数字电视信号处理.docx

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数字电视信号处理

当今社会，技术的发展进步与设备的更新换代确实是日新月异、突飞猛进。

随着计算机、微电子、信息处理、通信以及激光等技术的迅猛发展，集图文、声间、图像于一体的多媒体技术更是迅速渗透到计算机、通信、广播电视以及消费娱乐业。

仅就电视领域而言，其变化速度之快，就令许多人措手不及。

短短的时期内出现了那么多不同的系统和新技术，使得一般的技术人员甚至是技术行政决策人员都有些不知所措。

在节目制作上，从普通电视的模拟复合到模拟分量，再到数字复合、数字分量、压缩数字分量，出现了诸●数字信道：

以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。

●模拟通道：

以连续模拟信号形式传输数据的信道。

模拟信号和数字信号

●模拟信号：

时间上连续，包含无穷多个信号值

●数字信号：

时间上离散，仅包含有限数目的信号值

周期信号和非周期信号

●周期信号：

信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）

●非周期信号：

信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。

回答者：

wyqdove-举人四级 5-711:

52

何为数字电视

数字电视，就是将传统的模拟电视信号经过处理转换成用二进制数表示的数字信号，电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。

采用数字技术不仅能够获得比原有模拟技术更高的技术性能，而且还可以实现模拟技术不能实现的新功能。

数字电视与模拟电视

首先，数字电视大大提高现有电视节目的音像质量。

模拟信号的传输会受到各种因素的干扰，数字电视采用数字传输和误码码保护技术，在加工制作、复制、存储和传输交换过程中受到影响小，接收端的信号质量可与发送端的原始信号质量相比拟，有线电视数字用户还可以收看到清晰度达到DVD质量的电视节目。

其次，在有限的频道资源里传输的节目大大增多，解决了频道资源紧张的问题。

利用数字信号的可复用特性，数字电视彩用先进的图像压缩编码技术，在原先只能传输一路模拟电视节目的带宽内可以传输6套DVD质量的电视节目，这样一来频道利用率大大提高，无形中增加了有线网络的频道资源，就有了更多的频道选择余地，还可以大力发展专业频道，比如旅游、保健、体育、教育、时装等等，数量上大大增加，内容划分得更加细致，自然可以更好地满足不同层次观众的不同需求。

再次，方便开展各种综合业务和交互式业务。

电视系统全面数字化加强了广播电视、通信与计算机业务的一体化，原本是完全不同媒体的广播、电视、通信和计算机在全部数字化后，图像、声音、图文、数据等都以数字方式按一定规则被复用成同一数据流进行传送，为视频点播、高速上网、电视购物、电子游戏等各种综合业务和交互式业务的开展打下了坚实的基础。

最后，数字电视容易加密和加扰，对有线电视管理将更加科学有效。

由于数字信号的易操作性，在前端对信号加密和加扰都比较容易实现。

在此基础上建立的条件接收系统（CA）是数字电视的技术保障系统，有了这套系统，我们就可以更好地为每个用户提供有偿电视服务。

数字电视原理

一方面我们通过国家和省的光纤骨干网直接接收中央和省台传输下来的数字电视节目，另一方面通过卫星接收机将收星上精彩的电视节目，还有一些是地方自办的节目，这些节目大多是数字的，也有一些是模拟的，其中的模拟电视节目需要先通过编码器对其进行编码压缩转变成数字信号，再把以上三种节目源一起送入复用器，经复用器复用后，通过加扰器加扰和QAM调制器传

如什么BETACANSP、M2、D-1、D-2、D-3、D-5、数字字BRETACAM、DVC等等记录设备；又出现了诸如数字磁盘录像机、磁盘摄像机、电脑动画、非线性编辑系统]、桌上演播室系统、视频服务器等新花样；还有什么I-PAL、PAL-PLUS、EDTV、MAC、MUSE系统、HD0-MAC、DTTB、HDTVT、HD-DIVINE、ATV、CA（美国）、CA（欧洲）之类的制式，让人目不暇接，无所适从。

在节目传输上，由于码率压缩技术的进步，不仅从演播室到发射的传输越来越多采用数字，数字压缩卫星直播方式业已成为卫星传输的主流。

譬如：

中央台所传送的卫星频道即采取了该种方式。

在上述内容中，都越来越倾向于使用数字技术特别是数字压缩技术。

1.电视系统的数字化是大势所趋相对于模拟电视而言，数字电视具有如下优点：

1900年，英国人康斯坦丁-帕斯基在为国际电联会议起草的报告中，第一次正式使用“电视（television）”一词，而真正的电视在当时只能是人们久存于心中的梦想了。

1925年，拜尔德在英国首次成功装配世界第一台电视机，当时人们也没有料到她会成为二十世纪最伟大的发明，我们这个时代的宠儿。

从此，这当初被称为“破玩艺儿”的黑匣子紧随着战争与和平，胜利的鲜花和失败的葬礼。

现在，没有什么媒体比电视更引人注目，她作为家庭和整个世界联系的纽带，深深地影响着人们的社会存在和生活行为。

1958年3月17日，是我国电视发展史上值得纪念的日子。

这天晚上，我国电视广播中心在北京第一次试播电视节目，国营天津无线电厂（后改为天津通信广播公司）研制的中国第一台电视接收机实地接收试验成功。

这台被誉为“华夏第一屏”的北京牌820型35cm电子管黑白电视机，如今摆在天津通信广播公司的产品陈列室里。

我国在1958年以前还没有电视广播，国内不能生产电视机。

试制组多数成员只有20岁上下，他们对电视这门综合电、磁、声、光的新技术极其生疏，没有见过电视机，参考资料也很少，通过对资料、国外样机、样件的研究，他们根据当时国内元器件生产能力和工艺加工水平，制定了“电视接收和调频接收两用、通道和扫描分开供电、采用国产电子管器件”的电视机设计方案。

我国第一台电视机的试制成功，填补了我国电视机生产的空白，是我国电视机生产史的起点，今天我国已成为世界电视机生产大国。

信号经过多次转接切换和远距离传输时，不会有干扰和失真的积累，抗干扰性能强，图像质量好；数字电视系统主要由数字集成电路组成，系统的性能和可靠性可望大幅度提高；它可以实现模拟电视不易高质量实现的功能，譬如：

时轴处理，制式转换、特技等功能；它也易于实现电视信号的实时处理，以完成图像质量的改善、压缩频带、二维滤波等功能；在传输中，它易于将图像信号和伴音信号时分复用，充分利用数字传输的优越性。

电视设备数字化的一个巨大推动力得益于计算机技术的飞速发展。

新型CPU的运算速度与功能正在迅速增长，使得普通微机已具有工作站的能力；专用图像处理和声音处理可以借助微机的视卡和声卡轻易完成；加上码率压缩技术的进步和完善，在多个较大的计算机硬盘上存放较长时间的具有质量的图像已不成问题，由此而产生的集编辑、切换、数字特技和动画于一身非线性编辑系统、视频工作站、桌上演播室系统已经成为电视设备发展的另一个方向。

电视系统数字化的另一个动力是来自观众的需要，人们已不再满足于普通电视的画面质量水平，渴望看到更好更清晰的高清晰度电视。

数字高清晰度电视便成为一种理所当然的选择。

2.电视信号数字化的含义

模拟电视系统，在电视信号的产生、处理、记录、传送和接收的过程中，使用的都是模拟信号，即在时间上和幅度上连续变化的信号；而数字信号，则是在时间和幅度上都经过离散化的信号。

将模拟信号变换成数字信号称为模数（A/D）转换。

最基本的方法是所谓脉冲编码调（PCM）法。

运用该方法实现电视信号的数字化需要三个步骤：

抽样、量化和编码。

抽样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来的时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散，其理论基础是奈奎斯特抽样定理。

量化是用有限个幅度近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的幅度离散化。

编码则是按照一定的规律，把量化后的值用数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。

收端经过译码和滤波将数字信号还原成为模拟信号，称为数模（D/A）转换。

鉴于这个过程是最基本的数字信号处理过程，一般人都比较清楚，在此不再赘述。

3.彩色电视信号的编码标准---CCIR601号建议

CCIR601号建议的制定，是向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出的第一步。

在该建议中，规定了625和525行系统电视中心演播室数字编码的基本参数值。

601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。

它对彩色电视信号的编码方式、取样频率、取样结构都作了明确的规定。

下面，对CCIR601号建议作几点简要说明：

它规定彩色电视信号采用分量编码。

所谓分量编码就是彩色全电视信号在转换成数字形式之前，先被分离成亮度信号和色差信号，然后对它们分别进行编码。

分量信号（Y、B--Y、R--Y）被分别编码后，再合成数字信号。

它规定了取样频率与取样结构。

例如：

在4：

2：

2等级的编码中，规定亮度信号和色差信号的取样频率分别为13.5MHZ和6.75MHZ,取样结构为正交结构,即按行、场、帧重复,每行中的R-Y和B-Y取样与奇次（1,3,5……）Y的取样同位置，即取样结构是固定的，取样点在电视屏幕上的相对位置不变。

它规定了编码方式。

对亮度信号和两个色差信号进行线性PCM编码，每个取样点取8比特量化。

同时，规定在数字编码时，不使用A/D转换的整个动态范围，只给亮度信号分配220个量化级，黑电平对应于量化级16，白电平对应于量化级235。

为每个色差信号分配224个量化级，色差信号的零电平对应于量化级128。

综上所述，我们知道，分量信号的编码数据流是很高的。

以4：

2：

2编码标准为例，其比特流为：

13.5×8+6.75×8×2=216Mb/S。

若采用4：

4：

4编码方式，即对复合信号直接编码，其抽样频率取为13.3×8=106.4Mb/S。

符合CCIR601建议的商业化的录像机有D-1格式数字录像机，D-2格式、D-3格式是复合信号数字录像机，D-5格式则是数字分量录像机。

尽管有了这种能够记录与重放未经压缩的全数字电视信号的录像机，使得演播室内进行高质量的记录与还原成为现实，但是即使以数字复合信号的带宽而言（在理想情况下，其带宽为53.2MHz）,比传送一路模拟电视信号所要求的带宽将近提高了一个数量级,显然用目前的电视频道传送他们是不可能的,更不用说用普通计算机硬盘去储存这些信号（大概只能存几十秒钟）.因此,数字电视的中心问题是要成倍地降低数字信号码元的多余信息（冗余量）和采用高效编码方法.这也就是本文所要重点讨论的问题.

4.码率压缩技术

早在七十年代,科学家们就曾为卫星遥感图像的传输、存储和处理绞尽脑汗经过一段时间的探索，人们发现电视信号存在着很大冗余度，即电视图像的像元之间存在着很大的相关性。

除了空间轴上的冗余度之外（即各像素之间的统计相关性），在时间轴上也有冗余度（电视信号前一场信号与其后若干场信号中大部分像素没有发生变化，尤其是静止画面，或者是运动不太激烈的画面）。

那么，根据像元之间的统计相关性，对数据进行某种运算变换，使变换后图像比特数少于原始图像的比特数，即将图像数据压缩的方法称为码率压缩技术。

常见有如下方法：

（1）降低抽样频率的压缩码率技术

降低抽样频率能够压缩码率这是十分自然的，但是，奈氏定理指出，当抽样频率FS<2Fm时,频谱发生重迭,则采用低通滤波器无法无失真地恢复原信号.不过,电视图像信息号的能量主要集中在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内,中间存在很大的空隙,因此,若把抽样频率FS选为半行频的奇数倍,就可使FS<2Fm时出现的频谱混迭部分形成半行频交错。

（2）差值脉冲编码（DPCM）

差值脉码调制，可以消除电视信号的统计性冗余度。

因此大大地压缩了码率。

DPCM又称为预测量化系统，它所传输的不是信号本身，而是实际信号与其预测量之间的差值（预测误差）。

预测值是借助已经传送的，与待传抽样相邻的若干抽样估计（预测）出来的。

由于电视信号的强相关性，邻近抽样的取值一般很接近，因此预测能有较高的准确性。

从统计上讲，需要传输的预测误差主要集中在零附近的一个小范围之内，比信号本身小很多，只有在图像轮廊和边缘处才出现较大的预测误差，但这只是少量的，且人眼很不易察觉这种误差。

因此，预测误差量化所需要的量化级较少，从而码率得到压缩。

（3）线性变换编码

线性变换编码不直接对图像数据编码，而是首先将图像数据进行某种线性变换，得到一组变换系数，然后对这些系数实现量化、编码、传输。

在接收端，对收到的变换系数进行相应的逆变换，再恢复成图像信号。

这样做的理由是对变换系数进行压缩编码，往往比直接对图像数据本身进行压缩更容易获得高的效率。

以大家熟悉的傅立叶变换为例，它是以通常在欧氏空间描述的图像信号变换到频率空间（频域）去描述。

傅氏变换的物理意义是频谱展开，对一幅图像进行二维傅立叶变换就是在纵和横的两个方向进行二维频谱展开。

由于信号与其频谱之间有一一对应关系，因此，传输频谱在接收端同样可以恢复信号，而传送频谱往往比传送信号本身简单。

由于电视信号的能量主要集中在低频部分，能量密度随频率升高而迅速下降，加之考虑到人眼对图像中的高频细节不甚敏感的特点，因此，在频率域编码时，可以用较多的码位对幅度大的低频分量进行量化，而用较少的码对幅度小的高频分量进行量化，对于频率特别高的分量甚至于可以舍弃不传。

从而就整体而言，码率可以明显下降。

从理论上讲，线性变换编码，可以压缩码率的原因在于图像信号存在很强的相关性。

这种强相关性在频率域的反映是功率域滤波的方式获得大的压缩比。

线性变换除了傅立叶变换外，还有沃尔什一哈达玛变换、斜变换、离散余弦变换（DCT），卡洛（K-L）变换等等。

其中DCT因其压缩效果较好而受到广泛应用。

7.关于离散余弦变换（DCT）

离散余弦变换DCT（DiscreteCosineTransform）是数码率压缩的一个常用的变换编码方法。

任何连续的实对称函数的傅立叶变换一样有明确的物理意义。

DCT是先将整体图像分成N×N像素块，然后对N×N像素块逐一进行DCT变换。

由于大多数图像的高频分量较少，相应于图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。

因此，传送变换系数的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。

到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。

虽然会有一定的失真，但人眼是可以接受的。

二维正反离散余弦变换的算式是：

譬如当U=0，V=0时F（0，0）=f（x,y）是原64个样值的平均，相当于直流分量，随着U，V值增加，相应系数分另代表逐步增加的水平空间频率和垂直空间频率分量的大小。

可见，图像信号被分解成为直流成分，以及从低频到高频的各种余弦成分。

而DCT系数只是表示了该种成分所占原图像信号的份额大小。

显然，恢复图像信号可以用一个矩阵形式；F（n）=C（n）×E（n）来表示。

式中E（n）是一个基底，C（n）是DCT系数，F（n）则是图像信号。

如果再考虑垂直方向上的变化，那么，就需要一个二维的基底，即该基底不仅要反映水平方向频率的变化，而且要反映垂直空间频率的变化。

对应于8×8的像素块，其空间基底如图4所示。

它是由64个像素值所组成的图像，通常也称之为基本图像。

把它们称为基本图像是因为在离散余弦变换的反变换式中，任何像块都可以表示成64个系数的不同大小的组合。

既然基本图像相当于变换域中的单一的系数，那么任何像元也可以看成由64个不同幅度的基本图像的组合。

这与任何信号可以分解成基波和不同幅度的谐波的组合具有相同的物理意义。