实验九数字电视系统与音视频编解码技术初步

1、第9章 数字电视与音视频编解码技术初步世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。数字电视已被各国视为新世纪的战略技术，成了继电信引爆IT之后的又一大热点。本章是一个学习数字电视技术的的入门实验。通过实际操作，学习和了解数字电视与音视频编解码技术的基本概念，启发学生再学习和再思考，为今后的深入学习和从事信号与信息处理方面的研发工作打下初步基础。9.1 实验目的1学习和了解数字电视系统的工作原理和基本组成。2学习和了解数字电视的有关国际标准。 3通过实验操作，学习和了解音视频信号的A/D、D/A转换和音视频编解码等数字电视的关键技术，为进一步学习信

2、号和信息处理技术打下基础。 9.2 实验系统组成及工作原理9.2.1 数字电视概述 1. 数字电视的基本概念 1）什么是数字电视  数字电视就是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的数字流来传播的。数字信号的传播速率是每秒19.39兆字节，如此大的数据流的传递保证了数字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足。同时还由于数字电视可以允许几种制式信号的同时存在，每个数字频道下又可分为几个子频道，从而既可以用一个大数据流每秒19.39兆字节，也可将其分为几个分流。例如4个，每个的速度就是每秒4.85兆字节。这样虽然

3、图像的清晰度要大打折扣，却可大大增加信息的种类，满足不同的需求。例如在转播一场体育比赛时，观众需要高清晰度的图像，电视台就应采用每秒19.39兆字节的传播；而在进行新闻广播时，观众注意的是新闻内容而不是播音员的形象，所以没必要采用那么高的清晰度，这时只需每秒3兆字节的速度就可以了，剩下16.39兆字节可用来传输别的内容。 如今，数字电视是人们谈论最多的热闹话题之一。由于数字电视是种新生事物，一些相关报道及文章介绍中出现似是而非的概念，诸如“数码电视”、“全数字电视”、“全媒体电视”、“多媒体电视”等，造成大众的困惑，茫然不知所措。其实，“数字电视”的含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是指电

4、视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其具体传输过程是：（1）由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号。（2）经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送。（3）由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。 2）数字电视的基本原理    将电视的视音频信号数字化后，其数据量是很大的，非常不利于传输，因此数据压缩技术成为关键。实现数据压缩技术方法有两种：（1）在信源编码过程中进行压缩。IEEE的MPEG专家组已发展制订了ISO/

5、IEC13818(MPEG-2)国际标准。MPEG-2采用不同的层和级组合，即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求，其应用面很广。它支持标准分辨率16:9宽屏及高清晰度电视等多种格式，从进入家庭的DVD到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。（2）改进信道编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。例如，在欧洲DVB数字电视系统中，数字卫星电视系统(DVB-S)采用正交相移键控调制(OPSK)；数字有线电视系统(DVB-C)采用正交调幅调制(QAM)；数字地面开路电视系统 (DVB-T) 则采用更为复杂的编码正交频分复用调制(COFDM)。 3）

6、数字电视的分类    数字电视可以按以下几种方式分类： （1）按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输(地面数字电视)、卫星传输(卫星数字电视)、有线传输(有线数字电视)三类。 （2）按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化数字电视接收机。 （3）按清晰度分类：可以分为低清晰度数字电视(图像水平清晰度大于250线)、标准清晰度数字电视(图像水平清晰度大于500线)、高清晰度数字电视(图像水平清晰度大于800线，即HDTV)。VCD的图像格式属于低清晰度数字电视(LDTV)水平，DVD的图像格式属于标准清晰度数字电视(SDTV)水平。 （4）按显示屏幕幅

7、型分类：可以分为4：3幅型比和16：9幅型比两种类型。 （5）按扫描线数(显示格式)分类：可以分为HDTV扫描线数(大于1000线)和 SDTV扫描线数(600800线)等。 4) 数字电视的优点    数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点： （1）信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉。即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低

8、信杂比。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信杂比，就必须对各种处理设备提出较高信杂比的要求。模拟信号要求 S/N40dB，而数字信号只要求S/N20dB。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信杂比基本不变。 （2）可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。（3）数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有“0”、“l”两个电平，“l”电平的幅度大小只要满足处理电路中可能识别出是“l”电平就可，大一点、小一点无关紧要。 （4）易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近

9、年来，大规模集成电路(半导体存储器)的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理,获得各种新的电视图像特技效果。 （5）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。 （6）数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播(Teletext)。 （7）压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播。在设计的服务区内(地面广播)，观众将以极大的概率实现“无差错接收”(发“0”收“0”，发“l”收“l”)，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。 （8）可以

10、合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播而言，数字电视可以启用“模拟电视禁用频道” (taboo channel)，而且在今后能够采用“单频率网络”(single frequency network)技术。例如，l套电视节目仅占用同 1个数字电视频道就可覆盖全国。此外，现有的 6MHz模拟电视频道，可用于传输 l套数字高清晰度电视节目或者 4-6套质量较高的数字常规电视节目，或者 16-24套与家用 VHS录像机质量相当的数字电视节目。 （9）在同步转移模式(STM)的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”(dynamic combination)。例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现

11、图像细节较少的时刻。这时由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务(如电视节目指南、传真、电子游戏软件等)，而不必插入大量没有意义的“填充比特”。 （10）很容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于专业应用(包括军用)以及广播应用，特别是开展各类收费业务。 (ll)具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输，也便于与计算机网络联通。 (12)可以与计算机“融合”构成一类多媒体计算机系统，成为未来“国家信息基础设施”(NII)的重要组成部分。 5）数字电视的用途和前景   （1）数字电视的用途在数字电视中，采用了双向信息传输技术

12、，增加了交互能力，赋予了电视许多全新的功能。使人们可以按照自己的需求获取各种网络服务，包括视频点播、网上购物、远程教学、远程医疗等新业务，使电视机成为名副其实的信息家电。   数字电视提供的最重要的服务就是视频点播(VOD)。VOD是一种全新的电视收视方式，它不像传统电视那样，用户只能被动地收看电视台播放的节目。它提供了更大的自由度，更多的选择权，更强的交互能力，传用户之所需，看用户之所点，有效地提高了节目的参与性，互动性，针对性。因此，可以预见，未来电视的发展方向就是朝着点播模式的方向发展。数字电视还提供了其它服务，包括数据传送、图文广播、上网服务等。用户能够使用电视实现

13、股票交易、信息查询、网上冲浪等。使电视被赋予了新的用途，扩展了电视的功能，把电视从封闭的窗户变成了交流的窗口。 （2）数字电视的前景世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。这一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新世纪的战略技术。数字电视成了继电信引爆IT之后的又一大“热点”。 电视数字化是电视发展史上又一次重大的技术革命

14、。数字电视不但是一个由标准、设备和节目源生产等多个部分相互支持和匹配的技术系统，而且将对相关行业产生影响并促进其发展。 2. 数字电视的相关技术 1）数字电视广播流程及实现手段   数字电视广播，其信号流程包括制作(编辑)、信号处理、广播(传输)和接收(显示)几个过程。   目前用于数字节目制作的手段主要有：数字摄像机和数字照像相机、计算机、数字编辑机、数字字幕机等。用于数字信号处理的手段有：数字信号处理技术(DSP)、压缩、解压、缩放等技术。用于传输的手段有：地面广播传输、有线电视(或光缆)传输、卫星广播(DSS)及宽带综合业务网(ISDN)、DVD等

15、。用于接受显示的手段有：阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器、等离子体显示器、投影显示(包括前投、背投)等。   2）音视频编解码技术视频编码技术主要功能是完成图像的压缩，使数字电视的信号传输量由995Mbit/s减少为2030Mbit/s。视频编码计算时主要有以下客观依据：（1）图像时间的相关性。视频信号由连续图像组成，相邻图像有很多相关性，找出这些相关性就可减少信息量。（2）图像空间的相关性。例如图像中有一大块单一颜色，那么不必把所有像素存贮。（3）人眼的视觉特性。人眼对原始图像各处失真敏感度不同，对不敏感的无关紧要的信息给予较大的失真处理，即使这些信息全部丢失了，人

16、眼也可能觉察不到。相反，对人眼比较敏感的信息，则尽可能减少其失真。（4）事件间的统计特性。事件发生的概率越小，则其熵值越大，表示信息量越大，需分配较长的码字。反之，发生的概率越大，则其熵值越小，只需分配较短的码字。   与视频编解码相同，音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后，信息量比模拟传输状态大得多，因而数字电视的声音不能象模拟电视的声音那样直接传输，而是要多一道压缩编码工序。   音频信号的压缩编码主要利用了人耳的听觉特性，其依据：（1）听觉的掩蔽效应。在人的听觉上，一个声音的存在掩蔽了另一个声音的存在。掩蔽效应是一个较为复杂的心

17、理和生理现象，包括人耳的频域掩蔽效应和时域掩蔽效应。（2）人耳对声音的方向特性。对于2KHZ以上的高频声音信号，人耳很难判断其方向性，因而立体声广播的高频部分不必重复存贮。    国际上对数字图像编码制订的三种标准： H.261，主要用于电视会议的标准。 JPMG，主要用于静止图像的标准。 MPEG，主要用于连续图像的标准。    在HDTV视频压缩编解码标准方面，美国、欧洲、日本没有分歧，都采用了MPEG-2标准。MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是“运动图像专家组”，压缩后的信息可以供计算机处理，也可以在现有和将来

18、的电视广播频道中进行分配。   在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准。而美国采纳了杜比(Dolby)公司的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。   对于我国来说，今后信源编解码标准预计也会与美国、欧洲、日本一样采用MPEG-2标准。 3）数字电视的复用系统    数字电视的复用系统是HDTV的关键部分之一。从发送端信息的流向来看，它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流，经处理复合成单路串行的比特流，送给信道编码及调制。接受端与此过程正好相反。    模拟电视系统不存在复用器。在数字电视中，复

19、用器把音频、视频、辅助数据的码流通过一个打包器打包。这里打包是通俗的说法，其实是数据分组。然后再复合成单路。目前网络通信的数据都是按一定格式打包传输的。HDTV数据的打包将使其具备了可扩展性、分级性、交互性的基础。   付费电视是现在和将来电视发展的一个方向。复用器可对打包的节目信息进行加扰，使其随机化，接收机具有密钥才能解扰。    在HDTV复用传输标准方面，美国、欧洲、日本也没有分歧，都采用了MPEG-2标准。美国已有了MPEG-2解复用的专用芯片。我国估计也会采用MPEG-2作为复用传输的标准。   HDTV数据包长度是188

20、个字节，正好是ATM信元的整数倍。今后以光纤为传输介质，以ATM为信息传输模式的宽带综合业务数字网极有可能成为未来“信息高速公路”的主体设施。可用4个ATM信元来完整地传送一个HDTV传送包，因而可达到HDTV与ATM的方便接口。 4）数字电视的信道编解码及调制解调  数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力。通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。我们目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同。具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。    数字

21、传输的常用调制方式有： （1）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。 （2）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。 （3）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。 （4）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。   美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数字高清晰度电视为基础的标准-ATSC。美国HDTV地面广播频道的带宽为6

22、MHZ，调制采用8VSB。预计美国的卫星广播电视会采用QPSK调制，电缆电视会采用QAM或VSB调制。   从1995年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播(DVB-T)、数字电视卫星广播(DVB-S)、数字电视有线广播(DVB-C)的标准。欧洲数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。欧洲地面广播数字电视采用COFDM调制，8M带宽。欧洲电缆数字电视采用QAM调制。   日本数字电视首先考虑的是卫星信道，采用QPSK调制。并在1999年发布了数字电视的标准-ISDB 9.2.2 JH8000DTV数字电视实验系统简介 本实验采用了南京捷辉科技有限公

23、司生产的JH8000 DTV数字电视实验系统，该系统是完全按照数字电视国际标准设计和生产的数字电视传输系统。可以提供数字电视课程所需的若干实验，同时可以作为实际数字电视传输课程培训时的实验装置。1. JH8000DTV 系统概述 JH8000DTV数字电视系统的实物图见图9-1：图9-1 JH8000DTV 数字电视系统的实物图1）基本技术参数（1）箱式结构（两个实验箱）；（2）供电电压+5V，-5V，3.3V；（3）可以提供DVD和彩条信号等多种信号输入模式；（4）支持PAL和NTSC两种电视制式；（5）支持D1，HALF D1，SIF等多种图像显示格式；（6）系统采用软件设置，硬件测试观测

24、相结合的方式；（7）可编程设置多种码流速率。2）各部分的组成及功能简述JH8000 DTV系统主要由视音频A/D,D/A模块,视音频信源编码、解码模块,TS流形成与解复用模块,DVB SPI 收发接口等模块组成。其原理框图如图9-2所示。JH8000 DTV包括：视音频A/D模块，视音频信源编解码模块，TS流形复用与解复用模块和DVB SPI传输接口模块。系统各部分的组成及功能简述如下：（1）视音频A/D、D/A模块：采用专用的集成芯片，按照国际标准采样时钟和采样格式将模拟输入的视音频信号变成标准数字视音频信号。（2）视音频信源编码、解码模块：按国际MPEG1、2压缩标准完成对数字视音频码流的

25、压缩编码。图9-2 JH8000DTV系统框图（3）TS流形成与解复用模块：按国际标准将视音频信源编码板输出的MPEG视音频码流打包成TS流或解复用成MPEG视音频码流送入视音频信源解码板。（4）DVB SPI 收发接口模块：将MPEG-2的TS流按DVB SPI的国际接口标准实现编解码之间的码流传输。其中各个模块既可以独立进行分块实验，又可以综合组成数字电视系统传输实验，完成系统总体实验。 2. JH8000 DTV 系统实验1）系统总体实验在本实验中，我们采用南京捷辉科技有限公司生产的JH8000DTV实验箱搭建系统总体实验环境，并紧密结合系统的实际运行状态，通过亲手对系统参数的设置和测试

26、，让实验者初步建立数字电视系统的总体概念。2）分模块实验通过系统总体实验之后，我们可在建立总体概念的基础上，将总体系统拆分成若干功能的子模块。每一功能子模块作为一个相对独立的分模块实验板，这样便于实验者从模块实验中掌握数字电视传输系统中各部分原理、功能、技术参数、性能指标及在整个数字电视传输系统中的影响。同时让学生了解各个模块的设计参数和设计方法，为学生今后在数字电视系统设备的研发和应用方面打下一定的基础。整个实验系统可以分成：直接视频、音频的AD-DA闭环实验装置、接入后续编解码模块和传输模块的开环实验装置。可以进行的实验模块有：（1）视频源参数设置模块（开环）l 亮度设置；l 色度设置；l

27、 对比度设置；l 输入信号源选择设置；l 信号源制式设置；l 场信号标识行设置；l 行有效像素数设置。（2）视频编码参数设置模块（开环）l 系统模式设置，可以设置MPEG-1或MPEG-2编码方式； 系统编码码流模式设置，可以设置编码码流输出格式：节目码 流(PS)或传输码流(TS)；l 可编程设置GOP结构：I、B、P帧的组合，包括I、IP、IBP、IBBP等；l 可编程设置编码速率：512K-15M （NX256K， N=2-57）；l 可编程设置数字视频标识码：VPID；l 可编程设置数字音频标识码：APID；l 可编程设置数字参考时钟标识码：PCRPID；l 可编程设置仅视频编码，音频

28、不编码工作方式。（3）音频编码参数设置模块（开环）l 设置MPEG音频编码层：Layer1 or Layer2；l 设置音频采样速率；l 设置音频编码输出速率；l 设置音频预加重模式；l 设置音频声道处理模式；l 设置音频PES标志。（4）MPEG编码参数设置模块（开环）l 可编程设置编码模式；l 可编程设置编码速率：512K-15M （NX256K， N=2-57）；l 设置图像采样模式；l 可编程设置GOP模式；l 可编程设置GOP长度；l 可编程设置图像编码：D1、4/3 D1、2/3 D1、1/2 D1、SIF、QSIF、SliceScreen；l 可编程设置图像预处理滤波模式。（5）

29、视频AD/DA实验模块（闭环）l 亮度设置；l 色度设置；l 对比度设置；l 色饱和度设置；l 色调设置；l 亮色延迟设置；l 彩色关闭设置。（6）音频AD/DA实验模块l 音频采样频率设置；l 音频量化比特数设置；l 静音模式设置。9.3 实验内容和方法步骤9.3.1 实验内容1视频A/D、D/A模块（在视音频A/D、D/A模块实验箱）1）视频源参数调整实验 实验中可以在“基本设置”中对图象的亮度（0-255），色度（0-255），对比度（0-255）进行设置和观察。也可在“高级设置”中对输入的信号、电视制式、场信号模式、场信号标识、行有效像素等进行设置。2）亮色延时实验 此实验主要是通过改

30、变亮色延时值（0-15），以观察亮色延时对图象质量的影响。3）量化比特对图象质量影响实验 此实验主要改变量化比特，在只有高位、低位、奇数位和Y信号的基础上观察和分析信号波形。4）视频A/D、D/A参数观测实验此实验主要是对输入的标准电视信号进行处理检测，硬件上可进行的测试有：（1）模拟电视的行同步信号；（2）模拟电视的场同步信号；（3）奇偶场信号FID；（4）参考时钟信号RTC；（5）数据时钟DATACLK； （6）10bit输出数据。学生可以用示波器结合实验对以上测试点进行测量。另外，我们还在硬件上加了视频输入和视频输出测试点，在开环情况下，可让学生从视频输入端输入一个标准电视信号，再对相应

31、的参数进行测量。2音频A/D、D/A模块（在视音频A/D、D/A模块实验箱）1）抽样频率及量化比特数对声音的影响实验 根据国际标准频率，可在44.1kHz，32kHz，48kHz之间切换，量化比特可以设置为16比特和20比特。2）各种时钟数据关系测量实验 该实验主要是观察和分析ALRCK，BCK，ASCLK之间的关系。硬件上可进行的测试有：（1）左右时钟ALRCK测试点；（2）音频数据ADATA测试点；（3）音频比特时钟BCK测试点；（4）音频比特时钟ASCLK测试点。学生可以用示波器结合实验对以上测试点进行测量。另外，我们还在硬件上加了左右声道输入和左右声道调理及输出测试点，在开环情况下，可

32、让学生从左右声道输入端输入一个音频信号，然后再对其经过系统后的波形进行测试和分析。3MPEG视音频编码模块（在视音频压缩编译码模块实验箱）1）节目码流和传输码流实验 此实验目的是了解系统层编码的基本作用，熟悉节目流和传输流的基本作用和二者的区别。2）包识别码（PID）实验 在实验中可以对视频Video-PID值(2-255) ,音频Audio-PID值(2-255)进行修改，从而体验只有视频或只有音频情况下，进行搜台并观察监视器中不同的现象。3）视频编解码延时实验 主要是找出两路视频信号的场同步信号在时间的差异。4）视频帧结构实验 将GOP格式分别设置为 I I I I I I I I I，I

33、BIPBPBPB，IBBPBBPBB模式，观察和记录电视监视器上的画面质量和编解码延时。5）视频编码速率实验设置编码速率为n*256（n为从2到57的正整数）,从监视器上观察图象变化，也可在测试模块对码流速率进行检测分析。6）图像子采样模式实验此实验可将图像子采样模式设置为: 4:2:2,4:2:0,4:1:1,4:1:0,观察并观察监视器上图象质量的变化。7）GOP实验在此实验中，学生可以对GOP长度，Filter Mode模式进行改变、观测和分析。8）图象格式实验本实验主要是改变Covfilter Filter格式为“D1”，“QSIF”，“SIF”，“Slice Screen”，“2/3

34、D1”，“3/4D1”。记录并分析不同的图像格式对图像清晰度的影响。9）音频编码实验实验中主要是改变音频的比特率（32bps，64 bps，96 bps等）及音频采样速率（32kHz，44.1kHz，48kHz），观察其对音频的影响和对其进行检测分析。硬件上可进行以下测试：（均在码流分析测试模块）（1）码流数据高位测试；（2）码流时钟信号测试；（3）码流有效信号测试；（4）码流同步信号测试；（5）码流字错误指示测试；（6）视频采样时钟测试；（7）视频行同步脉冲测试；（8）视频场同步脉冲测试；（9）音频左右声道时钟测试；（10）音频编码时钟测试；（11）音频系统时钟测试。另外，在解码模块设置了T

35、S流数据(LSB)，TS流有效数据，编码时钟测试点，TS流数据同步，左右声道输出，图像输出等测试点。学生可根据实验要求对相应的测试点进行测试分析。10）DVB接口模块此接口可以接码流分析仪，从而对数字视频广播信号进行具体详尽地分析。4MPEG视音频解码模块（在视音频压缩编译码模块实验箱）1）控制模块在此模块上学生可以通过按钮对不同PID的节目进行搜索、声音调节、参数查询等操作，完全相当于对一个机顶盒的操作。2）测试模块在此模块可以用示波器检测TS流数据(LSB)，TS流有效数据，编码时钟测试点，TS流数据同步，左右声道输出，图像输出等，学生可根据实验要求对相应的测试点进行测试分析。9.3.2

36、实验方法步骤和要求1. 实验步骤 1）在熟悉了解JH8000DTV数字电视实验系统的基础上，用JH8000DTV实验箱搭建系统总体实验环境。2）紧密结合系统的实际运行状态，通过亲手对系统参数的设置和测试，初步建立数字电视系统的总体概念。3）在建立总体概念的基础上，将整个系统拆分成如下若干功能的子模块：（1）视频源参数设置模块；（2）视频编码参数设置模块；（3）音频编码参数设置模块； （4）MPEG编码参数设置模块； （5）视频AD/DA实验模块；（6）音频AD/DA实验模块。每一功能子模块作为一个相对独立的分模块实验板，对每一功能子模块进行测试和操作。4）从各模块实验中，了解和掌握数字电视传输

37、系统中各部分原理、功能、技术参数、性能指标及在整个数字电视传输系统中的影响。 2. 本实验的三个层次1）基本部分完成9.3.1节所述的主要实验内容：（1）视频A/D、D/A模块的实验；（2）音频A/D、D/A模块的实验；（3）MPEG视音频编码模块的实验；（4）MPEG视音频解码模块的实验。2）选做部分完成H.264实验箱实验题目：（1）模拟视音频输入输出实验；（2）数字视音频输入输出实验；（3）视频的行场同步实验；（4）编码图像和制式的设定（CIF，D1，4CIF等，PAL、NTSC等）实验；（5）编码参数的设定（码率，亮度，色度，编码率等）实验。3）创新部分（1）网络实时图像的接收实验；（

38、2）网络实时图像的监测（码率，帧率等）实验；（3）数字录像及录像文件的回放等实验。3. 实验注意事项和实验报告 1）JH8000 DTV 数字电视实验系统是完全按照数字电视国际标准设计和生产的数字电视实验平台，不仅可以提供数字电视课程所需的若干实验，同时可以作为实际数字电视传输课程培训时的实验装置。该设备具有比较强的功能，价格昂贵。实验前，要认真阅读实验教材和使用说明书，做好预习。实验中，要严格按照规范进行操作。2）本实验所做的音视频A/D、D/A转换和音视频编解码等实验涉及很广的知识领域，有一定的难度和深度。实验过程中，不要满足于简单的连线和读取测试数据的表层。而应该开动脑筋，多思考问题，多

39、问几个为什么。逐步进入，加深理解。3）参考科技论文写作规范和要求，完成实验报告写作。具体要求：（1）实验报告内容和格式自定，不作呆板的统一要求。（2）实验报告一般应包括：实验基本内容，实验方法步骤，测试的实验数据，实验的结果和问题的思考分析等。（3）实验报告中应有实验体会和感受。如在实验中有发挥和创新，要求在实验报告中写出来。9.4 实验思考题1什么是数字电视系统，其关键技术是哪些？与传统的模拟电视相比它有哪些特点？2在数字电视技术中，H.264标准和MPEG标准都有哪些涵义？分别用在什么地方？3什么是AVS标准？试论述AVS标准的特点、优势和产业化前景。发展我国的数字电视产业，还有哪些工作迫

40、切需要我们努力去攻关和拼搏？ 4通过完成本实验的基本部分和选做部分，你有哪些体会和感受？如何能把创新部分的内容完成得更好，更接近于实际应用？9.5 实验参考资料9.5.1 数字电视技术的有关标准 1. 视频编码技术的发展历程 自上个世纪80年代以来，ISO/IEC制定的MPEG-x和ITU-T制定的H.26x两大系列视频编码国际标准的推出，开创了视频通信和存储应用的新纪元。从H.261视频编码建议，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一个共同的不断追求的目标，即在尽可能低的码率（或存储容量）下获得尽可能好的图像质量。而且，随着市场对图像传输需求的增加，如何适应不同信道传输特性的问题也日

41、益显现出来。于是IEO/IEC和ITU-T两大国际标准化组织联手制定了视频新标准H.264来解决这些问题。 H.261是最早出现的视频编码建议，目的是规范ISDN网上的会议电视和可视电话应用中的视频编码技术。它采用的算法结合了可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余的DCT变换的混合编码方法。和ISDN信道相匹配，其输出码率是p×64kbit/s。p取值较小时，只能传清晰度不太高的图像，适合于面对面的电视电话；p取值较大时（如 p6），可以传输清晰度较好的会议电视图像。H.263 建议的是低码率图像压缩标准，在技术上是H.261的改进和扩充，支持码率小于64kbit/s的应用。但实质

42、上H.263以及后来的H.263+和H.263+已发展成支持全码率应用的建议，从它支持众多的图像格式这一点就可看出，如Sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。 MPEG-1标准的码率为1.2Mbit/s左右，可提供30帧CIF（352×288）质量的图像，是为CD-ROM光盘的视频存储和播放所制定的。MPEG-l标准视频编码部分的基本算法与H.261/H.263相似，也采用运动补偿的帧间预测、二维DCT、VLC游程编码等措施。此外还引入了帧内帧（I）、预测帧（P）、双向预测帧（B）和直流帧（D）等概念，进一步提高了编码效率。在MPEG-1的基础上，MPEG-

43、2标准在提高图像分辨率、兼容数字电视等方面做了一些改进，例如它的运动矢量的精度为半像素；在编码运算中（如运动估计和DCT）区分“帧”和“场”；引入了编码的可分级性技术，如空间可分级性、时间可分级性和信噪比可分级性等。近年推出的MPEG-4标准引入了基于视听对象（AVO：Audio-Visual Object）的编码，大大提高了视频通信的交互能力和编码效率。 MPEG-4中还采用了一些新的技术，如形状编码、自适应DCT、任意形状视频对象编码等。但是MPEG-4的基本视频编码器还是属于和H.263相似的一类混合编码器。 总之，H.261建议是视频编码的经典之作，H.263是其发展，并将逐步在实际上

44、取而代之，主要应用于通信方面，但H.263众多的选项往往令使用者无所适从。MPEG系列标准从针对存储媒体的应用发展到适应传输媒体的应用，其核心视频编码的基本框架是和H.261一致的，其中引人注目的MPEG-4的“基于对象的编码”部分由于尚有技术障碍，目前还难以普遍应用。因此，在此基础上发展起来的新的视频编码建议H.264克服了两者的弱点，在混合编码的框架下引入了新的编码方式，提高了编码效率，面向实际应用。同时，它是两大国际标准化组织的共同制定的，其应用前景应是不言而喻的。 2. H.263标准1）视频压缩编码的基本概念     视频压缩的目标是在尽可能保证视觉效果的前提下减

45、少视频数据率。视频压缩比一般指压缩后的数据量与压缩前的数据量之比。 在视频压缩中常需用到以下的一些基本概念： （1）有损和无损压缩：在视频压缩中有损（Lossy ）和无损（Lossless）的概念与静态图像中基本类似。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。 有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息，而且丢失的信息不可恢复。丢失的数据率与压缩比有关，压缩比越小，丢失的数据越多，解压缩后的效果一般越差。此外，某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式，这样还会引起额外的数据丢失。 （2）帧内和帧间压缩：帧内（Intraframe

46、）压缩也称为空间压缩（Spatial compression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内压缩一般达不到很高的压缩。 采用帧间（Interframe）压缩是基于许多视频或动画的连续前后两帧具有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息，根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩（Temporal compression），它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。 （3）对称和不对称编码：对称性（symme

47、tric）是压缩编码的一个关键特征。对称意味着压缩和解压缩占用相同的计算处理能力和时间，对称算法适合于实时压缩和传送视频，如视频会议应用就以采用对称的压缩编码算法为好。不对称或非对称意味着压缩时需要花费大量的处理能力和时间，而解压缩时则能较好地实时回放，也即以不同的速度进行压缩和解压缩。一般地说，压缩一段视频的时间比回放（解压缩）该视频的时间要多得多。 2）H.263压缩编码格式 H.263 视频编码标准是专为中高质量运动图像压缩所设计的低码率图像压缩标准。H.263 采用运动视频编码中常见的编码方法，将编码过程分为帧内编码和帧间编码两个部分。I帧内用改进的DCT 变换并量化。在帧间采用1/2

48、 象素运动矢量预测补偿技术，使运动补偿更加精确，量化后适用改进的变长编码表（VLC）地量化数据进行熵编码，得到最终的编码系数。 （1） H.263 帧类型 内码帧（I帧）不能由任何其它帧构造出来，包含所有可显示它的信息。I帧编码过程： 每个光亮度和色差平面被分成8×8的块； 各块使用DCT转换成频率域； 利用量化表进行量化； 对各块中最重要系数序列（DC系数）用DPCM技术进行编码，且仅编码两个相邻DC值的差； 各块中的系数是按锯齿形次序进行行程编码； 最后进行类哈夫曼编码。 预测帧（P帧）：由前面的帧构造所得。P帧编码过程： 在基准帧中对每个宏块均查找其最佳匹配宏块、计算实际宏块和

49、最佳匹配宏块的差， 作为运动向量、误差项用DCT进行转换 、 接着进行量化步，形成“锯齿形次序”行程编码， 最后进行类哈夫曼平均信息量编码。注意：量化表与I帧所用的不同，DC系数的编码与其他系数的编码方式相同。 （2）H.263特点 与H.261 的p×64K 的传输码率相比，H.263的码率更低，单位码率可以小于 64K，且支持的原始图像格式更多，包括了在视频和电视信号中常见的QCIF，CIF，EDTV，ITUR 601，ITUR 709 等。 H.263的编码速度快，其设计编码延时不超过150ms。 码率低，在512 K 乃至 384K 带宽下仍可得到相当满意的图像效果，十分适用

50、于需要双向编解码并传输的场合。比如，可视电话和网络条件不是很好的场合（如:远程监控）。 3. H.264标准1）什么是H.264标准H.264是国际电联新近通过的新一代甚低码率视频编码标准。ITU-T的标准称之为建议，并命名为H.26x系列，比如H.261、H.263、H.264等。ISO/IEC的标准称为MPEG-x，比如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。H.26x系列标准主要用于实时视频通信，比如视频会议、可视电话等。MPEG系列标准主要用于视频存储(DVD) 、视频广播和视频流媒体，比如基于Internet、 DSL的视频，无线视频等。除了联合开发H.262/MPEG-2标准外

51、，大多数情况下，这两个组织独立制定相关标准。自1997年，ITU-T VCEG与ISO/IEC MPEG再次合作，成立了Joint Video Team (JVT)，致力于开发新一代的视频编码标准H.264。1998年1月，开始草案征集；1999年9月，完成了第一个草案；2001年5月，制定了其测试模式TML-8；2002年6月，JVT第5次会议通过了H.264的FCD板；2002年12月，ITU-T在日本的会议上正式通过了H.264标准，并于2003年5月正式公布了该标准。国际电信联盟将该系统命名为H.264/AVC，国际标准化组织和国际电工委员会将其称为14496-10/MPEG-4 AV

52、C。 2）H.264标准概述 H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263+好得多的压缩性能。加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理。应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。 技术上，它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验。与H.263 v2(H.263+)或MPEG-4简单类(Simple Profile)相比，H.264在使用与上述编码方法类似的最佳编码器时，在大多数码率下最多可节省50%的码率。H.264在所有

53、码率下都能持续提供较高的视频质量。H.264能工作在低延时模式以适应实时通信的应用(如视频会议)，同时又能很好地工作在没有延时限制的应用，如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用。H.264提供包传输网中处理包丢失所需的工具，以及在易误码的无线网中处理比特误码的工具。 在系统层面上，H.264提出了一个新的概念，在视频编码层(Video Coding Layer, VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer, NAL)之间进行概念性分割。前者是视频内容的核心压缩内容之表述，后者是通过特定类型网络进行递送的表述，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。

54、 3）H.264标准的关键技术 （1）帧内预测编码 帧内编码用来缩减图像的空间冗余。为了提高H.264帧内编码的效率，在给定帧中充分利用相邻宏块的空间相关性，相邻的宏块通常含有相似的属性。因此，在对一给定宏块编码时，首先可以根据周围的宏块预测（典型的是根据左上角的宏块，因为此宏块已经被编码处理），然后对预测值与实际值的差值进行编码。这样，相对于直接对该帧编码而言，可以大大减小码率。 H.264提供6种模式进行4×4像素宏块预测，包括1种直流预测和5种方向预测。相邻块的A到I共9个像素均已经被编码，可以被用以预测，如果我们选择模式4，那么，a、b、c、d 4个像素被预测为与E相等的值，

55、e、f、g、h 4个像素被预测为与F相等的值，对于图像中含有很少空间信息的平坦区，H.264也支持16×16的帧内编码。 （2）帧间预测编码 帧间预测编码利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿。H.264的运动补偿支持以往的视频编码标准中的大部分关键特性，而且灵活地添加了更多的功能，除了支持P帧、B帧外，H.264还支持一种新的流间传送帧SP帧。码流中包含SP帧后，能在有类似内容但有不同码率的码流之间快速切换，同时支持随机接入和快速回放模式。 不同大小和形状的宏块分割 对每一个16×16像素宏块的运动补偿可以采用不同的大小和形状，H.264支持7种模式。小块模式的运动补

56、偿为运动详细信息的处理提高了性能，减少了方块效应，提高了图像的质量。 高精度的亚像素运动补偿 在H.263中采用的是半像素精度的运动估计，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的运动估值。在要求相同精度的情况下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的运动估计后的残差要比H.263采用半像素精度运动估计后的残差来得小。这样在相同精度下，H.264在帧间编码中所需的码率更小。 多帧预测 H.264提供可选的多帧预测功能，在帧间编码时，可选5个不同的参考帧，提供了更好的纠错性能，这样更可以改善视频图像质量。这一特性主要应用于以下场合：周期性的运动、平移运动、在两个不同的场景之间来回变换摄

57、像机的镜头。 去块滤波器 H.264定义了自适应去除块效应的滤波器，这可以处理预测环路中的水平和垂直块边缘，大大减少了方块效应。 （3）整数变换 在变换方面，H.264使用了基于4×4像素块的类似于DCT的变换，但使用的是以整数为基础的空间变换，不存在反变换，因为取舍而存在误差的问题。与浮点运算相比，整数DCT变换会引起一些额外的误差，但因为DCT变换后的量化也存在量化误差，与之相比，整数DCT变换引起的量化误差影响并不大。此外，整数DCT变换还具有减少运算量和复杂度，有利于向定点DSP移植的优点。 （4）量化 H.264中可选32种不同的量化步长，这与H.263中有31个量化步长很相似，但是在H.264中，步长是以12.5%的复合率递进的，而不是一个固定常数。 在H.264中，变换系数的读出方式也有两种：之字形(Zigzag)扫描和双扫描。大多数情况下使用简单的之字形扫描；双扫描仅用于使用较小量化级的块内，有助于提高编码效率。 （5）熵编码 视频编码处理的最后一步就是熵编码，在H.26