現(xiàn)中應(yīng)指明所選用的組合，由于MP@ML最普及，通常說MPEG-2，就意味著MP@ML。數(shù)字電視唐明光教授g）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本碼流結(jié)構(gòu)

甲）MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)部分：它涉及將一個或多個圖像、聲音和其它數(shù)據(jù)的基本碼流組合成單一或多個碼流，使之便于存貯和傳輸。定義了一套系統(tǒng)指標(biāo)是為了把視頻、音頻壓縮過程結(jié)合在一起而設(shè)置的。系統(tǒng)層中的信息流通方式如下：首先，數(shù)據(jù)從視頻、音頻編碼器而來，稱為基本碼流(ES)，然后，ES被分別打包，形成兩個打包的基本碼流(PES)，

再后，PES被復(fù)接成一個節(jié)目碼流(PS)和一個傳輸碼流(TS)，附圖給出了MPEG-2系統(tǒng)的簡化總體結(jié)構(gòu)。

數(shù)字電視唐明光教授

兩種比特流的區(qū)別：

節(jié)目碼流（PS）用于誤碼比較小的傳輸或存貯媒介，節(jié)目碼流可以是固定碼率也可以是可變碼率，其數(shù)值在系統(tǒng)時鐘參考(SCR)中定義，為本地應(yīng)用相對于無誤碼的環(huán)境設(shè)計；

傳輸碼流（TS）用于誤碼比較大的傳輸或存貯媒介，其碼率可以是固定的或不固定的，其數(shù)值在節(jié)目時鐘參考(PCR)中定義。它是為廣播應(yīng)用而設(shè)計，即TS是為易誤碼的環(huán)境和有較高比特差錯概率的噪聲媒質(zhì)設(shè)計的，那里往往需要把幾個信道集合成一束數(shù)據(jù)。TS用在廣播系統(tǒng)和長距離網(wǎng)絡(luò)中。在TS中可以包括多個節(jié)目。因此接收TS時首先要解復(fù)用。PS和TS是各針對一類應(yīng)用而設(shè)計的。都以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)。PS的包長可變，通常較長；TS的包長固定為188字節(jié)，包頭4個字節(jié)，184個凈荷字節(jié)。并可與ATM適配。數(shù)字電視唐明光教授

MPEG-2系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)視頻PES音頻PES系統(tǒng)規(guī)定的擴展PS復(fù)用TS復(fù)用節(jié)目碼流PS傳送碼流TS打包器打包器視頻編碼視頻數(shù)據(jù)音頻數(shù)據(jù)音頻編碼視頻ES音頻ES數(shù)字電視唐明光教授

MPEG-2的同步

MPEG算法提供一定的定時方法，保證視音頻的同步。MPEG-1為解碼器制定了兩個時鐘：系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR）顯示時間標(biāo)記（PTS）MPEG-2為解碼器制定了三個時鐘：系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR）顯示時間標(biāo)記（PTS）節(jié)目時鐘基準(zhǔn)（PCR）

系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)（SCR）：90KHz，即一天24小時中產(chǎn)生7.8x10E9個時鐘。

為保持SCR對視音頻的一致性，MPEG視頻及音頻編碼器至少每0.7s（最小值）將SCR插入到MPEG的碼流中。在接收端的系統(tǒng)解碼器中SCR被提取出來，再分別送到視頻、音頻解碼器中。視頻及音頻解碼器使用由系統(tǒng)解碼器送來的SCR值刷新它們的內(nèi)部時鐘。從而與發(fā)送端的編碼器同步。數(shù)字電視唐明光教授

顯示時間標(biāo)記（PTS）：

是與視頻及音頻顯示單元有關(guān)的編碼器系統(tǒng)時鐘的樣本，顯示單元是一個解碼的視頻或音頻時間序列。PTS代表了視頻圖像被顯示的時間或音頻時間序列的起始回放時間。

編碼器至少每0.7s（最小值）將SCR插入一個PTS到MPEG碼流中。PTS用于通知解碼器何時顯示一個已解碼的圖像幀，由于一個PES包對應(yīng)一幀圖像，因此每個PES包中均應(yīng)設(shè)定與該圖像幀對應(yīng)的PTS值。

節(jié)目時鐘基準(zhǔn)（PCR）：僅應(yīng)用在MPEG-2中。PCR用在傳送碼流（TS）中（如像SCR被用在MPEG-1的系統(tǒng)碼流中一樣），由于每個節(jié)目均有其本身的時鐘基準(zhǔn)，故包含多個節(jié)目的傳送碼流（TS），對每個節(jié)目各有其本身的PCR域值。數(shù)字電視唐明光教授MPEG-2編/解碼器接口

MPEG-2數(shù)據(jù)信號的三種接口：同步并行接口（SPI）同步串行接口（SSI）異步串行接口（ASI）

三種接口連接的設(shè)備：QPSK解調(diào)器、QAM調(diào)制器、復(fù)用器、解復(fù)用器、電信網(wǎng)絡(luò)適配器。

三種接口采用的傳送包結(jié)構(gòu)：204/188

數(shù)字電視唐明光教授同步并行接口（SPI）應(yīng)用：用于數(shù)據(jù)速率可變的并行傳輸系統(tǒng)，主要用于設(shè)備較多的環(huán)境。同步：數(shù)據(jù)傳輸通過MPEG-2傳輸流中的字節(jié)時鐘來同步。傳輸鏈路：傳輸輸送鏈路采用LVDS（低壓差分驅(qū)動）、25針D型超小型連接器。信號格式：SPI信號是將時鐘、數(shù)據(jù)和同步信號并行傳輸，即8個數(shù)據(jù)位、1個MPEG-2包同步（PSYNC）信號、1個數(shù)據(jù)有效（DVALID）信號，一共10bits一起并行傳輸。所有信號均與時鐘信號同步，且以非歸零碼（NRZ）形式編碼。時鐘信號頻率fp=fu/8（包長為188字節(jié)）；fp=（204/188）fu/8fp（包長為204節(jié)）。fu對應(yīng)于MPEG-2傳送層的有用比特率Ru，時鐘信號頻率fp<=13.5MHz。數(shù)字電視唐明光教授

異步串行接口（ASI）：應(yīng)用：ASI僅用于點對點鏈路。ASI協(xié)議結(jié)構(gòu)：三層結(jié)構(gòu)，第0層為物理層：規(guī)定傳輸媒介、驅(qū)動器、接收器、傳輸速率。物理接口有LED驅(qū)動的多模光纖和同軸電纜兩種。光纖連接器符合IEC874-14的SC型連接器，同軸電纜連接器為BNC型?；緜鬏斔俾识x為270Mb/s（傳輸信道速率）。第1層為數(shù)據(jù)編碼層：規(guī)定串行編碼規(guī)則、專用字符及差錯控制。編碼采用8B/10B傳輸碼；差錯校驗由無效傳輸碼點和“游程”不等性來實現(xiàn)；專用字符定義為編碼數(shù)據(jù)字節(jié)未用的附加碼點。第2層為MPEG-2層：定義傳送包同步、傳送包格式、傳送包定時。由MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

數(shù)字電視唐明光教授

同步串行接口（SSI）：

同步串行是指以不同速率的串行輸出方式，其傳輸速率與數(shù)據(jù)速率相等。應(yīng)用：幾條鏈路級聯(lián)的多級傳輸鏈路。SSI協(xié)議結(jié)構(gòu)：三層結(jié)構(gòu)，第0層為物理層：規(guī)定傳輸媒介、驅(qū)動器、接收器。第1層為數(shù)據(jù)編碼層：規(guī)定與傳輸媒介無關(guān)的編碼處理，保證全透明地進(jìn)行串行或解串行處理。第2層為傳送協(xié)議層：符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字電視唐明光教授

HD-SDI高清晰度串行數(shù)字分量接口:

HDTV使用符合SMPTE292M標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)字分量接口傳輸數(shù)字分量電視信號及其內(nèi)嵌的多路數(shù)字音頻信號,其取樣頻率為國為74.25MHz,量化電平10bits,碼率為1485Mbps。使用75ΩBNC連接器和75Ω同軸電纜，用8281電纜時最大傳輸距離100米。數(shù)字電視唐明光教授

5）MPEG–4標(biāo)準(zhǔn)

?1993年提出，2000年公布為國際標(biāo)準(zhǔn)。

?與MPEG–1和MPEG–2有很大不同，它更基于內(nèi)容的交互性，高的壓縮率和靈活多樣的存取模式。目前主要用于流媒體。數(shù)字電視唐明光教授

6)H.264

1999年開始制定，預(yù)計2004年年底前發(fā)布采用H.264標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品2005年將大批面市H.264建立在塊匹配混合編碼基礎(chǔ)上，采取一系列高效壓縮編碼技術(shù)的開放式標(biāo)準(zhǔn)新標(biāo)準(zhǔn)H.264在H.263與MPEG-4基礎(chǔ)上的性能提升，必將對視頻移動通信，視頻流服務(wù)，HDTV等領(lǐng)域的IP視頻傳輸和存儲產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響在相同的PSNR下，平均碼流H.264比MPEG-4降低41%，比H.263降低52%，比MPEG-2降低67%（一套SDTV/6Mbps降低為1.98Mbps)數(shù)字電視唐明光教授5．音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)

1)MUSICAM標(biāo)準(zhǔn)2)AC–3標(biāo)準(zhǔn)3)MPEG–1音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG–1算法的第Ⅱ?qū)樱碝USICAM標(biāo)準(zhǔn)，我國采用。數(shù)字電視唐明光教授

1、MUSICAM編碼MUSICAM編碼的全稱叫做“掩蔽型自適應(yīng)通用子頻帶集成編碼與復(fù)用”。編碼器的輸入信號是每聲道為768kbit/s的PCM數(shù)字化聲音信號，用濾波器組分割成等寬的32個子帶（當(dāng)取樣頻率為48KHz時，子帶寬度為750Hz），將子帶信號進(jìn)行建立在聽覺特性基礎(chǔ)上的自適應(yīng)量化，即可完成人耳察覺不到量化噪聲的高質(zhì)量聲音編碼，再經(jīng)數(shù)據(jù)壓縮成壓縮編碼的數(shù)字音頻信號。解碼器先將數(shù)入的壓縮編碼的數(shù)字音頻信號解壓縮，然后經(jīng)合成濾波器將32個子帶取樣合成為32個音頻取樣，形成PCM樣值。MUSICAM編解碼器原理框圖如下：數(shù)字電視唐明光教授

2，MPEG-1音頻編碼MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)中的ISO/IEC11172-3是1993年公布的音頻壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)有的衛(wèi)星和有線標(biāo)清數(shù)字電視系統(tǒng)的音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)采用MPEG-1第Ⅱ?qū)蛹碝USICAM。MPEG-1音頻壓縮編碼器輸入雙聲道（L、R）PCM數(shù)字音頻信號，用濾波器陣分割成等寬的32個相同大小的子帶，每個子帶的量化和比特分配用心理聲學(xué)模型確定，該模型符合人類聽覺的掩蔽特性。量化后的取樣值與比特因子和其它編碼信息合成為所謂的“幀結(jié)構(gòu)”，由此生成壓縮數(shù)據(jù)流。MPEG-1音頻編碼器原理框圖如下：數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視唐明光教授

MPEG-1算法由層Ⅰ、層Ⅱ、層Ⅲ三種算法構(gòu)成，其共同點是算法都建立在32個子帶編碼的基礎(chǔ)之上，層Ⅰ與層Ⅱ的最大不同是幀長度，層Ⅰ匯集384個取樣加以處理，而層Ⅱ匯集3倍于此的1152個取樣加以處理。層Ⅱ使用較低的比特率，采用較長的幀長度，通道數(shù)為2，取樣頻率是32KHz、44.1KHz、48KHz中的任意一個。層號ⅠⅡⅢ每聲道數(shù)碼率192Kb/s128Kb/s64Kb/s壓縮比1：3.61:5.61:11濾波器子頻帶編碼子頻帶編碼子頻帶編碼+變換編碼頻譜分辨率32個子帶32個子帶32個子帶、18條子帶特征基本算法最佳編碼濾波器組和熵編碼的聯(lián)合應(yīng)用應(yīng)用VCDDAB，DVB-C、S通過ISDN傳送聲音計算機多媒體廣播節(jié)目

數(shù)字電視唐明光教授六.信道編碼和調(diào)制

1．信道編碼

為什么要進(jìn)行信道編碼？信源編碼的碼流不適合在信道中傳輸，必須經(jīng)過某些處理，使之適合在信道中傳輸，這稱為信道編碼。否則，信道中噪聲和失真的影響將導(dǎo)致接收信號質(zhì)量劣化。數(shù)字電視唐明光教授

信道編碼技術(shù)

有線數(shù)字電視信號的信道編碼使用:基于RS碼編碼的前向糾錯（FEC）技術(shù)，為克服信道中的突發(fā)干擾造成的誤碼還采用了字節(jié)交織技術(shù)。

數(shù)字電視唐明光教授

a.能量擴散——頻譜成形隨機化碼流隨機化處理

數(shù)字電視唐明光教授b.RS編碼碼流中加入冗余糾錯碼，形成誤碼保護數(shù)據(jù)包(204,188)。c.卷積交織交織深度I=12，形成相互交迭的誤碼保護數(shù)據(jù)包，以抵抗信道中突發(fā)的干擾。數(shù)字電視唐明光教授

MPEG–2傳輸碼流結(jié)構(gòu)MPEG–2幀結(jié)構(gòu)數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視唐明光教授字節(jié)到符號的映射

經(jīng)信道編碼后的MPEG–2幀仍然是二進(jìn)制碼流，對于QAM調(diào)制，要將二進(jìn)制碼流映射成符號，即進(jìn)行3bit/8電平變換。數(shù)字電視唐明光教授數(shù)字電視唐明光教授2.數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)

1)數(shù)字載波調(diào)制的基本類型數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)是在HFC網(wǎng)中所涉及的把二進(jìn)制數(shù)字/數(shù)據(jù)基帶信號調(diào)制到載波上的技術(shù)。數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)基本類型有:ASK(幅移鍵控)、FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、Q-PSK(4PSK，正交相移鍵控)、QAM(正交幅度調(diào)制).ASK、FSK的圖解分述于后。

數(shù)字電視唐明光教授

幅移鍵控(ASK)，不同幅度代表“1”和“0”，頻率、相位不變。頻移鍵控(FSK)，不同頻率代表“1”和“0”，振幅、相位不變。

ASＫ（幅移鍵控）原理BW=(1+d)

NbaudBW是帶寬Nbaud是波特率d是與線路有關(guān)的因子11100時間時間FSＫ頻移鍵控原理時間11100ASＫ所需帶寬fc（fc+N

baud/2）（fc－N

baud/2）N

baud振幅頻率數(shù)字電視唐明光教授

2)多進(jìn)制的各種組合調(diào)制

數(shù)字信號是由“0”、“1”的編碼信號組成的，當(dāng)傳輸頻帶受到限制時,為了增加信息量，通常采用多相位、多振幅和多頻率的各種組合調(diào)制。只變一個參數(shù)的如:多進(jìn)制相移鍵控;多進(jìn)制幅移鍵控;多進(jìn)制頻移鍵控.兩個參數(shù)以各種組合的方式變化的組合調(diào)制如:正交振幅調(diào)制QAM，殘留邊帶調(diào)幅VSB等.以多進(jìn)制相移鍵控為例:它是以載波的不同相位代表二進(jìn)制碼，而載波的振幅、頻率不變。它的載波相位可以有M個不同的取值。例如M=2、4、8，其余可類推。2相位PSK(2PSK):二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”由兩個相位來代表，相對對于某個參考值，載波電位超前90°代表“1”，遲后90°代表“0”。4相位PSK(4PSK)和8相位PSK(8PSK)，它們的比特數(shù)和各相位間的關(guān)系示于后圖中。

數(shù)字電視唐明光教授

2PSK原理01100(a)波形“0”“1”(b)星坐圖

4PSK星痤圖00111001雙比特00011011相位/°090180270或451351253158PSK星痤圖三比特000001010011100101110111相位/°04590135180225270315110000100010101011001111數(shù)字電視唐明光教授3)正交相移鍵控

在CATV中，常用正交相移鍵控(Q-PSK)、正交振幅調(diào)制(QAM)和殘留邊帶調(diào)幅(VSB-AM)等數(shù)字載波調(diào)制，這些都屬于多進(jìn)制組合調(diào)制方式，載波調(diào)制的基本模型中，大都只改變載波三個參數(shù)中的一個，如果把ASK與PSK結(jié)合起來同時改變兩個參數(shù)，每個又各有x和y種變化，總共有xy種可能變化和對每種變化的比特數(shù)。正交的兩個載波之和可以表示為:Si(t)=aicos(ωct+Qi)+bisin(ωct+Qi)(-T/2≤t≤T/2)(1)若相應(yīng)的Qi=0，±π/2，π(aibi)=(1，0)，(0，1)，(-1，0)，(0，-1)；對于Qi=±π/4，±3π