1、第12章 数字电视,12.1 数字电视概述 12.2 数字电视的信源编码 12.3 数字电视的信道编码技术 12.4 数字电视的接收 12.5 数字电视标准 习题十二 ,12.1 数字电视概述,12.1.1 数字电视系统的基本原理框图数字电视系统由信源、信源编码器、信道编码器、信道、信道解码器、信源解码器、信宿等部分组成，其基本原理框图如图12-1所示。,图12-1 数字电视系统的基本原理框图,信源是产生和输出电视模拟信号（包括图像和伴音）的设备，如摄像机、麦克风等。信源编码器主要包括模/数（A/D）转换、压缩编码、多路复用三部分。将信源送出的模拟电视信号进行模/数（A/D）转换，用一定的数字
2、脉冲组合来表示信号的幅度，从而形成数字信号。为提高传输的有效性，在保证一定传输质量的情况下，对反映信源全部信息的数字信号进行变换，用尽量少的数字脉冲来表示信源产生的信息，这就是压缩编码。,信道编码器包括纠错编码和数字调制，主要解决数字信号传输的可靠性问题，故又称为抗干扰编码。经过纠错编码的传输码流具有检错和纠错的能力，其作用是最大限度地减少在信道传输中的误码率，然后将纠错编码后的传输码流调制成适合于在信道上传输的波形。传输信道分为地面（无线发射）、有线和卫星三类，因而，不同的传输信道应选择不同的调制方式。 解码器与编码器的功能相反，在接收端将接收到的已调信号，经解调、纠错解码、解复用、解压缩、
3、数/模（D/A）转换，恢复出原模拟电视信号。,12.1.2 数字电视的分类数字电视分为两类：标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）。对标准清晰度电视，其图像和伴音质量比模拟电视有所提高，并且频道利用率高，在目前模拟电视的一个频道内可以播4套（或更多）数字电视节目。对高清晰度电视，其画面可提供相当于SDTV画面5倍多的信息量，因此，HDTV具有更高的图像分辨率，它的清晰度是目前模拟电视画面清晰度的23倍。表12-1列出的是SDTV和HDTV视频格式等方面的参数。在电视伴音方面，目前模拟电视只有一路伴音，经过电路处理后可转换成立体声；SDTV有两路数字伴音，具有CD级的音质；HDTV
4、则有多路数字伴音（杜比5.1声道），除了音质好之外，还具有真正的环绕立体声效果。,表12-1 SDTV和HDTV视频格式等方面的参数表,12.1.3 数字电视的突出优点数字电视与模拟电视相比具有许多优点，主要表现在以下几个方面。1. 图像和伴音质量高、抗干扰能力强2.频道数量将成数倍增加 3.可开展多功能业务4.操作性强5.便于网络化6.具有开放性和兼容性7.易于实现条件接收,12.2 数字电视的信源编码,12.2.1 模拟信号的数字化描述下面用图12-2来说明PCM的数字化过程。 ,图12-2 PCM的数字化过程 (a)取样；(b)量化；(c)编码；(d) 数字信号,的离散信号不失真地重现原
5、模拟信号，必须满足连续信号f(t)的最高频率fmax的2倍小于或等于取样信号的频率fs的条件，即2fmaxfs这就是著名的奈奎斯特（Nyquist）取样定理。（3）取样后的信号只是在时间性上实现了离散化，而幅度取值仍是连续的。（4）编码就是用N位(bit)二进制代码表示各样值的量化等级电平值。 ,具体过程如下：（1）图12-2（a）中虚线所示的是一个模拟信号f(t)，其最高频率分量为fmax。（2）取样的任务是每隔一定时间间隔对模拟连续信号f(t)抽取一个瞬时值（简称样值），使连续信号首先在时间上离散化。其具体实现方式是：用原信号f(t)通过电子开关对取样脉冲进行幅度调制，取样脉冲的周期为Ts
6、（频率为fs），脉宽趋于0,则调幅后每一个脉冲的幅值等于其出现时刻所对应的原信号幅值，见图12-2（a）中的9个脉冲。,(5)在PCM技术中，将上述二进制数码转换成用对应电平变化表示的数字脉冲，如高电平为“1”，低电平为“0”，就得到数字脉冲连续波形，也称为PCM码流，如图12-2（d）所示。这种信号形式正是计算机能够直接识别和处理的。单位时间内编码后所产生的二进制数的位数，称为数码率，也叫比特率，Rb=fsN。,12.2.2 电视图像信号的数字化技术和压缩编码活动的电视图像信号是非常复杂的多维时空函数，其数字化过程如按一般PCM技术，以PAL制电视信号为例，未经压缩的全数字电视信号的总数码率
7、将达216Mb/s（216106b/s），则一张640MB（640106字节，8比特为1个字节）容量的光盘储存的视频数据只够播放20s左右；若按PCM二进制传输信道，每1Hz带宽传输的最高数码率是2b/s计算，则其信号需要带宽108MHz，这是现有模拟电视带宽的10倍以上。 ,1.分量编码和模拟电视图像信号的摄取不同，数字图像信号的光电转换采用CCD器件。所谓CCD（ChargeCoupledDevice），即电荷耦合器件，能将光学像变成电荷像，在微处理器的控制下，把所有像素的电荷一行行、一场场地送到CCD外，形成符合电视行、场扫描标准的模拟图像信号。在信源端产生的高质量数字图像信号，是通过数
8、字信号处理（DSP）摄像机所摄取的。其基本过程是：变焦距镜对准景物，分光棱镜将入射光分解成R、G、B三种基色光，即将一幅彩色图像分解成三个基色图像，分别投射到三个CCD器件上进行光电转换，然后通过彩色空间变换进行亮色分离，形成亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y。,图像信号的数字化编码分为两种：一种是直接对彩色全电视信号进行脉冲编码调制的复合编码，其优点是只需一套ADC设备，但量化后易产生色调与色饱和度失真，且不同制式间不能互相转换，较复杂的数字信号处理也不易进行；另一种是分量编码，即对Y、R-Y、B-Y分别进行PCM编码，虽需三套ADC设备，但其不存在制式差异，有利于通用化，易于进行较复杂
9、的数字信号处理，且图像质量高。目前均倾向于分量编码。现代高清晰度电视HDTV的视频编码采用的就是422或420分量编码形式。,2.取样格式在图像信号的数字化过程中，首先要对分量信号进行取样。不同的取样格式，表明了亮色信号间不同的取样关系。电视图像信号的取样格式主要有3种，如图12-3所示，通常用“Y（R-Y）（B-Y）”的形式来表示。（1）411：是指在每4个连续的取样点上，取4个亮度Y的样本，1个红色差R-Y和1个蓝色差B-R样本，相当于每个像素用1.5个样本表示。（2）422：是指在每4个连续的取样点上，共取4个亮度Y的样本，红色差R-Y和蓝色差B-Y各取2个样本，相当于每个像素点用2个样
10、本表示。,图12-3 电视图像信号的取样格式,（3）444：是指对每个取样点，亮度Y、红色差R-Y和蓝色差B-Y各取一个样本，相当于每个像素用3个样本表示。可以看出，444属于全取样格式，而411和422的取样格式没有对色差分量进行全取样，则其所取样的样本相对少些，这说明，通过取样格式的选择，对图像信号的数码率进行了初步的压缩。这种初步压缩的原理是基于人的视觉特性，人眼对色度的敏感程度比亮度的敏感程度低。利用这个特性，可把图像中表达色彩的信号多去掉一些,而人是不易觉察的。,3CCIR601建议为在数字电视时代便于国际间三大电视制式的（数字）电视节目的交流，1982年，国际无线电咨询委员会（CC
11、IR）制定了演播室质量的数字电视编码标准，称为CCIR601建议。这个标准是数字电视发展的一大里程碑，为数字电视的国际化奠定了基础。CCIR601建议的422标准如表12-2所示。CCIR601建议的内容如下：（1）数字演播室采用分量编码。（2）亮度取样频率选为525行/60场和625行/50场三大制式行频的倍数（2.25MHz）的6倍，即13.5MHz，使样值有正交结构，便于数字处理。,满足正交结构的条件是取样频率为行频的偶数倍，即fs=nfH（n=2,4,6,），正交结构的样点图形能给出好的处理结构，图像清晰度的损失也最小。,表12-2 CCIR601建议的422标准,（3）建议每电视行的
12、亮度样值统一为720个，两色差样值为360个，即422格式，从而使同一样式的数字录像机能记录三种不同制式的信号，并使整个数字演播室能以422格式连在一起。 （4）建议各分量的量化比特数为8bit，则有256（28）个量化等级（0000000011111111）2，相当于十进制的0255。为避免量化器过载，一般规定标准亮度信号的量化电平为16235个电平级，其中量化电平16相应于模拟信号的黑电平，而235相应于白电平。白电平上部留有较大的余量是因为白电平的变化比黑电平大，且黑电平可以采用较有效的箝位措施。每个色度信号在量化等级的中间部分，共224级。中心量化电平级为128（10000000）2。
13、,4.MPEG-2图像数据压缩编码从前面的介绍可知，分量编码采用422取样格式，是利用了人的视觉特性，使图像信号的数码率有了一定的压缩，但是仍很大。按CCIR601建议，亮度信号的取样频率为13.5MHz，两个色差信号的取样频率为6.75MHz，它们的每取样点值都经8bit量化，则由Rb=fsN公式得总数码率Rb=（13.5+26.75）8=216Mb/s。从理论上讲，对PCM二进制传输信道，以每1Hz带宽传输的最高码率是2b/s计算，216Mb/s需要带宽108MHz，这是现有模拟电视带宽（8MHz）的10倍以上。,1）图像数据压缩的概念和方法图像数据主要有四种形式的冗余：（1）空间（帧内）
14、冗余： （2）时间（帧间）冗余： （3）统计冗余： (4)视觉冗余：2）图像数据压缩编码的基本过程MPEG标准定义，在对图像信号进行压缩编码时，将其序列分为三种类型的图像帧：I帧、P帧、B帧。也就是说，MPEG编码过程中，一些图像压缩成I帧，一些压缩成P帧，另一些压缩成B帧，如图12-4所示。,图12-4 三种图像类型,MPEG-2图像数据压缩编码技术可概括为如图12-5所示的MPEG-2压缩编码器方框图。,图12-5 MPEG-2压缩编码器方框图,12.2.3 音频信号压缩编码技术 1.人耳的听觉特点 1）频谱掩蔽效应在安静的环境中人耳刚刚能感觉到的最小声音强度称为静掩蔽门限，其与频率变化的
15、曲线如图12-6所示。,图12-6 静掩蔽门限曲线图,当有一个强度为70dB、频率为1kHz的纯音出现时，与静掩蔽门限曲线混合，形成新的同掩蔽门限曲线，见图12-7。,图12-7 同掩蔽门限曲线图,2）时间掩蔽效应时间掩蔽效应分为同期掩蔽、前掩蔽和后掩蔽。2.音频信号压缩的基本技术简单地说，压缩就是设法降低码率，使有限的传输信道能有效加以利用。其基本技术包括以下几个内容：(1)波形编码技术: (2)参数编码技术: (3)混合编码技术:,3.数字电视的音频信号压缩编码方法下面介绍数学电视广泛采用的两种音频数据压缩编码方法。1）MUSICAM编码 MUSICAM的编、解码原理图如图12-8所示。,
16、图12-8 MUSICAM的编、解码原理方框图 (a)编码器；(b) 解码器,2）AC-3编码杜比AC-3编码是美国数字电视系统采用的音频编码方式，是与MPEG/Audio不同的编码格式，故不能实现对MPEG/Audio的后向兼容，不过其它功能与MPEG/Audio大致相同。如就同步来说，因为含有MPEG系统的时间标志，故可与MPGE视频同步。AC-3系统的方框图如图12-9所示。,图12-9 AC-3系统的方框图 (a)编码器；(b)解码器,3）AC-3与MUSICAM编码的比较AC-3与MUSICAM编码的主要区别在于以下几点：（1）滤波器组的实现。（2）比特分配。 （3）特性曲线比较。1
17、2.2.4 MPEG-2(ISO/IEC13818)标准简介1994年11月，国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）等通过MPEC-2为国际标准，编号为ISO/IEC13818。它作为一种信息标准，规定了数字化活动图像和附带音频信号的一般编码方法，主要由系统、视频、音频、一致性四部分组成。,1.MPEG-2系统（ISO/IEC13818-1）图12-10所示的就是MPEG-2系统简化结构图，概括起来分为三部分：视频和音频编码部分、打包器部分、复用部分。,图12-10 MPEG-2系统简化结构图,2. MPEG-2视频（ISO/IEC13818-2）1）采用层级结构为了使标准能应用于
18、范围较广泛的领域，并使不同应用的码流能很快互换，MPEG-2采用了通用的数据传输率压缩编码的方法，同时又考虑到在一块芯片上实现全部语法的困难，因此只把全部语法的部分子集规约在5个“层面”（Profile）下，而各层面又划分为4个“等级”（Level），并由此定义针对某个特定的解码器的能力。表12-3给出了ISO/IEC13818-2允许的11种组合。,表12-3 ISO/IEC13818-2允许的11种组合,2）规定3种取样格式将亮度分量和色度分量的取样格式由MPEG-1的420（即Y(R-Y)(B-Y)=411）扩充为422或444，输入的数字视频的格式完全符合CCIR601建议。每个像素8
19、bit，也可增加为10bit。3）支持隔行和逐行视频编码在MPEG-2编码中，针对隔行扫描的常规电视像，专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式，并相应地对运动补偿作了扩展，这样，MPEG-2就可以既接受逐行扫描，也接受隔行扫描视频输入。4）可分级性,3.MPEG-2音频（ISO/IEC13818-3）MPEG音频编码是一个通用的音频压缩标准，从三个独立层进行压缩，这在编码复杂性和压缩的音频量之间提供了宽松的权衡范围。这三个独立层是基本子带编码的MPEG层、MPEG层和采用子带编码与自适应编码相结合的MPEG层，它们通常缩写为MP1、MP2和MP3。从层到层逐渐复杂，同时音质也更高。,4.
20、MPEG-2一致性（ISO/IEC13818-4）MPEG-2规定了如何测试和比较已编码比特流是否符合ISO/IEC13818-1、2、3的特定要求，制定了详细的测试指标，同时还包括地面、有线和卫星等接收条件下的技术参数。12.2.5 数字电视的多路复用在数字信号传输中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要把若干低速数字信号合并成一个高速数字信号，然后再通过高速信道传输。数字多路复用就是实现这一目标的关键。,1.基本比特流的多路复用它也可以说是单路或单频道节目的复接，该路节目的基本特流包括视频、音频及数据压缩比特流，数据多为节目名称、剩余时间等信息。节目TS流的形成过程如图12-11所示。
21、,图12-11 节目TS流的形成过程,2.节目传输比特流的多路复用系统TS流的形成过程如图12-12所示。,图12-12 系统TS流的形成过程,12.2.6 条件接收的实现条件接收（CA，ConditionalAccess），简单地讲，就是规定一些节目，只有经过适当授权的用户才能收看该电视节目；从另一方面说，就是“按需分配和有偿服务”，如视频点播（VOA）、电子商务、电子游戏，连接Internet等。模拟电视广播系统也有条件接收系统，但广播电视数字化更加有利于条件接收的实现，并促使条件接收系统更加成熟与多样化。条件接收的实现主要由控制信号组成，在复用系统中完成。在复用系统中，如对某个节目实施限
22、制，则在该节目TS流上接入条件接收系统。条件接收系统组成框图如图12-13所示。,图12-13 条件接收系统组成框图,12.3 数字电视的信道编码技术,12.3.1 纠错编码1.纠错编码的基本原理,码间距离（码距）d是指各个有用码字构成的码组中，任意两个码字之间对应位上的码元取值不同的位数。如：码字 1 1 0 0 1 1 0 0 0码字 2 1 1 1 1 1 1 1 1对应位 （对应位不同用表示）可以看出，d=5。在多个码组中，任两个码组之间的距离可能会不相等。为此，将码组中任意两个码字之间距离的最小值定为最小码距，用d0表示。 ,d0是一个重要参数，它决定了该码的纠检错能力。要想纠错能力
23、大，最小码距d0必须大。这就要求增加“多余”的监督码元，显然，这样做会降低编码效率。对于汉明距离与纠错能力的关系，可归纳出以下结论：（1）当码组用于检测错误时，若要发现e比特错误，则应满足：d0e+1；（2）当码组用于纠错时，若要纠正t比特错误，则应满足：d02t+1；（3）当码组同时用于检错和纠错时，则应满足：d0e+t+1（te）。这三种关系对任何一种编码都是适用的，它们是纠错编码理论中的基本关系。,2. 数字电视中常用的纠错编码在通信系统中，利用纠错编码进行差错控制通常有三种基本方式：前向纠错（FEC）、检错重传（ARQ）和混合纠错（HEC）。数字电视系统采用的是前向纠错（FEC）方式。
24、1）RS码188字节的MPEG-2传输流数据帧经RS编码后的误码保护数据包结构如图12-14所示。 ,图12-14 RS（204，188，8）误码保护数据包结构,2）卷积码 3）交织（Interleaving）技术 4）TCM（网络编码调制）12.3.2 数字调制在数字电视系统中，多采用多进制的数字调制，其调制方式有：（1）地面传输：采用COFDM（欧洲）、ISDB-T（日本）或8-VSB（美国）调制方式；（2）卫星传输：采用QPSK调制方式；（3）有线传输：采用m-QAM或16-VSB高数据率调制方式，根据有线信道的不同特性，分别采用16/32/128/256-QAM等方式。,1.振幅键控1
25、）残留边带（VSB）调制残留边带（VSB，VestigialSideBand）调制，就是使双边带（DSB）信号的一个边带几乎完全通过，而让另一个边带只有少量即残留部分通过。为保证所传输的信息不失真，要求残留边带分量等于需要传输边带中失去的那一部分。 用数字信号进行VSB调制时，由于调制信号为各电平的离散值，因此为了表示各电平所对应的调制状态，通常用矢量点表示它们的对应关系；而反映多电平的进制VSB调制的符号用m-VSB表示，如8电平VSB表示为8-VSB，它反映了3bit信息。一个8-VSB的数字调制和解调电路如图12-15所示。,图12-15 8-VSB数字调制和解调电路方框图,2）正交幅度
26、调制（QAM）正交幅度调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）就是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输，可获得很高的频谱利用率。图12-16是一种实现16电平正交调幅16-QAM调制的原理示意图。,图12-16 16-QAM调制原理图,2.相移键控这里主要介绍QPSK调制。QPSK调制又叫做四相相移键控调制，Q代表正交，PSK代表二相相移键控。四相调相是一种四进制的相移键控。其调制过程是：先把单极性的输入码元转换为双极性波形，然后分别对两个正交载波进行2电平
27、双边带调幅，就实现了正交相移键控信号（QPSK）。QPSK调制提高了载波利用率。在实践中，多相调制多用软件来实现。图12-17是DVB-S的信道编码与传输系统框图，被压缩的MPEG-2数字视音频信号送入RS纠错编码电路，经数据交织和卷积编码后，分两路输入送到QRSK调制器中，进行数字移相，然后经上变频和高功放，再经天线发送至卫星或下一级工作站。,图12-17 DVB-S的信道编码与传输系统框图,3.频移键控4.编码正交频分复用（COFDM）图12-18为DVB-T的信道编码与传输系统框图。 ,图12-18 DVB-T的信道编码与传输系统框图,12.4 数字电视的接收,12.4.1 数字电视信号
28、接收的基本原理下面以美国的ATSC8-VSB数字电视地面广播为例(见图12-19），简要介绍数字电视接收机的工作原理。数字电视接收数字电视信号的过程大致为：高频接收均衡信道解码解复用信源解码（图像、声音、数据解码）数/模转换，经放大电路后分别送显示器和扬声器中还原。,图12-19 ATSC8-VSB数字电视接收机简化框图,1.调谐器2.中频滤波及同步检测3.同步及定时4.干扰抑制滤波器 5.均衡器6.信道解码器 7.数据解随机化8.MPEG-2解码9.D/A转换,12.4.2 机顶盒1.机顶盒的分类目前，机顶盒（STB）基本上可划分为三类：数字电视机顶盒、网络电视（webTV）机顶盒和多媒体（
29、Multimedia）机项盒。 1）数字电视机顶盒（DVB-T）和有线数字电视机顶盒（DVB-C）三种。（1）卫星数字电视机顶盒：（2）地面数字电视机顶盒：（3）有线数字电视机顶盒：,2）网络电视机顶盒3）多媒体机顶盒2.有线数字电视机顶盒的系统结构面以有线数字电视机顶盒为例，简要介绍它的系统结构，如图12-20所示。,图12-20 有线数字电视机顶盒结构框图,有线数字电视机顶盒的结构分为如下四个主要单元：（1）网络接口单元:（2）系统模块和解码模块:（3）模拟视音频电视信号编码单元：（4）外围数据接口单元：3. 中间件图12-21所示的是法图Canal+公司开发出的中间件产品MediaHig
30、hway。设备管理器、驱动器、硬件由机顶盒厂商根据规范标准负责设计和编制。,图12-21 MediaHighway系统结构图,12.4.3 交互式电视数字电视技术的发展，首先是模拟电视向数字电视方向的转变，然后由单向传输的数字电视向数字交互式电视转变。1.交互式电视和视频点播所谓交互式电视（ITV，InteractiveTV），就是一种受用户控制的视频分配业务，在节目间和节目内，观众能够做出自己的选择和决定，是一种非对称双工形式的新型电视技术。,交互式电视系统的组成包括以下五个部分：（1）电视节目源。（2）视频服务器。（3）宽带传输网络。（4）家庭用户终端。用户终端可分为三种：一是多媒体计算机
31、，二是电视机加机顶盒，三是交互式电视接收机。（5）管理收费系统。,2.宽带传输网络所谓宽带，就是传输通道能支持速率高于1.5Mb/s的业务，其目标是实现3T（31012b/s）传输速率，图12-22是宽带传输网络的主要结构框图。,图12-22 宽带传输网络的主要结构框图,视频数码流从视频服务器到家庭用户是通过传输网络进行的。传输网络包括主干网和用户接入网。对于主干网，比较统一，都是使用SPH、ATM或IP技术的光纤网络，但是用户接入网则分为三类。1）主干网2）用户接入网 ,对用户接入网，因其提供交互式电视业务的行业不同而分为三类：（1）广播电视行业的有线电视网，即光纤同轴电缆混合网（HFC）：
32、一般是光纤在路边，同轴电缆进户，各采用750MHz系统。（2）电信业采用非对称数字用户线路（ADSL）为特点的公众电话网：(3)计算机公司采用局域网（LAN）利用五类线为用户服务：,12.5 数字电视标准,12.5.1 数字电视技术标准的作用与模拟电视相比，数字电视技术标准在数字化、网络化中具有更重要的地位和作用，其主要体现在以下几个方面：（1）在设备方面，模拟电视的标准主要规定设备的外在接口，而数字电视的标准不仅规定了设备的外在接口，还要对数字信号处理的整个过程和细节甚至每个比特都作了详细的规定。如果标准不统一，设备和网络都将无法联通，数字信号也就无法畅通。,（2）在系统方面，模拟电视系统是
33、单一的、相互独立的业务系统，而数字电视系统则是统一的、综合的、从播出到接收的大系统，接收端与播出端必须完全对应，这就要求对播出系统、传输系统、接收机或机顶盒统一制订标准。（3）在相互关系方面，模拟电视系统的标准是单一的技术标准，而数字电视系统的标准则是集信息标准、广播电视技术标准、通信传输标准、计算机标准于一体的多层次的标准。,12.5.2 世界三大数字电视标准表12-4所示的是3种数字电视技术标准对比表。 ,表12-4 3种数字电视技术标准对比表,习题十二,1.何谓数字电视？与模拟电视相比，它有哪些突出优点？2.简述数字电视系统的结构特点及其关键技术。3.CCIR601建议有哪些主要内容？有何实际意义？4.为什么要对数字图像信号进行压缩？压缩的依据是什么？5.声音压缩的依据是什么？,6.什么叫码距和最小码距？已知信息序列为：11001011，10001101，01011100，它们的码距和最小码距各是多少？7.信道编码与信源编码有哪些异同点？8.什么是机顶盒？它有哪些作用？,
