第8章数字电视基础

第8章数字电视基础主要内容28.1概述8.2数字电视信号的产生8.3数字高清晰度电视8.4数字电视信号的压缩8.5数字电视信号的误码控制1.模拟电视的缺点、数字电视的优点2.数字电视系统的分类3.复合编码、分量编码4.分量编码四种方式、亮度和色差信号的取样频率分别是多少？（SD/HD）5.我国HDTV标准的主要参数6.标清和高清信号的数据率（码率）的计算38.1概述数字电视DTV的概念、发展、分类、优势模拟电视的缺陷51.亮度分解力不足，清晰度低，分辨率差。2.色度分解力不足，色彩无细节，欠柔和。3.频谱间置造成亮度和色度间串扰。4.隔行扫描引起并行、蠕动、闪烁等现象。5.三大制式互不兼容。6.频带利用率低，逆程不能传送有用信息。模拟电视缺陷的原因61.采用复合信号传输。2.采用窄带传送色度信号。3.频带利用率受滤波器性能限制。4.采用隔行扫描。5.选用的行、场频率低。数字电视DTV7数字电视：将模拟电视信号数字化，然后进行各种处理（如编码、调制、传输、存储等）的电视系统。三个阶段：第一阶段：单独的局部设备数字化；第二阶段：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：数字电视技术从单个设备向整个系统发展，开始进行数字电视或数字高清晰度电视系统的播出。数字电视是一个系统概念在全数字环境中完成电视节目生产和流通的全过程。8数字素材采集数字节目制作数字节目播出数字信号传输数字电视广播数字节目发行数字存储检索数字电视广播系统框图9数字电视系统的分类（P202）10（1）按信号传输方式分类：地面无线传输数字电视（地面数字电视）卫星传输数字电视（卫星数字电视）有线传输数字电视（有线数字电视）（2）按业务和质量分类：低清晰度电视LDTV（图像水平清晰度大于250线）标准清晰度电视SDTV（图像水平清晰度大于500线）高清晰度电视HDTV（图像水平清晰度大于800线）超高清4K电视四种电视的视觉效果11LDTV：对应于现有VCD的图像分辨率。SDTV：图像质量相当于演播室水平，显示图像分辨率为727×576(PAL制)或720×480(NTSC制)，这是一种普及型数字电视，成本较低，具备数字电视的各种优点；HDTV：图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平，显示图像分辨率达1920×1080，幅型比为16：9，适合大屏幕观看；4K电视：标准显示为3840×2160,是全高清(1920*1080)的4倍；高清(1280*720)的9倍。在此分辨率下，观众将可以看清画面中的每一个细节，每一个特写。SDTV和HDTV12三代电视：第一代电视-黑白电视，第二代电视-彩色电视，第三代电视-高清晰度电视（HDTV）。1、SDTV：指对传统的模拟电视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；2、HDTV：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。数字电视的优点（P202）131、抗干扰能力强，在复制或传输等处理过程中，噪声不会累积。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。3、可充分利用信道容量，频谱资源利用率高。4、收到的电视图像和声音质量接近演播室质量。5、便于加密处理6、节省发送功率，覆盖范围广7、便于构成综合数字网和综合业务数字网8.2数字电视信号的产生数字化方式1、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；15模拟全信号A/D数字信号处理D/A模拟全信号YB-YR-YY数字化方式2、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。16模拟全信号A/D数字信号处理D/A模拟全信号数字亮色分离数字信号编码B-YR-Y复合编码和分量编码比较171、“复合编码”与电视制式有关“分量编码”与电视制式无关2、在节目后期制作中：“复合”需解码“分量”无需解码3、传输时：“复合”由于频分复用，产生亮，色串扰“分量”采用时分复用，无亮，色串扰目前，基本都采用分量编码方式。8.2.2分量编码方式---取样18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。样点位置在垂直方向上逐行、逐场对齐，排成一列列直线的取样结构。1、取样19分量编码取样频率需要满足4个要求：1.取样定理：当亮度信号的上限频率为fm＝6MHz时，取样频率要求≥2fm＝12MHz；2.实现固定正交取样结构：fs=n×fH（行频的整数倍）；3.同时兼容两种扫描系统（625行/50场和525行/60场）：fs=m×2.25MHz（2.25MHz的整数倍）；4.节省码率：fs尽量靠近2fm。综合考虑后，分量编码中亮度信号的取样频率选取为13.5MHz。1、取样20对于625行/50场系统，亮度信号每行的取样点数为：对于色差信号，考虑到人眼视觉特性，对两个色差信号的采样频率可以小于亮度信号，一般选取为亮度信号取样频率的一般就足够。两个色差信号选取不同的采样频率，会构成不同的分量编码结构，即不同的分量编码方式。864156255.13HzMHz分量编码的取样结构21图像采样中，对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低。分量编码四种方式221、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=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。一般用在对R、G、B信号进行数字化的场合。2、4:2:2编码方式：亮度信号取样频率=13.5MHz，色差信号取样频率=6.75MHz。色差信号的水平分解力是亮度信号的一半。广泛应用于演播室节目制作和传输中。分量编码四种方式233、4:1:1编码方式：亮度信号取样频率=13.5MHz，色差信号取样频率=3.375MHz，色差信号在垂直方向上的分解力与亮度信号相同，在水平方向上的分解力是亮度信号的1/4。4、4:2:0编码方式：与4：2：2方式相同，亮度信号取样频率=13.5MHz，色差信号取样频率=6.75MHz），但两个色差信号每两行取一行，在水平和垂直方向上的分解力均为亮度信号的一半。由于该格式的码率较低，在数字电视广播的信源编码中，通常采用这种格式。SDTV分量编码方式的基本参数244:4:44:2:24:2:04:1:1Y13.513.513.513.5R-Y13.56.756.753.375取样频率（MHz）B-Y13.56.756.753.375Y576576576576R-Y576576288576每帧有效行数B-Y576576288576Y720720720720R-Y720360360180每行有效像素数B-Y720360360180帧频（Hz）25252525宽高比4:34:34:34:32、量化25量化过程：把取样后的信号幅值归并到有限个幅度等级上，并用一个相应的数据来表示。量化误差：归并过程使得量化后的信号幅度与取样信号实际幅度之间的偏差。量化误差的存在产生杂波干扰（量化杂波或量化噪声）。量化信噪比：SNR[dB]=10.76+6.02n[dB]，如果要保证实际图像的量化信噪比大于50dB，则量化级数至少应为256级，即量化比特数为8比特。量化前的归一化处理26亮度方程：Y=0.299R+0.587G+0.114B红色差方程：R-Y=0.701R-0.587G-0.114B蓝色差方程：B-Y=-0.299R-0.587G+0.866B规定：（1）亮度信号动态范围：1~0之间，（2）色差信号动态范围：0.5之间引入压缩系数：（1）KR=0.5/0.701=0.713，KB=0.5/0.866=0.564归一化色差信号：CR=0.713（R-Y）=0.5R-0.419G-0.081BCB=0.564（B-Y）=-0.169R-0.331G+0.5B过载保护带27电视信号8比特量化时，为防止量化过载，不采取从0到255级的全范围量化，而是在上下两端都留出了过载保护带。亮度信号：信号的动态范围限制在16～235量化级之间黑电平对应第16级，白电平对应第235级，0～15级和236～255级为过载保护带。色差信号：正峰240级，负峰16级，下端留出0～15级，上端留出241级～255级，用于防止量化过载。亮度信号码电平分配28色差信号码电平分配293、编码30编码过程：将量化后的取样值用一组二进制码表示。例如，设量化级数为256级（0～255级），即8比特量化，若用自然二进制码方式进行编码，则对应这256个量化值，就可用00000000～11111111这一组二进制码表示。经过取样、量化和编码之后，原模拟电视信号就变成了由一系列“0”、“1”组成的数据流。数码率（P207）31数码率：在单位时间内传送的数据量。在实时传输情况下，数码率计算公式数码率=取样频率×量化比特数数码率的单位通常为Mbps，即兆比特/秒。数码率在4:2:2编码方式下，采用8bit量化，则亮度信号的码率为：13.5MHz×8bit=108Mbps两个色差信号的码率为：2×6.75MHz×8bit=108Mbps则总码率为：108+108=216Mbps同理，可计算不同采样格式，不同量化比特下的数码率。32演播室数字编码的主要参数（4:2:2格式）338.3数字高清晰度电视高清晰度电视HDTV（P209）（HighDefinitionTelevision）35高清晰度电视HDTV：指在数字电视系统内的一种电视业务。ITU-R给高清晰度电视下的定义：“高清晰度电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离上所看到的图像质量应具有观看原始景物或表演时所得到的印象”。最主要的特点：高清晰度，即水平分解力和垂直分解力都比较高。HDTV参数选择361、扫描行数：每帧图像行数≥1000行。2、每行取样点数：≥1800。3、画面宽高比：=16:9。4、方形像素：像素在水平和垂直方向上的大小是相同的。5、伴音：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。6、兼容：能比较方便地实现和SDTV信号格式之间的相互转换。方形像素37方形像素：像素在水平和垂直方向上的大小是相同的像素。电视系统采用方形像素好处：（1）画面水平方向和垂直方向上所能容纳的像素数量之比就与画面的宽高比相同。（2）便于实现与计算机系统的互操作性，便于进行图形图像的各种变换。ITU-RBT.709建议书中规定在16：9的画面宽高比情况下，每帧有效行数为1080，每行有效样点数为1920。我国HDTV标准的主要参数（表8-2）参数数值参数数值隔行比2:1（隔行）像素形状方形行频28125Hz每帧总行数1125帧频25Hz每帧有效行数1080宽高比16:9每行有效点数Y1920R-YB-Y960取样频率Y74.25MHzR-YB-Y37.125MHz38HDTV系统的数码率4:2:2分量编码方式39当采用当采用8比特量化时:亮度信号的数码率为：74.25(MHz)×8(bit)＝594Mbps两个色差信号的数码率为:2×37.125(MHz)×8(bit)＝594Mbps总的数码率＝1188Mbps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总的数码率＝1485Mbps可见，高清的码率相当高。8.3.3数字电视系统的分解力401、SDTV系统的分解力SDTV与传统的模拟电视在有效扫描行数上基本一致，所以两者的垂直分解力基本相同。在625行/50场的数字SDTV系统