第6章数字电视原理

1、6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 模拟电视信号的数字化过程模拟电视信号的数字化过程第6章 数字电视原理o 数字电视数字电视DTVDTV是指从节目摄制、编辑、发射、传输到信号接是指从节目摄制、编辑、发射、传输到信号接收和处理等均采用数字技术的电视系统。具体来讲，数字电收和处理等均采用数字技术的电视系统。具体来讲，数字电视采用摄像机、录像机等都是数字的，电视台发射和传输的视采用摄像机、录像机等都是数字的，电视台发射和传输的信号都是数字信号。信号都是数字信号。o 人们常说的数字电视接收机只是数字电视系统中的终端设备，人们常说的数字电视接收机只是数字电视系统中的终端设备，数字电视接收机采用数字信

2、号处理技术来对接收到的数字电数字电视接收机采用数字信号处理技术来对接收到的数字电视信号后进行一系列的处理，来实现多种新的功能。视信号后进行一系列的处理，来实现多种新的功能。o 按图像质量和图像格式，数字电视分为标准清晰度电视按图像质量和图像格式，数字电视分为标准清晰度电视(SDTV)(SDTV)系统和高清晰度电视系统和高清晰度电视(HDTV)(HDTV)系统。标准清晰度电视系统。标准清晰度电视系统图像主观评价质量相当于现行模拟电视，并能传送数字系统图像主观评价质量相当于现行模拟电视，并能传送数字声音的电视系统。因而数字电视不一定是高清晰度电视，而声音的电视系统。因而数字电视不一定是高清晰度电视

3、，而高清晰度电视一定是数字电视。高清晰度电视一定是数字电视。6.1 6.1 概述概述6.1.1 数字电视的概念数字电视的概念o 按数字电视信号的传输信道和方式等，数字电视分为卫星数按数字电视信号的传输信道和方式等，数字电视分为卫星数字电视、有线数字电视和地面数字电视系统。字电视、有线数字电视和地面数字电视系统。o 按服务方式，数字电视分为条件接收数字电视系统和面向公按服务方式，数字电视分为条件接收数字电视系统和面向公众的数字电视系统。众的数字电视系统。o 卫星、有线、地面数字电视系统既可提供卫星、有线、地面数字电视系统既可提供SDTVSDTV级别服务，级别服务，也可传送也可传送HDTVHDTV

4、节目。为便于各类用户选择，利用数字电视节目。为便于各类用户选择，利用数字电视系统传送流系统传送流(TS)(TS)传送数字电视信号的能力，往往经同一电视传送数字电视信号的能力，往往经同一电视信道，同时传送信道，同时传送SDTVSDTV节目和节目和HDTVHDTV节目，或同时传送面向节目，或同时传送面向一般公众的节目和只有付费用户才能收看的加密节目，或不一般公众的节目和只有付费用户才能收看的加密节目，或不同时段和不同节目内容以同时段和不同节目内容以SDTVSDTV或或HDTVHDTV级别播送。级别播送。6.1.1 数字电视的概念数字电视的概念 目前国内外电视机厂商纷纷推出了各式各样的目前国内外电视

5、机厂商纷纷推出了各式各样的“数码电视数码电视机机”( (数字化电视机数字化电视机) )，非专业人士认为这些电视机就是数字电，非专业人士认为这些电视机就是数字电视，实际上发端并没有改变现行模拟广播电视传播制式，视，实际上发端并没有改变现行模拟广播电视传播制式，“数数码电视机码电视机”只是在现有模拟电视广播制式下，在接收机内部的只是在现有模拟电视广播制式下，在接收机内部的电路设计、信号处理中使用了一些数字技术的模拟电视接收机，电路设计、信号处理中使用了一些数字技术的模拟电视接收机，例如例如“数码电视机数码电视机”将图像检波后的视频基带信号和经鉴频的将图像检波后的视频基带信号和经鉴频的音频基带信号、

6、红外线遥控、数字降噪、数字轮廓校正、数字音频基带信号、红外线遥控、数字降噪、数字轮廓校正、数字去重影及画中画等进行数字化处理，目的是为了改进和提高现去重影及画中画等进行数字化处理，目的是为了改进和提高现有彩电的图像及伴音质量，并增加如多视窗、视窗放大、画中有彩电的图像及伴音质量，并增加如多视窗、视窗放大、画中画、倍行等一些功能，但画面清晰度无法与数字电视相比。画、倍行等一些功能，但画面清晰度无法与数字电视相比。10.1 10.1 概述概述 因此严格说，因此严格说，“数码彩电数码彩电” 并非真正意义上的数字电视机，并非真正意义上的数字电视机，本质上仍然是模拟电视。它与数字彩色电视有着本质的不同，

7、本质上仍然是模拟电视。它与数字彩色电视有着本质的不同，不能兼容接收，用户要接收数字电视信号必须通过一个数字电不能兼容接收，用户要接收数字电视信号必须通过一个数字电视机顶盒。而真正意义上的数字电视机不需要机顶盒，只要接视机顶盒。而真正意义上的数字电视机不需要机顶盒，只要接到网络中就可以实现数字电视内容的接收和显示。到网络中就可以实现数字电视内容的接收和显示。6.1 6.1 概述概述 数字电视又分为普通清晰度电视（数字电视又分为普通清晰度电视（LDTVLDTV，LowLow，Definition Definition TelevisionTelevision）、标准数字电视（）、标准数字电视（SD

8、TVSDTV，Standard Standard Definition TelevisionDefinition Television）和高清晰度电视（）和高清晰度电视（HDTVHDTV）。三者）。三者的主要区别在于图像质量和信号传输时所占信道带宽的不同。的主要区别在于图像质量和信号传输时所占信道带宽的不同。SDTVSDTV的画质和音质与的画质和音质与DVDDVD相当，显示图像分辨率为相当，显示图像分辨率为720(720(水平水平像素像素) )576(576(垂直像素垂直像素) (PAL) (PAL制制) )或或720720480(NTSC480(NTSC制制) )，这，这是一种普及型数字电视

9、，其清晰度为现有模拟电视的是一种普及型数字电视，其清晰度为现有模拟电视的2 2倍；数字倍；数字HDTVHDTV屏幕宽高比采用屏幕宽高比采用16:916:9，更符合人眼的视觉特性（模拟电，更符合人眼的视觉特性（模拟电视采用视采用4:34:3），分辨率为），分辨率为1920192010801080，其清晰度为现有模拟电，其清晰度为现有模拟电视的视的5 5倍。高清标准采用倍。高清标准采用H.263H.263、H.264H.264视频编码协议，同样像视频编码协议，同样像素下，画面细节更清晰，图像颜色更逼真，图像边缘更细致，增素下，画面细节更清晰，图像颜色更逼真，图像边缘更细致，增加加20%20%的信息

10、量。普通清晰度电视画面和高清晰度电视画面如的信息量。普通清晰度电视画面和高清晰度电视画面如图图6-16-1、6-26-2所示。所示。6.1 6.1 概述概述6-2 高清晰度电视画面(16:9)6-1 普通清晰度电视画面(4:3)6.1.4 模拟电视的缺陷与数字电视的优点模拟电视的缺陷与数字电视的优点1. 模拟电视的缺陷模拟电视的缺陷 在隔行扫描中，要求行，场在隔行扫描中，要求行，场扫描频率应保持严格一定的关系，否则两场光栅不能均匀扫描频率应保持严格一定的关系，否则两场光栅不能均匀相嵌，严重时两场光栅重合在一起，这时扫描行数减少一相嵌，严重时两场光栅重合在一起，这时扫描行数减少一半，则图像清晰度

11、也降低一半。半，则图像清晰度也降低一半。 (2) (2) 存在行间闪烁效应存在行间闪烁效应 就电视图像整体来讲，隔行扫描能使图像场频保持就电视图像整体来讲，隔行扫描能使图像场频保持50Hz50Hz，高于临界闪烁频率，但每一行的亮度重复频率却降低了一高于临界闪烁频率，但每一行的亮度重复频率却降低了一半，等于帧频半，等于帧频25Hz25Hz，低于临界闪烁频率，所以当人眼观，低于临界闪烁频率，所以当人眼观看高亮度的细线条时，感觉到闪烁，这叫行间闪烁。看高亮度的细线条时，感觉到闪烁，这叫行间闪烁。6.1 6.1 概述概述 (3) (3) 存在亮色干扰及行爬行（百叶窗）效应存在亮色干扰及行爬行（百叶窗）

12、效应 在在PALPAL制彩色电视制式中，由于彩色副载波所携带的色度制彩色电视制式中，由于彩色副载波所携带的色度信号处于亮度信号的频带内，亮度和色度信号之间的相互信号处于亮度信号的频带内，亮度和色度信号之间的相互干扰难以彻底清除。干扰难以彻底清除。另外，由于色度信号中的另外，由于色度信号中的V V分量采用了逐行倒相的方法分量采用了逐行倒相的方法, ,目的目的是减小图像的彩色失真是减小图像的彩色失真, ,但若彩色电视机中的色度解码存有但若彩色电视机中的色度解码存有解调误差，会引起窜色失真，当发生低频窜色时会引起大解调误差，会引起窜色失真，当发生低频窜色时会引起大面积彩色爬行，称百叶窗（彩裙）效应。

13、面积彩色爬行，称百叶窗（彩裙）效应。 (4) (4) 图像清晰度低图像清晰度低由于由于8MHz8MHz频带宽度的限制，图像清晰度不会很高。频带宽度的限制，图像清晰度不会很高。6.1.4 模拟电视的缺陷与数字电视的优点模拟电视的缺陷与数字电视的优点 （5 5）在互联网中存储、转换及传输困难）在互联网中存储、转换及传输困难 目前，各种用途的互联网已遍及，特别是目前，各种用途的互联网已遍及，特别是InternetInternet已无已无国界，以惊人的速度进入普通家庭。模拟图像的信息量十国界，以惊人的速度进入普通家庭。模拟图像的信息量十分庞大，节目保存遇到了难以克服的困难。例如：一张普分庞大，节目保存

14、遇到了难以克服的困难。例如：一张普通光盘只能存放通光盘只能存放44 s44 s的模拟图像原始数据。所以模拟电视的模拟图像原始数据。所以模拟电视信号难以在互联网中存储、转换及传输。另外，历史上形信号难以在互联网中存储、转换及传输。另外，历史上形成的三大模拟彩色电视制式成的三大模拟彩色电视制式(NTSC(NTSC、SECAMSECAM及及PALPAL制制) )很难在同一个传输网络中交换和传输信息，给国际间电视很难在同一个传输网络中交换和传输信息，给国际间电视节目的交换造成了困难。节目的交换造成了困难。 可见，模拟电视信号已不符合时代的要求，电视信号数字可见，模拟电视信号已不符合时代的要求，电视信号

15、数字化后，不仅上面这些问题得到解决，而且视频信号的编码化后，不仅上面这些问题得到解决，而且视频信号的编码实现了统一，大大方便了各国之间的节目交流。实现了统一，大大方便了各国之间的节目交流。6.1.4 模拟电视的缺陷与数字电视的优点模拟电视的缺陷与数字电视的优点2. 数字电视的优点数字电视的优点 数字电视与模拟电视有很大不同，数字电视的优点主要体数字电视与模拟电视有很大不同，数字电视的优点主要体现在技术层面上。现在技术层面上。 (1) (1) 优质的电视图像和伴音及更多的视频服务。如交互电视、优质的电视图像和伴音及更多的视频服务。如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等。远程教育、会

16、议电视、电视商务、影视点播等。 (2) (2) 抗干扰能力很强并能克服重影。模拟电视不能远距离的抗干扰能力很强并能克服重影。模拟电视不能远距离的传送，如北京央视一套传送，如北京央视一套CCTV-1CCTV-1模拟制模拟制( (调频微波接力调频微波接力) )传传输到广州，每输到广州，每5050公里就需要一个中继站差转传输，每次差公里就需要一个中继站差转传输，每次差转图像信噪比都会降低，处理起来十分麻烦。而数字信号转图像信噪比都会降低，处理起来十分麻烦。而数字信号由于只有由于只有“0 0”和和“1 1”两种电平，信号传输几千公里后，两种电平，信号传输几千公里后，噪声不积累，只要接收到的信号中噪声电

17、平不超过有用信噪声不积累，只要接收到的信号中噪声电平不超过有用信号电平的号电平的1/21/2，就可恢复出与原始图像一模一样的质量。，就可恢复出与原始图像一模一样的质量。6.1.4 模拟电视的缺陷与数字电视的优点模拟电视的缺陷与数字电视的优点（3 3）提高了信道传输能力）提高了信道传输能力 一路模拟标准清晰度电视（一路模拟标准清晰度电视（SDTVSDTV）的传输速率是）的传输速率是5Mbps5Mbps；而；而一路数字高清晰度电视一路数字高清晰度电视 （HDTVHDTV）的传输速率是）的传输速率是20Mbps20Mbps。（4 4）可实现）可实现5.15.1路（路（5.15.1路具有路具有6 6个

18、音频信道：中心、左、右、左个音频信道：中心、左、右、左环绕、右环绕和低频增强信道（环绕、右环绕和低频增强信道（0.10.1信道）数字环绕立体声。信道）数字环绕立体声。 （5 5）实现加密）实现加密/ /解密和加扰解密和加扰/ /解扰处理较容易，便于开展各类有条件解扰处理较容易，便于开展各类有条件接收的收费业务，使电视的个性化服务和特殊服务在实际中得以接收的收费业务，使电视的个性化服务和特殊服务在实际中得以方便实现。方便实现。（6 6）利用数字音频）利用数字音频/ /视频压缩技术，在现有视频压缩技术，在现有1 1个模拟电视频道带宽个模拟电视频道带宽（8MHz8MHz）范围内，能传送）范围内，能传

19、送4-64-6路标准清晰度的电视节目或路标准清晰度的电视节目或1 1路路HDTVHDTV和一路标准清晰度的节目。和一路标准清晰度的节目。（7 7）功能扩展容易。不需要电话线，通过机顶盒就可以上网、交）功能扩展容易。不需要电话线，通过机顶盒就可以上网、交互、远程教育等。互、远程教育等。6.1.4 模拟电视的缺陷与数字电视的优点模拟电视的缺陷与数字电视的优点6.1.5 数字电视广播系统的组成数字电视广播系统的组成1. 数字电视广播系统组成及各部分的功能数字电视广播系统组成及各部分的功能 数字电视的组成：包括前端、传输与分配网络、终端以及数字电视的组成：包括前端、传输与分配网络、终端以及遵循的各种标

20、准。图遵循的各种标准。图6-36-3为数字电视广播系统构成方框图。为数字电视广播系统构成方框图。6.1 6.1 概述概述(1) (1) 数字电视前端数字电视前端 数字音视频信号在前端的处理过程是首先将视频和音频模拟数字音视频信号在前端的处理过程是首先将视频和音频模拟电视信号分别经采样、量化和编码，转换成数字电视信号。然电视信号分别经采样、量化和编码，转换成数字电视信号。然后，音视频数字电视信号分别进行压缩编码，得到各自的基本后，音视频数字电视信号分别进行压缩编码，得到各自的基本流流(ES)(ES)，再与数据及其他控制信息复用成传送流，再与数据及其他控制信息复用成传送流(TS)(TS)，完成，完

21、成信源编码。信源编码。(2) (2) 数字电视信号传输信道数字电视信号传输信道 数字电视信号传输信道有三种：卫星传输、有线传输和地面数字电视信号传输信道有三种：卫星传输、有线传输和地面传输，既可单向传输也可双向传输，其传输标准见第传输，既可单向传输也可双向传输，其传输标准见第1111章中章中的介绍。的介绍。6.1.5 数字电视广播系统的组成数字电视广播系统的组成(3) (3) 数字电视终端数字电视终端 数字电视终端可采用数字电视接收器数字电视终端可采用数字电视接收器( (机顶盒机顶盒) )加显示器方式，加显示器方式，数字电视接收一体机数字电视接收一体机( (数字电视接收机数字电视接收机) )，

22、也可以使用，也可以使用PCPC机。机。但若使用但若使用PCPC机其接收方式有两种：电视信号接收卡或外置机其接收方式有两种：电视信号接收卡或外置机顶盒。数字电视终端的详细工作过程见第机顶盒。数字电视终端的详细工作过程见第1212章中的介绍。章中的介绍。6.1.5 数字电视广播系统的组成数字电视广播系统的组成2. 数字电视信号的编解码遵循的标准数字电视信号的编解码遵循的标准MPEG2 数字电视广播系统完成它所承载的任务，必须遵循严格的数字电视广播系统完成它所承载的任务，必须遵循严格的标准要求，下面简单介绍数字电视信号的编、解码应遵循标准要求，下面简单介绍数字电视信号的编、解码应遵循的标准。的标准。

23、 MPEG MPEG是活动图像专家组是活动图像专家组 (Moving Picture Expert (Moving Picture Expert Group) Group) ，它是一个国际标准化组织，负责开发活动图像，它是一个国际标准化组织，负责开发活动图像数据和声音数据的编码、解码和同步等标准。这个专家组数据和声音数据的编码、解码和同步等标准。这个专家组开发的标准称为开发的标准称为 MPEG MPEG标准，到目前为止，已经开发和标准，到目前为止，已经开发和正在开发的正在开发的 MPEG MPEG 标准有标准有:MPEG1:MPEG1、MPEG2MPEG2、MPEG4MPEG4、MPEG7MP

24、EG7、MPEG21MPEG21等。数字电视广播图像和等。数字电视广播图像和声音的编解码主要遵循声音的编解码主要遵循MPEG2MPEG2标准，但随着数字电视标准，但随着数字电视“家族家族”的扩大，编解码也在升级，如网络电视（的扩大，编解码也在升级，如网络电视（IPTVIPTV）使用的标准使用的标准MPEG4MPEG4（兼容（兼容MPEG2MPEG2）。）。6.1.5 数字电视广播系统的组成数字电视广播系统的组成 MPEG-1 MPEG-1标准，是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像标准，是一个直接与数字电视广播有关的高质量图像和声音编码标准。和声音编码标准。 MPEG-2 MPEG-2标准适

25、用于标准适用于VCDVCD光存储介质、广播、电视、计算机等光存储介质、广播、电视、计算机等多媒体通信领域，高清晰度电视多媒体通信领域，高清晰度电视HDTVHDTV编码压缩用的编码压缩用的MPEG-3MPEG-3也包含在也包含在MPEG-2MPEG-2标准中。（标准中。（MPEG-3MPEG-3没有定义，就被没有定义，就被MPEG-MPEG-4 4所取代，因此它没有版权，才使它的应用最广泛。）所取代，因此它没有版权，才使它的应用最广泛。） MPEG-2 MPEG-2音频与音频与MPEG-1MPEG-1兼容，它们都使用相同种类的编码译兼容，它们都使用相同种类的编码译码器；支持线性码器；支持线性PC

26、MPCM和和Dolbey AC-3Dolbey AC-3（audio code audio code number 3number 3）编码；定义了与）编码；定义了与MPEG-1MPEG-1音频格式不兼容的先进音频格式不兼容的先进音频编码音频编码 MPEG-2 AACMPEG-2 AAC（advanced audio codingadvanced audio coding）；）；它是一种非常灵活的声音感知编码标准，支持的采样频率可从它是一种非常灵活的声音感知编码标准，支持的采样频率可从8kHz8kHz到到96kHz96kHz，可支持，可支持4848个主声道、个主声道、1616个配音声道和个配音

27、声道和1616个数个数据流；具有许多先进的选择、多种运动估计方法和两种扫描方式；据流；具有许多先进的选择、多种运动估计方法和两种扫描方式；具有很高的压缩率和图像质量。具有很高的压缩率和图像质量。6.1.5 数字电视广播系统的组成数字电视广播系统的组成 模拟电视信号的数字化分模拟电视信号的数字化分3 3个步骤进行：采样（抽样或取样）、个步骤进行：采样（抽样或取样）、量化和编码。采样是在时间上将连续的模拟信号变成离散的脉冲信量化和编码。采样是在时间上将连续的模拟信号变成离散的脉冲信号，用一定时间间隔的信号样值序列，来代替连续的模拟信号。采号，用一定时间间隔的信号样值序列，来代替连续的模拟信号。采样

28、频率按采样定理要求必须大于信号频率带宽的两倍以上，防止混样频率按采样定理要求必须大于信号频率带宽的两倍以上，防止混叠现象发生；量化则是在幅度上对模拟信号进行离散化处理，即把叠现象发生；量化则是在幅度上对模拟信号进行离散化处理，即把采样后的值分成许多区段，每一区段的所有值都用一个单一的值来采样后的值分成许多区段，每一区段的所有值都用一个单一的值来表示；编码是将采样、量化后的离散信号转换成数字编码脉冲，用表示；编码是将采样、量化后的离散信号转换成数字编码脉冲，用0 0或或1 1表示。因此，就可以进行存储和压缩编码了。表示。因此，就可以进行存储和压缩编码了。6.2.1模拟信号采样模拟信号采样1. 模

29、拟信号的采样过程模拟信号的采样过程 模拟信号采样过程如图模拟信号采样过程如图6-4(a)6-4(a)所示。所示。 6.2 6.2 模拟电视信号的数字化过程模拟电视信号的数字化过程在模拟信号通路中设计一个由采样脉冲控制在模拟信号通路中设计一个由采样脉冲控制的电子开关，当脉冲到来时开关合上，模拟的电子开关，当脉冲到来时开关合上，模拟信号通过它并把此时的电压值保持在电容器信号通过它并把此时的电压值保持在电容器CoCo上，而在脉冲过去后开关即刻打开。这上，而在脉冲过去后开关即刻打开。这样，就把时间上连续的模拟信号变成了离散样，就把时间上连续的模拟信号变成了离散的脉冲信号。图中采样的时刻是的脉冲信号。图

30、中采样的时刻是t to o、t tl l、t t2 2、tt，此刻采样保持原理电路的开关，此刻采样保持原理电路的开关KK闭闭合，在电容合，在电容C C0 0上取得相应时刻模拟信号幅上取得相应时刻模拟信号幅度的瞬时值是度的瞬时值是 （称为样（称为样值序列），并将该值保持到下一采样时刻。值序列），并将该值保持到下一采样时刻。321ooouuu、图6-4 模拟信号采样、量化和编码过程示意图6.2 6.2 模拟电视信号的数字化过程模拟电视信号的数字化过程 相邻采样间的历时，称为采相邻采样间的历时，称为采样周期。每秒含有的采样周样周期。每秒含有的采样周期数称为采样频率。经过采期数称为采样频率。经过采样，

31、时间和幅度连续变化的样，时间和幅度连续变化的模拟信号，变成时间上离散、模拟信号，变成时间上离散、大小不等的一系列的采样值，大小不等的一系列的采样值，如图如图6-4(b)6-4(b)所示。所示。 图6-4 模拟信号采样、量化和编码过程示意图6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样2. 采样定理（奈奎斯特采样定理）采样定理（奈奎斯特采样定理） 采样定理是选择采样频率的理论依据，即对于一个包含最高采样定理是选择采样频率的理论依据，即对于一个包含最高频率为频率为 的模拟信号，当选择的采样频率满足的模拟信号，当选择的采样频率满足 时，时，经过采样后的离散信号序列能够包含原模拟信号的全部信息，经过采样后的离散

32、信号序列能够包含原模拟信号的全部信息，并能通过反转换和低通滤波，可以不失真地恢复出原模拟信号。并能通过反转换和低通滤波，可以不失真地恢复出原模拟信号。这个定理又称为奈奎斯特采样定理，频率这个定理又称为奈奎斯特采样定理，频率 称为奈奎斯特频率。称为奈奎斯特频率。根据采样定理根据采样定理 , ,只要采样频率不低于信号中最高频率成只要采样频率不低于信号中最高频率成分的分的2 2倍，即采样周期不长于信号中变化最快成分变化周期的倍，即采样周期不长于信号中变化最快成分变化周期的1/21/2，那么时间上离散但足够密集的一系列采样值就不会丢失原，那么时间上离散但足够密集的一系列采样值就不会丢失原时间上连续的模

33、拟信号的全部信息量。时间上连续的模拟信号的全部信息量。msff2mfmsff26.2.1 模拟信号采样模拟信号采样(a) 满足采样定理 (b) 不满足采样定理图10-5 模拟信号采样后的频谱分布及频谱混叠图图6-5(b)6-5(b)为采样频率低于信号中最高频率成分为采样频率低于信号中最高频率成分2 2倍，不满足采样定理的示意图。倍，不满足采样定理的示意图。表现到频谱分布上，将发生频谱混叠，终端不再能从中单独取出原始信号的表现到频谱分布上，将发生频谱混叠，终端不再能从中单独取出原始信号的频谱成分。又由于混叠部分各频率成分间频率互相组合，会产生多种干扰成频谱成分。又由于混叠部分各频率成分间频率互相

34、组合，会产生多种干扰成分，其中包括频率较低的，这些干扰成分对视频，形成较稀疏的干扰花纹；分，其中包括频率较低的，这些干扰成分对视频，形成较稀疏的干扰花纹；对音频，产生低频差拍声。对音频，产生低频差拍声。 图图6-5(a)6-5(a)所示为采样频率为模拟信号最高频率成分的所示为采样频率为模拟信号最高频率成分的2 2倍，满足采样定理的倍，满足采样定理的情况，采样后，窄脉冲序列的频谱展宽为图中的一系列频谱成分，它们的能量逐情况，采样后，窄脉冲序列的频谱展宽为图中的一系列频谱成分，它们的能量逐渐减小。它们的中心频率分别为采样频率的各个整数倍，两侧排列着上下边带。渐减小。它们的中心频率分别为采样频率的各

35、个整数倍，两侧排列着上下边带。终端用虚线示意的低通滤波器取出原始信号频谱成分，即可恢复原信号。终端用虚线示意的低通滤波器取出原始信号频谱成分，即可恢复原信号。 分量编码是指对模拟彩色图像信号中的亮度信号分量编码是指对模拟彩色图像信号中的亮度信号(Y)(Y)和两个和两个色差信号色差信号(R-Y)(R-Y)、(B-Y)(B-Y)分别进行采样、量化及编码。在分量分别进行采样、量化及编码。在分量编码中，由于不受色度副载波的影响，而且与彩色电视制式编码中，由于不受色度副载波的影响，而且与彩色电视制式的关系不大，为了便于国际间电视节目的交换，采样频率应的关系不大，为了便于国际间电视节目的交换，采样频率应能

36、兼容能兼容625625行行/50/50场和场和525525行行/60/60场两种扫描体制。根据采样场两种扫描体制。根据采样定理，要求采样频率定理，要求采样频率 ，一般选，一般选 ，并使并使 为行频为行频 的整数倍。综合上述要求，采样频率的整数倍。综合上述要求，采样频率 具体值的选定如下：具体值的选定如下：sfmsff2msff)7 .22 .2(Hfsf6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样3. 采样频率采样频率 的选择的选择6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样(1) (1) 亮度信号的采样频率亮度信号的采样频率 及每行的采样点数及每行的采样点数 由于亮度信号的上限频率为由于亮度信号的上限频率为

37、5.55.56MHz6MHz，采样频率可选为，采样频率可选为 MHz MHz；考虑；考虑 应为行频应为行频 的整数倍的整数倍对于对于625625行制式的行频行制式的行频 KHz KHz，对于，对于525525行制式的行制式的行频行频 KHzKHz，为了满足兼容两种制式的要，为了满足兼容两种制式的要求，就在求，就在13.2MHz13.2MHz附近选定。根据两种制式行频的最佳公附近选定。根据两种制式行频的最佳公倍数，故亮度信号的采样频率倍数，故亮度信号的采样频率 选定为选定为13.5MHz13.5MHz。 对于对于625625行制式，每行采样点数为：行制式，每行采样点数为： / / =13.5MH

38、z/15.625 KHz=864=13.5MHz/15.625 KHz=864；对于对于525525行制式，每行采样点数为：行制式，每行采样点数为： / / =13.5MHz/15.734264 KHz =858=13.5MHz/15.734264 KHz =858. .sYfsfHfsYf625.15Hf734264.15HfsYfsYfHfHf2 .13122 . 2msff (2) (2) 两个色差信号的采样频率及每行的采样点数两个色差信号的采样频率及每行的采样点数 对于两个色差信号对于两个色差信号(R-Y)(R-Y)和和(B-Y)(B-Y)，因为其上限频率均为，因为其上限频率均为2.8

39、MHz2.8MHz以下，近似为亮度信号上限频率的一半，为了方便起以下，近似为亮度信号上限频率的一半，为了方便起见，色差信号的采样频率选为：见，色差信号的采样频率选为：6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样75. 621)()(sYYBsYRsfffMHz对于对于625625行制式，色差信号每行采样点数为行制式，色差信号每行采样点数为8648641/21/2432432；对于对于525525行制式，每行采样点数为行制式，每行采样点数为8588581/21/2429429。（3 3）亮度信号和两个色差信号三者的采样频率比例关系）亮度信号和两个色差信号三者的采样频率比例关系亮度信号和两个色差信号三者的

40、采样频率比例关系为：亮度信号和两个色差信号三者的采样频率比例关系为：2:2:4:)()(YBsYRssYfff 故把这种选择采样频率的方式称为故把这种选择采样频率的方式称为4:2:24:2:2标准，这就是分标准，这就是分量编码中采样频率的选择。量编码中采样频率的选择。6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样sf4. 复合编码中采样频率的选择复合编码中采样频率的选择 上述的分量编码方式中没有受色度副载波的影响，因此可以上述的分量编码方式中没有受色度副载波的影响，因此可以方便地实现各种制式的兼容，是一种较好的方便地实现各种制式的兼容，是一种较好的A/DA/D转换方案。转换方案。但在复合编码中，因为模拟

41、复合电视信号中包含有色度副载但在复合编码中，因为模拟复合电视信号中包含有色度副载波，为避免采样信号与色度副载波的高次谐波产生的差拍成波，为避免采样信号与色度副载波的高次谐波产生的差拍成分窜入视频信号中形成网纹干扰，采样频率分窜入视频信号中形成网纹干扰，采样频率 应选择为色应选择为色度副载波频率度副载波频率 的整数倍的整数倍 ，通常选，通常选 在在PALPAL制中，制中， MHzMHz，故，故n=4n=4时的采样频率时的采样频率 为：为： MHz=17.72MHzMHz=17.72MHz色度载波频率色度载波频率 与行频与行频 的关系为的关系为可以得到每行的采样点数为可以得到每行的采样点数为: :

42、 / =4 / / =4 / （2842841/41/4）=4=4（2842841/41/4）=1135=1135sfscfscsnff scsff443. 4scfsf43. 44sfscfHf) 4/1284/() 4/1284(25) 4/1284(scHHHscfffHzffscfscfsfHf6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样5. 音频信号采样频率音频信号采样频率 的选择的选择 电视伴音信号的电视伴音信号的A/DA/D转换也与图像信号转换也与图像信号A/DA/D转换相似，包转换相似，包括采样、量化和编码。音频信号采样频率的选择原则也是括采样、量化和编码。音频信号采样频率的选择原则也

43、是根据奈奎斯特采样定理，即采样频率根据奈奎斯特采样定理，即采样频率 。音频信号。音频信号中上限频率中上限频率 选取的原则是演播室内的高保真音频信号取选取的原则是演播室内的高保真音频信号取为为20kHz20kHz，传输用或普通音频信号取，传输用或普通音频信号取15kHz15kHz。通常采样。通常采样频率频率 选为选为 在复合全电视信号直接编码方式中，音频信号的采样频率在复合全电视信号直接编码方式中，音频信号的采样频率 也应为行频的整数倍。考虑在分量编码方式中，亮度信号也应为行频的整数倍。考虑在分量编码方式中，亮度信号采样频率为采样频率为13.5MHz13.5MHz，即与各种电视制式的行频成整数，

44、即与各种电视制式的行频成整数倍的关系。故音频采样频率倍的关系。故音频采样频率 最后选定为最后选定为 MHz=48KHz MHz=48KHz满足满足 的条件，这里同样取的条件，这里同样取 =20 KHz =20 KHz。sfmsff2mfmsff) 5 . 21 . 2(sf) 437535 .13(sfmsff) 5 . 21 . 2(mf6.2.1 模拟信号采样模拟信号采样 模拟信号采样后，各样值的大小仍可能为幅度连续改变的模模拟信号采样后，各样值的大小仍可能为幅度连续改变的模拟信号取值范围内的任一值。为了把样值表示成某种精度的拟信号取值范围内的任一值。为了把样值表示成某种精度的数字，实现样

45、值大小的离散化，需经量化处理。数字，实现样值大小的离散化，需经量化处理。量化：量化：就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。 一一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。每级对应一个数值，落在相邻两个号，它仅为有限个数值。每级对应一个数值，落在相邻两个级别之间的采样值，一般按四舍五入方法，用其邻近值近似。级别之间的采样值，一般按四舍五入方法，用其邻近值近似。编

46、码：就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化编码：就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也值。实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模称为模/ /数变换数变换 图图10-4(b)10-4(b)是采样值量化和编码过程的示意图。是采样值量化和编码过程的示意图。6.2 模拟电视信号的数字化过程 1. 电视信号的量化过程电视信号的量化过程 图中假定把图中假定把0 010V10V的样值的样值2020等分，称各级为量化等级，简称量化级。这等分，称各级为量化等级，简称量化级。这样，各级间的差为样，各级间的差为0.5V0.5V，

47、称为量化级差。，称为量化级差。 若所有的量化级差均相等，则称线性量化。将若所有的量化级差均相等，则称线性量化。将0 010V10V的各采样值按四舍的各采样值按四舍五入，近似成邻近的量化级的过程即为样值的量化。由这种近似带来的误五入，近似成邻近的量化级的过程即为样值的量化。由这种近似带来的误差，称量化误差。量化误差相当于引入了噪声，称为量化噪声。差，称量化误差。量化误差相当于引入了噪声，称为量化噪声。6.2 模拟电视信号的数字化过程 2. 量化比特数的选择量化比特数的选择 量化级越多，量化级差（步长）越小，量化误差越小，处理和传量化级越多，量化级差（步长）越小，量化误差越小，处理和传输越困难，反

48、之，亦然。所以，量化既要尽量减少量化级数，又输越困难，反之，亦然。所以，量化既要尽量减少量化级数，又要使量化失真尽量小。采样脉冲量化级数通常用一个十进制数来要使量化失真尽量小。采样脉冲量化级数通常用一个十进制数来表示，这个十进制数称为样值，常用自然二进制码字来代表，二表示，这个十进制数称为样值，常用自然二进制码字来代表，二进制码字位数越多，量化精度越高。所谓量化比特数是指要区分进制码字位数越多，量化精度越高。所谓量化比特数是指要区分采样脉冲的所有量化级需要几位二进制数。例如，要区分采样脉冲的所有量化级需要几位二进制数。例如，要区分8 8个量个量化级，只要用化级，只要用3 3位二进制数（位二进制

49、数（2 23 38 8）就可以，这时就称）就可以，这时就称8 8个量化个量化级的量化比特级的量化比特(bit)(bit)数为数为3 3，或者称其为，或者称其为3 3比特量化。比特量化。 图图6-4(b)6-4(b)所示的例子，量化级为所示的例子，量化级为2020级，需要级，需要5 5位二进制码位二进制码字来表示，字来表示， 25 253232个二进制码，用其中的个二进制码，用其中的2020个，即可分别个，即可分别代表可能出现的代表可能出现的2020种量化值，从而把各量化值编码成不同的种量化值，从而把各量化值编码成不同的二进制码字。二进制码字。 量化等级量化等级MM与量化比特数与量化比特数n n

50、的关系为：的关系为： M M2 2n n 或或 n nloglog2 2MM 在数字电视系统中，亮度信号和两个色差信号分别采用线在数字电视系统中，亮度信号和两个色差信号分别采用线性量化。依据对视觉特性所做大量测试数据的统计结果，性量化。依据对视觉特性所做大量测试数据的统计结果，每个采样值按每个采样值按8bit8bit量化，每个量化值对应量化，每个量化值对应1 1个个8 8位自然二位自然二进制码字。为提高电视节目制作质量，电视演播室可采用进制码字。为提高电视节目制作质量，电视演播室可采用10bit10bit线性量化，但最后播出的电视节目精度都是线性量化，但最后播出的电视节目精度都是8bit8bi

51、t。8 8位二进制码共有位二进制码共有2 28 8=256=256个不同的个不同的8 8位二进制码字，可分位二进制码字，可分别分配给别分配给8bit8bit精度的精度的256256个量化值。个量化值。 对于声音信号，由于动态范围较大，而且要求信噪比又高，对于声音信号，由于动态范围较大，而且要求信噪比又高，量化比特数取量化比特数取141416bit16bit，甚至到，甚至到202024 bit24 bit。1. 自然二进制码自然二进制码 模拟电视信号经过采样和量化后，变为时间上和幅度上均模拟电视信号经过采样和量化后，变为时间上和幅度上均为离散的信号，然后分别赋予二进制代码，并把它们排列为离散的信

52、号，然后分别赋予二进制代码，并把它们排列起来组成数字信息流（数据流），并把这种编码方式称为起来组成数字信息流（数据流），并把这种编码方式称为自然二进制编码。自然二进制编码。 例如，若量化后的脉冲电平分别为例如，若量化后的脉冲电平分别为0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7V7V，则它对应的二进制编码依次为：，则它对应的二进制编码依次为：000000、001001、010010、011011、100100、101101、110110、111111。顺便指出，有时。顺便指出，有时也把对模拟信号的采样、量化、编码的全过程，即模拟信也把对模拟信号的采样、量化、编码的全过程，即模拟信

53、号变换为数字信号的全过程称为数字编码。号变换为数字信号的全过程称为数字编码。（1 1）数码率（比特率）数码率（比特率） 对于一个模拟电视信号来说，若其采样频率为对于一个模拟电视信号来说，若其采样频率为 ，量化比特，量化比特数为数为n n，则二者的乘积，则二者的乘积n n 就是该模拟信号数字化后每秒钟就是该模拟信号数字化后每秒钟需要处理的比特数。该比特数称为数码率或比特率。例如，需要处理的比特数。该比特数称为数码率或比特率。例如，视频亮度信号的采样频率视频亮度信号的采样频率 为为13.5MHz13.5MHz，量化比特数，量化比特数n=8bitn=8bit，可计算出相应的数码率，可计算出相应的数码

54、率M=13.5M=13.58=108Mbit/s8=108Mbit/s。采样频率越高，量化比特数。采样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要的传输带宽就越宽。越大，数码率就越高，所需要的传输带宽就越宽。(2) (2) 自然二进制码的优缺点自然二进制码的优缺点 自然二进制码和二进制数一一对应，简单易行。它是权重自然二进制码和二进制数一一对应，简单易行。它是权重码，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次为码，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次为2n2n，2n-12n-1，4 4，2 2，1 1，可以直接进行大小比较和算术运算，可以直接进行大小比较和算术运算，在解码中可以直接由在

55、解码中可以直接由D/AD/A转换器转换为模拟信号。缺点是转换器转换为模拟信号。缺点是相邻电平的代码之间可能有较大的差别，例如十进制的相邻电平的代码之间可能有较大的差别，例如十进制的7 7与与8 8之间每位二进制码都要改变。这样，在之间每位二进制码都要改变。这样，在D/AD/A转换时，转换时，数字电路可能产生较大的尖脉冲电流，形成干扰。另外，数字电路可能产生较大的尖脉冲电流，形成干扰。另外，当发生误码时可能产生较大误差。例如，如果第一位发生当发生误码时可能产生较大误差。例如，如果第一位发生误码，则可能使量化电平从误码，则可能使量化电平从9 9变为变为1 1，或者从，或者从1 1变为变为9 9，信

56、，信号电平偏差大。号电平偏差大。 格雷码格雷码 ( (交替二进制码交替二进制码) )可以克服自然二进制码的上述缺点，可以克服自然二进制码的上述缺点，格雷码相邻两个量化电平等级之间只有一个码值改变。因格雷码相邻两个量化电平等级之间只有一个码值改变。因此，当发生误码时，译码后恢复的模拟信号误差小些。但此，当发生误码时，译码后恢复的模拟信号误差小些。但格雷码不是权重码，每位码值不能直接代表相应的十进制格雷码不是权重码，每位码值不能直接代表相应的十进制的大小，无法直接进行大小比较和运算，在还原模拟信号的大小，无法直接进行大小比较和运算，在还原模拟信号时，需要先还原成自然二进制码，再还原出模拟信号，因时

57、，需要先还原成自然二进制码，再还原出模拟信号，因此电路比较复杂。此电路比较复杂。6.3.1 视频信号的编码方式视频信号的编码方式 在模拟电视信号中，视频信号有全电视信号（或称复合彩在模拟电视信号中，视频信号有全电视信号（或称复合彩色电视信号）、三基色信号色电视信号）、三基色信号R R、GG、B B和亮度信号和亮度信号Y Y、色差、色差信号信号R-YR-Y、色差信号、色差信号B-YB-Y之分，与其相对应的编码方式也之分，与其相对应的编码方式也分为两种，即分量编码与复合编码。分为两种，即分量编码与复合编码。1. 分量编码分量编码 分量编码是将三基色信号分量编码是将三基色信号R R、GG、B B分量

58、或亮度和色差信分量或亮度和色差信号号Y Y、B-YB-Y、R-YR-Y分别编码成二进制的脉冲编码调制分别编码成二进制的脉冲编码调制(PCM)(PCM)信号。信号。 分量编码的优点是编码与制式无关，便于制式转换和统一。分量编码的优点是编码与制式无关，便于制式转换和统一。目前已形成了国际统一的标准；由于目前已形成了国际统一的标准；由于Y Y、R-YR-Y、B-YB-Y单独单独编码，可采用时分复用方式，从而有效地避免亮色互窜，编码，可采用时分复用方式，从而有效地避免亮色互窜，可获得高质量的图像；亮度信号可获得高质量的图像；亮度信号Y Y用较高的码率传送，两用较高的码率传送，两个色差信号个色差信号R-

59、YR-Y、B-YB-Y可用较低的码率传送，但总的码率可用较低的码率传送，但总的码率比较高，设备价格相应较贵。比较高，设备价格相应较贵。10.3.1 视频信号的编码方式视频信号的编码方式2. 复合编码复合编码 复合编码是将复合彩色电视信号直接编码成二进制的脉复合编码是将复合彩色电视信号直接编码成二进制的脉冲编码调制冲编码调制(PCM)(PCM)信号。复合编码的优点是码率低些，信号。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。缺点是图像的质量不好；由于数字电视信号的采情况。缺点是图像的质量不好；由于数字电视信号的采

60、样频率必须与彩色副载波频率保持一定的关系，而各种样频率必须与彩色副载波频率保持一定的关系，而各种彩色电视制式的副载波频率各不相同，难以选择统一的彩色电视制式的副载波频率各不相同，难以选择统一的国际标准。目前多数国家认为，复合编码较合适的方案国际标准。目前多数国家认为，复合编码较合适的方案是是8bit8bit量化和选择量化和选择4 4 作为采样频率。作为采样频率。 10.3.1 视频信号的编码方式视频信号的编码方式6.3.2 演播室分量电视信号数字编码标准ITU-RBT.601建议 目前，我国正处于由模拟电视信号向数字电视信号的过渡目前，我国正处于由模拟电视信号向数字电视信号的过渡时期。这就必然