第1章 數(shù)字電視概論

數(shù)字電視原理4/30/20241信息工程系數(shù)字電視原理課程簡介課時：48學(xué)時參考書：數(shù)字電視與高清晰度電視王明臣中國廣播電視出版社數(shù)字電視原理與應(yīng)用姜秀華人民郵電出版社考核方法：作業(yè)考試4/30/20242信息工程系第一章概論什么是數(shù)字電視?

所謂數(shù)字電視，是將傳統(tǒng)的模擬電視信號經(jīng)過抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進制數(shù)代表的數(shù)字式信號，然后進行各種功能的處理、壓縮、傳輸、存儲和記錄，也可以用電子計算機進行處理、監(jiān)測和控制。

4/30/20243信息工程系1.1數(shù)字電視的優(yōu)點－為什么要采用數(shù)字電視？數(shù)字電視與原有模擬電視相比，有如下優(yōu)點：信號雜波比和連續(xù)處理的次數(shù)無關(guān)可避免系統(tǒng)的非線性失真的影響數(shù)字設(shè)備輸出信號穩(wěn)定可靠易于實現(xiàn)信號的存儲，而且存儲時間與信號的特性無關(guān)由于采用數(shù)字技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的自動化操作和調(diào)整數(shù)字技術(shù)可實現(xiàn)時分多路復(fù)用，可實現(xiàn)數(shù)字視頻、數(shù)字音頻和其它多媒體信號混傳，充分利用信道容量4/30/20244信息工程系1.1數(shù)字電視的優(yōu)點－為什么要采用數(shù)字電視？壓縮后的數(shù)字電視信號經(jīng)數(shù)字調(diào)制后，可進行地面廣播可以合理地利用頻譜資源在同步轉(zhuǎn)移模式(STM)的通信網(wǎng)絡(luò)中，可實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的“動態(tài)組合”很容易實現(xiàn)加密／解密和加擾／解擾技術(shù)具有可擴展性、可分級性和互操作性可以與計算機“融合”而構(gòu)成一類多媒體計算機系統(tǒng)實現(xiàn)不同制式下的模擬電視節(jié)目的交換數(shù)字電視改變?nèi)藗兘邮针娨暤姆绞綌?shù)字電視的出現(xiàn)還將極大地改變信息家電的市場結(jié)構(gòu)4/30/20245信息工程系1.1數(shù)字電視的優(yōu)點－為什么要采用數(shù)字電視？使用數(shù)字電視帶來如下好處高質(zhì)量的畫面功能更豐富高質(zhì)量的音效豐富多彩的電視節(jié)目具有交互性具備通信功能4/30/20246信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介國際發(fā)展概況1996年4月法國開播了第一個歐洲商業(yè)化數(shù)字電視廣播。到1999年6月歐盟數(shù)字電視市場價值已經(jīng)超過20億歐元。在1997年12月～1999年6月期間，歐洲數(shù)字電視收人增長超過一倍。英國在1998年11月開始數(shù)字地面電視商業(yè)廣播，其用戶在2000年底已經(jīng)達到101萬2千。英國天空廣播公司（BskyB）在1998年7月開始衛(wèi)星數(shù)字電視廣播，到2002年底用戶已超過500萬。法國數(shù)字電視用戶自1996年以來年均增長率157％，數(shù)字電視用廣已占所有電視用戶的10.3％。意大利自1996底以來年均增長率為220％。西牙數(shù)字電視的用戶1999年6月已經(jīng)超過100萬戶，前一年的增長率接近300％。德國1999年6月數(shù)字電視的用戶已經(jīng)達到85.5萬戶。4/30/20247信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介眾所周知，日本曾經(jīng)在模擬高清晰度電視研究和應(yīng)用方面領(lǐng)先于全世界，使用MUSE制式的高清晰度電視衛(wèi)星廣播系統(tǒng)仍然在運行中。日本在1997年開始衛(wèi)星數(shù)字廣播，1999年下半年開始有線數(shù)字電視廣播。日本政府日前宣布，到2011年全國范圍內(nèi)的所有電視臺都將采用數(shù)字信號發(fā)送，徹底結(jié)束模擬信號發(fā)送的歷史。據(jù)調(diào)研機構(gòu)iSuppli的最新調(diào)查報告顯示，在未來四年內(nèi)，全球數(shù)字電視的出貨量每年將以44.5%的幅度遞增。到2008年，全球數(shù)字電視出貨量有望從今年的1990萬臺增至8660萬臺。全球數(shù)字電視銷售額也將從2004年的314億美元增至2008年的628億美元。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，2004年北美市場上的數(shù)字電視出貨量將占全球數(shù)字電視出貨量的43%。而且在未來幾年內(nèi)也將引領(lǐng)全球數(shù)字電視的普及，其次是歐洲和日本市場。4/30/20248信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介國內(nèi)發(fā)展簡介中央電視臺1995年開始利用數(shù)字電視系統(tǒng)播出加密頻道，利用衛(wèi)星向有線電視臺傳送4套加密電視節(jié)目。1996以后省級電視臺逐步使用數(shù)字壓縮技術(shù)進行衛(wèi)星電視節(jié)目傳送覆蓋，所使用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)是DVB－S／MPEG－2。1998年底中國廣播衛(wèi)星公司建立起直播衛(wèi)星廣播試驗平臺，將中央電視臺和各省臺的上星節(jié)目全部集中起來以數(shù)字方式向全國傳送中國廣播電視數(shù)字化進程－“三步走”戰(zhàn)略2003年啟動廣播電視數(shù)字化2005年開展數(shù)字衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)2008年全面推廣地面數(shù)字電視2015年停止模擬電視播出，實現(xiàn)數(shù)字廣播電視有線、衛(wèi)星和無線的全國覆蓋4/30/20249信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介中國地面數(shù)字電視市場形勢圖藍色:已經(jīng)上馬歐洲D(zhuǎn)VB-T標(biāo)準(zhǔn)紅色:已上馬或已經(jīng)確定采用清華大學(xué)DMB-T粉紅色:有用清華DMB-T的意向淺藍色:有用歐洲D(zhuǎn)VB-T的意向白色:尚無上項目的計劃4/30/202410信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介有線電視向數(shù)字化過渡時間表地域劃分除北京、天津、上海、重慶四個直轄市外，分東部、中部、西部三個地區(qū)。東部地區(qū)包括廣東、福建、江蘇、浙江、山東。中部地區(qū)包括湖南、湖北、海南、四川、安徽、江西、廣西、河南、河北、山西、陜西、遼寧、吉林、黑龍江。西部地區(qū)包括新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、云南、貴州。時間劃分分2005年、2008年、2010年、2015年四個階段。4/30/202411信息工程系數(shù)字電視發(fā)展簡介過渡計劃第一階段：到2005年，直轄市、東部地區(qū)地(市)以上城市、中部地區(qū)省會市和部分地(市)級城市、西部地區(qū)部分省會市的有線電視完成向數(shù)字化過渡。第二階段：到2008年，東部地區(qū)縣以上城市、中部地區(qū)地(市)級城市和大部分縣級城市、西部地區(qū)部分地(市)級以上城市和少數(shù)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。第三階段：到2010年，中部地區(qū)縣級城市、西部地區(qū)大部分縣以上城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。第四階段：到2015年，西部地區(qū)縣級城市的有線電視基本完成向數(shù)字化過渡。4/30/202412信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)1.2.1視頻信號的抽樣結(jié)構(gòu)固定的抽樣結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)：各幀、各場、各行的樣點都是垂直對準(zhǔn)的。移動抽樣結(jié)構(gòu)[例子]對我國PAL制電視來說,行頻fH=15625Hz,如果取抽樣頻率為13.5MHz的話，每行得出來的樣點剛好為正交整數(shù)樣點結(jié)構(gòu)，即為:4/30/202413信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)CCIR601號建議要求采用分量信號Y、U、V進行編碼壓縮4:4:4;4:2:2;4:2:0抽樣點結(jié)構(gòu)4/30/202414信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)4/30/202415信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)圖像數(shù)據(jù)格式和不壓縮時碼率的計算幾種典型數(shù)字電視設(shè)備數(shù)據(jù)格式4/30/202416信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)不壓縮時碼率的計算

碼率=抽樣頻率×每樣點的比特數(shù)對DVD圖像格式可作如下計算:Y13.5MHz×8bit=108Mb/sU6.75MHz×8bit=54Mb/sV6.75MHz×8bit=54Mb/s合計=216Mb/s

如按MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的速率為8.448Mb/s,則壓縮比約為26:1;如按MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的速率為2.048Mb/s,則壓縮比約為100:14/30/202417信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)碼率=一幀圖像樣點樣數(shù)×每樣點比特數(shù)

×每秒幀數(shù)(25Hz)

一幀圖像樣點樣數(shù)

=每行有效樣點數(shù)×一幀圖像的有效行數(shù)4/30/202418信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)對DVD圖像格式可作如下計算:(1).對Y信號來說一行樣點數(shù)

=(抽樣頻率)/(行頻) =(13.5MHz)/(15.625kHz)=864一行有效樣點數(shù)

=864×η=864×0.83=720 (η:水平回掃率)一幀有效行數(shù)

=625-50=575 (取576,即表示去掉場消隱后的有效行數(shù))一幀圖像樣點數(shù)

=720×576=414720Y的碼率=720×576×8bit×25Hz=82.944Mb/s4/30/202419信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)(2)對U、V信號的計算

如按Y:U:V=4:2:2其速率計算如下:V的碼率

=360×576×8bit×25Hz =41.472Mb/sU的碼率

=360×576×8bit×25Hz =41.472Mb/s合計=165.9Mb/s如按MPEG-2ML@MP標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的速率為8.448Mb/s,則壓縮比約為20:1;如按MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的速率為2.048Mb/s,則壓縮比約為82:1。4/30/202420信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)1.2.2視、音頻信號量化及量化噪聲舍入量化△A:量化間距f(t):視頻信號f’(t):量化后的電平函數(shù)值4/30/202421信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)量化級數(shù)：MA:信號幅度，△A:量化間距采用二進制編碼，所需比特數(shù)n:

M=2n

均勻量化與非均勻量化4/30/202422信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)均勻量化時的信噪比 量化噪聲功率Nq:

結(jié)論： 量化分層幅度△A越小，量化誤差引起的失真功率也越小。

4/30/202423信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)電視信號（單極性信號）的量化信噪比用分貝表示:

結(jié)論：量化比特數(shù)n每增加1bit，則信噪比上升6dB；反之，每下降1bit，信噪比降低6dB。4/30/202424信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)均勻量化時量化比特數(shù)與量化信噪比的關(guān)系聲音信號(雙極性信號)量化信噪比

設(shè)聲音信號的最大幅度為A，它是從+A到﹣A范圍內(nèi)變化。對它均勻量化成N級，有：2A=N·△A，N=2n(以二進制表示)

量化信噪比:

用分貝表示:

4/30/202425信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)用非均勻量化改善量化信噪比電視信號的量化信噪比:聲音信號量化信噪比:4/30/202426信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)非均勻量化實現(xiàn)方式音頻：壓縮擴張編碼方式視頻：直接非均勻量化（量化表）壓縮擴張編碼方式：4/30/202427信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)非均勻量化表4/30/202428信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)1.2.3全信號和分量信號編碼4/30/202429信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)1.2.4圖像分量信號量化比特數(shù)確定和碼電平分配

從電視原理已知，亮度信號方程為：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

色差信號方程為：

R-Y=0.701R-0.587G-0.114B B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B

亮度信號Y:0～1

色差信號R-Y:－0.701～0.701

色差信號B-Y:－0.886～0.8864/30/202430信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)100%彩條色度信號、亮度信號和色差信號的標(biāo)稱值4/30/202431信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)色差信號必須引入壓縮系數(shù)：KR==0.713KB==0.564歸一化后的色差信號為：CR=0.713(R-Y)=0.5R-0.419G-0.081BCB=0.564(B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5BCR，CB:－0.5～0.54/30/202432信息工程系1.2視、音頻數(shù)字化參數(shù)CCIR601號建議：對電視信號采用分量信號編碼，即對Y、CR、CB三分量信號進行編碼。選取8bit均勻量化，在抽樣、量化前還必須對三個分量信號進行Υ校正。亮度信