《数字电视》课件.ppt

数字电视原理 主讲人 赵艳杰 西安电子科技大学出版社 内蒙古大学电子信息工程学院 第2章数字电视的基本概念 2 1数字电视的优点2 2视频 音频信号数字化参数2 3图像分量信号量化电平和量化比特数的计算2 4标准清晰度电视和高清晰度电视的各项参数2 5数字电视系统2 6数字电视机顶盒 2 1数字电视的优点现行彩色电视制式的缺陷 1 画面细节分辨率不够 清晰度不足2 复合信号方式的缺陷3 大面积闪烁和行间闪烁4 电视图像的临场感不强5 长距离传输使信噪比恶化 图像清晰度受到损伤 数字电视 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 数字电视与原有的模拟电视相比 有如下优点 1 数字电视用户容易实现 无差错接收 可看到与电视演播室相同质量的图像 为了保证最终输出有足够的信噪比 模拟信号要求SNR 40dB 而数字信号只要求SNR 20dB 2 数字电视传输的频谱利用率高 相同带宽的信道 数字电视比模拟电视传送的节目数量大大增加 例如 现有的8MHz模拟电视频道 对PAL制而言 可用于传输1套高清晰度数字电视 HDTV 节目或者4 6套标准清晰度数字电视 SDTV 节目 3 数字电视易于实现统计复用 可充分利用信道容量 4 数字电视可实现移动接收 在移动速度为120km h的情况下 可稳定接收数字电视信号 模拟电视只能固定接收 5 数字电视可避免系统的非线性失真的影响 在模拟系统中 非线性失真会产生亮度对比度畸变 亮色串扰 色度畸变 造成图像的明显损伤 而在数字系统中 可避免产生这种影响 6 数字电视易于实现信号的存储 而且存储时间与信号的特性无关 近年来 随着大规模集成电路 半导体存储器 的发展 数字电视技术可以存储多帧的电视信号 完成用模拟电视技术不可能达到的处理功能 例如 帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理 获得各种新的电视图像特技效果 7 数字电视可以实现设备的自动化操作和调整 与计算机配合可实现各种自动控制和遥控操作 8 数字电视很容易实现加密 解密和加扰 解扰技术 便于专业应用 包括军用 以及点播电视 VOD 应用 收费电视 特别是开展各类条件接收的收费业务 9 数字电视具有可扩展性 可分级性和互操作性 能够实现不同层次图像质量的相互兼容 易于建立全国数字电视传输网 10 数字电视可以与计算机 融合 而构成一类多媒体计算机系统 成为未来 国家信息基础设施 N11 的重要组成部分 11 数字电视采用ITU RBT 601 原为CCIR601 建议 可以把模拟电视PAL制 NTSC制和SECAM制建立成统一的数字电视参数规范 改变了模拟体制下的NTSC制 PAL制和SECAM制电视节目不能交换的特性 12 数字电视改变了人们接收电视的方式 网络电视IPTV 交互电视 ITV 和点播电视 VOD 的诞生 为电视的多种应用开辟了新天地 交互电视 点播电视使人们在收看高清晰度电视的同时 可以享受到 电视导演或电视编辑 的乐趣 13 数字电视的出现还极大地改变了信息家电的市场结构 数字电视能够促进电视机扩大画面 提高分辨率 并以全新型电视机的姿态提高销售价格 数字电视易于实现不同质量的画面 HDTV的画面质量接近35mm宽屏幕电影水平 一帧图像的像素数高达1920 1080 一般来说 计算机在SVGA模式下的像素数为800 600 PAL制下VCD的最高像素数为352 240 DVD为720 576 常规模拟电视常有的模糊 重影 闪烁 雪花点和图像失真等现象在数字电视中会得到大大改善 14 数字电视功能更丰富 数字化信号便于存储 可方便地实现制式转换 以及画中画 画外画和电视图像幅型变换等 15 数字电视具有高质量的音响效果 数字电视采用AC 3或MUSICAM等环绕立体声编 解码方案 既可避免噪声 失真 又能实现多路纯数字环绕立体声 使声音的空间临场感 音质透明度和高保真等方面都更胜一筹 同时还具有多语种功能 使得收看同一个节目可以选择不同的语种 16 数字电视具备通信功能 用户端配备相应的机顶盒后 用户可以拨打可视电话 查询图文信息和进行远程教学等 还可以通过微机联网实现浏览互联网 收发电子邮件 网上购物 学习和娱乐等许多增值业务 数字电视不仅使图像质量提高 而且使现有的频率资源大幅度地增值 引起电视业务和经营方式及制作方式的变革 数字电视的主要优点 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 它也便于与计算机或其它数字设备接口 数字电视的一个主要缺点 传输时所需的频带太宽 难以在现有传输模拟信号的带宽内直接进行传输 同时 也难以实现模拟电视和数字电视的兼容 数字电视为了提高图像通信的有效性 一般不采用直接PCM方式传输 而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩 然后再传输 2 2视频 音频信号数字化参数数字电视不进行数据压缩时 数码率太高 例如 亮度信号Y抽样频率一般选为13 5MHz 3倍彩色副载波频率 每样品值经8bit量化后 数码率为 13 5 8 108Mb s两个色差信号U V抽样频率均为6 75MHz 3 2倍彩色副载波频率 每样品值经8bit量化后 数码率为 6 75 8 54Mb s所以 在不采用任何压缩措施时 总的数码率为 108 54 54 216Mb s 不压缩时的数字电视信号的数码率太高 频带太宽 从通信系统的观点来看 PCM传输方式是以带宽为代价换取高的传输质量 数字电视为了提高图像通信的有效性 一般不采用直接PCM方式传输 而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩 然后再传输 现已建立了各种数据压缩的国际标准 数码率可以大大降低 例如 美国所提出的高清晰度数字电视方案 数据压缩后经数字调制的信号带宽可做到与普通NTSC制彩色电视信号的带宽相同 6MHz 但图像质量实现了飞跃 我国的高清晰度数字电视 HDTV 压缩后经数字调制的带宽计划为8MHz 可以在我国PALD标准一套普通模拟电视节目带宽内传输 按照MPEG 2MP ML 主档次主等级 标准 可把一路普通彩色电视数字化后的216Mb s的数码率压缩到8 448Mb s 相当于模拟信号带宽为4MHz 但与模拟彩色电视相比 其主观图像质量没有任何降低 彩色数字会议电视系统的国际标准为H 261 2 048Mb s 图像质量也可以达到满意的程度 例如 8 448Mb s的数字电视信号经64QAM数字调制以后的模拟带宽可降到2 2MHz 则在8MHz带宽中 可传6路8 448Mb s经调制以后的数字电视信号 从数字电视发展来看 可有如下进程 1 实现普通电视的数字化 利用MPEG 1的国际标准 将数码率压缩到2 048Mb s VCD质量 2 按MPEG 2标准中的主级标准 将数码率压缩到8 448Mb s 其图像质量可达现有电视演播室的质量 DVD质量 3 按MPEG 2的高级标准 将数码率压缩到20Mb s左右 其图像质量可达HDTV的质量 一 视频信号的抽样结构大量的主观测试表明 固定的抽样结构比移动的抽样结构图像质量要好 固定抽样结构常采用正交结构 即各帧 各场 各行的样点都是垂直对准的 正交抽样结构可直接由时钟频率为行频 fH 整数倍 m倍 的抽样频率抽样产生 例如 对我国PAL制电视来说 行频fH 15625Hz 如果取抽样频率为13 5MHz 则每行得出来的样点刚好为正交整数样点结构 即为 在ITU RBT 601建议中 要求采用分量信号Y U V进行编码压缩 在对数据压缩之前 必须对分量信号进行正交抽样 Y U V抽样点结构可分为三种 4 4 4 4 2 2和4 2 0 1 4 4 4 4 2 2和4 2 0抽样点结构图2 2 1 a 所示为4 4 4 抽样点结构 图2 2 1抽样点结构 b Y U V 4 2 2 c Y U V 4 2 0 图2 2 1 b 所示为4 2 2抽样点结构 图2 2 1 c 所示为4 2 0抽样点结构 2 图像数据格式和不压缩时数码率的计算1 几种典型数字电视设备的数据格式 2 不压缩时数码率的计算方法一 数码率 采样频率 每样点的比特数对DVD图像格式可作如下计算 Y 13 5MHz 8bit 108Mb sU 6 75MHz 8bit 54Mb sV 6 75MHz 8bit 54Mb s合计 216Mb s这只是一种粗略的估算 对于按此方法算出来的数码率216Mb s 如按MPEG 2标准压缩后 数码率为8 448Mb s 压缩比约为26 1 如按MPEG 1标准压缩后 数码率为2 048Mb s 压缩比约为100 1 方法二 数码率 一帧图像样点样数 每样点比特数 每秒帧数一帧图像样点样数 每行有效样点数 一帧图像的有效行数对DVD图像格式可作如下计算 对于Y信号 速率的计算如下 一行样点数 采样频率 行频 13 5MHz 15 625kHz 864一行有效样点数 864 864 0 83 720 为水平回扫率 该式即表示去掉行消隐后的有效样点数 一帧有效行数 625 50 575 取576 即表示去掉场消隐后的有效行数 一帧图像样点数 720 576 414720Y 720 576 8bit 25Hz 82 944Mb s 对于U V信号 如按Y U V 4 2 2 其数码率计算如下 V 360 576 8bit 25Hz 41 472Mb sU 360 576 8bit 25Hz 41 472Mb s合计 165 9Mb s按这种计算方法算出的数码率不包括行 场消隐期间的样点数据 如按MPEG 2ML MP 主档次主等级 标准压缩后 数码率为8 448Mb s 压缩比约为20 1 如按MPEG 1标准压缩后 数码率为2 048Mb s 压缩比约为82 1 实际计算不压缩时的数码率常采用方法二 方式 而且只要知道表2 2 1所列出的数据格式就可直接算出 例如 按Y U V 4 2 0计算表2 2 1中VCD格式不压缩时的数码率如下 Y 352 288 8bit 25Hz 20 2752Mb sV 176 144 8bit 25Hz 5 0688Mb sU 176 144 8bit 25Hz 5 0688Mb s合计 30 4128Mb s如果压缩比为20 1 则经压缩后的数码率为1 52064Mb s 这就是我们通常使用的VCD的数码率 二 视频 音频信号量化及量化噪声把幅度上连续变化的信号变为二进制离散信号时 必经过抽样 量化和编码过程 这三个过程虽然现在可在A D芯片中一次完成 但在严格考查图像质量时有必要分析量化和量化噪声 视频信号量化采用舍入量化 如图2 2 2所示 即用四舍五入来处理被量化信号与预置量化级数电平之间的差值 A表示量化间距 f t 表示视频信号 f t 表示量化后的电平函数值 这样 f t f t 为舍入量化的量化误差 最大量化误差为 A 2 e t f t f t 图2 2 2舍入量化 若输入信号的动态范围A一定时 把它变换为有限个M量化电平级 则量化间距 A越小 量化级数M越多 可表示为 采用二进制编码 所需的比特数n也随M的增大而增大 即 M 2nM与n的取值主要由量化的信噪比决定 1 均匀量化时的信噪比在输入信号的动态范围内 任何地方的量化间隔幅度相等的量化称均匀量化或线性量化 从图2 2 2可以看出舍入量化的量化误差为 A 2或 A 2 设f t 为连续信号 f t 为量化后输出的阶梯信号 e t 为量化误差 则有 e t f t f t 设量化噪声功率为Nq 它是单位负载电阻上量化误差电压的平方在周期T中的平均值 即 可以得出结论 量化间距 A越小 量化误差引起的失真功率也越小 1 电视信号 单极性信号 的量化信噪比电视信号 单极性信号 的量化信噪比计算式如下 式中 SP P表示电视信号峰峰值 Nq r m s 表示噪声信号均方根值 用分贝表示 可以得出结论 量化比特数n每增加1bit 信噪比上升6dB 反之 每下降1bit 信噪比降低6dB 按照ITU RBT 601建议 用于传输时的视频信号量化比特数取n 8bit 此时 量化信噪比应为59dB 数字信号在传输过程中只要不产生误码 或者当所产生的误码被全部纠正过来时 就不会增加新的噪声 所以 在测量数字电视的信噪比时 基本上可由量化信噪比来确定 量化比特数n与量化信噪比的关系如表2 2 2所示 图1 3 2100 0 100 0彩条的基色信号 亮度信号与色差信号波形 2 声音信号 双极性信号 的量化信噪比设声音信号的最大幅度为A 它是在 A到 A之间变化的 对它均匀量化成N级 有2A N A N 2n 以二进制表示 量化信噪比 用分贝表示为 若输入信号幅度a小于最大输入幅度A 则有 用分贝表示为 所以 当输入信号幅度下降1 2时 信噪比下降6dB 2 用非均匀量化改善量化信噪比式 2 2 5 和式 2 2 7 即电视信号和声音信号的信噪比可分别写成 当均匀量化间距 A固定时 量化信噪比随输入信号幅度A的增加而增加 这就使得在强信号时可把噪声淹没掉 但在弱信号时 噪声的干扰就十分显著 为改善弱信号的信噪比 使得在输入信号幅度变化时 量化信噪比基本不变 应使均匀量化间距 A随输入信号幅度A的改变而改变 即强信号时粗量化 加大 A 弱信号时细量化 减小 A 也就是采用非均匀量化 或称非线性量化 来改善量化信噪比 非均匀量化通常有两种方法 一种方法是把非线性处理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 如图2 2 3所示 在均匀量化编码器之前 对输入信号的大幅度信号进行压缩 这样等效于对强信号进行粗量化 弱信号进行细量化 在均匀量化解码器之后 再进行反特性扩张 以恢复原信号 图2 2 3压缩扩张编码方式 图2 2 4非均匀量化 另一种方法是直接采用非均匀量化 如图2 2 4所示 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 读者可查阅第4章编码压缩中DCT系数非均匀量化器实例 三 全信号和分量信号编码对数字电视信号进行编码可分为全信号编码和分量信号编码 如图2 2 5所示 其中图2 2 5 a 为全信号编码 图2 2 5 b 为分量信号编码 1 全信号编码 这种全信号编码 很简单 但易造成亮 色干扰 对SECAM彩色电视制式来说 由于色差信号对副载频的调制方式是调频的 难于采用全信号编码 只能采用分量信号编码 图2 2 5 a 全信号编码编码框图 图2 2 5 b 分量信号编码框图 分量信号编码虽增加了数字亮 色分离 但编码压缩是对分量信号进行的 消除了亮 色干扰现象 这种处理方式可使图像质量提高 因此应用较为广泛 国际标准中均采用分量信号编码方式 2 分量信号编码 四 图像分量信号量化比特数确定和量化电平分配通过ITU RBT 601建议 可确定625行 50Hz和525行 60Hz电视系统分量视频的参数 该文件规定了525行和625行电视信号的数字化参数 它规定13 5MHz为模拟亮度信号的正交抽样频率 6 75MHz为两个模拟色差信号的抽样频率 抽样值为数字亮度Y 和数字色差与 与和相对应的分别是模拟已作伽马校正的色差信号kb B Y 和kr R Y 13 5MHz之所以被选用为抽样频率 是因为其因子2 25MHz是525和625行频的公因子 按照ITU RBT 601建议 演播室现在普遍采用每个抽样10bit量化 传输时 既允许采用8bit量化 对应256个量化电平级 即00h FFh 也可以采用10bit量化 对应1024个量化电平级 即000h 3FFh 每个抽样的8bit量化字在数值上可以直接转换为10bit数值 而10bit数值也可以还原为8bit数值 相互间具有互换性 色差分量和的量化电平范围为040h 3C0h 见图2 2 6 所对应的模拟信号范围在 350mV之间 色差信号的摆动可超出这一范围 总的可用范围为 400 399 2mV 上下所超出的值均为50mV 这称为色差信号上 下保护带 图2 2 6色差信号的量化电平分配 a 信号 b 信号 图2 2 7亮度信号Y 的量化电平分配 图2 2 8所示的是数字样值相对于模拟行消隐的定位情况 图2 2 9所示的则是图像区的空间关系 由于定时信息是通过有效视频结束数据包 EAV 和有效视频起始数据包 SAV 传送的 因此不再需要常规的模拟同步信号 在行消隐期及场消隐期中的整个行周期内 均可用于传送音频和其它辅助数据 EAV和SAV定时数据包在数据流中的识别可以通过数据包头的起始字来进行 前三个字是3FFh 000h 000h 第四个字是 XYZ 它在EAV和SAV数据包中含有与信号有关的信息 分量数字视频中的辅助数据包是通过包头的起始字000h 3FFh 3FFh来识别的 数据字 XYZ 为10bit字 其中两个最低有效位预置为零 以维持每抽样8bit量化格式 图2 2 8数字样值相对于模拟行消隐的定位情况 数字有效行由样点133 852 样点720 正程对应的样点142 844 样点702 图2 2 92 1隔行数字帧的格式示意图 在标准清晰度中所包含的数据字 XYZ 表示功能状态 其数值具有以下含义 Bit8 F bit F 0为第一场 F 1为第二场 Bit7 V bit V 1为处于场消隐期 V 0为有效视频行期间 Bit6 H bit H 1表示EAV序列 H 0表示SAV序列 并行数字接口按照Rec 601 抽样形成的数据流电接口分别由美国SMPTE和欧洲EBU标准确定 其中525 59 94格式依据SMPTE125M标准 而625 50格式则依据EBUTech 3267标准 并行接口复用数据字按照 Y Y 的顺序 形成的码流数码率为27Mb s 在每一行中 均插入了定时序列SAV和EAV 525和625格式的数字有效行都包含了720个亮度样值 模拟消隐期间的剩余样值可用于定时和其它数据 2 3图像分量信号量化电平和量化比特数的计算根据1982年2月国际电信联盟ITU提出的ITU RBT 601建议 对电视信号采用分量信号编码 即对Y Cr Cb三分量信号进行编码 选取8bit均匀量化 在抽样 量化前还必须对三个分量信号进行 校正 由电视原理可知 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 114BB Y 0 299R 0 587G 0 886B 为对其归一化 色差信号必须引入压缩系数 Kr 0 713Kb 0 564归一化后的色差信号为 Cr 0 713 R Y 0 5R 0 419G 0 08BCb 0 564 B Y 0 169R 0 331G 0 5B 亮度信号Y以8bit均匀量化时分为256个量化级 即量化电平0 255量化级 相当于二进制的00000000 11111111 在PCM编码中 虽然为了防止过载把视频信号调整在1V峰峰值范围内 于是在256的量化级中上端留下20量化级 下端留下16量化级作为防止超越动态范围的保护带 量化电平的分配如图2 2 7所示 其中量化电平为16时代表黑量化电平极限 量化电平为235时代表白量化电平极限 亮度信号量化电平计算如下 黑色区 Y 0 EY 16白色区 Y 1 EY 235按上式求得亮度信号量化电平EY的整数值 图2 2 7亮度信号Y 的量化电平分配 色差信号量化电平计算如下 上两式中的 考虑到将R Y B Y幅度归一化 引入压缩系数后有下式 均匀量化后色差信号的量化电平计算 色差信号经过压缩信号处理以后的动态范围为 0 5 0 5 中间信号的零电平对应的量化电平为256 2 128 色差信号总共分配224个量化级 上端和下端各留16个量化级作为防止过载的保护带 见图2 2 6 图2 2 6色差信号的量化电平分配 a 信号 b 信号 图1 3 2100 0 100 0彩条的基色信号 亮度信号与色差信号波形 2 4标准清晰度电视和高清晰度电视的各项参数按照数字电视标准规范 数字电视主要分为标准清晰度电视 SDTV 和高清晰度电视 HDTV 标准清晰度电视的图像质量就是DVD图像质量 高清晰度电视的清晰度比DVD高得多 两者的参数比较如表2 4 1所示 2 5数字电视系统图2 5 1所示为数字电视系统框图 发送端由摄像机产生彩色电视图像 经A D变换后 变为数字音 视频信号送入音频或视频编码器中 音 视频编码承担着音频和图像数据压缩功能 它去掉信号中的冗余部分 使传输码率降低 然后 经MPEG 2标准压缩后的数字音 视频信号和数据送入传输打包和复用 传输流复用完成多套节目复用功能 最后 送入信道编码和调制器中 信道编码和调制器包括纠错编码和各种信号传输处理以及数字调制的功能 提高信号在传输中的抗干扰能力和频谱利用率 这是因为数据码流经长距离传输后不可避免地会引入噪声而产生误码 因此 加入纠错码和各种信号传输处理以提高其抗干扰能力 经纠错编码和各种信号传输处理和调制后的信号再通过输出接口电路送入传输线路 远距离传输时 可以采用数字光纤线路 数字卫星线路 也可以采用数字微波线路 以接力传输方式 站与站的距离可达50km 接收端的过程与发送端相反 接收端接收信号后 通过输入接口电路把信号送入信道解码和解调器中 经数字解调和信道解码可纠正由传输所造成的误码 然后将信号送入传输解复用和解包中 最后再分别送入音频或