数字电视技术基础

广播电视技术基础——数字电视基础第一节概论•数字电视技术的发展第一阶段：在20世纪80年代以前，当时以研究开发单独的局部设备为主，投入使用的有数字时基校正器（DTBC）、数字帧同步机、数字特技机等；第二阶段：是在80年代到90年代，这一阶段的特点是开发成功了数字整机电视设备，如数字录像机、数字信号处理摄像机等；第三阶段：是在90年代以后，在这一阶段，数字电视技术已开始从单个设备向整个系统发展，一些研究机构提出了全数字化的数字电视广播标准，如DVB、ATSC等，而且数字电视技术与高清晰度电视技术结合在一起，一些发达国家已经开始进行数字电视或数字高清晰度电视系统的试播。数字电视的优点•所谓数字电视，就是将模拟电视信号经取样、量化和编码后转换成用二进制数表示的数字信号，然后进行各种处理，如编码、调制、传输、存储等。采用数字技术不仅可以使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的性能，而且还可以实现模拟技术不能实现的新功能。数字电视技术的优势主要表现在以下几个方面：1、在复制或传输等处理过程中，噪声不会累积。数字电视信号只有“0”、“1”两个电平，各种处理过程中产生的噪声只要不超过某个额定电平，通过数字再生技术就可以将其清除掉。即使无法清除，也可以通过纠错编码技术进行误码校正。因此，数字电视信号在复制或传输等处理过程中，信噪比基本保持不变。2、数字信号稳定可靠，易于实现存储、计算机处理、网络传输等功能，而且数字电视信号很容易实现加/解密处理。3、可充分利用信道容量。数字电视信号可采用时分多路复用方式，在行、场消隐期间实现数据广播。4、压缩后的数字信号经调制后可进行开路广播，在设计的服务区内（地面广播），观众能以较高的概论实现“无差错接收”，使收到的电视图像和声音质量接近演播室质量。5、可合理利用各种类型的频谱资源。以地面广播为例，数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”（taboochannel），而且可采用“单频网络”（singlefrequency）技术，例如一套电视节目仅占用同一个数字电视频道就可覆盖全国。数字电视包括标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）•SDTV：是指对传统的模拟电视（如NTSC、PAL等）信号进行数字化后得到的信号。标准清晰度数字电视系统具有和模拟电视系统相同或相似的扫描格式和参数；HDTV：是新一代的电视系统，其性能和指标都远远超过了标准清晰度电视，扫描格式及参数也完全不同于传统的模拟电视系统。国际上通常将黑白电视称为第一代电视，将彩色电视称为第二代电视，而将高清晰度电视（HDTV）称为第三代电视。第二节数字电视信号的产生•从摄像机的光电转换器件得到的电视信号都是模拟信号，将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模/数（A/D）转换过程。模/数转换包含三个过程，即取样、量化及编码。其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码。•根据电视信号的特点，其数字化的方式有两种，即复合编码方式和分量编码方式。复合编码方式：将彩色电视信号作为一个整体进行取样、量化和编码，得到一个数字复合电视信号；分量编码方式：对亮度信号和两个色差信号分别进行取样、量化和编码，得到三个数字分量电视信号。另外，对电视信号进行取样时，为了便于行、场、帧间的信号处理，其取样结构一般都采用固定正交结构。取样结构：指取样点在画面上相对于空间和时间的分布规律；固定正交取样结构：每一行的样点正好处于前一场和前一行样点的正下方，而且与前一帧的样点重合。由于电视画面是以帧、场、行为周期重复的，因此只要将取样频率选择为行频的整数倍，就可保证每一行的取样点数为整数，进而实现固定正交取样结构。固定正交取样结构分量编码方式•取样结构：固定正交结构。•取样频率：分量编码方式是将亮度信号和色差信号分别进行取样、量化和编码，因此不需考虑色副载波的影响。在选择取样频率时，要考虑以下几个方面：a.为了便于国际间的节目交换，取样频率应能同时兼容625行/50场和525行/60场两种扫描系统。根据取样定理，当亮度信号的上限频率为fm＝6MHz时，取样频率fs≥2.2fm＝13.2MHz。b.又为了实现固定正交取样结构，fs应为行频fH的整数倍。对于625行/50场系统，行频为15.625kHz；对525行/60场，行频为15.734264kHz。为了满足兼容要求，取样频率fs应为两种行频的公倍数。综合考虑上述因素后，分量编码中亮度信号的取样频率选取为13.5MHz。因此，对于625行/50场系统，亮度信号每行取样点数为：13.5MHz/15625Hz=8644:2:2编码方式：亮度信号的取样频率为13.5MHz，两个色差信号的取样频率均为6.75MHz。显然，这种方式下色差信号的水平分解力是亮度信号的一半。4:2:2编码方式广泛应用于演播室节目制作和传输4:4:4编码方式：亮度信号和两个色差信号（或R、G、B信号）的取样频率均为13.5MHz，且取样结构完全相同。这种方式下，三个信号具有相同的水平和垂直分解力。这种方式一般用在对R、G、B信号进行数字化的场合。4:1:1编码方式：亮度信号和两个色差信号的取样频率分别为13.5MHz、3.375MHz、3.375MHz，因此两个色差信号在垂直方向上的分解力与亮度信号相同，但在水平方向上的分解力是亮度信号的1/4。4:2:0编码方式：亮度信号与色差信号的取样频率与4：2：2方式相同，但两个色差信号每两行取一行，因此在水平和垂直方向上的分解力均为亮度信号的一半。•play量化及编码•分量编码方式中，三个分量信号的量化级数均为256（或1024）级，即量化比特数为8比特（或10比特）。第三节数字高清晰度电视•1．高清晰度电视的发展历史及现状•2．数字高清晰度电视系统的技术参数国际无线电咨询委员会CCIR（现已归入ITU）将HDTV描述为：高清晰度电视系统的设计要求是使观看者在图像高度的大约3倍距离处观看图像细节时，能达到或接近具有正常视觉锐度的观看者观看原始景物的感觉。也就是说，HDTV系统在垂直和水平方向上的分解力都应比SDTV系统提高一倍。另外，HDTV在图像色彩、声音等方面也都有明显的改善。HDTV系统应具有以下特点：•扫描行数：为了使垂直分解力增加一倍，HDTV系统的每帧图像行数不应少于1000行。ITU-RBT.709建议书中曾给出两种扫描行数，即1125行/帧和1250行/帧。每行取样点数：为了使水平分解力也增加一倍，HDTV系统的每行取样点数应不少于1800。ITU-RBT.709建议书中给出的每行取样点数为2200和2304，其中每行有效样点数为1920。画面宽高比：根据双眼的视场清晰范围，HDTV画面宽高比应象宽银幕电影那样在（1.66～1.85）:1的范围内，目前已公认选定了16:9。方形像素：伴音：HDTV应有高质量的立体声伴音，因此至少须有4路数字化的伴音通道。兼容：HDTV的信号格式应能比较方便地实现和现有SDTV信号格式之间的相互转换。我国HDTV基本参数pause第四节数字电视信号的数码率•数码率：系统在单位时间内传送的数据量。在实时传输情况下，数码率等于取样频率与量化比特数的乘积。在数字电视中，数码率的单位通常为Mbps，即兆比特/秒。SDTV系统的数码率•复合编码方式：当采用8比特量化时，数码率为：17.72(MHz)×8(bit)＝141.76Mbps采用10比特量化时，数码率为：17.72(MHz)×10(bit)＝177.2Mbps•4:2:2分量编码方式：当采用10比特量化时：亮度信号的数码率为：13.5(MHz)×10(bit)＝135Mbps两个色差信号的数码率为：2×6.75(MHz)×10(bit)＝135Mbps所以总的数码率为：亮度信号数码率＋色差信号数码率＝270Mbps同样可计算出8比特量化时的数码率。HDTV系统的数码率•4:2:2分量编码方式：当采用10比特量化时；亮度信号的数码率为：74.25(MHz)×10(bit)＝742.5Mbps两个色差信号的数码率为：2×37.125(MHz)×10(bit)＝742.5Mbps所以总的数码率为：亮度信号数码率＋色差信号数码率＝1485Mbps第五节数字电视信号的压缩•数字电视信号压缩的必要性电视信号数字化后有很多优点，但同时也有一个缺点，即数码率很高。例如4：2：2编码、8比特量化的SDTV信号数码率为216Mbps。若按每2bit构成一个周期，则传输这样一路数字电视信号需要有108MHz的通道带宽。而对于10比特量化的HDTV信号来说，其数码率达到1485Mbps，所需的传输通道带宽高达742.5MHz。因此，若不采取措施，这样的信号无法在一般的通道中传输，更无法在现有电视的6MHz带宽中传输。另外，电视信号数字化之后，数据量非常大。在4：2：2编码、8比特量化情况下，一帧SDTV图像的数据量约为8.6Mb，要记录10分钟的电视节目就需要130Gb的存储器容量；而一帧HDTV图像的数据量为59.4Mb，记录10分钟的节目需要891Gb的存储器容量。可见，若不压缩数据量，就无法在普通的存储设备上实现数字电视信号的存储。综上所述，要实现数字电视信号的有效存储和传输，就需要采取措施降低其数据量和数码率，也就是说要设法对数字电视信号进行压缩，通常将这一过程称为信源编码。数字电视信号压缩的可能性•电视信号压缩的目的是减小数据量，降低信号传输的数码率。压缩过程实际上就是去除图像中那些与信息无关或对图像质量影响不大的部分，即冗余部分。根据电视信号的特点及人眼的视觉特性，电视信号中存在很多这样的冗余部分，这就为图像压缩提供了可能性。电视信号的冗余性表现在以下几个方面。时间和空间相关冗余•从统计上看，原始图像数据在空间和时间上都有很大的冗余度，即存在大量无需传送的多余信息。对于大多数电视图像来说，相邻像素之间、相邻行之间图像内容变化很小，即具有很大的相关性（或称相似性），这种相关性称为电视信号的空间相关性或帧内相关性。另一方面，电视信号是利用人眼的视觉特性，借助于快速传送相关画面的方式来再现活动画面的，因此在相邻场或帧的对应像素间也存在很强的相关性，称之为时间相关性或帧间相关性。时间和空间相关性造成了电视信号的冗余，减少这些冗余就可以实现图像压缩。例如，如果相邻两个像素完全相同，则只需传送第一个像素信息，接收端可利用第一个像素信息来恢复第二个像素。再例如，如果相邻两帧中有相同的静止背景，则第二帧画面就无需传送这一背景信息，在接收端完全可利用第一帧的相关信息来恢复第二帧的背景画面。视觉冗余•人眼的视觉效果是图像质量的最直接也是最终的检验标准，对于人眼难以识别的数据或对视觉效果影响甚微的数据，都可认为是多余的数据，可以省去。这些多余部分就是视觉冗余。例如，通过对人眼视觉特性的研究，发现人眼对静止或缓慢运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力很高，而对快速运动图像的灰度等级及图像细节的分辨力却较低。另外，人眼在观察大面积像块时，对灰度等级分辨力很高，而对轮廓细节的分辨力则较低；反之，在观察图像的轮廓边沿等细节部分时，细节分辨力高而灰度等级分辨力又会降低。这些说明人眼接收综合信息的速率有限。利用这些特性，在传送静止图像或缓慢运动图像时，可减小帧率（即每秒钟传送的帧数），同时在景物边沿轮廓等细节区域选择较高的取样频率和较低的量化比特数，而在大面积像块区域选择较低的取样频率和较高的量化比特数；当传送快速运动画面时，则要提高帧率，同时降低取样频率和量化比特数。这就是利用人眼的视觉冗余实现码率压缩的基本方法。熵冗余•根据信息论，信源熵是指单位符号（如每个量化电平）所包含的信息量，平均码长是指信源编码后单位码字所包含的数据量，符号和码字是一一对应的。当信源中各符号出现的概论相等时，信源熵达最大值，与平均码长相等，即信息量与数据量相同。但一般情况下，信源中各符号的概率不相等，因此，信源熵都小于平均码长，其差值就造成了熵冗余。通过信源编