Microsoft Word - 数字电视技术

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1 数 字 电 视 技 术

2 数 字 电 视 技 术 第 1 章 数 字 电 视 技 术 概 述...9 本 章 目 标 电 视 技 术 的 演 进 电 视 技 术 的 发 展 背 景 我 国 数 字 电 视 发 展 状 况 彩 色 电 视 的 国 际 制 式 数 字 电 视 技 术 基 础 数 字 电 视 概 念 及 发 展 史 数 字 电 视 的 原 理 及 优 势 数 字 电 视 的 分 类 数 字 电 视 信 号 编 码 方 式 数 字 电 视 系 统 组 成 及 关 键 技 术 数 字 电 视 系 统 架 构 数 字 电 视 关 键 性 能 指 标 电 视 系 统 数 字 化 趋 势 数 字 电 视 的 发 展 方 向 高 清 晰 度 电 视 图 文 电 视 卫 星 电 视 有 线 电 视 多 媒 体 电 视 交 互 式 电 视...31 本 章 总 结...33 第 2 章 数 字 信 号 基 础 知 识...34 本 章 目 标 倍 频 基 础 知 识 普 通 电 视 系 统 存 在 的 缺 陷 传 统 低 场 频 隔 行 扫 描 的 缺 陷 减 小 行 间 闪 烁 的 方 法 数 字 通 信 的 特 点 数 字 信 号 的 产 生 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 信 号 的 数 字 化 过 程 数 字 视 频 信 号 的 编 码 方 式 和 格 式 数 字 视 频 的 基 本 原 理 二 进 制 原 理 数 字 通 信 系 统 的 主 要 性 能 指 标

3 数 字 电 视 技 术 传 输 速 率 和 带 宽 的 关 系 数 字 视 频 常 用 技 术 NICAM 的 基 本 原 理 两 倍 速 扫 描 的 基 本 原 理 I2C 总 线 的 控 制 技 术 IM 总 线 的 控 制 技 术 模 糊 技 术 的 应 用...60 本 章 总 结...62 第 3 章 数 字 电 视 信 源 编 码 技 术...63 本 章 目 标 数 字 电 视 的 信 源 编 码 概 述 数 字 电 视 信 号 参 数 和 演 播 室 参 数 标 准 亮 度 信 号 取 样 频 率 亮 度 信 号 每 行 取 样 数 色 度 信 号 格 式 编 码 方 式 和 量 化 数 字 电 视 演 播 室 参 数 标 准 数 字 视 频 压 缩 技 术 分 析 概 述 数 据 压 缩 的 可 行 性 图 像 压 缩 编 码 方 法 的 分 类 压 缩 编 码 方 法 简 介 数 字 视 频 压 缩 标 准 详 述 JPEG 编 码 标 准 H.261 标 准 MPEG-1 标 准 MPEG-2/H.262 标 准 MPEG-4 标 准 MPEG-7 标 准 H.264/AVC 标 准 其 它 压 缩 标 准 本 章 总 结 第 4 章 数 字 电 视 信 道 编 码 及 传 输 技 术 本 章 目 标 信 道 编 码 概 述 信 道 编 码 的 作 用 纠 错 编 码 的 分 类 信 道 编 码 基 本 概 念 奇 偶 校 验 码 和 RS 码

4 数 字 电 视 技 术 奇 偶 校 验 码 RS 码 卷 积 码 卷 积 码 分 两 种 形 式 编 码 器 的 形 式 状 态 图 交 织 编 码 基 本 原 理 交 织 编 码 在 数 字 电 视 广 播 系 统 中 的 应 用 数 字 电 视 信 道 编 码 方 案 数 字 信 号 的 基 带 传 输 数 字 信 号 的 基 带 传 输 伪 随 机 序 列 扰 码 无 码 间 干 扰 基 带 传 输 本 章 总 结 第 5 章 数 字 电 视 条 件 接 收 技 术 本 章 目 标 概 述 条 件 接 收 系 统 的 原 理 同 密 和 多 密 CA 同 密 条 件 接 收 系 统 多 密 条 件 接 收 系 统 二 者 的 比 较 条 件 接 收 系 统 构 成 及 特 点 条 件 接 收 系 统 的 安 全 保 障 措 施 条 件 接 收 系 统 的 组 成 条 件 接 收 系 统 的 特 点 条 件 接 收 系 统 的 功 能 提 供 多 种 授 权 方 式 实 现 地 区 的 阻 塞 发 送 EMM 消 息 发 送 邮 件 不 同 层 次 的 加 扰 方 式 成 人 级 分 类 指 定 一 机 一 卡 方 式 智 能 卡 认 证 机 卡 分 离 技 术 介 绍 机 卡 分 离 的 目 的 国 外 机 卡 分 离 技 术 介 绍

5 数 字 电 视 技 术 我 国 自 主 知 识 产 权 UTI 机 卡 分 离 方 案 数 字 电 视 的 传 输 方 式 本 章 总 结 第 6 章 数 字 电 视 广 播 系 统 本 章 目 标 数 字 电 视 广 播 系 统 概 论 美 国 的 ATSC 欧 洲 的 DVB 日 本 的 ISDB ATSC 数 字 电 视 广 播 系 统 ATSC 的 视 频 及 系 统 复 用 ATSC 的 信 道 编 码 ATSC 中 的 VSB 调 制 系 统 DVB 数 字 电 视 广 播 系 统 MEPG-2 系 统 标 准 在 DVB 中 的 实 施 DVB 中 的 信 道 编 码 DVB-T 中 的 调 制 系 统 ISDB-T 数 字 电 视 广 播 系 统 ISDB-T 的 信 源 编 码 ISDB-T 中 的 信 号 传 送 形 式 及 传 送 带 宽 传 送 参 数 三 种 地 面 传 输 系 统 的 比 较 我 国 数 字 电 视 标 准 及 发 展 现 状 数 字 电 视 标 准 发 展 背 景 我 国 数 字 电 视 地 面 传 输 标 准 的 制 定 问 题 本 章 总 结 第 7 章 数 字 信 号 的 载 波 调 制 技 术 本 章 目 标 数 字 信 号 载 波 调 制 的 目 的 数 字 调 制 技 术 方 法 和 分 类 单 载 波 调 制 和 多 载 波 调 制 数 字 载 波 调 制 的 方 法 M-PSK 相 移 键 控 MPSK QPSK 四 相 相 移 键 控 M-QAM 正 交 振 幅 调 制 M-FSK 频 移 键 控 M-ASK 幅 移 键 控 ASK 调 制

6 数 字 电 视 技 术 MASK 调 制 MVSB 调 制 调 制 效 率 MVSB 和 MQAM 的 比 较 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 调 制 技 术 传 统 频 分 复 用 (FDM) 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 技 术 的 发 展 OFDM 调 制 的 基 本 原 理 OFDM 已 调 载 波 的 数 学 分 析 OFDM 具 体 实 施 方 法 OFDM 技 术 的 优 点 OFDM 技 术 的 缺 点 OFDM 在 数 字 电 视 中 的 应 用 本 章 总 结 第 8 章 数 据 通 信 与 分 组 交 换 本 章 目 标 数 据 通 信 概 述 数 据 通 信 的 定 义 和 特 点 数 据 通 信 系 统 的 构 成 数 据 通 信 的 工 作 方 式 数 据 传 输 方 式 数 据 信 号 的 基 本 形 式 数 据 链 路 传 输 控 制 规 程 数 据 链 路 数 据 链 路 控 制 规 程 数 据 链 路 控 制 规 程 的 种 类 数 据 传 输 数 据 传 输 的 基 本 形 式 数 字 数 据 传 输 的 基 本 原 理 数 据 通 信 网 的 交 换 方 式 电 路 交 换 报 文 交 换 分 组 交 换 分 组 交 换 数 据 网 分 组 交 换 的 基 本 原 理 分 组 交 换 网 的 通 信 协 议 本 章 总 结 第 9 章 数 字 机 顶 盒

7 数 字 电 视 技 术 本 章 目 标 数 字 机 顶 盒 概 述 数 字 机 顶 盒 定 义 数 字 机 顶 盒 分 类 机 顶 盒 的 硬 件 结 构 调 谐 解 调 器 主 芯 片 内 存 外 部 存 储 设 备 智 能 卡 接 口 回 传 通 信 接 口 其 他 设 备 接 口 机 顶 盒 的 软 件 系 统 驱 动 层 中 间 解 释 层 应 用 层 机 顶 盒 的 分 类 与 应 用 解 决 方 案 比 较 方 案 比 较 其 它 技 术 的 应 用 几 款 典 型 产 品 介 绍 DVB-C 方 案 的 机 顶 盒 DVB-T 方 案 的 机 顶 盒 DMB-T 方 案 的 机 顶 盒 本 章 总 结

8 数 字 电 视 技 术 内 容 简 介 当 今, 电 视 技 术 正 与 其 他 高 新 技 术 互 相 结 合 不 断 创 造 出 新 的 产 品, 电 视 正 在 走 向 数 字 化, 这 些 趋 势 必 使 用 使 电 视 迎 来 更 大 的 发 展 和 更 广 泛 的 应 用 本 书 深 入 深 入 浅 出 介 绍 了 正 在 发 展 中 的 数 字 电 视 技 术 本 书 共 分 9 章, 重 点 介 绍 了 数 字 信 道 编 码 技 术 和 信 源 编 码 技 术 数 字 电 视 的 国 际 标 准 制 式 数 字 电 视 的 条 件 接 收 技 术 数 字 电 视 传 输 组 网 技 术 和 数 字 音 频 技 术 在 叙 述 中 结 合 了 大 量 的 图 表 和 电 路 框 图, 形 象 生 动 地 阐 明 了 晦 涩 难 懂 的 技 术 概 念, 有 助 于 读 者 对 数 字 电 视 原 理 的 全 面 认 识 和 了 解 本 书 内 容 丰 富 系 统 性 强, 可 供 高 等 院 校 广 播 电 视 专 业 通 信 专 业 多 媒 体 通 信 专 业 以 及 相 关 专 业 的 师 生 阅 读, 也 适 合 电 视 台 的 技 术 人 员, 广 大 数 字 视 频 设 备 的 生 产 厂 家 公 司 用 户 以 及 从 事 宽 带 组 网 的 工 程 技 术 人 员 和 管 理 人 员 阅 读 参 考 本 书 是 我 在 业 余 时 间 整 理 编 写, 编 写 完 成 后 原 稿 一 直 放 在 我 的 电 脑 中, 我 觉 得 还 是 应 该 把 它 传 到 网 络 上, 大 家 共 享 一 下,^_^ 我 的 msn:fivezhou@msn.com,( 周 希 武 ), 欢 迎 大 家 联 系 我, 不 论 是 讨 论 技 术 还 是 讨 论 业 务 都 可 以 8

9 数 字 电 视 技 术 第 1 章 数 字 电 视 技 术 概 述 本 章 目 标 本 章 结 束 时, 学 生 能 够 : 掌 握 电 视 技 术 的 发 展 历 史 掌 握 数 字 电 视 与 高 清 晰 电 视 概 念 掌 握 数 字 的 分 类 掌 握 数 字 电 视 构 架 及 关 键 技 术 1.1 电 视 技 术 的 演 进 电 视 技 术 的 发 展 背 景 当 今 时 代 被 誉 为 信 息 时 代, 科 学 技 术 飞 速 发 展, 与 持 同 时, 广 播 电 视 领 域 也 在 发 生 一 场 深 刻 革 命, 电 视 的 数 字 化 和 网 络 化 则 集 中 体 现 了 这 场 革 命 的 深 刻 发 展 内 涵 科 学 技 术 的 巨 大 进 步 用 户 对 高 品 质 视 听 生 活 的 不 断 追 求 正 加 速 推 动 着 模 拟 电 视 的 数 字 化 进 程, 模 拟 电 视 向 数 字 电 视 转 变 已 经 是 大 势 所 趋 数 字 电 视 代 表 着 现 代 电 视 技 术 的 发 展 潮 流, 因 而 正 日 益 称 为 现 代 电 视 系 统 的 主 流 广 播 电 视 技 术 从 20 世 纪 30 年 代 末 发 展 到 现 在, 已 经 有 70 多 年 的 历 史, 其 中 经 历 了 50 年 代 从 黑 白 电 视 到 彩 色 电 视 的 革 命, 如 今 广 播 电 视 技 术 正 进 行 着 又 一 次 重 大 革 命 : 从 电 视 节 目 编 播 制 作 存 储 到 传 输 接 收, 都 在 向 数 字 化 方 向 发 展 高 质 量 高 频 谱 利 用 率 的 数 字 高 清 晰 度 电 视 和 多 媒 体 交 互 数 据 广 播 业 务 系 统 已 经 面 世, 广 播 电 视 从 模 拟 到 数 字 的 全 面 过 渡 正 在 加 速 进 行 部 分 发 达 国 家 已 逐 步 开 展 数 字 电 视 广 播, 预 计 2006 至 2010 年 间 可 以 实 现 全 数 字 电 视 这 一 宏 伟 目 标 自 从 1936 年 英 国 首 先 开 通 电 子 式 的 黑 白 电 视 广 播 以 来, 电 视 技 术 经 历 黑 白 电 视 模 拟 彩 色 电 视 数 字 高 清 晰 度 电 视 的 发 展 历 程 与 此 同 时, 电 视 也 具 有 了 无 线 广 播 有 限 广 播 卫 星 直 播 数 据 广 播 双 向 通 信 等 多 种 传 输 方 式 PAL NTSC SECAM 是 广 播 电 视 历 经 几 十 年 发 展 而 逐 步 形 成 的 模 拟 彩 色 电 视 的 三 大 制 式 如 今, 数 字 电 视 与 高 清 晰 度 电 视 正 在 轰 轰 烈 烈 地 在 全 球 推 广, 数 字 电 视 产 业 的 发 展 正 在 进 入 一 个 关 键 时 期 纵 观 电 视 技 术 的 发 展 历 程 : 从 黑 白 电 视 倒 彩 色 电 视 从 模 拟 电 视 倒 数 字 电 视 从 标 清 电 视 倒 高 清 电 视, 可 以 看 出 这 个 发 展 历 程 正 映 射 出 现 代 科 学 技 术 在 电 视 领 域 的 应 用 日 益 成 熟 数 字 高 清 电 视 带 给 人 们 更 高 级 的 视 听 享 受 更 清 晰 的 图 象 更 逼 真 的 色 彩 更 优 美 的 音 质 电 视 数 字 化 是 一 个 全 球 的 趋 势, 是 继 黑 白 电 视 到 彩 色 电 视 后 的 又 一 次 革 命 9

10 数 字 电 视 技 术 欧 洲 1993 年 成 立 了 数 字 视 频 广 播 (DVB) 组 织, 现 有 近 200 个 成 员 该 组 织 为 数 字 视 频 广 播 系 统 提 供 一 个 唯 一 的 确 定 的 框 架 DVB-S DVB-C DVB-T, 制 定 了 被 世 界 范 围 能 接 受 的 数 字 电 视 广 播 标 准 DVB-S 规 定 了 卫 星 数 字 广 播 调 制 标 准, 使 原 来 传 送 一 套 PAL 制 节 目 的 频 道 可 以 传 播 四 套 数 字 电 视 节 目, 大 大 提 高 了 卫 星 的 效 率 DVB-C 规 定 了 在 有 线 电 视 网 中 传 播 数 字 电 视 的 调 制 标 准, 使 原 来 传 送 一 套 PAL 制 节 目 的 频 道 可 以 传 播 四 ~ 六 套 数 字 电 视 节 目 DVB-T 规 定 了 在 开 路 地 面 数 字 广 播 电 视 节 目 采 用 的 调 制 标 准 这 些 均 得 到 欧 洲 通 信 标 准 组 织 (ETSI) 和 国 际 电 联 (ITU) 的 通 过 美 国 于 1996 年 12 月 24 日 已 决 定 采 用 以 HDTV 为 基 础 的 ATSC(Advanced Television System Committee) 作 为 美 国 国 家 数 字 电 视 (DTV) 标 准 美 国 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 决 定 用 9 年 时 间 完 成 模 拟 电 视 向 数 字 电 视 的 历 史 性 过 渡 在 1998 年 11 月 1 日 开 始 实 施 数 字 电 视 地 面 广 播 (DTV), 将 有 24 个 电 视 台 发 送 全 数 字 电 视 ;1999 年 11 月 1 日 有 120 个 电 视 台 播 出 数 字 电 视 节 目 ; 其 余 的 全 部 电 视 台 在 2003 年 5 月 1 日 播 出 数 字 电 视 ;2006 年 停 止 NTSC (National Television Standards Committee) 日 本 于 1995 年 7 月 在 日 本 电 气 通 信 技 术 审 议 会 上 通 过 了 与 欧 洲 DVB-S 相 符 的 日 本 数 字 电 视 标 准 DVB-T 也 在 积 极 筹 划 中,1997 年 进 行 了 第 一 次 试 验,1998 年 进 行 测 试,2000 年 正 式 开 始 数 字 视 频 广 播 为 了 在 同 数 字 信 道 内 同 时 传 送 视 频 音 频 和 数 据 广 播, 日 本 正 在 开 发 综 合 业 务 数 据 广 播 (ISDB) 目 前, 在 全 球 有 许 多 国 家 已 开 展 了 电 视 数 字 化 和 DVB 业 务, 其 中 以 欧 洲 的 一 些 发 达 国 家 最 为 普 遍, 亚 洲 的 日 本 和 韩 国 也 较 为 普 及, 新 加 坡 印 度 等 国 家 也 已 起 步 中 国 的 数 字 化 电 视 是 与 世 界 站 在 同 一 条 起 跑 线 上 从 相 关 资 料 可 知, 美 国 计 划 在 2006 年 完 成 地 面 数 字 电 视 从 模 拟 向 数 字 的 过 渡, 目 前 其 地 面 数 字 电 视 的 覆 盖 率 己 达 94%, 有 线 数 字 电 视 用 户 数 达 1670 万 日 本 计 划 2006 年 实 现 数 字 电 视 全 国 覆 盖, 全 部 采 用 数 字 高 清 节 目 法 国 德 国 西 班 牙 意 大 利 英 国 的 数 字 电 视 用 户, 到 2008 年 将 超 过 整 个 电 视 用 户 的 50%( 英 国 在 2002 年 底 已 达 到 40%) 而 我 国 香 港 地 区 九 仓 有 线 电 视 网 的 60 万 用 户 用 了 不 足 一 年 的 时 间, 已 全 部 实 现 了 数 字 化 电 视 数 字 化 带 来 并 创 建 了 电 视 广 播 业 务 的 新 概 念, 它 将 不 再 是 传 统 的 电 视 虽 然 数 字 电 视 广 播 系 统 的 主 要 功 能 是 使 我 们 能 高 质 量 地 传 送 更 多 频 道 的 节 目, 但 数 字 化 还 会 带 来 了 更 新 更 复 杂 的 业 务 这 些 复 杂 的 业 务 和 应 用, 主 要 是 基 于 数 字 装 置 不 断 扩 张 的 处 理 能 力 和 全 球 数 字 化 ( 如 互 联 网 ) 所 提 供 的 巨 大 基 础 设 施, 并 相 互 交 叉, 以 及 与 电 视 提 供 娱 乐 和 信 息 的 多 种 传 统 形 式 相 融 合 因 此, 数 字 电 视 的 发 展 前 景 是 非 常 光 明 的 我 国 数 字 电 视 发 展 状 况 广 播 电 视 是 我 国 信 息 产 业 和 文 化 产 业 的 重 要 组 成 部 分, 广 播 电 视 数 字 化 是 国 家 现 代 化 和 社 会 信 息 化 的 重 要 标 志 我 们 国 高 度 重 视 我 国 广 播 电 视 数 字 化 工 作, 将 其 列 入 了 国 家 发 展 规 划 经 过 全 国 广 电 系 统 多 年 的 艰 苦 努 力, 大 部 分 广 播 电 台 电 视 台 在 节 目 采 集 制 作 播 出 传 输 环 节 基 本 实 现 了 数 字 化, 目 前 只 有 接 收 环 节, 即 用 户 的 电 视 机 是 模 拟 的 我 国 有 线 电 视 实 现 数 字 化 的 条 件 已 经 具 备, 时 机 已 经 成 熟 广 电 总 局 确 定 从 今 年 开 始, 我 国 有 线 电 视 由 模 10

11 数 字 电 视 技 术 拟 向 数 字 整 体 转 换, 全 面 推 进 广 播 电 视 的 数 字 化 广 播 电 视 数 字 化 将 实 施 三 步 走 的 发 展 战 略, 即 2003 年 全 面 推 进 有 线 数 字 电 视 ;2005 年 开 展 数 字 卫 星 直 播 业 务, 开 始 地 面 数 字 电 视 试 验, 有 线 数 字 电 视 用 户 达 到 3000 万 ;2008 年 全 面 推 广 地 面 数 字 电 视 和 高 清 晰 度 电 视 2015 年 将 停 止 模 拟 电 视 的 播 出 今 年 5 月, 广 电 总 局 发 布 了 我 国 有 线 电 视 向 数 字 化 过 渡 时 间 表, 按 照 东 部 中 部 西 部 三 个 区 域, 分 2005 年 2008 年 2010 年 2015 年 四 个 阶 段 全 面 实 现 有 线 电 视 数 字 化 广 播 电 视 数 字 化 将 对 我 国 经 济 社 会 发 展 产 生 深 远 的 影 响 一 是 广 播 电 视 数 字 化 将 大 大 加 快 我 国 信 息 化 进 程 广 播 电 视 是 最 普 及 的 信 息 工 具 和 最 好 的 信 息 载 体, 广 播 电 视 数 字 化 将 使 目 前 的 4 亿 台 电 视 机 成 为 一 个 集 公 共 传 播 信 息 服 务 文 化 娱 乐 交 流 互 动 于 一 体 的 多 媒 体 信 息 终 端 广 播 电 视 实 现 了 数 字 化 就 意 味 着 家 庭 进 入 了 数 字 化, 每 个 家 庭 的 数 字 化 是 城 市 现 代 化 社 会 信 息 化 的 重 要 标 志 二 是 广 播 电 视 数 字 化 将 极 大 地 促 进 文 化 产 业 的 发 展 广 播 电 视 数 字 化 搭 建 了 一 个 新 的 平 台 创 造 了 一 个 新 的 空 间, 带 动 文 化 媒 体 服 务 等 行 业 的 发 展, 形 成 新 的 文 化 娱 乐 消 费 市 场, 满 足 人 民 群 众 日 益 增 长 的 对 精 神 文 化 生 活 的 需 求 为 了 全 力 推 动 广 播 电 视 数 字 化, 广 电 总 局 把 今 年 定 为 网 络 发 展 年, 以 有 线 电 视 数 字 化 为 重 点, 在 前 两 年 试 验 的 基 础 上, 在 北 京 上 海 重 庆 青 岛 等 40 个 城 市 和 6 个 省 建 立 了 有 线 数 字 电 视 示 范 网, 全 面 开 展 试 点 工 作 为 了 做 好 试 点 工 作, 还 制 定 了 技 术 节 目 管 理 等 一 系 列 的 政 策 同 时 还 开 办 了 付 费 数 字 电 视 等 新 业 务, 到 目 前, 经 广 电 总 局 批 准 试 播 的 付 费 数 字 电 视 节 目 有 27 套, 数 字 广 播 节 目 有 7 套 这 些 节 目 自 9 月 1 日 起, 陆 续 在 部 分 试 点 地 区 试 播 各 试 点 单 位 采 取 多 种 方 式, 大 力 推 广 普 及 机 顶 盒, 还 提 供 了 多 种 多 样 的 信 息 服 务 广 播 电 视 数 字 化 引 起 了 社 会 各 界 的 广 泛 关 注 地 方 党 委 政 府 大 力 支 持, 积 极 倡 导 ; 产 业 部 门 积 极 响 应, 密 切 配 合 ; 各 地 观 众 多 方 咨 询, 踊 跃 参 与 近 期, 总 局 委 托 有 关 机 构 对 全 国 大 中 城 市 进 行 了 抽 样 调 查, 绝 大 多 数 城 镇 居 民 对 广 播 电 视 数 字 化 持 赞 成 态 度,74% 的 城 镇 居 民 表 示 愿 意 为 享 受 数 字 电 视 付 费 广 播 电 视 数 字 化 是 国 家 的 要 求, 人 民 的 期 望 为 了 全 力 推 进 广 播 电 视 数 字 化, 广 电 总 局 将 2004 年 确 定 为 数 字 化 发 展 年 和 产 业 化 发 展 年 广 播 电 视 数 字 化 给 文 化 产 业 和 媒 体 的 发 展 带 来 了 一 个 难 得 的 历 史 机 遇, 只 要 抓 住 了 这 一 机 遇, 今 后 十 年 文 化 产 业 和 媒 体 将 是 我 们 国 家 发 展 最 快 变 化 最 大 的 行 业 按 照 国 家 广 电 总 局 的 最 新 规 划,2003 年 中 国 将 全 面 推 广 有 线 数 字 电 视, 力 争 到 2005 年 实 现 有 线 数 字 电 视 接 收 用 户 超 过 3000 万 户 ; 到 2005 年, 省 级 以 上 广 播 电 台 电 视 台 基 本 实 现 采 编 播 数 字 化, 全 国 广 播 电 视 系 统 基 本 实 现 网 络 化 到 2008 年 全 国 部 分 地 区 实 现 高 清 晰 数 字 电 视 播 放 ; 全 面 推 广 地 面 数 字 电 视 广 播 到 2010 年 基 本 实 现 广 播 电 视 节 目 制 作 播 出 传 输 发 射 和 接 收 数 字 化, 到 2015 年 完 成 模 拟 向 数 字 的 过 渡 目 前 北 京 上 海 广 州 深 圳 青 岛 等 许 多 城 市 已 经 开 始 推 广 有 线 数 字 电 视 和 车 ( 船 ) 载 移 动 数 字 电 视 广 播 从 世 界 范 围 看, 模 拟 向 数 字 过 渡, 主 要 有 两 种 方 式, 一 是 通 过 数 字 电 视 机 顶 盒 使 现 有 的 模 拟 电 视 机 能 够 接 收 到 数 字 节 目, 二 是 直 接 采 取 数 字 电 视 接 收 机 但 对 于 目 前 我 国 普 通 家 庭 固 定 接 收 采 取 机 顶 盒 的 方 式 更 加 经 济 些 由 于 我 国 有 线 电 视 体 制 为 划 地 区 多 层 次 结 构, 各 地 电 视 台 采 用 不 同 系 统, 各 地 信 号 的 加 密 方 式 条 件 接 收 (CA) 系 统 是 不 同 的, 而 这 些 系 统 互 相 并 不 兼 容, 因 此 对 用 户 授 权 的 控 制 功 能 跟 当 地 有 线 电 视 运 营 单 位 密 切 相 关 由 于 机 顶 盒 不 仅 完 成 了 数 字 信 号 的 还 原 功 能, 同 11

12 数 字 电 视 技 术 时 还 完 成 了 对 用 户 授 权 的 控 制 功 能, 数 字 信 号 的 还 原 虽 然 可 以 做 到 电 视 机 中 去, 但 用 户 授 权 的 控 制 是 不 行 的, 否 则 会 引 起 某 个 地 方 生 产 的 电 视 机 在 别 的 地 方 用 不 了 因 此, 目 前 家 庭 用 模 拟 电 视 机 收 看 有 线 数 字 电 视 节 目 需 要 一 个 定 制 的 机 顶 盒 在 有 线 数 字 电 视 快 速 发 展 的 同 时, 我 国 的 数 字 电 视 地 面 广 播 的 发 展 在 近 几 年 也 呈 现 快 速 发 展 之 势 1999 年 5 月 上 海 开 始 数 字 电 视 地 面 广 播 试 验 ;2000 年 上 海 承 建 国 家 计 委 在 上 海 地 区 的 数 字 高 清 电 视 地 面 广 播 试 验 平 台 ;2002 年 上 海 市 广 播 科 学 研 究 所 在 上 海 交 通 大 学 的 配 合 下, 在 东 方 明 珠 广 播 电 视 塔 建 立 了 数 字 电 视 公 交 移 动 接 收 系 统, 并 进 行 了 国 家 数 字 电 视 标 准 试 验 ;2003 年 1 月 1 日, 经 国 家 广 电 总 局 批 准, 上 海 正 式 推 出 以 公 交 车 辆 为 主 要 载 体 的 移 动 电 视 商 用 系 统, 成 为 中 国 第 一 个 全 球 第 二 个 普 及 移 动 数 字 电 视 的 城 市 ;2004 年 2 月, 上 海 推 出 以 出 租 车 为 载 体 的 移 动 电 视 商 用 系 统 此 外, 上 海 移 动 电 视 技 术 还 应 用 于 上 海 银 行 轮 渡 码 头 浦 江 游 轮 便 利 店 等 在 上 海 模 式 的 示 范 下, 移 动 数 字 电 视 在 全 国 各 个 经 济 实 力 较 强 的 省 市 呈 风 起 云 拥 之 势, 除 上 海 外, 湖 南 北 京 南 京 福 建 天 津 杭 州 江 西 等 省 市 的 数 字 电 视 地 面 广 播 项 目 也 已 经 如 火 如 荼, 以 上 省 市 基 本 上 都 是 采 用 DVB-T 标 准 河 南 湖 北 采 用 的 标 准 是 清 华 大 学 的 DMB-T 方 案 2004 年, 作 为 广 东 省 广 播 电 视 无 线 覆 盖 和 传 输 的 主 力, 广 东 广 播 电 视 技 术 中 心 建 立 起 全 国 第 一 个 超 距 离 布 点 的 数 字 电 视 地 面 广 播 单 频 覆 盖 网, 从 广 州 市 起 步, 逐 步 覆 盖 珠 江 三 角 洲 地 区 和 广 深 深 汕 等 省 内 高 速 公 路, 最 终 将 完 成 全 省 的 覆 盖 网 络 该 套 系 统 可 以 在 公 交 车 出 租 车 商 务 车 私 家 车 轻 轨 地 铁 火 车 轮 渡 机 场 及 各 种 种 类 流 动 人 群 集 中 的 移 动 载 体 上 广 泛 使 用, 为 受 众 群 体 提 供 精 彩 实 时 的 资 讯 类 节 目 总 之, 全 数 字 电 视 技 术 是 继 黑 白 到 彩 色 电 视 数 字 处 理 电 视 技 术 之 后 电 视 技 术 发 展 中 的 又 一 次 革 命, 它 正 在 给 我 们 的 生 活 带 来 巨 大 的 变 化 彩 色 电 视 的 国 际 制 式 电 视 可 用 不 同 的 方 式 来 实 现 实 现 电 视 的 一 种 特 定 方 式, 称 为 电 视 的 一 种 制 式 在 黑 白 电 视 和 彩 色 电 视 发 展 过 程 中, 分 别 出 现 过 许 多 种 不 同 的 制 式 对 于 彩 色 电 视 而 言, 除 了 上 述 有 关 特 性 以 外, 还 根 据 在 收 发 两 端 对 图 象 三 基 色 信 号 不 同 的 处 理 方 式 分 成 许 多 种 彩 色 电 视 制 式 1. 按 使 用 不 同 分 类 按 使 用 目 的 不 同, 彩 色 电 视 分 兼 容 制 和 非 兼 容 制 两 大 类 所 谓 兼 容 是 指 彩 色 电 视 和 黑 白 电 视 可 以 相 互 收 看 即 彩 色 电 视 节 目 可 以 为 黑 白 电 视 机 接 收, 而 显 示 为 黑 白 图 象 ; 黑 白 电 视 节 目 也 可 以 为 彩 色 电 视 机 接 收, 而 显 示 为 黑 白 图 象 通 常 将 前 者 称 为 兼 容 性, 后 者 称 为 逆 兼 容 性 目 前 世 界 上 的 广 播 彩 色 电 视 都 采 用 兼 容 制, 而 非 兼 容 制 彩 色 电 视 主 要 用 于 应 用 电 视 12

13 数 字 电 视 技 术 图 1-1 彩 色 制 式 示 意 图 1. 摄 像 机 2. 表 示 通 道 3. 显 像 管 4. 表 示 开 关 按 信 息 传 输 的 方 式 和 显 示 的 时 间 不 同, 彩 色 电 视 可 以 分 为 : (1) 同 时 制 (Simultaneous Color Television); (2) 顺 序 制 (Sequential Color Television); (3) 顺 序 - 同 时 制 在 顺 序 制 中, 摄 象 机 行 到 的 红 绿 蓝 三 基 色 图 象 信 号 按 一 定 顺 序 传 送 到 显 象 管, 利 用 人 眼 的 视 觉 暂 留 特 性 将 三 基 色 图 象 混 合 成 彩 色 图 象, 如 图 1-1(a) 所 示 顺 序 制 又 分 为 场 顺 序 制 行 顺 序 制 和 点 顺 序 制, 它 们 分 别 是 逐 场 逐 行 逐 点 地 顺 序 传 送 三 基 色 信 号 顺 序 制 的 优 点 是 设 备 简 单, 彩 色 图 象 质 量 较 好, 但 是 兼 容 性 很 差 或 者 不 能 兼 容 为 了 克 服 顺 序 制 的 缺 点 而 出 现 了 同 时 制, 它 将 R G B 三 基 色 编 码 成 亮 度 信 号 和 色 度 信 号 来 同 时 传 送, 经 过 解 码 得 出 三 基 色 信 号 R G B, 然 后 由 显 象 管 合 成 彩 色 图 象, 如 图 1-1(b) 所 示 同 时 制 的 优 点 是 可 以 兼 容, 图 象 质 量 较 好, 但 是 设 备 复 杂, 亮 度 与 色 度 信 号 往 往 存 在 相 互 干 扰 顺 序 - 同 时 制 是 上 述 两 种 制 式 的 组 合 例 如, 可 将 一 个 基 色 信 号 经 常 传 送, 而 将 另 两 个 基 色 信 号 依 次 顺 序 传 送, 然 后 在 显 象 管 中 合 成 彩 色 图 象, 如 图 1-1(c) 所 示 其 优 缺 点 与 同 时 制 相 同, 在 显 象 时, 三 种 制 式 都 利 用 了 空 间 混 色 原 理, 顺 序 制 还 利 用 了 时 间 混 色 原 理 显 然, 具 有 兼 容 性 的 彩 色 广 播 电 视 只 能 采 用 同 时 制 或 顺 序 - 同 时 制, 而 顺 序 制 一 般 用 于 彩 色 应 用 电 视 中 2. 三 种 彩 色 广 播 电 视 制 式 目 前 世 界 上 彩 色 广 播 电 视 制 式 最 主 要 的 有 三 种 : (1)NTSC 制,1953 年 由 美 国 创 立, 日 本 加 拿 大 等 国 相 继 采 用 ; (2)PAL 制,1967 年 由 西 德 创 立, 我 国 英 国 意 大 利 荷 兰 等 西 欧 国 家 以 及 北 欧 各 国 也 都 采 用 它 ; (3)SECAM 制,1967 年 由 法 国 创 立, 苏 联 和 东 欧 各 国 也 都 采 用 它 这 三 种 制 式 皆 属 兼 容 制, 其 共 同 点 都 采 用 能 与 黑 白 电 视 兼 容 的 亮 度 信 号 和 两 个 色 差 信 号 作 为 传 输 信 号 ; 其 不 同 点 是 两 个 色 差 信 号 对 副 载 波 采 用 不 同 的 调 制 方 式 NTSC 制 和 PAL 制 都 属 于 同 时 制,SECAM 制 都 属 于 顺 序 同 时 制 13

14 数 字 电 视 技 术 彩 色 电 视 对 三 基 色 信 号 或 由 其 组 成 的 亮 度 和 色 差 信 号 的 处 理 方 式 彩 色 电 视 系 统 对 三 基 色 信 号 的 不 同 处 理 方 式, 构 成 了 不 同 的 彩 色 电 视 制 式 广 播 彩 色 电 视 制 式 要 求 和 黑 白 电 视 兼 容 为 此, 彩 色 电 视 根 据 相 加 混 色 法 中 一 定 比 例 的 三 基 色 光 能 混 合 成 包 括 白 光 在 内 的 各 种 色 光 的 原 理, 同 时 为 了 兼 容 和 压 缩 传 输 频 带, 一 般 将 红 (R), 绿 (G), 蓝 (B) 三 个 基 色 信 号 组 成 亮 度 信 号 (Y') 和 蓝 红 两 个 色 差 信 号 (B-Y)' (R-Y )', 其 中 亮 度 信 号 可 用 来 传 送 黑 白 图 像, 色 差 信 号 和 亮 度 信 号 相 组 合 可 还 原 出 红 绿 蓝 三 个 基 色 信 号 因 此, 兼 容 制 彩 色 电 视 除 传 送 相 同 于 黑 白 电 视 的 亮 度 信 号 和 伴 音 信 号 外, 还 在 同 一 视 频 频 带 内 时 传 送 色 度 信 号 色 度 信 号 是 同 两 个 色 差 信 号 对 视 频 频 带 高 频 端 的 色 副 载 进 行 调 制 而 成 的 为 防 止 色 差 信 号 的 调 制 过 载, 将 (B-Y)' (R-Y)' 进 行 压 缩, 用 U V 表 示 世 界 上 主 要 有 三 种 彩 色 电 视 制 式 NTSC 制 是 美 国 日 本 等 国 家 采 用 的 彩 色 电 视 制 式, 其 特 点 是 解 码 线 路 简 单 成 本 低 PAL 制 是 1963 年 联 邦 德 国 为 降 低 NTSC 制 的 相 位 敏 感 性 而 发 展 的 一 种 制 式, 于 1967 年 正 式 广 播, 中 国 采 用 的 就 是 此 种 彩 色 电 视 制 式 其 特 点 是 对 相 位 偏 差 不 敏 感, 并 在 传 输 中 受 多 径 接 收 而 出 现 重 影 彩 色 的 影 响 较 小 SECAM 制 也 是 为 了 改 善 NTSC 制 的 相 位 敏 感 性 而 发 展 的 彩 色 电 视 制 式, 为 法 国 俄 罗 斯 等 国 家 采 用 其 特 点 是 受 传 输 中 的 多 径 接 收 的 影 响 较 小 1.2 数 字 电 视 技 术 基 础 数 字 电 视 概 念 及 发 展 史 广 义 的 数 字 电 视 Digital TeleVision(DTV) 概 念 : 在 电 视 信 号 的 获 取 处 理 传 输 和 接 收 的 过 程 中 使 用 数 字 电 视 信 号 的, 都 可 以 称 为 数 字 电 视 系 统 或 数 字 电 视 设 备 这 里 数 字 电 视 信 号 可 以 是 直 接 生 成 的 数 字 电 视 信 号, 如 动 画 字 幕 机 和 数 字 摄 像 机 产 生 的 数 字 信 号 ; 也 可 以 是 由 模 拟 信 号 经 数 字 化 以 后 产 生 的 数 字 电 视 信 号 ; 也 可 以 是 经 处 理 的 数 字 电 视 信 号, 如 MPEG 格 式 的 压 缩 数 字 电 视 信 号 狭 义 的 数 字 电 视 概 念 : 数 字 电 视 系 统 是 指 采 用 数 字 技 术 将 活 动 图 像 声 音 和 数 据 等 信 号 加 以 处 理 压 缩 编 码 传 输 / 存 储, 经 实 时 发 送 或 利 用 记 录 媒 体 ( 如 影 碟 ) 存 储 传 播 后, 供 用 户 接 收 播 放 的 视 听 系 统 它 本 质 上 是 将 传 统 模 拟 电 视 信 号 经 过 取 样 量 化 和 编 码 转 化 成 二 进 制 形 式 的 数 字 电 视 信 号, 或 者 是 利 用 数 字 摄 像 机 数 字 录 像 机 数 字 摄 录 机 等 设 备 直 接 产 生 数 字 电 视 信 号, 然 后 进 行 一 系 列 针 对 数 字 信 号 的 处 理 传 输 存 储 和 记 录, 然 后 实 施 发 送 广 播, 供 观 众 接 收 播 放 的 视 听 系 统 严 格 意 义 上 的 数 字 电 视 系 统 是 从 演 播 室 节 目 摄 制 节 目 编 辑 节 目 制 作 信 号 发 射 信 号 传 输, 信 号 接 收 到 节 目 显 示 完 全 数 字 化 的 电 视 系 统 数 字 电 视 系 统 可 以 传 送 多 种 业 务, 如 高 清 晰 度 电 视 常 规 清 晰 度 电 视 立 体 声 及 数 据 业 务 等 等 数 字 电 视 机 是 指 数 字 电 视 的 接 收 显 示 终 端 目 前 有 两 种 数 字 电 视 设 备, 接 收 模 拟 电 视 信 号 的 数 字 设 备 和 接 收 数 字 电 视 信 号 的 数 字 设 备, 在 模 拟 电 视 系 统 向 数 字 转 化 的 过 渡 阶 段, 应 加 以 区 分 近 几 年 来, 有 的 电 视 接 收 机 采 用 数 字 技 术 对 接 收 到 的 模 拟 信 号 加 以 处 理, 以 改 进 视 听 质 量 ( 如 清 晰 度 降 噪 去 闪 烁 等 ), 这 种 电 视 机 接 收 的 是 模 拟 电 视 信 号, 仍 处 在 模 拟 传 输 的 模 拟 系 统 中, 不 是 全 数 字 电 视 机 但 数 字 电 视 这 一 名 词 在 模 拟 传 输 系 统 向 数 字 系 统 转 化 时 一 直 用 于 模 拟 系 统 中 的 数 字 设 备, 如 数 字 14

15 数 字 电 视 技 术 录 像 机, 数 字 摄 像 机, 数 字 特 技 等 数 字 电 视 系 统 的 出 现, 使 数 字 电 视 系 统 和 模 拟 系 统 中 的 数 字 设 备 的 命 名 出 现 混 淆, 需 要 加 以 区 别 和 说 明 实 际 上, 新 的 系 统 和 原 系 统 的 主 要 区 别 在 传 输 在 欧 洲 的 地 面 数 字 电 视 广 播 系 统 DVB-T 中, 除 了 目 前 节 目 制 作 还 有 一 部 分 是 模 拟 的 外, 从 演 播 室 开 始, 到 发 射 机 到 传 输 到 接 收 的 所 有 环 节 都 是 使 用 数 字 电 视 信 号 或 对 数 字 电 视 信 号 进 行 处 理 和 调 制, 接 收 这 种 地 面 数 字 电 视 广 播 信 号 的 电 视 机 才 是 名 副 其 实 的 数 字 电 视 机 短 短 数 十 年, 中 国 电 视 机 历 经 从 黑 白 到 彩 色, 再 到 大 屏 幕 平 板 电 视 的 飞 跃 发 展, 日 渐 改 善 了 老 百 姓 的 生 活 彩 电 的 发 展 见 证 了 中 国 近 几 年 科 学 技 术 的 蓬 勃 发 展 (1)50Hz 升 级 到 100Hz 2000 年 9 月, 以 技 术 创 新 见 长 的 深 圳 创 维 集 团 推 出 一 组 名 为 健 康 电 视 的 新 品, 由 于 采 用 了 先 进 的 逐 行 扫 描 技 术 和 100HZ 技 术, 有 效 地 解 决 了 电 视 画 面 闪 烁 的 现 象, 并 能 抑 制 有 害 射 线 对 人 体 的 伤 害 由 此 将 健 康 的 理 念 引 进 电 视 中, 重 新 唤 起 了 国 人 对 用 眼 健 康 的 重 视 (2) 数 字 引 擎 时 代 以 索 尼 的 Bravia 引 擎 三 星 的 DNle 引 擎 创 维 的 VⅡ 引 擎 等 为 代 表, 主 要 是 面 临 数 字 电 视 的 到 来, 各 厂 家 纷 纷 推 出 的 处 理 技 术 后 来, 创 维 独 家 推 出 的 A12 音 频 引 擎, 首 次 将 电 视 声 音 进 行 软 件 处 理, 达 到 不 用 外 置 音 响 也 可 以 享 受 高 质 量 声 音 的 效 果 在 数 字 引 擎 基 础 上, 促 使 了 很 多 新 技 术 诞 生, 六 基 色 图 像 处 理 技 术 便 是 其 中 之 一 它 创 造 性 的 将 电 视 的 三 原 色 提 升 到 六 色 精 确 处 理, 有 效 解 决 画 面 层 次 差 对 比 度 不 足 等 问 题, 后 来 许 多 厂 家 争 相 应 用 了 此 门 技 术, 为 平 板 时 代 的 来 临 立 下 汗 马 功 劳 (3) 可 录 时 代 2006 年 世 界 杯 前 夕, 市 面 上 出 现 一 种 可 录 液 晶 电 视, 为 球 迷 爱 好 者 提 供 了 莫 大 的 方 便 据 介 绍, 可 录 液 晶 基 于 Linux 操 作 系 统 的 嵌 入, 只 需 U 盘 或 者 移 动 硬 盘, 既 可 以 保 存 任 何 喜 欢 的 节 目, 还 可 以 提 供 预 约 即 时 录 等 便 捷 功 能 因 为 当 年 的 世 界 杯 是 在 德 国 举 办, 深 夜 观 看 使 球 迷 难 以 取 舍 有 了 一 款 可 录 液 晶, 一 切 都 不 再 是 问 题, 晚 上 预 约 录 下 球 赛, 等 白 天 有 时 间 再 慢 慢 欣 赏, 大 快 人 心 除 了 体 育 节 目 之 外, 可 录 液 晶 还 可 以 方 便 录 下 电 视 剧 电 影 等 随 着 技 术 进 一 步 发 展, 目 前 已 经 发 展 到 时 移 可 录 阶 段, 即 电 视 机 可 以 将 当 前 播 放 的 节 目 暂 停 回 放, 掌 握 精 彩 轻 松 自 如 可 录 电 视 的 诞 生, 使 人 们 进 入 可 以 掌 控 电 视 节 目 的 时 代 (4) 画 质 至 上 时 代 液 晶 电 视 是 从 电 脑 液 晶 显 示 器 发 展 起 来 的, 而 电 脑 显 示 器 本 身 存 在 了 很 多 不 足, 例 如 响 应 时 间 长, 拖 尾 现 象, 运 动 画 面 抖 动 问 题, 画 质 模 糊 等 等 一 些 专 业 的 厂 家 花 很 大 力 气 投 入 研 发 新 技 术, 企 图 通 过 芯 片 处 理, 解 决 液 晶 电 视 存 在 的 不 足 这 个 时 代, 最 具 代 表 性 的 是 屏 变 技 术 和 屏 稳 技 术 据 了 解, 这 两 个 技 术 ( 简 称 双 屏 技 术 ) 是 以 超 级 数 字 引 擎 为 基 础, 屏 变 技 术 通 过 控 制 液 晶 背 光 源 亮 度 及 芯 片 的 补 偿 处 理 提 升 画 质, 有 效 解 决 液 晶 电 视 眩 光 刺 眼 的 问 题 ; 屏 稳 则 采 用 自 适 应 视 频 编 码 算 法, 通 过 运 动 估 算 和 运 动 补 偿, 进 行 场 内 插 帧 提 升 画 质, 解 决 了 运 动 画 面 抖 动 模 糊 等 缺 陷 双 屏 液 晶 电 视 引 领 数 字 电 视 进 入 画 质 至 上 的 时 代 如 果 液 晶 电 视 采 用 FULL HD1080P 的 高 清 屏 体 的 同 时, 更 关 注 软 件 提 升 技 术 的 实 现, 其 画 质 效 果 才 能 有 质 的 提 升, 真 正 实 现 高 清 晰 数 字 时 代 的 享 受 15

16 数 字 电 视 技 术 (5)3C 融 合 时 代 当 前,3G-USB 的 应 用, 使 彩 电 进 入 多 媒 体 娱 乐 阶 段 流 媒 体 是 很 早 就 提 到 的 概 念, 但 是 由 于 技 术 上 的 不 成 熟, 端 口 应 用 跟 不 上 电 视 发 展 需 求, 到 了 今 年, 随 着 3G-USB 技 术 的 成 功 开 发, 流 媒 体 作 用 才 得 以 淋 漓 尽 致 的 发 挥 出 来 3G-USB 是 高 清 高 速 高 兼 容 端 口 的 简 称, 可 以 支 持 高 达 480Mbps 速 率 传 输, 可 以 实 现 稳 定 流 畅 的 海 量 音 乐 赏 析 超 大 图 片 浏 览 高 清 电 影 播 放 和 无 缝 接 驳 彩 印 等 多 种 娱 乐 功 能, 同 时 还 具 有 文 本 阅 读 和 文 件 复 制 等 实 用 PC 功 能 在 3G-USB 基 础 上, 一 种 在 现 有 功 能 基 础 上 新 增 观 看 网 络 电 影 听 歌 唱 卡 拉 OK 的 多 媒 体 娱 乐 电 视 在 创 维 诞 生 这 种 被 创 维 命 名 为 CooCaa TV 的 液 晶 电 视 相 当 于 把 电 脑 娱 乐 功 能 搬 到 彩 电 上, 把 卡 拉 OK 搬 回 家, 同 时 还 免 去 了 DVD 碟 机 和 功 放 机 音 箱 的 配 置 这 些 功 能 可 以 全 部 装 在 CooCaa TV 中, 而 用 户 只 需 配 一 个 U 盘 插 入 电 视 中 即 可 使 用 在 创 维 CooCaa TV 上 看 高 清 电 影, 画 质 音 质 比 在 电 脑 上 观 看 就 好 了 许 多 倍 CooCaa TV 的 酷 影 酷 乐 和 酷 K 三 大 功 能 主 要 面 向 客 厅 多 媒 体 娱 乐 打 造, 它 的 出 现 将 彻 底 取 代 了 DVD 产 业, 并 把 电 脑 的 部 分 功 能 纳 入 旗 下, 实 现 彩 电 成 为 客 厅 娱 乐 中 心 的 目 标, 引 领 了 数 字 客 厅 新 革 命 从 以 分 析 上 可 以 看 出, 近 年 来 电 视 机 的 发 展 迅 猛, 技 术 更 新 的 周 期 越 来 越 短, 越 来 越 人 性 化 的 产 品 进 入 千 万 家 庭 中 电 视 机 的 发 展 将 浪 潮 一 浪 高 过 一 浪, 将 有 更 多 更 丰 富 的 产 品 造 福 消 费 者 数 字 电 视 的 原 理 及 优 势 1. 现 行 模 拟 电 视 及 其 存 在 的 问 题 电 视 的 概 念 及 工 作 原 理 早 在 19 世 纪 中 叶 就 已 提 出 了, 其 后 有 粗 糙 的 机 械 扫 描 电 视 系 统 出 现,20 世 纪 年 代 美 国 RCA 公 司 的 兹 沃 雷 金 等 人 先 后 发 明 光 电 摄 像 管 电 子 扫 描 系 统 和 电 子 束 显 像 管 等 部 器 件 后, 电 视 才 开 始 进 入 现 代 化 阶 段 年 黑 白 电 视 先 后 在 英 美 两 国 正 式 广 播, 并 迅 速 在 世 界 各 国 推 广 科 技 人 员 经 过 约 20 多 年 艰 苦 研 究 改 进, 又 发 明 了 彩 色 电 视 20 世 纪 50 年 代 初, 美 国 研 制 成 功 与 黑 白 电 视 兼 容 的 NTSC 制 式 的 彩 色 电 视 机, 并 于 1954 年 正 式 广 播 其 后 德 国 和 法 国 也 相 继 于 1963 年 和 1966 年 分 别 采 用 PAL 制 与 SECAM 制 彩 色 电 视 系 统, 与 NTSC 并 列, 成 为 世 界 各 国 和 地 区 所 采 用 的 三 种 彩 色 电 视 制 式 从 1929 年 英 国 BBC 采 用 机 械 扫 描 方 式 的 无 声 电 视 实 验 广 播 以 来, 电 视 广 播 经 历 了 从 机 械 扫 描 到 电 子 扫 描 无 声 电 视 到 有 声 电 视 黑 白 电 视 到 彩 色 电 视 的 模 拟 电 视 技 术 发 展 阶 段 上 述 三 种 电 视 制 式 都 是 模 拟 制, 采 用 隔 行 扫 描, 视 像 信 号 的 行 频 / 帧 频 有 15750Hz/30Hz 和 15625Hz/25Hz 两 种, 信 号 带 宽 也 有 6 兆 赫 8 兆 赫 等 多 种, 垂 直 分 解 力 在 300~400 线 之 间 随 着 电 视 屏 幕 尺 寸 的 增 加,300 多 线 的 清 晰 度 已 日 显 不 足 传 统 的 模 拟 电 视 系 统 采 用 4: 3 的 宽 高 比, 并 且 存 在 着 大 面 积 闪 烁 现 象 行 间 闪 烁 亮 色 互 串 并 行 重 影 等 问 题 因 此 有 必 要 对 现 行 的 电 视 系 统 进 行 改 进 有 线 数 字 电 视 是 在 目 前 普 通 使 用 的 模 拟 电 视 的 基 础 上, 发 展 起 来 的 新 一 代 电 视 通 过 模 拟 电 视 机 + 有 线 数 字 电 视 机 顶 盒 方 式 以 实 现 模 拟 电 视 机 对 数 字 电 视 节 目 和 数 据 信 息 模 拟 电 视 机 + 有 线 数 字 电 视 机 顶 盒 方 式 以 实 现 模 拟 电 视 机 对 数 字 电 视 节 目 和 数 据 信 息 的 接 收 16

17 数 字 电 视 技 术 (1) 用 户 可 以 收 看 到 更 多 的 电 视 节 目 采 用 数 字 化 技 术 以 后, 在 原 来 模 拟 电 视 传 输 一 套 节 目 的 频 道 中, 可 以 传 送 6~8 套 经 过 压 缩 解 码 过 的 数 字 视 频 节 目 这 样, 大 大 提 高 了 频 道 资 源 的 利 用 率, 使 得 在 原 来 的 有 线 电 视 网 络 上 可 以 播 放 的 节 目 增 加 6~8 倍, 从 而 最 多 可 以 传 送 大 约 500 套 节 目 (2) 数 字 电 视 比 模 拟 电 视 收 看 到 的 图 象 更 加 清 晰 数 字 电 视 将 传 统 的 模 拟 电 视 信 号 转 换 成 数 字 信 号 播 出, 提 供 标 准 清 晰 度 的 数 字 视 频 节 目, 与 一 般 有 线 电 视 相 比, 数 字 技 术 的 高 精 度 使 数 字 电 视 无 论 从 画 面 的 清 晰 度 还 是 声 音 效 果 都 大 大 地 提 高 了, 通 常 的 感 觉 就 像 在 看 DVD (3) 数 字 电 视 与 模 拟 电 视 相 比, 增 加 了 更 多 的 功 能, 满 足 用 户 的 个 性 化 需 求 如 : 电 子 政 务 北 京 之 窗 电 子 节 目 指 南 准 视 频 点 播 游 戏 股 票 等 等 以 后 还 可 以 实 现 在 线 购 物 在 线 订 餐 上 网 互 动 游 戏 等 等 (4) 由 于 采 用 数 字 信 号 进 行 传 输, 所 以 可 以 方 便 的 对 信 号 进 行 加 密 和 解 密, 从 而 实 现 通 信 的 安 全 性 有 线 数 字 电 视 是 在 目 前 普 通 使 用 的 模 拟 电 视 的 基 础 上, 发 展 起 来 的 新 一 代 电 视 通 过 模 拟 电 视 机 + 有 线 数 字 电 视 机 顶 盒 方 式 以 实 现 模 拟 电 视 机 对 数 字 电 视 节 目 和 数 据 信 息 的 接 收 2. 清 晰 度 高 音 频 效 果 好 抗 干 扰 能 力 强 数 字 电 视 信 号 的 传 输 不 像 模 拟 信 号 受 在 传 输 过 程 中 噪 声 积 累 的 影 响, 且 不 受 地 理 因 素 的 限 制, 几 乎 可 以 无 限 扩 大 覆 盖 面, 在 接 收 端 收 看 到 的 电 视 图 像 及 收 听 到 的 声 音 质 量 非 常 接 近 演 播 室 水 平 此 外, 数 字 电 视 的 音 频 效 果 好, 可 支 持 五 声 道 的 杜 比 数 码 (Ac-3)5.1 环 绕 立 体 声 家 庭 影 院 服 务 3. 频 道 数 量 将 成 倍 增 加 利 用 现 有 的 8MHz 的 一 个 模 拟 电 视 频 道, 可 传 输 8 套 高 质 量 的 数 字 电 视 节 目, 用 户 对 节 目 的 可 选 度 高 可 方 便 实 现 加 密 ( 解 密 ) 和 加 扰 ( 解 扰 ) 功 能, 便 于 专 业 应 用 ( 包 括 军 用 ) 以 及 广 播 应 用 ( 特 别 是 开 展 各 类 计 费 业 务 ) 而 条 件 接 收 系 统 的 应 用, 可 以 实 现 用 户 和 业 务 的 良 好 管 理 系 统 采 用 了 开 放 的 中 间 件 技 术, 能 实 现 各 式 各 样 的 交 互 式 应 用 易 于 实 现 信 号 存 储, 而 且 存 储 时 间 与 信 号 的 特 性 无 关, 易 于 开 展 多 种 增 值 业 务 由 于 保 留 了 现 有 模 拟 电 视 视 频 格 式, 用 户 端 仅 需 加 装 数 字 电 视 机 顶 盒 即 可 接 收 数 字 电 视 节 目 4. 扩 展 功 能 多 数 字 电 视 除 了 传 输 节 目 外, 还 具 备 上 网 点 播 实 时 查 询 股 票 信 息 等 功 能, 更 多 妙 趣 所 在, 还 需 要 您 自 己 在 使 用 中 细 细 体 会 数 字 电 视 预 制 有 条 件 接 收 (CA) 的 接 口, 对 节 目 进 行 加 密 从 而 实 现 按 照 观 看 内 容 进 行 收 费, 同 时 也 在 技 术 上 可 以 按 用 户 要 求 进 行 按 时 收 费 到 了 新 世 纪, 全 球 进 入 数 字 化 信 息 化 时 代, 数 字 化 是 科 技 发 展 的 必 然 趋 势, 广 播 电 视 不 可 能 游 离 于 之 外 数 字 化 是 广 电 行 业 的 一 次 技 术 转 型, 将 会 给 广 播 电 视 带 来 一 场 变 革, 也 会 给 国 家 和 社 会 带 来 变 化, 改 变 了 人 们 的 生 活 方 式 和 娱 乐 方 式 有 线 电 视 数 字 化 主 要 带 来 三 个 方 面 的 变 化 : 17

18 数 字 电 视 技 术 第 一, 量 的 变 化 现 在 通 过 有 线 电 视 网 可 以 看 到 30~50 套 电 视 节 目 数 字 化 之 后, 可 以 看 到 几 百 套 电 视 节 目, 不 仅 能 看 到 现 有 的 频 道, 还 可 以 看 到 多 样 化 专 业 化 个 性 化 的 频 道, 如 足 球 频 道 健 康 频 道 幼 儿 教 育 频 道 老 年 频 道 等, 满 足 人 们 不 同 的 需 求 第 二, 质 的 变 化 数 字 化 之 后, 我 们 的 电 视 机 变 成 了 多 媒 体 信 息 终 端, 不 仅 能 看 电 视 节 目, 还 可 以 听 广 播, 可 以 获 得 多 种 信 息 资 讯 服 务, 可 以 通 过 电 视 购 物 缴 水 电 费, 成 为 人 们 生 活 中 不 可 缺 少 的 工 具, 成 为 社 会 现 代 服 务 业 的 支 撑 平 台 第 三, 方 式 的 改 变 现 在 看 电 视 是 被 动 地 按 电 视 台 的 播 出 时 间, 电 视 台 什 么 时 候 播, 我 们 就 只 能 什 么 时 候 看 数 字 化 之 后, 我 们 可 以 主 动 地 看, 根 据 自 己 的 时 间 选 取 自 己 喜 欢 看 的 节 目 大 家 可 能 都 有 这 样 一 种 经 历, 因 为 有 事 情 抽 不 出 时 间 而 错 过 了 新 闻 联 播 焦 点 访 谈 或 一 场 球 赛, 数 字 化 后 这 些 节 目 可 以 像 超 市 里 的 产 品 一 样 由 观 众 随 意 点 播, 大 家 就 可 以 不 用 为 错 过 某 一 个 节 目 而 遗 憾 了 可 以 说, 广 播 电 视 数 字 化 在 满 足 公 共 需 求 和 普 遍 要 求 的 同 时, 为 用 户 提 供 了 一 对 一 端 到 端 的 个 性 化 服 务, 为 政 府 社 会 各 界 和 人 民 群 众 搭 建 了 新 的 信 息 平 台 和 服 务 窗 口 数 字 电 视 技 术 与 原 有 的 模 拟 电 视 技 术 相 比, 有 如 下 优 点 : (1) 数 字 信 号 在 抗 干 扰 性 和 几 乎 无 误 差 完 美 的 图 像 和 声 音 的 广 播 上, 其 性 能 要 优 于 模 拟 信 号 数 字 信 号 在 传 输 过 程 中 通 过 再 生 技 术 和 纠 错 编 解 码 技 术 使 噪 声 不 逐 步 积 累, 基 本 不 产 生 新 的 噪 声, 保 持 信 噪 比 基 本 不 变, 收 端 图 像 质 量 基 本 保 持 与 发 端 一 致, 可 实 现 高 保 真 传 输, 图 像 伴 音 质 量 与 演 播 室 效 果 无 差 异, 能 够 获 得 高 清 晰 度 视 频 效 果 及 杜 比 AC 声 道 环 绕 立 体 声 音 频 效 果, 适 合 多 环 节 长 距 离 传 输 电 视 信 号 经 过 数 字 化 后 是 用 若 干 位 二 进 制 的 两 个 电 平 来 表 示, 即 在 时 间 和 幅 度 上 都 离 散 化 的 信 号 ( l 和 0 ), 因 而 在 连 续 处 理 过 程 中 或 在 传 输 过 程 中 衰 减 或 引 入 杂 波 后, 其 杂 波 幅 度 只 要 不 超 过 某 一 额 定 电 平, 通 过 数 字 信 号 再 生, 都 可 以 把 它 清 除 掉, 即 使 某 一 杂 波 电 平 超 过 额 定 值 造 成 误 码, 也 可 以 利 用 纠 错 编 解 码 技 术 把 它 们 纠 正 过 来, 所 以, 在 数 字 信 号 传 输 过 程 中, 不 会 降 低 信 噪 比 而 模 拟 信 号 是 在 时 间 和 幅 度 上 都 连 续 的 信 号, 因 而 在 信 号 的 采 集 处 理 记 录 传 送 及 接 收 的 整 个 过 程 中 所 产 生 的 非 线 性 失 真 和 引 人 的 附 加 噪 声 都 是 累 加 的, 模 拟 信 号 在 处 理 和 传 输 中, 每 次 都 可 能 引 入 新 的 杂 波, 为 了 保 证 最 终 输 出 有 足 够 的 信 噪 比, 就 必 须 对 各 种 处 理 设 备 提 出 较 高 信 噪 比 的 要 求 (2) 数 字 设 备 输 出 信 号 稳 定 可 靠 因 数 字 信 号 只 有 0 和 1 两 个 电 平, 1 电 平 的 幅 度 大 小 只 要 满 足 处 理 电 路 中 能 识 别 出 是 1 电 平 即 可, 因 而 能 够 避 免 在 模 拟 系 统 中 非 线 性 失 真 对 图 像 的 影 响, 消 除 了 微 分 增 益 和 微 分 相 位 失 真 引 起 的 图 像 畸 变 由 于 数 字 电 路 的 集 成 度 要 比 模 拟 电 路 较 易 做 得 高, 因 而 有 利 于 设 备 小 型 化 和 提 高 设 备 的 可 靠 性 (3) 易 于 实 现 信 号 的 存 储 和 进 行 数 字 处 理 数 字 电 视 信 号 具 有 极 强 的 可 复 制 性, 用 在 节 目 制 作 上 可 提 高 图 像 质 量 通 过 使 用 各 种 数 字 处 理, 如 帧 存 储 器 数 字 特 技 机 数 字 时 基 校 正 器, 产 生 新 的 特 技 形 式, 增 强 了 屏 幕 艺 术 效 果 ; 由 于 计 算 机 多 媒 体 技 术 与 数 字 电 视 技 术 相 结 合 而 产 生 了 非 线 性 编 辑 系 统 和 虚 拟 演 播 室 系 统, 完 成 用 模 拟 技 术 不 可 能 达 到 的 处 理 功 能 (4) 可 以 合 理 地 利 用 各 种 类 型 的 频 谱 资 源 数 字 信 号 可 使 用 基 于 冗 余 度 缩 减 的 压 缩 编 码 技 术, 以 提 高 频 谱 利 用 率 增 加 系 统 可 靠 性 降 低 运 行 费 用 以 地 面 广 播 而 言, 数 字 电 视 可 以 启 用 模 拟 电 视 禁 用 频 道, 而 且 在 今 后 能 够 采 用 单 频 率 网 络 (single frequency network) 技 术 进 行 节 目 的 大 面 积 有 效 覆 盖, 即 相 同 的 数 据 流, 用 两 个 或 更 多 的 物 理 上 独 立 的 发 射 机 在 相 同 的 频 率 上 发 射, 接 收 到 的 混 合 信 号 再 进 行 均 衡 处 理 如 用 一 个 数 字 电 视 频 道 完 成 一 套 电 视 节 18

19 数 字 电 视 技 术 目 的 全 国 覆 盖 利 用 数 字 压 缩 技 术 使 传 输 信 道 带 宽 比 模 拟 电 视 明 显 减 少, 进 行 地 面 方 式 发 送 时, 原 PAL 信 道 可 播 放 l 套 数 字 高 清 晰 度 电 视 HDTV 或 四 套 标 准 格 式 数 字 电 视 SDTV, 有 线 电 视 网 中 的 一 个 PAL 通 道 可 播 8~10 套 标 准 清 晰 度 数 字 电 视 SDTV 对 于 卫 星 传 输 及 广 播, 利 用 数 字 压 缩 技 术, 在 一 个 卫 星 频 道 上 转 发 多 套 电 视 节 目, 达 到 节 省 卫 星 信 道 的 目 的, 提 高 传 输 容 量 (5) 很 容 易 实 现 加 密 解 密 和 加 扰 解 扰 技 术, 便 于 专 业 应 用 ( 包 括 军 用 ) 以 及 广 播 应 用 ( 特 别 是 开 展 各 类 收 费 业 务 ) 采 用 数 字 编 码 方 法, 便 于 实 现 加 扰 和 解 扰 技 术, 使 收 费 电 视 在 实 际 中 得 以 应 用 (6) 数 字 电 视 信 号 具 有 可 扩 展 性 可 分 级 性 和 互 操 作 性, 便 于 在 各 类 通 信 信 道 特 别 是 异 步 转 移 模 式 (ATM) 的 网 络 中 传 输, 也 便 于 与 计 算 机 网 络 联 通 HDTV 数 据 包 长 度 是 188 个 字 节, 正 好 是 ATM 信 元 的 整 数 倍, 因 此 可 用 4 个 ATM 信 元 来 完 整 地 传 送 一 个 HDTV 传 送 包, 因 而 可 实 现 HDTV 与 ATM 的 方 便 接 口 随 着 电 视 数 字 设 备 向 多 媒 体 方 向 发 展, 可 形 成 开 放 性 的 电 视 多 媒 体 网 络, 方 便 与 各 类 计 算 机 网 络 联 通, 达 到 信 息 共 享 (7) 数 字 电 视 技 术 带 来 新 的 业 务 如 提 供 与 节 目 相 关 的 数 据, 将 与 节 目 有 关 的 数 据 随 节 目 一 起 传 送 如 用 户 通 过 电 视 台 传 送 的 电 视 节 目 指 南, 可 以 了 解 节 目 的 播 出 时 间 和 简 要 内 容, 帮 助 观 众 方 便 快 速 地 寻 找 自 己 感 兴 趣 的 节 目 进 行 数 据 广 播, 如 游 戏 软 件 图 片 股 票 信 息 电 子 报 纸 等, 用 户 可 以 根 据 自 己 的 需 要 选 择 与 节 目 有 关 的 数 据 和 信 息 进 行 交 互 式 业 务, 利 用 电 话 线 或 有 线 电 视 回 传 通 道, 实 现 用 户 与 电 视 中 心 和 有 线 电 视 前 端 的 交 互 操 作, 如 VOD 远 程 教 学 电 视 会 议 等 数 字 电 视 的 分 类 数 字 电 视 有 很 多 种 分 类 方 法, 数 字 电 视 系 统 可 按 节 目 制 作, 一 次 分 配 二 次 分 配 发 送 和 接 收 分 类 ; 也 可 以 按 传 输 系 统 分 类 ; 或 按 消 费 类 专 业 类 和 演 播 室 数 字 设 备 分 类 ; 或 按 清 晰 度 业 务 分 类 一 般 可 以 按 以 下 几 种 方 式 分 类 : (1) 按 信 号 传 输 方 式 可 以 分 为 地 面 无 线 传 输 ( 地 面 数 字 电 视 ) 卫 星 传 输 ( 卫 星 数 字 电 视 ) 有 线 传 输 ( 有 线 数 字 电 视 ) 三 类 (2) 数 字 电 视 按 清 晰 度 一 般 分 为 普 及 型 清 晰 度 数 字 电 视 (PDTV) 标 准 清 晰 度 数 字 电 视 (SDTV) 增 强 清 晰 度 数 字 电 视 (EDTV) 和 高 清 晰 度 数 字 电 视 (HDTV) 四 种 不 同 清 晰 度 级 别 的 数 字 电 视 之 间 具 有 向 下 兼 容 性, 高 端 产 品 可 以 兼 容 低 端 产 品 普 通 清 晰 度 PDTV: 其 清 晰 度 为 250~300 线 左 右, 或 像 素, 码 率 为 1~ 2Mbit/s, 压 缩 算 法 为 MPEG-1 和 MPEG-2, 适 用 VCD 及 会 议 电 视 等 VCD 的 图 像 格 式 属 于 普 及 型 清 晰 度 数 字 电 视 (PDTV) 水 平 标 准 清 晰 度 SDTV: 其 清 晰 度 为 350~600 线 左 右, 或 像 素, 码 率 为 3~ 8Mbit/s, 采 用 MPEG-2 压 缩 算 法, 要 求 电 视 具 备 480 线 隔 行 (480i) 或 576 线 隔 行 (576i) 扫 描,SDTV 采 用 兼 容 16:9 和 4:3 模 式, 通 常 用 于 卫 星 电 视 及 DVD 等 DVD 的 图 像 格 式 属 于 标 准 清 晰 度 数 字 电 视 (SDTV) 水 平 增 强 型 清 晰 度 EDTV: 其 性 能 参 数 介 于 SDTV 及 HDTV 之 间 要 求 电 视 具 备 480 线 逐 行 ( P) 或 576 线 逐 行 ( P) 扫 描, 屏 幕 幅 型 比 为 16:9 或 4:3 高 清 晰 度 HDTV: 其 清 晰 度 为 800~1000 线 左 右, 或 象 素, 码 率 为 19

20 20 数 字 电 视 技 术 18~20Mbit/s, 采 用 MPEG-2 算 法 高 清 晰 度 数 字 电 视 必 须 至 少 具 备 720 线 逐 行 ( P) 或 1080 线 隔 行 ( i) 扫 描, 屏 幕 幅 型 比 为 16:9, 音 频 为 杜 比 数 字 格 式 或 MPEG-2 格 式 SMPTE( 美 国 电 影 电 视 工 程 协 会 ) 将 数 字 高 清 信 号 根 据 扫 描 线 分 为 P/60Hz i/50Hz i/60Hz P/50Hz P/60Hz(p 代 表 progressive, i 代 表 interlaced) 五 种 格 式 我 国 推 出 的 EVD 和 HDV 影 碟 机 的 图 像 格 式 属 于 高 清 晰 度 数 字 电 视 (HDTV) 水 平 (3) 按 发 送 信 号 的 幅 型 可 以 分 为 4 3 幅 型 比 和 16 9 幅 型 比 两 种 类 型 但 HDTV 一 定 是 16:9 宽 幅 型 比 的 由 此 可 以 看 出, 数 字 电 视 是 指 系 统, 高 清 晰 度 电 视 是 指 系 统 内 的 业 务 高 清 晰 度 电 视 并 不 一 定 就 是 数 字 电 视, 数 字 电 视 也 不 全 是 高 清 晰 度 电 视, 但 目 前 所 说 的 HDTV 一 般 指 高 清 晰 度 数 字 电 视 数 字 电 视 系 统 与 模 拟 电 视 系 统 的 根 本 区 别 在 于 电 视 信 号 编 码 和 传 输 体 制 的 革 命 性 改 变, 即 信 源 和 信 道 部 分 数 字 技 术 的 采 用 数 字 电 视 信 号 编 码 方 式 将 电 视 模 拟 信 号 转 变 为 数 字 信 号 并 进 行 处 理 记 录 存 储 传 输 和 接 收 的 技 术 数 字 广 播 电 视 包 括 图 像 信 号 ( 同 步 信 号 和 伴 音 信 号 ) 的 数 字 化 数 字 电 视 系 统 与 模 拟 电 视 系 统 相 比, 其 优 点 是 信 号 经 多 次 转 接 切 换 和 远 距 离 传 输 而 没 有 失 真 的 积 累, 抗 干 扰 性 能 强, 图 像 质 量 好 数 字 电 视 系 统 可 实 现 模 拟 电 视 系 统 难 以 高 质 量 实 现 的 功 能, 如 时 轴 处 理 制 式 转 换 电 视 特 技 等 它 和 计 算 机 相 配 合, 可 实 现 电 视 信 号 的 实 时 处 理 此 外, 数 字 电 视 便 于 图 像 信 号 和 伴 音 信 号 的 时 分 复 用 传 输 数 字 电 视 首 先 应 用 于 电 视 中 心, 而 在 传 输 方 面 应 用 较 晚 这 是 因 为 电 视 信 号 数 字 化 后 数 码 率 很 高, 占 用 频 带 较 宽, 原 有 的 传 输 信 道 已 不 适 应 要 求 的 缘 故 但 是, 光 纤 通 信 的 发 明, 开 辟 了 新 的 宽 频 带 信 道 另 外, 数 字 电 视 压 缩 编 码 技 术 能 显 著 压 缩 频 带, 因 而 数 字 电 视 的 传 输 也 正 在 迅 速 发 展 电 视 信 号 数 字 化 系 统 首 先 将 模 拟 电 视 信 号 编 码 为 数 字 信 号, 然 后 在 信 道 中 传 输 或 在 设 备 中 存 储 并 加 工 处 理, 最 后 由 译 码 器 ( 亦 称 解 码 器 ) 把 数 字 信 号 还 原 为 模 拟 信 号 为 了 减 少 信 道 传 输 中 产 生 的 误 码, 要 加 信 道 编 码 器 进 行 纠 错 为 了 适 应 不 同 特 性 的 信 道, 信 号 应 进 行 不 同 的 调 制 和 变 换 彩 色 电 视 信 号 所 用 PCM 编 码 方 式 有 两 种, 即 复 合 编 码 和 分 量 编 码 复 合 编 码 是 将 模 拟 的 全 电 视 信 号 直 接 进 行 模 数 转 换, 以 形 成 数 字 式 全 电 视 信 号 ; 而 分 量 编 码 则 是 分 别 对 Y,(R-Y), (B-Y) 信 号 进 行 模 数 转 换, 然 后 将 这 些 信 号 并 路 合 成 为 数 字 式 全 电 视 信 号 为 了 获 得 高 质 量 的 数 字 化 电 视 信 号 和 便 于 国 际 间 的 节 目 交 换, 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 (CCIR)601 号 建 议 中 要 求 全 数 字 化 的 电 视 中 心 采 用 分 量 编 码, 以 便 不 同 彩 色 电 视 制 式 采 用 统 一 的 编 码 标 准 其 取 样 频 率 定 为 :Y 信 号 用 13.5 兆 赫,(R-Y) 和 (B-Y) 信 号 用 6.75 兆 赫, 都 是 8 比 特 均 匀 量 化 PCM 编 码 3 种 : 数 字 电 视 信 号 的 记 录 利 用 磁 盘 磁 带 或 其 他 载 体 实 现 数 字 记 录 的 技 术 记 录 设 备 有 以 下 (1) 电 子 静 止 图 像 存 储 库 将 数 字 电 视 信 号 存 储 在 一 个 磁 盘 或 一 组 磁 盘 上, 磁 盘 转 速 与 帧 频 或 场 频 相 同, 数 据 的 写 入 读 出 均 用 磁 头 和 磁 盘 表 面 的 磁 感 应 来 实 现 这 种 设 备 的 特 点 是 可 存 储 数 百 到 数 千 帧 图 像, 并 可 通 过 计 算 机 灵 活 编 辑 它 能 代 替 飞 点 扫 描 器, 还 可 供 制 作

21 数 字 电 视 技 术 动 画 和 电 子 绘 图 (2) 数 字 磁 带 录 像 机 将 数 字 电 视 信 号 存 储 在 磁 带 上 它 的 机 械 结 构 与 模 拟 录 像 机 类 似 但 数 字 图 像 信 息 的 码 率 很 高 (106~216 兆 比 特 / 秒 ), 记 录 时 必 须 采 用 高 密 度 磁 带, 增 加 磁 头 与 磁 带 间 的 相 对 速 度, 或 采 用 压 缩 编 码 技 术 数 字 磁 带 录 像 机 的 特 点 是, 经 几 十 次 复 制 后 的 图 像 质 量 无 明 显 下 降, 而 模 拟 录 像 机 经 数 次 复 制 后 质 量 便 明 显 下 降 (3) 数 字 视 频 存 储 器 不 同 于 电 子 静 止 图 像 存 储 库 和 数 字 磁 带 录 像 机, 它 用 集 成 电 路 作 存 储 元 件, 主 要 特 点 是 快 速 随 机 存 取, 且 长 时 间 存 储 图 像 质 量 不 下 降 按 存 储 容 量 大 小 可 分 为 行 场 帧 等 存 储 器 数 字 视 频 存 储 器 在 数 字 电 视 中, 应 用 相 当 广 泛 它 常 用 在 数 字 电 视 信 号 高 速 实 时 处 理 的 各 种 设 备, 如 制 式 转 换 器 帧 同 步 器 时 基 校 正 器 等, 在 压 缩 编 码 和 静 止 图 像 传 输 等 装 置 中 也 得 到 广 泛 应 用 此 外, 它 也 是 计 算 机 图 像 处 理 系 统 中 输 入 输 出 设 备 的 重 要 组 成 部 分 数 字 电 视 信 号 处 理 利 用 数 字 技 术 实 现 电 视 图 像 信 号 的 频 带 压 缩 图 像 质 量 的 改 善 和 电 视 特 技 等 功 能 的 技 术 它 是 数 字 图 像 处 理 原 理 在 电 视 中 的 应 用 电 视 信 号 虽 然 是 一 维 时 间 信 号, 但 它 代 表 的 却 是 空 间 ( 或 平 面 的 ) 图 像 因 此, 它 具 有 多 维 信 息 的 特 征, 数 字 化 后 的 码 率 很 高 传 输 时 要 求 很 宽 的 信 道 带 宽, 存 储 时 要 求 存 储 器 的 容 量 很 大 这 就 产 生 了 图 像 处 理 的 数 据 压 缩 问 题 当 电 视 图 像 从 一 种 形 式 转 变 为 另 一 种 形 式 时, 例 如 摄 像 录 制 处 理 传 输 或 显 示 等, 输 出 图 像 的 质 量 可 能 不 及 输 入 图 像 质 量 图 像 增 强 则 是 有 选 择 地 强 调 和 抑 制 图 像 中 的 某 些 信 息, 以 改 善 图 像 的 质 量 因 此, 它 在 数 字 电 视 中 得 到 较 多 的 应 用 例 如 γ 校 正 ( 对 比 度 增 强 ) 轮 廓 校 正 孔 阑 校 正 ( 去 模 糊 或 锐 化 ) 以 及 降 噪 等 除 孔 阑 效 应 外, 传 输 与 显 示 系 统 的 高 空 间 频 率 比 低 空 间 频 率 有 较 大 衰 减, 还 可 能 引 起 轮 廓 失 真 数 字 电 视 设 备 为 了 提 高 播 出 图 像 的 质 量, 电 视 中 心 采 用 以 下 各 种 数 字 电 视 设 备 : (1) 数 字 时 基 校 正 器 用 以 改 善 录 像 机 重 放 图 像 的 质 量 录 像 机 重 放 的 图 像 信 号 时 基 误 差 较 大, 会 造 成 编 辑 和 多 次 复 制 时 图 像 质 量 下 降, 所 以 必 须 采 取 校 正 措 施 首 先 将 被 校 正 的 信 号 以 它 的 时 基 信 号 为 基 准 写 入 存 储 器, 然 后 以 电 视 中 心 的 时 基 信 号 为 基 准 读 出, 即 可 得 到 时 基 误 差 较 小 的 视 频 信 号 (2) 帧 同 步 器 用 以 将 不 同 来 源 的 非 同 步 电 视 信 号 变 成 同 步 的 电 视 信 号, 以 便 进 行 切 换 和 特 技 混 合 等 处 理 它 能 解 决 用 同 步 锁 相 方 法 不 能 解 决 的 多 个 信 号 源 同 步 的 问 题 它 的 原 理 与 时 基 校 正 器 基 本 相 同, 只 是 帧 同 步 器 的 存 储 量 要 求 至 少 为 一 帧 写 入 由 输 入 视 频 信 号 形 成 的 时 基 信 号 控 制 ; 读 出 由 电 视 中 心 的 时 基 信 号 控 制 (3) 数 字 制 式 转 换 器 用 以 将 不 同 制 式 的 电 视 信 号 互 相 转 换, 便 于 国 际 间 电 视 节 目 交 换 它 的 原 理 是 将 数 字 化 后 的 视 频 信 号 存 储 起 来, 存 储 量 为 一 帧 ; 然 后 采 用 空 间 滤 波 器 和 时 间 复 用 器, 将 复 合 编 码 所 产 生 的 数 字 信 号 源 变 换 为 亮 度 和 色 度 信 号 按 时 间 分 割 的 数 字 信 号 源 ; 用 场 内 插 器 改 变 输 入 信 号 的 场 频, 用 行 内 插 器 改 变 输 入 信 号 的 行 数 ; 最 后 用 新 的 副 载 波 对 处 理 后 的 模 拟 信 号 进 行 重 新 调 制, 完 成 制 式 转 换 (4) 数 字 视 频 特 技 发 生 器 能 将 图 像 作 各 种 变 换, 如 压 缩 ( 将 原 来 的 宽 高 比 缩 小 ) 位 移 ( 压 缩 后 移 至 不 同 位 置 ) 扩 张 ( 将 原 来 的 宽 高 比 放 大 ) 复 合 冻 结 ( 将 一 个 完 整 的 动 作 分 成 4 9 或 16 个 分 解 动 作, 同 时 显 示 在 画 面 上 ) 裂 像 ( 可 将 图 像 在 水 平 方 向 或 垂 直 方 向 分 开, 使 第 二 个 画 面 透 过 裂 开 的 画 面 显 示 出 来 ) 它 把 帧 存 储 器 与 计 算 机 结 合 起 来, 按 编 好 的 程 序 进 21

22 数 字 电 视 技 术 行 时 基 变 换 取 样 点 数 变 换 和 起 始 位 置 变 换 等 以 实 现 必 要 的 特 技 显 示 数 字 电 视 信 号 的 传 输 电 视 信 号, 特 别 是 彩 色 电 视 信 号, 具 有 很 大 的 信 息 量 如 按 CCIR601 号 建 议 作 PCM 数 字 化, 则 一 套 彩 色 电 视 节 目 需 要 216 兆 比 特 / 秒 的 码 率 若 直 接 传 送 则 需 要 频 带 极 宽 的 传 输 信 道 已 有 的 微 波 和 卫 星 信 道 远 不 能 满 足 需 要, 因 而 必 须 压 缩 码 率 为 了 与 数 字 电 话 系 统 的 码 率 等 级 相 匹 配, 必 须 将 码 率 压 缩 到 34~140 兆 比 特 / 秒 电 视 图 像 像 素 间 行 间 帧 间 的 相 关 性 较 强, 因 而 图 像 信 息 中 存 在 很 大 的 多 余 度 在 不 明 显 损 害 图 像 质 量 的 情 况 下, 如 何 减 少 图 像 信 息 的 多 余 度 ( 或 解 除 其 相 关 性 ) 是 实 现 压 缩 编 码 的 中 心 问 题 常 用 的 压 缩 编 码 有 两 类 : 空 间 域 中 的 图 像 编 码, 即 预 测 编 码 ( 又 称 差 值 脉 码 调 制, 即 PCM), 和 变 换 域 中 的 图 像 编 码, 即 变 换 编 码 (1) 预 测 编 码 对 于 当 前 像 素 值, 用 过 去 像 素 值 的 加 权 和 作 为 它 的 预 测 值 求 出 两 者 的 差 值, 然 后 对 差 值 进 行 量 化 编 码 并 传 送 这 一 差 值 序 列 的 相 关 性 较 弱, 因 而 可 用 较 少 的 量 化 比 特 数 编 码 达 到 压 缩 码 率 的 目 的 (2) 变 换 编 码 将 一 帧 图 像 分 成 若 干 个 子 图 像, 然 后 对 每 一 子 图 像 进 行 正 交 变 换, 基 本 上 可 解 除 变 换 系 数 间 的 相 关 性 然 后 对 不 同 系 数 进 行 不 同 的 量 化 比 特 数 的 编 码 正 交 变 换 可 将 子 图 像 从 一 个 域 ( 比 如 空 间 域 ) 变 换 到 另 一 个 域 ( 比 如 变 换 域 ) 变 换 后, 能 量 集 中 在 变 换 域 中 的 少 数 项 上, 保 留 这 些 项 并 弃 舍 其 他 项 即 可 达 到 压 缩 码 率 的 目 的 预 测 编 码 和 变 换 编 码 不 仅 可 在 帧 内, 也 可 以 帧 间 进 行 电 视 编 码 传 输 的 发 送 端, 在 信 源 编 码 器 后 还 有 信 道 编 码 器 它 的 功 能 是 插 入 纠 错 码, 以 便 对 误 码 起 防 护 作 用 1.3 数 字 电 视 系 统 组 成 及 关 键 技 术 数 字 电 视 系 统 架 构 模 拟 电 视 最 明 显 的 缺 点 是 在 传 输 过 程 中 图 象 的 损 伤, 因 为 信 号 的 非 线 型 失 真 积 累 似 的 图 象 对 比 度 会 产 生 越 来 越 大 的 畸 变, 长 距 离 传 输 后, 图 象 的 信 噪 比 也 会 下 降, 图 象 的 清 晰 度 越 来 越 低, 香 味 失 真 的 积 累 也 会 使 得 图 象 产 生 彩 色 失 真 镶 边 和 重 影 模 拟 电 视 还 有 稳 定 度 差 可 靠 性 低 调 整 不 便 集 成 自 动 控 制 困 难 等 缺 点 一 个 完 整 的 数 字 电 视 系 统 同 模 拟 电 视 广 播 系 统 一 样, 也 是 由 节 目 源 传 输 和 接 收 三 大 环 节 组 成, 具 体 结 构 展 开 如 图 1-2 所 示 数 字 电 视 系 统 主 要 由 信 源 编 解 码 节 目 流 与 传 送 流 多 路 复 用 / 解 多 路 复 用 信 道 传 输 信 道 编 解 码 等 设 备 组 成 其 中 信 源 编 码 主 要 包 括 视 频 编 码 音 频 编 码 数 据 编 码 三 部 分, 信 道 编 码 主 要 是 采 用 RS 编 码 数 据 交 织 TCM 联 合 编 码 调 制 等 技 术, 调 制 方 案 可 以 采 用 QPSK QAM COFDM VSB 等 调 制 技 术 在 接 收 端, 可 以 采 用 数 字 电 视 接 收 机, 它 应 具 备 调 谐 接 收 解 调 解 扰 解 多 路 复 用 等 功 能, 能 将 MPEG-2 压 缩 编 码 后 的 码 流 解 码 还 原 成 为 视 频 音 频 信 号, 从 而 重 现 数 字 演 播 室 传 送 来 的 图 像 与 伴 音 节 目 ; 也 可 利 用 模 拟 电 视 接 收 机 +STB 数 字 机 顶 盒 ) 的 方 式 实 现 接 收,( 其 中 数 字 机 顶 盒 应 具 有 调 谐 22

23 数 字 电 视 技 术 图 1-2 数 字 电 视 系 统 框 图 接 收 解 调 解 扰 解 多 路 复 用 等 功 能 ), 解 码 后 输 出 模 拟 视 频 音 频 信 号, 由 模 拟 电 视 接 收 机 显 示 图 像 与 输 出 伴 音 数 字 电 视 关 键 性 能 指 标 数 字 电 视 关 键 性 能 指 标 如 下 : (1) 信 道 传 输 速 率 信 道 的 传 输 速 率 通 常 是 以 每 秒 所 传 输 的 信 息 量 多 少 来 衡 量 信 息 论 中 定 义 信 源 发 生 信 息 量 的 度 量 单 位 是 比 特 (bit) 一 个 二 进 制 码 元 所 含 的 信 息 量 是 一 个 比 特, 所 以 信 息 传 输 速 率 的 单 位 是 比 特 / 秒 (bit/s) 例 如 一 个 数 字 通 信 系 统, 它 每 秒 传 输 600 个 二 进 制 码 元, 它 的 信 息 传 输 速 率 是 600 比 特 / 秒 (600bit/s) (2) 符 号 传 输 速 率 它 是 指 单 位 时 间 ( 秒 ) 内 传 输 的 码 元 数 目, 其 单 位 为 波 特 这 里 的 码 元 可 以 是 二 进 制 的, 也 可 以 是 多 进 制 的 符 号 传 输 速 率 M 和 信 息 传 输 速 率 R 的 关 系 为 R=Nlog2M 当 码 元 为 二 进 制 时 M 为 2, 码 元 为 四 进 制 时 M 为 4 如 果 符 号 速 率 为 600 波 特, 在 二 进 制 时, 信 息 传 输 速 率 为 600 比 特 / 秒, 在 四 进 制 时 为 1200 比 特 / 秒 (3) 误 码 率 信 码 在 传 输 过 程 中, 由 于 信 道 不 理 想 以 及 噪 声 的 干 扰, 以 致 在 接 收 端 判 决 再 生 后 的 码 元 可 能 出 现 错 误, 这 叫 误 码 误 码 的 多 少 用 误 码 率 来 衡 量, 误 码 率 是 数 字 通 信 系 统 中 单 位 时 间 内 错 误 码 元 数 与 发 送 总 码 元 数 之 比 误 码 越 多, 误 码 率 越 大 电 视 系 统 数 字 化 趋 势 在 通 信 领 域 内 的 数 字 化 已 为 人 们 所 熟 悉, 例 如 程 控 电 话 计 算 机 通 信 以 及 移 动 通 信 都 实 现 了 数 字 化 近 年 来, 电 视 领 域 也 发 生 了 一 系 列 的 变 化, 在 电 视 节 目 的 制 作 设 备 方 面 已 有 很 大 一 部 分 实 现 了 数 字 处 理 ; 在 电 视 节 目 的 储 存 设 备 方 面 也 出 现 了 许 多 数 字 设 备, 包 括 人 们 最 23

24 数 字 电 视 技 术 熟 悉 的 VCD 等 ; 在 节 目 的 传 输 方 面, 我 们 从 卫 星 上 已 可 以 接 收 到 多 套 数 字 压 缩 编 码 的 节 目 电 视 系 统 的 全 面 数 字 化 正 以 超 出 人 们 预 料 的 速 度 向 前 发 展, 这 就 要 求 人 们 不 断 更 新 知 识, 以 便 跟 上 技 术 发 展 的 步 伐 电 视 系 统 的 全 面 数 字 化 将 会 引 起 一 系 列 技 术 革 新 : (1) 将 最 终 形 成 电 视 电 话 和 计 算 机 三 网 合 一 的 综 合 数 字 业 务 网 原 本 是 完 全 不 同 的 媒 体 的 电 视 广 播 电 话 和 计 算 机 数 据 通 信, 在 全 部 数 字 化 后, 都 使 用 同 一 符 号 0 和 1, 只 不 过 它 们 的 速 率 不 同 而 已, 人 们 可 以 把 信 号 组 合 在 一 起, 通 过 一 个 双 向 宽 带 网 送 到 每 个 家 庭 (2) 全 面 数 字 的 第 二 个 特 点 是 电 视 制 式 将 实 现 全 球 统 一, 不 再 会 有 NTSC PAL 和 SECAM 等 不 同 的 电 视 制 式, 而 将 统 一 在 ITU-R601 数 字 标 准 之 中 因 此 更 利 于 节 目 的 交 换 和 信 息 的 交 流 在 数 字 系 统 中 标 准 不 仅 仅 对 设 备 外 围 的 接 口, 而 且 对 数 字 信 号 处 理 的 整 个 流 程 和 细 节 都 作 了 详 细 规 定 MPEG 标 准 将 对 数 字 电 视 的 各 种 应 用 和 系 统 层 作 出 详 细 规 定 DVB 则 对 各 种 传 输 媒 介, 如 卫 星 电 缆 和 地 面 传 输 中 的 各 种 处 理 环 节 进 行 了 规 定 (3) 全 面 数 字 化 的 第 三 个 影 响 是 数 字 电 视 业 务 的 可 分 级 性 带 来 的 各 种 业 务 的 统 一 性, 不 同 质 量 的 信 源 只 是 占 用 的 比 特 率 不 同, 而 具 有 相 同 的 格 式, 如 家 用 质 量 的 电 视 信 号 比 特 率 为 5Mbps, 专 业 级 质 量 在 4~5Mbps, 广 播 级 质 量 在 8~9Mbps, 但 都 打 成 MPEG-2 传 送 包, 可 以 在 同 一 个 设 备 中 完 成 各 种 不 同 级 别 的 图 像 业 务 1.4 数 字 电 视 的 发 展 方 向 24 随 着 数 字 视 频 压 缩 技 术 的 不 断 发 展, 模 糊 逻 辑 的 控 制 技 术 逐 渐 成 熟, 卫 星 通 讯 技 术 及 计 算 机 网 络 的 蓬 勃 发 展, 多 种 技 术 先 进 的 数 字 电 视 已 成 为 未 来 市 场 发 展 的 必 然 趋 势 高 清 晰 度 电 视 1. 高 清 晰 度 电 视 的 概 念 高 清 晰 度 电 视 是 一 种 电 视 业 务, 所 谓 理 想 的 高 清 晰 度 电 视 HDTV(High Definition Television) 是 一 种 全 透 明 的 系 统, 它 是 指 一 个 视 力 正 常 的 人 在 和 电 视 机 显 示 屏 幕 的 距 离 等 于 系 统 显 示 屏 高 度 的 三 倍 时 所 看 到 的 电 视 图 像 质 量 和 观 看 原 始 景 物 时 所 得 的 印 象 相 同 原 CCIR ( 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 ) 为 HDTV 下 的 定 义 是 : 当 观 看 距 离 为 屏 幕 高 度 三 倍 时,HDTV 的 垂 直 清 晰 度 和 水 平 清 晰 度 应 是 现 行 电 视 系 统 的 二 倍 以 上, 幅 型 比 是 16:9, 并 配 有 多 声 道 的 优 质 伴 音 图 象 质 量 等 于 或 者 超 过 35mm 电 影 胶 片 质 量 的 电 视, 它 传 送 的 视 频 信 号 量 为 普 通 电 视 的 四 至 五 倍 2. 高 清 晰 度 电 视 扫 描 规 范 和 图 像 质 量 (1) 扫 描 行 数 增 加 扫 描 行 数 是 提 高 电 视 图 像 清 晰 度 的 有 效 办 法, 高 清 晰 度 电 视 的 扫 描 行 数 决 定 于 人 眼 视 觉 系 统 的 空 间 频 率 相 应, 扫 描 行 数 是 观 看 距 离 的 函 数 高 清 晰 度 电 视 的 水 平 和 垂 直 清 晰 度 都 约 是 标 准 清 晰 度 电 视 的 两 倍 (2) 图 像 带 宽 图 像 的 分 辨 率 越 高, 则 信 号 的 带 宽 越 宽 高 清 晰 度 电 视 的 图 像 信 号 带 宽 比 现 行 电 视 制 式

25 数 字 电 视 技 术 宽 得 多 (3) 图 像 宽 高 比 及 电 视 屏 幕 尺 寸 高 清 晰 度 电 视 图 像 宽 高 比 一 般 为 16:9 或 5:3, 很 少 采 用 4:3 宽 屏 幕 显 示 时 图 像 的 真 实 感 及 临 场 感 要 好, 屏 幕 对 角 线 至 少 要 达 到 40 英 寸 (4) 信 号 带 宽 由 于 人 眼 对 彩 色 感 觉 特 性 比 亮 度 感 觉 特 性 窄, 并 且 由 于 采 用 量 色 分 离 的 方 式 传 输 彩 色 图 像 信 号, 所 以 在 高 清 晰 电 视 系 统 中 亮 度 与 色 度 的 带 宽 比 约 为 3:1 高 清 晰 电 视 的 信 号 带 宽 比 普 通 的 电 视 带 宽 要 宽, 日 本 1125 行 制 的 高 清 晰 度 电 视 的 信 号 带 宽 为 30 多 兆 赫 兹 3. 高 清 晰 度 电 视 的 发 展 为 了 解 决 现 行 模 拟 电 视 存 在 的 问 题, 从 60 年 代 末 起, 世 界 发 达 国 家, 如 日 英 美 西 德 等 相 继 开 始 了 HDTV(High Definition Television) 的 研 究 日 本 从 上 世 纪 七 十 年 代 开 始 研 究 高 清 晰 度 电 视, 日 本 广 播 协 会 (NHK) 自 七 十 年 代 开 始, 在 高 清 晰 度 电 视 制 式 图 像 质 量 的 主 观 评 价 扫 描 规 范 摄 像 器 件 显 像 器 件 及 高 清 晰 度 电 视 设 备 方 面 进 行 了 大 量 研 究 美 国 电 视 电 影 工 程 师 协 会 (SMPTE) 于 1977 年 成 立 了 高 清 晰 度 电 视 研 究 组 至 八 十 年 代, 欧 美 各 发 达 国 家 掀 起 了 开 发 研 制 HDTV 的 热 潮, 二 十 多 年 来, HDTV 走 了 一 条 从 模 拟 到 数 字 的 发 展 道 路 1985 年 日 本 提 出 了 水 平 扫 描 行 数 为 1125 行, 场 扫 描 频 率 为 60HZ, 隔 行 扫 描 方 式, 画 面 宽 高 比 为 5:3, 四 声 道 立 体 声 伴 音 的 HDTV 系 统, 这 是 一 种 与 普 通 电 视 不 兼 容 的, 称 为 MUSE 制 的 数 字 / 模 拟 混 合 体 制, 即 基 带 信 号 采 用 数 字 处 理 方 式, 射 频 调 制 仍 为 模 拟 方 式 MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding) 制 的 全 称 为 多 重 亚 奈 奎 斯 特 取 样 编 码, 这 是 一 种 高 效 的 频 带 压 缩 技 术, 它 采 用 时 分 复 用 方 式, 组 成 亮 度 色 度 信 号, 并 对 静 止 图 像 和 活 动 图 像 采 用 不 同 的 压 缩 处 理 方 法, 能 将 30MHz 的 基 带 信 号 压 缩 到 8.1MHz 左 右, 在 卫 星 电 视 频 道 中 传 输 就 在 日 本 人 大 张 旗 鼓 地 想 争 取 把 他 们 的 HDTV 制 式 定 为 世 界 统 一 标 准 之 时, 欧 洲 各 国 却 不 甘 心 将 HDTV 的 市 场 份 额 拱 手 让 给 日 本 人, 而 是 积 极 根 据 欧 洲 地 区 的 特 点, 研 究 自 己 的 高 清 晰 度 电 视 系 统, 并 于 上 世 纪 八 十 年 代 初 正 式 推 出 了 MAC (Multiplexed Analogue Components) 制, 即 多 工 复 合 模 拟 分 量 信 号 制 式,1983 年, 欧 洲 广 播 联 盟 (EBU) 将 C-MAC 制 定 为 欧 洲 卫 星 广 播 的 统 一 制 式, 但 由 于 C-MAC 制 要 求 的 射 频 带 宽 较 宽, 不 适 用 于 现 有 的 地 面 传 输 系 统, 故 又 提 出 了 D-MAC 和 D2-MAC 按 照 欧 洲 高 清 晰 度 电 视 的 发 展 计 划, 是 以 MAC 制 为 基 础, 按 兼 容 渐 近 的 步 骤 发 展 到 宽 屏 幕 高 清 晰 度 电 视 系 统 HD-MAC(High Definition MAC) 1992 年, 欧 洲 用 该 系 统, 成 功 地 试 播 了 奥 运 会 实 况 HD-MAC 方 案, 采 用 1250 行 /50 场 扫 描 方 式, 用 分 量 多 工 的 方 式 传 送, 与 日 本 MUSE 制 式 的 共 同 点 是 信 号 处 理 采 用 数 字 方 式, 而 信 号 传 输 采 用 模 拟 方 式 美 国 对 HDTV 的 研 究 比 日 本 和 欧 洲 要 晚, 但 起 点 最 高 九 十 年 代 初, 美 国 通 过 对 四 种 全 数 字 式 HDTV 方 案 的 比 较 测 试, 决 定 组 建 HDTV 大 联 盟 (Grand Alliance), 共 同 开 发 高 清 晰 度 数 字 电 视, 于 1994 年 发 表 了 大 联 盟 高 清 晰 度 电 视 系 统 规 定 1.0 确 定 了 全 数 字 HDTV 方 案, 并 于 1996 年 由 美 国 联 邦 通 信 委 员 会 FCC(Federal Communications Commission) 正 式 批 准 为 美 国 的 数 字 电 视 标 准 即 ATSC(Advanced Television Systems) 标 准 美 国 全 数 字 HDTV 的 技 术 优 势 和 极 具 吸 引 力 的 发 展 前 景, 对 欧 洲 与 日 本 的 HDTV 产 生 了 巨 大 的 冲 击, 迫 使 欧 洲 25

26 数 字 电 视 技 术 和 日 本 纷 纷 放 弃 模 拟 高 清 晰 度 电 视 的 研 究, 投 向 全 数 字 电 视 的 阵 营 追 求 清 晰 的 图 像 质 量 已 是 电 视 技 术 发 展 的 必 然 方 向, 是 消 费 者 追 求 的 最 终 目 的, 也 是 市 场 竞 争 的 焦 点 正 如 人 眼 的 分 辨 能 力 有 限 一 样, 现 行 电 视 系 统 的 分 解 力 和 图 像 清 晰 度 也 是 有 限 的, 它 必 须 克 服 许 多 技 术 上 的 难 点 才 能 实 现 高 清 晰 度 在 近 两 年 的 时 间 里, 某 些 国 外 电 子 产 品 厂 商, 为 了 占 领 中 国 市 场, 在 广 告 宣 传 中 有 不 少 哗 众 取 宏 的 成 分 误 导 消 费 者, 其 中 大 肆 宣 传 的 800 线 清 晰 度 就 是 一 个 典 型 例 子 一 些 外 国 彩 电 生 产 企 业, 利 用 一 些 国 人 对 八 六 等 数 字 情 有 独 钟 的 心 情, 对 销 往 中 国 的 彩 电 的 清 晰 度, 不 管 科 学 不 科 学, 不 论 能 否 达 到, 统 统 冠 以 600 线 800 线, 又 在 600 线 与 800 线 之 间 取 了 一 个 760 线 这 种 廉 洁 无 论 从 理 论 上, 还 是 从 实 践 上 都 可 以 充 分 地 证 明 纯 属 是 违 反 科 学 的 欺 骗 性 误 导 某 些 外 国 公 司 鼓 吹 800 线 图 像 清 晰 度 的 一 个 目 的 是 欺 骗 误 导 消 费 者 购 买 他 们 的 产 品 作 计 算 机 终 端 显 示 器 因 为 计 算 机 的 终 端 显 示 器 必 须 是 中 精 密 度 的, 才 能 分 辨 清 晰 的 字 符 和 图 形 ; 另 一 个 目 的 是 欺 骗 误 导 消 费 者 购 买 他 们 的 产 品 享 受 高 清 晰 度 电 视 的 乐 趣 实 际 上 普 通 模 拟 彩 色 电 视 机 不 可 能 作 计 算 机 终 端 显 示 器, 也 不 可 能 享 受 高 清 晰 度 电 视 的 乐 趣 实 际 上 普 通 模 拟 彩 色 电 视 机 不 可 能 作 计 算 机 终 端 显 示 器, 也 不 可 能 享 受 高 清 晰 度 电 视 的 乐 趣 电 视 系 统 的 分 解 力 直 接 影 响 着 图 像 清 晰 度, 要 实 现 高 清 晰 度 电 视, 首 先 就 要 解 决 图 像 的 平 方 向 能 分 辩 的 像 素 数, 称 为 电 视 系 统 的 水 平 分 解 力 像 素 数 越 多, 图 像 越 细 腻, 越 清 晰 但 像 素 数 越 多, 图 像 信 号 所 占 频 谱 越 宽, 图 像 通 道 的 通 频 带 也 越 宽, 因 此 图 像 通 道 的 通 带 宽 度 将 限 图 像 水 平 分 解 力 图 像 水 平 分 解 力 还 要 受 电 子 束 截 面 积 的 限 制 如 果 电 子 束 直 径 与 垂 直 条 纹 宽 度 相 差 不 多, 则 视 频 信 号 接 近, 具 有 一 定 平 均 分 量 ( 代 表 图 像 背 景 亮 度 ) 的 正 弦 波 ( 代 表 图 像 细 节 ) 电 子 束 直 径 越 小, 每 行 扫 描 线 能 分 解 的 黑 白 条 纹 数 就 越 多, 图 像 也 就 越 清 晰 细 腻 但 是 电 子 束 直 径 不 可 能 无 限 减 小, 电 子 束 直 径 的 减 小 受 两 个 因 素 限 制, 一 个 是 图 像 亮 度, 一 个 是 彩 色 显 像 管 的 荫 罩 孔 节 距 实 践 证 明 : 水 平 分 解 力 与 垂 直 分 解 力 相 当 时, 图 像 质 量 电 视 系 统 的 经 济 性 最 佳, 这 就 要 考 虑 到 光 栅 的 幅 型 比 为 4:3 或 16:9 我 国 现 行 电 视 制 式 标 准 的 幅 型 比 为 4:3, 场 频 为 50Hz, 行 扫 描 线 数 为 625 行, 水 平 方 向 逆 程 系 数 为 0.18, 信 号 带 宽 为 5.6MHz, 因 此, 我 国 电 视 制 式 中 视 频 通 道 的 带 宽 规 定 为 6Mhz 如 果 发 送 16:9 宽 屏 幕 电 视 信 号, 在 场 频 行 扫 描 线 数 等 条 件 不 变 的 情 况 下, 则 信 号 带 宽 为 1.5MHz 这 就 是 说 我 国 现 有 电 视 标 准 的 条 件 下, 要 使 16:9 宽 屏 幕 电 视 机 达 到 与 4:3 普 通 幅 型 电 视 系 统 相 同 的 清 晰 度, 它 的 视 频 带 宽 必 须 由 5.6MHz 提 高 到 10.5MHz 然 而, 事 实 上 我 国 电 视 系 统 中 的 图 像 伴 音 采 用 共 同 通 道 传 送, 图 像 伴 音 信 号 必 须 在 8MHz 带 宽 内 传 送, 图 像 载 频 与 伴 音 载 频 之 间 相 差 6.5MHz, 考 虑 到 伴 音 干 扰 图 像, 图 像 干 扰 伴 音 等 因 素, 现 行 电 视 制 式 仍 采 用 6MHz 带 宽 在 这 样 的 条 件 下 用 16:9 宽 屏 幕 电 视 机 重 视 6MHz 视 频 信 号, 其 水 平 清 晰 度 只 有 普 通 4:3 幅 型 的 75% 对 于 16:9 宽 屏 幕 电 视 机, 由 于 水 平 方 向 被 拉 长, 单 位 宽 度 上 的 视 频 信 息 减 少, 图 像 当 然 要 变 粗 糙, 实 际 上 图 像 清 晰 度 反 而 是 下 降 了 因 此, 在 现 有 国 情 的 条 件 下, 人 们 津 津 乐 道 的 16:9 宽 屏 幕 彩 色 电 视 机, 并 没 有 真 正 成 为 高 清 晰 度 电 视 26

27 数 字 电 视 技 术 彩 色 电 视 系 统 的 图 像 清 晰 度 主 要 取 决 于 电 视 信 号 源, 即 摄 像 机 的 图 像 分 解 力, 视 频 通 道 的 带 宽 和 彩 色 显 像 管 的 分 辨 力 由 于 受 各 种 技 术 条 件 的 限 制, 现 行 电 视 系 统 均 为 6MHz 的 视 频 带 宽 500 线 极 限 度 清 晰 度 设 计, 因 此 国 外 进 口 彩 色 电 视 机 号 称 800 线 清 晰 度 是 不 现 实 的, 理 论 上 也 是 荒 廖 的, 不 仅 在 我 国 现 行 电 视 制 式 下 不 能 实 现, 在 日 本 美 国 韩 国 等 其 他 国 家 和 地 区 现 行 模 拟 电 视 制 式 下 也 是 无 法 实 现 的 彩 色 电 视 系 统 的 图 像 清 晰 度 是 电 视 系 统 的 综 合 指 标, 与 系 统 的 每 个 环 节 的 性 能 都 有 关, 但 目 前 终 端 显 示 设 备 的 极 限 清 晰 度 决 定 了 电 视 系 统 的 极 限 清 晰 度 一 般 情 况 下 通 过 电 路 措 施 ( 例 如 亮 / 色 分 离 轮 廓 校 正 电 子 束 速 度 调 制 图 像 细 节 校 正 动 态 清 晰 度 控 制 等 ) 彩 色 显 像 管 工 作 状 态 调 整 ( 例 如 聚 焦 电 压 调 整 减 小 束 电 流 提 高 阳 极 电 压 等 ), 可 以 提 高 图 像 重 视 效 果, 充 分 发 挥 彩 色 显 像 管 的 分 辨 力, 但 绝 不 可 能 超 过 由 节 距 和 电 子 束 孔 径 决 定 的 极 限 分 解 力 自 从 现 行 的 彩 色 电 视 问 世 以 来, 人 们 一 直 关 注 着 图 像 经 过 采 集 编 码 传 输 解 码 再 现 等 过 程 后, 人 眼 最 终 所 看 到 的 图 像 必 然 包 含 有 各 种 噪 声 和 干 扰 等 引 起 的 损 伤 因 此, 人 们 渴 望 得 到 的 高 清 晰 度 电 视 图 像, 这 是 目 前 高 清 晰 度 电 视 面 临 的 重 要 研 究 课 题, 它 必 须 通 过 一 场 新 的 技 术 革 命 才 能 实 现 高 清 晰 度 电 视 (HDTV), 目 前 美 国 已 有 最 终 方 案, 而 大 多 国 家 尚 未 确 定, 但 前 期 技 术 研 究 工 作 非 常 活 跃 全 数 字 化 的 高 清 晰 度 电 视 能 有 效 克 服 现 行 的 电 视 制 式 的 缺 陷 因 此, 高 清 晰 度 电 视 是 21 世 纪 中 的 发 展 方 向 未 来 高 清 晰 度 电 视 的 基 本 要 求 : 图 像 清 晰 细 腻, 全 屏 扫 描 线 数 为 1125 行 或 1250 行, 像 素 数 是 现 行 彩 电 的 5 倍 左 右 ; 幅 型 比 为 16:9, 更 符 合 人 眼 的 视 觉 特 征, 视 野 宽, 临 场 感 强 ; 图 像 声 音 彩 色 之 间 串 扰 减 小, 保 证 重 显 图 像 清 晰 稳 定 ; 利 用 数 字 伴 音 系 统, 可 传 送 多 种 伴 音 或 立 体 声 信 号, 提 高 彩 色 电 视 机 的 音 质 我 国 广 播 电 视 如 何 向 高 清 晰 度 电 视 过 渡, 还 有 待 于 广 播 电 视 部 门 与 生 产 部 门 如 何 去 协 调 一 致 不 过 发 展 高 清 晰 度 电 视 已 成 定 局, 在 不 很 长 的 时 间 里, 我 国 高 清 晰 度 彩 色 电 视 接 收 机 也 会 在 全 社 会 得 到 普 及 图 文 电 视 图 文 电 视 业 务 是 处 于 电 视 信 号 结 构 中 的 一 种 数 字 数 据 广 播 业 务, 主 要 利 用 电 视 信 号 场 消 隐 期 间 的 某 几 行 传 送 图 方 和 数 据 信 息, 接 收 端 是 装 备 有 解 码 器 的 电 视 接 收 机, 对 数 据 解 码 后 以 二 维 形 式 显 示 文 字 和 图 形 信 息 : 新 闻 气 象 旅 游 市 场 金 融 股 票 交 通 体 育 文 化 娱 乐 广 告 各 类 通 告 等 随 着 电 视 技 术 的 飞 速 发 展, 宽 屏 幕 电 视 (16:9) 已 经 成 功 地 推 向 市 场, 这 就 对 图 文 功 能 及 屏 幕 显 示 功 能 提 出 了 更 高 的 要 求 普 通 标 准 图 文 解 码 器 的 基 本 业 务 级 别 为 40μs 内 产 生 40 个 字 符 / 行, 图 文 的 页 在 中 间 显 示, 而 每 边 有 大 的 扩 张 黑 框. 宽 屏 幕 电 视 的 宽 度 比 同 样 高 度 的 普 通 电 视 宽 33%, 但 有 效 显 示 时 间 仍 为 52μs 当 这 两 类 电 视 的 像 素 频 率 相 同 时, 所 显 示 的 字 符 就 过 宽 了 要 实 现 字 符 正 确 的 宽 高 比, 就 要 使 像 素 频 率 提 高 33%, 在 30μs 内 产 生 每 行 40 个 27

28 数 字 电 视 技 术 字 符 由 于 普 通 的 图 文 电 视 解 码 器 的 压 控 振 荡 器 采 用 单 一 工 作 频 率, 所 以 缺 乏 应 用 于 宽 屏 幕 电 视 的 灵 活 性 宽 屏 幕 电 视 的 电 影 扩 展 功 能 能 使 4:3 字 符 框 传 输 扩 展 到 填 满 屏 幕 为 使 原 来 画 面 A 区 能 清 晰 显 现, 扩 展 产 生 于 视 频 通 道, 隔 行 扫 描 电 路 也 要 适 当 调 整, 以 每 行 10 条 扫 描 线 为 基 础 的 字 符 组 的 24 行 图 文 页 将 占 据 480 线 为 了 在 显 示 出 整 页 的 同 时, 要 保 证 图 文 小 标 题 自 动 落 入 可 视 区, 不 致 损 失 多 达 4 行, 通 过 微 控 制 器 处 理, 在 解 码 器 的 显 示 存 储 器 内 存 入 被 接 收 的 数 据, 建 立 页 的 有 效 数 据 包, 计 算 转 换 量, 然 后 逐 字 节 转 换 被 接 收 的 数 据 现 行 图 文 电 视 大 多 数 都 采 用 固 定 传 输 格 式 可 变 格 式 在 固 定 格 式 基 础 上 可 充 分 发 挥 CPU 及 其 软 件 的 作 用, 提 高 文 字 传 递 效 率 和 灵 活 性 可 变 格 式 采 用 较 新 的 技 术, 以 较 高 的 价 格 换 取 了 较 高 的 纠 错 能 力 和 灵 活 性, 并 确 定 了 高 级 别 的 图 文 显 示 标 准 在 图 文 的 显 示 方 式 中, 就 原 有 的 技 术 而 言, 同 时 显 示 图 文 页 和 屏 幕 显 示 信 息 会 因 为 所 有 显 示 数 据 都 取 自 存 储 器 的 同 一 区 域 而 当 接 收 下 一 次 的 图 文 页 时 又 重 写 屏 幕 显 示 信 息 当 显 示 一 些 特 殊 的 屏 幕 显 示 信 息 符 号 时, 时 常 发 现 缺 少 了 信 号 同 步, 难 以 保 证 获 得 稳 定 的 屏 幕 显 示 信 息 由 于 微 处 理 控 制 系 统 和 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 进 步, 扩 展 图 文 显 示 发 生 器 就 较 好 地 改 善 了 上 述 存 在 的 问 题, 适 应 了 屏 幕 的 显 示 要 求 图 文 显 示 发 生 器 能 产 生 全 屏 图 文 内 容, 若 解 码 器 为 二 极 显 示 方 式, 则 能 实 现 高 质 量 屏 幕 显 示 当 用 于 宽 屏 幕 电 视 时, 如 图 文 显 示 限 于 48μs ( 以 避 免 屏 幕 侧 边 出 现 影 响 清 晰 度 问 题 ), 则 与 普 通 的 图 文 电 视 机 (4:3) 显 示 的 48 个 字 符 相 比, 具 有 扩 展 图 文 显 示 器 的 宽 屏 幕 电 视 机 (16:9) 就 能 显 示 具 有 理 想 宽 高 比 的 63 个 字 符 为 适 应 宽 屏 幕 电 视 机 的 推 广, 对 图 文 功 能 所 提 出 的 要 求 必 须 是 : 图 文 显 示 属 性 要 提 高, 高 级 别 的 图 文 显 示 标 准 要 推 广, 图 文 显 示 方 式 要 扩 展 为 了 满 足 这 些 要 求, 荷 兰 菲 利 浦 公 司 最 先 推 出 了 SAA5270 型 图 文 电 视 解 码 器 我 国 部 分 电 视 机 生 产 厂 于 1997 年 相 继 推 出 了 不 同 品 牌 型 号 的 图 文 电 视 接 收 机, 一 些 电 视 台 也 随 之 开 始 了 图 文 电 视 广 播, 如 中 央 台 山 东 台 等 因 此, 未 来 的 21 世 纪 中, 图 文 电 视 也 是 一 个 重 要 的 发 展 方 向, 并 且 将 是 一 种 应 用 于 宽 屏 幕 电 视 的 具 有 屏 幕 显 示 功 能 的 新 技 术 卫 星 电 视 在 当 今 的 社 会 生 活 中, 电 视 起 着 非 常 重 要 的 作 用, 为 了 组 织 好 节 目 源, 全 世 界 都 在 向 卫 星 方 向 发 展, 已 逐 步 形 成 卫 星 网 结 构 然 后 通 过 有 线 电 视 分 配 网 络 送 给 千 家 万 户 自 从 1985 年 我 国 利 用 通 信 卫 星 传 播 电 视 节 目 起, 卫 星 电 视 接 收 站 大 量 普 及 但 是, 在 同 台 建 站, 以 及 接 收 站 建 在 微 波 路 径 附 近 时, 地 面 站 常 受 到 同 频 段 微 波 干 扰, 致 使 许 多 电 视 接 收 站 不 能 正 常 工 作, 给 建 站 工 作 带 来 很 大 困 难 随 着 地 面 站 的 普 及 和 微 波 站 的 发 展, 如 何 解 决 微 波 对 卫 星 电 视 接 收 站 的 干 扰 成 为 很 重 要 的 问 题 到 目 前 为 止, 世 界 上 绝 大 多 数 国 家 或 地 区, 利 用 卫 星 传 送 的 电 视 节 目 为 模 拟 制, 因 为 卫 星 信 道 质 量 相 对 地 面 广 播 要 好 得 多, 同 时 覆 盖 面 大, 无 需 中 继 ( 除 洲 际 传 输 外 ), 特 别 适 合 节 目 分 配 和 广 播, 因 此 得 到 广 泛 的 应 用 但 是, 模 拟 制 方 式 传 送 电 视 节 目 占 用 频 带 宽, 即 一 个 36MHz 的 卫 星 转 发 器 只 能 传 送 一 路 模 拟 电 视 信 号, 信 道 利 用 率 不 高, 且 卫 星 租 金 昂 贵, 除 了 那 些 需 要 覆 盖 全 国 的 电 视 节 目 外, 一 般 不 采 用 卫 星 广 播 28

29 数 字 电 视 技 术 近 二 三 年, 由 于 数 字 视 频 码 率 压 缩 技 术 的 迅 速 发 展 和 超 大 规 模 集 成 电 路 的 研 制 成 功, 使 利 用 卫 星 传 送 数 字 广 播 电 视 节 目 变 成 了 现 实 采 用 现 代 的 数 字 视 频 压 缩 技 术 和 信 道 调 制 技 术, 可 实 现 在 一 路 模 拟 电 视 信 号 占 用 带 宽 内 传 送 4~6 路 数 字 压 缩 电 视 节 目, 大 大 提 高 信 道 利 用 率, 降 低 每 路 节 目 的 传 输 费 用 在 卫 星 广 播 电 视 系 统 中 采 用 数 字 压 缩 技 术, 是 当 今 世 界 广 播 电 视 领 域 的 发 展 趋 势, 也 是 我 国 广 播 电 视 技 术 九 五 规 划 的 发 展 方 向 因 此, 未 来 21 世 纪 的 电 视 技 术 将 是 卫 星 数 字 电 视 技 术 目 前 我 国 福 建 福 日 电 视 机 厂 已 有 卫 星 电 视 开 发 成 功, 并 进 入 国 外 市 场 其 他 一 些 电 视 机 生 产 厂 也 在 积 极 开 发 之 中 卫 星 数 字 电 视 技 术 的 主 要 优 点 是 : 能 克 服 模 拟 电 视 系 统 的 固 有 缺 陷 例 如 性 能 良 好 的 数 字 滤 波 器 可 以 实 现 各 种 复 杂 的 线 性 相 频 特 征, 能 够 进 行 诸 如 亮 / 色 分 离 等 各 种 提 高 电 视 图 像 质 量 的 信 号 处 理 功 能 抗 干 扰 能 力 强, 信 噪 比 较 高 电 视 信 号 经 过 二 进 制 数 字 编 码 之 后, 比 原 始 模 拟 信 号 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力, 即 使 经 过 长 距 离 地 传 输 和 反 复 记 录, 通 过 误 码 纠 错 等, 仍 可 无 失 真 地 复 原 增 加 电 视 的 功 能 数 字 电 视 信 号 易 于 存 储 在 半 导 体 器 件 中, 能 够 进 行 一 维 二 维 以 至 包 括 帧 在 内 的 三 维 处 理, 利 用 行 存 储 器 或 帧 存 储 器 可 以 对 电 视 信 号 进 行 各 种 时 基 处 理, 实 现 不 同 步 信 号 源 之 间 的 同 步 转 换, 对 电 视 画 面 实 现 压 缩 扩 大 冻 结 慢 放 等 各 种 视 频 特 技 效 果 设 备 稳 定 性 可 靠 性 提 高 数 字 电 视 采 用 二 值 电 平 的 数 字 器 件, 使 数 字 设 备 比 模 拟 设 备 具 有 更 大 的 设 计 灵 活 性, 特 别 是 微 处 理 软 件 的 引 入, 使 生 产 的 自 动 调 试 和 运 行 的 自 动 控 制 成 为 可 能, 并 能 作 为 计 算 机 的 终 端 显 示 器 而 进 入 现 代 信 息 网 数 字 卫 星 电 视 的 应 用 开 辟 了 卫 星 电 视 广 播 的 新 时 代, 在 电 视 领 域 将 发 挥 越 来 越 大 的 作 用 利 用 卫 星 传 送 多 路 数 字 电 视 节 目, 可 大 大 扩 大 电 视 广 播 的 覆 盖 范 围, 尤 其 可 使 山 区 和 边 远 地 区 收 视 电 视 节 目 难 的 问 题 得 以 根 本 解 决, 电 视 质 量 也 能 得 到 提 高, 而 且 还 能 降 低 每 路 电 视 广 播 节 目 的 费 用 因 此, 利 用 数 字 压 缩 技 术, 进 行 卫 星 数 字 电 视 广 播 具 有 广 阔 的 前 景 有 线 电 视 随 着 卫 星 电 视 技 术 的 飞 速 发 展, 地 区 有 线 电 视 网 的 开 通, 许 多 单 位 积 极 创 办 用 于 教 育 宣 传 和 娱 乐 的 自 办 节 目, 为 此, 电 视 频 道 越 来 越 多, 怎 样 将 这 些 来 源 不 同 的 电 视 信 号 高 质 量 地 传 送 到 千 家 万 户, 是 当 前 人 们 最 关 心 的 事 情, 也 是 不 同 规 模 有 线 电 视 系 统 所 面 临 的 问 题 过 去 普 遍 采 用 的 所 谓 全 频 道 共 同 天 线 系 统, 不 论 是 频 道 容 量 还 是 可 靠 性 方 面, 实 践 证 明 远 远 不 能 满 足 上 述 要 求 因 此, 采 用 邻 频 传 输 技 术 对 旧 系 统 进 行 改 造, 是 未 来 21 世 纪 有 线 电 视 的 主 攻 方 向 所 谓 邻 频 传 输, 是 相 对 于 隔 频 传 输 而 言 的, 是 指 两 个 以 上 相 邻 的 电 视 频 道 信 号 在 同 一 根 同 轴 电 缆 里 传 输 而 不 产 生 肉 眼 可 见 的 干 扰 其 特 点 是 系 统 容 量 大, 但 技 术 复 杂 在 系 统 选 择 传 输 方 式 中, 和 须 了 解 各 种 传 输 方 式 的 基 本 原 理 优 点 和 缺 点, 才 有 可 能 选 择 地 正 确 采 用 有 线 电 视 的 传 输 方 式 在 有 线 电 视 中 普 遍 有 一 次 变 频 二 次 变 频 邻 频 三 种 传 输 方 式 一 次 变 频 是 将 甲 频 率 的 电 视 信 号 变 为 乙 频 率 的 电 视 信 号 例 如 将 UHF 频 段 变 到 VHF 频 段 的 某 频 道,13 频 道 变 为 9 频 道 或 9 频 道 变 为 21 频 道 其 优 点 是 设 备 简 单 投 资 少 缺 点 29

30 数 字 电 视 技 术 是 因 属 于 直 接 变 频, 频 道 与 频 道 间 的 频 带 较 宽, 无 法 控 制 频 率 的 漂 移, 这 样 会 干 扰 相 邻 的 频 道, 造 成 重 影 等 不 良 效 果 这 种 方 式 只 能 适 应 小 型 的 公 共 天 线 系 统, 而 不 能 满 足 中 型 的 有 线 电 视 系 统 二 次 变 频 是 将 某 频 率 的 电 视 信 号 进 行 二 次 频 率 变 换 例 如 将 甲 频 道 变 为 中 频 (IF: 38.9MHz), 再 从 中 频 变 为 乙 频 道 如 16 频 道 变 为 中 频, 再 由 中 频 变 为 3 频 道 其 优 点 是 因 采 用 中 频 为 接 口, 使 频 道 互 换 有 很 大 的 方 便 更 主 要 的 是 在 中 频 范 围 内 干 扰 噪 波 少, 其 声 表 面 波 滤 波 器 可 以 做 得 很 窄, 控 制 了 频 率 的 漂 移, 为 诸 邻 频 道 带 来 的 干 扰 给 予 极 大 的 抑 制 作 用, 确 保 了 信 号 的 稳 定 缺 点 是 虽 然 控 制 了 频 率 的 漂 移, 但 只 能 隔 频 道 传 输, 给 多 套 节 目 ( 几 套 到 十 几 套 节 目 ) 的 传 输 带 来 难 题, 所 以 不 适 应 中 型 的 系 统, 无 法 满 足 系 统 的 发 展 要 求 邻 频 传 输 技 术 吸 取 了 二 次 变 频 的 优 点, 解 决 了 一 二 次 变 频 在 传 输 中 不 能 用 邻 频 道 传 输 的 缺 点, 满 足 远 距 离 传 输 的 中 型 有 线 电 视 系 统 邻 频 传 输 技 术 的 前 端 是 整 个 系 统 的 核 心, 它 包 括 调 制 器 频 道 处 理 器 及 主 放 大 器 等 三 个 部 分 有 线 电 视 的 实 现, 主 要 依 赖 于 传 输 电 缆 及 分 支 分 配 器, 传 输 电 缆 通 常 使 用 藕 芯 电 缆 藕 芯 电 缆 因 其 介 质 含 量 减 少, 故 比 实 芯 电 缆 的 损 耗 低 许 多 但 是 经 过 数 年 使 用 后, 发 现 损 耗 会 有 不 同 程 度 的 增 加 究 其 原 因, 是 由 于 电 缆 纵 孔 进 水 潮 湿, 使 介 质 损 耗 加 大 所 致 所 以, 藕 芯 电 缆 的 使 用 寿 命 较 短 一 种 新 型 低 损 耗 物 理 高 发 泡 电 缆 使 用 寿 命 较 长, 它 的 绝 缘 介 质 中, 空 气 占 有 量 为 78%~80%, 因 此 传 播 速 度 更 快 介 质 损 耗 更 低 由 于 采 用 具 有 大 量 微 孔 的 聚 乙 烯 构 成 介 质, 微 孔 间 彼 此 封 闭, 所 以 水 与 潮 气 不 会 浸 入 还 有 一 种 竹 节 式 电 缆 也 与 物 理 高 发 泡 电 缆 具 有 相 同 的 优 点, 在 其 介 质 中 所 占 的 比 例 比 较 多, 已 接 近 理 想 的 空 气 介 质 在 相 同 直 径 及 同 频 率 下, 传 播 速 度 要 比 物 理 高 发 泡 电 缆 高 93%, 损 耗 更 小, 但 因 这 种 电 缆 的 转 弯 半 径 要 求 较 大, 所 以 多 用 于 干 线 传 输 当 前 有 线 电 视 事 业 在 我 国 城 乡 正 如 火 如 茶 地 飞 速 发 展, 其 发 展 势 头 及 规 模 正 愈 来 愈 受 到 国 际 同 业 人 员 的 瞩 目 自 从 1989 年 研 制 出 高 度 线 性 的 分 布 反 馈 (DFB) 激 光 器, 并 将 其 运 于 CATV 中 以 残 留 边 带 调 幅 (AM-VSB) 方 式 同 时 传 输 几 十 路 电 视 信 号 以 来, 光 纤 传 输 由 于 具 有 传 输 距 离 远 频 带 宽 抗 干 扰 性 强 稳 定 可 靠 及 图 像 质 量 好 等 无 可 比 拟 的 优 越 性 正 逐 渐 取 代 同 轴 电 缆 干 线, 将 来 有 完 全 取 代 同 轴 电 缆 的 可 能 光 纤 联 网 的 升 级 改 造 是 未 来 21 世 纪 的 发 展 方 向 目 前 有 线 电 视 网 不 仅 在 大 中 小 城 镇 已 经 开 通, 而 且 农 村 有 线 电 视 网 也 正 在 兴 起 然 而, 农 村 有 线 电 视 的 发 展 走 什 么 路 子 却 是 一 个 很 值 得 考 虑 的 问 题, 是 乡 镇 独 立 建 网, 还 是 与 县 联 网, 这 是 乡 镇 有 线 电 视 网 建 设 中 如 何 规 划 设 计 的 重 要 事 情 作 为 广 播 电 视 工 作 者 必 须 高 度 重 视 如 果 乡 镇 独 立 建 网, 一 是 不 可 能 成 为 信 息 传 输 的 广 域 网, 二 是 高 技 术 准 备 的 CATV 网 络, 乡 镇 一 级 很 难 有 力 量 建 设 和 维 护 实 践 证 明, 分 散 独 立 的 小 片 网 是 没 有 前 途 的, 只 有 把 乡 镇 独 立 分 散 的 小 片 网 连 成 大 网, 才 能 形 成 系 统 优 势 风 格 越 大, 信 息 量 越 多, 服 务 功 能 越 多, 也 就 越 能 适 应 现 代 社 会 的 需 要 自 从 1993 年 美 国 提 出 建 立 信 息 高 速 公 路 以 来, 世 界 各 国 不 断 作 出 反 应, 许 多 发 达 国 家 已 纷 纷 制 定 了 发 展 和 试 验 信 息 高 速 公 路 的 计 划 我 国 对 此 也 非 常 重 视, 组 织 有 关 专 家 进 行 论 证 并 研 究 对 策 根 据 中 国 国 情, 提 出 了 称 之 为 高 速 信 息 网 计 划 在 未 来 的 21 世 纪, 有 线 电 视 将 是 一 个 与 信 息 网 络 结 合 起 来 的, 采 用 光 纤 链 路 的 传 输 网 络 30

31 数 字 电 视 技 术 多 媒 体 电 视 多 媒 体 技 术 是 一 门 综 合 的 高 新 技 术, 它 把 微 电 子 通 信 和 数 字 化 声 像 等 技 术 融 为 一 体, 利 用 计 算 机 对 文 字 声 音 数 据 图 像 等 各 种 信 息 进 行 综 合 处 理 存 储 与 传 输, 目 前 已 广 泛 应 用 于 商 业 教 育 电 子 出 版 等 系 统 在 影 视 文 艺 创 作 领 域, 由 于 该 技 术 的 涉 入, 不 仅 会 改 变 影 视 工 作 者 传 统 的 工 作 条 件 与 工 作 方 式, 而 且 会 引 起 节 目 制 作 的 一 场 革 命 由 于 科 学 技 术 的 不 断 发 展, 信 息 传 播 媒 介 也 在 飞 速 发 展 按 照 其 服 务 对 象 和 传 播 方 式 大 致 可 分 为 : 大 众 性 传 播 媒 介 和 专 业 性 传 播 媒 介 大 众 性 传 播 媒 介 主 要 有 : 广 播 电 视 图 文 电 视 有 线 电 视 电 缆 图 文 电 视 ( 正 程 图 文 电 视 等 ) 专 业 性 传 播 媒 介 主 要 有 : 可 视 图 文 ( 图 文 检 索 ) 各 种 专 业 计 算 机 网 络 数 据 广 播 等 前 者 以 广 播 方 式 为 主, 覆 盖 面 双 较 宽, 但 信 息 内 容 以 大 众 所 关 心 的 信 息 为 主, 更 新 速 度 快, 但 信 息 量 有 限 ; 后 者 则 以 交 互 式 双 向 传 输 为 主, 并 具 有 检 索 功 能, 覆 盖 面 小, 但 信 息 大 未 来 21 世 纪 中, 家 用 广 播 电 视 接 收 机 将 与 计 算 机 和 信 息 网 络 配 合, 作 为 多 媒 体 的 终 端 显 示 器, 那 时 电 视 机 不 仅 能 接 收 广 播 电 视 信 号 有 线 电 视 信 号 卫 星 电 视 信 号, 而 且 可 以 作 为 计 算 机 的 终 端 显 示 器, 并 与 交 互 式 信 息 传 播 网 络 相 连, 成 为 信 息 高 速 公 路 的 终 端 显 示 设 备, 从 而 庳 展 它 的 应 用 范 围, 真 正 做 到 足 不 出 户, 便 可 通 晓 古 今 中 外 各 信 息 为 此 今 后 生 产 的 彩 色 电 视 机 将 安 置 21 芯 插 座 或 RGB 插 孔, 以 便 更 方 便 地 扩 大 彩 电 的 应 用 范 围 在 未 来 的 21 世 纪, 发 展 与 新 型 显 示 器 件 相 关 联 的 配 套 技 术 将 为 主 攻 方 向, 今 后 电 视 图 像 信 号 的 显 示 器 件 要 向 大 屏 幕 化 超 薄 化 轻 量 化 发 展, 背 投 式 CRT 型 液 晶 显 示 和 等 离 子 显 示 技 术 将 变 得 越 来 越 重 要, 与 其 相 关 联 的 技 术 有 高 压 技 术, 自 动 会 聚 技 术, 画 面 质 量 较 正 技 术 等 这 一 切 都 将 为 多 媒 体 图 像 终 端 显 示 提 供 高 质 量 的 物 质 基 础 随 着 多 媒 体 技 术 的 发 展, 图 文 声 像 一 体 化, 信 号 的 采 集 处 理 存 储 与 传 输 等 已 普 遍 数 字 化, 特 别 是 动 态 图 像 的 引 入, 使 当 前 信 息 的 存 储 和 传 输 技 术 感 到 无 能 为 力 多 媒 体 技 术 在 当 今 电 视 节 目 制 作 中 通 过 支 持 模 拟 和 数 字 两 种 编 辑 方 式, 一 方 面 可 使 用 户 继 续 使 用 廉 价 的 磁 带 作 为 存 储 媒 体 而 不 必 牺 牲 非 线 性 编 辑 提 供 的 方 便 ; 另 一 方 面, 它 把 现 在 模 拟 时 代 与 未 来 数 字 时 代 之 间 的 鸿 沟 连 接 了 起 来 据 笔 者 了 解, 数 字 电 视 与 模 拟 电 视 兼 容 的 研 究 目 前 已 有 了 突 破 性 进 展 交 互 式 电 视 交 互 式 电 视 是 一 种 受 观 念 控 制 的 现 代 高 新 技 术 电 视, 在 节 目 间 和 节 目 内 观 众 能 够 作 出 选 择 和 决 定, 是 一 种 非 对 称 双 工 形 式 的 新 型 电 视 技 术, 是 在 数 字 技 术 网 络 技 术 计 算 机 技 术 等 十 分 完 善 的 基 础 上 构 想 而 成 的 交 互 式 电 视 和 多 媒 体 电 视 的 一 个 重 要 区 别 是 前 者 的 信 息 传 输 采 用 了 不 对 称 模 式, 交 互 式 电 视 系 统 和 人 类 间 直 接 通 信 的 信 息 系 统 一 样, 数 据 的 发 送 和 接 收 量 有 很 大 的 差 别, 人 的 眼 睛 和 大 脑 结 合 可 以 迅 速 地 接 收 非 常 多 的 信 息, 而 操 作 键 盘 和 定 位 设 备 的 手 就 要 慢 好 几 个 数 量 级 使 用 遥 控 器 的 交 互 式 电 视 系 统, 目 前 需 要 以 秒 兆 位 的 速 度 传 送 家 用 质 量 的 电 视, 而 从 遥 控 器 到 机 盒 只 是 每 分 钟 几 位 的 数 量 级 这 种 不 对 称 相 对 多 媒 体 通 信 分 布 式 多 媒 体 系 统 以 及 计 算 机 风 格 系 统 来 说 是 一 个 新 概 念, 多 媒 体 系 统 两 个 方 向 的 传 输 路 径 肯 有 相 同 的 传 输 率, 数 据 交 换 是 处 于 计 算 机 之 间 而 不 是 人 和 机 器 之 间 交 互 式 电 视 系 统 通 信 对 像 是 人 和 机 器, 所 以 它 把 传 输 通 路 分 成 节 目 通 路 和 返 回 通 31

32 数 字 电 视 技 术 路 节 目 通 路 也 称 下 行 通 路, 它 流 向 用 户, 把 视 频 信 息 传 送 到 用 户 例 如, 一 个 交 互 式 电 视 用 户 坐 在 家 里 的 交 互 式 电 视 机 旁, 考 虑 今 天 想 看 的 节 目, 当 他 拿 起 非 常 简 单 的 单 键 遥 控 器 时, 一 系 列 小 的 矩 形 菜 单 出 现 在 电 视 机 屏 幕 的 顶 部 假 设 想 看 一 部 电 影, 于 是 他 把 单 键 遥 控 器 ( 具 有 激 光 指 标 器 ) 指 向 菜 单 的 电 影 框, 这 时 菜 单 向 下 扩 展, 把 电 影 分 成 几 组, 如 : 浪 漫 传 奇 片 动 作 惊 险 片 经 典 著 作 片 科 学 幻 想 片 及 滑 稽 喜 剧 片 等 用 户 选 择 了 滑 稽 喜 剧 片, 于 是 一 系 列 电 影 片 名 中 选 择 了 卓 别 林 当 选 完 电 影 片 名 后 用 户 感 到 饿 了, 于 是 点 购 食 物, 几 种 诱 人 的 烧 饼 出 现 在 屏 幕 上, 用 户 选 中 了 某 一 种, 然 后 屏 幕 通 知 用 户 在 按 键 选 择 后 30 分 钟 内 烧 饼 将 送 到, 否 则 免 费 用 户 不 必 告 诉 烧 饼 送 到 哪 儿, 因 为 系 统 知 道 用 户 的 关 资 料 接 下 来 选 择 饮 料, 选 定 后, 完 整 的 食 物 订 单 显 示 在 屏 幕 上 以 使 确 认 同 时 还 出 现 了 一 些 电 影 的 节 选 镜 头, 使 用 户 确 认 这 是 他 想 要 看 的 电 影 当 用 户 有 被 告 知 价 格 后, 电 影 就 真 正 开 始 了, 从 开 始 选 择 到 播 放 电 影 大 约 花 两 分 钟 时 间 电 影 播 放 不 到 半 小 时, 送 烧 饼 和 饮 料 的 人 来 了, 但 这 时 用 户 不 必 付 钱, 因 为 交 互 式 电 视 系 统 通 过 您 在 网 上 的 帐 户 已 经 把 钱 付 给 饼 店 及 饮 料 店 了 用 户 只 需 到 厨 房 取 些 餐 具 接 过 食 品 即 可, 然 后 付 给 送 货 人 一 点 小 费, 回 来 接 着 看 电 影 然 而, 有 一 个 问 题 却 出 现 了, 用 户 错 过 了 几 分 钟 最 好 的 情 节, 但 交 互 式 电 视 系 统 会 帮 助 您, 这 时 可 拿 起 遥 控 器, 大 屏 幕 上 立 即 出 现 了 十 几 个 小 屏 幕, 每 个 都 放 着 同 一 部 电 影, 但 开 始 时 间 不 同, 用 户 选 择 了 他 刚 刚 看 过 后 的 一 个, 用 户 就 可 从 刚 才 被 打 断 的 地 方 接 着 观 看 交 互 式 电 视 于 1994 年 诞 生 在 美 国 这 它 主 要 由 美 国 电 话 公 司 和 有 线 电 视 公 司 合 作 开 发 有 线 公 司 (CATV) 拥 有 用 户 为 5800 万 个 家 庭 的 大 容 量 的 光 纤 网 络, 用 以 传 输 各 种 图 像 视 频 音 频 及 计 算 机 数 据, 并 具 有 播 出 多 种 电 视 节 目 的 经 验 现 在 全 世 界 已 有 17 个 国 家 正 在 开 发 或 提 供 交 互 式 电 视 的 试 验 和 服 务 交 互 式 电 视 具 有 较 好 的 应 用 前 景 和 经 济 效 益, 目 前 正 处 在 蓬 勃 发 展 的 初 期 美 国 已 经 有 美 国 电 话 公 司 点 播 电 视 (TELO VOD) 系 统 有 线 电 视 公 司 点 播 电 视 (CATV VOD) 系 统 峰 窝 电 视 点 播 系 统 及 宾 馆 点 播 系 统 在 交 互 式 电 视 系 统 中, 关 键 设 备 是 : 视 频 服 务 器,ATM 通 信 设 备 机 顶 盒 以 及 节 目 选 择 和 收 费 计 算 机, 然 而 这 些 技 术 正 随 着 计 算 机 技 术 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 以 及 半 导 体 技 术 的 发 展 而 不 断 更 新 换 代 交 互 式 电 视 产 业 在 未 来 的 21 世 纪 必 将 飞 速 发 展 综 上 所 述, 读 者 对 什 么 是 数 字 电 视, 由 此 而 引 发 的 技 术 革 命, 不 难 有 一 个 清 楚 的 了 解 一 切 新 的 电 视 欲 望, 都 必 须 是 建 立 在 高 度 发 展 的 数 字 编 码 压 缩 模 糊 逻 辑 思 维 卫 星 有 线 以 及 计 算 机 网 络 传 输 等 诸 多 高 新 技 术 的 系 统 工 程 上, 否 则, 什 么 800 线 清 晰 度 电 视 购 物 等, 都 是 不 能 成 立 的 32

33 数 字 电 视 技 术 本 章 总 结 学 习 完 本 章, 学 生 应 该 掌 握 : 掌 握 电 视 技 术 的 发 展 历 史 掌 握 数 字 电 视 与 高 清 晰 电 视 概 念 掌 握 数 字 的 分 类 掌 握 电 视 构 架 及 模 块 33

34 数 字 电 视 技 术 第 2 章 数 字 信 号 基 础 知 识 本 章 目 标 本 章 结 束 时, 学 生 能 够 : 掌 握 倍 频 的 基 本 原 理 掌 握 数 字 通 信 的 特 点 及 产 生 原 理 掌 握 数 字 通 信 主 要 性 能 指 标 掌 握 传 输 速 率 和 带 宽 的 关 系 2.1 倍 频 基 础 知 识 目 前 正 在 使 用 的 模 拟 电 视 是 从 上 世 纪 40 年 代 到 50 年 代 逐 渐 发 展 成 熟 起 来 的 为 了 压 缩 视 频 信 号 带 宽, 在 有 限 的 频 率 资 源 下 传 输 更 多 的 电 视 节 目, 摄 像 端 采 用 隔 行 扫 描 方 式 拾 取 图 像, 以 串 行 方 式 通 过 残 留 边 带 调 制 发 送 到 接 收 机 端, 在 显 像 端 再 把 奇 数 场 信 号 与 偶 数 场 信 号 均 匀 镶 嵌, 就 可 以 构 成 一 幅 完 整 的 图 像 广 播 电 视 系 统 每 帧 图 像 的 扫 描 行 数 是 根 据 人 眼 的 视 觉 锐 度 和 观 看 距 离 确 定 的 当 人 眼 视 觉 锐 度 为 1~1.5', 观 看 距 离 为 屏 幕 高 度 的 4~6 倍 时 确 定 每 帧 图 像 扫 描 行 数 为 525 行 (NTSC-M 制 ) 或 625 行 (PAL-D 制 ); 早 期 电 视 系 统 场 频 则 是 根 据 人 眼 的 临 界 闪 烁 频 率 和 电 源 频 率 确 定, 在 美 日 等 国 广 播 电 视 的 帧 频 为 30Hz, 中 俄 欧 洲 等 国 家 和 地 区 的 帧 频 为 25Hz 再 利 用 隔 行 扫 描 技 术, 把 30 帧 图 像 分 为 60 场 传 送, 把 25 帧 图 像 分 为 50 场 传 送, 以 便 与 电 源 频 率 锁 相 ( 目 前 场 频 与 电 源 频 率 必 须 锁 相 的 要 求 已 不 需 要 ) 普 通 电 视 系 统 存 在 的 缺 陷 普 通 电 视 系 统 存 在 的 缺 陷 如 下 : (1) 宽 高 比 早 期 拟 订 电 视 规 范 时, 选 择 了 4:3 的 宽 高 比, 因 为 当 时 35mm 影 片 有 同 样 的 宽 高 比, 而 且 观 众 对 此 格 式 也 感 到 舒 适 但 今 天 宽 屏 幕 形 式 很 普 遍,NHK 的 研 究 表 明, 人 们 更 喜 欢 5:3 或 甚 至 2:1 的 宽 高 比 (2) 有 限 的 垂 直 分 解 力 (NTSC 系 统 比 PAL 系 统 更 明 显 ) 在 NTSC 制 的 525 扫 描 行 中, 只 有 485 行 能 产 生 图 像, 余 下 的 40 行 是 场 消 隐 期 在 最 佳 的 情 况 下, 人 们 期 望 分 解 出 485 行, 但 实 际 上 有 一 些 影 响 使 这 个 数 字 大 大 减 少, 如 凯 尔 (Kell) 系 数 和 隔 行 系 数 等 均 使 可 观 察 到 的 分 解 力 降 低, 最 多 只 能 达 到 330 行 左 右 34

35 数 字 电 视 技 术 (3) 有 限 的 水 平 分 解 力 假 设 水 平 分 解 力 近 似 等 于 垂 直 分 解 力 因 此 NTSC 水 平 分 解 力 在 满 屏 宽 约 为 440 行 要 达 到 这 样 的 分 解 力, 需 要 频 率 响 应 的 平 坦 部 分 达 到 4.2MHz 左 右 NTSC 制 规 定 视 频 带 宽 的 上 限 也 只 有 4.2MHz, 此 频 率 上 限 不 能 随 便 扩 展, 因 为 电 视 额 道 的 划 分 大 多 互 相 紧 邻 (4) 严 重 受 限 的 色 度 分 解 力 根 据 对 人 类 视 觉 系 统 的 研 究 结 果, 人 眼 对 彩 色 的 分 辨 力 是 有 限 的, 因 此 决 定 利 用 这 一 点 对 色 度 系 统 的 频 率 响 应 也 作 同 样 的 限 制 虽 然 这 种 方 法 已 证 明 是 使 色 度 信 号 符 合 原 先 单 色 传 输 标 准 的 极 好 方 法, 但 目 前 节 目 制 作 设 备 却 正 在 发 生 变 化, 为 了 尽 量 减 小 图 像 的 劣 化, 采 用 RGB 基 色 或 Y B-Y R-Y 分 量 进 行 编 辑 (5) 静 态 光 栅 ( 可 见 行 结 构 ) 由 于 电 视 机 屏 幕 尺 寸 的 增 加 和 质 量 的 改 进, 观 众 开 始 能 看 到 组 成 一 帧 图 像 的 各 扫 描 行, 许 多 人 对 此 感 到 不 快, 使 扫 描 点 单 纯 地 散 焦, 会 产 生 使 水 平 清 晰 度 同 时 下 降 的 缺 陷 按 照 NTSC 制 标 准, 观 众 要 在 图 像 高 度 的 7 倍 处 (PAL 制 是 6 倍 ) 才 可 以 避 免 看 到 行 结 构 在 这 个 距 离 上, 观 看 者 不 会 有 身 临 其 境 的 感 觉, 相 反 是 感 觉 在 看 一 只 盒 子 中 的 图 画 (6) 串 色 串 色 是 指 亮 度 信 号 对 色 度 信 号 的 干 扰 串 色 看 起 来 就 像 新 闻 播 音 员 身 上 花 呢 短 上 衣 的 异 常 彩 色 编 织 图 案 的 效 果, 这 是 由 于 PAL/NTSC 将 高 频 亮 度 信 号 与 色 度 信 号 混 合 在 同 一 个 复 合 信 号 里 所 致 减 小 此 种 串 扰 有 两 个 办 法, 一 种 是 将 亮 度 倍 号 带 宽 限 制 到 大 约 3MHz; 再 就 是 利 用 梳 状 滤 波 器 将 色 度 信 号 从 亮 度 信 号 中 滤 出, 但 又 会 使 垂 直 分 辨 率 降 低 (7) 串 亮 串 亮 是 由 于 色 度 信 号 漏 入 亮 度 通 道 所 致, 特 别 是 在 黑 白 电 视 接 收 机 中, 屏 幕 上 由 密 布 点 组 成 矩 阵 状 干 扰 串 亮 可 采 取 与 抗 串 色 相 同 的 方 法 来 消 除 (8) 时 域 混 叠 这 种 车 轮 向 后 转 的 视 觉 效 应 是 由 30 帧 / 秒 的 取 样 率 造 成 的 传 统 低 场 频 隔 行 扫 描 的 缺 陷 传 统 低 频 隔 行 扫 描 的 缺 陷 如 下 : (1) 行 间 闪 烁 明 显 传 统 模 拟 彩 色 电 视 的 隔 行 扫 描 方 式, 把 一 帧 图 像 分 为 奇 数 场 和 偶 数 场 扫 描, 虽 然 降 低 了 视 频 带 宽, 简 化 了 设 备 和 电 路 的 复 杂 性, 但 是 扫 过 同 一 点 的 频 率 比 逐 行 扫 描 降 低 了 一 倍, 场 频 是 50Hz 或 60Hz, 但 扫 过 同 一 点 帧 频 仍 为 25 Hz 或 30Hz, 低 于 人 眼 的 临 界 闪 烁 频 率, 这 在 大 屏 幕 电 视 机 和 投 影 电 视 机 中 表 现 尤 为 明 显 (2) 低 场 频 造 成 大 面 积 闪 烁 研 究 表 明, 人 眼 可 观 察 到 频 率 非 常 高 的 场 景 亮 度 变 化, 它 取 决 于 视 场 和 亮 度 电 平 PAL-D 制 和 SECAM 制 采 用 的 50Hz 的 场 扫 描 频 率, 对 于 平 均 亮 度 较 低 的 场 景, 大 面 积 图 像 闪 烁 并 不 明 显, 但 当 重 显 平 均 亮 度 较 亮 的 场 景 时, 由 于 临 界 闪 烁 频 率 上 升,50Hz 的 场 扫 描 频 率 显 得 太 低, 大 面 积 图 像 闪 烁 明 显 长 时 间 在 高 亮 度 下 观 看 电 视 会 造 成 视 觉 疲 劳, 并 伴 随 有 头 晕 恶 心 的 感 觉 (3) 视 在 并 行 现 象 35

36 数 字 电 视 技 术 如 果 被 传 送 的 运 动 物 体 在 垂 直 方 向 上 有 足 够 大 的 速 度 分 量, 并 且 每 经 过 一 场 时 间, 即 1/50Hz=20ms 或 1/60Hz=16.6ms, 物 体 垂 直 向 下 运 动 的 距 离 等 于 扫 描 行 间 距 时, 则 两 场 运 动 图 像 重 合, 图 像 垂 直 清 晰 度 下 降 一 半, 这 种 现 象 称 为 视 在 并 行 (4) 直 实 并 行 现 象 在 隔 行 扫 描 中, 要 求 奇 数 场 同 步 信 号 与 偶 数 场 同 步 之 间 相 差 半 行, 奇 数 场 扫 描 终 止 于 第 行, 偶 数 场 扫 描 终 止 于 第 625 行, 同 时 要 求 行 场 同 步 脉 冲 之 间 保 持 严 格 的 隔 行 扫 描 关 系, 否 则 两 场 光 栅 不 能 均 匀 镶 嵌, 产 生 并 行 现 象 并 行 最 严 重 时 两 场 扫 描 光 栅 重 叠, 图 像 垂 直 清 晰 度 也 会 降 低 一 半 (5) 运 动 图 像 的 场 差 效 应 与 拖 尾 当 运 动 物 体 沿 水 平 方 向 运 动 速 度 足 够 大 时, 因 摄 像 端 隔 行 拾 取 信 号, 使 相 邻 行 图 像 在 时 间 上 相 差 一 场 时 间 (20ms 或 16.6ms), 结 果 出 现 运 动 物 体 垂 直 边 缘 锯 齿 化, 这 种 现 象 称 为 场 差 效 应 (Jaggies) 同 样 当 运 动 物 体 运 动 速 度 足 够 大 时, 因 摄 像 端 隔 行 拾 取 信 号, 也 会 使 运 动 物 体 产 生 拖 尾, 甚 至 一 个 物 体 变 为 两 个 物 体 (6) 爬 行 效 应 PAL 制 彩 色 电 视 信 号 的 色 度 信 号 采 用 逐 行 倒 相 方 式 传 送, 如 果 在 色 度 解 调 电 路 中 存 在 解 调 误 差 ( 解 调 角 误 差 相 位 配 合 误 差 幅 度 配 合 误 差 ) 时, 色 差 信 号 中 有 逐 行 倒 相 的 串 色 分 量, 并 会 产 生 相 邻 行 电 平 的 不 一 致 性, 显 示 的 图 像 亮 度 逐 行 有 强 弱 变 化, 再 加 由 上 至 下 隔 行 扫 描, 行 结 构 逐 场 向 上 移 动, 这 种 向 上 缓 慢 移 动 的 明 暗 相 间 行 结 构 就 称 为 爬 行 现 象 低 频 串 色 引 起 大 面 积 爬 行, 高 频 串 色 引 起 彩 色 图 像 边 缘 蠕 动, 色 饱 和 度 越 强, 爬 行 现 象 越 明 显 (7) 隔 行 扫 描 使 光 栅 摩 尔 效 应 明 显 摩 尔 效 应 是 荫 罩 孔 水 平 行 之 间 距 离 与 行 扫 描 线 之 间 相 互 作 用 产 生 的 一 种 网 纹 状 干 扰 图 形 如 果 荫 罩 孔 水 平 行 之 间 的 距 离 与 行 扫 描 线 之 间 距 离 正 好 相 一 致 或 者 成 整 数 倍, 产 生 摩 尔 效 应 的 可 能 性 较 小 但 是 当 两 者 距 离 不 完 全 一 致 时, 就 会 使 通 过 荫 罩 孔 的 电 子 束 电 流 强 度 被 调 制, 形 成 亮 暗 干 扰 条 纹 由 于 水 平 扫 描 线 有 一 定 的 倾 角, 即 使 在 光 栅 左 侧 荫 罩 孔 水 平 线 与 行 扫 描 线 对 准, 光 栅 右 侧 就 不 一 定 对 准, 因 此 垂 直 光 栅 幅 度 的 变 化 或 场 扫 描 线 性 不 好, 都 可 能 产 生 摩 尔 效 应 为 了 减 小 摩 尔 效 应, 必 须 根 据 扫 描 制 式 (625 行 或 525 行 ), 精 确 设 计 荫 罩 孔 节 距 扫 描 格 式 变 换 技 术, 提 高 了 行 扫 描 频 率, 使 行 扫 描 线 间 距 减 小, 有 利 于 减 小 摩 尔 效 应 减 小 行 间 闪 烁 的 方 法 消 除 行 间 闪 烁 的 办 法 有 两 个 : 即 变 隔 行 扫 描 为 逐 行 扫 描 格 式, 或 者 降 低 帧 间 时 差 前 一 种 办 法 本 身 没 有 行 间 闪 烁 ( 逐 行 扫 描 ), 产 生 行 间 闪 烁 的 原 因 是 帧 间 时 间 太 长, 即 两 帧 ( 场 ) 图 像 扫 过 同 一 像 素 的 时 间 太 长, 传 统 模 拟 电 视 的 帧 间 时 间 差 为 33.3ms(NTSC-M 制 ) 或 40ms (PAL-D 制 ), 逐 行 扫 描 的 帧 间 时 间 差 降 低 为 16.7ms 或 20ms 以 下, 同 样 可 以 消 除 行 间 闪 烁, 视 觉 感 觉 是 相 同 的 消 除 行 间 闪 烁 的 方 法 分 为 场 内 行 插 入 法 和 帧 内 逐 行 读 取 法 场 内 行 插 入 法 的 特 点 是 利 用 行 存 储 器, 使 一 行 图 像 信 号 重 复 使 用 两 次, 低 速 15625Hz/50Hz 写 入 ( 存 储 ), 高 速 31250Hz/50Hz 读 出, 输 入 为 隔 行 图 像 信 号, 显 示 为 逐 行 扫 描 图 像 信 号, 场 频 不 变, 行 频 提 高 一 倍 场 内 行 插 入 法 利 用 三 个 行 存 储 器 和 相 应 的 逻 辑 切 换 开 关, 就 可 以 使 隔 行 扫 描 方 式 变 为 逐 行 扫 描 方 式 场 内 行 插 入 法 可 分 为 两 种 方 法 36

37 数 字 电 视 技 术 (1)A 行 与 B 行 之 间 插 入 A 行 这 是 一 种 最 简 单 的 方 法, 其 原 理 方 框 图 和 时 序 图 如 图 2-1 图 中 A B C 是 三 个 行 存 储 器, 数 字 电 视 信 号 的 写 入 时 间 是 行 周 期 64μs, 读 出 时 间 是 半 行 周 期 时 间 32μs, 显 示 端 行 扫 描 频 率 由 15625Hz 提 高 了 一 倍, 变 为 31250Hz 时 序 逻 辑 控 制 切 换 开 关 使 一 行 图 像 信 号 重 复 使 用 两 次 当 A 存 储 器 以 行 频 写 入 时,B 存 储 器 以 两 倍 行 频 读 出 ; 当 B 存 储 器 以 行 频 写 入 时,C 存 储 器 以 两 倍 行 频 读 出 ; 当 C 存 储 器 以 行 频 写 入 时, 则 A 存 储 器 以 两 倍 行 频 读 出 输 出 信 号 U0 为 高 速 输 出, 变 成 一 种 倍 速 逐 行 扫 描 方 式 这 种 插 入 方 法 的 优 点 是 简 单, 行 存 储 器 容 量 不 大, 成 本 低, 能 改 善 文 字 和 静 止 图 像 的 垂 直 清 晰 度 图 2-1 行 内 插 入 法 (2)A 行 与 B 行 之 间 插 入 (A+B)/2 行 这 种 方 法 是 通 过 行 存 储 器, 把 相 邻 A 行 与 B 行 信 号 相 加 求 平 均 值, 得 到 一 个 新 的 扫 描 行 信 号 (A+B)/2, 并 插 入 在 A 行 与 B 行 之 间 图 2-2 示 出 了 这 种 方 法 的 方 框 图 和 时 序 关 系 图 这 种 方 法 也 是 行 频 提 高 一 倍, 场 频 不 变, 利 用 三 个 行 存 储 器, 以 行 频 低 速 写 入, 以 二 倍 行 频 高 速 读 出 当 A 存 储 器 以 行 频 写 入 时,B 存 储 器 以 两 倍 行 频 读 出, 第 一 行 读 出 B 存 储 器, 第 二 行 读 出 B 存 储 器 与 C 存 储 器 图 像 之 和 的 一 半 幅 度, 即 (B+C/2; 当 B 存 储 器 以 行 频 低 速 写 入 时,C 存 储 器 以 二 倍 行 频 高 速 读 出, 第 一 行 读 出 C 存 储 器 信 号 数 据, 第 二 行 读 出 C 存 储 器 与 A 存 储 器 信 号 数 据 之 和 的 一 半 幅 度, 即 (A+C)/2 ; 同 理, 当 C 存 储 器 以 行 频 低 速 写 入 时,A 存 储 器 以 二 倍 行 频 高 速 读 出, 第 一 行 读 出 A 存 储 器 数 据 信 号, 第 二 行 读 出 A B 存 储 器 数 据 信 号 之 和 的 一 半, 其 余 行 依 此 类 推 这 种 输 入 信 号 是 常 规 的 隔 行 扫 描 的 电 视 信 号, 而 输 出 是 二 倍 行 频 的 逐 行 扫 描 电 视 信 号, 而 且 插 入 信 号 是 相 邻 两 行 信 号 的 数 学 平 均 值 这 种 插 入 方 式 图 像 柔 合 清 晰, 适 合 于 一 般 广 播 电 视 信 号 的 处 理 37

38 数 字 电 视 技 术 图 2-2 场 内 插 入 法 2.2 数 字 通 信 的 特 点 数 字 通 信 具 有 以 下 特 点 : (1) 抗 干 扰 能 力 强 无 噪 声 积 累 在 模 拟 通 信 中, 为 了 提 高 信 噪 比, 需 要 在 信 号 传 输 过 程 中 及 时 对 衰 减 的 传 输 信 号 进 行 放 大, 信 号 在 传 输 过 程 中 不 可 避 免 地 叠 加 上 的 噪 声 也 被 同 时 放 大 随 着 传 输 距 离 的 增 加, 噪 声 累 积 越 来 越 多, 以 致 使 传 输 质 量 严 重 恶 化 对 于 数 字 通 信, 由 于 数 字 信 号 的 幅 值 为 有 限 个 离 散 值 ( 通 常 取 两 个 幅 值 ), 在 传 输 过 程 中 虽 然 也 受 到 噪 声 的 干 扰, 但 当 信 噪 比 恶 化 到 一 定 程 度 时, 即 在 适 当 的 距 离 采 用 判 决 再 生 的 方 法, 再 生 成 没 有 噪 声 干 扰 的 和 原 发 送 端 一 样 的 数 字 信 号, 所 以 可 实 现 长 距 离 高 质 量 的 传 输 (2) 便 于 加 密 处 理 信 息 传 输 的 安 全 性 和 保 密 性 越 来 越 重 要, 数 字 通 信 的 加 密 处 理 的 比 模 拟 通 信 容 易 得 多, 以 话 音 信 号 为 例, 经 过 数 字 变 换 后 的 信 号 可 用 简 单 的 数 字 逻 辑 运 算 进 行 加 密 解 密 处 理 (3) 便 于 存 储 处 理 和 交 换 数 字 通 信 的 信 号 形 式 和 计 算 机 所 用 信 号 一 致, 都 是 二 进 制 代 码, 因 此 便 于 与 计 算 机 联 网, 也 便 于 用 计 算 机 对 数 字 信 号 进 行 存 储 处 理 和 交 换, 可 使 通 信 网 的 管 理 维 护 实 现 自 动 化 智 能 化 (4) 设 备 便 于 集 成 化 微 型 化 数 字 通 信 采 用 时 分 多 路 复 用, 不 需 要 体 积 较 大 的 滤 波 器 设 备 中 大 部 分 电 路 是 数 字 电 路, 可 用 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 实 现, 因 此 体 积 小 功 耗 低 (5) 便 于 构 成 综 合 数 字 网 和 综 合 业 务 数 字 网 采 用 数 字 传 输 方 式, 可 以 通 过 程 控 数 字 交 换 设 备 进 行 数 字 交 换, 以 实 现 传 输 和 交 换 的 综 合 另 外, 电 话 业 务 和 各 种 非 话 业 务 都 可 以 实 现 数 字 化, 构 成 综 合 业 务 数 字 网 (6) 占 用 信 道 频 带 较 宽 一 路 模 拟 电 话 的 频 带 为 4kHz 带 宽, 一 路 数 字 电 话 约 占 64kHz, 这 是 模 拟 通 信 目 前 仍 有 生 命 力 的 主 要 原 因 随 着 宽 频 带 信 道 ( 光 缆 数 字 微 波 ) 的 大 量 利 用 ( 一 对 光 缆 可 开 通 几 千 38

39 数 字 电 视 技 术 路 电 话 ) 以 及 数 字 信 号 处 理 技 术 的 发 展 ( 可 将 一 路 数 字 电 话 的 数 码 率 由 64kb/s 压 缩 到 32kb/s 甚 至 更 低 的 数 码 率 ), 数 字 信 号 的 带 宽 问 题 已 不 是 主 要 问 题 了 由 以 上 介 绍 可 知, 数 字 通 信 具 有 很 多 优 点, 所 以 各 国 都 在 积 极 发 展 数 字 通 信 近 年 来, 我 国 数 字 通 信 得 到 迅 速 发 展, 正 朝 着 高 速 化 智 能 化 宽 带 化 和 综 合 化 方 向 迈 进 2.3 数 字 信 号 的 产 生 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 1. 模 拟 信 号 信 号 波 形 模 拟 着 信 息 的 变 化 而 变 化, 如 下 图 左 边 所 示 的 信 号 称 为 模 拟 信 号 其 特 点 是 幅 度 连 续 ( 连 续 的 含 义 是 在 某 一 取 值 范 围 内 可 以 取 无 限 多 个 数 值 ) 其 信 号 波 形 在 时 间 上 也 是 连 续 的, 因 此 它 又 是 连 续 信 号 右 图 所 示 的 信 号 是 如 图 2-3 所 示 的 模 拟 信 号 按 一 定 的 时 间 间 隔 T 抽 样 后 的 抽 样 信 号, 由 于 其 波 形 在 时 间 上 是 离 散 的, 它 又 叫 离 散 信 号 但 此 信 号 的 幅 度 仍 然 是 连 续 的, 所 以 仍 然 是 模 拟 信 号 电 话 传 真 电 视 信 号 都 是 模 拟 信 号 U U t t 连 续 信 号 离 散 信 号 图 2-3 连 续 信 号 与 离 散 信 号 2. 数 字 信 号 下 图 所 示 是 数 字 信 号, 其 特 点 是 幅 值 被 限 制 在 有 限 个 数 值 之 内, 它 不 是 连 续 的 而 是 离 散 的 如 图 2-4 是 二 进 码, 每 一 个 码 元 只 取 两 个 幅 值 (0,A): 右 图 是 四 进 码, 每 个 码 元 取 四 ( ) 中 的 一 个 这 种 幅 度 是 离 散 的 信 号 称 数 字 信 号 39

40 数 字 电 视 技 术 A U U(t) T T 二 进 制 码 t 四 进 制 码 t 图 2-4 数 字 信 号 波 形 信 号 的 数 字 化 过 程 信 号 的 数 字 化 需 要 三 个 步 骤 : 抽 样 量 化 和 编 码 抽 样 是 指 用 每 隔 一 定 时 间 的 信 号 样 值 序 列 来 代 替 原 来 在 时 间 上 连 续 的 信 号, 也 就 是 在 时 间 上 将 模 拟 信 号 离 散 化 量 化 是 用 有 限 个 幅 度 值 近 似 原 来 连 续 变 化 的 幅 度 值, 把 模 拟 信 号 的 连 续 幅 度 变 为 有 限 数 量 的 有 一 定 间 隔 的 离 散 值 编 码 则 是 按 照 一 定 的 规 律, 把 量 化 后 的 值 用 二 进 制 数 字 表 示, 然 后 转 换 成 二 值 或 多 值 的 数 字 信 号 流 这 样 得 到 的 数 字 信 号 可 以 通 过 电 缆 微 波 干 线 卫 星 通 道 等 数 字 线 路 传 输 在 接 收 端 则 与 上 述 模 拟 信 号 数 字 化 过 程 相 反, 再 经 过 后 置 滤 波 又 恢 复 成 原 来 的 模 拟 信 号 上 述 数 字 化 的 过 程 又 称 为 脉 冲 编 码 调 制 1. 抽 样 图 像 和 话 音 信 号 是 模 拟 信 号, 它 不 仅 在 幅 度 取 值 上 是 连 续 的, 而 且 在 时 间 上 也 是 连 续 的 要 使 模 拟 信 号 数 字 化 并 实 现 时 分 多 路 复 用, 首 先 要 在 时 间 上 对 模 拟 信 号 进 行 离 散 化 处 理, 这 一 过 程 叫 抽 样 所 谓 抽 样 就 是 每 隔 一 定 的 时 间 间 隔 T, 抽 取 模 拟 信 号 的 一 个 瞬 时 幅 度 值 ( 抽 样 值 ), 抽 样 后 所 得 出 的 一 系 列 在 时 间 上 离 散 的 抽 样 值 称 为 样 值 序 列, 如 下 图 所 示 抽 样 后 的 样 值 序 列 在 时 间 上 是 离 散 的, 可 进 行 时 分 多 路 复 用, 也 可 将 各 个 抽 样 值 经 过 量 化 编 码 变 换 成 二 进 制 数 字 信 号 理 论 和 实 践 证 明, 只 要 抽 样 脉 冲 的 频 fs 2fm(fm 是 模 拟 信 号 的 最 高 频 率 ), 则 抽 样 后 的 样 值 序 列 可 不 失 真 地 还 原 成 原 来 的 信 号 U U(t) t t 连 续 信 号 抽 样 门 离 散 信 号 图 2-5 抽 样 过 程 示 意 图 40

41 数 字 电 视 技 术 例 如, 一 路 电 话 信 号 的 频 带 为 300~3400Hz,fm=3400Hz, 则 抽 样 频 率 fs =6800Hz 如 按 6800Hz 的 抽 样 频 率 对 300~3400Hz 的 电 话 信 号 抽 样, 则 抽 样 后 的 样 值 序 列 可 不 失 真 地 还 原 成 原 来 的 话 音 信 号, 话 音 信 号 的 抽 样 频 率 通 常 取 8000Hz 对 于 PAL 制 电 视 信 号, 视 频 带 宽 为 6MHz, 按 照 CCIR601 建 议, 亮 度 信 号 的 抽 样 频 率 为 13.5MHz, 色 度 信 号 为 6.75MHz 2. 量 化 抽 样 把 模 拟 信 号 变 成 了 时 间 上 离 散 的 脉 冲 信 号, 但 脉 冲 的 幅 度 仍 然 是 模 拟 的, 还 必 须 进 行 离 散 化 处 理, 才 能 最 终 用 数 码 来 表 示 这 就 要 对 幅 值 进 行 舍 零 取 整 的 处 理, 这 个 过 程 称 为 量 化 量 化 有 两 种 方 式 一 种 是 取 整 时 只 舍 不 入, 例 如 0~1 伏 间 的 所 有 输 入 电 压 都 输 出 0 伏,1~2 伏 间 所 有 输 入 电 压 都 输 出 1 伏 等 采 用 这 种 量 化 方 式, 输 入 电 压 总 是 大 于 输 出 电 压, 因 此 产 生 的 量 化 误 差 总 是 正 的, 最 大 量 化 误 差 等 于 两 个 相 邻 量 化 级 的 间 隔 Δ 另 一 种 量 化 方 式 在 取 整 时 有 舍 有 入, 例 如 0~0.5 伏 间 的 输 入 电 压 都 输 出 0 伏,0.5~1.5 伏 间 的 输 出 电 压 都 输 出 1 伏 等 等 采 用 这 种 量 化 方 式 量 化 误 差 有 正 有 负, 量 化 误 差 的 绝 对 值 最 大 为 Δ/2 因 此, 采 用 有 舍 有 入 法 进 行 量 化, 误 差 较 小 实 际 信 号 可 以 看 成 量 化 输 出 信 号 与 量 化 误 差 之 和, 因 此 只 用 量 化 输 出 信 号 来 代 替 原 信 号 就 会 有 失 真 一 般 说 来, 可 以 把 量 化 误 差 的 幅 度 概 率 分 布 看 成 在 -Δ/2~+Δ/2 之 间 的 均 匀 分 布 可 以 证 明, 量 化 失 真 功 率, 即 与 最 小 量 化 间 隔 的 平 方 成 正 比 最 小 量 化 间 隔 越 小, 失 真 就 越 小 最 小 量 化 间 隔 越 小, 用 来 表 示 一 定 幅 度 的 模 拟 信 号 时 所 需 要 的 量 化 级 数 就 越 多, 因 此 处 理 和 传 输 就 越 复 杂 所 以, 量 化 既 要 尽 量 减 少 量 化 级 数, 又 要 使 量 化 失 真 看 不 出 来 一 般 都 用 一 个 二 进 制 数 来 表 示 某 一 量 化 级 数, 经 过 传 输 在 接 收 端 再 按 照 这 个 二 进 制 数 来 恢 复 原 信 号 的 幅 值 所 谓 量 化 比 特 数 是 指 要 区 分 所 有 量 化 级 所 需 几 位 二 进 制 数 例 如, 有 8 个 量 化 级, 那 么 可 用 三 位 二 进 制 数 来 区 分, 称 8 个 量 化 级 的 量 化 为 3 比 特 量 化 8 比 特 量 化 则 是 指 共 有 256 个 量 化 级 的 量 化 量 化 误 差 与 噪 声 是 有 本 质 的 区 别 的 因 为 任 一 时 刻 的 量 化 误 差 是 可 以 从 输 入 信 号 求 出, 而 噪 声 与 信 号 之 间 就 没 有 这 种 关 系 可 以 证 明, 量 化 误 差 是 高 阶 非 线 性 失 真 的 产 物 但 量 化 失 真 在 信 号 中 的 表 现 类 似 于 噪 声, 也 有 很 宽 的 频 谱, 所 以 也 被 称 为 量 化 噪 声 并 用 信 噪 比 来 衡 量 上 面 所 述 的 采 用 均 匀 间 隔 量 化 级 进 行 量 化 的 方 法 称 为 均 匀 量 化 或 线 性 量 化, 这 种 量 化 方 式 会 造 成 大 信 号 时 信 噪 比 有 余 而 小 信 号 时 信 噪 比 不 足 的 缺 点 如 果 使 小 信 号 时 量 化 级 间 宽 度 小 些, 而 大 信 号 时 量 化 级 间 宽 度 大 些, 就 可 以 使 小 信 号 时 和 大 信 号 时 的 信 噪 比 趋 于 一 致 这 种 非 均 匀 量 化 级 的 安 排 称 为 非 均 匀 量 化 或 非 线 性 量 化 数 字 电 视 信 号 大 多 采 用 非 均 匀 量 化 方 式, 这 是 由 于 模 拟 视 频 信 号 要 经 过 校 正, 而 校 正 类 似 于 非 线 性 量 化 特 性, 可 减 轻 小 信 号 时 误 差 的 影 响 对 于 音 频 信 号 的 非 均 匀 量 化 也 是 采 用 压 缩 扩 张 的 方 法, 即 在 发 送 端 对 输 入 的 信 号 进 行 压 缩 处 理 再 均 匀 量 化, 在 接 收 端 再 进 行 相 应 的 扩 张 处 理 目 前 国 际 上 普 遍 采 用 容 易 实 现 的 A 律 13 折 线 压 扩 特 性 和 μ 律 15 折 线 的 压 扩 特 性 我 国 规 定 采 用 A 律 13 折 线 压 扩 特 性 采 用 13 折 线 压 扩 特 性 后 小 信 号 时 量 化 信 噪 比 的 改 善 量 可 达 24dB, 而 这 是 靠 牺 牲 大 信 号 量 化 信 噪 比 ( 亏 损 12dB) 换 来 的 41

42 数 字 电 视 技 术 3. 编 码 抽 样 量 化 后 的 信 号 还 不 是 数 字 信 号, 需 要 把 它 转 换 成 数 字 编 码 脉 冲, 这 一 过 程 称 为 编 码 最 简 单 的 编 码 方 式 是 二 进 制 编 码 具 体 说 来, 就 是 用 n 比 特 二 进 制 码 来 表 示 已 经 量 化 了 的 样 值, 每 个 二 进 制 数 对 应 一 个 量 化 值, 然 后 把 它 们 排 列, 得 到 由 二 值 脉 冲 组 成 的 数 字 信 息 流 编 码 过 程 在 接 收 端, 可 以 按 所 收 到 的 信 息 重 新 组 成 原 来 的 样 值, 再 经 过 低 通 滤 波 器 恢 复 原 信 号 用 这 样 方 式 组 成 的 脉 冲 串 的 频 率 等 于 抽 样 频 率 与 量 化 比 特 数 的 积, 称 为 所 传 输 数 字 信 号 的 数 码 率 显 然, 抽 样 频 率 越 高, 量 化 比 特 数 越 大, 数 码 率 就 越 高, 所 需 要 的 传 输 带 宽 就 越 宽 除 了 上 述 的 自 然 二 进 制 码, 还 有 其 他 形 式 的 二 进 制 码, 如 格 雷 码 和 折 叠 二 进 制 码 等, 下 表 示 出 了 这 三 种 二 进 制 码 这 三 种 码 各 有 优 缺 点 :A. 自 然 二 进 制 码 和 二 进 制 数 一 一 对 应, 简 单 易 行, 它 是 权 重 码, 每 一 位 都 有 确 定 的 大 小, 可 以 直 接 进 行 大 小 比 较 和 算 术 运 算 自 然 二 进 制 码 可 以 直 接 由 数 / 模 转 换 器 转 换 成 模 拟 信 号, 但 在 某 些 情 况, 例 如 从 十 进 制 的 3 转 换 为 4 时 二 进 制 码 的 每 一 位 都 要 变, 使 数 字 电 路 产 生 很 大 的 尖 峰 电 流 脉 冲 B. 格 雷 码 则 没 有 这 一 缺 点, 它 在 相 邻 电 平 间 转 换 时, 只 有 一 位 产 生 变 化, 格 雷 码 不 是 权 重 码, 每 一 位 码 没 有 确 定 的 大 小, 不 能 直 接 进 行 比 较 大 小 和 算 术 运 算, 也 不 能 直 接 转 换 成 模 拟 信 号, 要 经 过 一 次 码 变 换, 变 成 自 然 二 进 制 码 C. 折 叠 二 进 制 码 沿 中 心 电 平 上 下 对 称, 适 于 表 示 正 负 对 称 的 双 极 性 信 号 它 的 最 高 位 用 来 区 分 信 号 幅 值 的 正 负 折 叠 码 的 抗 误 码 能 力 强 表 2-1 二 进 制 编 码 表 量 化 电 平 自 然 二 进 制 码 格 雷 码 折 叠 二 进 制 码 在 通 信 理 论 中, 编 码 分 为 信 源 编 码 和 信 道 编 码 两 大 类 所 谓 信 源 编 码 是 指 将 信 号 源 中 多 余 的 信 息 除 去, 形 成 一 个 适 合 用 来 传 输 的 信 号 为 了 抑 制 信 道 噪 声 对 信 号 的 干 扰, 往 往 还 需 要 对 信 号 进 行 再 编 码, 编 成 在 接 收 端 不 易 为 干 扰 所 弄 错 的 形 式, 这 称 为 信 道 编 码 为 了 对 付 干 扰, 必 须 花 费 更 多 的 时 间, 传 送 一 些 多 余 的 重 复 信 号, 从 而 占 用 了 更 多 频 带, 这 是 通 信 理 论 中 的 一 条 基 本 原 理 数 字 视 频 信 号 的 编 码 方 式 和 格 式 1. 复 合 编 码 和 分 量 编 码 视 频 信 号 有 两 种 编 码 方 式, 即 复 合 编 码 和 分 量 编 码 复 合 编 码 是 将 复 合 彩 色 视 频 信 号 直 接 编 码 成 PCM 形 式 复 合 彩 色 视 频 信 号 是 指 彩 色 全 电 视 信 号, 它 包 含 有 亮 度 信 号 和 以 不 同

43 数 字 电 视 技 术 方 式 编 码 的 色 度 信 号 分 量 编 码 是 将 三 基 色 信 号 R G B 分 量 或 亮 度 和 色 差 信 号 Y (B-Y) (R-Y) 分 别 编 码 成 PCM 形 式 复 合 编 码 的 优 点 是 码 率 低 些, 设 备 较 简 单, 适 用 于 在 模 拟 系 统 中 插 入 单 个 数 字 设 备 的 情 况 它 的 缺 点 是 由 于 数 字 电 视 的 抽 样 频 率 必 须 与 彩 色 副 载 频 保 持 一 定 的 关 系, 而 各 种 制 式 的 副 载 频 各 不 相 同, 难 以 统 一 采 用 复 合 编 码 时 由 抽 样 频 率 和 副 载 频 间 的 差 拍 造 成 的 干 扰 将 影 响 图 像 的 质 量 分 量 编 码 的 优 点 是 编 码 与 制 式 无 关, 只 要 抽 样 频 率 与 行 频 有 一 定 的 关 系, 便 于 制 式 转 换 和 统 一, 而 且 由 于 Y (R-Y) (B-Y) 分 别 编 码, 可 采 用 时 分 复 用 方 式, 避 免 亮 色 互 串, 可 获 得 高 质 量 的 图 像 在 分 量 编 码 中, 亮 度 信 号 用 较 高 的 码 率 传 送, 两 个 色 差 信 号 的 码 率 可 低 一 些, 但 总 的 码 率 比 较 高, 设 备 价 格 相 应 较 贵 2. 数 字 视 频 信 号 的 抽 样 频 率 和 格 式 现 行 的 扫 描 制 式 主 要 有 625 行 /50 场 和 525 行 /60 场 两 种, 它 们 的 行 频 分 别 为 赫 和 赫 ITU-R 建 议 的 分 量 编 码 标 准 的 亮 度 抽 样 频 率 为 13.5 兆 赫, 这 恰 好 是 上 述 两 种 行 频 的 整 数 倍, 对 于 625 行 /50 场, 每 行 的 抽 样 点 数 为 864 个, 对 于 525 行 /60 场, 每 行 的 抽 样 点 数 为 858 个, 按 照 国 际 现 行 电 视 制 式, 亮 度 信 号 最 大 带 宽 是 6 兆 赫 根 据 奈 奎 斯 特 抽 样 定 理, 抽 样 频 率 至 少 要 大 于 2 6=12 兆 赫, 因 此 取 13.5 兆 赫 也 是 合 适 的 由 于 色 差 信 号 的 带 宽 比 亮 度 信 号 窄 得 多, 所 以 在 分 量 编 码 时 两 个 色 差 信 号 的 抽 样 频 率 可 以 低 一 些, 同 时 也 考 虑 到 抽 样 的 样 点 结 构 满 足 正 交 结 构 的 要 求,ITU-R 建 议 两 个 色 差 信 号 的 抽 样 频 率 均 为 亮 度 信 号 抽 样 频 率 的 一 半, 即 6.75 兆 赫, 每 行 的 样 值 点 数 也 是 亮 度 信 号 样 值 点 数 的 一 半, 即 分 别 为 432 个 / 行 和 429 个 / 行 因 此, 对 演 播 室 数 字 电 视 设 备 进 行 分 量 编 码 的 标 准 是 : 亮 度 信 号 的 抽 样 频 率 是 13.5 兆 赫, 两 个 色 差 信 号 的 抽 样 频 率 是 6.75 兆 赫, 其 抽 样 频 率 之 比 为 4 2 2, 因 此 也 称 为 格 式 对 于 用 于 信 号 源 信 号 处 理 的 质 量 要 求 更 高 的 设 备, 还 可 以 采 用 的 抽 样 关 系 2.4 数 字 视 频 的 基 本 原 理 二 进 制 原 理 数 字 视 频 是 一 种 用 二 进 制 数 进 行 编 码 压 缩 再 传 输 的 图 像 信 源 它 较 传 统 的 模 拟 制 式 图 像 信 源 相 比, 更 适 合 多 次 中 继 的 远 距 离 通 信, 易 于 多 次 复 制, 并 且 抗 干 扰 能 力 强, 保 密 性 好, 有 效 地 提 高 了 电 视 的 质 量 数 字 化 技 术 在 视 频 图 像 中 的 运 用 成 功, 不 仅 需 要 二 进 制 数 的 支 持, 而 且 图 像 变 换 编 码 及 图 像 编 码 的 标 准 也 为 之 起 着 关 键 性 的 作 用 视 频 序 列 力 像 在 时 间 上 有 很 强 的 相 关 性, 利 用 块 运 动 估 计 和 运 动 补 偿 技 术 可 以 比 较 有 效 地 去 除 图 像 帧 间 冗 余 度, 实 现 高 码 率 压 缩 比, 这 种 技 术 已 广 泛 用 于 视 频 压 缩 的 一 些 国 际 标 准 中, 如 H.261,H.263,MPEG-1,MPEG-2 等 在 这 些 视 频 压 缩 国 际 标 准 中 视 频 系 统 编 码 器 的 复 杂 性 最 主 要 取 决 于 运 动 估 计 运 动 估 计 是 活 动 图 像 编 码 和 计 算 机 视 觉 领 域 中 的 一 项 关 键 技 术 计 算 机 视 觉 的 研 究 侧 重 于 由 物 体 的 二 维 运 动 来 43

44 数 字 电 视 技 术 估 计 其 三 维 运 动, 活 动 图 像 编 码 的 研 究 侧 重 于 由 物 体 和 摄 像 机 的 相 对 运 动 而 形 成 的 二 维 运 动 因 此, 数 字 视 频 是 十 分 复 杂 的 编 码 技 术 的 支 持 在 人 们 的 日 常 生 活 中, 对 数 的 运 用, 总 有 一 个 进 位 的 概 念, 用 以 表 示 数 码 的 量 级 在 实 际 应 用 中, 根 据 不 同 事 物 的 需 要, 人 们 创 立 了 多 种 数 的 进 位 制 我 们 最 常 用 最 熟 悉 的 是 十 进 制, 例 如 10mm 为 1cm,10cm 为 1dm,10dm 为 1m 等 但 是, 日 常 生 活 中, 并 不 都 是 采 用 十 进 制 的, 如 1 年 等 于 12 个 月, 则 是 十 二 进 制 ;1 小 时 等 于 60 分 钟,1 分 钟 等 于 60 秒, 是 60 进 制 ; 鞋 是 以 双 计 算 的, 即 1 双 等 于 2 只, 是 二 进 制 在 我 们 最 常 用 最 熟 悉 的 十 进 制 数 中, 共 有 10 个 不 同 的 数 字 符 号 , 由 且 由 低 位 向 高 位 是 逢 十 进 一 在 十 进 制 中 由 这 十 个 数 字 符 号, 加 上 正 负 号 小 数 点 等 就 可 以 构 成 一 个 数 例 如 1999 这 个 数, 通 常 读 为 一 千 九 百 九 十 九 用 数 学 公 式 表 达, 则 为 : 1999= 在 十 进 制 中 任 一 个 正 整 数 N 都 能 够 写 成 : N=an 10n+an-1 10n a3 102+a1 10+a0 其 中 0 ai 9, 而 I 是 0 到 几 中 的 任 一 个 数 如 将 3475 写 成 数 学 公 式 的 表 达 形 式 时, 则 当 i 4 时 有 : 即 : ai=0,a3=3,a2=4,a1=7,a0=5, 3475= 在 十 进 制 中, 由 于 利 用 这 十 个 数 字 符 号 可 以 表 示 出 任 意 大 小 的 数, 因 而 十 进 制 普 遍 应 用, 似 乎 没 有 必 要 搞 其 他 进 位 制, 事 实 上 在 电 子 数 字 计 算 机 出 现 以 前, 除 了 少 数 数 学 家 以 外, 确 实 没 有 人 考 虑 其 他 进 位 制 随 着 电 子 计 算 机 技 术 的 出 现, 十 进 制 数 已 不 能 适 应 电 子 数 字 计 算, 为 此 二 进 制 计 算 方 法 便 应 运 而 生, 并 且 愈 来 愈 显 著 起 来 在 二 进 制 计 数 方 法 中, 只 有 两 个 数 字 符 号 0 1, 而 且 由 低 位 向 高 位 是 逢 二 进 一, 同 一 个 数 所 在 的 位 数 相 差 一 位, 其 值 就 有 二 位 之 差 所 以, 在 二 进 制 的 数 : 0 就 是 零 ; 1 就 是 一 ; 10 就 是 二 ; 100 就 是 四 ; 1000 就 是 八 ; 就 是 十 六 ; 44

45 数 字 电 视 技 术 就 是 三 十 二 ; 就 是 六 十 四 ; 就 是 二 百 二 十 八 ; 由 于 在 二 进 制 中 10 就 是 二,1 就 是 一, 所 以 在 十 进 制 11=10+1 等 于 二 加 一 就 是 三 对 于 由 1111 这 四 个 数 字 符 号 所 组 成 的 数 在 十 进 制 和 二 进 制 中, 它 们 所 表 示 的 量 值 是 不 同 的 在 十 进 制 中 1111 是 一 千 一 百 一 十 一, 而 在 二 进 制 中 1111= 却 是 八 加 四 加 二 再 加 一, 也 就 是 十 五 在 数 学 界, 当 g 是 正 整 数 而 g 不 等 于 10 时, 将 用 (a)g 来 表 示 a 是 用 g 进 位 法 写 的, 因 此 (a)2 是 表 示 a 是 用 二 进 位 法 写 的 为 了 方 便 起 见, 当 a 是 用 十 进 位 法 写 时, 我 们 还 用 平 常 的 写 法, 也 就 是 a 在 电 子 计 算 机 中 采 用 二 进 制, 是 因 为 这 种 进 位 制 具 有 下 面 一 些 优 点 : (1) 二 进 制 数 只 0 1 两 个 数 字 字 符 号, 十 进 制 却 有 十 个 数 字 符 号 电 子 计 算 机 不 可 能 像 人 一 样, 一 眼 就 识 别 这 十 个 符 号 在 计 算 机 内 只 能 用 物 理 元 件 的 不 同 稳 定 状 态 来 表 征 这 些 不 同 符 号 因 此, 对 于 一 个 十 进 制 数 就 需 要 一 个 具 有 十 种 不 同 稳 定 状 态 的 物 理 元 件, 而 对 于 二 进 制 数 只 要 一 个 具 有 两 种 不 同 稳 定 状 态 的 物 理 元 件 即 可 显 然, 后 一 种 物 理 元 件 是 容 易 实 现 的 如 电 灯 的 亮 与 暗 和 开 关 的 接 通 与 断 开 都 是 电 灯 和 开 关 的 两 种 不 同 稳 定 状 态, 如 果 用 亮 或 接 通 表 示 1, 则 暗 或 断 开 就 表 示 0, 所 以 用 电 灯 或 开 关 就 可 以 表 示 一 个 二 进 制 数 (2) 采 用 二 进 制, 可 以 用 较 少 的 物 理 元 件 表 示 较 多 的 数, 所 以 采 用 二 进 制 可 以 节 省 设 备 而 使 电 子 计 算 机 的 结 构 比 较 简 单, 也 有 利 于 工 作 可 靠 性 的 提 高 (3) 二 进 制 数 的 四 则 运 算 和 十 进 制 数 相 同, 因 为 它 只 有 0 和 1 两 个 数 字 符 号, 因 此 只 要 记 住 逢 二 进 一 的 原 则, 就 可 以 进 行 任 何 运 算 了 要 使 人 们 习 惯 采 用 的 十 进 制 量 化 模 拟 视 频 在 电 子 数 字 计 算 机 中 进 行 运 算, 道 德 必 须 把 需 要 运 算 的 十 进 制 数 翻 译 成 二 进 制 根 据 二 进 制 计 数 方 法 的 定 义, 十 进 制 的 这 十 个 数 字 符 号, 可 用 二 进 制 数 表 示 为 : 0=(0)2 1=(1)2 2=(10) 3= 2+1 =(10)2+(1)2=(11)2 4=(100)2 5= 4+1=(100)2+(1)2=(101)2 6= 4+2=(100)2+(10)2=(110)2 7= 6+1=(100)2+(1)2=(111)2 8=(1000)2 9=8+1=(1000)2+(1)2=(1001)2 在 实 际 应 用 中, 可 基 于 2 的 乘 次 方 采 用 试 减 法 来 将 十 进 制 数 换 成 二 进 制 数 2 的 乘 次 方 通 常 是 : 21=2 45

46 数 字 电 视 技 术 22=4 23=8 24=16 25=32 26=64 27=128 28=256 29= = = = = =16384 = 如 将 24 化 为 二 进 制 数 : 根 据 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 24 的 最 大 数 是 24=16 由 24-16=8 和 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 8 的 最 大 数 是 23=8 由 于 24=16+8= 所 以,24=(11000)2 再 如 将 92 化 为 二 进 制 数 : 根 据 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 92 的 最 大 数 是 26=64, 由 92-64=28, 再 由 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 28 的 最 大 数 是 24=16 由 28-16=12, 再 由 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 12 的 最 大 数 是 23=8 由 12-8=4, 再 由 2 的 乘 次 方 知 道, 不 大 于 4 的 最 大 值 是 22=4 由 于 92= = 所 以 92= 从 十 进 制 数 转 化 为 二 进 制 数 来 看, 后 者 一 个 最 大 特 点 是 码 位 较 高 这 也 是 较 十 进 制 数 在 应 用 计 算 时 的 一 个 不 利 因 素, 它 要 求 计 算 机 的 硬 件 有 一 个 较 高 的 质 量 至 于 二 进 制 数 转 换 成 二 进 制 数, 方 法 就 比 较 简 单 了, 只 要 把 它 用 2 的 乘 次 方 的 多 项 式 表 示, 求 出 结 果 就 行 了 如 :(10011)2 化 成 十 进 制 数 时 分 解 (10011)2= 由 有 :24+2+1=16+2+1=19 所 以 (10011)2= 数 字 通 信 系 统 的 主 要 性 能 指 标 数 字 通 信 系 统 主 要 性 能 指 标 在 如 下 : (1) 信 道 传 输 速 率 信 道 的 传 输 速 率 通 常 是 以 每 秒 所 传 输 的 信 息 量 多 少 来 衡 量 信 息 论 中 定 义 信 源 发 生 信 息 量 的 度 量 单 位 是 比 特 (bit) 一 个 二 进 制 码 元 所 含 的 信 息 量 是 一 个 比 特, 所 以 信 息 传 输 速 率 的 单 位 是 比 特 / 秒 (bit/s) 例 如 一 个 数 字 通 信 系 统, 它 每 秒 传 输 600 个 二 进 制 码 元, 它 的 信 46

47 数 字 电 视 技 术 息 传 输 速 率 是 600 比 特 / 秒 (600bit/s) (2) 符 号 传 输 速 率 它 是 指 单 位 时 间 ( 秒 ) 内 传 输 的 码 元 数 目, 其 单 位 为 波 特 这 里 的 码 元 可 以 是 二 进 制 的, 也 可 以 是 多 进 制 的 符 号 传 输 速 率 M 和 信 息 传 输 速 率 R 的 关 系 为 R=Nlog2M, 当 码 元 为 二 进 制 时 M 为 2, 码 元 为 四 进 制 时 M 为 4 如 果 符 号 速 率 为 600 波 特, 在 二 进 制 时, 信 息 传 输 速 率 为 600 比 特 / 秒, 在 四 进 制 时 为 1200 比 特 / 秒 (3) 误 码 率 信 码 在 传 输 过 程 中, 由 于 信 道 不 理 想 以 及 噪 声 的 干 扰, 以 致 在 接 收 端 判 决 再 生 后 的 码 元 可 能 出 现 错 误, 这 叫 误 码 误 码 的 多 少 用 误 码 率 来 衡 量, 误 码 率 是 数 字 通 信 系 统 中 单 位 时 间 内 错 误 码 元 数 与 发 送 总 码 元 数 之 比 误 码 越 多, 误 码 率 越 大 传 输 速 率 和 带 宽 的 关 系 数 字 信 号 的 传 输 要 求 与 模 拟 信 号 的 要 求 不 同, 模 拟 信 号 的 传 输 要 求 接 收 端 无 波 形 失 真, 而 数 字 信 号 的 传 输 是 要 求 接 收 端 无 差 错 地 恢 复 成 原 来 的 二 进 数 码 ( 可 以 允 许 接 收 波 形 失 真, 只 要 不 影 响 正 确 恢 复 信 码 即 可 ) 由 于 数 字 信 号 的 频 带 非 常 宽 ( 从 直 流 一 直 到 无 限 高 的 频 率 ), 但 其 主 要 能 量 则 集 中 在 低 频 段, 而 电 缆 传 输 信 道 是 只 允 许 比 较 低 的 频 率 成 分 通 过 的 低 通 信 道 当 一 系 列 数 字 脉 冲 信 号 通 过 带 限 的 电 缆, 信 号 由 于 高 频 成 分 被 滤 去, 使 输 出 波 形 出 现 了 失 真 这 种 波 形 顶 部 变 圆, 底 部 展 宽 一 个 码 元 的 波 形 展 宽 到 其 他 码 元 位 置, 影 响 到 其 他 码 元, 这 种 影 响 称 码 间 干 扰 由 于 波 形 的 拖 尾 很 长, 码 间 干 扰 将 影 响 到 数 个 码 元 波 形 的 拖 尾 可 以 是 正 的 也 可 能 是 负 的 如 果 所 有 的 拖 尾 相 加 后 是 正 值, 而 且 达 到 门 限 判 决 电 平 就 可 能 将 0 误 判 为 1 码 ; 反 之, 如 果 所 有 的 拖 尾 相 加 后 在 某 个 码 元 位 置 的 值 是 负 的, 就 可 能 将 1 码 误 判 为 0 码 为 了 减 少 码 间 干 扰, 数 字 信 号 传 输 的 基 本 理 论 奈 奎 斯 特 第 一 准 则 规 定 带 限 信 道 的 理 想 低 道 截 止 频 率 为 fh 时, 最 高 的 无 码 间 干 扰 传 输 的 极 限 速 度 为 2fH, 无 码 间 干 扰 的 波 形 例 如, 信 道 带 宽 为 2000Hz 时, 每 秒 最 多 可 传 送 4000 个 二 进 制 码 元 一 路 数 字 电 话 速 率 为 64kbit/s, 则 无 码 间 干 扰 的 信 道 带 宽 为 32kHz 2.5 数 字 视 频 常 用 技 术 NICAM 的 基 本 原 理 NICAM( 数 字 丽 音 ) 是 Near Instantaneous Companded Audio multiplex 的 缩 写 词, 意 为 准 瞬 时 压 扩 声 音 多 路 复 用, 是 由 英 国 广 播 公 司 (BBG) 开 发 研 究 成 功 的, 由 于 其 数 据 传 输 率 为 728Kbps, 因 此, 这 种 数 字 声 频 被 称 为 NECAM-728 这 种 电 视 伴 音 的 数 字 技 术 既 可 以 用 于 地 面 广 播, 也 可 以 用 于 卫 星 电 视 广 播 它 具 有 模 拟 电 视 声 音 不 可 比 拟 的 优 点, 在 NICAM 通 道 中 ; 既 可 以 传 送 立 体 声 节 目, 也 可 以 传 送 双 语 节 目, 还 可 以 传 送 数 字 信 息 具 有 传 送 的 声 音 动 态 范 围 大 音 质 好 信 噪 比 高 串 音 小 等 优 点 它 研 究 成 功, 很 快 得 到 广 泛 应 用, 在 西 欧 47

48 数 字 电 视 技 术 北 欧 东 南 亚 和 香 港 等 一 些 国 家 和 地 区 相 继 开 展 了 NICAM 广 播 业 务 由 于 该 种 技 术 所 传 送 的 声 音 美 国 动 听, 所 以 香 港 地 区 称 为 丽 音 为 适 应 我 国 电 视 广 播 和 有 线 电 视 发 展 的 需 要, 北 京 电 视 台 北 京 牡 丹 电 子 集 团 公 司 等 单 位, 基 于 我 国 国 情, 自 1994 至 1997 经 历 了 四 年 的 研 究 时 间, 终 于 制 定 出 GY/T PAL- 电 视 广 播 附 加 双 声 道 数 字 声 技 术 规 范, 并 从 1997 年 5 月 16 日 开 始 试 播, 从 此, 北 京 电 视 台 第 一 套 (6 频 道 ) 节 目 正 式 启 用 了 PAL-D 附 加 NICAM-728 数 字 立 体 声 试 播 节 目,1998 年 1 月 1 日 北 京 电 视 台 第 一 套 节 目 以 采 用 PAL-D 附 加 NICAM 数 字 声 系 统 广 播 形 式 正 式 上 星, 从 而 标 志 了 我 国 广 播 电 视 的 声 音 系 统 由 过 去 的 传 统 模 拟 单 声 广 播 进 入 了 数 字 立 体 声 广 播, 同 时 也 标 志 着 我 国 数 字 电 视 广 播 的 序 幕 已 经 拉 开 中 华 人 民 共 和 国 广 播 电 影 电 视 部 对 GY/T PAL-D 电 视 广 播 附 加 双 声 道 数 字 声 技 术 规 范 标 准 已 正 式 批 准, 并 决 定 于 1998 年 5 月 1 日 开 始 实 施 根 据 中 华 人 民 共 和 国 电 子 行 业 标 准, 对 我 国 彩 的 NICAM 双 声 道 数 字 系 统 多 声 道 电 视 接 收 机 的 基 本 技 术 参 数 和 测 量 方 法 作 了 明 确 规 定 技 术 参 数 主 要 有 : 输 入 信 号 的 电 平 比 图 像 噪 波 限 制 灵 敏 度 标 称 电 平 低 3dB 时 引 起 的 比 特 误 码 率 ; 模 拟 FM 载 波 的 各 种 频 偏 引 起 的 比 特 误 码 率 ; 可 察 觉 咔 喀 音 频 噪 声 时 的 输 入 信 号 电 平 比 图 像 噪 波 限 灵 活 度 标 称 电 平 低 3dB/μV 以 下 ; 音 频 相 应 特 性, 在 场 声 器 端 或 假 负 载 上,100Hz-12kHz 频 率 范 围 内, 及 在 AV 输 出 端 口,100Hz-14kHz 频 率 范 围 内, 电 压 不 均 匀 度 不 劣 于 ±3dB. 但 对 声 音 输 出 采 用 电 路 多 分 频 系 统 时, 在 产 品 技 术 条 件 中 规 定 ; 谐 波 失 真, 在 100Hz-7.5kHz 频 率 范 围 内, 在 扬 声 器 端 或 负 载 上 5%, 在 AV 输 出 端 口 3%; 声 音 通 道 的 动 态 范 围, 在 扬 声 器 或 假 负 载 上 63dB, 在 AV 输 出 端 口 63dB; 串 音, 频 率 为 1kHz 时, 在 场 声 器 端 或 假 负 载 上, 左 右 声 道 的 串 音 -46dB,A B 通 道 的 串 音 -60dB. 在 AV 输 出 端 口, 左 右 声 道 的 串 音 及 A B 通 道 的 串 音 -60dB; NICAM 信 号 噪 比 (A 计 数 时 ), 在 扬 声 器 或 假 负 载 上 46dB, 在 AV 输 出 端 口 49dB; NICAM 数 字 声 与 FM 模 拟 声 时 输 出 信 号 的 幅 度 差 不 劣 于 ±3dB; 测 量 方 法 中 的 项 目 主 要 有 : 由 输 入 信 号 电 平 引 起 的 比 特 误 码 率, 属 于 伪 随 机 信 号, 对 其 信 号 要 求 为 15 阶 以 上 的 伪 随 机 二 进 制 序 列. 由 模 拟 FM 载 波 的 各 种 频 偏 引 起 的 比 特 误 码 率, 属 伪 随 机 码 信 号, 对 其 信 号 要 求 为 15 阶 以 上 的 伪 随 机 二 进 制 序 列. 由 上 邻 频 道 引 起 的 比 特 误 骊 率, 属 于 伪 随 机 信 号, 对 其 信 号 要 求 为 15 阶 以 上 的 伪 随 机 二 进 制 序 列. 可 察 觉 咔 喀 音 频 噪 声, 属 于 多 频 道 预 加 重 后 等 幅 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 40Hz-15kHz, 为 SS( 立 体 声 模 式, 两 声 道 均 有 信 号 ) 模 式, 电 平 为 -11dB. 48

49 数 字 电 视 技 术 音 频 响 应 特 性, 属 于 多 频 率 预 加 重 前 等 幅 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 40Hz-15kHz, 为 DD( 双 音 频 模 式, 两 声 道 均 有 信 号 ) 模 式, 电 平 为 -20dB 谐 波 失 真, 属 于 多 频 道 预 加 重 后 等 幅 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 40Hz-7.5kHz, 为 DD 模 式, 电 平 为 -11dB 声 音 通 道 的 动 态 范 围, 属 于 单 频 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 1kHz, 为 DD 模 式, 电 平 为 -60dB 串 音, 属 于 多 频 道 预 加 重 等 幅 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 40Hz-15kHz, 为 DO( 双 音 频 模 式, 仅 A 声 道 有 信 号 ) 模 式 或 OD( 双 音 频 模 式, 仅 B 声 道 有 信 号 ) 模 式 或 OS( 立 体 声 模 式, 仅 A 声 道 有 信 号 ) 模 式 或 OS( 立 体 声 模 式, 仅 B 声 道 有 信 号 ) 模 式, 电 平 为 -20dB 左 右 声 道 之 间 的 相 位 差, 属 于 多 频 率 预 加 重 前 等 幅 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 40Hz-15kHz, 为 SS 模 式, 电 平 为 -20dB 音 频 信 号 的 信 噪 比, 属 于 单 频 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 1kHz, 为 DD 模 式, 电 平 为 -11dB NICAM 数 字 声 与 FM 模 拟 声 的 幅 度 差, 属 于 单 频 信 号, 对 其 信 号 频 率 要 求 为 1kHz, 为 SS 模 式, 电 平 为 -11dB 在 上 述 测 试 项 目 中,(1)~(10) 项 与 1992 年 国 际 电 工 委 员 会 IEC 制 定 的 采 用 NICAM 双 通 道 数 字 声 系 统 多 声 道 电 视 接 收 机 的 电 测 量 (IEC107-5) 中 测 量 方 法 的 项 目 编 号 相 同 第 (11) 项 是 根 据 我 国 对 NICAM 接 收 机 技 术 参 数 的 要 求 而 增 加 我 国 的 一 些 电 视 台 已 经 开 始 或 正 在 积 极 准 备 进 行 PAL-D 制 的 NICAM 数 字 声 广 播 由 于 我 国 电 视 广 播 制 式 的 特 点, 无 法 直 接 套 用 它 国 的 NICAM 广 播 制 式 因 此, 在 PAL-D 制 NICAM 广 播 标 准 中, 确 定 载 频 位 置 载 频 幅 度 信 号 带 宽 3 个 重 要 参 数 将 是 十 分 关 键 的 问 题 依 据 我 国 电 视 广 播 制 式, 要 求 PAL-D 制 NICAM 广 播 既 要 养 顾 CATV 系 统, 又 要 考 虑 对 现 有 发 射 机 的 改 造 要 尽 可 能 的 方 便 因 此, 在 PAL-D NICAM 标 准 中, 载 频 规 定 在 5.85MHz,PAL-D NICAM 载 频 相 对 于 图 像 载 频 电 平 为 -25dB, 带 宽 为 40% 余 弦 滚 降, 在 这 3 个 主 要 指 标 中, 载 频 位 置 是 最 重 要, 也 是 最 难 确 定 的 目 前, 英 国 和 我 国 香 港 地 区 使 用 PAL-1 制 NICAM 广 播 方 式, 其 数 字 声 中 间 载 频 为 6.552MHz, 相 对 于 图 像 的 电 平 为 -20dB, 带 宽 为 100% 升 余 弦 滚 降 ; 瑞 典 挪 威 等 使 用 PAL-B/C 制 NICAM 广 播 方 式, 其 数 字 声 中 间 载 频 为 5.85MHz, 相 对 于 图 像 的 电 平 为 -20dB, 带 宽 为 40% 升 余 滚 降 还 有 一 些 国 家 采 用 了 NICAM 制 广 播, 其 数 字 声 中 间 载 频 为 5.85MHz, 相 对 于 图 像 的 电 平 为 -27dB, 带 宽 为 40% 升 余 弦 滚 降 (1) NICAM 信 号 的 产 生 NICAM 信 号 的 产 生, 主 要 基 于 CCITT 国 际 电 报 电 话 咨 询 委 员 会 规 定 的 J17 建 议 中 给 出 的 预 加 重 特 性 标 准 其 频 率 特 性 如 图 2-6 所 示 当 有 音 频 信 号 并 且 分 为 左 右 两 个 声 道 或 A B 两 路 送 入 NICAM 信 号 编 码 器 时, 首 先 要 经 过 预 加 重 网 络 进 行 处 理, 再 进 入 模 / 数 变 换 电 路, 如 图 2-7 所 示 音 频 信 号 首 先 经 预 加 重 处 理 的 目 的 是 使 音 频 信 号 在 模 / 数 变 换 和 电 视 恢 复 等 过 程 中 产 生 的 噪 声 得 以 降 低 音 频 信 号 经 预 加 重 处 理 后, 又 经 1.5kHz 低 通 滤 波 器 进 行 滤 波, 以 避 免 取 样 时 产 生 的 频 谱 折 转 混 叠 音 频 中 的 两 路 信 号 经 各 自 的 预 加 重 和 低 通 滤 波 后, 一 同 送 49

50 数 字 电 视 技 术 入 模 / 数 转 换 电 路, 进 行 二 进 制 数 码 编 程 在 这 一 过 程 中, 音 频 的 取 样 频 率 为 32kHz, 带 宽 为 16kHz, 产 生 的 二 进 制 数 据 为 14bit 图 2-6 CCITT J17 建 议 预 加 重 曲 线 14bit 的 音 频 信 号 码 流, 经 压 缩 器 压 缩 到 10bit 后 再 加 入 1bit 的 奇 偶 校 验 位, 使 之 形 成 1bit 的 信 号 码 流 然 后 送 入 位 元 交 织 电 路 1bit 的 奇 偶 校 验 位 的 作 用, 是 为 电 视 接 收 机 中 的 解 码 器 提 供 检 查 错 误 的 依 据, 以 使 解 码 器 正 确 无 误 地 恢 复 原 始 信 号 为 防 止 干 扰 和 提 高 系 统 的 稳 定 性, 减 少 出 现 多 位 误 码 对 所 传 数 据 造 成 的 影 响, 对 数 据 信 号 施 以 位 元 交 织 处 理, 即 把 原 来 的 数 据 码 序 打 乱, 再 按 一 定 的 规 则 重 新 排 列 这 样 经 过 交 织 后 的 信 号 码 流, 即 使 在 传 输 和 接 收 机 产 生 若 干 位 的 连 续 差 错, 在 解 码 器 中 经 交 织 处 理 恢 复 原 来 的 数 据 次 序, 这 些 误 码 将 分 散 到 不 同 的 取 样 值 中 去, 从 而 使 一 个 样 值 中 出 现 多 个 错 误 的 概 率 大 为 下 降, 提 高 了 信 号 的 抗 误 码 能 力 图 2-7 NICAM 信 号 编 码 方 框 图 (2)NICAM 信 号 的 发 射 由 NICAM 信 号 编 码 产 生 的 二 进 制 数 据 流, 要 与 AM 图 像 和 FM 模 拟 声 音 一 起 发 射 出 去, 供 接 收 端 使 用 但 是, 如 果 只 是 随 意 对 其 进 行 叠 加, 必 将 造 成 相 互 干 扰, 为 此, 为 降 低 数 字 声 信 号 调 制 载 波 能 量 对 FM 模 拟 声 音 信 号 和 图 像 信 号 的 干 扰, 对 交 织 后 的 数 据 流 还 要 进 行 扰 码 处 理, 即 向 已 经 交 错 的 数 据 加 入 伪 随 机 二 进 制 的 数 据 流, 以 及 40% 的 余 弦 滚 降 型 滤 波 50

51 数 字 电 视 技 术 图 2-8 NICAM 信 号 调 制 叠 加 发 射 方 框 图 当 脉 冲 数 字 编 码 完 成 后, 主 要 是 对 其 进 行 调 制 调 制 方 法 主 要 采 用 差 分 正 交 相 移 键 控 (DQPSK) 数 字 调 制 方 式 调 制 后 的 数 字 声 信 号 和 调 频 的 模 拟 声 音 信 号 及 调 幅 的 图 像 信 号 进 行 相 加, 由 RF 发 射 机 通 过 天 线 发 射 出 去 其 工 作 方 框 图 如 图 2-8 所 示 (3)NICAM 信 号 的 解 调 图 2-9 NICAM 信 号 解 调 方 框 图 当 NICAM 的 RF 信 号 被 接 收 机 接 收 后, 必 须 要 由 解 码 器 将 其 数 据 码 流 还 原 来 模 拟 音 频 信 号, 才 可 听 到 美 丽 的 声 音 为 此, 数 字 声 信 号, 首 先 要 经 调 谐 器 进 入 准 分 离 声 音 解 调 电 路, 得 到 中 心 频 率 为 5.65MHz(PAL-D 制 NICAM) 的 数 字 载 波 信 号, 然 后 再 送 到 数 字 处 理 通 道 如 图 2-9 所 示 在 数 字 声 处 理 通 道 中, 由 DQPSK 解 调 出 NICAM 信 号 码 流, 再 经 扰 码 复 原 电 路, 取 出 数 据 流 中 的 随 机 数 据 然 后 根 据 存 储 器 中 保 存 的 管 理 程 序 去 掉 交 错 恢 复 位 元 顺 序, 变 成 原 来 的 11 位 字, 然 后 再 按 数 据 发 送 的 标 定 系 数 把 这 些 字 扩 展 成 11 位 字 的 形 式, 并 在 奇 偶 校 验 位 的 基 础 上 纠 正 错 误, 解 码 后 获 得 14bit 的 实 时 数 据 流, 它 含 有 左 右 声 道 或 A B 声 道 的 信 号 利 用 数 / 模 变 换, 还 原 出 声 音 信 号 51

52 数 字 电 视 技 术 两 倍 速 扫 描 的 基 本 原 理 随 着 数 字 处 理 电 路 在 电 视 技 术 中 的 应 用, 电 视 机 在 性 能 和 功 能 上 发 生 了 很 大 的 变 化 如 数 字 化 的 丽 音 接 收 电 路 数 字 化 的 梳 状 亮 色 分 熟 电 路 及 数 字 化 画 质 改 善 电 路 等, 都 极 大 地 改 善 了 模 拟 电 视 的 诸 多 不 足 现 行 的 彩 色 电 视 机 都 采 用 隔 行 扫 描 方 式, 每 幅 图 像 由 偶 数 场 和 奇 数 场 均 匀 镶 嵌 而 成, 尽 管 场 频 为 50Hz 或 60Hz, 但 每 帧 频 率 应 为 25Hz 或 30Hz, 使 屏 幕 上 亮 度 较 高 的 细 节 处 产 生 行 间 闪 烁, 易 使 观 众 的 眼 睛 产 生 疲 劳 为 了 消 除 普 通 电 视 制 式 由 于 场 频 低 带 来 的 图 像 大 面 积 闪 烁, 一 些 电 视 机 生 产 厂 开 始 引 入 了 倍 场 频 数 字 处 理 技 术 1. 倍 速 扫 描 的 提 出 自 从 1948 年 英 国 的 D.Gabor 首 先 提 出 全 息 摄 影 原 理, 以 及 1962 年 美 国 的 Leith 和 Upatnieks 提 出 两 光 束 全 息 摄 影 术 以 来, 电 视 界 一 直 为 追 求 仿 全 息 三 维 立 体 电 视 而 努 力 直 至 1985 年 日 本 松 下 公 司 首 先 研 制 成 功 了 时 分 式 立 体 电 视, 实 现 了 人 们 梦 寐 以 求 的 愿 望, 使 同 步 接 收 25 场 /s 的 奇 数 场 和 偶 数 场 的 左 右 图 像 变 为 现 实 但 是 在 现 有 50Hz 或 60Hz 的 电 视 制 式 场 频 下, 由 于 隔 行 扫 描, 每 幅 立 体 图 像 由 奇 数 场 (L) 和 偶 数 场 (R) 图 像 组 成, 使 左 右 眼 每 秒 钟 各 接 收 25 场 或 30 场 图 像, 而 普 通 电 视 左 右 眼 每 秒 钟 同 时 接 收 50 场 或 60 场 图 像, 因 此, 时 分 式 立 体 电 视 较 普 通 电 视 将 产 生 很 大 的 闪 烁 现 象 而 且, 当 图 像 的 黑 白 反 差 太 大, 形 成 大 的 白 本 底 图 像 时, 闪 烁 更 为 严 重, 这 就 为 时 分 式 立 体 电 视 走 向 市 场 形 成 了 一 个 极 大 的 障 碍 为 了 解 决 立 体 电 视 中 的 图 像 闪 烁 现 象, 使 之 有 与 普 通 电 视 图 像 相 当 的 感 受, 人 们 设 想 如 果 能 将 扫 描 场 频 增 加 一 倍, 即 由 50Hz 或 60Hz 增 加 到 100Hz 或 120Hz, 那 么 时 分 式 立 体 电 视 图 像, 对 左 ( 右 ) 眼 每 秒 将 接 收 50 场 或 60 场 图 像, 与 普 通 电 视 毫 无 区 别, 从 而 可 以 有 效 地 消 除 闪 烁 现 象, 使 三 维 产 生 一 种 全 新 的 视 觉 享 受 综 上 所 述, 倍 速 扫 描 是 基 于 时 分 式 立 体 电 视 的 闪 烁 现 象 而 提 出 的 2. 场 频 的 倍 频 转 换 场 扫 描 的 倍 频 转 换 技 术 是 一 种 数 字 式 的 场 频 转 换 技 术, 它 把 PAL/NTSC 制 式 的 50Hz/60Hz 场 频 的 信 号, 通 过 存 入 数 字 式 的 存 储 器 DRAM, 采 用 慢 存 快 取 的 办 法, 即 读 出 捍 钟 频 率 是 存 入 时 钟 频 率 的 2 倍, 以 实 现 信 号 场 频 的 倍 频 转 换, 从 而 成 为 场 频 为 100Hz/120Hz 的 视 频 信 号 采 用 数 字 处 理 技 术 设 计 而 成 功 的 100Hz 扫 描 电 视, 消 除 了 普 通 电 视 制 式 由 于 场 频 低 带 来 的 图 像 大 面 积 闪 烁, 减 轻 了 长 时 间 收 看 给 电 视 观 众 带 来 的 眼 睛 疲 劳 ; 提 高 了 图 像 的 垂 直 清 晰 度, 是 普 通 模 拟 电 视 制 式 场 频 过 低 缺 陷 的 极 好 弥 补 52

53 数 字 电 视 技 术 图 2-10 倍 频 转 换 工 作 原 理 方 框 示 意 图 100Hz 扫 描 电 路 主 要 由 视 频 存 储 器 模 数 转 换 电 路 (ADC) 数 模 转 换 电 路 (DAC) 倍 频 转 换 电 路 及 时 钟 控 制 电 路 等 组 成, 如 图 2-10 所 示 在 低 场 频 制 式 电 视 中, 主 要 是 图 像 闪 烁 易 使 人 们 的 视 觉 疲 劳, 因 此, 倍 场 频 的 关 键 技 术 是 如 何 使 图 像 中 的 亮 度 (Y) 信 号 和 色 差 (R-Y B-Y) 信 号 完 成 数 字 格 式 的 场 倍 频 转 换 从 视 频 处 理 电 路 输 出 的 亮 度 信 号 Y 色 差 信 号 (R-Y) 和 (B-Y), 首 先 由 7.0MHz 和 3.5MHz 低 通 滤 波 器 进 行 必 要 的 滤 波, 然 后 分 别 送 入 三 路 模 / 数 转 换 器, 在 由 锁 相 环 振 荡 器 提 供 的 14.3MHz 采 样 脉 冲 作 用 下, 转 换 成 8bit 数 据 流 锁 相 环 振 荡 所 产 生 的 频 率 为 28.6MHz, 在 向 二 路 模 / 数 转 换 器 提 供 采 样 脉 冲 前, 通 过 1/2 分 频 后 得 到 14.3MHz 频 率 脉 冲 输 出 的 亮 度 数 据 流 直 接 送 入 亮 度 信 号 存 储 器, 进 行 一 场 的 信 号 存 储 输 出 的 两 色 差 信 号 数 据 流 以 时 分 复 用 的 方 式 输 入 到 色 差 信 号 存 储 器, 进 行 一 场 存 储 28.6MHz 锁 相 环 振 荡 器 经 1/2 分 频 后 输 出 的 14.3MHz 时 钟 频 率, 除 一 方 面 提 供 给 三 路 模 / 数 转 换 器 外, 另 一 方 面 还 同 时 送 入 亮 度 信 号 存 储 器 和 色 差 信 号 存 储 器 因 此, 这 就 决 定 了 亮 度 信 号 存 储 器 和 色 差 信 号 存 储 器 的 写 入 存 储 器 频 率 为 14.3MHz, 当 亮 度 信 号 存 储 器 和 色 差 信 号 存 储 器 在 读 出 数 据 时, 其 时 钟 控 制 则 由 定 时 控 制 倍 频 转 换 器 控 制, 此 时 的 时 钟 频 率 为 28.6Mhz 由 于 存 储 器 的 写 入 时 钟 信 号 是 14.3MHz, 而 读 出 的 时 钟 信 号 是 28.6MHz, 因 而 亮 度 信 号 和 两 色 信 号 在 慢 写 快 读 的 作 用 下 就 分 别 完 成 了 数 字 格 式 的 场 倍 频 的 转 换 由 亮 度 信 号 存 储 器 输 出 倍 场 亮 度 信 号 数 据 流 再 由 三 路 数 / 模 转 换 器 转 换 成 模 拟 的 亮 度 信 号, 经 14MHz 低 通 滤 波 送 到 后 级 解 码 电 路 由 色 差 信 号 存 储 器 输 出 的 倍 场 色 差 信 号 数 据 流, 在 定 时 控 制 倍 频 转 换 系 统 的 时 分 复 用 的 解 调 作 用 下, 将 R-Y 信 号 数 据 流 和 B-Y 信 号 数 据 流 送 入 三 路 数 / 模 转 换 器, 使 其 成 为 模 拟 的 色 差 信 号, 再 由 7MHz 低 通 滤 波 器 滤 波 后, 送 到 后 级 的 信 号 处 理 电 路 定 进 控 制 倍 频 转 换 系 统 在 28.6MHz 时 钟 频 率 及 原 始 行 场 同 步 信 号 的 控 制 下 产 生 倍 场 后 的 场 同 步 信 号 和 行 同 步 信 号, 以 使 倍 场 频 后 的 电 视 机 的 行 场 扫 描 同 步, 图 像 画 面 稳 定 53

54 数 字 电 视 技 术 I2C 总 线 的 控 制 技 术 I 2 C 总 线, 是 INTER-IC 串 行 总 线 的 缩 写 INTER-IC 原 文 大 意 是 用 于 相 互 作 用 的 集 成 电 路, 这 种 集 成 电 路 主 要 由 双 向 串 行 时 钟 线 SCL 和 双 向 串 行 数 据 线 SDA 两 条 线 路 组 成, 由 荷 兰 菲 利 浦 公 司 于 80 年 代 研 制 开 发 成 功, 并 先 后 用 于 音 频 视 频 集 成 电 路 及 中 央 控 制 中 心, 使 数 字 技 术 扩 展 了 彩 色 电 视 机 的 遥 控 功 能, 为 开 发 16:9 高 清 晰 度 数 字 彩 色 电 视 机 奠 定 了 基 础 I 2 C 总 线 在 传 送 数 据 时 其 速 率 可 达 100kbps, 最 高 速 率 时 可 达 400kbps, 总 线 上 允 许 连 接 的 设 备 数 主 要 决 定 于 总 线 上 的 电 容 量, 一 般 设 定 为 400pF 以 下 I 2 C 总 线 主 要 在 微 处 理 器 的 控 制 之 下, 因 此 通 常 称 微 处 理 器 是 I 2 C 总 线 的 主 机 在 一 台 数 字 技 术 的 设 备 及 彩 色 电 视 机 中, 总 有 受 控 于 微 处 理 器 的 设 备 或 各 种 功 能 电 路, 而 这 些 受 控 电 路 也 被 设 入 I 2 C 总 线, 因 此 习 惯 上 总 称 受 控 设 备 及 功 能 电 路 为 I 2 C 总 线 的 从 机 这 种 主 机 与 从 机 之 间 的 连 接 通 常 是 在 总 线 的 输 出 端, 而 输 出 端 的 电 路 结 构 为 I 2 C 总 线 的 从 机 这 种 主 机 与 从 机 之 间 的 连 接 通 常 是 在 总 线 的 输 出 端, 而 输 出 端 的 电 路 结 构 又 总 是 开 漏 输 出 或 集 电 极 开 路 输 出 通 常 数 据 传 送 要 由 主 机 发 出 启 动 信 号 和 时 钟 信 号, 向 所 控 从 机 发 出 一 个 地 址 一 个 读 写 位 和 一 个 应 答 位, 其 中 地 址 位 为 7 位 数 据, 在 实 际 控 制 中, 一 般 一 次 只 能 传 送 一 个 8 位 数 据, 并 以 一 个 停 止 位 结 束 在 实 际 应 用 中, 往 往 被 传 送 的 数 据 位 数 会 超 过 8 位, 也 就 是 说 总 会 有 多 字 节 传 送, 这 时 必 须 在 传 送 数 据 地 址 结 束 后 再 传 送 一 个 副 地 址 因 此, 被 传 送 的 字 节 没 有 限 制, 但 每 一 个 字 节 后 面 必 须 有 一 位 应 答 位 应 答 位 通 常 被 设 定 在 低 电 平, 当 应 答 位 处 于 高 电 平 时, 指 示 被 传 送 的 数 据 已 结 束 I 2 C 总 线 在 空 闲 状 态 时, 也 就 是 不 在 进 行 任 何 操 作 控 制 时, 数 据 线 SDA 和 时 钟 线 SCL 总 是 处 于 高 电 平 输 出 状 态 当 操 作 控 制 系 统 时,I 2 C 总 线 的 主 机 将 发 出 启 动 信 号, 使 数 据 线 SDA 由 高 电 平 变 为 低 电 平, 同 时 时 钟 线 SCL 也 发 出 时 钟 信 号 I 2 C 总 线 在 传 送 数 据 时, 总 是 将 最 高 位 数 码 放 在 前 面 作 为 其 特 有 的 传 送 顺 序 在 数 据 传 送 过 程 中, 如 果 从 机 在 完 成 某 一 操 作 之 前 不 能 接 收 下 一 个 字 节 数 据, 即 数 据 中 断, 这 时 时 钟 线 SCL 将 被 位 至 低 电 平, 从 而 迫 使 发 送 器 主 机 进 入 等 待 状 态, 当 接 收 器 从 机 准 备 好 接 收 下 一 个 字 节 时 再 释 放 时 钟 线 SCL, 继 续 传 送 数 据 在 I 2 C 总 线 的 控 制 系 统 中, 有 时 从 机 也 可 以 是 多 台 微 处 理 器, 在 多 台 微 机 同 时 工 作 时, 它 们 对 总 线 的 控 制 也 由 相 似 于 时 钟 的 同 步 方 式 进 行 仲 裁, 也 就 是 说 时 钟 的 同 步 与 仲 裁 过 程 是 同 时 进 行 的, 不 存 在 因 是 主 机 而 有 优 先 权 次 序 不 同 速 度 的 从 机 可 以 接 在 同 一 I 2 C 总 线 上 完 成 相 互 间 数 据 的 传 送 高 速 方 式 芯 片 和 普 通 芯 片 可 以 混 合 于 同 一 I 2 C 总 线 上 近 年 来, 由 于 I 2 C 总 线 只 有 两 根 控 制, 并 且 具 有 很 强 的 自 动 寻 址 多 微 机 时 钟 同 步 和 仲 裁 等 功 能 而 受 到 各 半 导 体 集 成 电 路 厂 商 的 普 遍 应 用 如 在 众 多 彩 色 电 视 机 由 普 遍 采 用 的 由 I 2 C 总 线 控 制 的 超 大 规 模 集 成 电 路 CXP80420( 中 央 处 理 器 ) SAA5243 SA5445( 图 文 数 据 广 播 处 理 器 ) TA8783N TA8880 TA8772( 彩 色 多 制 式 视 频 / 色 度 / 偏 转 信 号 处 理 器 ), 以 及 UPD6254CX PCF8582A( 存 储 器 ),TA8739P TA8859 TA8889( 偏 转 处 理 器 ),TA8777N (AV 开 关 ) TA8776N( 声 音 处 理 ) TDA8415( 立 体 声 / 双 伴 音 处 理 器 ) 等 目 前, 国 内 外 众 多 电 视 机 生 产 厂 普 遍 采 用 了 具 有 I 2 C 总 线 控 制 功 能 的 集 成 电 路, 从 而 也 就 推 出 了 具 有 I 2 C 总 线 控 制 的 彩 色 电 视 机 例 如 日 本 东 芝 公 司 生 产 的 东 芝 2518 型 彩 色 电 视 机 东 芝 2918 型 彩 色 电 视 机, 日 本 索 尼 公 司 生 产 的 大 屏 幕 彩 色 电 视 机, 我 国 天 津 通 信 广 播 公 司 生 54

55 数 字 电 视 技 术 产 的 北 京 8340, 四 川 长 虹 电 器 股 份 有 限 公 司 生 产 的 长 虹 C2919PV 长 虹 C2939KV 彩 色 电 视 机 等 由 于 I 2 C 总 线 在 控 制 过 程 中, 主 要 完 成 的 是 能 够 代 表 启 动 信 号 地 址 读 / 写 位 应 答 位 等 的 数 据 流 的 数 据 传 送, 因 此, 在 商 业 竞 争 中, 人 们 习 惯 于 称 呼 由 I 2 C 总 线 控 制 的 彩 色 电 视 机 为 数 码 彩 电 事 实 上 I 2 C 总 线 的 控 制 方 法, 主 要 是 I 2 C 总 线 对 专 用 芯 片 配 以 相 应 地 址, 使 被 控 集 成 电 路 中 都 含 有 自 己 的 随 机 存 储 器 RAM, 而 每 一 个 RAM 都 有 自 己 的 地 址, 也 就 是 被 控 制 器 中 的 副 地 址, 用 以 对 指 令 进 行 写 入 和 读 出 在 分 配 给 专 用 芯 片 的 地 址 中, 主 要 包 含 固 定 地 址 和 可 编 程 地 址, 其 数 码 位 数 为 7 位 可 编 程 地 址 的 位 数 在 很 大 程 度 上 决 定 了 连 接 到 I 2 C 总 线 上 的 同 一 型 号 芯 片 的 最 大 数 目 因 此,I 2 C 总 线 的 建 立, 为 产 品 的 升 级 提 供 了 可 能, 但 它 不 就 此 改 变 了 模 拟 电 视 的 转 输 模 式, 也 不 就 此 改 变 了 彩 色 电 视 机 接 收 模 拟 信 号 的 性 质 当 然 I 2 C 总 线 控 制 的 最 新 器 件 可 以 改 变 传 统 的 彩 色 电 视 机 的 接 收 处 理 等 模 式, 但 它 需 要 电 视 数 字 电 路 于 一 身 的 功 能 结 构, 及 多 项 高 新 技 术 于 一 体 的 设 备 1. I2C 总 线 的 特 点 与 特 性 I 2 C 总 线 与 传 统 的 PWM 调 宽 脉 冲 相 比 较, 其 最 大 的 特 点 是 串 行 数 据 线 和 时 钟 线 都 是 双 向 传 输 线 I 2 C 总 线 在 实 际 电 路 的 应 用 中, 两 个 线 各 自 通 过 一 个 上 拉 电 阻 连 接 到 电 源 电 压 的 正 极 端, 当 总 线 空 闲 时, 数 据 线 SDA 和 时 钟 线 SCL 必 须 保 持 高 电 平, 同 时 各 接 口 电 路 的 输 出 又 必 须 是 开 路 漏 极 或 开 路 集 电 极, 因 此 I 2 C 总 线 的 最 大 特 性 是 在 地 址 信 息 传 输 过 程 中, 即 可 以 是 主 控 器 也 可 以 是 被 控 器, 或 既 可 以 是 发 射 器 又 可 以 是 接 收 器, 从 而 为 挂 在 总 线 上 的 各 集 成 电 路 或 功 能 模 块 完 成 各 自 的 功 能 提 供 了 极 大 方 便 如 果 I 2 C 总 线 用 作 主 控 器 电 路 即 微 处 理 电 路, 则 在 总 线 上 将 提 供 时 钟 传 送 及 初 始 化 的 数 据 传 输, 而 控 制 数 据 信 息 传 送 的 对 象 方 向 及 传 送 的 终 止 也 由 主 控 器 来 决 定 在 I 2 C 总 线 上 被 主 控 器 所 寻 址 的 集 成 电 路 或 功 能 模 块, 称 之 为 被 控 器 在 I 2 C 总 线 上, 被 控 器 每 接 收 一 个 数 码 后 都 要 在 数 据 线 上 给 主 控 器 发 送 一 个 识 别 应 答 信 号, 以 示 完 成 一 个 控 制 功 能 因 此,I 2 C 总 线 具 有 十 分 灵 活 的 运 用 性 并 且 还 具 有 多 重 主 控 的 能 力, 如 多 个 作 为 主 控 器 去 控 制 占 用 总 线 的 电 路, 都 可 以 根 据 在 I 2 C 总 线 上 进 行 数 据 传 送 的 工 作 状 态, 被 分 为 主 控 发 送 器 主 控 接 收 器 被 控 发 射 器 被 控 接 收 器 在 多 重 主 控 能 力 中, 由 于 总 线 的 仲 裁 过 程,I 2 C 总 线 的 时 钟 信 号 将 是 各 试 力 占 用 总 线 的 各 主 控 器 的 时 钟 信 号 的 同 步 组 合 所 谓 仲 裁 是 在 多 个 主 控 器 试 图 同 时 控 制 总 线 时 一 个 裁 决 过 程, 它 只 允 许 其 中 的 一 个 主 控 器 继 续 占 用 总 线, 并 保 证 在 整 个 过 程 中 总 线 上 的 数 据 不 会 被 丢 失 或 出 错 误 ; 所 谓 同 步 是 将 两 个 或 多 个 器 件 的 时 钟 信 号 进 行 处 理 I 2 C 总 线 上 的 时 钟 信 号 是 由 主 控 器 产 生, 每 个 主 控 器 在 占 用 总 线 传 送 数 据 期 间 都 有 自 已 的 时 钟, 因 此, 在 应 用 中, 由 一 个 主 控 器 产 生 的 I 2 C 总 线 时 钟 信 号 只 可 能 被 一 个 低 速 的 被 控 器 或 另 一 个 主 控 器 改 变 然 而, 一 个 低 速 的 被 控 器 可 将 串 行 时 钟 线 保 持 低 电 平, 以 延 长 总 线 时 钟 信 号 的 低 电 平 周 期, 使 高 速 的 主 控 器 和 低 速 的 被 控 器 达 到 同 步, 因 此, 当 总 线 上 正 在 进 行 仲 裁 时, 另 一 个 主 控 器 也 能 改 变 总 线 的 时 钟 周 期 55

56 56 数 字 电 视 技 术 2. I2C 总 线 的 控 制 基 础 由 于 在 I 2 C 总 线 中 的 多 主 控 器 的 控 制 权 总 是 相 互 竞 争, 并 且 在 相 互 竞 争 中 进 行 寻 址 和 数 据 发 送, 因 此 总 线 上 没 有 中 央 微 处 理 器, 也 没 有 任 何 优 先 级 在 I 2 C 总 线 上 进 行 数 据 传 输 时, 所 有 的 主 控 器 都 会 在 串 行 时 钟 线 上 产 生 自 己 的 时 钟 信 号, 而 且 只 有 当 时 钟 线 上 的 信 号 处 于 高 电 平 时, 数 据 线 上 的 数 据 才 是 有 效 的 因 此, 当 各 主 控 器 向 总 线 上 输 出 各 不 相 同 的 时 钟 频 率 时, 只 有 通 过 仲 裁 过 程, 才 可 使 总 线 上 有 一 个 统 一 的 时 钟 信 号 只 有 总 线 上 的 时 期 线 上 的 一 种 线 与 连 接 和 双 向 传 输 特 性 来 实 现 的 因 此,I 2 C 总 线 的 控 制 基 础 主 要 是 仲 裁 过 程 和 时 钟 同 步 在 总 线 的 仲 裁 过 程 中, 一 旦 有 一 主 控 器 输 出 一 个 低 电 平 时 钟 信 号, 则 串 行 时 钟 线 将 由 此 变 为 低 电 平, 直 到 该 主 控 器 时 钟 信 号 的 高 电 平 状 态 到 来, 数 据 信 号 才 开 始 传 送 在 总 线 上 这 个 时 钟 线 的 电 平 转 换, 将 影 响 所 有 主 控 器 的 时 钟 信 号 低 电 平 周 期 的 计 时 事 实 上, 当 一 个 主 控 器 的 时 钟 信 号 由 低 电 平 向 高 电 平 转 换 时, 它 可 能 并 不 会 改 变 串 行 时 钟 线 的 低 电 平 状 态, 因 为 此 时 可 能 有 另 一 个 主 控 器 仍 然 处 于 时 钟 低 电 平 周 期 也 就 是 说, 在 I 2 C 总 线 控 制 中, 时 钟 线 将 由 时 钟 低 电 平 周 期 最 长 的 主 要 控 器 保 持 为 低 电 平 状 态, 而 其 他 时 钟 低 电 平 周 期 较 短 的 主 控 器 则 将 相 继 进 入 时 钟 高 电 平 等 待 状 态 只 有 当 总 线 上 的 所 有 主 控 器 都 结 束 了 时 钟 低 电 平 周 期 的 计 时 后, 时 钟 线 才 被 完 全 释 放, 即 时 钟 线 的 状 态 达 到 一 致 高 电 平 状 态 当 所 有 主 控 器 时 钟 信 号 都 进 入 高 电 平 状 态 后, 便 开 始 了 各 自 的 时 钟 信 号 高 电 平 周 期 计 时 当 有 一 个 主 控 器 的 时 钟 高 电 平 状 态 计 时 结 束 时, 这 个 主 控 器 将 再 次 使 I 2 C 总 线 上 的 时 钟 线 SCL 处 于 低 电 平 状 态 从 而, 在 总 线 的 仲 裁 过 程 中, 使 时 钟 线 通 过 各 主 控 的 时 钟 输 出 产 生 一 个 统 一 的 时 钟 同 步 信 号 成 为 现 实 简 言 之, 在 多 重 主 控 器 的 I 2 C 总 线 上, 时 钟 线 信 号 的 低 电 平 周 期 由 时 钟 信 号 低 电 平 周 期 最 长 的 主 控 器 决 定, 而 时 钟 线 信 号 的 高 电 平 周 期 则 由 时 钟 信 号 高 电 平 周 期 最 短 的 主 控 器 决 定 在 I 2 C 总 线 中, 具 有 主 控 能 力 的 器 件 的 数 据 传 输 和 寻 址 也 是 在 仲 裁 中 进 行 的 当 有 多 个 主 控 器 企 图 同 时 占 用 总 线 传 输 数 据 时, 根 据 I 2 C 总 线 的 规 约 它 们 之 间 会 有 一 个 促 裁 过 程, 以 决 定 谁 将 占 用 总 线 促 裁 是 在 时 钟 线 SCL 为 高 电 平 时, 根 据 数 据 线 SDA 的 状 态 进 行 的 因 此, 仲 裁 过 程 和 时 钟 电 平 数 据 线 状 态 是 相 辅 相 成 的 也 正 是 这 种 相 辅 相 成 的 机 制, 使 在 总 线 仲 裁 过 程 中, 当 有 其 他 主 控 器 在 数 据 线 上 传 送 低 电 平 时, 发 送 高 电 平 的 主 控 器 将 会 发 现 此 时 数 据 线 上 的 电 平 与 其 输 出 电 平 不 一 致, 从 而 被 裁 决 失 去 总 线 的 主 控 权, 并 立 即 关 闭 其 数 据 输 出 仲 裁 过 程 可 以 持 续 诈 多 位, 以 对 多 个 主 控 器 正 在 企 图 寻 址 同 一 电 路 的 事 件 进 行 判 决 如 果 一 个 主 控 器 在 发 送 某 一 字 节 期 间 被 裁 决 失 去 主 控 权, 则 它 的 时 钟 信 号 可 继 续 输 出, 直 到 整 个 字 节 发 送 结 束 为 止 如 果 主 控 器 在 其 寻 址 阶 段 被 仲 裁 决 定 失 去 主 控 权, 则 该 主 控 器 必 须 立 刻 进 入 被 控 接 收 器 状 态, 以 判 决 被 仲 裁 决 定 获 得 主 控 权 的 主 控 器 是 否 正 在 对 它 进 行 寻 址 产 生 数 据 的 主 控 器 一 旦 发 现 内 部 数 据 电 平 与 数 据 总 线 的 实 际 电 平 之 间 有 差 异, 则 它 的 输 出 将 被 立 即 关 闭, 随 即 在 总 线 上 输 出 一 个 高 电 平, 这 就 不 会 影 响 获 得 主 控 权 的 主 控 器 所 进 行 的 数 据 传 输, 总 线 上 的 寻 址 和 数 据 传 输 等 住 处 也 不 会 丢 失 因 此,I 2 C 总 线 的 仲 裁 过 程 使 I 2 C 总 线 上 的 数 据 传 输 得 以 顺 利 进 行, 为 多 种 控 制 功 能 的 实 施 奠 定 了 良 好 的 基 础 3. I2C 总 线 的 传 输 I 2 C 总 线 的 传 输 是 一 个 比 较 复 杂 的 数 码 传 输, 它 主 要 是 以 18bit 的 字 节 进 行 数 据 传 输, 而 传 输 时 又 总 有 一 个 时 钟 脉 冲 相 对 应, 因 此,I 2 C 总 线 的 数 据 传 送 实 质 上 是 个 脉 冲 串 的 传 输,

57 数 字 电 视 技 术 其 传 输 格 式 如 图 2-11 所 示 图 中 1 为 字 节 传 送 完 成 接 收 器 内 产 生 中 断 信 号,2 为 当 处 理 中 断 服 务 时 时 钟 线 保 持 低 电 平 图 2-11 I2C 总 线 传 输 脉 冲 在 I 2 C 总 线 上, 每 一 个 数 据 中, 逻 辑 0 和 逻 辑 1 的 信 号 电 平 取 决 于 相 应 的 正 端 电 压 I 2 C 总 线 在 进 行 传 送 时, 在 时 钟 信 号 为 高 电 平 期 间, 数 据 线 上 的 数 据 必 须 保 持 稳 定, 只 有 在 时 钟 线 上 的 信 号 为 低 电 平 期 间, 数 据 线 上 的 高 电 平 或 低 电 平 状 态 才 允 许 变 化 这 就 保 持 了 数 据 传 输 的 有 效 性 在 时 钟 线 保 持 高 电 平 期 间, 由 于 数 据 线 由 高 电 平 向 低 电 平 的 变 化 是 一 种 稳 定 的 状 态, 所 以 就 将 其 状 态 规 定 为 起 始 条 件 ; 而 当 时 钟 线 保 持 高 电 平 期 间, 数 据 线 是 由 低 电 平 向 高 电 平 变 化, 则 规 定 为 停 止 条 件 只 有 I 2 C 总 线 中 主 控 器 产 生 起 始 条 件 和 停 止 条 件 两 个 信 号 时, 总 线 才 会 被 认 为 处 于 忙 态 或 闲 态, 从 而 准 确 控 制 了 比 特 位 的 传 送 在 I 2 C 总 线 上, 比 特 位 传 送 字 节 的 后 面 都 必 须 跟 随 一 位 确 认 位, 或 称 跟 随 一 位 应 答 位 并 且 数 据 是 以 最 高 有 效 位 首 先 发 出 但 是, 当 正 在 进 行 数 据 传 输 的 接 收 器 收 到 完 整 的 一 个 数 据 字 节 后, 有 可 能 还 要 完 成 一 些 其 他 的 工 和, 如 处 理 一 个 内 部 中 断 服 务 等 在 这 种 情 况 下 就 有 可 能 无 法 立 刻 接 收 另 一 字 节 的 数 据, 因 而, 此 时 接 收 器 可 以 通 过 总 线 上 的 时 钟 保 持 为 低 电 平, 从 而 使 发 送 器 进 入 等 待 状 态, 直 到 接 收 器 准 备 好 接 收 新 的 数 据, 而 接 收 器 通 过 释 放 时 钟 线 使 数 据 传 输 继 续 进 行, 正 是 I 2 C 总 线 能 允 许 其 他 总 线 的 数 据 格 式 进 行 传 输, 才 有 一 个 特 殊 寻 址 开 始 的 信 息 传 输, 以 及 通 过 对 总 线 产 生 一 个 停 止 信 号 进 行 停 止 当 一 个 字 节 的 数 据 能 够 被 总 线 上 的 一 个 已 被 寻 址 的 接 收 器 接 收 后, 总 线 上 的 般 要 产 生 一 个 确 认 信 号, 并 在 这 一 位 时 钟 号 的 整 个 高 电 平 期 间, 使 数 据 保 持 稳 定 的 低 电 平 状 态, 从 而 完 成 应 答 确 认 信 号 的 输 出 确 认 信 号 通 常 是 指 起 始 信 号 和 停 止 信 号, 如 果 这 个 信 息 是 一 个 起 始 字 节, 或 是 总 线 寻 址, 则 总 线 上 不 允 许 有 应 答 信 号 产 生 如 果 因 某 种 特 殊 情 况, 被 控 器 不 对 应 的 被 控 寻 址 进 行 确 认 回 答, 则 必 须 将 数 据 线 置 于 高 电 平, 然 后 主 控 器 可 以 通 过 产 一 个 停 止 信 号 来 结 束 总 线 的 数 据 传 输 如 果 被 控 接 收 器 对 被 控 寻 址 做 出 了 确 认 应 答, 但 在 数 据 传 输 的 一 段 时 间 以 后, 又 无 法 继 续 接 收 更 多 的 数 据, 则 主 控 器 也 将 停 止 数 据 的 继 续 传 送 因 此, 被 控 接 收 器 可 以 通 过 对 无 法 接 收 的 第 一 个 数 据 字 节 不 产 生 确 认 应 答 信 号 来 通 知 主 控 器, 即 在 相 应 的 应 答 信 号 时 钟 位 上 将 数 据 线 置 于 高 电 平, 主 控 器 则 在 总 线 上 产 生 停 止 信 号, 从 而 结 束 数 据 的 传 送 57

58 数 字 电 视 技 术 图 2-12 I2C 总 线 数 据 格 式 注 :1-7 为 地 址 位 ;8 为 读 / 写 位 ;9 为 应 答 位 在 I 2 C 总 线 上, 它 的 数 据 传 输 总 有 一 些 规 约 要 求, 例 如, 起 始 信 号 的 后 面 总 有 一 个 被 控 器 的 地 址 被 控 器 的 地 址 一 般 规 定 为 7bit 的 数 据, 数 码 中 的 第 8 比 特 是 数 据 的 传 输 方 向 位, 即 读 / 写 位 一 个 完 整 的 I 2 C 总 线 传 输 格 式 如 图 2-12 所 示 在 读 / 写 位 中, 如 果 是 0, 则 表 示 主 控 器 发 送 数 据, 也 就 是 执 行 写 的 功 能 ; 如 果 是 1, 则 表 示 主 控 器 接 收 数 据, 也 就 是 执 行 读 的 功 能 而 数 据 的 每 次 传 输 总 是 随 主 控 器 产 生 的 停 止 信 号 而 结 束 而 I 2 C 总 线 中, 有 时 主 控 器 希 望 总 占 用 总 线, 并 不 断 进 行 数 据 传 输, 因 此, 在 设 定 规 约 时, 可 以 在 不 首 先 产 生 信 号 的 情 况 下, 再 次 发 出 起 始 信 号 对 另 一 被 控 器 进 行 寻 址 为 解 决 这 一 问 题, 可 以 采 用 多 种 读 / 写 组 合 形 式 来 进 行 总 线 的 一 次 数 据 传 输 在 多 种 读 / 写 组 合 形 式 中, 主 要 有 三 种 措 施, 其 中 : (1) 主 控 发 送 器 向 被 接 收 器 发 送 数 据, 数 据 传 输 方 向 在 整 个 传 输 过 程 中 不 变 (2) 主 控 器 在 第 一 个 字 节 后 立 即 从 被 控 制 器 读 数 据, 在 首 位 确 认 应 答 信 号 产 生 后, 主 控 发 送 器 变 成 主 控 接 收 器, 而 被 接 收 器 变 成 被 控 发 送 器, 同 时 首 位 应 答 信 号 仍 由 被 控 器 产 生, 使 停 止 信 号 总 是 由 主 控 器 产 生 (3) 数 据 传 输 过 程 中 的 复 合 格 式 需 要 改 变 传 送 方 向 时, 起 始 信 号 和 被 控 器 地 址 都 会 被 重 复 产 生 一 次, 但 两 次 的 读 / 写 方 向 正 好 反 相 总 之 在 I 2 C 总 线 上, 通 过 接 口 电 路 收 到 起 始 信 号 后, 必 须 复 位 它 们 的 总 线 逻 辑, 以 使 被 控 制 器 地 址 的 传 输 得 以 预 处 理, 从 而 完 成 对 各 不 相 同 功 能 电 路 的 控 制 IM 总 线 的 控 制 技 术 在 80 年 代 初 至 90 年 代 末 期 的 近 20 年 的 数 字 电 视 的 发 展 进 程 中, 彩 色 电 视 机 中 的 核 心 器 件 中 央 微 处 理 器 的 应 用, 在 专 用 总 线 的 设 计 上, 有 着 不 断 的 发 展 1981 年 德 国 电 报 电 话 公 司 (ITT) 研 究 成 功 了 以 DICIT-2000 系 列 超 大 规 模 集 成 电 路 为 主 体 的 用 于 数 字 电 视 中 的 专 用 器 件, 为 数 字 彩 色 电 视 接 收 机 的 产 生 提 供 了 物 质 基 础, 而 Intermetall 公 司 研 制 开 发 的 控 制 总 线 则 在 DIGIT-2000 系 列 芯 片 之 间, 对 各 种 数 字 信 息 的 读 / 写 操 作 以 及 查 询 处 理 协 调 工 作 等 起 了 重 要 作 用, 习 惯 上 称 这 种 控 制 总 线 为 IM 总 线 58

59 数 字 电 视 技 术 图 2-13 IM 总 线 示 意 图 IM 总 线 是 整 机 的 主 要 信 息 通 道, 它 主 要 由 Clock 时 钟 线 Ident 识 别 线 和 Data 数 据 线 三 条 信 号 线 组 成, 如 图 2-13 所 示, 其 中 时 钟 线 和 识 别 线 都 是 单 向 的, 只 有 数 据 线 是 双 向 的 IM 总 线 将 中 央 控 制 器 CCU 和 被 控 外 围 电 路 连 接 起 来, 它 的 最 高 时 钟 频 率 为 170kHa 在 IM 总 线 中, 其 数 据 传 输 也 是 通 过 漏 极 开 路 的 方 式 来 实 现 的, 由 CCU 提 供 公 共 的 上 拉 电 阻, 其 阻 值 约 为 2.5kΩ 左 右. 在 IM 总 线 处 于 空 闲 时, 识 别 I 时 钟 C 数 据 D 三 线 都 是 高 电 平, 只 有 I 和 G 两 线 处 于 低 电 平 时, 总 线 上 一 个 新 的 事 件 才 能 开 始, 首 先 由 D 线 传 送 8 位 地 址, 当 I 为 高 电 平 时, 传 送 8 位 或 16 位 数 据, 传 送 顺 序 都 是 最 低 位 LSB 在 前, 当 时 钟 上 跳 沿 发 生 数 据 接 收, 一 个 传 送 事 件 完 成 时,I 线 发 出 短 脉 冲 信 号, 指 示 相 应 的 总 线 接 口 进 行 所 传 数 据 的 存 储,IM 总 线 接 口 电 路 完 成 地 址 和 数 据 的 并 串 转 换 以 及 IM 总 线 的 激 励 在 Digit2000 系 列 的 大 多 数 功 能 芯 片 内 部 都 有 不 同 数 量 的 寄 存 器, 包 括 用 来 规 定 芯 片 的 工 作 方 式 和 工 作 参 数 的 控 制 寄 存 器 和 反 映 芯 片 内 部 状 态 和 处 理 结 果 的 状 态 寄 存 器 数 据 寄 存 器 不 同 功 能 芯 片 的 寄 存 器 地 址 一 般 互 不 相 同, 在 通 常 情 况 下, 每 个 地 址 只 对 应 一 种 访 问 方 式, 即 要 么 是 写 入 功 能, 要 么 是 读 出 功 能 但 是, 在 实 际 电 路 中, 有 时 情 况 比 较 复 杂, 需 要 先 将 某 一 序 号 写 入 地 址, 然 后 才 可 以 进 行 数 据 传 输 这 种 复 杂 通 信, 是 因 为 有 些 功 能 复 杂 的 芯 片 由 于 其 内 部 寄 存 器 较 多, 而 系 统 又 没 有 其 一 一 分 IM 总 线 访 问 地 址, 故 采 用 二 次 寻 址 的 方 式 例 如 : 在 Digit2000 系 列 中 DPU2553 偏 转 处 理 电 路, 其 地 址 就 约 定 34 为 HSP RAM 写 入 地 址 寄 存 器, 而 地 址 35 为 HSP RAM 读 出 地 址 寄 存 器, 地 址 36 为 HSP 数 据 寄 存 器, 地 址 37 为 HSP 状 态 寄 存 器 如 果 要 读 出 HSP RAM 的 内 容, 应 先 将 其 序 号 写 入 地 址 35, 在 接 下 来 的 一 个 通 信 周 期 中 对 地 址 36 进 行 读 取, 才 能 得 到 所 需 的 数 据 ; 如 果 要 写 入 HSP RAM 的 内 容, 则 需 先 将 其 序 号 写 入 地 址 34, 再 净 数 据 入 地 址 36 在 具 有 画 中 画 或 画 外 画 的 电 路 中, 如 果 子 画 面 电 路 与 主 画 面 电 路 有 个 别 功 能 芯 片 的 寄 存 器 地 址 有 冲 突, 如 VSP 2860 与 DPU2553 的 大 多 数 地 址 重 复 时, 本 机 将 利 用 CCU 中 央 控 制 器 提 供 的 PIP-ON 信 号 控 制 CD4066 接 成 单 刀 双 掷 电 子 开 关, 使 IM 总 线 的 数 据 线 不 同 时 接 通 主 画 面 与 子 画 面, 从 而 避 免 了 地 址 冲 突 在 IM 总 线 上, 各 功 能 芯 片 在 通 信 时, 是 在 每 个 时 脉 冲 的 上 升 沿 接 收 地 址 码 当 地 址 发 送 结 束 时 CCU 会 令 识 别 线 再 次 变 高, 于 是 各 功 能 芯 片 将 收 到 的 地 址 与 本 芯 片 内 各 寄 存 器 地 地 作 比 较, 从 而 确 定 唯 一 的 被 寻 址 芯 片 及 下 一 步 数 据 传 输 的 方 向 同 样 CCU 也 是 根 据 该 地 址 码 确 定 收 / 发 数 据 的 长 度 是 8 位 或 16 位, 再 发 送 相 应 数 目 的 时 钟 脉 冲 若 该 地 址 对 应 某 一 控 制 寄 存 器, 则 由 CCU 发 送 命 令 数 据 至 被 寻 址 的 功 能 芯 片 ; 若 该 地 址 对 应 状 态 寄 存 器, 则 由 相 应 的 功 能 芯 片 将 该 寄 存 器 中 的 数 据 送 往 CCU, 无 论 是 哪 种 方 式, 数 据 传 送 完 成 后,CCU 会 令 识 别 线 输 出 一 个 窄 的 负 脉 冲, 标 志 一 个 总 线 通 过 过 程 结 束 综 上 所 述, 由 于 IM 总 线 中 的 识 别 线 和 时 钟 线 都 是 单 向 传 输 的, 因 此 很 容 易 驱 动, 在 高 清 晰 度 电 视 机 中 已 使 用 两 上 射 极 跟 随 器 对 其 分 别 加 以 驱 动, 而 对 数 据 线 由 于 是 双 向 传 输, 59

60 数 字 电 视 技 术 CCU 又 没 有 给 出 方 向 控 制 信 号, 实 现 起 来 要 复 杂 得 多, 通 常 是 : 在 一 个 通 信 周 期 的 前 半 部 分, CCU 要 向 各 功 能 芯 片 发 送 访 问 地 址, 这 时 数 据 线 的 传 输 方 向 总 是 由 CCU 向 外 ; 当 地 址 发 送 结 束 后 识 别 线 变 高, 开 始 了 数 据 传 送 过 程 这 时 数 据 线 的 传 输 方 向 一 般 是 由 此 前 发 送 的 地 址 码 决 定 的, 可 能 是 由 CCU 向 外 输 出, 也 可 能 是 从 外 部 输 入 CCU 显 然, 如 能 接 收 此 前 CCU 发 送 的 地 址 码, 再 结 合 有 关 各 地 址 数 据 传 输 方 向 和 长 度 等 方 面 的 先 验 知 识, 就 能 够 知 道 通 信 周 期 后 半 段 的 数 据 传 输 方 向, 进 而 实 现 双 向 驱 动 从 原 理 上 讲, 可 以 使 用 移 位 寄 存 器 接 收 地 址 码, 用 EPROM 查 表 法 得 到 传 输 方 向 控 制 信 号, 但 考 虑 到 前 面 提 过 的 二 次 寻 址 问 题, 即 传 输 方 向 还 可 能 受 上 一 通 信 周 期 中 访 问 地 址 的 影 响, 单 纯 用 硬 件 实 现 电 路 势 必 复 杂 因 此, 通 常 是 通 过 采 用 软 件 硬 件 配 合 的 方 来 完 成 双 向 驱 动 和 监 测 有 关 软 硬 件 设 计 原 理 这 里 就 不 再 介 绍 模 糊 技 术 的 应 用 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展, 模 糊 技 术 已 成 功 的 应 用 到 数 字 彩 色 电 视 机 中 这 一 新 领 域 的 理 论 基 础 源 于 1965 年 美 国 加 利 福 尼 亚 州 立 大 学 伯 克 利 分 校 Zedeh 教 授 提 出 的 模 糊 集 合 和 创 立 的 模 糊 逻 辑 这 一 新 的 概 念 在 我 国 已 开 始 引 起 人 们 的 极 大 关 注, 它 将 是 21 世 纪 人 工 智 能 取 得 重 大 发 展 的 突 破 口 之 一 自 从 模 糊 逻 辑 创 立 以 来, 其 模 糊 技 术 在 电 子 工 业, 特 别 是 家 电 产 品 得 到 了 广 泛 的 应 用, 并 十 分 成 熟 起 来, 从 而 打 破 了 精 确 逻 辑 一 统 天 下 的 历 史 那 么, 什 么 是 模 糊 逻 辑 呢? 模 糊 逻 辑 又 会 实 现 怎 样 一 个 目 的 呢? 所 谓 模 糊 逻 辑, 就 是 一 种 能 够 在 容 许 定 义 的 二 值 之 间 的 模 糊 地 带, 有 选 择 地 正 确 执 行 某 一 指 令 的 技 术, 又 称 模 糊 技 术 微 处 理 器 采 用 模 糊 逻 辑 之 后, 其 控 制 能 力 更 接 近 人 类 的 思 维 方 式 比 如,70 岁 以 上 的 人 是 老 年 人, 那 么 69 岁 的 人 是 不 是 老 年 人 呢? 这 一 问 题 如 果 用 精 确 逻 辑 推 算 就 只 能 确 认 70 岁 的 人 为 老 年 人, 而 在 现 实 生 活 中 人 们 对 69 岁 的 人 肯 定 也 会 遵 为 老 年 人, 这 就 出 现 了 智 能 上 的 差 异, 模 糊 逻 辑 正 在 于 实 现 这 种 人 工 智 能 随 着 人 类 社 会 的 发 展, 问 题 日 益 高 度 复 杂, 测 量 和 计 算 的 高 精 确 度 已 走 向 其 反 面, 常 规 的 自 动 控 制 要 求 数 据 高 度 准 确, 一 旦 有 错 可 能 导 致 整 个 系 统 失 灵 而 采 用 模 糊 逻 辑 控 制, 一 处 出 点 错 即 纠 正, 不 会 拖 累 全 局, 故 系 统 稳 定, 容 错 性 好 模 糊 技 术 运 用 在 彩 色 电 视 机 的 中 央 微 处 理 器 中 时, 将 会 建 立 I 2 C 总 线 控 制, 使 电 视 机 智 能 化 我 们 知 道, 在 收 看 电 视 机 节 目 时, 如 果 观 看 距 离 远 且 房 间 明 亮, 应 强 调 轮 廓 的 亮 度, 而 在 观 看 距 离 近 且 房 间 较 暗 的 情 况 下, 则 强 调 细 节 的 表 现 力 于 是 人 们 希 望 在 房 间 亮 度 和 观 看 距 离 等 客 观 条 件 变 化 时, 能 够 通 过 对 亮 度 和 对 比 度 的 控 制 来 实 现 层 次 感 的 控 制, 并 同 时 通 过 改 变 速 度 调 制 和 清 晰 度 来 控 制 立 体 感 在 大 量 的 实 践 中, 人 们 确 认 这 样 一 种 电 视 图 像 能 够 使 观 众 较 长 时 间 看 电 视 而 不 产 生 视 觉 疲 劳, 同 时 又 有 合 适 的 对 比 度 感 然 而 这 其 中 的 亮 暗 远 近 以 及 层 次 对 比 等 却 是 一 个 十 分 模 糊 的 概 念, 这 种 什 么 样 算 亮 暗, 什 么 样 算 远 近 的 模 糊 性 质, 是 以 往 的 精 确 控 制 无 能 为 力 的, 对 比, 模 糊 控 制 技 术 却 可 以 使 你 满 意 但 这 是 非 常 高 的 现 代 科 学 技 术 目 前 彩 色 电 视 机 的 电 脑 模 糊 控 制 器 已 经 诞 生, 并 应 用 在 彩 色 电 视 机 中 它 是 一 种 以 模 糊 逻 辑 算 法 模 糊 识 别 和 模 糊 判 决 为 核 心 的 智 能 化 系 统 它 通 过 硬 件 电 路 把 环 境 参 量 采 集 下 来, 经 软 件 和 硬 件 系 统 快 速 处 理 后, 对 彩 电 的 画 面 亮 度 对 比 度 和 音 量 进 行 自 动 调 整, 以 使 观 众 60

61 数 字 电 视 技 术 获 得 最 佳 视 听 效 果 和 节 电 效 益 如 广 东 茂 名 地 区 的 高 州 模 糊 控 制 技 术 集 团 公 司 开 发 并 生 产 了 FC-1D 型 彩 电 电 脑 模 糊 亮 度, 自 动 调 节 电 视 机 画 面 的 亮 度 和 对 比 度, 起 到 光 程 眼 的 作 用 (1) 通 过 光 电 传 感 器, 测 量 环 境 亮 度, 自 动 调 节 电 视 机 画 面 的 亮 度 和 对 比 度, 起 到 光 程 眼 的 作 用 (2) 通 过 超 声 波 测 距, 判 断 手 持 遥 控 器 的 人 与 电 视 机 的 距 离, 从 而 自 动 调 节 电 视 机 的 音 量 大 小, 也 可 据 此 自 动 调 节 电 视 机 画 面 的 清 晰 度 亮 度 以 及 对 比 度 等 参 量, 以 达 到 最 佳 视 听 效 果 (3) 实 现 无 人 观 看 时 自 动 关 机, 它 既 可 直 流 关 机, 也 可 经 遥 控 后 交 流 关 机 其 主 要 性 能 指 标 有 : 环 境 照 度 在 0~1801x 时, 电 视 画 面 亮 度 及 对 比 度 控 制 电 压 的 相 应 值 为 1~4V; 测 距 范 围 在 1~8m 时, 电 视 伴 音 控 制 电 压 的 相 应 值 为 2~3.5V; 晶 体 振 荡 频 率 为 6Mhz; 超 声 信 号 频 率 为 40Mhz; 工 作 环 境 温 度 为 -10 ~+40 ; 相 对 温 度 不 大 于 90% 至 今 采 用 模 糊 控 制 的 彩 色 电 视 机, 国 外 品 牌 有 日 本 三 洋 C29ZS101 型 以 及 日 本 松 下 大 屏 幕 新 画 王 系 列 彩 电, 它 们 都 设 计 了 一 种 人 工 智 能 电 路 它 所 采 用 的 模 糊 AI 技 术 主 要 包 含 动 态 清 晰 度 动 态 减 噪 动 态 彩 色 噪 声 抑 制 动 态 彩 色 动 态 图 像 和 模 糊 图 像 控 制 等 六 部 分 内 容 另 外, 日 本 三 洋 公 司 还 推 出 74cm 及 84cm(29 及 33 英 寸 ) 的 帝 王 模 糊 控 制 大 屏 幕 彩 色 电 视 机 和 71cm(28 英 寸 ) 的 16:9 宽 屏 幕 彩 色 电 视 机 前 两 种 彩 色 电 视 机 具 有 模 糊 逻 辑 图 像 控 制, 由 电 路 不 断 监 视 室 内 亮 度 和 观 看 距 离, 无 论 在 明 亮 或 黑 暗 的 环 境 下 都 可 自 动 调 节 出 柔 和 清 晰 的 图 像, 并 能 减 少 图 像 中 的 噪 波, 从 而 产 生 极 为 副 真 的 图 像 71cm(28 英 寸 ) 的 16:9 宽 屏 幕 彩 色 电 视 机 除 具 备 上 述 高 的 清 晰 度 和 模 糊 逻 辑 图 像 控 制 外, 还 有 立 体 声 和 4 种 画 面 可 变 模 式 其 4 种 模 式 为 : 标 准 模 式 : 此 时 荧 光 屏 显 示 4:3 的 画 面 ; 恰 好 模 式 : 扩 展 4:3 的 电 视 画 面 以 使 荧 光 屏 的 图 像 逼 真 自 然, 适 于 观 看 体 育 节 目 和 音 乐 会 实 况, 增 加 临 场 感 ; 变 焦 模 式 : 垂 直 和 水 平 均 匀 扩 大 4:3 的 画 面, 适 合 欣 赏 16:9 的 电 影 录 像 带 和 广 播 ; 横 向 模 式 : 水 平 扩 展 4:3 的 画 面 由 我 国 航 天 工 业 总 公 司 二 院 和 北 京 牡 丹 电 子 集 团 公 司 协 作 研 制 的 大 屏 幕 模 糊 控 制 彩 电 样 机 于 1995 年 8 月 已 通 过 技 术 鉴 定, 并 且 经 合 作 双 方 继 续 努 力, 到 现 在 已 具 备 大 批 量 生 产 条 件 因 此, 在 不 久 的 将 来, 国 产 模 糊 控 制 的 大 屏 幕 彩 色 电 视 机 将 推 向 社 会, 并 且 其 性 能 和 日 本 同 类 机 相 比 会 毫 不 逊 色 61

62 数 字 电 视 技 术 本 章 总 结 学 习 完 本 章, 学 生 应 该 掌 握 : 掌 握 电 视 技 术 的 发 展 历 史 掌 握 数 字 电 视 与 高 清 晰 电 视 概 念 掌 握 数 字 的 分 类 掌 握 电 视 构 架 及 62

63 数 字 电 视 技 术 第 3 章 数 字 电 视 信 源 编 码 技 术 本 章 目 标 本 章 结 束 时, 学 生 能 够 : 掌 握 数 字 电 视 信 源 编 码 概 念 掌 握 数 字 电 视 信 号 参 数 掌 握 数 字 视 频 压 缩 技 术 原 理 掌 握 数 字 视 频 压 缩 标 准 3.1 数 字 电 视 的 信 源 编 码 概 述 信 源 编 码 作 为 数 字 电 视 系 统 的 核 心 构 成 部 分, 直 接 决 定 了 数 字 电 视 的 基 本 格 式 及 其 信 号 编 码 效 率, 决 定 了 数 字 电 视 最 终 如 何 在 实 际 的 系 统 中 实 现 一 个 完 整 的 数 字 电 视 系 统 包 括 数 字 电 视 信 号 的 产 生 处 理 传 输 接 收 和 重 现 等 诸 多 环 节 数 字 电 视 信 号 在 进 入 传 输 通 道 前 的 处 理 过 程 一 般 如 下 图 3-1 所 示 : 信 号 获 取 信 源 编 码 信 道 编 码 调 制 卫 星 传 输 地 面 无 线 传 输 有 线 传 输 图 3-1 数 字 电 视 信 号 传 输 前 处 理 电 视 信 号 在 获 取 后 经 过 的 第 一 个 处 理 环 节 就 是 信 源 编 码 信 源 编 码 是 通 过 压 缩 编 码 来 去 掉 信 号 源 中 的 冗 余 成 分, 以 达 到 压 缩 码 率 和 带 宽, 实 现 信 号 有 效 传 输 的 目 的 信 道 编 码 是 通 过 按 一 定 规 则 重 新 排 列 信 号 码 元 或 加 入 辅 助 码 的 办 法 来 防 止 码 元 在 传 输 过 程 中 出 错, 并 进 行 检 错 和 纠 错, 以 保 证 信 号 的 可 靠 传 输 信 道 编 码 后 的 基 带 信 号 经 过 调 制, 可 送 入 各 类 通 道 中 进 行 传 输 目 前 数 字 电 视 可 能 的 传 输 通 道 包 括 卫 星, 地 面 无 线 传 输 和 有 线 传 输 等 信 源 编 码 的 目 的 是 通 过 在 编 码 过 程 中 对 原 始 信 号 冗 余 度 的 去 除 来 压 缩 码 率, 因 此 压 缩 编 码 的 技 术 与 标 准 成 为 信 源 编 码 的 核 心 九 十 年 代 以 来, 各 种 压 缩 编 码 的 国 际 标 准 相 继 推 出, 其 中 MPEG-2 是 专 为 数 字 电 视 包 括 标 准 数 字 电 视 和 数 字 高 清 晰 度 电 视 制 定 的 压 缩 编 码 标 准 MPEG-2 压 缩 编 码 输 出 的 码 流 作 为 数 字 电 视 信 源 编 码 的 标 准 输 出 码 流 已 被 广 泛 认 可 目 63

64 数 字 电 视 技 术 前 数 字 电 视 系 统 中 信 源 编 码 以 外 的 其 它 部 分, 包 括 信 道 编 码, 调 制 器, 解 调 器 等, 大 都 以 MPEG-2 码 流 作 为 与 之 适 配 的 标 准 数 字 信 号 码 流 信 源 编 码 的 第 一 步 首 先 要 对 模 拟 电 视 信 号 进 行 取 样 和 模 数 变 换, 相 应 的 需 要 一 个 统 一 的 标 准 数 字 演 播 室 标 准 ITU-R601 正 是 为 此 制 定 的 国 际 标 准 3.2 数 字 电 视 信 号 参 数 和 演 播 室 参 数 标 准 亮 度 信 号 取 样 频 率 根 据 奈 奎 斯 特 定 理, 取 样 频 率 应 至 少 不 低 于 信 号 最 高 频 率 的 2 倍 取 样 结 构 如 下 图 所 示, 为 便 于 进 行 信 源 编 码, 取 样 结 构 最 好 为 正 交 结 构, 即 每 个 取 样 点 应 与 其 相 邻 行 和 相 邻 帧 对 齐, 这 种 结 构 的 取 样 值 在 图 像 上 沿 垂 直 线 按 行 场 帧 成 固 定 的 周 期 排 列, 在 隔 行 扫 描 中 图 像 相 邻 场 相 加 时, 水 平 与 垂 直 清 晰 度 都 不 受 损 伤, 有 利 于 行 帧 间 信 号 处 理 图 3-2 取 样 结 构 图 为 此 取 样 频 率 必 须 为 行 频 的 整 数 倍 标 准 中 规 定 了 编 码 信 号 为 分 量 信 号 Y R-Y B-Y, 应 该 满 足 取 样 定 理, 即 抽 样 频 率 应 该 大 于 视 频 带 宽 的 两 倍 亮 度 抽 样 频 率 为 525/60 和 625/50 三 大 制 式 行 频 (15625Hz 和 Hz) 公 倍 数 的 2.25MHz 的 6 倍, 即 亮 度 信 号 的 取 样 频 率 定 为 13.5 兆 赫 亮 度 信 号 每 行 取 样 数 对 于 625 行 /50 场 扫 描 制 式 的 亮 度 信 号, 每 行 的 取 样 点 数 为 :, 对 于 525 行 /60 场 扫 描 制 式 的 亮 度 信 号, 每 行 的 取 样 点 数 为 : 为 提 高 编 码 效 率, 去 掉 行 场 逆 程 的 取 样, 得 到 降 低 了 的 每 数 字 有 效 行 取 样 数 ; 建 议 两 种 制 式 有 效 行 内 的 每 行 取 64

65 数 字 电 视 技 术 样 点 数 亮 度 信 号 取 720 个 色 度 信 号 格 式 在 4:2:2 格 式 中, 每 个 色 差 信 号 取 样 数 为 亮 度 信 号 的 一 半, 取 样 频 率 定 为 6.75 兆 赫, 即 1 fcb fcr fy 6. 75MHz 2 f, 抽 样 频 率 之 比 Y : fcb: fcr 4 : 2 2 色 差 信 号 Cr 和 Cb 在 水 平 方 向 抽 样 点 数 为 Y 的 一 半, 而 在 垂 直 方 向 的 抽 样 点 数 与 Y 相 同, 两 个 色 度 信 号 各 取 360 个, 并 规 定 了 取 样 结 构 是 正 交 结 构 这 种 格 式 主 要 用 于 数 字 普 通 清 晰 度 电 视 (SDTV) 演 播 室 中 4:2:2 格 式 如 下 图 3-3 所 示 图 3-3 4:2:2 格 式 中 亮 度 信 号 和 色 差 信 号 样 点 得 位 置 当 对 信 号 源 信 号 的 质 量 要 求 更 高 时, 可 采 样 4:4:4 格 式, 色 差 信 号 Cr 和 Cb 的 抽 样 频 率 fc fc f MHz 均 和 亮 度 信 号 抽 样 频 率 相 同, 都 是 13.5MHz, 即 b r Y 13. 5, 抽 样 频 率 之 f 比 Y : fcb: fcr 4 : 4 4 色 差 信 号 Cr 和 Cb 在 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 上 的 抽 样 点 数 都 和 Y 相 同 4:4:4 格 式 如 下 图 3-4 所 示 65

66 数 字 电 视 技 术 图 3-4 4:4:4 格 式 中 亮 度 信 号 和 色 差 信 号 样 点 得 位 置 在 4:2:0 格 式 中, 色 差 信 号 C r 和 C b 的 抽 样 频 率 均 为 亮 度 信 号 抽 样 频 率 的 四 分 之 一, 即 : 1 fcb fcr fy MHz, 色 差 信 号 C r 和 C b 在 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 的 抽 样 点 数 均 为 Y 4 的 一 半 这 种 格 式 也 主 要 用 于 数 字 普 通 清 晰 度 电 视 (SDTV) 演 播 室 中 4:2:0 格 式 如 下 图 图 3-5 所 示 在 4:1:1 格 式 中, 色 差 信 号 C b 和 C r 的 抽 样 频 率 也 均 为 亮 度 信 号 抽 样 频 率 的 四 分 之 一, 1 fcb fcr fy MHz, 亮 度 抽 样 频 率 和 两 个 色 差 信 号 的 抽 样 频 率 之 比 是 : 4 f : fc : fc 4 : 11, 色 差 信 号 C b 和 C r 在 水 平 方 向 抽 样 点 数 为 Y 的 四 分 之 一, 而 在 垂 直 方 向 的 Y b r 抽 样 点 数 与 Y 相 同 4:1:1 格 式 如 下 图 3-6 所 示 66

67 数 字 电 视 技 术 图 3-5 4:2:0 格 式 中 亮 度 信 号 和 色 差 信 号 样 点 得 位 置 图 3-6 4:1:1 格 式 中 亮 度 信 号 和 色 差 信 号 样 点 得 位 置 编 码 方 式 和 量 化 采 用 简 单 的 线 性 PCM 编 码 抽 样 后 采 用 线 性 量 化, 每 个 样 点 的 量 化 比 特 数 用 于 演 播 室 为 10bit, 用 于 传 输 为 8bit 由 于 数 码 率 Rb=f S.n, 从 降 低 码 率 考 虑, 显 然 量 化 比 特 数 n 越 小 越 好, 67

68 数 字 电 视 技 术 从 降 低 量 化 噪 声 考 虑, 显 然 量 化 比 特 数 n 选 得 越 大 越 好 具 体 实 验 显 示,8 比 特 量 化 产 生 的 256 级 量 化 级, 其 二 进 制 的 范 围 是 ~ ( 十 六 进 制 为 00~FF), 其 相 应 的 十 进 制 数 为 0~255 已 完 全 能 满 足 人 眼 对 亮 度 与 色 度 层 次 分 辨 的 需 要 量 化 后 的 码 电 平 分 配 如 下 图 所 示 : 图 3-7 亮 度 信 号 量 化 电 平 分 配 图 3-8 色 差 信 号 量 化 电 平 分 配 亮 度 信 号 E Y 经 归 一 化 处 理 后 的 动 态 范 围 为 0~1, 总 共 占 220 个 量 化 级, 码 电 平 16 对 应 黑 电 平, 码 电 平 235 对 应 白 电 平 在 上 端 留 下 20 级, 下 端 留 下 16 级 作 为 动 态 范 围 的 保 护 带 色 差 信 号 E CR E CB 经 过 归 一 化 处 理 后 的 动 态 范 围 为 0.5~0.5, 总 共 占 225 个 量 化 级, 零 电 平 对 应 码 电 平 为 和 255 这 两 个 级 留 作 同 步 量 化 以 后 码 电 平 的 数 字 化 表 达 式 为 : D Y =INT[219(E Y )+16]; D CR =INT[224 E CR +128]; D CB =INT[224 E CB +128]; 其 中, 符 号 INT[] 表 示 对 [] 中 的 小 数 部 分 进 行 四 舍 五 入 后 取 整 数 数 字 电 视 演 播 室 参 数 标 准 早 在 七 十 年 代 末, 英 国 广 播 公 司 和 索 尼 公 司 就 分 别 展 示 了 其 各 自 开 发 的 彩 色 数 字 录 像 机, 成 为 最 早 的 数 字 电 视 编 录 产 品, 由 此 促 成 了 电 视 信 号 模 数 转 换 规 范 的 产 生 在 数 字 电 视 发 展 初 期, 数 字 电 视 的 应 用 集 中 在 演 播 室, 一 个 统 一 的 数 字 演 播 室 标 准 变 得 相 当 迫 切 和 重 要 电 68

69 数 字 电 视 技 术 视 广 播 的 数 字 化 进 程 中, 由 国 际 电 信 联 盟 的 无 线 电 通 信 部 门 (ITU-R)( 即 原 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 CCIR) 以 建 议 书 方 式 发 表 了 一 系 列 有 关 数 字 电 视 的 最 基 本 的 标 准,1980 年, 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 CCIR 提 出 了 电 视 信 号 模 数 转 换 标 准 的 建 议, 即 称 为 数 字 演 播 室 标 准 的 CCIR601 后 来 CCIR 成 为 国 际 电 信 联 盟 的 无 线 电 委 员 会, 称 为 ITU-R, 相 应 的 CCIR-601 也 改 称 ITU-R601, 成 为 模 拟 电 视 向 数 字 电 视 转 变 过 程 中 的 第 一 个 标 准 规 范 下 面 对 相 关 的 基 础 标 准 进 行 介 绍 (1)ITU-R BT 演 播 室 数 字 编 码 参 数 1982 年 CCIR 第 15 次 全 会 上 通 过 了 著 名 的 601 号 建 议 书, 为 推 动 数 字 电 视 的 发 展 起 了 重 要 的 作 用 对 电 视 信 号 数 字 编 码 的 基 本 参 数, 作 了 详 细 的 描 述 和 规 定, 因 而 是 数 字 电 视 的 最 基 本 的 标 准 后 来 经 过 多 次 修 正 扩 展, 现 已 发 展 到 包 含 16:9 宽 高 比 在 内 的 ITU-R BT 标 准 在 601 建 议 中, 亮 度 信 号 的 抽 样 频 率 是 525/60 和 625/50 扫 描 制 式 的 行 频 的 的 最 小 公 倍 数 2.25MHz 的 6 倍 即 13.5MHz; 抽 样 结 构 固 定 正 交 便 于 数 字 处 理 ; 两 种 扫 描 制 式 在 在 数 字 有 效 行 内 的 亮 度 取 样 点 统 一 为 720 个, 两 个 色 差 信 号 则 统 一 为 360 个, 称 为 4:2:2 格 式 演 播 室 数 字 编 码 的 主 要 参 数 (4:2:2 格 式 ) 如 下 表 3-1 所 示 在 1983 年 召 开 的 国 际 无 线 电 咨 询 委 员 会 上 又 做 了 三 点 补 充 : 明 确 规 定 编 码 信 号 是 经 过 γ 预 校 正 的 Y R-Y B-Y 信 号 ; 相 应 于 量 化 级 0 和 255 的 码 字 专 用 于 同 步,1 到 244 的 量 化 级 用 于 视 频 信 号 ; 进 一 步 明 确 了 模 拟 与 数 字 行 的 对 应 关 系, 并 规 定 了 从 数 字 有 效 行 末 尾 至 基 准 时 间 样 点 的 间 隔, 对 525/60 和 625/50 两 种 制 式 分 别 为 16 个 和 12 个 样 点 我 国 在 1993 年 12 月 30 日, 发 布 了 相 应 的 国 家 标 准 为 GB/T 演 播 室 数 字 电 视 编 码 参 数 规 范, 采 用 了 601 建 议, 并 于 1994 年 9 月 3 日 实 施 该 标 准 适 用 于 我 国 625 行 50 场 图 像 宽 高 比 为 4:3 的 国 家 标 准 GB3147( 彩 色 电 视 广 播 ) (2)ITU-RBT 符 合 ITU-RBT.601 建 议 书 (A 部 分 )4:2:2 格 式 的 525 行 和 625 行 数 字 分 量 电 视 信 号 的 接 口 标 准 该 标 准 规 定 了 数 字 电 视 设 备 相 互 连 接 的 机 械 方 式 ( 插 头 和 各 插 头 脚 的 信 号 ) 和 电 气 信 号 的 组 成 ( 串 行 码 及 并 行 码 方 式 ), 因 而 也 是 数 字 电 视 的 基 本 标 准 (3)ITU-RBT 符 合 ITU-RBT.601 建 议 书 (A 部 分 )4:4:4 格 式 的 525 行 和 625 行 数 字 分 量 电 视 信 号 的 接 口 标 准 与 上 述 三 个 基 本 标 准 相 配 合, 国 际 电 联 还 陆 续 发 表 了 有 关 的 系 统 测 试 系 统 连 接 及 其 接 口 等 方 面 的 标 准 例 如, 为 测 试 数 字 电 视 系 统 引 入 的 失 真, 必 须 对 测 试 信 号 作 一 规 定, 这 就 是 ITU-RBT 数 字 编 码 彩 色 电 视 信 号 的 测 试 信 号 标 准 ; 并 在 ITU-RBT 主 观 评 价 用 的 测 试 图 像 和 序 列 标 准 中, 规 定 了 53 种 静 止 和 活 动 图 像 作 为 专 用 测 试 图 像 又 例 如, 为 测 试 编 码 后 的 数 字 电 视 信 号 从 一 个 演 播 室 传 送 到 另 一 个 演 播 室, 或 从 实 况 转 播 现 场 经 一 次 分 配 网 传 送 到 电 视 中 心 的 图 像 质 量, 就 必 须 对 馈 给 网 和 一 次 分 配 网 规 定 技 术 要 求 和 测 试 方 法, 于 是 又 制 定 了 ITU-RBT 通 过 馈 给 网 和 一 次 分 配 网 传 送 4:2:2 标 准 规 定 的 数 字 电 视 信 号 的 用 户 需 求 标 准 及 其 它 与 接 口 标 准 有 关 的 多 个 标 准 69

70 数 字 电 视 技 术 表 3-1 演 播 室 数 字 编 码 的 主 要 参 数 3.3 数 字 视 频 压 缩 技 术 分 析 概 述 近 几 年 来, 随 着 超 大 规 模 集 成 电 路 的 不 断 发 展, 多 媒 体 技 术 逐 渐 深 入 到 人 们 的 生 活 中, 并 引 起 越 来 越 多 的 关 注 多 媒 体 的 各 项 应 用 都 离 不 开 高 效 的 图 像 压 缩 算 法 在 视 频 领 域, 也 正 在 进 行 从 模 拟 到 数 字 的 转 换, 从 VCD DVD 到 HDTV 视 频 数 字 化 后, 由 于 其 数 据 量 很 70

71 数 字 电 视 技 术 大, 不 适 合 存 储 和 实 时 传 输, 所 以 要 对 其 进 行 压 缩 编 码 为 了 使 图 像 压 缩 编 码 有 一 个 国 际 标 准,ITU 和 ISO 从 80 年 代 末 期 开 始 了 图 像 压 缩 的 标 准 化 工 作, 并 相 继 制 定 了 H.261,H.263, MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,JPEG 等 若 干 标 准, 基 本 上 适 应 了 中 高 码 率 信 道 上 图 像 存 储 传 输 的 要 求 这 一 系 列 国 际 标 准 的 推 出 极 大 地 促 进 了 视 频 压 缩 编 码 实 时 实 现 技 术 的 研 究 和 发 展, 最 终 使 数 字 视 频 技 术 进 入 了 实 用 阶 段 ITU-R601 主 要 是 一 种 取 样 标 准 模 拟 电 视 信 号 据 此 取 样 后 进 行 8 比 特 量 化 和 线 性 PCM 编 码, 即 可 得 到 符 合 数 字 演 播 室 标 准 的 基 带 数 字 信 号 但 是, 由 此 得 到 的 数 字 电 视 信 号 具 有 非 常 高 的 码 率 和 带 宽, 难 以 进 入 实 用 将 电 视 信 号 进 行 数 字 化 采 样, 其 信 号 的 数 据 率 是 很 高 的, 演 播 室 质 量 的 数 字 化 电 视 信 号 的 数 据 率 为 200Mbps, 对 储 存 器 容 量 要 求 很 大, 占 有 的 带 宽 将 约 为 100MHz 左 右, 要 在 原 模 拟 电 视 频 道 带 宽 内 传 输 如 此 高 速 率 的 数 字 信 号 是 不 可 能 的 电 视 信 号 是 宽 频 带 信 号, 数 字 化 后 的 频 带 更 宽, 必 须 采 用 先 进 的 压 缩 编 码 技 术, 根 据 CCIR 的 601 建 议,525 行 /60 场 和 625 行 /50 场 两 种 制 式 的 复 合 电 视 信 号 都 采 用 同 一 取 样 频 率 : 即 亮 度 (Y) 信 号 取 样 频 率 为 13.5MHZ, 色 差 信 号 (R-Y,B-Y) 的 取 样 频 率 各 为 6.75MHZ; 若 按 均 匀 量 化 PCM 编 码 方 式, 每 个 取 样 按 8 比 特 量 化, 则 可 算 得 : 亮 度 信 号 的 码 率 为 13.5X8=108(Mb/s); 色 差 信 号 的 码 率 为 6.75X2X8=108(Mb/s); 即 编 码 后 的 数 字 电 视 信 号 码 率 为 216Mb/s 通 常, 要 发 射 或 传 送 这 种 数 码 信 号 的 信 道 带 宽, 至 少 应 是 码 率 的 0.5~1 倍, 即 要 传 送 一 路 数 字 电 视 信 号 的 信 道 带 宽 最 低 限 度 也 在 (108~ 216)MHZ, 比 传 送 一 路 模 拟 电 视 信 号 要 大 得 多, 显 然 难 以 成 行 因 而, 必 须 采 用 先 进 的 压 缩 编 码 技 术 数 字 压 缩 技 术 很 好 地 解 决 了 上 述 困 难, 压 缩 后 信 号 所 占 用 的 频 带 大 大 低 于 原 模 拟 信 号 的 频 带 因 此 说, 数 字 压 缩 编 码 技 术 是 使 数 字 信 号 走 向 实 用 化 的 关 键 技 术 之 一, 下 表 列 出 了 各 种 应 用 的 码 率 表 3-2 各 种 应 用 码 率 应 用 种 类 比 特 数 / 像 素 数 行 数 / 帧 数 / 亮 色 比 比 特 / 秒 ( 压 比 特 / 秒 像 素 / 行 帧 秒 缩 前 ) ( 压 缩 后 ) HDTV :1:1 1.18Gbps 20~25M bps 普 通 电 视 :1:1 167Mbps 4~8Mbps TIU-R601 会 议 电 视 CIF :1:1 36.5Mbps 1.5~2Mb ps 71

72 数 字 电 视 技 术 桌 上 电 视 :1:1 9.1Mbps 128Kbps QCIF 电 视 电 话 :1:1 5.2Mbps 56Kbps 实 现 数 据 压 缩 技 术 的 方 法 有 两 种 : 一 是 在 信 源 编 码 过 程 中 进 行 压 缩, 利 用 人 类 听 觉 视 觉 效 应 去 除 信 号 中 的 多 余 成 分, 在 不 影 响 收 听 收 看 效 果 的 前 提 下 尽 量 压 缩 数 据 率 ; 二 是 改 进 信 道 编 码, 发 展 新 的 数 字 调 制 技 术, 提 高 单 位 频 宽 数 据 传 送 速 率 数 据 压 缩 的 可 行 性 从 信 息 论 观 点 来 看, 描 述 信 源 的 数 据 是 信 息 量 ( 信 源 熵 ) 和 信 息 冗 余 量 之 和 信 息 冗 余 量 有 许 多 种, 如 空 间 冗 余, 时 间 冗 余, 结 构 冗 余, 知 识 冗 余, 视 觉 冗 余 等, 数 据 压 缩 实 质 上 是 减 少 这 些 冗 余 量 可 见 冗 余 量 减 少 可 以 减 少 数 据 量 而 不 减 少 信 源 的 信 息 量 从 数 学 上 讲, 图 像 可 以 看 作 一 个 多 维 函 数, 压 缩 描 述 这 个 函 数 的 数 据 量 实 质 是 减 少 其 相 关 性 另 外 在 一 些 情 况 下, 允 许 图 像 有 一 定 的 失 真, 而 并 不 妨 碍 图 像 的 实 际 应 用, 那 么 数 据 量 压 缩 的 可 能 性 就 更 大 了 数 字 电 视 的 信 源 编 码 是 把 节 目 源 的 模 拟 图 声 信 号 变 为 数 字 信 号, 再 经 过 MPEG-2 压 缩 编 码, 形 成 数 字 信 号 源, 并 根 据 多 个 节 目 传 输 的 要 求, 编 为 复 用 码 流 信 源 编 码 技 术 包 括 视 频 压 缩 编 码 技 术 和 音 频 压 缩 编 码 技 术 数 字 电 视 尤 其 是 高 清 晰 度 数 字 电 视 与 模 拟 电 视 相 比, 在 实 现 过 程 中 最 为 困 难 的 部 分 就 是 对 视 频 信 号 的 压 缩 视 频 编 码 技 术 的 主 要 功 能 是 完 成 图 像 的 压 缩, 使 数 字 电 视 信 号 的 传 输 量 由 1Gbit/s( 针 对 显 示 格 式 ) 减 少 为 20~30Mbit/s 视 频 编 码 计 算 时 主 要 有 以 下 客 观 依 据 :(1) 图 像 时 间 的 相 关 性 视 频 信 号 由 连 续 图 像 组 成, 相 邻 图 像 有 很 多 相 关 性, 找 出 这 些 相 关 性 就 可 减 少 信 息 量 (2) 图 像 空 间 的 相 关 性 例 如 图 像 中 有 一 大 块 单 一 颜 色, 那 么 不 必 把 所 有 像 素 存 储 (3) 人 眼 的 视 觉 特 性 人 眼 对 原 始 图 像 各 处 失 真 敏 感 度 不 同, 对 不 敏 感 的 无 关 紧 要 的 信 息 给 予 较 大 的 失 真 处 理 ; 相 反, 对 人 眼 比 较 敏 感 的 信 息, 则 尽 可 能 减 少 其 失 真 (4) 事 件 间 的 统 计 特 性 事 件 发 生 的 概 率 越 小, 则 其 熵 值 越 大, 表 示 信 息 量 越 大, 需 分 配 较 长 的 码 字 ; 反 之, 发 生 的 概 率 越 大, 则 其 熵 值 越 小, 只 需 分 配 较 短 的 码 字 音 频 编 解 码 的 主 要 功 能 是 完 成 声 音 信 息 的 压 缩 声 音 信 号 数 字 化 后, 信 息 量 比 模 拟 传 输 状 态 大 得 多, 尤 其 是 高 清 晰 度 数 字 电 视 所 传 输 的 多 声 道 音 频 信 号, 因 而 数 字 电 视 的 声 音 不 能 像 模 拟 电 视 的 声 音 那 样 直 接 传 输, 而 是 要 多 一 道 压 缩 编 码 工 序 音 频 信 号 的 压 缩 编 码 主 要 利 用 人 耳 的 听 觉 特 性 :(1) 听 觉 的 掩 蔽 效 应 ( 频 域 掩 蔽 效 应 和 时 域 掩 蔽 效 应 ) 在 人 的 听 觉 上, 一 个 较 大 声 音 的 存 在 掩 蔽 了 另 一 个 较 小 声 音 的 存 在 (2) 人 耳 对 声 音 的 方 向 特 性 对 于 2kHz 以 上 的 高 频 声 音 信 号, 人 耳 很 难 判 断 其 方 向 性, 因 而 立 体 声 广 播 的 高 频 部 分 不 必 重 复 存 储 国 际 上 对 数 字 图 像 编 码 曾 制 定 了 3 种 标 准, 即 主 要 用 于 电 视 会 议 的 H.261, 主 要 用 于 静 止 图 像 的 JPEG 标 准, 主 要 用 于 连 续 图 像 的 MPEG 标 准 MPEG-1 的 输 入 视 频 格 式 为 CIF , 主 要 用 于 CD-ROM,VCD 或 T1(E1) 线 路 传 输, 码 率 为 固 定 的 1.5Mbps MPEG-2 支 持 标 准 分 72

73 数 字 电 视 技 术 辨 率 的 16 9宽 屏 及 高 清 晰 度 电 视 等 多 种 格 式, 其 码 率 可 变, 为 3~40Mbps MPEG-2 是 广 播 电 视 数 字 压 缩 的 国 际 标 准, 采 用 不 同 的 层 和 级 组 合 即 可 满 足 从 家 庭 质 量 到 广 播 级 质 量 以 及 将 要 播 出 的 高 清 晰 度 电 视 质 量 的 不 同 要 求, 其 应 用 面 很 广, 从 进 入 家 庭 的 DVD 到 卫 星 电 视 广 播 电 视 微 波 传 输 都 采 用 这 一 标 准 在 HDTV 视 频 压 缩 编 解 码 标 准 方 面, 美 国 欧 洲 日 本 没 有 分 歧, 都 采 用 MPEG-2 标 准 在 音 频 编 码 方 面, 欧 洲 日 本 采 用 MPEG-2 标 准 ; 美 国 采 纳 杜 比 公 司 (Dolby) 的 AC-3 方 案,MPEG-2 为 备 用 方 案 图 像 压 缩 编 码 方 法 的 分 类 信 源 编 码 可 以 解 决 效 率 问 题, 用 最 少 的 比 特, 代 表 最 多 的 信 息, 节 省 存 储 空 间 编 码 压 缩 方 法 有 许 多 种, 从 不 同 的 角 度 出 发 有 不 同 的 分 类 方 法, 比 如 从 信 息 论 角 度 出 发 可 分 为 两 大 类 : (1) 冗 余 度 压 缩 方 法, 也 称 无 损 压 缩, 信 息 保 持 编 码 或 熵 编 码 具 体 讲 就 是 解 码 图 像 和 压 缩 编 码 前 的 图 像 严 格 相 同, 没 有 失 真 和 噪 声 叠 加, 从 数 学 上 讲 是 一 种 可 逆 运 算 (2) 信 息 量 压 缩 方 法, 也 称 有 损 压 缩, 失 真 度 编 码 或 熵 压 缩 编 码 也 就 是 讲 解 码 图 像 和 原 始 图 像 是 有 差 别 的, 允 许 有 一 定 的 失 真 应 用 在 多 媒 体 中 的 图 像 压 缩 编 码 方 法 分 类, 根 据 解 码 后 数 据 与 原 始 数 据 是 否 完 全 一 致 进 行 分 类, 可 以 分 类 为 : (1) 无 损 压 缩 编 码 : 解 码 图 像 与 原 始 图 像 严 格 相 同 压 缩 比 大 约 在 2:1~5:1 之 间 例 如 : 霍 夫 曼 编 码 算 术 编 码 行 游 程 编 码 Lempel zev 编 码 (2) 有 损 压 缩 编 码 : 还 原 图 像 与 原 始 图 像 存 在 一 定 的 误 差, 但 视 觉 效 果 一 般 可 以 接 受, 压 缩 比 可 以 从 几 倍 到 上 百 倍 例 如 : 预 测 编 码 频 率 域 方 法 子 带 编 码 空 间 域 方 法 模 型 方 法 基 于 重 要 性 2. 根 据 数 据 压 缩 的 原 理 进 行 划 分, 可 以 有 以 下 几 类 : (1) 统 计 冗 余 度 的 压 缩 ( 信 息 熵 编 码 ) 对 于 一 串 由 许 多 数 值 构 成 的 数 据 来 说, 如 果 其 中 某 些 值 经 常 出 现, 而 另 外 一 些 值 很 少 出 现, 则 这 种 由 取 值 上 的 统 计 不 均 匀 性 就 构 成 了 统 计 冗 余 度, 可 以 对 之 进 行 压 缩 具 体 方 法 是 对 那 些 经 常 出 现 的 值 用 短 的 码 组 来 表 示, 对 不 经 常 出 现 的 值 用 长 的 码 组 来 表 示, 因 而 最 终 用 于 表 示 这 一 串 数 据 的 总 的 码 位, 相 对 于 用 定 长 码 组 来 表 示 的 码 位 而 言 得 到 了 降 低, 这 就 是 熵 编 码 的 思 想 最 常 见 的 方 法 如 Huffman 编 码 Shannon 编 码 以 及 算 术 编 码 目 前 用 于 图 像 压 缩 的 具 体 的 熵 编 码 方 法 主 要 是 霍 夫 曼 编 码, 即 一 个 数 值 的 编 码 长 度 与 此 数 值 出 现 的 概 率 尽 可 能 地 成 反 比 霍 夫 曼 编 码 虽 然 压 缩 比 不 高, 约 为 1.6:1, 但 好 处 是 无 损 压 缩, 目 前 在 图 像 压 缩 编 码 中 被 广 泛 采 用 视 频 图 像 在 每 一 点 的 取 值 上 具 有 任 意 性 对 于 运 动 图 像 而 言, 每 一 点 在 一 段 时 间 内 能 取 可 能 的 任 意 值, 在 取 值 上 具 有 统 计 均 匀 性, 难 以 直 接 运 用 熵 编 码 的 方 法, 但 可 以 通 过 适 当 的 变 换 编 码 的 方 法, 如 DCT 变 换, 使 原 图 像 变 成 由 一 串 统 计 不 均 匀 的 数 据 来 表 示, 从 而 利 用 霍 夫 曼 编 码 来 进 行 压 缩 变 换 编 码 将 图 像 光 强 矩 阵 ( 时 域 信 号 ) 变 换 到 频 域 空 间 上 进 行 处 理 在 时 域 空 间 上 具 有 强 相 关 的 信 号, 反 映 在 频 域 上 是 某 些 特 定 的 区 域 内 能 量 常 常 被 集 中 在 一 起, 我 们 只 需 将 主 要 注 意 力 放 在 相 对 小 的 区 域 上, 从 而 实 现 压 缩 一 般 采 用 正 交 变 换, 如 离 散 余 弦 变 换 (DCT) 离 散 傅 立 叶 变 换 (DFT) Walsh-Hadamard 变 换 (WHT) 和 小 波 变 换 (WT), 73

74 数 字 电 视 技 术 来 实 现 压 缩 算 法 (2) 空 间 冗 余 度 的 压 缩 一 幅 视 频 图 像 相 邻 各 点 的 取 值 往 往 相 近 或 相 同, 具 有 空 间 相 关 性, 这 就 是 空 间 冗 余 度 图 像 的 空 间 相 关 性 表 示 相 邻 象 素 点 取 值 变 化 缓 慢 从 频 域 的 观 点 看, 意 味 着 图 像 信 号 的 能 量 主 要 集 中 在 低 频 附 近, 高 频 信 号 的 能 量 随 频 率 的 增 加 而 迅 速 衰 减 通 过 频 域 变 换, 可 以 将 原 图 像 信 号 用 直 流 分 量 及 少 数 低 频 交 流 分 量 的 系 数 来 表 示, 这 就 是 变 换 编 码 中 的 正 交 余 弦 变 换 DCT 的 方 法 DCT 是 JPEG 和 MPEG 压 缩 编 码 的 基 础, 可 对 图 像 的 空 间 冗 余 度 进 行 有 效 的 压 缩 视 频 图 像 中 经 常 出 现 一 连 串 连 续 的 象 素 点 具 有 相 同 值 的 情 况, 典 型 的 如 彩 条, 彩 场 信 号 等 只 传 送 起 始 象 素 点 的 值 及 随 后 取 相 同 值 的 象 素 点 的 个 数, 也 能 有 效 地 压 缩 码 率, 这 就 是 行 游 程 编 码 目 前 在 图 像 压 缩 编 码 中, 行 游 程 编 码 并 不 直 接 对 图 像 数 据 进 行 编 码, 主 要 用 于 对 量 化 后 的 DCT 系 数 进 行 编 码 (3) 时 间 冗 余 度 的 压 缩 时 间 冗 余 度 表 现 在 电 视 画 面 中 相 继 各 帧 对 应 象 素 点 的 值 往 往 相 近 或 相 同, 具 有 时 间 相 关 性 在 知 道 了 一 个 象 素 点 的 值 后, 利 用 此 象 素 点 的 值 及 其 与 后 一 象 素 点 的 值 的 差 值 就 可 求 出 后 一 象 素 点 的 值 因 此, 不 传 送 象 素 点 本 身 的 值 而 传 送 其 与 前 一 帧 对 应 象 素 点 的 差 值, 也 能 有 效 地 压 缩 码 率, 这 就 是 差 分 编 码 DPCM 在 实 际 的 压 缩 编 码 中,DPCM 主 要 用 于 各 图 像 子 块 在 DCT 变 换 后 的 直 流 系 数 的 传 送 相 对 于 交 流 系 数 而 言,DCT 直 流 系 数 的 值 很 大, 而 相 继 各 帧 对 应 子 块 的 DCT 直 流 系 数 的 值 一 般 比 较 接 近, 在 图 像 未 发 生 跳 变 的 情 况 下, 其 差 值 同 直 流 系 数 本 身 的 值 相 比 是 很 小 的 由 差 分 编 码 进 一 步 发 展 起 来 的 预 测 编 码, 是 根 据 一 定 的 规 则 先 预 测 出 下 一 个 象 素 点 或 图 像 子 块 的 值, 然 后 将 此 预 测 值 与 实 际 值 的 差 值 传 送 给 接 收 端 目 前 图 像 压 缩 中 的 预 测 编 码 主 要 用 于 帧 间 压 缩 编 码, 方 法 是 先 根 据 一 个 子 块 的 运 动 矢 量 求 出 下 一 帧 对 应 子 块 的 预 测 值 及 其 与 实 际 值 的 差 值, 接 收 端 根 据 运 动 矢 量 及 差 值 恢 复 出 原 图 像 由 于 运 动 矢 量 及 差 值 的 数 据 量 低 于 原 图 像 的 数 据 量, 因 而 也 能 达 到 图 像 数 据 压 缩 的 目 的 (4) 视 觉 冗 余 度 的 压 缩 视 觉 冗 余 度 是 相 对 于 人 眼 的 视 觉 特 性 而 言 的 人 眼 对 于 图 像 的 视 觉 特 性 包 括 : 对 亮 度 信 号 比 对 色 度 信 号 敏 感, 对 低 频 信 号 比 对 高 频 信 号 敏 感, 对 静 止 图 像 比 对 运 动 图 像 敏 感, 以 及 对 图 像 水 平 线 条 和 垂 直 线 条 比 对 斜 线 敏 感 等 因 此, 包 含 在 色 度 信 号, 图 像 高 频 信 号 和 运 动 图 像 中 的 一 些 数 据 并 不 能 对 增 加 图 像 相 对 于 人 眼 的 清 晰 度 作 出 贡 献, 而 被 认 为 是 多 余 的, 这 就 是 视 觉 冗 余 度 压 缩 视 觉 冗 余 度 的 核 心 思 想 是 去 掉 那 些 相 对 人 眼 而 言 是 看 不 到 的 或 可 有 可 无 的 图 像 数 据 对 视 觉 冗 余 度 的 压 缩 通 常 已 反 映 在 各 种 具 体 的 压 缩 编 码 过 程 中 如 对 于 DCT 系 数 的 直 流 与 低 频 部 分 采 取 细 量 化, 而 对 高 频 部 分 采 取 粗 量 化, 使 得 DCT 变 换 能 借 此 压 缩 码 率, 并 能 有 效 地 进 行 行 游 程 编 码 在 帧 间 预 测 编 码 中, 大 码 率 压 缩 的 预 测 帧 及 双 向 预 测 帧 的 采 用, 也 是 利 用 了 人 眼 对 运 动 图 像 细 节 不 敏 感 的 特 性 图 像 压 缩 编 码 的 具 体 方 法 虽 然 还 有 多 种, 但 大 都 是 建 立 在 上 述 基 本 思 想 之 上 的 DCT 变 换, 行 游 程 编 码,DPCM, 帧 间 预 测 编 码 及 霍 夫 曼 编 码 等 编 码 方 法, 因 技 术 上 的 成 熟, 已 被 有 关 国 际 组 织 定 为 压 缩 编 码 的 主 要 方 法 衡 量 一 个 压 缩 编 码 方 法 优 劣 的 重 要 指 标 是 : 74

75 数 字 电 视 技 术 压 缩 比 要 高, 有 几 倍 几 十 倍, 也 有 几 百 乃 至 几 千 倍 ; 压 缩 与 解 压 缩 要 快, 算 法 要 简 单, 硬 件 实 现 容 易 ; 解 压 缩 的 图 像 质 量 要 好 最 后 要 说 明 的 是 选 用 编 码 方 法 时 一 定 要 考 虑 图 像 信 源 本 身 的 统 计 特 征 ; 多 媒 体 系 统 ( 硬 件 和 软 件 产 品 ) 的 适 应 能 力 ; 应 用 环 境 以 及 技 术 标 准 压 缩 编 码 方 法 简 介 压 缩 编 码 的 方 法 有 几 十 种 之 多, 并 在 编 码 过 程 中 涉 及 较 深 的 数 学 理 论 基 础 问 题, 在 此 仅 介 绍 几 种 常 用 的 压 缩 编 码 方 法, 主 要 是 从 物 理 意 义 上 作 一 定 的 解 释 1. 莫 尔 斯 码 与 信 源 编 码 莫 尔 斯 码 即 电 报 码, 其 精 华 之 处 在 于 用 短 码 来 表 示 常 出 现 的 英 文 字 母, 用 长 码 来 表 示 不 常 出 现 的 字 母, 以 减 小 码 率 这 种 方 法 非 常 有 效, 故 延 用 至 今 电 视 信 号 经 过 变 换 后, 例 如 经 差 值 脉 冲 编 码 后, 发 现 前 后 像 素 幅 度 差 值 小 的 概 率 大, 而 差 值 大 的 概 率 小, 因 此 可 用 短 码 表 示 概 率 大 的 信 号, 而 用 长 码 来 代 表 概 率 小 的 信 号, 从 而 达 到 压 缩 码 率 的 目 的 2. 霍 夫 曼 编 码 霍 夫 曼 编 码 是 可 变 字 长 编 码 (VLC) 的 一 种 Huffman 于 1952 年 提 出 一 种 编 码 方 法, 该 方 法 完 全 依 据 字 符 出 现 概 率 来 构 造 异 字 头 的 平 均 长 度 最 短 的 码 字, 有 时 称 之 为 最 佳 编 码, 一 般 就 叫 作 Huffman 编 码 下 面 引 证 一 个 定 理, 该 定 理 保 证 了 按 字 符 出 现 概 率 分 配 码 长, 可 使 平 均 码 长 最 短 定 理 : 在 变 字 长 编 码 中, 如 果 码 字 长 度 严 格 按 照 对 应 符 号 出 现 的 概 率 大 小 逆 序 排 列, 则 平 均 码 字 长 度 一 定 小 于 按 任 何 其 它 符 号 顺 序 排 列 方 式 得 到 的 平 均 码 长 编 码 步 骤 如 下 : (1) 把 信 源 符 号 ( 共 N 个 ) 按 出 现 概 率 的 值 由 大 到 小 顺 序 排 列 ; (2) 将 出 现 概 率 最 小 的 两 个 符 号 的 概 率 相 加, 合 成 一 个 概 率 ; 将 这 个 概 率 与 其 它 符 号 一 起 重 新 按 概 率 大 小 顺 序 排 列 ; (3) 重 复 第 2 步 做 法, 直 到 概 率 为 1; (4) 用 线 将 符 号 连 接 起 来, 逐 步 从 后 向 前 进 行 编 码, 每 个 节 点 有 两 个 分 支, 对 概 率 大 的 赋 0, 概 率 小 的 赋 1,( 也 可 以 对 概 率 大 的 赋 1, 概 率 小 的 赋 0), 经 过 几 个 节 点 后 到 达 端 点 ; (7) 将 一 路 遇 到 的 0 或 1 按 顺 序 排 列 起 来, 就 是 这 个 端 点 所 对 应 的 信 源 符 号 的 码 字 一 个 Huffman 编 码 例 子 如 下 图 所 示 : 75

76 数 字 电 视 技 术 图 3-9 Huffman 编 码 举 例 表 3-3 N 平 均 码 长 N 为 : 8 P( i) n i 1 i 2.73bit / 码 字 H ( X ) p( xi ).log 2 信 息 熵 H 为 : i 1 8 p( x ) 2.61bit i / 码 字, 式 中 xi(i=1,2 N) 是 信 息 源 X 的 符 号 集,p(xi) 为 xi 出 现 的 概 率 可 见,Huffman 编 码 后 的 冗 余 仅 为 : =0.12bit/ 码 字 二 者 已 经 非 常 接 近 离 散 余 弦 变 换 离 散 余 弦 变 换 (Discrete cosine Transform) 简 称 DCT 任 何 连 续 的 实 对 称 函 数 的 傅 里 叶

77 数 字 电 视 技 术 变 换 中 只 含 余 弦 项, 因 此 余 弦 变 换 与 傅 里 叶 变 换 一 样 有 明 确 的 物 理 量 意 义 DCT 是 先 将 整 体 图 像 分 成 N N 像 素 块, 然 后 对 N N 像 素 块 逐 一 进 行 DCT 变 换 由 于 大 多 数 图 像 的 高 频 分 量 较 小, 相 应 于 图 像 高 频 成 分 的 系 数 经 常 为 零, 加 上 人 眼 对 高 频 成 分 的 失 真 不 太 敏 感, 所 以 可 用 更 粗 的 量 化, 因 此 传 送 变 换 系 数 所 用 的 数 码 率 要 大 大 小 于 传 送 图 像 像 素 所 用 的 数 码 率 到 达 接 收 端 后 再 通 过 反 离 散 余 弦 变 换 回 到 样 值, 虽 然 会 有 一 定 的 失 真, 但 人 眼 是 可 以 接 受 的 二 维 DCT 变 换 示 意 图 如 下 图 所 示 : 图 3-10 二 维 DCT 变 换 示 意 图 N 代 表 像 素 数, 一 般 N=8,8 8 的 二 维 数 据 块 经 DCT 后 变 成 8 8 个 变 换 系 数, 这 些 系 数 都 有 明 确 的 物 理 意 义 :U 代 表 水 平 像 素 号,V 代 表 垂 直 像 素 号 如 当 U=0,V=0 时,F(0,0) 是 原 64 个 样 值 的 平 均, 相 当 于 直 流 分 量, 随 着 U V 值 增 加, 相 应 系 数 分 别 代 表 逐 步 增 加 的 水 平 空 间 频 率 分 量 和 垂 直 空 间 频 率 分 量 的 大 小 一 个 8 8 图 像 块 f(x,y) 的 DCT 变 换 系 数 F(u, v) 如 下 图 3-11 所 示 由 图 可 见,F(u,v) 的 能 量 主 要 集 中 在 低 频 部 分 区 域, 随 着 u,v 增 加 能 量 逐 渐 减 小 左 上 角 F(0,0) 对 应 于 该 象 块 的 平 均 亮 度 值, 称 为 直 流 系 数, 其 余 的 63 个 系 数 称 为 交 流 系 数 77

78 数 字 电 视 技 术 图 3-11 DCT 变 换 举 例 严 格 说 DCT 本 身 并 不 能 进 行 码 率 压 缩, 因 为 64 个 样 值 仍 然 得 到 64 个 系 数 只 是 在 经 过 量 化 后, 特 别 是 按 人 眼 的 生 理 特 征 对 低 频 分 量 和 高 频 分 量 设 置 不 同 的 量 化, 会 使 大 多 数 高 频 分 量 的 系 数 变 为 零 一 般 说 来, 人 眼 对 低 频 分 量 比 较 敏 感, 而 对 高 频 分 量 不 太 敏 感 可 以 对 变 换 系 数 矩 阵 中 的 不 同 变 换 系 数 分 别 乘 以 不 同 视 觉 加 权 系 数, 这 一 加 权 系 数 应 随 空 间 频 率 的 增 加 而 逐 渐 减 小 这 相 当 于 对 不 同 的 变 换 系 数 分 别 采 用 粗 细 不 同 的 量 化 步 长 同 时 根 据 人 眼 对 亮 度 信 号 比 对 色 差 信 号 更 敏 感 的 视 觉 特 性, 色 度 信 号 的 量 化 步 长 应 大 于 亮 度 信 号 的 量 化 步 长 JPEG 推 荐 了 亮 度 信 号 和 色 度 信 号 两 种 量 化 表 3-4 如 表 所 示 表 3-4 亮 度 信 号 与 色 度 信 号 量 化 表 在 量 化 表 Q(u,v) 中, 对 应 空 间 频 率 的 低 频 部 分 的 左 上 角 的 量 化 步 长 要 比 右 下 角 的 量 化 步 长 小 色 度 信 号 的 量 化 步 长 也 大 于 亮 度 信 号 的 量 化 步 长 78

79 数 字 电 视 技 术 4. 游 程 长 度 编 码 读 出 数 据 和 表 示 数 据 的 方 式 也 是 减 少 码 率 的 一 个 重 要 因 素 读 出 的 方 式 可 以 有 多 种 选 择, 如 水 平 逐 行 读 出 垂 直 逐 列 读 出 之 字 型 读 出 和 交 替 读 出 等, 其 中 之 字 型 读 出 (Zig-Zag) 是 最 常 用 的 一 种 由 于 经 DCT 变 换 以 后, 系 数 大 多 数 集 中 在 左 上 角, 即 低 频 分 量 区, 因 此 之 字 型 读 出 实 际 上 是 按 二 维 频 率 的 高 低 顺 序 读 出 系 数 的, 这 样 一 来 就 为 游 程 长 度 编 码 (Runleng th Encoding) 创 造 了 条 件 所 谓 游 程 长 度 编 码 是 指 一 个 码 可 同 时 表 示 码 的 值 和 前 面 几 个 零, 这 样 就 可 以 把 之 字 型 读 出 的 优 点 显 示 出 来 了 因 为 之 字 型 读 出 在 大 多 数 情 况 下 出 现 连 零 的 机 会 比 较 多, 尤 其 在 最 后, 如 果 都 是 零, 在 读 到 最 后 一 个 数 后 只 要 给 出 块 结 束 (EOB) 码, 就 可 以 结 束 输 出, 因 此 节 省 了 很 多 码 率 游 程 长 度 指 的 是 由 字 构 成 的 数 据 流 中 各 个 字 符 连 续 重 复 出 现 而 形 成 字 符 串 的 长 度 基 本 的 游 程 编 码 就 是 在 数 据 流 中 直 接 用 三 个 字 符 来 给 出 上 述 三 种 信 息, 其 数 据 结 构 如 下 图 所 示 数 据 流 Cc X Sc 图 3-11 数 据 流 示 意 图 Sc 表 示 有 一 个 字 符 串 在 此 位 置,X 代 表 构 成 串 的 字 符,CC 代 表 串 的 长 度 游 程 编 码 和 霍 夫 曼 编 码 等 属 于 统 计 编 码 5. 差 值 脉 冲 编 码 电 视 图 像 基 本 上 是 由 面 积 较 大 的 像 块 ( 如 蓝 天 大 地 服 装 等 ) 组 成 虽 然 每 个 像 块 的 幅 值 各 不 相 同, 但 像 块 内 各 样 值 的 幅 度 是 相 近 的 或 相 同 的, 幅 值 跃 变 部 分 相 应 于 像 块 的 轮 廓, 只 占 整 幅 图 像 的 很 小 一 部 分 帧 间 相 同 的 概 率 就 更 大 了, 静 止 图 像 相 邻 帧 间 的 相 应 位 置 的 像 素 完 全 一 样, 这 意 味 着 前 后 像 素 之 差 或 前 后 帧 间 相 应 位 置 像 素 之 差 为 零 或 差 值 小 的 概 率 大, 差 值 大 的 概 率 小 这 就 是 差 值 编 码 的 基 本 想 法, 其 原 理 框 图 见 下 图 (a) 所 示 发 端 将 当 前 样 值 和 前 一 样 值 相 减 所 得 差 值 经 量 化 后 进 行 传 输, 收 端 将 收 到 的 差 值 与 前 一 个 样 值 相 加 得 到 当 前 样 值 在 这 个 原 理 图 中, 输 出 的 当 前 样 值 是 输 出 的 前 一 样 值 加 上 收 到 的 差 值, 由 于 在 当 前 差 值 中 包 括 当 前 的 量 化 误 差, 而 输 出 的 前 一 样 值 又 包 括 前 一 样 值 的 量 化 误 差, 这 就 造 成 了 量 化 误 差 的 积 累 因 此 实 用 电 路 为 图 (b) 这 时 输 入 当 前 样 值 不 是 与 输 入 的 前 一 样 值 相 减, 而 是 与 输 出 的 前 一 样 值 相 减, 因 此 在 差 值 中 已 经 包 含 了 前 一 样 值 的 量 化 误 差 的 负 值, 在 与 输 出 的 前 一 个 样 值 相 加 时, 这 部 分 量 化 误 差 被 抵 消, 只 剩 下 当 前 的 量 化 误 差, 这 就 避 免 了 量 化 误 差 的 积 累 79

80 数 字 电 视 技 术 图 3-12 差 值 脉 冲 编 码 6. 预 测 编 码 预 测 编 码 利 用 像 素 的 相 关 性, 可 进 一 步 减 小 差 值 从 前 面 的 分 析 可 以 看 出, 如 果 差 值 编 码 中 小 幅 度 出 现 的 机 会 增 加, 由 于 其 对 应 的 码 长 较 短, 总 数 码 率 会 进 一 步 减 小 如 果 能 猜 出 下 一 个 样 值, 那 么 差 值 就 会 是 零, 当 然 这 种 情 况 是 没 有 意 义 的, 因 为 若 预 先 知 道 下 一 样 值, 就 不 需 要 进 行 通 信 了 但 可 以 肯 定, 如 果 我 们 不 仅 利 用 前 后 样 值 的 相 关 性, 同 时 也 利 用 其 它 行 其 它 帧 的 像 素 的 相 关 性, 用 更 接 近 当 前 样 值 的 预 测 值 与 当 前 样 值 相 减, 小 幅 度 差 值 就 会 增 加, 总 数 码 率 就 会 减 小, 这 就 是 预 测 编 码 的 方 法 预 测 编 码 的 电 路 与 差 值 编 码 类 似, 或 者 说 差 值 编 码 就 是 以 前 一 样 值 为 预 测 值 的 预 测 编 码, 又 称 为 一 维 预 测 如 果 用 到 以 前 行 的 像 素 或 以 前 帧 的 像 素, 则 称 为 二 维 或 三 维 预 测 只 用 到 帧 内 像 素 的 处 理 称 为 帧 编 码 (Intraframe Coding), 用 到 前 后 帧 像 素 的 处 理 称 为 帧 间 编 码 (Interframe Coding), 要 得 到 较 大 的 码 率 压 缩 就 必 须 使 用 帧 间 编 码, 帧 内 预 测 和 帧 间 预 测 相 邻 象 素 示 意 图 如 下 图 所 示 JPEG 是 典 型 的 帧 内 编 码 方 案, 而 MPEG 是 帧 间 编 码 方 法 前 者 大 多 用 于 静 止 图 像 处 理, 而 后 者 主 要 用 于 对 运 动 图 像 的 处 理 图 3-13 预 测 编 码 7. 运 动 估 值 和 运 动 补 偿 编 码 这 是 一 种 帧 间 编 码 的 方 法, 它 保 证 了 在 一 定 图 像 质 量 下 有 高 的 码 率 压 缩 比 其 原 理 是 利 用 帧 间 的 空 间 相 关 性, 减 小 空 间 冗 余 度 帧 间 编 码 为 什 么 可 以 减 小 冗 余 度, 这 是 因 为 两 帧 之 间 有 很 大 的 相 似 性 (1) 运 动 处 理 原 理 通 常, 电 视 节 目 中 只 要 画 面 镜 头 不 切 换, 前 后 帧 运 动 图 像 的 内 容 是 差 别 不 大 的, 许 多 情 80

81 数 字 电 视 技 术 况 下 仅 仅 很 少 一 部 分 在 运 动, 因 此, 只 需 知 道 画 面 中 哪 部 分 在 运 动, 其 运 动 方 向 和 位 移 量 怎 么 样, 把 就 可 以 从 前 一 帧 图 像 中 预 测 出 当 前 帧 图 像 又 由 于 运 动 预 测 会 有 误 差, 需 要 对 帧 间 预 测 差 信 号 进 行 压 缩 编 码 和 传 送, 因 此 我 们 只 需 要 传 送 运 动 矢 量 和 帧 间 预 测 差 信, 帧 间 差 集 中 在 零 附 近, 可 以 用 短 的 码 字 传 送, 从 而 可 以 大 幅 度 压 缩 码 率 用 下 图 来 说 明 这 个 过 程 : 图 3-14 运 动 处 理 原 理 图 由 图 可 见, 帧 间 编 码 的 首 要 任 务 是 进 行 运 动 估 值, 找 出 运 动 位 移 矢 量 当 前 帧 在 过 去 帧 的 窗 口 中 寻 找 匹 配 部 分, 从 中 找 到 运 动 矢 量 ; 根 据 运 动 矢 量, 将 过 去 帧 位 移, 求 得 对 当 前 帧 的 估 计 ; 将 这 个 估 计 和 当 前 帧 相 减, 求 得 估 计 的 误 差 值 ; 接 收 端 根 据 收 到 的 运 动 矢 量 将 过 去 帧 作 位 移 ( 也 就 是 对 当 前 帧 的 估 计 ), 再 加 上 接 收 到 的 误 差 值, 就 是 当 前 帧 了 (2) 运 动 估 值 运 动 物 体 的 帧 间 移 位 如 下 图 所 示, 它 示 出 前 后 帧 间 前 景 运 动 物 体 的 的 直 线 匀 速 运 动 问 题 的 关 键 是 怎 样 进 行 运 动 估 值 以 得 出 准 确 的 位 移 矢 量 在 运 动 估 值 的 方 法 中 最 常 用 的 一 种 方 法 是 块 匹 配 法 图 3-15 运 动 估 值 在 块 匹 配 法 中 是 把 图 像 分 成 若 干 子 块, 设 子 块 图 像 是 由 M N 个 象 素 组 成 的 象 块, 并 假 设 一 个 象 块 内 的 所 有 象 素 作 一 致 的 平 移 运 动 对 当 前 帧 中 的 每 一 个 象 块 MB, 在 前 一 帧 中 以 与 其 对 应 的 位 置 (m,n) 为 中 心, 上 下 左 右 四 个 方 向 搜 寻 找 与 其 最 佳 匹 配 的 象 块 MB', 宏 块 MB 81

82 数 字 电 视 技 术 和 MB' 在 水 平 和 垂 直 方 向 上 的 距 离 即 是 求 得 的 位 移 矢 量 块 匹 配 搜 索 如 下 图 所 示 图 3-15 运 动 估 值 在 MPEG-1 和 MPEG-2 中, 运 动 估 值 块 的 大 小 为 象 素, 称 之 为 宏 块 宏 块 大 小 的 确 定 是 综 合 考 虑 了 实 际 图 像 细 节 构 成 和 运 算 估 值 中 的 计 算 量 而 得 出 的 对 于 SDTV 的 亮 度 信 号 ( ) 来 说, 横 向 有 45 个 宏 块, 纵 向 有 36 个 宏 块, 全 帧 有 45 36=1620 个 亮 度 宏 块 Cb Cr 色 差 信 号 可 直 接 使 用 亮 度 信 号 帧 间 预 测 得 到 位 移 矢 量 搜 索 范 围 的 确 定 要 综 合 考 虑 帧 间 运 动 位 移 的 可 能 大 小 和 计 算 量 对 于 象 素 的 亮 度 宏 块, m可 取 16 个 象 素 距 离, 即 向 上 下 左 右 各 作 0~16 次 每 次 增 量 一 个 象 素 的 位 移, 每 移 位 一 次, 计 算 一 下 匹 配 情 况 直 至 寻 找 到 最 佳 匹 配 块, 从 而 得 到 运 动 矢 量 的 估 值, 称 之 为 全 局 搜 索 法 衡 量 匹 配 好 坏 的 准 则 可 以 是 均 方 误 差 最 小 准 则 为 了 减 少 搜 索 次 数, 提 出 了 多 种 快 速 搜 索 方 法, 这 些 搜 索 方 法 总 是 一 步 步 沿 着 判 决 函 数 值 减 小 的 方 向 进 行 分 级 搜 索 方 法 分 为 粗 搜 索 和 细 搜 索 首 先 对 图 像 进 行 亚 取 样 得 到 一 个 低 分 辨 率 的 图 像, 然 后 再 对 所 得 到 的 低 分 辨 率 图 像 进 行 全 搜 索, 由 于 分 辨 率 低, 使 搜 索 次 数 大 大 减 少, 称 为 粗 搜 索 然 后 以 粗 搜 索 的 结 果 作 为 细 搜 索 的 起 始 点, 再 在 较 小 的 范 围 内 进 行 细 搜 索, 因 此 总 的 搜 索 次 数 可 相 应 减 少 3.4 数 字 视 频 压 缩 标 准 详 述 从 九 十 年 代 开 始, 国 际 上 先 后 制 定 了 一 系 列 视 频 图 像 编 码 标 准 目 前 从 事 视 频 压 缩 标 准 制 定 的 国 际 标 准 组 织 主 要 有 国 际 电 信 联 盟 ITU-T 的 视 频 编 码 专 家 组 VCEG(Video Coding Expert Group) 和 国 际 标 准 化 组 织 ISO/IEC 的 运 动 图 像 专 家 组 MPEG(Motion Picture Expert Group) 两 个 标 准 化 组 织 根 据 不 同 的 应 用 需 求, 采 用 近 似 的 压 缩 编 码 技 术, 分 别 制 定 了 H.26X 和 MPEG-X 系 列 视 频 压 缩 标 准, 虽 然 它 们 的 应 用 领 域 不 同, 但 是 均 采 用 了 预 测 编 码 结 合 变 换 量 化 的 混 合 编 码 模 式 其 中 这 两 大 标 准 化 组 织 于 1992 年 联 合 提 出 的 MPEG-2/H.262 是 现 有 比 较 成 功 的 国 际 视 频 压 缩 标 准, 目 前 又 再 次 联 手 推 出 了 H.264/AVC, 即 MPEG-4 第 10 部 分 82

83 数 字 电 视 技 术 JPEG 编 码 标 准 JPEG(Joint Photo Graphic Experts Group) 是 联 合 图 像 专 家 组 的 英 文 缩 写 JPEG 主 要 是 针 对 静 止 图 像 的 压 缩 编 码 标 准, 但 是 在 电 视 图 像 序 列 的 帧 内 压 缩 中 也 常 采 用 JPEG, 是 一 个 适 用 范 围 广 泛 的 通 用 标 准 JPEG 包 含 两 种 基 本 压 缩 方 法, 各 有 不 同 的 工 作 模 式 包 括 以 DCT 为 基 础 的 有 损 压 缩 方 法 和 以 二 维 DPCM 为 基 础 的 无 损 压 缩 方 法 以 DCT 为 基 础 的 压 缩 方 法 压 缩 比 较 高, 得 到 广 泛 应 用 (1) 基 于 DCT 的 JPEG 算 法 框 图 图 3-15 基 于 DCT 的 JPEG 算 法 框 图 (2)JPEG 算 法 编 码 过 程 一 个 8 8 亮 度 图 像 块 进 行 JPEG 压 缩 编 解 码 过 程 如 表 3-5 所 示 表 3-5 JPEG 压 缩 编 解 码 83

84 数 字 电 视 技 术 分 块 : 把 原 始 图 像 分 成 8 8 像 块 f(x,y) 之 后 分 别 进 入 DCT 变 换 器 电 平 搬 移 DCT 变 换 : 由 于 平 均 电 平 较 高, 在 作 变 换 之 前 首 先 将 电 平 下 移 128 然 后 作 DCT 变 换 得 系 数 块 F(u,v) 在 DCT 系 数 块 中, 直 流 系 数 F(0,0) 最 大, 能 量 主 要 集 中 在 左 上 角 低 频 区, 高 频 系 数 较 小 量 化 : 对 系 数 F(u,v) 进 行 量 化,[F(u,v)]Q=[F(u,v)/Q(u,v)] 取 整 数,Q(u,v) 称 为 量 化 系 数 矩 阵 量 化 后 的 [F(u,v)]Q 高 频 系 数 已 经 大 部 分 为 零, 能 量 主 要 集 中 在 低 频 系 数 上 之 字 型 扫 描 读 出 : 由 于 右 下 角 高 频 区 的 大 部 分 系 数 为 0, 编 码 时 不 对 单 个 0 编 码, 而 只 对 0 的 游 程 ( 连 续 0 的 个 数 ) 编 码, 为 了 制 造 更 长 的 0 游 程, 对 变 换 系 数 矩 阵 采 用 之 字 型 扫 描 读 出 方 式 ( 如 下 图 所 示 ) 即 对 于 交 流 系 数 按 F(0,1)F(1,0)F(2,0)F(1,1)F(0,2), F (7,7) 顺 序 读 出, 这 样 排 在 后 面 的 大 多 是 一 串 0 系 数, 因 此 提 高 了 0 游 程 编 码 的 编 码 效 率 由 于 直 流 系 数 F(0,0) 较 大, 应 和 前 一 个 块 的 直 流 系 数 进 行 差 值 编 码 图 3-16 zig-zag 扫 描 读 取 方 法 变 字 长 熵 编 码 : 为 了 消 除 编 码 码 字 中 存 在 的 统 计 冗 余, 采 用 变 字 长 熵 编 码 分 别 对 非 0 系 数 和 0 系 数 游 程 这 两 个 事 件 合 并 成 一 个 二 维 联 合 事 件 ( 一 维 是 0 游 程 的 长 度, 另 一 维 是 紧 接 在 此 0 游 程 后 的 非 0 系 数 的 幅 值 ) 出 现 的 概 率 作 统 计, 设 计 Huffman 码 表 在 JPEG H.261 MPEG-1 MPEG-2 中 都 推 荐 了 这 种 码 表 经 过 这 几 个 步 骤 后, 压 缩 后 的 码 率 将 大 大 下 降 84

85 JPEG出了几个衡量压缩编码效果的等级准则 对于 bit/pixel 4 2 2色度格式 自然景色图像 压缩到0.25~0.5bit/pixel 压缩比1/64~1/32 图像仍可识别 满足某些应用 压缩到0.5~0.75bit/pixel 压缩比1/32~1/20 图像很好 满足许多应用 压缩到0.75~1.5bit/pixel 压缩比1/20~1/10 图像质量优秀 满足大多数应用 压缩到1.5~2bit/pixel 压缩比约1/10~1/8 图像压缩前后质量难于区别 能满足绝大多数 应用 JPEG 标准 即 ISO/IEC 标准 它是对静态图像制订的 但也可用于对连续运动图 像进行压缩 压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩 若压缩器/解压器速 度足够快 还可以实时处理视频信号 构成以 JPEG 为基础 的实时视频存储/回放系统 JPEG 标准压缩后的视频图像数据量大大减小 对同样的硬盘可以存储更长时间图像 因而在现代数字视频编辑 处理中大量运用了该种编码标准 在因特网上只允许用两种图像 格式 JPEG 就是其中之一 JPEG 标准提供了 4 种压缩算法 1 基线有损压压缩算法 该种算法在 DCT 离散弦变换的基础上建立的 其压缩运算过程是 以 8 8 像素块为单 位 对图像数据进行离散余弦变换 将数据转换到频率域 得到 64 个 DCT 矩阵 对 DCT 系统进行排序 量化 使数据得到第一次压缩 采用了可变长编码技术 对量化后的 DCT 系数进行编码 其特点是 对出现概率最的码字分配以较短的码长 对出现概率低的码字分 配以长的码长 这样编码后的数据将大大少于编码前的数据 从而达到数据压缩的目的 2 扩展有损压缩算法 3 无损压缩算法 4 分层压缩算法 JPEG 标准可以用于对不同像素结构 不同色度空间 不同扫描方式图像进行压缩 但 在不同应用领域对图像压缩的要求也不同 采用的量化表及可长编码技术也不同 为了便于 在不同系统间压缩数据文件的交换处理 JPEG 标准中定义了几种标记段及相应标记 如在 JPEG 基线系统中定义的一些标记为 图像开始标记 SOI 它主要用于表示 JPEG 数据文件的开始 是 JPEG 文件的第一个 标记 也是 JPEG 文件的第一个字 SOI 只有标记没有段体 帧开始段 SOFO 它主要由若干字节组成 用来定义每个色彩分量使用的量化表及 其块数 扫描开始段 SOS 它也主要由若干字节组成 用来定义每个色彩分量使用的可长编 码技术 图像结束标记 EOI 它紧随压缩数据最后一个字节 也是 JPEG 文件的最后一个字 用以表示 JPEG 数据文件的结束 应用定义段 APPn 在 JPEG 标准中允许一幅图像数据中最多有 16 个 APP 段 APP 在压缩时插入用于说明该 JPEG 文件的应用场合等 解压缩时该段直接由解码器读 出传递给使用者 85

86 3.4.2 说明段 COM COM 也是在压缩时期插入用于该 JPEG 文件进行注释 备忘等 解 压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者 量化表定义段 DOT 记录编码时用到的量化表 解码时传递给解码器使用 Huffman 表定义段 DHT 记录编码时用到该表 解码时传递给解码器使用 Huffman 编码 是一种可变长编码技术 H.261 标准 H.261是最早出现的视频编码标准 由ITU-T的前身CCITT针对可视电话 视频电视和窄 带ISDN等要求提出的一个编码标准 它的全称为 p 64Kbit/s视听业务的视频编解码器 其 中p=1到30的整数 当p小于6时 只能传输清晰度不太高的图像 可用于电视电话 当p大于 6时 可以传输清晰度很好的图像 适用于电视会议等 采用的算法结合了可减少时间冗余的 帧间预测和可减少空间冗余的二维DCT变换的混合编码方法 主要由运动估计/补偿 DCT变 换和Huffman编码等部分组成 它的压缩比大致是JPEG的三倍 由于它主要针对实时业务 因而希望编码器的延时尽可能小 所以只利用前一帧做参考帧进行前向预测 且编解码器的 复杂度基本对称 这种标准具有最小延迟实时对话的能力 H.263是为低码率视频压缩提供的新标准 主要支持小于64kbit/s的窄带电信信道视频编 码 但实际上其应用范围已经超出了低码率图像编码范围 它在许多应用中可以认为被用于 取代H.261 H.263的编码算法与之前的H.261一样 但做了一些改善和改变 以提高性能和纠 错能力 在技术上 它采用了半像素精度的运动估计 不受限运动矢量 高级预测模式 PB 帧等 性能要优于H.261 H.263+ H.263++扩充了H.263的编码可选项和其它的一些附加特 性 增强了抗误码的差错隐藏性能 将信道传输性能问题在信源编码中加以综合考虑 1 图像格式 H.261和H.263的图像格式如下表所示 表 3-6 H.261 和 H.263 的图像格式 其中 CIF Common Intermediate Format 为公用中间格式 QCIF Quarter CIF 为1/4 公用中间格式 SQCIF为扩展的公用中间格式 4CIF为4倍的公用中间格式 16CIF为16倍的 公用中间格式 16CIF是高清晰度电视的水平 所以它也适用于高速率图像编码 H.261标准 只对CIF和QCIF两种图像格式进行处理 H.263有五种图像格式 CIF和QCIF的基本帧频是30帧/秒 但是视频编码器并不一定要对每幅图象都编码 尤其 是在低比特率时 H.261允许在每两帧传送的图象之间有0到3帧图象不传 这是因为电视电话 的图象有较强的相关性 不传的图象可以由已传的前后帧图象插值出来 又称为插帧 2 H.261的编码器框图 86

87 数 字 电 视 技 术 H.261 编 码 器 的 框 图 如 下 所 示 : 图 3-17 H.261 的 编 码 器 框 图 其 简 化 的 编 码 原 理 框 图 如 下 图 所 示 : 帧 内 / 帧 间 模 式 选 择 输 入 - DCT 变 换 量 化 变 长 编 码 缓 存 输 出 预 测 环 路 图 3-18 H.261 压 缩 编 码 简 图 图 中,DCT 变 换 的 输 入 输 出 选 择 开 关 由 帧 内 / 帧 间 模 式 选 择 电 路 控 制 在 帧 内 模 式 时, 开 关 打 到 上 面, 输 入 信 号 经 DCT 变 换, 线 性 量 化 和 变 长 编 码 后 输 出, 图 像 只 进 行 帧 内 压 缩 在 帧 间 模 式 时, 开 关 打 到 下 面, 前 一 帧 图 像 信 号 经 过 预 测 环 路 中 的 运 动 补 偿 后 产 生 一 个 后 帧 的 预 测 信 号 后 帧 的 实 际 输 入 信 号 与 其 预 测 值 相 减 后, 在 进 行 一 个 帧 内 压 缩 编 码 的 过 程 后 输 出 变 长 编 码 器 产 生 的 控 制 信 号 送 量 化 器 以 控 制 其 量 化 步 长 当 变 长 编 码 器 的 输 入 中 连 续 出 现 许 多 大 数 值 的 数 据, 导 致 集 中 出 现 长 的 码 组, 使 缓 存 器 接 近 溢 出 时, 控 制 信 号 使 量 化 器 的 量 化 87

88 步长加大 以降低大数值数据的出现 反之 也可控制量化器以减小其量化步长 在预测环 路中由于存在用于恢复前帧信号的反量化器 量化步长控制信号也要送到预测环中的反量化 器中 H.261编码器有一个和解码器一样的过程 解出的图像放在运动补偿预测器 存储器 中 形成过去帧 它的输出和当前帧一起加到 运动估计 求得的运动矢量一方面经VLC送到复 用器中去 另一方面加到运动补偿预测器中 使之产生估计帧 对当前帧 它和当前帧相 减即求得差值 这个差值经DCT和Q VLC也送到复用器中去 运动补偿单元使帧间差最小 从而减少所需传输码率 搜索窗的大小在水平和垂直方向 上都是±15个采样值 通常只对亮度信号作运动估计 但运动补偿不仅作用于亮度 也作用 于色度 亮度象素位移的一半 H.261的一幅图像是由块 Block 组成宏块 Macroblock 宏块组成图像组 GOB 图像组组成图像 H.263标准在低码率下能够提供比H.261更好的图像效果 两者的区别有 H.263的运动补偿使用半象素精度 而H.261则用全象素精度和循环滤波 数据流层次结构的某些部分在H.263中是可选的 使得编解码可以配置成更低的数据 率或更好的纠错能力 H.263包含四个可协商的选项以改善性能 H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码 采用事先预测和与MPEG中的P-B帧一样的帧预测方法 H.263支持5种分辨率 即除了支持H.261中所支持的QCIF和CIF外 还支持SQCIF 4CIF和16CIF SQCIF相当于QCIF一半的分辨率 而4CIF和16CIF分别为CIF的4倍和 16倍 MPEG-1 标准 MPEG 是 Moving,Picture Expert Group 的缩写词 意为活动图像专家组 他隶属于国际标 准化组织 ISO 和国际电工协会 IEC 名下 由该组织规定的视频编码标准就被称为 MPEG 标准 MPEG 标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术 它的主要特点是利用了 DCT 算法减少图像空间 二维症面 的信息冗余度 利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间 方向上的冗余度 以达到大幅度压缩图像信息的目的 目前已有 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 等几种标准 它们都是在不断发展中形成的 MPEG-1 标准是由活动图像专家组于 1990 年正式公布 其图像传输速率规定为 1.5Mbps 音频信号速率为 Mbps 基本分辨率为 主要用于 VCD MPEG-1 没有采 用国际广播协会确定的 CCIR601 分辨图像的指标 NTSC 为 PAL 为 而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案 使用较低数据率的 1/4 分辨图像的标准 NTSC 制为 PAL 为 水平和垂直清晰度均降低一半 并作 VCD 视盘机的图像 信号标准 MPEG-1 由两个主要部分组成 88

89 1. MPEG 系统 该系统规范说明如何净符合 MPEG 标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信 息结合 形成单一的复合流 以便于数据的存储或传输 在 MPEG-1 的数据流中又分成系统 层和压缩层 系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音 视频流 以及重播时同步音 视频的信息 压缩层主要含有被压缩的音 视频数据 2. MPEG 视 频 该视频部分提供了一种统一的编码格式 用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压 缩的视频信息 主要用于对连续传输速率为 Mbps 的数字视频序列均含有序列头标 一至多个图像组以及序列结束码 而视频序列的基本编码单元是图 为偶数 而 B-Y 矩阵和 R-Y 色差矩阵 R-Y 色差矩阵 Y 矩阵的行和列均为偶数 而 B-Y 矩阵和 R-Y 矩阵无论是在 水平方向或是垂直方向均为 Y 矩阵的一半的尺度 为了保证画面质量 获取高的压缩比 采 用了失真算法 使用帧内编码 减少空间相关 和帧间编码 减少时间相关 相结合的办法 帧内编码图像 即为 I 图像 它在编码时不对其他图像进行参照 它提供编码序列的直接存 取 访问 点 并从这一点开始解码 预测编码图像 P 图像 使用运动估计与补偿预测进 行有效编码 预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像 并且 P 图像一般又用作进一 步预测的参考 双向预测编码图像 B 图像 提供最高的压缩比 但是它需要过去参考图像 和将来参图像进行运动补偿 而双向预测编码图像从不用作预测时的参考 在 MPEG-1 中 每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片 通常是垂直方向分片 NTSC 制把每帧图像切成 15 片 而 PAL 制把每帧图像切成 18 片 切片同样由一个头标和若 干宏块组成 每片分成 22 个宏块 它的排列从左到右 从顶到底 每一个宏块的亮度部分含 有 16 行 每行有 16 个像素 这样使用 大小的宏块作为运动补偿的单位 同时还把每 一个宏块再分成 4 份 谓之像块 这样一个宏块含有 4 个亮度 Y 的像块和两个色差像块 每 一个像块均为 8 8=64 个像素 由此可以算出在 PAL 制画面中 像素数为 = 个像素 在 NTSC 制画面中像素数为 = 个像素 1 MPEG-1/2标准的层次性结构 MPEG Moving Picture Expert Group 意思是 运动图像专家组 这个专家组的任务是 为了对数字存储媒质 电视广播 通信等方面的运动图像和伴音给出一种通用的编码方法 针对不同的应用目的MPEG专家组制定了MPEG系列标准 为更好地表示编码数据 符合这 种编码方法的MPEG运用句法规定了一个层次性的结构 共分六层 这六层是图像序列 Video Sequence 图像组 Group of Picture 图像 Picture 宏块条 Slice 宏块 Macroblock 块 Block 视频序列 Video Sequence 一个视频序列 也称图象序列 由一系列图象组 GOP 组成 图象组 Group of Pictures 图象组是由连续的几个图象组成 这些图象被分为I P B三种编码图象幀 GOP是编码后视频码流进行编辑的随机存取视频单元 进入点应在I帧的 起始端 图象 Pictures 图象是一个独立的显示单元 也是图象编码的基本单元 分为I P B三种编码图象 像条 Slice 像条 宏块条 由一系列连续的宏块组成 像条的宏块应处在同一水平 89

90 数 字 电 视 技 术 宏 块 行 内 象 条 是 发 生 误 码 后 且 不 可 纠 正 时, 数 据 重 新 获 得 同 步 从 而 能 正 常 解 码 的 基 本 单 元 对 于 象 素 的 画 面 来 说, 一 帧 图 象 里 有 36 个 宏 块 排 (16 36=576), 宏 块 排 内 可 以 各 自 有 不 同 的 像 条 划 分 方 法 一 个 宏 块 排 内 像 条 数 最 少 为 1 个, 如 果 每 个 宏 块 排 内 像 条 数 多, 则 有 利 于 误 码 后 的 重 新 正 确 解 码, 但 确 增 加 了 码 流 中 附 加 的 信 息, 从 而 降 低 编 码 效 率 变 宏 块 (Macroblock): 一 个 宏 块 由 一 个 象 素 的 亮 度 阵 列 和 相 应 区 域 内 的 Cb Cr 色 差 信 号 阵 列 共 同 组 成, 它 是 运 动 预 测 的 基 本 单 元, 以 宏 块 为 单 位 得 到 一 个 个 宏 块 最 佳 匹 配 的 运 动 矢 量 但 运 动 预 测 只 对 亮 度 阵 列 进 行, 色 差 阵 列 的 帧 间 编 码 使 用 亮 度 阵 列 中 得 到 的 运 动 矢 量 在 MPEG-1 中 图 象 的 色 度 格 式 是 4:2:0, 而 在 MPEG-2 中 图 象 的 色 度 格 式 还 包 括 4:2:2 和 4:4:4 格 式 宏 块 的 结 构 如 图 所 示 图 3-19 宏 块 的 结 构 图 块 (Block): 一 幅 图 象 以 亮 度 数 据 阵 列 为 基 准 被 分 成 为 若 干 个 8 8 象 素 的 阵 列, 简 称 为 块 它 是 DCT 变 换 编 码 的 基 本 单 元 MPEG-1 和 MPEG-2 的 视 频 结 构 如 下 图 所 示 : 90

91 图3-19 MPEG-1和MPEG-2的视频结构 一个图像包含亮度阵列和色度阵列 在MPEG-1中亮度和色度的格式是4 2 0 而在 MPEG-2中 除这一格式外 还允许有4 2 2及4 4 4 所谓4 2 0是指在垂直方向每隔 一行去除一行色度信号 2 MPEG-1/2中三种类型图像 MPEG在利用块匹配运动补偿来减小时间冗余度时 不仅用上一帧的图像预测当前图像 而且也使用下一帧图像预测当前图像 即双向预测 这是和H.261标准有重要区别的地方 因 此 MPEG-1和2中有三种类型图像 即I B P三种 如下图所示 图3-20 MPEG-1和MPEG-2的三种类型图象 I图像或称Intra图像 I帧是只使用本帧内的数据进行编码的图象 不参照其它帧 即只 对本帧内的图象象块进行DCT变换 量化和熵编码等压缩处理 是完整的独立编码帧 必须 存储或传输 了保证图象有高的质量 I帧图象的压缩比一般不高 约在 2 5 :1的范围内 在一个图象组 GOP 中的第一个编码帧应为I帧 P图像或称Predicted图像 前向预测编码图象简称 P帧 P帧是根据前面最靠近的I帧或P 帧作为参考帧进行前向预测编码的图象 由于P帧使用了运动补偿压缩方法 压缩比高于I帧 可达到 的范围 P帧可以作为B帧和后面的P帧的参考帧 B图像或称双向预测图像 B帧是根据一个过去的参考帧和一个将来的参考帧进行双向预 测的编码图象 其参考帧可以是一个I帧和P帧 或是前后两个P帧 由于B帧是在两个参考帧 91

92 基础上双向预测得出的 它的预测精度能做到很高 其压缩比较大 可达到 :1范 围 如下图所示 3 图象组 GOP group of pictures 图3-20 图象组 图中的一个GOP中有12帧 其中包含1个I帧 3个P帧和8个B帧 称为一个图象组 MPEG-2 编码规范中 对于GOP的长度 GOP内部有几个P帧 一对I P或P P之间有几个B帧以及一 个GOP结束于B帧还是P帧都没有作规定 这些均由设计者根据需要确定 4 MPEG-1视频压缩编码标准 ISO 1991 MPEG专家组于1992年制定了MPEG-1标准 标准的文件编号为ISO/IEC11172 主要包括 三个部分 第一部分系统 第二部分视频 第三部分音频 MPEG-1视频是面向位速率大约 1.5Mbps的视频信号的压缩 MPEG-1音频是面向每通道速率为64Kbps 128Kbps 192Kbps 的数字音频的压缩 MPEG-1系统是解决将数字视频 数字音频和辅助数据等多路压缩数据 流进行复用和同步的问题 用于家用VCD的视频压缩的MPEG-1所支持的输入图像格式有两种 和 其基本算法对于压缩水平方向360个象素 竖直方向288个象素的空间分辨力 每秒24至30幅画面的运动图像有很好的效果 其主要功能如下 视频压缩编码 可用于视频传输和视频存储 编码前必须将图像转换为逐行扫描图像 在优化模式下采用标准交换格式 SIF 录像机的正放 图像冻结 快进 快退和慢放功能以及随机存储功能 MPEG-1标准采用了运动估计/运动补偿 变换编码等技术 并规定了编码位流的表示语 法和具体解码方法 它的图像预测类型可以分成四种情况 帧内预测 前向帧间预测 双向 帧间预测和直接预测 因为它针对的是数字存储的应用 它的编解码器是非对称的 其编码 端的复杂度通常远远要高于解码端 MPEG-1中视频编码的关键压缩技术和H.261一样 仍是DCT 运动补偿和Huffman编码 编码器和解码器的原理框图也和H.261没有区别 MPEG-1的信源输入格式是SIF Source Input 92

93 Format CCIR601格式的信源要转换成SIF后进入MPEG-1编码器 解码器输出也是SIF格式 显示时要经内插 扩充为CCIR601格式 PAL/NTSC都作如此处理 SIF 625/525 格式如下 表所示 表3-6 SIF 625/525 格式 信号分量 行数/帧 像素数/行 亮度 Y 240/ 色度 Cb 120/ 色度 Cr 120/ 下图所示为MPEG-1视频编码器 图中和H.261不同的部分是有二组运动补偿和存储器 并有相应的转换开关 这是因为MPEG-1有B图像要处理 开关有4种状态 0 是针对帧内编 码 2 或 3 是用上一帧图像 经S2的虚线a/c 或用下一帧图像 经S2的实线d/b 4 是 用了上一帧和下一帧两幅图像 经S2的实线b和实线c 这时候要相应产生2个运动矢量 图 MPEG-1视频编码器 MPEG-2/H.262 标准 MPEG-2 建议 草案 由活动图像专家组于 1993 年 11 月提出 主要用于数字电视广播 数字 CATV 的机顶盒 STB 及 DVD 播放机 在这个标准中 图像传输速率为 5-10Mbps 音 频信号速率为 Mbps 基本分辨率为

94 MPEG-2 标准的核心部分与 MPEG-1 基本相同 但功能上比 MPEG-1 有了很大的扩充 它不仅支持普通的 CIF CCIR601 等分辨格式 而且还可以支持清晰度分辨率 不仅支持面 向存储媒介的应用 还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输 如卫星广播 数字地面广播 DVD 等等 不仅支持恒定比特率传输模式 CBR 还可支持变化比特率传输 模式 VBR MPEG-2 另一个重要特点是其比特流的可分级性 这意味着编码器可以忽略比特 流中的增强部分 只解码全部比特流中的基本部分 仍可得到有用的图像序列 只不过这时 所得到的图像分辨率低一些 或者帧速率低一些 或者质量低一些 在 MPEG-2 中 视频比特率的范围约在 2-80Mbps;视频格式有多种 同时还规定了不同 的档次和等级 在所规定的档次中有两个 主要档次 称为 MP 是 Main Profile 的缩写词 专业档次 称为 PP 是 Professional Profile 的缩写词 其亮色比例采用 格 式 在所规定的等级中有 3 个 高等级 称为HL 是 High Level 的缩写词 指图像尺寸不大于1920 115 2 主要等级 称为 ML 是 Main Level 的缩写 指图像尺寸不大于 低等级 称为 LL 是 Low Level 的缩写 指图像尺寸不大于 最常用的主要档次 MP /主要等级 ML 可以简写为 MP@ML 其中@为英文 at 在 NPEG-2 标准中 重建图像显示清晰度的提高 往往需要以视频比特率为代价 例如 超级 VCD 480 像素 576 行/25 帧 视频比特率为 1.89Mbps 压缩比为 44 1 重 建图像显示的清晰度为 350 线 高密度数字激光视盘 DVD 720 像素 576 行 25 帧 视频比特率为 Mbps, 压缩比为 重建图像显示的清晰度为 线 数字 SDTV 标准清晰度电视 720 像素 576 行/25 帧 视频比特率为 Mbps 压缩比为 重建图像显示的清晰度为 400 线 数字 HDTV 高清晰度电视 行/30 帧 视频比特率为 18.8Mbps 压 缩比为 40:1 重建图像显示的清晰度为 1000 线 在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码 而且压缩编码的算法确定时 如何恰当地 选取视频比特率数值 是数字化电视业务的一个关键 1. MPEG-2 标 准概 述 MPEG-2 Generic Coding of Moving Picture Associated Audio Information活动图像及有关 声音信息的通用编码 是由MPEG开发的第二个标准 按计划于1994年11月正式确定为国际 标准 研究制定MPEG-2标准是为了使应用于数字存储媒体 电视广播 通信等方面的运动图 像和伴音有一种通用的编码方法 使用这个标准意味着运动图像可以作为一种计算机数据来 处理 并且能够存储在各种各样的存储器中 也可以在现有的或未来的网络中传送和接收 还可以在现在的或将来的广播信道中广播 作为一个目前在DVD存储和数字电视广播方面得 到了广泛应用的国际标准 它的成功之处在于提出了通用的压缩编码方法 它按照不同的压 缩比分成5个档次 Profiles 并按视频清晰度分别分成四个级别 Levels 共有20种组合 94

95 其中最常用的有11种 分别用于标准数字电视 高清晰度电视等 码率从3Mbit/s 100Mbit/s MPEG-2在多方面提高了编码参数的灵活性以及编码性能 它综合采用了运动补偿的帧 间预测 空间域离散余弦变换 自适应量化和可变长编码的混合编码 同时 开始使用半像 素精度的运动矢量搜索 引入了 帧 和 场 的编码方法 根据帧的行间相关系数和场的行间 相关系数 判定采用帧分割还是场分割进行编码 为了适应信道的变化和扩大应用范围 MPEG-2采用三种分级编码 空间域分级 时间域分级和信噪比分级 2. MPEG-2 标 准的组 成部分 MPEG-2标准分为多个部分 即系统 视频 音频 符合测试 软件模拟 DSM-CC扩展 的完全软件实现 系统解码的实时接口扩展 其中H.262就是它的视频编码部分 第一部分是系统 System 部分 ISO/IEC IS 系统部分解决多个视频 音频 和数据基本码流的复用和同步问题 分别从MPEG-2编码器中输出的视频 音频和数据基本 码流无法直接送信道传输 需要经过打包和复用 形成适合传输的单一的MPEG-2传输码流 在第二部分是视频 Video 部分 ISO/IEC IS 主要涉及各种比特率的数字 视频编码 第三部分音频 Audio 部分 ISO/IEC IS 扩充了MPEG-1的音频标准 与MPEG-l 音频标准反向兼容 并支持多通道音频编码 达到了5.1声道之多 第六部分是规定数字存贮媒体指令和控制 Digital Storage Media command and control DSM-CC 协议 用以支持单独的或网络环境下的DSM-CC模式 将码流从服务器传送给用 户 己于1996年6月通过 第七部分规定不与MPEG-1音频反向兼容的多通道音频编码 这一标准己在1997年4月通 过 第八部分原计划用于10比特视频抽样的编码 但因有兴趣的厂家不多 己停止 第九部分规定了传送码流的实时接口 Real Time Interface RTl 于l996年6月通过为 国际标准 第十部分将是DSM-CC的符合测试标准 3. MPEG-2 的 类 和 级 由于想使这个标准适用于各种不同的应用 而各种应用在码率 分辨力 图像质量和服 务方面要求又各不相同 所以希望这个标准要有通用性 在这个标准产生的过程中 考虑了 各种应用的不同要求 开发了必要的算法 并且把它们集中成为一种单一的句法 正因为如 此 这个标准使得各种不同应用的码流之间可以灵活地相互改变 既要使句法有通用性 又 不能要求具体的解码器全面满足整个句法的需要 那样具体的解码器就太复杂了 为了解决 通用性和特殊性的矛盾 设想将整个 ISO/IEC 的句法分成子集 这样分的子集就称为 Profile 我们称之为 类 MPEG-2 视频标准的技术规范集由 5 类 profile 4 级 level 组成 并采用分级编码 MPEG-2 不同的压缩和处理方法 称为类 Profiles 每一类都包括压缩和使用方法的一个集 合 不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具 MPEG-2 共分 5 类 简单类 SP Simple Profile 简单型采用 I 帧和 P 帧两种编码帧 主类 MP Main Profile 和主类的扩展类 P Profile 主类采用了 I 帧 P 帧和 B 95

96 帧三种编码帧 增加了了双向预测方法 Bi-directional prediction 在相同比特率的 情况下 将给出比简单型更好的图象质量 可实现效率较高的压缩 具有后向兼容 性 即 MP 解码器也能解用 SP 方法编码的图象 信噪比可分级类 SNRP SNR Scaleable Profile SNRP 将视频数据分成基本层和上 层 基本层表示编码图象的基本数据但图象质量较低 增强层可用来改进提高图象 的信噪比 SNRP 可分级的目的是提供传输两层业务的机制 低层和增强层两个比 特流结合将给出较高的图象质量 空间可分级类 SPP Spatially Scaleable Profile SSP 允许多分辨率编码技术 适合 于视频业务相互操作的应用 高级类 HP High Profile HP 对亮度取样率 最大比特率和 VBV 缓存容量都有不 同约束 这个 类 规定的子集还觉得太大 有必要再分得细一些 例如图像的尺寸有小有大的 因此 在 Profile 中又规定了 level 称为级 所谓级是指 MPEG-2 的输入格式 包括从有限 清晰度质量图像到 HDTV 质量图像 每一种输入格式编码后都有一个相应的范围 MPEG-2 共分为低级 LL Low Level 主级 ML Main Level 1440 高级 H14L High 1440 Level 高级和 HL High Level 4 级 级 和 类 的若干组合构成MPEG-2视频编码标准的某种特定应用 对某一输入格式的图 像 采用特定集合的压缩编码工具 产生规定速率范围内的编码码流 MPEG-2标准特别适 用于广播级数字电视的编码和传送 现有数字电视广播系统就利用了MPEG-2的这种可分级 性 使数字信号能同时覆盖接收条件好的和接收条件差的地区 MPEG-2格式经常用级和类 的缩写表示 如 MP ML是指主类和主级 目前用于普通数字电视 卫星 电缆 广播的 DVB标准就是用这一格式 而HDTV采用的是MP@HL主类和高级 用于演播室编辑用的4 2 2MP@ML于1996年1月通过 合并于视频标准中 目前还在开发的还有多重观看点类 Multiview Profile MVP 允许使用现有MPEG-2视频编码工具将两个相差小角度的摄像 机摄取的同一场景进行有效的编码 但 是 并 不 是 所 有 的 级 和 类 的 组 合 都 有 用 只 有 11 种 是 有 可 能 有 实 际 应 用 的 ISO/IEC 即MPEG-2视频 规定了5个类和4个级如下表所示 96

97 表 MPEG-2的 类 和 级 MPEG-2 编 码 器原理 MPEG-2编码器原理框图如下所示 97

98 图3-22 MPEG-2视频编原理框图 当P帧的宏块进入编码器时 前面的I帧已经存储在I帧存储器中作为参考帧 运动估计器 ME Motion Estimation 在I帧中搜索与P帧输入宏块最佳的匹配宏块 在I帧搜索到的最匹配 宏块相对于P帧宏块的位置就是运动矢量MV Motion Vector 运动矢量分为两路输出 一路送到熵编码器中进行编码 另一路送入运动检测器MC Motion Compensation 中 同时I帧图象也输入到MC中 根据运动矢量坐标以及P帧宏块的 位置找到I帧中的匹配宏块 该宏块由运动检测器输出向上分为两路 一路进入减法器与P帧 宏块相减得预测误差 当B帧的宏块进入编码器时 参考帧I P帧或P P帧已经储存在I帧和P帧存储器内作为 参考帧 运动估计器 进行双向运动预测 找到两个运动矢量后 分两路输出 一路送到熵 编码器 另一路送到运动补偿预测器 同时I帧和P帧也一起输到此预测器 由B帧宏块位置 和两个运动矢量MV1 MV2 可以分别找到I帧的匹配宏块和P帧的匹配宏块 将它们按比例 相加后 由预测器输出 作为帧间预测值 然后进入减法器与B帧宏块相减得预测误差 预 测误差经过DCT和量化器后 直接进入熵编码器 由于B帧不作为基准帧 所以不必进入存 储器 由于在编码B帧时 需要用将来的一个帧作为参考帧 因此需要把按显示顺序送进来的 图象序列重新排列后再进入编码器 这称为帧重排 图象序列的显示顺序和帧重排后图象序 列的编码顺序如下图所示 98

99 图3-23 图 双向预测示意图 侦重排后图象序列的编码顺序 MPEG-2 中的分级 编 码 MPEG-2分级包括 空间分级 SNR分级 时间分级等 空间可分级 空间可分级增强层使用的预测是依据较低层样点数据进行的 不使用运动 矢量 各层可以有不同的帧尺寸 帧频或色度格式 空间分级视频解码过程框图如图所示 99

100 图3-25 空间分级视频解码框图 1 SNR可分级 SNR分级的目的主要是提供传输两层业务的应用 这两层提供相同的 图象分辨率但有不同的质量等级 将一个序列编码成低层和增强层两个比特流 低层比特流 可 以 独 立 于 增 强 层 比 特 流 进 行 解 码 例 如 低 层 码 率 在 3 到 4Mb/s 提 供 相 当 于 现 有 NTSC/PAL/SECAM质量的图象质量 通过使用低层和增强层两个比特流 增强解码器可以输 出主观接近演播室质量的图象质量 总码率为7至12 Mb/s 信噪比可分级解码框图如图所示 100

101 图3-26 SNR分级的解码处理框图 2 时间可分级 时间分级增强层使用的预测是依据较低层样点数据进行的 使用了运 动矢量 包含底层和增强层的两层时间分级编码结构如下图所示 图3-27 时间可分级的编解码器框图 输入到时间解复用器上的是全时间分辨率视频 经过时间解复用形成两个视频序列 一 个作为底层编码器的输入 另一个作为增强层编码器的输入 底层编码器是以半时间分辨率 工作的非分层结构编码器 增强层编码器为主型编码器 使用底层解码的图象进行运动补偿 预测 也以半时间分辨率工作 在系统复用器中将底层和增强层的编码比特流复用成单一码 流 系统解复用器提取出两个比特流 将相应的比特流输入到层和增强层解码器 底层解码 器的输出可以以半时间分辨率单独显示 与增强层解码帧时间再复用后以全时间分辨率显示 101

102 时间分级的增强层运动补偿解码框图如下图所示 图 时间可分级的增强层运动补偿解码框图 MPEG-2 解码 MPEG-2 解码是 MPEG-2 编码处理的逆过程 原理框图如下 102

103 图 3-29 MPEG-2 编码处理的逆过程框图 MPEG-2 中编码与解码电路不是一一对应的 编码复杂 解码简单 因为解码所需的许 多参数如运动矢量 预测值和量化表等都在传输码流中提供给接收端 解码器直接使用就可 以 因此解码框图中没有复杂的运动预测电路 1 I 帧解码 当 I 帧数据输入时 经接收缓冲和解复用后视频 ES 流通过 Q-1 和 DCT-1 形成 I 帧宏块数据 因为它是帧内编码 没有运动预测 所以加法器 1 2 不起作用 宏块数 值直通到帧重排内缓存起来 同时进入下面的 I P 帧存储器 反量化器所需的量化表存储 在解码器中 由码流中分离出的数据标识进行选取 2 P 帧解码 随后输入的 P 帧数据为宏块预测差值 以及运动补偿矢量和量化步长等 信息 经解复用后视频数据通过 Q-1 和 DCT-1 将得到的量化步长送入去量化器 得到的宏块 帧差 MB 进入加法器 1 得到的运动矢量 MV1 去控制 I 帧存 从 I 帧存中找到的相应的 I 帧宏块 在加法器 2 中输出 MC 值 在加法器 1 中 使 MB 与 MC 值相加 即 MB 与 I 帧存内的匹配宏块数据 I x+h,y+v 相加 得到当前 P 帧的宏块数据 MB x,y 它一路送 入帧重排器 另一路送入 P 帧存储器 3 B 帧解码 接着输入的 B 帧数据象 P 帧那样地经解码后将得到的 MB 送入加法器 1 得到运动矢量 MV1 MV2 分别送入 I 帧存 P 帧存 从那里得到相应的预测宏块并乘以 比例系数 从加法器 2 中输出后也送入加法器 1 于是 在加法器 1 中得到当前 B 帧的宏块 数据 MB x,y 送入帧重排器 B 帧不作为参考帧 故 B 帧的宏块数据不输入帧存储器 4 帧重排 在帧重排内将解码后的图像组 重排成编码时输入的显示图像的原始序列 7. MPEG-2 系统 复 用 MPEG-2 系统部分主要规范如何将一个或多个视频流 音频流和其他辅助数据流复合成 一个数据流以适应存贮和传送 复用器将编码器来得视频 音频数据流 按照一定的复用规 范交织复用成符合 MPEG-2 系统层规范的单一的系统码流 为了实现音 视频的解码同步 在码流中还需插入各种时间标记 系统控制等信息 最后送到信道编码与调制器 单路节目 的视音频数据流的复用框图如图所示 103

104 图 3-30 视音频数据流的复用框图 1 基本数据流 ES Elementary Stream 视频和音频信号压缩编码后的码流称为基 本数据流 ES 2 打包了的基本码流 PES Paketized Elementary Stream ES 流经过打包器输出 PES 流 PES 包是非定长的 音频 PES 包不超过 64K 字节 视频一般一帧一个 PES 包 为实现 解码的同步 还需插入相关的标志信息 PES 包的结构图如下图所示 图 3-31 PES 包的结构图 104

105 3 节目流 PS Program Stream ES 流经过 PS 复用器后输出 PS 流 PS 流是针对误 码比较小的环境设计的 适用于演播室 家庭环境和存储媒介的应用 PS 包的长度是可变的 相对较长 4 传输流 TS Transport Stream ES 流经过 TS 复用器后输出 TS 流 TS 流是针对 那些容易发生误码的环境而设计的 TS 包的长度是固定的 为 188 字节 它适用于差些的信 道环境中应用 TS 包的结构图如下图所示 包头为 4 个字节 32 比特,其中同步占 8 比特, 包标识符 PID 占 13 比特 图 3-32 TS 包句法结构示意图 多路节目视音频数据流的系统复用 如果一个电视频道内传多套数字电视节目 需要将诸个 TS 流进一步时分复用成一路总 的多节目 TS 流 多路节目视音频数据流的系统复用框图如下图所示 105

106 图 3-33 多路节目视音频数据流的系统复用框图 在多路节目复用中 还可根据各套节目的内容精细粗略和运动速度快慢而分配它们以不 同的 TS 包数目 实现码率动态复用 达到各套节目都有尽可能好的图像质量 8. MPEG-2 节 目专 用信息 在 MPEG-2 中定义了节目特定信息 PSI PSI 提供了使接收机能够自动配置的信息 用于对复用流中的不同节目流进行解复用和解码 PSI 信息由以下几种类型表组成 节目关联表 PAT Program Association Table PAT 表由 PID 为 0 的 TS 包传送 它的 主要作用是针对复用的每一路传输流 提供传输流中包含那些节目 节目的编号以及对 应节目的节目映射表 PMT 的位置 即 PMT 的 TS 包的包标识符 PID 的值 同时 还提供网络信息表 NIT 的位置 即 NIT 的 TS 包的包标识符 PID 的值 条件接收表 CAT Conditional Access Table CAT 表由 PID 为 1 的 TS 包传送 它提 供了在复用流中条件接收系统的有关信息 指定 CA 系统与它们相应的授权管理信息 EMM 之间的联系 指定 EMM 的 PID 以及相关的参数 节目映射表 PMT Program Map Table 节目映射表指明该节目包含的内容 即该节目 由哪些流组成 这些流的类型 音频 视频 数据 以及组成该节目的流的位置 即 对应的 TS 包的 PID 值 每路节目的节目时钟参考 PCR 字段的位置 网络信息表 NIT Nerwork Information Table :网络信息表提供关于多组传输流和传输网 络相关的信息 其中包含传输流描述符 通道频率 卫星发射器号码 调制特性等信息 传输流描述表 TSDT Transport Stream Description Table 传输流描述表由 PID 为 2 的 TS 包传送 提供传输流的一些主要参数 专用段 private_section MPEG-2 还定义了一种专用段用于传送用户自己定义的专用 数据 描述符 Descripter 除了上述的表之外 MPEG-2 还定义了许多描述符 这些描述符 提供关于视频流 音频流 语言 层次 系统时钟 码率等多方面的信息 在 PSI 的表 中可以灵活的采用这些描述符进一步为接收机提供更多的信息 PSI 结构和 TS 流的关系示例如下图所示 106

107 图 3-34 PSI 结构和 TS 流的关系示例图 其中 PID 是 TS 包的包标识符,一共 13 位 在解码时 接收机首先找到 PAT 表 找出相 应节目的 PMT 表的 PID 再由该 PID 找到该 PMT 表 再在 PMT 表中找到相应的码流 然 后开始解码 MPEG-4 标准 MPEG-4 是一个多媒体通信标准 其应用十分广泛 既可以应用于高质量的数字电视 又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统 还可以以立互方式进行工作 MPEG-4 标准 中 对称动通信信道 视频的数码率为 5-64Kb/s 对影视应用视频的数码率可高达 2Mb/s 由于预见到通用可编程 DSP 技术的发展 及相对于用软件实现标准的明显优势 活动图 像专家组于 1993 年 7 月便开始了制定 MPEG-4 标准 1997 年 1 月 MPEG-4 的第一片正式 分布 但 MPEG-4 的工作尚未结束 第二版的标准还在制定之中 MPEG-4 将是一个多媒体 通信时代被广泛应用的国际标准 其实现技术还有待于进一步的研究与开发 另外 MPEG-7 也将成为未来国标标准 目前正处于开发探讨阶段 综上所述 随着多种国际编码标准的实施 我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实 现已成为必然 其实现方法为 先将 的 HDTV 画面划分成 4 个 的 SDTV 子画面 由 4 个 MPEG-2MP@ML 子编码器并行编码 最后将 4 路码流合成为高清晰度电视 107

108 码流 为了较彻底地解决十字边界效应问题 子图像重建质量均衡策略主要采用了 1.过界 运动估计/运动补偿 2. 码率分配和量化控制策略 随着微电子技术的发展 我国高清晰度电视最终采用 /4:2:2 格式 运动图像专 家组 MPEG 于 1999 年 2 月正式公布了 MPEG-4 ISO/IEC14496 标准第一版本 同年年底 MPEG-4 第二版亦告底定 且于 2000 年年初正式成为国际标准 与 MPEG-1 MPEG-2 不同 MPEG-4 并不仅仅着眼于定义不同码流下的压缩编码标准 而是更多的强调多媒体通信的交 互性和灵活性 以及多工业领域的融合 MPEG-4 初衷是针对视频会议 可视电话的超低比特率编码的 但随着芯片性价比的提 高使得基于软件平台的压缩编码具有实用的可能 且人们在对视频信息的应用需求从播放型 逐渐转到基于内容的访问和操作型 所以它制定的新目标为支持多媒体应用 侧重于对多媒 体信息内容的访问 可根据应用要求配置解码器 MPEG-4 代表了基于模型/对象的第二代压缩编码技术 它充分利用了人眼视觉特性 抓 住了图像信息传输的本质 从轮廓 图形 纹理思路出发 支持基于视觉内容的交互功能 这适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问 检索及操作的发展趋势 MPEG-4 的目标是建立一个通用有效的编码方法 对称之为音视频对象的应用音视频数据格式进行编 码 这些音视频对象可以是自然的 Natural 或合成的 Synthetic 使用的工具可以来自已 有的标准如 MPEG-l MPEG-2 H.261 和 H.263 也可以采用 MPEG-4 专门开发的工具来编 码 1. MPEG-4 的主要特点 MPEG-4 标准的主要特征就是采纳了基于对象 Object-Based 的编码等第二代编码技术 所谓的对象是在一个场景中能够访问和操纵的实体 对象的划分可以根据其独特的纹理 运 动 形状 模型和高层语义为依据 这种编码是一种基于内容的数据压缩方式 如将图像分 割为运动物体对象和静止不动的背景对象平面 并对这两个对象进行分别处理 背景对象可以采用压缩比较高的办法进行编码 运动物体对象采用压缩比较低 损失比 较小的办法 这样就在压缩效率和解码图像质量间得到较好的平衡 基于对象的编码除了能提高数据的压缩比 还能实现许多基于内容的交互性功能 允许 将场景中的运动对象同与此对象相关的信息连接起来 从而就可以实现很多应用如基于内容 的多媒体数据存取等 MPEG-4 标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内 旨在为多媒体通信及应用 环境提供标准的算法及工具 从而建立起一种能被多媒体传输 存储 检索等应用普遍采用 的统一数据格式 并根据不同的应用需求 现场配置解码器 开放的编码系统也可随时加入 新的有效的算法模块 MPEG-4 中运动估计和补偿可以看作针对任意形状图像序列的块匹配 技术的延伸 MPEG-4 为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台 更注重于定义一种格 式和框架 而不是具体的算法 这样可以建立一个更自由的通信和研发环境 可以在系统中 加入许多新的算法 为使用计算机软件实现编码和解码提供更大的方便 它还可以将各种各 样的多媒体技术充分运用在编码中 除包括压缩本身的一些工具 算法外 还包括图像分析 和合成 计算机视觉 计算机图形学 虚拟现实和语音合成技术 MPEG-4 可以对不同来源的视音频对象进行合成 视音频对象可以是自然的 摄像机或 麦克风捕捉到的 也可以是人工合成的 这些对象可以是单声道 立体声和多声道音频 2D 108

109 和 3D 立体视频 也可以是计算机图形 动画 文字等 各种对象通过各自的解码工具进行 解码 同时可以创建新的视音频对象 MPEG-4 标准同以前标准的最显着的差别在于它是采 用基于对象的编码理念 即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音 频对象 分别编码后 再经过复用传输到接收端 然后再对不同的对象分别解码 从而组合 成所需要的视频和音频 这样既方便我们对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法 又 有利于不同数据类型间的融合 并且这样也可以方便的实现对于各种对象的操作及编辑 例 如 我们可以将一个卡通人物放在真实的场景中 或者将真人置于一个虚拟的演播室里 还 可以在互联网上方便的实现交互 根据自己的需要有选择的组合各种视频音频以及图形文本 对象 基于对象的分级功能是 MPEG-4 提供的又一个新的功能 同时兼容于 MEPG-2 标准中的 图像分级功能 分级工具主要用于因特网和无线网等窄带的视频通信 多质量视频服务和多 媒体数据库预览等服务 2. MPEG-4 的主要内 容 MPEG-4 主要包括系统 视频 音频和多媒体传送集成框架 DMIF 等部分 随着标准 的发展 MPEG-4 的内容也不断充实和改进 MPEG-4 基于对象的视频编解码总体框图如下图所示 图 3-35 MPEG-4 编解码系统 首先 对自然视频流进行视频对象平面 VOP 分割 由编码控制器为不同视频对象 VO 的形状 运动 纹理信息分配码率 对各个 VO 分别独立进行编码 然后复用成一个输出码 流 编码控制和复用部分可以加入用户的交互控制或智能算法控制 接收端经解复用 将各 个 VO 分别解码 然后将解码后的 VO 合成场景输出 解复用和 VO 合成时也可以加入用户 交互控制 它围绕 AV 对象的编码 存储 传输和组合而制定的 它是第一个使用户在接收 端对画面进行操作和交互访问的编码标准 视频部分 MPEG-4 的视频编码包括 形状编码 运动估计和补偿 纹理编码 可分级 编码 Sprite 编码等 1 纹理编码 MPEG4 中静止图像的编码又称为静态纹理编码 并单独提供了一种模 式 与基于 DCT 的活动纹理编码技术相比 这种静态纹理编码技术提供了更强的可分级能力 其主要基于小波变换和算术编码 2 分级编码 MPEG-4 的一个主要特点就是其可分级特性 与 MPEG-2 中以帧为基础 的可分级性相比 MPEG-4 分级编码允许基于内容的随机访问和 VOP 在不同的时间及空间分 109

110 辨率下的传输 MPEG-4 通用分级编码框图如图所示 图 3-36 MPEG-4 通用分级编码框图 3 视频序列都可以分为两层 基本层和增强层 基本层提供了视频序列的基本信息 增强层提供了视频序列更高的分辨率和细节 基层可以单独传输和解码 而增强层则必须与 基层一起传输和解码 4 Sprite 编码 Sprite 是指一个相对静止的长背景 例如 在摄像机摇镜头过程中拍 摄到的背景可以组成一个 Sprite Sprite 包括了整个过程中所拍摄到的全部背景像素 实际上 Sprite 只需在传送开始时发送一次 因此使压缩效率很高 Sprite 编码的例子如下图所示 右 上方是前景视频对象 下方的当前帧的背景是从 Sprite 图像中取出的 图 3-37 Sprite 对象编码 音频部分 MPEG-4 的音频编码分为两种 自然声音和合成声音 自然声音的频率范围 为 2 64kbps 又分为三种类型的压缩 对于最低比特率 2 6kbps 运用采样速率为 8kHz 的参数语音编码 对于中等比特率 6 24kbps 采用 8 或 16kHz 采样速率的激励线性预测优 化后的语音编码 而大于 16kbps 的音频 MPEG-4 采用 MPEG-2AAC 压缩算法提供高质量音 频压缩 3. MPEG-4 的主要应 用 MPEG-4 标准的目标是多媒体的多领域应用 包括实时通信 视频会议 可视电话等 移动多媒体 PDA 等 交互媒体存储 DVD 等 交互视频游戏 节目制作及广播业务等 110

111 MPEG-4 为不同应用定义了编解码器和码流的不同类 Profile 和级 Level 从而支持各种 码率 5kbps 至 4Mbps 格式 逐行和隔行 分辨率 QCIF 至 HDTV MPEG-7 标准 数字音视频信息越来越多 但对音视频信息的检索却很困难 目前尽管有许多文字为基 础的搜索浏览工具 如 Internet 网上的多种搜索软件 但要发现音视频素材却很困难 MPEG-7 的目标是支持多种音频和视觉的描述 包括自由文本 N 维时空结构 统计信息 客观属性 主观属性 生产属性和组合信息 建立一种多种媒体内容描述接口 Multimedla Content Description Interface 简称 MPEG-7 这种标准化的描述可以加到任何类型的媒体信息上 不管视频信息的表达形式或压缩形式如何 允许快速有效的查询用户感兴趣的信息 信息的 内容包括 静止图像 图形 音频 活动图像和有关这些元素如何组成多媒体的信息 特殊 例子如脸部描述 个人特征等 希望使用很少特征就可以对信息进行检索 例如对音乐 只 要演奏很少几个音符就可以得到与该段音乐有关的一系列乐曲 对图像只要定义了色表或纹 理 就可以得到一系列相应的对象来组合图像 现有的 MPEG-7 标准包括 7 个部分 系统 描述定义语言 音频 视觉 多媒体描述方案 参考软件 Reference Software 一致性原则 MPEG-21 总体上来讲是一个支持通过异构网络和设备使用户透明而广泛地使用多媒体 资源的标准 其目标是定义多媒体信息之间的通信和互操作框架 这个多媒体框架使得我们 能够跨越由不同社区团体使用的大范围的网络和设备来透明的使用多媒体资源 通过 MPEG-21 这种集成环境对全球数字媒体资源进行透明和增强的管理 实现内容描述 创建 发布 使用 识别 收费管理 产权保护 用户隐私保护 终端和网络资源抽取 事件报告 等功能 MPEG-21 多媒体框架是一个结构化的框架 从结构上可分成 7 大要素 数字项声明 Digital Item Declaration DID 数字项标识 Digital Item Identification DII 知识产权管 理和保护 Intellectual Property Management and Protection IPMP 权利描述语言 Rights Expression Language REL 权利数据字典 Rights Data Dictionary RDD 数字项适配 Digital Item Adaptation DIA 数字项处理 Digital Item Processing DIP 总的来说 MPEG-7 和 MPEG-21 其应用范围已经超出了传统的传输和存储范畴 而是转 向多媒体检索 交互式多媒体操作和内容管理等领域 已经不是一种单纯意义上的视频编码 算法 H.264/AVC 标准 H.264/AVC 是 视 频 编 码 专 家 组 VCEG-ITU-T SG16Q.6 和 运 动 图 像 专 家 组 MPEG-ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 11 共同成立的联合视频组 JVT Joint Video Team 共同 制定的新标准 JVT 于 1999 年 8 月完成了第一版草案和相应的测试模型 2001 年 12 月 在 JVT 的第 1 次会议上形成 H.264/AVC 的第二版工作草案 Work Draft 2 并推出测试模型 JM-1 Justified Model Number 年 7 月的 JVT 第 4 次会议上推出了 H.264/AVC 的会员草 案版 Committee draft 提出了相应的校验模型 JM-4 在 2003 年 3 月召开的全体大会 Pattaya. Thailand 上 给出了最后的冻结草案和相应的测试模型 两个月后该标准提交给 ISO/IEC 通过讨论成为国际标准 MPEG-4 第 10 部分 高级视频编码 AVC 形成正式版 111

112 H.264/AVC 的设计方案包含两个层次 视频编码层 VCL Video Coding Layer 和网络 抽象层 NAL Network Abstraction Layer 视频编码层主要致力于有效地表示视频内容 网 络抽象层格式化 VCL 视频表示 提供头部信息 适合多种传输和存储媒体 VCL 的设计同 以前的 ITU-T 和 ISO/IEC JTC 一样 基于块的混合视频编码方法 基本的源编码算法是 利 用时间统计的相关性 开发帧间预测算法 利用预测残留变换编码 开发空间统计的相关性 H.264/AVC 代表了当前业界最先进的视频压缩技术 具有无可比拟的优越性 和 MPEG-2 等压缩技术相比 在同等图像质量下 采用 H.264 技术压缩后的数据量只有 MPEG-2 的 1/2~1/3 显然 H.264 压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费 H.264 能提供连续 流畅的高质量图像 提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的 必要工具 提供了网络适应层 使得 H.264 的文件能容易地在不同网络上传输 1. 提高了编 码 效率 在相同图像质量情况下 H.264/AVC 比 H.263 编码至少减少 50 以上的码率 采用了简 洁的设计思路 不再采用 H.263+和 H.263++标准众多的可选项 而是将整个编码器融合在一 个框架内 在解码器端采用了复杂度可分级设计 在图像质量和解码处理速度之间进行折中 以适应多种复杂应用 视频编码层在原理上与 MPEG2 是一致的 采用变换编码 使用空间 和时间预测的混合编码 目前采用与 MPEG-2 主类相同的 采样结构 8 比特精度 H.264/AVC 相对以前的编码方法 通过在图像内容预测和改善编码效率方面改善图像质量 主要特点如下 112 可变块大小运动补偿 选择运动补偿大小和形状比以前的标准更灵活 最小的亮度 运动补偿块可以小到 4 4 1/4 采样精度运动补偿 以前的标准最多 1/2 精度运动补偿 首次 1/4 采样精度运动 补偿出现在 MPEG-4 第二部分高级类部分 但 H.264/AVC 大大减少了内插处理的复 杂度 运动矢量可跨越图像边界 在以前的标准中 运动矢量限制在已编码参考图像的内 部 图像边界外推法作为可选技术首次出现在 H.263 中 多参考图像运动补偿 在 MPEG-2 及以前的标准中 P 帧只使用一帧 B 帧只使用 两帧图像进行预测 H.264/AVC 使用高级图像选择技术 可以用以前已编码过且保 留在缓冲区的大量的图像进行预测 大大提高了编码效率 消除参考图像顺序和显示图像顺序的相关性 在以前的标准中 参考图像顺序依赖 显示图像顺序 H.264/AVC 消除了该限制 可以任意选择 消除参考图像与图像表示方法的限制 在以前的标准中 B 帧图像不能作为预测图 像 H.264/AVC 在很多情况可以利用 B 帧图像作为参考 加权预测 H.264/AVC 采用新技术 允许加权运动补偿预测和偏移一定量 在淡入 淡出场景中该技术极大提高编码效率 该技术还可用于其它多种用途 改善 跳过 和 直接 运动推测 在以前的标准中 预测编码图像的 跳过 区不能有 运动 当编码有全局运动的图像时 该限制非常有害 H.264/AVC 对 跳过 区的运 动采用推测方法 对双预测的 B 帧图像 采用高级运动预测方法 称为 直接 运动

113 补偿 进一步改善编码效率 帧内编码直接空间预测 将编码图像边沿进行外推应用到当前帧内编码图像的预测 循环去块效应滤波器 基于块的视频编码在图像中存在块效应 主要来源于预测和 残余编码 自适应去块效应滤波技术是非常著名的技术 能有效消除块效应 改善 视频的主观和客观质量 分级块变换 H.264/AVC 通常使用小块变换 但有些信号包含足够的相关性 要求 以大块表示 H.264/AVC 有两种方式实现 低频色度信号可用 8 8 对帧内编码 可使用特别的编码类型 低频亮度信号可用 块 短字长变换 所有以前标准使用的变换要求 32 位运算 H.264/AVC 只使用 16 位运 算 完全匹配反变换 所有以前标准反变换和变换之间存在一定容限的误差 因此 每 个解码器输出视频信号都不相同 产生小的漂移 最终影响图像的质量 H.264/AVC 实现了完全匹配 基于上下文的熵编码 H.264/AVC 使用两种熵编码方法 CAVLC 上下文自适应的 可变长编码 和 CABAC 上下文自适应二进制算术编码 两种都是基于上下文的 熵编码技术 2. 增强的网 络 适应 能力 它采用了面向网络传输的结构和语法 增强了标准的网络适应能力 通过引入面向 IP Internet Protocol 包交换的编码机制 实现视频数据在网络中的分组传输 对于不同的内 容采用分割 Data Partition 编码传输 灵活地采用相应的时延限制 以适应 IP 网络 移动 网络等多种系统的网络传输要求 保证获得平稳的图像质量 并且提供了较强的抗误码特性 适用于丢包率高 干扰严重的无线信道视频传输 主要特性如下 参数集结构 H.264/AVC 参数集结构设计了强大 有效的传输头部信息 在以前的 标准中 如果少数几位关键信息丢失 可能解码器产生严重解码错误 H.264/AVC 采用很灵活 特殊的方式 分开处理关键信息 能在各种环境下可靠传送 NAL 单元语法结构 H.264/AVC 中的每一个语法结构放置在称为 NAL 的单元中 以前的标准采用强制性特定的位流接口 NAL 单元语法结构允许很自由的客户化 几乎适合所有的网络接口 灵活的像条大小 在 MPEG-2 中 规定了严格的像条结构 头部数据量大 降低预 测效率 编码效率低 在 H.264/AVC 可采用非常灵活的像条大小 灵活宏块排序 FMO H.264/AVC 可以将图像划分为像条组 又称为图像区 每 个像条可以独立解码 FMO 通过管理图像区之间的关系 具有很强的抗数据丢失能 力 任意像条排序 因为每个像条几乎可以独立解码 所以像条可以按任意顺序发送和 接收 在实时应用中 可以改善端到端的延时特性 特别适合于接收顺序和发送顺 序不能对应的网络中 如使用 INTERNET 网络协议的应用 冗余图像 为提高抗数据丢失的能力 H.264/AVC 设计中包含一种新的能力 允许 113

114 编码器发送图像区的冗余表示 当图像区的主表示丢失时仍可以正确解码 数据划分 视频流中的编码信息的重要性不同 有些信息 如运动矢量 预测信息 等 比其它信息更为重要 H.264/AVC 可以根据每个像条语法元素的范畴 将像条 语法划分为 3 部分 分开传送 3. 类 和级 及新标 准类 的使用领 域 H.264/AVC 定义了 3 类 基类 主类和扩展类 基类支持除下面两组特性外的所有的 H.264/AVC 特性 B 像条 加权预测 CABAC 场编码 图像或宏块在帧场编码之间自适应切换 PI/SI 像条和像条数据分割 主类不支持 FMO ASO 和冗余图像特性 扩展类支持除 CABAC 外所有 H.264/AVC 特性 序列参数中包含了一些标志指示解码该码流要求解码器支持的类 在 H.264/AVC 所有类使用相同的级定义 但个别实现时 可能每个支持的类支持 的级不完全相同 H.264/AVC 定义了 15 个级 H.264/AVC 的高压缩效率 扩充了现有的应用领域 至少包含以下领域 交互视频服务 通常速率 1Mbps 以下 低延迟 近期主要利用基类 然后过渡到另 两类 主要应用如下 H.320 交互式视频服务 利用基于 ISDN 视频会议的电路交 换 3GPP 交互式 H.324/M 服务 H.323 交互式视频服务 基于 INTERNET 利用 IP/RTP 协议 娱乐视频应用 1Mbps 8Mbps 码率 0.5 到 2 秒中等时延 H MPEG-2 正在 被修改以支持这方面的应用 这些应用主要利用主类 主要应用如下 有线 卫星 地面 DSL 等广播电视 标清和高清 DVD 通过各种媒体的视频点播 流媒体服务 典型 50kbps 到 1.5Mbps 2 秒以上的时延 这些应用主要利用基类或 扩展类 有线或无线使用情况有所不同 主要应用如下 3GPP 流 利用 IP/RTP 传 输 RTSP 作会话设置 3GPP 规范的扩充部分可能仅使用基类 有线 INTERNET 流 利用 IP/RTP 传输 RTSP 作会话设置 其它服务 主要是低码率 以文件传送方式 不考虑时延 根据不同应用 可能用 到 3 类 主要应用如下 3GPP 多媒体信息服务 视频邮件 其它压缩标准 除了上述通用标准外 还存在很多专用格式 比较流行的有 C-Cube 的 M-JPEG Intel 的 IVI tm Indeo Video Interactive Apple 的 QuickTime tm Microsoft 的 Media Player tm 和 RealNetworks 的 RealPlayer tm 114

115 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握数字电视信源编码概念 掌握数字电视信号参数 掌握数字视频压缩技术原理 掌握数字视频压缩标准 115

116 第4章 数字电视信道编码及传输技术 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握数字电视信道编码概念 掌握奇偶检验码和 RS 码 卷积码 交织编码原理 数字信号基带传输原理 信道编码概述 信道编码的作用 信源编码 即数字压缩编码 的主要目的是降低数据率 提高信息量效率 而信道编码 的主要目的是提高系统的抗干扰能力 数字信号在传输中往往由于各种原因 使得在传送的 数据流中产生误码 从而使接收端产生图象跳跃 不连续 出现马赛克等现象 所以通过信 道编码这一环节 对数码流进行相应的处理 使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力 可 极大地避免码流传送中误码的发生 误码的处理技术有纠错 交织 线性内插等 对信道编码的要求主要有以下几点 编码效率高 抗干扰能力强 对信号有良好的透明性 也即传输通道对于传输的信号内容不加限制 传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性 编码信号内包含有数据定时信息和帧同步信息 以便接收端准确地解码 编码的数字信号具有适当的电平范围 发生误码时 误码的扩散蔓延小 主要可概括为两点 其一 即是附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力 这就涉 及到差错控制编码原理和特性 其二则是数据流的频谱特性适应传输通道的通频带特性 以 求信号能量经由通道传输时损失最小 而做到这一点需应用到数字信号序列的频谱形成技术 也即涉及到传输码型的选区和转换 提高数据传输效率 降低误码率是信道编码的任务 信道编码的本质是增加通信的可靠 性 但信道编码会使有用的信息数据传输减少 信道编码的过程是在源数据码流中加插一些 码元 从而达到在接收端进行判错和纠错的目的 这就是我们常常说的开销 116

117 4.1.2 纠错编码的分类 在信源编码数据的基础上增加一些冗余码元 又称监督码或检验码 使监督码元与信息 码元之间建立一种确定的关系 称为差错控制编码或纠错编码 在接收端 根据监督码元与信息码元之间已知的特定关系 可实现检错和纠错 完成此 任务的过程称之为误码控制译码 解码 1 按照检错纠错功能可分为 检错码 只能检知一定的误码而不能纠错 纠错码 具备检错能力和一定的纠错能力 纠删码 能检错纠错 对超过其纠错能力的误码则将有关信息删除或采取误码隐匿 措施将误码加以掩蔽 2 按照误码产生原因不同可分为 纠随机误码的纠错码 应用于主要产生独立性随机误码的信道 纠突发误码的纠错码 应用于易产生突发性局部误码的信道 3 按照信息码元与监督码元之间的检验关系可分为 线性码 码元之间存在线行关系 即满足一组线性方程式 就称线性码 非线性码 码元之间不能用线性方程式描述 称为非线性码 4 按照信息码元与监督码元之间约束方式的不同可分为 分组码 编码后的码元序列每 n 位分为一组 其中包括 k 位信息码元和 r 位附加监 督码元 即 n=k+r 每组的监督码元仅与本组的信息码元有关 而与其他组的信息 码元无关 卷积码 虽然编码后码元序列也划分为码组 但每组的监督码元不但与本组的信息 码元有关 而且与前面码组的信息码元也有约束关系 5 按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变 可分为 系统码 编码后的信息码元序列保持原样不变 非系统码 信息码元会改变其原有的信号序列 由于原有码位发生了变化 使译码 电路更为复杂 故较少选用 根据编码过程中所选用的数字函数式或信息码元特性的不同 又包括多种编码方式 对 于某种具体的数字设备 为了提高检错 纠错能力 通常同时选用几种误码控制编码方式 下图是纠错码的各种类型 117

118 图 4-1 各种类型的纠错码 DVB-T 数字电视中常用的纠错编码 通常采用两次附加纠错码的前向纠错 FEC 编码 RS 编码属于第一个 FEC 188 字节后附加 16 字节 RS 码 构成 RS 码 这也可 以称为外编码 第二个附加纠错码的 FEC 一般采用卷积编码 又称为内编码 外编码和内编 码结合一起 称之为级联编码 级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进行调 制 前向纠错码 FEC 的码字是具有一定纠错能力的码型 它在接收端解码后 不仅可以 发现错误 而且能够判断错误码元所在的位置 并自动纠错 这种纠错码信息不需要储存 不需要反馈 实时性好 所以在广播系统 单向传输系统 都采用这种信道编码方式 下文将主要介绍数字电视中用到的纠错编码方法 其他的编码方法不予介绍 信道编码基本概念 1 信息码元和监督码元 信息码元又称信息序列或信息位 是发送端由信源编码得到的信息数据比特 通常以 K 表示 以 k 个码元为一个码组时 在二元码情况下 总共可有 2k 种不同的信息码组 监督码元又称校验码元 是为了检错纠错在信道编码中附加的校验数据 通常 对 k 个 信息码元的码组附加入 r 个监督码元 组成总码元数为 n k+r 的码组 2 许用码组和禁用码组 信道编码后总码长为 n 的不同码组有 2n 个 其中 发送的信息码组有 2k 个 称之为许用 码组 其余的 2n-2k 个码组不予传送 称之为禁用码组 发端误码控制编码的任务正是寻 求某种规则从总码组中选出许用码组 而收端译码的任务则是利用相应的规则来判断及校正 收到的码字符合许用码组 3 编码效率 118

119 每个码组内信息码元数 k 值与总码元数 n 值之比称为信道编码的编码效率 即 η k/n k/ k+r 编码效率 η 是衡量信道编码性能的一个重要指标 一般地 监督码元越多 检错 纠错能力越强 但编码效率相应地降低 4 码重和码距 码重 每个码组内码元 1 的数目称为码的重量 简称码重 码距 每两个码组间的距离 简称码距 又称汉明距 通常用 d 表示 例如 000 与 101 码组之间码距为 d 与 111 码组之间码距为 d 3 最小码距 对于 n k 分码组 许用码组为 2k 个 各码组之间的码距的最小值称为最小码 距 通常用 d0 表示 5 最小码距与检错和纠错能力的关系 图 4-2 最小码距与检错和纠错能力的关系 对于分组码 有以下三条关于最小码距与检错能力的关系 a 在一个码组内为了检知 e 个误码 要求最小码距应满足 d0 e+1 b 在一个码组内为了纠正 t 个误码 要求最小码距应满足 d0 2t+1 c 在一个码组内为了纠正 t 个误码并同时检知 e 个误码 e t 最小码距应满足 d0 e+t 奇偶校验码和 RS 码 奇偶校验码 奇偶校验码是一种最为简单的线性分组检错码 其方法是先将信源编码后的信息数据流 分成等长码组 然后在每一信息码组之后加入 1 位监督码元作为奇偶校验位 使得码组总码 119

120 长 n 内 n 等于信息码元数 k 加监督码元数 1 即 n=k+1 的码重为偶数 称为偶校验编码 或奇数 称为奇校验编码 如果在传输过程中 一个码组内发生一位奇数位误码 接收端译 码出的码组便不符合奇偶校验规律 因此可以发现存在误码 这种编码中由于最小码距 d0=2 故仍无纠错能力 奇偶校验码如下表所示 对于水平奇偶校验码 如果在阵列的列方向上也附加上一个奇偶校验位 就构成了水平 垂直奇偶校验码 又称行列监督码或矩阵码 如下表所示 这样 在接收端不但可以检知任 何一行或任何一列内的奇数个误码 而且具有一位误码的纠错能力 因为阵列中某个码元误 码时 从其所在的行和列的奇偶校验中可以发现它 将行与列交叉点上的码元变成反码 该 误码就被纠正了 编码效率为 η k/n=49/64=76.6% 120

121 4.2.2 RS 码 RS 码是 Reed 和 Solomon 二位研究者发明的 故称为里德 所罗门码 简称 RS 码 RS 码是一种重要的线性分组编码方式 它是以字节为单位进行前向误码校正 FEC 地纠错编 码方法 具有强地随机误码和突发误码校正能力 它是能够纠正多个错误的纠错码 在 RS 编码过程中 各符号不是直接出现 而是每个符号要乘以某个基本元素的幂次方 后再模 2 加 如果要纠正七个错误 那么码字必须被 2t 个不同的一次多项式整除 RS 编码 中 输入数据分成 km 比特构成的信息段 每段内 k 为字节数 m=8 为每字节的比特数 一 个可纠错 t 个误码字节的 RS 码可表示为 n k t n 表示码长 n=2m-1 字节或 m 2m-1 比特 k 表示信息段 k 个符号或 km 个比特 2t 表示监督段 n-k=2t 符号或 m n-k 比特 最小码距 d0=2t+1 符号或 m 2t+1 比特 例如 数字电视数据流的信道编码中 采用了 t=8 的 RS 码 也即对应的 k=188 字节 m=8 比特 1 字节 监督段为 2t 16 字节 纠错能力为一段码长 204 字节内的 8 个字节 该 RS 码的长在原理上应为 n=2m-1=255 字节 实施上述 RS 编码时 是在 188 字 节前加上 51 个全 0 字节 组成 239 字节的信息段 而后根据 RS 编码电路在信息段后面生 成 16 个监督字节 得到所需的 RS 码 产生 RS 码后丢弃前面 51 个空字节 形成截短的 RS 码 RS 的编码效率是 188/ 卷积码 卷积码又称连环码 是由 k 个信息比特编码成 n n>k 比特的码组 编码出的 n 比特的 码组值不仅与当前码字中的 k 个信息比特值有关 而且与其前面 N-1 个码字中的 N-1 k 个 信息比特值有关 也即当前码组内的 n 个码元它们的值取决于 N 个码组内的全部信息码元 N 可称为卷积码编码的约束长度 卷积码是一种非分组码 通常它更适用于前向纠错法 因 为其性能对于许多实际情况常优于分组码 而且设备简单 卷积码每一个监督码元都要对前 后的信息单元起监督作用 整个编解码过程也是一环扣一环 连锁地进行下去 通常 卷积 码的标记法采用 n k N-1 它的编码效率为 η k/n 卷积码分两种形式 1 基本卷积码 基本卷积码编码效率为 η 1/2 编码效率较低 优点是纠错能力强 2 收缩卷积码 如果传输信道质量较好 为提高编码效率 可以采样收缩截短卷积码 有编码效率为 η 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 这几种编码效率的收缩卷积码 编码效率高 一定带宽内可传输 的有效比特率增大,但纠错能力越减弱 121

122 4.3.2 编码器的形式 几种卷积码编码器的结构如下图所示 图 4-2 几种卷积码编码器结构示例 卷积码编码器一般由若干移位寄存器及几个模 2 和加法器来组成 通常 移位寄存器数 目等于 N-1 模 2 和加法器数目等于 n 值 由于串行输入的 k 个信息码元生成 n 个卷积码元 后一般仍以串行数据流形式输出 所以在输出端加入了一个并/串转换开关 以 卷积编码器为例 图 4-3 卷积码编码器结构 两个模 2 和加法器 M1 及 M2 的逻辑关系式 g1 x 和 g2 x 分别有下面的生成多项式 122

123 g1 ( x) 1 x x 2 g 2 ( x) 1 x 2 设输入的数据序列 bin 则输出序列为 b01 x =g1 x bin= 1+x+x2 1+x+x3+x4+x5+ 1 x5 x7 b02 x =g2 x bin= 1+x2 1+x+x3+x4+x5+ =1+x+x2+x4+x6+x7 + 因此 当输入序列 bin= 时 输出序列为 b b 经转换开关 K 进行并/串转换后 输出为 bout 状态图 2,1,2 卷积编码器状态图如下所示 图 4-4 卷积编码器状态图 以把 CB 两点组成的四种可能状态标记为 a 00 b 01 c 10 和 d 11 以实线 表示输入 bin 为 0 时状态转移路径 虚线表示输入 bin 为 1 时的状态转移路径 并在路径上 标注了输出码元 b01b02 根据状态转移的特点 又可画出图 b 所示的状态图 图 b 中的四个节点 a b c d 也分别表示 CB 点组成的四种可能状态 每个节点有两个离开的线条 实线表示下一 bin 输入 0 时的路径 虚线表示输入 bin 为 1 的路径 并在路径上标注了输出码元 bout=b01 b02 图 b 中两个自闭圆环分别表示 a a 和 d d 状态转移 将状态图沿时间轴展开 可以得到网格图 2,1,2 卷积编码器网格图如图所示 从 a 点出发 bin 输入 0 时路径沿实线走 输出则为路径旁标注的码元值 因此 输入序列 时输出为

124 图 4-5 卷积码的网络图 卷积码非常适用于纠正随机错误 但是 解码算法本身的特性却是 如果在解码过程中 发生错误 解码器可能会导致突发性错误 为此在卷积码的上部采用 RS 码块 RS 码适用于 检测和校正那些由解码器产生的突发性错误 所以卷积码和 RS 码结合在一起可以起到相互 补偿的作用 数字电视中常用的纠错编码 通常采用两次附加纠错码的前向纠错 FEC 编码 RS 编 码属于第一个 FEC 188 字节后附加 16 字节 RS 码 构成 RS 码 这也可以称 为外编码 第二个附加纠错码的 FEC 一般采用卷积编码 又称为内编码 外编码和内编码结 合一起 称之为级联编码 4.4 交织编码 在实际应用中 比特差错经常成串发生 这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几 个连续的比特 而前向纠错编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效 如 RS 只能纠正 8 个字节的错误 为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误 可以运 用交织技术来分散这些误差 使长串的比特差错变成短串差错 从而可以用前向码对其纠错 例如 在 DVB-C 系统中 RS 204,188 的纠错能力是 8 个字节 交织深度为 12 那么纠可 抗长度为 个字节的突发错误 实现交织和解交织一般使用卷积方式 交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列 解交织后突发性错误在时间上被分散 使其类似于独立发生的随机错误 从而前向纠错编码可以有效的进行纠错 提高了 RS 码等 在传输中抗突发误码的能力 也就是说 数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据 码字传输顺序的方法来提高接收端去交织解码时抗突发误码的能力 纠错能力强的编码一般 要求的交织深度相对较低 纠错能力弱的则要求更深的交织深度 一般来说 对数据进行传输时 在发端先对数据进行 FEC 编码 然后再进行交织处理 在收端次序和发端相反 先做去交织处理完成误差分散 再 FEC 解码实现数据纠错 另外 从上图可看出 交织不会增加信道的数据码元 124

125 4.4.1 基本原理 下图是交织编码的原理示意图 图 4-6 交织原理示意图 交织 交织端首先将经过前向纠错编码后的串行流以自上而下的方向先逐列地写入一个 随机存取寄存器 RAM 中 排列成 I 行 L 列的阵列 数据包码长为 n I L 比特 再自左向 右地逐行读出 比特交织编码图如图所示 图 4-7 比特交织编码图 写入 RAM 的比特顺序为 I I+1 2I L-1 I+1 L-1 I+2 LI 读出 RAM 输出的比特顺序为 1 I+1 2I+1 L-1 I+1 2 I+2 LI 这样的交织可称为交织深度为 I 的比特交织 去交织 在接收端将接收到的比特交织的数据流以相逆的过程写入 RAM 再从 RAM 中 125

126 读出 然后再送去解码 如果在传输中发生突发误码 其长度超出译码的纠错能力 则现在 由于要先将比特交织的码流进行去交织处理 会使突发误码散布在一些行列内 容易在译码 时得到纠正 交织编码在数字电视广播系统中的应用 由于在 DVB 数字电视广播系统的前向纠错编码采用了 RS 码编码 为 了进一步提高纠错能力 对每 204 个字节组成的数据帧实施符字节号交织处理 交织深度 I=12 字节 DVB 中的交织电路如图所示 图 4-8 DVB 中的交织电路 工作过程 切换开关 k1 和 k2 是同步顺序的接在相同的支路上 因为 12 17=204 可以看 出 k1 经过 17 次循环切换 将一个数据包内 204 个字节全部输入至交织器中 设用通过 k1 输入到交织器中的是第 0 个包的 204 个字节的顺序为. 其中. 则通过 k2 输出的 204 个字节则为 表示第 0 个包的 1 个字节 表示第 0 个包之前 1 个包的 2 个字节 以此类 推 可见输出的 204 个字节中相互之间相隔较远 交织了 12 个包的不同的字节 在接收端 去交织器中 12 条支路内移存器数量的安排与发送端交织器中的相反 恢复了交织之前的原 顺序 传输中发生的突发误码在去交织后离散成了随机性质的误码 可由 RS 译码器充分的 予以纠正 126

127 4.5 数字电视信道编码方案 根据信道的情况不同 信道编码方案也有所不同 1 在 DVB-T 里由于由于是无线信道且存在多径干扰和其它的干扰 所以采样的信道 编码是 RS 外交织 卷积码 内交织 采用了两次交织处理的级联编码 增强其纠错的能 力 RS 作为外编码 其编码效率是 188/204 又称外码率 卷积码作为内编码 其编码效率 有 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 五种 又称内码率 选择 信道的总编码效率是两种编码效率的 级联叠加 设信道带宽 8MHZ 符号率为 Mb/S 内码率选 2/3 16QAM 调制 其总传 输率是 Mbps,有效传输率是 /204 2/3 =16.948Mbps 如果加上保护 间隔的插入所造成的开销 有效码率将更低 2 在 DVB-C 里 由于是有线信道 信道比较 干净 所以它的信道编码是 RS 交 织 一般 DVB-C 的信道物理带宽是 8MHZ 在符号率为 Mb/s 调制方式为 64QAM 的 系统 其总传输率是 Mbps 由于其编码效率为 188/204 所以其有效传输率是 /204=38.134Mbps 3 在 DVB-S 里 由于它是无线信道 所以它的信道编码是 RS 交织 卷积码 也 是级联编码 下图是 DVB-T DVB-C DVB-S 各自的信道编码方式 图 4-9 几种信道编码示意图 127

128 数字信号的基带传输 数字信号的基带传输 经过信源编码数据压缩和信道纠错编码后得到的数字信号称为二元数字信息 其脉冲波 形占据的频带一般从直流开始直至较高的频率 称之为数字基带信号 在一些场合 例如有 线信道中 特别是传输距离不太长的情况下 可直接传送数字基带信号 数字信号基带传输 系统如下图所示 图 4-10 数字信号基带传输系统 1 数字基带传输信号码型选择的主要原则 尽量使传输信号码型的频谱中不应包含直流或低频成分 应尽量减小码型频谱中的高频成分 接收端易于从串行的基带信号中提取位定时信息 2 数字基带信号码型分类 数字基带信号的码型种类很多 按照脉冲波形的幅度取值范围可分为二元码 三元码和 多元码 如图所示 图 4-11 二元码波形示例 二元码中基带信号的脉冲波形只有两种幅度 三元码中 数字基带信号的幅度取值有 三种电平 多元码码型具有多种电平的幅度取值 如果以 m 个比特组成一个字 则对 应地有 2m 元码的码型 多元码中一个电平代表 m 个码元 因而频谱利用率高 但是误码率 也相应增高 128

129 3 二元码的种类和特点 几种常用的二元码波形如图所示 图 4-12 几种常见的二元码波形图 单极性归零码 以时间 T 内有无脉冲信号来表示 1 0 单极性信号差分码 NRZ-M 以位定时信号边沿有电平跳变表示 1 无电平跳变表示 0 也称相对码 单极性空号差分码 NRZ-S 以位定时信号边沿有电平跳变表示 0 无电平跳变表示 1 双向码 无论码元 1 或 0 每一码元比特的边缘都有电平跳变 而当码元 1 时 在每 比特中央又有一次跳变 码元 0 时在比特周期内不跳变 密勒码 Miller M 用码元周期中央出现跳变 而其前后沿不出现跳变 来表示 1 对码元 0 则有两种处理情况 单个 0 时码元周期内不出现跳变 连 0 时在相邻的 0 交界处出现跳变 密勒码不但直流成分和低频成分很少 而且上限频率低 频带宽度仅 为双相码的一半 这对带宽受限的信道更有利 密勒平方码 M2 与其密勒码的区别在于无论 1 或 0 当连续出现的相同码元超过 2 时省去最后一个比特的电平跳变 即对于 1 省去其中央电平跳变 对于 0 省去其最后 一个码元 0 的前沿跳变 可以看出 它比之密勒码电平变换速率进一步降低 其相应的 129

130 基带信号频率也减小了 几种常用的二元码的功率谱如图所示 从图中可见 NRI 码含有大量低频成分 频带较 宽 密勒码不但直流成分和低频成分很少 而且上限频率低 频带宽度仅为双相码的一半 这对带宽受限的信道更有利 图 几种二元吗的功率谱 伪随机序列扰码 用 NRZ 码进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连 1 连 0 而包含大的低频 成分 不适应信道的传输特性 也不利于从中提取出时钟信息 解决办法之一是采用扰码技 术 使信号受到随机化处理 变为伪随机序列 又称为 数据随机化 和 能量扩散 处理 扰码不但能改善位定时的恢复质量 还可以使信号频谱平滑 使帧同步和自适应同步和 自适应时域均衡等系统的性能得到改善 扰码虽然 扰乱 了原有数据的本来规律 但因为是 人为 扰乱 的 在接收端很容易去加扰 恢复成原数据流 实现加扰和解码 需要产生伪随机二进制序列 PRBS 再与输入数据逐个比特作运算 PRBS 也称为 m 序列 这种 m 序列与 TS 流包的 NRZ 码进行 XOR 扰码运算后 数据流中的 1 和 0 的连续游程都很短 且出现的概率基本相同 1 m 序列的产生 一般用带有若干反馈线的 m 级移位寄存器产生周期为 2m-1 的 m 序列,这种移位寄存器可 以用生成多项式 G x 表示 G ( x ) 1 a1 x a2 x 2 am 1 x m 1 am x m 式中 aixi 表示第 i 级寄存器 ai=1 表示这一级有反馈线 ai=0 表示这一级无反馈线 一个 4 级 m 序列发生器和工作状态转移表如下图所示 图中的线性反馈遵从下式的递归 关系式 130

131 图 4-14 图 级移存器 m 序列发生器电路 m 序列发生器状态转移 分析其工作过程时要先设定一个初始状态 假若初始状态{a3,a2,a1,a0}为{0,0,0,1} 在移 位时钟节拍控制下{ak}的状态将逐次变动 移位 15 次后又回到初始状态 {a3,a2,a1,a0} {0,0,0,1} 输出序列 a0 为 2 m 序列的性质 均衡性 在 m 序列的一个周期 m=2n -1 中 1 和 0 的数目基本相等 游程分布 一个周期序列中接连出现相同码元的个数称为游程长度 各种游程长度 中连 1 的游程和连 0 的游程大致各占一半 伪噪声特性 m 序列属于伪噪声 PN 序列或伪随机二进制序列 PRBS DVB 中的加扰电路 在欧洲的数字视频广播标准中 无论 DVB-S DVB-C 或 DVB-T 都对数字基带信号实 施同样的能量扩散 即采用 15 级移存器的 PRBS 对数据序列作模 2 和 DVB 中的 PRBS 加 扰电路如下图所示 131

132 图 级以存器的 PRBS 加扰电路 利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一 一般将信源 产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模 2 相加 就可将原信息变成不可理解 的另一序列 这种信号在信道中传输自然具有高度保密性 在接收端将接收信号再加上 模 2 和 同样的伪随机序列 就恢复为原来发送的信息 在 DVB-C 系统中的 CA 系统原理就源 于此 只不过为了加强系统的保密性 其伪随机序列是不断变化的 10 秒变一次 这个伪 随机序列又叫控制字 CW CONTROL WORD 无码间干扰基带传输 如果传输信道中掺入了过量的干扰信号 n t 会导致再生的时钟发生时间偏移使取样 判决时刻不准 造成电平判决差错 从而发生误码 另外 当一系列的脉冲因信道带宽受限 等原因出现波形失真时 其波形会在时域内扩散 影响到邻旁的数据波形 称为码间干扰 码间干扰也会导致电平判决出现差错 1 理想低通滤波系统可实现无码间干扰 理想低通滤波器特性和冲激响应如图所示 由图可见理想低通的冲激响应 h t 波形具 有 sinx/x 函数的特性 在 t=0 处具有最大值 在 t=±nt 点上都过零点 T=π/ωc ωc 为系统截 止频率 如果输入数据的比特率为 1/T 则不存在码间干扰问题 根据系统的截止频率为 fc=ωc/2π 1/2T 这时的频带利用率为 2bps/Hz 若数据序列为多元码 比如 n 元码 则频带 利用率为 2log2n bps/hz 这是无码间干扰所能达到的最高频带利用率 132

133 图 4-17 理想低通及其冲激响应 2 无码间干扰传输的条件及实现方法 由于理想低通滤波特性无法实现 可以证明 只要传输函数 H ω 沿 ω 轴以 2n/T 为间 隔 n=0 ±1 ±2 切开 然后分段平移到 -n/t n/t 区间内进行相加 结果形成一 条水平直线 也可以实现无码间干扰的传输条件 无码间干扰的基带传输特性如图所示 图 4-18 无码间干扰传输函数 H ω 的特性 升余弦滚降特性的系统在实际中得到广泛应用 升余弦滚降特性的低通滤波特性如图所 示 图 4-19 升余弦滚降特性的低通滤波特性 其中 ωc 是截止频率 ω 是滚降部分的带宽 α ω/ωc 称为滚降系数 α 0 的传输 函数 H ω 就是理想低通特性的情况 当 0<α 1 时 余弦滚降特点 H ω 可表示成下式 133

134 可见 由于滚降特性使 H ω 的带宽变为 1 α ωc 降低了频带利用率 在 DVB-S 系统中 当基带信号对高频载波进行 QPSK 调制之前 使调制信号 I Q 先受 到升余弦平方根滚降滤波 滚降系数 α 0.35 在 DVB-C 系统中 当基带信号对高频载波进 行 QAM 调制之前 使调制信号 I Q 先受到 α 0.15 的升余弦平方根滚降滤波 由于有线电 视传输信道的质量一般较好 干扰轻 所以 α 可小 频带利用率得到较高 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握数字电视信道编码概念 掌握奇偶检验码和 RS 码 卷积码 交织编码原理 数字信号基带传输原理 134

135 第5章 数字电视条件接收技术 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握电视电视条件接收的基本原理 掌握数字电视同密与多密 CA 原理 掌握数字电视条件接收特点 掌握数字电视条件接收功能 掌握数字电视机卡分离原理 5.1 概述 条件接收 CA Conditional Access 系统是一个综合性系统 系统涉及到多种技术 包括 加解密技术 加解扰技术 编码技术 复用技术 智能卡技术 网络技术 接收技术 此外 还涉及到用户管理 节目管理 收费管理等信息管理技术 条件接收是数字电视加密控制的核心技术保证 为数字电视的运营提供了必要的技术手 段 使拥有授权的用户合法的使用某一项业务 而未经授权的用户不能使用这一业务 数字视频广播标准 DVB Digitial Video Broadcast 是数字电视的通用国际标准 DVB 标准以 MPEG-2 编码系统为基础 用 MPEG-2 数据包结构作为数据容器 并使用严格的 DVB 服务信息格式 有效地 方便地实现了多种媒体之间的传输 并实现它们之间的数字信号转 换 应用领域涉及到卫星传输 电缆传输 地面传输 条件接收系统是基于 MPEG-2 和 DVB 标准开发设计的 DVB 有两种加扰方式 即同密 SimulCrypt 和多密 MultiCrypt 同密要求前端可以使用多个 CA 系统 每个 CA 系统可 以使用不同的加密系统加密各自的相关信息 但对节目内容的加扰必须采用同一个加扰算法 和加扰控制字 这样可以保证接收端使用不同的接收设备而同时又能接收相同的数字电视节 目 使用同密技术后 可以方便多级运营商的管理 为多级运营商选择条件接收系统提供了 灵活性 而多密技术主要是针对接收端而言的 用户可以采用多密的方式接收不同的加扰/ 加密系统所加密的不同的节目 由于 DVB 中的同密与多密都规定了标准接口 从而方便了 多个 CA 系统的集成 也方便了用户 目前在国际上占主流的有欧洲的 DVB 标准 北美国家的 ATSC 标准及日本的 ISDB 标准 多密 MultiCrypt 在这三种标准中对于 CA 部分都作了简单的规定 并提出了三种不同的加 扰方式 欧洲 DVB 组织提出了一种称之为通用加扰算法 Common Scrambling Algorithm 135

136 的加扰方式 由 DVB 组织的四家成员公司授权 ATSC 组织使用了通用的三迭 DES 算法 而日本使用了松下公司提出的一种加扰算法 目前国际上的有条件接收系统主要有荷兰爱迪德 IRDETO 公司的 M_Crypt 系统和 π_s ys 系统 法国电信 France Telecom 公司的 Viaccess 系统 英国 NDS 公司的 NDS 系统 法国 Canal+公司的 Mediaguard 系统 以及 Nagra 系统等 国内主要有清华同方 中视联 与 Philips 合资 算通科技等 国外的 CA 系统经历多年的发展 技术比较成熟并形成一定市场 国内的 CA 系统研究起步比较晚 起点比较高 同时借鉴了国外的经验 发展很快 已经形 成了初具规模的国内市场 同时积极开展与国外 CA 系统实现同密 以上几家国内知名的 CA 运营商都已经和 IRDETO NDS 等实现同密 这种竞争并同步发展的形势在国内数字电视界 已经形成 事实上 数字电视中条件接收系统正以特有的方式推动中国广播电视事业的发展 将来这种条件接收系统还有可能为人类展现新形式的数字通信 5.2 条件接收系统的原理 在讲述原理之前 先了解两个在 CA 设备中容易混淆的概念 一个是加解扰 Scrambling-Descrambling 另一个是加解密 Encryption-Decryption 加解扰技术被用来 在发送端 CA 系统的控制下改变或控制被传送的服务 节目 的某些特征 使未被授权的用 户无法获取该服务提供的利益 而加密技术被用来在发送端提供一个加密信息 使被授权的 用户端解扰器能以此来对数据解扰 该信息受 CA 系统控制 并以加密形式配置在传输流信 息中以防止非授权用户直接利用该信息进行解扰 不同的 CA 系统管理和传送该信息的方法 有很大不同 简单地说就是 加扰是通过控制字 CW Control Word 对传输流进行按位加密的过程 而加密部分实际完成对控制字 CW 的保护 这两种技术是 CA 系统重要的组成部分 在技 术上有相似之处 但在 CA 系统标准中是独立性很强的两个部分 在目前各标准组织提出的条件接收标准中 加扰部分往往力求统一 而在加密部分则一 般不作具体规定 是由各厂商定义的部分 从实现过程可以基本了解集成一个条件接收系统所需的基本技术 首先是记录用户授权 情况的数据库系统 即 CA 系统中的用户管理系统 其次是记录服务授权控制情况的数据库 系统 这是节目管理系统 及服务加扰/解扰控制的系统 密钥的管理和传输系统技术 智能 卡读写技术等 这些都是集成一个 CA 系统必不可少的技术 其中对信息加密 解密以及密 码管理传输是 CA 系统的核心 对信息的加/解密的过程将上述所有涉及的技术都紧密连接起 来而成为一个 CA 系统 如下图所示 常用的 CA 系统一般有 3 重的加密体制 首先是对音视频 数据流的加扰 它是扰码序 列对信息流进行加密处理的过程 扰码序列是伪随机二进制序列 它具有近似随机序列的功 率谱特征 不同的是它具有周期 但周期很长 一般是数小时甚至是数天 图中 PRBS 指扰 码序列生成器 扰码序列生成器的初始条件受控于控制字 CW 在初始条件已知的情况 可以推测出生成的扰码序列 根据这个原理 只要在接收端有一个相同的扰码生成器 同时 将 CW 发送给接收端用于控制它 运用对应的解扰算法就可以对相应的信息流解扰恢复原始 136

137 信号 在这里 CW 起到了 种子 的作用 只要获得了 CW 系统就被破解了 所以解扰密钥 是系统安全的基本要素 如何将 CW 安全送到接收端 就成了 CA 系统的核心 为此对 CW 本身 以及系统数据的其他部分 要用一个加密密钥通过加密算法对它进行加密保护 这个 加密密钥只是一个用来变化加密算法结果的任意数 后面的两重加密过程便是为实现 CW 的 安全传送并达到授权控制的目的 PSI/SI 信息 节目管理系 音视频 数据流 加扰流 音频 视频 数 解扰电 加扰电路 复 用 扰码序列 控制字 CW PRBS 信道 ECM 解扰序列 ECM PRB EMM 控制字 CW 加密电路 A 用 户 管 理 系 解 复 用 授 权 密 钥 解密电路 A 用户信 分配密 钥 KD 加密电 路B EM 分配密钥 安全通道 图 5-1 解密电路 条件接收系统 条件接收的核心是控制字 CW 传输的控制 在采用 MPEG-2 标准的数字电视系统中 与 节目流条件接收系统相关的有两个数据流 授权控制信息 ECM Entitle Control Message 和 授权管理信息 EMM Entitle Manage Message 为实现保密 使用授权密钥 KS 对控制字 CW 加密形成授权控制信息 ECM 复用到传送流当中 ECM 中还包括节目来源 时间 内容 分类和节目价格等节目信息 CW 虽已由 KS 加密 但这个密钥如果还是可以让任何人读取 网络运营商还是难以控 制到特定的用户 安全性还是存在问题 必须对 KS 再进行加密保护 由于共用网络寻址模 式中数据包是按用户地址传送的 每个终端设备有一个不重复的惟一的地址码 就可以采用 地址码来对 KS 加密 使用分配密钥 KD 对授权密钥 KS 加密形成授权管理信息 EMM EMM 中还包含地址 用户授权信息 也复用到传送流当中 分配密钥 KD 通常是固化在智能卡中 用户通过购买 智能卡方式获得 避免广播方式的信道传送有被窃取的可能 在实际使用中 终端设备的地 址一般是公开的 且基本不变 所以往往用和这个地址码相关联的一个数列来进行加密 称 为个人分配密钥 PDK PDK 一般由 CA 系统设备自动产生并严格控制 在终端设备处该 序列数一般由网络运营商通过 CA 系统提供的专用设备烧入解扰器的 PROM 中 不能再读出 137

138 一套 CA 系统往往为每个用户分配好几个 PDK 以满足丰富的业务需求 如果将授权密钥 KS 通过安全通道分配给用户 一样也能起到保护控制字的效果 为什 么要再加一层加密操作呢 这种体制是为实现授权控制的目的 例如用户对某一业务授权期 限到了 如没有按时缴费 系统通过用户管理系统的确证 将该业务的授权密钥 KS 修改成 KS1 但对用户发送的仍然是 KS 经 KD 加密而成的授权管理信息 EMM 用户虽然可以解密 获得 KS 但还是不能享受该业务 以上的加密过程可以看出一个已获得授权的接收端使用相关业务要依次获取 EMM ECM 对这些信息的提取要依靠节目管理系统提供的 PSI/SI 信息 特殊节目信息/节目信息 节目管理系统将节目的加密情况 是否加密 加密系统类型 是何种 CA 系统加密 等信息 描述在 PSI/SI 信息中 其中最重要的是 2 种信息表 条件接收表 CAT 和节目映射表 PMT CAT 表针对具体 CA 系统中的用户的授权情况 它含有标识具体 CA 系统的 CA_System_Id 和用于获取 EMM 信息的索引 EMM_Pid 通过这两项内容就可以获得用户所在 CA 系统的 EMM 信息 PMT 表是针对节目的加密情况 它也含有 CA_System_Id 信息用于表示节目是 用何种 CA 系统加密和 EMM_Pid 用于告知用户如何搜索 ECM CA_System_Id 可惟一标识 CA 系统 分配到用户的智能卡中含有这项内容 用户端的条件接收过程就是从读取卡内的 CA_System_Id 开始的 获取相应的 EMM ECM 后 解密解扰的工作就按与发送端相逆的顺 序开始了 5.3 同密和多密 CA 从原理可以看出 CA 系统的最重要特性是信息保密 事实上很多 CA 系统使用的加密 算法都是各个系统运营商私有而且是绝对保密的 这种特性决定了各个 CA 系统的排他性和 不通用性 为解决这个问题欧洲 DVB 标准组织定义了同密 simulcrypt 和多密 multicrypt 2 种形式的条件接收系统 同密条件接收系统 DVB 同密技术的目的是将两家或两家以上的 CA 系统应用于同一网络平台中 从电视台 角度实现技术的选择和竞争的环境 同密允许在传输的同一套节目流中携带由不同 CAS 生成 的多个 CA 信息 以提供给不同 CAS 的接收机用户 这种方案基于通用的加解扰算法和广播 运营商与各个 CA 厂商之间关于条件接收的商业协议 采用相同控制字生成器和扰码生成器 适用于 CA 软件嵌入到接收机中的情况 不同系统之间的差别是从对 CW 的加密开始的 各 个系统使用自己的加密算法对 CW 和授权密钥 KS 加密 集成了其中一套 CA 系统的接收机 通过 ISO-7816 标准接口访问 CA 厂商提供的智能卡 接收机 STB 从插入的智能卡中读出 对应 CA_System_Id 根据这个标识获取 EMM ECM 索引信息进而滤取出具体信息发送回智 能卡 由智能卡实现解密功能 提取解扰码流所需的密钥信息 CW 给解扰器 用户管理 系统可以公用也可以分开 节目管理系统会将各种 CA 系统的标识 CA_System_Id 以及 EMM ECM 索引信息一一对应描述在 PSI/SI 信息中 原理图如下图所示 138

139 音视频 数据 CW 加扰 加 扰 流 PRBS ECM CAS1 EMM 复 用 ECM CAS2 图 5-2 EMM 同密 CA 系统 智能卡中集成了多套私有的解密算法 对应于前端生成 EMM 和 ECM 的加密算法 从 而获得 CW 送到接收解码器 STB 中 STB 的解码芯片中有集成了通用解扰算法的解扰器 用这个解扰器就可以恢复出原始信号 用户只要获得其中一种机密系统的授权就可以收看节 目 这种方式下对信号的加解扰是使用通用算法的 所以保证这种方式的通信安全全靠智能 卡 两层私有加密电路是其中的关键 这种做法要求将条件接收系统嵌入接收机中 同密技术标准化了加解扰算法和密钥传递框架 使得不同的条件接收系统可以在相同的 加/解扰器上运行 有利于共享服务和节目资源及管理方法 促进了条件接收厂商之间的合作 但是由于针对不同 CAS 机顶盒中需嵌入不同的 CA 软件 一款机顶盒一般只能捆绑接收用 某特定 CAS 加密的节目 对用户和运营商存在更换 CA 就需更换机顶盒的风险 多密条件接收系统 了解了同密的原理 多密系统的原理就容易理解了 它们的不同是对于多密系统各种 CA 系统运营商使用各自不同的 CW 不同的扰码生成器和加扰算法 相同的是 后面的两层加 密算法也是私有的 这使接收端不能使用解码芯片中的公共解扰算法电路 但使用条件接收 模块很好地解决这个问题 它是将接收端所需的 3 层解密电路都集成到一个使用通用接口标 准的模块中 DVB 多密技术的基本思想是将解扰 CA 以及其他需要保密的专有功能集中于 一个可拆卸的模块 PC 卡 中 模块中集成了微处理芯片和滤取 CAT EMM ECM 所需的 硬件电路 接收机 机顶盒/主机 功能可以趋于通用化 其中只包含调谐器/解调器 MPEG-2 解码器 解复用等必须的设备 具有接收未加扰或已解扰的 MPEG-2 视音频 数据的功能 在主机和模块之间定义一个标准公共接口 Common Interface CI 进行连接和通信 公共 接口在逻辑上分为两部分 传送流 Transport Stream TS 接口和命令 Command 接口 前者用于 MPEG-2 TS 流的传送 主机需要做的就是滤取出节目对应的 PMT 表 获取 CA 相 关的信息按通用接口标准协议规定的格式发送到模块就可以了 经模块处理之后 这些节目 139

140 被解扰并送回主机 其他没有被选择的节目则不作处理 命令接口用于实现主机和模块中运 行的各种应用之间的通信 它可以支持同一主机和多个模块之间的连接以及各种复杂事务的 处理 这种方案的好处在于 同一机顶盒可接收任意 CA 系统加扰控制的节目 当选择更换 CA 时只需换用相应的 CA 模块 机顶盒可以保持不变 一般机顶盒扩展有多个公共接口 可同 时与多个 CA 模块相连 并自动或在人机交互的基础上识别哪个 CA 模块应处于工作状态 采用多密技术 用户可以有选择其他 CA 服务的可能性 同时 CA 系统的更新升级也十分方 便 同密和多密方式的原理如下图所示 通 用 接 口 TS 音视频输出 解调 TS 解码 CW 解扰 同 密 CA 系统软件 智 能 卡 图 EMM/EC M 滤波 同密系统 解 码 通 用 接 口 解 CW 多密 扰 CA 系统 滤 软件 波 智能卡 多密系统 音视频输出 同密和多密 CA 系统接收图 二者的比较 在同密方式下 TS 流中载有所有应用的 CA 系统的 EMM 和 ECM 增加了发送端复用 难度 每个 EMM,ECM 流都必须分配惟一的 PID 还有一些同步要求 同时也增加了通信 带宽要求 一个 TS 流中通常只有一套 CA 系统的应用 所以信息量比多密方式小 由于同密系统的机顶盒内必须集成特定 CA 系统软件 而多密方式的接收机将与 CA 相 关的软硬件系统都集成在一张模块中 机顶盒可应用任何符合通用接口标准的模块 因此可 应用在多种 CA 系统中 通用性方面多密优于同密 多密方式的控制字 CW 形式和 3 层加密算法都是私有的 若要破解至少需要已知 2 套加 密算法 而同密算法使用的 CW 编码空间是公开的而且使用的解扰算法是通用的 所以它比 多密系统少了一层防破解防线 再次 由于支持同密系统的机顶盒与智能卡之间的通信接口 比多密系统开放 盗密者很容易从主机与卡的通信接口间盗取通信数据进行分析或用于激活 另外解码器 达到盗版的目的 事实上当前破解的系统大多使用这种途径 所以在接口安全 上同密系统也比多密系统差 140

141 虽然多密系统有以上优势 但是它需要花费成本的代价 多密系统的机顶盒总体上要比 同密下的花费更多成本 同时发送端也要耗费更大的设备成本 当前我国正处于数字电视发 展的初级阶段 由于成本的原因 同密系统还是目前国内数字电视的主流 但从发展来看 多密系统必将取代同密系统 条件接收系统构成及特点 条件接收系统的安全保障措施 一个条件接收系统包括两个加密子系统 一个是节目加密系统 对播出的节目内容进行 加密 习惯上称为加扰 它的作用是扰乱节目信号 使得未经授权的用户不能收看加密节目 另一个加密系统是分层密钥加密系统 其目的是使用一环紧扣一环的层次加密 保护控制字 CW 的安全 安全性是条件接收的灵魂 CA 系统在原理的设计不仅体现运行安全体系同 时也体现系统破解后可使用的应对方案 这种稳健安全体制表现在三个方面 CW 的变换机制 CW 是系统构架的基础 是条件接收的核心 对节目的加扰 采用 DVB Common Scrambling 算法 该加扰算法使用的是基于密钥的算法 控制密钥是 CW 为了保 证加扰的安全可靠 CW 一般为 60 b 所以它的编码空间是已知的 所以 CW 必须改变 在 实际中 2~10s 变化一次 并且保证充分的随机性 有效地抵抗黑客的攻击 由于前端采用了 标准的通用加扰算法 从而增强了接收设备的通用性 只要接收设备配备了同样的解扰算法 并完成了 CA 系统集成 即具备了收看加扰节目的条件 如果有授权即可收看加扰节目 若 是对 CW 攻击 即使获得一个 CW 它的使用期限也是十分有限的 这种变化机制使对 CW 的盗取变得没有意义 SK 的升级体制 对加密电路 A 的算法攻击是当前最常使用的一种破解途径 同时它的 成功率也是最高的 若是已知加密算法和 SK 就可以由 ECM 解出 CW CW 的变化机制也失 去作用 强健的加密算法是保证安全的关键 如果算法被破解 当前的 SK 就必须升级 使 盗版卡失去效用 所以 SK 足够大的编码空间也是提升系统安全等级的必要条件 智能卡的电路设计 智能卡是一块内置有微处理器 RAM ROM 和 E2PROM 的芯片 存储分配密钥 解密算法和操作程序 分配密钥是整个 CA 系统的最后安全防线 它的重要 性不言而喻 所以智能卡的电路特别是存储分配密钥的 ROM 设计成不可扫描方式 一旦被 检测 ROM 中数据自动被擦除 同时 为防止操作程序被拷贝 将存储区分段保存应用程 序 每段程序各有不同的保密代码 没有一种加密算法是永不被破解的 现阶段许多国外著名的 CA 系统有被破解的记录 基本上都是第二和第三种方式的攻击 现在最有效的做法是更换智能卡 彻底更新两种加密 算法 这种做法虽花费比较大 即是最有效增大破解周期的做法 条件接收系统的组成 条件接收系统主要由以下几个部分组成 集成管理系统 IMS 节目管理系统 PMS 用户管理系统 SMS 前端条件接收系统 CAS 电子节目指南系统 EPG 复用加扰处 141

142 理系统 接收端 CA 系统 智能卡发行与管理系统 集成管理系统 IMS 设置系统参数 连接系统中各组成部分 管理和控制系统的 执行 节目管理系统 PMS 对节目进行定义 编辑 编排 查询 产生节目时间表 用户管理系统 SMS 对用户信息 用户设备信息 节目预定信息 用户授权信息 财务信息等进行处理 维护和管理 同时可为其他子系统提供用户授权管理的基本 数据 前端条件接收系统 CAS 完成用户授权控制信息 ECM 及用户授权管理信息 EMM 的获取 生成 加密 发送等处理 电子节目指南 EPG 系统 自动提取节目数据库中的节目描述信息 并转化为 DVB 的业务信息 SI 同时按一定的周期发送这些信息给复用器 复用加扰处理系统 定义了同密同步器 SCS 授权管理信息发生器 EMMG 业务信息发生器 SIG 的接口 加扰采用了标准的 DVB 加扰算法 接收端 CA 系统 接收并处理前端 CA 系统发送来的 ECM EMM 信息 并通过标 准的通信接口与智能卡进行数据交互 获取解扰控制字 传给解扰器完成解扰工作 同时提供有关 CAS 的辅助信息给接收设备 供接收设备显示 智能卡发行系统 发行 CA 系统中所需的各种智能卡 包括系统母卡 系统钥匙卡 系统控制卡 用户接收卡等 针对上述各种智能卡 分别设计了不同的卡发行系统 这些系统包括 母卡密钥发行系统 母卡授权发行系统 系统卡发行系统 用户接 收卡发行系统 用户接收卡授权编辑系统等 条件接收系统的特点 加解扰使用 DVB Common Scrambling 通用加扰算法 CW 控制字随机产生 并频繁变化 每 2 10 秒钟改变一次 传输中的 ECM EMM 消息使用了多级密钥加密保护 可定期通过空中发送消息改变用户的多级密钥 会话密钥或用户的有关授权 从而 增加了系统的抗攻击性 系统结构符合国际 DVB SimulCrypt 标准 开放性接口与其它的 DVB 前端系统连接 系统拥有独立的加扰机 可以方便地与其它的不支持 DVB Simulcrypt 的前端系统连 接 前端系统基于局域网开发 可在网络环境下灵活配置和使用 完成多种收视控制和管理功能 预订收视 可按频道 主题级别 分类等授权方式控制用户的收视 每视收费 PPV IPPV 等授权方式控制用户的收视 免费收视 发送免费收视授权 供指定用户群免费收视节目 预览功能 切换频道时短时收看 区域管制 对某一指定范围的用户实施收视管制 强制关闭或开启收视授权 系统支持广播邮件 B-Mail 的生成 发送 和接收

143 父母锁定控制 家长可以通过密码设置 控制节目的收看 支持机卡配对 未配对的设备无权收视加密节目 支持防录制 设置防录制标记 可控制接收设备录制节目 STB 程序下载或智能卡加密算法下载 下载应用程序到 STB 或智能卡上 改变设备 的接收和控制功能 集成了电子节目指南生成系统 节目管理系统 用户管理系统 机顶盒接收系统 以及多种独立的智能卡发行与管理系统 条件接收系统的功能 提供多种授权方式 1 节目定期预订 Subscription 节目定期预订又可以细分为分类分级方式和节目组合方式 分类分级方式用于创建嵌套 订购的产品 用户购买节目时可以自己挑选想要收看的类 并在类中指定想要的级 也就是 选定想要收看的产品 节目提供商添加相应的授权 通过 EMM 发送到用户的智能卡中 智 能卡存储该授权 用户收看节目时只有节目的类等于卡中授权的类 并且小于等于卡中授权 的级时 才可以收看该节目 节目提供商需要定义的不同产品来对应各类各级 分类分级方 式虽然可以提供给用户比较自由的选择空间 但还是不够灵活 节目组合的方式应运而生 节目提供商可以把它的节目分成不同的节目列表 2 节目分次预订 PPV 分次预订的节目是基于节目号实现的条件接收 节目提供商为每个将要播出的节目定义 一个节目事件号 在节目播出前节目提供商通过 EMM 消息或其它的方式通知用户将要播出 的节目及播出时间 用户通过打电话点播想要收看的节目 节目提供商添加对应的节目事件 授权 通过 EMM 授权发送出去 用户接收到 EMM 后把授权存入卡中 到节目播出时 只 要用户卡中存储的事件号和节目的事件号相同 用户即可收看 3 节目即时购买 IPPV 不同的节目号及价格 按次记费方式 IPPV 数据可经电话或电缆回传 即时购买的节目 是最灵活的收看方式 节目提供商可以为每个即时购买的节目定好收看的费用 预览时间长 度 以控制字计 节目播出时用户可以收看一段预览节目 预览结束后会在屏幕上显示该节 目的价钱 并询问用户是否购买收看该节目 如果用户选择购买 并输入正确的用户密码 就完成了节目的购买 而无需提前打电话预定节目 以上的三种基本形式实际上可以将节目源进行任意定制组合 为不同爱好的观众提供最 适合其特点的个性化的服务 实现地区的阻塞 节目提供商可以通过使用地区阻塞 禁止指定地区内的用户收看节目 尽管他们有授权 143

144 这种方式是地区阻塞 一般情况下 地区是基于智能卡所有者所在的地理位置来划分的 智 能卡中的每个密钥集都有自己的 GCA 用来指明地理位置 发送 EMM 消息 EMM 消息可以分为惟一寻址的消息和全局消息 全局消息发给所有属于该节目提供商 的用户 这个消息将通过在屏显示 OSD 显示在用户的电视上 一般用于发送第二天的节 目预报 或者新节目的介绍等内容 惟一寻址消息意思是这个消息将通过惟一的 ID 发送给指定的用户 只在这个用户的屏 幕上显示节目提供商发送出的消息 其他用户无法收到这个消息 这种消息适用于通知用户 交费等用途 节目提供商可以设定消息显示的时间 比如 60 秒 用户可以手动取消它 实际上这是一 种广告或节目通知的手段 发送邮件 邮件可以分为惟一寻址的邮件和全局邮件 用户收到邮件后 邮件并不马上显示在屏幕 上而只是提醒用户有新邮件 只有用户手动查看邮件时 邮件的内容才会显示在屏幕上 惟 一寻址邮件意思是这个邮件将通过惟一的 ID 发送给指定的用户 用户查看后 邮件并不会 丢失而是存储在机顶盒中 直到用户手动删除邮件或者存储达到最大数目的限制而又收到新 邮件时删除最旧的邮件 不同层次的加扰方式 分别对 PES 层 Program Elementary Stream 和 TS 层 Transport Stream 加扰 当对 TS 加扰时 对视音频和数据都采用同一个控制字 CW 进行加扰 CW 在一个相同 PID 的 ECM 流中传输 如果对 PES 加扰 视音频和其他数据流分别在最基本层次被不同的控制字 加扰 而且在不同 PID 标识的 ECM 中传输 这种不同层次的加扰方式为用户提供了更多的 选择和灵活性 例如可以在同套流中加入多国语言的支持 满足不同要求 成人级分类 智能卡严格按照成人级分类对密码进行验证 保证适当年龄的人群收视适当的节目 指定一机一卡方式 默认情况下 一般不指定这种方式 但如果想禁止用户持自己的卡而借用他人的机顶盒 收看节目 就可以以这种一机一卡方式进行匹配验证 智能卡认证 智能卡和机顶盒之间的通信是加密的 用来保护智能卡解密出来的传输给机顶盒的控制 144

145 字 此功能将智能卡和机顶盒之间的通信又加了一把锁 严格控制着通信的安全性 机卡分离技术介绍 机卡分离的目的 数字电视接收机 或机顶盒 与智能卡的配和分为机卡配对和机卡分离 机卡配对是指 接收机与智能卡必须一一对应才能完成信号的授权接收和还原 机卡分离是指接收机是通用 的 只需要合法的智能卡配合就可以实现信号的授权接收和还原 在国家广电总局整体转换政策的推动下 目前我国有线数字电视的发展开始进入快车道 在有线电视整体转换的过程中 运营商普遍面临降低机顶盒成本和增加增值应用的两难问题 由于我国有线电视体制为划地区 多层次结构 各地电视台采用不同系统 各地信号的加密 方式 条件接收 CA 系统是不同的 而这些系统互相并不兼容 因此对用户授权的控制功 能跟当地有线电视运营单位密切相关 数字电视接收机产业面临着标准不统一和地域性差异 制约着机顶盒量产和一体化数字电视机上市的难题 数字电视与模拟电视的区别主要体现在 三个平台上面 信道平台 信源平台和应用平台 信道平台通过调制解调和纠错编解码技术 实现数字电视信号的在不同信道环境下 地面 有线 卫星等信道 的可靠传输 信源平台 使用音视频压缩技术实现音视频数据的高效传输和存储 应用平台提供 CA 条件接收 EPG 电子节目指南 下载器 数据广播和 VOD 视频点播 等多种数字电视增值应用 目前 国内外广播界针对信源平台的标准高度统一 MPEG-2 信道平台也相对的统一和稳定 而 由于数字电视的应用层出不穷 没有也难以做到针对各种应用的统一标准 目前我国市场上 存在着多种 CA 下载器 EPG 数据广播和中间件系统 各种增值应用更是多种多样 大 大提高了机顶盒厂商的研发 生产 市场推广和技术支持的门槛 机顶盒难以量产和降低成 本 提高可靠性 一体机更是难以上市 机卡分离的最大优势是接收设备制造商能够进行大批量的规模生产 各地有线电视运营 单位只需要考虑自己的 卡 而不必考虑机顶盒的问题 机卡分离加入扩展接口后 可以减少 机顶盒功能 降低机顶盒的成本 扩展功能不限于 CA 分离 靠这个扩展接口增加功能 开 展增值业务增加收入 在不太需要再投入的情况下 靠百姓自愿购买的扩展业务和已有的或 购买的扩展产品 减少重复投资 国外机卡分离技术介绍 针对机顶盒市场被多种 CA 分割的问题 为了使数字电视接收机可以在普通市场上销售 促进公平竞争 欧洲 DVB 首先制定并于 1995 年 3 月颁布了针对 CA 机卡分离的 DVB-CI EN 标准 针对数字电视高速传输流的需要 作为 PCMCIA 组织的执行成员 SCMM 公 司向 DVB 推荐了当时的高速接口 PCMCIA 标准组 1990 年颁布的 PC Card TypeII 接口作为 DVB-CI 的物理接口 并被采纳 DVB-CI 并未装入与保密有关的全部功能 该方案将 CA 系 统几乎全部由 PCMCIA 大卡实现 国际上 DVB-CI 产品主要由 SCMM 公司生产和销售 在 全球累计销售了 700 万张 CAM 卡 使用 CAM 卡的数字电视用户约占 2 145

146 在美国的有线电视机顶盒一直以来都是由几家有线电视运营商控制发送 没有进入商业 销售 为了打破垄断 美国 FCC 早在 1992 年和 1996 年颁布的通信法案中就规定有线电视用 户有权选择其有线电视服务接收设备 并在其颁布的 NPRM 法令中要求在机顶盒和其它消费 设备的销售中进入竞争机制 FCC 又在 1998 年 6 月颁布命令 要求有线电视运营商在 2000 年 7 月 1 日前制造出分离式的安全 CA 模块以实现接收设备的商业销售 在执行该法令的 过程中 当时美国广播运营商和有线运营商主要关心两个问题 一是针对内容提供商对节目 内容保护的要求愈加强烈 二是要采用有足够带宽的接口技术以满足音视频的传输要求 当 时可以考虑的接口只有 2 个 一是 DVB-CI 采用的 PCMCIA PC Card TypeII 接口的 Byte 并行 传输方式 可以提供 80Mbps 的传输速率 另一个是 IEEE 组织在 1995 年颁布的 IEEE1394 接口 该接口是专门为实时双向传输音视频流设计的串行接口 设计速率可达 400Mbps 美 国 CableLab 公司和 SCTE 联合开发了针对这两种接口的内容保护技术 一是借鉴 DVB-CI 开 发的基于 PCMCIA PC Card 接口的 POD 技术 现改称 Cable Card 另一个是基于 IEEE1394 接口的内容保护技术 CableLab 公司于 2000 年 1 月发布了 POD 标准 并于当年年底正式提交给 FCC POD 标准规定在一张 PC 卡 POD 模块 上装入与保密有关的全部功能 包括认证电路及密钥数 据 解扰电路和有线传输数据业务接口规范 DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification 的 MAC 层电路等 规范中还包括被称为 OOB Out-Of-Band 的上行和下行 控制用数据通道 按照 1998 年 6 月的规范议案 POD 模块首先利用 OOB 通道与前端通信并 进行认证处理 经机顶盒解调得到的比特流一次性全部输入 POD 模块 如果认证结果正确 则 POD 模块对接收的比特流进行解扰处理 解扰后的比特流再返回机顶盒 FCC 要求 2005 年 1 月 1 日以前美国的有线电视运营商要开始采用 POD 或 IEEE1394 技 术实现安全模块的机卡分离 由于 FCC 法令要求的时间紧 多数接收机设备厂商只能用可以 借鉴的 DVB-CI 技术实现进行 POD 接口的研发 美国 FCC 不得不将时限推迟到了 2006 年 7 月 1 日 我国自主知识产权 UTI 机卡分离方案 目前在中国市场上不但存在多种 CA 系统 EPG 下载器 数据广播 VOD 更是林林总 总 要实现数字电视接收机在普通市场上的水平销售 必须实现这些功能的彻底分离 我国 在今天研发和制定数字电视接收机机卡分离的技术和标准要着眼于目前和未来我国市场的需 求和应用环境 在 2002 年初清华大学联合体在提出针对我国国情的数字电视机卡分离技术方 案时 认真研究了国内外数字电视应用的现状和发展趋势 研究了国际上的机卡分离技术和 高速接口技术 在信息产业部电子发展基金的支持下 着重从技术的先进性 可实现的功能 和性能 自主知识产权和技术的可实现性等三个方面考虑制定技术方案和标准草案 USB 标准组织在 2000 年 4 月底发布了 USB2.0 高速接口标准 4 根腿 可以在其 2 根 数据线上实现理论最高 480Mbps 的传输速率 与欧洲和美国采用的 PCMCIA PC Card 接口标 准 68 根腿 80Mbps 和 IEEE1394 接口标准 4 腿 400Mbps 相比 具有更高传输速率和 更简单实用低成本的机械结构 更重要的是 PCMCIA PC Card 标准和 IEEE1394 标准都有知 识产权费用的要求 清华大学联合体利用后发优势 在其提出的 UTI Universal transport Interface 机卡分离接口协议一方面在物理层采用当时最高性能并免知识产权费的 USB2.0 接 146

147 口 另一方面在其上面四层协议中 见下图 规定了实现 EPG 下载器 数据广播 调协器 和数字内容版权保护等多种应用的信令和数据传送结构 图 5-4 传输协议示意图 由于 USB2.0 接口在一开始并不是针对音视频的传输设计的 为了实现音视频高速双向 实时传输功能 清华大学设计团队成功开发了 TS over USB 的核心技术 在 USB2.0 接口上 通过硬件第一个实现了串行高速实时双向传输 突破了 USB 接口的应用领域 为了节省 CPU 对接口控制的操作 清华大学联合体企业又开发生产了国际上第一块低成本 TS over USB 的 专用芯片 通过硬件实现音视频流的传输协议转换和控制 与 PCMCIA 和 1394 方案相比 极大地节省了 CPU 资源和软件开发工作量和存储空间资源 另一方面 UTI 协议采用通用 USB 接口协议 支持目前市场上现有 USB 应用 具有很强的功能扩展空间 目前国际主要 数字电视芯片厂商都已经或正在将 USB 接口加入到数字电视芯片产品中 预计在未来的一 二年内 USB 接口可望成为数字电视接收机和机顶盒的必备接口 这就为推广 UTI 机卡分离 技术打下了良好的市场和成本基础 2005 年 5 月信息产业部改组机卡分离标准工作组为数字电视接收设备机卡分离标准工作 组 改组成立了由 30 余家国内主要数字电视接收机和机顶盒生产企业 软件企业和运营商组 成的 UTI 机卡分离标准项目组 目前已经开发完成了多种基于 UTI 机卡分离技术的机顶盒和 一体机平台和产品 实现了 UTI 机卡分离接口芯片的量产和支持多种应用 UTI 卡产品的产业 化 UTI 机顶盒在河北省已经正式在用户家投入使用 成为目前国内第一个投入市场并正式 使用的机卡分离方案 运营商可以首先发送低成本的满足基本运营要求的机顶盒 但要在该 机顶盒上预留一个 UTI 接口 不需要发送 UTI 卡 以后运营商希望增加新的增值服务时 只 需增加相应的 UTI 应用卡实现应用 而不必更换机顶盒 大大降低升级换代成本 无论是就面向未来的技术前瞻性还是产业化进程 专门为中国数字电视量身度体设计开 发的基于 USB 接口的自主知识产权的 UTI 标准都大大优于基于 PCMCIA PC Card 接口的欧 洲标准 DVB-CI 都能更好地满足有线网运营商进行数字化转换对机卡分离的要求 UTI 方 案是中国数字电视 机卡分离 策略的最优选择 147

148 5.7 数字电视的传输方式 由于数字视频码率压缩技术的迅速发展 数字压缩电视节目不断增多 电视人口覆盖率 要求不断提高 一个完美的视 音传输方式 能否将电视节目分配和广播到户 已愈来愈引 起人们的关注 目前 民办一些发达国家已普遍采用卫星 微波和有线相结合的传输网络 我国也开始 利用卫星传送多路数字压缩电视节目 以及微波中继系统和 CATV 系统形成的网络到户 1995 年 11 月 我国中央电视台用中星 5 号 G 频段成功地向全国播出了体育 电影等五 套数字压缩的电视节目 1996 年 8 月又采用美国 SA 公司的符合 MPEG-2/DVB 标准的设备 向全世界播出了中央 3 台和中央 4 台的数字压缩电视节目 1997 年初 我国 MPEG-2/DVB 标准 用亚洲 2 号卫星的 3B 转发器以 SCPC 方式传送了 河南 内蒙古 青海 广西 湖南等五省区的数字压缩电视节目 用亚洲 2 号卫星的 6B 转 发器传送了福建 广东 湖北 江西 辽宁等五省的数字压缩电视节目 也采用 SCPC 方 式 数字压缩技术的上星广播 给我国的数字电视发展注入了新的生机 在我国将多套数字压缩电视节目送上卫星的方式 通常有两种 一种是将每套节目各自 调制一个载波后发至卫星 另一种是将几套节目的数据流合成一个数据 然后调制一个载波 将其发至卫星 前者被称为 SCPC 单路单载波 方式 后者被称为 MCPC 多路单载波 方式 我国各省台采用的 SCPC 方式 共用一个转发器 中央台因传送的是多套节目 因而 采用了 MCPC 方式 在接收端根据不同用途可有两种接收方式 一种是通过有线电视台配备的 IRD 业务 将 收到的卫星数字电视信号转换成模拟信号 以常规方式送入有线电视网 另一种是直接到户 但这时家庭要配备一个家用 IRD 卫星数字电视信号就可以直接送到电视机 使用户十分方 便地收看到电视节目 目前 我国各地城镇已建起了 CATV 系统 并且也正在向更高级阶段发展 使得大型工 矿企业能与城镇 或几个城市之间实现 CATV 的系统联网 从而使传输距离由几公里扩大到 几十分里至几百分里的范围 由于业务内容的不断增多 对传输距离的扩大 除了要求各种 设备的高性能外 还必须解决远距离传送手段 目前普遍使用的优质同轴电缆 即使设计了 合理的放大器 对于甚高频最远可传 14km 而全频道系统只能传送 2.75km. 因柴解决远距离传送 除利用可以传送几十公里的光纤技术外 主要一种方法是利用微 波技术 即用微波作为 CATV 系统的延绅 微波即频率为 30MHz-300GHz 范围内的电磁波 其波长为 1m-1mm 由于微波具有频带宽 稳定性好 直线传播 定向收发等特点 目前各 国的电视传输网中的远距离传输几乎都采用了微波中继系统 我国也是如此 在大型 CATV 系统中已经进入使用电视微波技术的阶段 148

149 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握电视电视条件接收的基本原理 掌握数字电视同密与多密 CA 原理 掌握数字电视条件接收特点 掌握数字电视条件接收功能 掌握数字电视机卡分离原理 149

150 第6章 数字电视广播系统 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握数字电视三大制式 掌握三种制式的优缺点 掌握我国数字电视标准的发展现状 6.1 数字电视广播系统概论 根据信号传输媒体的不同数字电视的广播方式分为卫星 有线和地面广播 卫星数字电 视广播和有线数字电视广播系统的信道编码和高频调制方式在国际上有公认的 优化的成熟 技术 参数标准各国基本类同 已经普遍先行推出 目前国际上相对较成熟的数字电视信号 传输标准大致分为三类 即以欧洲为典型的 DVB 以美国为代表的 ATSC 和由欧洲的 DVB 衍生出来的集中在日本的 ISDB 地面开路广播通道的传输媒体其传输特性与卫星和有线相比较有较大的不同 在信道编 码和高频调制的信号处理方式方面各国有不同的侧重考虑 现在 国际上对此有着三种制式 即美国的 ATSC 制式 欧洲的 DVB-T 制式和日本的 ISDB-T 制式 前两种制式于 20 世纪末 已分别在美国和英国得到实际应用 日本的制式也于 21 世纪初开播 本章将介绍这几种已实用和将使用的数字电视地面广播制式 主要学习它们的信道编码 和高频调制方式 关于演播室参数主要分 SDTV 和 HDTV 两类 信源编码都采用 MPEG-2 的码率压缩标准 美国的 ATSC 美国对新一代电视的研究工作十分重视 1987 年成立高级电视顾问委员会 ACATS 1990 年美国 FCC 提出发展 HDTV 系统的三条基本原则 放弃信源兼容 坚持信道兼容 频 谱利用上与常规电视兼容 HDTV 地面广播从禁用频道开始 因此 HDTV 广播接收要有抗常 规电视干扰的能力并尽量避免对常规电视的干扰 1991 年对六套 HDTV 系统 其中包括两 套模拟系统 进行测试 淘汰了两套模拟系统 决定采用全数字电视制式 1993 年 5 月 提 出四套全数字方案的公司联合成立数字电视大联盟 GA Grand Alliance 1994 年 4 月 GA 推出了数字 HDTV 大联盟制式 它不但吸取了本国各主要数字 HDTV 制式的优点 而且从 150

151 日本和欧洲的研究中得到许多启示 因此标准高 方法灵活 美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播 1996 年 12 月 24 日 美国正式批准了由 ATSC Advanced Television System Committee 先进电视制式委员 会 制定的主要用于地面广播数字电视的标准 称之为 DTV ATSC 数字电视标准由四个分 离的层级组成 最高层是图像层 确定图像的形式 包括象素阵列和帧频 第二层是图像压 缩层 采用 MPEG-2 图像压缩标准 第三层是系统复用层 特定的数据被纳入不同的压缩包 中 最后一层是传输层 确定数据传输的调制和信道编码方案 DTV 标准包括视频编码输入 扫描格式和预处理 视频编码压缩和压缩参数 音频编码器输入格式 预处理 编码和压缩 参数 服务业务复用 传输层特性及规范 其视频压缩采用 ISO/IEC MPEG-2 标 准 音频压缩采用 ATSC 标准 A/52 即 AC-3 复用和传输系统采用 ISO/IEC 以及 ATSC 标准 A/52 DTV 的 RF/传输子系统采用具有导频的残留边带调制 VSB 分为地面广播和高数据率两 种模式 TCM-8VSB 用于地面广播 它在 6MHz 频带内的传输的净荷数码率为 19.39Mb/s 单位频带数码率为 3.23b/s /Hz 一般可传送 4 套标准幅宽度电视节目或一套 I 高清晰度电视节目 接收端采用复杂的自适应均衡器以解决传输信道衰落问题 系统采用以 RS 码作为外码 多电平格状编码作为内码的级联编码的正向纠错和数据交织措施 用 RS 编码 能够纠正 10 个误码 并且采用更长的 52 个 RS 块交织器 以平缓脉冲 干扰和同频道的 NTSC 干扰 对于加性白噪声信道 抗噪声能力较强 对脉冲干扰和相位噪 声也较好的抑制能力 其峰/均功率比也较小 但该系统未考虑移动接收问题是其主要缺陷 16VSB 用于高速率模式 它适用于信噪比很高的信道 高于 28.3dB 纠错方法比较简单 去除了在地面广播中采用的格状编码和现行电视干扰抑制滤波器 在 6MHz 频带内的传输数 码可达 38.57Mbps 可用于有线电视网等环境 目前采用 8VSB 标准的有美国 加拿大和南美部分国家 某些国家和地区也曾考虑采用 但因它在室内和移动接收方面的弱点可能改用其他标准 在普及推广数字电视的政策上 美国采取政府强制过渡的方式 以保证数字电视能成功 实现 1997 年 4 月 颁布实施了数字电视地面广播的时间表及电视频道分配方案 美国通讯 委员会 FCC 规定 在推动数字电视的过程中 广播公司只要能向公众提供用户逐渐信赖的免 费节目 就以根据他们认为最好的业务来使用他们的频道 为了保证数字电视的顺利发展 FCC 要求 10 大市场中的 4 大网络 ABC CBS FOX NBC 的联播电视台到 1999 年 5 月必须播出一个数字业务 这一要求已于 1998 年 11 月实 现 此外还规定 2004 年 7 月新生产的 36 英寸以上的电视机必须配有数字调谐器 2005 年 7 月 英寸的电视机也必须配有数字调谐器 2007 年所有电视机都应该能够接收数字 电视 ATSC 数字电视标准由四个分离的层级组成 层级之间有清晰的界面 最高层为图像层 确定图像的形式 包括像素阵列 幅型比和帧频 第二层是图像压缩层 采用 MPEG-2 图像 压缩标准 第三层是系统复用层 特定的数据被纳入不同的压缩包中 如节目 1 图像 节目 2 声音 或者辅助数据 采用 MPEG-2 系统标准 最后一层是传输层 确定数据传输的调制 和信道编码方案 对于地面广播 其标准采用 Zenith 公司开发的 8VSB 此系统可通过 6MHz 的地面广播频道实现 19.3Mb/s 的传输速率 该标准也包含适合有线电视系统高数据率的 151

152 16VSB 模式 可在 6MHz 的有线信道中实现 38. 6Mb/s 的传输速率 下面两层共同承担普通数据的传输 上面两层确定地普通数据传输的基础上运行的特定 配置 如 HDTV 或 SDTV 标准清晰度电视 上面两层还确定 ATSC 标准支持的具体图像 格式 共有 18 种格式 HDTV6 种 SDTV12 种 14 种采用逐行扫描方式 HDTV 1920 像素 H 1080 像素 V 宽高比 16 9 帧频 60Hz/隔行扫描制 帧频 30Hz/逐行扫描制 帧频 24Hz/逐行扫描制 HDTV 1280 像素 H 720 像素 V 宽高比 16 9 帧频 60Hz/逐行扫描制 帧频 30Hz/逐行扫描制 帧频 24Hz/逐行扫描制 SDTV 704 像素 H 480 像素 V 宽高比 16 9 或 4 3 帧频 60Hz/隔行扫 描制 帧频 60Hz/逐行扫描制 帧频 30Hz/逐行扫描制 帧频 24Hz/逐行扫描制 SDTV 640 像素 H 480 像素 V 宽高比 4 3 帧频 60Hz/隔行扫描制 帧 频 60Hz/逐行扫描制 帧频 30Hz/逐行扫描制 帧频 24Hz/逐行扫描制 HDTV 除 1 种之外 图像格式都采用逐行扫描 因为 格式不适合在 6MHz 信 道内以 60 帧/秒进行逐行扫描 故以隔行扫描取代之 SDTV 的 图像格式与计算机 的 VGA 格式相同 保证了与计算机的适用性 在所有 12 种 SDTV 格式中 有 9 种采用逐行 扫描 保留 3 种为隔行扫描方式以适应现有的视频系统 尽管 ATSC DTV 标准包含了高数据率的 16VSB 传输模式以适应有线电视系统 而美国 的有线电视业实际上采用的是相近但不相同的标准 这是因为美国有线电视业在 ATSC DTV 标准被 FCC 通过之前已对发展不同的数字化技术投入大量的资金 作为 ATSC 的重要成员 有线电视通信工程协会已采纳了数字化有线系统的标准 此标准协调了美国有线工业现行标 准化和 ATSC DTV 的标准 另外 这些有线标准包括反映现行标准的一级图像格式 ATSC SDTV 图像格式 同时 设定了一套二级图像格式 有线业可用于后兼容的电视上 二级图像格式与 ATSC DTV 格式 相同 包括 HDTV 和 SDTV 两种格式 另外 ATSC 还开发通过了在帧频为 50Hz 的国家使用 的另行标准 HDTV 的像素阵列相同 但帧频为 25HZ 和 50HZ SDTV 格式的垂直分辨率为 576 行而水平分辨率则不同 也包含 格式 适应必要的窗口设置 基于 50Hz 版本的 ATSC DTV 标准使采用帧频为 50Hz 的国家更易于使用 欧洲的 DVB 1995 年 欧洲 150 个组织合作开发数字视频广播 DVB Digital Video Broadcast 项目 并成立了 DVB 联盟 DVB 联盟是一个由 30 多个国家和地区的 260 多个成员组成的国际机构 该机构的首要目标是在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准 DVB 联盟共同制定 了数字电视的 DVB 标准 欧洲的全数字电视系统包括从地面广播 卫星传送 有线电视 包括标准清晰度数字电视 SDTV 和数字高清晰度电视广播 HDTV 这是一套有关电视广播系 统大家庭诸多要素的统一标准 其中最引人瞩目的是 DVB 数字卫星和有线电视传输系统的 标准 这些标准已作为世界统一的标准被大多数国家接受 包括中国 它较其他标准的优点 是灵活可扩充和移动通信 DVB 标准规定数字电视系统使用统一的 MPEG-2 压缩方法和 MPEG-2 传输流及复用方 法 统一的服务信息系统提供广播节目的细节信息 统一的 R-S 纠错码 统一的加扰系统和 152

153 条件接收公共接口 允许不同的厂商选用不同的条件接收系统 对于不同的传输媒体 可采 用不同的调制方法及通道编码纠错方法 DVB 数字广播传输系统利用了包括卫星 有线 地面 SMATV 卫星共用天线电视 MMDS 调幅微波向多点传送 在内的所有通用电视广播传输媒体 它们分别对应的 DVB 标准中 DVB-S DVB-C DVB-T DVB-SMATV DVB-MS 和 DVB-MC 形成完整的数字 电视传输标准系列 DVB-S ETS 用于数字卫星直播电视 它采用 QPSK 调制 工作频率为 11/12GHz 使用 MPEG-2 格式 用户端达到 CCIR601 演播室质量的码率为 9Mbps 达到 PAL 质量的码率为 5Mbps 一个 54MHz 转发器传送速率可达 68Mbps 并可供多套节目 复用 DVB-C ETS 用于数字有线电视系统 该标准以有线电视网作为传输介质 工作频率在 10GHz 以下 它具有 16QAM 32QAM 64QAM 三种调制方式 采用 64QAM 调制时 一个 PAL 通道的传送码率为 41.34Mbps 还可供多套节目复用 欧洲地面数字电视传输标准 DVB-T ETS 于 1996 年制定 采用多载波编码正 交频分复用 COFDM 技术 有 2KHz 和 8KHz 两种模式 分别有 6817 个和 1705 个副载波 在 8MHz 带宽内净荷数码率为 4.98~31.67Mb/s 也可用于带宽为 6 或 7MHz 的信道 但数码 率相应减少 系统带内插入 54 个连续导频信号和 1/12 个散布导频信号 实现同步和信道估 计 系统还有保护间隔 以适应多径干扰和多个发射机的单频组网问题 这种传输系统能用 于高斯 Rice 和 Rayleigh 信道 抗静态长延时多径干扰能力强 抗动态多径失真能力也较好 可用于固定 便携和移动接收 其代价是有用数码率略低于 ATSC DVB 发展组织因预见到 移动通信与数字广播网络整合的可能性 因此在 2002 年 9 月即提案 发展适用于手持式装置 的标准 DVB-H DVB-Handheld 并在 2004 年 1 月制定出该规格的基本框架 接着在 2 月 进入验证与标准化的程序 由于 DVB-H 的发展脚步较快 不论是美标还是日标的相关技术 也都向它靠拢 DVB 的音频压缩方法可有多种选择 立体声 MUSICAM 多声道 MUSICAM AC-3 及 MPEG-2 DVB 数字广播系统除传送普通的视频 音频信号外 还需传送接收 IRD 调谐 节目指 南 以及图文 字幕 图标等信息 适用于此类基带附加信息系统的 DVB 标准包括 DVB-SI ETS 数字广播业务信息系统标准 DVB-TXT ETS 数字图文广播 系统标准和 DVB-SUB ETS 数字广播字幕系统标准 DVB 数字广播系统中的许多业务能根据需要 提供某中形式的交互服务 在通用 DVB 数字广播系统的基础上 进一步构成交互业务系统的要素包括与其他相关国际标准兼容的交 互业务网络独立协议 传送交互服务过程命令与控制信号的回传信道等 与此对应的交互业 务系统 DVB 标准有 DVB-NIP ETS DVB 交互业务网络独立协议标准 DVB-RCC ETS CATV 系统 DVB 反传信道标准和 DVB-RCT ETS PSTN/ISDN 的 DVB 反传信道标准 DVB 数字广播系统中有些业务传送的是加扰的条件接收信息 条件接收的通用接口 使 IRD Integrated Receiver Decoder 综合解码接收机 能够解扰采用通用加扰算法的加扰信息 DVB 数字广播系统与其他电信网络 例如 PDH SDH ATM 等 的连接扩展了 DVB 技术 的应用范围 其与这些电信网络的接口实现了 DVB 向电信网络的过渡 此外还有用于连接 专业设备及 IRD 的接口 关于这些接口的 DVB 标准包括 DVB-CI EN 条件接收 153

154 及其它应用的通用接口标准 DVB-PDH ETS PDH 准同步数字系列 网络 DVB 接口标准 DVB-SDH ETS SDH 同步数字系列 网络 DVB 接口标准 DVB-ATM ETS ATM 网络 DVB 接口标准 DVB-PI EN CATV/SMATV 前 端及类似的专业设备接口标准和 DVB-IRDI EN DVB-IRD 接口标准 目前 欧洲的高清晰度电视虽尚未具体应用 但他们利用普通数字电视便于普及的优势 加速在全世界推广 DVB 标准 以此来和美国的数字电视标准抗衡 DVB 标准公布之后 几乎所有的卫星直播数字电视均采用 DVB-S 标准 包括美国的 Echostar 等 我国各省的卫星电视台均选用了 DVB-S 标准 DVB-T 标准是 1998 年 2 月批准 通过的 第一个正式的开路数字电视系统于 1998 年初开始运营 采用 COFDM 调制方式 适用于大范围多发射机的 8k 载波方式 数字地面电视 DVB-T 标准正在逐渐被世界各国 所采用 目前已在欧洲的 15 个国家和澳大利亚 新西兰得到应用 由于相对较低的基础设施 费用投入和各国相对简单的标准协调问题 数字卫星电视 DVB-S 网 数字有线电视 DVB-C 网和数字开路电视 DVB-T 网先走一步 发展很快 DVB 数字广播传输系统利用了包括卫星 有线 地面 SMATV MNDSD 在内的所有 通用电视广播传输媒体 它们分别对应 的 DVB 标准中 DVB-S DVB-C DVB-T DVB-SMATV DVB-MS 和 DVB-MC 1 DVB-S ETS 数字卫星直播系统标准该标准以卫星作为传输介质 通过卫 星转发的压缩数字信号 经过卫星接收机后由卫星机顶盒处理 输出现有模拟电视机可以接 收的信号 这种传输覆盖面广 节目量大 数据流的调制采用四相相移键控调制 QPSK 方式 工作频率为 11/12GHz 在使用 MPEG 2 的 MP@ML 主类@主级 格式时 用户端 达到 CCIR601 演播室质量的码率为 9Mb/s 达到 PAL 质量的码率为 5Mb/s 一个 54MHz 转 达发器传送速率可达 68Mb/s 并可供多套节目复用 在 DVB-S 标准公布之后 几乎所有的 卫星直播数字电视均采用该标准 包括美国的 Echostar 等 我国也选用了 DVB-S 标准 2 DVB-C ETS 数字有线广播电系统标准该标准以有线电视网作为传输介质 应用范围广 它具有 QAM 三种方式 工作频率在 10GHz 以下 采用 64QAM 正 交调幅调制时 一个 PAL 通道的传送码率为 41.34Mb/s 还可供多套节目复用 系统前端可 从卫星和地面发射获得信号 在终端需要电缆机顶盒 3 DVB-T ETS 数字地面广播系统标准这是最复杂的 DVB 传输系统 地面 数字发射的传输容量 在理论上大致与有线电视系统相当 本地区覆盖好 现在采用编码正 交频分复用 COFDM 调制方式 8MHz 带宽内能传送 4 套电视节目 而且传输质量高 但 这种系统其接收费用高 频道也较少 4 DVB-SMATV ETS 数字 SMATV 卫星共用天线电视 广播系统标准该 标准是在 DVB-S 和 DVB-C 基础上制定的 5 DVB-MS ETS 高于 10GHz 的数字广播 MMDS 分配系统标准 MMDS 是 采用调幅微波向多点传送 分配多频道电视节目的系统 该标准基于 DVB-S 使携带大量节 目的微波信号直接入户 用 DVB-S 接收机配上一个 MMDS 频率变换器就可接收 DVB-MS 信号 6 DVB-MC ETS 低于 10GHz 的数字广播 MMDS 分配系统标准该标准基于 DVB-C 使携带大量节目的微波信号直接入户 用 DVB-C 接收机配上一个 MMDS 频率变换 154

155 器就可接收 DVB-MC 信号 日本的 ISDB 日本高清电视的研制工作走了一段弯路 日本早在 1964 年就开始进行高清晰度电视技术 HDTV 的研究 由于拥有世界上最强大的制造技术 日本在这个领域里一度领先 1985 年它 就建立了 1125 线 每秒 60 帧的 MUSE 制式 但日本却忽视了数字技术发展的大趋势 1983 年日本开始研究 ISDB Integrated Services Digital Broadcasting 综合业务数字广播标准 1994 年 11 月 在国际电联无线电通信部门会议上 日本通过决议将 MPEG-2 作为数字广播的技 术基础予以采用 正式开始迈向数字电视 ISDB 综合业务数字广播 是 1999 年由日本的 DIBEG Digital Broadcasting Experts Group 数字广播专家组 制定的数字广播系统标准 它主要定义传输系统 信源部分仍是 MPEG-2 该标准采用频带分段传输 正交频分复用 BST-OFDM 调制技术 利用此方式在一个普通 的传输信道上发送各种不同种类的信号 同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信 道发送出去 ISDB 具有柔软性 扩展性 共通性等特点 可以灵活的集成和发送多节目的 电视和其他数据业务 ISDB 增加了部分接收和分层传输的功能 部分接收是指系统将整个 6MHz 带宽分为 13 段 每段 423KHz 主要解决窄带和宽带业务的同时接收问题 分层是指对不同段的纠错和 调制方式进行不同的设置 以针对不同重要程度的信息和不同接收条件以及不同的接收区域 1999 年制定了 ISDB-T 地面综合业务数字广播标准 在调制方面 ISDB-T 与 DVB-T 一样 选择了多载波调制 但又有所改进 ITU-R 于 2001 年批准了日本提出的 ISDB-T 地面综合业 务数字广播标准 节目内容可包括普及型清晰度电视 PDTV 至高清晰度电视 HDTV 以及音频 数据 图形 文本等 系统采用 QPSK 16QAM 64QAM 和 DQPSK 四种调制方 式 带内插入 1/12 的散布导频 射频信道划分为 13 子块 采用三种副载频调制 不同子块 可以采用不同的副载频 用于移动接收时采用 DQPSK 的副载波调制 还采用 0.5 秒时间交 织以提高接收质量 信道带宽为 6MHz 时 传输码率为 3.6~23.2Mb/s 带宽为 8MHz 时为 9~31Mb/s 用户可以根据需要选用不同的业务 例如 对于可靠性要求高的业务 如密码或 软件下载等 可保证其误码率足够低 日本 ISDB-T 系统于 1998 年在东京试播 2003 年开始商业广播 和欧洲一样 日本除 ISDB-T 地面数字传输标准外 也提出 ISDB-S 卫星和 ISDB-C 有线传输标准 其目的都是用 制定标准的办法来保护本国利益 在以上三种标准中 DVB 是世界人口覆盖率最大的一种 组织成员已经达到 265 个 来 自世界 35 个国家和地区 主要集中在欧洲并遍及世界各地 ATSC 组织成员有 30 个 其中 美国国内成员 20 个 来自阿根廷 法国 韩国等 7 个国家的成员 10 个 ISDB 筹划指导委 员会有委员 17 个 其他成员 23 个 其成员都是日本国内的电子公司和广播机构 下面分别 对这几种主要的系统进行介绍 数字电 ISDB 是日本的 DIBEG Digital Broadcasting Experts Group 数字广播专家 组 1998 年 11 月制订的数字广播系统标准 它利用一种已经标准化的复用方案在一个普通 的传输信道上发送各种不同种类的信号 同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信 道发送出去 ISDB 具有柔软性 扩展性 共通性等特点 可以灵活地集成和发送多节目的 155

156 电视和其它数据业务 ISDB 结构如图 6-1 图 6-1 ISDB 基本结构 目前 采用美国 ATSC 标准的有 5 个国家或地区 共有成员 30 个 决定采用欧洲 DVB-T 标准的已有 33 个国家或地区 其成员已经达到 265 个 ISDB 筹划指导委员会的委员有 17 个 委员之外的成员有 23 个 它们都是日本国内的电子公司和广播机构 由这 3 个数字电视 标准的成员数量及分布情况来看 可以看出 DVB 标准的发展最快 普及范围最大 6.2 ATSC 数字电视广播系统 美国的 ATSC 制标准一种数字地面电视广播制式 在地面频道规划 6MHz 的射频带宽内 能传输的符号率为 Mb/s 净荷码率为 19.28Mb/s 能携载一套高清或多套标清的电视 节目 也可用于数据传输 在与 NTSC 具有相同的覆盖区域下发射机功率容许降低 10dB 以 上 能够使用在模拟电视广播中禁用的频道在当地进行数字电视广播 实现 NTSC 和 ATSC 的同播并且逐渐向全部 ATSC 过渡 美国从 20 世纪末正式开始地面广播 HDTV 后 在初期发展并不快速 一是节目源欠丰 富 二是接收机价格偏高 三是 ATSC 制式本身尚存在些问题因此 对 ATSC 制式尚在考虑 保证兼容性下作出局部改进 ATSC 的视频及系统复用 1. ATSC 的图 像源格式 ATSC 标准中规定了可以采用的 18 种数字图像源格式 包括一帧图像的象素数和扫描方 式 ATSC 图像源格式如表 6-1 所示 156

157 表 6-1 ATSC 图像源格式 ATSC 的图像源格式 有效像素数 宽高比 扫描参数 总行数 行频 取样频率 水平 垂直 KHz MHz I 30P 24P I 30P 24P I 60P 30P 24P I 60P 30P 24P 其中 I 表示隔行扫描 P 表示逐行扫描 第一 二行为标准 HDTV 标准 第三行 为 SDTV 标准 第四行对应于计算机的 VGA 格式 综合起来 共有 18 种图像源格式 数字 电视广播台可以选择采用 24P 扫描适应于电影制作 以 1080/24P 为例 按此格式进行 HDTV 节目摄录制作 存储 入视频服务器后可通过磁转换 变成合适于 HDTV 电视广播的信号格式 表中第三行内的 格式 符合 ITU-R BT.601 建议中的 规范 由于帧间码 率压缩中的亮度宏块单元为 像素 因此每行像素取值 704 像素 在信源编码码率压缩 中运动估值时每行内丢掉左侧右侧各 8 个像素 2. 系统 复 用 ATSC 中的系统复用如图所示 可分为应用层 压缩层 传送层和传输层四层 传送层 的输出即为传送流 TS 图 6-2 ATSC 中的系统 压缩层 根据规定信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩 产生出基本流 ES 和 157

158 音频基本流 视频编码标准采用 MPEG-2 音频编码标准采用 MUSICAM 压缩技术 传送层 将 ES 打包 形成打包基本流 PES 并实现视音频 PES 的复用 组成复用的 节目流 PS 和/或传送流 TS PES 包的长度一般为一个存取单元 视频存取单元为一个 图像帧 音频为一个音频帧 图像帧有 I B P 帧之分 它们的 PES 长度不相同 在复用器 MUX 中视音频 PES 组成 PS 流和 TS 流 PS 流中按视音频的存取单元进行 复用 它们的 PES 包长度不固定 而 TS 流在其复用器中被划分成固定长度 188 字节的小包 3. TS 流包的构 成 ATSC 中的 TS 流包的构成如图 6-2 所示 188 字节中分包头和净荷两大部分 包头内又 分两层 一层是固定长度 4 字节的链接 link 层 另一层是可变长度的自适应 adaptation 层 由于自适应层长度不固定 所以 188 字节中净荷 payload 的字节数目也不是固定的 但一般地为 184 字节 第 1 个字节的包同步用于使接收端于发送端建立包同步 数据值固定 为 bit 的 PID 为包标识符 指出净荷中包含的数据信息类型 建立包同 步后 按接收端可利用 PID 值提取出需要的 TS 包内容 一个包内的净荷只能够属于同一类 型的信息 例如某一种视频节目 音频节目或某类数据等 图 TS 流包的构成图 ATSC 的信道编码 ATSC 的传输系统框图如图所示 图 ATSC 的传输系统

159 1 数据随机化 数据随机化的目的是打碎 TS 流包中可能出现的长 1 和/或长 0 避免信号在低频段频 谱上有大的能量 以适应信道的传输特性 数据随机化也称为能量扩散或数据加扰 使频谱 主要能量段向上端移动 生成多项式的表达式为 另外 在数据随机化后的 RS 编码中对每 187 个字节 同步字节除外 附加上 20 个误码 纠错 前向误码校正 FEC 字节 形成 t=10 的 RS 码 2 RS 编码 ATSC 的 RS 码为 t=10 对应的 k=187 符号 m=8 比特 监督段为 2t 20 字节 纠错能力为一段码长 207 字节内的 10 个字节 RS 码长在原理上应 n=28-1=255 为字节 实施 RS 编码时 是在 187 字节前加上 48 个全 0 字节 组成 235 字节的信息段 而后根据 RS 编码电路在信息段后面生成 20 个监督字节 得到所需的 RS 码 3 数据交织 ATSC 中的数据交织为字节交织 交织电路如图所示 ATSC 中采用 I 52 的交织深度 交织深度 I 值越大 抗突发误码的能力越强 图 6-5 交织电路图 4 格栅编码 TCM 信道编码中 为了充分提高抗误码的纠错能力 通常采用两次地附加纠错码的 FEC 编码 RS 编码属于第一个 FEC 187 字节后附加 20 字节 RS 码 构成 RS 码 这也可 以称为外编码 第二个附加纠错码的 FEC 一般采用卷积编码 又称为内编码 外编码和内编 码结合一起 称之为级联编码 级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进行调 制 159

160 TCM 编码原理 ATSC 中的内编码是将卷积编码与调制技术结合一起的格栅编码 TCM 可在不增加信道带宽和不降低信息速率下获得 3 4dB 的编码功率增益 TCM 编 码有助于提高抗随机噪声干扰的能力 ATSC 中的 TCM 编码框图如下图所示 图 6-6 TCM 编码框图 输入 X2 X1 是数据交织器串行数据流输出经串/并变换后的两路并行数据流 每对 X2 X1 代表一个符号 有四种状态 梳状滤波预编码器---作用是减弱与 NTSC 信号之间的同频道干扰 格栅编码器---Y2 直接通过它后标记为 Z2 Y1 经过 1/2 编码效率的卷积编码后输出 Z1Z0 比特对 形成 4 个电平状态的符号集合 电平的正负则由 Z2 值确定 符号映射器---表格中可看到映射关系 于是 原来 X2 X1 的 4 电平状态经 TCM 编码后变成了 Z2Z1Z0 的 8 电平状态 对载频 采用平衡调幅方式时 如果是 X2 X1 原来的 4 电平 已调制载波可有±1 ±3 ±5 ±7 共 8 种不同的振荡波 不同的幅度和相位 所以 TCM 编码后只是使一定幅度的调制载波的幅 度分级数目加倍 级差减半 并不影响已调波携载的信息速率和所需的信道带宽 虽然 级 差缩小后已调波幅度易受杂波干扰而造成接收端解码误差的可能性加大 但是 在接收端的 TCM 解码中 依靠 TCM 编码特性又有加强的纠错能力 总效果是解码差错降低 格栅编码交织器 格栅编码器对于脉冲干扰和突发误码其抗御性能并不好 为了改善这 方面的性能 编码器中采用了 12 个同样的格栅编码器并行地工作 格栅编码交织器框图如图 所示 这里实施的是段内符号交织 每段由 828 符号组成 其中的 符 号作为第一组 符号作为第二组 符号作 为第三组 依次类推 共 12 组符号分别进行格栅编码 160

161 图 格栅编码交织器框图 ATSC 中的 VSB 调制系统 1 VSB 调制 ATSC 中高频调制采用 8VSB 也即 8 电平残留边带调幅方式 它不同于 NTSC 中高频调 制的 VSB 残留边带调幅方式 后者的 6MHz 载频已调波带宽内载波本身是不抑制的 载频位 置距频道下端 1.25MHz 而 ATSC 的 8VSB 中载波本身是抑制的 载频位置距频道下端 0.31MHz 8VSB 已调波的频带如图所示 图 6-8 8VSB 已调波的频带图 由图可见 6MHz 频带的上 下端的下降边沿各占 0.31MHz 有效带宽仅 5.38MH 接收 端若收不到载波信息无法进行解调 发送端对此的做法是在多路复用器后的导频加入级内一 个小幅度同相位 即正值 的导频信息 实际是在复用数据中加上 1.25 的小值直流电平 后 面由数据对载波进行调制时 使得已调波内出现一个小值 高稳定和高精确的载波信号 称 为导频信号 VSB 发射机象通常那样采用两极调制方式 第一次将数据信号调制到一个固定中频上 第二次再上变频到所需的电视频道上 为避免 ATSC 与 NTSC 同频道干扰严重 又为了保证 ATSC 发射机具有与 NTSC 发射机同样的服务覆盖范围 ATSC 发射机的平均功率比同频道 NTSC 发射机的峰值功率一般低 12dB 2.6MHz 已调制载波带宽内可传送的 MEPG-2 的码率 可以计算出 在 TCM 编码后的 8 电平残留边带载波调幅 8VSB 中 6MHz 已调制载波带 161

162 宽内可携载信息量的基本参数值 表 两种 VSB 编码调制模式表 DVB 数字电视广播系统 欧洲的数字视频广播 Digital Video Broadcasting DVB 计划开始于 1993 年 1994 年 12 月 ETSC 欧洲电信标准学会 通过了 DVB-S DVB-卫星 标准 同年同月还通过了 DVB-C DVB-有线电视 标准 1996 年 5 月又通过了 DVB-T DVB-地面广播 标准 它 们分别适用于在三种不同的传输媒体中实施数字视频广播 其中 DVB-S 首先得到普遍的应 用 使卫星电视广播完全跨入全数字化时代 在有线电视广播中 实施数字化的公司则都遵 循 DVB-C 标准 DVB 组织首先开发全数字化的标准清晰电视 SDTV 进一步发展就可实 现数字高清晰度电视广播 因为在数字范畴内 标准清晰度电视与高清晰度电视的主要区别 主要在于码率高低不同 在数据流的处理技术方面并无根本性差别 因此 从数字标准清晰 度电视 STDV 过渡到数字高清晰度电视 HDTV 能够较为方便地随着需求与可能逐步推 进 根据卫星 有线和地面三种不同的传输媒体特性制定了 DVB-S DVB-C 和 DVB-T 三个 162

163 标准 MEPG-2 系统标准在 DVB 中的实施 DVB 系统中的信源编码标准是 MEPG-2 DVB 推荐的图象格式如表所示 视频系统复 用采用 MEPG-2 ISO/IEC138-1 标准 DVB 对于其传输的复用码流 TS 的编码和 IRD 中对 TS 流的解码规定了实施准则 DVB 系统中的音频采用 MEPG 的音频压缩编码标准 另外 DVB 在 TS 流中定义了许多辅助信息 称为业务信息 SI 使接收端可以从比特流中得到业务 和事件的有关信息 IRD 能自动调谐到可供选择的业务上 SI 可给出一种很重要数据是电子 节目指南 EPG 使用户能方便快捷地接收感兴趣的节目 163

164 表 DVB 推荐的 SDTV 和 HDTV 图象格式 DVB 中的信道编码 DVB-T DVB-C DVB-S 中的信道编码和调制传输系统框图如下图所示 输入端是视频 音频和数据等复用的 TS 流 每个 TS 包由 188 字节组成 在信道编码中 DVB-T DVB-C 164

165 DVB-S 有几种共同的处理方法如 数据加扰 外码编码 RS 外交织 I=12 和内码编码 卷积收缩编码 这有利于编解码器的制造和信号处理 图 6-9 DVB-C 的信道编码和调制框图 1 复用自适应与加扰 为了提高便于传输和接收端恢复数据 需要对输入码流进行随机化处理 或称加扰 以 使能量扩散 输入 TS 流是 188 字节的 TS 包 每个 TS 包的第一个字节是同步字节 SYNC 为 47HEX 在 DVB-T 中 将每 8 个 TS 包形成一个 TS 大包后再对数据实施随机化 加扰器采用 15 个移位寄存器构成的发生器 大 TS 流包的处理及加扰器如图所示 图 6-10 大 TS 流包的处理及加扰器 PRBS 的生成多形式 G x 为 G ( x ) 1 x 14 x15 每隔第一个 TS 大包初始化一次 为了区别初始化点 大包的同步内第一个 TS 包的同步 字节被取反码即 B8HEX 随机序列发生器从取反码的同步字节后开始作用 经 过 字节 比特后 又重新初始化 其余 7 个 TS 包的同步字节 SYNC 期间 图中的使能信号切断与门 使这些同步字节不被加扰 2 外码编码 外码编码采用截短的 RS 编码 t=8 是在每 188 字节后加入 16 字节的监督 码 165

166 15 (x ) (x i 监督码组的码生成多项式为 0 )( x 1 )...( x 15 ) i 0 本原域生成多项式为 G ( 256) x8 x 4 x3 x 2 1 实际中实施 t=8 的 RS 编码 即在 204 字节 包括同步字节 前添加 51 个全 0 字节 产生 RS 码后丢弃前面 51 个空字节 形成截短的 RS 码 3 外交织 在 RS 编码后采用字节为单元的交织 称为外交织 外交织使数据流具有抗突发干扰的 能力 交织器和去交织器如下图所示 交织深度 I=12 其中 等于外编码后的包 字节数 同步字节处于包的第一个字节 输出相对于原始输入引入了一定的延时 图 6-11 交织器和去交织器 4 内码编码 卷积收缩编码 基本卷积码 内码编码与外码编码相结合 构成了 DVB-T 中的级联编码 它增强了 FEC 能力 有利于抗御地面开路信道不良的传输环境 内码编码采用了 n k N 为 形成的卷积码 即 1 个信息比特生成 2 个编码比特 约束长度 N 为 7 比特 DVB-T 中采用的 基本卷积码电路构成如下图所示 图中的入数据流来自外 交织器 每输入一个比特生成 X Y 两个比特 166

167 图 6-12 卷积码电路 基本卷积码编码效率为 η 1/2 编码效率较低 优点是纠错能力强 收缩卷积码 如果传输信道质量较好 为提高编码效率 可以采样收缩截短卷积码 DVB 中给出了多种编码效率的收缩卷积码 收缩卷积码的几种类型和实现框图如图所示 图 6-12 收缩卷积码的几种类型和实现框图 编码效率 η 高一定带宽内可传输的有效比特率增大 但纠错能力越减弱 编码效率为 η 1/2 的基本卷积编码器将每个输入的数据比特编码成 X Y 两个并行比特 根据需要经过 收缩及并/串变换 框中输出相应的串行数据 由于卷积编码中 X Y 与输入数 据间存在约束长度 N=7 的约束关系 所以在收缩卷积码下接收端仍可对数据流进行解码 以上四种处理 数据加扰 外码编码 外交织和内码编码 在 DVB-S DVB-C 和 DVB-T 中是共同的 这有利于编解码器的制造和信号处理 167

168 6.3.3 DVB-T 中的调制系统 与卫星传输信道和有线传输信道相比较 地面开路传输信道环境差 电磁波信号容易受 到各种各样的外来杂散电磁波干扰 如果考虑到室外便携接收和移动接收 那么数字电视地 面广播在抗御随机误码和突发误码之外 还应具有抗御多径传输干扰的能力 因此 DVB-T 中采用了内交织和 COFDM 调制方式 1 内交织 DVB-T 在 8MHz 射频带宽内设置 K 模式 或 k 模式 个载波 将高码 率的数据流相应的分解成 2K 或 8K 路低码率的数据流 分别对每个载波进行 QPSK 16QAM 64QAM 调制 为提高 COFDM 信号接收解调时维特比 Viterbi 解码器对突发误码的纠错能 力 对卷积编码后数据流进一步进行内交织 包括比特交织和符号交织两个步骤 不同的调 制方式 QPSK MQAM M=16 或 64 等 有不同的交织模式 输入比特 输出调制符号的 映射如下图所示 图中示出 QPSK 16QAM 和 64QAM 三种调制模式下收缩卷积码经并/串变 换后被处理成输出调制符号的映射 168

169 图 6-13 输入比特与输出调制符号的映射 以 16QAM 为例 输入的 x0 x1 x2 分解成四路并行比特流 然后进入四个比特交 织器 符号串在符号交织器框中进一步实现符号交织 根据 2K 模式 有效载波数 或 8K 模式 有效载波数 个 的 COFDM 调制 将每 12 个 126 符号 组成一组进行交织 内交织的作用相应于频率交织 而前面的外交织相应于时间交织 2 映射与星座图 在 DVB-T 的 COFDM 调制中由每个 m 比特的符号对每个载波进行相应的调制 m=2 时 为 QPSK 调制 m=4 时为 16QAM 调制 m=6 时 为 64QAM 调制 为形成相应的调制信号 使 m 比特映射成相应的调制信号星座图 三种模式的映射和星座图如图所示 169

170 图 6-14 三种模式的映射和星座图 3 导频信号 欧洲系统中放置了大量的导频信号 穿插于数据之中 并以高于数据 3dB 的功率发送 这些导频信号一举多得 完成系统同步 载波恢复 时钟调整和信道估计 由于导频信号数 量多 且散布在数据中 能够较为及时地发现和估计信道特性的变化 4 保护间隔 为进一步降低多径造成的码间干扰 欧洲系统又使用了 保护间隔 的技术 DVB-T 中 8K 和 2K 载波模式下的保护间隔参数如表所示 170

171 表 6-4 8K 和 2K 模式的参数 COFDM 中 调制每个载波的符号率下降很多 可明显减少已调波频带内的符号间干扰 但并不能完全消除符号间干扰 为避免可能的符号间干扰 采用了在符号持续期 Ts 载波间 隔的倒数 的起始部分加入一段保护间隔 Tg 的方法 Tg 的值可以是 Ts 的 1/4 1/8 1/16 或 1/32 Ts Tg Tu 是总的符号持续期 COFDM 的保护间隔示意图如图所示 图 6-15 COFDM 的保护间隔示意图 图中表明 在保护间隔 Tg 时间内传输的是 Ts 中最后一部分的重复内容 加入保护间隔 后 只要反射波与直达波之间的延时差不超过 Tg 就不会发生符号间干扰 而本符号的反射 波将增强直达波的接收功率 带来增益 可见保护间隔减小了多径传输的影响 代价是降低 了数据传输速度 带宽效率 bps/hz 下降 5 DVB-T 不同参数的频谱效率 我们希望在一个地面电视频道带宽 8MHz 内 经信道编码和高频调制后既有优良的传输 性能又有较高的传输码率 做到在 8MHz 高频带宽内能传输一路约码率为 20Mbps 高清晰电 视或多路标准清晰度电视 DVB-T 在不同工作条件下的可传输码率如下表所示 由表可见 要在 8MHz 内传输一路 HDTV 信号 适合的参数是 64QAM 调制 内编码率 2/3 和保护间隔 1/8 这时的有效码率为 22.12Mb/s 171

172 表 6-5 8MHz 带宽的有效码率 6 单频网 COFDM 适应于多径接收 因为每路载波的调制符号数据率大为降低后其符号周期显著 增大 多径信号的延时时间 在几十微秒之内 相对于符号周期只占很小比例 接收端接收 时反而可能是多经信号能量与主信号能量被相加起来应用 使有害的多经变为有利的所需信 号 由于多经信号可辅助直达信号加以应用 因此 COFDM 适合于在地面上组成单频网 同 频网 SFN 在第一发射机天线覆盖区域的邻近边缘地带 由第二 第三 等发射机用同 一载波进行接力广播以扩大覆盖区 如此推广开去 可做到用同一频率在很大区域甚至全国 内广播同一数字电视节目 COFDM 组成单频网示意图如图所示 图 COFDM 组成单频网示意图

173 6.4 ISDB-T 数字电视广播系统 日本确定的数字地面广播制式为 ISDB-T 综合业务数字广播 地面传输 该制式不限 于传输数字电视 也包括了独立的声音和数据广播 这几者可以在 6MHz 带宽内单独存在或 任意地组合 ISDB-T 的发送和接收系统框图如图所示 图 ISDB-T 的发送和接收框图 ISDB-T 的信源编码 图像信号也按 MEPG-2 压缩标准 声音信号的信源编码既未采用 MEPG-2 的压缩标准 也未采用 ATSC 中的 DolbyAC-3 标准 而是采用基于 MEPG-4 的 AAC 高级 AC 压缩方式 ISDB-T 中的信号传送形式及传送带宽 ISDB-T 中 根据 MEPG-2 系统标准实施传送信号的复用 每一个频道 6MHz 为一个基 本 TS 流 传送流 实际的传送带宽为 432KHz 13 4KHz=5.62MHz 或 432KHz 13 1KHz=5.617MHz 这里是以每 432KHz 作为一段独立的 OFDM 频带 6MHz 内可包含 13 段 OFDM 而每个 OFDM 段由数据段和导频信号组成 每个数据段可以独立地指定其载波调制 方式 16QAM 64QAM QPSK 或 DQPSK 内码编码率 1/2 2/3 3/4 5/6 或 7/8 保护间隔比和时间交织深度等 传送参数 ISDB-T 的每 432KHz 内载波间隔有 4KHz 与 1KHz 两种 为了接收端能抗多径干扰 在 每个有效符号持续期 Tu 1/载波间隔 上增加一个保护间隔持续期 按规定 /Tu 的取 值有 4 种 1/4 1/8 1/16 或 1/32 因此 ISDB-T 一个 OFDM 段的传送参数如下表所示 一个物理通道 6MHz 带宽内的传输模式及有关参数如图所示 173

174 表 ISDB-T 中一个物理通道传输参数

175 表 6-7 一个 OFDM 段的传输参数值 4 信道编码与调制方式 ISDB-T 信道编码部分方框图如下图所示 由卷积编码缩短码形成的 X Y 并行输出经并 /串变换后成为传送信号串行序列 对高频载波实施 OFDM 调制 调制部分方框图如下图所 示 175

176 图 6-18 ISDB-T 信道编码部分框图 图 6-19 ISDB-T 调制部分框图 ISDB-T 在信号处理方面与 DVB-T 基本上相同 但是更灵活 可按电视 声音 数据的 不同需求优化地选用 6.5 三种地面传输系统的比较 三种国外数字电视地面传输系统的比较如下 176

177 表 6-7 三种国外数字电视地面传输系统的比较 美国的 ATSC 标准 欧洲的 DVB-T 标准 日本的 ISDB-T 标准 频道宽度 6MHz 6MHz 7MHz 8MHz 6MHz 7MHz 8MH 视频压缩 MPEG-2 视频编码 MPEG-2 视频编码 MPEG-2 视频编码 图像格式 HDTV HDTV HDTV SDTV SDTV SDTV 音频压缩 Dolby AC-3 音频编码 MPEG-2 层 Ⅱ MUSICAM 音频编码 MPEG-2 层Ⅲ AAC 音频 编码 复用方式 MPEG-2 系统 TS 码流 MPEG-2 系统 TS 码流 MPEG-2 系统 TS 码流 数据扰码 16 位 PRBS 15 位 PRBS 15 位 PRBS 信道外码 RS 码 T 10 RS 码 T 8 RS 码 T 8 外码交织 52 RS 块交织 12 RS 块交织 12 RS 块交织 信道内码 网格编码 TCM 卷积编码 卷积编码 调制技术 8-VSB 调制 16QAM/32QAM/64QA M OFDM 调制 总码率 19 28Mb/s 6MHz MHz 载波数 单载波 2K 8K 2K 4K 8K 接收门限 15dB 19dB 19dB 传输方案 8VSB 传输方案 OFDM 传输方案 分频段 OFDM 传输方案 特征 抵 御 电 气 干 扰 能 力 克服多径干扰能力强 强 有效的覆盖区域 可做单频网 可用于移 不考虑移动接收 动接收 31.67Mb/s MHz 23.42Mb/s 克服多径干扰能力强 可 做单频网 可用于移动接 收 欧洲 DVB 标准 和美国 ATSC 数字电视标准 的主要区别如下 1 方形像素 在 ATSC 标准中采纳了 方形像素 Square Picture Eelements,因为它 们更加适合于计算机 而 DVB 标准最初没有采纳 最近也采纳了 此外 范围广泛的视频 177

178 图像格式也被 DVB 采纳 而 ATSC 对此则不作强制性规定 2 系统层和视频编码 DVB 和 ATSC 标准都采纳 MPEG-2 标准的系统层和视频编码 但是 由于 MPEG-2 标准并未对视频算法作详细规定 因而实施方案可以不同 与两个标准 都无关 3 音频编码 DVB 标准采纳了 MPEG-2 的音频压缩算法 而 ATSC 标准则采纳了 AC-3 的音频压缩算法 4 信道编码 两者的扰码器 Radomizers 采用不同的多项式 两者的里德 所罗门 前向纠错 FEC 编码采用不同的冗余度 DVB 标准用 16B 而 ATSC 标准用功 20B 两者 的交织过程 Interleaving 不同 在 DVB 标准中网格编码 Trellix coding 有可选的不同速 率 而在 ATSC 标准中地面广播采用固定的 2/3 速率的网格编码 有线电视则不需采用网格 编码 5 调制技术 卫星广播系统中 DVB 标准采用 QPSK 而 ATSC 标准不涉及卫星广播 有线电视系统中 DVB 标准采用任选的 16/32/64QAM 而 ATSC 标准采用 16VSB 两者完全 不同 地面广播系统中 DVB 标准采用具有 QPSK 16QAM 或 64QAM 的 COFDM 2K 个或 8K 个载波 而 ATSC 标准采用 8VSB 我国数字电视标准及发展现状 数字电视标准发展背景 传输方案将构成一个国家的数字电视地面广播传输标准的基本技术内容 作为一个电视 生产和消费大国 作为一个正在融入全球经济一体化并面临全球性技术竞争的发展中国家 我国已认识到掌握和拥有关键技术 自主研制重要的数字电视系统标准能够为我国经济所带 来的巨大发展空间和机遇 世界先进工业国家本着扩大世界市场和获取高额技术利润的目的 依仗他们的技术领先优势及产业基础 近几年来不遗余力地向我国推荐采用他们的标准 特 别是以数字电视地面广播传输标准为推荐重点 意欲借此系统标准来推动全面采用其整个标 准系列 对此 我们应对自主研究制定传输方案的必要性和可行性有充分和客观的认识 从 90 年代初 国家广电总局在国家质量技术监督局的支持下 开始着手进行数字广播电 视标准的研究 制定工作 完成了 数字 高清晰度 电视标准体系 概况 GB/T 演播室数字电视编码参数技术规范 GY/T 157 演播室高清晰度电视数字视频信号接口 由 标准定义的数字电视信号馈送和一次分配网络传输技术要求 GB/T 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码 数字电视图像质量主观评价方法 GB/T 卫星数字电视广播信道编码和调制标准 GY/T 有线数字电视广播系统 信道编码及调制规范 GY/T148 卫星数字电视接收机技术要求 GY/T 有线数 字电视广播 QAM 调制器技术要求和测量方法 等二十多项与数字电视相关的标准的研究 制定工作 初步建立了数字广播电视标准体系 基本满足了我国广播电视数字化进程的需要 我国从 1996 年就开始通过卫星传输数字电视信号 目前我国上卫星的电视节目已经实现 了数字化传送 包括数字上行 数字差转和数字下行 已经完成卫星传输由模拟向数字的平 178

179 稳过渡 我国有线数字电视广播也已经成熟 正在某些城市试播 我国的卫星数字电视广播 和有线数字电视广播系统标准已经颁布实施 基本上参照了欧洲的 DVB-S 和 DVB-C 制式 2001 年国家广电总局已颁布行业标准 GY/T 有线数字电视广播信道编码和调制规 范 该标准等同于 DVB-C 标准 行标的制订有利于我国有线数字电视的推进 地面数字电 视广播标准正在制定之中 地面开路广播通道的传输媒体其传输特性与卫星和有线相比较有较大的不同 因此 在 传输状况 应用需求等方面 地面传输方式更加复杂 全球各地在地面数字电视传输系统方 案的选择上争议也最大 目前地面数字电视广播标准国际上尚没有统一 目前主要有欧 美 日三种制式 地面系统由一个一个电视发射台和电视台组成 单台覆盖面小 要一个一个更 新 而且我国相应的标准尚在研究之中 尚需一定时间才能确定 我国地面传输已不象黑白 彩色电视刚发展时那样是唯一的途径 目前卫星和有线的传 输方式已经非常成熟 城市主要以有线电视传输为主 边远地区和农村地区主要以卫星为主 大多数城市居民已不再使用室外天线接收电视节目 而是通过有线电视 用室内天线对高楼 住户有一定困难 许多楼房或是屏蔽或是朝向不对 我国拥有巨大的数字电视潜在市场 不同于那些本国市场狭小的出口型国家 中国的市 场规模足以支撑形成一个新的数字电视标准 若简单选用国外某一标准 不仅会扼杀代表未 来高技术竞争力的相关关键技术研究的源动力 而且会迫使我国过早启动市场 帮助西方国 家的市场培育 使得企业的主要利润都用于支付国外的专利费和授权费 当然 自主制订标 准不等于从头全面制订 制订标准不等于保护落后 不等于不选用先进技术 制订标准的根 本目的恰恰在于认真比较分析各项先进技术能否为我所用 能否得到进一步改进 由于数字 技术具备加密 隐密等特点 直接选用标准所可能造成的盲目引进甚至会危及国家信息安全 我国数字电视地面传输标准的制定问题 我国先后研制成功两代数字高清晰度电视地面广播样机系统 并进行过实况信号转播实 验 经过科研 广播和产业各界技术人员的共同努力 特别在数字电视地面传输技术方面逐 步形成了具备自主专利技术的多种实现方案 国家同时也在安排计划 拟对现有国内外的传 输方案进行性能测试与比较 依据现有研究基础和推进速度 我国完全有可能经过测试 分 析和改进 集众家所长 制订出具有自己特色和自主知识产权的中国数字电视地面广播传输 标准 广电总局于 2000 年以全国标准化技术委员会的名义召开新闻发布会 向全社会广泛征 集具有我国自主知识产权的地面数字电视标准方案 到 2001 年 4 月 30 日截止日期 共有成 都电子科技大学 广电总局广播科学研究院 清华大学 HDTV 功能样机系统研究开发项目 总体组 4 家单位提交了实现方式各不相同的五套地面数字电视传输系统技术方案 这五套数 字电视地面广播标准是 HDTV 功能样机系统研究开发项目总体组一号提案 高级数字电视广播系统 ADTB-T HDTV 功能样机系统研究开发项目总体组二号提案 数字电视地面广播系统 BDB-T/OFDM 广电总局广播科学研究院的射频子带分割双载波混合调变系统 CDTB-T 清华大学的地面数字多媒体电视广播传输协议 TDS-OFDM based DMB-T 179

180 成都电子科技大学的同步多载波扩频地面数字电视传输系统 SMCC/COFDM 以上五套标准采用了不同的调制 解调制以及编译码方式 因此 在讯号接收的各种特 性上的表现亦各有擅长 经过测试结果后发现 就整体系统的表现上 以北京清华大学微波 与数字通信国家重点实验室所提出的 DMB-T 系统 以及由上海交通大学所进行开发的国家 HDTV 功能样机系统研究开发项目总体组一号提案 ADTB-T 性能最优 DMB-T 系统的发射端结构如图所示 图 6-20 DMB-T 系统的发射端结构图 下面是清华大学的 DMB-T 采用的技术 时域同步的正交多载波技术 TDS-OFDM 采 用了最先进的 Turbo 卷积码和 Turbo 网格码等误码纠错技术 其帧结构是分级的 分为信号 帧 帧群 超帧和超帧群 超帧群携带发送的日历日期 超帧群以一个自然日为周期进行周 期性重复 在某个选定的参考时间 物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群 一个信 号帧由两部分组成 帧同步和帧体 帧同步信号采用沃尔什编码的随机序列 以实现多基站 识别 帧同步包含前同步 PN 序列和后同步 对于一个信号帧群中的不同信号帧 有不同 的帧同步信号 所以 帧同步能作一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别 组合各种子载 波调制方式如 QPSK 16QAM 64QAM 快速信道估计技术 提高了系统移动接收性能 抗 多径和多普勒效应 通过时域和频域混合处理 解决地面宽带无线传输多径引起的频率选择 性衰落 支持单频网前向纠错编码与相位映射相结合的纠错技术 使采用多载波技术的系统 信噪比门限比 COFDM 技术有所提高 在 OFDM 的保护间隔 Guard Interval 中 去掉了导 频部分 复用同步头 保护间隔中插入 PN 序列作为帧头 解决了在多径时延扩散信道中的 码间串扰 DMB-T 传输协议在 8MHz 电视频道中 最大净荷码率高达 33Mb/s 能够满足 HDTV 广播要求 DMB-T 传输协议设计了与绝对时间同步的复帧结构 方便自动唤醒功能设置 达 到省电目的 支持便携接收 DMB-T 系统的同步时间约为 5ms 与欧洲方式相比 灵敏度提 高了 10%左右 信噪比的要求也可以降低到-20dB 同时信号的传输效率也提高了 10% 清 华 DMB-T 系统参数如下 180

181 表 6-8 清华 DMB-T 系统参数 帧结构 1440 个超帧/日帧 480 个帧群/超帧群 225 或 200 个信号帧/帧群 信号 帧 帧头 保护间隔 +OFDM 符号 每个帧群传整数个 MPEG 传输包 调制 TDS-OFDM 载波数/有效 间隔 3780/3744/2KHz 导频和 TPS 无导频 TPS 载波数 36 个 保护间隔 1/ μS 1/4 125μS 子载波调制 QPSK 16QAM 64QAM 前向纠错编 码 级联纠错码 外码 RS 外交织 支路数 B=52 M=24 内码 R=2/3 系统卷积码 64QAM R=4/9 串行级联系统卷积码 QPSK 内交织 时域卷积交织 频域交织 OFDM 符号内交织 带宽/有效带 宽/滚降 8MHz/7.56MHz/0.05 同步 在 OFDM 保护间隔内 时域 PN 序列 BPSK 调制 上海交大的 ADTB-T 采用的技术 ADTB-T 是一种 单载波 方案 采用 4 16 或 64QAM 调制技术 使用 8MHz 带宽 拥有低码率 5.5Mbit/s 中码率 11Mbit/s 高码率 23Mbit/s 高 码率 29Mbit/s 几种传输模式 双导频辅助同步技术 级联的交织内外码 FEC 强大的对抗信 道衰落的均衡技术 移动条件下最高速率可达 12Mbps 先进的 TPC 信道编码技术 编码效 率高 纠错能力强 在同一 8MHz 带宽内可以以时分的方式混合传输用于不同应用的各种调 制模式 有利于开展多种新型数字广播业务 ADTB-T 具有高的频谱利用率及传输效率 ADTB-T 具有最低的峰均比 信号失真小 发射功率可调范围大 对发射机线性度要求低 可以直接使用现有模拟上变频器和现有模拟放大器 有利于频谱规划 增加覆盖范围 减小 发射功率 降低电磁污染 降低发射机成本 在两大规格技术层次的发展进度上 北京清华大学所提出的 DMB-T 方案已向中国专利 局申请多项发明专利 并撰写为 中国的地面数字多媒体电视广播的发展 专文送交 ITU 已获得 ITU 联盟广大回响 积极展现其成为国际级标准的决心 另一方面 上海交通大学所 提出的 ADTB-T 方案 则是突破以往单载波调变技术无法在移动接收上的限制 并且在移动 设备接收稳定度 传输内容及接收灵敏度等指针上表现优异 而在两套方案除了在技术层次上的竞争之外 也各自获得了企业界的支持 其中 除了 清华大学及清华同方投入 DMB-T 系统的研发之外 国内各大电视机厂商也组成 数模彩电项 目清华-企业研发联合体 支持 DMB-T 标准的发展 另一方面 ADTB-T 系统的研发工作 主要是由上海交通大学 奇普科技以及从事数字 181

182 电视相关产品开发的 LINX Electronics Inc.进行合作 而包括上广电 上海有线网络 上海高 清数字视频系统等七家上海企业也共同组成上海联合体 支持 ADTB-T 标准的发展 上海联 合体的成员则是涵盖数字电视产业链的上游节目制作 广播系统及接收设备业者 藉由产业 链各环节的结合 共同制定出产业认定的共同标准 并且已经获得上海信息家电协会认可成 为 上海数字电视终端接收设备通用技术标准 目前我国标准化工作还存在一些问题 就标准工作本身来说 标准制订周期长 跟不上 市场变化和企业需要 标准水平偏低 修订不及时 标龄太长 满足不了产品更新和产品升 级的需要 标准的研究工作薄弱 高新技术标准严重缺乏 就外部环境而言 标准化工作经 费投入不足 标准化工作队伍不够健全 标准实施的监督 检查力度不够等 因此应该加快 我国标准化改革步伐 等同等效地采用适合我国国情的国际标准 以提高我国产品和产业的 国际竞争能力 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握数字电视三大制式 掌握三种制式的优缺点 掌握我国数字电视标准的发展现状 182

183 第7章 数字信号的载波调制技术 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握电视信号载波调制的目的 掌握数字电视调制技术的方法和分类 掌握数字电视常用的几种载波调制原理 7.1 数字信号载波调制的目的 一般传输通道的频率特性总是有限的 即有上 下限频率 超过此界限就不能进行有效 的传输 如果数字信号流的频率特性与传输通道的频率特性很不相同 那么信号中的很多能 量就会失去 信噪比就会降低 使误码增加 而且还会给邻近信道带来很强的干扰 因此 在传输前要对数字信号进行某种处理 减少数字信号中的低频分量和高频分量 使能量向中 频集中 或者通过某种调制过程进行频谱的搬移 这两种处理都可以被看作是使信号的频谱 特性与信道的频谱特性相匹配 数字信号共有两种传输方式 1 基带传输 所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输 如计 算机间的数据传输等 2 频带传输 用数字基带信号调制载波后的传送方式 数字载波传输系统定义 用数字基带信号调制载波的一种传输系统 这个系统也称为数 字频带传输系统 载波传输是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移 如果载波是 正弦波 则称为正弦波或连续波调制 把二进制信号调制在正弦波上进行传输 其目的除了 进行频率匹配外 也可以通过频分 时分 波分复用的方法使信源和信道的容量进行匹配 通信的最终目的是远距离传递信息 数字基带传输系统, 是将信源发出的信息码经码型 变换及波形形成后直接传送至接收端 虽然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生某些变 化 但分布的范围仍然在基带范围内 由于传输失真 传输损耗以及保证带内特性的原因 数字基带信号不可能在诸如无线信道 光纤信道等传输媒质中直接进行长距离传输的 与模 拟信号一样 必须经调制后才能在无线信道 光纤信道等媒质中传输 为了进行长途传输 必须对数字信号进行载波调制 将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输 所以调制就是 将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输 即载波传输 调制后的基带信号 称为通带信号 其频率比较高 数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制 183

184 与解调的环节 有线电视宽带综合网是基于模拟环境下的数字信号的传输 图象数字信号不是基带传输 方式而是在射频通带中传输 在数字通信系统中 定性而论 传输效率越高 传输可靠性越差 效率越低 可靠性越 高 即提高有效性与提高可靠性是一对矛盾 实际通信系统设计的任务就是在这两者之间作 综合考虑 例如在卫星通信中 由于信号衰减很严重 传输信号常淹没在噪声中 可靠性问 题变得十分尖锐 因此采用了 QPSK 调制技术 QPSK 具有很强的抵抗幅度干扰的能力 但 传输效率比较低 仅为 2bit/s/Hz 而在数字微波通信中 由于干扰较小 信道环境较好 因 此采用了 256QAM 这种高效调制技术 传输效率高达 8bit/s/Hz 但 256QAM 抗干扰的能力 较差 总之 我们所采用的调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵 抗作用 同时对相邻的信道信号干扰较小 解调方便且易于集成 7.2 数字调制技术方法和分类 其实数字信号的载波调制是信道编码的一部分 我们之所以在信源编码和传输通道之间 插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制 未经处理的数 字信号源不能适应这些限制 由于传输信道的频带资源总是有限的 因此提高传输效率是通 信系统所追求的最重要的指标之一 模拟通信很难控制传输效率 我们最常见到的单边带调 幅 SSB 或残留边带调幅 VSB 可以节省近一半的传输频带 单载波调制和多载波调制 按照调制每个通道需要的载波数量 调制分为单载波调制和多载波调制 单载波 SFN 调制是指用一个信号去调制一个载波 并且在一个信道中只有一个载波 信号 即一个已调信号占据了信道的所有带宽 在单载波调制技术中 调制信号改变载波的 三个特征 振幅 频率和相位 相应地表现为振幅键控 ASK 频移键控 FSK 移相键 控 PSK 三种基本调制形式 数字调制的三种键控方式示例如下图所示 图 数字调制的三种键控方式示例

185 多载波调制 Multi-Carrier Modulation MCM 就是将要传输的高速数据流分解成若干 个低速比特流 并且用这些比特流去并行调制若干个子载波 即在频域将给定的一个信道分 成许多子信道 在每个子信道上使用一个子载波进行调制 MCM 本质上可以看作是一种频 分复用 FDM 调制 数字载波调制的方法 为了使数字信号在带通信道中传输 必须用数字信号对载波进行调制 调制的方法主要 是通过改变载波的幅度 相位和频率来传送信息 其基本原理是把数据信号寄生在载波的某 个参数上 幅度 频率和相位 即用数据信号来进行幅度调制 频率调制和相位调制 它们 分别对应于用载波的幅度 频率和相位来传递数字基带信号 载波的波形是任意的 但大多 数的数字调制系统都选择单频信号 正弦波或余弦波 作为载波 因为便于产生与接收 数字信号只有几个离散值 这就象用数字信号去控制开关选择具有不同参量的振荡一样 为此把数字信号的调制方式称为键控 最简单的方法是开关键控 "1"出现时接通振幅为 A 的载波 "0"出现时关断载波 这相当于将原基带信号 脉冲列 频谱搬到了载波的两侧 如 果用改变载波频率的方法来传送二进制符号 就是频移键控 FSK 的方法 当"1"出现时是 低频 "0"出现时是高频 这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对 高频载波的开关键控 如果"0"和"1"来改变载波的相位 则称为相移键控 PSK 这时在比 特周期的边缘出现相位的跳变 但在间隔中部保留了相位信息 收端解调通常在其中心点附 近进行 一般来说 PSK 系统的性能要比开关键控 FSK 系统好 但必须使用同步检波 在对传输信道的各个元素进行最充分的利用时可以组合成各种不同的调制方式 并且可 以清晰的描述与表达其数学模型 除上面所述的二相位 二频率 二幅度系统外 还可以采 用各种多相位 多振幅和多频率的方案 常用的数字调制技术有 2ASK 4ASK 8ASK BPSK QPSK 8PSK 2FSK 4FSK 等 频带利用率从 1bit/s/Hz 3bit/s/Hz 更有将幅度与相位联合调制的 QAM 技术 目前数字微波 中广泛使用的 256QAM 的频带利用率可达 8bit/s/Hz 八倍于 2ASK 或 BPSK 此外 还有可 减小相位跳变的 MSK 等特殊的调制技术 为某些专门应用环境提供了强大的工具 近年来 四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展 并已应用于高速 MODEM 中 为进一步 提高传输效率奠定了基础 总之 数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信 调制 技术的种类也远远多于模拟通信 大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性 信息与表示和承载它的信号之间存在着对应关系 这种关系称为 映射 接收端正是根 据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的 信息与信号间的映射方式可 以有很多种 不同的通信技术就在于它们所采用的映射方式不同 不同的数字调制技术正是 由其映射方式区分的 其性能也是由映射方式决定的 一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的 映射和调制 这一点与模拟调制 不同 数字调制中 调制信号是二进制的数字值 在二进制的系统中,最高的信道频带利用率 为 2bps/Hz 为了提高频带利用率 常采用多进制信号进行载波调制 映射将多个二元比特 转换为一个多元符号 这种多元符号可以是实数信号 在 ASK 调制中 也可以是二维的复 信号 在 PSK 和 QAM 调制中 所谓频带利用率 在此又称为调制效率 是指每 Hz 已调 波带宽内可传输的信息速率 通常用 bps/hz 表示 185

186 在多进制调制中 每 k 个比特构成一个符号 因而得到一个个 2k M 进制的符号 而后 逐个符号地对高频载波作多进制的 ASK FSK 或 PSK 调制 可以证明多电平调制的信号带 宽与二电平调制的信号带宽相同 因此在单位频带内 多进制调制系统可以传输更高的信息 速率 即在这种多到一的转换过程中 实现了频带压缩 例如,MPSK 表示多进制数字相位调制,有 M=2k 种相位 K=2 时为 4PSK 又称为 QPSK, 每两个比特被转换为一个四进制的符号 对应着调制信号的四种载波 多元符号的元数就等 于调制星座的容量 应该注意的是 经过映射后生成的多元符号仍是基带数字信号 经过基 带成形滤波后生成的是模拟基带信号 但已经是最终所需的调制信号的等效基带形式 直接 将其乘以中频载波即可生成中频调制信号 7.3 M-PSK 相移键控 数字调相 如果两个频率 振幅相同的载波同时开始振荡 这两个频率同时达到正最大 值 同时达到零值 同时达到负最大值 它们应处于"同相"状态 如果其中一个开始得迟了 一点 就可能不相同了 如果一个达到正最大值时 另一个达到负最大值 则称为"反相" 一般把信号振荡一次 一周 作为 360 度 如果一个波比另一个波相差半个周期 我们说两 个波的相位差 180 度 也就是反相 当传输数字信号时 "1"码控制发 0 度相位 "0"码控制 发 180 度相位 载波的初始相位就有了移动 也就带上了信息 MPSK 相移就是把振幅 频率作为常量 而把相位作为变量 MPSK 信号可以用这样的一组信 号来代表 Un(t ) A cos(wct n) A cos(2 f ct n) 0 t T 1-1 式中的 M 个符号是通过均匀间隔的一组相位角来表示的 n 2(n 1) M n=1 2 3 M 1-2 已调信号中相邻的相位间隔是 2π/M 例如 2 个符号 BPSK 4 个符号 4PSK 和 8 个符号 8PSK 的相位间隔分别是 π π/2 π/4 用相位矢量图方法可将 MPSK 信号中的关 系直观的表示出来 下图是 M=2 4 和 8 三种 PSK 信号的矢量图 判决阀 186

187 图 7-2 三种 PSK 信号的矢量图 各个矢量的端点在矢量图中的空间分布称为星座 在图中 由于各矢量的幅度都等于 A 矢量的端点分布在以 A 为半径的圆上 图中用虚线表示出接收机解调器的判决范围 只要相 位为 θn 的矢量的相位偏离不超过以 θn 中心的+-π/M 的范围 就能作出正确的判决 利用简单的三角函数式可将 1-1 式改写成如下的正交信号表示式 Un(t ) A(ai cos wct bi sin wct ) 0 t T 其中ai cos n, bi sin n 1-3 对于图所示的 BPSK 信号 其信号相位角 θ 和 π 以正交方式表示的系数分别是 ai bi = PSK 信号的典型波形图如下 Tb A t -A

188 图 7-3 2PSK 信号的典型波形图 在相位图上 余弦系数 ai 和正弦系数 bi 是分别由水平轴和垂直轴代表的 ai 称为同相信 号 用 I In-Phace 表示 bi 称为正交信号 用 Q Quardrature 表示 多相调制与二相调制相比 既可以压缩信号的频带 又可以减小由于信道特性引起的码 间串扰的影响 从而提高了数字通信的有效性 但在多相调制时 相位取值数增大 信号之 间的相位差也就减小 传输的可靠性将随之降低 因而 实际中用得较多的多相调制是四相 制和八相制 8PSK 调制电路框图和星座图如下所示 图 7-4 8PSK 调制电路框图和星座图 数据信息比特序列经串/并变换后分成 b1 b2 b3 三路并行数据 其中 b1 决定 I t 的正负值 b1 0 时 I t >0,b1=1 时 I t <0 b2 决定 Q t 的正负值 b2 0 时 Q t >0,b2=1 时 Q t <0 b3 决定 I t 和 Q t 的幅度 b3=0 时 I t =cos π/8 =0.927 Q t =sin π/8 =0.383,b3=1 时 I t =0.383 Q t = PSK 调相波载波相位表如下所示 表 PSK 调相波载波相位表

189 7.3.2 QPSK 四相相移键控 QPSK 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫星广播 欧洲与日本的数字电视 首先考虑的是卫星信道 采用 QPSK 调制 此项调制技术应用较为广泛 四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息 是四进制相移键控 QPSK 是在 M=4 时的调相技术 它规定了四种载波相位 分别为 其星座图如下 正交轴 正交轴 同相轴 同相轴 图 7-5 QPSK 星座图 调制器输入的数据是二进制数字序列 为了能和四进制的载波相位配合起来 则需要把 二进制数据变换为四进制数据 这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组 共 有四种组合 即 其中每一组称为双比特码元 每一个双比特码元是由两位 二进制信息比特组成 它们分别代表四进制四个符号中的一个符号 QPSK 中每次调制可传 输 2 个信息比特 这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的 解调器根据星座图及接收 到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特 码元形成的四种绝对相位的 QPSK 信号 和已调相波的 QPSK 星座图如图所示 表 7-2 双码元与载波相位 189

190 图 7-6 QPSK 星座图 数字调制用 星座图 来描述 星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数 1 信号分 布 2 与调制数字比特之间的映射关系 星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系 这种关系称为 映射 一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义 即可由星座图来 完全定义 QPSK 把相继两个码元的四种组合 对应于正弦波的四个相位 S i ( t ) cos( w c t n ) 其中 i T/2 t T/2 此处 θn 可以是 0 ±π/2 π 或±π/4 ±3π/4 这就是四相 PSK 即 QPSK 上式也可以写成 S i (t ) ai cos wct bi sin wc t 相应的 θn 是 0 ±π/2 π 的情况 这时 ( ai, bi ) T / 2 t T / 2 (1,0), (0,1)( 1,0), (0, 1) 而当 θn 是±π/4 ±3π/4 时 ( 2ai 2bi ) (1,1), ( 1,1), ( 1, 1), (1, 1) 用 ai bi 二维平面上的点来表示 QPSK 是一种二维调制技术 其中水平轴 ai 称为同相 轴 垂直轴 bi 称为正交轴 分别对应于星座图上的 I 和 Q 坐标 同相载波指载波本身 正交 载波指相位旋转 90 度的载波 QPSK 调制在实现时是采用正交调幅的方式 某星座点在 I 坐 标上的投影去调制同相载波的幅度 在 Q 坐标上的投影去调制正交载波的幅度 然后将两个 调幅信号相加就是所需的调相信号 实际上色度信号的调制就是正交振幅调制 只不过是用 连续信号去调制两个正交载波而已 I 是波形的 同相 成分 Q 是正交成分 IQ 调制既能 有效传输信息 也能适应数字制式 它的工作为 当您用一个波形调制载波时 您可把调制 信号作为矢量来处理 它有实部和虚部 或同相 I 和正交 Q 部分 QPSK 是一种恒包络调制 它的信号的平均功率是恒定的 因此不受幅度衰减的影响 也就是说幅度上的失真不会使 QPSK 产生误码 QPSK 正交调制器方框图如下所示 它可以看成由两个 BPSK 调制器构成 首先将输入 的串行二进制信息序列经串 并变换 变成 m=log2m 个并行数据流 每一路的数据率是 R/m R 是串行输入码的数据率 I/Q 信号发生器将每一个 m 比特的字节转换成一对 pn qn 数 190

191 字 分成两路速率减半的序列 电平发生器分别产生双极性二电平信号 I t 和 Q t 然 后对 coswct 和 sinwct 进行调制 相加后即得到 QPSK 信号 QPSK 调制方法常用于上 下通 道交互式信息的传送 Acos2πfct I t 电平产生 载波发生器 二进制信息 已调信号 串 并变换 90 度移相 Q t 电平产生 Asin2πfct 1 0 I t t t -1 Q t 图 7-7 t QPSK 正交调制方框图 QPSK 解调电路框图如下所示 191

192 图 QPSK 解调电路框图 M-QAM 正交振幅调制 QAM 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线电视电缆传输 在美国 正交 调幅通常用在地面微波链路 不用于国内卫星 欧洲的电缆数字电视采用 QAM 调制 而加 拿大的卫星是采用正交调幅 PSK 只利用了载波的相位 它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上 当星座点较 多时 星座点之间的最小距离就会很密 非常容易受到噪声干扰的影响 调制技术的可靠性 可由相邻星座点之间的最小距离来衡量 最小距离越大 抵抗噪声等干扰的能力越强 当然 前提是信号的平均功率相同 当噪声等干扰的幅度小于最小距离的 1/2 时 解调器不会错判 即不会发生传输误码 当噪声等干扰的幅度大于最小距离的 1/2 时 将发生传输误码 因此 PSK 一般只用在 8PSK 以下 常用的是 BPSK 和 QPSK 当星座点进一步增加时 也即需要 更高的频带利用率时 就要采用 QAM 调制了 在 PSK 中 I 信号和 Q 信号互相不独立 为了 得到恒定的包络信号 它们的数值是受到限制的 这是 PSK 信号的基本特性 如果去掉这一 限制 让 ai 和 bi 本身取不同的值 就得到正交幅度调制 QAM 作为一个特例 当每个正交 信号只有两个数值时 QAM 与 4-PSK 完全相同 当 M 4 时 QAM 的信号星座呈正方形分布 而不再像 PSK 那样沿着一个固定的圆周分布 QAM 是幅度 相位联合调制的技术 它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特 因此在最小距离相同的条件下 QAM 星座图中可以容纳更多的星座点 即可实现更高的频 带利用率 目前 QAM 星座点最高已可达 256QAM 我们以 16QAM 为例来说明 QAM 的特 性 在上面 QPSK 的描述中 Si (t ) ai cos wct bi sin wct T / 2 t T / 2 如果让 ai bi 本身取不同的值 所作的处理就是正交振幅调制 QMA Quadrature Ampli 192

193 tude Modulation 下图是 16QAM 和 32QAM 的星座图 正交轴 正交轴 同相轴 同相轴 图 QAM 和 32QAM 的星座图 星座图里的样点数目 例如 16 确定 QAM 的类型 16 个样点表示这是 16QAM 信号 星座图里每个样点表示一种状态 16QAM 有 16 态 每 4 位规定 16 态中的 1 态 16QAM 中 规定了 16 种载波幅度和相位的组合 16QAM 的每个符号或周期传送 4 位比特 解调器根据 星座图及接收到的载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特 QAM 也是二维调 制技术 在实现时也采用正交调幅的方式 某星座点在 I 坐标上的投影去调制同相载波的幅 度 在 Q 坐标上的投影去调制正交载波的幅度 然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信 号 在 16QAM 和 32QAM 星座图中 在同相轴和正交轴上的幅度电平不再是 2 个而是 4 个 16QAM 和 6 个 32QAM 所能传输的数码率也将是原来的 4 倍到 5 倍 不考虑滚降因 子 下图是 64QAM 的星座图 64QAM 和 256QAM 用于下行数字电信号的传送 64QAM 的 频带利用率可达 5bit/Hz 但是我们并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数码率 因 为随着电平数的增加 电平间的间隔减小 噪声容限减小 同样噪声条件下误码增加 在时 间轴上也会如此 各相位间隔减小 码间干扰增加 抖动和定时问题都会使接收效果变差 16QAM 要保持和 QPSK 同样的平均发射功率 星座图的点必须更密集 随着星座图中点间 距的缩小 误码概率会上升 QAM 虽可传送更多的信息 频带利用率高 但是 QAM 会受到 载波幅度失真的影响 其可靠性不如 PSK 16QAM 要获得和 QPSK 同样的纠错码性能 则 需要更高的 S/N 比 不论采用哪一种方法都意味着你必须用数据率来换取误码率 193

194 图 QAM 的星座图 MQAM 调制器与解调器的一般方框图如下 2-L 电 平转换 Rb/2 Rb/2 串 并 变换 900 移相 2-L 电 平转换 判决 L-1 门 LPF 载波 恢复 位定时 恢复 并 串 变换 900 LPF 判决 L-1 门 b 解调器 a 调制器 图 7-11 MQAM 调制器与解调器 串 并变换器将速率为 Rb bps 的输入二进序列分成两个速率为 Rb/2 的两电平序列 2 L 电平变换器将每个速率为 Rb/2 的两电平序列变成速率为 Rb/2log2L=Rb/log2M 的 L 电平信 号 然后分别与两个正交的载波相乘 相加后即产生 MQAM 信号 在理想的低通滤波情况 下其基带带宽 B 1/2 Rb/log2M Hz,由于是双边带调制 已调波的带宽 F=2B=Rb/Log2M 194 Rb/2 00 载波发生 二进制 信息 LPF LPF Rb/2

195 Hz 所以 F 带宽内的调制效率为 Rb 2 log 2 L log 2 M (bps / Hz ) 在实际基带低 F 通滤波器情况下滤波器的截止边沿是按照升余弦滚降特性下降的 滚降系数为 α 0 1 α 0 即为理想低通特性 已调波的带宽为 F 1 α 此时的调制效率应修正 为: log 2 M (bps / Hz ) 在 64QAM 调制时 M=64 1 MQAM 信号的解调同样可以采用正交的相干解调方法 同相路和正交路的 L 电平基带 信号用有 L 1 个门限电平的判决器判决后 分别恢复出速率等于 Rb/2 的二进制序列 最后经并 串变换器将两路二进制序列合成一个速率为 Rb 的二进制序列 因此 MQAM 信号与 MPSK 信号的功率谱都取决于 I 和 Q 两路基带信号的功率谱 当 MQAM 和 MPSK 两路都具有相同数目的星座点时 它们功率谱相同 已调波带宽均为基带 信号带宽的两倍 MQAM 信号与 MPSK 信号有相同的频带利用率或者说有相同的调制效率 MQAM 信号的已调载波矢量可充分利用整个调制平面 在相同的平均载波功率下 对于相同 的 M 值可使 MQAM 的抗干扰能力强于 MPSK 7.5 M-FSK 频移键控 频移就是把振幅 相位作为常量 而把频率作为变量 通过频率的变化来实现信号的识 别 在 FSK 中传送的信号只有 0 和 1 两个 而在 M-FSK 中则通过 M 个频率代表 M 个符号 即 U 1(t ) A cos 2 f nt 0 t T 式中 n=1 2 M 其中 T 是符号周期 对于 1 电平 U 1(t ) A cos 2 f 1t或U 1(t ) A cos 2 ( f c f )t 对于 0 电平 U 1(t ) A cos 2 f 1t或U 1(t ) A cos 2 ( f c f )t 其中 f 称为频偏 2FSK 的典型波形如下图所示 195

196 1 1 0 A 0 t -A Tb 图 FSK 的波形 M-ASK 幅移键控 2ASK 调制 2ASK 幅移键控相当于模拟信号中的调幅 只不过与载频信号相乘的是二进数码而已 幅移就是把频率 相位作为常量 而把振幅作为变量 信息比特是通过载波的幅度来传递的 由于调制信号只有 0 或 1 两个电平 相乘的结果相当于将载频或者关断 或者接通 它的实 际意义是当调制的数字信号 1 时 传输载波 当调制的数字信号为 0 时 不传输载波 典 型波形如下图所示 1 0 A 0 1 T -A 图 7-13 幅移键控的典型波形 幅移键控的调制器可以用一个相乘器来实现 如下图所示 对于通断键控信号来说 相 乘器则可以用一个开关电路来代替 调制信号为 1 时开关电路导通 为 0 时开关电路切断 二进制振幅键控信号由于一个信号状态始终为零 故又常称为通断键控信号 OOK 信号 196

197 基带信号 已调信号 载波 Acoswct 图 ASK 调制器模型 MASK 调制 MASK 调制方式是采用多电平基带信号对一个高频载波进行平衡调制 得到多种幅度的 高频已调波 它在频谱上是载波抑制的双边带信号 单侧边带的带宽等于基带信号本身的带 宽 所以整个已调波带宽是基带信号带宽的二倍 MASK 中的 M 2k 一般 MASK 调制框图 如下所示 图 7-15 MASK 调制器一般框图 如果输入数据的码率为 Rb bps 经串/并变换成 k 路数据后 每路数据的码率为 Rb /k bps 再由数/模变换器变换成 2k M 电平的数据 与载波 cosωct 相乘 形成 MASK 已调波 7.7 MVSB 调制 所谓残留边带调制 VSB 是在双边带调制的基础上设计适当的输出滤汲器 使信号的 一个边带频谱成分原则上全部保留 另一个边带频谱成分保留一小部分 它是双边带调制 DSB 和单边带调制 SSB 的一种拆衷 实际上 基带信号携带的信息在 MASK 已调波任一个边带中都已全部包含 所以 传输 时可以抑制一个边带而只发送另一个边带宽 如果只传送抑制载波的一个单边带 接收端不 197

198 能从中获得参考载波而将无法解调 因此 在传送信号中尚需再传送一个低电平的 被抑制 的基准载波信息 称为导频信号 具体作法是将传送的上边带向下侧展宽一些 已包含进载波分量 就像目前的模拟电视 信号广播中应用的残留边带调幅方式一样 因此这种 MASK 调制传输方式在数字电视的应用 中称之为 MVSB 调制 调制效率 MVSB 已调波的传输带宽就等于基带信号的带宽 由于码率为 Rb/k bps 在理想低通情 况下基带带宽 B= 1/2 Rb/k Hz 由于已调波只传送一个边带 因而已调波的带宽也为 F B 于是 调制效率 η 为 Rb 2k 2 log 2 M (bps / Hz ) F 考虑到低通滤波具有滚降系数 α 0 1 时 实际的高频带宽应为 F 1 α 所以 实际的高频调制效率 η 为 2 log 2 M (bps / Hz ) 1 显然 M 越大时 高频调制效率 η 越高 但是 M 增大后星座图上星座点之间的距离相 应地减小 抗干扰能力随之降低 MVSB 和 MQAM 的比较 MVSB 调制中 M= η bps/Hz 而在 MQAM 中要得到这样的 η 值 应 L= 而由于其 M=L2 对应 M= 因此 X-VSB 与 X2-QAM 实际中 X 取 具有相同的高频调制效率 在高斯白噪声下 它们也具有相同 的误码率特性 VSB 和的 QAM 误码性能如下图所示 图 7-16 VSB 和 QAM 的误码性能 198

199 从频谱利用率上和抗干扰能力上看 X-VSB 与 X2-QAM 是特性相当的 另外 VSB 中 依靠导频信号使接收端恢复出参考载波 虽然保证了载波的恢复 消耗了一部分数据信号功 率 导频信号能量太小时则容易受噪声的干扰 在 QAM 调制信号传送中 没有导频信号 可最大限度地利用高频功率 在数字电视的有线信道传输时中 普遍地采用 MQAM 调制方 式 7.8 正交频分复用 OFDM 调制技术 上面的各种数字调制方式都可以归纳为单个高频载波式的数字调制 由于通常数字视频 信号的码率很高 高频已调波信号在地面开路传送中 高速数据受到多径干扰等影响而会发 生严重的码间干扰 造成接收中的误码率较高 电视中出现重影问题 对于移动接收 情况 会更严重 因此 必须使用均衡及抽头延迟线调整等方法减轻这种干扰 传统频分复用 FDM 频分复用 FDM Frequency Division Multiplexing 是一种多载波通信技术 就是将用 于传输信道的总带宽划分成若干个子频带 或称子信道 每一个子信道传输 1 路信号 频分 复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和 同时为了保证各子信道中所传输的信号互不 干扰 应在各子信道之间设立隔离带 这样就保证了各路信号互不干扰 频分复用技术的特 点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作 每一路信号传输时可不考虑传输时延 传统的频分复用 FDM 的优点是简单 直接 但是由于子信道之间要留有保护频带 频谱的利用率低 而且在频分路数 N 较大时多个滤波器的实现使系统复杂化 正交频分复用 OFDM 频分复用技术除传统意义上的频分复用 FDM 外 还有一种是正交频分复用 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用 OFDM 是频带混叠的多载波 通信方案技术 它的基本思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道 在每一个子信 道上使用一个子载波进行调制 并且各子载波并行传输 这样 尽管总的信道并非平坦的 也就是说 具有频率选择性 但是每个子信道是相对平坦的 并且在每个信道上进行的是窄 带传输 信号带宽小于信道的相关带宽 因此可以大大消除符号间干扰 OFDM 全部载波频率有相等的频率间隔 它们是一个基本振荡频率的整数倍 由于在 OFDM 系统中各个子信道的载波相互正交 它们的频谱是相互重叠的 这样不但减小了子载 波间的相互干扰 同时又提高了频谱利用率 COFDM 则是表示基带信号已施加了纠错编码 OFDM 每个载波所使用的调制方法可以不同 各个载波能够根据信道状况的不同选择不 同的调制方式 比如 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM 等等 以频谱利用率和误码 率之间的最佳平衡为原则 我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频 谱效率 OFDM 技术使用了自适应调制 根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式 比如 在终端靠近基站时 信道条件一般会比较好 调制方式就可以由 BPSK 频谱效率 1bit/s/Hz 199

200 转化成 16QAM 64QAM 频谱效率 4 6bit/s/Hz 整个系统的频谱利用率就会得到大幅度 的提高 自适应调制能够扩大系统容量 但它要求信号必须包含一定的开销比特 以告知接 收端发射信号所应采用的调制方式 终端还要定期更新调制信息 这也会增加更多的开销比 特 OFDM 还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式 信道好的时候 发射功率不变 可以增强调制方式 如 64QAM 或者在低调制方式 如 QPSK 时降低发射功率 功率控 制与自适应调制要取得平衡 也就是说对于一个发射台 如果它有良好的信道 在发送功率 保持不变的情况下 可使用较高的调制方案如 64QAM 如果功率减小 调制方案也就可以 相应降低 使用 QPSK 方式等 自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解 如果在差的信道上使用较强的调制方式 那么就会产生很高的误码率 影响系统的可用性 OFDM 系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏 发送一个已知数据的码字 测出 每条信道的信噪比 根据这个信噪比来确定最适合的调制方式 正交频分复用 OFDM 技术的发展 OFDM 的概念于 20 世纪 年代提出 1970 年 OFDM 的专利被发表 其基本思想 通过采用允许子信道频谱重叠 但相互间又不影响的频分复用 FDM 方法来并行传送数据 OFDM 早期的应用有 AN/GSC_10 KATHRYN 高频可变速率数传调制解调器等 在早期的 OFDM 系统中 发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产 生的 系统复杂且昂贵 1971 年 Weinstein 和 Ebert 提出了使用离散傅立叶变换实现 OFDM 系统中的全部调制和解调功能的建议 简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间严 格同步的问题 为实现 OFDM 的全数字化方案作了理论上的准备 80 年代以后 OFDM 的调制技术再一次成为研究热点 例如在有线信道的研究中 Hirosaki 于 1981 年用 DFT 完成的 OFDM 调制技术 试验成功了 16QAM 多路并行传送 19.2kbit/s 的电话线 MODEM 在实际应用中 DFT 的实现一般可运用快速傅里叶变换算法 FFT 利用 FFT 算法用单载波调制实现 OFDM 1984 年 Cimini 提出了一种适于无线信道传送数据的 OFDM 方案 其特点是调制波的 码型是方波 并在码元间插入了保护间隙 该方案可以避免多径传播引起的码间串扰 进入 90 年代以后 OFDM 的应用又涉及到了利用移动调频 FM 和单边带 SSB 信 道进行高速数据通信 陆地移动通信 高速数字用户环路 HDSL 非对称数字用户环路 ADSL 超高速数字用户环路 VHDSL 数字声广播 DAB 及高清晰度数字电视 HDTV 和陆地广播等各种通信系统 OFDM 调制的基本原理 例如 B=8MHz 高频带宽的电视频道 如果 N= 则是在 8MHz 高频带宽内设置 2048 个载波 载波之间的频率间隔为 Δf=8MHz/2048=3096Hz 各个载波频率可表示为 f0 f1 f2 fk fn-1 其中 fk f0 jδf 通常用 ω 来表示 f 当采用 QAM 调制方式时 对 于每个载波频率 ωk 给出 sinωkt 和 cosωkt 两个正交载波 供一对 Ik 和 Qk 信号进行调制 OFDM 调制和解调原理框图如下图所示 输入数据流经串/并和 D/A 变换 数/模 变换 后 映射为 N 路 Ik 和 Qk 符号去调制各路载波 各路已调波相加合成为 OFDM 信号输出 200

201 可以证明只要保证载频间隔 Δf 等于调制符号周期 Ts 倒数的整数倍 即 Δf=1/Ts 或 Δf=m/Ts 就能保证各载频已调波之间的正交性 图 7-17 图 7-18 OFDM 调制器原理框图 OFDM 信号解调器原理框图 使用正交频分复用 OFDM 方法可以有效地克服反射或重影造成的影响 OFDM 调制 方法是在规定的高频带宽 B 内均匀安排以 N=2r 个子载波 同时将高码率的串行数据流变换 成 N 个低码率的并行流 对 N 个子载波进行调制 QPSK 或 QAM 然后再将各路已调波混 合 便得到总带宽为 B 频分复用的 FDM 信号 由于数码率大大降低 比特周期大大加长 因此反射波的影响就大为减小 由于 OFDM 各子载波信号之间是互相正交的 因此即使各载 波间有重叠部分 解调时也能利用正交性解调每个载波上的调制符号 Ik 和 Qk 这样就可充分 利用带宽 安排尽量多的载波 下图示出了 OFDM 的频谱 各载波间的间隔为符号周期的倒 数 任一载波在其它载波位置上的值均为 sinx/x 数百个甚至数千个载波产生的方法不能 采用通常的锁相频率合成器 而要采用反离散付立叶变换 IDFT 来同时产生所需要数量的 载波 欧洲的 DVB HDTV 以及 DAB 系统都采用 OFDM 调制方式 201

202 图 OFDM 已调波频谱 OFDM 已调载波的数学分析 一个 OFDM 符号定义为各个载波被各符号在时间 Ts 内调制后各已调波的综合 可表示 1 s (t ) 成 N N 1 j [ k ( t ) k ( t )] A ( t ) e k k 0 式中 ωk=ω0+kδω 表示第 k 个载波 Ak t 和 φk t 为已调波载波 ωk 的幅度和相位 实际传输的信号是 S t 的实数部分 考虑到一个符号周期 Ts 上信号是一个定值 有 Ak t Ak φk t φk 串行数据流并行分散到 N 个子载波上后 每个符号的传输时间 Ts 是串 行数据流中符号传输时间 ΔT 的 N 倍 也即 Ts=NΔT 为了简化令 ω0=0 对时间上连续的 S t 进行间隔为 ΔT 取样 在一个符号周期 Ts 内取 N 个样值 可以证明 S t 的离散时间 表示式为 1 s ( n) N N 1 S (k )ej 2 nk N 0 n N 1 k 0 n 表示一个 OFDM 符号中的第 n 个样值 Ak e j k S (k ) 上式正是离散傅立叶反 变换的一般表示式 已知等式右边的频域函数可以计算出左边的时域函数 可以使用快速的 离散傅立叶反变换 IFFT 来实现 OFDM 具体实施方法 由于多载波调制需要 N 个频率的振荡器实际很难实现 因此 OFDM 调制和解调是利用 202

203 离散傅立叶变换的正反变换来实现 OFDM 调制实际实现框图如图所示 图 7-20 利用 IFFT 运算实现 OFDM 调制框图 串/并变换器将高码率的串行数据流均匀分散成 N 路低码率的并行的符号 I+jQ,因为 N 和 ΔT 值都已明确 各路的 I Q 值是已知的 所以 S k 也就是已知的 根据 IFFT 的运算 便可以直接得出 OFDM 信号 s n 经过 D/A 变换后得到 s t 再由载频变换器将 s t 变换到一个预定的高频上 最终形成可经由传输通道发送出的 OFDM 调频波 接收端对接收到的 OFDM 信号的解调是发送端的逆过程 其中关键部分是 FFT 的运算 N 1 j 2 nk / N S ( k ) s ( n ) e 数学表示式为: n 0 从各 S k 得到相应的 Ak φk 数据 由此恢复出有关的 Ik Qk 数据 最后经串/并变换 后成为原来的基带信号数据流 OFDM 技术的优点 OFDM 技术实现了多载波调制 MCM 克服了多径接收 支持移动接收 提高了 系统的传输码率 OFDM 技术将给定信道分成许多正交子信道 在每个子信道上使用一个子载波进行 调制 单个载波间无需保护频带 并且各子载波并行传输 大大消除信号波形间的 干扰 使得可用频谱的使用效率更高 OFDM 技术可适应不同设计需求 灵活分配数据容量和功率 便于提供灵活的高速 和变速综合数据传输 OFDM 技术能提供较大的系统容量 且具有较强的抗多径干扰 抗频率选择性衰落 和频率扩散能力 适应多径和移动信道传播条件 OFDM 技术可以实现较高的安全传输性能 它允许数据在高速的射频上编码 OFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化 能动态地接通或 切断相应的载波 要使某个位置有或没有载波很简单 只要令相应的数据为 1 或 0 可动态分配在子信道中的数据 以保证持续地进行成功的通信 为获得最大的 203

204 数据吞吐量 多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上 OFDM 技术的缺点 尽管 OFDM 有很大的优点 在技术上也还存在几个缺点 1 对频率偏移和相位噪声敏感 OFDM 的基础是子载波必须满足正交 如果正交性恶化 则整个系统的性能会严重下降 产生 OFDM 特有的子载波间串扰 在实际工作中由于无线衰落信道的时变性 往往会造成频 率弥散 引起多普勒频移效应 从而影响载波频率正交性 如何实现子载波的精确同步是 OFDM 技术中的一个难点 2 高的峰均功率比 PAPR 峰均功率比 PAPR 是指发射机输出信号为非恒包络信号时 其峰值功率和平均值功率 的比值 决定 OFDM 信号峰均功率比的因素有两个 一是调制星座的大小 另一是并行载波 数 N 调制星座越大 峰均功率比就可能越大 这与串行传输方式时是相同的 OFDM 信号呈现很大的峰值平均功率比 PAPR 比单载波系统需要更宽的线性范围 由于采用 DFT 实现调制和解调 故对载波频率偏移 相位噪声和非线性放大更为敏感 若要 避免信号失真和频谱扩展 则需要动态范围很大的线性放大器 如何降低信号的峰值平均功 率比是 OFDM 技术中的另一个难点 3 插入保护间隔使传输有效码率降低 OFDM 子载波上的符号周期比单载波调制扩大了 但是仍然不能完全消除多径衰落的影 响 在多载波系统中 多径回波不仅使同一载波的前后相邻符号叠加 造成符号间干扰 ISI 而且会破坏子载波间的正交性 造成载波间串扰 ICI 这是因为多径回波使子载波的幅度 和/或相位在一个积分周期内发生了变化 以至于接收信号中来自其它载波的分量在积分以后 不再为 0 了 解决这一问题的方法是在每个符号周期上增加一段保护间隔 Guard Interval 时间 插入保护间隔使传输有效码率降低了约 10% 人们正在积极寻找方法克服此问题 例如 清华大学提出的 DMB-T 系统方案中 就在保护间隔中插入了 PN 序列 代替 OFDM 常用的 循环前缀方式 用于系统定时 同步和信道估计均衡等 OFDM 在数字电视中的应用 目前全球共有 3 套国际数字电视地面传输系统标准 美国 1996 年高级电视系统委员会 ATSC 研发的 ATSC8-VSB 欧洲 1997 年提出的数字视频地面广播 DVB-T COFDM 日 本 1999 年提出的地面综合业务数字广播 ISDB T OFDM 目前在地面数字电视广播系统中 子载波数量一般为 2k 4k 或 8k 欧洲 DVB-T COFDM 系统是欧洲数字电视广播 DVB 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准 在系列 标准中 DVB-T 是最复杂的 DVB 系统 使用 MPEG-2 传送比特流复用 里德-索罗门 RS 前向纠错系统 采用 COFDM 调制方式 把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上 用 1705 个载波 2K 或 6817 个载波 8K 模式 2K 与 8K 系统是兼容的 在移动性能 方面 在 2k 模式下可以提供非常好的移动性能 并且明显好于 8k 模式 在网络规划方面 204

205 很大的地理区域只被单一频率覆盖从而构成单频率网络 SFN 但 2k 模式下符号持续时间 和相应的保护间隔很短 这就使得网络设计者难于进行频率规划 阻碍了其在这类环境中的 使用 所以 2k 模式只适合于小型单频网 而 8k 模式更适合于构成一个大范围的单频网 4k 模式在移动性能和网络规划灵活性方面取得了很好的折衷 日本 ISDB-T 系统方案和欧洲 后来的 DVB-H 系统方案在原来 2k 和 8k 的基础上增加了 4k 模式 日本提出的 综合业务数字广播 ISDB-T OFDM 系统采用 MPEG-2 传送比特复用 OFDM 调制方式 使用的编码方式 调制 传输与 DVB-T COFDM 基本相同 可以说是经修改的欧 洲方式 不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输 将整个 6MHz 频带划分为 13 个子带 每个子带 432KHz 将中间一个用于传输音频信号 并大大加长了交织深度 最长 达 0.5 秒 增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务 ISDB-T 概 念覆盖了各种服务 因此系统不得不面对各种需求 而且一个业务可能和另一个业务是不同 的 我国清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体与电视广播系统 DMB-T 它采用时域同步正交频分复用技术 TDS-OFDM 清华大学提出的 DMB-T 系 统方案采用了 4k 模式 更好地兼顾了移动性能和网络规划 DMB-T 传输系统既适用于地面 数字多媒体电视广播系统 也适用于其它宽带传输系统 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握电视信号载波调制的目的 掌握数字电视调制技术的方法和分类 掌握数字电视常用的几种载波调制原理 205

206 第8章 数据通信与分组交换 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握数据通信的基本理论 掌握数据链路传输控制规程 掌握数据传输基本原理 掌握数据通信的交换方式 掌握分组交换数据网原理 数据通信概述 数据通信的定义和特点 在电信领域中 信息一般可分为话音 数据和图像三大类型 数据是具有某种含义的数 字 信号的组合 如字母 数字和符号等 这些字母 数字和符号在传输时 可以用离散的数 字信号逐一准确地表达出来 例如可以用不同极性的电压 电流或脉冲来代表 将这样的数 据 信号加到数据传输信道上进行传输 到达接收地点后再正确地恢复出原始发送的数据信息 我们知道计算机的输入输出都是数据信号 而数据通信就是以传输数据为业务的一种通 信方式 因此是计算机和通信相结合的产物 是计算机与计算机 计算机与终端以及终端与 终端 之 间的通信 是按照某种协议连接信息处理装置和数据传输装置 进行数据的传输及 处理 计算机与通信相结合 克服了时间和空间上的限制 使人们可以利用终端在远距离共 同使用计 算机 提高了计算机的利用率 使计算机的应用范围扩大到各个社会生活领域 从 而使信息化社会进一步向前推进 数据通信和电报 电话通信相比 数据通信有如下特点 数据通信是人 机或机 机通信 计算机直接参与通信是数据通信的重要特征 206

207 图 8-1 二进制与多进制波形示意图 数据传输的准确性和可靠性要求高 传输速率高 要求接续和传输响应时间快 通信持续时间差异大 数据通信的发展与原有通信网资源有着密切的关系 在发展初期 主要利用专线构成多 种专用系统 这一阶段发展速度很快 致使租用线路紧张 不能满足使用要求 因此就开始 考虑利用电报 电话网进行数据通信 60 年代初 美国首先对电话网进行调查 测试和研究 在电话网上开放了数据业务 到 60 年代中期 西欧 日本等技术先进的国家也先后在 电话 网上开放了数据业务 以后 随着数据业务的增长和通信技术的发展 到 70 年代 一些国家 才逐步建立公用数据网 数据通信系统的构成 研究数据通信系统包括两方面内容 一方面研究信道的组成 连接 控制及其使用 另 一方面研究信号如何在信道上传输和控制 任何一个数据通信系统都是由终端 数据电路和 计算机系统三种类型的设备组成的 图 8-2 是数据通信系统的基本构成 由图可看出 远端 的数据终端设备 DTE 通过数据电路与计算机系统相连 数据电路由传输信道和数据电路 终接设备 DCE 组成 如果传输信道是模拟信道 DCE 的作用就是把 DTE 送来的数据信 号变换为模拟信号再送往信道 或者反过来 把信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到 DTE 如果信道是数字的 DCE 的作用就是实现信号码型与电平的转换 信道特性的均衡 收 发时钟的形成与供给以及线路接续控制等等 传输信道从不同角度有不同的分类方法 如有 模拟信道与数字信道之分 有专用线路和交换网线路之分 有有线信道和无线信道之分 有 频分信道和时分信道之分等等 207

208 图 8-2 数据通信系统的基本构成 数据通信和传统的电话通信的重要区别之一是 电话通信必须有人直接参加 摘机拨号 接通线路 双方都确认后才开始通话 在通话过程中有听不清楚的地方还可要求对方再讲一 遍 等等 在数据通信中也必须解决类似的问题 才能进行有效的通信 但由于数据通信没 有人直接参加 就必须对传输过程按一定的规程进行控制 以便使双方能协调可靠地工作 包括通信线路的连接 收发双方的同步 工作方式的选择 传输差错的检测与校正 数据流 的 控制 数据交换过程中可能出现的异常情况的检测和恢复 这些都是按双方事先约定的传 输控制规程来完成的 具体由图 8-2 中的传输控制器和通信控制器来完成 从图 8-2 中还可 看到 数据电路加上传输控制规程就是数据链路 实际上 通信双方要真正有效地进行数据 传输 必须在建立数据链路之后 正是由于数据链路要遵循严格的传输控制规程 使得它所 提供的数据传输质量要比数据电路所提供的数据传输质量好得多 例如 后者的平均误码率 为 而前者为 数据通信的工作方式 根据数据电路的传输能力 数据通信可以有单工 半双工和全双工三种通信方式 1 单工 两地间只能在一个指定的方向上进行传输 一个数据站固定作为数据源 而 另一个固定作为数据宿 在二线连接时可能出现这种工作方式 2 半双工 两地间可以在两个方向上进行传输 但两个方向的传输不能同时进行 利 用二 线电路在两个方向上交替传输数据信息 由 A 到 B 方向一旦传输结束 为使信息从 B 传送到 A 线路必须倒换方向 这种换向动作是由调制解调器完成的 3 全双工 两地间可以在两个方向上同时进行传输 在四线连接中均采用这种工作方 式 在二线连接中 采用某些技术 如回波消除 频带分割 也可以进行双工传输 数据传输方式 1 并行传输与串行传输 并行传输指的是数据以成组的方式 在多条并行信道上同时进行传输 常用的就是将构 成一个字符代码的几位二进制码 分别在几个并行信道上进行传输 例如 采用 8 单位代码 的字符 可以用 8 个信道并行传输 一次传送一个字符 因此收 发双方不存在字符的同步 208

209 问题 不需要另加 起 止 信号或其他同步信号来实现收 发双方的字符同步 这是并行 传输的一个主要优点 但是 并行传输必须有并行信道 这往往带来了设备上或实施条件上 的限制 因此 实际应用受限 串行传输指的是数据流以串行方式 在一条信道上传输 一个字符的 8 个二进制代码 由高位到低位顺序排列 再接下一个字符的 8 位二进制码 这样串接起来形成串行数据流传 输 串行传输只需要一条传输信道 易于实现 是目前主要采用的一种传输方式 但是串行 传输存 在一个收 发双方如何保持码组或字符同步的问题 这个问题不解决 接收方就不能 从接收到的数据流中正确地区分出一个个字符来 因而传输将失去意义 如何解决码组或字 符的同步问题 目前有两种不同的解决办法 即异步传输方式和同步传输方式 2 异步传输与同步传输 异步传输一般以字符为单位 不论所采用的字符代码长度为多少位 在发送每一字符代 码时 前面均加上一个 起 信号 其长度规定为 1 个码元 极性为 0 即空号的极性 字 符 代码后面均加上一个 止 信号 其长度为 1 或 2 个码元 极性皆为 1 即与信号极性相 同 加上起 止信号的作用就是为了能区分串行传输的 字符 也就是实现串行传输收 发 双方码组或字符的同步 这种传输方式的特点是同步实现简单 收发双方的时钟信号不需要 严格同步 缺点是对每一字符都需加入 起 止 码元 使传输效率降低 故适用于 1200bit/s 以下的低速数据传输 同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的 因此在一个串行的数据流中 各信号 码 元之间的相对位置都是固定的 即同步的 接收端为了从收到的数据流中正确地区分出 一个 个信号码元 首先必须建立准确的时钟信号 数据的发送一般以组 或称帧 为单位 一组数据包含多个字符收发之间的码组或帧同步 是通过传输特定的传输控制字符或同步序 列来完成的 传输效率较高 数据信号的基本形式 前面已介绍过数据信号是在时间上和幅度上都取有限离散数值的电信号即数字信号 最 简单的数字信号是二元码或称二进制码 这种码的幅度只取两种不同的瞬时值 这种二进制 码也分 为单极性 双极性和归零 不归零四种不同的基本形式 从信号幅度取值的极性来区 分有单极性和双极性码之分 如果信号的幅度取为+1 和 0 就称为单极性二元码 这种码包含 一定的直流分量 如果二元码幅度可以对称地取为+1 和 1 这里的 1 应理解为一个单位电 压或电流 就称为双极性二元码 +1 和 1 的取值均匀分布的双极性信号不包含直流分量 从信号电压是否占满整个符号持续期 还可以把二元码分为归零的和不归零的两类 归零的 二元码是指信号电压只存在于局部的符号持续时间 其余时间内没有信号电压 即归零了 类似的 不归零的二元码则指信号电压填满了整个符号持续时间 单极 双极以及归零 不 归零四种特征的不同组合 就形成四种二元码基本形式 在二进制数字通信系统中 每个码元或每个符号只能是 1 和 0 两个状态之一 若将每 个码元可能取的状态增加到 等等 就需用 进制等信号 例如四状态用 和 0 四种电平表示的四电平四进制信号 这里一个四进制符号代表两位二进制码组 八状态用八电平表示 209

210 8.2 数据链路传输控制规程 数据链路 数据链路是数据电路加上传输控制规程 它由通信线路 调制解调器 终端及通信控制 器之间的接口构成 国际标准化组织 ISO 定义数据链路为 按照信息特定方式进行操作 的两个或两个以上终端装置与互连线路的一种组合体 所谓特定方式是指信息速率与编码均 相同 一个数据通信系统包括一个或多个数据链路 数据链路的结构分为点对点与点对多点 两种 如图7 4所示 数据链路传输数据信息有三种不同的操作方式 单向型 信息只能按一个方向传送 双向交替型 信息先从一个方向 后从相反方向传送 双方同时型 信息可在两个方向上同时传送 数据链路中的DTE可能是不同类型的终端或计算机 从链路逻辑功能的角度 把这些不 同类 型不同功能的DTE统称为站 在点对点链路中发送信息或命令的站称为主站 接收信息 或命令而发出认可信息或响应的站称为从站 同时能发送信息 命令 认可和响应的站称为 组合站 在点对多点链路中 负责组织链路上数据流 并处理链路上所出现的不可恢复的差 错的站称为控制站 而其余各站称为辅助站 控制站执行轮询 选择等管理功能 轮询是控 制站有次序地询问各个辅助站接收信息的过程 数据链路控制规程 数据通信的双方为有效地交换数据信息 必须建立一些规约 以控制和监督信息在通信 线路上的传输和系统间信息交换 这些规则称为通信协议 数据链路的通信操作规则称为数 链路控制规程 它的目的是在已经形成的物理电路上 建立起相对无差错的逻辑链路以便在 DT E与网路之间 DTE与DTE之间有效可靠地传送数据信息 为此 数据链路控制规程 应 具备下面功能 帧同步 将信息报文分为码组 采用特殊的码型作为码组的开头与结尾标志 并在 码组中加入地址及必要的控制信息 这样构成的码组称为帧 帧同步的目的是确定 帧的起始与结尾 以保持收发两端帧同步 差错控制 由于物理电路上存在着各种干扰和噪声 数据信息在传输过程中会产生 差错 采用水平和垂直冗余校验 或循环冗余校验进行差错检测 对正确接收的帧 进行认可 对接收有差错的帧要求对方重发 顺序控制 为了防止帧的重收和漏收 必须给每个帧编号 接收时按编号认可以识 别差错控制系统要求重发的帧 透明性 在所传输的信息中 若出现了每个帧的开头 结尾标志字符和控制字符的 序列 要插入指定的比特或字符 以区别以上各种标志和控制字符 这样来保障信 息的透明传输 即信息不受限制 线路控制 在半双工或多点线路场合 确定哪个站是发送站 哪个站是接收站 建 立和释放链路的逻辑连接 显示站的工作状态 流量控制 为了避免链路的阻塞 应能调节数据链路上的信息流量 决定暂停 停 210

211 止或继续接收信息 超时处理 如果信息流量突然停止 超过规定时间 决定应该继续作些什么 特殊情况 当没有任何数据信号发送时 确定发送器发送什么信息 启动控制 在一个处于空闲状态的通信系统中 解决如何启动传输的问题 异常状态的恢复 当链路发生异常情况时 如收到含义不清的序列 数据码组不完 整或 超时收不到响应等 自动地重新启动恢复到正常工作状态 你链路控制规程执行的数据传输控制功能可分为五个阶段 阶段1为建立物理连接 数据 电路 数据电路可分为专用线路与交换线路两种 在点对多点结构中 主要采用专线 物 理连接是固定的 在点对点结构中 如采用交换电路时 必须按照交换网络的要求进行呼叫 接续 如电话网的V.25和数据网的X.21呼叫接续过程 阶段2为建立数据链路 建立数据链路 在点对点系统中 主要是确定两个站的关系 谁 先发 谁先收 作好数据传输的准备工作 在点对多点系统中 主要是进行轮询和选择过程 这个过程也就是确定由哪个站发送信号 由哪个 些 站接收信息 阶段3为数据传送 下面进入有效可靠地传送数据信息 如何将报文分成合适的码组 以 便进行透明的相对无差错的数据传输 阶段4为数据传送结束 当数据信息传送结束时 主站 向各站发出结束序列 各站便回到空闲状态或进入一个新的控制状态 阶段5为拆线 当数据电路是交换线路时 数据信息传送结束后 就需要发出控制序列 拆除通信线路 数据链路控制规程的种类 数据链路控制规程的种类根据所采用的帧同步技术 规程一般可分为两种 1 面向字符规程 采用某些专用的字符来控制链路的操作 监视链路的工作状态 BSC与我国的基本型传 输控制规程都属于这一类规程 2 面向比特规程 采用特定的二进制标志序列作为帧的开始和结束 以一定的比特组合所表示的命令和响 应实现链路的监控功能 命令和响应可以与信息一起传送 SDLC ADCCP HDLC X.25 都属于这类规程 数据传输 数据传输的基本形式 基带 传 输 所谓基带 就是指电信号所固有的基本频带 简称基带 数字信号的基本频带是从0至若 干兆赫 由传输速率决定 当利用数据传输系统直接传送基带信号 不经频谱搬移时 则称 之为基带传输 这这种数据传输系统就称之为基带传输系统 211

212 2. 频带传输 所谓频带传输 就是把二进制信号 数字信号 进行调制交换 成为能在公用电话网中 传输的音频信号 模拟信号 将音频信号在传输介质中传送到接收端后 再由调制解调器 将该音频信号解调变换成原来的二进制电信号 这种把数据信号经过调制后再传送 到接收 端后又经过解调还原成原来信号的传输 称为频带传输 这种频带传输不仅克服了目前许多 长途电话线 路不能直接传输基带信号的缺点 而且能够实现多路复用 从而提高了通信线路 的利用率 但是频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器 将基带信号变换为通带信 号再传输 3. 宽带传输 宽带是指比音频带宽更宽的频带 使用这种宽频带传输的系统 称为宽带传输系统 它 可以容纳全部广播 并可进行高速数据传输 宽带传输系统多是模拟信号传输系统 一般说 宽带传输与基带传输相比有以下优点 能在一个信道中传输声音 图像和数据信息 使系统具有多种用途 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道 实现多路复用 因此信道的容量大大增 加 宽带传输的距离比基带远 因基带直接传送数字 传输的速率愈高 传输的距离愈 短 4. 数 字数 据传 输 数字数据传输方式就是利用数字信道传输数据的方法 采用数字信道 每一数字话路的 数据传输速率为64kbit/s 所以 每一话路可复用5路9600bit/s或10路1800bit/s的数据 并不需 要采用调制解调器 MODEM 误码率又较低 从而提高了传输的速率和质量 当传输距 离 较长时 由于数字信道每隔一定距离就要插入再生中继器 使信道中引入的噪声和信号失真 不会积累 从而大大提高传输质量 当然 采用数字传输要求全网的时钟系统保持同步 因 此这种数字数据传输方式的灵活性不如模拟传输方式 数字数据传输的基本原理 如上面所述 利用PCM数字信道传输数据信号 首先要解决的问题是数据信号如何进入 PCM话 路的问题 下面按同步和异步两种情况分别说明 1 同步方式 利用PCM数字信道传输数据 如果数据信号与数字端局的时钟是同步的 这时 数据终 端输出的数据信号是受PCM信道时钟控制的 因此只需对数据信号进行多路化处理即可 这 里数据终端设备处于受控制的从属地位 因此灵活性差 2 异步方式 如果数据信号与数据端局时钟是异步的 这时数据信号可采用填充方式复用到64kbit/s的 集合信号 填充方式可分为比特填充 字符填充和包封三种方式 比特填充方式 当同步数据信号与数据端局的时钟是异步关系时 可以用缓冲存储器使输 入输出信号同步 其原理是首先将多路数据信号复用成一次群 然后以其脉冲速率将一次群 212

213 输入数据信号寄入缓存器 当输入速率比缓冲存储器的读出速率稍慢时 会出现信号尚未到 达就要读出的情况 这时就要插入填充脉冲 并把填冲脉冲的信息传到接收端 接收端收到 填充指示信息就抹去该填电路交换 充脉冲 然后把脉冲展成一定间隔 从而恢复原始数据 信号 这种方法只限于传输同步数据信号 字符填充方式 当异步起止式数据信号与数据端局时钟是异步关系时 为了实现同步多 路化传输 把输入的数据信号的起止码元去掉 并插入控制比特S 如果是5单位码 原信号 一个字符为7.5个码元 改变后变为6个码元 为了速率匹配 可在每4个数据字符之后 插入 一个填充字符Si 该字符由1位控制比特和5位信息比特组成 每个字符的控制比特标明该 字符是数据还是填充字符 利用这种方法 可以把60个50波特信号和一个200波特信号组合成 3.2kbit/s的复用信号 这种方法对字符转接的数据交换系统很适用 包封方式 按照CCITT X.50或X.51建议 将同步的用户数据流复用成64kbit/s的集合信号 X.50建 议规定采用 6+2 的包封格式 X.51建议规定采用 8+2 的包封格式 这种方法 是把等时数 据信号分成一系列6比特组 或8比特组 对每个6比特组 或8比特组 再填加 上帧同步比特F和状态比特S构成 6+2 或填加上包封同步比特A和状态比特S构成 8+2 的包封结构 每个包封称为一个字包 如图7 6所示 多路复用信号就是以8比特包封为单位 相互交织构成串行数据流 8.4 数据通信网的交换方式 对于计算机和终端之间的通信 交换是一个重要的问题 如果我们想使用任何遥远的计 算机 若没有交换机 只能采用点对点的通信 为避免建立多条点对点的信道 就必须使计 算机和某种形式的交换设备相连 交换又称转接 这种交换通过某些交换中心将数据进行集 中和转送 可以大大节省通信线路 在当前的数据通信网中 有三种交换方式 那就是电路 交换 报文交换和分组交换 一个通信网的有效性 可靠性和经济性直接受网中所采用的交 换方式的影响 电路交换 在数据通信网发展初期 人们根据电话交换原理 发展了电路交换方式 当用户要发信 息时 由源交换机根据信息要到达的目的地址 把线路接到那个目的交换机 这个过程称为 线路接续 是由所谓的联络信号经存储转发方式完成的 即根据用户号码或地址 被叫 经局间中继线传送给被叫交换局并转被叫用户 线路接通后 就形成了一条端对端 用户终 端和被叫用终端之间 的信息通路 在这条通路上双方即可进行通信 通信完毕 由通信双 方的某一方 向自己所属的交换机发出拆除线路的要求 交换机收到此信号后就将此线路拆 除 以供别的用户呼叫使用 由于电路交换的接续路径是采用物理连接的 在传输电路接续后 控制电路就与信息传输 无关 所以电路交换方式的主要优点是 数字电视原理与实现①信息传输延迟小 就给定的 接续路由来说 传输延迟是固定不变的 ②信息编码方法 信息格式以及传输控制程序等都 不受限制 即可向用户提供透明的通路 213

214 电路交换的主要缺点是电路接续时间长 线路利用率低 目前电路交换方式的数据通信 网是利用现有电话网实现的 所以数据终端的接续控制等信号要作到与电话网兼容 报文交换 60年代和70年代 在数据通信中普遍采用报文交换方式 目前这种技术仍普遍应用在某 些领域 如电子信箱等 为了获得较好的信道利用率 出现了存储 转发的想法 这种交 换方式 就是报文交换 它的基本原理是用户之间进行数据传输 主叫用户不需要先建立呼叫 而先进入本地交换机存储器 等到连接该交换机的中继线空闲时 再根据确定的路由转发到 目的交换机 由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址 所以每条路由不是固定分 配给某一个用户 而是由多个用户进行统计复用 报文交换中 若报文较长 需要较大容量的存储器 若将报文放到外存储器中去时 会造 成响应时间过长 增加了网路延迟时间 另一方面报文交换通信线路的使用效率仍不高 分组交换 分组交换与报文交换都是采用存储分组交换与报文交换都是采用存储转发交换方式 即首 先把来自用户的信息文电暂存于存储 装置中 并划分为多个一定长度的分组 每个分组前边 都加上固定格式的分组标题 用于指明该分组的发端地址 收端地址及分组序号等 以报文分组作为存储转发的单位 分组在各交换节点之间传送比较灵活 交换节点不必等 待 整个报文的其他分组到齐 一个分组 一个分组地转发 这样可以大大压缩节点所需的存 储容量 也缩短了网路时延 另外 较短的报文分组比长的报文可大大减少差错的产生 提 高了传输的可靠性 分组交换数据网 分组交换的基本原理 由数据终端设备A发出的数据信息 通过用户线送到交换机 节点机 a暂时存储 在交 换机a内分成具有一定长度的分组并在每一分组前边加上指明该分组发端地址 收端地址及分 组序号 的分组标题 交换机a为了把这分组转发给接收局交换机γ 就需要选择空闲路由 可以根据交换网的 状 态给每个分组选择不同路由 一般不会出现仅仅因为某一路由过忙而不能转发的情况 分组数据到达终点局的交换机γ后 再按照接收地址来分发 由于各分组数据是经过各自 的路由转送来的 所以它们未必能按照A B C的先后顺序到达 因此 交换机γ应按分组的序 号重新排列 最后 通过用户线将数据送至数 据终端设备C 以上所讲是分组交换网中数据报方式 因为每一个数据分组都包含终点地址信息 分组 交换机为每一个数据分组独立地寻找路径 因一份报文包含的不同分组 可能沿着不同的路 径 到达终点 在网路终点需要重新排序 214

215 图8-3 分组交换概念示意图 在分组交换网中还有另外一种方式 叫做虚电路方式 所谓虚电路 就是两个用户终端 设备在开始互相发送和接收数据之前 需要通过网路建立逻辑上的连接 一旦这种连接建立 之后 就在网路中保持已建立的数据通路 用户发送的数据 以分组为单位 将按顺序通过 网路到达终点 当用户不需要发送和接收数据时 可以清除这种连接 图8-4 逻辑信道与虚电路的概念 虚电路的概念可以用图8-4说明 在分组网中 从源终端传到目的终端中间经过若干交换 节 点 各节点间在一条物理信道上有多条逻辑信道 它们是按统计复用实现复用的 如图中 条逻辑信道 所谓逻辑信道 是指在两个节点之间 在通信协议中对等层之间的 一 种连接 在一条逻辑信道两端的交换机节点中 都对应分配一定的存储空间 在每个分组 中 都标明了所走的逻辑信道号 如当呼叫用户A要与A'通信时 A与A'通过节点 建 立 虚电路连结 而各节点之间的逻辑信道号是不样的 如图所示 节点1与节点2之间利用 逻辑 信道1 节点2与节点3之间利用逻辑信道1 节点3与节点4之间利用逻辑信道4 虚电路方式有几个特点 1 一次通信具有呼叫建立 数据传输和呼叫清除三个阶段 数据分组中不需要包含终 点地址 对于数据量较大的通信传输效率高 215

216 2 数据分组按建立的路径顺序通过网路 在网路终点不需要对数据重新排序 分组传 输时延小 而且不容易产生数据分组的丢失 3 当网路中由于线路或设备故障时 可能导致虚电路的中断 需要呼叫 建立新的连 接 但是 现在许多采用虚电路方式的网路 已能提供呼叫重新连接的功能 当网络出现故 障时 将由网络自动选择并建立新的虚电路 不需要用户重新呼叫 并且不丢失用户数据 虚电路可以是临时连接 也可以是永久连接 临时连接称为交换虚电路 用户终端在通信 之前 必须建立虚电路 通信结束后就拆除虚电路 永久连接的称为永久虚电路 用户如果向 网路预约了该项服务之后 就在两个用户之间建立永久的虚连接 用户之间的通信直接进入 数据 传输阶段 就好象具有一条专线一样 可随时传送数据 分组交换技术可以进行路由选 择 流量控制 以保证网路内的数据流量的平滑均匀 提高网路的吞吐能力和可靠性 防止 阻塞现象的发生 分组交换网的通信协议 协 议 概 念和层 次结 构 为了将众多不同功能 不同配置及不同使用方式的终端设备和计算机互连起来共享资源 就需要找到为解决它们之间互连而协商一致的原则 不同地理位置上两个实体相互通信 需 要通过交换信息来协调它们的动作和达到同步 而信息交换必须按照预先共同约定好的过程 进行 这种预先建立的原则 约定和标准就称为网路协议 协议是指系统间互换数据的一组规则 主要是关于相互交换信息的格式 涵义 节拍等 协议的制定和实现采用层次结构 即将复杂的协议分解为一些简单的分层协议 再组合成总 的 协议 协议分层总括起来有以下好处 各层之间是独立的 任何一层不需知道下面一层是如何实现的 只需知道下一层所 提供的服务和本层向上一层所提供的服务 灵活性好 任何一层发生变化 只要接口关系保持不变 其他各层均不受影响 结构上可以隔开 各层都可采用最合适的技术来实现 易于实现和维护 2. 开 放系统 互连 参 考模型 RM/OSI 为了互连就需要有一个共同的网路体系结构和技术标准 所谓开放就是背景只要遵循 OSI标 准 一个系统就可以和位于世界上任何地方的 也遵循这同一标准的其他系统通信 开放系统 模型分层分两步进行 第一步 把全部功能划分为数据传输功能和数据处理功能 数据传输 功能为数据处理功能提供传送服务 第二步 把上述两项功能进一步划分 设置七 层 如图 7 9所示 参考模型中的七层分别为物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应 用层 下面简述每层的功能 1 物理层控制节点与信道的连接 提供物理通道和物理连接以及同步 实现比特信息 的传输 物理层协议规定 0 和 1 的电平是几伏 一个比特持续多长时间 DTE与DCE接口 采 用的接插件的形式等等 2 数据链路层是两个通信实体之间一条点 点式信道 包括数据传输电路和数据电路 终接设备 数据链路层协议保证数据块从数据链路的一端正确地传送到另一端 使用差错控 216

217 制技 术来纠正传输差错 按一定格式成帧 图8-5 OSI开放系统七层参考模型 3 网络层用于控制通信子网的运行 管理从发送节点到收信节点的虚电路 协议规定 网络节点和虚电路的一种标准接口 完成网络连接的建立 拆除和通信管理 包括路由选择 信息流控制 差错控制以及多路复用等 4 传输层是主计算机 主计算机层 或者说端 端传输控制层 传输层的主要功能是 建立 拆除和管理传送连接 5 会话层是用户进网的接口 着重解决面向用户的功能 例如会话建立时 双方必须 核实对方是否有权参加会话 由哪一方支付通信费用 在各种选择功能方面取得一致 6 表示层主要解决用户信息的语法表示问题 表示层将数据从适合于某一用户的语法 变换为适合于OSI系统内部使用的传送语法 7 应用层的功能是假定网路上有很多不同形式的终端 各种终端的屏幕格式都不同 应用层就要设法转换 3. RM/OSI 的数 据流程 在介绍RM/OSI的数据流程之前 先介绍一个类比的例子 设有两个体制完全相同的单位 各单位分别设有主任 班长 组长 办事员 他们的工作方法很机械 下级只向他的直接上 级报告情况 上级只能要他的下级办事 两个单位的主任 班长 组长都不能直接往来 但 可通过书信协商工作 且仅接收对方对应职位人员的信件 唯一能直接见面的是双方的办事 员 这种甲 乙两单位协商办事的方式如图7 10所示 甲主任要和乙主任协调事宜 必须通 过信函 并将信封在信封内交给甲班长 甲班长拿出与乙班长通信的专用信封 否则乙班长 不收 将甲主任的信装入其中 并将它交给甲组长 甲组长将其装入给乙组长的专用信封 中交给甲办事员 让他交给乙方办事员 乙办事员收到信后送给乙组长 乙组长检查信封 是甲组长的信封才接收 并剥去信封查看内容 若是给自己的就自行处理 若是给上级的就 给乙班长 乙班长收到信后也按相同的方法处理 直至把信送给乙方主任为止 按RM/OSI 模型设计的网络系统的通信过程与上例类似 其数据流程如图7 11所示 用户数据送入应用 层后 该层给它附加控制信息H7后送表示层 表示层可能要对数据作适当变换 如代码转换 数据压缩 后附加控制信息H6再送会晤层 会晤层加上控制信息H5送传输层 传输层可能 217

218 要把长报文分成若干段 给每段加上控制信息H4后送网络层 网络层加上控制信 息H3形成 报文分组送数据链层 数据链层给报文分组附加头H2和尾T2形成帧 Frame 经物 理层发 送到对方 对方系统则进行上述过程的逆处理 直至将数据送给用户进程为止 4. CCITTX 系列建议 1 X系列建议概述 图8-6 公用分组数据网 如图8-6所示的公用数据网 是为计算机之间进行通信 以及为远程终端接入计算机提供 一种公共的手段 公用数据网由若干起交换作用的节点机组成 节点机的任务是把分组数据 送到目的地 CCITT制定了X 系列建议 x系列建议编号主要内容 x.3 公用数 据通信网分组装/拆 PAD 功能 x.20 公用数据通信起止式传输业务用的DTE与DCE之间的接口 x.20bis 公用数据网内可与V.21建议兼容的 起止式DTE与DCE之间的接口 x.21 公用数据网内同步式DTE与DCE之间的接口 x.21bis 为与同步式V系列调制解调器接口设计的数据终端设备在公用数据网 内的 应用 x.24 公用数据网上DTE DCE间的接口电路定义表 x.25 报文分组型公用数据网DTE DCE接口 2 X.25建议 X.25建议为公用数字网上以分组方式工作的终端规定了DTE与DCE之间的接口 这里 DTE是用户终端设备 DCE是数据通信设备 它能把DTE定义的信号转换成适合在传输线路 上传输的信号 但从X.25意义上讲 DCE则是与DTE连接的入口节点或节点交换机 X.25标准为用户 DTE 和分组交换网路 DCE 之间建立对话和交换数据提供一些共 同的规程 这些规程包括数据传输通路的建立 保持和释放 数据传输的差错控制和流量控 制 防止网路发生阻塞等等 对于非分组终端 需要用规程转换器 也就是分组拆/装设备 PAD 转换成X.25接口规程 或者由网路设备 如交换机 完成规程转换 X.25中规定了 三个独立的级 即物理级 链路级 分组级 这三级与OSI参考模型的一 二 三层基本上 218

219 是一致的 3 分组装/拆 PAD 功能 X.3 X.28协议 目前还有大量简单终端 或称异步终端和字符终端 它们只能发送和接收字符流 为此 CC ITT制定的分组装/拆即PAD标准 PAD的基本功能是 ①虚电路的建立与释放 ②将来自 终 端的字符装配成适当分组 以便发往终点主计算机 ③将来自主机的数据分组拆成字符流 送往终端 ④可以进行分组或字符的转发 从层次结构的角度来看 PAD功能是在X.25的低 三层协议之上所提供的终端控制功能 4 接口协议 为使网路能连接各式各样的终端和主机及其他通信网 网路必须能支持比较齐全的终端协 议 与网间协议 5. 用户 终 端与 分组 交换 网 路和连 接 1 分组终端 它与交换机连接时 具有分组处理能力 例如带X.25规程的计算机 微机 专用终端 规程转换器等设备 可以看作为分组终端 x.26在数据通信领域内通常与集成电路设备一起使用的不平衡双流交换电路的电 特 x.27在数据通信领域内通常与集成电路设备一起使用的平衡双流交换电路的电特 性 x.28公用数据网中 对于存取报文分组的分组装/拆设备的起止式DTE DCE 的接 口 x.29公用数据网中 分组式终端与分组装 拆功能之间的控制信息及用户数据的交 规程 x.75在分组交换的公用数据网内的国际电路上用于传递数据的终端和经转接呼叫的 制规程 非分组终端 NPT 它不具有分组数据处理能力 对它们不能直接进行分组交换 必 须经过PAD转换 不管PAD是放在网里面 还是放在网外面 非分组终端的种类很多 如带 有异 步通信接口的计算机 微机 键盘打印机 键盘显示器 电传机 可视图文终端等 2 用户终端与网路的连接方式 租用专线 租用专线可以是本地 或市内 专线 也可以是长途专线 连接方式有二线 制和四线制 经过电话网 分组终端经电话网和分组交换机相连采用X.25规程 虽然二者规程不同 但物理连接方式类似 均采用带有自动应答的调制解调器 但分组终端采用同步调制解调器 异步终端采用异步调制解调器 这种调制解调器的操作可选择人工呼叫 自动应答方式 或 者自动呼叫 自动应答方式 6. 网 间 互连 随着网路的急剧增加 功能不断增强 终端用户常常需要访问一个以上的网路 例如 一个通常使用网路A终端 可能需要访问连在网路B上的一台计算机的数据库 这时 这种端 到端服务就要求网路A和网路B进行互连 这一特性就称为网间互连 当前有以下几种网间互 219

220 连 1 公用分组网之间互连 CCITT建立了X.75协议作为分组网之间互连标准 X.25是分组网间互连信令规程 它规 定了两个信令终接设备 STE 之间的接口规STE可看作为具有网间接口功能的分组交换机 它们可以直接连接 如果两个网路没有统一的接口 就需通过网点设备也 就是网路协议转换 器互连 这种情况当多种网络互连 实现起来很麻烦 现在人们又研究了一种网间互连协议 IP 它在网络层之上 使用IP简化了不同接口协议网路之间的网点设计 2 公用分组交换网与专用分组交换网的互连 专用分组网和公用分组网之间 从技术上讲可以采用X.75规程互连 也可以采用X.25规 程互连 两网互为终端用户的互连方法 此时专用网号用的是端口号 而专用网内的地址 由子地址来进行编址 3 分组交换网与电话网的互连 电话网四通八达 如果数据用户能够通过电话网与分组交换网连接 实现和分组网相连 的其他用户之间的通信 将会使分组交换网的资源获得更充分的应用 而且大大方便了用户 电话网把分组网特定的一些端口作为它的用户 并分配给它电话号码 公用分组交换网 通常都指定多少端口用于与电话网的连接 其中用于同种通信规程和同种速率的一组接口可 以使用同一电话号码 用户通过电话网接入分组网与通过专线接入组网的情况相似 也要通 过调制解调器 本章总结 学习完本章 学生应该掌握 掌握数据通信的基本理论 掌握数据链路传输控制规程 掌握数据传输基本原理 掌握数据通信的交换方式 掌握分组交换数据网原理 220

221 第9章 数字机顶盒 本章目标 本章结束时 学生能够 掌握数字机顶盒整体构架 掌握数字机顶盒硬件结构 掌握数字机顶盒软件结构 掌握几种常见的数字机顶盒方案 数字机顶盒概述 数字机顶盒定义 机顶盒是目前信息家电中至关重要的技术设备 目前机顶盒的功能已从一个多频率的调 谐器和解码器跃升为大量电影 多媒体事件 新闻等联机数据库的一个控制终端 本文在介 绍数字机顶盒定义 功能及分类后 着重介绍了北广电子集团目前开发的几款数字机顶盒的 关键技术 数字电视用户接收端的功能是接收接收卫星 有线或地面电视前端发送的数字电视射频 信号 经过信道解码 信源解码将传送的数字码流转换到原来压缩前的形式 送到显示器进 行显示 以供用户收看 根据卫星 有线电视和地面广播方式的不同 接收机分为卫星 IRD Integrated Receiver Decoder 综合解码接收机 有线 IRD 和地面广播 IRD 三者使用的通 道调制方式不同 卫星通道采用 QPSK 调制解调 有线大多采用 QAM 调制解调 地面广播 欧洲使用 COFDM 调制解调 美国使用 VSB 调制解调 根据使用场合的不同 又分为家用和 商用 CONSUMER AND CONNERCIAL 两种 前者适用于家庭 如有遥控 屏幕显示功 能 而后者往往用于有线前端集体接收 要求更高的质量和更多的接口 以供设备间的连接 如数字传送码流输出口接到再复用器等应用 同时商业应用也要求更高的可靠性 目前用户接收端采用两种方式 一种是分体机接收方式 即数字电视机顶盒加模拟电视 接收机 其中接收 HDTV 必须有 HDTV 机顶盒和兼容 HDTV 显示格式的电视机 我们把兼 容 HDTV 信 号 的 电 视 机 称 为 HDTV-ready 电 视 有 时 又 称 为 Digital-ready 或 者 HD-Compatible 由于它没有内置解码器 所以并不接收数字信号 它可以接收并正确显示 出机顶盒接收解码并经视频编码以后的 HDTV 图像格式信号 另一种是一体机接收方式 即 直接使用数字电视机 就是电视显示器内置机顶盒 信道解码 信源解码 条件接收 的完 整功能 高清一体机的标识为 HDTV receiver 221

222 采用分体机方式接收针对不同的传输途径传输的数字电视需要不同的机顶盒 例如卫星 直播 DTH 用户接收系统由一个小型卫星接收天线和综合接收解码器 IRD 及智能卡 Smart Card 组成 DTH 用户接收天线的一般不超过1米 可放置于普通家庭中用于数字电视接收 DTH 中的机顶盒 IRD 负责四项主要功能 解码节目码流 并输出到电视机上 利用智能 卡中的密钥进行解密 接收并处理各种用户命令 下载并运行各种应用软件 接收有线数字 电视和地面数字电视广播需要有线数字电视机顶盒或地面数字电视机顶盒及智能卡 目前 国内一般采用分体机的方式收看数字电视信号 数字机顶盒 Set Top Box STB 是扩展电视机功能的一种新型家用电器 它是利用有 线电视网络作为传输平台 电视机作为用户终端 把卫星直播数字电视信号 地面数字电视 信号 有线电视网数字信号甚至互联网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号 观看 数字电视节目 进行交互式数字化娱乐 教育和商业化活动的消费类电子产品 数字机顶盒分类 根据传输媒体的不同 数字电视机顶盒又分为卫星数字电视机顶盒 DVB-S 地面数字 电视机顶盒 DVB-T 和有线数字电视机顶盒 DVB-C 三种 目前北广电子集团已经拥有 完整的数字机顶盒产品链 已经能够自主研发和生产符合各种需求的不同规格 不同档次的 系列产品 1 数 字卫 星机顶 盒 此类机顶盒又称为综合业务接收机 用来接收数字卫星电视节目 我们所看的许多卫视 节目都是有线电视台通过专业的 IRD 从卫星接收下来 再通过有线电视送入用户家中的 目 前 数字卫星机顶盒基本采用 DVB-S 标准 目前 北广电子集团在该产品领域开发出低成本 的基于海尔方案的 DVB S 机顶盒主流产品 2 数 字地面机顶 盒 数字地面机顶盒的功能与数字卫星机顶盒类似 所不同的只是传输介质由卫星信道变成 了地面广播信道 该类机顶盒所使用频率与有线电视频率相同 但由于无线信道的情况比有 线电视网络复杂得多 所以它的信号传输技术与数字有线电视机顶盒也有较大差别 目前 国内由于种种原因 地面数字电视标准迟迟未能确定下来 但是北广电子集团针 对不同的市场需求 已经开发出符合欧洲 DVB T 标准和清华 DMB T 标准的多款机顶盒 目前主力方案是以富士通方案为平台的 DVB T 机顶盒和以海尔方案为平台的 DVB T DMB T 机顶盒 3 数 字有线 电 视 机顶 盒 数字有线电视机顶盒的基本原理与数字卫星机顶盒 数字地面机顶盒相同 只是信号传 输介质是有线电视广播所采用的全电缆网络或光纤/同轴混合网 由于有线电视网络较好的传 输质量以及电缆调制解调器技术的成熟 使得该类机顶盒可以实现各种交互式应用 并被业 界广泛看好 目前 北广电子集团有线电视机顶盒产品丰富 拥有多种适合不同市场 不同消费定位 的多款机顶盒产品 例如 面对 村村通 工程需求的海尔方案的 DVB C 机顶盒 面向省市 需求的基于富士通方案的 DVB C 机顶盒 还有针对高端客户需求的基于 CONEXANT 方案 DVB C 机顶盒 该款机顶盒就可以开展双向点播业务 222

223 9.2 机顶盒的硬件结构 从数字电视机顶盒的构成上看 主要包括硬件和软件两大部分 从结构上看 机顶盒一 般由主芯片 内存 调谐解调器 回传通道 CA Conditional Access 接口 外部存储控制 器以及视音频输出等几大部分构成 调谐解调器 调谐解调器部分的作用是将传输过来的调制数字信号解调还原成传输流 调谐解调器的 不同就构成了不同的数字机顶盒 例如用于 QPSK 解调的卫星机顶盒 DVB-S 用于 QAM 解调的有线数字机顶盒 DVB-C 以及用于 OFDM 解调的地面传输数字机顶盒 DVB-T 目前市场上比较流行的调谐解调器的生产厂商有 Thomson Sharp 等 国内虽然也有一些厂 商生产调谐解调器 但市场份额很小 主芯片 随着芯片技术的发展 越来越多的厂家将机顶盒的功能更多地集成在一个主芯片里 例 如现在大部分厂商都将 CPU 解码器 解复用器 图形处理器与视音频处理器集成在芯片中 甚至一些以 Philips 为代表的芯片厂商将调谐解调器也集成在芯片中 形成一体化的芯片解决 方案 有效地降低了器件成本并提高了可靠性 在主芯片中 首先根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输流进行解复用 然后根 据 CA 智能卡所传递的解扰信息对节目流进行解扰 解扰后的 TS 流送到视音频解码器中分 别对其进行解码 然后再编码还原成 AV 信号进行输出 同时 也分离出复用在 TS 流中的各 类系统数据表 送给机顶盒处理器分别输出 另外 由于在主芯片中集成了 CPU 和图形管理器 使机顶盒可以完成更多的功能 它可 以运行各种软件完成诸多任务 例如股票接收 网页浏览等 也可以通过图形管理器实现 2D 甚至 3D 的图形处理 为用户提供更美观的界面 实现交互式游戏等各种高画质应用 由于 CPU 是主芯片的核心 因此通常情况下 CPU 的性能就决定了主芯片的性能 CPU 的性能一般是由主频决定的 主频越高则 CPU 的性能也越高 目前最快的 CPU 主频已经超 过了 400MIPS 即使是目前市场上流行 最基本的机顶盒中 CPU 的主频也超过了 50MIPS CPU 速度同运行其上的业务系统有着必然的联系 如果需要在一个 STB 中运行一个 HTML 浏览器 100 MIPS 可能就是对 CPU 的最低要求 当然这还需要内存的配合 内存 在某些方面 机顶盒同 PC 机有很多相似之处 甚至可以说是一台简化了的 PC 机 两者 最相似之处就是内存 对机顶盒而言 内存主要分为 Flash 内存和 SDRAM 内存 Flash 用来 存贮机顶盒的系统软件 驱动软件 应用程序以及一些用户信息 在系统断电时内容还可保 留 同时 Flash 可以通过在线的方式对其上所载的软件进行更新 达到机顶盒软件升级的目 的 SDRAM 主要是用来存储应用数据 机顶盒的许多功能都需要内存来实现 例如图形处 理 视音频解码和解复用等 不同的应用需求 内存的大小配置也各不相同 容量大的 Flash 223

224 和 SDRAM 的配置虽然可以为将来的业务系统预留足够的内存空间 但内存并不是决定软件 能否运行的因素 它需要配合 CPU 来工作 不切合实际的高配置只会造成资源浪费 而无助 于 STB 性能的提高 外部存储设备 外部存储设备一般指外挂式硬盘 大容量的硬盘可以用于存储节目流以满足用户的个性 化需求 一个 STB 中能否外挂硬盘一般都是由主芯片所决定的 只有 CPU 的处理能力达到 一定程度时才有可能支持硬盘的读写 而硬盘的读写也需要更多的内存空间 智能卡接口 通过读卡器读取 CA 智能卡中的数据用于数字电视节目的解扰 特别是在付费电视发展 的今天 这是大多数 STB 必不可少的部件 除了标准的读卡器外 在有些 STB 中也采用通 用接口 CI Common Interface 来完成对 CA 智能卡的读取 CI 是一个由 DVB 组织为机顶 盒和分离的硬件模块之间定义的标准接口 这种起源于 PCMCIA 的技术应用 使机顶盒可以 批量生产 也为机顶盒带来了变化 有着广泛的应用前景 回传通信接口 随着机顶盒应用的扩展 使用户对机顶盒的需求已经不单单停留在简单地收看视音频节 目上了 交互式的需求使机顶盒中内嵌了回传设备 这些设备可以包括网络适配器 调制解 调器等通信接口 用于满足用户将信息回传到前端 其他设备接口 新技术的发展使机顶盒的物理接口也不断地增加 如 RS232 接口 红外遥控器接口 无 线键盘接口 Wi-Fi 接口等等 使 STB 可以同摄像机 DVD PDA 等众多设备进行连接 9.3 机顶盒的软件系统 机顶盒作为一个客户端系统 除了要具有良好的硬件平台外还需要配备不同的软件系统 才能使其完成各种任务 机顶盒中的软件可以分成三个主要的层 应用层 中间解释层和驱 动层 每一层都包含了诸多的程序或接口等 驱动层 驱动层包括机顶盒硬件的驱动程序和 API 接口 它主要用于完成对硬件设备的操作 中间解释层 中间解释层将 STB 的应用程序指令翻译成 CPU 能识别的指令 从而通过驱动层去调动 224

225 硬件设备完成相应的操作 该层包括嵌入式操作系统 中间件 CA 驻留软件等 虽然中间 件的使用可以给 STB 软件的设计和应用带来极大好处 但高昂的使用费用 对硬件需求的增 加以及技术上的不成熟使中间件在国内鲜有应用 目前许多软件设计者采用直接调用驱动层 的软件来编写应用程序 这虽然可以满足一时的需求 但随着应用需求的增加 在 STB 中使 用中间件才是一个很好的解决方案 应用层 应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分 不同的 STB 软件设计理念使这 两个部分包含的应用程序也不尽相同 合理规划这两部分的组成将有助于提高 STB 的可靠性 和响应时间 目前国内机顶盒中的应用较少 主要以 EPG 数据广播 股票 简单的下载游 戏等为主 而数字电视的魅力并不在于看电视 而在于这种基于数字电视平台的业务应用 这些应用将会改善人们的一些日常生活习俗 随着双向网络的建设 交互式应用的普及 基 于交互式的应用软件也将越来越多 这也会给运营商带来难以预料的增值收入 9.4 机顶盒的分类与应用 机顶盒的分类没有一个统一的标准 一般可分为标准清晰度 SD 和高清晰度 HD 两种级别 每种级别按照业务和功能划分为基本型 增强型 高级型三种类型 基本型机顶 盒能满足免费数字电视业务和付费电视业务的基本功能 不支持数据浏览和其他应用 例如 具备授权数字电视节目的接收 基本电子节目指南 EPG 等 增强型机顶盒在基本型机顶 盒功能的基础上 能满足按次付费业务 数据广播业务等功能 高级型机顶盒在增强型机顶 盒功能的基础上 能满足视频点播业务 上网浏览业务 电子邮件收发业务 互动游戏等功 能 所谓的基本型和增强型往往都是使用同一个硬件平台 不同的只是软件而已 虽然也有 厂商宣称他们的 STB 可以开展交互式服务 但由于网络上的原因 在国内还没有一种成熟的 交互式应用 目前所谓的交互式应用基本上都还停留在本地交互的基础上 高清晰度电视机 顶盒是上述三种类型的横向扩展 可以兼容接收标清和高清信号 可做上下变换 输出标清 和高清信号 选用的芯片不同 构成的硬件平台就不同 配备的其他设备和接口也不同 这就组成了 多种多样的 STB 例如 在 STB 中加上调制解调器或网卡 就构成了一个具有双向功能的机 顶盒 加上硬盘就构成了个人视频录制器 PVR Personal Video Recorder 当然这些都需要 软件的配合 在同一个硬件平台上通过驻留不同的软件也可以构成不同应用的机顶盒 而多 样化的 STB 满足了不同层次的需求 225

226 解决方案比较 方案比较 机顶盒解决方案包括两个基础部分 前端接收和后端处理 前端接收又包括调谐器和信 道解码器 后端处理通常是一个单芯片的信源解码器 它集成有一个 MPEG-2 解码器和一个 CPU 除了前端接收部分不同以外 卫星与有线机顶盒的区别在于一般不带条件接收 而且不 提供交互式功能 这两种机顶盒的信源解码器完成的功能是相同的 不过在处理能力和扩展 接口方面可能会有差别 目前 机顶盒芯片供应商推出了面向从低端到高端产品的信源解码器 但在中国市场主 推低成本芯片 代表性产品有 ST 的 STi5518B LSI 的 AViA-9700 和富士通的 SmartMPEG 等 这类低成本解码器中集成的处理器时钟频率一般在 150MHz 以下 不带硬盘接口和 USB 接口 LSI 的 AViA-9700 是 AViA-9600 的简化版 在其视频解码部分 该芯片支持无穷层次的 画面叠加 允许制造商通过软件任意控制播出画面 它还提供了 PIG picture-in-graphics 功 能 AViA-9700 的一个特色是具有 2D 图形加速器 可以更好地播放动画 AViA-9700 集成了 一个 148.5MHz 的 microsparc CPU 这样强大的 CPU 将有利于制造商在今后扩展功能 例 如 microsparc CPU 可以执行图文 Teletext 解码功能 所以当电视台开始提供图文服务 时 制造商只需升级软件就可以对该功能给予支持 此外 该 CPU 可以实现 TCP/IP 协议栈 从而能够基于此芯片开发出 IP 机顶盒 ST 的 STi5518B 具有较好的成本优势 主要用于实现数字电视信号条件接收以及股票信 息接收等基本功能 在中高端方案方面 这些芯片厂商推出的方案具有高集成度 高性能的特点 如 LSI Logic 的 AviA9600 ATI 公司的 XILLEON220 和 ST 公司的 STi5528 该些方案的共同特点是处理 器性能得到很大提高 以 STi5528 为例 该芯片集成了双 CPU 其数据处理能力超过 300Mips 该类方案通常还集成了更多的外围接口功能 如硬盘接口 IEEE1394 和 USB 此外 该类 方案通常具有优越的音频和图像处理功能 这类芯片的目标应用主要是具有网络浏览功能和 多种交互式应用的高端机顶盒 其它技术的应用 机卡分离 电视机的大规模制造不仅提高了产品的可靠性 也降低生产的成本 而大规 模制造的基础就是所生产的产品具有一致性 这不仅表现在硬件上也表现在软件上 由于软 件的差异性使得制造商无法像生产电视机一样大规模地生产机顶盒 所以实现规模制造 CA 是首先要解决的问题 机卡分离技术的含义在于让数字电视的接收设备 机 和 CA 智能卡 及其软件 卡 无关 两者通过一个接口产品来连接 电视机 一体机 和 STB 预留这个通 用的接口 诸多的优点使机卡分离成为一种产业发展的趋势 美国已经把机卡分离作为数字 电视机的标准 并为此定义了强制性的时间表 对中国这样一个电视机生产大国而言 机卡 226

227 分离也将成为中国产业发展的趋势和标准 UTI 机卡分离方案是由清华大学领军的包括全国 32 家举足轻重的重点厂商 网络运营商 技术开发公司在内 UTI 联盟 经过 3 年的自主创新 率先实现了产业化和市场商业化 交互式 STB 信号回传是机顶盒实现交互式应用的必备功能 目前 机顶盒可以采用基 于电话线 以太网和有线电缆等不同介质的三种回传方式 电话线回传最容易实现 成本也 最低 因此现有的交互式机顶盒大部分是基于这种回传方式 但其缺点是速度和响应慢 造 成用户体验差 与之相比 以太网回传就不存在这些问题 它还可以通过互联网来提供视频 点播和网上冲浪等交互式应用 其美中不足之处是实现这种回传方式需要在机顶盒中添加一 块 100/10M 以太网卡 这大幅增加了整机成本 此外 它的应用也受到用户是否已部署以太 网接口的限制 有线电缆回传是业界设想的一种理想回传方式 它可以实现快捷 方便的交 互式操作 但它要求有线电视网的运营商将目前单向传输的网络改造成双向网络 而这需要 投入大量的财力和时间 机顶盒制造商正在观望这方面的进程 如果网络改造进展顺利 这 种回传方式有望在未来的机顶盒中占据主流 对运营商而言 交互式应用有着庞大的商业利 益 是未来最重要的利润来源 而交互式 STB 的使用可以帮助实现这一目标 交互式 STB 也代表着机顶盒技术发展的最高水平 有着十分巨大的发展空间 PVR STB 随着硬盘技术的发展 机顶盒数据存储功能将得到加强 机顶盒完全可能成 为家庭的数字娱乐存储中心 在 STB 中加上存储设备就可以将自己喜欢的节目存储起来 这 种 STB 就是 PVR 虽然目前 PVR STB 在国内还没有形成一定的市场 但国外每年几百万台 销量的强劲增长就预示着国内未来市场的庞大 随着时间的推移 这种需求将会越来越大 目前 多家方案提供商都提供带 DVR 功能的方案 如 LSI 公司的 AviA9600 提供了 IDE/ATAPI 硬盘驱动接口 ST 的 STi5514 提供全功能 DVR 双解码或多解码 STB 对国内的运营商而言 特别是在整体平移的过程中 如何解决用 户两台以上的电视机收看数字电视节目是一个令开发人员十分头疼的问题 虽然可以通过强 制性的行政行为达到一机一卡 提高收视费 但无法让用户理解这种运营模式 也使数字电 视的推广面临很大的阻力 双解码 STB 是在一个 STB 中采用双解码芯片或在一个芯片中嵌 入两个以上的解码电路 并配以两个解调器 进而使一个 STB 输出两路不同的节目 而 STB 的成本仅仅增加了 这种新产品的出现 无疑对那些拥有两台以上电视机的用户 是一个福音 DVB 和 IP 合二为一 IP 技术的飞速发展给数字电视带来了巨大威胁 但在短期内由于 网络成本的原因使两者只能共存而无法替代 虽然目前国内市场上有所谓的带 IP 功能的 STB 但这些机顶盒只是集成了网卡或带回传通道 由于它们无法满足流媒体等服务 因此 还不完全是一个将 DVB 和 IP 合二为一的 STB 随着具有 MPEG-2 和 MPEG-4 双解码功能芯 片的推出和完善 国外已经有此类 STB 投放市场 它可适应于不同的网络环境 有着广阔的 发展前景 另外 这种技术的发展和整合可能会给人们带来一些意想不到的变化 也许在不 久的将来 随着网络技术的发展 一个集 DVB 和 IP 于一体的终端产品将会成为家庭的一员 它连接着家庭的显示设备 计算机甚至其他的智能化设备 满足家庭信息化的需求 总之 机顶盒作为数字电视标志性的产品 有着广阔的发展空间 随着数字电视应用 芯片技术和软件技术的发展 STB 的功能也必将越来越强大 可以为运营商和用户开展更多 的服务 满足不同层次的需求 227

228 9.6 几款典型产品介绍 DVB C 方案的机顶盒 北广电子集团基于 CONEXANT 方案 DVB C 机顶盒是一款定位于中高端用户的产品 该产 品采用 CONEXANT 公司高集成单芯片解码芯片 CX24146 芯片内部集成一颗 32 位 ARM920 内核处理器 处理工作频率为 200MHz 其内部整合 MP@ML MPEG 2 视频解码器 数字 音频解码器 解扰模块和 OSD 处理模块等 是一款高性能数字电视解码芯片 图 1 为该款产 品的功能示意图 图 9-1 CX24146 功能模块示意图 有线电视数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目 图 2 所示为机顶盒解码工作 基本流程 调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号 然后进行 A/D 转换为数字信号 再 送入 QAM 解调模块进行解调 输出 MPEG 传输流的串行或并行数据 解复用模块接收 MPEG 传输流 从中抽出一个节目的 PES 数据 包括视频 PES 音频 PES 以及数据 PES 解复用模 块中包含一个解扰引擎 可在传输流层和 PES 层对加扰的数据进行解扰 其输出是已解扰的 PES 视频 PES 送入视频解码模块 取出 MPEG 视频数据 并对 MPEG 视频数据进行解码 然后输出到 PAL/NTSC 编码器 编码成模拟电视信号 再经视频输出电路输出 音频 PES 送 入音频解码模块 取出 MPEG 音频数据 并对 MPEG 音频数据进行解码 输出 PCM 音频数 据到 PCM 解码器 PCM 解码器输出立体声模拟音频信号 经音频输出电路输出 机顶盒具有典型的嵌入式操作系统 其操作系统要求比较严格 但是嵌入式操作系统与 对 PC 的操作系统如 DOS Windows Unix MacOS 不同 机顶盒中的操作系统不是非常的 庞大 但却要求可以在实时的环境中工作 并能在较小的内存空间中运行 当开发机顶盒时 实时操作系统还要与下面将要介绍的中间件结合使用 在北广的产品中采用 ATi 公司的 NUCLEUS PLUS 实时操作系统 228

229 图 9-2 机顶盒解码工作基本流程 中间件是一种将应用程序与低层的操作系统 硬件细节隔离开来的软件环境 它通常由 各种虚拟机来构成 如 HTML 虚拟机 JavaScript 虚拟机 Java 虚拟机 MHEG-5 虚拟机等 中间件在机顶盒中的位置如图 3 所示 图 9-3 数字机顶盒软硬件环境 一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成 可以将其分为 4 层 从底向上分别 为硬件 底层软件 中间件 应用软件 硬件提供机顶盒的硬件平台 底层软件提供操作系 统内核以及各种硬件驱动程序 应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用 中间件将应 用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来 使应用不依赖于具体的硬件平台 北广电子集团 的这块机顶盒采用的是恒通公司的中间件 MHP1.0 系统方案 有利的支持了机顶盒的业务扩 展与运用 加解扰技术用于对数字节目进行加密和解密 有条件接入的基本原理如图 4 所示 有条 件接入的核心实际上是控制字传输的控制 在 MPEG 传输流中 与控制字传输相关的有两个 数据流 授权控制信息 ECMs 和授权管理信息 EMMs 由业务密钥 SK 加密处理后 的控制字在 ECMs 中传送 其中还包括来源 时间 内容分类和价格等节目信息 对控制字 加密的业务密钥在授权管理信息中传送 并且业务密钥在传送前要经过用户个人分配密钥 PDK 的加密处理 EMMs 中还包括地址 用户授权信息 如用户可以看的节目或时间段 229

230 用户付的收视费等 用户个人分配密钥 PDK 存放在用户的智能卡 SmartCard 中 图 9-4 有条件接入基本原理示意图 这款产品已经成功集成国内的永新同方公司的 CA 系统 实现了对节目的解密功能 有 力的支持网路公司的收费等多种业务的开展 数字机顶盒的基本功能是接收数字电视广播节目 同时具有所有广播和交互式多媒体功 能 北广电子集团的这款产品拓展了 IP 双向点播功能 通过以太网网路控制芯片 RT8019 的 集成 通过 CNX24146 的 ISA 总线接口将网路控制芯片接入到系统中 这样可以通过 IP 通 道将用户的选择信息传送到服务中心或信息提供者 然后前端系统根据客户的需求发送相关 的节目信息 实现了双向业务 DVB T 方案的机顶盒 DVB T 系统用于在地面 VHF/UHF 广播信道上传输标准数字电视和 HDTV 节目 由于 地面广播信道的环境最为恶劣 尤其是存在由于火花放电等引起的冲激噪声 因此地面广播 中的误码最严重 尤其是连续的突发误码 因而 DVB-T 系统中的纠错编码采用了两层纠错 编码加两次交织的方案 以进一步提高对误码的纠正能力 北广电子集团采用富士通 MB86H20A 平台方案 数字电视机顶盒由射频部分 控制和 MPEG-2 解码部分 音视频编码器等组成 方框图如图 9-5 所示 230

231 图 9-5 富士通 MB86H20A 系统框图 RF 输入的是数字调制频率范围为 47~862MHz 的射频信号 射频部分对该信号进行一次 下变频和数字解调 以及模数变换 解交织 RS 解码 得到 MPEG-2 的 TS 流 TS 流在 MB86H20A 中首先通过分析流中的 PIS 信息进行解复用 选中的 PES 流被送到 MPEG-2 解 码部分 得到视频数据和音频数据 视频数据经过视频编码器得到满足 ITU-601 格式的视频 信号 而音频信号经过数模变换器 DAC 得到模拟的音频信号 MB86H20A 通过 I2C 总线 控制视频编码部分和射频部分 北广电子集团的这款产品型号为 DVB-C2 机身为银白色 相对普通品牌的产品厚度较 薄 采 用 的 是 富 士 通 公 司 的 MB86H20A 芯 片 该 芯 片 内 部 集 成 了 一 颗 32Bit 的 ARC RISC CPU 其工作主频可以达到 130MHz 内部集成了两路标清节目的解复用功能模 块 支持 PAL/NTSC 数字视频编码和显示控制 完全符合 MPEG-2&DVB-TCOFDM 编码正交频分复用 标准, 可无线接收 VHF 或 UHF 频段内以 Mb/S 速率在空中传输的地面数字电视信号 7MHz 和 8MHz 8MHz 带宽 信道内传输的有效净比特码率在 Mbit/s 范围内可选 有断电记忆功能和节目指南 EPG 显示功能 采用增强式 OSD 中英文屏幕显示菜单 OSD 可以支持四层显示 外围接口 丰富 可以支持产品的拓展和升级 有自动搜索功能 可方便地面数字电视信号 DVB-T 的接收 且应用新型软 硬件结合技术 保证长期稳定可靠的运行 支持中视联 ChinaCryptCA 和同方的条件接收 CA 系统 超低门限的全频段高频头 具有 电子节目指南功能 复合视频信号和 S-VIDEO 信号输出 具有 DVD 节目质量 支持数字音 频 S/PDIF 输出 具有 CD 音质立体声效果 支持 4:3/16:9 模式转换 DMB T 方案的机顶盒 北广电子集团的这款 DMB T 机顶盒产品是信源和信道解码完全采用国产化芯片的产 品 符合 DMB-T 标准和 MPEG2 标准 基于海尔方案 DMB T 机顶盒信源解码部分由 Haier 公司的 Hi2011 芯片平台完成 信道解码部分由凌讯公司的单芯片 TDS OFDM 解调芯片 LGS-8222-A1 实现 系统示意图如图 9-6 所示 231

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