《電視原理》課件第5章

5.1數(shù)字電視的架構

5.2數(shù)字圖像的格式與表示方法5.3數(shù)字電視信源編碼解碼標準5.4數(shù)字電視系統(tǒng)的信道傳輸標準5.5數(shù)字電視信號調制解調標準5.6數(shù)字電視的音頻編碼解碼標準復習題

5.1.1數(shù)字電視信號的處理過程

數(shù)字電視與模擬電視一樣，仍基于三基色原理傳送視頻圖像序列。

模擬電視信號的數(shù)字化包括取樣、量化和編碼三個過程，如圖5.1所示。5.1數(shù)字電視的架構圖5.1數(shù)字電視系統(tǒng)構成示意圖5.1.2數(shù)字電視的標準體系

數(shù)字電視標準體系中的關鍵技術是信道編碼(傳輸)和信源編碼(音視頻壓縮編碼)。

表5.1列出了三大數(shù)字電視傳輸體系的情況。表5.1美國、歐洲和日本的數(shù)字電視標準傳輸體系5.1.3數(shù)字電視的結構特點

數(shù)字電視接收從結構上可以分成三大部分，數(shù)字電視信號接收轉換單元、數(shù)字視頻音頻信號解碼處理單元、數(shù)字圖像聲音信號顯示輸出單元。

我國SDTV和HDTV系統(tǒng)的圖像分辨力分別為720×576和1920×1080，相應級別顯示器顯示的圖像須至少能達到表5.2列出的圖像清晰度。

表5.3和表5.4分別為通用的標準清晰度和高清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換。表5.2對SDTV和HDTV圖像清晰度的要求電視線表5.3通用的標準清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換表5.4通用的高清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換

MPEG-2視頻編碼標準已包括分級編碼技術。如表5.5所示，MPEG-2視頻編碼標準定義了多種檔次(類別或類，Profile)和級別(級，Level)。其中的檔次除體現(xiàn)彩色空間分辨力外，還劃分了數(shù)據(jù)流的可分級性：信噪比可分級，空間分辨力可分級和時間分辨力可分級。表5.5MPEG-2視頻編碼的檔次和級別圖像格式是一個廣義的概念，一般指電視水平方向和垂直方向的有效像素個數(shù)，但有時將圖像寬高比、掃描方式、色彩表示也列入圖像格式。

有效像素是電視圖像行和場掃描正程包含的像素。5.2數(shù)字圖像的格式與表示方法圖5.2隔行掃描和逐行掃描示意圖表5.6列出了美國ATSC數(shù)字電視廣播系統(tǒng)可選的18種電視圖像格式。其中HDTV有6種不同的分辨力和掃描方式，4種16∶9的SDTV格式，4種4∶3的SDTV格式，4種計算機的VGA格式。理論上這18種格式均可廣播，但需對接收設備規(guī)范播出格式數(shù)目，真正可行的HDTV格式只有1080i和720p，后者分辨力稍低，但對帶寬要求較窄。表5.6美國ATSCDTV廣播系統(tǒng)可選的18種電視圖像格式5.2.1數(shù)字圖像色彩的表示格式

數(shù)字電視系統(tǒng)在發(fā)送端是將Y、CR、CB三個信號分量分別進行采樣，再經過數(shù)據(jù)壓縮編碼后送出，接收端經解壓縮后，再重建R、G、B信號，并根據(jù)相加混色原理，重顯彩色圖像，見圖5.3。圖5.3紅、綠、藍三基色相加混合示意圖圖5.4給出了4∶4∶4、4∶2∶2和4∶2∶0格式數(shù)字分量信號亮度信號和兩個色差信號取樣點與圖像在二維空間上的對應關系。圖5.4數(shù)字分量信號格式示意圖5.2.2數(shù)字視頻圖像的表示方法

1．圖像的取樣

SDTV和HDTV系統(tǒng)的圖像信號取樣頻率分別為13.5MHz和74.25MHz。按取樣定理，理論上，可以傳送的圖像信號最高頻率成分分別為6.75MHz和37.25MHz。

2．圖像的量化和編碼

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，亮度信號和兩個色差信號都采用線性量化。但考慮到可能有幅度超過正常范圍的信號，以及有些碼字還要留作它用等原因，標準規(guī)定，這256個碼字并不都分給編碼圖像信號使用，它們與十進制表示的量化級及模擬圖像信號電平的對應關系如表5.7所示。表5.7數(shù)字電視系統(tǒng)圖像信號量化—編碼關系對照表

3．數(shù)字視頻圖像信號的基本參數(shù)

表5.8中列出了詳細的數(shù)字視頻圖像信號的基本參數(shù)和數(shù)字電視圖像信號在各環(huán)節(jié)上的具體形式和轉換關系。表5.8數(shù)字電視節(jié)目制作及交換用部分視頻參數(shù)續(xù)表數(shù)字電視與模擬電視一樣，仍基于隔行掃描方式傳送圖像信號。在視頻參數(shù)上SDTV和HDTV有很大差別。為利于獲得臨場感，除屏幕尺寸應足夠大以外，采用16∶9顯示更加有利。SDTV和HDTV圖像信號寬高比的不同，使得4∶3的顯示器顯示16∶9圖像，或16∶9的顯示器顯示4∶3圖像，都產生很多問題。表5.8列出了如何將三基色信號轉換成一個亮度信號和兩個色差信號。5.3.1MPEG-2標準概述

MPEG-2標準，即ISO/IEC13818，是運動圖像及其伴音的通用編碼標準。5.3數(shù)字電視信源編碼解碼標準(1)圖像序列(VideoSequence)。

(2)圖像組(GroupofPictures)。

(3)圖像(Picture)。

(4)宏塊條(Slice)。

(5)宏塊(Macroblock)。

(6)塊(Block)。圖5.54∶2∶0宏塊結構圖5.64∶2∶2宏塊結構圖5.74∶4∶4宏塊結構圖5.84∶2∶0亮度和色度值的幾何位置5.3.2MPEG-2的特點

MPEG-2是MPEG-1的擴充、豐富、改進與完善，MPEG-2標準的視頻數(shù)據(jù)位速率為4～15Mb/s，能提供720×480(NTSC)或720×576(PAL)分辨率的廣播級質量的圖像，可用于包括寬屏幕和HDTV在內的高質量電視廣播，其主要特點如下：

(1)?MPEG-2解碼器通常支持MPEG-1和MPEG-2兩種標準。

(2)?MPEG-2的基本分辨率為720×480，傳輸率為30幀/秒，并具有CD級音質。

(3)?MPEG-2有“按幀編碼”和“按場編碼”兩種模式，在MPEG-1中沒有定義電視幀，只支持逐行掃描，不支持隔行掃描。

(4)?MPEG-2允許在一定的范圍內改變壓縮比，以便在畫面質量、存儲容量和帶寬之間作出權衡，它可在30∶1或更低的壓縮比時提供廣播級質量。

(5)?MPEG-2的壓縮比高達200∶1，能夠實現(xiàn)以30幀/秒的速度播放全屏幕影像，實際壓縮比依賴于節(jié)目內容及重放質量，運動及背景變化越多，壓縮比就越低。

(6)?MPEG-2可對分辨率可變的視頻信號進行壓縮編碼，預計傳輸速率將為10Mb/s。5.3.3MPEG-2視頻編碼關鍵技術

MPEG-2同時采用預測編碼、變換編碼和統(tǒng)計編碼技術，它采用多種編碼手段消除系統(tǒng)冗余信息，歸納如下：

(1)利用二維DCT去除圖像空間冗余度。

(2)利用運動補償預測去除圖像時間冗余度。

(3)利用視覺加權量化去除圖像灰度冗余度。

(4)利用熵編碼去除圖像統(tǒng)計冗余度。

(5)在MPEG-l基礎之上增加了可伸縮性、可分級性功能，以適應不同畫面質量、存儲容量及帶寬要求。

1．離散余弦變換(DCT)

2．量化器

3．之型掃描與游程編碼

DCT變換產生的是一個8×8的二維數(shù)組，為進行傳輸，還需將其轉換為一維排列方式。之型掃描(ZigZag掃描)示意圖如圖5.9所示。圖5.9ZigZag掃描示意圖

4．熵編碼

量化僅生成了DCT系數(shù)的一種有效的離散表示，實際傳輸前還需對其進行比特流編碼，產生用于傳輸?shù)臄?shù)字比特流。

5．信道緩存

采用熵編碼產生的比特流的速率隨視頻圖像的統(tǒng)計特性變化，但大多數(shù)情況下傳輸系統(tǒng)的分配頻帶都是恒定的，因此，在編碼比特流進入信道前需設置信道緩存。

6．運動估計

運動估計用于幀間編碼方式時，通過參考幀圖像產生對被壓縮圖像的估計。

7．運動補償

利用運動估計計算出的運動矢量，將參考幀圖像中的宏塊移至水平和垂直方向上的相應位置，即可生成對被壓縮圖像的預測。5.4.1美國ATSC標準

ATSC是美國先進電視制式委員會(AdvancedTelevisionSystemsCommittee)的英文縮寫，該組織制定的美國地面數(shù)字電視標準也稱ATSC標準，該標準是目前世界上采用較廣泛的三種地面數(shù)字電視標準之一。

ATSC發(fā)送端功能框圖如圖5.10所示。5.4數(shù)字電視系統(tǒng)的信道傳輸標準圖5.10ATSC發(fā)送端功能框圖

ATSC接收端對信號進行與發(fā)射端相反的處理，用室外天線接收效果較好。載波用中頻頻率鎖相環(huán)(IFFPLL)由導頻恢復，符號時鐘經同步檢波、A/D及PLL重建，繼而恢復段同步和數(shù)據(jù)場同步信號。ATSC接收端功能框圖如圖5.11所示。圖5.11ATSC接收端功能框圖5.4.2歐洲DVB標準

DVB(DigitalVideoBroadcast)是由歐洲廣播聯(lián)盟(EBU)組織進行的一個數(shù)字視頻廣播項目，后來由歐洲標準化組織(ETSI)將其研究成果形成歐洲國家統(tǒng)一采用的數(shù)字電視標準。

圖5.13為DVB-T接收機功能框圖。其信號處理過程與發(fā)送端相反。圖5.12DVB-T發(fā)送端功能框圖圖5.13DVB-T接收機功能框圖5.4.3日本ISDB標準

日本的衛(wèi)星數(shù)字電視采用ARIBSTD-B20標準，調制方式為8PSK(八相相移鍵控)。有線數(shù)字電視采用ITU－TJ.83C標準，調制方式為QAM(正交幅度調制)。5.4.4我國數(shù)字電視傳輸標準

中國數(shù)字電視國家標準經過長時間的研究、測試和論證，針對中國電視系統(tǒng)的結構特點和數(shù)字電視傳輸?shù)沫h(huán)境特征，制定了數(shù)字電視的衛(wèi)星傳輸標準、有線傳輸標準和地面廣播傳輸標準，并于2006年8月發(fā)布，于2007年8月1日開始實施。發(fā)送端原理框圖如圖5.14所示。輸入數(shù)據(jù)碼流經擾碼(隨機化)、前向糾錯編碼(FEC)、比特流到符號流星座映射和交織后形成基本數(shù)據(jù)塊，再與系統(tǒng)信息組合(復用)，經幀體數(shù)據(jù)處理形成幀體，進而與幀頭(PN序列)復接為信號幀(組幀)，經基帶后處理轉換為基帶輸出信號(8MHz帶寬內)，正交上變頻轉換為射頻信號。圖5.14我國地面數(shù)字電視系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖數(shù)字電視信號根據(jù)不同的傳輸信道，需要采取相應的調制方法，才能有效地實現(xiàn)信號的發(fā)送與傳輸。針對地面無線廣播信道的特點，地面數(shù)字電視系統(tǒng)通常采用多電平殘留邊帶(VSB)調制方式，使用較多的是8-VSB，和編碼正交頻分復用(COFDM)。數(shù)字調制的星座圖如圖5.15所示。5.5數(shù)字電視信號調制解調標準圖5.15數(shù)字調制的星座圖5.5.1殘留邊帶(VSB)數(shù)字調制

對于廣播電視來說，調制載波的帶寬應盡量窄，以便在規(guī)定的波段內能容納更多的電視頻道數(shù)，所以目前的模擬電視廣播一律都采用調幅的殘留邊帶發(fā)射。

為此，接收機應采用圖5.16所示的幅頻特性，即圖像中頻的相對增益為50%，而圖像中頻兩端的頻率特性為一斜線，所占頻寬為0.75MHz，以此來補償殘留邊帶的固有缺點。圖5.16殘留邊帶接收機中放幅頻特性5.5.28電平殘留邊帶(8-VSB)調制

VSB是模擬電視采用的調制方式。8-VSB是8電平殘留邊帶調制，它把串行數(shù)字信號按照8電平變換，形成8電平數(shù)字基帶信號，然后加上載波，經模擬濾波器，從調制信號中取出上邊帶的一部分，形成單邊帶調制信號。圖5.18表示8電平數(shù)字信號的雙邊帶頻譜，這樣的頻譜傳輸需要非常大的帶寬，顯然不適合通過信道發(fā)送。所幸的是，從該信號頻譜可以看出，相對于中心頻率的兩個邊帶是對稱鏡像的，也就是說，該頻譜的下邊帶與上邊帶完全相同，并且，兩邊每個孤立部分的頻譜與中心頻率處的頻譜形狀相同，這說明該信號頻譜中有大量的冗余成分可以去除。

圖5.17數(shù)字基帶信號圖5.188電平數(shù)字信號的頻譜

ATSC中8-VSB的參數(shù)設定見圖5.19。由于是8電平映射，即每個傳輸符號可攜帶3?bit數(shù)字信息，進入8-VSB調制的數(shù)據(jù)傳輸速率為32.28Mb/s，經8電平映射的符號傳輸速率為32.28/3?=?10.76?Msymbol/s，即每秒10.76?MSymbol。圖5.198-VSB殘留邊帶參數(shù)5.5.3正交相移鍵控(QPSK)調制

QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)調制稱為正交移相鍵控或四相絕對移相調制，它不使用載波信號的頻率或幅度來攜帶信息，而用載波的相位攜帶信息，即對載波信號的相位進行調制。我們把相繼兩個碼元的4種組合(00，01，10，11)對應于正弦波的4個相位，載波相位表示為4種相位狀態(tài)之一，即一個符號，每個符號包含2bit數(shù)據(jù)。

圖5.20是QPSK信號的矢量圖(星座圖)和波形圖。

QSPK正交調制器方框圖如圖5.21所示。圖5.20QPSK星座圖和波形圖圖5.21QSPK正交調制器5.5.4正交幅度調制(QAM)

在二進制ASK系統(tǒng)中，其頻帶利用率是1(bit/s)/Hz，若利用正交載波調制技術傳輸ASK信號，可使頻帶利用率提高一倍。能夠完成這種任務的技術稱為正交幅度調制(QAM)。它是利用正交載波對兩路信號分別進行雙邊帶抑制載波調幅形成的，通常有二進制QAM、四進制QAM(16QAM)、八進制QAM(64QAM)等。

圖5.22是16QAM和32QAM的星座圖。圖5.2216QAM和32QAM的星座圖圖5.23中，串-并變換器將速率為Rb的輸入二進序列分成兩個速率為Rb/2的兩電平序列，2?-?L電平變換器將每個速率為兩電平序列變成速率為(Rb/lbM)的L個電平信號，然后分別與兩個正交的載波相乘，相加后即產生MQAM信號(在64QAM調制時M?=?64)。圖5.23QAM調制與解調器框圖5.5.5正交頻分復用(OFDM)和

編碼正交頻分復用(COFDM)

1．正交頻分復用

正交頻分復用(OFDM)是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術，該技術的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)，并對不同的載波進行調制。

2．OFDM的算法理論與基本系統(tǒng)結構

由上面的原理分析可知，若要實現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號作為子載波。

OFDM調制器如圖5.24所示。圖5.24OFDM調制和解調基本原理

3．編碼正交頻分復用(COFDM)

COFDM指在多載波的OFDM傳輸前，對傳輸數(shù)據(jù)進行前向糾錯編碼，提高信道傳輸?shù)目垢蓴_能力，故稱為編碼正變頻分復用。在許多文獻中，OFDM和COFDM這樣的術語經常交替使用，沒有嚴格的區(qū)分。5.6.1數(shù)字電視音頻信號特征分析

音頻信號與語音信號不同，為獲得高質量的音頻享受，對音頻信號進行數(shù)字化處理時，必須要保證有足夠高的取樣率、足夠高的幅度分辨率及足夠大的動態(tài)范圍，因此數(shù)字音頻信號的分辨率大約為16～24?bit，甚至有32?bit。5.6