1、第2章数字电视的基本概念 2.1 数字电视的优点 2.2 视、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 2.4 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 2.6 数字电视机顶盒 习题第第2章章 数字电视的基本概念数字电视的基本概念 第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 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“无差错接收”，可看到与电视演播室相同质量的图像。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的“0”、“1”两个电平来表示的，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一
2、额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉。即使某一杂波电平在传输的过程中超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信噪比(SNR)，接收端的图像也没有背景噪声。而模拟信号在处理和传输过程中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信噪比，模拟信号要求SNR40 dB，而数字信号只要求SNR20 dB。第2章数字电视的基本概念(2)数字电视传输的频谱利用率高，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8MHz模拟电视频道(对PAL制而言)，可用于传输1套高清晰度数字电视(HDTV)节目或者46套标准
3、清晰度数字电视(SDTV)节目。(3)数字电视易于实现统计复用，可充分利用信道容量。在把数字电视节目流打包成传输流时，可实现统计复用，使总速率下降。数字电视技术可实现时分多路复用以及数字视频、数字音频和其它多媒体信号混传，充分利用信道容量。第2章数字电视的基本概念(4)数字电视可实现移动接收。在移动速度为120 km/h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。(5)数字电视可避免系统的非线性失真的影响。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，而且存储时间与信号的特
4、性无关。近年来，随着大规模集成电路(半导体存储器)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。第2章数字电视的基本概念 (7)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和加扰解扰技术，便于专业应用(包括军用)以及点播电视(VOD)应用(收费电视)。特别是开展各类条件接收的收费业务，这是数字电视的重要增值点，也是数字电视得以快速滚动式发展的基础。(9)数字电视具有可扩展性、可分级性和互操作性，能够实现不同层次
5、图像质量的相互兼容，易于建立全国数字电视传输网。第2章数字电视的基本概念(10)数字电视可以与计算机“融合”而构成一类多媒体计算机系统，成为未来“国家信息基础设施”(N11)的重要组成部分。(11)数字电视采用ITU-R BT.601(原为CCIR 601)建议，可以把模拟电视PAL制、NTSC制和SECAM制建立成统一的数字电视参数规范，改变了模拟体制下的NTSC制、PAL制和SECAM制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(IPTV)、交互电视(ITV)和点播电视(VOD)的诞生，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
6、的同时，可以享受到“电视导演或电视编辑”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的画面：HDTV的画面质量接近35 mm宽屏幕电影水平，一帧图像的像素数高达19201080。一般来说，计算机在SVGA模式下的像素数为800600，PAL制下VCD的最高像素数为352240，DVD为720576。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。(14)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
7、换，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。数字电视采用AC-3或MUSICAM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。(16)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，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、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
8、和经营方式及制作方式的变革。第2章数字电视的基本概念 2.2 视、音频信号数字化参数视、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，亮度信号Y抽样频率一般选为13.5 MHz(3倍彩色副载波频率)，每样品值经8 bit量化后，数码率为13.58=108 Mb/s。两个色差信号U、V抽样频率均为6.75 MHz(3/2倍彩色副载波频率)，每样品值经8 bit 量化后，数码率为54 Mb/s。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。而理论上PCM二进制传输信道每1 Hz带宽能传输的最高数码率是 2 b/s。因此，这相当于要求信道提供108
9、MHz的带宽，是现有视频信号带宽的10倍以上。第2章数字电视的基本概念 由以上分析知，不压缩时的数字电视信号的数码率太高，频带太宽，从通信系统的观点来看，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PCM方式传输，而是对数字化后的信源信号先进行数据压缩，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。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到与普通NTSC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(HDTV)压缩后经数字调制的带宽计划为8 MHz，可以在
10、我国PALD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MPEG-2 MPML(主档次主等级)标准，可把一路普通彩色电视数字化后的216 Mb/s的数码率压缩到8.448 Mb/s，它是未压缩前数据量的3.91，相当于模拟信号带宽为4 MHz，但与模拟彩色电视相比，其主观图像质量没有任何降低。另外，彩色数字会议电视系统的国际标准为H.261(2.048 Mb/s)，数据量仅为未压缩前的0.95，图像质量也可以达到满意的程度。例如，8.448 Mb/s的数字电视信号经64QAM数字调制以后的模拟带宽可降到 2.2 MHz,则在8 MHz带宽中，可传6路8.448 Mb/s经
11、调制以后的数字电视信号。第2章数字电视的基本概念 目前已被采用的数字电视设备有数字电视编/解码器、数字演播室设备(包括数字摄像机、数字特技、数字时基校正器、数字帧同步机、数字录像机等)、数字调制解调器、数字电视接收机等。数字化设备可大大扩展特技功能，加强艺术效果。从数字电视发展的趋势来看，可有如下进程：第一步，实现普通电视的数字化，利用MPEG-1的国际标准，将数码率压缩到2.048 Mb/s(VCD质量)，其图像质量可优于家用录像机VHS的质量;第二步，按MPEG-2标准中的主级标准，将数码率压缩到8.448 Mb/s,其图像质量可达现有电视演播室的质量(DVD质量);第三步，按MPEG-2
12、的高级标准，将数码率压缩到20 Mb/s左右，其图像质量可达HDTV的质量。第2章数字电视的基本概念 2.2.1 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，固定的抽样结构比移动的抽样结构图像质量要好，从时序的产生和电视信号的数字处理方面来说，实现固定的抽样结构比移动的抽样结构要容易得多。因此，广泛采用固定的抽样结构。固定抽样结构常采用正交结构，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为行频(fH)整数倍(m倍)的抽样频率抽样产生。第2章数字电视的基本概念 例如，对我国PAL制电视来说，行频fH=15 625 Hz，如果取抽样频率为13.5 MHz，则每
13、行得出来的样点刚好为正交整数样点结构，即为 在ITU-R BT.601建议中，要求采用分量信号Y、U、V进行编码压缩。在对数据压缩之前，必须对分量信号进行正交抽样。Y U V抽样点结构可分为三种：4 4 4、4 2 2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2.2.1所示为4 4 4、4 2 2和4 2 0三种抽样点结构。13.5MHz86415625Hz第2章数字电视的基本概念 图 2.2.1 抽样点结构(a)Y U V=4 4 4;(b)Y U V=4 2 2;(c)Y U V=4 2 0第2章数字电视的基本概念 图中：图2.2.1(a)为4 4 4抽样
14、点结构，该结构中每一个抽样点都有亮度信号Y和两个色差信号U、V;图2.2.1(b)为4 2 2抽样点结构，该结构中每一个抽样点都有亮度信号Y，而在行方向上每四个抽样点分别有两个色差信号U、V;图2.2.1(c)为4 2 0抽样点结构，该结构中每一个抽样点都有亮度信号Y，而在上、下两行每四个抽样点分别有一个色差信号U、V。第2章数字电视的基本概念 2.图像数据格式和不压缩时数码率的计算图像数据格式和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表2.2.1列出了几种典型的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方法一：数码率=采
15、样频率每样点的比特数对DVD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=216 Mb/s 第2章数字电视的基本概念 这种计算方法包括了行、场消隐期间的所有的样点数据。实际上行、场消隐期间的样点数据对显示图像无用，在实际的编码压缩标准中要把它们略去。所以说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MPEG-2标准压缩后，数码率为8.448 Mb/s，压缩比约为26 1;如按MPEG-1标准压缩后，数码率为2.048 Mb/s，压缩比约为10
16、0 1。方法二：数码率=一帧图像样点样数每样点比特数每秒帧数(25 Hz)一帧图像样点样数=每行有效样点数一帧图像的有效行数第2章数字电视的基本概念 对DVD图像格式可作如下计算：对于Y信号，速率的计算如下：一行样点数=13.5 MHz/15.625 kHz=864一行有效样点数=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)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=720576=414 720Y：7205768 bit25 Hz=82.944 Mb/s采样频率行频第2章数字电视的基本概念 对于U、V信号，
17、如按Y U V=4 2 2，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=165.9 Mb/s按这种计算方法算出的数码率不包括行、场消隐期间的样点数据。如按MPEG-2 MLMP(主档次主等级)标准压缩后，数码率为8.448 Mb/s，压缩比约为20 1;如按MPEG-1标准压缩后，数码率为2.048 Mb/s，压缩比约为82 1。第2章数字电视的基本概念 上述、计算方法带来的差异只在于行、场消隐期间的样点数据。实际计算不压缩时的数码率常采用方法二方式，而且只要知道表2.2.1所列出的数据格式
18、就可直接算出。例如：按Y U V=4 2 0 计算表2.2.1中VCD格式不压缩时的数码率如下：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=30.4128 Mb/s 如果压缩比为20 1，则经压缩后的数码率为1.52064Mb/s，这就是我们通常使用的VCD的数码率。第2章数字电视的基本概念 2.2.2 视、音频信号量化及量化噪声视、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，必经过抽样、量化和编码过程，这三个过程虽然现在可
19、在A/D芯片中一次完成，但在严格考查图像质量时有必要分析量化和量化噪声。视频信号量化采用舍入量化。如图2.2.2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。在图2.2.2中，A表示量化间距，f(t)表示视频信号，f(t)表示量化后的电平函数值。这样，f(t)f(t)为舍入量化的量化误差，最大量化误差为。下面分析舍入量化的量化噪声。2A第2章数字电视的基本概念 图 2.2.2 舍入量化第2章数字电视的基本概念 若输入信号的动态范围A一定时，把它变换为有限个M量化电平级，则量化间距A越小，量化级数M越多，可表示为 (2.2.1)采用二进制编码，所需的比特数n也随M的增大而增大，
20、即 M=2n(2.2.2)M与n的取值主要由量化的信噪比决定。AAM第2章数字电视的基本概念 1)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化称均匀量化或线性量化，从图2.2.2可以看出舍入量化的量化误差为或。设f(t)为连续信号，f(t)为量化后输出的阶梯信号，e(t)为量化误差，则有 e(t)=f(t)f(t)(2.2.3)2A2A第2章数字电视的基本概念 舍入量化时，e(t)除f(t)的极大值和拐点缓变区外，其余部分都是锯齿状。e(t)的斜率k=A/T,所以。设量化噪声功率为Nq，它是单位负载电阻上量化误差电压的平方在周期T中的平均值，即 (2.2.4)可以
21、得出结论：量化间距A越小，量化误差引起的失真功率也越小。tTAktte)(2222232231()d312TTTTqAtANe ttTT第2章数字电视的基本概念(1)电视信号(单极性信号)的量化信噪比。电视信号(单极性信号)的量化信噪比计算式如下：(2.2.5)式中：SP-P表示电视信号峰峰值;Nq(r，m，s)表示噪声信号均方根值。P-P222 32(r.m.s)12nnqSANA 第2章数字电视的基本概念 用分贝表示：(2.2.6)可以得出结论：量化比特数n每增加1 bit，信噪比上升6 dB，反之，每下降1 bit，信噪比降低6 dB。按照ITU-R BT.601建议，用于传输时的视频信
22、号量化比特数取n=8 bit，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。量化比特数n与量化信噪比的关系如表2.2.2所示。P-PdB20log 2 3210.86(r.m.s)nqSnN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)声音信号(双极性信号)的量化信噪比。设声音信号的最大幅度为A，它是在+A到A之间变化的。对它均匀量化成N级，有2A=NA，N=2n (以二进制表示)量化信噪比：(2.2.7)222max212322AnAqSN第2章
23、数字电视的基本概念 用分贝表示为 (2.2.8)若输入信号幅度a小于最大输入幅度A，则有 (2.2.9)maxdB6.021.76qSnN22222max212322anAqqSSaaNAAN第2章数字电视的基本概念 用分贝表示为 (2.2.10)所以，当输入信号幅度下降1/2时，信噪比下降6 dB。maxdBdB20logqqSSaNNA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 式(2.2.5)和式(2.2.7)可分别写成 (2.2.11)(2.2.12)P-P2 3(r.m.s)qSANA2max223qSANA第2章数字电视的基本概念 由式(2.2.11)和式(2.2.1
24、2)可以看出，当均匀量化间距A固定时，量化信噪比随输入信号幅度A的增加而增加。这就使得在强信号时可把噪声淹没掉，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，使得在输入信号幅度变化时，量化信噪比基本不变，由式(2.2.11)和式(2.2.12)可知，应使均匀量化间距A随输入信号幅度A的改变而改变。即强信号时粗量化(加大A)，弱信号时细量化(减小A)，也就是采用非均匀量化(或称非线性量化)来改善量化信噪比。第2章数字电视的基本概念 非均匀量化通常有两种方法。一种方法是把非线性处理放在编码器之前和解码器之后的模拟电路部分，编、解码器中仍然采用均匀量化，如图2.2.3所示。在均匀量化编码
25、器之前，对输入信号的大幅度信号进行压缩，这样等效于对强信号进行粗量化、弱信号进行细量化。在均匀量化解码器之后，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 2.2.3 压缩扩张编码方式第2章数字电视的基本概念 另一种方法是直接采用非均匀量化，如图2.2.4所示。对于视频信号，在高效编码时常采用非均匀量化器。在MPEG标准中，DCT变换后对变换系数进行非均匀量化，低频信号采用细量化，高频信号采用粗量化。读者可查阅第4章编码压缩中DCT系数非均匀量化器实例。第2章数字电视的基本概念 图 2.2.4 非均匀量化第2章数字电视的基本概念 2.2.3 全信号和分量信号编码全信号和分量信号
26、编码对数字电视信号进行编码可分为全信号编码和分量信号编码，如图2.2.5所示，其中图2.2.5(a)为全信号编码，图2.2.5(b)为分量信号编码。从图2.2.5(a)可以看出，模拟全电视信号先经A/D变换为数字信号，再经全信号编码压缩后输出，在接收端经全信号解码，最后经D/A送出模拟全电视信号。这种全信号编码，从图2.2.5(a)上看似乎很简单，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，难于采用全信号编码，只能采用分量信号编码。第2章数字电视的基本概念 从图2.2.5(b)可以看出，模拟全电视信号经A/D变换后，再经数字亮、色分离，分离成数字亮
27、度信号Y和两个数字色差信号U、V，并将其分别送入各自的编码压缩处理器中，再经复用后输出，在接收端经分量信号解码得到Y、U、V三个数字分离信号，最后分别经D/A和模拟矩阵电路输出为模拟全电视信号。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。第2章数字电视的基本概念 图 2.2.5 全信号编码和分量信号编码框图第2章数字电视的基本概念 2.2.4 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ITU-R BT.601建议，可确定625行
28、/50 Hz和525行/60 Hz电视系统分量视频的参数。该文件规定了525行和625行电视信号的数字化参数。它规定13.5 MHz为模拟亮度信号的正交抽样频率，6.75 MHz为两个模拟色差信号的抽样频率。抽样值为数字亮度Y和数字色差与，与和相对应的分别是模拟已作伽马校正的色差信号kb(BY)和kr(RY)。13.5 MHz之所以被选用为抽样频率，是因为其因子2.25 MHz是525和625行频的公因子。bCrCbCrC第2章数字电视的基本概念 按照ITU-R BT.601建议，演播室现在普遍采用每个抽样10 bit量化，传输时，既允许采用8 bit量化(对应256个量化电平级，即00hFF
29、h)，也可以采用10 bit量化(对应1024个量化电平级，即000h3FFh)。每个抽样的8 bit量化字在数值上可以直接转换为10 bit数值，而10 bit数值也可以还原为8 bit数值，相互间具有互换性。色差分量和的量化电平范围为040h3C0h(见图2.2.6)，所对应的模拟信号范围在350 mV之间。色差信号的摆动可超出这一范围，总的可用范围为-400399.2 mV，上下所超出的值均为50 mV，这称为色差信号上、下保护带。亮度Y(见图2.2.7)的量化电平范围为040h3ACh，对应的模拟信号在0.0700 mV之间。bCrC第2章数字电视的基本概念 亮度信号的摆动也可超出这一
30、范围，总的范围为51.1766.3 mV，允许为白电平之上的过载留有66 mV的余量，为黑电平以下过载留有50 mV的余量，这也分别称为亮度信号上、下保护带。所配置的A/D转换器在10 bit量化电平级不可产生000h003h以及3FCh3FFh，以便与8 bit系统互换。量化电平若选择为8 bit时，再添加两个零，即与10 bit 量化电平有着相同的数值。在亮度A/D和色差A/D中，数据字000h003h和3FCh3FFh均保留作为同步之用。图2.2.8所示的是数字样值相对于模拟行消隐的定位情况，图2.2.9所示的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(EAV)和有效视频
31、起始数据包(SAV)传送的，因此不再需要常规的模拟同步第2章数字电视的基本概念 信号。在行消隐期及场消隐期中的整个行周期内，均可用于传送音频和其它辅助数据。EAV和SAV定时数据包在数据流中的识别可以通过数据包头的起始字来进行：前三个字是3FFh、000h、000h，第四个字是(XYZ)，它在EAV和SAV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000h、3FFh、3FFh来识别的。第2章数字电视的基本概念 图 2.2.6 色差信号的量化电平分配(a)信号;(b)信号bCrC第2章数字电视的基本概念 图 2.2.7 亮度信号Y的量化电平分配第2章数字电视的基本
32、概念 图 2.2.8 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 2.2.9 2 1隔行数字帧的格式示意图第2章数字电视的基本概念 数据字“XYZ”为10 bit字，其中两个最低有效位预置为零，以维持每抽样8 bit 量化格式。在标准清晰度中所包含的数据字“XYZ”表示功能状态，其数值具有以下含义：Bit8(F-bit)，F=0为第一场，F=1为第二场;Bit7(V-bit)，V=1为处于场消隐期，V=0为有效视频行期间;Bit6(H-bit)，H=1表示EAV序列，H=0表示SAV序列。并行数字接口按照Rec.601，抽样形成的数据流电接口分别由美国SMPTE和欧洲EBU
33、标准确定，其中525/59.94格式依据SMPTE 125M标准，而625/50格式则依据EBU Tech.3267标准。这两个标准均被ITU采用并纳入Rec.656 建议中，该文件描述的是并行硬件接口。并行接口使用11对双绞线和25芯连接器。并行接口复用数据字按照，Y，Y，的顺序，形成的码流数码率为27 Mb/s。在每一行中，均插入了定时序列SAV和EAV。525和625格式的数字有效行都包含了720个亮度样值，模拟消隐期间的剩余样值可用于定时和其它数据。bCrC第2章数字电视的基本概念 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根据1982年2月国
34、际电信联盟ITU提出的ITU-R BT.601建议，对电视信号采用分量信号编码，即对Y、Cr、Cb三分量信号进行编码。选取8 bit均匀量化，在抽样、量化前还必须对三个分量信号进行校正。由电视原理可知，亮度信号方程为 Y=0.299R+0.587G+0.114B(2.3.1)色差信号方程为 RY=0.701R0.587G0.114B (2.3.2)BY=0.299R0.587G+0.886B (2.3.3)第2章数字电视的基本概念 当传送黑白和饱和彩色(包括补色)时，从以上三式可得到视频信号的标称值，如表2.3.1 所示。由表2.3.1可知，亮度信号Y有10的动态范围，但色差信号RY和BY分别
35、在0.701和0.886范围内变化。为对其归一化，色差信号必须引入压缩系数：Kr=0.713(2.3.4)Kb=0.564(2.3.5)第2章数字电视的基本概念 第2章数字电视的基本概念 归一化后的色差信号为Cr=0.713(RY)=0.5R0.419G0.08B (2.3.6)Cb=0.564(BY)=0.169R0.331G+0.5B (2.3.7)第2章数字电视的基本概念 亮度信号Y以8 bit均匀量化时分为256 个量化级，即量化电平0255量化级，相当于二进制的0000000011111111。在PCM编码中，虽然为了防止过载把视频信号调整在1V峰峰值范围内，并为了避免因图像信号直流
36、成分变动所引起的信号动态范围的扩大而在量化前进行了箝位，但造成过载仍是可能的，例如视频信号电平的操作不稳定性，因陡峭的前置滤波器和孔阑校正电路造成过冲以及钳位过程中的过渡过程等。于是在256的量化级中上端留下20量化级，下端留下16量化级作为防止超越动态范围的保护带。量化电平的分配如图2.2.7所示，其中量化电平为16时代表黑量化电平极限，量化电平为235时代表白量化电平极限。第2章数字电视的基本概念 亮度信号量化电平计算如下：EY=219Y+16 (2.3.8)黑色区：Y=0，EY=16白色区：Y=1，EY=235按式(2.3.8)求得亮度信号量化电平EY的整数值。第2章数字电视的基本概念
37、均匀量化后色差信号的量化电平计算：色差信号经过压缩信号处理以后的动态范围为0.5+0.5，中间信号的零电平对应的量化电平为256/2=128。色差信号总共分配224个量化级，上端和下端各留16个量化级作为防止过载的保护带，见图2.2.6。第2章数字电视的基本概念 色差信号量化电平计算如下：(2.3.9)(2.3.10)上两式中的、考虑到将RY、BY幅度归一化，引入压缩系数后有下式：(2.3.11)(2.3.12)rr224C+128CEbb224C+128CErCEbCEr2240.713(-)+128=160(-)+128CER YR Yb2240.564(-)+128=126(-)+128
38、CEB YB Y第2章数字电视的基本概念 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按照数字电视标准规范，数字电视主要分为标准清晰度电视(SDTV)和高清晰度电视(HDTV)。标准清晰度电视的图像质量就是DVD图像质量，高清晰度电视的清晰度比DVD高得多。两者的参数比较如表2.4.1所示。第2章数字电视的基本概念 第2章数字电视的基本概念 2.5 数字电视系统数字电视系统图2.5.1所示为数字电视系统框图。发送端由摄像机产生彩色电视图像，经AD变换后，变为数字音、视频信号送入音频或视频编码器中。音、视频编码承担着音频和图像数据压缩功能，它去掉信号中的冗
39、余部分，使传输码率降低。然后，经MPEG-2标准压缩后的数字音、视频信号和数据送入传输打包和复用。传输流复用完成多套节目复用功能。最后，送入信道编码和调制器中，信道编码和调制器包括纠错编码和各种信号传输处理以及数字调制的功能，提高信号在传输中的抗干扰能力和频谱利用率。这是因为数据码流经长距离传输后不可避免第2章数字电视的基本概念 地会引入噪声而产生误码。因此，加入纠错码和各种信号传输处理以提高其抗干扰能力。经纠错编码和各种信号传输处理和调制后的信号再通过输出接口电路送入传输线路。远距离传输时，可以采用数字光纤线路、数字卫星线路，也可以采用数字微波线路，以接力传输方式，站与站的距离可达50 km
40、。接收端的过程与发送端相反，接收端接收信号后，通过输入接口电路把信号送入信道解码和解调器中，经数字解调和信道解码可纠正由传输所造成的误码，然后将信号送入传输解复用和解包中，最后再分别送入音频或视频解码器中，还原成模拟的音频、视频信号。第2章数字电视的基本概念 图 2.5.1 数字电视系统框图第2章数字电视的基本概念 2.6 数字电视机顶盒数字电视机顶盒1.数字电视机顶盒的组成数字电视机顶盒的组成随着电视广播数字化技术的不断发展，模拟电视机最终将被数字电视机所取代。目前，从我国国情来看，全国有将近3亿台模拟电视机，在我国逐步从模拟电视广播向数字电视广播过渡的进程中，这些模拟电视机不可能即时淘汰。
41、而数字电视机顶盒将是这一过渡期间最好的解决方案，将一台模拟电视机与数字电视机顶盒结合，就可以构成一台完整的数字电视机。第2章数字电视的基本概念 数字电视机顶盒框图如图2.6.1所示。它主要由调谐解调器、频率合成器、信道解码器(三者组成数字CATV高频头)和MPEG-2解压缩器组成。其基本功能是将从有线电视网接收的数字有线电视信号经调谐解调器进行下变频得到频率较低的中频信号。调谐解调器完成选台功能，同时还要完成数字解调功能。中频信号经放大后再进行信道解码。在信道解码中它要完成R-S解纠错、卷积解交织、解能量扩散等工作，然后送入MPEG-2解压缩器中，再进行传输流解多路复用、节目流解多路复用，最后
42、进行数字视频解压缩、数字音频解压缩，输出模拟的视频或音频信号。模拟视频再经模拟信号处理，可输出R、G、B，Y/C和复合视频信号(CVBS)。机顶盒中的所有功能块都是由超大规模集成电路完成的。第2章数字电视的基本概念 图 2.6.1 数字电视机顶盒框图第2章数字电视的基本概念 2.数字数字CATV高频头电路框图高频头电路框图图2.6.1中虚线框内电路为数字CATV高频头，它由调谐解调器、信道解码器和频率合成器三部分电路组成。各部分更详细的电路如图2.6.2所示。数字有线电视网通过同轴电缆把数字电视信号送入高频头。高频头第一级(V1)是一个宽带低噪声放大器(频率覆盖范围为RF波段，即48.2585
43、5.25 MHz)。经放大后的信号再送入低(V2)、中(V3)、高(V4)三个波段放大器(低波段：48.25168.25 MHz;中波段：175.25447.25 MHz;高波段：455.25855.25 MHz)，然后送入混频器，混频器是将前面被放大后的信号频率与频率合成器送过来的本振频率进行差拍，得到中频信号(28.7536.25 MHz)送入中频回路滤波，中频滤波器一般采用矩形系数较好的声表面波滤波器。第2章数字电视的基本概念 信号再经中频放大器放大，放大后的信号经处理变成基带信号，然后再经A/D变换、QAM数字解调、R-S解纠错得到未解压缩的数字视、音频信号，再并行输出到后面的解压缩电
44、路。在信道解码器中备有微处理器核心芯片，该芯片写入了各种操作程序，经I2C总线控制信道解码器和频率合成器的工作。频率合成器是一种可编程的本机振荡器，它受控于I2C总线，I2C总线中一根为数据线(SDA)、一根为时钟线(SCL)。数据线送来的可编程数据是由解压缩器中的微处理器(32 bit)预先编制而成的。该数据又受用户选台指令而改变。第2章数字电视的基本概念 图 2.6.2 高频头详细框图第2章数字电视的基本概念 习习 题题2-1 什么叫做数字电视?它与模拟电视相比有哪些优点？2-2 普通彩色电视信号数字化后未经压缩的数码率为多少？相当于多少模拟信号带宽？2-3 试画出数字电视系统框图并解释各
45、功能块的作用。2-4 试画出数字电视机顶盒框图，解释各部分的作用，并说明为什么高频通道未数字化。2-5 由于模拟输入信号方式的不同，图像信号编码可分为哪两种？它们各有什么优、缺点？2-6 什么叫做HDTV？它的扫描行数和带宽大约为多少？2-7 什么叫做VCD、DVD以及VOD？第2章数字电视的基本概念 2-8 在数字电视中，LDTV、SDTV、HDTV各代表什么？各有何异同点？2-9 分别计算DVD、HDTV在4 2 2和4 2 0两种格式下不压缩时的数码率。2-10 彩色电视按标准幅度(峰峰值为1 V)进行编码时，量化比特数n=8 bit，此时的量化信噪比为多少？如果峰峰值降为1/2 V，量
46、化信噪比又为多少？2-11 按照均匀量化，请分别求出亮度信号Y中对应的白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑8个电平的8 bit码。第2章数字电视的基本概念 2-12 按照均匀量化，请分别求出色差信号U中对应的白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑8个电平的8 bit码。2-13 按照均匀量化，请分别求出色差信号V中对应的白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑8个电平的8 bit码。2-14 分别画出全信号编码和分量信号编码框图，并解释它们之间的不同点。2-15 如何理解4 2 0抽样结构？VCD采用此抽样结构，试求出它不压缩时的数码率。如果压缩比为30 1，则压缩后的数码率应为多少？第2章数字电视的基本概念 2-16 视频和音频信号量化信噪比公式有何不同？2-17 n=8 bit时，亮度信号与色差信号的量化电平如何分配？为什么要留保护带？2-18 电视机接收到的数字电视信号较差时，画面常出现马赛克现象，这是为什么？2-19 求n=10 bit时Y、Cr、Cb 码电平分配。2-20 请分别画出4 4 4、4 2 2和4 2 0抽样点结构。2-21 有线电视高频头包括哪几部分电路？各有什么作用？2-22 什么叫I2C总线？它由几条线组成？每条线的作用如何？第2章数字电视的基本概念 感感 谢谢第2章数字电视的基本概念 谢谢，精品课件资料搜集
