《电视原理》课件第5章

5.1数字电视的架构

5.2数字图像的格式与表示方法5.3数字电视信源编码解码标准5.4数字电视系统的信道传输标准5.5数字电视信号调制解调标准5.6数字电视的音频编码解码标准复习题

5.1.1数字电视信号的处理过程

数字电视与模拟电视一样，仍基于三基色原理传送视频图像序列。

模拟电视信号的数字化包括取样、量化和编码三个过程，如图5.1所示。5.1数字电视的架构图5.1数字电视系统构成示意图5.1.2数字电视的标准体系

数字电视标准体系中的关键技术是信道编码(传输)和信源编码(音视频压缩编码)。

表5.1列出了三大数字电视传输体系的情况。表5.1美国、欧洲和日本的数字电视标准传输体系5.1.3数字电视的结构特点

数字电视接收从结构上可以分成三大部分，数字电视信号接收转换单元、数字视频音频信号解码处理单元、数字图像声音信号显示输出单元。

我国SDTV和HDTV系统的图像分辨力分别为720×576和1920×1080，相应级别显示器显示的图像须至少能达到表5.2列出的图像清晰度。

表5.3和表5.4分别为通用的标准清晰度和高清晰度电视系统数字输入/输出格式变换。表5.2对SDTV和HDTV图像清晰度的要求电视线表5.3通用的标准清晰度电视系统数字输入/输出格式变换表5.4通用的高清晰度电视系统数字输入/输出格式变换

MPEG-2视频编码标准已包括分级编码技术。如表5.5所示，MPEG-2视频编码标准定义了多种档次(类别或类，Profile)和级别(级，Level)。其中的档次除体现彩色空间分辨力外，还划分了数据流的可分级性：信噪比可分级，空间分辨力可分级和时间分辨力可分级。表5.5MPEG-2视频编码的档次和级别图像格式是一个广义的概念，一般指电视水平方向和垂直方向的有效像素个数，但有时将图像宽高比、扫描方式、色彩表示也列入图像格式。

有效像素是电视图像行和场扫描正程包含的像素。5.2数字图像的格式与表示方法图5.2隔行扫描和逐行扫描示意图表5.6列出了美国ATSC数字电视广播系统可选的18种电视图像格式。其中HDTV有6种不同的分辨力和扫描方式，4种16∶9的SDTV格式，4种4∶3的SDTV格式，4种计算机的VGA格式。理论上这18种格式均可广播，但需对接收设备规范播出格式数目，真正可行的HDTV格式只有1080i和720p，后者分辨力稍低，但对带宽要求较窄。表5.6美国ATSCDTV广播系统可选的18种电视图像格式5.2.1数字图像色彩的表示格式

数字电视系统在发送端是将Y、CR、CB三个信号分量分别进行采样，再经过数据压缩编码后送出，接收端经解压缩后，再重建R、G、B信号，并根据相加混色原理，重显彩色图像，见图5.3。图5.3红、绿、蓝三基色相加混合示意图图5.4给出了4∶4∶4、4∶2∶2和4∶2∶0格式数字分量信号亮度信号和两个色差信号取样点与图像在二维空间上的对应关系。图5.4数字分量信号格式示意图5.2.2数字视频图像的表示方法

1．图像的取样

SDTV和HDTV系统的图像信号取样频率分别为13.5MHz和74.25MHz。按取样定理，理论上，可以传送的图像信号最高频率成分分别为6.75MHz和37.25MHz。

2．图像的量化和编码

在数字电视系统中，亮度信号和两个色差信号都采用线性量化。但考虑到可能有幅度超过正常范围的信号，以及有些码字还要留作它用等原因，标准规定，这256个码字并不都分给编码图像信号使用，它们与十进制表示的量化级及模拟图像信号电平的对应关系如表5.7所示。表5.7数字电视系统图像信号量化—编码关系对照表

3．数字视频图像信号的基本参数

表5.8中列出了详细的数字视频图像信号的基本参数和数字电视图像信号在各环节上的具体形式和转换关系。表5.8数字电视节目制作及交换用部分视频参数续表数字电视与模拟电视一样，仍基于隔行扫描方式传送图像信号。在视频参数上SDTV和HDTV有很大差别。为利于获得临场感，除屏幕尺寸应足够大以外，采用16∶9显示更加有利。SDTV和HDTV图像信号宽高比的不同，使得4∶3的显示器显示16∶9图像，或16∶9的显示器显示4∶3图像，都产生很多问题。表5.8列出了如何将三基色信号转换成一个亮度信号和两个色差信号。5.3.1MPEG-2标准概述

MPEG-2标准，即ISO/IEC13818，是运动图像及其伴音的通用编码标准。5.3数字电视信源编码解码标准(1)图像序列(VideoSequence)。

(2)图像组(GroupofPictures)。

(3)图像(Picture)。

(4)宏块条(Slice)。

(5)宏块(Macroblock)。

(6)块(Block)。图5.54∶2∶0宏块结构图5.64∶2∶2宏块结构图5.74∶4∶4宏块结构图5.84∶2∶0亮度和色度值的几何位置5.3.2MPEG-2的特点

MPEG-2是MPEG-1的扩充、丰富、改进与完善，MPEG-2标准的视频数据位速率为4～15Mb/s，能提供720×480(NTSC)或720×576(PAL)分辨率的广播级质量的图像，可用于包括宽屏幕和HDTV在内的高质量电视广播，其主要特点如下：

(1) MPEG-2解码器通常支持MPEG-1和MPEG-2两种标准。

(2) MPEG-2的基本分辨率为720×480，传输率为30帧/秒，并具有CD级音质。

(3) MPEG-2有“按帧编码”和“按场编码”两种模式，在MPEG-1中没有定义电视帧，只支持逐行扫描，不支持隔行扫描。

(4) MPEG-2允许在一定的范围内改变压缩比，以便在画面质量、存储容量和带宽之间作出权衡，它可在30∶1或更低的压缩比时提供广播级质量。

(5) MPEG-2的压缩比高达200∶1，能够实现以30帧/秒的速度播放全屏幕影像，实际压缩比依赖于节目内容及重放质量，运动及背景变化越多，压缩比就越低。

(6) MPEG-2可对分辨率可变的视频信号进行压缩编码，预计传输速率将为10Mb/s。5.3.3MPEG-2视频编码关键技术

MPEG-2同时采用预测编码、变换编码和统计编码技术，它采用多种编码手段消除系统冗余信息，归纳如下：

(1)利用二维DCT去除图像空间冗余度。

(2)利用运动补偿预测去除图像时间冗余度。

(3)利用视觉加权量化去除图像灰度冗余度。

(4)利用熵编码去除图像统计冗余度。

(5)在MPEG-l基础之上增加了可伸缩性、可分级性功能，以适应不同画面质量、存储容量及带宽要求。

1．离散余弦变换(DCT)

2．量化器

3．之型扫描与游程编码

DCT变换产生的是一个8×8的二维数组，为进行传输，还需将其转换为一维排列方式。之型扫描(ZigZag扫描)示意图如图5.9所示。图5.9ZigZag扫描示意图

4．熵编码

量化仅生成了DCT系数的一种有效的离散表示，实际传输前还需对其进行比特流编码，产生用于传输的数字比特流。

5．信道缓存

采用熵编码产生的比特流的速率随视频图像的统计特性变化，但大多数情况下传输系统的分配频带都是恒定的，因此，在编码比特流进入信道前需设置信道缓存。

6．运动估计

运动估计用于帧间编码方式时，通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计。

7．运动补偿

利用运动估计计算出的运动矢量，将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相应位置，即可生成对被压缩图像的预测。5.4.1美国ATSC标准

ATSC是美国先进电视制式委员会(AdvancedTelevisionSystemsCommittee)的英文缩写，该组织制定的美国地面数字电视标准也称ATSC标准，该标准是目前世界上采用较广泛的三种地面数字电视标准之一。

ATSC发送端功能框图如图5.10所示。5.4数字电视系统的信道传输标准图5.10ATSC发送端功能框图

ATSC接收端对信号进行与发射端相反的处理，用室外天线接收效果较好。载波用中频频率锁相环(IFFPLL)由导频恢复，符号时钟经同步检波、A/D及PLL重建，继而恢复段同步和数据场同步信号。ATSC接收端功能框图如图5.11所示。图5.11ATSC接收端功能框图5.4.2欧洲DVB标准

DVB(DigitalVideoBroadcast)是由欧洲广播联盟(EBU)组织进行的一个数字视频广播项目，后来由欧洲标准化组织(ETSI)将其研究成果形成欧洲国家统一采用的数字电视标准。

图5.13为DVB-T接收机功能框图。其信号处理过程与发送端相反。图5.12DVB-T发送端功能框图图5.13DVB-T接收机功能框图5.4.3日本ISDB标准

日本的卫星数字电视采用ARIBSTD-B20标准，调制方式为8PSK(八相相移键控)。有线数字电视采用ITU－TJ.83C标准，调制方式为QAM(正交幅度调制)。5.4.4我国数字电视传输标准

中国数字电视国家标准经过长时间的研究、测试和论证，针对中国电视系统的结构特点和数字电视传输的环境特征，制定了数字电视的卫星传输标准、有线传输标准和地面广播传输标准，并于2006年8月发布，于2007年8月1日开始实施。发送端原理框图如图5.14所示。输入数据码流经扰码(随机化)、前向纠错编码(FEC)、比特流到符号流星座映射和交织后形成基本数据块，再与系统信息组合(复用)，经帧体数据处理形成帧体，进而与帧头(PN序列)复接为信号帧(组帧)，经基带后处理转换为基带输出信号(8MHz带宽内)，正交上变频转换为射频信号。图5.14我国地面数字电视系统发送端原理框图数字电视信号根据不同的传输信道，需要采取相应的调制方法，才能有效地实现信号的发送与传输。针对地面无线广播信道的特点，地面数字电视系统通常采用多电平残留边带(VSB)调制方式，使用较多的是8-VSB，和编码正交频分复用(COFDM)。数字调制的星座图如图5.15所示。5.5数字电视信号调制解调标准图5.15数字调制的星座图5.5.1残留边带(VSB)数字调制

对于广播电视来说，调制载波的带宽应尽量窄，以便在规定的波段内能容纳更多的电视频道数，所以目前的模拟电视广播一律都采用调幅的残留边带发射。

为此，接收机应采用图5.16所示的幅频特性，即图像中频的相对增益为50%，而图像中频两端的频率特性为一斜线，所占频宽为0.75MHz，以此来补偿残留边带的固有缺点。图5.16残留边带接收机中放幅频特性5.5.28电平残留边带(8-VSB)调制

VSB是模拟电视采用的调制方式。8-VSB是8电平残留边带调制，它把串行数字信号按照8电平变换，形成8电平数字基带信号，然后加上载波，经模拟滤波器，从调制信号中取出上边带的一部分，形成单边带调制信号。图5.18表示8电平数字信号的双边带频谱，这样的频谱传输需要非常大的带宽，显然不适合通过信道发送。所幸的是，从该信号频谱可以看出，相对于中心频率的两个边带是对称镜像的，也就是说，该频谱的下边带与上边带完全相同，并且，两边每个孤立部分的频谱与中心频率处的频谱形状相同，这说明该信号频谱中有大量的冗余成分可以去除。

图5.17数字基带信号图5.188电平数字信号的频谱

ATSC中8-VSB的参数设定见图5.19。由于是8电平映射，即每个传输符号可携带3 bit数字信息，进入8-VSB调制的数据传输速率为32.28Mb/s，经8电平映射的符号传输速率为32.28/3 = 10.76 Msymbol/s，即每秒10.76 MSymbol。图5.198-VSB残留边带参数5.5.3正交相移键控(QPSK)调制

QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)调制称为正交移相键控或四相绝对移相调制，它不使用载波信号的频率或幅度来携带信息，而用载波的相位携带信息，即对载波信号的相位进行调制。我们把相继两个码元的4种组合(00，01，10，11)对应于正弦波的4个相位，载波相位表示为4种相位状态之一，即一个符号，每个符号包含2bit数据。

图5.20是QPSK信号的矢量图(星座图)和波形图。

QSPK正交调制器方框图如图5.21所示。图5.20QPSK星座图和波形图图5.21QSPK正交调制器5.5.4正交幅度调制(QAM)

在二进制ASK系统中，其频带利用率是1(bit/s)/Hz，若利用正交载波调制技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。能够完成这种任务的技术称为正交幅度调制(QAM)。它是利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的，通常有二进制QAM、四进制QAM(16QAM)、八进制QAM(64QAM)等。

图5.22是16QAM和32QAM的星座图。图5.2216QAM和32QAM的星座图图5.23中，串-并变换器将速率为Rb的输入二进序列分成两个速率为Rb/2的两电平序列，2 - L电平变换器将每个速率为两电平序列变成速率为(Rb/lbM)的L个电平信号，然后分别与两个正交的载波相乘，相加后即产生MQAM信号(在64QAM调制时M = 64)。图5.23QAM调制与解调器框图5.5.5正交频分复用(OFDM)和

编码正交频分复用(COFDM)

1．正交频分复用

正交频分复用(OFDM)是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据，并对不同的载波进行调制。

2．OFDM的算法理论与基本系统结构

由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。

OFDM调制器如图5.24所示。图5.24OFDM调制和解调基本原理

3．编码正交频分复用(COFDM)

COFDM指在多载波的OFDM传输前，对传输数据进行前向纠错编码，提高信道传输的抗干扰能力，故称为编码正变频分复用。在许多文献中，OFDM和COFDM这样的术语经常交替使用，没有严格的区分。5.6.1数字电视音频信号特征分析

音频信号与语音信号不同，为获得高质量的音频享受，对音频信号进行数字化处理时，必须要保证有足够高的取样率、足够高的幅度分辨率及足够大的动态范围，因此数字音频信号的分辨率大约为16～24 bit，甚至有32 bit。5.6