第4章 数字彩色电视制式课件

第4章数字彩色电视制式4.1数字彩色电视制式概述模拟彩色电视制式的缺陷高清晰度电视的需求数字技术的发展国际电信联盟(ITU)对高清晰度电视的定义：①垂直和水平方向的空间分解力大致是CCIR601号建议书中规定值的两倍，例如水平1920像素，垂直1080像素；③宽高比为16：9，屏幕对角线长度大于1米，并配有多声道优质伴音；④观看距离为屏幕高度的三倍时，图像的主观质量接近或达到观看真实景物的效果，相当于35mm电影放映的图像质量。美国1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出发展ATV（AdvancedTelevision，高级电视）1990年5月,美国GI公司正式发表全数字HDTV传输制式——DigiCipher1993年5月成立HDTV大联盟(GrandAlliance,GA），着手制定统一的美国HDTV标准。1995年4月通过了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)数字电视标准欧洲1981年英国独立广播公司研制出C-MAC（MultipledAnalogueComponent）制:

亮度、色差时分，两个色差逐行轮换，射频载波调频传送，视频带宽8.4MHz1986年提出HD-MAC制 受美国数字制式影响，1993年开展DVB（DigitalVideoBroadcast）研究

1995年，欧洲成立了DVB联盟，共同制定数字电视的DVB标准：

DVB－S（Satellite）、DVB－C（Cable）、DVB－T（Terrestrial)日本日本广播协会（NHK）1970~80年代提出模拟高清晰度电视制式——MUSE制（多重亚奈抽样编码）： 1125行，60场，隔行扫描，16：9幅型比；色度信号与亮度信号时分复用：TCI（时间压缩合成）；多重亚奈抽样压缩信号频带：4场传送1幅HDTV图像；8.1MHz带宽，调频传送1996年启动数字电视研制1998年9月制订ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)数字电视地面广播系统标准，与欧洲的DVB-T类似中国2002年组建音视频技术（AVS:AudioVideocodingStandard

）标准工作组2006年视频部分正式颁布为国家标准/需要注意：上述标准适用于HDTV和SDTV通用的压缩编码标准数据压缩的必要性：若直接采用PCM编码的数字电视信号，频带过宽，难于传输和存贮，频道利用率低。例如4:2:2，PAL：864×625×25×2×8=216Mb/s(108MHz),必须压缩。数字电视系统框图：通用的信源编码标准MPEG-2MPEG（MovingPicturesExpertsGroup）：活动图像专家组。MPEG-2：1994-1996年提出的用于广播电视的视频压缩标准“Profile”和“Level”(“型”和“级”)

按视频格式分4个级：低级，主级，高1440级，高级 按编码工具分5个型：简单型，主型，信噪比可分级型，空间可分级型，高型共有11种获得通过的组合，例如：主型主级，MP@ML，用于SDTV，码率15Mb/s

主型高级，MP@HL，用于HDTV，码率80Mb/s

MPEG-2适用点4.2.1视频信源编码的理论依据原始图像数据在空间及时间上的统计冗余度很大，存在大量无需传送的多余信息：图像的相邻像素、相邻行之间存在很强的相关性——空间相关性（帧内相关性）相邻场或帧对应像素间存在相关性——时间相关性（帧间相关性）信息保持无损压缩编码人眼对图像细节、幅度的变化、图像的运动不同时具有最高的分辨力：信息非保持有损压缩编码4.2视频信源编码原理图像编码压缩比压缩比=未压缩前的总数据/压缩后的总数据Musmann定律曲线目前最新的国际标准：由JCTVC（Jointcollaborativeteamonvideocoding）制定的HighEfficiencyVideoCoding

(HEVC)著名图像专家德国Musmann教授2006年在北京主持了“图象编码的过去与未来”专题讨论会，对图像编码压缩技术的过去几十年工作做了总结，认为：达到广播质量的视频编码的压缩比大约每5年翻一番。后来被公认称为Musmann定律。

ActivitiesofnewcodingstandardsJCTVC:Jointcollaborativeteamonvideocoding:HighEfficiencyVideoCoding(HEVC)Target:comparingwithH.264HighProfileCodingefficiency:50%bitratewiththesameimagequalityComplexity:50%bitratereductionwith3timescomplexity25%bitratereductionwith50%complexityOtherrequirements:ErrorrobustnessLowend-to-enddelayRandomaccessScalabilitiesOverviewoftheHighEfficiencyVideoCoding(HEVC)Standard，IEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMSFORVIDEOTECHNOLOGY,VOL.22,NO.12,DECEMBER2012典型的HEVC视频编码器混合编码截至2008年，国内外所有图像信源压缩标准都是采用混合编码压缩方法。它包括预测编码、变换编码、熵编码等技术，统称为混合编码压缩方法。对照编解码框图可以看出，编码器中包含了解码器。混合编码混合编码压缩的编、解码框图该方案中用运动补偿帧间预测去除图像在时间域的冗余度，然后用变换编码去除空间域的冗余度，最后再用熵编码去除经量化后的变换系数中所含的统计冗余度。变换系数的量化利用了人眼的视觉特性，量化器的精度还受到输出缓存器状态的控制。输出缓存器是为了适应恒定码率信道的要求，平滑变字长编码器输出的不均匀码流而设置的。当缓存器接近上溢和下溢时，通过反馈控制量化器的精度调整缓存器的输入码流，保持输出码率的恒定。混合编码的压缩比预测编码、变换编码及熵编码研究历史较长，应用广泛，由这三种编码构成的“混合型”编码是目前图像压缩编码的主流类型。据统计，变换编码的压缩比为5~10倍，预测编码的压缩比为2~3倍，熵编码的压缩比为1.3~1.5倍，因此采用以上“混合型”编码的平价压缩比约为15~30倍。在H.264标准中，由于采用了更精细的帧内、帧间预测编码，整数变换和基于上下文自适应变字长编码等措施是压缩比提高到100倍以上。混合编码的压缩方法混合编码压缩分几个步骤进行:1.把一幅彩色图像分成亮度信号Y（黑白图像）和两个色差信号（U、V）三幅图像。2.将上述三幅图像分割成整数个宏块（MB）图像和像素块（B）图像。3.对每个像素块分别进行压缩。上图显示了将一幅图像分成宏块的方法。

例如，可把QCIF格式的图像分成11×9个宏块（MB），MB像素为16×16，每个宏块又可分为4个像素块（B），所以每个像素块的像素数为8×8。由于图像压缩是基于8×8像素块进行的，如果传输中产生了误码，则在接收端恢复的图像会产生8×8像素块整块或几个8×8像素块的错误，这就造成了所谓的“马赛克效应”。为了克服“马赛克效应”，在H.264标准中采取了两个步骤：1.将分块变小，由8×8变为4×42.加抗块效应滤波在混合编码压缩技术中既采用了无损压缩，又采用了有损压缩，所以在接收端不能100%地还原图像。4.2.2预测编码原理预测编码概述预测编码也称为差分脉冲编码调制（DPCM，DifferentialPulseCodeModulation），使用已编码像素的线性组合对未编码像素进行预测，传送其预测误差（残差）。预测编码有线性预测和非线性预测两类预测编码又可分为帧内预测编码和帧间预测编码约80%~90%以上的残差信号绝对值落在16~18个量化级以内。可以用较少的比特表示差值，达到数据压缩的目的。DPCM就是通过去除邻近像素间的相关性和减少对差值的量化层数来实现码率压缩的。帧内预测采用1阶前值预测，利用空间相关性；帧间预测采用1阶前向预测或2阶双向预测，利用时间相关性。预测编码的主要缺点是抗误码能力差。若传输中产生误码，由于递归预测算法，对于帧内编码会使误差扩散到图像中一个较大的区域，对于帧间编码会使误差扩散到后续的若干帧中。预测编码的类型前值预测：一维预测：二维预测：二维预测预测编码的类型三维预测（时间预测或帧间预测）多帧预测预测编码的类型多假设（hypotheses）预测：多假设预测需要叠加由两个运动矢量所预测的两个宏块的预测值。最后预测块通过两个假设的运动矢量的预测值平均后得到。量化器预测器预测器DPCM系统方框图编码器解码器DPCM系统的输入信号XN是PCM图像信号。对于每一个输入样值XN，预测器产生一个预测值，它是根据在XN之前已经传出的几个近邻样值通过预测公式计算出来的，传送XN与预测值的差值en。为便于预测编码，把由连续的电视画面组成的视频序列（sequence

）划分为许多图像组（GOP,GroupofPicture），每个图像组由几帧或十几帧图像组成，这些图像相互间存在预测和生成关系。帧间预测编码是以图像组GOP为单位进行的。

I图像（Intra-CodedPicture）——帧内编码图像，其编码不依赖于其它图像，它还是P图像和B图像编码、解码的参考图像。使用周期性的I帧便于初始化接收机和捕获频道。P图像（Predictively-CodedPicture）——前向编码预测图像，像素的预测值为其前面一帧I图像或P图像中相应(已编码)像素值。B图像（Bidiectionally-CodedPicture）——双向预测编码图像，像素的预测值为其前后相邻帧相应(已编码)像素值的加权平均。B图像不能作为其它图像的编码参考图像。使用B帧可提高压缩效率，但需要两个帧存储器。编码器输入端或解码器输出端的显示顺序编码器输出端或解码器输入端的编码顺序GOP示意图视频数据结构

块:Block8×8像素块宏块:Macroblock16×16像素块像条:Slice由多个Macroblock组成图像组：GOP视频序列：Sequence图像：Picture宏块的组成：

4：2：0格式的宏块4：2：2格式的宏块4：4：4格式的宏块在宏块的三种构成方式中，亮度块的数目均为4，而色度块的数目分别为2、4和8。

I图像的帧内预测编码：在对I图像进行帧内预测编码之前，首先对每一个8×8的像块进行二维离散余弦变换（DCT，DiscreteCosineTransform），将像块变换为由8×8个变换系数组成的系数块。位于系数块左上角的第一个系数是像块中8×8个像素的平均值，代表像块的直流分量，称为DC系数，其余系数为AC系数。MPEG-2标准帧内预测编码是对各个系数块的DC系数进行的，目的是去除在相邻像块的直流分量之间较强的相关性。帧内预测编码只在像条所在的区域进行帧内预测编码采用前值预测运动补偿帧间预测编码直接帧间前值预测存在的问题：当直接用第1帧的像素值作为第2帧相同位置像素的预测值时，对于物体不运动的部分，预测误差小，而对于物体运动部分预测误差大，剩余能量太多，压缩效率不高。例如在右边的残差图像中，中间灰度代表差值为零，浅灰和深灰分别对应正、负差值。更好的预测是在两帧之间进行运动补偿。P图像运动补偿预测示意图编码帧残差帧经过运动补偿的帧运动估计参考帧（当前帧）（前一帧）运动补偿运动矢量运动矢量：表示从编码帧到参考帧像素运动的方向和距离。运动估计：通过比较参考帧与编码帧中的图像，求出运动物体像素的运动矢量。运动补偿：考虑了运动矢量的帧间预测称为运动补偿。采用块匹配算法进行运动估计摄像机所摄取的景物的运动可能是十分复杂的，精确对每个像素进行运动估计十分困难。在许多情况下物体上的各个像素均做相同的运动，这时只需估计其整体的运动就可以了。块匹配算法：对每个编码帧宏块中的16×16亮度块，在参考帧中一定搜索范围内，搜索与它最相似的亮度块——匹配块，并根据匹配块与它的坐标差，确定运动矢量。像块匹配程度的判定常采用平均绝对差准则（MAD，MeanAbsoluteDifference)。编码帧的宏块编码帧的当前编码块MBp,q运动矢量参考帧的最佳匹配块MBp,qMMNN1616设以编码帧中当前编码宏块为坐标基准，其中像素表示为，在已编码参考帧中与空间距离为(i,j)的16×16块中的像素为，与该像块的平均绝对误差为

的运动矢量对应使为最小的(i,j)，即中像素的运动补偿帧间预测残差为块匹配法的快速搜索最细致的搜索方法是全搜索，即在搜索区内逐点搜索，每搜一点计算一次MAD，当MAD达到最小值时，求得最佳匹配块。为了减少搜索次数，提出了多种快速搜索算法 三步法 正交搜索法 共轭方向法 二维对数法MPEG-2中运动补偿的精度是半像素，H.264中运动补偿的精度是四分之一像素，都需要在参考帧中根据已知整像素值，用线性内插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再进行块匹配计算。整像素、半像素和1/4像素运动补偿B帧图像的帧间预测编码双向预测：预测值是其前面参考帧的前向预测值与其后面参考帧的后向预测值的平均值。双向预测需要前向和后向两个运动矢量。运动矢量的编码：在图像序列中，P帧和B帧传送的是像素值与预测值的差值和每个宏块的运动矢量。考虑到邻近宏块间运动矢量存在相关性，对运动矢量采用前值预测编码。帧间预测模式为了既能处理逐行扫描图像，又能处理隔行扫描图像，数字电视的帧间预测模式包括：帧图像的帧预测，帧图像的场预测，场图像的场预测，双基预测，16×8预测。P帧预测示意B帧预测示意参考帧参考帧参考帧编码帧编码帧场图像的场预测：预测来自于最近的重构参考场图像。帧图像的帧预测：预测来自于最近的重构参考帧图像。P场第1场图像预测示意16×16帧宏块16×16场宏块顶场底场参考场第1场编码场P场第2场图像为底场的预测示意P场第2场图像为顶场的预测示意B场图像预测示意顶场底场底场顶场顶场底场编码场参考场参考场编码场编码场参考场参考场顶场顶场底场底场4.2.3变换编码原理变换编码将图像数据或运动补偿残差数据通过变换去除空间相关性，对变换后的系数编码，达到数据压缩的目的。变换编码系统基本结构方块化（8×8）DCT量化信道发送端输入X接收端输出X’熵编码熵解码反量化IDCT离散余弦变换（DCT，DiscreteCosineTransform）考虑到空间相关性只在一定范围内存在，变换是以8×8块为单位进行的。设由8×8像素组成的像素块用矩阵X表示，变换后的系数块用矩阵Y表示，则：

DCT：

IDCT： 其中C表示8×8的DCT矩阵，CT是其转置矩阵C满足正交矩阵性质：DCT系数矩阵Y的左上角系数y00对应空间直流分量，称为DC系数，其他63个系数对应交流分量，称为AC系数。8×8DCT矩阵对一个N×N的像素块进行二维DCT，从物理概念理解，它是将空间像素的几何分布变换为空间频率分布，经变换后的系数左上角为直流项，水平方向从左向右表示水平空间频率增加的方向，垂直方向从上向下表示垂直空间频率增加的方向。绝大部分的能量集中在直流分量和少数的低频分量上，大致可以认为，以左上角为圆心，在相同半径的圆弧上的系数其能量基本相等，离圆心越远，能量越小。右图为8×8DCT基本图像。任何8×8图像块都可以用基本图像与变换系数乘积的组合来表示。43.60-1.300.850-0.700000000000000000000000000000000000000000000000000000000400000003.6000000000000000-1.30000000000000000.85000000000000000-0.70000000二维8×8DCT举例4000000000.1300.1500.2300.650000000000.1500.1800.2700.770000000000.2300.2700.4101.150000000000.6500.7701.1503.28二维8×8DCT举例8×8像素图中白色方框表示“1”电平，灰色方框表示“0”电平左边为8×8像素，右边为DCT系数DCT系数的量化DCT变换前数据是9比特，0～511；经过DCT变换后，DCT系数用12比特表示，DC系数：0～4095，AC系数：-2048～2047。I帧：系数矩阵左上角部位对应空间低频分量，人眼对低频分量比较敏感，采用较小的量化间隔；系数矩阵右下角部位对应空间高频分量，人眼对高频分量不太敏感，为了降低码率，采用较大的量化间隔。P帧和B帧：是对帧间预测差值的变换，DCT系数不仅仅决定于空间频率，故采用相同的量化间隔。各变换系数量化间隔的不同反映在量化加权矩阵上。816192226272934161622242729343719222627293434382222262729343740222627293235404826272932354048582627293438465669272935384656698316161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616161616对于I帧的亮度和色度量化矩阵W对于P、B帧的亮度和色度量化矩阵WI帧DC系数的量化：I帧AC系数和P、B帧DC、AC系数的量化：wij

——量化加权系数Fs——量化尺度游程编码（RLC，RunLengthCoding）DCT系数矩阵的能量集中在反映空间低频分量的左上角。通过量化位于矩阵右下角的高频系数以及其他幅度较小的低频系数被量化为零。通过Z型或交替扫描方式把已量化的二维DCT系数矩阵变成有许多连零出现的一维序列，并将此一维序列表示为一个由二元数组（run，level）组成的数组序列，其中run表示连零的长度，level表示紧接在这串连零之后出现的非零值。当剩下的所有系数都为零时，用符号EOB（EndofBlock）来代表。

Z型扫描89101114125126115105969711513114714913512311311413415917817516414913712114317719620118916515011914117520120718616214410713016518919217114412597119149171172145117968810713615615512997751125-32-185-72-1-22-22-1645-3-20-2-2-165321795-1-30-7-4022-1-12-20030021311-1-2020002-1-121-1031-121-20DCT70-2-1100000-1-1200000-1021000000000000000000000000000000000000000000000量化（除以16）Z形扫描[70,-2,-1,-10,-1,-11,0,2,2,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]游程编码(0,70),(0,-2),(0,-1),(0,-10),(0,-1),(0,-11),(1,2),(0,2),(3,1),EOB

4.2.4熵编码原理熵编码（EntropyCoding）是无损编码，编码后的平均码长接近信源的熵。MPEG-2的熵编码采用霍夫曼编码。霍夫曼（Huffman）编码：可变长编码，对出现概率大的信源符号分配较短的码字，对出现概率小的信源符号分配较长的码字，以获得较短的平均码长。DC系数的差值编码对相邻两个块DC系数的差值编码：采用“size+differential”(差值码长度+差值)形式size采用可变长码，Differential的正值用原码，负值用反码。例如：４→101100-11→1100100Variablelengthcodedct_dc_size_luminance100000101210131104111051111061111107111111081111111091111111101011111111111其它DCT系数的熵编码：根据游程（run）与电平（level）进行后续霍夫曼编码。level为电平的绝对值，它的正负由后面的位“s”表示，s=0时为正，s=1时为负。转义（escape）是用于表示那些出现概率较小，没有赋予霍夫曼编码的（run，level）组合。在escape码的后面紧跟着6bit定长编码的run值，以及12bit定长编码的带符号level值。可变长码游程（run）电平（level）10块结束（EOB）1s（用于DC系数）0111s（用于AC系数）01000001转义码（escape）011s110100s020101s2100101s0300111s31000110s41000111s12000101s51┇┇┇运动矢量的熵编码可变长码运动码可变长码运动码1000000011001-16010100000011011-150010200000011101-1400010300000011111-130000110400000100001-1200001010500000100011-110000100060000010011-100000011070000010101-9000001011080000010111-80000010000900000111-700000100101000001001-6000001000101100001011-500000100000120000111-4000000111101300011-300000011100140011-20000001101015011-1宏块运动矢量在水平或垂直方向的分量D等于运动码M（motion-code）与运动步长

f的乘积，即D=Mf，其中m=0,1,…,6运动码从-16到15共有32个符号，考虑到帧间运动越大概率越小，运动码采用霍夫曼编码。算术编码（AC：ArithmeticCoding）原理：任何一个数据序列均可表示成0和1之间的一个间隔，该间隔的位置与输入数据的概率分布有关。H.264标准中为进一步提高编码效率，提出了三种熵编码方法：指数戈洛姆熵编码（Exp-Golomb：ExponentialGolombcodes）基于上下文的自适应变长编码（CAVLC：Context-basedAdaptiveVariableLengthCoding）基于上下文的自适应二进制算术编码（CABAC：Context-basedAdaptiveBinaryArithmeticCoding）H.264对这三种码的使用范围做了规定：①不出现在残差数据中;②仅出现在残差数据中；③仅出现在图像片（Slice）层以下的数据中。①和②都是采用插表方式，但是①的表是固定的，而②在编码过程中会根据周围宏块以及在之前编码的数据信息，选择不同的表，从而具有上下文自适应功能。③属于自适应二进制算术编码，能够获得比②更好的压缩性能和自适应能力。4.2.5MPEG-2视频编码器和解码器VBV视频缓冲校验器8Mb,FIFOMPEG-2视频解码器方框图输入缓存器

-1QVLDIDCT运动估计参考帧缓存器压缩比特流解压缩视频01帧内/帧间模式选择4.3ATSC数字电视制式4.3.1ATSC制概述ATSC制的视频格式水平×垂直有效像素幅型比60/59.94逐行60/59.94隔行30/29.97逐行24/23.98逐行1920×1080（方像素）16:9√√√1280×720（方像素）16:9√√√704×480（宽屏）16:9√√√√704×480（ITU-RBT.601）4:3√√√√640×480（VGA，方像素）4:3√√√√ATSC系统结构由三个子系统组成：教材p180图4-21信源编码和压缩、业务复用和传送、信道编码和射频发送信源编码和压缩

视频编码和压缩——MPEG-2

音频编码和压缩——DolbyAC-3,(384Kb/s,5.1声道环绕声)

辅助数据——字幕、条件接收（CA）等控制数据业务复用和传送把不同信息类型的比特流打成包，给每一个包以唯一的标识符（PID），将视频、音频和辅助数据比特流包时分复用组合成传送包（TSP）信道编码和射频发送对传送流进行信道编码和调制，形成用于发送的射频信号调制系统的两种模式：

8VSB调制的地面广播模式(19Mb/s) 16VSB调制的有线高比特率模式(38Mb/s)ATSC制发、收端功能框图4.3.2传送层的功能和格式电视是一种多信源实时传送系统，信源包括多套电视节目，以及每套节目中的图像、伴音、数据等。模拟电视采用频分复用解决多信源实时传送问题，每套节目中的色度信号和伴音信号通过副载波与亮度信号频分复用，各套节目又通过不同的射频调制频率频分复用传送。数字电视的传送对象是已经编码的数字化信号，不能采用类似模拟电视的频分复用方法，但离散的数字信号可以借助于存贮器在时间上进行局部分离（打包）和重组（拆包），因此采用时分复用的方法解决多信源实时传送问题。多套数字电视节目，以及每套节目中的图像、伴音、数据等打成的数据包通过时分复用形成传送码流，接收端通过解复用加以复原。数字电视码流有多个不同的层次和类型：ES、PES、PS、TS。ES（ElementaryStream）基本流：直接从编码器输出的数据流，可以是视频数据流，音频数据流，或其他编码数据流。PES（Packetized

ElementaryStream）打包基本流：由ES流按视频帧或音频帧拆分打包形成。PS（ProgramStream）节目流：一个或几个具有公共时间基准的PES复用而成。适用于误码率小的传输环境。TS（TransportStream）传输流：一个或几个不同的PES按一定长度截取、打包、复用而成。适合在有干扰的环境中传输。PES包起始码前缀比特流IDPES包长度PES包头标志PES包头长度PES包头区（可变长度）PES包数据块（可变长度）PES包数据块：来自某一个基本流的有效负载数据，可以是一个编码的视频帧或音频帧。长度可变，包长不超过64kb。PES包头区：PTS(显示时间标志)，DTS(解码时间标志)，DSM(数字存储媒体)模式，ES时间基准、比特率，CRC(循环冗余校验)，扩展段PES包头标志：——说明比特流特性的标识符：加扰指示，优先级指示，数据相配指示，有无版权，原版或复制。——说明包头区各段是否存在的指示符。TS包

188字节固定长度，正好可纳入4个48字节的ATM信元。4×(48-1)=188

包头（4字节）：包同步，包识别（PID），连续计数(具有相同PID的TS包0~15循环计数)，加扰控制等。适配区（可变长度）：同步和定时(对27MHz系统时钟（STC）周期性抽样形成的节目时钟基准(PCR)，每100ms至少传送一次)；基本流的随机进入点指示——用于频道切换；本地节目插入指示。有效负载数据（最多184字节）。每一个新的PES包需要启动一个新的TS包。未被PES数据填满的TS包要用填充字节填满。包头适配区有效负载数据视频音频视频音频视频音频视频……传送包头PES包头

PAT：PID为固定的0x0000，给出本传送流中共包含几套节目，并给出每套节目对应的PMT的PID。

PMT：列出该套节目中的视频、音频等所在TS包的PID。

CAT：PID为固定的0x0001，给出条件接收授权管理信息所在TS包的PID。

NIT：给出广播网络中其他频道的调谐信息。在TS流中包含节目特定信息(PSI)，包括：节目关联表(PAT)，节目映射表(PMT)，条件接收表(CAT)，网络信息表(NIT)。参见6.7.2节4.3.3前向纠错信道编码

信道编码常用的差错控制方式有前向纠错（FEC,ForwardErrorCorrection）、检错重发（ARQ）、反馈校验（IRQ）和混合纠错（HEC）。数字电视中的差错控制采用前向纠错方式，在这种方式中，接收端能够根据接收到的码元自动检出错误和纠正错误。纠错编码的基本思想是在所要传输的信息序列上附加一些码元，附加的码元与信息码元之间以某种确定的规则相关联。接收端按照这种规则对接收的码元进行检验，一旦发现码元之间的确定关系受到破坏，便可通过恢复原有确定关系的方法来纠正误码。数字电视的前向纠错包括四个部分，即能量扩散（EnergyDispersal）、RS编码、交织（Interleaving）和卷积编码（ConvolutionalCoding）。4.3.3前向纠错信道编码

去信道能量扩散RS编码交织卷积编码8VSB调制传送流包ATSC制信道编码和调制RS编码

RS码字：RS（207，187），缩短的RS（255，235）187个信息字节20个校验字节1个同步字节

伽罗华域：元素二进制十进制000000011000000102000001004000010008000100001600100000320100000064100000001280001110129元素生成电路

域生成多项式：

中的元素由0和组成。是的本原根。加法：模2加，即二进制异或运算乘法：

0=000就是01=001

就是1

2=0010就是x+0=x

3=0011就是x+1

4=00100就是x2

3*7=(x+1)*(x2+x+1)=x*x2+x*x+x+x2+x+1=x3+1

所以3*7=9

在乘积得出来的多项式次数大于7时，我们需要对多项式在GF上关于p(x)求余数，也就是

129*5=(x7+1)*(x2+1)=x9+x7+x2+1

将上面的函数加上x*p(x)可以消去x9,（其实就是手工除法过程，只是现在每一次商总是0或1），所以

129*5=x9+x7+x2+1+x9+x5+x4+x3+x=x7+x5+x4+x3+x2+x+1

=0010111111=191

校验生成多项式：

187个信息字节:信息多项式：

校验多项式：20个校验字节：RS(207,187)码：

RS(207,187)编码电路152165121121240185174A0BA信息字节RS码B发送码字多项式：，可纠正t=10个字节的误码。纠错能力：RS纠错译码 接收码字多项式：差错多项式：设错误发生在第字节，伴随式：是从而也是的根，有

令差错位置因子：，差错值：，则可得到方程组：解此方程组，得到差错位置和差错值，与相应位置的接收码字相加即可实现纠错。卷积编码及维特比译码110001100/010/001/111/111/101/100/010/00M2M1

0000000000

010101

1010101010101010000000010101011111111111111100011011用于ATSC制的1/2比率4状态反馈卷积编码器结构图状态图格形图卷积编码：由移位寄存器和异或门组成状态：输入/输出：细线x=0，粗线x=1状态维特比译码：长度为L的bit序列，由于误码存在条不同的可能路径。从所产生的各种可能路径中找出一条最大似然路径，使沿这条路径得到的序列与接收的码序列差别最小。汉明距离（硬判决）:设格形图上的比特序列为，接收到的幅度失真的比特序列为，其判决再生的比特序列为，则格形图序列与接收序列之间的汉明距离：可以看到格形图上的路径之间距离越大，信道的抗噪声干扰能力就越强，只要噪声干扰引起的误码在一定限度之内，误码的存在就不会引起误判，从而可做到准确解码。只有当干扰过大了，误码数超过限度，才会误判到错误路径上，引起解码错误。硬判决维特比译码过程：从00状态开始，画出经３个时间段转移的所有路径，每种状态只保留一条汉明距离最小的路径；将路径按格形图延伸到下一个时间段，对于进入每一种状态的两条路径只保留一条累积汉明距离最小的路径；接收的bit序列110110100110在回到00状态的４条路径中选留累积汉明距离最小的一条路径为最大似然路径；按{x}与{y1,y0}的编码关系，沿最大似然路径推出{x}，完成维特比纠错译码。101010

10

01

01

00

11

11

11

01

41326354000111100001111000

12341010

00

01

1111

01

231445360001111000

21431010

01

11

00

00011110状态41741000000

信息bit序列:

1011，卷积编码序列:10011010

01

10(后面补01，使卷积编码以00状态结束)100110101001欧几里得距离（软判决）:设格形图上的比特序列映射为电平序列，接收到的幅度失真的电平序列为，则格形图序列与接收序列之间的欧几里德距离：ATSC制维特比译码采用软判决(能获得2dB编码增益)，其最大似然路径是欧几里得距离为最小的路径。交织(interleaving)在发送端：交织位于RS编码之后和卷积编码之前。在接收端：去交织位于维特比译码之后和RS纠错译码之前。通过交织和去交织，可使突发差错分散为随机差错，以充分发挥纠错编码的作用。交织可分为块交织和卷积交织。块交织块交织在发送端是将已编码的数据构成一个m行n列的矩阵，按行写入随机存储器（RAM），再按列读出送至发送信道。在接收端将接收到的信号按列顺序写入RAM，再按行读出。假设传输过程中的突发错误是整列错误，但在接收端，纠错是以行为基础的，被分配到每行只有一个错误。这样，把连续的突发错误分散为单个随机错误，有利于纠错。举例设发送端待发送的一组数据为交织存储器按列写入交织器输出并送入突发信道的信息为设信道产生两个突发错误：第一个产生于连错5位；第二个产生于连错4位。,突发信道输出端的信息可表示为接收端进入解交织后，送入另一存储器，按行写入，按列读出解交织存储器的输出为由此例可见，经过交织矩阵与解交织矩阵后，原来信道中的突发错误，即两个突发5位连错和4位连错变成了中的随机性的独立差错。由I=52个分支组成，在第j(j=0,1,…,I-1)分支上设有容量为jM个字节的移位寄存器，M=4

，N=IM=52×4=208每字节切换一个分支，4个切换周期正好是一个纠错编码包（VSB数据段）的长度，同步字节总是由分支0发送出去。交织器用参数描述，N

：段长，

I：交织深度在交织器输出的任何长度为N的数据串中，不包括交织前序列中距离小于I的任何两个数据。对于(208,52)交织器，交织前同一数据段的数据在交织后将分散到52个数据段中。纠突发错误能力=It=52×10=520字节段间卷积字节交织器M=4字节2M（I-1）M(I-3)M(I-2)M(I-1)M012I-1=510001112225151511字节/位置来自RS编码器去RS解码器卷积编码调制信道解调卷积解码交织器去交织器能量扩散（随机化、加扰、扰码）作用：改善传输频谱特性随机化电路：

16bit最大长度伪随机码发生器，其生成多项式为

由它生成的伪随机二进序列（PRBS,Pseudo-randomBinarySequence）与输入码流进行模2加，使数据随机化。d0d1d2d7d3d4d5d6使能D0D1D2D7D3D4D5D6去RS编码来自传送流能量扩散（随机化、加扰、扰码）为使发送端的随机化与接收端的去随机化保持同步，在每个数据场的第一个数据段的段同步期间，对移位寄存器初始化一次，初始值设为F180H。接收端的去随机化电路将PRBS与接收到的已随机化数据进行模2加，便可恢复随机化以前的数据。发送端在能量扩散后，再进行RS编码。TCM-8VSB调制技术ATSC制采用格形编码调制（TCM-8VSB调制），将卷积编码与调制作为一个整体进行设计，增大维特比译码路径之间的最小欧几里得距离，提高信号的抗噪能力。作为对比，考虑4ASK调制，即将两比特数据直接映射为4电平符号：Ai

=-3,-1,1,3，分别调制高频载波：。星座图上星座点之间的最小欧几里得距离d0=2，用平均功率归一化的最小欧几里得距离为IQ13-3-14ASK星座图IQ13-1-3d04ASK矢量图预编码器格形编码器DM2M1Z2Z1Z08VSB

000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z08电平符号映射器格形编码器预编码器ATSC制采用2/3比率的8VSB格形编码器2比特输入，3比特格形编码输出，并映射为8电平符号(符号集比4ASK扩展1倍)00010001011010000000110111111001001100110111101100011011状态格形图IQ1357-1-3-5-7ABCD000001010011100101110111TCM-8VSB卷积码与星座符号的映射关系状态：输入/输出：TCM-8VSB集分割映射8ASK用平均功率归一化的最小欧几里得距离为D0=0.436格形图的欧几里得自由距离为dfree=3D0=3×0.436=1.31编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB-7-5-3-11357-7-315-5-137-71-35-53-17-71-35-53-17000100010110001101011111-71-35-53-171111111D00z0=0z1=0000z2=0D1=2D0D2=4D0z2z1z0电平ACBDACBD格形编码交织器段内交织：进一步提高抗脉冲干扰能力与格形编码结合，由每字节1位置切换的12个格形编码器组成。格形编码器#11已交织数据输入格形编码器#0格形编码器#1格形编码器#2格形编码器#10经格形编码和预编码的数据输出到映射器1字节/1位置段同步场同步#1场同步#2数据+FEC数据+FEC313段313段828符号4数据段832符号（208字节）数据段同步数据段同步4符号4符号数据+FEC24.2ms24.2ms+5+3-1+1-3-5-7+7导频1.251段（77.3um）PN511PN63PN63PN63模式(24)保留(104)VSB数据帧结构各数据帧包含两个数据场，每场包含313个数据段。每场的第一段是同步信号，余下的312个数据段各载有等效于一个188字节传送包加上辅助的前向纠错（FEC）字节的数据。实际上各段的数据是来自若干个传送包，因为数据交织，各数据段由832个符号组成。前面4个符号以二进制格式传送并提供段同步，这个数据段同步信号也代表188字节的MPEG传送包的同步字节。各数据段余下的828个符号承担的数据等效于传送包余下的187字节和它的辅助的FEC字节。这些828个符号是以8电平信号发送即每个符号3bit。ATSC射频信号频谱符号率：有效负载数据率：带宽：TS流速率：以上312/313是计入每场一个数据段的同步字段的开销，828/832是计入每个数据字段中同步4个符号的开销，187/207是计入每个数据字段中RS码FEC的20字节的开销。65.38导频抑制载波10.70.310.31VSB频谱在ATSC发射机中，经信道编码等处理形成的8电平符号和二进制数据段、场同步一起对一个载波进行抑制载波的调制，并在传输之前将大部分下边带去除，从而形成一个8VSB已调射频信号。导频信号插入的目的有利于接收端载频恢复，降低了接收端恢复载波的复杂度，提高了载波恢复的精度。ATSC制射频信号频谱4.3.5ATSC制的主要性能（1）对AWGN（AditiveWhiteGaussianNoise——加性高斯白噪声）信道的抗噪性能较好，载噪比门限值较低。（2）多径接收的性能差一些。（3）抑制来自模拟电视的图像载波、色度副载波和伴音载波的干扰。（4）抗同频道DTV干扰的性能较好。（5）抗脉冲干扰的性能较好。（6）抗连续波干扰的性能较差。（7）在多径、移动接收环境下，抗动回波和多普勒效应的性能较差，难以获得良好的接收效果。（8）节省广播频道的发射功率。（9）用6MHz带宽可提供HDTV所需的码率，频谱利用效率较高。4.4DVB制式4.4.1DVB制的视频格式水平×垂直有效像素幅型比50逐行60/59.94逐行25逐行25隔行30/29.9724/23.976逐行30隔行29.97隔行29.97/23.976逐行1440×115216:9√1920×108016:9√√√√√1920×103516:9√√√1280×72016:9√√√√720×5764:3/16:9√√√544480×5763524:3/16:9√√720×4804:3/16:9√√√√640×4804:3√√√√544480×4803524:3/16:9√√352×2884:3/16:9√352×2404:3/16:9√DVB设备的接口SPI(SynchronousParallelInterface)

同步并行接口，是以ITU-RBT656-2为基础制定的，用在设备相距较近的场合。接口连接器采用DB25，提供11对信号线和3条地线，信号采用低电压差分信令（LVDS）电平。11对信号线中有8对数据信号（Data0-7），1对时钟信号（Clock），1对同步信号（Psync）和1对数据有效信号（Dvalid）。全部信号与时钟同步，它的频率随传送流的码率而定。DVB设备的接口SSI(SynchronousSerialInterface)

同步串行接口，是同步并行接口的一种扩展。它的功能与SPI相当，只是在两端进行了并串的正、反变换。这种接口使用的连接速率就是传送流的码率，传输介质可以是电缆或光纤。电缆传输时连接器采用BNC。SSI目前用得较少。

DVB设备的接口ASI(AsynchronousSerialInterface)

异步串行接口，采用270Mb/s的固定连接速率，传输介质可以是电缆或光纤。在用于电缆传输时，采用BNC连接器。发送端首先将TS包按字节进行8bit/10bit编码，每字节编码成10比特。这些10比特字在并串转换器变换为固定的270Mb/s输出码率，若输入数据不足，可以插入同步字节填充。270Mb/s的串行码经过放大、缓冲和阻抗匹配，由BNC连接器输出。接收部分是发送的逆过程，但有一个时钟恢复环节，用于从比特流中恢复270MHz的时钟。4.4.2DVB-T制概述按DVB-T制采用的信道编码和射频信号形成的特点，它又被称为编码正交频分复用(COFDM，CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)多载波制式。采用“数据容器”模型，容纳各类数据，在一个频道内实现准无误码传输。适应8MHz频道。系统具有单频网运行能力。能够克服来自采用相同频率邻近发射机的类似回波的同频道干扰。DVB-T制系统功能框图DVB-T系统功能框图4.4.3DVB-T的信道编码能量扩散：PRBS生成多项式为移位寄存器每8个MPEG-2数据包初始化为100101010000000。

外编码：采用RS(204,188)码，由RS(255,239)码缩短而成。

外交织：数据流经外码编码后送到卷积交织器进行字节交织。采用(204,12)交织器，M=17，I=12，N=IM=204，交织深度为12个纠错编码包。

内编码：基于1/2比率64状态的基本卷积码生成的收缩卷积码1/2比率的基本卷积编码器具有6个移位寄存器，每输入1个比特输出2个比特和：

1bit时延1bit时延1bit时延1bit时延1bit时延1bit时延DjXjYj基本卷积码的特点是编码效率比较低，具有较强的纠错能力，适应于干扰较多的卫星广播和地面广播传输媒体。如果传输环境比较好，干扰相对较少，可以对基本卷积码进行收缩，提高编码效率。卷积收缩码图样和输出序列编码比率收缩图样输出序列路径最小自由距离1/2X：1，Y：1X1Y1102/3X：10，Y：11X1Y1Y263/4X：101，Y：110X1Y1Y2X355/6X：10101，Y：11010X1Y1Y2X3Y4X547/8X：1000101，Y：1111010X1Y1Y2Y3Y4X5Y6X73接收端对各种编码率的收缩卷积码均使用1/2编码率的维特比译码器。在将接收的码序列译码，首先要回复收缩前的码序列图样，在被收缩的位置上插入符号“×”（Don’tCare）。

内交织比特交织区间长度：126；符号交织区间长度：2K模式——，

8K模式——将来自内编码器的比特流进行解复用分解为v个比特流，然后通过排列函数进行比特交织和符号交织。QPSK：v=2，16-QAM：v=4，64-QAM：v=6。x0,x1,x2,…解复用符号交织比特交织I0比特交织I1比特交织I2比特交织I3b0,0,b0,1,…b1,0,b1,1,…b2,0,b2,1,…b3,0,b3,1,…a0,0,a0,1,…a1,0,a1,1,…a2,0,a2,1,…a3,0,a3,1,…y0,y1,…映射I0,I1,…Q0,Q1,…非分层16-QAM的内交织和映射方框图采用QPSK、M-QAM、M-VSB、COFDM高速数字调制技术，能有效地提高频谱利用率，提高抗干扰能力，满足数字电视系统的传输要求。四相移相键控(QPSK)是目前微波、卫星及有线电视上行通信中最常采用的一种单载波传输方式，它具有较强的抗干扰性，在电路实现上也比较简单。四相移相键控等效于二电平正交调幅，它是讨论正交幅度调制的基础。

常用数字电视调制技术QPSK调制器QPSK调制：QPSK调制：一个符号包含2bit，即映射到星座图：分别对相互正交的载波调制并相加生成4种相位不同但幅度相同的调制载波：、、若原始数字序列的码率为R，则经QPSK调制后的符号率为R/2，提高了信号传输的效率。

11-1-100100111IqQq（对应y0,q）（对应y1,q）QPSK星座图（bit顺序y0,q

y1,q）M-QAM调制：QAM(正交幅度调制)是一种节省频带的数字调幅方法，在2400b/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛应用于有线电视的下行传输及HDTV的地面广播传输中。QAM有较高的频带利用率，同时有较高的信噪比。

MQAM的调制器框图上图是16QAM调制框图，图中LPF是滚降滤波器。二进制串行数据输入以后，以4bit为一组，分别取出2bit送入上、下两个2-4电平转换器，再分别送入调制器1、2进行幅度调制，调制后的信号线性相加，得到16QAM的输出信号。均匀16-QAM星座图（bit顺序y0,q

y1,q

y2,q

y3,q），格雷码00，01，11，1011-1-10011101101111111IqQq（对应y0,q

y2,q）（对应y1,q

y3,q）3-3-33101010001001110111001110001000000001010101100100M-QAM调制：一个符号包含bit，M种符号对应星座图上的M个点

和分别对正交的载波调制并相加，生成M种不同相位或不同幅度的调制载波，称为M正交幅度调制即M-QAM若原始数字序列的码率为R，则经M-QAM调制后的符号率为。M越大传输效率越高，但在相同的信号平均功率S下，星座点的最小欧氏距离越小，抗误码性能越差。均匀M-QAM:非均匀M-QAM:4.4.4COFDM信号的形成与传输正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）原理将高速率的串行数据转换成多路低速率数据流，每路低速率数据流对一个载波进行调制，组成一个多载波并行传输系统。总的信号带宽被划分为N个互不重叠的子通道，N个子通道进行正交频分多重调制，当每路载波的带宽小于△f

时，可有效地抑制由频率选择性衰落造成的码间干扰。但多径传播会引起平坦性衰落和多普勒频移，结果OFDM各载波间的正交性被破坏。4.4.4COFDM信号的形成与传输OFDM的0时刻的N个载波单元定义为：OFDM与普通的频分复用（FDM）的区别是存在正交性，不同载波的频谱可以相互交叠，因而获得了最佳的频谱利用率（每单位带宽的比特率）fk=fc+k/Tu,k=0,1,…,N-1设j=0为当前时刻，，则各载波单元满足正交性的频谱时刻的N个载波单元为：设是时刻用复数表示的待传输的数字信号，则该时刻的OFDM符号为整个OFDM信号为以Tu/N为间隔对D(t)采样，并令D(nTu/N)=Dn，则

Dn通过一个通带为[0,N/Tu）的低通滤器可以得到D(t)，

对D(t)的实部和虚部进行正交调制即可得到OFDM信号：

接收端解调与此过程相反。令则：实际传输的是的实部：OFDM抑制了严重的频率选择性衰落，仍存在平坦性衰落，相当于信道的冲激响应展宽，使前一个符号的尾部拖延到后一个符号的开始部分，使OFDM各载波间的正交性受到破坏。为此在每个符号之前设置保护间隙Tg，取Tg大于信道冲激响应h(t)的弥散时间τ，接收端在Tg之后再进行正交解调，从而消除残余的码间干扰。一般取Tg/Tu=1/4,1/8,1/16,1/32保护间隙保护间隙的插入方法是把IFFT尾部的数据复制到Tg部分。N路——,x位——QPSK-OFDM：x=2，MQAM-OFDM：x=log2M

用FFT实现的OFDM系统发送端方框图S/P变换信号映射IFFTP/S变换间隙插入D/A转换低通滤波频率变换数字信号模拟信号............实部、虚部分别进行正交调制当N很大时实现OFDM调制需要大量的正弦波发生器、滤波器、调制器及相干解调器。如果采用快速傅里叶变换（FFT）来实现离散傅里叶变换（DFT）和离散傅里叶反变换（IDFT），则OFDM系统的实现将变得简单和经济。OFDM：在地面广播和移动接收情况下，多径传输使OFDM信号的各个载波所受到的平坦性衰落程度不同，而信道特性又是随着接收地点和时间变化的，这种子载波信道特性的不平衡，会引起解调电视信号在信噪比、误码率等方面的不平稳性，影响图像重现质量。COFDM（CodedOFDM）将内交织与OFDM结合，通过比特交织实现时间交织，通过符号交织实现频率交织，使接收端解交织后的各路载波受到的衰落在统计上近似平衡。OFDM成帧：发送端除了传输电视节目数据外还需要为接收端提供用于帧同步、频率同步、时间同步、信道均衡的参考信号（包括分散导频和连续导频），以及用于传输方式识别的传输参数信号TPS（包括载波调制方式、内编码比特率、保护间隙、2K/8K模式、超帧帧数等）。发送信号由帧组成，每帧含有68个OFDM符号，每4帧组成一个超帧，一个符号中的载波数在8K模式下为6817(包括6048个图像数据载波，68个TPS载波，177个连续导频，其他为每12个载波出现一次的分散导频)，在2K模式下为1705(包括1512个图像数据载波，17个TPS载波，45个连续导频，其他为分散导频)。4.4.5DVB-S制式DVB-S制式规定了在固定卫星业务(FSS)和广播卫星业务(BSS)的11/12GHz频段，用于一次和二次卫星数字多路节目TV/HDTV业务分配的信道编码和调制系统。图中能量扩散、外码编码、卷积交织、内码编码等部分与DVB-T相同。由于卫星广播发射功率小、信道干扰大，DVB-S采用平均功率小、星座点欧几里德距离大的QPSK调制方式。4.4.6DVB-C制式DVB-C制式规定了在有线电视(CATV)系统中将基带数字电视信号与有线电视信道特性相适配的信道编码和调制方法。在DVB-C系统中，从能量扩散到卷积交织的处理与DVB-S及DVB-T相同，以便于三种传输方式间的转换。CATV的传输环境比较可靠，重点考虑的是提高传输效率。为此，DVB-C不再使用卷积编码，调制方式也改用MQAM调制(M=16,32,64,128,256)。小结：在进行数字传输系统的设计时，调制方式的选择依赖于所采用的传输信道特性。例如，CATV上行信道存在漏斗效应，卫星信道的天电干扰较严重，应选择抗干扰能力较强、但频谱利用率不高的QPSK技术;在地面无线传输中，多径效应较为严重，可采用抗多径干扰显著的OFDM技术;而在CATV下行信道中，干扰较小，可采用频谱利用率较高的QAM技术。总之，设计者应根据传输信道的具体特性来合理