PAGEPAGE138JH8000DTV數字電視實驗系統概述 3第一章視頻A/D、D/A實驗 61.1實驗原理 61.1.1視頻A/D變換器 61.1.2視頻D/A變換器 91.2實驗電路 231.2.1實驗電路總體框圖 231.2.2視頻A/D變換電路模塊 231.2.3視頻D/A變換電路模塊 271.2.4數字處理模塊〔可編程器件〕 291.3實驗內容 311.3.1實驗一視頻源的參數調整 311.3.2實驗二亮色延時實驗 341.3.3實驗三量化比特數對數字圖像質量的影響 361.3.4實驗四視頻A/D，D/A參數的觀測 391.3.5實驗五數字電視的國際標準〔ITU-601號建議〕 41第二章音頻A/D，D/A實驗 432.1實驗原理 432.1.1音頻信號取樣頻率的選擇 432.1.2聲音信號〔雙極性信號〕量化信噪比 442.1.3音頻信號的量化比特數確實定 442.2實驗電路 452.2.1實驗電路總體框圖 452.2.2音頻AD系統模塊電路簡介 452.2.3音頻AD系統模塊電路簡介 462.2.4數據處理與控制模塊 482.3實驗內容 512.3.1實驗一抽樣頻率及量化比特數對聲音質量的影響 512.3.2實驗二觀測各種時鐘數據及其相互關系 54PAGEPAGE138第三章MPEG視頻編碼 573.1實驗原理 573.1.1MPEG-2編解碼系統 573.1.2MPEG-2壓縮編碼模塊 623.2實驗電路 713.2.1MPEG編碼模塊電路 713.2.2MPEG解碼模塊電路 773.3實驗內容 823.3.1實驗一節目碼流和傳輸碼流實驗 823.3.2實驗二包識別碼〔PID〕實驗 843.3.3實驗三視頻編解碼延時實驗 863.3.4實驗四視頻幀結構實驗 883.3.5實驗五視頻編碼速率實驗 903.3.6實驗六圖像子采樣模式實驗 923.3.7實驗七GOP實驗 943.3.8實驗八圖像格式實驗 96第四章MPEG音頻編碼 984.1實驗原理 984.1.1MPEG-1音頻壓縮編碼 984.1.2MPEG-2音頻壓縮編碼 1074.1.3MPEG-1、MPEG-2音頻參數的比較 1094.1.4MPEG-2中的AAC編碼 1104.2實驗內容 1124.2.1實驗一MPEG音頻層實驗1 1124.2.2實驗二MPEG音頻層實驗2 114附錄：波形說明 116PAGEPAGE138JH8000DTV數字電視實驗系統概述JH8000DTV數字電視課程實驗箱是完全按照數字電視國際標準設計和生產的數字電視傳輸系統，可以提供數字電視課程所需的假設干實驗，同時可以作為實際數字電視傳輸課程培訓時的實驗裝置。一．系統描述JH8000DTV系統主要由視音頻A/D,D/A模塊,視音頻信源編碼、解碼模塊,TS流形成與解復用模塊,DVBSPI收發接口等模塊組成。音頻A/D模塊板音頻A/D模塊板音頻信源編碼TS流的形成DVBSPITX模塊傳輸信道DVBSPIRX模塊TS流的解碼視頻信源解碼音頻信源解碼D/AD/ATV監視器視頻A/D模塊板視頻信源編碼圖1JH8000DTV系統框圖各局部的組成及功能簡述如下：視音頻A/D、D/A模塊：采用專用的集成芯片，按照國際標準采樣時鐘和采樣格式將模擬輸入的視音頻信號變成標準數字視音頻信號。PAGEPAGE138視音頻信源編碼、解碼模塊：按國際上MPEG－1、2壓縮標準完成對數字視音頻碼流的壓縮編碼。TS流形成與解復用模塊：按國際標準將視音頻信源編碼板輸出的MPEG視音頻碼流打包成TS流或解復用成MPEG視音頻碼流送入視音頻信源解碼板。DVBSPI收發接口模塊：將MPEG-2的TS流按DVBSPI的國際接口標準實現編解碼之間的碼流傳輸。其中各個模塊既可以獨立進行分塊實驗，又可以綜合組成數字電視系統傳輸實驗JH8000DTV〔包括視音頻A/D模塊、視音頻信源編解碼模塊，TS流形復用與解復用模塊和DVBSPI傳輸接口模塊〕完成系統總體實驗二．系統實驗1．系統總體實驗在實驗中我們使用JH8000DTV實驗箱搭建系統總體實驗環境，并緊密結合系統的實際運行狀態，通過親手對系統參數的設置和測試，讓試驗者初步建立數字電視系統總體概念。分模塊實驗通過系統總體實驗之后，我們可在建立總體概念的根底上，將總體系統拆分成假設干功能的子模塊。每一功能子模塊作為一個相對獨立的分模塊實驗板，這樣便于實驗者從模塊實驗中掌握數字電視傳輸系統中各局部原理、功能、技術參數、性能指標及在整個數字電視傳輸系統中的影響，同時讓學生了解各個模塊的設計參數和設計方法，為學生今后在數字電視系統設備的研究方面打下扎實的研究根底。整個實驗系統可以分成：直接視頻、音頻的AD-DA閉環實驗裝置和接入后續編解碼模塊以及傳輸模塊的開環實驗裝置，可以進行的實驗模塊有：〔1〕視頻源參數設置模塊〔開環〕亮度設置色度設置比照度設置輸入信號源選擇設置PAGEPAGE138信號源制式設置場信號標識行設置行有效像素數設置〔2〕視頻編碼參數設置模塊〔開環〕系統模式設置，可以設置MPEG-1或MPEG-2 編碼方式系統編碼碼流模式設置，可以設置編碼碼流輸出格式：節目碼流(PS)或傳輸碼流(TS)。可編程設置GOP結構：I、B、P幀的組合，包括I、IP、IBP、IBBP等?？删幊淘O置編碼速率：512K15M〔NX256K，N=2-57〕可編程設置數字視頻標識碼：VPID?？删幊淘O置數字音頻標識碼：APID?？删幊淘O置數字參考時鐘標識碼：PCRPID?？删幊淘O置僅視頻編碼，音頻不編碼工作方式?！?〕音頻編碼參數設置模塊〔開環〕設置MPEG音頻編碼層：Layer1orLayer2設置音頻采樣速率設置音頻編碼輸出速率設置音頻預加重模式設置音頻聲道處理模式設置音頻PES標志〔4〕MPEG編碼參數設置模塊〔開環〕可編程設置編碼模式可編程設置編碼速率：512K-15M〔NX256K，N=2-57〕設置圖像采樣模式可編程設置GOP模式可編程設置GOP長度可編程設置圖像編碼：D1、4/3D1、2/3D1、1/2D1、SIF、QSIF、SliceScreenPAGEPAGE138可編程設置圖像預處理濾波模式〔5〕視頻AD/DA實驗模塊〔閉環〕亮度設置色度設置比照度設置色飽和度設置色調設置亮色延遲設置彩色關閉設置〔6〕音頻AD/DA實驗模塊音頻采樣頻率設置音頻量化比特數設置靜音模式設置PAGEPAGE138第一章視頻A/D、D/A實驗視頻A/D、D/A變換器是數字電視系統〔圖1-1〕的重要組成局部。視頻A/D、D/A變換器性能的好壞對整個數字電視系統重現圖像質量有著非常重要的影響。因此，通過視頻A/D、D/A實驗，更好的掌握視頻A/D、D/A的原理，技術參數，國際標準等就顯的十分必要。下面分別介紹視頻A/D、D/A變換器的工作原理，參數選擇，國際標準，以及各實驗的內容，要求，方法等。A/DA/D數字處理器D/A模擬信號 模擬信號圖1-1數字設備根本系統組成1.1實驗原理視頻A/D變換器A/D轉換器的作用是把連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號，示意圖如下列圖。它主要包括取樣、量化和編碼三大局部。取樣，是實現時間軸上的離散化；量化，是實現幅度軸上的離散化；編碼，是實現把離散化了的數據用二進制碼型表示，進而變為一系列的電脈沖。圖1.1.1A1．分量編碼中取樣頻率的選擇PAGEPAGE138分量編碼是指對亮度信號〔Y〕和兩個色差信號〔R-Y〕、〔B-Y〕分別進行取樣、量化和編碼。在分量編碼中，由于不受色副載波的影響，而且與彩色電視制式關系不大，為了便于國際間節目的交換，建議取樣頻率應能兼容625行/50場和525行/60場兩種掃描體制。根據取樣定理，要求取樣頻率fs≥2fm，為了防止頻譜混疊失真，應選擇fs〔2.2~2.7〕fm，又為了實現正交取樣結構，應滿足fsz~6MHz，取樣頻率可選為fsfm=12~13.2MHz。對于625行制式行頻為fH=15.625MHz，對于525行制式行頻為fHzzz。對625行制式，每行取樣點數為：對于525行制式，每行取樣點數為：對于兩個色差信號〔R-Y〕和〔B-Y〕，因為其上限頻率均在2.8MHz以下，近似為亮度信號上限頻率的一半，為了方便起見，色差信號的取樣頻率選為：fs(R-Y)=fs(B-Y)=fSY=對于625行制式，色差信號每行取樣點數為864×=432，對于525行制式，那么每行取樣點數為858×=429。亮度信號和兩個色差信號三者的取樣頻率比例關系為：fs(Y):fs(R-Y):fs(B–Y)=4:2:2故把這種選擇取樣頻率方式稱為4：2：2標準，這就是分量編碼中取樣頻率的選擇。2．量化量化是使幅度連續的抽樣值進一步在幅度上離散化的過程。以便能用有限長度的碼字來表示抽樣點的幅度。量化可分為舍入量化和截尾量化。舍入量化即用四舍五入來處理被量化信號與預置量化級數電平之間的差值。截尾量化即把高于預置量化級數電平的尾數局部全部舍去。截尾量化誤差比舍入量化誤差大一倍，因此，一般只采用舍入量化而不采用截尾量化。由量化誤差所產生的噪聲稱量化噪聲。設圖像信號的最大幅度為A，將它均勻量化成N級，量化級差為△A，有：PAGEPAGE138A=N·△A，N=2n〔以二進制表示〕電視信號〔單極性信號〕的量化信噪比定義：量化信噪比=〔n為量化比特數〕用分貝表示：可以得出結論：量化比特數n每增加1bit，那么信噪比上升6dB；反之，每下降1bit；信噪比降低6dB。信噪比與量化比特數n關系如表所示。表量化比特567891041dB47dB53dB59dB65dB71dB3．編碼A/D轉換器中的編碼，是把代表特定量化電平等級的比較器的輸出狀態數據組合，變換成以n比特表示的二進制數碼，即每一組二進制數碼代表一個取樣值的量化電平等級。如表。在接受端解碼時，從這個數碼〔或稱數據〕中重新恢復出原模擬信號電平。表4．視頻A/DD/A的特點抽樣頻率高，fs=27MHz(對全信號編碼)fs=13.5MHz(對分量信號編碼)PAGEPAGE138量化比特數高，n=8—10比特視頻D/A變換器模擬信號被數字化之后，送入數字設備進行處理、記錄或傳送。最后，當與其他模擬信號設備聯結時，需要重新復原為模擬信號。用于把數字信號復原為模擬信號的設備、稱為數/模轉換器或D/A變換器圖數/模轉換器方框圖圖中表示出數/模轉換器的簡單方框圖，主要有數字解碼、內插低通濾和零階保持補償等三局部電路組成。數字解碼是主要局部，其作用是把代表取樣值的二進制數碼復原為相應的量化電平脈沖。內插低通濾波器，用于把離散的脈沖轉換為在時間軸上連續的模擬信號。由于內插濾紙不可能具有理想的門函數頻率特性，又因編碼時的取樣脈沖也不可能是理想的沖擊函數序列而是具有一定寬度的脈沖，這都會使恢復的模擬信號高頻成分受到損失。因此，內插低通濾波器之后，又參加零階保持補償電路，用于提升模擬信號的高頻成分，使輸出信號更接近原來的模擬信號。視頻D/A的特點運算精度高。運算速度快。1．電視信號數字化的國際標準PAGEPAGE138分量電視信號的數字編碼有利于國際間的電視節目交換。在1982年的CCIR第15次全會上通過了CCIR601號建議書，確定了能實現625行/50場和525行/60場兼容的分量編碼4：2：2標準，以后又作了假設干補充修正。數字分量視頻標準，那么是分別對三個信號〔一個亮度信號和二個色差信號〕進行取樣和量化編碼，如前所述,由于消除了色副載波影響，信號質量較高，也有利于制式間的兼容，但是設備復雜，造價高，而且碼率也高。在數字分量信號中，亮度信號〔Y〕峰-峰幅值為700VPP，黑電平與消隱電平一致，同步電平為-300MV，同步信號僅參加亮度信號中；兩個色差信號分別稱為CR和CB，以0電平雙向對稱，其滿幅度均為700MVPP。CR=0.713〔ER-EY〕CB=0.564〔EB-EY〕2．數字分量各信號的取樣頻率比例根據在前邊已介紹過取樣頻率的選擇原那么，各信號取樣頻率之間應滿足一個固定的比例。通常把3.375MHZ作為最低的基準頻率，抽樣比例有以下幾種。PAGEPAGE138圖亮度與色差信號取樣點的分布圖〔1〕4：2：2方式這是較常用的標準方式，其中亮度信號取樣頻率為3.375X4=13.5MHZ。〔2〕4：4：4方式×4=13.5MHz，〔3〕4：1：1方式×1=3.375MHz，這時的色差信號帶寬在1.5MHz以下。在圖中表示了取樣點的分布情況，圖中×代表亮度取樣點，而○代表色差CR和CB的取樣點。3．數字分量4：2：2標準舉例現以數字分量4：2：2為例說明如下，表中給出了其標準參數。表1.1.34：2：2標準參數參數名稱625行/50場525行/60場1、編碼信號2、1行取樣點數亮度信號〔Y〕色差信號〔R-Y〕、〔B-Y〕Y、R-Y、B-Y8644328584293、取樣結構正交，行、場、幀重復，〔R-Y〕、〔B-Y〕樣點同位，并與每行的亮度信號第奇數個〔1、3、5…〕樣點同位。4、取樣頻率亮度信號每個色差信號5、量化方式亮度信號與色差信號均采用每樣值8比特均勻量化6、一個有效行取樣點數亮度信號每個色差信號7203607、模擬信號電平與量化等級之間關系亮度信號每個色差信號共220量化級，黑電平在每16級，白峰在235級共224量化級，零電平處在0~225的量化級中心，即128級8、數字有效行定義〔Y〕OH到有效行開始有效行期間有效行結束到同步前沿每一行范圍μsμsμs864個樣點/64μsμsμsμsμsPAGEPAGE1384．量化范圍的規定及碼電平分配現以100/0/100/0彩條信號為例，說明數字分量信號對量化范圍的規定。(1)亮度分量亮度分量的模擬信號電平與其相對應的數字信號樣值〔即量化電平〕之間的關系如下列圖。圖中示出了8比特量化和10比特量化兩種情況下的對應樣值，每個樣值都分別以10進制數表示其量化級數〔亦稱量化電平或數字電平〕。圖1.1.4100%彩條中亮度信號之模擬電平與量化電平之間的關系在10比特量化系統中共有1024個數字電平〔210個〕，用10進制數表示時，其數值范圍從0到1023；用16進制數表示時，其數值范圍從000到3FF。數字電平000~003和3FC~3FF為儲藏電平(reserve)或稱保護電平,這兩局部電平是不允許出現在數據流中的.其中000和3FF用于傳送同步信息.從004~3FB(10進制數4~1019)代表亮度信號的數字電平;040(10進制數64)為消隱的數字電平;3AC(10進制數為940)為白峰值的數字電平.標準規定的數字電平留有很小的余量:底部電平余量為004~040(10進制數為4~64),頂部電平余量為3AC~3FB(10進制數為940~1019).值得注意的是,數字分量方式對亮度信號中的同步局部PAGEPAGE138不抽樣.由于調整的偏差和漂移,通過濾波器和校正電路產生的過沖都會擴大模擬視頻信號的動態范圍,所以在消隱電平以下和峰值白電平以上都留有余量,以使余量范圍內的信號不失真地進行數字傳輸.上下余量稱為"Headroom"。用8比特量化時，其儲藏電平為0和255(16進制數為00和FF)。數字電平的余量范圍為1~16和235~254(16進制數為01~EB~FE);1~254代表亮度信號數字電平.消隱數字電平定為16(16進制數為10),白峰值數字電平定為235(16進制數為FB).值得注意的是：8比特字的數字信號可以通過10比特字的數字設備和數字通路,只要在8比特的最低位后加兩位0即可,在輸出端再將兩位0去掉,恢復8比特字數字信號.(2)色度分量應該注意到,色度信號是雙級性的,而A/D變換器需要單級性信號,因此,將100%彩條的色度信號電平上移350mv,以適合A/D變換器的要求.圖〔a〕CB分量的模擬電平與量化電平之間的關系PAGEPAGE138圖〔b〕CR分量的模擬電平與量化電平之間的關系圖(a)示出CB分量的模擬電平與8比特和10比特的量化電平之間的關系。圖(b)示出CR分量的模擬電平與8比特和10比特量化電平之間的關系。用10比特量化時，量化電平為：16進制數004~3FB〔10進制數為4~1019〕，共1016級表示CB和CR信號。消隱〔即零電平〕的量化電平定為200〔16進制數〕，模擬信號的最高正電平對應的數字定為3CA〔10進制數為960〕，最低的負電平對應040〔10進制數為64〕。所規定的頂部電平余量為3CA~3FB〔10進制數960~1019〕，底部電平余量為004~040〔10進制數為4~64〕，其作用同亮度信號的電平余量。儲藏電平范圍也同亮度信號。5．數字信號的傳輸接口數字信號的傳送方式有兩種，即并行傳輸和串行傳輸，各具有不同的特點，并適用于不同的場合?！?〕數字信號的比特并行傳輸這種傳輸方式是每一個量化比特位固定用一條通路來傳送，其碼率低，誤碼率也低，設備簡單，但是需要通路數量太多，只適用于距離點到點的數字信號的傳送。PAGEPAGE138在數字分量并行傳輸中，可以用亮度數據與色差數據分別傳送，也可以把亮度與色差及其他輔助數據先進行時分復用，然后再進行并行傳輸，通常采用后者。4：2：2數字分量標準取樣點的行場分配:現以4：2：2數字分量標準為例來說明行、場定時關系。在PAL制數字分量中，其亮度〔Y〕與兩個色差〔CR、CB〕信號的樣值分布如圖1-4所示。可以看出，在水平垂直方向上都是對齊的，即為正交結構。第一行的第一個樣點位置上存在有亮度〔Y〕和色差CR及CB共三個樣值，而第二個樣點位置上那么只有亮度〔Y〕，以后按此規律排列，即在Y的奇數位置有三個樣值，而偶數位置只有Y一個值。第二行之后也均與第一行相同。圖1.1.6PAGEPAGE138每行亮度Y信號的樣點數為：，編號從第0號到第863號。其中有效行樣點數為720個，編號從第0號到第719號。數字消隱樣點數為144個，編號從第720號到863號。其樣值位置安排與同步的關系如下列圖。而在圖中，那么表示出PAL制數字場與模擬場的關系。在模擬場中，每場均包括有半行，如PAL制625行/50場，奇數場與偶數場均為=312.5行。但在數字場中，為了防止處理半個數字行，故將奇偶兩場的有效行數均取整數，定為288行。其差異設在場消隱區，如圖中所示，第一場〔奇數場〕的場消隱期為有效行的24行，而第二場〔偶數場〕的場消隱期為有效行前的25行。圖1.1.7PAL制數字場與模擬場的關系(2)數字亮度信號與色差信號的時分復用在數字分量情況下，有一路亮度信號和兩路色差信號，如果各自單獨并行傳送那么需要三條多芯電纜。為了簡化設備通常先利用時分復用方法把三路信號歸并為一路時序信號，然后用一條多芯電纜并行傳送。對于4：2：2方式，525行/60場掃描標準和625行/50場掃描標準，其有效行的樣點數都是一樣的，即亮度信號為720個，色差信號為360個，每行共計1440，編號為0~1439，而消隱期間的樣點數目，兩種標準那么PAGEPAGE138不同，625行/50場標準為288個，編號為1440~1727，525行/60場，標準為276個，編號為1440~1715。以625行/50場標準〔PAL制〕的4：2：2數字分量信號為例，三路復用之后每行的樣點在一行內的分配如圖1-9所示。根據前圖1-4的取樣分布情況，每個有效行的第一個取樣位置上有三個樣值，安排順序是CB→Y→CR，第二個取樣位置上只有Y一個樣值，第三個取樣位置上安排順序也是CB→Y→CR，以此類推，其余各行方式相同。由圖中可以看出，復用后的樣值速率〔字/秒〕也明顯提高了。復用前亮度信號的樣值速率為：13.5兆字/秒。兩個色差信號的樣值速率均為：6.75兆字/秒，復用后的總樣值速率為：兆字/秒+6.75兆字/秒+兆字/秒=27兆字/秒圖復用中的樣值安排順序PAGEPAGE138圖1.1.94：2：2格式時分復用并行輸出方框圖如果按10比特量化，那么碼率到達270Mb/s。在圖中表示了時分復用編碼比特并行輸出的電路方塊圖。輸入的三路模擬分量信號E′Y、E′R、E′B，經過前置濾波器之后，分別送入A/D變換器，變為數字信號。然后分別以并行方式送入數字合成器，以27兆字/秒的速度和上述的順序實現并行傳輸。圖中的時鐘信號，由亮度信號中產生，分別輸入亮度與色差三個A/D轉換器，以保證分量信號在時間上的一致性。(3)數字分量標準定時基準信號的形成在模擬視頻信號中的行、場同步信號是十分重要的，用它來保證收發兩端掃描的一致性。然而，它只代表起始的時刻，并無其他信息內容。如果能相應地設置每行的起止時刻標志，那么除了數字有效行之外，每行消隱〔包括行同步〕的樣點數據均可不傳送。這段在625行/50場標準4：2：2格式復用之后有288個樣點位置，可以用來傳送其他輔助信息數據。數字分量標準規定，不傳送行消隱期間的樣值，而是在每個有效行數據開始之前，即每行的第一個樣值〔編號為0〕PAGEPAGE138之前安排4個樣值數據，用于表示每個有效行的開始，稱為SAV信號；并在每個有效行數據結束之后，即每個有效行的最后一個樣值〔編號為1439〕之625/50標準分量時分復用及定時基準位置后也安排4個樣值數據，用于表示每個有效行的結束，稱為SAV信號。對于625行/50場掃描標準，SAV的樣點位置是第1724號到1727號，EAV樣點的位置是第1440號到1443號。在場消隱期間，SAV和EAV信號仍以同樣格式傳送。圖所示為625/50標準的數字分量時分復用及定時基準信號的插入位置。分別由4個10比特字節組成的SAV和EAV信號，用16進制組成一個特定的數據系列，用以下符號表示：3FF000000XYZ，前三個字節是一個固定的前綴。可以看出，每一個字節是10個比特1〔即3FF〕，后面2個字節是20個比特0〔即2個為0的10比特字〕。這個特殊的比特組合符號，用來表示有效視頻行的開始〔SAV〕或結束〔EAV〕。第4個字節XYZ同為一個可變內容的字節，它包含有場標志符號，垂直消隱狀態，行消隱狀態等信息。在表中具體表示了這4個10比特字節的詳細內容?？梢姡?個字節為全1，第2、第3個字節為全0，但第4個字節XYZ的比特0位和1位規定為0，以便與8比特量化接口相兼容，第9位規定為1，第6、7、8位為可變二進制數，分別用H、V、F表示相應的信息，而其余的第2、3、4、5各經特位用于進行誤碼糾正。PAGEPAGE138其中H、V、F的不同取值，代表信息如下：H為行消隱標志符，H=0表示為有效行開始〔SAV〕,H=1表示為有效行結束〔EAV〕V為垂直消隱標志符，V=0表示為有效場期間,V=1表示為場消隱期間F為場標志符，F=0表示為第一場〔奇數場〕,F=1表示為第二場〔偶數場〕表1-4中的P0、P1、P2、P3的值是可變的，它門的值取之于F、V和H的值，可對F、V和H的值進行兩比特誤差檢測以及比特誤碼較正。P0、P1、P2、P3的值和F、V及H的值的關系如表所示。表1.1.44：2：2定時基準信號bit3FF000000XYZ98765432101111111111000000000000000000001FVHP3P2P1P000表1.1.5P0、P1、P2、P3的值和F、V及H的值的關系PAGEPAGE138PAGEPAGE138在圖中表示出625/50掃描標準，XYZ的數據內容與圖像時基的位置關系。EAVSAV(H=1)(H=2)第1行〔V=1〕行場消隱第23行〔V=0〕第一場〔F=0〕第1場有效視頻數據奇第311行〔V=1〕第313場消隱第336行〔V=0〕第二場〔F=1〕第2場有效視頻數據偶第624行〔V=1〕第625行圖1.1.11625/50標準XYZ數據與圖像時基位置關系PAGEPAGE1381.2實驗電路實驗電路總體框圖實驗電路由A/D變換器，可編程器件，D/A變換器組成。見圖A/D變換器TVP5147可編程器件A/D變換器TVP5147可編程器件MAX7128STC100-10D/A變換器SAA7121實驗電路總體框圖1.2.2視頻A/D變換電路模塊(1)A/D芯片視頻ADC采用TVP5147芯片。TVP5147是10位高質量單片數字視頻解碼器，用于對NTSC/PAL/SECAM進行數字化和解碼。TVP5147支持對分量YPbPr信號的A/D轉換，同樣能將NTSC，PAL，SECAM制式的composite或者s-video信號轉換成分量YCbCr其包含了兩個10bit30MSPS〔兆采樣每秒〕的數模轉換器。該芯片可用于數字視頻的多種設備，如：DLP投影儀、數字電視、DVD錄制設備LCD電視接及監視器、PVR、PC視頻卡、視頻捕捉/視頻編緝、會議電視〔2〕TVP5147主要的功能模塊包括：對微弱，混有噪聲信號以及VCRtrickmodel的同步檢測通過2-D5線自適應梳狀濾波器和色度陷波濾波器實現Y/C分量別離兩個10bit30MSPS〔兆采樣每秒〕A/D轉換器，具有對模擬信號預處理〔自動增益控制〕模擬視頻輸出亮度預處理色度預處理PAGEPAGE138時鐘/時序預處理以及待機模式輸出格式選擇I2c總線接口VBI數據預處理Macrovision防拷貝檢測電路I/O端口3.3v耐壓〔3〕芯片詳細功能介紹：兩個可編程增益控制30MSPS，10BitA/D支持NTSC〔J,M,4.43〕,PAL(B,D,G,H,I,M,N,Nc,60),SECAM(B,D,G,K,K1,L)CVBS和S-Video支持內嵌同步信號的模擬分量YPbPr視頻格式10路模擬視頻輸入端口，支持多個視頻源支持模擬視頻輸出輸出格式可編程控制a.10Bit嵌入同步的符合ITU-RBT.656標準中4:2:2的YCbCrb.別離同步的10Bit4:2:2的YCbCrc.別離同步的20Bit4:2:2的YCbCrd.場消隱期內活動視頻兩倍采樣rawVBI數據e. 場消隱期內VBI數據片斷行同步，場同步輸出，其位置，極性，寬度可編程，并可輸出FID信號Composite和S-video視頻信號處理 a.2-D5線自適應梳狀濾波器以及色度陷波濾波器用來處理Composite視頻信號 b.對輸入視頻格式自動檢測〔NTSC/PAL/SECAM〕并切換 c.可編程控制亮度增益 d.色度瞬時提升 e.捕捉微弱，混有噪聲，或者不穩定的信號PAGEPAGE138 f.單顆14.31818Mhz標準晶振，滿足所有標準需求〔ITU-R.BT601和平方像素采樣〕 g.電源同步/內同步像素采樣時鐘產生行，場同步信號輸出 h.為下行的視頻編碼器同步提供同步鎖相RTC通過Macrovision防拷貝檢測認證1VBI數據處理I2c80管腳TQFP封裝〔4〕實驗系統裝置視頻A/D變換的具體電路PAGEPAGE138圖實驗系統裝置A/D變換模塊視頻D/A變換電路模塊(1)D/A芯片D/A芯片選用飛利浦公司的數字視頻編碼集成電路SAA7121。該芯片廣泛應用于VCD、DVD等影碟機中。SAA7121集成電路支持NTSC－M，PAL－B/G等電視制式，采用I2C控制方式，通過8位數據總線接收解壓縮的視頻數據。再由內置的編碼器將數字亮度信號與色度信號同時編碼成模擬的CVBS和S視頻信號。主要由數據管理、編碼器、輸出接口、10bitD/A轉換器、同步時鐘和I2C總線接口等組成。SAA7121的功能框圖如以下列圖所示：PAGEPAGE138LLCLLCXTAL1XCLKI2C總線接口數據管理器同步時鐘編碼器輸出接口D/A轉換器RESTSDASCLSARCV1RCV2TTXRQXTAL0VDDA1VDDA2VDDA3I2C總線控制I2C總線控制I2C總線控制時鐘和時序MP7到MP0TTXVSSD1VSSD2VSSD3VDD1VDD2VDD3RESRTC1SPAPI2C總線控制CVBSYCVSSA1VSSA2YCbCrYCSAA7121的功能框圖〔2〕芯片主要功能介紹:單塊芯片3.3v(5v)供電數字PAL/NTSC編碼器支持多種輸入格式YCbCrEAV和SAV三個D/A轉換器支持YC以及CVBS，兩次10bit精度的過采樣對子頻帶的實時控制減少色彩失真濾波器支持對寬屏信號的編碼快速I2c總線可工作在主/從模式下可對行/場輸入同步相位編程行同步輸出可編程可控制同步信號上升沿和下降沿以及消隱信號QFP44封裝PAGEPAGE138〔3〕實驗系統裝置視頻D/A變換的具體電路(圖)圖數字處理模塊〔可編程器件〕〔1〕可編程器件芯片介紹可編程器件選用alteraMAX7128STC100-10。MAX7000系列基于altera第二代MAX架構，高密度，高性能。采用了先進的CMOS工藝制造，使得基于EEPROM的MAX7000系列能提供600到5000可用門電路?？删幊唐骷酒砜驁D如下：PAGEPAGE138圖〔2〕實驗系統裝置數字處理模塊的具體電路(如以下列圖)圖PAGEPAGE1381.3實驗內容實驗一視頻源的參數調整實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺實驗目的調整圖像的亮度、比照度、色飽和度、色調，觀察圖像的變化。實驗步驟電源1電源3電源2總電源JH8000DTV數字電視實驗裝置電源1電源3電源2總電源JH8000DTV數字電視實驗裝置數字電視監視器視音頻AD/DA模塊實驗板MPEG編碼模塊實驗板MPEG解碼模塊實驗板DVD信號源圖1．將計算機的串口1通過串口連接線與編碼模塊的串行接口相連2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟信號源DVD以及監視器的電源4．同時開啟編解碼模塊的電源〔即電源2、電源3，見圖，PAGEPAGE138注意：此時電源1必須處于關閉狀態〕5．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成，如以下列圖〔圖〕。圖(1)選做實驗：點擊“進入〞按鈕進入主實驗界面〔圖-2〕。圖選擇“視頻源的參數設置〞實驗工程，然后單擊“進入〞或者雙擊“視頻源的參數設置〞實驗工程，進入具體實驗面板?！矆D-3〕進入實驗的根本設置：PAGEPAGE138設置亮度值0-255 設置色飽和度值0-255 設置比照度值0-255 設置色調0-255圖〔2〕分別改變根本設置的亮度、比照度、色飽和度、色調各參數值，觀察監視器圖像的變化〔3〕選擇“高級設置〞按鈕，分別改變高級的設置的相關參數：輸入信號、電視制式、場信號模式、場信號標識以及行有效像素值，觀察監視器圖像的變化〔4〕選擇視頻源為“攝象機〞，〔可以將攝象機對準標準電視測試卡或對準層次豐富的圖象〕，重復上述〔2〕、〔3〕步驟實驗要求1．記錄不同參數值時圖像的變化，并分析結果。2．為什么色飽和度值128—255和0—128變化是相同的3．解釋行有效像素值與圖像水平寬度之間的對應關系PAGEPAGE138實驗二亮色延時實驗實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺3．數字存儲示波器一臺4．標準電視信號發生器一臺實驗目的觀察亮色延時差對圖像質量的影響實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與視頻AD/DA模塊的串行接口相連〔視頻AD/DA模塊實驗板上的串口通信模塊U10〕2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟監視器的電源4．將標準電視信號發生器的VIDEO輸出端接到視頻AD/DA模塊視頻輸入端口〔左下，J13〕5．開啟視音頻AD/DA模塊的電源〔即電源1，注：此時電源2、電源3必須處于關閉狀態〕6．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成〔1〕選擇“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，然后單擊進入或者雙擊“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，進入具體實驗面板?！?〕進入實驗的“高級設置〞：PAGEPAGE138圖〔3〕分別改變高級設置的關閉彩色和亮度延時，調整各參數值，觀察監視器圖像的變化〔4〕用示波器同時觀測視頻AD/DA模塊的視頻輸入信號〔J13〕與視頻輸出信號〔J14〕，分別記錄兩個信號中的亮色的延時與參數值的對應關系實驗要求記錄不同參數值時圖像的變化，并分析結果。記錄亮色延時的參數值與示波器測量值之間的對應關系并進行適當分析PAGEPAGE138實驗三量化比特數對數字圖像質量的影響實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺3．數字存儲示波器一臺4．標準電視信號發生器一臺信號發生器信號發生器D/A計算機監視器示波器〔數字〕A/D數據處理圖二．實驗目的改變量化比特數，觀察各種情況下的圖像質量及信號波形①只有高位②只有低位③只有奇數位〔或偶數位〕④只有Y信號掌握量化比特數對圖像質量的影響。實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與視頻AD/DA模塊的串行接口相連〔視頻AD/DA模塊實驗板上的串口通信模塊U10〕2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟監視器的電源PAGEPAGE1384．將標準電視信號發生器的VIDEO輸出端接到視頻AD/DA模塊視頻輸入端口〔左下，J13〕5．開啟視頻AD/DA模塊的電源〔即電源1，注：此時電源2、電源3必須處于關閉狀態〕6．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成〔1〕選擇“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，然后單擊進入或者雙擊“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，進入具體實驗面板?！?〕進入實驗的“高級設置〞〔3〕將“關閉彩色〞設置為“開啟彩色〞〔4〕將數據緩沖模塊中的J57的最右端短路開關插入，如以下列圖所示〔只有高位〕J57此時，監視器中顯示高四位的圖像，可以用示波器分別觀測視頻輸入與視頻輸出信號的情況〔5〕將數據緩沖模塊中的J57的右端短路開關插入，如以下列圖所示〔只有低位〕J57此時，監視器中顯示低四位的圖像，可以用示波器分別觀測視頻輸入與視頻輸出信號的情況〔6〕將數據緩沖模塊中的J57的右端短路開關插入，如以下列圖所示〔只有奇數位〕J57PAGEPAGE138此時，監視器中顯示奇數位的圖像，可以用示波器分別觀測視頻輸入與視頻輸出信號的情況〔7〕將數據緩沖模塊中的J57的右端短路開關插入，如以下列圖所示〔只有偶數位〕J57此時，監視器中顯示偶數位的圖像，可以用示波器分別觀測視頻輸入與視頻輸出信號的情況8〕將“關閉彩色〞設置為“關閉彩色〞并重復上述〔4〕--〔7〕實驗步驟四．實驗要求1．改變量化比特數，觀察各種情況下的圖像質量及信號波形①只有高位②只有低位③只有奇數位〔或偶數位〕④只有Y信號對上述視頻輸入以及視頻輸出信號波形進行分析，并討論改變量化比特數對圖像質量的影響PAGEPAGE138實驗四視頻A/D，D/A參數的觀測實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺3．數字存儲示波器一臺4．標準電視信號發生器一臺信號發生器信號發生器D/A計算機監視器示波器〔數字〕A/D數據處理圖實驗目的觀測各信號之間的時間關系，要求掌握電視信號的組成，信號各局部的時序關系及電視信號數字化的國際標準。a.觀測模擬電視信號的行同步TPHS〔J9〕，場同步TPVS〔J10〕，奇偶場起始信號FID〔J11〕和參考時鐘信號RTC〔J12〕之間的關系。b．觀測數據時鐘DATACLK和10Bit輸出數據YC7與行同步HS之間的關系。三．實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與視頻AD/DA模塊的串行接口相連〔視頻AD/DA模塊實驗板上的串口通信模塊U10〕2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟監視器的電源PAGEPAGE1384．將標準電視信號發生器的VIDEO輸出端接到視頻AD/DA模塊視頻輸入端口〔左下，J13〕5．開啟視頻AD/DA模塊的電源〔即電源1，注：此時電源2、電源3必須處于關閉狀態〕6．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成〔1〕選擇“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，然后單擊進入或者雙擊“視頻AD/DA實驗〞實驗工程，進入具體實驗面板。〔2〕進入實驗的“高級設置〞〔3〕將“關閉彩色〞設置為“開啟彩色〞〔4〕將數據緩沖模塊中的J57的短路開關去除，如以下列圖所示J57此時，監視器中顯示正常圖像，可以用示波器分別觀測：a．行同步TPHS〔J9〕與視頻輸入信號〔J13〕b．場同步TPVS〔J10〕與行同步TPHS〔J9〕c．奇偶場起始信號FID〔J11〕與行同步TPHS〔J9〕d．奇偶場起始信號FID〔J11〕與參考時鐘信號RTC〔J12〕〔5〕保持上述J57設置不變，用示波器觀測行同步TPHS〔J9〕與視頻10Bit輸出數據中的YC7之間的關系四.實驗要求記錄各點的實際波形并與理論波形進行比較，并做適當解釋PAGEPAGE138實驗五數字電視的國際標準〔ITU-601號建議〕實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺實驗目的1．熟悉國際標準〔ITU-601號建議〕的取樣格式：2．改變A/D設置采用不同的取樣格式：4︰2︰24︰1︰14︰4︰4觀察圖像質量及其信號波形。3．國際標準〔ITU-601號建議〕的量化比特數及碼電平的分配三．實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與編碼模塊的串行接口相連2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟信號源DVD以及監視器的電源4．同時開啟編解碼模塊的電源〔即電源2、電源3，注：此時電源1必須處于關閉狀態〕5．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成(1)選做實驗：點擊“進入〞按鈕進入主實驗界面選擇“MPEG編碼參數設置〞實驗工程，然后單擊“進入〞或者雙擊“MPEG編碼參數設置〞實驗工程，進入具體實驗面板。PAGEPAGE138進入實驗的根本設置界面，根本設置如下：編碼模式：MPEG2編碼速率：8X256Kbps〔2〕改變圖像子采樣模式：設置采用不同的取樣格式：4︰2︰24︰1︰14︰4︰4觀察圖像質量及其模擬信號波形。〔3〕在A/D輸入端送標準彩條信號，采用國際化標準規定的量化比特數四．實驗要求1．給出ITU-656的信號格式2．改變A/D設置采用不同的取樣格式：4︰2︰24︰1︰14︰4︰4觀察圖像質量及視頻輸出信號波形。PAGEPAGE138第二章音頻A/D，D/A實驗2.1實驗原理音頻信號取樣頻率的選擇在電視系統中，聲音與圖像是同時傳送的，所以實現數字化時還應當考慮對聲音信號的數字化。聲音信號的模/數轉換也與圖像信號模/數轉換相似，包括取樣、量化和編碼。但由于聲音信號的帶寬、動態范圍及信雜比的要求等與圖像信號相比有很大的區別，所以聲音信號的取樣頻率標準及量化電平數均與圖像信號不同。另外，對于電視伴音，由于在與視頻單通道輿時采用了解時分復用方式，在選擇聲音的取樣頻率參數時，還應考慮與圖像信號的掃描行頻、場頻及取樣頻率的關系。音頻信號取樣頻率的選擇原那么也是根據奈奎斯特取樣定理，即取樣頻率fs≥2fm.音頻信號的上限頻率fm，演播室內的高保真音頻信號取為20KHZ，傳輸用或普能音頻信號那么取為15KHZ。為了防止取樣頻譜混疊，取樣前同樣采用前置低通濾波器，把過高的頻率及雜波濾除?？紤]到低通濾波器的過渡特性，通常選取樣頻率為：fs=〔2.1~〕fm在復合全電視信號直接編碼方式中，為了滿足聲音與圖像時分復用，應選擇聲音取樣頻率為行頻的整數倍，早期當用磁帶錄像機來記錄數字音頻時，規定每場行〔625行/50場掃描標準〕中，用294行記錄數字音頻數據，而且每行記3個樣位，所以得出：294×3×50=44.1KHZ，成為音頻取樣頻率標準。這也同時滿足fs=〔2.1~〕fm的要求，這里fm取為20KHZ。在分量編碼方式中，亮度信號取樣頻率先為13.5KHZ，而且13.5KHZ=3×KHZ，即與各種電視制式的行頻成整倍數關系，可選音頻取樣頻率為：fs=KHZ÷3÷375×4=48KHZ也同樣滿足fs=〔2.1~〕fm之條件。而且與32KHZPAGEPAGE138取樣頻率之間有簡單的換算關系：48KHZ×2÷3=32KHZ聲音信號〔雙極性信號〕量化信噪比設聲音信號的最大幅度為A，它是從+A到-A范圍內變化。對它均勻量化成N級，有：2A=N·△A，N=2n〔以二進制表示〕用分貝表示：2.1.3音頻信號的量化比特數確實定由量化信噪比和比特數的關系，見表。國際標準規定，音頻信號量化比特數n=12~32比特。表語言信號量化比特數與信噪比的關系N(bit)12141620243274dB86dB98dB122dB146dB194dBPAGEPAGE1382.2實驗電路2.2.1實驗電路總體框圖實驗電路由A/D變換器，D/A變換器組成。見圖視頻采樣視頻采樣主時鐘27M與視頻同步鎖相PLL1700音頻A/DPCM1800ASCLK數據處理單元音頻D/APCM1716控制單元PCRs232圖實驗電路總體框圖2.音頻AD系統模塊電路簡介〔1〕音頻A/D模塊電路PCM1800芯片簡介PCM1800是單片低功耗數模轉換器，單+5V電源供電。其采用了Δ-∑技術，帶有64倍過采樣，包含一個抽取濾波器，支持四種數據格式和主控和受控兩種工作模式，采樣頻率可選為32kHz、44.4kHz和48kHz。采用CMOS工藝制造，廣泛應用于消費類電子產品中?！?〕PCM1800主要特性：雙聲道單片Δ-∑型20位ADC64倍過采樣+抽取濾波器其通帶波動范圍0.05db阻帶衰減-65db高性能總諧波失真+雜訊-88db信噪比可達95db動態范圍95db內嵌高通濾波器具有PCM音頻接口和四種數據格式，主控和受控兩種模式系統時鐘可為256fs384fs或者512fsPAGEPAGE138小型的24管腳ssop封裝節省空間單+5v供電〔3〕PCM1800系統框圖為〔4〕音頻A/D模塊電路〔如以下列圖〕圖音頻AD系統模塊電路簡介〔1〕音頻D/A模塊電路PCM1716芯片簡介PCM1716能對24bit的音頻數據進行96khz的采樣，主要被用于中高檔的音頻應用。其采用了新研發的，增強多層次的Δ-∑調節器架構，因而提高了音頻的動態性能并且減少了在實際應用的對抖動的敏感性。PAGEPAGE138內嵌的數字濾波器工作在96khz采樣速率的8倍過采樣模式下。在特定的應用中，可以選擇兩種滾降模式，快速滾降和慢滾降。PCM1716適用于中高檔的音頻處理，比方CDDVD音頻以及其他音樂器材。〔2〕PCM1716主要的特點有：增強多層次的Δ-∑數模轉換器采樣頻率16KHZ~96Khz音頻輸入格式可選16，20，24bit高性能：總諧波失真+雜訊-96db信噪比可達106db動態范圍106db8倍過采樣濾波器其通帶波動范圍0.002db阻帶衰減-82db慢滾降單+5v供電小型的24管腳ssop封裝節省空間多種功能去預加重可靜音反轉輸出相位〔3〕PCM1716系統框圖圖PAGEPAGE138〔4〕音頻D/A模塊電路圖數據處理與控制模塊〔1〕功能描述數據處理單元：采用可編程器件MAX7128STC100-10，主要完成對音頻A/D變換器PCM1800送來的立體聲數據進行適當處理，并將處理后的數據送音頻D/A變換器PCM1716。同時，該單元在單片機控制單元的作用下可以產生音頻頻率范圍內的方波信號，該信號經可編程濾波器LTC1067的濾波處理形成標準的正弦波音頻信號，再經過音頻輸出緩沖電路模塊，得到用于音頻AD/DA的測試信號。PAGEPAGE138〔2〕數據處理單元電路圖PAGEPAGE138〔3〕控制單元電路圖PAGEPAGE1382.3實驗內容實驗一抽樣頻率及量化比特數對聲音質量的影響實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺3．數字存儲示波器一臺實驗目的1、掌握抽樣頻率對聲音質量的影響 〔2〕32KHZ 〔3〕48KHZ2、改變量化比特數，評價聲音質量，掌握量化比特數對聲音質量的影響量化比特數：〔1〕16比特〔2〕20比特3、設置靜音模式，聽靜音效果三．實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與音頻AD/DA模塊的串行接口相連〔音頻AD/DA模塊實驗板上的串口通信模塊U18〕2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟DVD以及監視器的電源4．將音頻輸入模塊左下方的J19設置在1_2位置〔左端，此時右聲道與DVD音頻右聲道相連〕；假設將J19設置在2_3位置，那么PAGEPAGE138此時右聲道與系統自身的音頻測試信號相連5．開啟視音頻AD/DA模塊的電源〔即電源1，注：此時電源2、電源3必須處于關閉狀態〕6．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成〔1〕選擇“音頻A/DD/A實驗〞實驗工程，然后單擊進入或者雙擊“音頻A/DD/A實驗〞實驗標題，進入具體控制面板?！矆D〕。圖〔2〕分別調整控制面板抽樣頻率、量化比特數參數，比較聲音質量a．選擇采樣頻率44.1KHZ32KHZ48KHZ 改變后人耳不太容易分辨，可以通過示波器測量ALRCK的頻率 觀測是否是44.1KHZ32KHZ48KHZ b．選擇量化比特數 16bit20bit〔3〕利用示波器同時觀測音頻左右時鐘ALRCK〔位于電源模塊上方的測試模塊，J32〕和音頻數據ADATA〔位于電源模塊上方的測試模塊，J33〕，仔細觀測20bit的數據波形和16bit的數據波形〔4〕靜音模式PAGEPAGE138進入靜音模式，聽靜音效果。可以軟件切換是否靜音。四．實驗要求觀察并分析以下3種抽樣頻率對聲音質量的影響Z 〔2〕32KHZ 〔3〕48KHZ2．改變量化比特數，評價聲音質量，觀察并分析以下2種量化比特數對聲音質量的影響量化比特數：〔1〕16比特〔2〕20比特PAGEPAGE138實驗二觀測各種時鐘數據及其相互關系實驗儀器1．JH8000DTV數字電視實驗系統裝置一臺2．配置計算機一臺3．數字存儲示波器一臺4．函數信號發生器一臺音頻信號發生器音頻信號發生器音頻A/D、D/A監視器數字示波器，邏輯分析儀圖實驗目的觀測各種時鐘數據及其相互關系ALRCK〔左右聲道取樣時鐘44.1KHz，32KHz，48KHz〕BCK〔比特時鐘〕ADATA〔音頻數據〕ASCLK〔系統時鐘〕BCK~ASCLKBCK~ALRCKALRCK~ADATA實驗步驟1．將計算機的串口1通過串口連接線與音頻AD/DA模塊的串行接口相連PAGEPAGE138〔音頻AD/DA模塊實驗板上的串口通信模塊U18〕2．開啟JH8000DTV數字電視實驗系統裝置總電源3．開啟DVD以及監視器的電源4．將音頻輸入模塊左下方的J19設置在1_2位置〔左端，此時右聲道與DVD音頻右聲道相連〕；假設將J19設置在2_3位置，那么此時右聲道與系統自身的音頻測試信號相連5．開啟視音頻AD/DA模塊的電源〔即電源1，注：此時電源2、電源3必須處于關閉狀態〕6．翻開計算機并啟動系統實驗軟件：雙擊桌面上的Encode圖標啟動軟件，經過一個Flash界面后便進入歡迎界面，軟件啟動完成〔1〕選擇“音頻A/DD/A實驗〞實驗工程，然后單擊進入或者雙擊“音頻A/DD/A實驗〞實驗標題，進入具體控制面板。〔圖〕。圖〔2〕分別調整控制面板抽樣頻率、量化比特數參數，比較聲音質量a．選擇采樣頻率44.1KHZ32KHZ48KHZ 改變后人耳不太容易分辨，可以通過示波器測量ALRCK的頻率 觀測是否是44.1KHZ32KHZ48KHZ b．選擇量化比特數 16bit20bitPAGEPAGE138〔3〕利用示波器觀測:音頻左右聲道取樣時鐘ALRCK〔位于電源模塊上方的測試模塊，J32〕；比特時鐘BCK〔位于電源模塊上方的測試模塊，J31〕；音頻數據ADATA〔位于電源模塊上方的測試模塊，J33〕；系統時鐘ASCLK〔位于電源模塊上方的測試模塊，J30〕；BCK~ASCLK；BCK~ALRCK；ALRCK~ADATA-2,在不同的抽樣頻率下,記錄各點的波形。-2,在不同的量化比特下,記錄各點的波形。實驗要求觀測音頻采樣頻率與系統時鐘〔ASCLK〕和比特時鐘〔BCK〕之間的對應關系觀測音頻量化比特數與音頻數據〔ADATA〕之間的對應關系以及與左右聲道取樣時鐘〔ALRCK〕的相位關系PAGEPAGE138第三章MPEG視頻編碼3.1實驗原理MPEG-2編解碼系統MPEG-2標準可廣泛用于數字電視〔包括HDTV〕及數字聲音播送、數字圖像與聲音信號的傳輸及多媒體等領域。因而MPEG-2是十分重要的，也是非常成功的世界統一標準。MPEG-2標準共有3局部：第1局部是系統〔Systems〕局部〔ISO/IECIS13818-1〕，第2局部是圖像〔Video〕局部〔ISO/IECIS13818-2〕，第3局部是聲音〔Audio〕局部〔ISO/IECIS13818-3〕。1．系統局部系統局部涉及如何將一個或多個圖像、聲音及其它數據的根本碼流組合成單一或多個碼流使之便于儲存和傳輸。它包括以下5種根本功能：〔1〕多個壓縮碼流解碼時的同步；〔2〕多個壓縮碼流解碼時的交織；〔3〕緩沖預置；〔4〕緩沖器的連續控制；〔5〕時間識別。系統編碼規定這兩種方式：節目碼流〔ProgramStream〕和傳送碼流〔TransportStream〕。它們各自為不同應用而最正確化，即它們的標準所定的編碼句法都是為實現圖像和聲音信息的同步解碼和顯示所必需和充分的，并且保證解碼器中的已編碼數據緩沖器不會上溢和下溢。在這些信息的編碼中采用了有關已編碼聲音和圖像數據的解碼和顯示的時間標記，以及有關數據流本身的傳送的時間標記。兩種碼流都是打包多工方式。一個圖像和聲音根本碼流的根本多工方法示于圖。壓縮后的根本碼流與系統的信息一起組合、打包，產生打包根本碼流〔PES--PacketisedElementaryStreams〕。然后這些PES又組合形成節目碼流或傳送碼流。PAGEPAGE138圖MPEG－2系統層編碼框圖圖典型節目碼流解碼器節目碼流類似于MPEG-1的系統多路復用方式。它由有共同時間基準的一個或多個PES組合而成，也可由多個有共同時間基準的聲音和圖像根本碼流編碼組成多節目碼流。如同單一節目碼流一樣，所有的根本碼流都能在同步情況下解碼。節目碼流用于相對無誤的環境中，適合支持節目信息的軟件處理的應用，以及適用于CD-ROM上的多媒體應用。節目碼流包是可變長的，相對較長。圖是一個典型節目碼流解碼器。在此解碼器中，已多工編碼的一路和多路聲音/圖像碼流是被假定存儲在數字儲存媒體〔DSM-DigitalStorageMedium〕上。媒體特殊記錄格式要求有相應媒體特殊解碼器〔MSD-MediumSpecificDecoder〕，這都不是標準規定的，但要求MSD能產生MPEG-2節目碼流。另外，在全系統中還有時間信息流用于各個環節。圖3.1.3是節目碼流的組成。各局部的功能詳見ISO/IEC13818-1。傳送碼流是由帶一個或多個獨立時基的一個或多個節目組合而成的一個碼流。傳送碼流設計用于有誤碼的環境，例如在有損耗或噪聲的媒體中儲存或傳輸。傳送碼流的包長是固定的，為188字節。PAGEPAGE1382．對傳送碼流可以進行以下操作：〔1〕恢復傳送碼流中一個節目的編碼數據，并解碼?！?〕把含有多個節目的傳送碼流轉換成一個含有單一節目的傳送碼流?！?〕把多節目傳送碼流先分工，然后轉換成節目碼流?！?〕由一個或多個傳送碼流取出一個或多個節目的傳送包，并在輸出端產生不同的傳送碼流。〔5〕把一個節目碼流轉換成傳送碼流，使其能通過有損耗的環境，然后將其恢復成原來的節目碼流。傳送碼流的組成示于圖。各局部詳細構成和功能在ISO/IEC13818-1中都有規定。PAGEPAGE138圖MPEG-2節目碼流的組成PAGEPAGE138圖3.MPEG-2傳送碼流的組成PID碼是英文PacketIdentifier的簡稱，是包識別碼的意思。電視信號用MPEG-2標準壓縮成PES包,再將PES包轉換成長度為188字節的傳送包(TP)，它代表每幀畫面的信息量。在188字節中，用3B來表示包開始前綴，以1B來表示包標識，2B表示PES包的包長度，剩下的是實時壓縮的活動圖像聲音等可變PES包，PID在傳送包的包頭上。其中的傳輸流的字頭是識別傳輸流的關鍵，由32bit組成。在字頭的32bit中，13bit的PID碼特別重要，它是區分碼流信息性質的關鍵，是節目信息的“身份證〞，不同的電視節目和效勞信息〔SI〕對應不同的PID碼。對于一臺解碼接收機而言，為了找到要接收的電視節目，它首先會通過PID碼找到業務信息〔SI〕所對應的不同表格〔Table〕，然后通過這些業務信息表格查到所要接收節目的PID碼和對應的時鐘PCR，將節目進行解碼復原。PAGEPAGE138MPEG-2壓縮編碼模塊1．壓縮編碼原理簡介電視圖像數據壓縮利用的各種特性和采用的方法歸納在表中。從表中可以看到，電視圖像本身在時間上和空間上都含有許多冗余信息，圖像自身的構造也有冗余性。此外，正如前面所介紹的，利用人的視覺特性也可對圖像進行壓縮，這叫做視覺冗余。表電視圖像壓縮利用的各種冗余信息種類內容目前用的主要方法統計空間冗余像素間的相關性變換編碼，預測編碼特性時間冗余時間方向上的相關性幀間預測，移動補償圖像構造冗余圖像本身的構造輪廓編碼，區域分割知識冗余收發兩端對人物的共有認識基于知識的編碼視覺冗余人的視覺特性非線性量化，位分配其他不確定性因素MPEG-Video圖像壓縮技術根本方法和方法可以歸納成兩個要點：①在空間方向上，圖像數據壓縮采用JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)壓縮算法來去掉冗余信息。②在時間方向上，圖像數據壓縮采用移動補償(motioncompensation)算法來去掉冗余信息。為了在保證圖像質量根本PAGEPAGE138不降低而又能夠獲得高的壓縮比，MPEG專家組定義了三種圖像：幀內圖像I(intra)，預測圖像P(predicted)和雙向預測圖像B(bidirectionallyinterpolated)，典型的排列如下列圖。這三種圖像將采用三種不同的算法進行壓縮。圖3MPEG專家組定義的三種圖像2．幀內圖像I的壓縮編碼算法幀內圖像I不參照任何過去的或者將來的其他圖像幀，壓縮編碼采用類似JPEG壓縮算法，它的框圖如下列圖3。如果電視圖像是用RGB空間表示的，那么首先把它轉換成Y、Cr、Cb空間表示的圖像。每個圖像平面分成8×8的圖塊，對每個圖塊進行離散余弦變換DCT(discreteCosineTransform)。DCT變換后經過量化的交流分量系數按照Zig-zag的形狀排序，然后再使用無損壓縮技術進行編碼。DCT變換后經過量化的直流分量系數用差分脈沖編碼DPCM(DifferentialPulseCodeModulation)，交流分量系數用行程長度編碼RLE(run-lengthencoding)，然后再用霍夫曼(Huffman)編碼或者用算術編碼。PAGEPAGE138圖3幀內圖像I的壓縮編碼算法框圖示。圖3位移矢量的概念PAGEPAGE138圖3雙向預測圖像B的壓縮編碼算法框圖5．視頻幀的結構MPEG編碼器算法允許選擇I圖像的頻率和位置。I圖像的頻率是指每秒鐘出現I圖像的次數，位置是指時間方向上幀所在的位置。一般情況下，I圖像的頻率為2。MPEG編碼器也允許在一對I圖像或者P圖像之間選擇B圖像的數目。I圖像、P圖像和B圖像數目的選擇依據主要是根節目的內容。例如，對于快速運動的圖像，I圖像的頻率可以選擇高一些，B圖像的數目可以選擇少一點；對于滿速運動的圖像I圖像的頻率可以低一點，而B圖像的數目可以選擇多一點。此外，在實際應用中還要考慮媒體的速率。一個典型的I、P、B圖像安排如下列圖3。編碼參數為：幀內圖像I的距離為N=15，預測圖像(P)的距離為M=3。圖3MPEG視頻幀編排I、P和B圖像壓縮后的大小如表3所示，單位為比特。從表中可以看到，I幀圖像的數據量最大，而B幀圖像的數據量最小。PAGEPAGE138表3MPEG三種圖像的壓縮后的典型值(比特)圖像類型IPB平均數據/幀MPEG-1CIF格式(1.15Mb/s)150000500002000038000MPEG-2601格式(4.00Mb/s)400000200000800001300006．視頻采樣結構CCIR601建議中，要求采用分量信號Y、U、V進行編碼壓縮。在對數據壓縮之前,必對分量信號進行正交抽樣。Y:U:V抽樣點結構可分為三種:4:4:4;4:2:2;4:2:0。這種抽樣點結構又被稱為子采樣，其對應抽樣點結構如下列圖Y:U:V=4:4:4b)Y:U:V=4:2:2c)Y:U:V=4:2:0PAGEPAGE138圖3.1.154:4:4;4:2:2;4:2:0抽樣結構圖3表示出4:4:4;4:2:2;4:2:0三種抽樣結構。圖3.1.15a)為4:4:4樣點結構,該結構中每一個抽樣點都有亮度信號Y和兩個色差信號U、V。圖3.1.15b)為4:2:2樣點結構,該結構中每一個抽樣點都有亮度信號Y,而在行方向每四個亮度Y樣點才分別有兩個色差信號U、V樣點。圖3.1.15c)為4:2:0樣點結構,該結構中每一個抽樣點都有亮度信號Y,而在上、下兩行每四個亮度Y樣點才分別有一個色差信號U、V樣點。下表列出了幾種典型的數字電視設備的數據格式。表幾種典型的數字電視設備的數據格式系統編碼方式Y像素結構(寬×高)U、V像素結構幀數/每秒電視QCIF176×14488×7225QSIF160×12080×6030VCDMPEG-1(CIF)(SIF)352×288176×14425320×240160×12030DVDMPEG-2(D1)720×576360×57625720×480360×48030HDTVMPEG-2(高級窄屏)4:31440×1152720×576251440×960720×8030MPEG-2(高級寬屏)16:91920×1152960×576251920×960960×48030PAGEPAGE138注:QCIF:QuarterCommonIntermediateFormate(四分之一公用中間隔式);CIF:CommonIntermediateFormate(公用中間隔式);SIF:SourceInputFormat(源輸入格式);VCD:VideoComp