《数字电视》课件.ppt
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1、,数字电视原理,主讲人:赵艳杰,西安电子科技大学出版社,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,2.1 数字电视的优点 2.2 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 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,2.1 数字电视的优点 现行彩色电视制式的缺陷:1.画面细节分辨率不够,清晰度不足2.复合信号方式的缺陷3.大面积闪烁和行间闪烁4.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。数字电视:是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视 信号,然后进行传输、处理或进行存储的系
2、统。,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。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。(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。(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。
3、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。(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
4、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。,(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“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
5、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的同时,可以享受到“电视导演或电视编辑”的乐趣。,(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
6、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换,以及画中画、画外画和电视图像幅型变换等。,(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
7、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式及制作方式的变革。,数字电视的主要优点:(1)数字电视的抗干扰能力强。(2)数字电视信号能够进行存储,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难以得到的各种信号处理功能。(3)数字电视稳定可靠,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,容易和其它信息链联,便于加入公用数据通信网。它也便于与计算机或其它数字设备接口。数字电视的一个主要缺点: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接进行传输,同时,也难以实现模拟电视
8、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 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。,2.2 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:6.758=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。,不压缩时的数字电视
9、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,可以在我国PALD标准一套普通模拟电视节目带宽内传输。,按照 MPEG-2 MPML(主档次主等级)标准,可
10、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,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。彩色数字会议电视系统的国际标准为 H.261(2.048 Mb/s),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 8MHz 带宽中,可传 6 路 8.448 Mb/s 经调制以后的数字电视信号。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 MPEG-1 的国际标准,将数码率压 缩到 2.048 Mb/s(VCD质量);
11、2.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);3.按 MPEG-2 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。,一.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。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。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,则每行得出来的样点刚好为正交整
12、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。YUV 抽样点结构可分为三种:444、422 和420。1.444、422 和 420 抽样点结构图 2.2.1(a)所示为444、抽样点结构。,图 2.2.1 抽样点结构,(b)YUV=422;(c)YUV=420,图 2.2.1(b)所示为 422 抽样点结构。图 2.2.1(c)所示为420 抽样点结构。,2.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,2)不压缩时数码率的计算方法一:数码率=采样频率每样点的比特数对DV
13、D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 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 261;如按 MPEG-1 标准压缩后,数码率为2.048 Mb/s,压缩比约为 1001。,方法二:数码率=一帧图像样点样数每样点比特数每秒帧数 一帧图像样点样数=每行有效样点数一帧图像的有效行数对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
14、数 采样频率/行频=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,对于U、V 信号,如按YUV=422,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
15、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201;如按 MPEG-1标准压缩后,数码率为 2.048 Mb/s,压缩比约为 821。,实际计算不压缩时的数码率常采用方法二方式,而且只要知道表所列出的数据格式就可直接算出。例如:按 YUV=420 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
16、 201,则经压缩后的数码率为 1.52064 Mb/s,这就是我们通常使用的 VCD的数码率。,二.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,必经过抽样、量化和编码过程,这三个过程虽然现在可在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。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A/2。e(t)=f(t)f(t),图 2.2.2 舍入量化,若输入信号的动态范围
17、 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:采用二进制编码,所需的比特数n也随M 的增大而增大,即:M=2n M 与 n 的取值主要由量化的信噪比决定。,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 可以看出舍入量化的量化误差为A/2 或 A/2。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)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:可以得出结论:量化间距A越小,量化误差引起的失真功率也越
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