《電視原理》課件第5章

5.1數(shù)字電視的架構(gòu)

5.2數(shù)字圖像的格式與表示方法5.3數(shù)字電視信源編碼解碼標(biāo)準(zhǔn)5.4數(shù)字電視系統(tǒng)的信道傳輸標(biāo)準(zhǔn)5.5數(shù)字電視信號(hào)調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)5.6數(shù)字電視的音頻編碼解碼標(biāo)準(zhǔn)復(fù)習(xí)題

5.1.1數(shù)字電視信號(hào)的處理過程

數(shù)字電視與模擬電視一樣，仍基于三基色原理傳送視頻圖像序列。

模擬電視信號(hào)的數(shù)字化包括取樣、量化和編碼三個(gè)過程，如圖5.1所示。5.1數(shù)字電視的架構(gòu)圖5.1數(shù)字電視系統(tǒng)構(gòu)成示意圖5.1.2數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)體系

數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)體系中的關(guān)鍵技術(shù)是信道編碼(傳輸)和信源編碼(音視頻壓縮編碼)。

表5.1列出了三大數(shù)字電視傳輸體系的情況。表5.1美國、歐洲和日本的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)傳輸體系5.1.3數(shù)字電視的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

數(shù)字電視接收從結(jié)構(gòu)上可以分成三大部分，數(shù)字電視信號(hào)接收轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字視頻音頻信號(hào)解碼處理單元、數(shù)字圖像聲音信號(hào)顯示輸出單元。

我國SDTV和HDTV系統(tǒng)的圖像分辨力分別為720×576和1920×1080，相應(yīng)級(jí)別顯示器顯示的圖像須至少能達(dá)到表5.2列出的圖像清晰度。

表5.3和表5.4分別為通用的標(biāo)準(zhǔn)清晰度和高清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換。表5.2對(duì)SDTV和HDTV圖像清晰度的要求電視線表5.3通用的標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換表5.4通用的高清晰度電視系統(tǒng)數(shù)字輸入/輸出格式變換

MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)已包括分級(jí)編碼技術(shù)。如表5.5所示，MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)定義了多種檔次(類別或類，Profile)和級(jí)別(級(jí)，Level)。其中的檔次除體現(xiàn)彩色空間分辨力外，還劃分了數(shù)據(jù)流的可分級(jí)性：信噪比可分級(jí)，空間分辨力可分級(jí)和時(shí)間分辨力可分級(jí)。表5.5MPEG-2視頻編碼的檔次和級(jí)別圖像格式是一個(gè)廣義的概念，一般指電視水平方向和垂直方向的有效像素個(gè)數(shù)，但有時(shí)將圖像寬高比、掃描方式、色彩表示也列入圖像格式。

有效像素是電視圖像行和場(chǎng)掃描正程包含的像素。5.2數(shù)字圖像的格式與表示方法圖5.2隔行掃描和逐行掃描示意圖表5.6列出了美國ATSC數(shù)字電視廣播系統(tǒng)可選的18種電視圖像格式。其中HDTV有6種不同的分辨力和掃描方式，4種16∶9的SDTV格式，4種4∶3的SDTV格式，4種計(jì)算機(jī)的VGA格式。理論上這18種格式均可廣播，但需對(duì)接收設(shè)備規(guī)范播出格式數(shù)目，真正可行的HDTV格式只有1080i和720p，后者分辨力稍低，但對(duì)帶寬要求較窄。表5.6美國ATSCDTV廣播系統(tǒng)可選的18種電視圖像格式5.2.1數(shù)字圖像色彩的表示格式

數(shù)字電視系統(tǒng)在發(fā)送端是將Y、CR、CB三個(gè)信號(hào)分量分別進(jìn)行采樣，再經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮編碼后送出，接收端經(jīng)解壓縮后，再重建R、G、B信號(hào)，并根據(jù)相加混色原理，重顯彩色圖像，見圖5.3。圖5.3紅、綠、藍(lán)三基色相加混合示意圖圖5.4給出了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)取樣點(diǎn)與圖像在二維空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖5.4數(shù)字分量信號(hào)格式示意圖5.2.2數(shù)字視頻圖像的表示方法

1．圖像的取樣

SDTV和HDTV系統(tǒng)的圖像信號(hào)取樣頻率分別為13.5MHz和74.25MHz。按取樣定理，理論上，可以傳送的圖像信號(hào)最高頻率成分分別為6.75MHz和37.25MHz。

2．圖像的量化和編碼

在數(shù)字電視系統(tǒng)中，亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)都采用線性量化。但考慮到可能有幅度超過正常范圍的信號(hào)，以及有些碼字還要留作它用等原因，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這256個(gè)碼字并不都分給編碼圖像信號(hào)使用，它們與十進(jìn)制表示的量化級(jí)及模擬圖像信號(hào)電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5.7所示。表5.7數(shù)字電視系統(tǒng)圖像信號(hào)量化—編碼關(guān)系對(duì)照表

3．?dāng)?shù)字視頻圖像信號(hào)的基本參數(shù)

表5.8中列出了詳細(xì)的數(shù)字視頻圖像信號(hào)的基本參數(shù)和數(shù)字電視圖像信號(hào)在各環(huán)節(jié)上的具體形式和轉(zhuǎn)換關(guān)系。表5.8數(shù)字電視節(jié)目制作及交換用部分視頻參數(shù)續(xù)表數(shù)字電視與模擬電視一樣，仍基于隔行掃描方式傳送圖像信號(hào)。在視頻參數(shù)上SDTV和HDTV有很大差別。為利于獲得臨場(chǎng)感，除屏幕尺寸應(yīng)足夠大以外，采用16∶9顯示更加有利。SDTV和HDTV圖像信號(hào)寬高比的不同，使得4∶3的顯示器顯示16∶9圖像，或16∶9的顯示器顯示4∶3圖像，都產(chǎn)生很多問題。表5.8列出了如何將三基色信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)。5.3.1MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)概述

MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，即ISO/IEC13818，是運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音的通用編碼標(biāo)準(zhǔn)。5.3數(shù)字電視信源編碼解碼標(biāo)準(zhǔn)(1)圖像序列(VideoSequence)。

(2)圖像組(GroupofPictures)。

(3)圖像(Picture)。

(4)宏塊條(Slice)。

(5)宏塊(Macroblock)。

(6)塊(Block)。圖5.54∶2∶0宏塊結(jié)構(gòu)圖5.64∶2∶2宏塊結(jié)構(gòu)圖5.74∶4∶4宏塊結(jié)構(gòu)圖5.84∶2∶0亮度和色度值的幾何位置5.3.2MPEG-2的特點(diǎn)

MPEG-2是MPEG-1的擴(kuò)充、豐富、改進(jìn)與完善，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)位速率為4～15Mb/s，能提供720×480(NTSC)或720×576(PAL)分辨率的廣播級(jí)質(zhì)量的圖像，可用于包括寬屏幕和HDTV在內(nèi)的高質(zhì)量電視廣播，其主要特點(diǎn)如下：

(1)?MPEG-2解碼器通常支持MPEG-1和MPEG-2兩種標(biāo)準(zhǔn)。

(2)?MPEG-2的基本分辨率為720×480，傳輸率為30幀/秒，并具有CD級(jí)音質(zhì)。

(3)?MPEG-2有“按幀編碼”和“按場(chǎng)編碼”兩種模式，在MPEG-1中沒有定義電視幀，只支持逐行掃描，不支持隔行掃描。

(4)?MPEG-2允許在一定的范圍內(nèi)改變壓縮比，以便在畫面質(zhì)量、存儲(chǔ)容量和帶寬之間作出權(quán)衡，它可在30∶1或更低的壓縮比時(shí)提供廣播級(jí)質(zhì)量。

(5)?MPEG-2的壓縮比高達(dá)200∶1，能夠?qū)崿F(xiàn)以30幀/秒的速度播放全屏幕影像，實(shí)際壓縮比依賴于節(jié)目?jī)?nèi)容及重放質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)及背景變化越多，壓縮比就越低。

(6)?MPEG-2可對(duì)分辨率可變的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，預(yù)計(jì)傳輸速率將為10Mb/s。5.3.3MPEG-2視頻編碼關(guān)鍵技術(shù)

MPEG-2同時(shí)采用預(yù)測(cè)編碼、變換編碼和統(tǒng)計(jì)編碼技術(shù)，它采用多種編碼手段消除系統(tǒng)冗余信息，歸納如下：

(1)利用二維DCT去除圖像空間冗余度。

(2)利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)去除圖像時(shí)間冗余度。

(3)利用視覺加權(quán)量化去除圖像灰度冗余度。

(4)利用熵編碼去除圖像統(tǒng)計(jì)冗余度。

(5)在MPEG-l基礎(chǔ)之上增加了可伸縮性、可分級(jí)性功能，以適應(yīng)不同畫面質(zhì)量、存儲(chǔ)容量及帶寬要求。

1．離散余弦變換(DCT)

2．量化器

3．之型掃描與游程編碼

DCT變換產(chǎn)生的是一個(gè)8×8的二維數(shù)組，為進(jìn)行傳輸，還需將其轉(zhuǎn)換為一維排列方式。之型掃描(ZigZag掃描)示意圖如圖5.9所示。圖5.9ZigZag掃描示意圖

4．熵編碼

量化僅生成了DCT系數(shù)的一種有效的離散表示，實(shí)際傳輸前還需對(duì)其進(jìn)行比特流編碼，產(chǎn)生用于傳輸?shù)臄?shù)字比特流。

5．信道緩存

采用熵編碼產(chǎn)生的比特流的速率隨視頻圖像的統(tǒng)計(jì)特性變化，但大多數(shù)情況下傳輸系統(tǒng)的分配頻帶都是恒定的，因此，在編碼比特流進(jìn)入信道前需設(shè)置信道緩存。

6．運(yùn)動(dòng)估計(jì)

運(yùn)動(dòng)估計(jì)用于幀間編碼方式時(shí)，通過參考幀圖像產(chǎn)生對(duì)被壓縮圖像的估計(jì)。

7．運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)矢量，將參考幀圖像中的宏塊移至水平和垂直方向上的相應(yīng)位置，即可生成對(duì)被壓縮圖像的預(yù)測(cè)。5.4.1美國ATSC標(biāo)準(zhǔn)

ATSC是美國先進(jìn)電視制式委員會(huì)(AdvancedTelevisionSystemsCommittee)的英文縮寫，該組織制定的美國地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)也稱ATSC標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是目前世界上采用較廣泛的三種地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)之一。

ATSC發(fā)送端功能框圖如圖5.10所示。5.4數(shù)字電視系統(tǒng)的信道傳輸標(biāo)準(zhǔn)圖5.10ATSC發(fā)送端功能框圖

ATSC接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行與發(fā)射端相反的處理，用室外天線接收效果較好。載波用中頻頻率鎖相環(huán)(IFFPLL)由導(dǎo)頻恢復(fù)，符號(hào)時(shí)鐘經(jīng)同步檢波、A/D及PLL重建，繼而恢復(fù)段同步和數(shù)據(jù)場(chǎng)同步信號(hào)。ATSC接收端功能框圖如圖5.11所示。圖5.11ATSC接收端功能框圖5.4.2歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)

DVB(DigitalVideoBroadcast)是由歐洲廣播聯(lián)盟(EBU)組織進(jìn)行的一個(gè)數(shù)字視頻廣播項(xiàng)目，后來由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)將其研究成果形成歐洲國家統(tǒng)一采用的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。

圖5.13為DVB-T接收機(jī)功能框圖。其信號(hào)處理過程與發(fā)送端相反。圖5.12DVB-T發(fā)送端功能框圖圖5.13DVB-T接收機(jī)功能框圖5.4.3日本ISDB標(biāo)準(zhǔn)

日本的衛(wèi)星數(shù)字電視采用ARIBSTD-B20標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)制方式為8PSK(八相相移鍵控)。有線數(shù)字電視采用ITU－TJ.83C標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)制方式為QAM(正交幅度調(diào)制)。5.4.4我國數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)

中國數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究、測(cè)試和論證，針對(duì)中國電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)字電視傳輸?shù)沫h(huán)境特征，制定了數(shù)字電視的衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)、有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)和地面廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并于2006年8月發(fā)布，于2007年8月1日開始實(shí)施。發(fā)送端原理框圖如圖5.14所示。輸入數(shù)據(jù)碼流經(jīng)擾碼(隨機(jī)化)、前向糾錯(cuò)編碼(FEC)、比特流到符號(hào)流星座映射和交織后形成基本數(shù)據(jù)塊，再與系統(tǒng)信息組合(復(fù)用)，經(jīng)幀體數(shù)據(jù)處理形成幀體，進(jìn)而與幀頭(PN序列)復(fù)接為信號(hào)幀(組幀)，經(jīng)基帶后處理轉(zhuǎn)換為基帶輸出信號(hào)(8MHz帶寬內(nèi))，正交上變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。圖5.14我國地面數(shù)字電視系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖數(shù)字電視信號(hào)根據(jù)不同的傳輸信道，需要采取相應(yīng)的調(diào)制方法，才能有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與傳輸。針對(duì)地面無線廣播信道的特點(diǎn)，地面數(shù)字電視系統(tǒng)通常采用多電平殘留邊帶(VSB)調(diào)制方式，使用較多的是8-VSB，和編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)。數(shù)字調(diào)制的星座圖如圖5.15所示。5.5數(shù)字電視信號(hào)調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)圖5.15數(shù)字調(diào)制的星座圖5.5.1殘留邊帶(VSB)數(shù)字調(diào)制

對(duì)于廣播電視來說，調(diào)制載波的帶寬應(yīng)盡量窄，以便在規(guī)定的波段內(nèi)能容納更多的電視頻道數(shù)，所以目前的模擬電視廣播一律都采用調(diào)幅的殘留邊帶發(fā)射。

為此，接收機(jī)應(yīng)采用圖5.16所示的幅頻特性，即圖像中頻的相對(duì)增益為50%，而圖像中頻兩端的頻率特性為一斜線，所占頻寬為0.75MHz，以此來補(bǔ)償殘留邊帶的固有缺點(diǎn)。圖5.16殘留邊帶接收機(jī)中放幅頻特性5.5.28電平殘留邊帶(8-VSB)調(diào)制

VSB是模擬電視采用的調(diào)制方式。8-VSB是8電平殘留邊帶調(diào)制，它把串行數(shù)字信號(hào)按照8電平變換，形成8電平數(shù)字基帶信號(hào)，然后加上載波，經(jīng)模擬濾波器，從調(diào)制信號(hào)中取出上邊帶的一部分，形成單邊帶調(diào)制信號(hào)。圖5.18表示8電平數(shù)字信號(hào)的雙邊帶頻譜，這樣的頻譜傳輸需要非常大的帶寬，顯然不適合通過信道發(fā)送。所幸的是，從該信號(hào)頻譜可以看出，相對(duì)于中心頻率的兩個(gè)邊帶是對(duì)稱鏡像的，也就是說，該頻譜的下邊帶與上邊帶完全相同，并且，兩邊每個(gè)孤立部分的頻譜與中心頻率處的頻譜形狀相同，這說明該信號(hào)頻譜中有大量的冗余成分可以去除。

圖5.17數(shù)字基帶信號(hào)圖5.188電平數(shù)字信號(hào)的頻譜

ATSC中8-VSB的參數(shù)設(shè)定見圖5.19。由于是8電平映射，即每個(gè)傳輸符號(hào)可攜帶3?bit數(shù)字信息，進(jìn)入8-VSB調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率為32.28Mb/s，經(jīng)8電平映射的符號(hào)傳輸速率為32.28/3?=?10.76?Msymbol/s，即每秒10.76?MSymbol。圖5.198-VSB殘留邊帶參數(shù)5.5.3正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制

QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)調(diào)制稱為正交移相鍵控或四相絕對(duì)移相調(diào)制，它不使用載波信號(hào)的頻率或幅度來攜帶信息，而用載波的相位攜帶信息，即對(duì)載波信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制。我們把相繼兩個(gè)碼元的4種組合(00，01，10，11)對(duì)應(yīng)于正弦波的4個(gè)相位，載波相位表示為4種相位狀態(tài)之一，即一個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包含2bit數(shù)據(jù)。

圖5.20是QPSK信號(hào)的矢量圖(星座圖)和波形圖。

QSPK正交調(diào)制器方框圖如圖5.21所示。圖5.20QPSK星座圖和波形圖圖5.21QSPK正交調(diào)制器5.5.4正交幅度調(diào)制(QAM)

在二進(jìn)制ASK系統(tǒng)中，其頻帶利用率是1(bit/s)/Hz，若利用正交載波調(diào)制技術(shù)傳輸ASK信號(hào)，可使頻帶利用率提高一倍。能夠完成這種任務(wù)的技術(shù)稱為正交幅度調(diào)制(QAM)。它是利用正交載波對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行雙邊帶抑制載波調(diào)幅形成的，通常有二進(jìn)制QAM、四進(jìn)制QAM(16QAM)、八進(jìn)制QAM(64QAM)等。

圖5.22是16QAM和32QAM的星座圖。圖5.2216QAM和32QAM的星座圖圖5.23中，串-并變換器將速率為Rb的輸入二進(jìn)序列分成兩個(gè)速率為Rb/2的兩電平序列，2?-?L電平變換器將每個(gè)速率為兩電平序列變成速率為(Rb/lbM)的L個(gè)電平信號(hào)，然后分別與兩個(gè)正交的載波相乘，相加后即產(chǎn)生MQAM信號(hào)(在64QAM調(diào)制時(shí)M?=?64)。圖5.23QAM調(diào)制與解調(diào)器框圖5.5.5正交頻分復(fù)用(OFDM)和

編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)

1．正交頻分復(fù)用

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)，并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。

2．OFDM的算法理論與基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由上面的原理分析可知，若要實(shí)現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號(hào)作為子載波。

OFDM調(diào)制器如圖5.24所示。圖5.24OFDM調(diào)制和解調(diào)基本原理

3．編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)

COFDM指在多載波的OFDM傳輸前，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼，提高信道傳輸?shù)目垢蓴_能力，故稱為編碼正變頻分復(fù)用。在許多文獻(xiàn)中，OFDM和COFDM這樣的術(shù)語經(jīng)常交替使用，沒有嚴(yán)格的區(qū)分。5.6.1數(shù)字電視音頻信號(hào)特征分析

音頻信號(hào)與語音信號(hào)不同，為獲得高質(zhì)量的音頻享受，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，必須要保證有足夠高的取樣率、足夠高的幅度分辨率及足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，因此數(shù)字音頻信號(hào)的分辨率大約為16～24?bit，甚至有32?bit。5.6