9 数字电视原理

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9.1.3 ISDB-T标准 日本ISDB-T标准采用频宽分段传输正交频分复用调制方 式（Bandwidth Segmented Transmission，OFDM），可以 在6MHz带宽中传递HDTV服务或多节目服务。ISDB-T标准 将整个带宽分割成一系列的频率段，称为OFDM段。ISDB-T 提供几种调制方式的组合（DQPSK、QPSK、16QAM、 64QAM）和内编码的编码率（1/2、2/3、3/4、5/6、7/8）。 模拟带宽有宽带5.6MHz和窄带430kHz两种。 为实现数字电视地面移动接收，ISDB-T采用了高强度时 间交织，最大限度地缓冲突发误码对系统的冲击。
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9.2.2 音频信号的压缩编码 数字电视的音频信源编码采用MUSICAM编码或AC-3编 码。 1．人耳的听觉特性 （1）频谱掩蔽特性 人对各种频率声音可听见最小声级叫绝对可听域。在20 Hz～20 kHz可听范围内，人耳对频率3～4 kHz附近的声音信 号最为敏感，对太低和太高频率的声音感觉却很迟钝。如图 9-13（a）所示。频率掩蔽效应是指由于在频域上某点强信 号的影响，使人们不能听到与其频率接近的较弱的信号。
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2．MPEG的编码 MPEG编码器的基本构成见图9-10 。 （1） （2） （3） （4） 帧重排； I帧编码； P帧编码； B帧编码。
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2．MPEG的解码 MPEG解码是MPEG编码的逆过程，从编码比特流中重建图 像帧。MPEG解码框图如图9-11所示。
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（6）数字电视可实现5.1路数字环绕立体声，同时还有 多语种功能，收看一个节目可以选择不同语种。 （7）数字技术易于实现设备的自动化控制和调整。 （8）数字电视采用压缩编码技术，能够充分利用频带， 在只能传送一套模拟电视节目的频带内可传送多套数字电 视节目，减少传输成本。 （9）数字电视便于开展多种数字信息服务，如数据广 播、文字广播等。 （10）数字电视易于实现交互电视，使电视业务的形式 更加丰富。 （11）数字电视容易实现加密、加扰，便于电视台开展 各类收费业务。
9.2.3 数字电视的基本数据流（Elementary Stream，ES） 1．数字电视的系统复用 数字电视视频编码系统几乎采用的是MPEG-2的系统。传 输流的复用过程如图9-19所示。
二、帧间编码 无论是美国的ATSC，还是欧洲的DVB及日本的ISDB， 数字电视视频信号的帧间编码都采用MPEG-2标准。我国 的数字卫星电视和数字有线电视的信源编码也是采用 MPEG-2标准。 1．MPEG标准 MPEG（Moving Picture Experts Group）是运动图像活 动专家组的英文缩写。 MPEG专家组现已制定一系列标准，如MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-3、MPEG-4、MPEG-7、MPEG-21。
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9.1 数字电视的标准 9.2 数字电视的信源编码 9.3 数字电视的信道编码与调制 9.4 本章小结 实验九 数字电视信号的测试
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数字电视与模拟电视相比有许多优点： （1）数字电视利用了先进的数字图像压缩技术、数字信 号纠错编码技术、高效的数字信号调制技术等，可以清除 在处理、传输信号过程中一定的门限的噪波，也可以利用 纠错技术纠正误码。所以，数字电视接收的图像质量较 高。 （2）数字电视彩色逼真，无串色，不会产生信号的非线 性和相位失真的累积。 （3）由于数字信号只有“0”、“1”，电平的幅度大小 要求不是十分严格，数字设备输出信号稳定可靠。 （4）数字电视可实现不同分辨率等级（标准清晰度、高 清晰度）的接收，适合大屏幕及各种显示器。 （5）数字电视可移动接收，无重影。
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DVB定义了三种专用接口： （1）ASI（Asynchronous Serial Interface，异步串行 接口），采用270Mb/s的固定连接速率，适用于电缆传输和 光缆传输。 （2）SPI（Asynchronous Parallel Interface，同步并 行口），是以ITURBT6562为基础制定的，用于较短距离的 信号连接。 （3）SSI（Synchronous Serial Interface，同步串行 口），SSI可以看作是做了并／串转换的SPI的扩展，它使 用的速率就是传输码流的速率，传输介质可以是电缆或光 缆。
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9.1
数字电视的标准
目前国际上的数字电视广播有三个相对成熟的标准制 式：欧洲的DVB（Digital Video Broad-casting）、美国的 ATSC（Advanced Television Systems Committee）和日本 的ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting）。 1996年美国联邦通信委员会（FCC）通过了数字电视地 面传输标准ATSC。 1994年欧洲电信标准学会（ETSI）通过了DVB-S（卫 星）和DVB-C（有线）标准，1997年又通过了DVB-T（地面 广播）标准。 1999年日本提出地面综合业务数字广播标准（ISDBT），2001年开始实施。
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（1）MPEG标准简述 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-3 MPEG-4 MPEG-7 MPEG-21 MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性： 空间相关性和时间相关性。
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（2）MPEG-2的“级”和“型” MPEG-2是一个分等级的视频编码标准，按编码图像的 分辨率分成四个“级(Levels)”，按所使用的编码方法的不 同分成五个“型(Profiles)”。 “级”与“型”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在 某种特定应用下的子集：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。如 表9-1所示。 目前的标准数字电视采用MP@ML基本型和基本级，而 HDTV采用MP@HL基本型和高级。
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如图9-14所示是音频编码器的基本构成 。MUSICAM编码 就是基于子带编码方式。频带分割（即形成子带）利用多个 正交镜像滤波器（QMF）的多相滤波器库（PFB）来实现的。
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编码器形成比特流输出，该比特流的形式如图9-15。
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3．MUSICAM音频解码原理 MUSICAM音频压缩解码是编码的逆过程，其解码器组成如 图9-16所示。
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2．JPEG编码原理 JPEG的编码原理框图如图9-4 所示。编码过程如下： （1）形成8×8像素块； （2）DCT变换； （3）量化； （4）Z字型扫描； （5）可变字长熵编码。
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3．JPEG解码原理 JPEG解码原理框图如图9-5所示，解码是编码的逆过程。
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（2）基准频率 图9-2是ATSC编码设备方框图，图中有两套频率，信源 编码和信道编码部分采用不同的基础频率。 ƒa 和 ƒv 分别是音频和视频时钟，必须锁定在 27MHz 的频 率上。信道编码部分传送比特流频率ƒtp和VBS符号频率ƒsym必 须锁定，并有如下的关系:
三、视频编码的码流结构 经过MPEG编码后，6个视频层次构成的编码视频码流 称为视频基本数据流（Elementary Stream ES），如图9-12 所示，自上而下为视频序列层、图像序列层、图像层、像 条层、宏块层和块层。 在视频ES中完全包含了供接收端正确解码的一切信息 （辅助数据和图像数据）。视频ES和音频ES一起传输时， 还要分别打包形成视频/音频PES。
码采用MPEG标准编码方式。
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一、帧内编码 1．JPEG标准 JPEG（Joint Photographic Experts Group）是联合照 片（静止）图像专家组的缩写。它不仅适用于静止图像的压 缩编码，电视图像序列的帧内压缩也常采用JPEG 算法 。 JPEG标准包括有损压缩和无损压缩两种压缩方法。有损 压缩是以DCT变换为基础，压缩比高，是JPEG标准的基础； 无损压缩是以预测压缩为基础，解码后能精确地恢复原图 像，但压缩比低。 数字电视图像信号的帧内压缩采用的是JPEG标准中的有 损压缩，即基于DCT变换的压缩方式，而运动图像则采用 MPEG标准压缩。
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4．AC-3编码 AC-3 编码技术起源于为高清晰度电视 (HDTV) 提供高质量 的声音，是美国联邦通信委员会 (FCC) 在 1995 年最后确定的 标准。其编码过程如图9-17所示。
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AC-3解码器基本上是编码的逆过程，图9-18是其原理方 框图。
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9.2
数字电视的信源编码
数字电视信号的信源编码主要包括视频信源编码和音频 信源编码。对于视频图像信源，静止图像的编码采用JPEG标 准，运动图像信号采用MPEG标准；音频的信源编码采用 MUSICAM编码、AC-3编码。 9.2.1 图像信号的压缩编码
数字电视的视频信源编码（图像信号编码）分为帧内编 码和帧间编码。帧内编码采用JPEG标准编码方式，帧间编
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B帧为双向预测内插编码帧。B帧是根据它前面的I帧 （或P帧）和后面的P帧来获得预测误差的，见图9-7所 示。 I帧和P帧或P帧和P帧之间一般可以内插两个B帧。 P帧和B帧图像采用帧间编码方式。
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图9-8为帧间预测的示意图。
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Hale Waihona Puke Baidu
（4）MPEG-2的数据结构 MPEG-1 和 MPEG-2 的 数 据结构是相同的层次性结 构，共分为六个层次，即 图像序列层、图像组 (GOP) 、 图像、像条、宏块和像块， 如图9-9所示。
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9.1.1 ATSC标准 1．ATSC系统 （1）系统组成 ATSC标准采用了ITU-R Tech Group 11/3模式（数字电 视地面广播模式），由信源编码和压缩、业务复用和传 送、RF/发送三个子系统组成，如图9-1所示。 根据不同的显示格式、屏幕宽高比、扫描方式、帧频和 场频，ATSC标准规定了18种扫描格式。
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图9-13
人耳的听觉特性图
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（2）时间掩蔽效应 在时域听觉特性中，处于时间轴某点的强信号，使人们 不能听出与其在时间轴上接近的较弱信号，如图9-13（b）。 （3）方向掩蔽效应 人耳除具有听觉掩蔽效应外，还不能分别判断频率接近的 高频声音信号的方向，在声音编码中可利用此特性，把多个 声道的高频部分耦合到一个公共声道，以达到压缩编码的目 的。 2．MUSICAM音频压缩编码 MPEG-1和MPEG-2的音频压缩编码都是采用的MUSICAM音频 压缩编码。
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（3）MPEG-2的帧概念 MPEG-2的编码图像被分为I帧，P帧和B帧。 I帧图像采用帧内编码方式，称为帧内编码帧，即只利 用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。 P帧为前向预测编码帧。P帧只传送在它前面的I帧的差 值信息，称为预测误差，P帧是在I帧的基础上获得的。P帧 前面如果不是I帧而是P帧，也可以由前面的P帧获得预测误 差，如图9-6所示。
f tp 2 188 208 312 313 f sym
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2．VBS调制 数字VBS调制方式输出一种单载波幅度调制的、抑制载
波的残留边带信号。图9-3是VBS调制方框图。
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9.1.2 DVB标准 DVB标准是以欧洲国家为主，世界上200多个组织参加开 发的项目。它是一套以发展标准电视SDTV为主的完整的数字 电视解决方案。DVB系统主要有以下标准: （１）DVB-S； （２）DVB-C； （３）DVB-T； （４）DVB-CS； （５）DVB-SI； （６）DVB-TXT； （７）DVB-CI； （８）DVBDATA； （９）DVBRCC／RCT／NIP。