6.1 概述 6.2 信源编码与压缩技术 6.3 信道编码与调制技术 第6章 数字电视基础 6.1 概述 6.2 信源编码与压缩技术 6.3 信道编码与调制技术

模拟电视制式的缺陷  采用复合信号传输 采用窄带传送色度信号 采用隔行扫描 选用的行场频率低

6.1 数字电视概念及系统组成 数字电视的产生：20世纪60年代 数字电视定义： 从节目拍摄、编辑、制作、播出、传输、接收等电视信号播出和接收的全过程都使用数字技术的电视系统。

数字电视系统组成 信源编码 复用系统 信道编码 信号调制与传输 数字电视信号接收

数字电视信号的产生 脉冲编码调制PCM 信号数字化需要完成采样、量化、编码三步。 采样(取样）：用每隔一定时间间隔的信号样本序列代替原来在时间上连续的信号。即将模拟信号离散化。

1、采样 在数字电视中取样频率的选择应该从以下方面考虑： （1）满足奈奎斯特取样定理：即抽样频率应该大于视频带宽的两倍。 在数字电视中取样频率的选择应该从以下方面考虑： 　　（1）满足奈奎斯特取样定理：即抽样频率应该大于视频带宽的两倍。 亮度信号带宽 最大是6MHz，因此有： 　　　　　　　　　　 　　（2）为了保证取样结构是固定正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍 　　　　　　　　　　 (3)在制订国际统一的编码标准时亮度信号的取样频率的选择还必须兼顾不同的扫描制式。

分量编码标准的亮度信号抽样频率fs为13.5 MHz： 对于625行/50场扫描制式的亮度信号，每行的取样点数为： 　　 对于525行/60场扫描制式的亮度信号，每行的取样点数为：

2、量化 所谓量化就是把幅度连续变化的信号变为幅度离散的数字信号。 量化过程不可避免地引起量化误差。 由于量化误差会在接收端恢复图象的画面上出现颗粒状的细斑，量化误差又称为颗粒噪声或量化噪声。

取整时只舍不入 取整时有舍有入 量化误差的绝对值最大,误差较小

量化分类： 1、均匀量化：量化间隔相同。 2、非均匀量化： 小信号量化间隔小 大信号量化间隔大

Ｍ：量化级数 n：量化比特数，（码源位数）是指要区分所有量化级所需几位二进制码位数 ． M=2n

3、编码 定义： 按照一定规律，把量化后的离散值用二进制数字表示。 取样时刻 取样值 量化值 编码 t1 2.9 3 0011 取样时刻 取样值 量化值 编码 t1 2.9 3 0011 t2 12.6 13 1101 t3 14 14 1110 t4 3.3 3 0011 t5 4.5 5 0101

图像信号的编码方案 全信号编码 (Y/C) 电视接收机中的数字化处理 分量编码（Y / R-Y、B-Y） 对Y、R-Y、B-Y或三个基色分量R、G、B分别编码，进行并行传输或时分复用传输。

单位时间内系统所能达到的最大数据量称为所传输数字信号的码率。 总码率：抽样频率与量化比特数的积 。 4:2:2分量编码总码率： 标清： (13.5+2×6.75)×8（或10）＝216（或270）Mb/s 高清： (74.25+2×37.125）×10=1485 Mb/s

有效码率： 单位时间内与视频信号有关的数据量。 每行取样点×有效扫描行数×量化比特数×帧频

CCIR的分量编码国际标准图像采样 1、使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样； 2、对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。 如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样(subsampling)。

4:4:4 YCbCr格式 在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、4个红色差Cr样本和4个蓝色差Cb样本 4:4:4子采样格式

4:4:4 YCbCr格式 表示全像素点阵,用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。 YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整。（每个分量通常8比特 )

4:2:2 YCbCr格式 是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式。 在每条扫描线上每4个连续的采样点取4个亮度Y样本、2个红色差Cr样本和2个蓝色差Cb样本

4:2:2 YCbCr格式 每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。 下面的四个像素为： [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 存放的码流为： Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 映射出像素点为： [Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

数字电视扫描制式表示方法 1080/50i 720/60P 1080/50/2:1 1125/60i 750@60P 1080i/50

6.2 信源编码与压缩技术 一、信源压缩编码的目的： 压缩数字电视图像的数据量，降低信号传输的数码率，减少传输带宽，提高信道利用率。

二、如何进行压缩 消除电视信号中的冗余成分： ① 空间冗余：相邻象素、行变化小 ② 时间冗余：相邻帧变化小 ③ 符号冗余：编码表示码长不同 ④视觉冗余：视觉阈值不同

三、视频压缩编码的分类 1、无损压缩编码（熵编码） 霍夫曼编码 算术编码 2、有损压缩编码（熵压缩）  预测编码 正交变换编码 

1、熵编码 熵：描述信源符号信息所需的最小比特数。 信息熵：信源X发出任意一个符号的平均信息量，单位：比特/符号 编码过程中不丢失信息量，即要求保存信息熵，也叫信息保持编码，是根据消息出现概率的分布特性而进行的，是无损压缩编码。 符号xi出现的概率p(xi) m

霍夫曼（Huffman）编码 霍夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。 定理：在变字长编码中，如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列，则其平均码字长度最小。

霍夫曼（Huffman）编码步骤 按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率 和剩余的概率重新排队。 继续第一步，直到最后变成1。 将“0”和“1”赋与相加的两个概率。 读出时由该符号开始一直走到最后的“1”， 将路线上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的霍夫曼编码。

例 一 X： a1 a2 a3 a4 a5 0.5 0.25 0.125 0.0625 a为出现的概率

例 二 X： a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 0.20 0.18 0.17 0.16 0.15 0.10 0.04 a为出现的概率

1 0.62 码 长 码 字 信源符号 出现概率 0.38 1.0 0.33 1 0.29 1 2 0 1 a1 0.20 2 0 0 a2 0.18 1 3 1 1 1 a3 0.17 3 1 1 0 a4 0.16 1 3 1 0 1 a5 0.15 1 4 1 0 0 1 a6 0.10 0.14 4 1 0 0 0 a7 0.04

0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72 bit /符号 m Ki 平均码字长度 K= 0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72 bit /符号 信息熵H为： 7 =2.61bit/符号

注意事项 　　（1）Huffman方法的构造出来的码不是唯一的。但对于同一信源而言，其平均码长是相同的，其编码效率一样。 　（2）只有当信源概率分布很不均匀的时，Huffman码才会收到显著效果。 （3）信源符号概率分布为2-n时，编码效果达到100%

算术编码 算术编码不是按符号编码，而是按符号序列的发展，对序列进行编码。 步骤： 初始状态，编码指针C=0，子区间长度L=1.0 编码状态，C=C+LΣpi ; L=Lpi 取最后一个编码指针小数值作为整个序列的编码结果。

例 设有一个信源具有4个可能出现的信号：x1、x2、x3、x4 ，其出现的概率分别为0.5、0.25、0.125、0.125，信源符号序列为x2 x3 x1 x4 x1 x1,解释其编码过程。 x1 x2 x3 x4 0.1 0.11 0.111 1

解得符号序列算术编码为101100111，继续对符号x1 x1进行编码，着编码码字不变，码长不变。

2、 预测编码 在图像预测编码中， 根据图像或信息所存在的相关性，推测未来图像或象素的可能值, 减小空间和时间冗余 。 一维预测 二维预测 2、 预测编码 在图像预测编码中， 根据图像或信息所存在的相关性，推测未来图像或象素的可能值, 减小空间和时间冗余 。 一维预测 二维预测 三维预测 帧内编码 帧间编码

二维预测：X9=1/2X8+1/4 X4+1/8 X3+1/8X5 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 前一行 隔场行 当前行

帧内编码：对一帧内的信息进行编码。 帧 间编码：对相邻的时间帧间的差值信号进行编码。 JPEG是典型的帧内编码方案大多用于静止图像处理，而MPEG是帧间编码方法，主要用于对运 动图像的处理。

预测编码的原理 利用图像数据的相关性，用已传输的像素值对当前像素值进行预测，然后对当前像素的实际值与预测值的差值进行编码传输，在接收端将收到的预测误差解码后再与预测值相加，得到当前像素值。

差分脉冲编码调制(DPCM) 待编码取样序列 预测值 X’’ X’’

运动补偿预测编码 在视频帧序列中设置参照帧。 对于当前的编码帧，首先在该帧的前一帧和（或）后一帧中寻找与该帧的一个图像方块最优匹配的图像方块。 如果找到这样的最优匹配块，则计算： 当前块的像素值与参照帧中最优匹配块的像素值之间的差值，即预测误差； 当前块相对于参照块在X和Y两个方向上的位移，即运动矢量。 只需对当前块的运动矢量和预测误差进行编码传输，以压缩时间冗余。 如果找不到最优匹配块，则进行帧内编码。

运动补偿预测编码类型 单向运动补偿预测 双向运动补偿预测：使用前后两帧计算各块的运动矢量，只选用具有最小匹配误差的相关运动矢量。 插值运动补偿预测：取前后两帧的预测值的平均值，需要对两个运动矢量分别进行编码传输。

运动估值 像素递归法（PRA) 块匹配法（BMA)

全搜索匹配 N+2dm dm A C B 最大计算量 （N+2dm）*（N+2dm） N=8或16

三步搜索法 以原点为中心，以L1=ent(d/2+0.5)为步长构造9点点阵。（d：最大位移,ent：取整）。 计算各点的误差值，找出误差最小的点，以此为中心，构造新的以ent(L1/2+0.5)为步长的9点点阵。 重复第2步，直到搜索步长为1，则误差值最小的点为匹配点。

-7 三步搜索法 7 1 2 3 -7 7

3、变换编码压缩数据的原理 图像空间存在相关性,在变换域中,各空间频率分量是不均匀的,即空间频率低的区域信号幅度大,高频区域信号幅度小。低频部分细量化，高频部分粗量化，则平均码长和总的码率都会下降，达到压缩码率的目的。

3、变换编码过程 将图像中的像素按区域分成一些包括M×N个像素的许多方块。这些像素点的取样值构成一空间(设为X,Y二维)的数字阵列,然后将它们变换到由正交矢量构成的变换域中,再对这些变换域中的阵列系数进行编码发送,接收端通过逆变换恢复原数据。

离散余弦变换（DCT）编码压缩方框图 将整幅图像分解出数个用于DCT的子块 DCT系数中绝对值较大的集中在矩阵的左上角。 将一些绝对值很小的系数或区块置零便于丢弃 串／并转换舍去零系数 量化矩阵复原 恢复DCT系数 图像子块重建 整幅图像重建 传输或存储

DCT IDCT 其中：

例：8×8亮度子块的DCT编码压缩和解码 8×8亮 度子块 DCT编码压缩 第一步：DCT变换 DC DCT

第二步：量化处理降低每个DCT系数的比特数 （四舍五入） Q(u,v)为量化矩阵 JPEG亮度量化矩阵表

量化结果

第三步：Z扫描并／串转换 第四步：编码传输 游程编码： 本例为（39，-3，2，1， -1，1，0，0，0，0，0， -1，EOB）。EOB表示块结束，接收端收到EOB后自动将64个元素中余下的元素补零。

DCT解码复原 第一步：恢复量化矩阵 将EOB后的元素自动补零 第二步：反量化（IQ） （619）

第三步：IDCT 重建后的信号与原信号相差很小

预测编码与变换编码的区别 相同点：都能解除信源间的相关性，进行压缩编码。 不同点： 1、 预测编码可完全解除序列相关性，但须知序列的概率特性，有较高压缩比。 2、变换编码可解除空间相关性，无须知序列相关性。

图像压缩编码标准 H.261、H.263（会议电视） JPEG、JPEG2000（静止图像） MPEG-1（VCD）

JPEG JPEG是联合图像专家组的缩写 （Joint Photographic Experts Group ） 主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于帧内，便于编辑。 JPEG标准的算法是基于DCT(离散余弦变换)和可变字长编码。

JEPG压缩编码算法的计算步骤 1、 正交离散余弦变换。 2、 量化。 3、Z字形编码。 4、 使用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系数DC进行编码。 5、 使用游程编码对交流系数（AC）进行编码。 6、 熵编码。

JPEG2000特点 高压缩比，其压缩率比JPEG 高约30%左右 连续色调图像压缩和二值图像压缩 无失真压缩和有失真压缩 渐进传输：先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要。

JPEG2000特点 固定比特率、固定尺寸 对码流的随机访问和随机处理 误码鲁棒性（Robust）

MPEG的基本理论 MPEG “活动图像专家组” （Moving Picture Expert Group） 包括三个部分： 系统： 视频： 音频：  

特点 （1）在图象和声音的质量上高于可视电话和会议电视的声象质量，至少应达到VHS家用录象机的声象质量。 （2）压缩后的数码率能存储在光盘、数字录音带或可写磁盘等媒体中。 （3）压缩后的码率与目前的计算机网络传输码率相适配。 （4）在通信网络上它能适应多种通信网络的传输。

MPEG和JPEG的主要差别 JPEG和MPEG都采用DCT帧内图像数据压缩编码。 JPEG针对静态图像压缩。

一、MPEG中的三种图像类型与码流组成 三种图像类型 MPEG使用三种类型的图像，即I帧、P帧和B帧。

I帧是帧内压缩，是随机存取的插入点，同时是解码中的基准帧。 一个图像组总是以I帧开头，I帧压缩可以得到6:1的压缩比。

P帧根据前面的I帧或P帧进行预测(向前预测)，使用运动补偿算法进行压缩，因而压缩比要比I帧高，数据量平均达到I帧的1/3左右。P帧是对前后的B帧和后继的P帧进行解码的基准帧。P帧本身是有误差的，会造成误差传播。

B帧基于前后的两个I、P帧或P、P帧，它使用双向预测，数据量平均可以达到I帧的1/9左右。B帧本身不作为基准，因此不传播误差。

② 码流组成 一个GOP由一串I、B、P帧组成，起始为I帧。GOP的长度是一个I帧到下一个I 帧的间隔，一般是一秒内有两个I帧，用来作为随机存取的入口。 在MPEG-2中没有规定GOP的结构，帧重复方式可以是多个I帧，甚至全部是I帧。 在MPEG-1中，一个典型GOP由1个I帧、 3个P帧、 8个B帧组成。

二、MPEG的视频数据流结构 Ⅰ 图像序列层（Video Sequence layer） Ⅱ 图像组层（Group of Picture） Ⅲ 图像层（Picture） Ⅳ 宏块条/片层 （Slice） Ⅴ 宏块层（Macro block） Ⅵ 像块层（Block layer）

MPEG的视频数据流结构

①图像序列：：是构成某路节目的连续图像，作为节目的随机存取单元，是由图像组构成的，它包含序列起始码、序列头、若干个图像组层的数据以及序列终止符。 序列SC 序列头 GOP …… 结束码

②图像组(GOP) ：图像组是为方便随机存取而加的，其结构和长度均为可变的，图像组是随机存取、编辑基本单位，它由定义的一组或多组帧内编码帧（I帧）或非帧内编码帧（P帧或B帧）图像构成。每组包括组头，图像层数据，时间信息。 GOP SC GOP头 图像 ……

③图像：图像是独立的显示单位，也是基本编码单位，由图像头和宏块条层数据组成。在MPEG-2中，图像可以是逐行的，或隔行的。 图像sc 图像头 宏块条 ……

④宏块条：包含若干个连续的宏块，是重新同步单位。宏块条的设置是防止误码的扩散。 宏块条sc 宏块条头 宏块

⑤宏块：宏块层由宏块头加块层数据组成，图像以亮度数据矩阵为基准分为16×16像素的宏块，宏块是进行运动补偿的基本单位。一个宏块包含４个8 × 8的亮度块，不同的色度块。

⑥像块：是MPEG码流的最底层，是进行DCT运算的单位，每个块是一个8 × 8 像素的数据矩阵。每个像块中只含有一种信号元素。宏块在进行DCT运算之前要被分成若干个像块。 EOB

三、MPEG-2的压缩编码步骤 1、 离散余弦变换。 2、 量化器。 3、Z字形扫描与游程编码。 4、熵编码。 5、 运动估值 6、运动补偿

特点 四、MPEG-2的特点 MPEG-2后向兼容MPEG-1，支持不同分辨率格式之间的兼容。 MPEG-2提供空间和时间可分级方法 MPEG-2图象格式还包括了SDTV和HDTV数字演播室图象格式。

五、视频序列分层结构 基本层和增强层 基本层提供了视频序列的基本信息，可以单独传输和解码。 增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节，必须与基本层一起传输和解码。

四级 Low Level(低级)： 像素是ITU-R 601格式的1/4，即 352×288×25 ； Wain Level(主级)： 应用于普通电视：720×576×25 High 1440 Level(高1440级)： 格式为1440×1080×25 ； High Level(高级)： 格式为1920×1080×25 。

五类 简单类：与主类相同，只是不用B帧，这是为了节约RAM； 主类：图像质量合乎一定要求，允许有一定损伤。 信噪比可选类：信噪比分级； 空间尺寸可选类：空间分辨率方面可分级； 高质量类：支持4∶2∶2并全面可分级

六、MPEG-2系统复用/解复用： 节目级复用/解复用：从各ES流到单路节目传送流（TS)的复用/分离。 系统级复用/解复用：多路节目TS流之间的复用和分离。 采用时分复用方式（TDM)

ATSC中的系统复用 ……

压缩层：根据规定信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩，产生出视频基本流（ES）和音频基本流, 视频编码标准采用MEPG-2，音频编码标准采用AC-3压缩技术。 传送层：将ES打包，形成打包基本流（PES），并实现视音频PES的复用，组成复用的节目流(PS ) 或传送流（TS ）。PES包的长度为一个存取单元，视频存取单元为一个图像帧，音频为一个音频帧。图像帧有I、B、P帧之分，它们的PES长度不相同。 在复用器(MUX)中视音频PES 组成PS流和TS流。PS用于相对无误差的环境，TS用于有噪声媒质。PS流中按视音频的存取单元进行复用，它们的PES包长度不固定，而TS流被划分成固定长度188字节的小包。

MPEG-4 强调多媒体通信的交互性和灵活性，以及多工业领域的融合。主要应用于： 实时通信（视频会议、可视电话等） 移动多媒体（PDA等） 交互媒体存储（DVD等） 交互视频游戏 节目制作及广播业务。

MPEG-7 “多媒体内容描述接口”。能对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述，并将该描述与内容相联系，以实现快速有效的搜索。

6.3信道编码与调制技术 信道编码引入冗余，目的：进行传输差错控制，负责传输误码的检测和校正，保证传输的可靠性。 调制的作用是负责信号变换和频带搬移。

一、传输 基带传输：信源直接生成的信号，频率低，传输距离近。 调制传输：将基带信号搬移到信道损耗较小的指定高频处进行传输。

二、信道编码 RS码（外层纠错） 卷积码（内层纠错） 交织

交织编码 数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字传输顺序的方法来提高接收端抗突发误码的能力。 传输过程中引入的突发误码经去交织解码而恢复成原顺序时误码将分散开，提高了RS码在传输中抗突发误码的能力。

三、调制技术 DVB-C: QAM (正交调幅;16-QAM： 16状态/电平正交调幅 ) DVB-S: QPSK (四相／正交移相键控，与四状态QAM相同 ) DVB-T: COFDM (编码正交频分复用 ) ATSC：VSB (残留边带；8 -VSB：8电平残留边带 )

Ⅰ QAM：正交调幅 (M-QAM多电平正交幅度调制) 正交载波 16-QAM星座图

Ⅱ QPSK：正交移相键控 (多进制相位调制的一种) 将e0( t )展开，得 表达式形式与QAM相近，特别是带有45°偏置的QPSK与 4 状态QAM的星座图完全相同。 QPSK共有4种不同的状态，可以代表2位二进制数。

串—并变换 电平产生 载波发生器 90o移相 已调信号 二进信息 I(t) Q(t) Acos2πfct Asin2πfct

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有线数字电视广播平台系统

数字卫星接收机 编码器 复用器 数字数据广播器 QAM调制器 准视频点播服务器 条件接收和用户管理系统 节目管理系统 用户机顶盒和PC接收卡 将从卫星上接收到的国内、外数字卫星节目进行QPSK解调制，输出标准的数字电视节目传输流。 数字卫星接收机 编码器 复用器 数字数据广播器 QAM调制器 准视频点播服务器 条件接收和用户管理系统 节目管理系统 用户机顶盒和PC接收卡 因特网连接 电话回传系统 对模拟的音、视频节目按MPEG-2的标准进行数字化编码，产生标准的数字电视节目传输流 将多个标准的数字电视节目传输流复合为一个数字传输流，实现一个物理电视频道上传输4-8路数字电视节目。 将多种格式的数据转换为MPEG-2格式的数据包，然后，可对多个数据流复合为一个数据流在CATV网上传输 使其具有很高的抗干扰能力，便于在有线电视网络中传输 包括标准的DVB编码工作站、多数字节目的软件复用、节目存储和多频道播出软件等 条件接收系统对广播的数字节目和数据进行加密，从而实现数字电视的付费功能。 用户管理系统包括用户档案信息、用户收视信息、银行收费系统和用户结算及授权信息的管理。实现服务提供、最终用户反馈和统计记录以及用户智能寻址和收费管理等 接收所有来自内容和服务提供商的信息源，将不同信息源、不同格式的信息转换为符合结构支持的服务或页面。 计算机用户通过PC接收卡来接收电视台前端数据广播系统发出的数据流，将其存储在计算机本地硬盘里，运行相应的应用程序，获得各类高级数据服务 。 通过专线或其它方式同因特网连接，获得大量因特网信息资源，再通过数字电视广播系统传输给用户，实现电视机用户对因特网信息的浏览功能。