数字电视原理与应用第1章 数字电视概论

数字电视原理信息工程系22020/4/18第一章概论什么是数字电视?所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、压缩、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。信息工程系32020/4/181.1数字电视的优点－为什么要采用数字电视？一．数字电视与原有模拟电视相比，有如下优点：1.信号杂波比和连续处理的次数无关2.可避免系统的非线性失真的影响3.数字设备输出信号稳定可靠4.易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关5.由于采用数字技术，可以实现设备的自动化操作和调整6.数字技术可实现时分多路复用，可实现数字视频、数字音频和其它多媒体信号混传，充分利用信道容量信息工程系42020/4/181.1数字电视的优点－为什么要采用数字电视？7.压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行地面广播8.可以合理地利用频谱资源9.在同步转移模式(STM)的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”10.很容易实现加密／解密和加扰／解扰技术11.具有可扩展性、可分级性和互操作性12.可以与计算机“融合”而构成一类多媒体计算机系统13.实现不同制式下的模拟电视节目的交换14.数字电视改变人们接收电视的方式15.数字电视的出现还将极大地改变信息家电的市场结构信息工程系52020/4/181.1数字电视的优点－为什么要采用数字电视？二．使用数字电视带来如下好处1.高质量的画面2.功能更丰富3.高质量的音效4.丰富多彩的电视节目5.具有交互性6.具备通信功能信息工程系62020/4/18数字电视发展简介一．国际发展概况1.1996年4月法国开播了第一个欧洲商业化数字电视广播。到1999年6月欧盟数字电视市场价值已经超过20亿欧元。在1997年12月～1999年6月期间，欧洲数字电视收人增长超过一倍。2.英国在1998年11月开始数字地面电视商业广播，其用户在2000年底已经达到101万2千。英国天空广播公司（BskyB）在1998年7月开始卫星数字电视广播，到2002年底用户已超过500万。3.法国数字电视用户自1996年以来年均增长率157％，数字电视用广已占所有电视用户的10.3％。4.意大利自1996底以来年均增长率为220％。5.西牙数字电视的用户1999年6月已经超过100万户，前一年的增长率接近300％。6.德国1999年6月数字电视的用户已经达到85.5万户。信息工程系72020/4/18数字电视发展简介7.众所周知，日本曾经在模拟高清晰度电视研究和应用方面领先于全世界，使用MUSE制式的高清晰度电视卫星广播系统仍然在运行中。日本在1997年开始卫星数字广播，1999年下半年开始有线数字电视广播。日本政府日前宣布，到2011年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号发送，彻底结束模拟信号发送的历史。8.据调研机构iSuppli的最新调查报告显示，在未来四年内，全球数字电视的出货量每年将以44.5%的幅度递增。到2008年，全球数字电视出货量有望从今年的1990万台增至8660万台。9.全球数字电视销售额也将从2004年的314亿美元增至2008年的628亿美元。10.据调查结果显示，2004年北美市场上的数字电视出货量将占全球数字电视出货量的43%。而且在未来几年内也将引领全球数字电视的普及，其次是欧洲和日本市场。信息工程系82020/4/18数字电视发展简介二．国内发展简介1.中央电视台1995年开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向有线电视台传送4套加密电视节目。2.1996以后省级电视台逐步使用数字压缩技术进行卫星电视节目传送覆盖，所使用的传输标准是DVB－S／MPEG－2。3.1998年底中国广播卫星公司建立起直播卫星广播试验平台，将中央电视台和各省台的上星节目全部集中起来以数字方式向全国传送4.中国广播电视数字化进程－“三步走”战略①2003年启动广播电视数字化②2005年开展数字卫星直播业务③2008年全面推广地面数字电视5.2015年停止模拟电视播出，实现数字广播电视有线、卫星和无线的全国覆盖信息工程系92020/4/18数字电视发展简介中国地面数字电视市场形势图蓝色:已经上马欧洲DVB-T标准红色:已上马或已经确定采用清华大学DMB-T粉红色:有用清华DMB-T的意向浅蓝色:有用欧洲DVB-T的意向白色:尚无上项目的计划信息工程系102020/4/18数字电视发展简介有线电视向数字化过渡时间表1.地域划分除北京、天津、上海、重庆四个直辖市外，分东部、中部、西部三个地区。①东部地区包括广东、福建、江苏、浙江、山东。②中部地区包括湖南、湖北、海南、四川、安徽、江西、广西、河南、河北、山西、陕西、辽宁、吉林、黑龙江。③西部地区包括新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙古、云南、贵州。2.时间划分分2005年、2008年、2010年、2015年四个阶段。信息工程系112020/4/18数字电视发展简介3.过渡计划①第一阶段：到2005年，直辖市、东部地区地(市)以上城市、中部地区省会市和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。②第二阶段：到2008年，东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大部分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。③第三阶段：到2010年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡。④第四阶段：到2015年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。信息工程系122020/4/181.2视、音频数字化参数1.2.1视频信号的抽样结构固定的抽样结构正交结构：各帧、各场、各行的样点都是垂直对准的。移动抽样结构[例子]对我国PAL制电视来说,行频fH=15625Hz,如果取抽样频率为13.5MHz的话，每行得出来的样点刚好为正交整数样点结构，即为:864156255.13HzMHz信息工程系132020/4/181.2视、音频数字化参数CCIR601号建议要求采用分量信号Y、U、V进行编码压缩一．4:4:4;4:2:2;4:2:0抽样点结构YUVY:U:V=4:4:4信息工程系142020/4/181.2视、音频数字化参数YUVY:U:V=4:2:2YUVY:U:V=4:2:0信息工程系152020/4/181.2视、音频数字化参数二．图像数据格式和不压缩时码率的计算1.几种典型数字电视设备数据格式四分之一公用中间隔式公用中间隔式源输入格式信息工程系162020/4/181.2视、音频数字化参数2.不压缩时码率的计算①码率=抽样频率×每样点的比特数对DVD图像格式可作如下计算:Y13.5MHz×8bit=108Mb/sU6.75MHz×8bit=54Mb/sV6.75MHz×8bit=54Mb/s合计=216Mb/s如按MPEG-2标准压缩后的速率为8.448Mb/s,则压缩比约为26:1;如按MPEG-1标准压缩后的速率为2.048Mb/s,则压缩比约为100:1信息工程系172020/4/181.2视、音频数字化参数②码率=一帧图像样点样数×每样点比特数×每秒帧数(25Hz)一帧图像样点样数=每行有效样点数×一帧图像的有效行数信息工程系182020/4/181.2视、音频数字化参数对DVD图像格式可作如下计算:(1).对Y信号来说一行样点数=(抽样频率)/(行频)=(13.5MHz)/(15.625kHz)=864一行有效样点数=864×η=864×0.83=720(η:水平回扫率)一帧有效行数=625-50=575(取576,即表示去掉场消隐后的有效行数)一帧图像样点数=720×576=414720Y的码率=720×576×8bit×25Hz=82.944Mb/s信息工程系192020/4/181.2视、音频数字化参数(2)对U、V信号的计算如按Y:U:V=4:2:2其速率计算如下:V的码率=360×576×8bit×25Hz=41.472Mb/sU的码率=360×576×8bit×25Hz=41.472Mb/s合计=165.9Mb/s如按MPEG-2ML@MP标准压缩后的速率为8.448Mb/s,则压缩比约为20:1;如按MPEG-1标准压缩后的速率为2.048Mb/s,则压缩比约为82:1。信息工程系202020/4/181.2视、音频数字化参数1.2.2视、音频信号量化及量化噪声舍入量化△A:量化间距f(t):视频信号f’(t):量化后的电平函数值tAAAAAAA0.51.52.53.54.55.56.502A2At幅度量化等级)(tf)('tf)('tf)(tf-信息工程系212020/4/181.2视、音频数字化参数量化级数：MAAMA:信号幅度，△A:量化间距采用二进制编码，所需比特数n:M=2n均匀量化与非均匀量化信息工程系222020/4/181.2视、音频数字化参数一．均匀量化时的信噪比量化噪声功率Nq:123)(1233222222AtTAdtteTNTTTTq结论：量化分层幅度△A越小，量化误差引起的失真功率也越小。信息工程系232020/4/181.2视、音频数字化参数1.电视信号（单极性信号）的量化信噪比nnqPPAAsmrNS232122)..(2噪声均方根值信号峰峰值量化信噪比用分贝表示:nsmrNSndBqPP68.10232log20)..(结论：量化比特数n每增加1bit，则信噪比上升6dB；反之，每下降1bit，信噪比降低6dB。信息工程系242020/4/181.2视、音频数字化参数均匀量化时量化比特数与量化信噪比的关系2.声音信号(双极性信号)量化信噪比设声音信号的最大幅度为A，它是从+A到﹣A范围内变化。对它均匀量化成N级，有：2A=N·△A，N=2n(以二进制表示)量化信噪比:nAAqNS2122max2232276.102.6maxnNSdBq用分贝表示:信息工程系252020/4/181.2视、音频数字化参数二．用非均匀量化改善量化信噪比AAsmrNSqPP32)..(2max232AANSq电视信号的量化信噪比:声音信号量化信噪比:信息工程系262020/4/181.2视、音频数字化参数非均匀量化实现方式音频：压缩扩张编码方式视频：直接非均匀量化（量化表）压缩扩张编码方式：输入压缩器线性量化编码器线性量化扩张器信息工程系272020/4/181.2视、音频数字化参数非均匀量化表1611101624405161121214192658605514131624405769561417222951878062182237566810910377243555648110411392496478871031211201017292959811210010399信息工程系282020/4/181.2视、音频数字化参数1.2.3全信号和分量信号编码模拟全电视信号模拟全电视信号A/D全信号编码全信号解码D/A分量信号解码A/D数字亮色分离分量信号编码D/AYUVYUV模拟全电视信号模拟全电视信号信息工程系292020/4/181.2视、音频数字化参数1.2.4图像分量信号量化比特数确定和码电平分配从电视原理已知，亮度信号方程为：Y=0.299R+0.587G+0.114B色差信号方程为：R-Y=0.701R-0.587G-0.114BB-Y=-0.299R-0.587G+0.886B亮度信号Y:0～1色差信号R-Y:－0.701～0.701色差信号B-Y:－0.886～0.886信息工程系302020/4/181.2视、音频数字化参数100%彩条色度信号、亮度信号和色差信号的标称值信息工程系312020/4/181.2视、音频数字化参数色差信号必须引入压缩系数：KR=