第6章数字电视与高清晰度电视.

第6章数字电视与高清晰度电视6.1数字电视概述6.2电视信号的编码6.3频带压缩编码6.4电视信号的数字处理6.5数字电视机原理介绍6.6高清晰度电视6.1数字电视概述6.1.1数字电视的概念数字电视指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号,然后进行传输、处理或进行存储的系统。图6―1只是数字电视系统的主要内容,并不意味上述几种方式是完全独立的。比如,在数字信号处理中一般都有数字信号存储;而在数字信号传输或存储过程中,也会有某些信号处理。图6―1数字电视系统6.1.2数字电视的优点数字电视之所以是电视技术发展的主要方向,就是因为它和传统的模拟电视比较有许多突出的优点。(1)数字电视的抗干扰能力强。(2)数字电视信号能够进行存储,包括成帧图像的存储,从而能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理,得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。(3)数字电视稳定可靠,易于调整,便于生产。(4)数字电视信号由于具有数字信号的共同形式,容易和其它信息链联,便于加入公用数据通信网。6.1.3数字电视的发展数字电视的一个主要缺点就是传输时所需的频带太宽,因此,难以在现有传输模拟信号的带宽内进行传输,同时,也难以实现模拟电视和数字电视的兼容。目前,在数字电视技术中开展的以压缩码率为主要目标的高效编码方法,已取得很大成就,它可以大大压缩数字电视信号的传输频带,甚至可以在小于模拟电视信号的频带内,传送一般用户质量的数字电视信号。6.2电视信号的编码6.2.1电视信号的数字化模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是一个编码过程。由于历史的原因也称为PCM调制(脉冲编码调制)。图6―2电视信号的编码与解码PAM信号经过量化,变为幅度取有限个离散值的PAM信号。然后,再根据取样点的离散值,编为n位的二进制数字码。设离散值的最大个数为M,n与M的关系为2n=M或n=lbM(6―1)式中,lbM表示以2为底时M的对数。图6―3PCM的编码与解码过程6.2.2图像信号的编码方案与参数确定1.全电视信号编码(1)取样频率。全电视信号编码就是直接对此信号进行PCM编码。选择这种编码的取样频率fS,除了要满足取样定理的要求外,还要考虑下面的因素。这种空间正交取样结构,便于进行行间、场间和帧间的信号处理。现以PAL制中取fS=4fSC为例分析。在PAL制中,fSC=(283+3/4)fH+25,则44(1135)625SSCHfff图6―4正交取样结构(2)编码位数。图像信号的编码位数n是由所需的量化层数决定的。设单极性图像信号的变化范围为0到1,分为2n个量化层,每个量化层高为2-n。由于均匀分布,量化误差的均方根值为2221212nnrmsN对于满量程(S=1)的信噪比为()20lg212()()610.8()ndBrmsdBrmsSdBNSndBN(6―2)因量化产生的对图像质量的影响,最终是要由人们对图像的主观感觉来判定的。实验表明,当n=7、8,即将信号量化为128至256个层时,人们已很难感到量化的影响。由式(6―2),对应的量化信噪比的范围约为50～60dB。现在看一看,全信号编码时的数据速率。以PAL制fS=4fSC、n=8为例,总的数据速率为4×4.43×8=141.76Mb/s可见数字图像信号的数据速率是很高的。每一帧的数据量为5.67Mb或708.8kB。2.分量编码分量编码就是对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,或者按时分复用传输。(1)取样频率。(2)数字有效行。图6―5数字有效行的时间关系(3)编码位数和排列。Y=0.299R+0.587G+0.114B(R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B(B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5B分量编码的数字信号在传输时,规定按下面顺序构成复合的数据序列:(B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y)……这里(B-Y)Y(R-Y)是空间同一取样点的数字,而(R-Y)(Y)(B-Y)中(Y)是仅有亮度取样的空间取样点的数字,它规定在一行的偶数样点上。(6―3)3.电视伴音信号的编码电视中的伴音信号也按PCM编码。由于伴音与电视体制没有确定的关系,编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20Hz至15kHz,高质量的伴音为20Hz至20kHz。比如,在PAL的分量编码时,若仍采用48kHz取样频率,就可以保持这种关系,因13.5MHz÷375÷3×4=48kHz6.3频带压缩编码上面讨论了图像信号编码,编码信号的码率是很高的。以分量编码为例,按4∶2∶2标准,一路彩色图像的码率为(13.5+2×6.35)×8=216Mb/s6.3.1预测编码预测编码是以减小空间和时间冗余信息为目的的编码方法。1.预测编码的原理现用的预测编码是线性预测编码,也称为差分脉码调制(DPCM)。图6―6是DPCM的组成框图。图中,xn是待编码的电视取样序列,x′n为量化后的数字序列,为预测器产生的预测值。预测值是由x′n以前已传送各点量化值的线性组合^nx^nx^1Niniixax(6―4)当序列的统计特性已知时(如相关函数),可以得到这些系数的最佳值,使得预测值与样值的预测误差最小(均方误差意义上的最小),即最小。通常N值只取3～4个值。由于图像的统计特性随图像变化很大,ai的值可以有不同的取舍和方法。如一种称为皮尔希(Pirsch)的预测公式为^nnnexx^123411112488nnnnnxxxxx(6―5)图6―7预测取样点的结构2.DPCM的编码采用线性预测,由于减小了所传预测误差信号的动态范围,为压缩数据创造了条件。但压缩的程度与采用的具体编码方法有很大关系。以亮度信号为例,预测误差信号是以零值为中心变化,显然不是均匀分布的。图6―8是只用一个预测值时统计得出的预测信号的概率密度分布,数学上呈现拉普拉斯分布12()exp(2eepee(6―6)图6―8预测误差的概率分布(1)非均匀量化编码。采用非均匀量化编码时,对幅值小的范围,量化间距减小;对大的幅值,则用大的量化间隔。设总的量化电平数为M,按公式(6―6)和使平均信号量化噪声比最小要求,可求出最佳的量化电平和判决电平,也可以求出此时的量化噪声均方值为设信号(预测误差)的峰峰值S为其均方根值σS的10倍,即S=10σS,非均匀量化的平均信号量化噪声比(对应峰峰信号)为22292qeM(6―7)(2)可变字长编码。设某一数字信号,取有限个(k个)离散值,相应的概率为p1,p2,…,pk,则定义此信号的信息量熵H为22102()20lg3()13.5610lgsqssqdBeSMNSnN(6―8)考虑M=2n,得11kiiiHpbp(6―9)其单位为比特(bit)。如前所述,式中的lbpi表示以2为底时pi的对数。以我们熟悉的二进制信号为例,设“0”、“1”为等概率的,都是pi=0.5,则由式(6―9),H=1bit。这与由n=lbM得到的结果相同。这表示n=H,编码效率最高。若对每个样值编码的长度ni与概率pi的对数绝对值成正比,即Hn(6―10)1iinCbp(6―11)式中,C为负常数,则平均码长n将等于信号的熵值,有最高的编码效率。这可从下面得到证明。因为11111111kiikkiiiiikkiiiiiipHHpbpnpnCpbp平均码长n为取C=-1,有n=H。实际上,pi是在0至1间取值,而ni只能取离散值。6.3.2变换编码变换编码是采用另一种方法消除图像中相关的冗余信息,而达到压缩数据和频带作用。其基本原理是,先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。图6―9图像的沃什变换编码(a)宽度信号变换后的平均幅度;(b)4×4沃什变换矩阵;(c)最佳bit分配6.3.3其它压缩码率的措施1.亚奈奎斯特取样根据取样定理,设信号最高频率为fm,最低不失真的取样频率为其二倍,即fS=2fm,称为奈奎斯特频率。已知原信号(Y或色差)的频谱分量频率为nfH±mfV。现选取样频率为半行频的奇数倍,即(21)21()()2SHSHVHVkfffnfmfknfmf(6―12)此时折叠的频率为2.同步信号的编码电视信号的行逆程和场逆程中,只有同步信号和消隐信号(复合信号中尚有色同步信号)。图6―10亚奈奎斯特取样频谱及恢复滤波器特性6.4电视信号的数字处理数字信号的一般数字运算、逻辑运算,可以实现许多模拟处理中的处理功能。比如,用数字相加器就可以完成电视信号的叠加(如亮度与色差信号)。数字信号的一个重要特点,是容易实现信号的存储和延时。多位寄存器可以进行电视信号的暂存。6.4.2数字滤波器1.数字滤波器的作用在电视信号的数字处理中,数字滤波器起着很重要的作用。它可以完成模拟滤波器的各种作用,当然它们具有更好的性能。2.数字滤波器的基本结构和原理图6―11(a)是一种常用数字滤波器的结构和电路模型,它是由一些延迟电路和乘法器、加法器组成。这种滤波器从结构上是以抽头出现,在模拟滤波器中又称为抽头滤波器或横向滤波器。其中,T为延迟时间,T可以为抽样周期TS,或者为行周期TH,或者为帧周期TF。C0,C1,…,CN为加权系数。输入信号x(nTS)为数字信号序列,由图可见输出信号为y(nTS)=C0x(nTS)+C1x(nTS-T)+…CNx(nTS-NT)图6―11数字滤波器的结构和模型(a)电路模型;(b)数学模型设延迟时间与数字信号取样周期相同,T=TS,则010000()[()]()()[()]NkknnNkkynTCxnkTnTynTCnkT若输入为一单位脉冲序列,x(nT)=δ(nT)则输出为(6―13)(6―14)若定义此滤波器的单位脉冲响应为h(nT),显然上式就是h(nT),因此有()hChkT(6―15)在数字信号的分析中,通常用更一般的分析方法。将数字信号的时间序列x(nT)用归一化的数字序列x(n)代替,而延迟环节ejΩT用一归一化的z=ejω代替,ω称为数字频率。这种变换关系称为Z变换。数字序列x(n)的变换为()()nnXzxnz(6―16)z为复变量。而滤波器的传输函数为121()(0)(1)(2)()(0)(1)()NnnNHzhhzhzhNzhzhzhNz(6―17)关于数字滤波器的特性,有两点要说明。第一,数字滤波器的频率特性,具有周期性,这是因为z=ejω,z是ω的周期函数,H(ω)也必然是周期函数。其周期为2π,即在Z平面上半径为1的单位圆上。而物理上的频率的周期性,则由ω=ΩT(6―18)第二,在公式(6―17)所示的滤波器特性中,若h(0),…,h(N)具有对称性,即对于中间n=N/2,有h(0)=±h(N),h(1)=±h(N-1),…,如图6―12(a)、(b)所示特性,则此滤波器具有线性相位特性。这很容易证明。以图6―12(a)特性为例122/2/2/222()(0)(1)()[(0)()][(1)(1)]NNNNNNHzhhzhNzzhzhNzhzhNz将z=ejω代入,并考虑h(N)=h(0),h(N-1)=h(1),…22222222()[(0)()(1)()]2()[2(0)cos2(1)cos]22NNNNNjjjjjNjHheeheeeNNHhhe(6―19)图6―12具有线性相位特性的单位脉冲响应(a)偶对称;(b)奇对称3.数字滤波器举例(1)亮度水平滤波器。图6―13(a)是一水平空间滤波器,延迟时间为T=TS。由图,滤波器的传输函数为3411153111()[(1)]2211()()42HzzzzHzzzz展开此式它是满足线性相位条件的。将z=ejω代入22312