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1、第2 章数字电视的基本概念 数字电视原理数字电视原理主讲人：赵艳杰主讲人：赵艳杰西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社内蒙古大学电子信息工程学院内蒙古大学电子信息工程学院第2 章数字电视的基本概念 第第2章章 数字电视的基本概念数字电视的基本概念 2.1 数字电视的优点数字电视的优点 2.2 视频、音频信号数字化参数视频、音频信号数字化参数 2.3 图像分量信号量化电平和量化比特数的计算图像分量信号量化电平和量化比特数的计算 2.4 标准清晰度电视和高清晰度电视的各项参数标准清晰度电视和高清晰度电视的各项参数 2.5 数字电视系统数字电视系统 2.6 数字电视机顶盒数字电视机顶盒 第2
2、章数字电视的基本概念 2.1 数字电视的优点数字电视的优点 现行彩色电视制式的现行彩色电视制式的缺陷缺陷：1.画面细节分辨率不够，清晰度不足画面细节分辨率不够，清晰度不足2.复合信号方式的缺陷复合信号方式的缺陷3.大面积闪烁和行间闪烁大面积闪烁和行间闪烁4.电视图像的临场感不强电视图像的临场感不强5.长距离传输使信噪比恶化，图像清晰度受到损伤。长距离传输使信噪比恶化，图像清晰度受到损伤。数字电视数字电视：是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视 信号，信号，然后进行传输、处理或进行存储的系统然后进行传输、处理或进行存储的系统。第2 章数字电视的基本概念 数字
3、电视与原有的模拟电视相比，有如下优点：数字电视与原有的模拟电视相比，有如下优点：(1)数字电视用户容易实现数字电视用户容易实现“无差错接收无差错接收”，可看到与电视演播可看到与电视演播室相同质量的图像。为了保证最终输出有足够的信噪比，模拟室相同质量的图像。为了保证最终输出有足够的信噪比，模拟信号要求信号要求SNR40 dB，而数字信号只要求，而数字信号只要求SNR20 dB。(2)数字电视传输的频谱利用率高数字电视传输的频谱利用率高，相同带宽的信道，数字电视，相同带宽的信道，数字电视比模拟电视传送的节目数量大大增加。例如，现有的比模拟电视传送的节目数量大大增加。例如，现有的8MHz模模拟电视频
4、道拟电视频道(对对PAL制而言制而言)，可用于传输，可用于传输1套高清晰度数字电套高清晰度数字电视视(HDTV)节目或者节目或者46套标准清晰度数字电视套标准清晰度数字电视(SDTV)节目。节目。(3)数数字电视易于实现统计复用，字电视易于实现统计复用，可充分利用信道容量。可充分利用信道容量。(4)数字电视可实现移动接收。数字电视可实现移动接收。在移动速度为在移动速度为120 km/h的情况下，的情况下，可稳定接收数字电视信号。模拟电视只能固定接收。可稳定接收数字电视信号。模拟电视只能固定接收。第2 章数字电视的基本概念(5)数字电视可避免系统的非线性失真的影响。数字电视可避免系统的非线性失真
5、的影响。在模拟系统中，在模拟系统中，非线性失真会产生亮度对比度畸变、亮色串扰、色度畸变，造成非线性失真会产生亮度对比度畸变、亮色串扰、色度畸变，造成图像的明显损伤。而在数字系统中，可避免产生这种影响。图像的明显损伤。而在数字系统中，可避免产生这种影响。(6)数字电视易于实现信号的存储，数字电视易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性而且存储时间与信号的特性无关。近年来，随着大规模集成电路无关。近年来，随着大规模集成电路(半导体存储器半导体存储器)的发展，数的发展，数字电视技术可以存储多帧的电视信号，完成用模拟电视技术不可字电视技术可以存储多帧的电视信号，完成用模拟电视技术不可能达到的处理功
6、能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理，获得各种新的电视图像特技效果。换等处理，获得各种新的电视图像特技效果。(7)数字电视可以实现设备的自动化操作和调整数字电视可以实现设备的自动化操作和调整，与计算机配合，与计算机配合可实现各种自动控制和遥控操作。可实现各种自动控制和遥控操作。(8)数字电视很容易实现加密解密数字电视很容易实现加密解密 和加扰解扰技术和加扰解扰技术，便于专，便于专业应用业应用(包括军用包括军用)以及点播电视以及点播电视(VOD)应用应用(收费电视收费电视)。特别是。特别是开展各类条件接收的收费业务。开展各类条
7、件接收的收费业务。第2 章数字电视的基本概念(9)数字电视具有可扩展性、可分级性和互操作性数字电视具有可扩展性、可分级性和互操作性，能够实现不，能够实现不同层次图像质量的相互兼容，易于建立全国数字电视传输网。同层次图像质量的相互兼容，易于建立全国数字电视传输网。(10)数字电视可以与计算机数字电视可以与计算机“融合融合”而构成一类多媒体计算机而构成一类多媒体计算机系统，系统，成为未来成为未来“国家信息基础设施国家信息基础设施”(N11)的重要组成部分。的重要组成部分。(11)数字电视采用数字电视采用ITU-R BT.601(原为原为CCIR 601)建议，可以把建议，可以把模拟电视模拟电视PA
8、L制、制、NTSC制和制和SECAM制建立成统一的数字电视制建立成统一的数字电视参数规范，参数规范，改变了模拟体制下的改变了模拟体制下的NTSC制、制、PAL制和制和SECAM制制电视节目不能交换的特性。电视节目不能交换的特性。(12)数字电视改变了人们接收电视的方式。网络电视数字电视改变了人们接收电视的方式。网络电视 IPTV)、交互电视交互电视(ITV)和点播电视和点播电视(VOD)的诞生，的诞生，为电视的多种应用开为电视的多种应用开辟了新天地。交互电视、点播电视使人们在收看高清晰度电视辟了新天地。交互电视、点播电视使人们在收看高清晰度电视的同时，可以享受到的同时，可以享受到“电视导演或电
9、视编辑电视导演或电视编辑”的乐趣。的乐趣。第2 章数字电视的基本概念(13)数字电视的出现还极大地改变了信息家电的市场结构。数字电视的出现还极大地改变了信息家电的市场结构。数字电视能够促进电视机扩大画面、提高分辨率，并以全数字电视能够促进电视机扩大画面、提高分辨率，并以全新型电视机的姿态提高销售价格。数字电视易于实现不同质量新型电视机的姿态提高销售价格。数字电视易于实现不同质量的画面：的画面：HDTV的画面质量接近的画面质量接近35 mm宽屏幕电影水平，一帧宽屏幕电影水平，一帧图像的像素数高达图像的像素数高达19201080。一般来说，计算机在。一般来说，计算机在SVGA模式模式下的像素数为下
10、的像素数为800600，PAL制下制下VCD的最高像素数为的最高像素数为352240，DVD为为720576。常规模拟电视常有的模糊、重影、闪烁、。常规模拟电视常有的模糊、重影、闪烁、雪花点和图像失真等现象在数字电视中会得到大大改善。雪花点和图像失真等现象在数字电视中会得到大大改善。(14)数字电视功能更丰富。数字化信号便于存储，可方便地实数字电视功能更丰富。数字化信号便于存储，可方便地实现制式转换现制式转换，以及画中画、画外画和电视图像幅型变换等。，以及画中画、画外画和电视图像幅型变换等。第2 章数字电视的基本概念(15)数字电视具有高质量的音响效果。数字电视具有高质量的音响效果。数字电视采
11、用数字电视采用AC-3或或MUSICAM等环绕立体声编、解码方案，既可避免噪声、失真，等环绕立体声编、解码方案，既可避免噪声、失真，又能实现多路纯数字环绕立体声，使声音的空间临场感、音质又能实现多路纯数字环绕立体声，使声音的空间临场感、音质透明度和高保真等方面都更胜一筹。同时还具有多语种功能，透明度和高保真等方面都更胜一筹。同时还具有多语种功能，使得收看同一个节目可以选择不同的语种。使得收看同一个节目可以选择不同的语种。(16)数字电视具备通信功能。用户端配备相应的机顶盒后，用数字电视具备通信功能。用户端配备相应的机顶盒后，用户可以拨打可视电话、查询图文信息和进行远程教学等，户可以拨打可视电话
12、、查询图文信息和进行远程教学等，还可还可以通过微机联网实现浏览互联网、收发电子邮件、网上购物、以通过微机联网实现浏览互联网、收发电子邮件、网上购物、学习和娱乐等许多增值业务。数字电视不仅使图像质量提高，学习和娱乐等许多增值业务。数字电视不仅使图像质量提高，而且使现有的频率资源大幅度地增值，引起电视业务和经营方而且使现有的频率资源大幅度地增值，引起电视业务和经营方式及制作方式的变革。式及制作方式的变革。第2 章数字电视的基本概念 数字电视的主要优点数字电视的主要优点：（1）数字电视的）数字电视的抗干扰能力强抗干扰能力强。（2）数字电视信号能够）数字电视信号能够进行存储进行存储，包括成帧图像的存储
13、，从而能，包括成帧图像的存储，从而能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理，得以实现采用模拟方法进行包括时间轴和空间的二维、三维处理，得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。难以得到的各种信号处理功能。（3）数字电视）数字电视稳定可靠稳定可靠，易于调整，便于生产。，易于调整，便于生产。（4）数字电视信号由于具有数字信号的共同形式，容易和其它信）数字电视信号由于具有数字信号的共同形式，容易和其它信息链联，便于加入息链联，便于加入公用数据通信网公用数据通信网。它也便于与。它也便于与计算机或其它数字计算机或其它数字设备接口设备接口。数字电视的一个数字电视的一个主要缺点主要缺点：传输时所需的频带
14、太宽，传输时所需的频带太宽，难以在现有传输模拟信号的带宽内直难以在现有传输模拟信号的带宽内直接进行传输，同时，也难以实现模拟电视和数字电视的兼容。数字接进行传输，同时，也难以实现模拟电视和数字电视的兼容。数字电视为了提高图像通信的有效性，一般不采用直接电视为了提高图像通信的有效性，一般不采用直接 PCM方式方式传输，传输，而是对数字化后的信源信号先进行而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩数据压缩，然后再传输。，然后再传输。第2 章数字电视的基本概念 在在AD 转换器中：转换器中：时钟时钟模拟信号模拟信号 PAM信号信号 量化量化 PCM 取样取样 （脉冲幅度调制）（脉冲幅度调制）（脉冲编码调
15、制）（脉冲编码调制）若编出的若编出的n n位码用位码用n n位线输出，就是位线输出，就是并行码并行码。在数字设备内部或近。在数字设备内部或近距传输时，常用并行码。若进行远距传输或要与其它数字信号综合传距传输时，常用并行码。若进行远距传输或要与其它数字信号综合传输时，则通过并一串变换，变为输时，则通过并一串变换，变为串行码串行码。f(t)抽样抽样 量化量化 PCM 编码编码 后置低后置低 通滤波通滤波PCM 解解 码码 传输或传输或 处理处理f (t)f s(t)S(t)抽样信号抽样信号第2 章数字电视的基本概念 (d)F(f)-fm f 0fmFs(f)-fm fm f0-fsfs (e)f
16、(t)t(a)t(b)f s(t)426量化值量化值T 2T 3T 4T 5T 6T 7T000,011,100,110,111,110,101不归零的串行数字电视信号不归零的串行数字电视信号1(c)t6f(t)402实线为零阶实线为零阶保持信号保持信号虚线为再生虚线为再生模拟信号模拟信号(f)fs/2 -fs/2 G(f)f(g)图图 PCM 的编码与解码的编码与解码第2 章数字电视的基本概念 2.2 视频、音频信号数字化参数视频、音频信号数字化参数数字电视不进行数据压缩时，数码率太高。例如，亮度信数字电视不进行数据压缩时，数码率太高。例如，亮度信号号 Y抽样频率一般选为抽样频率一般选为13
17、.5 MHz(3倍彩色副载波频率倍彩色副载波频率)，每样，每样品值经品值经 8 bit量化后，数码率为量化后，数码率为：13.58=108 Mb/s 两个色差信号两个色差信号U、V 抽样频率均为抽样频率均为6.75 MHz (3/2倍彩色副倍彩色副载波频率载波频率)，每样品值经，每样品值经 8 bit 量化后，数码率为量化后，数码率为：6.758=54 Mb/s 所以，在不采用任何压缩措施时，总的数码率为所以，在不采用任何压缩措施时，总的数码率为：108+54+54=216 Mb/s。第2 章数字电视的基本概念 不压缩时的数字电视信号的数码率太高，频带太宽压缩时的数字电视信号的数码率太高，频带
18、太宽，从通，从通信系统的观点来看，信系统的观点来看，PCM传输方式是以带宽为代价换取高的传传输方式是以带宽为代价换取高的传输质量。输质量。数字电视为了提高图像通信的有效性，一般不采用直接数字电视为了提高图像通信的有效性，一般不采用直接PCM方式传输，而是对数字化后的信源信号先进行方式传输，而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩数据压缩，然后再传输。然后再传输。现已建立了各种数据压缩的国际标准，数码率可以大大降低。现已建立了各种数据压缩的国际标准，数码率可以大大降低。例如：美国所提出的高清晰度数字电视方案，数据压缩后经数字例如：美国所提出的高清晰度数字电视方案，数据压缩后经数字调制的信号带宽可做
19、到与普通调制的信号带宽可做到与普通NTSC制彩色电视信号的带宽相同制彩色电视信号的带宽相同(6MHz)，但图像质量实现了飞跃。我国的高清晰度数字电视，但图像质量实现了飞跃。我国的高清晰度数字电视(HDTV)压缩后经数字调制的压缩后经数字调制的带宽计划为带宽计划为 8 MHz，可以在我国，可以在我国PALD标准一套普通模拟电视节目带宽内传输。标准一套普通模拟电视节目带宽内传输。第2 章数字电视的基本概念 按照按照 MPEG-2 MPML(主档次主等级主档次主等级)标准，可把一路普通彩标准，可把一路普通彩色电视数字化后的色电视数字化后的 216 Mb/s 的数码率压缩到的数码率压缩到 8.448
20、Mb/s，相当于相当于模拟模拟信号带宽为信号带宽为4 MHz，但与模拟彩色电视相比，其主观图像质量没有任，但与模拟彩色电视相比，其主观图像质量没有任何降低。何降低。彩色数字会议电视系统的国际标准为彩色数字会议电视系统的国际标准为 H.261 (2.048 Mb/s)，图像，图像质量也可以达到满意的程度。质量也可以达到满意的程度。例如，例如，8.448 Mb/s 的数字电视信号经的数字电视信号经64QAM数字调制数字调制以后的模拟带宽可降到以后的模拟带宽可降到 2.2 MHz,则在则在 8MHz 带宽中，带宽中，可传可传 6 路路 8.448 Mb/s 经调制以后的数字电视信号。经调制以后的数字
21、电视信号。从数字电视发展来看，可有如下进程：从数字电视发展来看，可有如下进程：1.实现普通电视的数字化，利用实现普通电视的数字化，利用 MPEG-1 的国际标准，将数码率压的国际标准，将数码率压 缩到缩到 2.048 Mb/s (VCD质量质量)；2.按按 MPEG-2 标准中的主级标准，将数码率压缩到标准中的主级标准，将数码率压缩到 8.448 Mb/s,其图其图 像质量可达现有电视演播室的质量像质量可达现有电视演播室的质量 (DVD质量质量)；3.按按 MPEG-2 的高级标准，将数码率压缩到的高级标准，将数码率压缩到 20 Mb/s 左右，其图像左右，其图像 质量可达质量可达 HDTV
22、的质量。的质量。第2 章数字电视的基本概念 一一.视频信号的抽样结构视频信号的抽样结构 大量的主观测试表明，大量的主观测试表明，固定的抽样结构比移动的抽样结构图固定的抽样结构比移动的抽样结构图像质量要好。像质量要好。固定抽样结构常采用固定抽样结构常采用正交结构正交结构，即各帧、各场、各，即各帧、各场、各行的样点都是垂直对准的。正交抽样结构可直接由时钟频率行的样点都是垂直对准的。正交抽样结构可直接由时钟频率为行为行频频(fH )整数倍整数倍(m 倍倍)的抽样频率抽样产生。的抽样频率抽样产生。例如，对我国例如，对我国PAL制电视来说，行频制电视来说，行频 fH=15 625 Hz，如果取，如果取抽
23、样频率为抽样频率为13.5 MHz，则每行得出来的样点刚好为，则每行得出来的样点刚好为正交整数样正交整数样点结构点结构，即为，即为：第2 章数字电视的基本概念 在在 ITU-R BT.601建议中，要求采用分量信号建议中，要求采用分量信号Y、U、V 进行进行编码压缩编码压缩。在对数据压缩之前，必须对分量信号进行正交抽样。在对数据压缩之前，必须对分量信号进行正交抽样。Y U V 抽样点结构可分为三种：抽样点结构可分为三种：4 4 4、4 2 2 和和4 2 0。1.4 4 4、4 2 2 和和 4 2 0 抽样点结构抽样点结构图图 2.2.1(a)所示为所示为4 4 4、抽样点结构。抽样点结构。
24、图图 2.2.1 抽样点结构抽样点结构第2 章数字电视的基本概念 (b)Y U V=4 2 2;(c)Y U V=4 2 0 图图 2.2.1(b)所示为所示为 4 2 2 抽样点结构。图抽样点结构。图 2.2.1(c)所示为所示为4 2 0 抽样点结构。抽样点结构。第2 章数字电视的基本概念 2.图像数据格式和图像数据格式和不压缩时数码率的计算不压缩时数码率的计算1)几种典型数字电视设备的数据格式几种典型数字电视设备的数据格式第2 章数字电视的基本概念 第2 章数字电视的基本概念 2)不压缩时数码率的计算不压缩时数码率的计算方法一：数码率数码率=采样频率采样频率每样点的比特数每样点的比特数对
25、对DVD图像格式可作如下计算：图像格式可作如下计算：Y：13.5 MHz8 bit=108 Mb/s U：6.75 MHz8 bit=54 Mb/s V：6.75 MHz8 bit=54 Mb/s 合计合计=216 Mb/s 这只是一种粗略的估算。对于按此方法算出来的数码率这只是一种粗略的估算。对于按此方法算出来的数码率 216 Mb/s，如按，如按 MPEG-2标准压缩后，数码率为标准压缩后，数码率为 8.448 Mb/s，压缩比，压缩比约为约为 26 1；如按如按 MPEG-1 标准压缩后，数码率为标准压缩后，数码率为2.048 Mb/s，压缩比约为压缩比约为 100 1。第2 章数字电视
26、的基本概念 方法二：数码率数码率=一帧图像样点样数一帧图像样点样数每样点比特数每样点比特数每秒帧数每秒帧数 一帧图像样点样数一帧图像样点样数=每行有效样点数每行有效样点数一帧图像的有效行数一帧图像的有效行数对对DVD图像格式可作如下计算：图像格式可作如下计算：对于对于Y信号，速率的计算如下：信号，速率的计算如下：一行一行样点数样点数 采样频率采样频率/行频行频 =13.5 MHz/15.625 kHz=864 一行一行有效样点数有效样点数=864=8640.83=720 (为水平回扫率，该式即表示去掉行消隐后的有效样点数为水平回扫率，该式即表示去掉行消隐后的有效样点数)一帧一帧有效行数有效行数
27、=625-50=575 (取取576，即表示去掉场消隐后的有效行数，即表示去掉场消隐后的有效行数)一帧图像样点数一帧图像样点数=720576=414 720Y：7205768 bit25 Hz=82.944 Mb/s第2 章数字电视的基本概念 对于对于U、V 信号，如按信号，如按Y U V=4 2 2，其数码率计算如下：其数码率计算如下：V：3605768 bit25 Hz=41.472 Mb/s U：3605768 bit25 Hz=41.472 Mb/s 合计合计=165.9 Mb/s按这种计算方法算出的数码率不包括行、场消隐期间的样点按这种计算方法算出的数码率不包括行、场消隐期间的样点数
28、据。如按数据。如按 MPEG-2 MLMP(主档次主等级主档次主等级)标准压缩后，数码标准压缩后，数码率为率为8.448 Mb/s，压缩比约为，压缩比约为20 1；如按如按 MPEG-1标准压缩后，标准压缩后，数码率为数码率为 2.048 Mb/s，压缩比约为，压缩比约为 82 1。第2 章数字电视的基本概念 实际计算不压缩时的数码率常采用实际计算不压缩时的数码率常采用方法二方法二方式方式，而且只要知，而且只要知道表所列出的数据格式就可直接算出。道表所列出的数据格式就可直接算出。例如：例如：按按 Y U V=4 2 0 计算表计算表 2.2.1 中中 VCD 格式不压缩格式不压缩时的数码率如下
29、：时的数码率如下：Y：3522888 bit25 Hz=20.2752 Mb/s V：1761448 bit25Hz=5.0688 Mb/s U：1761448 bit25 Hz=5.0688 Mb/s 合计合计=30.4128 Mb/s 如果压缩比为如果压缩比为 20 1，则经压缩后的数码率为，则经压缩后的数码率为 1.52064 Mb/s，这就是我们通常使用的这就是我们通常使用的 VCD的数码率。的数码率。第2 章数字电视的基本概念 二二.视频、音频信号量化及量化噪声视频、音频信号量化及量化噪声 把幅度上连续变化的信号变为二进制离散信号时，必经过把幅度上连续变化的信号变为二进制离散信号时，
30、必经过抽抽样、量化和编码过程样、量化和编码过程，这三个过程虽然现在可在，这三个过程虽然现在可在A/D芯片中一次芯片中一次完成，但在严格考查完成，但在严格考查图像质量图像质量时有必要分析量化和量化噪声。时有必要分析量化和量化噪声。视频信号量化采用视频信号量化采用舍入量化舍入量化。如图所示，即用四舍五入来处。如图所示，即用四舍五入来处理被量化信号与预置量化级数电平之间的差值。理被量化信号与预置量化级数电平之间的差值。A表示量化间距表示量化间距，f(t)表示视频信号，表示视频信号，f(t)表示量化后的电表示量化后的电平函数值。这样，平函数值。这样，f(t)f(t)为舍入量化的量化误差，最大量化误为舍
31、入量化的量化误差，最大量化误差为差为A/2。e(t)=f(t)f(t)第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.2 舍入量化舍入量化第2 章数字电视的基本概念 (d)F(f)-fm f 0fmFs(f)-fm fm f0-fsfs (e)f (t)t(a)t(b)f s(t)426量化值量化值T 2T 3T 4T 5T 6T 7T000,011,100,110,111,110,101不归零的串行数字电视信号不归零的串行数字电视信号1(c)t6f(t)402实线为零阶实线为零阶保持信号保持信号虚线为再生虚线为再生模拟信号模拟信号(f)fs/2 -fs/2 G(f)f(g)图图 PCM 的编码与解
32、码的编码与解码第2 章数字电视的基本概念 若输入信号的动态范围若输入信号的动态范围 A一定时，把它变换为有限个一定时，把它变换为有限个M 量化量化电平级，则电平级，则量化间距量化间距A越小，越小，量化级数量化级数M 越多，可表示为越多，可表示为：采用二进制编码，所需的比特数采用二进制编码，所需的比特数n也随也随M 的增大而增大，即的增大而增大，即：M=2n M 与与 n 的取值主要由量化的信噪比决定。的取值主要由量化的信噪比决定。第2 章数字电视的基本概念 1.均匀量化时的信噪比均匀量化时的信噪比 在输入信号的动态范围内，任何地方的量化间隔幅度相等的量在输入信号的动态范围内，任何地方的量化间隔
33、幅度相等的量化称均匀量化或线性量化。从图化称均匀量化或线性量化。从图 可以看出舍入量化的量化误差为可以看出舍入量化的量化误差为A/2 或或 A/2。设。设f(t)为连续信号，为连续信号，f(t)为量化后输出的阶梯为量化后输出的阶梯信号，信号，e(t)为量化误差为量化误差，则有，则有：e(t)=f(t)f(t)设设量化噪声功率为量化噪声功率为Nq，它是单位负载电阻上量化误差电压的平方，它是单位负载电阻上量化误差电压的平方在周期在周期T中的平均值，即中的平均值，即：可以得出结论：可以得出结论：量化间距量化间距A越小，量化误差引起的失真功率越小，量化误差引起的失真功率也越小。也越小。第2 章数字电视
34、的基本概念 （1）电视信号）电视信号(单极性信号单极性信号)的量化信噪比的量化信噪比 电视信号电视信号(单极性信号单极性信号)的量化的量化信噪比信噪比计算式如下：计算式如下：式中：式中：SP-P 表示电视信号峰峰值表示电视信号峰峰值;Nq(r，m，s)表示噪声信表示噪声信号号均方根值均方根值。用分贝表示：。用分贝表示：可以得出结论：量化可以得出结论：量化比特数比特数 n 每增加每增加1 bit，信噪比上升信噪比上升6dB，反之，每下降，反之，每下降1 bit，信噪比降低，信噪比降低6 dB。第2 章数字电视的基本概念 按照按照ITU-R BT.601建议，用于传输时的视频信号量化比特建议，用于
35、传输时的视频信号量化比特数取数取 n=8 bit，此时，量化信噪比应为，此时，量化信噪比应为59 dB。数字信号在传输过程中只要不产生误码，或者当所产生的数字信号在传输过程中只要不产生误码，或者当所产生的误码被全部纠正过来时，就不会增加新的噪声。所以，在测量误码被全部纠正过来时，就不会增加新的噪声。所以，在测量数字电视的信噪比时，基本上可由量化信噪比来确定。量化比数字电视的信噪比时，基本上可由量化信噪比来确定。量化比特数特数n与量化信噪比的关系如表与量化信噪比的关系如表 所示。所示。第2 章数字电视的基本概念 00.51.0tG000.51.0R0tB0t00.51.0t-0.5-1.0 R0
36、-Y00.51.0-0.590.70-0.700.590.11-0.110 0 0-0.5-1.0 B0-Y000.51.0t0 0.89-0.59-0.890.59-0.300.3000.51.0Y00.890.700.590.410.300.110 t1.0图图1.3-2 100-0-100-0 彩条的基色信号、亮度信号与色差信号波形彩条的基色信号、亮度信号与色差信号波形第2 章数字电视的基本概念(2)声音信号声音信号(双极性信号双极性信号)的量化信噪比的量化信噪比 设声音信号的设声音信号的最大幅度为最大幅度为A，它是在，它是在+A到到A之间变化的。之间变化的。对它均匀量化成对它均匀量化成
37、 N 级，有级，有2 A=NA，N=2n (以二进制表示以二进制表示)量化信噪比：量化信噪比：用分贝表示为：用分贝表示为：第2 章数字电视的基本概念 若输入信号幅度若输入信号幅度 a小于最大输入幅度小于最大输入幅度A，则有，则有：用分贝表示为用分贝表示为：所以，当输入信号幅度下降所以，当输入信号幅度下降1/2时，信噪比下降时，信噪比下降 6 dB。第2 章数字电视的基本概念 2.用非均匀量化改善量化信噪比用非均匀量化改善量化信噪比 式式(2.2.5)和式和式(2.2.7)，即，即电视信号和声音信号的信噪比电视信号和声音信号的信噪比可分别写成可分别写成：当当均匀量化间距均匀量化间距A固定固定时，
38、量化信噪比随输入信号幅度时，量化信噪比随输入信号幅度A的的增加而增加。这就使得在增加而增加。这就使得在强信号时可把噪声淹没掉强信号时可把噪声淹没掉，但在弱信号，但在弱信号时，噪声的干扰就十分显著。为改善弱信号的信噪比，使得在输时，噪声的干扰就十分显著。为改善弱信号的信噪比，使得在输入信号幅度变化时，量化信噪比基本不变。入信号幅度变化时，量化信噪比基本不变。第2 章数字电视的基本概念 应使均匀量化间距应使均匀量化间距A随输入信号幅度随输入信号幅度A的改变而改变。即的改变而改变。即强信号时粗量化强信号时粗量化(加大加大A)，弱信号时细量化，弱信号时细量化(减小减小A)，也就是采也就是采用非均匀量化
39、用非均匀量化(或称非线性量化或称非线性量化)来改善量化信噪比。来改善量化信噪比。非均匀量化通常有两种方法非均匀量化通常有两种方法：一种方法是把一种方法是把非线性处理非线性处理放在编码器之前和解码器之后的放在编码器之前和解码器之后的模拟电路部分，模拟电路部分，编、解码器中仍然采用均匀量化编、解码器中仍然采用均匀量化，如图，如图 2.2.3 所所示。在均匀量化编码器之前，对输入信号的大幅度信号进行压缩，示。在均匀量化编码器之前，对输入信号的大幅度信号进行压缩，这样等效于对这样等效于对强信号进行粗量化、强信号进行粗量化、弱信号进行细量化弱信号进行细量化。在均匀。在均匀量化解码器之后，再进行反特性扩张
40、，以恢复原信号。量化解码器之后，再进行反特性扩张，以恢复原信号。第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.3 压缩扩张编码方式压缩扩张编码方式第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.4 非均匀量化非均匀量化 另一种方法是直接另一种方法是直接采用非均匀量化采用非均匀量化，如图所示。，如图所示。对于视频信号，对于视频信号，在高效编码时常采用非均匀量化器。在高效编码时常采用非均匀量化器。在在MPEG标准中，标准中，DCT变换后变换后对对变换系数变换系数进行非均匀量化，低频信号采用细量化，高频信号采用进行非均匀量化，低频信号采用细量化，高频信号采用粗量化。读者可查阅第粗量化。读者可查阅第4章编码压缩
41、中章编码压缩中DCT系数非均匀量化器实例。系数非均匀量化器实例。第2 章数字电视的基本概念 三三.全信号和分量信号编码全信号和分量信号编码对数字电视信号进行编码可分为对数字电视信号进行编码可分为全信号编码全信号编码和和分量信号编码分量信号编码，如图所示，其中图如图所示，其中图2.2.5(a)为全信号编码，图为全信号编码，图2.2.5(b)为分量信号为分量信号编码。编码。1.全信号编码全信号编码 这种全信号编码，很简单，但易造成亮、色干扰。对这种全信号编码，很简单，但易造成亮、色干扰。对SECAM彩色电视制式来说，由于色差信号对副载频的调制方式是调频的，彩色电视制式来说，由于色差信号对副载频的调
42、制方式是调频的，难于采用全信号编码，只能采用分量信号编码。难于采用全信号编码，只能采用分量信号编码。图图 2.2.5(a)全信号编码编码框图全信号编码编码框图第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.5(b)分量信号编码框图分量信号编码框图 分量信号编码虽增加了数字亮、色分离，但编码压缩是对分分量信号编码虽增加了数字亮、色分离，但编码压缩是对分量信号进行的，消除了亮、色干扰现象。这种处理方式可使图像量信号进行的，消除了亮、色干扰现象。这种处理方式可使图像质量提高，因此应用较为广泛。国际标准中均采用分量信号编码质量提高，因此应用较为广泛。国际标准中均采用分量信号编码方式。方式。2.分量信号编码分
43、量信号编码第2 章数字电视的基本概念 四四.图像分量信号量化比特数确定和量化电平分配图像分量信号量化比特数确定和量化电平分配通过通过ITU-R BT.601建议，可确定建议，可确定625行行/50 Hz和和525行行/60 Hz电视系统分量视频的参数。该文件规定了电视系统分量视频的参数。该文件规定了525 行和行和 625 行电视信行电视信号的数字化参数。号的数字化参数。它规定它规定 13.5 MHz 为模拟为模拟亮度信号亮度信号的的正交抽样频率，正交抽样频率，6.75 MHz为两个模拟为两个模拟色差信号色差信号 的抽样频率。抽样值为数的抽样频率。抽样值为数字亮度字亮度 Y和数字色差与。和数字
44、色差与。与与 和和 相对应的分别是模拟已作伽马校正的色差信相对应的分别是模拟已作伽马校正的色差信号号 kb(BY)和和 kr(RY)。13.5 MHz 之所以被选用为抽样频率，是因为其因子之所以被选用为抽样频率，是因为其因子 2.25 MHz 是是 525 和和 625 行频的行频的公因子公因子。第2 章数字电视的基本概念 按照按照ITU-R BT.601建议，演播室现在普遍采用每个抽样建议，演播室现在普遍采用每个抽样10 bit量化，传输时，既允许量化，传输时，既允许采用采用8 bit量化量化(对应对应 256个量化电平个量化电平级，即级，即00hFFh)，也可以采用，也可以采用10 bit
45、量化量化(对应对应1024个量化电平个量化电平级，即级，即000h3FFh)。每个抽样的每个抽样的8 bit量化字在数值上可以直接转换为量化字在数值上可以直接转换为10 bit数值，数值，而而10 bit数值也可以还原为数值也可以还原为8 bit数值，相互间具有互换性。数值，相互间具有互换性。色差分量和的量化电平范围为色差分量和的量化电平范围为040h 3C0h (见见图图2.2.6)，所对应的模拟信号范围在，所对应的模拟信号范围在350 mV之间。色差信号的之间。色差信号的摆动可超出这一范围，总的可用范围为摆动可超出这一范围，总的可用范围为-400399.2 mV，上下所，上下所超出的超出的
46、值均为值均为50 mV，这称为色差信号上、下保护带。，这称为色差信号上、下保护带。第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.6 色差信号的量化电平分配色差信号的量化电平分配(a)信号信号;(b)信号信号第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.7 亮度信号亮度信号Y的量化电平分配的量化电平分配第2 章数字电视的基本概念 图所示的是图所示的是数字样值数字样值相对于模拟行消隐的定位情况，图所示的相对于模拟行消隐的定位情况，图所示的则是图像区的空间关系。由于定时信息是通过有效则是图像区的空间关系。由于定时信息是通过有效视频结束数据包视频结束数据包(EAV)和有效视频和有效视频起始数据包起始数据包(S
47、AV)传送的，因此不再需要常规的传送的，因此不再需要常规的模拟同步信号。模拟同步信号。在行消隐期及场消隐期中的整个行周期内，均可用于传送音频在行消隐期及场消隐期中的整个行周期内，均可用于传送音频和其它辅助数据。和其它辅助数据。EAV和和SAV定时数据包在数据流中的定时数据包在数据流中的识别识别可以通过数据包头的起可以通过数据包头的起始字来进行：前三个字是始字来进行：前三个字是3FFh、000h、000h，第四个字第四个字是是(XYZ)，它在它在EAV和和SAV数据包中含有与信号有关的信息。分量数字视频中的数据包中含有与信号有关的信息。分量数字视频中的辅助数据包是通过包头的起始字辅助数据包是通过
48、包头的起始字000h、3FFh、3FFh来识别的。来识别的。数据字数据字“XYZ”为为10 bit字字，其中两个最低有效位预置为零，以维，其中两个最低有效位预置为零，以维持每抽样持每抽样8 bit 量化格式。量化格式。第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.8 数字样值相对于模拟行消隐的定位情况数字样值相对于模拟行消隐的定位情况第2 章数字电视的基本概念 图图 数据格式与模拟波形的定时关系数据格式与模拟波形的定时关系52us64us12us864T728T720T144T第2 章数字电视的基本概念 数字有数字有效行效行由样点由样点133852，样点样点720；正程正程对应的样点对应的样点14
49、2844，样点样点702；第2 章数字电视的基本概念 图图 2.2.9 2 1隔行数字帧的格式示意图隔行数字帧的格式示意图第2 章数字电视的基本概念 在标准清晰度中所包含的数据字在标准清晰度中所包含的数据字“XYZ”表示功能状态，其数表示功能状态，其数值具有以下含义：值具有以下含义：Bit8(F-bit)，F=0为第一场，为第一场，F=1为第二场为第二场;Bit7(V-bit)，V=1为处于场消隐期，为处于场消隐期，V=0为有效视频行期间为有效视频行期间;Bit6(H-bit)，H=1表示表示EAV序列，序列，H=0表示表示SAV序列。序列。并行数字接口按照并行数字接口按照Rec.601，抽样
50、形成的数据流电接口分别由，抽样形成的数据流电接口分别由美国美国SMPTE和欧洲和欧洲EBU标准确定，其中标准确定，其中525/59.94格式依据格式依据SMPTE 125M标准，而标准，而625/50格式则依据格式则依据EBU Tech.3267标准。标准。并行接口复用数据字按照，并行接口复用数据字按照，Y，Y，的顺序，的顺序，形成的形成的码流数码率为码流数码率为27 Mb/s。在每一行中，均插入了定时序列。在每一行中，均插入了定时序列SAV和和EAV。525 和和 625格式的格式的数字有效行数字有效行都包含了都包含了720个亮度样个亮度样值值，模拟消隐期间的剩余样值可用于定时和其它数据。，