教育

数字电视

　数字电视的概念

　　数字电视指是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号，然后进行传输、处理或存储的系统。它当然也包括对应的反变换，有数字电视信号变为模拟信号。图5-1表示数字电视系统的组成。

数字电视的优点

数字电视之所以是电视技术发展的主要方向，也就是因为它和传统的模拟电视比较有许多突出的优点。
1.数字电视的抗干扰能力强。
2．数字电视信号能够进行存储，包括成帧图像的存储，从而可能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理，得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。如数字视频特技等。
3．数字电视稳定可靠，易于调整，便于生产。数字电视中的存储电路和信号处理电路易于大规模和超大规模集成。
4．数字电视信号容易和其它信息链联,便于加入公用数据通信网，也便于与计算机或其它数字设备接口。

　数字电视的发展

数字电视的设想在40年代已提出，但直到70年代末、80年代初才开始实现和发展起来。这主要是数字电视中编码、处理所需的大量存储电路、高速运算电路是当时分立元件电路或小、中规模集成电路难以实现的。大规模及超大规模集成电路的出现，为数字电视准备了物质技术基础。而在此期间发展的数字信号处理理论和技术及编码（主要是压缩编码）理论又为数字电视的实现作了理论上和技术上的准备。同时，计算机技术、屏幕显示技术、激光技术的发展也为数字电视的实现和发展提供借鉴和扩展的领域。
目前，与模拟电视比较，数字电视设备电路复杂、成本较高，普及还需一定的时间。美国制订的时间表是在2006年全国电视数字化，模拟电视被淘汰。我国已在北京、上海、深圳开始数字电视实验广播，计划在2015年全国普及，停止模拟电视的广播。

电视信号数字化

模拟电视信号转换为数字电视信号的过程，称为PCM调制（脉冲编码调制）。由数字电视信号再转换为模拟电视信号则称PCM解调或解码过程。这两个过程在电路实现时，用图5-2的模拟/数字转换器（A/D）和数字/模拟转换器（D/A）实现的。

A/D转换器是把模拟信号转换成数字信号，它包括三个过程：取样、量化和编码。经取样、量化、编码所得到的数字信号，即为PCM信号。参见图5-3。

D/A转换器是完成数字信号到模拟信号的转换，其过程是，PCM编码信号以并行方式输入，通过各码的加权相加，就得到量化的PAM信号，再通过截止频率为fs/2的低通滤波器，就可得到模拟信号。

5.2.2 　图像信号的编码方案与参数确定

彩色图像信号通常有两种形式：一种为彩色全电视信号，它是亮度信号Y与调制在色副载波上的色度信号C相加的信号。另一种是以亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y分别出现的彩色信号。因此对图像信号的PCM编码也有全信号编码和分量编码两种，数字电视系统宜用分量编码，电视接收机中的数字化处理宜用全信号编码。
1.全电视信号编码
(1)取样频率
为了使D/A转换能恢复原模拟图像信号，取样频率至少必须大于原模拟图像信号上限频率fm的2倍，这就是取样定理。
在对全电视信号采样量化时，取样频率fs的选择，除了要满足取样定理外，还要考虑：
① 采样后的信号中fs与fsc的差拍分量的影响
② 应使取样点在屏幕中的位置固定，且满足正交取样条件。
(2)编码位数
编码位数n是由所需的量化层数决定的。一般采取8bit，255层。
① 量化信噪比
对于经过γ校正的图像信号，一般都采用均匀量化，即用线性编码。设单极性图像信号的变化范围为0到1，分为2n个量化层，每个量化层高为2-n。由于均匀分布，量化误差的均方根值：

满量程量化信噪比：

即量化位数每增加一位，信噪比提高6dB。实验表明：当n = 7 、8（即将信号量化为127至255个层时），人们已很难感到量化的影响（但对于未经γ校正的图像信号，则需要量化位数应大于11），由上式可知，对应的量化信噪比约为50～60dB。
②全信号编码的数据速率
以PAL制fs = 4fsc，n = 8为例，总的数据速率为：4×4.43×8=141.76Mb/s。由此可见，数字图像信号的数据速率是很高的。每一帧的数据量为5.67Mb或708.8kB
2.分量编码：
分量编码就是对Y，R-Y，B-Y或三个基色分量R，G，B分别编码，用三个物理信道进行传输，或者按时分复用方式，用一个物理信道传输。
(1)取样频率fs的选定原则和标准
①选定原则：
·满足取样定理，fs应大于最高频率（Y：5.8～6MHz，色差：2MHz）的2倍，一般取2.2倍。
·为了得到正交的点阵结构，取样频率应为行频fH的整数倍。
·为了便于不同电视制式转换，fs是50Hz/625行、60Hz/525行的两类行频的公倍数。
·亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的关系，以使两者的取样点能重合或有固定的位置关系。
②ITU-R601建议，对模拟分量视频信号取样时， Y / R-Y / B-Y的取样频率为13.5 /6.75 / 6.75MHz，分别是基准频率3.375MHz的4倍、2倍、2倍，故简称4：2：2标准。
（2）数字有效行
图像信号是在行的正程出现的,因此,标准规定在一行中由一定的取样点构成数字有效行,并且规定两种制式（PAL制和NTSC制）的数字有效行亮度信号样点数为720,色度信号样点数为360,这便于两种制式的转换。
数字有效行与模拟行的对应时间关系,如图5-5所示，这里以625/50制为例。一行的起点定在行同步前沿脉冲的中部。有效行由样点133至852，而正程对应的样点为142至844，有效行期间包括了正程。有效行的数据是必须进行处理和存储的。

(3)编码位数和排列
分量编码标准规定，亮度信号和色度信号的幅度分别归一化为0到1及-0.5到+0.5的范围，并都编为8位线性码。由于原来的R-Y最大值为0.701，B-Y的最大值为0.886，故要对R-Y和B-Y进行压缩，压缩比分别为k R-Y = 0.5/0.701，k B-Y =0.5/0.866，压缩后三分量Y，R-Y和B-Y的表达式为：
Y = 0.299R+0.587G+0.114B
（R-Y）= 0.5R—0.419G—0.081B
（B-Y）= -0.169R - 0.331G + 0.5B
分量编码的数字信号在传输时，时分服用按下面顺序构成复合的数据序列：（B-Y）Y（R-Y）Y（B-Y）Y......这里（B-Y）Y（R-Y）是空间同一取样点的数字，而（R-Y）Y（B-Y）中的Y是仅有亮度取样的空间取样点的数字，它规定在一行的偶取样点上。
3．电视伴音信号编码
（1）取样频率：
模拟伴音信号的频带为20Hz至15kHz，高质量的伴音为20Hz至20kHz。对于15kHz信号取样频率一般取fs＝32kHz。对于20kHz信号，取样频率可取fs＝48kHz。取样频率应与图像取样频率保持固定的关系，从同一时钟源得到。
（2）量化位数：
伴音编码的位数要比图像编码的位数多。这是因为伴音信号的动态范围大（ 90dB 以上），高质量的伴音要求很高的信号噪声比，应有85～90dB的信号量化噪声比。由上面的均匀量化的信噪比公式，则均匀量化所需的编码位数为13至14位。在演播室的高质量话音编码中，若要对低电平的声音仍有高的信号噪声比，编码位数甚至要取到16位。

预测编码（predictive coding）

预测编码是以减小时间和空间的冗余信息为目的的编码方法。
1.预测编码的原理
预测编码是根据某一模型利用前面出现的（因果的）样本值对于后面将出现的新样本值进行预测，然后将实际的样本值与其预测值相减得到一个误差值，并对这一误差值进行编码。图5-6就是现用的线性预测编码（又称差分脉码调制DPCM）成框图。

图中，xn是待编码的电视取样序列，是未被量化的PAM信号，xn'为量化后的数字序列，x^n为预测器产生的预测值。预测值x^n是由xn′以前已传送各点量化值的线性组合

式中， x'n-1 、x'n-2 、… x'n-N 可以为一行中临近取样点的值（行内），也可以是相邻行的对应取样值（行间），甚至可以是相邻帧的取样值。ai是预测系数。当序列的统计特性已知时（如相关函数），可以得到这些系数的最佳值，使得预测值与样值的预测误差最小（均方误差意义上的最小），即

最小。通常N值只取3-4个值。
在收端，解码器将编码的数字信号，译为e'n值，在通过与预测器产生的预测量x^n相加，就得到x'n，x'n与xn的差别只是因量化引入的误差。
2．DPCM的编码
DPCM编码，由于是对实际样值与预测值的差进行编码，那么误差信号的幅度将远小于原始信号幅度，从而就可用较少的电平对误差信号进行量化，得到较好的压缩性能。但压缩的程度与采用的具体编码方法有很大关系。
以亮度信号为例，预测误差信号是以零值为中心变化，显然不是均匀分布的。图5-8 是只用一个预测值时统计得出的预测信号的概率密度分布，数学上呈现拉普拉斯分布：

式中，e为预测误差信号，σe为其均方根值。呈现大预测误差的概率是很小的。利用这种分布特性，可用下面两种编码方法压缩数据率。
（1）非均匀量化编码
对误差信号幅值小的范围，量化间距减小；对大的幅值，则用大的量化间距。即对出现概率大的小信号细量化，对出现概率小的大信号粗量化。与均匀量化比较， 5bit/pel的非均匀量化可以获得与8bit/pel均匀量化大致相同的图像质量。
（2）可变字长编码
可变字长（即n可变）编码，其基本原理是，用均匀量化方法，对概率大的小差值信号编为n小的码（位数少，去掉前导零）；而对概率小的大差值信号编为n大的码。这样恢复图像时不影响质量（因有相同的量化间隔），而总的码率就要减小。实际表明，可变字长编码的平均字长比非均匀量化还小些。
总之，DPCM预测编码结构简单，易于实现，压缩效率高，已成为频带压缩编码的主要方法。DPCM的主要缺点是抗御误码的能力差。

< tr>

电视接收与显示是电视系统的终端环节和下游技术，是电视节目制作、发送与传输的归宿。接收与显示的质量决定了整个电视系统的命运，真可谓“一损俱损，一荣俱荣”。

5.4.1　模拟电视接收的数字处理技术

作为接收和显示NTSC、PAL及SECAM三大制式的模拟电视信号的模拟电视接收机经历几十年模拟处理的漫长路程后，从20世纪80年代开已进入数字处理阶段。其中除了高频头、中放、视放输出级及扫描电路外，基本上均实现了数字处理。
1．数字化彩色电视接收机
所谓数字化彩色电视机是将天线接收到的电视信号，通过调谐器选台变频和图像、伴音中频放大以后，在分别解调取出调制在载波上的全电视信号和音频信号，然后在对全电视信号和伴音信号进行数字化处理，提高显示的图像质量。因此，数字化彩色电视机仍属于模拟电视接收机范畴，并不是真正的数字电视机。
数字化彩色电视接收机结构如图5-11所示，其中，虚线框内的视频信号的处理是用数字电路完成的。

信号经模拟电路变换到图像中频（38MHz）,放大检波后，一路全电视信号送给亮度、色度信号和同步分离电路的数字处理电路；另一路中的伴音中频（6.5MHz）送入模拟伴音中频放大、，模拟鉴频为音频基带信号，再送入数字化的伴音信号处理电路。
2.数字化电视与模拟电视的最大区别
数字化电视是从模拟电视至数字电视的一种过渡性产品。数字化电视与模拟电视二者共同之处在于电视的图像、伴音传输信号仍为模拟信号，它们的最大区别是信号处理方法不同。见图5-12所示。

< tr>

　过渡阶段的数模兼容电视接收系统

在模拟电向全数字电视的过渡阶段，一定时间内（我国大约在今后10年时间内），模拟电视（ATV）、标清电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）三者并存，最终进入全数字电视时代。
1．典型的数模兼容电视接收系统
一种典型的数模兼容电视接收系统方框图如图5-13所示。

图中，机顶盒STB（Set Top Box）为各种信源接收器，它可以是模拟的，也可以是数字的。各种接收器输出的是视音频信号，经过AV转接插座箱，输出全电视信号FBAS，也可输出Y/C信号或RGB信号。除前端外，整机电路主要分四个部分：一是视频数字处理；二是音频数字处理；三是同步及偏转信号数字处理；四是中央控制信号输出，这里采用I2C（Inter Integrated Circuit BUS）总线控制方式。
数模兼容电视接收系统中，从各种前端信源接收器来的视频及音频信号将被数字化并进行数字处理。
2．数字电视机顶盒
数字电视机顶盒可接收数字电视信号和处理MPEG-2标准的主类主级数字视音频信号。通常数字机顶盒具有高质量、多格式的视音频信号输出、中文显示、全功能遥控、电缆射频环路输出；具有频道编程存储功能和左右声道、立体声伴音选择；可选择第二伴音输出接收数字广播节目；具有S-VIDEO、AV输出RS-232接口，以及软件可升级及全功能遥控。
下面以采用日本富士通推出的芯片MB87L2250的数字机顶盒为例，介绍一下数字电视机顶盒的工作原理。
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5-14所示。

RF输入的是数字调制的且频率范围为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MB87L2250中首先通过分析流种的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。MB87L2250通过I2C总线控制视频编码部分和射频部分。

< tr>

数字电视信号接收特点

数字电视的接收系统可分为三大类：卫星数字电视接收系统、有线数字电视接收系统、地面数字电视接收系统
1．地面数字电视接收系统
目前世界主流地面数字电视接收系统是以美国ATSC8-VSB和欧洲DVB-T（COFDM）两种地面传输标准设计的，其中ATSC8-VSB接收端基本框图如图5-15所示。

在图中，D/A为数模转换器。在发送端，采用引入纠突发性错码能力很强的RS信道编码，在接收端要进行信道解码；同样地，TCM解码时针对发送端采用的调制与编码相结合的信道纠错编码所采取的必要措施。从电视原理上讲，数字电视信号接收的程序与模拟信号几乎一样，也是将发送端信号分解还原，但事实上由于对摄取的数字信号加工处理的程太多，加之数字电视的功能强大，使得数字电视接收机比模拟电视机复杂得多。首先，数字电视接收机以数字信号处理为基础；其次，接收机很大一部分功能集中在解扰、解码、解交织、解压（码），以及同步信号的恢复上；此外，理想的数字电视机是双向服务即交互式的（如视频点播）等等，因此数字接收机电路结构复杂并不是若干台模拟机的超大规模集成电路之和。
2.数字电视有条件接收
有条件接收简称CA（condition Access）。所谓条件接收或接入，说白了就是，谁支付了费用谁就可以接收或接入。
有条件接收系统见图5-16。

有条件接收（CA）系统的基本原理是在发送端利用某些节目参数和限制条件，根据特定的算法随机生成一个密钥（key），用这个密钥去初始化随机序列发生器，产生一个随机序列，利用该随机序列对要传送的节目信息进行加扰，得到加扰后的节目信息，送往接收端。在传送节目信息之前，要利用特定的加密算法对密钥进行加密，生成加密后的密钥，并将其提前送给接收端，在接收端有一个解密装置，它可以将加密的密钥解密出来，并利用该密钥对接收到的加扰节目信息进行解扰，将节目信息恢复出来。