1、數字電視中信號的處理摘要：數字電視的信號從發送、傳輸到接收的全過程都為數字化。本文簡單的介紹了A/D轉化，數據壓縮，MPGE2的視頻音頻的壓縮標準。以及信號調制的過程。關鍵字：A/D轉化 數據壓縮 MPGE2 信號調制數字電視是指電視的圖像和音頻用數字化信號發送。所以準確定義的數字電視除了指我們平時所說的數字電視接收機外,還包含了從發送、傳輸到接收的全過程。由電視臺送出的圖像及聲音信號,經數字壓縮和數字調制后,形成數字電視信號,經過無線介質或有線介質傳送到數字電視接收機,然后通過數字解調和數字視音頻解碼處理還原出圖像及伴音。一、將模擬信號轉換為數字信號將連續的模擬信號轉變成數字信號是數字電視信

2、號采集的必要步驟。在實際工作中，信號的取樣是通過A/D轉換芯片來完成的。通過A/D轉換，將模擬信號x(t)變成數字信號x(nTs)，電視信號的A/D轉換一般采用脈碼調制方式。為了保證數字化后的信號數據不喪失原信號的特性，采樣頻率應大于或至少等于信號截止頻率的2倍。這就是著名的奈奎斯特(Nyquist)采樣定理 對于二維圖像信號，必須保證水平采樣頻率和垂直采樣頻率應分別大于圖像在水平和在垂直方向上最高頻率的2倍。而對于音頻信號，采用的頻率應大于音頻信號的最大頻率的2倍。一般質量音頻信號的最高頻率被限制在15kHz，所以目前有四種不同的采樣頻率：48kHz；44.1kHz；44.056kHz；32

3、kHz。采樣結束后對采樣信號進行量化使得幅度連續的抽樣值進一步在幅度上離散化。便于利用有限長的數碼來表示每個抽樣點的幅度。量化所產生的誤差會影響信號的質量，分析時，一般將它等效于隨機雜波，稱為量化噪波。當量化的位數n越大，量化的信噪比就越大，再生的圖片質量就越高。對于音頻信號的量化過程中所產生的噪聲，為了使量化噪聲轉變為與輸入不相關的白噪聲，就要在輸入的音頻信號上加上一稱為高頻脈動信號的噪聲再進行量化。接下來對樣點幅度的量化值進行編碼，將其轉變為成二進制的數碼。經抽樣，量化，編碼所得到的數字信號極為PCM信號。前置濾波器（fc=fs/2）取樣器量化器編碼器f(t)f(n)模擬信號（一）圖像編碼

4、數字電視中對于圖像的處理是一個比較復雜的過程。數字電視是在模擬電視的基礎上發展起來的，數字電視設備要和模擬電視設備長期共存，因此，在選擇電視信號數字化參數時要考慮到數字電視設備的兼容性問題，使現存的模擬電視制式和數字電視能有最大程度的共同性。電視信號的數字化處理有數字復合編碼和數字分量編碼兩種方式。數字復合編碼是將復合彩色全電視信號直接進行數字化。復合編碼的優點是碼率低些，設備較簡單，適用于在模擬系統中插入單個數字設備的情況 。采用復合編碼時由抽樣頻率和副載頻間的差拍造成的干擾將影響圖像的質量 。它的缺點是由于數字電視的抽樣頻率必須與彩色副載頻保持一定的關系，而且各種制式的副載頻各不相同，難以

5、統一 。分量編碼是將三基色信號R、G、B分量或亮度和色差信號Y、(BY)、(RY)分別編碼形成數字化信號分量編碼的優點是編碼與制式無關，只要抽樣頻率與行頻有一定的關系，便于制式轉換和統 一。由于Y、(RY)、(BY)分別編碼，可采用時分復用方式，避免亮色互串，可獲得高質量的圖像。在分量編碼中，亮度信號用較高的碼率傳送，兩個色差信號的碼率可低一些 ，但總的碼率比較高，設備價格相應較貴。 圖像的采樣結構是指采樣點在空間和時間上的相對位置。采樣結構有正交結構和行交叉結構等幾種，在數字電視圖像采樣中一般使用正交結構，以有利于幀內和幀間信號處理。為保證采樣結構為正交，要求行周期必須是采樣周期的整數倍。圖

6、像亮度信號的采樣應滿足采樣定理的要求，取樣頻率應大于視頻帶寬的2倍。為保證采樣結構正交，采樣頻率應是行頻的整數倍。為方便節目交流，亮度信號采樣頻率應兼顧NTSC制和PAL制，即應是這兩種制式行頻的最小公倍數的整數倍。為降低碼率，采樣頻率的選擇應盡量小。根據大面積著色原理，色度信號的帶寬可以比亮度信號窄，同時考慮正交結構的要求，在數字電視中經常使用以下幾種亮色采樣格式：4：2：2格式；4：4：4格式；4：2：0格式；4：1：1格式。在4：2：2格式中，色差信號Cr和Cb的采樣頻率均為亮度信號采樣頻率的一半，即：fCr=fCb=(1/2)fy=6.75MHz。也就是亮度采樣頻率和兩個色差信號的采樣

7、頻率之比為：fy：fCr：fCb4：2：2色差信號在水平方向上的采樣點數為亮度信號的一半，在垂直方向上的采樣點數與亮度信號相同。這種格式主要用于標準清晰度數字電視（SDTV）演播室中。在4：4：4格式中，色差信號Cr和Cb的采樣頻率與亮度信號采樣頻率相同，即：fCrfCbfy13.5MHz。也就是亮度采樣頻率和兩個色差信號的采樣頻率之比為：fy：fCr：fCb4：4：4。這種格式主要用于要求高質量的信號源的情況下，比如科學研究等。而4:2:0格式側重于傳輸鏈末端分配應用 ，MPEG2中使用的就是這種方式。4:1:1則應用于新聞、體育等對質量要求不高的記錄環境。（二）音頻編碼 香農定理指出：如果

8、信號的平均信息量小于所用傳輸通路的傳輸容量，則存在著正確的編碼方式。所以要有效的利用傳輸通路，必須對知道傳輸通道的傳輸容量，以及信號的信息量，找出最佳的編碼方式。 1、利用冗余度節約傳輸通路（1）預測編碼它是從過去的采樣值預測現在的才樣值，并將真正的取樣值與預測值之差進行編碼傳輸的編碼。（2）熵編碼在數字化的信號中，小電平比大電平出現的機會要多。因此可以像莫爾斯電報碼一樣，對于出現概率較大的電平，采用短碼，而概率較小的電平采用長碼，從而進一步節約比特率。2、利用數據壓縮技術節約傳輸容量（1）瞬時壓擴與準瞬時壓擴利用人耳的聽覺特性，在輸入時將較寬的幅度范圍進行壓縮，而在輸出的時候再進行擴張。壓擴

9、操作可以在A/D轉換或者數字階段進行。（2） 自適應PCM是一種根據輸入信號幅度大小來改變量化階大小的一種波形編碼技術。這種自適應可以是瞬時自適應，即量化階的大小每隔幾個樣本就改變，也可以使音節自適應，即量化階的大小在較長時間周期里發生變化。（3）自差分PCM它結合了ADM的差分信號與PCM的二進制碼的方法，是一種性能比較好的波形編碼。它的核心想法是：利用自適應的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值，使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預測值，使實際樣本值和預測值之間的差值總是最小。二、數字信號的壓縮 電視信號數字化后的數據量

10、過大，使普通的存儲器難以接受。而且，數碼率太高使數字電視信號頻帶過寬，頻道利用率太低，甚至無法容納整個信號的傳輸。分量編碼：4:2:2標準：R=165.9Mb/s 頻帶寬度B83MHz ；4:4:4標準：R=278.7Mb/s 頻帶寬度B140MHz；4次群的R為139.264Mb/s，可傳話路1920路 。1920路電話傳不了一套4:2:2的數字電視節目；用11套模擬電視節目換一套數字電視節目。號頻帶太寬，頻帶利用率低，頻率資源嚴重浪費。同時對電路要求高，設計復雜，維修困難，設備造價高。 所以對數字信號進行壓縮顯得很有必要。由于圖像本身存在大量的冗余: 空間相關冗余時間相關冗余；符號相關冗余

11、；結構相關冗余；知識相關冗余。以及人類的視覺冗余，所以對于圖像信號的壓縮時可行的。壓縮的途徑及方法：行、場逆程不傳送，在接收端重新形成；亞奈奎斯特取樣法，使得采樣頻率fs2fm，使混疊分量與亮度譜線交錯；采用高效率的編碼信源編碼，去除電視信號中的冗余。（一） 圖像壓縮1、 預測編碼 利用某種數學模式對以前已知的相關數據進行運算，得出一個與當前傳送樣值相接近的預測值，進而把當前要傳送的值減去預測值，得到一個誤差值預測誤差，將這個誤差值編碼后傳送出去。 當前樣值預測值預測誤差預測編碼去除了電視信號中空間、時間上的冗余。 給出了良好的概率分布，為后面的壓縮編碼創造了條件。一維預測：參考樣值僅與xN當

12、前樣值處于同一掃描行內的預測編碼；二維預測：參考樣值除了本行之外還和前一行或前幾行的樣值有關； 三維預測：參考樣值除了本幀之外還和前一幀或前幾幀圖像的樣值有關。 由于一、二維預測都是在同一幀內進行預測，所以也稱為幀內預測編碼；三維預測與前面的幀有關，所以也稱為幀間預測編碼。 2、 變換編碼變換編碼中經常使用的是離散余弦變換DCT變換。DCT變換是把空間域上的信號變換到頻率域上，使能量在空間域上分散分布的原信號變換后能量在頻率域上相對集中到某些少數區域內，即將空間域上的信號樣值變換成頻率域上的系數，經變換后的系數按頻率由低到高分布。DCT變換的處理步驟：將一幅圖象分成若干像塊，每個像塊的大小為8

13、×8個像素。 對每一塊像塊進行DCT變換。對變換后的系數進行量化。進行之字形掃描（讀出）和零游程編碼像塊樣值數據f(x,y)為8×8的矩陣，經DCT后的頻域系數F(u,v)也為8×8的矩陣。此矩陣的左上角系數F00相當于像塊中64個樣值的平均直流成分，其余的63個F(u,v)均表示64個樣值中所含交流成分的系數 。經過變換后，較大的系數集中在直流分量及附近的低頻區域，即信號能量主要集中在直流及低頻區域的少數變換系數上，高頻區域的系數多為0或很小。3、 統計編碼（熵編碼）統計編碼是基于信號統計特性的編碼技術。它的基本原理是按信源符號出現概率的不同分配以不同長度的碼字

14、（bit數），概率大的分配以短的碼字，概率小的分配以長的碼字。這樣使最終的平均碼長很小，總的數碼率大大降低。經常使用的是霍夫曼編碼。基本的步驟如下：將每個符號按其概率由大到小順序排列起來。將最小的兩個概率相加，并對其中較大的概率用“1”表示，較小的概率用“0”表示。反之也可，但賦值方式應保持一致。把求出的和值作為一個新的概率值再按重新排列。按照這樣的步驟重復進行，直到概率加到1。分配碼字。由概率為1處開始沿各點參加運算的分支線從后向前（從右向左）逐一寫出“0”、“1”的代號（從高位到低位寫）直到各符號為止。得到的代碼就是各信源符號的碼字。反之也可，從符號到匯合點p1（從左到右），但代碼的寫出是

15、從低位到高位。（二） 音頻壓縮聲音信號客觀統計規律。人耳聽覺的生理、心理學因素根據聲學理論，人耳存在著一個聽覺的閾值，當某個頻率的聲音的強度（聲強）小于某個特定的數值之后，人耳就聽不見了，即當聲音弱到人的耳朵剛剛可以聽見時，我們稱此時的聲音強度為“聽閾”。 在編碼時，可以根據人耳的特性進行編碼，減少冗余。可將時間上彼此相繼的取樣值歸并成塊；由掩蔽效應，人耳聽不到的不傳；對于人耳不能分辨方向的頻率接近的高頻音，不必再分聲道，將多聲道的高頻音耦合到一個公共通道；采用子頻帶編碼，由每個子頻帶中的最小同聽閾來確定各子頻帶取樣值的必要的量化。聲音壓縮主要有兩種編碼方法：1、MUSICAM編碼 MUSIC

16、AM-掩蔽型自適應通用子頻帶集成編碼與復用。這種編碼的方法屬于子頻帶編碼，它是用濾波器組將寬頻帶的聲音信號的頻譜分割為寬度均為750Hz的32個子頻帶。每個子帶的量化和比特分配是利用人耳聽覺的心理聲學模型和音頻信號統計特性的內在聯系確定，并清除音頻信號中的冗余和不相干部分，來實現有效的數據壓縮。n Layer1簡單版本。在CD質量下，比特率為384Kb/s，壓縮比為1:4。主要用于數字盒式錄音磁帶、VCD。n Layer2標準版本，編碼器的復雜度屬中等。CD質量下，比特率為192Kb/s左右，壓縮比為1:8。在數字演播室、DAB、DVB、電纜和衛星廣播ADR、計算機多媒體等數字節目的制作、交換

17、、存儲、傳送中得到廣泛應用。n Layer3復雜版本。它是MUSICAM和ASPEC（自適應（聲頻）頻譜感知熵編碼）的混合編碼。聲音質量最佳。在CD質量下，使用的比特率為128Kb/s，壓縮比為1:12。主要用于通信、尤其適用于ISDN（綜合業務數據網）上傳送廣播節目、應用于Internet網的聲音點播、MP3光盤存儲等。2、杜比AC-3編碼AC-3是杜比實驗室開發的數字音頻編碼技術，它提供5.1環繞立體聲。由于AC-3系統編碼靈活，在消費電子領域，目前大多數的電影制作都使用了該技術，美國等國家的數字電視系統也采用該技術作為音頻編碼標準。杜比AC-3也是一種感知型編碼方式，它把整個音頻頻帶根據

18、人耳聽覺特性分割成若干個較窄的頻段，利用聲心理學模型模擬人耳的聽覺遮蔽效應，刪除人耳所聽不到或可忽略的部分，并采用窗函數處理、指數變換編碼、自適應比特分配等壓縮編碼技術。AC-3采用基于改良離散余弦變換（MDCT）的自適應變換編碼（ATC）算法。(三)MPGE2標準MPEG-2是一組用于視音頻壓縮編碼及其數據流格式的國際標準。它定義了編解碼技術及數據流的傳輸協議；制定了MPEG-2解碼器之間的共同標準（MPEG-2編碼器之間尚無共同標準）。壓縮音、視頻的主要任務是去掉信源的音、視頻中的信息冗余,提高信源的有效性。壓縮完的音、視頻數據比特流經復用系統處理復合成單路串行的比特流,復用系統把音頻、視

19、頻、輔助數據的碼流通過一個打包器打包(這是通俗的說法,其實是數據分組),然后再復合成單路。1. MPEG-2的系統的定義    MPEG-2系統是將視頻、音頻及其它數據基本流組合成一個或多個適宜于存儲或傳輸的數據流的規范，如圖1所示。由圖1可見，符合ITU-R. 601標準的、幀次序為I1B2B3P4B5B6P7B8B9I10數字視頻數據和符合AES/EBU標準的數字音頻數據分別通過圖像編碼和聲音編碼之后，生成次序為I1P4B2B3 P7B5B6I10 B8B9視頻基本流（ES）和音頻ES。在視頻ES中還要加入一個時間基準，即加入從視頻信號中取出的27MHz時鐘。

20、然后，再分別通過各自的數據包形成器，將相應的ES打包成打包基本流（PES）包，并由PES包構成PES。最后，節目復用器和傳輸復用器分別將視頻PES和音頻PES組合成相應的節目流（PS）包和傳輸流（TS）包，并由PS包構成PS和由TS包構成TS。顯然，不允許直接傳輸PES，只允許傳輸PS和TS；PES只是PS轉換為TS或TS轉換為PS的中間步驟或橋梁，是MPEG數據流互換的邏輯結構，本身不能參與交換和互操作。由系統的定義，可知MPEG-2系統的任務。2.系統的任務    MPEG-2的標準由表2所示的8個文件組成，MPEG-2系統是其關鍵部分。MPEG以開放系統互聯

21、(OSI-Open System Interconnection)為目標，爭取全球標準化。在詳細規定視音頻編碼算法的基礎上，為傳輸和交換編碼數據流（比特流，碼流，流）創造統一條件。以利于接收端重建為指導，按照既定的參數給數據流以一定程度的“包裝”。因此，MPEG-2系統應完成的任務有： 規定以包方式傳輸數據的協議； 為收發兩端數據流同步創造條件； 確定將多個數據流合并和分離（即復用和解復用）的原則； 提供一種進行加密數據傳輸的可能性。3.系統的要點根據數字通信信息量可以逐段傳輸的機理，將已編碼數據流在時間上以一定重復周期結構分割成不能再細分的最小信息單元，這個最小信息單元就定義為數據包，幾個小

22、數據包（Data Packet）又可以打包成大數據包（Data Pack）。用數據包傳輸的優點是：網絡中信息可占用不同的連接線路和簡單暫存；通過數據包交織將多個數據流組合（復用）成一個新的數據流；便于解碼器按照相應順序對數據包進行靈活地整理。從而，數據包為數據流同步和復用奠定了基礎。因此，MPEG-2系統規范不僅采用了PS、TS和PES三種數據包，而且也涉及PS和TS兩種可以互相轉換的數據流。顯然，以數據包形式存儲和傳送數據流是MPEG-2系統的要點。為此，MPEG-2系統規范定義了三種數據包及兩種數據流：將MPEG-2壓縮編碼的視頻基本流（ES-Elementary Stream）數據分組為

23、包長度可變的數據包，稱為打包基本流（PES- Packetized Elementary Stream）。廣而言之，PES為打包了的專用視頻、音頻、數據、同步、識別信息數據通道。節目流（PS）將具有共同時間基準的一個或多個PES組合（復合）而成的單一的數據流稱為節目流（Program Stream）。PS包由包頭、系統頭、PES包3部分構成。包頭由PS包起始碼、系統時鐘基準（SCR-System Clock Reference）的基本部分、SCR的擴展部分和PS復用速率4部分組成。傳輸流(TS)將具有共同時間基準或具有獨立時間基準的一個或多個PES組合而成的單一的數據流稱為傳輸流（Transp

24、ort Stream）。TS實際是面向數字化分配媒介（有線、衛星、地面網）的傳輸層接口。對具有共同時間基準的兩個以上的PES先進行節目復用,然后再對相互可有獨立時間基準的各個PS進行傳輸復用，即將每個PES再細分為更小的TS包。4.系統的解碼    由前述，MPEG-2系統要解決的問題是：1）系統的復用與解復用    MPEG-2采用時分多路復用技術，讓多路信號在同一信道上占用不同的時隙進行存儲和傳輸，以提高信道利用率。2）聲音圖像要同步顯示    由于時分多路復用中的位時隙、路時隙、幀之間具有嚴格的時間

25、關系，這就是同步。區分各路信號以此為據。為了恢復節目，先對ES進行解碼。聲音、圖像信號的重現需要同步顯示，從而要求收發兩端數據流要達到同步。為此，MPEG-2系統規范通過在數據中插入時間標志來實現：SCR或PCR為重建系統時間基準的絕對時標；在有效PS和TS產生前，已插入PES的DTS和PTS為解碼和重現時刻的相對時標。3）解碼緩存器無上下溢    MPEG-2系統是由視音頻編碼器、編碼緩存器、系統編碼器及復用器、信道網絡編解碼器及存儲環境編解碼器、系統解碼器及解復用器、解碼緩存器和視音頻解碼器構成。其中，編碼緩存器和解碼緩存器延遲是可變的；信道網絡編解碼器及存儲

26、環境編解碼器和從視/音頻編碼器輸入到視音頻解碼器輸出，延遲是固定的。這表明，輸入視/音頻編碼器的數字圖像和音頻取樣，經過固定的、不能變的點到點延遲后，應該精確地同時出現在視音頻解碼器的輸出端。編碼及解碼緩存器的可變延遲的范圍就應該受到嚴格限制，使解碼緩存器無上、下溢。    為了解決復用、同步、無溢出問題，需要定義1個系統目標解碼器（STD-System Target Decoder）模型。用于解釋傳輸流TS解碼并恢復基本流ES時的過程；用于在復用器數據包交織時確定某些時間的邊界條件。因此，每個相應的MPEG-2 TS必須借助于專門的解碼器模型來解碼。下圖為TS的

27、系統目標解碼器模型。5、MPEG-2的編碼    編碼是MPEG-2標準的核心內容之一，其涉及到MPEG-2視頻流層結構、MPEG-2幀間編碼結構、MPEG-2的類與級、MPEG-2運動估值等技術。MPEG-2視頻流層結構為了便利于誤碼處理、隨機搜索及編輯，MPEG-2用句法定義了1個層次性結構，用于表示視頻編碼數據。將MPEG-2視頻流分為圖像序列層(VSL-Video Sequence Layer)、圖像組層 (GOPL-Group of Pictures Layer)、圖像層(PL-Picture Layer)、宏塊條層(SL-Slice Layer)、宏塊

28、層(ML-Macroblock Layer)、塊層(BL-Block Layer)共6個部分，每層都有確定的功能與其對應。 6、MPEG-2視頻壓縮基礎 碼率壓縮要從視覺對象、視覺生理、視覺心理3個方面入手，研究符合于人類視覺規律的視覺模型。由于視覺心理是1個很復雜的問題，難以得到其規律。因此，碼率壓縮只能在利用圖像信號的統計特性和人類眼睛的視覺特性的基礎上來進行。1) 利用圖像信號的統計特性進行壓縮    同一幀電視圖像中相鄰像素之間的幅度值相近，即同一行上的相鄰像素之間幅值相近，相鄰行之間同樣位置上的像素幅值相近，體現了電視圖像的空間冗余度；相鄰兩幀電視圖像同

29、一位置上像素幅度值相近，體現了電視圖像的時間（動態）冗余度每個像素所用bits數的多少表示了比特結構，多用的比特數為冗余量，體現了靜態（比特結構）冗余度。   因此，為了清楚地了解空間冗余度、時間冗余度和靜態冗余度三者之間的關系，可以通過電視圖像信息的三維表示來說明。需要指出的是采用運動補償（MC）去除時間冗余度要進行160億次的算術運算；采用離散余弦變換（DCT）和游程長度編碼（RLC）去除空間冗余度要進行20億次的算術運算；采用可變長度編碼（VLC）去除靜態（比特結構）冗余度要象“Morse Code”那樣進行比特匹配。2) 利用人眼的視覺特性進行壓縮 

30、60;  人眼對構成圖像的不同頻率成分、物體的不同運動程度等具有不同的敏感度，這是由人眼的視覺特性所決定的，如人的眼睛含有對亮度敏感的柱狀細胞1.8億個，含有對色彩敏感的椎狀細胞0.08億個，由于柱狀細胞的數量遠大于椎狀細胞，所以眼睛對亮度的敏感程度要大于對色彩的敏感程度。據此，可控制圖像適合于人眼的視覺特性，從而達到壓縮圖像數據量的目的。例如，人眼對低頻信號的敏感程度大于對高頻信號的敏感程度，可用較少的bit數來表示高頻信號；人眼對靜態物體的敏感程度大于對動態物體的敏感程度，可減少表示動態物體的bit數；人眼對亮度信號的敏感程度大于對色度信號的敏感程度，可在行、幀方向縮減表示色度信號的bit數；人眼對圖像中心信息的敏感程度大于對圖像邊緣信息的敏感程度，可對邊緣信息少分配bit數；人眼對圖像水平向及垂直向信息敏感于傾斜向信息，可減少表示傾斜向信息高頻成分的bit