第八章數(shù)字電視基礎

1、東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第2頁頁 電視視頻電視視頻、音頻信號的、音頻信號的PCM數(shù)字化原理數(shù)字化原理 模擬電視機中的數(shù)字技術模擬電視機中的數(shù)字技術 數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理及數(shù)字圖像信號的壓縮編碼原理及MPEG系系 列標準簡介列標準簡介 數(shù)字音頻信號的壓縮編碼標準數(shù)字音頻信號的壓縮編碼標準 信道編碼和調(diào)制信道編碼和調(diào)制本章內(nèi)容簡介本章內(nèi)容簡介教學重點教學重點 視頻信號的數(shù)字化技術，視頻信號的數(shù)字化技術，信源和信道編碼技術信源和信道編碼技術教學難點教學難點 信源和信道編碼技術信源和信道編碼技術l模擬電視系統(tǒng)電視信號在時間上、幅度上均是

2、連續(xù)變化；采用模擬電路技術 對電視信號進行處理、傳送、記錄。l數(shù)字電視系統(tǒng)數(shù)字電視信號是時間上、幅度上均為離散值；電視信號的處理、傳送、記錄等，都是采用數(shù)字電路技術。從電視信號的攝取、節(jié)目制作、存儲、發(fā)射、傳輸?shù)叫盘柦邮?、處理、重現(xiàn)等全過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。它是用數(shù)字技術來處理電視信號的一門高新技術，是信息技術、現(xiàn)代通信技術、計算機技術和微電子技術等綜合應用的結(jié)晶。l數(shù)字電視系統(tǒng)的基本原理框圖東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第3頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第4頁頁信源模/數(shù)轉(zhuǎn)換壓

3、縮編碼多路復用糾錯編碼數(shù)字調(diào)制信源編碼器模擬電視信號信道編碼器同步單元信宿模/數(shù)轉(zhuǎn)換解壓縮解復用糾錯解碼解調(diào)信源編碼器還原的模擬電視信號信道編碼器信道東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第5頁頁l信源是產(chǎn)生和輸出電視模擬信號（包括圖像和伴音）的設備，如攝像機、麥克風等。l信源編碼器主要包括模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、壓縮編碼、多路復用三部分。將信源送出的模擬電視信號進行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，用一定的數(shù)字脈沖組合來表示信號的幅度，從而形成數(shù)字信號。為提高傳輸?shù)挠行?，在保證一定傳輸質(zhì)量的情況下，對反映信源全部信息的數(shù)字信號進行變換，用盡量少的數(shù)字脈沖來表

4、示信源產(chǎn)生的信息，這就是壓縮編碼。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第6頁頁l信道編碼器包括糾錯編碼和數(shù)字調(diào)制，主要解決數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃詥栴}，故又稱為抗干擾編碼。經(jīng)過糾錯編碼的傳輸碼流具有檢錯和糾錯的能力，其作用是最大限度地減少在信道傳輸中的誤碼率，然后將糾錯編碼后的傳輸碼流調(diào)制成適合于在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?。l傳輸信道分為地面（無線發(fā)射）、有線和衛(wèi)星三類，因而，不同的傳輸信道應選擇不同的調(diào)制方式。 解碼器與編碼器的功能相反，在接收端將接收到的已調(diào)信號，經(jīng)解調(diào)、糾錯解碼、解復用、解壓縮、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換，恢復出原模擬電視信號。東南大學移動通

5、信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第7頁頁世界數(shù)字電視發(fā)展 (1) 20世紀80年代，德國的ITT公司推出了世界上第一臺數(shù)字視頻處理彩色電視機； (2) 1982年，新一代數(shù)字式電視接收機由美國公司率先研制成功，83年正式生產(chǎn)并投放市場； (3) 20世紀90年代，歐、美、日等國家制定了現(xiàn)代數(shù)字視 頻壓縮編碼技術的MPEG系列標準； (4) 95年9月15日，美國正式通過ATSC數(shù)字電視技術標準； (5) 90年代中期，歐盟制定了DVB數(shù)字電視廣播標準。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第8頁頁 (6) 19

6、96年4月，法國第一個開始數(shù)字電視商業(yè)廣播； (7) 1998年，美國開始了數(shù)字電視廣播；(8) 1999年，日本推出了ISDB數(shù)字電視廣播標準； 我國數(shù)字電視發(fā)展及規(guī)劃 (1) 20世紀90年代初，我國開始數(shù)字電視技術的研究，計劃在MPEG系列標準上制定自己的數(shù)字電視系列標準； (2)1998年9月，中國的數(shù)字電視廣播HDTV-T在中央電視塔上廣播試驗成功； (3)1999年國慶閱兵進行了HDTV直播，通過衛(wèi)星向全國傳送8套全數(shù)字壓縮的數(shù)字電視節(jié)目；東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第9頁頁 (4)“數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪覙藴省庇?006年8月

7、18日正式批準成為強制性國家標準，2007年8月1日起實施 。(5)我國數(shù)字電視發(fā)展規(guī)劃： 第一階段：到2005年實現(xiàn)普通電視的數(shù)字化； 第二階段：到2010年全部設備實現(xiàn)數(shù)字化； 第三階段：到2015年，圖象質(zhì)量達到35mm電影膠片質(zhì)量，并徹底停止模擬電視廣播。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第10頁頁數(shù)字電視的分類數(shù)字電視接收設備數(shù)字電視顯示設備按用途分類地面無線傳輸衛(wèi)星傳輸按信號傳輸方式分類有線傳輸（a）（b）數(shù)字電視顯示器一體化數(shù)字電視接收機按產(chǎn)品類型方式分類數(shù)字電視機頂盒（c）東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點

8、實驗室（NCRLSEU） 第第11頁頁低清晰度數(shù)字電視標準清晰度數(shù)字電視按清晰度方式分類高清晰度數(shù)字電視43數(shù)字電視顯示設備169數(shù)字電視顯示設備按信號圖像幅型比方式分類（d）（e）LDTVSDTVHDTV東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第12頁頁l對標準清晰度電視，其圖像和伴音質(zhì)量比模擬電視有所提高，并且頻道利用率高，在目前模擬電視的一個頻道內(nèi)可以播4套（或更多）數(shù)字電視節(jié)目。對高清晰度電視，其畫面可提供相當于SDTV畫面5倍多的信息量，因此，HDTV具有更高的圖像分辨率，它的清晰度是目前模擬電視畫面清晰度的23倍。l在電視伴音方面，目前模

9、擬電視只有一路伴音，經(jīng)過電路處理后可轉(zhuǎn)換成立體聲；SDTV有兩路數(shù)字伴音，具有CD級的音質(zhì)；HDTV則有多路數(shù)字伴音（杜比5.1聲道），除了音質(zhì)好之外，還具有真正的環(huán)繞立體聲效果。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第13頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第14頁頁 與模擬電視相比較，數(shù)字電視具有以下特點及先進性： （1）數(shù)字電視抗干擾能力強； （2）頻帶利用率提高，可實現(xiàn)信道多工復用； （3）信號發(fā)射功率降低，便于實現(xiàn)加解密、加解擾； （4）易存儲，易實現(xiàn)數(shù)字特技，提高圖象質(zhì)量； （5）采用

10、VLSI技術(超大規(guī)模集成技術) ，可增強系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性； （6）輸出信號具有擴展性，可分級性、和互操作性。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第15頁頁l實施數(shù)字電視傳輸?shù)闹饕y點信息量大：比傳輸一路模擬電視信號 要大10倍左右對軟、硬件設備要求高：高速率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器高速率超大規(guī)模實時信號處理芯片l關鍵技術有效的 數(shù)字電視壓縮編碼 和高效數(shù)字調(diào)制技術200 Mb/s - 20 Mb/s光纖等寬帶傳輸信道超高速、超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術降成本，普及東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（N

11、CRLSEU） 第第16頁頁 取樣：電視信號的數(shù)字化信源編碼（1）取樣過程：t0A （b） 將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量的過程。A t（a）0A t（c）0東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第17頁頁0fmaxf（x）0f（y）2fsfs0f（z）2fsfs（2）模擬信號取樣前后波形與頻譜的變化：A t（a）0tA （b）0A t（c）0東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第18頁頁離散信號要不失真地重現(xiàn)原模擬信號，必須滿足連續(xù)信號f(t)的最高頻率fmax的2倍小于或等于

12、取樣信號的頻率fs的條件，即 2fmaxfs這就是著名的奈奎斯特（Nyquist）取樣定理。數(shù)字電視取樣頻率：l 分量編碼中： 亮度信號的取樣率為13.5MHz； 色差信號的取樣頻率均為6.75MHz； 伴音通道取樣頻率一般為36KHz或48KHz。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第19頁頁l 復合編碼中： 通常對復合視頻信號編碼僅需一個取樣頻率。 NTSC取為12.7MHz或10.7MHz； PAL為13.3MHz或17.7MHz。取樣后的信號只是在時間性上實現(xiàn)了離散化，而幅度取值仍是連續(xù)的。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信

13、國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第20頁頁 （1）量化過程（見右圖）012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421 將采樣后時間上離散的模擬量轉(zhuǎn)換成某個確定的最小單位的整數(shù)倍的過程稱為量化。 （2)數(shù)字電視信號量化準則（分量編碼方式）： 伴音：14bit量化； 亮度：8bit量化； 色度：6bit量化。2. 量化：東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第21頁頁時刻 輸入信號 二進制編碼 T 4 0100 2T 7 0111 3T 8 1000 4T 7 0111 5T 6 0110 6T 5 0101

14、7T 4 0100 8T 2 0010 9T 1 0001（1）編碼過程：012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421將量化后的電視信號電平轉(zhuǎn)換成二進制代碼的過程。 （2） 數(shù)字電視編碼：3.編碼：東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第22頁頁 伴音信號：用14bit偏移二進碼，分辨率約80dB； 亮度信號：用8bit自然二進碼或格雷碼，分辨率約40dB； 色度信號：用6bit偏移二進碼，分辨率約20dB。 4、編碼方式 （1） 復合編碼方式： 指直接針對復合視頻信號進行取樣、量化、編碼。復合編碼框圖（見

15、下圖）低通濾波取樣器量化器編碼器 復合編碼方式特點：碼率低、設備簡單、圖象質(zhì)量較差。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第23頁頁（2）分量編碼方式 分量編碼是對亮度信號、兩個色差信號分別進行取樣、量化、編碼、時分復接和傳輸。分量編碼框圖（見下圖）全電視信號輸出取樣器低通濾波量化器編碼器取樣器低通濾波量化器編碼器取樣器低通濾波量化器編碼器亮色分離數(shù)字全電視信號編碼EY EB-YER-Y 分量編碼方式特點：圖象質(zhì)量好，但設備造價高昂。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第24頁頁 活動的電視圖像信號是

16、非常復雜的多維時空函數(shù)，其數(shù)字化過程如按一般PCM技術，以PAL制電視信號為例，未經(jīng)壓縮的全數(shù)字電視信號的總數(shù)碼率將達216Mb/s（216106b/s），則一張640MB（640106字節(jié)，8比特為1個字節(jié)）容量的光盤儲存的視頻數(shù)據(jù)只夠播放20s左右；若按PCM二進制傳輸信道，每1Hz帶寬傳輸?shù)淖罡邤?shù)碼率是2b/s計算，則其信號需要帶寬108MHz，這是現(xiàn)有模擬電視帶寬的10倍以上。結(jié)論： 數(shù)字視頻信號必須經(jīng)過壓縮編碼后才能送入現(xiàn)有信道傳輸。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第25頁頁視頻信號壓縮編碼可行性分析；（1） 視頻圖象壓縮編碼機理通

17、常利用兩個基本原理： 利用圖象信號的統(tǒng)計特性； 利用人眼視覺的視覺特性。（2）壓縮算法的評價標準 壓縮比未經(jīng)壓縮所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量 與經(jīng)過壓縮所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量 的比值。 圖像質(zhì)量人的視覺效果：人在2米內(nèi)觀察所作的評價，是一個主觀標準；信噪比：通過儀器測量，客觀標準。 軟、硬件開銷 東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第26頁頁l無損壓縮利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余進行壓縮，可完全恢復原始數(shù)據(jù)；受到統(tǒng)計冗余度 的限制，壓縮率一般比較低（例如 2:1）；例：Huffman編碼、算術編碼、游程編碼。l有損壓縮允許在壓縮過程中 損失一定的信息，但損失的信息影響??；壓縮比

18、較高；例：預測編碼、變換編碼、空域方法l標準通常將兩者聯(lián)合使用 混合編碼：JPEG, MPEG, H.261, H.264東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第27頁頁四種數(shù)據(jù)壓縮編碼方法： 利用空間冗余度的編碼方式：DCT編碼、差分編碼DPCM（一維預測編碼）、幀內(nèi)預測編碼（二維預測編碼）、行游程編碼（對量化后的DCT系數(shù)編碼）； 利用時間冗余度的編碼方式：差分編碼DPCM、預測編碼（主要是幀間預測編碼）； 利用視覺冗余度的編碼方式：離散余弦變換編碼DCT； 利用統(tǒng)計冗余度的編碼方式：可變字長編碼VLC，即霍夫曼編碼。東南大學移動通信國家重點實

19、驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第28頁頁視頻信號壓縮編碼基本原理（1）圖象預測編碼： 圖象預測壓縮編碼的思想： 絕大多數(shù)圖象在局部空間和時間上具有連續(xù)變化性，即原始圖象數(shù)據(jù)具有很強的相關性，因而可以通過對一個或多個像素的觀測，預測出未來相鄰像素的估計值，這就是預測編碼的思想。 圖象預測編碼的原理： 是用已傳輸?shù)南袼刂祵Ξ斍跋袼刂颠M行預測，再對當前像素的實際值與預測值之差值（預測誤差）進行編碼傳輸，東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第29頁頁在接收端，對收到的預測誤差的碼字解碼后再與預測值相加，便可得到當前像素值。xn

20、xn量化器編碼器解碼器預測器預測器信道enxnenxnenxn線性預測壓縮編碼（DPCM）系統(tǒng)（見下圖）： （2）Huffman編碼（可變字長編碼VLC）： Huffman碼編碼原理：東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第30頁頁 采用可變字長碼，對于數(shù)據(jù)符號出現(xiàn)概率大的，配置字長短的碼字，反之則反之。編碼后，平均碼長減小，碼率降低。例題：信源數(shù)據(jù)xi： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8出現(xiàn)概率： 0.18 0.20 0.19 0.005 0.17 0.15 0.10 0.005Huffman碼01 x200 x3111 x1110

21、 x5 101 x61001 x7 10001 x8 10000 x4x1 0.18x2 0.20 x3 0.19x5 0.17x6 0.15x7 0.10 x8 0.005x4 0.005數(shù)據(jù)符號 出現(xiàn)概率1011010100001110.010.110.260.610.350.39東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第31頁頁 （3）離散余弦編碼DCT： DCT變換是無損編碼，本身不能壓縮數(shù)據(jù)，但原始圖像數(shù)據(jù)完成DCT變換，可方便粗量化處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。DCT編解碼系統(tǒng)（如下圖示） 8X8子塊碼子輸出f（x.y）F（u.v）Q（u.v）原始圖

22、象數(shù)據(jù)DCT變換量化器編碼器輸入碼子輸入f（x.y）F（u.v）Q（u.v）8X8子塊重建圖象數(shù)據(jù)逆量化解碼器IDCT反變換輸出傳輸信道lJPEG, Joint Photographic Experts Group, 聯(lián)合照片專家組l1991年3月, ISO CD10918號建議草案 “多灰度靜止圖像的數(shù)字壓縮編碼”l適用于 彩色、和單色多灰度、以及連續(xù)色調(diào) 靜止 數(shù)字圖像 的壓縮標準l主要技術：離散余弦變換、Huffman編碼、Zig-zag掃描變換東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第32頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國

23、家重點實驗室（NCRLSEU） 第第33頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第34頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第35頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第36頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第37頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第38頁頁lMPEG, Moving Picture Coding Experts Group,

24、 活動圖像專家組l成立于1988年1月, 致力于研究、開發(fā) 數(shù)字壓縮標準l所開發(fā)的標準已被批準為國際標準，形成MPEG系列MPEG-1MPEG-4MPEG-7東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第39頁頁 （1） MPEG-1標準：1992年11月推出 主要內(nèi)容包括： 系統(tǒng)標準：描述了數(shù)字音、視頻和輔助數(shù)據(jù)流等復用和同步的方法； 視頻標準：描述了數(shù)字視頻數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，壓縮比可達200:1 ； 音頻標準：描述了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，壓縮比可達10:1 。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第4

25、0頁頁 （2）MPEG-2標準：于1994年11月推出 主要內(nèi)容包括： 系統(tǒng)標準：描述關于多路視、音頻、數(shù)據(jù)和節(jié)目碼流的復用方式和同步的方法； 視頻標準：描述了視頻數(shù)字壓縮編、解碼的方法； 音頻標準：描述了音頻數(shù)字的編碼與解碼，并擴展了MPEG-1的音頻標準，達到環(huán)繞聲5.1聲道標準； 一致性測試標準：描述測試碼流是否符合MPEG-2碼流的方法；東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第41頁頁 軟件仿真標準：描述了MPEG-2標準的以上3部分的軟件實現(xiàn)方法。 （3） MPEG-2標準采用幀間運動補償編碼技術，進一步去除時間冗余。為了區(qū)分幀內(nèi)與幀間編

26、碼，MPEG-2標準定義了三種編碼圖像： 幀內(nèi)編碼圖像（ I幀）：I幀圖像的壓縮比約為（25）:1。 場景變換后的第一幀畫面，是一個獨立的可作參照的畫面，這個畫面的數(shù)據(jù)要求全面記錄，保存與傳輸。畫面數(shù)據(jù)代表活動圖像的主體內(nèi)容和背景信息，它是產(chǎn)生P幀和B幀的基礎。通常，每12幀到15幀，一個圖像組有一個I幀信息。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第42頁頁 雙向預測編碼圖像（B幀），以 I 幀和P幀為參考幀，進行雙向預測編碼，預測精度很高，壓縮比為（2030）:1。傳送了I和P幀畫面間之間的主體變化情況，它的數(shù)據(jù)是參考前后幀得到的。在一個圖像幀組

27、的各個畫面，通常背景是相同的，主體發(fā)生了位置和內(nèi)容的變化。通過兩幀圖像的比較得到一個最佳的移動矢量，然后將這個移動矢量方向與距離進行傳輸。移動后和移動前的畫面進行插值。 前向預測編碼圖像（P幀）：根據(jù)前面最靠近的 I 幀或P幀作為參考幀進行前向預測編碼的圖像，壓縮比（510）:1；只傳送此幀與參考幀在主體內(nèi)容上的變化差異，不傳送圖像的背景信息。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第43頁頁東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第44頁頁 實驗與統(tǒng)計分析已經(jīng)證明，音頻信號中存在多種冗余，主要是時域冗余、

28、頻域冗余和聽覺冗余等。這些冗余的存在，使音頻數(shù)字信號的壓縮得以實現(xiàn)。1. 音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼的可能性 （1）時域冗余：幅度分布的非均勻性，樣值間的相關性，信號周期之間的相關性，長時自相關，靜音、語音之間的停頓間歇都是冗余量。 （2）頻域冗余：長時間隔功率譜密度具有非均勻性以及語音信號具有短時功率譜密度，具有相關性。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第45頁頁 （3）聽覺冗余：聽覺頻率范圍、人耳對聲音響度的響應呈對數(shù)關系、人耳具有聽覺閾特性、人耳具有掩蔽閾效應。頻譜掩蔽效應：在安靜的環(huán)境中人耳剛剛能感覺到的最小聲音強度稱為靜掩蔽門限，其與頻率變化的

29、曲線如圖所示。 聲級/dB不可聽區(qū)可聽區(qū)靜掩蔽門限0.2 0.512520f/kHz0東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第46頁頁當有一個強度為70dB、頻率為1kHz的純音出現(xiàn)時，與靜掩蔽門限曲線混合，形成新的同掩蔽門限曲線聲級 / dB不可聽區(qū)可聽區(qū)同掩蔽門限0.2 0.512520f/kHz070東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第47頁頁2. 常用音頻數(shù)字信號的壓縮編碼 感知編碼、波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼 （1）感知編碼 感知編碼是利用人耳的掩蔽效應和其它冗余，在維 持取樣頻率不變和

30、保證音頻信號動態(tài)范圍的情況下，通過減少數(shù)字信號的字長來降低總碼率。 感知編碼的基本工作原理為：對輸入音頻信號的頻率和幅度進行分析，并將分析結(jié)果與人的聽覺模型相比較，東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第48頁頁凡符合模型的信息（人耳能夠感覺到的）保留下來，對聽覺不能感覺到的內(nèi)容丟棄，從而降低了碼率。 （2）波形編碼 波形編碼是指直接對時域或頻域中的音頻信號波形進行取樣編碼。它主是利用音頻取樣值在時域或頻域中存在的某些冗余進行壓縮，力求使還原后的音頻信號波形與原音頻信號波形保持一致。 常見的波形編碼方法主要有： 子帶編碼 自適應脈沖編碼調(diào)制東南大學

31、移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第49頁頁 （3）參數(shù)編碼 根據(jù)對聲音形成要素的分析和人耳的聽覺分辨力，建立產(chǎn)生語音信號的模型，再在聲音信號中提取代表語音信號特征的參數(shù)進行編碼。 （4）混合編碼 結(jié)合兩種或兩種以上的壓縮編碼方法，利用各自的長處進行混合編碼，實現(xiàn)在較低的數(shù)碼率上獲得較高的音質(zhì)。 自適應變換編碼等。 該編碼技術壓縮比高，重建音頻信號的質(zhì)量較差，不適合用于保真度高的場合，一般多用于語音信號的壓縮編碼。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第50頁頁3 .音頻壓縮編碼國際標準 常用音頻數(shù)字信號壓

32、縮編碼國際標準有： MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、杜比AC-3等 （1）MPEG-2音頻壓縮編碼標準 在MPEG-2標準中定義了兩種音頻數(shù)據(jù)壓縮編碼算法，其一是向下兼容多聲道音頻編碼標準，簡稱MPEG-2 BC，即它與MPEG-1標準是兼容的；其二是高級音頻壓縮編碼標準，簡稱MPEG-2 ACC。它們的特點分別如下： MPEG-2 BC的主要特點：它與MPEG-1相比，主要做了兩個方面的重大改進。一是增加聲道數(shù)，支持5.1和7.1聲東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第51頁頁道的環(huán)繞聲；二是為某些低碼率應用場合增加了三種較低的取樣頻

33、率（16kHz、22.05kHz和24kHz）。 MPEG-2 ACC的主要特點：它是一種非常靈活的聲音感知編碼標準，在編碼原理上主要利用了聽覺系統(tǒng)的掩蔽特性來壓縮音頻信號的數(shù)據(jù)量，并把量化噪聲分散到各個子帶之中，再用全局信號把噪聲掩蔽掉。因而，可達到用較低的比特率實現(xiàn)高音質(zhì)。同時，MPEG-2 ACC提高了壓縮比，擴展了使用范圍，具體指標為： 壓縮比為11:1。 支持的取樣頻率可從8kHz到96kHz。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第52頁頁 支持48個主聲道、16個低頻增強聲道、16個配音聲道（或稱多語言聲道）和16個數(shù)據(jù)流等。 （2）

34、杜比AC-3音頻壓縮編碼標準 杜比AC-3標準是美國杜比實驗室與日本先鋒公司合作開發(fā)，于1994年12月研制成功。主要優(yōu)點有： 真正的立體環(huán)繞聲：杜比AC-3系統(tǒng)分別向左、右環(huán)繞音箱饋送信號，使環(huán)繞聲道成為立體聲聲道，可實現(xiàn)聲音定位到后方的某一點。 音頻范圍寬頻帶：杜比AC-3五個聲道的頻響均為20Hz20kHz，超低音聲道為20Hz120Hz，音場更加擴大東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第53頁頁，方向感增強。動態(tài)范圍極其寬廣且可控： 各個通道完全隔離：東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第5

35、4頁頁1.信道編碼的必要性 數(shù)字電視信號在傳輸過程中將受到信道加性噪聲、乘性噪聲以及多徑衰落等干擾因素的影響，使得信息有可能失真，并出現(xiàn)誤碼（其中數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敃r干擾尤為嚴重），使得接收端無法正確解調(diào)，因此必須進行糾錯編碼，進一步提高傳輸系統(tǒng)的可靠性。信道編碼必要性、目的及編碼框圖2.信道編碼的目的 信道編碼又叫糾錯編碼，是將數(shù)字電視信號進行編碼,以東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第55頁頁使編碼后的傳送碼流與信道傳輸特性匹配，根本目的是提高信息傳輸?shù)目煽啃?，即提高?shù)字電視系統(tǒng)的抗干擾性。3.信道編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 信道編碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由復用與

36、匹配能量擴散、外碼編碼、交織、內(nèi)碼編碼、基帶形成和信道調(diào)制等組成。多路視頻音頻數(shù)據(jù)節(jié)目復用復用匹配能量擴散外碼編碼數(shù)據(jù)交織內(nèi)碼編碼基帶形成信道調(diào)制音頻視頻數(shù)據(jù)東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第56頁頁4.信道編碼的特性：l對所傳信息的內(nèi)容不加任何限制；l具有與信道相適應的頻譜，要求編碼器輸出 碼流的頻譜特性適應信道的頻譜特性，從而使傳輸過程中能量損失最小，提高信道能量與噪聲能量的比例，減少發(fā)生差錯的可能性；l有糾錯能力，效率高；l具有定時信息，需要加同步信息，幅度識別信息和時鐘信息。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗

37、室（NCRLSEU） 第第57頁頁糾錯原理 1.差錯控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)有兩種功能：即差錯控制編碼與差錯控制解碼。差錯控制編碼子系統(tǒng)差錯控制解碼子系統(tǒng)信道 （1）差錯控制編碼 指在信源編碼數(shù)據(jù)的基礎上增加一些冗余碼元（監(jiān)督碼元），使監(jiān)督碼元與信元之間建立一種確定關系。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第58頁頁2. 差錯控制的基本方式 （1）前向糾錯（FEC） 信息在發(fā)信端經(jīng)糾錯編碼后送入信道，接收端通過糾錯解碼自動檢錯、糾錯，稱之為前向糾錯。前向糾錯不需要反復重發(fā)而延誤傳輸時間，對實時傳輸有利，但是糾錯設備比較復雜，特別是糾錯能力有限。 前向糾錯

38、（FEC）基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 （2）差錯控制解碼 指在接收端，根據(jù)監(jiān)督碼元與信元之間已知的特定關系來實現(xiàn)檢錯、糾錯。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第59頁頁發(fā)送端接收端能夠糾正錯誤 前向糾錯基本原理編碼器前向信道解碼器 前向糾錯基本結(jié)構(gòu) （2）反饋重發(fā)（ARQ） 發(fā)送端發(fā)送檢錯碼，接收端通過解碼器檢測接受碼組是否符合編碼規(guī)律，從而判決該碼是否為誤碼，若是誤碼則向發(fā)送端請求重發(fā)，直到接收端確認接收正確為止，稱之為反饋重發(fā)。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第60頁頁 反饋重發(fā)（ARQ）

39、基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 編碼器緩沖控制前向信道解碼器反向信道緩沖控制反饋重發(fā)ARQ基本結(jié)構(gòu)發(fā)送端接收端能夠發(fā)現(xiàn)錯誤反饋重發(fā)ARQ基本原理應答信號 ARQ系統(tǒng)有兩類： 等待式:發(fā)端每發(fā)一個碼字或一幀就等待受端回音,發(fā)送端收到回音ACK表示發(fā)送無誤，收到NCK表示請求重發(fā)。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第61頁頁 連續(xù)式:對碼字或幀編號后連續(xù)發(fā)送，接收端收到有誤的編號碼字或幀就請求重發(fā)，直到無誤。 （3）混合糾錯（HEC） 混合糾錯：“混合糾錯”是“前向糾錯”及“反饋糾錯”兩種方式的混合。其方法是：少量糾錯在接收端自動糾正，差錯較嚴重，超出

40、自行糾正能力時，就向發(fā)信端發(fā)出詢問信號，要求重發(fā)。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第62頁頁 混合糾錯（HEC）基本原理框圖及基本結(jié)構(gòu)框圖 發(fā)送端接收端能夠發(fā)現(xiàn)并糾正誤碼 混合糾錯HEC基本原理應答信號編碼器緩沖控制前向信道解碼器反向信道緩沖控制 混合糾錯HEC基本結(jié)構(gòu)東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第63頁頁3. 糾錯碼基本理論 （1）糾錯碼相關知識 信息碼元與監(jiān)督碼元 信息碼元:是發(fā)送端有信源編碼給出的信息數(shù)據(jù)比特，以k個碼元為一個碼組時，在二進制情況下，總共有2k種不同的信息碼組。 監(jiān)

41、督碼元:又稱校驗碼元，是為了檢錯、糾錯而在信道中附加的校驗數(shù)據(jù)。通常k個信息碼元的碼組附加r個監(jiān)督碼元，組成總碼元數(shù)為n=k+r的碼組。 許用碼組與禁用碼組 東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第64頁頁 許用碼組:信道編碼后總碼長為n的碼組有2n個， 許用碼組有2k個，為發(fā)送的信息碼組； 禁用碼組:禁用碼組為：2n- 2k，糾錯編碼的作用就是從2n個碼組中按照規(guī)律選擇出2k個許用碼組。 糾錯編碼的作用就是從2n個碼組中按照規(guī)律選擇出2k個許用碼組。 編碼效率 每個碼組中信息碼元數(shù)k與總碼元數(shù)的比值稱為編碼效率東南大學移動通信國家重點實驗室（東南

42、大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第65頁頁,通常監(jiān)督碼元越多，糾錯檢錯能力越強，但編碼效率越低。 碼重與碼距 碼重:是指每個碼組內(nèi)碼元1的數(shù)量。 碼距d:是指沒兩個碼組之間的距離。例如：000與101之間的碼距為2；000與111之間的碼距為3。 最小碼距d0:指對于（n,k）分碼組，許用碼組為2k個，各碼組之間碼距最小值稱為最小碼距。 最小碼距d0與檢錯、糾錯能力之間的關系： 在一個碼組內(nèi)為了檢知e個誤碼，應滿足關系式： d0e+1 東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第66頁頁 在一個碼組內(nèi)為了糾正t個誤碼，應滿足關系式： d

43、02t+1 在一個碼組內(nèi)為了檢知e個誤碼并糾正t個誤碼（et），應滿足關系式： d0re+t+1 （2）糾錯碼分類(根據(jù)信道干擾的性質(zhì)) 隨機錯誤:又信道的隨機噪聲干擾引起，誤碼相對獨立，不會連片出現(xiàn)； 突發(fā)錯誤:又突發(fā)噪聲干擾引起，差錯成群出現(xiàn)； 混合錯誤:既有隨機錯又有誤突發(fā)錯誤。東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第67頁頁糾錯碼隨機誤碼糾錯碼突發(fā)誤碼糾錯碼分組碼卷積碼交織碼分組碼 線性碼 非線性碼 系統(tǒng)卷積碼 非系統(tǒng)卷積碼 循環(huán)碼 非循環(huán)碼 BCH碼 RS碼 奇偶校驗碼 漢明碼 比特交織碼 字節(jié)交織碼 糾錯碼分類系統(tǒng)框圖見下圖演演 示示東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLSEU） 第第68頁頁 傳輸通道頻帶有上下限，信號頻率超過此限，信號能量就會在傳輸中很快衰減，信噪比下降，誤碼率增加，且給鄰近信道帶來很強的干擾。故在傳輸前要對數(shù)字信號進行處理，減少數(shù)字信號中的高、低頻分量，使能量集中在較窄的頻帶上，再通過某種調(diào)制進行頻譜的搬移，使信號的頻譜特性與信道的頻譜特性相匹配。 1.數(shù)字信號載波調(diào)制的必要性與目的 (1)數(shù)字信號載波調(diào)制的必要性：東南大學移動通信國家重點實驗室（東南大學移動通信國家重點實驗室（NCRLS