数字电视原理复习资料.docx
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数字电视原理复习资料
数字电视原理
一.什么是数字电视？
什么是高清晰度电视？
普通电视（TV，Television）：
简称电视，在整个广播过程（包括摄像、编辑、调制、传输、解调、重显）全部采用模拟信号处理
数字电视（DTV,DigitalTelevision）：
在整个广播过程（包括摄像、编辑、编码、传输、解码、重显）全部采用数字信号处理
高清晰度电视（HDTV,HighDefinitionTelevision）：
在整个广播过程（包括摄像、编辑、编码、传输、解码、重显）全部采用数字信号处理，且清晰度高于普通电视，达到电影的清晰度水平。
1.电视广播的一般流程
摄像→编辑→调制编码→传输→解调解码→重显
3.什么是模拟信号？
什么是数字信号？
模拟信号：
在时间和幅度上均为连续
数字信号：
在时间和幅度上均为离散0，1模拟信号数字信号
4.为什么要采用数字电视？
（1）数字信号只有0和1两种状态，抗干扰性极强，保真度很高。
（2）高清晰度电视（属数字电视），可以获得比普通电视高得多的清晰度和图象质量。
（3）数字电视可以实现互动、点播
二.数字电视的技术标准
每帧
行数
宽高
比
每帧有效像素
视频带宽
压缩前
总码率
压缩后
总码率
TV
625
4：
3
720×
575
6
MHZ
--------
---------
DTV
625
4：
3
720×
575
6
MHZ
165.6
Mb/s
8.448
Mb/s
HDTV
1250
16：
9
1920×
1152
27
MHZ
663.55
Mb/s
25
Mb/s
三.数字电视的关键技术
1.模/数变换：
将每一个象素的数值转换成0和1组成的二进制代
2.压缩编码技术：
MPEG（活动图象专家组），MPEG–1VCD标准，MPEG-2DVD、HDTV标准
3.纠错编码技术
4.并行处理技
A美国方B北欧方案C中国方案
四.我国DTV、HDTV发展概况
1994年11月国务院成立了由11个部委局组成的HDTV研发协调小组。
1996年8月广研所向广电部提交建立数字电视地面试验台的报告，10月广电部批准立项。
1997年7月在长城做了HDTV接收实验。
1998年3月广电部批准中央电视台用三个频道试播数字电视。
1998年9月HDTV系统在中央电视塔上进行试播，技术达国际90年代水平。
1999年10月国庆阅兵试验HDTV传输获得成功。
2000年正式地面试播数字电视。
2004年12月确定我国数字电视标准计划2015年完全停止模拟电视信号。
结语
数字电视具有传统模拟电视所无法媲美的高画质和互动性，最终必定取代模拟电视，这是勿庸置疑的，但是这并非是一蹴而就的。
市面上许多所谓“数字电视”、“数码电视”，有些仅仅是在普通电视的解调之后使用数字技术（如数字滤波技术、PIP画中画技术等），在一定程度上提高了电视的图象质量，增加了功能。
一些电视台号称的数字电视，有些也仅仅是在传输环节上使用了数字技术，而节目的采编上仍是模拟的，即便节目的采编也采用了数字技术，但在用户端接收时也是采用机顶盒接收变成模拟信号在送到普通电视机收看，也就不是真正的数字电视了。
再退一步讲，接收机内置有数字解码器，直接解码出数字信号重显图象，但也仅仅是一般的数字电视，数字电视不等于高清晰度电视，我们的目标是高清晰度电视。
是否要经过数字电视再过渡到高清晰度电视？
一般不需要。
完全可以从普通电视直接进入到高清晰度电视。
从严格意义上说，目前市面上还没有一台真正的高清晰度电视。
因为这需要从源头（电视台）到传输（一般要采用光纤）再到接收机全部数字化并且采用高清晰图象的标准。
况且，我国HDTV标准尚未确定，何来真正的高清晰度电视？
第二章数字电视的关键技术
2.1模/数变换
2.1.1模/数变换原理：
将时间和幅度均连续的模拟信号通过取样、量化、编码三个过程变换成时间和幅度均离散的数字信号。
（1）.取样：
以一定的时间间隔抽取模拟信号在该瞬间的电流或电压数值的过程。
取样表：
t
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
v
0.30
0.46
0.54
0.38
0.26
0.32
0.40
0.56
0.70
0.85
0.9
取样频率：
单位时间内取样的次数。
用fs来表示。
取样定理：
只要满足fs≥2fc，就可以无失真地从取样后的离散信号中还原原来的模拟信号。
其中，fs是取样频率，fc是模拟信号的最高频率。
例如：
CD唱机，音频为20HZ—20KHZ则fc=20KHZ取fs=44KHZ
（思考题：
为什么要进行取样？
1分）
（2）.量化：
将模拟信号的动态范围A（一般标准电平为1V）等分为若干小区间，当模拟信号的样值落在某一区间时，就用该区间的中值来近似表示它。
量化将原来在幅度上连续的模拟信号的样值变成了只能取若干个离散的数值（各个小区间的中值）。
（思考题：
为什么要进行量化？
1分）
1.000
量化表：
量化表
区间
0.000-
0.125
0.125-
0.250
0.250-
0.375
0.375-
0.500
0.500-
0.625
0.625-
0.750
0.750-
0.875
0.875-
1.000
量化值
0.0625
0.1875
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
0.9375
t
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
v
0.30
0.46
0.54
0.38
0.26
0.32
0.40
0.56
0.70
0.85
区间
0.000-
0.125
0.125-
0.250
0.250-
0.375
0.375-
0.500
0.500-
0.625
0.625-
0.750
0.750-
0.875
0.875-
1.000
量化值
0.0625
0.1875
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
0.9375
时间
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
取样
0.30
0.46
0.54
0.38
0.26
0.32
0.40
0.56
0.70
0.85
量化
0.3125
0.4375
0.5625
0.4375
0.3125
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
动态范围A：
指信号的最小值到最大值的变化范围。
在进行模/数变换前，通常把信号的动态范围控制在
0—1V的区间内。
量化等级M：
在动态范围内划分的小区间的数量。
采用2进制编码时，一般取
n称为量化比特数
量化步长Q：
每个小区间的大小Q=A/M
量化噪声：
S/N=6n+1.8（dB）CD机，n=16,S/N=6×16+1.8=97.8（dB）
失真度：
CD机，n=16,
◆（3）.编码（思考题:
为什么编码要采用二进制而不采用十进制（1分）
将每个小区间的中值（即量化值）用一个不同的2进制代码来表示。
区间
0.000-
0.125
0.125-
0.250
0.250-
0.375
0.375-
0.500
0.500-
0.625
0.625-
0.750
0.750-
0.875
0.875-
1.000
量化值
0.0625
0.1875
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
0.9375
代码
000
001
010
011
100
101
110
111
时间
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
取样
0.30
0.46
0.54
0.38
0.26
0.32
0.40
0.56
0.70
0.85
量化
0.3125
0.4375
0.5625
0.4375
0.3125
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
编码
010
011
100
011
010
010
011
100
101
110
区间
0.000-
0.125
0.125-
0.250
0.250-
0.375
0.375-
0.500
0.500-
0.625
0.625-
0.750
0.750-
0.875
0.875-
1.000
量化值
0.0625
0.1875
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
0.9375
代码
000
001
010
011
100
101
110
111
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
0.125
0.250
0.375
0.500
0.625
0.750
0.875
1.000
时间
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
取样
0.30
0.46
0.54
0.38
0.26
0.32
0.40
0.56
0.70
0.85
量化
0.3125
0.4375
0.5625
0.4375
0.3125
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
编码
010
011
100
011
010
010
011
100
101
110
2.
输入数字信号
1.2数/模变换
代码
000
001
010
011
100
101
110
111
量化值
0.0625
0.1875
0.3125
0.4375
0.5625
0.6875
0.8125
0.9375
输入数字信号
2.2压缩编码技术
◆
2.2.1预测编码
根据过去已知数据对当前编码数据进行预测，得到预测值，与实际值比较，得到差值=-，只传输该差值，若预测较准确，则差值必定很小，就可以大大压缩数据。
（1）.前向预测:
例：
X1=105,X2=100,X3=103,X4=99,
X5=102,X6=100,X7=103,……..
则
传输：
105，-5，3，-4，3，-2，3…….
接收端还原：
根据得
本例中，
得
（2）.平均值预测
以N个数据为一组进行编码，传输：
（3）.平面（二维）预测
思考题：
预测准确与否会对数据还原产生影响吗？
提高预测准确性有何意义？
（2分）
2.2.2变换编码
选择一种合适的变换，将一组数据变换成另一组数据，使数据量减少。
◆
（1）.哈德曼变换：
[Y]=[H][X]反变换：
[X]=[H][Y]
[H]为哈德曼矩阵。
具有以下性质：
例如，8阶哈德曼变换
反变换
实际中，为方便人工计算，可取
正变换
反变换
则正变换：
Y0=（1/8）（X0+X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7）
Y1=（1/8）（X0+X1+X2+X3-X4-X5-X6-X7）
Y2=（1/8）（X0+X1-X2-X3-X4-X5+X6+X7）
Y3=（1/8）（X0+X1-X2-X3+X4+X5-X6-X7）
Y4=（1/8）（X0-X1-X2+X3+X4-X5-X6+X7）
Y5=（1/8）（X0-X1-X2+X3-X4+X5+X6-X7）
Y6=（1/8）（X0-X1+X2-X3-X4+X5-X6+X7）
Y7=（1/8）（X0-X1+X2-X3+X4-X5+X6-X7）
反变换：
X0=（Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7）
X1=（Y0+Y1+Y2+Y3-Y4-Y5-Y6-Y7）
X2=（Y0+Y1-Y2-Y3-Y4-Y5+Y6+Y7）
X3=（Y0+Y1-Y2-Y3+Y4+Y5-Y6-Y7）
X4=（Y0-Y1-Y2+Y3+Y4-Y5-Y6+Y7）
X5=（Y0-Y1-Y2+Y3-Y4+Y5+Y6-Y7）
X6=（Y0-Y1+Y2-Y3-Y4+Y5-Y6+Y7）
X7=（Y0-Y1+Y2-Y3+Y4-Y5+Y6-Y7）
例：
设X0=103,X1=101,X2=99,X3=97,X4=97,X5=99,X6=101,X7=103
则Y0=（1/8）（X0+X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7）
=（1/8）（103+101+99+97+97+99+101+103）
=100
Y1=（1/8）（X0+X1+X2+X3-X4-X5-X6-X7）
=（1/8）（103+101+99+97-97-99-101-103）=0
Y2=（1/8）（X0+X1-X2-X3-X4-X5+X6+X7）
=（1/8）（103+101-99-97-97-99+101+103）
=2
Y3=（1/8）（X0+X1-X2-X3+X4+X5-X6-X7）
=（1/8）（103+101-99-97+97+99-101-103）
=0
Y4=（1/8）（X0-X1-X2+X3+X4-X5-X6+X7）
=（1/8）（103-101-99+97+97-99-101+103）
=0
Y5=（1/8）（X0-X1-X2+X3-X4+X5+X6-X7）
=（1/8）（103-101-99+97-97+99+101-103）
=0
Y6=（1/8）（X0-X1+X2-X3-X4+X5-X6+X7）
=（1/8）（103-101+99-97-97+99-101+103）
=1
Y7=（1/8）（X0-X1+X2-X3+X4-X5+X6-X7）
=（1/8）（103+101+99+97-97-99-101-103）
=0
传输：
100，0，2，0，0，0，1，0
反变换[X]=[H][Y]
∵Y0=100，Y1=0，Y2=2，Y1=0，
Y4=0，Y5=0，Y6=1，Y7=0
∴X0=（Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7）
=（100+0+2+0+0+0+1+0）
=103
X1=（Y0+Y1+Y2+Y3-Y4-Y5-Y6-Y7）
=（100+0+2+0-0-0-1-0）
=101
X2=（Y0+Y1-Y2-Y3-Y4-Y5+Y6+Y7）
=（100+0-2-0-0-0+1+0）=99
X3=（Y0+Y1-Y2-Y3+Y4+Y5-Y6-Y7）
=（100+0-2-0+0+0-1-0）
=97
X4=（Y0-Y1-Y2+Y3+Y4-Y5-Y6+Y7）
=（100-0-2+0+0-0-1+0）
=97
X5=（Y0-Y1-Y2+Y3-Y4+Y5+Y6-Y7）
=（100-0-2+0-0+0+1-0）
=99
X6=（Y0-Y1+Y2-Y3-Y4+Y5-Y6+Y7）
=（100-0+2-0-0+0-1+0）
=101
X7=（Y0-Y1+Y2-Y3+Y4-Y5+Y6-Y7）
=（100-0+2-0+0-0+1-0）
=103
思考题：
哈德曼变换为什么能够压缩数据（1分）
（2）.离散余弦变换（DCT）
序列为X（m），m=0,1,2,......N-1的DCT定义为
则，逆离散余弦变换（IDCT）定义为：
设N=8，并令u=0,得F（0）=C（u）（X0+X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7）
令u=1,得
……
可见，其形式与哈德曼变换是一样的，只是X的系数不是1或-1，而是余弦函数而已。
思考题
有同学提出一种变换:
[Y]=（1/10）[x]则,反变换为[X]=10[Y]他认为可以压缩数据到原来的1/10.试问,他的设想正确吗?
为什么?
（2分）
2.2.3其他压缩编码方式
（1）.可变长度编码（VLC）
短码和常码：
原始码称常码，去掉前面的无效0得到短码。
短码又可分为一级短码，二级短码......
可变长度编码原理：
应用统计学原理，对信号幅值（量化值）出现的概率进行统计，对于幅值出现概率大的，用短码表示，对于幅值出现概率小的，用常码表示。
思考题：
可变长度编码为什么能够压缩数据？
（1分）
VLC短码常码
110
时间
短码
10
11
100
11
10
10
11
100
101
110
VLC
0
1
10
1
0
0
1
10
11
110
（2）.游程编码
不逐位传输0或1，而用有几个0或1表示。
例如：
000000→0×61111→1×4
2.3纠错编码技术
2.3.1.误码
错误的数码
随机误码只有1位数字出错
突发误码连续多位数字出错
2.3.2纠错编码技术
◆
（1）.奇偶校验：
将一组二进制数据编成一个表,在每行和每列的后面添加一个校验位,使每和每列相加为奇数或偶数.
奇校验
000100110
100111100
110110100
011101001
100100011
010110110
101010000
010001100
11110000
例:
应用奇校验原理对下表数据进行校验并纠错
解:
经校验第5行及第5列校验出错可以判断第5行第5列的数据出错
纠错:
将第5行第5列的“0”改为“1”
思考题:
在什么情况下无法校验差错?
（1分）
◆
（2）交织技术
按照一定的规则,改变原数据的排列顺序进行传输（或记录）,在接收（或重放）时,则按相反的方法,先恢复成原来的顺序.交织技术可以将突发误码分散成随机误码,便于进行纠错.
Q33≠W33+W26+W19+W12+W5+W-2+W-9+W-16+P-31
（４）误码的补偿：
误码的补偿就是对不能纠正的误码,根据其前后关系推断出原值的方法
1.零替代:
将误码的值用0来代替.
2.前值保持:
用误字的前一个正确的字来代替.
3.平均插补:
用误字的前后两个字的平均值来代替.
4.N阶插补:
误字的前后n个正确字的值来确定一个n阶方程的参量来推断出误字的值.
第三章MPEG
3.1帧间预测编码---运动补偿预测
以宏块（16*16象素）为单位，对当前编码的宏块Xi到上一帧图象中搜索最佳匹配宏块，作为预测图象,与实际图象比较，得到差值
同时求出最佳匹配宏块与实际宏块间的运动矢量（位移矢量）。
传输差值和运动矢量。
←最佳匹配宏块
的空间位置
3.2双向预测
对当前编码的宏块Xi到上一帧图象中搜索最佳匹配宏块，求出运动矢量V1;再到下一帧图象中搜索最佳匹配宏块，求出运动矢量V2,综合两个最佳匹配宏块作为预测图象,与实际图象比较，得到差值，传输差值和运动矢量V1,V2。
若不取绝对值
6
取绝对值
搜索范围:
若宏块的大小为M*N,在水平方向和垂直方向搜索的最大位移为则搜索区中的像素总数为，一般取300像素。
思考题:
在搜索区内逐一搜索最佳匹配宏块需要搜索多少次?
（1分）
搜索策略:
穷举法:
从头到尾逐一进行搜索
对偶搜索法:
它的策略是先搜索i方向得到最佳点,再搜索j方向,找到最佳点.
3.3MPEG定义的三种图
1、I帧（帧内编码帧）代码001编码时只在帧内进行,无须参照其他帧.压缩率小
2、P帧（前向预测帧）代码010编码时参照过去帧进行.压缩率中等.
3、B
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