電視技術課件-數字電視技術

數字電視技術

5.1數字電視概述

5.2數字電視信號的信源編碼

5.3數字電視信號的信道編碼5.4數字基帶信號與數字調制方式5.5數字視頻廣播系統(tǒng)

5.1數字電視概述5.1.1數字電視優(yōu)點及發(fā)展概況1.數字電視的優(yōu)點模擬電視存在的主要問題如下：1）模擬電視圖像清晰度差，存在亮色干擾、大面積閃爍現(xiàn)象，節(jié)目源不能多次復制。2）模擬電視帶寬應用受限很大，模擬PAL制電視在8MHz帶寬內只能傳送1路模擬視頻信號和模擬音頻信號，由于同頻及鄰頻干擾，增加電視新頻道難度很大。3）模擬電視抗多徑干擾能力差，接力傳輸產生噪聲使信噪比不斷惡化，圖像損傷越來樂嚴重，不能實現(xiàn)遠距離傳播。4）模擬電視穩(wěn)定度及可靠性差，存在時域混疊、調整復雜、不便于集成及不易實現(xiàn)自動控制等缺點。5.1數字電視概述數字電視克服了模擬電視許多無法避免的不足與缺陷，它具有以下優(yōu)點：（1）采用數字傳輸技術，可提高信號的傳輸質量，不會產生噪聲累積，信號抗干擾能力大大增強，收視質量高。（2）彩色逼真，無串色，不會產生信號的非線性和相位失真的累積。（3）可實現(xiàn)不同分辨率等級(SDTV、HDTV)的接收，適合大屏幕及各種顯示器。（4）可移動接收，無重影。（5）可實現(xiàn)5.1路數字環(huán)繞立體聲，同時還有多語種功能。5.1數字電視概述（6）易于實現(xiàn)加密/解密和加擾/解擾處理，便于開展各類有條件接收的收費業(yè)務，使電視的個性化服務和特殊服務在實際中得以方便實現(xiàn)，這是數字電視的重要增值點，也是數字電視快速滾動式發(fā)展的基礎。（7）利用數字技術產生各種特技形式，增強了節(jié)目的藝術效果和視覺沖擊力。（8）具有可擴展性、可分級性和互操作性，便于在各類通信信道的網絡中傳輸，便于計算機網絡聯(lián)通。

5.1數字電視概述5.1.2數字電視的核心技術1.信源編解碼技術所謂信源是指字、符號、圖形、圖像、音頻、視頻、動畫等各種數據。信源編解碼技術包括視頻壓縮編解碼和音頻壓縮編解碼技術。為了能在有限的頻帶內傳送電視節(jié)目，必須對電視信號進行壓縮。信源編碼的主要任務是解決圖像信號的壓縮和保存問題。在數字電視的視頻壓縮編解碼標準方面，國際上統(tǒng)一采用了MPEG2標準。在音頻壓縮編解碼方面，歐洲、日本采用了MPEG2標準；美國采用杜比AC-3標準。5.1數字電視概述2．信道編碼技術經過信源編碼產生的節(jié)目傳送碼流，通常需要通過某種傳輸媒介才能到達用戶接收機。傳輸媒介可以是廣播電視系統(tǒng)，也可以是電信網絡系統(tǒng)，這些媒介統(tǒng)稱為傳輸信道。通常情況下，編碼碼流是不能或不適合直接通過傳輸信道進行傳輸的，必須經過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳輸的形式。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼與調制。任何信號經過任何媒質傳輸都會產生失真，這些失真導致數字信號在傳輸過程中的誤碼。為了克服傳輸過程中的誤碼，針對不同的傳輸媒質，必須設計不同的信道編碼方案和調制方案。數字電視信道編碼及調制解調的目的是通過糾錯編碼、網格編碼、均衡技術等提高信號的抗干擾能力。5.1數字電視概述5.1.3數字電視系統(tǒng)的結構1.數字電視系統(tǒng)的組成數字電視系統(tǒng)的組成如圖5-1所示。發(fā)端由攝像機產生彩色電視圖像，經A/D變換后，變?yōu)閿底忠曨l信號送入信源編碼中。同時，音頻數字化后也送入信源編碼中,信源編碼承擔著圖像和音頻數據壓縮功能，它去掉信號中的冗余部分，使傳輸碼率降低。然后，經MPEG-2標準壓縮后的數字視、音頻信號和數據通過節(jié)目復用，送入傳輸流復用。傳輸流復用完成多套節(jié)目復用功能。然后,送入信道編碼和調制器中，信道編碼和調制包括糾錯編碼和各種信號傳輸處理以及數字調制的功能，提高信號在傳輸中的抗干擾能力。這是因為數據碼流經長距離傳輸后不可避免地會引入噪聲而發(fā)生誤碼。因此，加入糾錯碼和各種信號傳輸處理以提高其抗干擾能力。經糾下一頁上一頁5.1數字電視概述錯編碼和各種信號傳輸處理和調制后的信號再通過輸出接口電路送入傳輸線路。遠距離傳輸時，可以采用數字光纖線路,數字衛(wèi)星線路，也可以采用數字微波線路，以接力傳輸方式，站與站的距離可達50公里。收端的過程與發(fā)端相反，接收端收下信號后，通過輸入接口電路把信號送入信道解碼和數字解調器中，經數字解調和信道解碼可糾正由傳輸所造成的誤碼，然后將信號送入解多路復用，最后再分別送入視頻、音頻解壓縮處理電路中，還原成模擬的視頻、音頻信號。5.1數字電視概述5.1.4電視信號的數字化彩色電視信號的數字化一定要經過采樣、量化和編碼3個過程。這個數字化的過程又稱為脈沖編碼調制（PCM），它是數字電視信號產生的主要方法。模擬信號數字化框圖如圖5-2所示，其中fc為濾波器的截止頻率，fs為取樣頻率。取樣是將時間和幅度上連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)闀r間離散的信號，即時間離散化。量化是將幅度連續(xù)信號轉換為幅度離散的信號，即幅度離散化。編碼是按照一定的規(guī)律，將時間和幅度上離散的信號用對應的二進制或多進制代碼表示。下一頁上一頁5.1數字電視概述1.圖像信號取樣結構和取樣格式電視信號的數字化處理有數字分量編碼和數字復合編碼兩種方式。數字分量編碼方式是對三基色信號ER，EG和EB或對亮度信號和色差信號EY，ER-Y與EB-Y分別進行數字化處理。（1）取樣結構取樣結構是指取樣點在空間與時間上的相對位置，有正交結構和行交叉結構等。在數字電視中一般采用正交結構，如圖5-3（a）所示。這種結構在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列，這樣有利于幀內和幀間的信號處理。圖5-3(b)所示為行交叉結構，每行內的取樣點數為整數加半個。5.1數字電視概述（2）圖像信號取樣頻率在數字電視中，Y信號的取樣頻率要滿足奈奎斯特取樣定理：即取樣頻率應該大于視頻帶寬（6MHz）的兩倍。取樣頻率選為13.5MHz。每行取樣點數:2.色度信號取樣格式（1）4:2:2格式:Y的取樣頻率為13.5MHz，色差信號Cr和Cb的取樣頻率均為6.755MHz。2）4:4:4格式:Y、Cr、Cb的取樣頻率均為13.5MHz。

5.1數字電視概述（2）圖像信號取樣頻率在數字電視中，Y信號的取樣頻率要滿足奈奎斯特取樣定理：即取樣頻率應該大于視頻帶寬（6MHz）的兩倍。取樣頻率選為13.5MHz。每行取樣點數:2.色度信號取樣格式（1）4:2:2格式:Y的取樣頻率為13.5MHz，色差信號Cr和Cb的取樣頻率均為6.755MHz。2）4:4:4格式:Y、Cr、Cb的取樣頻率均為13.5MHz。

5.1數字電視概述（3）4:2:0格式：Cr和Cb取樣頻率均為Y取樣頻率的1/4。（4）4:1:1格式：Cr和Cb取樣頻率均為Y取樣頻率的1/4。3.數字電視信號的量化量化就是把幅度連續(xù)變化的信號變換為幅度離散的信號。從降低信號的傳輸碼率考慮，自然量化級數越小越好，但是，從減少量化噪聲，改善圖像質量考慮量化級數不能太小。所以綜合考慮，廣播電視的量化級數一般大于八級，才能滿足電視信號的傳輸和處理要求。5.1數字電視概述5.1.5數字電視分類、傳播方式與標準1.數字電視的分類（1）按圖像清晰度分類數字電視可以分為數字高清晰度電視（HDTV）、數字標準清晰度電視（SDTV）、數字普通清晰度電視（LDTV）三鐘。標準清晰度電視（SDTV）是指質量相當于目前模擬彩色電視系統(tǒng)（PAL、NTSC、SECAM）的數字電視系統(tǒng)，也稱為常規(guī)電視系統(tǒng)。其來源是ITU-R601標準的4:2:2的視頻，經過某種數據壓縮處理后所能達到的圖像質量，水平清晰度約500線。，返回上一頁5.1數字電視概述高清晰度電視（HDTV）是指水平清晰度和垂直清晰度大約為目前模擬彩色電視系統(tǒng)的2倍，寬高比為16:9的數字電視系統(tǒng)。HDTV的圖像水平清晰度大于800線，圖像質量科達到或接近35mm寬銀幕電影的水平。數字普通清晰度電視（LDTV）的圖像水平清晰度為200≈300線，主要是對應現(xiàn)有VCD的分配率量級。（2）按傳輸方式分類按信號傳輸方式分類：數字電視可分為地面無線電傳輸數字電視（地面數字電視）、衛(wèi)星傳輸數字電視（衛(wèi)星數字電視）和有線傳輸數字電視（有線數字電視）三類。（3）按顯示屏幕幅型比分類按顯示屏幕幅型比分類：數字電視可分為4:3幅型比和16:9幅型比兩種。5.1數字電視概述2.三種數字電視傳播方式目前主要有三種傳輸途徑：地面開路傳輸、有線電視網傳輸和衛(wèi)星傳輸。3.數字電視系統(tǒng)關鍵技術1）數字電視的信源編解碼技術（1）視頻編解碼技術：（2)音頻編解碼技術:（3）信源編解碼的相關標準：2）數字電視的復用系統(tǒng)3）數字電視的信道編解碼及調制解調5.1數字電視概述數字傳輸的常用調制方式有：（1）正交振幅調制（QAM）：調制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳輸。（2）鍵控移相調制（QPSK）：調制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛(wèi)星廣播。;（3）殘留邊帶調制（VSB）：抗多徑傳輸效應好（即消除重影效果好），適合地面廣播。（4）編碼正交頻分調制（COFDM）：抗多徑傳輸效應和同頻干擾好，適合地面廣播和同頻網廣播。4.數字電視標準數字電視標準包括兩大部分，一是信源編碼。二是信道編碼，5.1數字電視概述根據傳輸的不同，數字電視傳輸標準包括：地面?zhèn)鬏敇藴?、有線傳輸標準、衛(wèi)星傳輸標準。目前數字電視廣播有三個相對成熟的標準制式：歐洲DVB、美國ATSC、日本ISDB。對于數字電視有線傳輸標準和衛(wèi)星傳輸標準，目前世界上大多數國家（包括中國），接受了歐洲的DVB-C和DVB-S標準，但衛(wèi)星傳輸標準還是很不統(tǒng)一的。5.2數字電視信號的信源編碼5.2.1圖像壓縮編碼技術1.圖像數據壓縮的必要性2.圖像數據壓縮的可能性圖像數據中存在以下幾個方面的冗余：空間冗余、時間冗余、結構冗余、知覺冗余。3.圖像壓縮編碼過程4.圖像壓縮編碼的分類圖像壓縮編碼的的算法根據不同的方法有不同的分類。1）根據圖像質量有無損失分類根據圖像質量有無損失，圖像壓縮方法可以分成兩類。一類是無損壓縮編碼，又稱為可逆編碼。另一類是有損壓縮編碼，又稱為不可逆編碼。

下一頁5.2數字電視信號的信源編碼無損壓縮在回放壓縮文件時，能夠準確無誤地恢復原始數據。這種方法常用于數據文件的壓縮，例如ZIP文件。無損壓縮常用的算法是霍夫曼方法和可變游程編碼。有損壓縮靠丟掉大量冗余信息來降低數字圖像所占的空間，回放時不能完整地恢復原始圖像，而將有選擇地損失一些細節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。對同一種壓縮算法來講，所需壓縮率越高，損失的圖像信息越多。一般采用的算法為變換編碼+運動檢測?，F(xiàn)在通用的變換編碼有DCT（離散余弦變換）和小波變換編碼，運動檢測采用塊檢索算法。2）根據壓縮機理分類（1）基于圖像信源統(tǒng)計特性的壓縮方法有：預測編碼、變換編碼、量化編碼、子帶-小波編碼和神經網絡編碼法等。5.2數字電視信號的信源編碼（2）基于人眼視覺特性的壓縮方法有：基于方向濾波的圖像編碼法和基于圖像輪廓-紋理的編碼法。（3）基于圖像景物特征的壓縮方法有：分形編碼法和基于模型的編碼方法等。3）根據壓縮處理的像素分布范圍分類根據壓縮處理的像素分布范圍分類有：幀內編碼、幀間編碼。幀內編碼壓縮方式是在一幀（或一場）內進行，其目的是消除一幀（或一場）內圖像的空間冗余，幀間編碼是在相鄰兩幀或幾幀之間進行，其目的是消除靜止圖像或慢速運動圖像的時間冗余。4）根據是否自適應分類根據是否自適應編碼，可以分為自適應編碼和非自適應編碼。數字電視在信源編碼中，由于要求壓縮比高，普遍采用的是有損壓縮編碼方法。5.2數字電視信號的信源編碼5.2.2預測編碼預測編碼的主要作用是減少數據在時間和空間上的相關性，預測編碼屬于有損壓縮編碼。預測編碼既可以在一幀圖像內進行幀內預測編碼，也可以在多頻圖像內進行預測編碼。預測編碼的基本技術是對信號的最佳預測和最佳量化。在預測編碼時，不直接傳送圖像樣值的本身，而是根據某一模型，利用過去的樣值對當前樣值進行預測，然后將當前樣值的實際值與預測值相減得到一個誤差值，只對這一預測誤差值進行編碼、傳送，這種預測方式，稱為DPCM，即差分脈沖編碼調制。下一頁上一頁5.2數字電視信號的信源編碼1.DPCM基本原理在PCM（PulseCodeModulatiom脈沖編碼調制）系統(tǒng)中原始的模擬信號經過采樣后得到的每一個樣值都被量化成為數字信號。為了壓縮數據，可以不對每一樣值都進行量化，而是預測下一樣值。并將實際值與預測值之間的差值進行量化，這就是DPCM（DifferentialPulseCodeModulatiom差分脈沖編碼調制）。DPCM系統(tǒng)又稱為預測量化系統(tǒng)，DPCM所傳輸的是經過再次量化的時間樣值與其預測值之間的差值，即預測誤差。DPCM系統(tǒng)框圖如圖5-4所示。其中編碼器和解碼器分別誤差對預測誤差量化值的編碼和解碼。5.2數字電視信號的信源編碼2.幀內預測及幀間預測幀內預測利用：利用圖像信號的空間相關性來壓縮圖像的空間冗余，根據前面已經傳送的同一幀內的像素來預測當前像素。如果所選的參考樣值在同一掃描行內，則叫做一維預測。如果參考樣值除了本行的，還與前一行或前幾行有關，則叫做二維預測。由于采用隔行掃描，一幀分成奇偶兩場，使所以二維預測又分為幀內預測和場內預測。幀間預測：電視圖像在相鄰之間存在很強的相關性。選擇前一幀圖像上的樣值作為參考樣值，叫做三維預測。對壓縮比要求不高的協(xié)調采用場內DPCM，而對于要求高壓縮比的視頻傳輸系統(tǒng)，則必須采用含有運動補償的幀間壓縮。5.2數字電視信號的信源編碼3.自適應預測自適應預測由稱為非線性預測。根據圖像每一局部的特點，自適應地變更預測公式中的預測系數，盡可能地使預測公式隨時與被預測樣值附近圖像局部的統(tǒng)計特性相匹配，從而避免出現(xiàn)過多的大的預測誤差。4.運動補償預測當圖像存在運動物體時，簡單的預測不能收到好的效果，例如：圖中當前幀與前一幀的背景完全一樣，只是小球平移了一個位置，如果簡單地以第k-1幀像素值作為k幀的預測值，則預測誤差都不為零。如果已經知道了小球運動的方向和速度，可以從小球在k-1幀的位置推算出它在k幀中的位置來，而背景圖像（不考慮5.2數字電視信號的信源編碼棄一些小幅度的變換系數。被遮擋的部分）仍以前一幀的背景代替，將這種考慮了小球位移的k-1幀圖像作為k幀的預測值，就比簡單的預測準確得多，從而可以達到更高的數據壓縮比。這種預測方法稱為具有運動補償的幀間預測。具有運動補償的幀間預測編碼是視頻壓縮的關鍵技術之一，它包括以下幾個步驟：首先，將圖像分解成相對靜止的背景和若干運動的物體，各個物體可能有不同的位移，但構成每個物體的所有像素的位移相同，通過運動估值得到每個物體的位移矢量；然后，利用位移矢量計算經運動補償后的預測值；最后對預測誤差進行量化、編碼、傳輸，同時將位移矢量和圖像分解方式等信息送到接收端。5.2數字電視信號的信源編碼5.2.3變換編碼與統(tǒng)計編碼1.變換編碼變換編碼（TransformCoding）的基本思想是將通常在空間域中描寫的圖像信號變換到另外的向量空間（變換域）進行描寫，然后再根據圖像在變換域中系數的特點和人眼的視覺特性進行編碼。根據選用的變換函數不同，可分為k-1變換、哈爾（Haar）變換、離散余弦變換（DCT）和沃爾什（Walsh）變換等。一般來說圖像變換不是對整幅圖像一次進行，而是在存儲器量化器用有限個值來表示變換后的系數矩陣，通過量化器舍下一頁上一頁5.2數字電視信號的信源編碼中把一幅圖像分成許多N×N的圖像塊，然后依次將每個方塊內的N×N個樣點同時送入變換器進行變換運算。變換器把輸入的N×N點的像塊由原空間域變換到變換域中，映射成同樣大小的N×N點的變換系數矩陣，經過變換后系數矩陣更有利于壓縮。2.統(tǒng)計(熵)編碼統(tǒng)計編碼是一種基于量化系數統(tǒng)計特性所進行的無失真編碼，是根據信息論的原理，認為在壓縮圖像數據時，只要不丟失信息熵，解碼后就可以無失真地恢復原圖像，這種編碼方式又稱熵編碼。5.2數字電視信號的信源編碼信息“熵”的含義是信源發(fā)出任意一個隨機變量的平均信息量。常用的統(tǒng)計編碼有霍夫曼編碼和算術編碼等。1）霍夫曼編碼霍夫曼編碼是一種可變長編碼,是圖像壓縮中最重要的編碼方法之一?；舴蚵幋a步驟如下：（1）把信源符號按出現(xiàn)概率由大到小順序排列（相同概率的符號可以任意顛倒排列位置）；（2）將最小的兩個概率相加，形成一個新的概率集合，再按照第一步的方法重新排列后，扔將最小的兩個概率相加，如此重復下去，直到只有兩個概率系列為止。（3）定義碼字，如對符號按概率大小定義為“0”和“1”，但要注意，若大概率定義為“1”，則所有的大概率都要定義為“1”，在同一霍夫曼編碼中不得改變。5.2數字電視信號的信源編碼5.2.4圖像壓縮的主要技術標準1.JPEG標準JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是聯(lián)合（靜止）圖像專家組的英文縮寫。（1）JPEG標準的特點JPEG是一個達到數字演播室標準的圖像壓縮編碼標準，其亮度信號與色調信號均按照ITU-R601的規(guī)定取樣后劃分為8×8子塊進行編碼處理。JPEG不含幀間壓縮，這使得各幀在壓縮編碼后是各自獨立的，這一點對于編碼來說是有利的，可以做的精確到逐幀的編輯。（2）JPEG標準的基本壓縮方法JPEG標準所根據的算法下一頁上一頁5.2數字電視信號的信源編碼是基于DCT（離散余弦變換）和可變長編碼。JPEG的關鍵技術有變換編碼、量化、差分編碼、運動補償、霍夫曼編碼和游程編碼等。JPEG標準包括兩種基本壓縮方法：①有損壓縮方法，這是以DCT變換為基礎的壓縮方法，其壓縮比較高，是JPEG標準的基礎；②無損壓縮方法，又稱預測壓縮方法，是以二維DPCM為基礎的壓縮方式，解碼后能完全精確地恢復原圖像才有值，其壓縮比低于有損壓縮。（3）JPEG編碼過程基于DCT的JPEG編碼原理框圖如圖5-5所示。JPEG編碼過程主要有以下幾個重要步驟：將一幅靜止圖像分成8×8像素塊之后送入DCT變換器，目的是去除圖像數據的空間冗余。5.2數字電視信號的信源編碼輸入信號經DCT變換后，按固定的亮度與色度量化矩陣進行非線性量化。JPEG推薦了亮度信號和色度信號兩種量化表，色度信號的量化系數大于亮度信號的量化系數，高頻區(qū)的量化系數大于低頻區(qū)的量化系數，這是通過實驗和統(tǒng)計后確定的視覺閾值，充分利用了人眼的視覺特性。在進入編碼器前，還要進行之字形掃描，其目的是把二維的變換矩陣轉換為一維系列，最后將數組送入熵編碼器完成編碼。對量化后的DCT直流系數進行差分編碼，交流系數進行游程編碼，再按霍夫曼碼表進行變長編碼后，送緩存器輸出。5.2數字電視信號的信源編碼2.MPEG標準1992年和1994年分別通過了MPEG-1和MPEG-2壓縮編碼標準。針對不同的應用，MPEG現(xiàn)在已經有了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7一系列標準。1）MPEG的基本特點MPEG-1主要是針對運動圖像和聲音在數組存儲時壓縮編碼，經典應用如VCD等家用數字音像產品，其編碼最高碼率為1.5Mbit/t。MPEG-1主要包括三個部分：第一部分系統(tǒng)(ISO/IEC11172-1)，是關于數字視頻、數字音頻和輔助數據等多路壓縮數據流復用和同步的規(guī)定。第二部分視頻(ISO/IEC11172-2)，是關于位速率約為1.5Mbit/s的視頻信號的壓縮編碼的規(guī)定。5.2數字電視信號的信源編碼第三部分音頻(ISO/IEC11172-3)，是關于每通道位速率為64kbit/s，128kbit/s和192kbit/s的數字音頻信號的壓縮編碼的規(guī)定。MPEG-1標準的目標主要包括以下幾方面：（1)在圖像和聲音的質量上必須高于可視電話和會議電視的聲像質量，至少應達到VHS家用錄像機的聲像質量。（2)壓縮后的數碼率應能存儲在光盤、數字錄音帶DAT或可寫磁光盤等媒體中。（3)壓縮后的碼率應與目前的計算機網絡傳輸碼率相適配，為1.2～1.5Mbit/s。（4)在通信網絡上能適應多種通信網絡的傳輸。5.2數字電視信號的信源編碼2）MPEG-2的基本特點MPEG-2是針對數字電視的視、音頻壓縮編碼，對數字電視各種等級的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細的規(guī)定，其編碼碼率可從3Mbit/s到100Mbit/s。MPEG-2主要有三個部分：第一部分為系統(tǒng)(ISO/IEC13818-1)，是關于多路音頻、視頻和數據的復用和同步的規(guī)定。第二部分為視頻(ISO/IEC13818-2)，主要涉及各種比特率的數字視頻壓縮編解碼的規(guī)定。第三部分為音頻(ISO/IEC13818-3)，擴充了MPEG-1的音頻標準，使之成為多通道音頻編碼系統(tǒng)，可達到的環(huán)繞聲5.1聲道。5.2數字電視信號的信源編碼2）MPEG-2的基本特點MPEG-2是針對數字電視的視、音頻壓縮編碼，對數字電視各種等級的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細的規(guī)定，其編碼碼率可從3Mbit/s到100Mbit/s。MPEG-2主要有三個部分：第一部分為系統(tǒng)(ISO/IEC13818-1)，是關于多路音頻、視頻和數據的復用和同步的規(guī)定。第二部分為視頻(ISO/IEC13818-2)，主要涉及各種比特率的數字視頻壓縮編解碼的規(guī)定。第三部分為音頻(ISO/IEC13818-3)，擴充了MPEG-1的音頻標準，使之成為多通道音頻編碼系統(tǒng)，可達到的環(huán)繞聲5.1聲道。5.2數字電視信號的信源編碼MPEG-2已廣泛應用于DVD，SDTV和HDTV中。3）MPEG標準中一種圖像幀的概念對數字電視圖像的傳送，在MPEG-1和和MPEG-2的編碼方式中，不是依次傳送每幀圖像，而是將要傳送的圖像重新定義為三種圖像幀。第1種為幀內編碼幀，簡稱I幀。I幀的圖像只進行幀內壓縮，作為預測基準的獨立幀，不考慮其他幀，編碼采用JPEG壓縮標準，具有較小的壓縮比。第2種為前向預測編碼幀，簡稱P幀。P幀只傳送在它前面的I幀的差值信息，即預測誤差信息，該差值信息可以看成是運動圖像的變化部分。由I幀前向預測產生的P幀具有中等壓縮比，并與I幀一起成為B幀的預測基準。5.3數字電視信號的信道編碼5.3.1信道編碼的原因與要求1.信道編碼的原因數字信息在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數據流中產生誤碼，從而造成接收端圖像出現(xiàn)跳躍、不連續(xù)和馬賽克等現(xiàn)象。數據在信道中傳輸，往往會受到系統(tǒng)本身和外界環(huán)境的干擾而形成誤碼。誤碼包括隨機誤碼和突發(fā)誤碼。2.降低誤碼率的主要方法1）選取抗干擾強的碼型，如雙極性非歸零碼、多元碼等。下一頁上一頁

5.3數字電視信號的信道編碼2）選取先進的調制方法。3）加入檢錯、糾錯碼。因此，數字音、視頻信號在經壓縮編碼和復用，形成了符合MPEG-2系統(tǒng)層規(guī)范的傳送流（TS），通過衛(wèi)星、有線電視網或地面廣播信道發(fā)送之前，需要通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數碼流進行相應的處理，即在其中加入檢糾錯碼，并進行交織等處理，這個處理過程就是信道編碼。3.信道編碼的要求5.3數字電視信號的信道編碼5.3.2信道編碼的基本原理1.信道編碼的一般結構信道編碼的過程是在源數據流中加插一些碼元，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的，這就是我們常常說的開銷。信道編碼的一般結構如圖5-6所示。在數字電視傳輸過程中，信道編碼主要有RS編碼、交織、卷積編碼及QPSK、QAM、VSB、COFDM調制方式組成。2.檢錯糾錯編碼方式提高數據傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務。數字電視中的糾錯編碼，通常采用兩次附加糾錯碼的前向糾錯方式。前向糾錯碼的碼字是具有一定糾錯能力的碼型，發(fā)端下一頁上一頁5.3數字電視信號的信道編碼發(fā)送能夠糾正錯誤的碼，收端收到信碼后自動糾正傳輸中的錯誤。所以采用前向糾錯方式，在接收端解碼后，不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能夠判斷錯誤碼元所在的位置，并自動糾錯，其特點是單向傳輸，實時性好。廣播系統(tǒng)（單向傳輸系統(tǒng)）都采用這種信道編碼方式，但譯碼設備較復雜。糾錯碼按照檢錯糾錯功能的不同，可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼三種。糾錯碼按照誤碼產生原因的不同，可分為糾隨機誤碼和糾突發(fā)誤碼兩種。前者應用于主要產生獨立性隨機誤碼的信道，后者應用于易產生突發(fā)性局部誤碼的信道。對具體的糾錯碼，可以從不同角度將其分類，圖5-7所示即為糾錯碼的分類情況。5.3數字電視信號的信道編碼

5.3.3信道編碼方案概述根據傳輸信道不同，信道編碼方案也有所不同。在DVB-T數字電視中，由于是無線信道且存在多徑干擾和其他的干擾，為此它的信道編碼是：RS+外交織+卷積碼+內交織。采用了兩次交織處理的級聯(lián)編碼，增強其糾錯的能力。RS作為外編碼，其編碼效率是188/204（又稱外編碼率），卷積碼作為內編碼，其編碼效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種，（又稱內編碼率）選擇，信道的總編碼效率是兩種編碼效率的級聯(lián)疊加。如圖5-8所示。DVB-C數字電視標準，由于對應的傳輸信道是有線信道，信道干擾少，所以它的信道編碼是：RS+交織。如圖5-9所示。下一頁上一頁5.4數字基帶信號與數字調制方式5.4.1數字基帶傳輸通常將發(fā)送調制前的信息稱為基帶信號，圖5-10所示為基帶傳輸系統(tǒng)的基本結構框圖，它由信道信號形成器、傳輸信道、接收濾波器和取樣判決器幾部分組成。對基帶信號的要求主要有兩點：一是對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；二是對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。下一頁上一頁5.4數字基帶信號與數字調制方式數字基帶信號的常用碼型如圖5-11所示。1）基帶信號的信息碼元。2）位定時信號：脈寬T代表1bit的寬度，升降沿代表每比特定時的開始。3）單極性不歸零（NRZ）碼；二進制符號“1“和”0”分別對應正電平和零電平，在整個碼元持續(xù)時間電平保持不變。4）雙極性NRZ：二進制符號“1“和”0”分別對應正、負電平。5）單極性歸零（RZ）碼；它與單極性NRZ碼相似，區(qū)別在于碼元“1“的高電平持續(xù)時間τ<T/2，其余時間返回零電平（低電平）；而碼元”0”一直處于零電平，它實際上是以時間T內無脈沖調變信號來表示“1“、”0”。下一頁上一頁

5.4數字基帶信號與數字調制方式6）單極性傳號差分（NRZ-M）碼；其特點是以位定時信號邊沿時刻有電子跳變表示“1“，無電子跳變表示”0”。7）單極性空號差分（NRZ-S）碼；其特點是以位定時信號邊沿時刻有電子跳變表示“0“，無電子跳變表示”1”。8）雙相碼(也稱曼徹斯特碼或調頻碼):其特點是無論碼元“1”或“0”，每一碼元比特的邊緣都有電平跳變.9）密勒碼(Miller,M)，它是雙相碼的一種變型:“1”用碼元周期中央出現(xiàn)跳變(而其前后沿不出現(xiàn)跳變)來表示；對碼元“0”則有兩種處理情況，單個“0”時碼元周期內不出現(xiàn)跳變，連“0”時在相鄰的“0”交界處出現(xiàn)跳變。10）密勒平方碼:它是密勒碼的變型，其區(qū)別在于無論“1”還是“0”，當連續(xù)出現(xiàn)的相同碼元超過2時省去最后一個比特上的電平跳變，即對于“1”省去其中央電平跳變，對于“0”省去其最后一個碼元“0”的前沿跳變。

5.4數字基帶信號與數字調制方式5.4.2數字調制技術為避免數字信號在傳輸時受信道特性的影響，使信號產生畸變，通常需要在發(fā)射端對基帶信號進行調制。從原理上看，數字調制與模擬調制沒有根本上的差別。模擬調制中是由模擬信號的瞬時值改變載波信號的某個參量(幅度、頻率或相位)實現(xiàn)載波調制的，模擬信號在時間上和幅度上都是連續(xù)的，所以載波信號的調制參量也是連續(xù)變化的。而數字調制則是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳輸的信息，在接收端解調時對信號的離散調制量進行檢測。數字調制也有調幅、調頻和調相三種方式，在二進制時：數字信號的三種調制分別稱為幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK），并由此派生出多種形式。數字調制的三種鍵控方式如圖5-12所示。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)5.5.1數字視頻廣播系統(tǒng)概述1.ATSC數字電視系統(tǒng)美國的ATSC數字電視標準是FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）提出的全數字化HDTV數字電視廣播標準。ATSC標準中規(guī)定了可以采用的18種數字圖像源格式，包括一幀圖像的像素數和掃描方式。（1）傳送端的形成ATSC信道輸入的是傳送流（TS流）數據，TS流形成過程如圖5-13所示，包含了應用層、壓縮層、傳送層和傳輸層4層，傳送層的輸出即為傳送流。應用層（ApplicationLayer）是演播室內根據規(guī)定的視音頻標準原始產生的，未壓縮的視音頻數據流，例如視頻是SDI或HD-SDI數據流，音頻是立體聲或環(huán)繞聲的數據流。下一頁上一頁

5.5數字視頻廣播系統(tǒng)壓縮層（CompressionLayer）根據規(guī)定的信源編碼標準將輸入的數據流予以碼率壓縮、產生出視頻基本流（VES）和音頻基本流（AES）。視頻基本流由像塊、宏塊、像條、圖像（幀）、COP（圖像組）和序列等6個層次構成。傳送層（TransportLayer）中將ES打包，形成打包基本流（PES），并實現(xiàn)視音頻PES的復用，組成復用的節(jié)目流（PSMUX）和傳送流（TSMUX）。傳輸層（TransmissionLayer）內包含信道編碼和載波調制，其輸出是調制在中頻上的數字已調波，饋送至上變頻器，經高功放級后由天線發(fā)射。（2）ATSC信道編碼與調制流程ATSC信道編碼與調制流程框圖如圖5-14所示。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)2.DVB數字電視系統(tǒng)1）DVB系統(tǒng)的主要標準（1）DVB-S：滿足衛(wèi)星轉發(fā)器的帶寬及衛(wèi)星信號的傳輸特點而設計的數字衛(wèi)星電視標準，適用于11/12G頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)。（2）DVB-C，數字有線電視廣播系統(tǒng)標準。由于傳輸媒介采用的是同軸線，與衛(wèi)星傳輸相比外界干擾小，信號強度相對高些，所以前向糾錯編碼保護中取消了內碼。DVB-C標準具有16、32、64QAM（正交調幅）幾種調制方式，工作頻率在19GHz以下。采用64QAM時，一個PAL通道的傳送碼率為41.34Mbit/s，可用于多套節(jié)目的復用。（3）DVB-T：數字地面電視廣播系統(tǒng)標準，采用COFDM5.5數字視頻廣播系統(tǒng)調制方式，COFDM調制方式將信息發(fā)布到許多個載波上面，用來避免傳輸環(huán)境造成的多徑發(fā)射效應，其代價是引入了傳輸“保護間隔”。這些“保護間隔”會占用一部分帶寬，通常COFDM的載波數量越多，對于給定的最大發(fā)射延時時間，傳輸容量損失越小。由于COFDM調制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許在單頻網中的相鄰網絡的電磁覆蓋重疊，在重疊的區(qū)域內可以將來自兩個發(fā)射塔的電磁波看成一個發(fā)射塔的電磁波與自身反射波的疊加。從前向糾錯碼來看，DVB-T系統(tǒng)不僅包含了內外碼，而且加入了內外交織。大量導頻信號插入和保護間隔技術是DVB-T系統(tǒng)的技術核心，正是這兩項技術使歐洲系統(tǒng)能夠在抗強多徑和動態(tài)多徑及移動接收的實測性能方面優(yōu)于ATSC系統(tǒng)。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)另外，DVB-SMATV是數字衛(wèi)星共用天線電視（SMATV）廣播系統(tǒng)標準，DVB-MS是高于10GHz的數字廣播MMDS分配系統(tǒng)標準，DVB-MC是低于10GHz的數字廣播MMDS分配系統(tǒng)標準。2）DVB系統(tǒng)的核心技術（1）DVB標準的核心：系統(tǒng)采用MPEG壓縮的音頻、視頻及數據格式作為數據源；系統(tǒng)采用公共MPEG-2傳輸流（TS）復用方式；采用公共的用于描述廣播節(jié)目的系統(tǒng)服務信息（SI）；系統(tǒng)的第一級信道編碼采用R-S前向糾錯編碼保護；調制與其他附屬的信道編碼方式，由不同的傳輸媒介來確定；使用通用的加擾方式以及條件接收界面。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)（2）DVB有視頻特點：DVB系統(tǒng)的音頻編碼采用MPEG-2的第二層編碼，也稱做MUSICAM。MPEG-2的第二層音頻編碼可用于單音、立體聲、環(huán)繞聲和多路多語言聲音的編碼；DVB系統(tǒng)視頻編碼，采用標準的MPEG-2壓縮編碼、（3）MPEG-2碼流復用及服務信息。數字電視音、視頻信號首先經過MPEG-2編碼器進行數據壓縮，接著通過節(jié)目復用器形成基本碼流（ES），基本碼流經過打包后形成有包頭的基本碼流（PES）流送入傳輸復用器進行系統(tǒng)復用，復用器的碼流叫做傳送流（TS）。傳送流中包括多個節(jié)目源的不同信號，為了區(qū)分這些信號，在系統(tǒng)復用器上需要加入服務信息（SI），使接收端可以識別出不同的節(jié)目。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)

5.5.2數字電視信號接收機以美國的ATSC8-VSB數字電視地面廣播為例，見圖5-15，簡要介紹數字電視接收機的工作原理。數字電視接收數字電視信號的過程大致為：高頻接收均衡信道解碼解復用信源解碼（圖像、聲音、數據解碼）數/模轉換，經放大電路后分別送顯示器和揚聲器中還原。下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)5.5.3數字電視機頂盒機頂盒是一種將數字電視信號轉換成模擬信號的變換設備，是模擬電視轉向數字電視的橋梁，是實現(xiàn)交互功能的關鍵設備，機頂盒也是電視接入因特網的重要工具。機頂盒的的主要作用是接收數字電視信號，并對數字圖像和聲音信號進行解碼還原產生模擬信號，供模擬電視機使用。1.機頂盒的分類機頂盒按照用途可以分為數字電視機頂盒；使模擬彩電能夠接收數字電視信號；網絡電視（webTV）機頂盒，使模擬彩電能夠瀏覽互聯(lián)網；VOD數字機頂盒，這是一種基于寬帶網，可實現(xiàn)上網和雙向視頻點播功能的產品。下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)數字電視機頂盒又分為：有線數字電視機頂盒、衛(wèi)星數字電視機頂盒、地面數字電視機頂盒，三種機頂盒的硬件結構主要區(qū)別在解調部分。目前家庭使用比較多的是有線數字電視機頂盒，主要提供基本音視頻業(yè)務和數據應用，在一段時期后，將充分利用CATV網絡帶寬較寬的特點，實現(xiàn)交互功能，最終發(fā)展成為集解壓縮、Web瀏覽、解密收費和交互控制為一體的數字化終端設備。有線數字電視機頂盒根據其功能也有基本型、增強型和高級型之分。5.5數字視頻廣播系統(tǒng)2.機頂盒的基本結構及工作原理機頂盒的功能取決于其結構與關鍵技術。機頂盒設計的一個重要原則是開放式結構，做到既能與網絡有效連接，又具有靈活的可擴充性。圖5-16為三種數字電視機頂盒又分為：有線數字電視機頂盒、衛(wèi)星數字電視機頂盒、地面數字電視機頂盒，三種機頂盒的硬件結構主要區(qū)別在解調部分。數字電視機頂盒的工作過程大致如下：高頻調諧器接收來自傳輸網絡的高頻數字電視信號，通過信道解碼其，從載波中分離出包含音、視頻和其它數據信息在內的傳送流，完成信道解碼。下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)傳送流中一般包含多個音、視頻流及一些數據信息，解復用器則用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應的音、視頻流和數據流，送入MPEG-2解碼器和相應的解析軟件，完成數字信息的還原。條件接收器對音、視頻流實施解擾，并采用含有識別用戶和進行記賬功能的智能卡，保證付費電視合法用戶正常收看。MPEG-2解碼器完成音、視頻信號的解壓縮，在送到PAL/NTSC/SECAM制以得到相應格式的視頻信號。在這過程中，可以疊加圖形發(fā)生器產生的圖形信號，然后送終端顯示設備，顯示高質量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。

下一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)機頂盒的關鍵技術涉及硬件和軟件技術，主要有：1）信道解調技術由于各國的衛(wèi)星廣播數字電視系統(tǒng)幾乎均采用DVB-S標準，而DVB-S的信道編碼是采用RS（ReedSoiomon）前向糾錯編碼，卷積交織方式，調制則采用QPSK方式，因此相應的衛(wèi)星廣播數字電視機頂盒必須具有OPSK解調、RS解碼和解交織（糾錯處理）的功能。歐洲的數字有線電視廣播系統(tǒng)采用DVB-C標準，具有16、32、64QAM(正交調幅)三種調制方式，工作頻率在10GHz以下。采用64QAM時，一個PAL通道的傳送碼率為41.3Mbit/s，可用于多套節(jié)目的復用。我國在有線網絡中傳輸數字電視及其增值業(yè)務也采用QAM調制方式，所以有線電視機頂盒必需的信道解碼應包括QAM解碼功能。下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)2）信道解調技術模擬信號數字化后，由于數據量巨大，必須采用相應的數據壓縮標準。在高清晰度數字電視（HDTV）的視頻壓縮編碼標準方向，美國、歐洲和日本沒有分歧，都采用MPEG-2視頻標準。在音頻壓縮編碼方向，歐洲、日本采用了MPEG-2標準，美國則采納了杜比（Dolby）公司的AC-3方案，MPEG-2為備用方案。另外在將視頻、音頻、輔助數據等由編碼器送來的數據比特流，經處理復合成單路串行的比特流，送給信道編碼及投資的復用傳輸方面，美國、歐洲和日本也全部采用了MPEG-2標準。信源解碼器必須適應不同的編碼策略，正確還原原始音、視頻數據。下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)3）信道解調技術為實現(xiàn)實時的解復用和數據信息處理，目前系統(tǒng)大多采用專用芯片，將CPU內核與MPEG-2傳輸流解復用器，DVB通用解擾器，MPEG有視頻解碼器，NTSC/PAL編碼器集成，形成STB的核心芯片。4）上行數據的調制編碼開展交互式應用，需要考慮上行數據的調制編碼問題。目前普遍采用的有：采用電話線、以太網卡及通過有線網絡傳送上行數據等3種方式。5）機頂盒軟件技術軟件技術在數字電視技術中占十分重要的位置，如電視內容的重現(xiàn)、操作界面的實現(xiàn)、數據廣播業(yè)務的實現(xiàn)，直至機頂盒和個人計算機的互聯(lián)以及和下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)Internet的互聯(lián)都需要由軟件來實現(xiàn)，主要有：（1）硬件驅動層軟件：驅動程序驅動硬件功能，如射頻解調器、傳輸解復用器、A/V解碼器、OSD、視頻編碼器等。（2）實時操作系統(tǒng)：與PC操作系統(tǒng)不同，機頂盒中的操作系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)（RTOS），可以在實時的環(huán)境中工作，并能在較小的內存空間中運行。目前流行的實時操作系統(tǒng)有VxWorks、Psos、OS20、WindowsCE等。這些操作系統(tǒng)各有所長，在機頂盒中都要應用。（3）中間件：在開發(fā)機頂盒上層應用中常常會面對如下問題：實時多任務操作系統(tǒng)，硬件平臺原理細節(jié)，復雜的行業(yè)下一頁上一頁5.5數字視頻廣播系統(tǒng)標準，繁雜的用戶界面以及使用功能等各項跨行業(yè)的難題。為了解決上述問題，中間件應運而生，并成為數字電視核心技術，也就是我們前面提到的開放式業(yè)務平臺。中間件是在數字電視接收機的應用程序和操作系統(tǒng)、硬件平臺之間嵌入的一個中間層，定義一組較為完整的、標準的應用程序接口，使應用程序獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，從而將應用的開發(fā)變得更加簡捷，使產品的開放性和可移植性更強。它通常由Java虛擬機、網絡瀏覽器、圖像與多媒體模塊等組成。開放的業(yè)務平臺上的特點在于產品的開發(fā)和生產以一個業(yè)務平臺為基礎，開放的業(yè)務平臺為每個環(huán)節(jié)提供獨立的運行模式，5.5數字視頻廣播系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)擁有自身的利潤，能產生多個供應商。只有采用開放式業(yè)務平臺才能保證機頂盒的擴展性，保證投資的有效回收。（4）上層應用軟件：執(zhí)行服務商提供的各種服務功能，如：電