第6章 数字电视与高清晰度电视

1、第第6章章 数字电视与高清晰度电视数字电视与高清晰度电视 6.1 数字电视概述数字电视概述6.2 电视信号的编码电视信号的编码6.3 频带压缩编码频带压缩编码6.4 电视信号的数字处理电视信号的数字处理 6.5 数字电视机原理介绍数字电视机原理介绍6.6 高清晰度电视高清晰度电视6.1 数字电视概述数字电视概述 6.1.1 数字电视的概念 数字电视指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号,然后进行传输、处理或进行存储的系统。 图61只是数字电视系统的主要内容,并不意味上述几种方式是完全独立的。比如,在数字信号处理中一般都有数字信号存储;而在数字信号传输或存储过程中,也会有某些信号处理。

2、图61 数字电视系统 6.1.2 数字电视的优点 数字电视之所以是电视技术发展的主要方向,就是因为它和传统的模拟电视比较有许多突出的优点。 (1)数字电视的抗干扰能力强。 (2)数字电视信号能够进行存储,包括成帧图像的存储,从而能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理,得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。 (3) 数字电视稳定可靠,易于调整,便于生产。 (4)数字电视信号由于具有数字信号的共同形式,容易和其它信息链联,便于加入公用数据通信网。 6.1.3 数字电视的发展 数字电视的一个主要缺点就是传输时所需的频带太宽,因此,难以在现有传输模拟信号的带宽内进行传输,同时,也难以实现模拟

3、电视和数字电视的兼容。目前,在数字电视技术中开展的以压缩码率为主要目标的高效编码方法,已取得很大成就,它可以大大压缩数字电视信号的传输频带,甚至可以在小于模拟电视信号的频带内,传送一般用户质量的数字电视信号。 6.2 电视信号的编码电视信号的编码 6.2.1 电视信号的数字化 模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是一个编码过程。由于历史的原因也称为PCM调制(脉冲编码调制)。 图62 电视信号的编码与解码 PAM信号经过量化,变为幅度取有限个离散值的PAM信号。然后,再根据取样点的离散值,编为n位的二进制数字码。设离散值的最大个数为M,n与M的关系为 2n=M 或 n=lbM (61) 式中,

4、lbM表示以2为底时M的对数。 图63 PCM的编码与解码过程 6.2.2 图像信号的编码方案与参数确定 1.全电视信号编码 (1)取样频率。全电视信号编码就是直接对此信号进行PCM编码。选择这种编码的取样频率fS,除了要满足取样定理的要求外,还要考虑下面的因素。 这种空间正交取样结构,便于进行行间、场间和帧间的信号处理。现以PAL制中取fS=4fSC为例分析。在PAL制中,fSC=(283+3/4)fH+25,则44(1135)625SSCHfff图64 正交取样结构 (2)编码位数。图像信号的编码位数n是由所需的量化层数决定的。 设单极性图像信号的变化范围为0到1,分为2n个量化层,每个量

5、化层高为2-n。由于均匀分布,量化误差的均方根值为 2221212nnrmsN对于满量程(S=1)的信噪比为()20lg212()()610.8()ndBrmsdBrmsSdBNSndBN(62) 因量化产生的对图像质量的影响,最终是要由人们对图像的主观感觉来判定的。实验表明,当n=7、8,即将信号量化为128至256个层时,人们已很难感到量化的影响。由式(62),对应的量化信噪比的范围约为5060dB。 现在看一看,全信号编码时的数据速率。以PAL制fS=4fSC、n=8为例,总的数据速率为 44.438=141.76Mb/s 可见数字图像信号的数据速率是很高的。每一帧的数据量为5.67Mb

6、或708.8kB。 2. 分量编码 分量编码就是对Y、R-Y、B-Y或三个基色分量R、G、B分别编码,进行并行传输,或者按时分复用传输。 (1)取样频率。 (2)数字有效行。 图65 数字有效行的时间关系 (3) 编码位数和排列。 Y=0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B (B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5B 分量编码的数字信号在传输时,规定按下面顺序构成复合的数据序列: (B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y) 这里(B-Y)Y(R-Y)是空间同一取样点的数字,而(R-Y)(Y)(B-Y)中(Y)是仅有亮度取

7、样的空间取样点的数字,它规定在一行的偶数样点上。 (63) 3. 电视伴音信号的编码 电视中的伴音信号也按PCM编码。由于伴音与电视体制没有确定的关系,编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20Hz至15kHz,高质量的伴音为20Hz至20kHz。 比如,在PAL的分量编码时,若仍采用48kHz取样频率,就可以保持这种关系,因 13.5MHz37534=48kHz 6.3 频带压缩编码频带压缩编码 上面讨论了图像信号编码,编码信号的码率是很高的。以分量编码为例,按4 2 2标准,一路彩色图像的码率为 (13.5+26.35)8=216Mb/s 6.3.1 预测编码 预测编码是以减小空间和时间冗余信

8、息为目的的编码方法。 1.预测编码的原理 现用的预测编码是线性预测编码,也称为差分脉码调制(DPCM)。图66是DPCM的组成框图。图中, xn是待编码的电视取样序列,xn为量化后的数字序列, 为预测器产生的预测值。预测值 是由xn以前已传送各点量化值的线性组合nxnx1Nin iixa x(64) 当序列的统计特性已知时(如相关函数),可以得到这些系数的最佳值,使得预测值与样值的预测误差最小(均方误差意义上的最小),即 最小。通常N值只取34个值。由于图像的统计特性随图像变化很大,ai的值可以有不同的取舍和方法。如一种称为皮尔希(Pirsch)的预测公式为nnnexx 12341111248

9、8nnnnnxxxxx(65) 图67 预测取样点的结构 2. DPCM的编码 采用线性预测,由于减小了所传预测误差信号的动态范围,为压缩数据创造了条件。但压缩的程度与采用的具体编码方法有很大关系。以亮度信号为例,预测误差信号是以零值为中心变化,显然不是均匀分布的。图68是只用一个预测值时统计得出的预测信号的概率密度分布,数学上呈现拉普拉斯分布 12( )exp(2eep ee(66) 图68 预测误差的概率分布 (1)非均匀量化编码。采用非均匀量化编码时,对幅值小的范围,量化间距减小;对大的幅值,则用大的量化间隔。设总的量化电平数为M,按公式(66)和使平均信号量化噪声比最小要求,可求出最佳

10、的量化电平和判决电平,也可以求出此时的量化噪声均方值为 设信号(预测误差)的峰峰值S为其均方根值S的10倍,即S=10S,非均匀量化的平均信号量化噪声比(对应峰峰信号)为22292qeM(67) (2) 可变字长编码。 设某一数字信号,取有限个(k个)离散值,相应的概率为p1,p2,pk,则定义此信号的信息量熵H为 2210 2()20lg3()13.5610lgsqssqdBeSMNSnN(68) 考虑M=2n,得11kiiiHp bp (69) 其单位为比特(bit)。如前所述,式中的lbpi表示以2为底时pi的对数。以我们熟悉的二进制信号为例,设“0”、“1”为等概率的,都是pi=0.5

11、,则由式(69),H=1bit。这与由n=lbM得到的结果相同。这表示n=H,编码效率 最高。若对每个样值编码的长度ni与概率pi的对数绝对值成正比,即 Hn(610) 1iinC bp(611) 式中,C为负常数,则平均码长n将等于信号的熵值,有最高的编码效率。这可从下面得到证明。因为 11111111kiikkiiiiikkiiiiiipHHp bpnpnCp bp 平均码长n为 取C=-1,有n=H。实际上,pi是在0至1间取值,而ni只能取离散值。 6.3.2 变换编码 变换编码是采用另一种方法消除图像中相关的冗余信息,而达到压缩数据和频带作用。其基本原理是,先将图像中的像素按区域分成

12、一些包括MN个像素的许多方块。 图69图像的沃什变换编码(a)宽度信号变换后的平均幅度;(b)44沃什变换矩阵;(c)最佳bit分配 6.3.3 其它压缩码率的措施 1. 亚奈奎斯特取样 根据取样定理,设信号最高频率为fm,最低不失真的取样频率为其二倍,即fS=2fm,称为奈奎斯特频率。 已知原信号(Y或色差)的频谱分量频率为nfHmfV。现选取样频率为半行频的奇数倍,即 (21)21()()2SHSHVHVkfffnfmfknfmf(612) 此时折叠的频率为 2. 同步信号的编码 电视信号的行逆程和场逆程中,只有同步信号和消隐信号(复合信号中尚有色同步信号)。 图610 亚奈奎斯特取样频谱

13、及恢复滤波器特性 6.4 电视信号的数字处理电视信号的数字处理 数字信号的一般数字运算、逻辑运算,可以实现许多模拟处理中的处理功能。比如,用数字相加器就可以完成电视信号的叠加(如亮度与色差信号)。 数字信号的一个重要特点,是容易实现信号的存储和延时。多位寄存器可以进行电视信号的暂存。 6.4.2 数字滤波器 1. 数字滤波器的作用 在电视信号的数字处理中,数字滤波器起着很重要的作用。它可以完成模拟滤波器的各种作用,当然它们具有更好的性能。 2. 数字滤波器的基本结构和原理 图611(a)是一种常用数字滤波器的结构和电路模型,它是由一些延迟电路和乘法器、加法器组成。 这种滤波器从结构上是以抽头出

14、现,在模拟滤波器中又称为抽头滤波器或横向滤波器。其中,T为延迟时间,T可以为抽样周期TS,或者为行周期TH,或者为帧周期TF。C0,C1,CN为加权系数。输入信号x(nTS)为数字信号序列,由图可见输出信号为 y(nTS)=C0 x(nTS)+C1x(nTS-T)+CNx(nTS-NT) 图611 数字滤波器的结构和模型 (a)电路模型;(b)数学模型 设延迟时间与数字信号取样周期相同,T=TS,则010000()() ()()() NkknnNkky nTC x nk TnTy nTCnk T若输入为一单位脉冲序列,x(nT)=(nT) 则输出为 (613) (614) 若定义此滤波器的单位

15、脉冲响应为h(nT),显然上式就是h(nT),因此有()hCh kT(615) 在数字信号的分析中,通常用更一般的分析方法。将数字信号的时间序列x(nT)用归一化的数字序列x(n)代替,而延迟环节ejT用一归一化的z=e j代替,称为数字频率。这种变换关系称为Z变换。数字序列x(n)的变换为( )( )nnX zx n z(616)z为复变量。而滤波器的传输函数为121( )(0)(1)(2)()(0)(1)()NnnNH zhhzhzh N zhzhzh Nz(617) 关于数字滤波器的特性,有两点要说明。 第一,数字滤波器的频率特性,具有周期性,这是因为z=ej,z是的周期函数,H()也必

16、然是周期函数。其周期为2,即在Z平面上半径为1的单位圆上。而物理上的频率的周期性,则由 =T (618) 第二,在公式(617)所示的滤波器特性中,若h(0),h(N)具有对称性,即对于中间n=N/2,有h(0)=h(N),h(1)=h(N-1),如图612(a)、(b) 所示特性,则此滤波器具有线性相位特性。这很容易证明。以图612(a)特性为例122/2/2/222( )(0)(1)() (0)() (1)(1)NNNNNNH zhhzh N zzhzh N zhzh Nz将z=e j代入,并考虑h(N)=h(0),h(N-1)=h(1),22222222( ) (0)()(1)()2(

17、)2 (0)cos2 (1)cos22NNNNNjjjjjNjHheeheeeNNHhhe(619) 图612 具有线性相位特性的单位脉冲响应 (a)偶对称; (b)奇对称 3. 数字滤波器举例 (1)亮度水平滤波器。图613(a)是一水平空间滤波器,延迟时间为T=TS。由图,滤波器的传输函数为3411153111( )(1)2211( )()42H zzzzH zzzz展开此式 它是满足线性相位条件的。将z=e j代入2231211( )(1)221( )(1cos2 )cos2jjjeeHeH 化为实际频率=2f/fS,再考虑fS=4fSC,H1(f)为221( )cos 2cos2SSC

18、ffHfff(620) 图613水平空间滤波器(a)滤波器的结构 (b)幅频特性 (2) 分离亮色信号的梳状滤波器。图614(a)是用于PAL全电视信号的亮度分离的梳状滤波器。图中,延时T=TH,A至B之间为亮度信号分离器,传输函数为HY(),A至C之间为色度信号滤波器,传输函数为HC()。由图 224241111( )(1)(1)2224YHzzzzzz 也是线性相移网络。将z=e j及=TH=2f/fH代入,得到其幅频特性为22( )cos2( )cos()YYHHfHff(621) 图614 亮色分离梳状滤波器图615 PAL色度解调器 (3) PAL色度解调器。 图中,延时器TH、TS

19、及相加、相减电路构成分离U、V的梳状滤波器。对于U支路,滤波器的幅频特性为同样可求出色度滤波器的传输函数22( )sin ()CHfHff(622) 2(11( )12 cos()11( )2 sin()HSjf TTUHSVHSHfefffHffff(623) (624) 对于副载波频率f=fSC,考虑fSC=(284-1/4)fH及fSC=fS/4,代入式(623)、式(624)可知,|HU(fSC)|=1,HV(fSC)=0。式(623)、式(624)还可以用fH表示为:1( )2 cos(1)11351( )2 sin(1)1135UHVHfHfffHff 6.4.3 电视信号的时基处

20、理 图616就是数字时基校正器(DTBC)的原理框图。从放像机来的重放视频信号,一路经同步分离电路取出行同步或色同步信号,再经过写时钟产生电路,产生数字编码的取样脉冲(如fS=4fSC)。 图616 DTBC原理框图 6.4.4 图像的几何变换及数字视频特技(DVE) 1. 图像几何变换的原理 在DVE中,图像处理是逐场进行的,信号以场进行存储,设存储位置以整数值的水平和垂直坐标表示。 图像水平坐标与屏幕坐标不相等,而有 384HTPNhV(625) 一般情况下输出与输入坐标间的关系可由下式表示:1020384384384HVSk hXTPNTPNTPNhS hkY (627) 图617 数字

21、图像坐标与屏幕坐标 设对应输出数字信号的屏幕坐标系为w和h,则它和未作变换坐标的w和h间的关系由式(625)、式(626)可得1020384384384HVSk hXTPNTPNTPNhS hkY (627) 2. 图像的几何变换 (1)图像的移位。当选择SH=SV=1,k1=k2=0,给出每场的移位值X0、Y0,图像就在屏幕上移位,X0、Y0的变化决定了图像移位的轨迹。 (2)图像的扩大和缩小。选择k1=k2=0,X0=Y0=0,并选择SH=SV1,就可以使图像缩小;若使SH、SV有规律地递减,就会得到连续缩小的图像。反之,若选择SH=SV1,则可以使图像扩大。若SV、SH不相等,图像的宽、

22、高将作相应的变化。图618 内插电路的一般形式 (3)图像的旋转。图619表示图形可进行围绕Z轴、Y轴、X轴的三种旋转。在进行图619(a)的旋转时,只要以X1、Y1为原点进行坐标变换(根据旋转角,作直角坐标至极坐标变换),就可以求出两坐标系中对应点的关系。 图619 图像的旋转(a)绕Z轴旋转;(b)绕Y轴旋转;(c)绕X轴旋转 3. 其它各种数字视频特技 (1) 图像的镶嵌和画中画。 (2)电视墙(video wall)。 (3)图像的冻结和动画效果。 (4)油画(painting)和马赛克(Mosaic)效果。 (5)图像的叠加和类似电影特技。 6.5 数字电视机原理介绍数字电视机原理介

23、绍 6.5.1 数字电视接收机的组成和所用集成电路 1.数字电视接收机的组成 图620是一数字电视接收机的原理框图。从图上看,其基本功能部分与模拟电视机基本相同。其中,虚线框内的视频信号的处理是用数字电路完成,也包括低电平的同步和扫描电路。 图620 数字电视接收机框图 2. DIGIT2000集成电路 DIGIT超大规模集成电路(VLIC),是专门为数字电视接收机设计的系列芯片。它从1973年开始研制,1981年完成,1983年开始用于电视机上,并成批生产。其后,虽然在专用芯片上都有发展,但DIGIT2000仍然是具有代表性的产品。其中,各芯片的型号和功能如下: CCU2000/2030 中

24、央控制单元 VCU2100 视频编解码单元 VPU2200 视频处理单元 APU2300/2400 伴音A/D变换器/伴音处理单元 DPU2500 偏转处理单元MCU2600 时钟发生器CFU2210NTSC 梳状滤波器视频处理SPU2220SECAM 色度处理器MAA2230 自动图像控制器TUP2700 文字广播处理器MDA20611024 位EEPROM 6.5.2 由DIGIT2000芯片组成的数字电视机原理介绍 图621是一由DIGIT2000芯片组成的数字电视机。现结合各芯片的功用及前面介绍的数字信号处理原理介绍此接收机。从调谐器、图像中放、伴音中放部分出来的是模拟信号:视频全电视

25、信号和基带伴音信号(、路)。它们分别送到视频处理和音频处理单元,现分别介绍。图621 由DIGIT2000芯片组成的数字电视机框图 1. 视频部分 视频部分包括VCU(编、解码)、VPU(视频处理)、MCU(时钟)三块集成电路及分立元件的末级RGB视频功放电路,A/D、D/A转换电路都集成于VCU中。 2.偏转部分 偏转部分是由处理芯片DPU及分立元件的行、场输出电路完成的。来自VCU的数字全电视信号进入DPU后,先经过低通滤滤器以滤除杂波干扰,然后检测出同步脉冲的幅度,根据幅度大小可以自动选择两种箝位方式:同步顶箝位或后肩箝位。 3. 音频部分 音频部分的电路是由ADC2300/APU240

26、0完成的。输入的两路模拟伴音信号,在ADC中首先分别进行-方式的脉冲密度调制(PDM),脉冲的密度代表信号电平。再经过数字音频滤波器转换成35kHz抽样频率、16bit字长的数字音频信号。 4.控制部分 中央控制单元CCU是整个电视机控制的中心。CCU中主要包括:8位微处理器(8049)、ROM、RAM、调谐分辨率为62.5kHz的锁相式频率合成器、用于接受红外遥控的红外遥控解码器、用于用户指令键盘和4位LED频道指示的I/O端口、用于输入输出控制信号和输入调整指令的系统总线接口等。 6.5.3 改进型数字电视接收机 1. 改善图像质量 2. 逐行扫描处理器 3. 画中画处理器 4. 视频存储控制器(VMC) 5. 图文电视广播处理器(TPU) 6.6 高清晰度电视高清晰度电视 6.6.1 现行电视制度的不足 1. 画面细节分辨率不够,清晰度不足 图像细节分辨率不够,主要受扫描行数和视频信号频带宽度的影响。 2. 图像中的亮色串扰 现有制式中,亮、色信号在时间上及频域上都是重合的