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谈数字电视信号的编码与传输

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来源: 作者: 2018-12-29 20:10:22

20世纪80年代以来,计算机技术、数字通讯技术和大规模集成电路芯片制造技术的迅猛发展促进了图像与声音处理技术的数字化进程,引发了广播电视业的又一次革命性变化。数字电视技术使原来单一功能的电视系统变为多种功能的信息传输和交换媒体。数字电视开始走人千家万户,为广播电视业和信息产业界带来新的发展契机,她将促使我国的广播电视行业走向产业化发展道路。

数字通讯技术与计算机络技术的引人使广播电视系统为运行方式从离散、小规模、低效率转向集约化、规模化高效率、高效益,从封闭走向开放、融合、竞争。数字电视克服了许多模拟电视难以改善的缺陷,在技术上有以下特点:

*图像清晰度高、声音效果好。数字电视克服了模拟电视在传输过程中各种噪声和干扰的积累,使观众在家中收看到相当于演播室质量的电视节目。

*节省频率资源。利用现有占用SMH。带宽的一个模拟电视频道,可传输4-8套高质量的数字电视节目,用户对节目的可选度大大提高。

*服务方式从单一服务转向多样化、个性化,可方便实现有条件接收系统(加密/解密),便于开展各类计费电视业务。可以实现用户和业务的良好管理,确保资金的有效回收。

*传播方式从单向、固定转变为交互、移动;系统采用了开放的中间件技术,能实现各式各样的信息交互式应用。

*易于实现信号存储。易于利用媒体资源开展多种增值业务。

一数字电视信号的编码

图像与声音信号的处理始终围绕对编码压缩技术的研究。电视图像信息的压缩是利用信息之间的相关性,即时间相关性、频率相关性、空间相关性和能量相关性,进行时间压缩。频率压缩、空间压缩和能量压缩,去掉冗余度,达到压缩码率的目的。

压缩处理又分为两类,分别是可逆压缩和不可逆压缩:可逆压缩是对原信息无失真、无噪声叠加的编码。不可逆压缩是有失真编码,熵压缩,会损失一些原有信息。

为节省存储空间和传输带宽,我们要在电视节目源端进行信源编码,在传输之前进行信道编码。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。常见的信源编码方式有:霍夫曼编码、变换编码(正交变换。特征矩阵变换、离散余弦变换)、预测编码。信道编码可以提高数据传输效率,解决可靠性(抗于扰)问题。并可加人检错纠错功能,降低传输中的误码率。误码的处理技术有纠错。交织、线性内插等。常见的信道编码方式有:QPSK(相移键控调制)、QAM(正交幅度调制)、VSB(残留边带调制)。COFDM(多载波频分复用调制)。

在数字系统中我们提到的压缩比是指:压缩前每个信源符号(取样)的编码比特数与压缩后每个信源符号的编码比特数之比。

目前,常用的图像压缩编码标准包括以下几种。

EG-2

MPEG组织于1994年推出MPEG-2压缩标准,以实现视/音频服务与应用互操作的可能性。MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定,标准的正式规范在ISO/IEC13818中。

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。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带。MPEG-2在系统和传送方面作了详细的规定,特别适用于广播级的数字电视的编码和传送,被认定为SDTV和HDTV的编码标准。

MPEG-2的编码图像被分为三类,分别称为I帧,P帧和B帧。I帧图像采用帧内编码方式,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帧和B帧图像采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分,即P帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。为更好地表示编码数据,MPEG-2用句法规定了一个层次性结构。它的编码码流分为六层,自上到下分别是:图像序列层、图像组(GOP)、图像、宏块条、宏块、块。

2.H.263

H.263是国际电联ITU-T的一个标准草案,是为低码流通信而设计的。但实际上这个标准可用在很宽的码流范围,而非只用于低码流应用,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。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。

1998年IUT-T推出的H.263+是H.263建议的第2版,它提供了12个新的可协商模式和其他特征,进一步提高了压缩编码性能。

EG-4

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。

在MPEG-4制定之前,MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263都是采用第一代压缩编码技术,着眼于图像信号的统计特性来设计编码器,属于波形编码的范畴。第一代压缩编码方案把视频序列按时间先后分为一系列帧,每一帧图像又分成宏块以进行运动补偿和编码.MPEG-4则代表了基于模型/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具有很多优点。它的压缩率可以超过100倍,而仍保有极作的音质和画质;它可利用最少的数据,获取最佳的图像质量,满足低码率应用的需求;它更适合于交互式音视频服务及远程监控。为了满足各种应用的需求,MPEG—4标准具有广泛的适应性和可扩展性。

EG-7

1996年10月,MPEG组织提出了一个新的标准方案,称之为“多媒体内容描述接口”,即MPEG-7国际标准。MPEG-7的目标是建立一套视听特征的量化标准描述符及其结构以及它们之间的关系。人们可以检索和索引同MPEG-7数据相联系的视听材料,这些材料可以是静态图片、图形、3D模型、声音、言语、视频和这些元素所组成的多媒体描述信息。MPEG-7力求能够快速且有效地搜索出用户所需的不同类型的多媒体料。MPEG-7将对各种不同类型的多媒体信息进行标准化的描述,并将该描述与所描述的内容相联系,以实现快速有效的搜索。MPEG-7主要致力于视听数据的信息编码表达上,就是集中在对多媒体材料的描述的通用接口的标准化上。因此,MPEG-7致力于在数据资源的交互性与全球化和数据管理的灵活性上。MPEG-7可独立于其它MPEG标准使用,可以利用MPEG-7的描述来增强以往MPEG标准的内容描述功能。

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(ReferenceSoftware)、一致性原则。

EG-21

MPEG-21总体上来讲是一个支持通过异构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。

如何在任意时刻、任意地点访问分布式的海量多媒体信息,提供各种各样的多媒体信息的编码、访问和发布工具,使得用户方便的创建和使用多媒体信息。MPEG-21致力于定义一个标准的、开放的框架,用于多媒体的发布和消费。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络和设备来透明的使用多媒体资源MPEG-21标识并定义了支持多媒体发布链以及它们之间支持的操作所必须的标准化技术。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(DigitalItemDeclaration,DID)、数字项标识(DigitalItem 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)。

二数字电视信号的传输

对不同的信号传输方式采取不同的信道编码,数字卫星广播要求传输信道的信噪比低,常采用正交相移键控调制(QPSK);地面无线发射的数字电视广播多采用残留边带调制(VSB)和编码正变频分调制(COFDM),VSB抗多径传播效应好(即消除重影效果好),COFDM抗多径传播效应和同频于扰好。地面HFC络数字电视广播多采用正交幅度调制(QAM),此方式调制效率高,要求传输信道的信噪比高。

1.正交幅度调制(QAM)

QAM是用数字信号去调制载波的幅度和相位,使载波的幅度和相位受控于数字信号,常用有16QAM、32QAM、64QAM等。这种调制由于载波的幅度和相位都带有信息,所以它比QPSK方式所能传输的数码率高。

2.相移键控调制(QPSK)

QPSK可以看成是两个正交的二相调制合成。把数据码元的四种组合对应于载波的四个相位。由于QPSK方式具有较强的抗于扰能力,所以多用在数字卫星广播和有线V向的回传。而QAM因其传输的码率高,所以多用在有线双向下传。

3.多载波正交频分复用调制(OFDM)

OFDM调制系统首先是将高码率的串行数据流变成N个低码率的并行数据流,并对N个彼此互不影响(正交)的载波分别进行调制。符号码率的降低实际上是符号周期的增大,使动态多径和多普勒颇移造成的码间干扰减小,加上保护间隔的设置,减少了多径反射对多载波正交特性的影响,使码间于扰进一步减小,从而能很好地支持移动接收。

4.残留边带调制(VSB)

VSB调制是在双边代调制基础上,通过适当的滤波器,保留信号一个边带频谱的全部,另一个边带频谱成分只留一小部分。它是全边带调制和单边带调制的一种折中。模拟电视信号的广播是用VSB传输的。

VSB调制方式比COFDM调制方式传输效率高,抗多径反射干扰方面差一些。VSB方式技术成熟,可降低地面广播从模拟向数字化过渡的资金投入。

作者:中央电视台关杨

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