数字电视概述 信源编码 信道编码 数字电视标准 数字电视接收

1. 第11章 数字电视原理 • 数字电视概述 • 信源编码 • 信道编码 • 数字电视标准 • 数字电视接收

2. 本节内容简介： • 数字电视发展史 • 数字电视的分类与特点 • 数字电视系统架构 • 数字电视关键技术 • 电视信号的数字化 • 视频信号压缩编码

3. 教学目的： 1、了解数字电视发展史、系统结构及其关键技术； 2、掌握数字电视的分类与特点； 3、理解模拟电视信号的数字化、视频信号压缩编码方法。 教学重点：1、数字电视的分类与特点； 2、模拟电视信号的数字化、视频信号压缩编码。 教学难点： 数字化过程、视频信号压缩编码。

4. 0/1 0/1 0/1 节目制作 存储 数字摄像 发射 0/1 0/1 传输 数字扬声器 0/1 信号处理 信号接收 0/1 0/1 数字显示器 11.1 数字电视概述 数字电视DTV： 从电视信号的摄取、节目制作、存储、发射、传输到信号接收、处理、重现等全过程完全数字化的电视系统。它是用数字技术来处理电视信号的一门高新技术，是信息技术、现代通信技术、计算机技术和微电子技术等综合应用的结晶。

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10. 11.1.1 数字电视发展史 1.世界数字电视发展 (1) 20世纪80年代，德国的ITT公司推出了世界上第一台数字视频处理彩色电视机； (2) 1982年，新一代数字式电视接收机由美国公司率先研制成功，83年正式生产并投放市场； (3) 20世纪90年代，欧、美、日等国家制定了现代数字视 频压缩编码技术的MPEG系列标准； (4) 95年9月15日，美国正式通过ATSC数字电视技术标准； (5) 90年代中期，欧盟制定了DVB数字电视广播标准。

11. (6) 1996年4月，法国第一个开始数字电视商业广播； (7) 1998年，美国开始了数字电视广播； (8) 1999年，日本推出了ISDB数字电视广播标准； 2.我国数字电视发展及规划 (1) 20世纪90年代初，我国开始数字电视技术的研究，计划在MPEG系列标准上制定自己的数字电视系列标准； (2)1998年9月，中国的数字电视广播HDTV-T在中央电视塔上广播试验成功； (3)1999年国庆阅兵进行了HDTV直播，通过卫星向全国传送8套全数字压缩的数字电视节目；

12. (4)“数字电视地面传输国家标准”于2006年8月18日正式批准成为强制性国家标准，2007年8月1日起实施 。 (5)我国数字电视发展规划： 第一阶段：到2005年实现普通电视的数字化； 第二阶段：到2010年全部设备实现数字化； 第三阶段：到2015年，图象质量达到35mm电影胶片质量，并彻底停止模拟电视广播。

13. 按产品类型 方式分类 按信号传输 方式分类 数 字 电 视 机 顶 盒 数 字 电 视 显 示 器 一体 化数 字电 视接 收机 按用途分类 地 面 无 线 传 输 有 线 传 输 卫 星 传 输 数字 电视 接收 设备 数字 电视 显示 设备 （c） 11.1.2 数字电视的分类与特点 1．数字电视的分类 （a） （b）

14. 按信号图像幅型 比方式分类 按清晰度 方式分类 4﹕3 数字 电视 显示 设备 16﹕9 数字 电视 显示 设备 标准 清晰 度数 字电 视 低清 晰度 数字 电视 高清 晰度 数字 电视 HDTV LDTV （e） （d） SDTV

15. 2.数字电视特点及先进性： 与模拟电视相比较，数字电视具有以下特点及先进性： （1）数字电视抗干扰能力强； （2）频带利用率提高，可实现信道多工复用； （3）信号发射功率降低，便于实现加解密、加解扰； （4）易存储，易实现数字特技，提高图象质量； （5）采用VLSI技术(超大规模集成技术) ，可增强系统功能、提高系统稳定性； （6）输出信号具有扩展性，可分级性、和互操作性。

16. 数字 电视 信号 传输 平台 数字 电视 接收 终端 数字 节目 制作 平台 11.1.3 数字电视系统架构 1.数字电视系统基本架构： 完整的数字电视系统由以下三部分共同组成。

17. 数 字 信 号 源 视频编码器 传送流 节目 流复 用器 传送流复用器 RS编码/ 交织 TCM编码 音频编码器 QAM或 QPSK或 VSB调制或 OFDM形成 数据编码器 辅助数据等 （信源编码/数字源制作） （信源） （信道编码/存储） 数字显示器 MPEG-2 解码 解调/解扰 /RS解码 /解交织 /TCM解码 调谐器 解多路 复用 数字扬声器 （信宿） 2.数字电视系统结构

18. 11.1.4 数字电视关键技术 1.数字电视信源编解码技术 该技术主要是解决信号传输的有效性问题。 2.数字电视复用、解复用技术 复用是将多路视频、音频、辅助数据比特流，经处理复合成单路的串行比特流，接收端与此正好相反。 3.数字电视信道编解码技术 提高信号的抗干扰能力，即提高信号传输的可靠性。 4.数字电视加解扰技术 在复用器中加干扰信号使授权用户才能正常接收看。

19. 5.数字电视调制解调技术 通常有：QAM、QPSK、VSB、、COFDM、SSM。 6.高清晰度大屏幕显示技术 解析度为：1920×1080；尺寸大于25英寸；幅型比为：16：9。 7.高速宽带网络技术 高速宽带的接入网和互联互通的传输网是数字电视系统的有力保证。

20. A t 0 （b） A A t 0 t 0 （c） （a） 11.2 信源编码 11.2.1 电视信号的数字化 • 取样： 将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量的过程。 （1）取样过程：

21. （x） A f （a） 0 fmax t 0 （y） A （b） f 0 fs 2fs t 0 （z） A f （c） 0 fs 2fs t 0 （2）模拟信号取样前后波形与频谱的变化：

22. （3）数字电视取样频率： ●分量编码中： 亮度信号的取样率为13.5MHz； 色差信号的取样频率均为6.75MHz； 伴音通道取样频率一般为36KHz或48KHz。 ●复合编码中： 通常对复合视频信号编码仅需一个取样频率。 NTSC取为12.7MHz或10.7MHz； PAL为13.3MHz或17.7MHz。

23. v 8△ 8△ 7△ 7△ 7△ 6△ 6△ 5△ 5△ 4△ 4△ 4△ 3△ 2△ 2△ 1△ 1△ t 0 4T 5T 6T 7T 8T 9T T 2T 3T 2. 量化： 将采样后时间上离散的模拟量转换成某个确定的最小单位的整数倍的过程称为量化。 （1）量化过程（见右图） （2)数字电视信号量化准则（分量编码方式）： ●伴音：14bit量化； ● 亮度：8bit量化； ●色度：6bit量化。

24. v 8△ 8△ 7△ 7△ 7△ 6△ 6△ 5△ 5△ 4△ 4△ 4△ 3△ 2△ 2△ 1△ 1△ t 0 4T 5T 6T 7T 8T 9T T 2T 3T 3.编码： 将量化后的电视信号电平转换成二进制代码的过程。 （1）编码过程： 时刻 输入信号 二进制编码 T 4△ 0100 2T 7△ 0111 3T 8△ 1000 4T 7△ 0111 5T 6△ 0110 6T 5△ 0101 7T 4△ 0100 8T 2△ 0010 9T 1△ 0001 （2） 数字电视编码：

25. 取样器 低通滤波 量化器 编码器 ●伴音信号：用14bit偏移二进码，分辨率约80dB； ●亮度信号：用8bit自然二进码或格雷码，分辨率约40dB； ●色度信号：用6bit偏移二进码，分辨率约20dB。 4、编码方式 （1） 复合编码方式： ●指直接针对复合视频信号进行取样、量化、编码。 ●复合编码框图（见下图） ●复合编码方式特点：码率低、设备简单、图象质量较差。

26. EY 数 字 全 电 视 信 号 编 码 亮 色 分 离 编码器 低通滤波 取样器 量化器 全电视 EB-Y 输出 低通滤波 取样器 量化器 编码器 信号 ER-Y 低通滤波 取样器 量化器 编码器 （2）分量编码方式 ●分量编码是对亮度信号、两个色差信号分别进行取样、量化、编码、时分复接和传输。 ●分量编码框图（见下图） ●分量编码方式特点：图象质量好，但设备造价高昂。

27. 11.2.2视频信号压缩编码 1、视频压缩编码必要性分析 （1）各种信息媒体的传输码率（见下表）：

28. （2）现有模拟电视传输信道带宽为8MHz，而经数字化后的数字电视信号带宽远大于8MHz，可达108MHz。（2）现有模拟电视传输信道带宽为8MHz，而经数字化后的数字电视信号带宽远大于8MHz，可达108MHz。 结论： 数字视频信号必须经过压缩编码后才能送入现有信道传输。 2. 视频信号压缩编码可行性分析； （1） 视频图象压缩编码机理通常利用两个基本原理： ●利用图象信号的统计特性； ●利用人眼视觉的视觉特性。

29. （2）四种数据压缩编码方法： ●利用空间冗余度的编码方式：DCT编码、差分编码DPCM（一维预测编码）、帧内预测编码（二维预测编码）、行游程编码（对量化后的DCT系数编码）； ●利用时间冗余度的编码方式：差分编码DPCM、预测编码（主要是帧间预测编码）； ●利用视觉冗余度的编码方式：离散余弦变换编码DCT； ●利用统计冗余度的编码方式：可变字长编码VLC，即霍夫曼编码。

30. 3、视频信号压缩编码基本原理 （1）图象预测编码： ●图象预测压缩编码的思想： 绝大多数图象在局部空间和时间上具有连续变化性，即原始图象数据具有很强的相关性，因而可以通过对一个或多个像素的观测，预测出未来相邻像素的估计值，这就是预测编码的思想。 ●图象预测编码的原理： 是用已传输的像素值对当前像素值进行预测，再对当前像素的实际值与预测值之差值（预测误差）进行编码传输，

31. xn en en′ 编码器 量化器 － en′ xn`` xn` xn` ＋ 信道 解码器 － 预测器 xn`` 预测器 在接收端，对收到的预测误差的码字解码后再与预测值相加，便可得到当前像素值。 ●线性预测压缩编码（DPCM）系统（见下图）： （2）Huffman编码（可变字长编码VLC）： ●Huffman码编码原理：

32. 数据符号 出现概率 Huffman码 1 0 x2 0.20 01 x2 00 x3 111 x1 110 x5 101 x6 1001 x7 10001 x8 10000 x4 0 x3 0.19 1 0.39 x1 0.18 1 1 0 x5 0.17 1 0.35 1 x6 0.15 0.61 0 1 x7 0.10 0 0.26 1 x8 0.005 0 0.11 0 x4 0.005 0.01 采用可变字长码，对于数据符号出现概率大的，配置字长短的码字，反之则反之。编码后，平均码长减小，码率降低。 例题： 信源数据xi： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 出现概率： 0.18 0.20 0.19 0.005 0.17 0.15 0.10 0.005

33. f（x.y） F（u.v） Q（u.v） 码子输出 原始图 象数据 编码 器 DCT 变换 量化 器 输入 传 输 信 道 8X8子块 f（x.y） F（u.v） IDCT 反变换 Q（u.v） 输出 重建图 象数据 逆量 化 解码 器 码子输入 8X8子块 （3）离散余弦编码DCT： ● DCT变换是无损编码，本身不能压缩数据，但原始图像数据完成DCT变换，可方便粗量化处理实现数据压缩。 ●DCT编解码系统（如下图示）

34. 4、MPEG系列视频压缩标准 Moving Picture Experts Group，活动图像专家组 （1） MPEG-1标准：1992年11月推出 主要内容包括： ●系统标准：描述了数字音、视频和辅助数据流等复用和同步的方法； ●视频标准：描述了数字视频数据压缩编码方法，压缩比可达200:1 ； ● 音频标准：描述了数字音频数据压缩编码方法，压缩比可达10:1 。

35. （2）MPEG-2标准：于1994年11月推出 主要内容包括： ●系统标准：描述关于多路视、音频、数据和节目码流的复用方式和同步的方法； ●视频标准：描述了视频数字压缩编、解码的方法； ●音频标准：描述了音频数字的编码与解码，并扩展了MPEG-1的音频标准，达到环绕声5.1声道标准； ●一致性测试标准：描述测试码流是否符合MPEG-2码流的方法；

36. ●软件仿真标准：描述了MPEG-2标准的以上3部分的软件实现方法。●软件仿真标准：描述了MPEG-2标准的以上3部分的软件实现方法。 （3） MPEG-2标准采用帧间运动补偿编码技术，进一步去除时间冗余。为了区分帧内与帧间编码，MPEG-2标准定义了三种编码图像： ● 帧内编码图像（ I帧）：I帧图像的压缩比约为（2～5）:1； ●前向预测编码图像（P帧）：根据前面最靠近的 I 帧或P帧作为参考帧进行前向预测编码的图像，压缩比（5～10）:1；

37. ●双向预测编码图像（B帧），以 I 帧和P帧为参考帧，进行双向预测编码，预测精度很高，压缩比为（20～30）:1。 MPEG-2标准的诞生，促进了DVD、数字电视（DTV）和HDTV技术的快速发展

38. 本 节 小 结： 1、数字电视发展史； 2、数字电视的分类与特点； 3、数字电视系统架构； 4、数字电视关键技术； 5、电视信号的数字化； 6、视频信号压缩编码。