1、 數字電視原理第3章 電視信號的數字化n3.1信號的數字化n3.2音頻信號的數字化n3.3視頻信號的數字化3.1信號的數字化n采樣 采樣是指用每隔一定時間（或空間）間隔的信號樣本值序列代替原來在時間（或空間）上連續的信號，也就是在時間（或空間）上將模擬信號離散化。模擬信號、單位脈沖序列理想抽樣函數和抽樣輸出信號三者的頻譜關系模擬信號、單位脈沖序列理想抽樣函數和抽樣輸出信號三者的頻譜關系3.1信號的數字化n量化 量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量、有一定間隔的離散值。 量化器的設計原則可以分為兩種： (1) 給定量化器的量化電平數M，根據量化誤差的均方

2、值為最小來設計量化器； (2) 給出固定量化誤差要求，設計量化器使其量化電平總數M盡量小。 均勻量化器原理 設在輸入信號的動態范圍A內進行均勻量化，每一量化間隔A是相等的，共分為M級，設M=2n，其中n為量化比特數，即A=MA=2nAM和n的取值主要是由量化信噪比決定的。 量化信噪比量化信噪比nnqPPAAAAsNS23232122)(2 一般常用分貝表示為一般常用分貝表示為nsNSndbqpp68 .10)232log(20)(電視信號量化信噪比一般用信號峰電視信號量化信噪比一般用信號峰-峰值與量化噪聲有效值之比表示峰值與量化噪聲有效值之比表示非均勻量化通常有兩種方法。一種方法是把非線性處理

3、放在編碼器之前和解碼器之后的模擬電路部分，編、解碼器中仍然采用均勻量化采用非均勻量化(或稱非線性量化)來改善量化信噪比。壓縮擴張編碼方式另一種方法是直接采用非均勻量化，對于視頻信號，在高效編碼時常采用非均勻量化器。在MPEG標準中，DCT變換后對變換系數進行非均勻量化，低頻信號采用細量化，高頻信號采用粗量化。3.1信號的數字化n編碼 編碼則是按照一定的規律，把量化后的離散值用二進制數字表示，以進行傳輸或記錄。3.2音頻信號的數字化 聲音是通過空氣傳播的一種連續的波，叫聲波。聲音的強弱體現在聲波壓力的大小上，音調的高低體現在聲音的頻率上。因而，聲音信號的兩個基本參數是頻率和幅度。3.2音頻信號的

4、數字化聲波信號按頻率劃分：頻率小于20Hz的信號稱為亞音(Subsonic)信號，或稱為次音信號頻率高于20kHz的信號，稱為超聲波(Ultrasonic)信號頻率在20Hz20kHz之間的聲波是人耳可以聽到的聲音，稱之為音頻(audio)信號人的發音器官發出的聲音頻率約在80Hz 3400Hz之間，但人說話的信號頻率通常在300Hz3400Hz之間，人們把這種頻率范圍的信號稱為語（話）音信號(speech，voice)3.2音頻信號的數字化 采樣頻率 經常使用的采樣頻率有11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.lkHz和48kHz等。采樣頻率越高，聲音失真越小、音頻數據量越大

5、。 人耳聽覺的頻率上限在20kHz左右，為了保證聲音不失真，采樣頻率應大于40kHz。3.2音頻信號的數字化 量化比特數 經常采用的量化比特數有8bit、12bit和16bit。量化比特數越多，音質越好，數據量也越大。 人耳的聽覺能感覺極微小的聲音失真而且又能接受極大的動態范圍。由于這個特點，所以對音頻信號進行數字化所用的量化比特數比起視頻信號來要多。3.2音頻信號的數字化 聲道數 記錄聲音時，如果每次生成一個聲波數據，稱為單聲道；每次生成二個聲波數據，稱為立體聲（雙聲道），立體聲更能反映人的聽覺感受。3.2音頻信號的數字化 音頻數字化的采樣頻率和量化精度越高，音質越好，恢復出的聲音越接近原始

6、聲音，但記錄數字聲音所需存儲空間也隨之增加。可以用下面的公式估算聲音數字化后每秒所需的存儲量（假定不經壓縮）：存儲量=(采樣頻率量化比特數聲道數)/8 其中，存儲量的單位為B（字節）3.2音頻信號的數字化3.3視頻信號的數字化在時間軸上(t軸)分為一系列離散的幀每幀圖像在垂直方向(y軸)上離散為一條一條的掃描行每行在水平方向(x軸)上采樣，得到一個一個像素。3.3視頻信號的數字化 對彩色電視信號的數字化處理主要有分量數字編碼和復合數字編碼兩種方式。 復合數字編碼是將彩色全電視信號直接進行數字化，編碼成 PCM形式。 分量數字編碼方式是分別對亮度信號Y和兩色差信號B-Y、R-Y分別進行PCM編碼

7、。復合數字編碼和分量信號編碼框圖3.3視頻信號的數字化分量數字編碼優點：避免了復合數字編碼時因反復解碼所引起的質量損傷和器件的浪費，而且編碼幾乎與電視制式無關后期制作的處理方便時分復用方式，不會像復合數字編碼那樣因頻分復用帶來亮、色串擾，可獲得高質量的圖像亮度信號和色度信號的帶寬根據需要取不同在數字電視中一般采用在數字電視中一般采用正交結構正交結構，這種，這種結構在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔結構在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列，這排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列，這樣有利于幀內和幀間的信號處理。樣有利于幀內和幀間的信號處理。 行交叉結構行交叉結構，每

8、行內的取樣點數為整數，每行內的取樣點數為整數加半個。加半個。 視頻信號的抽樣結構視頻信號的抽樣結構3.3.13.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定電視信號分量數字編碼參數的確定取樣結構圖取樣結構圖采樣頻率選擇：采樣頻率選擇：(1) (1) 首先各國主觀測試亮度信號帶寬首先各國主觀測試亮度信號帶寬f fm m5.86MHz5.86MHz ，應該滿足取樣定理，即取樣頻率應該滿足取樣定理，即取樣頻率應該大于視頻帶寬的兩倍。應該大于視頻帶寬的兩倍。 (2) (2) 為了保證取樣結構是正交的，取樣頻率為了保證取樣結構是正交的，取樣頻率應該是行頻應該是行頻f fH H的整數倍，即的整數倍，即MHzffu

9、s122Hsfnf3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定(3) (3) 為了便于節目的國際間交流，亮度信號為了便于節目的國際間交流，亮度信號取樣頻率的選擇還必須兼顧取樣頻率的選擇還必須兼顧625行行/50場及場及525行行/60場這兩種掃描制式實現行兼容應采用同場這兩種掃描制式實現行兼容應采用同一采樣頻率一采樣頻率 fs=m* 2.25MHz3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定亮度信號的采樣頻率625行/50場掃描制式行頻(15625Hz)525行/60場掃描制式行頻(4.5MHz/286)4.513.5MHz=15625Hz 864=Hz 858

10、286n(4) (4) 編碼后的比特率編碼后的比特率R Rb b= =f fs sn n，其中，其中n n為量為量化比特數。從降低碼率考慮，化比特數。從降低碼率考慮，f fs s應接近應接近2 2f fu u3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定亮度信號的采樣頻率為13.5MHz 3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定色差信號的采樣頻率主觀測試色度信號的帶寬應選為2.8MHz，若色差信號采樣頻率為6 7 MHz時能滿足色鍵處理等對圖像質量的較高要求為保證足夠小的混疊噪聲采樣頻率為行頻的整數倍為了使625行/50場及525行/60場這兩種掃描制式實現行兼容色差信號的采樣頻率為6.75MHz

11、3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定采樣結構 a)4 2 0 b)4 2 2 c)4 4 43.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定n量化比特數的確定和量化級的分配量化比特數 量化比特數是指要區分所有量化級所需的二進制碼位數。其大小直接影響到數字圖像的質量，每增加或減少1bit，就使量化信噪比增加或減少6dB。 CCIR601建議中，規定對亮度和色差信號都采用8 bit的均勻量化。8 bit的量化精度在某些場合是不夠的，在后來的數字演播室中又擴展到10 bit的量化。34圖像分量信號量化比特數確定和碼電平分配從電視原理已知，亮度信號方程為： Y=0.299R+0.587G+0.114B色差

12、信號方程為： R-Y=0.701R-0.587G-0.114B B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定亮度信號與色度信號特點亮度信號與色度信號特點3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定n量化比特數的確定和量化級的分配亮度信號的量化級分配36100%100%彩條色度信號、亮度信號和色差信號的標稱值彩條色度信號、亮度信號和色差信號的標稱值 亮度信號Y: 01色差信號R-Y:0.7010.701色差信號B-Y:0.8860.88637色差信號必須引入壓縮系數，使得： CR，CB:0.50.5 ：KR= =0.713 KB= =0.564 歸一化后的色差信號為： 0.7130.5000.4190.081RCR YRGBEEEEE0.5640.1690.3310.500BCB YRGBEEEEE 701. 05 . 0886. 05 . 0比較：模擬彩色電視信號n傳輸Y，U，VV=0.877(R-Y) U=0.493(B-Y) 3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定n量化比特數的確定和量化級的分配色差信號的量化級分配3.3.2 ITU-R BT.601建議 1982年2月，在CCIR 第15次全會上，在通過的CCIR 601建議建議中，確定了以分量數字編碼4 2 2標準作為演播室彩色電視信號數字編碼的國際標準。 該建議