数字电视体系及有线数字电视传输技术

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1、数字电视体系及有线数字电视数字电视体系及有线数字电视传输技术传输技术 唐明光唐明光电子科技大学电子科技大学Oct.13,2005内容安排内容安排 一、数字电视基本概念一、数字电视基本概念 二、数字电视系统组成及关键技术二、数字电视系统组成及关键技术 三、数字电视标准三、数字电视标准 四、有线数字电视技术基础四、有线数字电视技术基础 五、信源编码技术五、信源编码技术-压缩编码技术压缩编码技术 六、信道编码和调制六、信道编码和调制 七、有线数字电视传输技术七、有线数字电视传输技术 八、条件接收（八、条件接收（CA）系统）系统 九、有线电视传输系统对数字电视信号质量的影响九、有线电视传输系统对数字电

2、视信号质量的影响 十、机顶盒的应用要求十、机顶盒的应用要求 十一、数字电视参数的测量十一、数字电视参数的测量 1.什么是数字电视什么是数字电视 数字电视是一个系统。它指一个从节目摄数字电视是一个系统。它指一个从节目摄 制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号 接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视 系统。系统。一、数字电视基本概念一、数字电视基本概念2.数字电视实现的意义数字电视实现的意义 数字电视系统将成为一个数字信号传输平台：数字电视系统将成为一个数字信号传输平台：整个广播电视节目制作和传输质量显著改善整个广

3、播电视节目制作和传输质量显著改善 信道资源利用率大大提高信道资源利用率大大提高 提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电视购物，视购物，为为“三网融合三网融合”提供了技术上的可能性。提供了技术上的可能性。3.数字电视分类数字电视分类 HDTV：图像分辨率：图像分辨率19201080（16：9）SDTV：图像分辨率：图像分辨率720756（PAL）720480（NTSC）LDTV：VCD级图像分辨率级图像分辨率4.数字电视的优点数字电视的优点 数字传输，信号质量高数字传输，信号质量高彩色逼真彩色逼真 可实现不同分辨率

4、等级接收（可实现不同分辨率等级接收（HDTV，SDTV）可移动接收，无重影可移动接收，无重影增加节目频道增加节目频道 应实现加解密和加解扰，便于展开应实现加解密和加解扰，便于展开CA业务业务 准交互和交互准交互和交互 其它增值业务其它增值业务二二.数字电视系统组成及关键技术数字电视系统组成及关键技术1、系统组成、系统组成 从横向看：（硬件系统）从横向看：（硬件系统）节目制作节目制作 数字信号处理数字信号处理 传输传输 接收接收 显示显示 从纵向看：（软件系统）从纵向看：（软件系统）物理层传输协议物理层传输协议 中间件标准中间件标准 信息表示信息表示 信息使信息使 用用 内容保护内容保护 节目制

5、作设备：节目制作设备：数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑 机、数字字幕机、非线性编辑系统机、数字字幕机、非线性编辑系统数字处理设备及技术：数字处理设备及技术：压缩编压缩编/解码设备及技术、数据加解码设备及技术、数据加/解扰设备及解扰设备及技术、加技术、加/解密设备及技术解密设备及技术信号传输：信号传输：地面、有线、卫星地面、有线、卫星接收设备：接收设备：数字电视接收机（卫星、有线）数字电视接收机（卫星、有线）显示：显示：CRT、LCD、PDP、投影显示等、投影显示等2.关键技术关键技术1)信源编码技术 视频压缩编码视频压缩编码 MPEG-2

6、 音频压缩编码音频压缩编码 MPEG-2 （欧洲、日本）（欧洲、日本）AC-3 (美国美国)我国标准：我国标准：GB/T17975.2 2000 “信息技术信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范运动图像及其伴音信号的通用编码规范 第第2部分：视频部分：视频”GB/T17975.3 2000 “信息技术信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范运动图像及其伴音信号的通用编码规范 第部分：音频第部分：音频”2)传输复用技术 数据打包：数据打包：N个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组 传输流复用：将传输流复用：将N个打包的数据复合成单路串行传输流个打包

7、的数据复合成单路串行传输流 标准：国际标准：国际 MPEG-2 我国我国 GB/T17975.1 2000 “信息技术信息技术运动图像及其伴音信号通用编码运动图像及其伴音信号通用编码 第第1部分：系统部分：系统”传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传输，从而输，从而 使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。3)信道编码和调制 经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有 线、卫星）中传输，必须经过某种处理，

8、使之变成适合在线、卫星）中传输，必须经过某种处理，使之变成适合在 规定的信道中传输的形式。在通信原理中把这种处理称为规定的信道中传输的形式。在通信原理中把这种处理称为 信道编码和调制。信道编码和调制。信道编码包括：纠错编码、网格编码、均衡等。信道编码包括：纠错编码、网格编码、均衡等。信道编码目的：提高传输信号在信道中的抗干扰能力信道编码目的：提高传输信号在信道中的抗干扰能力 标准：标准：GY/T1702001 “有线数字电视广播系统信道编码与调制规范有线数字电视广播系统信道编码与调制规范”4)有条件接收（CA）CA只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用只允许已付费的授权用户使用某一业

9、务，未经授权的用 户不能使用这一业务。户不能使用这一业务。CA涉及技术：前端的加密和加扰技术涉及技术：前端的加密和加扰技术 接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术标准：标准：GY/Z175-2001 “数字电视广播条件接收系统规范数字电视广播条件接收系统规范”5)软件平台中间件机顶盒中硬件功能：机顶盒中硬件功能：接收接收RF信号、信道解码、解调。信号、信道解码、解调。MPEG-2码流解码流解 码，模码，模拟视拟视/音频输出。音频输出。机顶盒中软件功能：机顶盒中软件功能：电视节目内容显示、电视节目内容显示、EPG节目信息、操作界面的实现等。节目信息、操作界面的实

10、现等。中间件：中间件：是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来 的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统。硬件平台和操作系统。中间件构成：中间件构成：Java虚拟机、虚拟机、Java Script 虚拟机、虚拟机、HTML虚拟机等。虚拟机等。三三.数字电视标准数字电视标准1.1.国际：三大标准国际：三大标准 DVB-S 欧洲：欧洲：DVB （数字视频广播）（数字视频广播）DVB-T DVB-C

11、美国：美国：ATSC （高级电视制式）（高级电视制式）日本：日本：ISDB （综合业务数字广播）（综合业务数字广播）2.中国：数字电视演播室参数标准 数字电视广播标准 四四.有线数字电视技术基础有线数字电视技术基础 1.有线数字电视信号传输等级及传输系统模式 1）传输等级）传输等级 LDTV，SDTV，HDTV 2)传输系统模式传输系统模式 电缆传输电缆传输PCM方式方式 光纤传输光纤传输SDH方式方式 光纤光纤 同轴混合传输同轴混合传输HFC数字调制方数字调制方式式 2有线数字电视的主流标准与方式 1)标准：DVB-C ATSC-16VSB，ATSC-64QAM ISDB-C 2)四种方式：

12、DVB-C ATSC-64QAM ATSC-16VSB ISDB-C传送方式 16-64QAM 64QAM 16VSB 64QAM频带宽度 8MHz 6MHz 6MHz 6MHz传输速率 31.64Mb/s 41.34Mb/s 43.05Mb/s 30.31Mb/s接收滚降 13%15%11.5%18%纠错率 RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188)压缩方式 MPEG-23 3数字电视信号的产生数字电视信号的产生 直接产生：字幕机，数字摄像机等直接产生：字幕机，数字摄像机等 转换生产：电影胶片转换生产：电影胶片电视电影机电视电影机 模拟模拟-数字

13、（数字（A/D转换）转换）信号数字化信号数字化1)1)信号数字化过程信号数字化过程 取样：取样频率，取样：取样频率，Nyquist定理定理 连续信号变换成离散信号连续信号变换成离散信号 量化：将离散信号样值进行离散化处理量化：将离散信号样值进行离散化处理 离散化的量化级离散化的量化级 量化噪声量化噪声 编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用 n比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将

14、它们排列 起来，就得到基带数字信息流。起来，就得到基带数字信息流。传输速率：传输速率传输速率：传输速率=取样频率取样频率fs量化比特数量化比特数2 2）音频信号的数字化）音频信号的数字化 取样频率：取样频率：40KHz。常用常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。量化比特数：量化比特数：8bit，12bit，16bit。声道：单声道，双声道（立体声）声道：单声道，双声道（立体声）取样频率取样频率量化比特数量化比特数声道数声道数 数字音存储量：数字音存储量：（字节）（字节）8bit例：例：CD标准取样频率标准取样频率44.1KHz，量化比特数，量化比特数16bit，

15、立体声，存储，立体声，存储 一分钟数字音乐的容量为一分钟数字音乐的容量为10,584,000字节或字节或84,672,000比特。比特。3 3）视频信号的数字化）视频信号的数字化 编码方式：复合编码编码方式：复合编码将彩色全电视信息直接将彩色全电视信息直接 编成编成PCM码码 分量编码分量编码将亮度信号将亮度信号Y，色差信，色差信 号号R-Y和和B-Y分别编码分别编码 或或PCM码码 二者比较：二者比较：“复合编码复合编码”与电视制式有关与电视制式有关 “分量编码分量编码”与电视制式无关与电视制式无关 在节目后期制作中：在节目后期制作中：“复合复合”需解码需解码 “分量分量”无需解码无需解码

16、传输时：传输时：“复合复合”由于频分复用，产生亮，色串扰由于频分复用，产生亮，色串扰 “分量分量”采用时分复用，无亮，色串扰采用时分复用，无亮，色串扰 分量编码取样频率分量编码取样频率 亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声fs=（2.22.7）fm fm=5.8-6 MHz fs12.7613.2 MHz 满足行锁相采样满足行锁相采样 fs=mfH,m为整数为整数 使使525/652行兼容（行兼容（525行行/60场场 625行行/50场）场）要采用同一取样频率要采用同一取样频率 在在13.2MHz附近，只有附近，只有 13.5MHz=15625Hz864 (6

17、25/50)=15734.264 Hz858(525/60)亮度信号取样频率取样亮度信号取样频率取样13.5MHz 色差信号取样频率：色差信号取样频率：需要满足与亮度信号同样的三个要求需要满足与亮度信号同样的三个要求 取为取为fS=6.75MHz 分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求 Y：(B-Y)：（：（R-Y）：）：=13.5MHz：13.5MHz：13.5MHz =4：4：4 Y：(B-Y)：（：（R-Y）：）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz =4：2：2 （演播室图像质量标准）演播室图像质量标准）Y：(B-Y)：（：

18、（R-Y）：）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz =4：1：1（4：2：0）4：4：4，4：2：2和和4：2：0三种是可以相互兼容，相互转换的三种是可以相互兼容，相互转换的 由高档转由高档转为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。4：4：4 4：2：2 4：2：0 视频取样示例4：2：24：2：04：4：4 像素：在理想情况下可用“1份亮度+2份彩色差的样品”来描述：表示1份亮度样品(Y)重合的亮度、色度样品 表示2个色度样品(R-Y，B-Y)4为13.5MHz、2为6.75MHz 和1

19、为3.75MHz的取样频率4）量化比特数和量化级 量化比特：量化比特：Y，B-Y，R-Y都采用都采用 8bit 均匀量化均匀量化 未经未经较正的信号采用较正的信号采用10bit均匀量化均匀量化 量化级：量化级：亮度信号亮度信号 8bit，256个量化级，个量化级，0-255 为防止过载为防止过载 上端留上端留20级级 下端留下端留16级级 量化级量化级 16 表示黑电平表示黑电平 量化级量化级235表示白电平表示白电平 5 5）ITU-R601ITU-R601建议编码主要参数（建议编码主要参数（4 4：4 4：4 4格式）格式）参参 数数 625行行50场场/s制式制式 525行行60场场/s

20、制式制式 1，编码信号，编码信号 经过经过校正的信号校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或或ER，EG，EB 2，各信号的全行样点数，各信号的全行样点数 864 858 3，取样结构，取样结构 正交，按场，行，帧重复，并与此正交，按场，行，帧重复，并与此4：2：2标准的亮度样点重合标准的亮度样点重合 4，每种信号的取样频率，每种信号的取样频率 13.5MHz 5，编码方式，编码方式 每样值至少每样值至少8比特均匀量化比特均匀量化PCM 6，用样点表示的数字，用样点表示的数字 有效行长度有效行长度 至少至少 720 7，视频信号电平每样值，视频信号电平每样值 共共220量化级，黑电平对应于第量

21、化级，黑电平对应于第16量化级；量化级；8比特的最高有效位比特的最高有效位 峰值白电平相应于第峰值白电平相应于第235量化级量化级 （MSB）量化级之间的）量化级之间的 在量化等级中部共分在量化等级中部共分224级，零电平对应级，零电平对应128级级 对应值（范围：对应值（范围：0255）ITU-R601 ITU-R601建议演播室分量编码主要参数建议演播室分量编码主要参数(422(422格式格式)参参 数数 625行行50场场/s制式制式 525行行60场场/s制式制式1、编码信号、编码信号 Y、R-Y、B-Y2、全行样点数、全行样点数 亮度信号亮度信号(Y)864 858 每个色差信号每个

22、色差信号(R-Y、B-Y)432 429 3、取样结构、取样结构 正交，场、行、帧重复，正交，场、行、帧重复，R-YR-Y和和B-YB-Y的样点同位，并和每行第奇数个的样点同位，并和每行第奇数个(1(1，3 3，5 5.)Y)Y样点同位样点同位4、取样频率、取样频率 亮度信号亮度信号 13.5MHz13.5MHz 每个色差信号每个色差信号 6.75MHz6.75MHz5、编码方式、编码方式线性线性PCM、8比特量化比特量化/每个取样值每个取样值6、每数字有效行数样点数每数字有效行数样点数 亮度信号亮度信号 720720 每个色差信号每个色差信号 3603607、视频信号电平与量化级间的对应值视

23、频信号电平与量化级间的对应值 亮度信号亮度信号 每个色差信号每个色差信号 共共2222个量化级，黑电平对应量化级个量化级，黑电平对应量化级1616；峰值白电平对应量化级；峰值白电平对应量化级235235 在量化等级中间部，共分在量化等级中间部，共分224224级，零电平对应于级，零电平对应于128128级级 数字电视信号的码率数字电视信号的码率1）标准清晰度数字电视（）标准清晰度数字电视（SDTV）：）：在在ITU-R601标准中，采用标准中，采用10bit量化时，量化时，亮度信号的码率为亮度信号的码率为 取样频率取样频率 X 量化比特数量化比特数=13.5MHz X 10bit=135Mbp

24、s 2个色差信号的码率为个色差信号的码率为 2 X 6.75MHz X 10bit=135Mbps SDTV的总码率为的总码率为 亮度信号码率亮度信号码率+2个色差信号码率个色差信号码率=135Mbps+135Mbps =270Mbps 2）高清晰度电视（）高清晰度电视（HDTV）：）：在在SMPTE274M数字电视标准中，采用数字电视标准中，采用10bit量化时，量化时，亮度信号的码率为亮度信号的码率为 取样频率取样频率 X 量化比特数量化比特数=74.25MHz X 10bit=742.5Mbps 2个色差信号的码率为个色差信号的码率为 2 X 37.125MHz X 10bit=742.

25、5Mbps HDTV的总码率为的总码率为 亮度信号码率亮度信号码率+2个色差信号码率个色差信号码率=742.5Mbps+742.5Mbps =1485Mbps数字电视信号的有效码率数字电视信号的有效码率 有效码率（视频有效码率）：有效码率（视频有效码率）：1）标准清晰度数字电视信号的有效码率）标准清晰度数字电视信号的有效码率 是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的60%-80%。在在ITU-R601标准

26、中，标准中，8bit量化时，量化时，NTSC（480/60i）亮度信号的有效码率为：）亮度信号的有效码率为：每行的取样点数每行的取样点数 X 有效扫描行数有效扫描行数 X 量化比特数量化比特数 X 帧频帧频 =720 X 480 X 8 X 30=82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为：个色差信号的有效码率为：2 X 360 X 480 X 8 X30=82.944 Mbps 总有效码率为：总有效码率为：亮度信号有效码率亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率个色差信号有效码率 =82.944 Mbps+82.944 Mbps=165.888 Mbps（480/60i）PAL（576/

27、50i）亮度信号的有效码率为：）亮度信号的有效码率为：每行的取样点数每行的取样点数 X 有效扫描行数有效扫描行数 X 量化比特数量化比特数 X 帧频帧频 =720 X 576 X 8 X 25=82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为：个色差信号的有效码率为：2 X 360 X 576 X 8 X25=82.944 Mbps 总有效码率为：总有效码率为：亮度信号有效码率亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率个色差信号有效码率 =82.944 Mbps+82.944 Mbps=165.888 Mbps（576/50i）2）高清晰度数字电视信号的有效码率）高清晰度数字电视信号的有效码率 在

28、在SMPTE274M数字电视标准中，采用数字电视标准中，采用8bits量化时量化时1080/60i信信 号格式量度信号的有效码率为号格式量度信号的有效码率为 每行的取样点数每行的取样点数X有效扫描行数有效扫描行数X量化比特数量化比特数X帧频帧频 =1920X1080X8X30=497.664Mbps 2个色差信号的有效码率为个色差信号的有效码率为 2X960X1080X8X30=497.664Mbps 总有效码率为总有效码率为 2X497.664=995.328Mbps（1080/60i）1080/50i信号格式的有效码率为信号格式的有效码率为 1920X1080X8X25X2=829.44M

29、bps（1080/50i）数字电视技术中电视系统的表示方法示例数字电视技术中电视系统的表示方法示例1080/60i：1080表示每帧有效扫描行数，表示每帧有效扫描行数，60表示帧频或场频，表示帧频或场频，i表示隔行扫描。表示隔行扫描。720/50P：720表示每帧有效扫描行数，表示每帧有效扫描行数，50表示帧频或场频，表示帧频或场频，P表示逐行扫描。表示逐行扫描。NTSC制可表示为：制可表示为：480/60i PAL制可表示为：制可表示为：576/50i 1080/60i还可表示为：还可表示为：1080/60/2 ：1 720/50P还可表示为：还可表示为：720/50/1 ：1 1080/6

30、0i还可表示为：还可表示为：108060i 720/50P还可表示为：还可表示为：72050P五五.信源编码技术信源编码技术压缩编码技术压缩编码技术1数字视频压缩的必要性 HDTV 1920 1080 显示格式显示格式 数字化后传输速率数字化后传输速率 995 Mb/S SDTV 复合编码复合编码 135 Mb/S 分量编码分量编码 4：2：2 216 Mb/S 存储存储：2小时小时HDTV，存储量，存储量 7164 Gbit/S 2小时小时SDTV，存储量，存储量 972 Gbit/S 复合编码复合编码 1555 Gbit/S 分量编码分量编码 传输：传输：HDTV 需需 1Gb/S 信道信

31、道 SDTV 需需 12个个 155 Mb/S 信道信道 无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。2压缩编码方法 1)利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩 电视图象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，电视图象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，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。2)利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩 一幅图象相邻各点的取值往往相近

32、或相同，具有空间相关性，找出这些一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。3)利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩 对经常出现的数据用短码组表，对不经常 出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。从而实现与统计冗余有关的压缩。4)利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩 人眼的视觉特性：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 对静止图象比对运动图象敏感 对图象中水平和垂

33、直线条比对斜线条敏感 包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。3基本的图象压缩编码技术 1)分类 冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。即它是可还原的。冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。即它是可还原的。信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。即它是不可还信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。即它是不可还原的。原的。2)图象压缩技术优劣评估条件 信息压缩比：信息压缩比：压缩前

34、后所需的信息存储量之比压缩前后所需的信息存储量之比 重现图象精度：重现图象精度：重现的图象与原图象相比有多大失真重现的图象与原图象相比有多大失真 执行速度：执行速度：压缩算法要多少时间完成压缩算法要多少时间完成 压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。电视节目制作：压缩比电视节目制作：压缩比2：1至至8：1 Sony数字数字Betacam 录象机录象机 2.37：1 模拟分量录象机模拟分量录象机Betacam SP 8：1 VCD母盘，压缩比母盘，压缩比12：1 采用帧内压缩方式，采用帧内压缩方式，JPEG标准。标准。电视广播：电视广播：压缩比压缩比15：120

35、：1 采用帧间预测编码，采用帧间预测编码，MPEG 2 标准标准 有线数字电视压缩比可加大至有线数字电视压缩比可加大至30：1，MPEG 2 标准标准3)基本压缩编码方法 预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制 DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测）。利用象素的相关性还可进一步减小差值。离散余弦变换（DCT）DCT(Discrete Cosine Transform)是数码率压缩的一种常用的变换编码是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。方法。DCT是先将整体图像分成是先将

36、整体图像分成N N 像素块，然后对像素块，然后对N N 像素块逐一进像素块逐一进行行DCT变换。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经变换。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受接收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受的。的。游程长度编码（游程

37、长度编码（Runlength EncodingRunlength Encoding）是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。在用之字形读出方式情况是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。在用之字形读出方式情况下，出现连零的机会较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只下，出现连零的机会较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只要给出要给出“块结束块结束”（EOB）码，就可以结束输出，从而节省很多码率。）码，就可以结束输出，从而节省很多码率。通常，通常，DCT系数量化之后，都采用之字形方式读出。系数量化之后，都采用之字形方式读出。霍夫曼（霍夫曼（HoffmanHoffman）

38、编码）编码 霍夫曼霍夫曼(Hoffman)编码编码(属于统计编码属于统计编码)是可变字长编码是可变字长编码(VLC:Variable-Length Coding)的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。4视频压缩编解码标准1）H.261标准标准 1980年年CCITT通过为国际标准通过为国际标准 用于可视电话，用于可视电话，P 64Kb/S，P=130可变，可变，（64 1920)Kb/S 用于会议电视，用于会议电视，P36 H.261(又称又称P 64)是最早的一个码率压缩标准。是最早的一个码率压缩标准。2）JPEG

39、标准标准 1986年提出，年提出，1992年公布为国际标准。年公布为国际标准。属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。压缩比：压缩比：32 5.3 接近原始图象质量接近原始图象质量 5.311 图象很好图象很好,满足绝大多数应用满足绝大多数应用 1116 图象好图象好,满足多数应用满足多数应用 1532 图象较好图象较好,满足某些应用满足某些应用3）MPEG 1 标准标准 1988年提出，年提出，1992年公布为国际标准年公布为国际标准 典型应用如典型应用如VCD等家用数字音象产品。最高编码速等家用数字

40、音象产品。最高编码速 率率1.8 Mb/S 实现方法：实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码、运动补偿和霍夫曼编码 信源输入格式为信源输入格式为SIF（Source Inpnt Format），如为），如为 CCIR 601 格式的信源要转换成格式的信源要转换成SIF格式才能输入格式才能输入 MPEG 1 编码器。编码器。4）MPEG 2 标准 1988年提出，年提出，1994年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括SDTV和和HDTV）的信源编码标准。）的信源编码标准。MPEG是运动图像专家组是运动图像专家组(Moving Pictures Exp

41、ert Group)的缩写，成立于的缩写，成立于1988年，以建年，以建立活动图像及相应音频的编码标准。立活动图像及相应音频的编码标准。MPEG-2的主级和主类提供的主级和主类提供720576(PAL)25帧的帧的ITUR 601建议图像质量。在压缩比为建议图像质量。在压缩比为30 1或更小时，或更小时，MPEG-2可以提供广播质量的编码可以提供广播质量的编码图像，图像，MPEG-2也可工作在大压缩比如也可工作在大压缩比如200 1下，效果与下，效果与MPEG1相差不大（即与相差不大（即与MPEG-1兼容）。兼容）。a）MPEG 2 是一个系统是一个系统，它的作用是：，它的作用是：对音频、视频

42、、数据、控制等基本比特流实现复用对音频、视频、数据、控制等基本比特流实现复用 提供各种定时及初始化提供各种定时及初始化 经解码器提供经解码器提供PSI（节目特定信息）（节目特定信息）支持有条件接收（支持有条件接收（CA），随机接入，数字存储和纠错），随机接入，数字存储和纠错b）MPEG-2系统输出两个数码流：系统输出两个数码流：节目比特流节目比特流PS，用于相对无误差的环境，用于相对无误差的环境 传输比特流传输比特流TS，用于有噪声媒质，用于有噪声媒质 d）MPEG-2的类与级的类与级 1、MPEG-2有有4种输入格式，称为级种输入格式，称为级(Levels或等级或等级)。从有限清晰度的从有限

43、清晰度的VHS(家用录像系统家用录像系统)质量图像质量图像直到直到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。除了在源格式提供这种灵活性之外，除了在源格式提供这种灵活性之外，MPEG-2还有不同的处理方法，称为类还有不同的处理方法，称为类(profiles或层面或层面)，每一，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。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。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具。2、MPEG2共分类，共分类，较高的类编码更精细，而且每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具。较高的类编码更

44、精细，而且每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具。甲）甲）简单类简单类(SP)乙）乙）主类主类(MP)丙）丙）信噪比可分级类信噪比可分级类SNRP 丁）丁）空间可分级类空间可分级类SSP 戊）戊）高级类高级类(HP)己）己）：格式：格式 在主类上的类是信噪比可分级类在主类上的类是信噪比可分级类(SNRP)、空间可分级类、空间可分级类(SSP)、高级类和、高级类和4:2:2格式。这允许将编码格式。这允许将编码的视频数据分为基本层和另一个或更多的上层信号。基本层表示编码图像的基本数据但代表的图像的视频数据分为基本层和另一个或更多的上层信号。基本层表示编码图像的基本数据但代表的图像质量较低。上层信

45、号则可用来改进信噪比或清晰度。质量较低。上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。e e）图像的）图像的4 4个级别：个级别：甲）甲）低级低级(LL(LL：Low Level)Low Level)的输入格式的像素是的输入格式的像素是ITU-R 601ITU-R 601格式的格式的1/41/4，即，即3523522402403030或或3523522882882525，相应编码最大输出码率为，相应编码最大输出码率为4M b/s4M b/s。乙）乙）主级主级(ML(ML：Main level)Main level)：输入格式完全符合：输入格式完全符合ITU-R Rec.601ITU-R Rec.601格

46、式，格式，7207204804803030或或7207205765762525，输出最大码率除高级类和，输出最大码率除高级类和4:2:24:2:2外是外是15Mb/s15Mb/s，高级类主级是高级类主级是20Mb/s20Mb/s，4:2:2 4:2:2 是是50Mb/s50Mb/s。丙）丙）高高14401440级级(H14L(H14L：HighHigh1440 Level)1440 Level)：是每行：是每行14401440有效像素的高清晰度格有效像素的高清晰度格式。除高级类式。除高级类 外，最大输出码率为外，最大输出码率为60Mb/s60Mb/s，相应的高级类输出码率为，相应的高级类输出码

47、率为80Mb/s80Mb/s。丁）丁）高级高级(HL)(HL)：输入是每行输入是每行19201920有效像素的高清晰度格式，输出最大码率为有效像素的高清晰度格式，输出最大码率为80Mb/s80Mb/s，相应的高类输出码率为，相应的高类输出码率为100Mb/s100Mb/s。f f）MPEG-2MPEG-2的类和级的组合如下图的类和级的组合如下图(常用缩写表示如常用缩写表示如MPMLMPML主类主级、主类主级、MP HLMP HL主类高级等主类高级等)。MPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，4Mb级级 (Levels)高级(HIGH)1440高级(HIGH-1440)MPHL 1920

48、1152 60Hz 80Mb/s，128MbMPH14L 14401152 60Hz 60Mb/s，64MbSSP H14L 14401152 60Hz 60Mb/s，128MbHPH1 14401152 60Hz 80Mb/s，128MbHPHL 19201152 60Hz 100Mb/s，256MbHPM 352 288 30Hz 20Mb/s，32Mb SPM L 720 x 576 15Mb/s，8MbMPML 720 576 30Hz 15Mb/s，16MbSNRPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，8MbSNRP MM 720 576 30Hz 15Mb/s，30Mb主级(

49、MAIN)低级(LOW)MPEG-2的类和级简单类信噪比可分级类主类(MAIN)高类(MAIN)(SIMPLE)（SNRSCL)空间可分级类（SPA）类类(Profiles)专业类(4:2:2)720 608 30Hz 50Mb/s,16Mb 在在24个所选组合中有个所选组合中有12个是获准通过的。图中显示了每种组合的最个是获准通过的。图中显示了每种组合的最大分辨率大分辨率(水平水平垂直垂直)、最大帧速、最高码速和解码器必须的缓存容量。、最大帧速、最高码速和解码器必须的缓存容量。最广泛采用的类和级是最广泛采用的类和级是MPML和和SPML。4:2:2是对主类的修改，它用是对主类的修改，它用4:

50、2:2色度格式代替了色度格式代替了MPEG-2标准中其标准中其它类所共用的它类所共用的4:2:0格式。由于色差数据量增加，故规定了比主类更高的格式。由于色差数据量增加，故规定了比主类更高的数据率。数据率。4:2:2主要用于演播室设备，故又称演播室类或专业类。主要用于演播室设备，故又称演播室类或专业类。MPEG-2的色度格式除专业类外，都是的色度格式除专业类外，都是4:2:0(或或4:1:1)，图像类型，图像类型(除简单除简单类为类为I、P外外)都是都是I、P、B。在所有。在所有MPEG-2实际实现中应指明所选用的组实际实现中应指明所选用的组合，由于合，由于MPML最普及，通常说最普及，通常说M

51、PEG-2，就意味着，就意味着MPML。g）系统结构及基本码流结构）系统结构及基本码流结构 甲）甲）MPEG-2标准的系统部分：标准的系统部分：它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，使之便于存贮和传输。使之便于存贮和传输。定义了一套系统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。定义了一套系统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。系统层中的信息流通方式如下：系统层中的信息流通方式如下：首先，数据从视频、音频编码器而来，称为首先，数据从视频、音频编码器而来，称为基本码流基本码流

52、(ES)，然后，然后，ES被分别打包，形成两个被分别打包，形成两个打包的基本码流打包的基本码流(PES)，再后，再后，PES被复接成一个被复接成一个节目码流节目码流(PS)和一个和一个传输码流传输码流(TS)，附图给出了附图给出了MPEG-2系统的简化总体结构。系统的简化总体结构。两种比特流的区别：节目码流（节目码流（PS）用于误码比较小的传输或存贮媒介，节目码流可以是固定码用于误码比较小的传输或存贮媒介，节目码流可以是固定码率也可以是可变码率，其数值在率也可以是可变码率，其数值在系统时钟参考系统时钟参考(SCR)中定义，为本地应用相中定义，为本地应用相对于无误码的环境设计；对于无误码的环境设

53、计；传输码流（传输码流（TS）用于误码比较大的传输或存贮媒介，其码率可以是固定的或用于误码比较大的传输或存贮媒介，其码率可以是固定的或不固定的，其数值在不固定的，其数值在节目时钟参考节目时钟参考(PCR)中定义。它是为广播应用而设计，中定义。它是为广播应用而设计，即即TS是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的，那里往往是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的，那里往往需要把几个信道集合成一束数据。需要把几个信道集合成一束数据。TS用在广播系统和长距离网络中。在用在广播系统和长距离网络中。在TS中中可以包括多个节目。因此接收可以包括多个节目。因此接收TS时首先要解复用。

54、时首先要解复用。PS和和TS是各针对一类应用而设计的。都以数据包为基础。是各针对一类应用而设计的。都以数据包为基础。PS的包长可变，的包长可变，通常较长；通常较长；TS的包长固定为的包长固定为188字节，包头字节，包头4个字节，个字节，184个净荷字节。并可个净荷字节。并可与与ATM适配。适配。MPEG-2系统简化结构视频PES音频PES系统规定的扩展PS复用TS复用节目 码流PS传送 码流TS打 包 器打 包 器视频 编码视频 数据音频 数据音频 编码视频ES音频ES MPEG-2MPEG-2的同步的同步 MPEG算法提供一定的定时方法，保证视音频的同步。算法提供一定的定时方法，保证视音频的

55、同步。MPEG-1为解码器制定了两个时钟：系统时钟基准（为解码器制定了两个时钟：系统时钟基准（SCR）显示时间标记（显示时间标记（PTS）MPEG-2为解码器制定了三个时钟：为解码器制定了三个时钟：系统时钟基准（系统时钟基准（SCR）显示时间标记（显示时间标记（PTS）节目时钟基准（节目时钟基准（PCR）系统时钟基准（系统时钟基准（SCR）：）：90KHz，即一天，即一天24小时中产生小时中产生7.8x10E9个时钟。个时钟。为保持为保持SCR对视音频的一致性，对视音频的一致性，MPEG视频及音频编码器至少每视频及音频编码器至少每0.7s（最小值）（最小值）将将SCR插入到插入到MPEG的码流

56、中。的码流中。在接收端的系统解码器中在接收端的系统解码器中SCR被提取出来，再分别送到视频、音频解码器中。被提取出来，再分别送到视频、音频解码器中。视频及音频解码器使用由系统解码器送来的视频及音频解码器使用由系统解码器送来的SCR值刷新它们的内部时钟。从而与值刷新它们的内部时钟。从而与发送端的编码器同步。发送端的编码器同步。显示时间标记（显示时间标记（PTSPTS）：）：是与视频及音频显示单元有关的编码器系统时钟的样本，显示单元是一个解是与视频及音频显示单元有关的编码器系统时钟的样本，显示单元是一个解码的视频或音频时间序列。码的视频或音频时间序列。PTS代表了视频图像被显示的时间或音频时间序列

57、的起始回放时间。代表了视频图像被显示的时间或音频时间序列的起始回放时间。编码器至少每编码器至少每0.7s（最小值）将（最小值）将SCR插入一个插入一个PTS到到MPEG码流中。码流中。PTS用于通知解码器何时显示一个已解码的图像帧，由于一个用于通知解码器何时显示一个已解码的图像帧，由于一个PES包对应一帧包对应一帧图像，因此图像，因此每个每个PES包中均应设定与该图像帧对应的包中均应设定与该图像帧对应的PTS值。值。节目时钟基准（节目时钟基准（PCR）：）：仅应用在仅应用在MPEG-2中。中。PCR用在传送码流（用在传送码流（TS）中（如像）中（如像SCR被用在被用在MPEG-1的系统码流中一

58、样），的系统码流中一样），由于每个节目均有其本身的时钟基准，故包含多个节目的传送码流（由于每个节目均有其本身的时钟基准，故包含多个节目的传送码流（TS），对每），对每个节目各有其本身的个节目各有其本身的PCR域值。域值。MPEG-2MPEG-2编编/解码器接口解码器接口 MPEG-2数据信号的三种接口：数据信号的三种接口：同步并行接口（同步并行接口（SPI）同步串行接口（同步串行接口（SSI）异步串行接口（异步串行接口（ASI）三种接口连接的设备：三种接口连接的设备：QPSK解调器、解调器、QAM调制器、复用器、解复用器、调制器、复用器、解复用器、电信网络适配器。电信网络适配器。三种接口采用的

59、传送包结构：三种接口采用的传送包结构：204/188 同步并行接口（同步并行接口（SPISPI）应用：用于数据速率可变的并行传输系统，主要用于设备较多的环境。应用：用于数据速率可变的并行传输系统，主要用于设备较多的环境。同步：数据传输通过同步：数据传输通过MPEG-2传输流中的字节时钟来同步。传输流中的字节时钟来同步。传输链路：传输输送链路采用传输链路：传输输送链路采用LVDS（低压差分驱动）、（低压差分驱动）、25针针D型超小型超小型连接器。型连接器。信号格式：信号格式：SPI信号是将时钟、数据和同步信号并行传输，即信号是将时钟、数据和同步信号并行传输，即8个数据个数据位、位、1个个MPEG

60、-2包同步（包同步（PSYNC）信号、）信号、1个数据有效（个数据有效（DVALID）信号，一共信号，一共10bits一起并行传输。所有信号均与时钟信号同步，且以非一起并行传输。所有信号均与时钟信号同步，且以非归零码（归零码（NRZ）形式编码。）形式编码。时钟信号频率时钟信号频率 fp=fu/8（包长为（包长为188字节）；字节）；fp=（204/188）fu /8 fp（包长为（包长为204节）。节）。fu对应于对应于MPEG-2传送层的有用比特率传送层的有用比特率Ru，时钟信号频率，时钟信号频率 fp=13.5MHz。异步串行接口（异步串行接口（ASIASI）：）：应用：应用：ASI仅用于

61、点对点链路。仅用于点对点链路。ASI协议结构：三层结构，协议结构：三层结构，第第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器、传输速率。层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器、传输速率。物理接口有物理接口有LED驱动的多模光纤和同轴电缆两种。驱动的多模光纤和同轴电缆两种。光纤连接器符合光纤连接器符合IEC874-14的的SC型连接器，型连接器，同轴电缆连接器为同轴电缆连接器为BNC型。型。基本传输速率定义为基本传输速率定义为270Mb/s（传输信道速率）。（传输信道速率）。第第1层为数据编码层：规定串行编码规则、专用字符及差错控制。编码采用层为数据编码层：规定串行编码规则、专用字符及差错控制。

62、编码采用8B/10B传输码；差错校验由无效传输码点和传输码；差错校验由无效传输码点和“游程游程”不等性来实现；专用字符不等性来实现；专用字符定义为编码数据字节未用的附加码点。定义为编码数据字节未用的附加码点。第第2层为层为MPEG-2层：定义传送包同步、传送包格式、传送包定时。由层：定义传送包同步、传送包格式、传送包定时。由MPEG-2标准规定。标准规定。同步串行接口（同步串行接口（SSISSI）：）：同步串行是指以不同速率的串行输出方式，其传输速率与数据速率相等。同步串行是指以不同速率的串行输出方式，其传输速率与数据速率相等。应用：几条链路级联的多级传输链路。应用：几条链路级联的多级传输链路

63、。SSI协议结构：三层结构，协议结构：三层结构，第第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器。层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器。第第1层为数据编码层：规定与传输媒介无关的编码处理，保证全透明地进行层为数据编码层：规定与传输媒介无关的编码处理，保证全透明地进行串行或解串行处理。串行或解串行处理。第第2层为传送协议层：符合层为传送协议层：符合MPEG-2标准。标准。HD-SDIHD-SDI高清晰度串行数字分量接口高清晰度串行数字分量接口:HDTV使用符合使用符合SMPTE292M标准的串行数字分量接口传输数字分量电标准的串行数字分量接口传输数字分量电视信号及其内嵌的多路数字音频信号视信号

64、及其内嵌的多路数字音频信号,其取样频率为国为其取样频率为国为74.25MHz,量化电平量化电平10bits,码率为码率为1485Mbps。使用。使用75BNC连接器和连接器和75同轴电缆，用同轴电缆，用8281电电缆时最大传输距离缆时最大传输距离100米。米。5 5）MPEG 4MPEG 4标准标准 1993年提出，年提出，2000年公布为国际标准。年公布为国际标准。与与MPEG 1 和和MPEG 2 有很大不同，它更基于内容的交互有很大不同，它更基于内容的交互 性，性，高的压缩率和灵活多样的存取模式。目前主要用于流媒体。高的压缩率和灵活多样的存取模式。目前主要用于流媒体。6)H.2646)H

65、.264 1999年开始制定，预计年开始制定，预计2004年年底前发布年年底前发布 采用采用H.264标准的产品标准的产品2005年将大批面市年将大批面市 H.264建立在块匹配混合编码基础上，采取一系列高效压缩编码技术的开放建立在块匹配混合编码基础上，采取一系列高效压缩编码技术的开放式标准式标准 新标准新标准 H.264在在H.263与与MPEG-4基础上的性能提升，必将对视频移动通信，基础上的性能提升，必将对视频移动通信，视频流服务，视频流服务，HDTV等领域的等领域的IP视频传输和存储产生极其深远的影响视频传输和存储产生极其深远的影响 在相同的在相同的PSNR下，平均码流下，平均码流H.

66、264比比MPEG-4降低降低41%，比，比H.263降低降低52%，比比MPEG-2降低降低67%（一套（一套SDTV/6Mbps降低为降低为1.98Mbps)5 5音频压缩标准音频压缩标准 1)MUSICAM标准标准 2)AC 3 标准标准 3)MPEG 1 音频编码标准音频编码标准 MPEG 1 算法的第算法的第层，即层，即MUSICAM标准，我国采用。标准，我国采用。1 1、MUSICAMMUSICAM编码编码 MUSICAM编码的全称叫做编码的全称叫做“掩蔽型自适应通用子频带集成编码与复用掩蔽型自适应通用子频带集成编码与复用”。编码器的输入信号是每声道为编码器的输入信号是每声道为768kbit/s的的PCM数字化声音信号，数字化声音信号，用濾波器组分割成等宽的用濾波器组分割成等宽的32个子带（当取样频率为个子带（当取样频率为48KHz时，子带宽度为时，子带宽度为750Hz），），将子带信号进行建立在听觉特性基础上的自适应量化，即可完成人耳察觉不到量将子带信号进行建立在听觉特性基础上的自适应量化，即可完成人耳察觉不到量化噪声的高质量声音编码，化噪声的高质量声音编码，再经数据压缩