數(shù)字電視信號(hào)處理

1、當(dāng)今社會(huì)，技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步與設(shè)備的更新?lián)Q代確實(shí)是日新月異、突飛猛進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息處理、通信以及激光等技術(shù)的迅猛發(fā)展，集圖文、聲間、圖像于一體的多媒體技術(shù)更是迅速滲透到計(jì)算機(jī)、通信、廣播電視以及消費(fèi)娛樂業(yè)。僅就電視領(lǐng)域而言，其變化速度之快，就令許多人措手不及。短短的時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)了那么多不同的系統(tǒng)和新技術(shù)，使得一般的技術(shù)人員甚至是技術(shù)行政決策人員都有些不知所措。在節(jié)目制作上，從普通電視的模擬復(fù)合到模擬分量，再到數(shù)字復(fù)合、數(shù)字分量、壓縮數(shù)字分量，出現(xiàn)了諸數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號(hào)）傳輸數(shù)據(jù)的信道。 模擬通道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)

2、，包含無窮多個(gè)信號(hào)值 數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號(hào)值 周期信號(hào)和非周期信號(hào) 周期信號(hào)：信號(hào)由不斷重復(fù)的固定模式組成（如正弦波） 非周期信號(hào)：信號(hào)沒有固定的模式和波形循環(huán)（如語音的音波信號(hào)）。 回答者：wyqdove - 舉人 四級(jí)  5-7 11:52何為數(shù)字電視 數(shù)字電視，就是將傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)字信號(hào)，電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)的新一代電視。采用數(shù)字技術(shù)不僅能夠獲得比原有模擬技術(shù)更高的技術(shù)性能，而且還可以實(shí)現(xiàn)模擬技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的新功能。 數(shù)字電視與模擬電視 首先，數(shù)字電視大大提高現(xiàn)有電視節(jié)目的音像質(zhì)量。

3、模擬信號(hào)的傳輸會(huì)受到各種因素的干擾，數(shù)字電視采用數(shù)字傳輸和誤碼碼保護(hù)技術(shù)，在加工制作、復(fù)制、存儲(chǔ)和傳輸交換過程中受到影響小，接收端的信號(hào)質(zhì)量可與發(fā)送端的原始信號(hào)質(zhì)量相比擬，有線電視數(shù)字用戶還可以收看到清晰度達(dá)到DVD質(zhì)量的電視節(jié)目。 其次，在有限的頻道資源里傳輸?shù)墓?jié)目大大增多，解決了頻道資源緊張的問題。利用數(shù)字信號(hào)的可復(fù)用特性，數(shù)字電視彩用先進(jìn)的圖像壓縮編碼技術(shù)，在原先只能傳輸一路模擬電視節(jié)目的帶寬內(nèi)可以傳輸6套DVD質(zhì)量的電視節(jié)目，這樣一來頻道利用率大大提高，無形中增加了有線網(wǎng)絡(luò)的頻道資源，就有了更多的頻道選擇余地，還可以大力發(fā)展專業(yè)頻道，比如旅游、保健、體育、教育、時(shí)裝等等，數(shù)量上大大增加

4、，內(nèi)容劃分得更加細(xì)致，自然可以更好地滿足不同層次觀眾的不同需求。 再次，方便開展各種綜合業(yè)務(wù)和交互式業(yè)務(wù)。電視系統(tǒng)全面數(shù)字化加強(qiáng)了廣播電視、通信與計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)的一體化，原本是完全不同媒體的廣播、電視、通信和計(jì)算機(jī)在全部數(shù)字化后，圖像、聲音、圖文、數(shù)據(jù)等都以數(shù)字方式按一定規(guī)則被復(fù)用成同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳送，為視頻點(diǎn)播、高速上網(wǎng)、電視購物、電子游戲等各種綜合業(yè)務(wù)和交互式業(yè)務(wù)的開展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 最后，數(shù)字電視容易加密和加擾，對(duì)有線電視管理將更加科學(xué)有效。由于數(shù)字信號(hào)的易操作性，在前端對(duì)信號(hào)加密和加擾都比較容易實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上建立的條件接收系統(tǒng)（CA）是數(shù)字電視的技術(shù)保障系統(tǒng)，有了這套系統(tǒng)，我們就可以

5、更好地為每個(gè)用戶提供有償電視服務(wù)。 數(shù)字電視原理 一方面我們通過國家和省的光纖骨干網(wǎng)直接接收中央和省臺(tái)傳輸下來的數(shù)字電視節(jié)目，另一方面通過衛(wèi)星接收機(jī)將收星上精彩的電視節(jié)目，還有一些是地方自辦的節(jié)目，這些節(jié)目大多是數(shù)字的，也有一些是模擬的，其中的模擬電視節(jié)目需要先通過編碼器對(duì)其進(jìn)行編碼壓縮轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再把以上三種節(jié)目源一起送入復(fù)用器，經(jīng)復(fù)用器復(fù)用后，通過加擾器加擾和QAM調(diào)制器傳 如什么BETACAN SP、M2、D-1、D-2、D-3、D-5、數(shù)字字BRETACAM、DVC等等記錄設(shè)備；又出現(xiàn)了諸如數(shù)字磁盤錄像機(jī)、磁盤攝像機(jī)、電腦動(dòng)畫、非線性編輯系統(tǒng)、桌上演播室系統(tǒng)、視頻服務(wù)器等新花樣；還

6、有什么I-PAL、PAL-PLUS、EDTV、MAC、MUSE系統(tǒng)、HD0-MAC、DTTB、HDTVT、HD-DIVINE、ATV、CA（美國）、CA（歐洲）之類的制式，讓人目不暇接，無所適從。在節(jié)目傳輸上，由于碼率壓縮技術(shù)的進(jìn)步，不僅從演播室到發(fā)射的傳輸越來越多采用數(shù)字，數(shù)字壓縮衛(wèi)星直播方式業(yè)已成為衛(wèi)星傳輸?shù)闹髁?。譬如：中央臺(tái)所傳送的衛(wèi)星頻道即采取了該種方式。在上述內(nèi)容中，都越來越傾向于使用數(shù)字技術(shù)特別是數(shù)字壓縮技術(shù)。 1.電視系統(tǒng)的數(shù)字化是大勢所趨相對(duì)于模擬電視而言，數(shù)字電視具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1900年，英國人康斯坦丁-帕斯基在為國際電聯(lián)會(huì)議起草的報(bào)告中，第一次正式使用“電視（televi

7、sion）”一詞，而真正的電視在當(dāng)時(shí)只能是人們久存于心中的夢想了。1925年，拜爾德在英國首次成功裝配世界第一臺(tái)電視機(jī)，當(dāng)時(shí)人們也沒有料到她會(huì)成為二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明，我們這個(gè)時(shí)代的寵兒。從此 ，這當(dāng)初被稱為“破玩藝兒”的黑匣子緊隨著戰(zhàn)爭與和平，勝利的鮮花和失敗的葬禮。現(xiàn)在，沒有什么媒體比電視更引人注目，她作為家庭和整個(gè)世界聯(lián)系的紐帶，深深地影響著人們的社會(huì)存在和生活行為。 1958年3月17日，是我國電視發(fā)展史上值得紀(jì)念的日子。這天晚上，我國電視廣播中心在北京第一次試播電視節(jié)目，國營天津無線電廠（后改為天津通信廣播公司）研制的中國第一臺(tái)電視接收機(jī)實(shí)地接收試驗(yàn)成功。這臺(tái)被譽(yù)為“華夏第一屏”的北

8、京牌820型35cm電子管黑白電視機(jī)，如今擺在天津通信廣播公司的產(chǎn)品陳列室里。我國在1958年以前還沒有電視廣播，國內(nèi)不能生產(chǎn)電視機(jī)。試制組多數(shù)成員只有20歲上下，他們對(duì)電視這門綜合電、磁、聲、光的新技術(shù)極其生疏，沒有見過電視機(jī)，參考資料也很少，通過對(duì)資料、國外樣機(jī)、樣件的研究，他們根據(jù)當(dāng)時(shí)國內(nèi)元器件生產(chǎn)能力和工藝加工水平，制定了“電視接收和調(diào)頻接收兩用、通道和掃描分開供電、采用國產(chǎn)電子管器件”的電視機(jī)設(shè)計(jì)方案。 我國第一臺(tái)電視機(jī)的試制成功，填補(bǔ)了我國電視機(jī)生產(chǎn)的空白，是我國電視機(jī)生產(chǎn)史的起點(diǎn)，今天我國已成為世界電視機(jī)生產(chǎn)大國。信號(hào)經(jīng)過多次轉(zhuǎn)接切換和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，不會(huì)有干擾和失真的積累，抗干擾

9、性能強(qiáng)，圖像質(zhì)量好； 數(shù)字電視系統(tǒng)主要由數(shù)字集成電路組成，系統(tǒng)的性能和可靠性可望大幅度提高； 它可以實(shí)現(xiàn)模擬電視不易高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的功能，譬如：時(shí)軸處理，制式轉(zhuǎn)換、特技等功能； 它也易于實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，以完成圖像質(zhì)量的改善、壓縮頻帶、二維濾波等功能； 在傳輸中，它易于將圖像信號(hào)和伴音信號(hào)時(shí)分復(fù)用，充分利用數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性。 電視設(shè)備數(shù)字化的一個(gè)巨大推動(dòng)力得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。新型CPU的運(yùn)算速度與功能正在迅速增長，使得普通微機(jī)已具有工作站的能力；專用圖像處理和聲音處理可以借助微機(jī)的視卡和聲卡輕易完成；加上碼率壓縮技術(shù)的進(jìn)步和完善，在多個(gè)較大的計(jì)算機(jī)硬盤上存放較長時(shí)間的具有質(zhì)量的圖像已

10、不成問題，由此而產(chǎn)生的集編輯、切換、數(shù)字特技和動(dòng)畫于一身非線性編輯系統(tǒng)、視頻工作站、桌上演播室系統(tǒng)已經(jīng)成為電視設(shè)備發(fā)展的另一個(gè)方向。 電視系統(tǒng)數(shù)字化的另一個(gè)動(dòng)力是來自觀眾的需要，人們已不再滿足于普通電視的畫面質(zhì)量水平，渴望看到更好更清晰的高清晰度電視。數(shù)字高清晰度電視便成為一種理所當(dāng)然的選擇。 2.電視信號(hào)數(shù)字化的含義 模擬電視系統(tǒng)，在電視信號(hào)的產(chǎn)生、處理、記錄、傳送和接收的過程中，使用的都是模擬信號(hào)，即在時(shí)間上和幅度上連續(xù)變化的信號(hào)；而數(shù)字信號(hào)，則是在時(shí)間和幅度上都經(jīng)過離散化的信號(hào)。將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。最基本的方法是所謂脈沖編碼調(diào)（PCM）法。運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)電視信

11、號(hào)的數(shù)字化需要三個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來代替原來的時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散，其理論基礎(chǔ)是奈奎斯特抽樣定理。量化是用有限個(gè)幅度近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的幅度離散化。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。收端經(jīng)過譯碼和濾波將數(shù)字信號(hào)還原成為模擬信號(hào)，稱為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換。鑒于這個(gè)過程是最基本的數(shù)字信號(hào)處理過程，一般人都比較清楚，在此不再贅述。 3.彩色電視信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)-CCIR601號(hào)建議 CCIR601號(hào)建議的制定，是向著數(shù)字電視廣播系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化邁出的第一步。在該建

12、議中，規(guī)定了625和525行系統(tǒng)電視中心演播室數(shù)字編碼的基本參數(shù)值。 601號(hào)建議單獨(dú)規(guī)定了電視演播室的編碼標(biāo)準(zhǔn)。它對(duì)彩色電視信號(hào)的編碼方式、取樣頻率、取樣結(jié)構(gòu)都作了明確的規(guī)定。 下面，對(duì)CCIR601號(hào)建議作幾點(diǎn)簡要說明： 它規(guī)定彩色電視信號(hào)采用分量編碼。所謂分量編碼就是彩色全電視信號(hào)在轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式之前，先被分離成亮度信號(hào)和色差信號(hào)，然后對(duì)它們分別進(jìn)行編碼。分量信號(hào)（Y、B - Y、R - Y）被分別編碼后，再合成數(shù)字信號(hào)。 它規(guī)定了取樣頻率與取樣結(jié)構(gòu)。例如：在4：2：2等級(jí)的編碼中，規(guī)定亮度信號(hào)和色差信號(hào)的取樣頻率分別為13.5MHZ和6.75MHZ ,取樣結(jié)構(gòu)為正交結(jié)構(gòu),即按行、場、幀

13、重復(fù),每行中的R-Y和B-Y取樣與奇次(1,3,5)Y的取樣同位置，即取樣結(jié)構(gòu)是固定的，取樣點(diǎn)在電視屏幕上的相對(duì)位置不變。 它規(guī)定了編碼方式。對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行線性PCM編碼，每個(gè)取樣點(diǎn)取8比特量化。同時(shí)，規(guī)定在數(shù)字編碼時(shí)，不使用A/D轉(zhuǎn)換的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，只給亮度信號(hào)分配220個(gè)量化級(jí)，黑電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)16，白電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)235。為每個(gè)色差信號(hào)分配224個(gè)量化級(jí)，色差信號(hào)的零電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)128。 綜上所述，我們知道，分量信號(hào)的編碼數(shù)據(jù)流是很高的。以4：2：2編碼標(biāo)準(zhǔn)為例，其比特流為：13.5×8+6.75×8×2=216Mb/S。若采用4：4：

14、4編碼方式，即對(duì)復(fù)合信號(hào)直接編碼，其抽樣頻率取為13.3×8=106.4 Mb/S。 符合CCIR601建議的商業(yè)化的錄像機(jī)有D-1格式數(shù)字錄像機(jī)，D-2格式、D-3格式是復(fù)合信號(hào)數(shù)字錄像機(jī)，D-5 格式則是數(shù)字分量錄像機(jī)。盡管有了這種能夠記錄與重放未經(jīng)壓縮的全數(shù)字電視信號(hào)的錄像機(jī)，使得演播室內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量的記錄與還原成為現(xiàn)實(shí)，但是即使以數(shù)字復(fù)合信號(hào)的帶寬而言（在理想情況下，其帶寬為53.2MHz）,比傳送一路模擬電視信號(hào)所要求的帶寬將近提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),顯然用目前的電視頻道傳送他們是不可能的,更不用說用普通計(jì)算機(jī)硬盤去儲(chǔ)存這些信號(hào)(大概只能存幾十秒鐘).因此,數(shù)字電視的中心問題是要成

15、倍地降低數(shù)字信號(hào)碼元的多余信息(冗余量)和采用高效編碼方法.這也就是本文所要重點(diǎn)討論的問題. 4.碼率壓縮技術(shù) 早在七十年代,科學(xué)家們就曾為衛(wèi)星遙感圖像的傳輸、存儲(chǔ)和處理絞盡腦汗經(jīng)過一段時(shí)間的探索，人們發(fā)現(xiàn)電視信號(hào)存在著很大冗余度，即電視圖像的像元之間存在著很大的相關(guān)性。除了空間軸上的冗余度之外（即各像素之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性），在時(shí)間軸上也有冗余度（電視信號(hào)前一場信號(hào)與其后若干場信號(hào)中大部分像素沒有發(fā)生變化，尤其是靜止畫面，或者是運(yùn)動(dòng)不太激烈的畫面）。 那么，根據(jù)像元之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種運(yùn)算變換，使變換后圖像比特?cái)?shù)少于原始圖像的比特?cái)?shù)，即將圖像數(shù)據(jù)壓縮的方法稱為碼率壓縮技術(shù)。常見有如下

16、方法： (1) 降低抽樣頻率的壓縮碼率技術(shù) 降低抽樣頻率能夠壓縮碼率這是十分自然的，但是，奈氏定理指出，當(dāng)抽樣頻率FS<2Fm 時(shí),頻譜發(fā)生重迭,則采用低通濾波器無法無失真地恢復(fù)原信號(hào).不過,電視圖像信息號(hào)的能量主要集中在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內(nèi),中間存在很大的空隙,因此,若把抽樣頻率FS選為半行頻的奇數(shù)倍,就可使FS<2Fm時(shí)出現(xiàn)的頻譜混迭部分形成半行頻交錯(cuò)。 (2) 差值脈沖編碼（DPCM） 差值脈碼調(diào)制，可以消除電視信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性冗余度。因此大大地壓縮了碼率。DPCM又稱為預(yù)測量化系統(tǒng)，它所傳輸?shù)牟皇切盘?hào)本身，而是實(shí)際信號(hào)與其預(yù)測量之間的差值（預(yù)測誤差）。預(yù)測值

17、是借助已經(jīng)傳送的，與待傳抽樣相鄰的若干抽樣估計(jì)（預(yù)測）出來的。由于電視信號(hào)的強(qiáng)相關(guān)性，鄰近抽樣的取值一般很接近，因此預(yù)測能有較高的準(zhǔn)確性。從統(tǒng)計(jì)上講，需要傳輸?shù)念A(yù)測誤差主要集中在零附近的一個(gè)小范圍之內(nèi)，比信號(hào)本身小很多，只有在圖像輪廊和邊緣處才出現(xiàn)較大的預(yù)測誤差，但這只是少量的，且人眼很不易察覺這種誤差。因此，預(yù)測誤差量化所需要的量化級(jí)較少，從而碼率得到壓縮。 (3) 線性變換編碼 線性變換編碼不直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)編碼，而是首先將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行某種線性變換，得到一組變換系數(shù)，然后對(duì)這些系數(shù)實(shí)現(xiàn)量化、編碼、傳輸。在接收端，對(duì)收到的變換系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的逆變換，再恢復(fù)成圖像信號(hào)。這樣做的理由是對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行

18、壓縮編碼，往往比直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)本身進(jìn)行壓縮更容易獲得高的效率。以大家熟悉的傅立葉變換為例，它是以通常在歐氏空間描述的圖像信號(hào)變換到頻率空間（頻域）去描述。傅氏變換的物理意義是頻譜展開，對(duì)一幅圖像進(jìn)行二維傅立葉變換就是在縱和橫的兩個(gè)方向進(jìn)行二維頻譜展開。由于信號(hào)與其頻譜之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，傳輸頻譜在接收端同樣可以恢復(fù)信號(hào)，而傳送頻譜往往比傳送信號(hào)本身簡單。由于電視信號(hào)的能量主要集中在低頻部分，能量密度隨頻率升高而迅速下降，加之考慮到人眼對(duì)圖像中的高頻細(xì)節(jié)不甚敏感的特點(diǎn)，因此，在頻率域編碼時(shí)，可以用較多的碼位對(duì)幅度大的低頻分量進(jìn)行量化，而用較少的碼對(duì)幅度小的高頻分量進(jìn)行量化，對(duì)于頻率特別高的

19、分量甚至于可以舍棄不傳。從而就整體而言，碼率可以明顯下降。 從理論上講，線性變換編碼，可以壓縮碼率的原因在于圖像信號(hào)存在很強(qiáng)的相關(guān)性。這種強(qiáng)相關(guān)性在頻率域的反映是功率域?yàn)V波的方式獲得大的壓縮比。 線性變換除了傅立葉變換外，還有沃爾什一哈達(dá)瑪變換、斜變換、離散余弦變換（DCT），卡洛（K-L）變換等等。其中DCT因其壓縮效果較好而受到廣泛應(yīng)用。 7.關(guān)于離散余弦變換（DCT） 離散余弦變換DCT（Discrete Cosine Transform）是數(shù)碼率壓縮的一個(gè)常用的變換編碼方法。任何連續(xù)的實(shí)對(duì)稱函數(shù)的傅立葉變換一樣有明確的物理意義。DCT是先將整體圖像分成N×N像素塊，然后對(duì)N×N