第一代电视 --- 黑白电视 第二代电视 --- 彩色电视 第三代电视 --- 数字电视

1. 绪论 电视技术发展的三个阶段 • 第一代电视---黑白电视 • 第二代电视---彩色电视 • 第三代电视---数字电视

2. 从模拟电视走向数字电视是电视技术发展的必然趋势 ！ 21世纪是一个信息化、网络化、数字化的时代

3. 从模拟电视走向数字电视具有深远的影响 第一阶段：通过大力推广数字电视机顶盒，实现“整体转换” 第二阶段：推广标准清晰度数字电视，直接收看数字化处理后的电视节目。 第三阶段：推广高清晰度数字电视，直接收看高质量的数字电视节目。 • 从模拟电视到数字电视需要一个较长的渐进过程

4. 数 字 电 视 基 础 知 识 第一篇 第一章 数字电视信号的形成

5. 本章主要内容 • 1.1 数字信号的技术优势 • 1.2 数字电视广播系统概述 • 1.3 模拟图像信号的数字化 • 1.4 信源压缩编码概述 • 1.5 帧内压缩编码技术 • 1.6 帧间压缩编码技术 • 1.7 视频基本流的形成 • 1.8 音频信号的压缩编码及音频基本流的形成 • 1.9 MPEG-2的节目流和传输流 • 1.10信源编码设备及信源编码新技术

6. 数字电视和机顶盒 原理与维修 1.1 数字信号的技术优势 • 1.1.1 数字“电视”的概念 • 1.1.2 数字信号的技术优势 • 1.1.3 由模拟电视用户转换成数字电 视用户的变化

7. 1.1.1 数字“电视”的概念 • “电视”这个源于模拟时代的命名，从内涵到外延都将发生很大的变化，使“电视”的用途由单一性向多元化发展，并催生多种数字新媒体传送形式的诞生。从而满足人们多样化、专业化和个性化的需求。这对于每个家庭、整个社会，乃至国家信息化进程都将产生深远的影响。 • 数字电视系统 除提供数字化广播电视节目的制作、传输与显示这一基本功能外，还可提供视频点播、数据广播、远程教学、远程医疗、网上购物等多种功能，从而使这一系统最终演变成一个具有多种功能的综合信息系统，成为一个端到端的数字信号交互平台。此时的“电视机” 将逐步演变成一种家庭多媒体信息终端。

8. “电视机” 在未来数字家庭中的位置

9. 1.1.2 数字信号的技术优势 • 1。数字信号抗干扰能力强、电视图像清晰、伴音效果好。 • 2．数字信号的传输功耗低、可靠性高，可避免系统的非线性失真。 • 3．数字信号频谱资源利用率高。 • 4．数字化可实现多种业务的动态组合。 • 5．数字化从根本上解决图像信息在存储和复制中出现的各种技术问题。 • 6．数字化促进了电视技术与计算机技术和现代通信技术的融合。

10. 1.1.3 由模拟转数字后电视用户的变化 • 目前，数字电视带给用户的变化还主要体现在以下三个方面： • （1）节目数量的变化。一般可达100～150套，最多可达500多套。 • （2）节目质量的变化。在长距离传输后可保持信噪比基本不变，接收端的图像质量与发射前端一样清晰，画面完美无损。 • （3）收视方式的变化 。逐步开展多种交互业务，开始改变 “你播我看”的收视习惯。

11. 1.2.1数字电视广播系统 • 1.2.2 SDTV (标准清晰度数字电视)及 ITU-R 601号建议 • 1.2.3 HDTV (高清晰度数字电视)及国标GY/T 155-2000 1.2 数字电视广播系统概述

12. 1.2.1 数字电视广播系统 数字电视广播系统与模拟电视广播系统的基本模式是相同的，如图所示： 仍然可以分为三大部分,即电视信号的形成和发送部分、电视信号的传输部分、电视信号的接收及终端显示部分。但是，数字电视广播系统毕竟有其自身的特点，这三大部分分别被称为信源、信道和信宿。

13. 数字电视广播系统示意图（局部） 信源 （数字电视前端系统 ） 信道（传输系统） 信宿 （接收端）

14. 1.信源（发送端） 它由信号源，编码器和调制器三大部分构成，代表了信号输入、信号处理和信号输出三大工作步骤。 a. 信号源 信号源泛指需要通过网络传输的各种信息的输入端，这些信息可以是图像、声音、文字、数据等。其中包括本地制作的各种专题节目信号、原有的各种模拟电视节目信号、卫星节目信号、广播信号、通过网络及其他各种输入方式得到的电视节目信号、股票信息、天气预报信息等。

15. 1.信源（发送端） b.编码器 编码器是数字电视前端系统中最核心的部分，即信号处理部分，包括信源编码和信道编码。 信源编码即数字信号的压缩编码，其主要目的是压缩信源符号的数码总量，即在保证信源信息质量的前提下，尽可能地压缩每个信源符号的平均比特数，同时对信息进行加扰处理； 信道编码可简称为纠错编码，其主要目的是提高信息传输的可靠性，并在保证可靠性的同时，兼顾传输效率。

16. 1.信源（发送端） c.调制器 调制器是输出电视信号的设备，即信号输出部分，其主要功能是将已经处理好的数字信号变成传输网络所需要的信号格式，从而实现与不同信道之间的良好匹配，安全高效地将数字信号传输出去。

17. 1.信源（发送端） d.时钟和同步信息 由于数字广播电视系统中传输的是码流，是一串一串按节拍发送的脉冲，为了保证这些数字信号经传输后能正确地恢复所传信息，必须在传输过程中始终保持这些脉冲串在时间和位置上的准确性，也就是说整个系统必须有统一的“时钟”来控制节拍，从而保证工作过程中接收端与发送端节奏统一，步调一致，信息传输准确无误。

18. 2.信道（传输系统） 信道是指传输信息的通道(包括信息的载体)。信道一般分为两大类：一类为有线信道，如光纤、同轴电缆、五类线、双绞线等：另一类为无线信道，即以电磁波的形式在大气层、外层空间及海洋中传播。 采用不同的传输信道，就会有不同的传输特性，需要采用不同的信道编码和调制技术。

19. 3.信宿（接收端） 信宿是指所传信息的终点或对象，即这些数字信号或数据的最后归宿。可具体到接收或存储这些信息的机器、设备或人，也可以泛指接收端。

20. 1.2.2 SDTV (标准清晰度数字电视)及 ITU-R 601号建议 • SDTV是标准清晰度数字电视的简称，标准清晰度数字电视又可称为常规清晰度数字电视或普通清晰度数字电视，此类数字电视在终端显示时所能呈现的清晰度与目前普遍使用的模拟电视机比较接近。 • 此类数字电视的许多重要参数是在1982年2月的CCIR(国际无线电资询委员会)第15次全会上确定下来的，称为CCIR-601建议书或演播室数字电视分量编码标准，以后又做了一些修改和补充，改称为ITU-R 601建议书。

21. SDTV (标准清晰度数字电视) 原模拟电视 标准清晰度数字电视的扫描格式： 25帧/秒、625行/帧； 30帧/秒、525行/帧。 原模拟电视系统中最主要的两大类扫描格式在数字电视中均被保留下来。 我国在近期颁布的技术规范中对SDTV电视机定义了4条标准，其中特别强调指出：能解码、显示720×576 I(隔行)／50Hz图像格式的视频信号；主观评价的图像质量与PAL-D模拟电视机相当。 模拟电视信号的基本参数 这样就可以将模拟时代大量制作的电视节目通过数字化处理，转换成统一的、标准化的数字电视节目 。

22. ITU-R 601建议(演播室数字电视分量编码标准)的主要参数

23. 1.2.3 HDTV (高清晰度数字电视)及国标GY/T 155-2000 • HDTV是高清晰度数字电视的缩写，代表着未来电视技术的发展方向。 • 我国近期颁布的技术规范中对HDTV电视机定义了6条标准，其中特别强调指出：要求此类电视机能解码、显示1920×1080I(隔行)／50 Hz或更高图像格式的视频信号；显示图像的清晰度必须在水平和垂直方向上均大于等于720电视线；所显图像的宽高比为16：9。

24. 我国HDTV节目制作及交换用视频参数值的主要内容我国HDTV节目制作及交换用视频参数值的主要内容

25. 1.3.1 图像信号的取样 • 1.3.2 图像信号的量化 • 1.3.3数字化图像信号的编码 1.3 模拟图像信号的数字化

26. 模拟电视节目的数字化处理 • 模拟电视节目的数字化处理，包括视频图像信号和音频伴音信号的数字化处理，如图所示。

27. 模拟图像信号数字化的处理的主要过程 • 模拟图像信号的数字化处理过程主要包括三个重点环节： • a.取样 • b.量化 • c.编码

28. 1.3.1图像信号的取样 • 取样也可称为采样或抽样，是指按周期性的时间间隔T抽取模拟信号瞬时幅度值的过程，其目的是获取该模拟信号连续变化的一系列取样值（简称为样值）。 • 经过取样的模拟信号变成为时间离散、而幅度大小仍对应模拟信号相应时刻瞬时值的一系列窄脉冲，称为脉冲幅度调制(PAM)信号，它们仍然属于模拟信号。 • 取样的实质仅仅是将模拟信号在时间域上实现离散。

29. 取样频率和取样定理 • 相邻两次取样间的历时称为取样周期，用T表示；每秒含有的取样周期称为取样频率。为了保证原模拟信号所表示的全部信息在取样过程中不被丢失，要求取样时的取样周期T应小于或等于原信号中变化最快的成分变化周期的1/2，即取样频率应等于或大于被处理信号的最高频率的2倍，该规定称为取样定理。

30. SDTV和HDTV的取样频率 • 无论什么制式，制作成标准清晰度数字电视节目时，每一有效电视行的亮度信号取样点统一为720个；取样频率统一为13.5MHz。 • 在制作新的高清晰度数字电视节目时，要保证正程数字有效行的样点数达到1920个；按照所显图像16：9的宽高比，垂直方向上应为1080行。此时取样频率高达74.25 MHz。 。

31. 色差信号的取样频率及取样结构 • 每个色差信号的取样频率规定为亮度信号取样频率的1/4或1/2，分别为3.375 MHz或 6.75 MHz，选择哪一种取决于取样结构。所谓取样格式是指亮度信号与两个色差信号的取样比例与排列方式，常规清晰度的普通质量数字电视节目信号亮色比为4∶2∶0(或称为4∶1∶1的取样结构)，如示意图 (a)所示；演播室质量标准的数字电视应采用4∶2∶2的取样结构，如示意图 (b)所示。

32. 1.3.2图像信号的量化 • 量化的实质是对模拟信号实施进一步的离散化处理，是将精确取样得到的脉冲幅度调制信号变换为取值域(振幅)上离散值的操作过程。 • 主要的操作步骤：首先确定量化精度，图中仅为纵轴方向上的0～7级，共8个量化电平值；然后采用四舍五入的方法，将原来连续变化的模拟信号变换成一串不等幅的脉冲，如图所示，每一个脉冲都可对应0～7中的某一量化数值。

33. 量化级数与量化比特数 • 显然，量化级数越多，量化精度越高，图像在亮度或色度上非常微小的变化都能被精确地量化出来，此时传送的图像质量越好。 • 在数字电视系统中对于图像信号的量化要求：亮度信号的最高量化级数可以达到256级(每样值采用8 bit量化 )，最低0级，编码为00000000；最高是第255级，编码为11111111。此量化精度是很高的，传送的图像质量也很好。

34. 1.3.3数字化图像信号的编码 • 所谓编码是指将量化后的样值变换成二进制或多进制代码的过程。 • 经取样、量化后的信号还不是数字信号，还需要将这些取样值转换成表示其量化电平的一串数码(最终将用一组脉冲电码来表示)，这才算是完成了由模拟信号转换成数字信号的全过程。 • 如果用右图来说明，图最下方表示每一个脉冲幅值的二进制码001、010、011…顺序排列而组成的数字信息码流才是编码的结果。 解码 • 在接收端，按接收到的符号串还原成具有对应高度的脉冲，重新组成原来的样值序列，再经过低通滤波器恢复成原来的模拟图像信号，这一过程称为解码。很显然解码是编码的逆过程。

35. 亮度、色度信号的量化级分配及相应的二进制编码亮度、色度信号的量化级分配及相应的二进制编码

36. 1.4.1数码压缩的必要性 • 1.4.2信源压缩编码的目的性和可能性 • 1.4.3飞速发展的压缩编码技术 1.4 信源压缩编码概述

37. 1.4.1数码压缩的必要性 • 模拟视频图像信号经数字化处理后的数码量非常大，要将数字图像一帧一帧地在信道中传输，需要占用很大的信道宽度。 • 以一路普通质量的数字电视播出信号为例，亮度信号和两个色差信号的取样频率之和是20.25 MHz(13.5MHz+3.375 MHz×2)，均用8 bit量化，每秒钟必须传输的码率为：20.25 MHz×8 bit = 162 M bit/s。需占用的信道带宽，是现有模拟电视带宽的10倍多。 • 如果传输的是高清数字电视节目，亮度信号和两个色差信号的取样频率之和是148.5 MHz(74.255MHz+37.125 MHz×2)，均用10bit量化，每秒钟必须传输的码率将达到：1485 M bit/s。需占用非常大的信道带宽。 • 因此，必须压缩信源符号的数码总量，简称信源压缩编码，这是数字电视走向实用的关键！

38. 1.4.2信源压缩编码的目的性和可能性 • 从信息论的观点来看，不论是图像还是伴音均作为一个信源。而描述信源的数据包括两个部分：信息量(信源熵)和信息冗余量，可用下面的公式表示。 • 信源数据 = 信息量（信源熵）+ 冗余量 • 信源压缩编码的目的是在正确携带所有信息的前提下(保证接收端信源解码后能够得到特定服务需要的图像及声音质量)，通过符号重组(或称再编码)，删除原始编码信号中自然存在的冗余量，以达到用尽可能少的数码来传输信息的目的。

39. 举例说明信源压缩编码的可能性 • 此彩图表示一帧视频图像，这种一帧一帧的视频图像常常可以看成是由许多大的图块组成，如图中的天空、草地、红墙、钟亭、汽车等，描述这些物体的每个像素绝不是独立存在的，图块内相邻像素、相邻行常常是用来表示同一物体的不同空间部位，它们具有完全相同或非常相似的亮度和色度信息，因而描述这些像素信息的数据就有可能会不断重复地在信道中传输，而浪费了信道资源。

40. 举例说明信源压缩编码的可能性 • 下面的彩图为6帧相对连续的图像，这是某电视剧中的一组画面，拍摄一辆小客车驶过钟亭的场景，我们每10帧截图一次，从第一帧到第六帧实际拍摄时共用了50帧，它们反映了电视中活动场景的拍摄过程及视频图像中相邻帧间的大量重复信息。因为这些镜头常常是用来表示同一事件在不同瞬间的画面，它们具有完全相同或非常相似的背景和移动物体，因而描述这些背景和移动物体的数据就有可能会按一定的周期在信道中重复地传输，这也是对信道资源的浪费。

41. 举例说明信源压缩编码的可能性

42. 信源压缩编码可能性小结 • 当我们对各种同类型的彩色电视节目图像进行综合分析后发现，在间隔一帧的时间内： • 只有平均7.5%左右的像素产生了亮度信息的变化。 • 只有平均6.5%左右的像素产生了色度信息的变化。 • 也就是说，大约90%以上的像素既无色度信息的变化，也无亮度信息的变化，它们可以作为时间冗余量或空间冗余量而予以压缩。

43. 部分数字图像信号压缩编码前、后的对照 表 1‑3 数字图像信号压缩编码前、后对照表 • 人们不断探索压缩数字图像信号冗余量的新方法，从而使传输数字图像信息时需要的码率越来越少。表1-3列出了几种常用的数字图像信号压缩编码前后码率的变化，由原始码率和经压缩后码率的比较可以看到，压缩编码前、后的变化量是非常大的。

44. 1.4.3飞速发展的压缩编码技术 • 信源数码压缩是使数字电视走向实用的关键技术之一，几十年的研究探索使信源压缩编码技术得到了飞速的发展： • 1.按照接收端解码后信号的信息量是否与发送端原信号的信息量完全一致来分类 • (1) 无损压缩编码(又称为可逆压缩编码) • (2) 有损压缩编码 (又称为不可逆压缩编码) • 2.按照视频压缩编码器处理的像素分布范围来分类 • (1) 帧内压缩编码 • (2) 帧间压缩编码 • 3.视频压缩的其他分类方法 • 图像预测编码，图像变换编码，统计编码(包括霍夫曼可变长度编码、行程编码、算术编码)及量化编码(包括矢量量化编码、自适应量化编码)等， • 压缩编码技术所不断追求的是：压缩比大、执行速度快、图像精度高。

45. 1.5.1相关技术标准—JPEG标准 1.5.2游程编码、差分编码和统计编码 1.5.3数字图像的“块”结构及DCT变换 1.5 帧内压缩编码技术

46. 1.5.1相关技术标准—JPEG标准 • JPEG标准是JPEG(联合图像专家组)主要针对静止图像压缩、存储而制定的系列标准。标准涉及到的关键技术有：游程编码、差分编码、离散余弦变换和霍夫曼可变长度编码等。 • 经过压缩编码后的图像称为“帧内编码图像”或称其为“I帧”，其压缩效果与图像内容有较大的关系： • 对于中等复杂程度的彩色图像，其压缩比与解码后还原图像质量的关系大致如表1-4所示。 表 1‑4 JPEG编码压缩比与图像质量的关系

47. 1.5.2游程编码、差分编码和统计编码 1.游程编码 • 如果图中一连串的像素具有完全相同的幅值，这时原始编码的数据流中会有大量重复出现的字符串，这时可以只传输起始像素点的值和这一串取相同值的像素点的个数，串的长度就称为游程，此编码方法称为游程编码。 2.差分编码(差值编码) • 如果同一行中相邻像素点的幅值不完全相同，但比较相近，也可不直接传输每一个像素的幅值，在传输了第一个像素点的值后，发送端仅传送当前样值和前一样值相减所得的差值，而接收端将收到的差值与前一个样值相加即可得到当前样值，即采用差值进行编码。 3.统计编码 • 统计编码基本原理是对信源中出现概率大的符号赋予短码，对出现概率小的符号赋予长码，从而在统计上获得较短的平均码长。

48. 1.5.3数字图像的“块”结构及DCT变换 • 1.图像分割成“块”按照JPEG图像压缩编码标准的规定，无论是亮度信号还是色度信号均要按照ITU-R 601 建议书中4:2:2的取样格式取样，取样后必须先将其划分成由8×8个像素信息组成的像“块”，然后进行DCT变换。于是由64个像素值所组成的像“块”就成了数字电视系统中一个非常重要的概念，它是DCT变换的基本单位，也就是进行压缩编码的基本单位，所以有时将其称为数字电视系统中的“基本图像”。 • 标准还规定：每个像块只能包含一种类型的像素信息，即该像块或者是亮度块，或者是色度块，我们通过后一幅彩图对数字图像的“块”结构进行分析。

49. 彩色图像分割成块的示意图 此时整幅图像由720×576个像素组成，按规定每个像素均取亮度信息，则每个像块由8×8个像素组成，应分割成90×72=6480块。 亮度块：90x72=6480块 每个色差信号的取样点数均是亮度信号取样点数的一半，因此，两个色差信号的像块数也都只有亮度像块数的一半，即两个色差信息的像块数均为45×72=3240块。 色度块：45×72=3240块（×2）

50. 2.以“块”为单位的二维数据矩阵 若任意取出其中的一个像块进行分析(假设为亮度块)，则每块均由8×8个像素的亮度信息组成， 这些“块”的亮度信息经过 取样和量化后的样值构成 一个8x8的二维数据矩阵