第3章电视信号的数字化

1、 数字电视原理第3章 电视信号的数字化n3.1信号的数字化n3.2音频信号的数字化n3.3视频信号的数字化3.1信号的数字化n采样 采样是指用每隔一定时间（或空间）间隔的信号样本值序列代替原来在时间（或空间）上连续的信号，也就是在时间（或空间）上将模拟信号离散化。模拟信号、单位脉冲序列理想抽样函数和抽样输出信号三者的频谱关系模拟信号、单位脉冲序列理想抽样函数和抽样输出信号三者的频谱关系3.1信号的数字化n量化 量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。 量化器的设计原则可以分为两种： (1) 给定量化器的量化电平数M，根据量化误差的均方

2、值为最小来设计量化器； (2) 给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化电平总数M尽量小。 均匀量化器原理 设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一量化间隔A是相等的，共分为M级，设M=2n，其中n为量化比特数，即A=MA=2nAM和n的取值主要是由量化信噪比决定的。 量化信噪比量化信噪比nnqPPAAAAsNS23232122)(2 一般常用分贝表示为一般常用分贝表示为nsNSndbqpp68 .10)232log(20)(电视信号量化信噪比一般用信号峰电视信号量化信噪比一般用信号峰-峰值与量化噪声有效值之比表示峰值与量化噪声有效值之比表示非均匀量化通常有两种方法。一种方法是把非线性处理

3、放在编码器之前和解码器之后的模拟电路部分，编、解码器中仍然采用均匀量化采用非均匀量化(或称非线性量化)来改善量化信噪比。压缩扩张编码方式另一种方法是直接采用非均匀量化，对于视频信号，在高效编码时常采用非均匀量化器。在MPEG标准中，DCT变换后对变换系数进行非均匀量化，低频信号采用细量化，高频信号采用粗量化。3.1信号的数字化n编码 编码则是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数字表示，以进行传输或记录。3.2音频信号的数字化 声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低体现在声音的频率上。因而，声音信号的两个基本参数是频率和幅度。3.2音频信号的

4、数字化声波信号按频率划分：频率小于20Hz的信号称为亚音(Subsonic)信号，或称为次音信号频率高于20kHz的信号，称为超声波(Ultrasonic)信号频率在20Hz20kHz之间的声波是人耳可以听到的声音，称之为音频(audio)信号人的发音器官发出的声音频率约在80Hz 3400Hz之间，但人说话的信号频率通常在300Hz3400Hz之间，人们把这种频率范围的信号称为语（话）音信号(speech，voice)3.2音频信号的数字化 采样频率 经常使用的采样频率有11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.lkHz和48kHz等。采样频率越高，声音失真越小、音频数据量越大

5、。 人耳听觉的频率上限在20kHz左右，为了保证声音不失真，采样频率应大于40kHz。3.2音频信号的数字化 量化比特数 经常采用的量化比特数有8bit、12bit和16bit。量化比特数越多，音质越好，数据量也越大。 人耳的听觉能感觉极微小的声音失真而且又能接受极大的动态范围。由于这个特点，所以对音频信号进行数字化所用的量化比特数比起视频信号来要多。3.2音频信号的数字化 声道数 记录声音时，如果每次生成一个声波数据，称为单声道；每次生成二个声波数据，称为立体声（双声道），立体声更能反映人的听觉感受。3.2音频信号的数字化 音频数字化的采样频率和量化精度越高，音质越好，恢复出的声音越接近原始

6、声音，但记录数字声音所需存储空间也随之增加。可以用下面的公式估算声音数字化后每秒所需的存储量（假定不经压缩）：存储量=(采样频率量化比特数声道数)/8 其中，存储量的单位为B（字节）3.2音频信号的数字化质量等级采样频率/kHz量化精度/bit声道数数码率（未压缩）/ kbit/s频带/ Hz电话话音88单声道642003400AM11.0258单声道88.2507000FM22.0516双声道705.62015000CD44.116双声道1411.2 2020000DAT4816双声道153620200003.3视频信号的数字化在时间轴上(t轴)分为一系列离散的帧每帧图像在垂直方向(y轴)上

7、离散为一条一条的扫描行每行在水平方向(x轴)上采样，得到一个一个像素。3.3视频信号的数字化 对彩色电视信号的数字化处理主要有分量数字编码和复合数字编码两种方式。 复合数字编码是将彩色全电视信号直接进行数字化，编码成 PCM形式。 分量数字编码方式是分别对亮度信号Y和两色差信号B-Y、R-Y分别进行PCM编码。复合数字编码和分量信号编码框图3.3视频信号的数字化分量数字编码优点：避免了复合数字编码时因反复解码所引起的质量损伤和器件的浪费，而且编码几乎与电视制式无关后期制作的处理方便时分复用方式，不会像复合数字编码那样因频分复用带来亮、色串扰，可获得高质量的图像亮度信号和色度信号的带宽根据需要取

8、不同在数字电视中一般采用在数字电视中一般采用正交结构正交结构，这种，这种结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列，这排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列，这样有利于帧内和帧间的信号处理。样有利于帧内和帧间的信号处理。 行交叉结构行交叉结构，每行内的取样点数为整数，每行内的取样点数为整数加半个。加半个。 视频信号的抽样结构视频信号的抽样结构3.3.13.3.1电视信号分量数字编码参数的确定电视信号分量数字编码参数的确定取样结构图取样结构图采样频率选择：采样频率选择：(1) (1) 首先各国主观测试亮度信号带宽首先各国主观测试亮度

9、信号带宽f fm m5.86MHz5.86MHz ，应该满足取样定理，即取样频率应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽的两倍。应该大于视频带宽的两倍。 (2) (2) 为了保证取样结构是正交的，取样频率为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频应该是行频f fH H的整数倍，即的整数倍，即MHzffus122Hsfnf3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定(3) (3) 为了便于节目的国际间交流，亮度信号为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频率的选择还必须兼顾取样频率的选择还必须兼顾625行行/50场及场及525行行/60场这两种扫描制式实现行兼容应采用同场这两种扫描制式实现行兼容

10、应采用同一采样频率一采样频率 fs=m* 2.25MHz3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定亮度信号的采样频率625行/50场扫描制式行频(15625Hz)525行/60场扫描制式行频(4.5MHz/286)4.513.5MHz=15625Hz 864=Hz 858286n(4) (4) 编码后的比特率编码后的比特率R Rb b= =f fs sn n，其中，其中n n为量为量化比特数。从降低码率考虑，化比特数。从降低码率考虑，f fs s应接近应接近2 2f fu u3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定亮度信号的采样频率为13.5MHz 3.3

11、.1电视信号分量数字编码参数的确定色差信号的采样频率主观测试色度信号的带宽应选为2.8MHz，若色差信号采样频率为6 7 MHz时能满足色键处理等对图像质量的较高要求为保证足够小的混叠噪声采样频率为行频的整数倍为了使625行/50场及525行/60场这两种扫描制式实现行兼容色差信号的采样频率为6.75MHz 3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构 a)4 2 0 b)4 2 2 c)4 4 43.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配量化比特数 量化比特数是指要区分所有量化级所需的二进制码位数。其大小直接影响到数字图像的质量，每增加或减少1bit，就使量

12、化信噪比增加或减少6dB。 CCIR601建议中，规定对亮度和色差信号都采用8 bit的均匀量化。8 bit的量化精度在某些场合是不够的，在后来的数字演播室中又扩展到10 bit的量化。34图像分量信号量化比特数确定和码电平分配从电视原理已知，亮度信号方程为： Y=0.299R+0.587G+0.114B色差信号方程为： R-Y=0.701R-0.587G-0.114B B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定亮度信号与色度信号特点亮度信号与色度信号特点3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配亮度信号的量化级分配

13、36100%100%彩条色度信号、亮度信号和色差信号的标称值彩条色度信号、亮度信号和色差信号的标称值 亮度信号Y: 01色差信号R-Y:0.7010.701色差信号B-Y:0.8860.88637色差信号必须引入压缩系数，使得： CR，CB:0.50.5 ：KR= =0.713 KB= =0.564 归一化后的色差信号为： 0.7130.5000.4190.081RCR YRGBEEEEE0.5640.1690.3310.500BCB YRGBEEEEE 701. 05 . 0886. 05 . 0比较：模拟彩色电视信号n传输Y，U，VV=0.877(R-Y) U=0.493(B-Y) 3.3

14、.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配色差信号的量化级分配3.3.2 ITU-R BT.601建议 1982年2月，在CCIR 第15次全会上，在通过的CCIR 601建议建议中，确定了以分量数字编码4 2 2标准作为演播室彩色电视信号数字编码的国际标准。 该建议考虑到现行的多种彩色电视制式，提出了一种世界范围兼容的数字编码方式，是向数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出的第一步。3.3.2 ITU-R BT.601建议参数参数625行行/50场场525行行/60场场有效扫描行数有效扫描行数576480编码信号编码信号Y，CB，CR每行样点数每行样点数亮度信号亮度信

15、号864858色差信号色差信号432429每行有效样每行有效样点数点数亮度信号亮度信号720色差信号色差信号360采样结构采样结构正交，按行、场、帧重复，每行中的正交，按行、场、帧重复，每行中的CR，CB的样点同位的样点同位置，并与每行第奇数个（置，并与每行第奇数个（1，3，5，）亮度的样点）亮度的样点同位置同位置采样频率采样频率/ MHz亮度信号亮度信号13.5色差信号色差信号6.75编码方式编码方式对亮度信号和色差信号都进行均匀量化，每个样值为对亮度信号和色差信号都进行均匀量化，每个样值为8bit量化量化量化级量化级亮度信号亮度信号共共220个量化级，消隐电平对应于第个量化级，消隐电平对应于第16量化级，峰值白电量