1、第第6章章 數字電視與高清晰度電視數字電視與高清晰度電視 6.1 數字電視概述數字電視概述6.2 電視信號的編碼電視信號的編碼6.3 頻帶壓縮編碼頻帶壓縮編碼6.4 電視信號的數字處理電視信號的數字處理 6.5 數字電視機原理介紹數字電視機原理介紹6.6 高清晰度電視高清晰度電視6.1 數字電視概述數字電視概述 6.1.1 數字電視的概念 數字電視指的是將模擬的電視信號變換為數字形式的電視信號,然后進行傳輸、處理或進行存儲的系統。 圖61只是數字電視系統的主要內容,并不意味上述幾種方式是完全獨立的。比如,在數字信號處理中一般都有數字信號存儲;而在數字信號傳輸或存儲過程中,也會有某些信號處理。

2、圖61 數字電視系統 6.1.2 數字電視的優點 數字電視之所以是電視技術發展的主要方向,就是因為它和傳統的模擬電視比較有許多突出的優點。 (1)數字電視的抗干擾能力強。 (2)數字電視信號能夠進行存儲,包括成幀圖像的存儲,從而能進行包括時間軸和空間的二維、三維處理,得以實現采用模擬方法難以得到的各種信號處理功能。 (3) 數字電視穩定可靠,易于調整,便于生產。 (4)數字電視信號由于具有數字信號的共同形式,容易和其它信息鏈聯,便于加入公用數據通信網。 6.1.3 數字電視的發展 數字電視的一個主要缺點就是傳輸時所需的頻帶太寬,因此,難以在現有傳輸模擬信號的帶寬內進行傳輸,同時,也難以實現模擬

3、電視和數字電視的兼容。目前,在數字電視技術中開展的以壓縮碼率為主要目標的高效編碼方法,已取得很大成就,它可以大大壓縮數字電視信號的傳輸頻帶,甚至可以在小于模擬電視信號的頻帶內,傳送一般用戶質量的數字電視信號。 6.2 電視信號的編碼電視信號的編碼 6.2.1 電視信號的數字化 模擬電視信號轉換為數字電視信號的過程是一個編碼過程。由于歷史的原因也稱為PCM調制(脈沖編碼調制)。 圖62 電視信號的編碼與解碼 PAM信號經過量化,變為幅度取有限個離散值的PAM信號。然后,再根據取樣點的離散值,編為n位的二進制數字碼。設離散值的最大個數為M,n與M的關系為 2n=M 或 n=lbM (61) 式中,

4、lbM表示以2為底時M的對數。 圖63 PCM的編碼與解碼過程 6.2.2 圖像信號的編碼方案與參數確定 1.全電視信號編碼 (1)取樣頻率。全電視信號編碼就是直接對此信號進行PCM編碼。選擇這種編碼的取樣頻率fS,除了要滿足取樣定理的要求外,還要考慮下面的因素。 這種空間正交取樣結構,便于進行行間、場間和幀間的信號處理。現以PAL制中取fS=4fSC為例分析。在PAL制中,fSC=(283+3/4)fH+25,則44(1135)625SSCHfff圖64 正交取樣結構 (2)編碼位數。圖像信號的編碼位數n是由所需的量化層數決定的。 設單極性圖像信號的變化范圍為0到1,分為2n個量化層,每個量

5、化層高為2-n。由于均勻分布,量化誤差的均方根值為 2221212nnrmsN對于滿量程(S=1)的信噪比為()20lg212()()610.8()ndBrmsdBrmsSdBNSndBN(62) 因量化產生的對圖像質量的影響,最終是要由人們對圖像的主觀感覺來判定的。實驗表明,當n=7、8,即將信號量化為128至256個層時,人們已很難感到量化的影響。由式(62),對應的量化信噪比的范圍約為5060dB。 現在看一看,全信號編碼時的數據速率。以PAL制fS=4fSC、n=8為例,總的數據速率為 44.438=141.76Mb/s 可見數字圖像信號的數據速率是很高的。每一幀的數據量為5.67Mb

6、或708.8kB。 2. 分量編碼 分量編碼就是對Y、R-Y、B-Y或三個基色分量R、G、B分別編碼,進行并行傳輸,或者按時分復用傳輸。 (1)取樣頻率。 (2)數字有效行。 圖65 數字有效行的時間關系 (3) 編碼位數和排列。 Y=0.299R+0.587G+0.114B (R-Y)=0.5R-0.419G-0.081B (B-Y)=-0.169R-0.331G+0.5B 分量編碼的數字信號在傳輸時,規定按下面順序構成復合的數據序列: (B-Y)Y(R-Y)(Y)(B-Y)Y(R-Y)(Y) 這里(B-Y)Y(R-Y)是空間同一取樣點的數字,而(R-Y)(Y)(B-Y)中(Y)是僅有亮度取

7、樣的空間取樣點的數字,它規定在一行的偶數樣點上。 (63) 3. 電視伴音信號的編碼 電視中的伴音信號也按PCM編碼。由于伴音與電視體制沒有確定的關系,編碼比較簡單。模擬伴音信號的頻帶為20Hz至15kHz,高質量的伴音為20Hz至20kHz。 比如,在PAL的分量編碼時,若仍采用48kHz取樣頻率,就可以保持這種關系,因 13.5MHz37534=48kHz 6.3 頻帶壓縮編碼頻帶壓縮編碼 上面討論了圖像信號編碼,編碼信號的碼率是很高的。以分量編碼為例,按4 2 2標準,一路彩色圖像的碼率為 (13.5+26.35)8=216Mb/s 6.3.1 預測編碼 預測編碼是以減小空間和時間冗余信

8、息為目的的編碼方法。 1.預測編碼的原理 現用的預測編碼是線性預測編碼,也稱為差分脈碼調制(DPCM)。圖66是DPCM的組成框圖。圖中, xn是待編碼的電視取樣序列,xn為量化后的數字序列, 為預測器產生的預測值。預測值 是由xn以前已傳送各點量化值的線性組合nxnx1Nin iixa x(64) 當序列的統計特性已知時(如相關函數),可以得到這些系數的最佳值,使得預測值與樣值的預測誤差最小(均方誤差意義上的最小),即 最小。通常N值只取34個值。由于圖像的統計特性隨圖像變化很大,ai的值可以有不同的取舍和方法。如一種稱為皮爾希(Pirsch)的預測公式為nnnexx 12341111248

9、8nnnnnxxxxx(65) 圖67 預測取樣點的結構 2. DPCM的編碼 采用線性預測,由于減小了所傳預測誤差信號的動態范圍,為壓縮數據創造了條件。但壓縮的程度與采用的具體編碼方法有很大關系。以亮度信號為例,預測誤差信號是以零值為中心變化,顯然不是均勻分布的。圖68是只用一個預測值時統計得出的預測信號的概率密度分布,數學上呈現拉普拉斯分布 12( )exp(2eep ee(66) 圖68 預測誤差的概率分布 (1)非均勻量化編碼。采用非均勻量化編碼時,對幅值小的范圍,量化間距減小;對大的幅值,則用大的量化間隔。設總的量化電平數為M,按公式(66)和使平均信號量化噪聲比最小要求,可求出最佳

10、的量化電平和判決電平,也可以求出此時的量化噪聲均方值為 設信號(預測誤差)的峰峰值S為其均方根值S的10倍,即S=10S,非均勻量化的平均信號量化噪聲比(對應峰峰信號)為22292qeM(67) (2) 可變字長編碼。 設某一數字信號,取有限個(k個)離散值,相應的概率為p1,p2,pk,則定義此信號的信息量熵H為 2210 2()20lg3()13.5610lgsqssqdBeSMNSnN(68) 考慮M=2n,得11kiiiHp bp (69) 其單位為比特(bit)。如前所述,式中的lbpi表示以2為底時pi的對數。以我們熟悉的二進制信號為例,設“0”、“1”為等概率的,都是pi=0.5

11、,則由式(69),H=1bit。這與由n=lbM得到的結果相同。這表示n=H,編碼效率 最高。若對每個樣值編碼的長度ni與概率pi的對數絕對值成正比,即 Hn(610) 1iinC bp(611) 式中,C為負常數,則平均碼長n將等于信號的熵值,有最高的編碼效率。這可從下面得到證明。因為 11111111kiikkiiiiikkiiiiiipHHp bpnpnCp bp 平均碼長n為 取C=-1,有n=H。實際上,pi是在0至1間取值,而ni只能取離散值。 6.3.2 變換編碼 變換編碼是采用另一種方法消除圖像中相關的冗余信息,而達到壓縮數據和頻帶作用。其基本原理是,先將圖像中的像素按區域分成

12、一些包括MN個像素的許多方塊。 圖69圖像的沃什變換編碼(a)寬度信號變換后的平均幅度;(b)44沃什變換矩陣;(c)最佳bit分配 6.3.3 其它壓縮碼率的措施 1. 亞奈奎斯特取樣 根據取樣定理,設信號最高頻率為fm,最低不失真的取樣頻率為其二倍,即fS=2fm,稱為奈奎斯特頻率。 已知原信號(Y或色差)的頻譜分量頻率為nfHmfV。現選取樣頻率為半行頻的奇數倍,即 (21)21()()2SHSHVHVkfffnfmfknfmf(612) 此時折疊的頻率為 2. 同步信號的編碼 電視信號的行逆程和場逆程中,只有同步信號和消隱信號(復合信號中尚有色同步信號)。 圖610 亞奈奎斯特取樣頻譜

13、及恢復濾波器特性 6.4 電視信號的數字處理電視信號的數字處理 數字信號的一般數字運算、邏輯運算,可以實現許多模擬處理中的處理功能。比如,用數字相加器就可以完成電視信號的疊加(如亮度與色差信號)。 數字信號的一個重要特點,是容易實現信號的存儲和延時。多位寄存器可以進行電視信號的暫存。 6.4.2 數字濾波器 1. 數字濾波器的作用 在電視信號的數字處理中,數字濾波器起著很重要的作用。它可以完成模擬濾波器的各種作用,當然它們具有更好的性能。 2. 數字濾波器的基本結構和原理 圖611(a)是一種常用數字濾波器的結構和電路模型,它是由一些延遲電路和乘法器、加法器組成。 這種濾波器從結構上是以抽頭出

14、現,在模擬濾波器中又稱為抽頭濾波器或橫向濾波器。其中,T為延遲時間,T可以為抽樣周期TS,或者為行周期TH,或者為幀周期TF。C0,C1,CN為加權系數。輸入信號x(nTS)為數字信號序列,由圖可見輸出信號為 y(nTS)=C0 x(nTS)+C1x(nTS-T)+CNx(nTS-NT) 圖611 數字濾波器的結構和模型 (a)電路模型;(b)數學模型 設延遲時間與數字信號取樣周期相同,T=TS,則010000()() ()()() NkknnNkky nTC x nk TnTy nTCnk T若輸入為一單位脈沖序列,x(nT)=(nT) 則輸出為 (613) (614) 若定義此濾波器的單位

15、脈沖響應為h(nT),顯然上式就是h(nT),因此有()hCh kT(615) 在數字信號的分析中,通常用更一般的分析方法。將數字信號的時間序列x(nT)用歸一化的數字序列x(n)代替,而延遲環節ejT用一歸一化的z=e j代替,稱為數字頻率。這種變換關系稱為Z變換。數字序列x(n)的變換為( )( )nnX zx n z(616)z為復變量。而濾波器的傳輸函數為121( )(0)(1)(2)()(0)(1)()NnnNH zhhzhzh N zhzhzh Nz(617) 關于數字濾波器的特性,有兩點要說明。 第一,數字濾波器的頻率特性,具有周期性,這是因為z=ej,z是的周期函數,H()也必

16、然是周期函數。其周期為2,即在Z平面上半徑為1的單位圓上。而物理上的頻率的周期性,則由 =T (618) 第二,在公式(617)所示的濾波器特性中,若h(0),h(N)具有對稱性,即對于中間n=N/2,有h(0)=h(N),h(1)=h(N-1),如圖612(a)、(b) 所示特性,則此濾波器具有線性相位特性。這很容易證明。以圖612(a)特性為例122/2/2/222( )(0)(1)() (0)() (1)(1)NNNNNNH zhhzh N zzhzh N zhzh Nz將z=e j代入,并考慮h(N)=h(0),h(N-1)=h(1),22222222( ) (0)()(1)()2(

17、)2 (0)cos2 (1)cos22NNNNNjjjjjNjHheeheeeNNHhhe(619) 圖612 具有線性相位特性的單位脈沖響應 (a)偶對稱; (b)奇對稱 3. 數字濾波器舉例 (1)亮度水平濾波器。圖613(a)是一水平空間濾波器,延遲時間為T=TS。由圖,濾波器的傳輸函數為3411153111( )(1)2211( )()42H zzzzH zzzz展開此式 它是滿足線性相位條件的。將z=e j代入2231211( )(1)221( )(1cos2 )cos2jjjeeHeH 化為實際頻率=2f/fS,再考慮fS=4fSC,H1(f)為221( )cos 2cos2SSC

18、ffHfff(620) 圖613水平空間濾波器(a)濾波器的結構 (b)幅頻特性 (2) 分離亮色信號的梳狀濾波器。圖614(a)是用于PAL全電視信號的亮度分離的梳狀濾波器。圖中,延時T=TH,A至B之間為亮度信號分離器,傳輸函數為HY(),A至C之間為色度信號濾波器,傳輸函數為HC()。由圖 224241111( )(1)(1)2224YHzzzzzz 也是線性相移網絡。將z=e j及=TH=2f/fH代入,得到其幅頻特性為22( )cos2( )cos()YYHHfHff(621) 圖614 亮色分離梳狀濾波器圖615 PAL色度解調器 (3) PAL色度解調器。 圖中,延時器TH、TS

19、及相加、相減電路構成分離U、V的梳狀濾波器。對于U支路,濾波器的幅頻特性為同樣可求出色度濾波器的傳輸函數22( )sin ()CHfHff(622) 2(11( )12 cos()11( )2 sin()HSjf TTUHSVHSHfefffHffff(623) (624) 對于副載波頻率f=fSC,考慮fSC=(284-1/4)fH及fSC=fS/4,代入式(623)、式(624)可知,|HU(fSC)|=1,HV(fSC)=0。式(623)、式(624)還可以用fH表示為:1( )2 cos(1)11351( )2 sin(1)1135UHVHfHfffHff 6.4.3 電視信號的時基處

20、理 圖616就是數字時基校正器(DTBC)的原理框圖。從放像機來的重放視頻信號,一路經同步分離電路取出行同步或色同步信號,再經過寫時鐘產生電路,產生數字編碼的取樣脈沖(如fS=4fSC)。 圖616 DTBC原理框圖 6.4.4 圖像的幾何變換及數字視頻特技(DVE) 1. 圖像幾何變換的原理 在DVE中,圖像處理是逐場進行的,信號以場進行存儲,設存儲位置以整數值的水平和垂直坐標表示。 圖像水平坐標與屏幕坐標不相等,而有 384HTPNhV(625) 一般情況下輸出與輸入坐標間的關系可由下式表示:1020384384384HVSk hXTPNTPNTPNhS hkY (627) 圖617 數字

21、圖像坐標與屏幕坐標 設對應輸出數字信號的屏幕坐標系為w和h,則它和未作變換坐標的w和h間的關系由式(625)、式(626)可得1020384384384HVSk hXTPNTPNTPNhS hkY (627) 2. 圖像的幾何變換 (1)圖像的移位。當選擇SH=SV=1,k1=k2=0,給出每場的移位值X0、Y0,圖像就在屏幕上移位,X0、Y0的變化決定了圖像移位的軌跡。 (2)圖像的擴大和縮小。選擇k1=k2=0,X0=Y0=0,并選擇SH=SV1,就可以使圖像縮小;若使SH、SV有規律地遞減,就會得到連續縮小的圖像。反之,若選擇SH=SV1,則可以使圖像擴大。若SV、SH不相等,圖像的寬、

22、高將作相應的變化。圖618 內插電路的一般形式 (3)圖像的旋轉。圖619表示圖形可進行圍繞Z軸、Y軸、X軸的三種旋轉。在進行圖619(a)的旋轉時,只要以X1、Y1為原點進行坐標變換(根據旋轉角,作直角坐標至極坐標變換),就可以求出兩坐標系中對應點的關系。 圖619 圖像的旋轉(a)繞Z軸旋轉;(b)繞Y軸旋轉;(c)繞X軸旋轉 3. 其它各種數字視頻特技 (1) 圖像的鑲嵌和畫中畫。 (2)電視墻(video wall)。 (3)圖像的凍結和動畫效果。 (4)油畫(painting)和馬賽克(Mosaic)效果。 (5)圖像的疊加和類似電影特技。 6.5 數字電視機原理介紹數字電視機原理介

23、紹 6.5.1 數字電視接收機的組成和所用集成電路 1.數字電視接收機的組成 圖620是一數字電視接收機的原理框圖。從圖上看,其基本功能部分與模擬電視機基本相同。其中,虛線框內的視頻信號的處理是用數字電路完成,也包括低電平的同步和掃描電路。 圖620 數字電視接收機框圖 2. DIGIT2000集成電路 DIGIT超大規模集成電路(VLIC),是專門為數字電視接收機設計的系列芯片。它從1973年開始研制,1981年完成,1983年開始用于電視機上,并成批生產。其后,雖然在專用芯片上都有發展,但DIGIT2000仍然是具有代表性的產品。其中,各芯片的型號和功能如下: CCU2000/2030 中

24、央控制單元 VCU2100 視頻編解碼單元 VPU2200 視頻處理單元 APU2300/2400 伴音A/D變換器/伴音處理單元 DPU2500 偏轉處理單元MCU2600 時鐘發生器CFU2210NTSC 梳狀濾波器視頻處理SPU2220SECAM 色度處理器MAA2230 自動圖像控制器TUP2700 文字廣播處理器MDA20611024 位EEPROM 6.5.2 由DIGIT2000芯片組成的數字電視機原理介紹 圖621是一由DIGIT2000芯片組成的數字電視機。現結合各芯片的功用及前面介紹的數字信號處理原理介紹此接收機。從調諧器、圖像中放、伴音中放部分出來的是模擬信號:視頻全電視

25、信號和基帶伴音信號(、路)。它們分別送到視頻處理和音頻處理單元,現分別介紹。圖621 由DIGIT2000芯片組成的數字電視機框圖 1. 視頻部分 視頻部分包括VCU(編、解碼)、VPU(視頻處理)、MCU(時鐘)三塊集成電路及分立元件的末級RGB視頻功放電路,A/D、D/A轉換電路都集成于VCU中。 2.偏轉部分 偏轉部分是由處理芯片DPU及分立元件的行、場輸出電路完成的。來自VCU的數字全電視信號進入DPU后,先經過低通濾濾器以濾除雜波干擾,然后檢測出同步脈沖的幅度,根據幅度大小可以自動選擇兩種箝位方式:同步頂箝位或后肩箝位。 3. 音頻部分 音頻部分的電路是由ADC2300/APU240

26、0完成的。輸入的兩路模擬伴音信號,在ADC中首先分別進行-方式的脈沖密度調制(PDM),脈沖的密度代表信號電平。再經過數字音頻濾波器轉換成35kHz抽樣頻率、16bit字長的數字音頻信號。 4.控制部分 中央控制單元CCU是整個電視機控制的中心。CCU中主要包括:8位微處理器(8049)、ROM、RAM、調諧分辨率為62.5kHz的鎖相式頻率合成器、用于接受紅外遙控的紅外遙控解碼器、用于用戶指令鍵盤和4位LED頻道指示的I/O端口、用于輸入輸出控制信號和輸入調整指令的系統總線接口等。 6.5.3 改進型數字電視接收機 1. 改善圖像質量 2. 逐行掃描處理器 3. 畫中畫處理器 4. 視頻存儲控制器(VMC) 5. 圖文電視廣播處理器(TPU) 6.6 高清晰度電視高清晰度電視 6.6.1 現行電視制度的不足 1. 畫面細節分辨率不夠,清晰度不足 圖像細節分辨率不夠,主要受掃描行數和視頻信號頻帶寬度的影響。 2. 圖像中的亮色串擾 現有制式中,亮、色信號在時間上及頻域上都是重合的