数字电视基础.pptx
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1、8.1 8.1 数字电视概况数字电视概况东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第1页 电视视频电视视频、音频信号的、音频信号的PCM数字化原理数字化原理 模拟电视机中的数字技术模拟电视机中的数字技术 数字图像信号的压缩编码原理及数字图像信号的压缩编码原理及MPEG系系 列标准简介列标准简介 数字音频信号的压缩编码标准数字音频信号的压缩编码标准 信道编码和调制信道编码和调制本章内容简介本章内容简介教学重点教学重点 视频信号的数字化技术,视频信号的数字化技术,信源和信道编码技术信源和信道编码技术教学难点教学难点 信源和信道编码技术信源和信道编码技术第1页/共76页数字电视的发展概况数字电
2、视的发展概况模拟电视系统电视信号在时间上、幅度上均是连续变化;采用模拟电路技术 对电视信号进行处理、传送、记录。数字电视系统数字电视信号是时间上、幅度上均为离散值;电视信号的处理、传送、记录等,都是采用数字电路技术。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。数字电视系统的基本原理框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第2页第2页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(N
3、CRLSEU)第3页第3页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第4页l信源是产生和输出电视模拟信号(包括图像和伴音)的设备,如摄像机、麦克风等。l信源编码器主要包括模/数(A/D)转换、压缩编码、多路复用三部分。将信源送出的模拟电视信号进行模/数(A/D)转换,用一定的数字脉冲组合来表示信号的幅度,从而形成数字信号。为提高传输的有效性,在保证一定传输质量的情况下,对反映信源全部信息的数字信号进行变换,用尽量少的数字脉冲来表示信源产生的信息,这就是压缩编码。第4页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大
4、学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第5页l信道编码器包括纠错编码和数字调制,主要解决数字信号传输的可靠性问题,故又称为抗干扰编码。经过纠错编码的传输码流具有检错和纠错的能力,其作用是最大限度地减少在信道传输中的误码率,然后将纠错编码后的传输码流调制成适合于在信道上传输的波形。l传输信道分为地面(无线发射)、有线和卫星三类,因而,不同的传输信道应选择不同的调制方式。解码器与编码器的功能相反,在接收端将接收到的已调信号,经解调、纠错解码、解复用、解压缩、数/模(D/A)转换,恢复出原模拟电视信号。第5页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室
5、(NCRLSEU)第6页世界数字电视发展 (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。第6页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第7页 (6)1996年4月,法国第一个开始数字电视商业广播;(7
6、)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;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;第7页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第8页 (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,2
7、007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。第8页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第9页数字电视的分类数字电视接收设备数字电视显示设备按用途分类地面无线传输卫星传输按信号传输方式分类有线传输(a)(b)数字电视显示器一体化数字电视接收机按产品类型方式分类数字电视机顶盒(c)第9页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动
8、通信国家重点实验室(NCRLSEU)第10页低清晰度数字电视标准清晰度数字电视按清晰度方式分类高清晰度数字电视43数字电视显示设备169数字电视显示设备按信号图像幅型比方式分类(d)(e)LDTVSDTVHDTV第10页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第11页l对标准清晰度电视,其图像和伴音质量比模拟电视有所提高,并且频道利用率高,在目前模拟电视的一个频道内可以播4套(或更多)数字电视节目。对高清晰度电视,其画面可提供相当于SDTV画面5倍多的信息量,因此,HDTV具有更高的图像分辨率,它的清晰度是目前模拟电视画面清晰度
9、的23倍。l在电视伴音方面,目前模拟电视只有一路伴音,经过电路处理后可转换成立体声;SDTV有两路数字伴音,具有CD级的音质;HDTV则有多路数字伴音(杜比5.1声道),除了音质好之外,还具有真正的环绕立体声效果。第11页/共76页数字电视系统基本组成框图数字电视系统基本组成框图东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第12页第12页/共76页数字电视的优点和实现难点数字电视的优点和实现难点东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第13页 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
10、,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。第13页/共76页数字电视技术数字电视技术东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第14页实施数字电视传输的主要难点信息量大:比传输一路模拟电视信号 要大10倍左右对软、硬件设备要求高:高速率的模拟/数字转换器、数字/模拟转换器高速率超大规模实时信号处理芯片关键技术有效的 数字电视压缩编码 和高效数字调制技术200 Mb/s-20 Mb/s光纤等宽带传输信道超高速、超大规模数字集成电路技术降成本
11、,普及第14页/共76页8.2 8.2 电视信号的电视信号的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第15页1.取样:电视信号的数字化信源编码(1)取样过程:t0A(b)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。At(a)0At(c)0第15页/共76页8.2 8.2 电视信号的电视信号的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第16页0fmaxf(x)0f(y)2fsfs0f(z)2fsfs(2)模拟信号取样前后波形与频谱的变化:At(a)0tA(b)0At(c)0第16页/共76页8.2 8.
12、2 电视信号的电视信号的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第17页离散信号要不失真地重现原模拟信号,必须满足连续信号f(t)的最高频率fmax的2倍小于或等于取样信号的频率fs的条件,即 2fmaxfs这就是著名的奈奎斯特(Nyquist)取样定理。数字电视取样频率:l 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。第17页/共76页8.2 8.2 电视信号的电视信号的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第18页l 复合编
13、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。取样后的信号只是在时间性上实现了离散化,而幅度取值仍是连续的。第18页/共76页PCMPCM编码方框图(图编码方框图(图8.28.2)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第19页 (1)量化过程(见右图)012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421 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。(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:
14、6bit量化。2.量化:第19页/共76页8.2 8.2 电视信号的电视信号的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第20页时刻 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(1)编码过程:012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421将量化后的电视信号电平转换成二进制代码的过程。(2)数字电视编码:3.编码:第20页/共76页8.2 8.2 电视信号的电视信号
15、的PCMPCM数字化原理数字化原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第21页 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)低通滤波取样器量化器编码器 复合编码方式特点:码率低、设备简单、图象质量较差。第21页/共76页电视图像信号的电视图像信号的PCMPCM编码类型编码类型东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第22页(2)分量编码方式 分量编码是对亮度信号
16、、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)全电视信号输出取样器低通滤波量化器编码器取样器低通滤波量化器编码器取样器低通滤波量化器编码器亮色分离数字全电视信号编码EY EB-YER-Y 分量编码方式特点:图象质量好,但设备造价高昂。第22页/共76页东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第23页8.4 8.4 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理 活动的电视图像信号是非常复杂的多维时空函数,其数字化过程如按一般PCM技术,以PAL制电视信号为例,未 经 压 缩 的 全 数 字 电 视 信 号 的 总 数 码 率 将 达216Mb/s(
17、216106b/s),则一张640MB(640106字节,8比特为1个字节)容量的光盘储存的视频数据只够播放20s左右;若按PCM二进制传输信道,每1Hz带宽传输的最高数码率是2b/s计算,则其信号需要带宽108MHz,这是现有模拟电视带宽的10倍以上。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。第23页/共76页东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第24页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。(2)压缩算法的评价标准 压缩比未经压缩所产生的数据量 与经过压缩所产生的数据量 的比值。
18、图像质量人的视觉效果:人在2米内观察所作的评价,是一个主观标准;信噪比:通过仪器测量,客观标准。软、硬件开销 8.4 8.4 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理第24页/共76页8.3 8.3 模拟电视机中的数字技术(略)模拟电视机中的数字技术(略)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第25页无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩,可完全恢复原始数据;受到统计冗余度 的限制,压缩率一般比较低(例如 2:1);例:Huffman编码、算术编码、游程编码。有损压缩允许在压缩过程中 损失一定的信息,但损失的信息影响小;压缩比较高;例:预测编码、变换编码、空域方法标准通常将两
19、者联合使用 混合编码:JPEG,MPEG,H.261,H.264第25页/共76页东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第26页8.4 8.4 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理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。第26页/共76页东南大学移动通信国家重点实
20、验室(NCRLSEU)第27页8.4 8.4 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理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,第27页/共76页8.4 8.4 数字图像信号的压缩编码原理数字图像信号的压缩编码原理东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第28页在接收端
21、,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。xnxn量化器编码器解码器预测器预测器信道enxnenxnenxn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:第28页/共76页数据压缩基础数据压缩基础东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第29页 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
22、 0.005Huffman码01 x200 x3111 x1110 x5 101 x61001 x7 10001 x8 10000 x4x1 0.18x2 0.20 x3 0.19x5 0.17x6 0.15x7 0.10 x8 0.005x4 0.005数据符号 出现概率1011010100001110.010.110.260.610.350.39第29页/共76页东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第30页 (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)8X8子块码子输出
23、f(x.y)F(u.v)Q(u.v)原始图象数据DCT变换量化器编码器输入码子输入f(x.y)F(u.v)Q(u.v)8X8子块重建图象数据逆量化解码器IDCT反变换输出传输信道数据压缩基础数据压缩基础第30页/共76页8.4.2 JPEG8.4.2 JPEG标准标准JPEG,Joint Photographic Experts Group,联合照片专家组1991年3月,ISO CD10918号建议草案“多灰度静止图像的数字压缩编码”适用于 彩色、和单色多灰度、以及连续色调 静止 数字图像 的压缩标准主要技术:离散余弦变换、Huffman编码、Zig-zag扫描变换东南大学移动通信国家重点实验
24、室(NCRLSEU)第31页第31页/共76页JPEGJPEG编码框图编码框图(图图8.10)8.10)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第32页第32页/共76页图像分块示意图图像分块示意图(图图8.11)8.11)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第33页第33页/共76页88 DCT88 DCT变换变换(图图8.12)8.12)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第34页第34页/共76页亮度的量化步长表亮度的量化步长表(表表8.3)8.3)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第35页第35页/共76页量化后的系数和量化后的系数和Zig
25、-ZagZig-Zag扫描扫描(图图8.13)8.13)东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第36页第36页/共76页8.4.3 MPEG8.4.3 MPEG标准标准东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第37页MPEG,Moving Picture Coding Experts Group,活动图像专家组成立于1988年1月,致力于研究、开发 数字压缩标准所开发的标准已被批准为国际标准,形成MPEG系列MPEG-1MPEG-4MPEG-7第37页/共76页MPEG-1MPEG-1东南大学移动通信国家重点实验室(NCRLSEU)第38页 (1)MPEG-1标准:1992年
- 配套讲稿:
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