数字电视信号基础概念

数字电视基础 数字电视的基础知识数字电视信号的产生数字电视信号的数码率压缩的可能性 必要性数字电视信号的编码数字电视信号的压缩标准数字电视信号误码控制数字电视信号传输标准 数字电视基础知识 数字电视技术是近20年来发展最快的技术之一 总体来看 数字电视技术的发展经历了三个主要阶段 第一阶段 在20世纪80年代以前 当时以研究开发单独的局部设备为主 投入使用的有数字时基校正器 DTBC 数字帧同步机 DFS 数字特技机 DVE 等 第二阶段 是在80年代到90年代 这一阶段的特点是开发成功了数字整机电视设备 如数字录像机 数字信号处理摄像机等 数字电视基础知识 第三阶段 是在90年代以后 在这一阶段 数字电视技术已开始从单个设备向整个系统发展 一些研究机构提出了全数字化的数字电视广播标准 如欧洲的DVB格式 美国的ATSC格式等 而且数字电视技术与高清晰度电视技术结合在一起 一些发达国家已经开始进行数字电视或数字高清晰度电视系统的试播 数字电视基础知识 什么叫数字电视 数字电视有什么好处 所谓数字电视 就是将模拟电视信号经取样 量化和编码后转换成用二进制数表示的数字信号 然后进行各种处理 如编码 调制 传输 存储等 采用数字技术不仅可以使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的性能 而且还可以实现模拟技术不能实现的新功能 数字电视基础知识 数字电视的优点 信号经过多次复制 转接和远距离传输时 不会有干扰和失真的积累 信躁比好 抗干扰性能强 图像质量好 数字电视系统主要由数字集成电路组成 系统的性能和可靠性可望大幅度提高 它可以实现模拟电视不易实现的功能 譬如 时轴处理 制式转换 特技等功能 它也易于实现电视信号的实时处理 以完成图像质量的改善 压缩频带 二维滤波等功能 在传输中 它易于将图像信号和伴音信号时分复用 充分利用数字传输的优越性 数字电视基础知识 6 信号杂波比和连续处理的次数无关 7 可避免系统的非线性失真的影响 8 数字设备输出信号稳定可靠 9 易于实现信号的存储 而且存储时间与信号的特性无关 10 由于采用数字技术 与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整 11 数字技术可充分利用信道容量 利用电视信号中行 场消隐时间 可实现文字多工广播 Teletext 数字电视基础知识 12 压缩后的数字电视信号经数字调制后 在开路广播时 可抗多径干扰 收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量 13 可以合理地利用各种类型的频谱资源 14 很容易实现加密 解密和加扰 解扰技术 便于增值应用 开展各类收费业务 15 具有可扩展性 可分级性和互操作性 便于在各类通信网络中传输 也便于与计算机网络联通 数字电视信号的产生 数字信号的产生 从摄像机光电转换后得到的电视信号都是模拟信号 将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模 数 A D 转换过程 模 数转换包含三个过程 即取样 量化及编码 其中 取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号 量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值 而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码 数字电视信号的产生 将模拟信号变换成数字信号称为模 数 A D 转换 最基本的方法是所谓脉冲编码调制 PCM 运用该方法实现电视信号的数字化需要三个步骤 抽样 量化和编码 抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来的时间上连续的信号 也就是在时间上将模拟信号离散 其理论基础是奈奎斯特抽样定理 数字电视信号的产生 量化是用有限个幅度近似原来连续变化的幅度值 把模拟信号的幅度离散化 编码则是按照一定的规律 把量化后的值用数字表示 然后转换成二值或多值的数字信号流 这样得到的数字信号可以通过电缆 微波干线 卫星通道等数字线路传输 数字电视信号的产生 在接收端则与上述模拟信号数字化过程相反 再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号 称为数模 D A 转换 将输入的每一位数字量转换为与其相对应的模拟量 各位对应的模拟量相加则得到D A转换器的输出 模拟输出与数字量输入成正比 一般的D A转换器都是根据这一原理设计的 图 数字电视信号的产生 D A转换基本原理 数字信号的产生 根据电视信号的特点 其数字化的方式有两种 即复合编码方式和分量编码方式 复合编码方式 将彩色电视信号作为一个整体进行取样 量化和编码 得到一个数字复合电视信号 分量编码方式 对亮度信号和两个色差信号分别进行取样 量化和编码 得到三个数字分量电视信号 数字信号的产生 复合编码的优点是码率低些 设备较简单 适用于在模拟系统中插入单个数字设备的情况 它的缺点是由于数字电视的取样频率必须与彩色副载波频率保持一定的关系 而各种制式的副载波频率各不相同 难以统一 采用复合编码时由取样频率和副载波频率间的差拍造成的干扰将影响图像的质量 数字信号的产生 取样频率 在选择取样频率时 要考虑以下几个方面 取样频率 fs 必须大于或等于信号最高频率 fm 的二倍取样频率选取为色副载波的整数倍 即fs nfsc 这样可避免取样信号与色副载波的高次谐波产生的差拍成分串入视频信号中形成网纹干扰 取样频率还必须是行频的整数倍 这样才能实现固定正交取样结构 数字信号的产生 取样结构 固定正交结构 固定正交取样结构 每一行的样点正好处于前一场和前一行样点的正下方 而且与前一帧的样点重合 数字信号的产生 量化 量化过程是把取样后的信号幅值归并到有限个幅度等级上 并用一个相应的数据来表示 归并过程使得量化后的信号幅度与取样信号实际幅度之间有偏差 这称为量化误差 量化误差的存在会使重现图像上产生杂波干扰 称为量化杂波或量化噪声 为了使量化后的电视信号具有足够的信噪比 应尽量减小量化误差 即尽量增加量化级数 在电视信号的模数转换过程中 如果要保证实际图像的量化信噪比大于50dB 则量化级数至少应为256级 即量化比特数为8比特 在有些应用场合 量化比特数可达10比特或更高 这时可得到量化信噪比更高的信号 不过 量化级数增加后 量化比特数也相应增加 导致数码率的增加 这会给后续的信号处理和传输带来很多困难 数字信号的产生 编码 编码过程是将量化后的取样值用一组二进制码表示 例如 设量化级数为256级 0 255级 即8比特量化 若用自然二进制码方式进行编码 则对应这256个量化值 就可用00000000 11111111这一组二进制码表示 经过取样 量化和编码之后 原模拟电视信号就变成了由一系列 0 1 组成的数据流 数字信号的产生 分量编码的优点是编码与制式无关 分量编码方式是将亮度信号和色差信号分别进行取样 量化和编码 因此不需考虑色副载波的影响 只要抽样频率与行频有一定的关系 便于制式转换和统一 而且由于Y R Y B Y 分别编码 可采用时分复用方式 避免亮色互串 可获得高质量的图像 在分量编码中 亮度信号用较高的码率传送 两个色差信号的码率可低一些 但总的码率比较高 设备价格相应较贵 数字信号的产生 根据亮度信号和两个色差信号取样频率及取样结构之间的关系 分量编码方式可分为4 2 2 4 4 4 4 1 1和4 2 0四种 4 2 2编码方式 亮度信号的取样频率为13 5MHz 两个色差信号的取样频率均为6 75MHz 显然 这种方式下色差信号的水平分解力是亮度信号的一半 4 2 2编码方式广泛应用于演播室节目制作和传输中 数字信号的产生 4 4 4编码方式 亮度信号和两个色差信号 或R G B信号 的取样频率均为13 5MHz 且取样结构完全相同 这种方式下 三个信号具有相同的水平和垂直分解力 这种方式一般用在对R G B信号进行数字化的场合 4 1 1编码方式 亮度信号和两个色差信号的取样频率分别为13 5MHz 3 375MHz 3 375MHz 因此两个色差信号在垂直方向上的分解力与亮度信号相同 但在水平方向上的分解力是亮度信号的1 4 数字电视信号的数码率 数码率 在单位时间内传送的数据量 在实时传输情况下 数码率等于取样频率与量化比特数的乘积 在数字电视中 数码率的单位通常为Mbps 即兆比特 秒 量化级数越多 信躁比越高 但量化级数增加后 量化比特数也相应增加 导致数码率的增加 这会给后续的信号处理和传输带来很多困难 取样频率越高 量化比特数越大 数码率就越高 所需要的传输带宽就越宽 数字电视信号的数码率 SDTV系统的数码率 复合编码方式 采用8比特量化时 数码率为 17 72 MHz 8 bit 141 76Mbps采用10比特量化时 数码率为 17 72 MHz 10 bit 177 2Mbps4 2 2分量编码方式 当采用10比特量化时 亮度信号的数码率为 13 5 MHz 10 bit 135Mbps两个色差信号的数码率为 2 6 75 MHz 10 bit 135Mbps所以总的数码率为 亮度信号数码率 色差信号数码率 270Mbps 数字电视信号的数码率 HDTV系统的数码率 4 2 2分量编码方式 采用10比特量化时 亮度信号的数码率为 74 25 MHz 10 bit 742 5Mbps两个色差信号的数码率为 2 37 125 MHz 10 bit 742 5Mbps所以总的数码率为 亮度信号数码率 色差信号数码率 1485Mbps 压缩的可能性 必要性 数字电视信号为什么要压缩 电视信号数字化后有很多优点 但同时也有一个缺点 即数码率很高 例如4 2 2编码 8比特量化的SDTV信号数码率为216Mbps 则传输这样一路数字电视信号需要有108MHz的通道带宽 而对于10比特量化的HDTV信号来说 其数码率达到1485Mbps 所需的传输通道带宽高达742 5MHz 因此 若不采取措施 这样的信号无法在一般的通道中传输 更无法在现有电视的6MHz带宽中传输 压缩的可能性 必要性 数据量非常大之后 除了信号传输有问题外 信号的存贮也有问题 在4 2 2编码 8比特量化情况下 一帧SDTV图像的数据量约为8 6Mb 要记录10分钟的电视节目就需要130Gb的存储器容量 记录10分钟HDTV的节目需要891Gb的存储器容量 可见 若不压缩数据量 就无法在普通的存储设备上实现数字电视信号的存储 要实现数字电视信号的有效存储和传输 就需要采取措施降低其数据量和数码率 也就是说要设法对数字电视信号进行压缩 通常将这一过程称为信源编码 压缩的可能性 必要性 压缩的可能性 电视信号压缩的目的是减小数据量 降低信号传输的数码率 压缩过程实际上就是去除图像中那些与信息无关或对图像质量影响不大的部分 即冗余部分 根据电视信号的特点及人眼的视觉特性 电视信号中存在很多的冗余部分 去除图像中那些与信息无关或对图像质量影响不大的部分 这就为图像压缩提供了可能性 电视信号的冗余性表现在以下几个方面 时间和空间相关冗余 视觉冗余 熵冗余 电视信号的冗余表现在以下几个部分 压缩的可能性 必要性 空间相关性 对于大多数电视图像来说 相邻像素之间 相邻行之间图像内容变化很小 即具有很大的相关性 或称相似性 这种相关性称为电视信号的空间相关性或帧内相关性 时间相关性 电视信号是利用人眼的视觉特性 借助于快速传送相关画面的方式来再现活动画面的 因此在相邻场或帧的对应像素间也存在很强的相关性 称之为时间相关性或帧间相关性 时间和空间相关性造成了电视信号的冗余 减少这些冗余就可以实现图像压缩 压缩的可能性 必要性 人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检验标准 对于人眼难以识别的数据或对视觉效果影响甚微的数据 都可认为是多余的数据 可以省去 这些多余部分就是视觉冗余 例如 通过对人眼视觉特性的研究 发现人眼对静止或缓慢运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力很高 而对快速运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力却较低 人眼在观察大面积像块时 对灰度等级分辨力很高 而对轮廓细节的分辨力则较低 这些说明人眼接收综合信息的速率有限 数字电视信号的压缩编码 数字电视信号经压缩后可大大降低数码率 所要求的传输带宽也随之降低 压缩后的一路数字电视信号可在通常的模拟电视频道内传输 而且还可在一个频道内传输多套 4 6套 数字电视节目 因此 信源压缩编码为数字电视信号的传输提供了可能性 如上所述 电视信号存在多方面的冗余性 因此压缩时采用的编码方式也有多种多样 这些方式可从不同角度进行分类编码 数字电视信号的压缩编码 无损压缩编码 也称可逆压缩编码或信息保持编码 采用这种编码方式可使接收端解码后的信息量与发送端原信息量完全相同 因此再现的图像也与原图像严格一致 也即压缩后的图像完全可以恢复或无损伤 有损压缩编码 这种方法在编码过程中会损失一部分信息 因此接收端解码后再现的图像质量会比原图像质量有所降低 即压缩后图像有损伤 不能完全恢复 但如果视觉上能够接受甚至觉察不出质量的降低 则这种压缩就是可行的 这种压缩主要以消去视觉冗余信息为前提 可根据图像质量标准来选定数据压缩的程度 数字电视信号的压缩编码 帧间压缩编码 又称时间冗余压缩编码 此方式在相邻帧之间进行 它利用了电视图像信号的时间相关性来消除相邻帧之间的冗余信息 这种方式对于静止图像或缓慢运动图像有很强的压缩能力 但对于快速运动图像 由于其时间相关性降低 因此压缩能力也相应减弱 帧内压缩编码 又称空间冗余压缩编码 这种编码方式是在一帧 或一场 内进行的 它利用了电视图像信号的空间相关性来消除一帧 或一场 内图像的冗余信息 在画面细节较少的情况下 这种方式可实现较大的数码率压缩 数字电视信号的压缩编码 预测编码 预测编码的目的是消除图像信息的空间相关性 帧内预测 和时间相关性 帧间预测 编码时可从不同区域选取参与预测的像素 如果只选取前一个像素来预测当前像素 称为前值预测 若选取同一行内前几个像素来预测当前像素 称为一维预测 若选取同一行及上一行内若干个像素来预测当前像素 称为二维预测 上述几种预测方式都属于帧内预测 如果除了选取同一行及上一行内相邻像素外 还选取上一帧相关位置上的像素来预测当前像素 则称为三维预测 也即帧间预测 数字电视信号的压缩编码 变换编码 变换编码是利用图像在空间分布上的规律性来消除图像冗余的另一种编码方式 它将原来在空间域内描述的图像信号利用数学运算变换成在另一变换域内描述的信号 在空间上相关性很强的图像信号在变换域上表现为在某些特定区域内能量很集中 即变换系数矩阵具有某种规律性 利用这一规律性即可实现数据压缩的目的 数字电视信号的压缩编码 熵编码 熵编码是一种无损压缩编码方式 若信源熵小于平均码长 则存在熵冗余 熵编码的目的就是去除熵冗余 使平均码长接近熵值 从而实现压缩码率 熵编码的基本思想是对出现概论大的符号 携带较少的信息量 用短的码字编码 对出现概论小的符号 携带较多的信息量 用长的码字编码 这样可使对不同符号编码的平均码长接近于信源熵 数字电视的压缩标准 数字视频信号格式种类繁多 按信号标准区分SDTV标准清晰度 HDTV高清晰度 按扫描行数区分有525行 625行 1125行 1250行等 按扫描方式区分有逐行扫描和隔行扫描等 SDTV 一般是指对传统的模拟电视 如NTSC PAL等 信号进行数字化后得到的信号 标准清晰度数字电视系统具有和模拟电视系统相同或相似的扫描格式和参数 HDTV 是新一代的电视系统 其性能和指标都远远超过了标准清晰度电视 扫描格式及参数也完全不同于传统的模拟电视系统 数字电视的压缩标准 JPEG标准 JPEG是联合图片专家组 JointPhotographicExpertsGroup 的简称 此方案于1992年被正式批准为国际标准 成为现在的JPEG静止图像压缩标准 JPEG的基本算法是 首先将一幅静止图像分成若干个8 8的象素块 对每一个象素块进行DCT变换和系数量化 并利用Z形扫描形成一维量化系数序列 然后对每一象素块的直流系数进行差值脉冲编码 DPCM 即对本象素块直流系数与前一象素块直流系数的差值进行无损编码 而对交流系数进行有损的游程编码 RLC 并在最后加上块结束码 EOB 最后对直流差值码和交流游程码再进行可变字长的霍夫曼 Huffman 编码 数字电视的压缩标准 MPEG是活动图像专家组 MovingPictureExpertGroup 的简称 成立于1988年 负责制定视频及其伴音的编码标准 该组织于1990年9月完成了视频算法的定义 于1991年11月提出了编码的建议草案 主要用于活动图像及其伴音压缩标准 比特率为1 5Mbps 这一草案于1992年下半年被正式批准为国际标准 数字电视的格式 压缩标准 MPEG1的输入信号格式为SIF格式的视频及其伴音 采用逐行扫描方式 速率为1 5Mbps 主要应用于交互式多媒体系统中 MPEG1在1 2Mbps速率下压缩 解压缩SIF格式 视频质量可以和用VHS录象机记录的模拟视频的质量相媲美 在我国较为普及的VCD采用的就是MPEG1压缩标准 应用范围 应用MPEG 1技术最成功的产品非VCD莫属了 VCD作为价格低廉的影像播放设备 得到广泛的应用和普及 MPEG 1也被用于数字电话网络上的视频传输 如非对称数字用户线路 ADSL 视频点播 VOD 以及教育网络等 数字电视的压缩标准 MPEG2是1994年公布的另一视频压缩标准 主要用于数字电视 实际上 MPEG2是MPEG1的兼容扩展 可广泛用于各种速率 2 20Mbps 和各种分辨率的情况 而且可接受隔行扫描的输入信号 MPEG2的基本算法也是基于运动补偿的预测和带有DCT的帧间内插编码 与MPEG1的主要区别是 MPEG2支持场预测和帧预测 允许4 2 2和4 4 4色度再取样等 数字电视的压缩标准 技术特点 MPEG 2制定于1994年 设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率 MPEG 2所能提供的传输率在3MB 10MB s间 在NTSC制式下的分辨率可达720 486 MPEG 2能够提供广播级的视像和CD级的音质 MPEG 2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道 以及一个加重低音声道和多达七个伴音声道 MPEG 2的另一特点是 可提供一个较广范围的可变压缩比 以适应不同的画面质量 存储容量以及带宽的要求 应用范围 MPEG 2技术是DVD的标准技术 现在DVD播放器也开始在家庭中普及起来了 除了作为DVD的指定标准外 MPEG 2还可用于为广播 有线电视网 电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频 数字电视的压缩标准 MPEG 2的编码图像被分为三类 分别称为I帧 P帧和B帧 I帧图像采用帧内编码方式 即只利用了单帧图像内的空间相关性 而没有利用时间相关性 P帧和B帧图像采用帧间编码方式 即同时利用了空间和时间上的相关性 P帧图像只采用前向时间预测 可以提高压缩效率和图像质量 P帧图像中可以包含帧内编码的部分 即P帧中的每一个宏块可以是前向预测 也可以是帧内编码 B帧图像采用双向时间预测 可以大大提高压缩倍数 为更好地表示编码数据 MPEG 2用句法规定了一个层次性结构 它的编码码流分为六层 自上到下分别是 图像序列层 图像组 GOP 图像 宏块条 宏块 块 数字电视的压缩标准 MPEG2的一个主要特点是有多种描述格式 它包含很多类 Profile 和级 Level 其中 级 指的是输入信号的格式 MPEG2有四种输入信号格式 即有四级 最低级与MPEG1的输入信号格式相同 为SIF格式 最高级为HDTV信号格式 主级 即典型的输入信号格式 为ITU R601规定的数字电视信号格式 类 指的是不同的处理方法 MPEG2共有五类 每一类都包括压缩和使用方法的一个集合 不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具 类越高则编码越精细 数字电视的压缩标准 由于MPEG 2的出色性能表现 已能适用于HDTV 高清晰度电视 使得原打算为HDTV设计的MPEG 3 还没出世就被抛弃了 MPEG4是MPEG专家组于1994年开始制定 并于1998年11月得到批准的一个新的视频压缩标准 其主要目的是提高多媒体业务的交互性 与MPEG1和MPEG2所不同的是 MPEG4标准是对图像中的某个内容进行编码 其具体的编码对象就是图像中的音频和视频对象 称为AV对象 因此 MPEG4标准就是围绕着AV对象的编码 存储 传输和组合而制定的 数字电视的压缩标准 MPEG4标准支持多种输入视频格式 亮度空间分辨率可以是8 8到2048 2048之间的任一格式 色度空间可以是单色 Y Cr Cb加上一个Alpha通道 或是R G B 取样格式可为4 0 0 4 2 0 4 2 2和4 4 4 还可支持逐行和隔行扫描 MPEG4的视频编码主要由两个部分组成 即形状编码和传统的纹理 运动信息编码 其中纹理编码 运动预测和运动补偿部分在原理上与以前的MPEG标准基本一致 而形状编码则是第一次引入到视频压缩标准中 能够表示AV对象形状的信息有两类 即二值形状信息和灰度信息 另外 MPEG4还提出了分级编码的概念 它对系统在时间 空间及质量方面提供了一定的伸缩性 使解码系统可按具体的信道带宽 系统处理能力 显示能力及用户需求进行多分辨率的解码 数字信号误码控制 误码控制的必要性 在传输过程中 由于信道特性不理想以及内外杂波的影响等原因 使接收到的数字信号不可避免地会发生错误 即误码 从而造成信息失真 另外 经过高倍压缩之后的数字电视信号对传输干扰变得非常敏感 严重时甚至完全解码不出正确的数据 表现为图像和声音的重现彻底崩溃 定性来说 压缩倍数越高 数字电视对传输干扰的抵抗能力越弱 因此对传输可靠性的要求也就越高 数字信号误码控制 误码控制基本原理 误码控制是通过特定的纠错编码技术实现的 纠错编码利用数字信号可以进行数值计算这一特点 将若干个数字信号组成一个码组 按照某种运算法则进行数值运算 然后将运算结果 也是数字信号 附加在码组后面一起传送给接收机 由于每个信号码组与它们的运算结果之间保持着一定的关系 所以如果传输过程中发生了错误 这种运算关系就会遭到破坏 接收端按照规定的运算法则对接收到的每个信号码组及其运算结果进行检查 如符合运算关系 则认为信号中没有误码 如不符合运算关系 则说明发生了误码 纠错编码一般可分为前向纠错和后向纠错两类方法 数字信号误码控制 前向纠错是使信源代码本身包含检错纠错能力 当接收端检测出误码后 可在一定范围内进行纠错 这种编码一般称为FEC 前向误码控制编码 在数字电视中普遍采用 后向纠错是当接收端发现有误码时 立即通过反馈信道请求发送端重发 这种方式称为反馈重发 在点对点的交互通信中可以采用 而在点对面且实时性很强的单向广播中显然不适用 还有一种掩错方式 由于电视信号具有空间和时间相关性 故当误码范围过大而接收端无法纠正时 可以利用前面已接收 存储的相关数据来代替 这与反馈重发类似 这就是我们经常看到的 马赛克 现象 数字信号误码控制 数字电视调制方式 数字电视的调制方式 正交振幅调制 QAM 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线电视电缆传输 键控移相调制 QPSK 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫星广播 残留边带调制 VSB 抗多径传播效应好 即消除重影效果好 适合地面广播 编码正交频分调制 COFDM 抗多径传播效应和同频干扰好 适合地面广播和同频网广播 数字电视信号传输标准 数字电视传输网络主要指地面 有线和卫星三大数字电视广播传输网络 目前 数字电视传输有三大标准 即美国的ATSC 欧洲的DVB和日本的ISDB三种不同的标准 ATSC的英文全称是AdvancedTelevisionSystemsCommittee 美国高级电视业务顾问委员会 该委员会于1995年9月15日正式通过ATSC数字电视国家标准 ATSC制信源编码采用MPEG 2视频压缩和AC 3音频压缩 信道编码采用VSB调制 提供了两种模式 地面广播模式 8VSB 和高数据率模式 16VSB 随着多媒体传输业务的不断发展 为