第6章 數(shù)字電視原理

6.1概述6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程第6章數(shù)字電視原理數(shù)字電視DTV是指從節(jié)目攝制、編輯、發(fā)射、傳輸?shù)叫盘?hào)接收和處理等均采用數(shù)字技術(shù)的電視系統(tǒng)。具體來講，數(shù)字電視采用攝像機(jī)、錄像機(jī)等都是數(shù)字的，電視臺(tái)發(fā)射和傳輸?shù)男盘?hào)都是數(shù)字信號(hào)。人們常說的數(shù)字電視接收機(jī)只是數(shù)字電視系統(tǒng)中的終端設(shè)備，數(shù)字電視接收機(jī)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來對(duì)接收到的數(shù)字電視信號(hào)后進(jìn)行一系列的處理，來實(shí)現(xiàn)多種新的功能。按圖像質(zhì)量和圖像格式，數(shù)字電視分為標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)系統(tǒng)和高清晰度電視(HDTV)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視系統(tǒng)圖像主觀評(píng)價(jià)質(zhì)量相當(dāng)于現(xiàn)行模擬電視，并能傳送數(shù)字聲音的電視系統(tǒng)。因而數(shù)字電視不一定是高清晰度電視，而高清晰度電視一定是數(shù)字電視。6.1概述6.1.1數(shù)字電視的概念按數(shù)字電視信號(hào)的傳輸信道和方式等，數(shù)字電視分為衛(wèi)星數(shù)字電視、有線數(shù)字電視和地面數(shù)字電視系統(tǒng)。按服務(wù)方式，數(shù)字電視分為條件接收數(shù)字電視系統(tǒng)和面向公眾的數(shù)字電視系統(tǒng)。衛(wèi)星、有線、地面數(shù)字電視系統(tǒng)既可提供SDTV級(jí)別服務(wù)，也可傳送HDTV節(jié)目。為便于各類用戶選擇，利用數(shù)字電視系統(tǒng)傳送流(TS)傳送數(shù)字電視信號(hào)的能力，往往經(jīng)同一電視信道，同時(shí)傳送SDTV節(jié)目和HDTV節(jié)目，或同時(shí)傳送面向一般公眾的節(jié)目和只有付費(fèi)用戶才能收看的加密節(jié)目，或不同時(shí)段和不同節(jié)目內(nèi)容以SDTV或HDTV級(jí)別播送。6.1.1數(shù)字電視的概念10.1.2數(shù)字電視機(jī)和數(shù)字化電視機(jī)

目前國內(nèi)外電視機(jī)廠商紛紛推出了各式各樣的“數(shù)碼電視機(jī)”(數(shù)字化電視機(jī))，非專業(yè)人士認(rèn)為這些電視機(jī)就是數(shù)字電視，實(shí)際上發(fā)端并沒有改變現(xiàn)行模擬廣播電視傳播制式，“數(shù)碼電視機(jī)”只是在現(xiàn)有模擬電視廣播制式下，在接收機(jī)內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理中使用了一些數(shù)字技術(shù)的模擬電視接收機(jī)，例如“數(shù)碼電視機(jī)”將圖像檢波后的視頻基帶信號(hào)和經(jīng)鑒頻的音頻基帶信號(hào)、紅外線遙控、數(shù)字降噪、數(shù)字輪廓校正、數(shù)字去重影及畫中畫等進(jìn)行數(shù)字化處理，目的是為了改進(jìn)和提高現(xiàn)有彩電的圖像及伴音質(zhì)量，并增加如多視窗、視窗放大、畫中畫、倍行等一些功能，但畫面清晰度無法與數(shù)字電視相比。10.1概述

因此嚴(yán)格說，“數(shù)碼彩電”并非真正意義上的數(shù)字電視機(jī)，本質(zhì)上仍然是模擬電視。它與數(shù)字彩色電視有著本質(zhì)的不同，不能兼容接收，用戶要接收數(shù)字電視信號(hào)必須通過一個(gè)數(shù)字電視機(jī)頂盒。而真正意義上的數(shù)字電視機(jī)不需要機(jī)頂盒，只要接到網(wǎng)絡(luò)中就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視內(nèi)容的接收和顯示。6.1概述6.1.3普通清晰度電視與高清晰度電視數(shù)字電視又分為普通清晰度電視（LDTV，Low，DefinitionTelevision）、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視（SDTV，StandardDefinitionTelevision）和高清晰度電視（HDTV）。三者的主要區(qū)別在于圖像質(zhì)量和信號(hào)傳輸時(shí)所占信道帶寬的不同。SDTV的畫質(zhì)和音質(zhì)與DVD相當(dāng)，顯示圖像分辨率為720(水平像素)×576(垂直像素)(PAL制)或720×480(NTSC制)，這是一種普及型數(shù)字電視，其清晰度為現(xiàn)有模擬電視的2倍；數(shù)字HDTV屏幕寬高比采用16:9，更符合人眼的視覺特性（模擬電視采用4:3），分辨率為1920×1080，其清晰度為現(xiàn)有模擬電視的5倍。高清標(biāo)準(zhǔn)采用H.263、H.264視頻編碼協(xié)議，同樣像素下，畫面細(xì)節(jié)更清晰，圖像顏色更逼真，圖像邊緣更細(xì)致，增加20%的信息量。普通清晰度電視畫面和高清晰度電視畫面如圖6-1、6-2所示。6.1概述6-2高清晰度電視畫面(16:9)6.1.3普通清晰度電視與高清晰度電視6-1普通清晰度電視畫面(4:3)6.1.4模擬電視的缺陷與數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)1.模擬電視的缺陷

(1)隔行掃描容易造成并行。在隔行掃描中，要求行，場掃描頻率應(yīng)保持嚴(yán)格一定的關(guān)系，否則兩場光柵不能均勻相嵌，嚴(yán)重時(shí)兩場光柵重合在一起，這時(shí)掃描行數(shù)減少一半，則圖像清晰度也降低一半。(2)存在行間閃爍效應(yīng)

就電視圖像整體來講，隔行掃描能使圖像場頻保持50Hz，高于臨界閃爍頻率，但每一行的亮度重復(fù)頻率卻降低了一半，等于幀頻25Hz，低于臨界閃爍頻率，所以當(dāng)人眼觀看高亮度的細(xì)線條時(shí)，感覺到閃爍，這叫行間閃爍。6.1概述(3)存在亮色干擾及行爬行（百葉窗）效應(yīng)

在PAL制彩色電視制式中，由于彩色副載波所攜帶的色度信號(hào)處于亮度信號(hào)的頻帶內(nèi)，亮度和色度信號(hào)之間的相互干擾難以徹底清除。另外，由于色度信號(hào)中的V分量采用了逐行倒相的方法,目的是減小圖像的彩色失真,但若彩色電視機(jī)中的色度解碼存有解調(diào)誤差，會(huì)引起竄色失真，當(dāng)發(fā)生低頻竄色時(shí)會(huì)引起大面積彩色爬行，稱百葉窗（彩裙）效應(yīng)。

(4)圖像清晰度低由于8MHz頻帶寬度的限制，圖像清晰度不會(huì)很高。6.1.4模擬電視的缺陷與數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)（5）在互聯(lián)網(wǎng)中存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換及傳輸困難目前，各種用途的互聯(lián)網(wǎng)已遍及，特別是Internet已無國界，以驚人的速度進(jìn)入普通家庭。模擬圖像的信息量十分龐大，節(jié)目保存遇到了難以克服的困難。例如：一張普通光盤只能存放44s的模擬圖像原始數(shù)據(jù)。所以模擬電視信號(hào)難以在互聯(lián)網(wǎng)中存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換及傳輸。另外，歷史上形成的三大模擬彩色電視制式(NTSC、SECAM及PAL制)很難在同一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)中交換和傳輸信息，給國際間電視節(jié)目的交換造成了困難?？梢?，模擬電視信號(hào)已不符合時(shí)代的要求，電視信號(hào)數(shù)字化后，不僅上面這些問題得到解決，而且視頻信號(hào)的編碼實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，大大方便了各國之間的節(jié)目交流。6.1.4模擬電視的缺陷與數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)2.數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字電視與模擬電視有很大不同，數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在技術(shù)層面上。(1)優(yōu)質(zhì)的電視圖像和伴音及更多的視頻服務(wù)。如交互電視、遠(yuǎn)程教育、會(huì)議電視、電視商務(wù)、影視點(diǎn)播等。(2)抗干擾能力很強(qiáng)并能克服重影。模擬電視不能遠(yuǎn)距離的傳送，如北京央視一套CCTV-1模擬制(調(diào)頻微波接力)傳輸?shù)綇V州，每50公里就需要一個(gè)中繼站差轉(zhuǎn)傳輸，每次差轉(zhuǎn)圖像信噪比都會(huì)降低，處理起來十分麻煩。而數(shù)字信號(hào)由于只有“0”和“1”兩種電平，信號(hào)傳輸幾千公里后，噪聲不積累，只要接收到的信號(hào)中噪聲電平不超過有用信號(hào)電平的1/2，就可恢復(fù)出與原始圖像一模一樣的質(zhì)量。6.1.4模擬電視的缺陷與數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)（3）提高了信道傳輸能力一路模擬標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（SDTV）的傳輸速率是5Mbps；而一路數(shù)字高清晰度電視（HDTV）的傳輸速率是20Mbps。（4）可實(shí)現(xiàn)5.1路（5.1路具有6個(gè)音頻信道：中心、左、右、左環(huán)繞、右環(huán)繞和低頻增強(qiáng)信道（0.1信道）數(shù)字環(huán)繞立體聲。（5）實(shí)現(xiàn)加密/解密和加擾/解擾處理較容易，便于開展各類有條件接收的收費(fèi)業(yè)務(wù)，使電視的個(gè)性化服務(wù)和特殊服務(wù)在實(shí)際中得以方便實(shí)現(xiàn)。（6）利用數(shù)字音頻/視頻壓縮技術(shù)，在現(xiàn)有1個(gè)模擬電視頻道帶寬（8MHz）范圍內(nèi)，能傳送4-6路標(biāo)準(zhǔn)清晰度的電視節(jié)目或1路HDTV和一路標(biāo)準(zhǔn)清晰度的節(jié)目。（7）功能擴(kuò)展容易。不需要電話線，通過機(jī)頂盒就可以上網(wǎng)、交互、遠(yuǎn)程教育等。6.1.4模擬電視的缺陷與數(shù)字電視的優(yōu)點(diǎn)6.1.5數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成1.數(shù)字電視廣播系統(tǒng)組成及各部分的功能數(shù)字電視的組成：包括前端、傳輸與分配網(wǎng)絡(luò)、終端以及遵循的各種標(biāo)準(zhǔn)。圖6-3為數(shù)字電視廣播系統(tǒng)構(gòu)成方框圖。6.1概述(1)數(shù)字電視前端數(shù)字音視頻信號(hào)在前端的處理過程是首先將視頻和音頻模擬電視信號(hào)分別經(jīng)采樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電視信號(hào)。然后，音視頻數(shù)字電視信號(hào)分別進(jìn)行壓縮編碼，得到各自的基本流(ES)，再與數(shù)據(jù)及其他控制信息復(fù)用成傳送流(TS)，完成信源編碼。(2)數(shù)字電視信號(hào)傳輸信道數(shù)字電視信號(hào)傳輸信道有三種：衛(wèi)星傳輸、有線傳輸和地面?zhèn)鬏?，既可單向傳輸也可雙向傳輸，其傳輸標(biāo)準(zhǔn)見第11章中的介紹。6.1.5數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成(3)數(shù)字電視終端數(shù)字電視終端可采用數(shù)字電視接收器(機(jī)頂盒)加顯示器方式，數(shù)字電視接收一體機(jī)(數(shù)字電視接收機(jī))，也可以使用PC機(jī)。但若使用PC機(jī)其接收方式有兩種：電視信號(hào)接收卡或外置機(jī)頂盒。數(shù)字電視終端的詳細(xì)工作過程見第12章中的介紹。6.1.5數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成2.數(shù)字電視信號(hào)的編解碼遵循的標(biāo)準(zhǔn)－MPEG2數(shù)字電視廣播系統(tǒng)完成它所承載的任務(wù)，必須遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，下面簡單介紹數(shù)字電視信號(hào)的編、解碼應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)。MPEG是活動(dòng)圖像專家組

(MovingPictureExpertGroup)，它是一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，負(fù)責(zé)開發(fā)活動(dòng)圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)的編碼、解碼和同步等標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)專家組開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)稱為

MPEG標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止，已經(jīng)開發(fā)和正在開發(fā)的

MPEG標(biāo)準(zhǔn)有:MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7、MPEG21等。數(shù)字電視廣播圖像和聲音的編解碼主要遵循MPEG2標(biāo)準(zhǔn)，但隨著數(shù)字電視“家族”的擴(kuò)大，編解碼也在升級(jí)，如網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）使用的標(biāo)準(zhǔn)MPEG4（兼容MPEG2）。6.1.5數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)直接與數(shù)字電視廣播有關(guān)的高質(zhì)量圖像和聲音編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)適用于VCD光存儲(chǔ)介質(zhì)、廣播、電視、計(jì)算機(jī)等多媒體通信領(lǐng)域，高清晰度電視HDTV編碼壓縮用的MPEG-3也包含在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)中。（MPEG-3沒有定義，就被MPEG-4所取代，因此它沒有版權(quán)，才使它的應(yīng)用最廣泛。）MPEG-2音頻與MPEG-1兼容，它們都使用相同種類的編碼譯碼器；支持線性PCM和DolbeyAC-3（audiocodenumber3）編碼；定義了與MPEG-1音頻格式不兼容的先進(jìn)音頻編碼MPEG-2AAC（advancedaudiocoding）；它是一種非常靈活的聲音感知編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持的采樣頻率可從8kHz到96kHz，可支持48個(gè)主聲道、16個(gè)配音聲道和16個(gè)數(shù)據(jù)流；具有許多先進(jìn)的選擇、多種運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法和兩種掃描方式；具有很高的壓縮率和圖像質(zhì)量。6.1.5數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成

模擬電視信號(hào)的數(shù)字化分3個(gè)步驟進(jìn)行：采樣（抽樣或取樣）、量化和編碼。采樣是在時(shí)間上將連續(xù)的模擬信號(hào)變成離散的脈沖信號(hào)，用一定時(shí)間間隔的信號(hào)樣值序列，來代替連續(xù)的模擬信號(hào)。采樣頻率按采樣定理要求必須大于信號(hào)頻率帶寬的兩倍以上，防止混疊現(xiàn)象發(fā)生；量化則是在幅度上對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理，即把采樣后的值分成許多區(qū)段，每一區(qū)段的所有值都用一個(gè)單一的值來表示；編碼是將采樣、量化后的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，用0或1表示。因此，就可以進(jìn)行存儲(chǔ)和壓縮編碼了。6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程6.2.1模擬信號(hào)采樣1.模擬信號(hào)的采樣過程模擬信號(hào)采樣過程如圖6-4(a)所示。6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程在模擬信號(hào)通路中設(shè)計(jì)一個(gè)由采樣脈沖控制的電子開關(guān)，當(dāng)脈沖到來時(shí)開關(guān)合上，模擬信號(hào)通過它并把此時(shí)的電壓值保持在電容器Co上，而在脈沖過去后開關(guān)即刻打開。這樣，就把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成了離散的脈沖信號(hào)。圖中采樣的時(shí)刻是to、tl、t2、t……，此刻采樣保持原理電路的開關(guān)K閉合，在電容C0上取得相應(yīng)時(shí)刻模擬信號(hào)幅度的瞬時(shí)值是……（稱為樣值序列），并將該值保持到下一采樣時(shí)刻。圖6-4模擬信號(hào)采樣、量化和編碼過程示意圖6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程

相鄰采樣間的歷時(shí)，稱為采樣周期。每秒含有的采樣周期數(shù)稱為采樣頻率。經(jīng)過采樣，時(shí)間和幅度連續(xù)變化的模擬信號(hào)，變成時(shí)間上離散、大小不等的一系列的采樣值，如圖6-4(b)所示。圖6-4模擬信號(hào)采樣、量化和編碼過程示意圖6.2.1模擬信號(hào)采樣2.采樣定理（奈奎斯特采樣定理）采樣定理是選擇采樣頻率的理論依據(jù)，即對(duì)于一個(gè)包含最高頻率為的模擬信號(hào)，當(dāng)選擇的采樣頻率滿足時(shí)，經(jīng)過采樣后的離散信號(hào)序列能夠包含原模擬信號(hào)的全部信息，并能通過反轉(zhuǎn)換和低通濾波，可以不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)。這個(gè)定理又稱為奈奎斯特采樣定理，頻率稱為奈奎斯特頻率。根據(jù)采樣定理,只要采樣頻率不低于信號(hào)中最高頻率成分的2倍，即采樣周期不長于信號(hào)中變化最快成分變化周期的1/2，那么時(shí)間上離散但足夠密集的一系列采樣值就不會(huì)丟失原時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)的全部信息量。6.2.1模擬信號(hào)采樣(a)滿足采樣定理

(b)不滿足采樣定理圖10-5模擬信號(hào)采樣后的頻譜分布及頻譜混疊圖6-5(b)為采樣頻率低于信號(hào)中最高頻率成分2倍，不滿足采樣定理的示意圖。表現(xiàn)到頻譜分布上，將發(fā)生頻譜混疊，終端不再能從中單獨(dú)取出原始信號(hào)的頻譜成分。又由于混疊部分各頻率成分間頻率互相組合，會(huì)產(chǎn)生多種干擾成分，其中包括頻率較低的，這些干擾成分對(duì)視頻，形成較稀疏的干擾花紋；對(duì)音頻，產(chǎn)生低頻差拍聲。圖6-5(a)所示為采樣頻率為模擬信號(hào)最高頻率成分的2倍，滿足采樣定理的情況，采樣后，窄脈沖序列的頻譜展寬為圖中的一系列頻譜成分，它們的能量逐漸減小。它們的中心頻率分別為采樣頻率的各個(gè)整數(shù)倍，兩側(cè)排列著上下邊帶。終端用虛線示意的低通濾波器取出原始信號(hào)頻譜成分，即可恢復(fù)原信號(hào)。分量編碼是指對(duì)模擬彩色圖像信號(hào)中的亮度信號(hào)(Y)和兩個(gè)色差信號(hào)(R-Y)、(B-Y)分別進(jìn)行采樣、量化及編碼。在分量編碼中，由于不受色度副載波的影響，而且與彩色電視制式的關(guān)系不大，為了便于國際間電視節(jié)目的交換，采樣頻率應(yīng)能兼容625行/50場和525行/60場兩種掃描體制。根據(jù)采樣定理，要求采樣頻率，一般選，并使為行頻的整數(shù)倍。綜合上述要求，采樣頻率具體值的選定如下：6.2.1模擬信號(hào)采樣3.采樣頻率的選擇6.2.1模擬信號(hào)采樣(1)亮度信號(hào)的采樣頻率及每行的采樣點(diǎn)數(shù)由于亮度信號(hào)的上限頻率為5.5～6MHz，采樣頻率可選為

MHz；考慮應(yīng)為行頻的整數(shù)倍對(duì)于625行制式的行頻KHz，對(duì)于525行制式的行頻KHz，為了滿足兼容兩種制式的要求，就在13.2MHz附近選定。根據(jù)兩種制式行頻的最佳公倍數(shù)，故亮度信號(hào)的采樣頻率選定為13.5MHz。對(duì)于625行制式，每行采樣點(diǎn)數(shù)為：/=13.5MHz/15.625KHz=864；對(duì)于525行制式，每行采樣點(diǎn)數(shù)為：/=13.5MHz/15.734264KHz=858.(2)兩個(gè)色差信號(hào)的采樣頻率及每行的采樣點(diǎn)數(shù)

對(duì)于兩個(gè)色差信號(hào)(R-Y)和(B-Y)，因?yàn)槠渖舷揞l率均為2.8MHz以下，近似為亮度信號(hào)上限頻率的一半，為了方便起見，色差信號(hào)的采樣頻率選為：6.2.1模擬信號(hào)采樣MHz對(duì)于625行制式，色差信號(hào)每行采樣點(diǎn)數(shù)為864×1/2＝432；對(duì)于525行制式，每行采樣點(diǎn)數(shù)為858×1/2＝429。（3）亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)三者的采樣頻率比例關(guān)系亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)三者的采樣頻率比例關(guān)系為：故把這種選擇采樣頻率的方式稱為4:2:2標(biāo)準(zhǔn)，這就是分量編碼中采樣頻率的選擇。6.2.1模擬信號(hào)采樣4.復(fù)合編碼中采樣頻率的選擇上述的分量編碼方式中沒有受色度副載波的影響，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)各種制式的兼容，是一種較好的A/D轉(zhuǎn)換方案。但在復(fù)合編碼中，因?yàn)槟M復(fù)合電視信號(hào)中包含有色度副載波，為避免采樣信號(hào)與色度副載波的高次諧波產(chǎn)生的差拍成分竄入視頻信號(hào)中形成網(wǎng)紋干擾，采樣頻率應(yīng)選擇為色度副載波頻率的整數(shù)倍，通常選

在PAL制中，MHz，故n=4時(shí)的采樣頻率為：

MHz=17.72MHz色度載波頻率

與行頻

的關(guān)系為可以得到每行的采樣點(diǎn)數(shù)為:

/=4/×（284－1/4）=4（284－1/4）=11356.2.1模擬信號(hào)采樣5.音頻信號(hào)采樣頻率

的選擇

電視伴音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換也與圖像信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換相似，包括采樣、量化和編碼。音頻信號(hào)采樣頻率的選擇原則也是根據(jù)奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率

。音頻信號(hào)中上限頻率

選取的原則是演播室內(nèi)的高保真音頻信號(hào)取為20kHz，傳輸用或普通音頻信號(hào)取15kHz。通常采樣頻率

選為

在復(fù)合全電視信號(hào)直接編碼方式中，音頻信號(hào)的采樣頻率

也應(yīng)為行頻的整數(shù)倍?？紤]在分量編碼方式中，亮度信號(hào)采樣頻率為13.5MHz，即與各種電視制式的行頻成整數(shù)倍的關(guān)系。故音頻采樣頻率

最后選定為

MHz=48KHz滿足

的條件，這里同樣取

=20KHz。6.2.1模擬信號(hào)采樣模擬信號(hào)采樣后，各樣值的大小仍可能為幅度連續(xù)改變的模擬信號(hào)取值范圍內(nèi)的任一值。為了把樣值表示成某種精度的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)樣值大小的離散化，需經(jīng)量化處理。量化：就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。每級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，落在相鄰兩個(gè)級(jí)別之間的采樣值，一般按四舍五入方法，用其鄰近值近似。編碼：就是用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個(gè)有固定電平的量化值。實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí)完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換圖10-4(b)是采樣值量化和編碼過程的示意圖。6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程6.2.2電視信號(hào)的量化1.電視信號(hào)的量化過程圖中假定把0～10V的樣值20等分，稱各級(jí)為量化等級(jí)，簡稱量化級(jí)。這樣，各級(jí)間的差為0.5V，稱為量化級(jí)差。若所有的量化級(jí)差均相等，則稱線性量化。將0～10V的各采樣值按四舍五入，近似成鄰近的量化級(jí)的過程即為樣值的量化。由這種近似帶來的誤差，稱量化誤差。量化誤差相當(dāng)于引入了噪聲，稱為量化噪聲。6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程2.量化比特?cái)?shù)的選擇

量化級(jí)越多，量化級(jí)差（步長）越小，量化誤差越小，處理和傳輸越困難，反之，亦然。所以，量化既要盡量減少量化級(jí)數(shù)，又要使量化失真盡量小。采樣脈沖量化級(jí)數(shù)通常用一個(gè)十進(jìn)制數(shù)來表示，這個(gè)十進(jìn)制數(shù)稱為樣值，常用自然二進(jìn)制碼字來代表，二進(jìn)制碼字位數(shù)越多，量化精度越高。所謂量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分采樣脈沖的所有量化級(jí)需要幾位二進(jìn)制數(shù)。例如，要區(qū)分8個(gè)量化級(jí)，只要用3位二進(jìn)制數(shù)（23＝8）就可以，這時(shí)就稱8個(gè)量化級(jí)的量化比特(bit)數(shù)為3，或者稱其為3比特量化。

6.2.2電視信號(hào)的量化

圖6-4(b)所示的例子，量化級(jí)為20級(jí)，需要5位二進(jìn)制碼字來表示，

25＝32個(gè)二進(jìn)制碼，用其中的20個(gè)，即可分別代表可能出現(xiàn)的20種量化值，從而把各量化值編碼成不同的二進(jìn)制碼字。量化等級(jí)M與量化比特?cái)?shù)n的關(guān)系為：

M＝2n

或n＝log2M6.2.2電視信號(hào)的量化在數(shù)字電視系統(tǒng)中，亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別采用線性量化。依據(jù)對(duì)視覺特性所做大量測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，每個(gè)采樣值按8bit量化，每個(gè)量化值對(duì)應(yīng)1個(gè)8位自然二進(jìn)制碼字。為提高電視節(jié)目制作質(zhì)量，電視演播室可采用10bit線性量化，但最后播出的電視節(jié)目精度都是8bit。8位二進(jìn)制碼共有28=256個(gè)不同的8位二進(jìn)制碼字，可分別分配給8bit精度的256個(gè)量化值。對(duì)于聲音信號(hào)，由于動(dòng)態(tài)范圍較大，而且要求信噪比又高，量化比特?cái)?shù)取14～16bit，甚至到20～24bit。6.2.2電視信號(hào)的量化1.自然二進(jìn)制碼模擬電視信號(hào)經(jīng)過采樣和量化后，變?yōu)闀r(shí)間上和幅度上均為離散的信號(hào)，然后分別賦予二進(jìn)制代碼，并把它們排列起來組成數(shù)字信息流（數(shù)據(jù)流），并把這種編碼方式稱為自然二進(jìn)制編碼。例如，若量化后的脈沖電平分別為0、1、2、3、4、5、6、7V，則它對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼依次為：000、001、010、011、100、101、110、111。順便指出，有時(shí)也把對(duì)模擬信號(hào)的采樣、量化、編碼的全過程，即模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的全過程稱為數(shù)字編碼。6.2模擬電視信號(hào)的數(shù)字化過程6.2.3電視信號(hào)的編碼過程（1）數(shù)碼率（比特率）

對(duì)于一個(gè)模擬電視信號(hào)來說，若其采樣頻率為

，量化比特?cái)?shù)為n，則二者的乘積n就是該模擬信號(hào)數(shù)字化后每秒鐘需要處理的比特?cái)?shù)。該比特?cái)?shù)稱為數(shù)碼率或比特率。例如，視頻亮度信號(hào)的采樣頻率

為13.5MHz，量化比特?cái)?shù)n=8bit，可計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)碼率M=13.5×8=108Mbit/s。采樣頻率越高，量化比特?cái)?shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。6.2.3電視信號(hào)的編碼過程(2)自然二進(jìn)制碼的優(yōu)缺點(diǎn)自然二進(jìn)制碼和二進(jìn)制數(shù)一一對(duì)應(yīng)，簡單易行。它是權(quán)重碼，每一位都有確定的大小，從最高位到最低位依次為2n，2n-1，…，4，2，1，可以直接進(jìn)行大小比較和算術(shù)運(yùn)算，在解碼中可以直接由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。缺點(diǎn)是相鄰電平的代碼之間可能有較大的差別，例如十進(jìn)制的7與8之間每位二進(jìn)制碼都要改變。這樣，在D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)字電路可能產(chǎn)生較大的尖脈沖電流，形成干擾。另外，當(dāng)發(fā)生誤碼時(shí)可能產(chǎn)生較大誤差。例如，如果第一位發(fā)生誤碼，則可能使量化電平從9變?yōu)?，或者從1變?yōu)?，信號(hào)電平偏差大。6.2.3電視信號(hào)的編碼過程2.格雷碼

格雷碼

(交替二進(jìn)制碼)可以克服自然二進(jìn)制碼的上述缺點(diǎn)，格雷碼相鄰兩個(gè)量化電平等級(jí)之間只有一個(gè)碼值改變。因此，當(dāng)發(fā)生誤碼時(shí)，譯碼后恢復(fù)的模擬信號(hào)誤差小些。但格雷碼不是權(quán)重碼，每位碼值不能直接代表相應(yīng)的十進(jìn)制的大小，無法直接進(jìn)行大小比較和運(yùn)算，在還原模擬信號(hào)時(shí)，需要先還原成自然二進(jìn)制碼，再還原出模擬信號(hào)，因此電路比較復(fù)雜。6.2.3電視信號(hào)的編碼過程6.3.1視頻信號(hào)的編碼方式在模擬電視信號(hào)中，視頻信號(hào)有全電視信號(hào)（或稱復(fù)合彩色電視信號(hào)）、三基色信號(hào)R、G、B和亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)R-Y、色差信號(hào)B-Y之分，與其相對(duì)應(yīng)的編碼方式也分為兩種，即分量編碼與復(fù)合編碼。6.3視頻信號(hào)編碼方式與演播室編碼標(biāo)準(zhǔn)1.分量編碼分量編碼是將三基色信號(hào)R、G、B分量或亮度和色差信號(hào)Y、B-Y、R-Y分別編碼成二進(jìn)制的脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)。分量編碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼與制式無關(guān)，便于制式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。目前已形成了國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；由于Y、R-Y、B-Y單獨(dú)編碼，可采用時(shí)分復(fù)用方式，從而有效地避免亮色互竄，可獲得高質(zhì)量的圖像；亮度信號(hào)Y用較高的碼率傳送，兩個(gè)色差信號(hào)R-Y、B-Y可用較低的碼率傳送，但總的碼率比較高，設(shè)備價(jià)格相應(yīng)較貴。10.3.1視頻信號(hào)的編碼方式2.復(fù)合編碼復(fù)合編碼是將復(fù)合彩色電視信號(hào)直接編碼成二進(jìn)制的脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)。復(fù)合編碼的優(yōu)點(diǎn)是碼率低些，設(shè)備較簡單，適用于在模擬系統(tǒng)中插入單個(gè)數(shù)字設(shè)備的情況。缺點(diǎn)是圖像的質(zhì)量不好；由于數(shù)字電視信號(hào)的采樣頻率必須與彩色副載波頻率保持一定的關(guān)系，而各種彩色電視制式的副載波頻率各不相同，難以選擇統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前多數(shù)國家認(rèn)為，復(fù)合編碼較合適的方案是8bit量化和選擇4作為采樣頻率。

10.3.1視頻信號(hào)的編碼方式6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議

目前，我國正處于由模擬電視信號(hào)向數(shù)字電視信號(hào)的過渡時(shí)期。這就必然造成演播室內(nèi)模擬電視設(shè)備和數(shù)字電視設(shè)備共存，因此，電視信號(hào)的格式也會(huì)既有模擬電視信號(hào)的格式又有數(shù)字電視信號(hào)的格式，多種格式的電視信號(hào)的產(chǎn)生電路方框圖如圖10-6所示。6.3視頻信號(hào)編碼方式與演播室編碼標(biāo)準(zhǔn)圖10-6電視信號(hào)多種格式的產(chǎn)生電路方框圖6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議以模擬攝像機(jī)為例，它首先完成光像信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行一系列處理后得到R、G、B三基色信號(hào)，然后對(duì)三基色信號(hào)進(jìn)行“加工”處理，便得到多種格式的視頻信號(hào)。然后將三基色信號(hào)經(jīng)矩陣電路變換，得到一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)(Y、R-Y、B-Y)；再通過復(fù)合編碼，模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換，以及并行、串行變換等產(chǎn)生出復(fù)合模擬、模擬分量信號(hào)及串行復(fù)合數(shù)字、串行數(shù)字分量等信號(hào)。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議為了便于國際間電視節(jié)目的交換，使625行電視系統(tǒng)與525行電視系統(tǒng)之間兼容，國際電信聯(lián)盟(ITU)通過了“ITU-RBT.601號(hào)建議”（CCIR-601），為各種不同制式的電視信號(hào)的數(shù)字化提供了一個(gè)統(tǒng)一的交換平臺(tái)。系統(tǒng)中的許多重要參數(shù)，如采樣率、每行有效采樣數(shù)、量化方式、信號(hào)接口等，對(duì)525行和625行的不同制式的電視信號(hào)都相同，并確定以分量編碼作為電視演播室數(shù)字編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)。不論是PAL制，還是NTSC制電視，Y、R-Y、B-Y三個(gè)分量的采樣頻率分別為13.5MHz、6.75MHz和6.75MHz；采樣后采用線性量化，每個(gè)樣點(diǎn)的量化比特?cái)?shù)，用于演播室的為10bit，用于傳輸?shù)臑?bit；Y、R-Y、B-Y三個(gè)分量樣點(diǎn)之間的比例為4:2:2。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議1.分量4:2:2數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)(1)4:2:2標(biāo)準(zhǔn)是用作演播室數(shù)字設(shè)備及相互連接或國際節(jié)目交換時(shí)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，亮度信號(hào)采樣頻率為13.5MHz，兩個(gè)色差信號(hào)R-Y、B-Y采樣頻率為亮度信號(hào)采樣率的一半——6.75MHz（高分辨率的圖像采樣率為18MHz，主要是用于16:9寬高比的系統(tǒng)進(jìn)行采樣）。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議(2)量化電平等級(jí)及碼位的分配對(duì)于亮度信號(hào)Y，選用8bit均勻量化，量化等級(jí)為M=28=256，代碼電平從0～255，用8位二進(jìn)制數(shù)表示時(shí)為00000000～11111111。為了防止過載，在正極性的模擬視頻信號(hào)的最大峰值(即白峰電平)與最高量化電平第255級(jí)(或二進(jìn)制數(shù)11111111數(shù)碼)之間留出20個(gè)量化級(jí)的空余。模擬信號(hào)的最低電平(即黑色電平)比最低量化級(jí)高出15個(gè)量化級(jí)。因此，模擬信號(hào)實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍在16～235量化級(jí)之間，即在二進(jìn)制代碼00010000～11101011之間，共包含220個(gè)量化級(jí)。量化前模擬亮度信號(hào)的電平變化范圍和量化后的量化電平等級(jí)及相應(yīng)的二進(jìn)制代碼如圖10-7所示。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議對(duì)于色差信號(hào)R-Y和B-Y，也是8bit量化。同理，為了防止量化過載，上、下兩端均留出15個(gè)量化級(jí)。所以，模擬色差信號(hào)量化后的動(dòng)態(tài)范圍是在16～240量化級(jí)之間。相應(yīng)的二進(jìn)制代碼為00010000～11110000，中心量化電子處在128量化級(jí)上，即二進(jìn)制代碼為

10000000。量化前的兩個(gè)色差信號(hào)的電平變化范圍、量化后的電平等級(jí)及相應(yīng)的二進(jìn)制代碼如圖10-8所示。圖10-7亮度信號(hào)量化電平分配6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議圖10-8色度信號(hào)量化電平分配6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議2.其他格式的分量標(biāo)準(zhǔn)（1）分量4:4:4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于圖像信號(hào)源以及特殊情況之下的高質(zhì)量圖像，可以選用比4:2:2更高的標(biāo)準(zhǔn)，在ITU-RBT.601建議中給出了4:4:4標(biāo)準(zhǔn)，即亮度信號(hào)和每個(gè)色差信號(hào)采樣頻率均選為13.5MHz，三個(gè)信號(hào)Y、R-Y、B-Y(或者用Y、CB、CR表示)的采樣頻率之比為4:4:4。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議（2）分量4:1:1標(biāo)準(zhǔn)和2:1:1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于普通的新聞采訪和窄帶傳輸編碼，又可以選用低些的標(biāo)準(zhǔn)，雖未正式規(guī)定，但許多國家公認(rèn)，以4:1:1或2:1:1標(biāo)準(zhǔn)較為合適。4:1:1標(biāo)準(zhǔn)的亮度信號(hào)采樣頻率為13.5MHz，每個(gè)色差信號(hào)采樣頻率為3.375MHz，三個(gè)信號(hào)的采樣頻率之比為4:1:1；同理2:1:1標(biāo)準(zhǔn)的亮度信號(hào)采樣頻率為6.75MHz，每個(gè)色差信號(hào)采樣頻率為3.375MHz，三個(gè)信號(hào)的采樣頻率之比為2:1:1。

上述幾種標(biāo)準(zhǔn)可以很方便地實(shí)現(xiàn)相互兼容或交換。當(dāng)從高標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)為低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可使采樣點(diǎn)數(shù)按比例減少，稱為數(shù)字信號(hào)抽選；當(dāng)從低標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)為高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可使采樣點(diǎn)按比例增加，稱為數(shù)字信號(hào)內(nèi)插。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議（3）分量4:2:0標(biāo)準(zhǔn)分量4:2:0標(biāo)準(zhǔn)是從4:2:2標(biāo)準(zhǔn)演變過來的。為進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量，在保證亮度信號(hào)采樣頻率13.5MHz不變的情況下，將色度信號(hào)的傳輸行降低一半，也可以說，在保證亮度信號(hào)采樣點(diǎn)不變的情況下，將色度信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)目減少一半(降低其垂直清晰度)。分量4:2:0標(biāo)準(zhǔn)也是十分重要的，目前相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)字電視廣播采用這種格式。6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議3.采樣結(jié)構(gòu)

圖6-9示出了4:4:4、4:2:2和4:2:0格式數(shù)字分量信號(hào)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)采樣點(diǎn)與圖像在二維空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。O為Y信號(hào)采樣點(diǎn)

●B-Y信號(hào)采樣點(diǎn)

●R-Y信號(hào)采樣點(diǎn)

圖10-9數(shù)字分量信號(hào)格式示意圖6.3.2演播室分量電視信號(hào)數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)——ITU-RBT.601建議基