第6章數字電視與高清晰度電視第一頁，共86頁。

6.1數字電視概述

6.1.1數字電視的概念數字電視指的是將模擬的電視信號變換為數字形式的電視信號,然后進行傳輸、處理或進行存儲的系統。第二頁，共86頁。圖6―1只是數字電視系統的主要內容,并不意味上述幾種方式是完全獨立的。比如,在數字信號處理中一般都有數字信號存儲;而在數字信號傳輸或存儲過程中,也會有某些信號處理。第三頁，共86頁。圖6―1數字電視系統第四頁，共86頁。6.1.2數字電視的優點數字電視之所以是電視技術發展的主要方向,就是因為它和傳統的模擬電視比較有許多突出的優點。(1)數字電視的抗干擾能力強。(2)數字電視信號能夠進行存儲,包括成幀圖像的存儲,從而能進行包括時間軸和空間的二維、三維處理,得以實現采用模擬方法難以得到的各種信號處理功能。(3)數字電視穩定可靠,易于調整,便于生產。(4)數字電視信號由于具有數字信號的共同形式,容易和其它信息鏈聯,便于加入公用數據通信網。第五頁，共86頁。6.1.3數字電視的發展數字電視的一個主要缺點就是傳輸時所需的頻帶太寬,因此,難以在現有傳輸模擬信號的帶寬內進行傳輸,同時,也難以實現模擬電視和數字電視的兼容。目前,在數字電視技術中開展的以壓縮碼率為主要目標的高效編碼方法,已取得很大成就,它可以大大壓縮數字電視信號的傳輸頻帶,甚至可以在小于模擬電視信號的頻帶內,傳送一般用戶質量的數字電視信號。第六頁，共86頁。

6.2電視信號的編碼

6.2.1電視信號的數字化模擬電視信號轉換為數字電視信號的過程是一個編碼過程。由于歷史的原因也稱為PCM調制(脈沖編碼調制)。第七頁，共86頁。圖6―2電視信號的編碼與解碼第八頁，共86頁。PAM信號經過量化,變為幅度取有限個離散值的PAM信號。然后,再根據取樣點的離散值,編為n位的二進制數字碼。設離散值的最大個數為M,n與M的關系為2n=M或n=lbM(6―1)式中,lbM表示以2為底時M的對數。

第九頁，共86頁。圖6―3PCM的編碼與解碼過程第十頁，共86頁。6.2.2圖像信號的編碼方案與參數確定1.全電視信號編碼(1)取樣頻率。全電視信號編碼就是直接對此信號進行PCM編碼。選擇這種編碼的取樣頻率fS,除了要滿足取樣定理的要求外,還要考慮下面的因素。這種空間正交取樣結構,便于進行行間、場間和幀間的信號處理。現以PAL制中取fS=4fSC為例分析。在PAL制中,fSC=(283+3/4)fH+25,則第十一頁，共86頁。圖6―4正交取樣結構第十二頁，共86頁。(2)編碼位數。圖像信號的編碼位數n是由所需的量化層數決定的。設單極性圖像信號的變化范圍為0到1,分為2n個量化層,每個量化層高為2-n。由于均勻分布,量化誤差的均方根值為

對于滿量程(S=1)的信噪比為(6―2)第十三頁，共86頁。因量化產生的對圖像質量的影響,最終是要由人們對圖像的主觀感覺來判定的。實驗表明,當n=7、8,即將信號量化為128至256個層時,人們已很難感到量化的影響。由式(6―2),對應的量化信噪比的范圍約為50～60dB。現在看一看,全信號編碼時的數據速率。以PAL制fS=4fSC、n=8為例,總的數據速率為4×4.43×8=141.76Mb/s可見數字圖像信號的數據速率是很高的。每一幀的數據量為5.67Mb或708.8kB。第十四頁，共86頁。2.分量編碼分量編碼就是對Y、R-Y、B-Y或三個基色分量R、G、B分別編碼,進行并行傳輸,或者按時分復用傳輸。(1)取樣頻率。(2)數字有效行。第十五頁，共86頁。圖6―5數字有效行的時間關系第十六頁，共86頁。(3)編碼位數和排列。Y=0.299R+0.587G+0.114B(R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B(B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5B分量編碼的數字信號在傳輸時,規定按下面順序構成復合的數據序列:(B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y)……這里(B-Y)Y(R-Y)是空間同一取樣點的數字,而(R-Y)(Y)(B-Y)中(Y)是僅有亮度取樣的空間取樣點的數字,它規定在一行的偶數樣點上。(6―3)第十七頁，共86頁。3.電視伴音信號的編碼電視中的伴音信號也按PCM編碼。由于伴音與電視體制沒有確定的關系,編碼比較簡單。模擬伴音信號的頻帶為20Hz至15kHz,高質量的伴音為20Hz至20kHz。比如,在PAL的分量編碼時,若仍采用48kHz取樣頻率,就可以保持這種關系,因13.5MHz÷375÷3×4=48kHz

第十八頁，共86頁。

6.3頻帶壓縮編碼

上面討論了圖像信號編碼,編碼信號的碼率是很高的。以分量編碼為例,按4∶2∶2標準,一路彩色圖像的碼率為(13.5+2×6.35)×8=216Mb/s第十九頁，共86頁。6.3.1預測編碼預測編碼是以減小空間和時間冗余信息為目的的編碼方法。1.預測編碼的原理現用的預測編碼是線性預測編碼,也稱為差分脈碼調制(DPCM)。圖6―6是DPCM的組成框圖。圖中,xn是待編碼的電視取樣序列,x′n為量化后的數字序列,為預測器產生的預測值。預測值是由x′n以前已傳送各點量化值的線性組合(6―4)第二十頁，共86頁。第二十一頁，共86頁。當序列的統計特性已知時(如相關函數),可以得到這些系數的最佳值,使得預測值與樣值的預測誤差最小(均方誤差意義上的最小),即最小。通常N值只取3～4個值。由于圖像的統計特性隨圖像變化很大,ai的值可以有不同的取舍和方法。如一種稱為皮爾希(Pirsch)的預測公式為(6―5)第二十二頁，共86頁。圖6―7預測取樣點的結構第二十三頁，共86頁。2.DPCM的編碼采用線性預測,由于減小了所傳預測誤差信號的動態范圍,為壓縮數據創造了條件。但壓縮的程度與采用的具體編碼方法有很大關系。以亮度信號為例,預測誤差信號是以零值為中心變化,顯然不是均勻分布的。圖6―8是只用一個預測值時統計得出的預測信號的概率密度分布,數學上呈現拉普拉斯分布

(6―6)第二十四頁，共86頁。圖6―8預測誤差的概率分布第二十五頁，共86頁。(1)非均勻量化編碼。采用非均勻量化編碼時,對幅值小的范圍,量化間距減小;對大的幅值,則用大的量化間隔。設總的量化電平數為M,按公式(6―6)和使平均信號量化噪聲比最小要求,可求出最佳的量化電平和判決電平,也可以求出此時的量化噪聲均方值為設信號(預測誤差)的峰峰值S為其均方根值σS的10倍,即S=10σS,非均勻量化的平均信號量化噪聲比(對應峰峰信號)為(6―7)第二十六頁，共86頁。(2)可變字長編碼。設某一數字信號,取有限個(k個)離散值,相應的概率為p1,p2,…,pk,則定義此信號的信息量熵H為

(6―8)考慮M=2n,得(6―9)第二十七頁，共86頁。其單位為比特(bit)。如前所述,式中的lbpi表示以2為底時pi的對數。以我們熟悉的二進制信號為例,設“0”、“1”為等概率的,都是pi=0.5,則由式(6―9),H=1bit。這與由n=lbM得到的結果相同。這表示n=H,編碼效率最高。若對每個樣值編碼的長度ni與概率pi的對數絕對值成正比,即(6―10)(6―11)第二十八頁，共86頁。式中,C為負常數,則平均碼長n將等于信號的熵值,有最高的編碼效率。這可從下面得到證明。因為平均碼長n為取C=-1,有n=H。實際上,pi是在0至1間取值,而ni只能取離散值。第二十九頁，共86頁。6.3.2變換編碼變換編碼是采用另一種方法消除圖像中相關的冗余信息,而達到壓縮數據和頻帶作用。其基本原理是,先將圖像中的像素按區域分成一些包括M×N個像素的許多方塊。第三十頁，共86頁。圖6―9圖像的沃什變換編碼(a)寬度信號變換后的平均幅度;(b)4×4沃什變換矩陣;(c)最佳bit分配第三十一頁，共86頁。6.3.3其它壓縮碼率的措施1.亞奈奎斯特取樣根據取樣定理,設信號最高頻率為fm,最低不失真的取樣頻率為其二倍,即fS=2fm,稱為奈奎斯特頻率。已知原信號(Y或色差)的頻譜分量頻率為nfH±mfV。現選取樣頻率為半行頻的奇數倍,即

(6―12)此時折疊的頻率為第三十二頁，共86頁。2.同步信號的編碼電視信號的行逆程和場逆程中,只有同步信號和消隱信號(復合信號中尚有色同步信號)。第三十三頁，共86頁。圖6―10亞奈奎斯特取樣頻譜及恢復濾波器特性第三十四頁，共86頁。

6.4電視信號的數字處理

數字信號的一般數字運算、邏輯運算,可以實現許多模擬處理中的處理功能。比如,用數字相加器就可以完成電視信號的疊加(如亮度與色差信號)。數字信號的一個重要特點,是容易實現信號的存儲和延時。多位寄存器可以進行電視信號的暫存。第三十五頁，共86頁。6.4.2數字濾波器1.數字濾波器的作用在電視信號的數字處理中,數字濾波器起著很重要的作用。它可以完成模擬濾波器的各種作用,當然它們具有更好的性能。2.數字濾波器的基本結構和原理圖6―11(a)是一種常用數字濾波器的結構和電路模型,它是由一些延遲電路和乘法器、加法器組成。第三十六頁，共86頁。這種濾波器從結構上是以抽頭出現,在模擬濾波器中又稱為抽頭濾波器或橫向濾波器。其中,T為延遲時間,T可以為抽樣周期TS,或者為行周期TH,或者為幀周期TF。C0,C1,…,CN為加權系數。輸入信號x(nTS)為數字信號序列,由圖可見輸出信號為y(nTS)=C0x(nTS)+C1x(nTS-T)+…CNx(nTS-NT)

第三十七頁，共86頁。圖6―11數字濾波器的結構和模型(a)電路模型;(b)數學模型第三十八頁，共86頁。設延遲時間與數字信號取樣周期相同,T=TS,則若輸入為一單位脈沖序列,x(nT)=δ(nT)則輸出為(6―13)(6―14)若定義此濾波器的單位脈沖響應為h(nT),顯然上式就是h(nT),因此有(6―15)第三十九頁，共86頁。在數字信號的分析中,通常用更一般的分析方法。將數字信號的時間序列x(nT)用歸一化的數字序列x(n)代替,而延遲環節ejΩT用一歸一化的z=ejω代替,ω稱為數字頻率。這種變換關系稱為Z變換。數字序列x(n)的變換為(6―16)z為復變量。而濾波器的傳輸函數為(6―17)第四十頁，共86頁。關于數字濾波器的特性,有兩點要說明。第一,數字濾波器的頻率特性,具有周期性,這是因為z=ejω,z是ω的周期函數,H(ω)也必然是周期函數。其周期為2π,即在Z平面上半徑為1的單位圓上。而物理上的頻率的周期性,則由ω=ΩT(6―18)第二,在公式(6―17)所示的濾波器特性中,若h(0),…,h(N)具有對稱性,即對于中間n=N/2,有h(0)=±h(N),h(1)=±h(N-1),…,如圖6―12(a)、(b)第四十一頁，共86頁。所示特性,則此濾波器具有線性相位特性。這很容易證明。以圖6―12(a)特性為例將z=ejω代入,并考慮h(N)=h(0),h(N-1)=h(1),…(6―19)第四十二頁，共86頁。圖6―12具有線性相位特性的單位脈沖響應(a)偶對稱;(b)奇對稱第四十三頁，共86頁。3.數字濾波器舉例(1)亮度水平濾波器。圖6―13(a)是一水平空間濾波器,延遲時間為T=TS。由圖,濾波器的傳輸函數為展開此式它是滿足線性相位條件的。將z=ejω代入第四十四頁，共86頁。化為實際頻率ω=2πf/fS,再考慮fS=4fSC,H1(f)為(6―20)圖6―13水平空間濾波器(a)濾波器的結構(b)幅頻特性第四十五頁，共86頁。(2)分離亮色信號的梳狀濾波器。圖6―14(a)是用于PAL全電視信號的亮度分離的梳狀濾波器。圖中,延時T=TH,A至B之間為亮度信號分離器,傳輸函數為HY(ω),A至C之間為色度信號濾波器,傳輸函數為HC(ω)。由圖

也是線性相移網絡。將z=ejω及ω=ΩTH=2πf/fH代入,得到其幅頻特性為(6―21)第四十六頁，共86頁。圖6―14亮色分離梳狀濾波器第四十七頁，共86頁。圖6―15PAL色度解調器第四十八頁，共86頁。(3)PAL色度解調器。圖中,延時器TH、TS及相加、相減電路構成分離U、V的梳狀濾波器。對于U支路,濾波器的幅頻特性為同樣可求出色度濾波器的傳輸函數(6―22)(6―23)(6―24)

第四十九頁，共86頁。對于副載波頻率f=fSC,考慮fSC=(284-1/4)fH及fSC=fS/4,代入式(6―23)、式(6―24)可知,|HU(fSC)|=1,HV(fSC)=0。式(6―23)、式(6―24)還可以用fH表示為:第五十頁，共86頁。6.4.3電視信號的時基處理圖6―16就是數字時基校正器(DTBC)的原理框圖。從放像機來的重放視頻信號,一路經同步分離電路取出行同步或色同步信號,再經過寫時鐘產生電路,產生數字編碼的取樣脈沖(如fS=4fSC)。第五十一頁，共86頁。圖6―16DTBC原理框圖第五十二頁，共86頁。6.4.4圖像的幾何變換及數字視頻特技(DVE)1.圖像幾何變換的原理在DVE中,圖像處理是逐場進行的,信號以場進行存儲,設存儲位置以整數值的水平和垂直坐標表示。圖像水平坐標與屏幕坐標不相等,而有(6―25)第五十三頁，共86頁。一般情況下輸出與輸入坐標間的關系可由下式表示:(6―27)第五十四頁，共86頁。圖6―17數字圖像坐標與屏幕坐標第五十五頁，共86頁。設對應輸出數字信號的屏幕坐標系為w′和h′,則它和未作變換坐標的w和h間的關系由式(6―25)、式(6―26)可得(6―27)第五十六頁，共86頁。2.圖像的幾何變換(1)圖像的移位。當選擇SH=SV=1,k1=k2=0,給出每場的移位值X0、Y0,圖像就在屏幕上移位,X0、Y0的變化決定了圖像移位的軌跡。(2)圖像的擴大和縮小。選擇k1=k2=0,X0=Y0=0,并選擇SH=SV＜1,就可以使圖像縮小;若使SH、SV有規律地遞減,就會得到連續縮小的圖像。反之,若選擇SH=SV＞1,則可以使圖像擴大。若SV、SH不相等,圖像的寬、高將作相應的變化。第五十七頁，共86頁。圖6―18內插電路的一般形式第五十八頁，共86頁。(3)圖像的旋轉。圖6―19表示圖形可進行圍繞Z軸、Y軸、X軸的三種旋轉。在進行圖6―19(a)的旋轉時,只要以X1、Y1為原點進行坐標變換(根據旋轉角θ,作直角坐標至極坐標變換),就可以求出兩坐標系中對應點的關系。第五十九頁，共86頁。圖6―19圖像的旋轉(a)繞Z軸旋轉;(b)繞Y軸旋轉;(c)繞X軸旋轉第六十頁，共86頁。3.其它各種數字視頻特技(1)圖像的鑲嵌和畫中畫。(2)電視墻(videowall)。(3)圖像的凍結和動畫效果。(4)油畫(painting)和馬賽克(Mosaic)效果。(5)圖像的疊加和類似電影特技。第六十一頁，共86頁。

6.5數字電視機原理介紹

6.5.1數字電視接收機的組成和所用集成電路1.數字電視接收機的組成圖6―20是一數字電視接收機的原理框圖。從圖上看,其基本功能部分與模擬電視機基本相同。其中,虛線框內的視頻信號的處理是用數字電路完成,也包括低電平的同步和掃描電路。第六十二頁，共86頁。圖6―20數字電視接收機框圖第六十三頁，共86頁。2.DIGIT2000集成電路DIGIT超大規模集成電路(VLIC),是專門為數字電視接收機設計的系列芯片。它從1973年開始研制,1981年完成,1983年開始用于電視機上,并成批生產。其后,雖然在專用芯片上都有發展,但DIGIT2000仍然是具有代表性的產品。其中,各芯片的型號和功能如下:CCU2000/2030中央控制單元VCU2100視頻編解碼單元VPU2200視頻處理單元APU2300/2400伴音A/D變換器/伴音處理單元

第六十四頁，共86頁。DPU2500偏轉處理單元MCU2600時鐘發生器CFU2210NTSC梳狀濾波器視頻處理SPU2220SECAM色度處理器MAA2230自動圖像控制器TUP2700文字廣播處理器MDA20611024位EEPROM第六十五頁，共86頁。6.5.2由DIGIT2000芯片組成的數字電視機原理介紹圖6―21是一由DIGIT2000芯片組成的數字電視機。現結合各芯片的功用及前面介紹的數字信號處理原理介紹此接收機。從調諧器、圖像中放、伴音中放部分出來的是模擬信號:視頻全電視信號和基帶伴音信號(Ⅰ、Ⅱ路)。它們分別送到視頻處理和音頻處理單元,現分別介紹。第六十六頁，共86頁。圖6―21由DIGIT2000芯片組成的數字電視機框圖第六十七頁，共86頁。1.視頻部分視頻部分包括VCU(編、解碼)、VPU(視頻處理)、MCU(時鐘)三塊集成電路及分立元件的末級RGB視頻功放電路,A/D、D/A轉換電路都集成于VCU中。2.偏轉部分偏轉部分是由處理芯片DPU及分立元件的行、場輸出電路完成的。來自VCU的數字全電視信號進入DPU后,先經過低通濾濾器以濾除雜波干擾,然后檢測出同步脈沖的幅度,根據幅度大小可以自動選擇兩種箝位方式:同步頂箝位或后肩箝位。第六十八頁，共86頁。3.音頻部分音頻部分的電路是由ADC2300/APU2400完成的。輸入的兩路模擬伴音信號,在ADC中首先分別進行Σ-Δ方式的脈沖密度調制(PDM),脈沖的密度代表信號電平。再經過數字音頻濾波器轉換成35kHz抽樣頻率、16bit字長的數字音頻信號。第六十九頁，共86頁。4.控制部分中央控制單元CCU是整個電視機控制的中心。CCU中主要包括:8位微處理器(8049)、ROM、RAM、調諧分辨率為62.5kHz的鎖相式頻率合成器、用于接受紅外遙控的紅外遙控解碼器、用于用戶指令鍵盤和4位LED頻道指示的I/O端口、用于輸入輸出控制信號和輸入調整指令的系統總線接口等。第七十頁，共86頁。6.5.3改進型數字電視接收機1.改善圖像質量2.逐行掃描處理器3.畫中畫處理器4.視頻存儲控制器(VMC)5.圖文電視廣播處理器(TPU)第七十一頁，共86頁。

6.6高清晰度電視

6.6.1現行電視制度的不足1.畫面細節分辨率不夠,清晰度不足圖像細節分辨率不夠,主要受掃描行數和視頻信號頻帶寬度的影響。第七十二頁，共86頁。2.圖像中的亮色串擾現有制式中,亮、色信號在時間上及頻域上都是重合的,兩者間必然會有相互影響,表現在圖像上產生亮、色間的串擾。3.大面積閃爍和行閃爍4.電視圖像的臨場感不強第七十三頁，共86頁。6.6.2對高清晰度電視的要求從上面的分析可以看出,對未來的高清晰度電視提出的要求有:1.提高圖像幀的總行數2.展寬圖像信號的頻帶3.改隔行掃描為逐行掃描及提高場