数字电视概述信源编码信道编码数字电视标准数字电视接收

第 11 章数字电视原理

数字电视概述信源编码信道编码数字电视标准数字电视接收



数字电视发展史数字电视的分类与特点数字电视系统架构数字电视关键技术电视信号的数字化视频信号压缩编码


教学重点： 1 、数字电视的分类与特点； 2 、模拟电视信号的数字化、视频信号压缩编码。

教学难点：数字化过程、视频信号压缩编码。

教学目的： 1 、了解数字电视发展史、系统结构及其关键技术； 2 、掌握数字电视的分类与特点； 3 、理解模拟电视信号的数字化、视频信号压缩编码方法。


数字电视 DTV ：11.1 数字电视概述

从电视信号的摄取、节目制作、存储、发射、传输到信号接收、处理、重现等全过程完全数字化的电视系统。它是用数字技术来处理电视信号的一门高新技术，是信息技术、现代通信技术、计算机技术和微电子技术等综合应用的结晶。

数字摄像节目制作存储发射

传输

信号接收信号处理数字扬声器

数字显示器

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1

0/1


TCL 展示数字电视


JVC 高画质等离子和液晶数字电视


康佳液晶电视美图


康佳推出数字电视一体机


1600 万像素的数字高清电视闪亮登场


1. 世界数字电视发展 (1) 20 世纪 80 年代，德国的 ITT 公司推出了世界上第一台数字视频处理彩色电视机； (2) 1982 年，新一代数字式电视接收机由美国公司率先研制成功， 83 年正式生产并投放市场；

(3) 20 世纪 90 年代，欧、美、日等国家制定了现代数字视频压缩编码技术的 MPEG 系列标准；

11.1.1 数字电视发展史

(4) 95 年 9 月 15 日，美国正式通过 ATSC 数字电视技术标准； (5) 90 年代中期，欧盟制定了 DVB 数字电视广播标准

。


(6) 1996 年 4 月，法国第一个开始数字电视商业广播； (7) 1998 年，美国开始了数字电视广播；

(8) 1999 年，日本推出了 ISDB 数字电视广播标准；

2. 我国数字电视发展及规划

(1) 20 世纪 90 年代初，我国开始数字电视技术的研究，计划在 MPEG 系列标准上制定自己的数字电视系列标准； (2)1998 年 9 月，中国的数字电视广播 HDTV-T 在中央电视塔上广播试验成功； (3)1999 年国庆阅兵进行了 HDTV 直播，通过卫星向全国传送 8 套全数字压缩的数字电视节目；


(4)“ 数字电视地面传输国家标准”于 2006 年 8 月 18 日正式批准成为强制性国家标准， 2007 年 8 月 1 日起实施。

(5) 我国数字电视发展规划：

第一阶段：到 2005 年实现普通电视的数字化；第二阶段：到 2010 年全部设备实现数字化；第三阶段：到 2015 年，图象质量达到 35mm 电影胶片质量，并彻底停止模拟电视广播。


11.1.2 数字电视的分类与特点1 ．数字电视的分类

数字电视接收设备

数字电视显示设备

按用途分类

地面无线传输

卫星传输

按信号传输方式分类

有线传输

（ a ）（ b ）

数字电视显示器

一体化数字电视接收机

按产品类型方式分类

数字电视机顶盒

（ c ）


低清晰度数字电视

标准清晰度数字电

视

按清晰度方式分类

高清晰度数字电视

4 3﹕数字电视显示设备

16 9﹕数字电视显示设备

按信号图像幅型比方式分类

（ d ）（ e ）

LDTV

SDTV

HDTV


2. 数字电视特点及先进性：

与模拟电视相比较，数字电视具有以下特点及先进性：

（ 1 ）数字电视抗干扰能力强；

（ 2 ）频带利用率提高，可实现信道多工复用；

（ 3 ）信号发射功率降低，便于实现加解密、加解扰；

（ 4 ）易存储，易实现数字特技，提高图象质量；（ 5 ）采用 VLSI 技术 (超大规模集成技术 ) ，可增强系统功能、提高系统稳定性；（ 6 ）输出信号具有扩展性，可分级性、和互操作性。


11.1.3 数字电视系统架构

完整的数字电视系统由以下三部分共同组成。

数字节目制作平台

数字电视信号传输平台

数字电视接收终端

1. 数字电视系统基本架构：


2. 数字电视系统结构

数字信号源

视频编码器

音频编码器

数据编码器

节目流复用器传送

流复用器

RS 编码 /交织

TCM 编码

QAM或QPSK或

VSB调制或OFDM形成

调谐器

解调 / 解扰/RS 解码/ 解交织

/TCM 解码

解多路复用

MPEG-2解码

传送流

辅助数据等（信源编码 / 数字源制作）（信源）（信道编码 / 存储）

（信宿）

数字显示器

数字扬声器


1. 数字电视信源编解码技术该技术主要是解决信号传输的有效性问题。

11.1.4 数字电视关键技术

2. 数字电视复用、解复用技术复用是将多路视频、音频、辅助数据比特流，经处理复合成单路的串行比特流，接收端与此正好相反。

3. 数字电视信道编解码技术提高信号的抗干扰能力，即提高信号传输的可靠性。

4. 数字电视加解扰技术在复用器中加干扰信号使授权用户才能正常接收看。


5. 数字电视调制解调技术通常有： QAM 、 QPSK 、 VSB 、、 COFDM 、 SSM 。

6. 高清晰度大屏幕显示技术解析度为： 1920×1080 ；尺寸大于 25英寸；幅型比为： 16 ： 9 。

7. 高速宽带网络技术高速宽带的接入网和互联互通的传输网是数字电视系统的有力保证。


11.2 信源编码

1. 取样：11.2.1 电视信号的数字化

（ 1 ）取样过程：

t0

A

（ b）

将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量的过程。

A

t

（ a）

0

A t

（ c ）0


0 fmax

f

（ x）

0f

（ y）

2fsfs

0f

（ z）

2fsfs

（ 2 ）模拟信号取样前后波形与频谱的变化：

A

t

（ a ）

0

t

A （ b

）0

A

t

（ c）

0


●复合编码中：通常对复合视频信号编码仅需一个取样频率。 NTSC 取为 12.7MHz或 10.7MHz ； PAL 为 13.3MHz或 17.7MHz 。

（ 3 ）数字电视取样频率： ●分量编码中：亮度信号的取样率为 13.5MHz ；色差信号的取样频率均为 6.75MHz ；伴音通道取样频率一般为 36KHz或 48KHz 。


2. 量化：

（ 1 ）量化过程（见右图）

0

1△

2△3△4△5△6△

7△

8△

v

t2TT 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T

4△

7△8△

7△

6△

5△

4△

2△

1△

将采样后时间上离散的模拟量转换成某个确定的最小单位的整数倍的过程称为量化。

（ 2) 数字电视信号量化准则（分量编码方式）： ●伴音： 14bit 量化； ● 亮度： 8bit 量化； ●色度： 6bit 量化。


3. 编码：

时刻输入信号二进制编码

T 4 △ 0100

2T 7 △ 0111

3T 8 △ 1000

4T 7 △ 0111

5T 6 △ 0110

6T 5 △ 0101

7T 4 △ 0100

8T 2 △ 0010

9T 1 △ 0001

（ 1 ）编码过程：

0

1△

2△3△4△5△6△7△8△

v

t2TT 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T

4△

7△8△

7△

6△

5△

4△

2△

1△

将量化后的电视信号电平转换成二进制代码的过程。

（ 2 ）数字电视编码：


●伴音信号：用 14bit偏移二进码，分辨率约 80dB ； ●亮度信号：用 8bit 自然二进码或格雷码，分辨率约 40dB ； ●色度信号：用 6bit偏移二进码，分辨率约 20dB 。

4 、编码方式（ 1 ）复合编码方式：

●指直接针对复合视频信号进行取样、量化、编码。●复合编码框图（见下图）

低通滤波

取样器量化器编码器

●复合编码方式特点：码率低、设备简单、图象质量较差。


（ 2 ）分量编码方式 ●分量编码是对亮度信号、两个色差信号分别进行取样、量化、编码、时分复接和传输。●分量编码框图（见下图）

全电视

信号

输出取样器低通滤波量化器编码器

取样器低通滤波量化器编码器

取样器低通滤波量化器编码器

亮色分离

数字全电视信号编码

EY

EB-Y

ER-Y

●分量编码方式特点：图象质量好，但设备造价高昂。


11.2.2 视频信号压缩编码1 、视频压缩编码必要性分析（ 1 ）各种信息媒体的传输码率（见下表）：

媒体种类传输码率压缩后码率突发性峰值 /平均峰值

数据、文本、静止图象 155bps~

12Gbps

﹤1.2Gbps 3~1000

语音、音频 64kbps~

1536kbps

16~384kbps 1~3

视频、动态图象 3~166Mbps 56kbps~35Mbps 1~10

HDTV 1Gbps 20Mbps -


（ 2 ）现有模拟电视传输信道带宽为 8MHz ，而经数字化后的数字电视信号带宽远大于 8MHz ，可达 108MHz 。

2. 视频信号压缩编码可行性分析；

（ 1 ）视频图象压缩编码机理通常利用两个基本原理： ●利用图象信号的统计特性； ●利用人眼视觉的视觉特性。

结论：数字视频信号必须经过压缩编码后才能送入现有信道传输。


（ 2 ）四种数据压缩编码方法：

●利用空间冗余度的编码方式： DCT 编码、差分编码 D

PCM （一维预测编码）、帧内预测编码（二维预测编码）、行游程编码（对量化后的 DCT 系数编码）；

●利用时间冗余度的编码方式：差分编码 DPCM 、预测编码（主要是帧间预测编码）；

●利用视觉冗余度的编码方式：离散余弦变换编码 DCT ；

●利用统计冗余度的编码方式：可变字长编码 VLC ，即霍夫曼编码。


3 、视频信号压缩编码基本原理（ 1 ）图象预测编码：

●图象预测压缩编码的思想：绝大多数图象在局部空间和时间上具有连续变化性，即原始图象数据具有很强的相关性，因而可以通过对一个或多个像素的观测，预测出未来相邻像素的估计值，这就是预测编码的思想。

●图象预测编码的原理：是用已传输的像素值对当前像素值进行预测，再对当前像素的实际值与预测值之差值（预测误差）进行编码传输，


在接收端，对收到的预测误差的码字解码后再与预测值相加，便可得到当前像素值。

xn`

xn

量化器编码器

解码器预测器

预测器

信道

－

－＋

en

xn`

en′

xn`` en′

xn``

●线性预测压缩编码（ DPCM ）系统（见下图）：

（ 2 ） Huffman 编码（可变字长编码 VLC ）： ●Huffman 码编码原理：


采用可变字长码，对于数据符号出现概率大的，配置字长短的码字，反之则反之。编码后，平均码长减小，码率降低。

例题：信源数据 xi： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8

出现概率： 0.18 0.20 0.19 0.005 0.17 0.15 0.10 0.005

Huffman 码

01 x200 x3111 x1110 x5 101 x61001 x7 10001 x8 10000 x4

x1 0.18

x2 0.20

x3 0.19

x5 0.17x6 0.15

x7 0.10x8 0.005

x4 0.005

数据符号出现概率

1

0

1

1

0

10

1

00

0

0

1

11

0.010.11

0.26

0.610.35

0.39


（ 3 ）离散余弦编码 DCT ： ● DCT变换是无损编码，本身不能压缩数据，但原始图像数据完成 DCT变换，可方便粗量化处理实现数据压缩。

●DCT 编解码系统（如下图示）

8X8 子块

码子输出f （ x.y ） F （ u.v ）

Q （ u.v ）原始图

象数据DCT变换

量化器

编码器

输入

码子输入

f （ x.y ） F （ u.v ）

Q （ u.v ）

8X8 子块

重建图象数据

逆量化

解码器

IDCT反变换

输出

传

输

信

道


4 、 MPEG 系列视频压缩标准 Moving Picture Experts Group ，活动图像专家组

（ 1 ） MPEG-1 标准： 1992 年 11 月推出主要内容包括： ●系统标准：描述了数字音、视频和辅助数据流等复用和同步的方法；

●视频标准：描述了数字视频数据压缩编码方法，压缩比可达 200:1 ； ● 音频标准：描述了数字音频数据压缩编码方法，压缩比可达 10:1 。


（ 2 ） MPEG-2 标准：于 1994 年 11 月推出主要内容包括：

●系统标准：描述关于多路视、音频、数据和节目码流的复用方式和同步的方法；

●视频标准：描述了视频数字压缩编、解码的方法；

●音频标准：描述了音频数字的编码与解码，并扩展了MPEG-1 的音频标准，达到环绕声 5.1 声道标准；

●一致性测试标准：描述测试码流是否符合 MPEG-2 码流的方法；


● 软件仿真标准：描述了 MPEG-2 标准的以上 3 部分的软件实现方法。

（ 3 ） MPEG-2 标准采用帧间运动补偿编码技术，进一步去除时间冗余。为了区分帧内与帧间编码， MPEG-2 标准定义了三种编码图像： ● 帧内编码图像（ I帧）： I帧图像的压缩比约为（ 2～ 5 ） :1 ；

●前向预测编码图像（ P帧）：根据前面最靠近的 I 帧或 P帧作为参考帧进行前向预测编码的图像，压缩比（ 5～10 ） :1 ；


●双向预测编码图像（ B帧），以 I 帧和 P帧为参考帧，进行双向预测编码，预测精度很高，压缩比为（ 20～ 30 ） :1 。

MPEG-2 标准的诞生，促进了 DVD、数字电视（ DTV）和 HDTV技术的快速发展


本节小结： 1 、数字电视发展史； 2 、数字电视的分类与特点； 3 、数字电视系统架构； 4 、数字电视关键技术； 5 、电视信号的数字化； 6 、视频信号压缩编码。

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