§6.2 数字电视

6.2.1 概述

数字电视亦名数码，它是指把模拟电视信号（包括图象与伴音信号）转换成数字信号，并以数字形式进行处理、储存或传输。数字电视系统主要由编、译码器及信道三部分组成，如图6.2－1所示。以电视信号数码化传输为例，模拟的电视信号先经脉冲编码调制（缩写为PCM）由模拟形式转换成数字形式，中间经信源编码、信道编码，然后送入信道传输。信源编码的作用是去除电视信号中的多余度，降低传输码率，节省频带。信道编码的作用是抗御信道干扰，降低传输过程中的码率。在这里所说的信道，是指数字通信中的离散二进制信道，它除了包括传输线路（如微纤、光纤、波导等）外，在其两端还包含了调制、解调器，用来将数字信号转换成适宜在信道内传输的码型。数字电视的接收端是发送端的反过程，经过译码后得到的数字信号又经数/模转器转变为模拟电视信号输出。

数字电视与模拟电视相比，具有下列优点：信号经多次转换切换和远距离传输时，不会有干扰和失真的积累；抗干扰性能强，图象质量好；数字电视系统主要由数字集成电路组成，系统的性能和可靠性，可望大幅度提高；它可以实现模拟电视不易高质量实现的功能，如时轴处理、制式转换、特技等功能；它是易于实现电视信号的实时处理，以完成图象质量的改善，压缩频带，二维滤波等功能；在传输中，它易于将图象信号和伴音信号时分复用，充分利用数字传输的优越性等。

数字电视不能迅速普及，是由于存在以下两个缺点：其一信号码率太高。码率定义为每秒的码位数，或称每秒的比特数。在理想的条件下，每赫带宽可传2比特。因此，数字电视信号的码率很高，这说意味着，其信号带宽很宽。下面还要证明：数字电视信号所需带宽比相应的模拟信号要高出一个数量级。其二，数字电路较复杂，成本较高。由于超大规模集成电路的发展，第二个缺点已不是主要障碍，数字电路的成本已经大幅度下降。由此可见，数字电视的关键在于压缩码率。所以本节在介绍电视信号数码化的一些基本概念之后，重点介绍电视信号的信源编码及其码率压缩。

6.2.2电视信号数字化的基本方法

数字电视与模拟电视的主要区别是在发送端将模拟信号变换成数字信号，经过传输后，在接收端进入显象管之前将数字信号之变换成模拟信号。目前为了利用现有的发射的接收设备，通常只在发送端某个环节（例如电视演播室）和接收机某部分电路（例如视频处理电路）进行电视信号的数字化处理。但是无论是哪一种情况，都是先将模拟信号变成数字信号[即模/数（A/B）转换]，经过数字信号的处理及传输，然后再将数字信号转换成模拟信号[即数/模B/A转换]。

将模拟信号变成数字信号是基本的方法是脉冲编码调制（PCM）。PCM系统中的发、收两端实际是信号形式模/数、数/模转换过程。在发送端，模拟信号首先经过抽样、量化，然后编码成数字信号。收端经过译码和滤波，将数字信号还原成为模拟信号。PCM系统的方框图6.2－2所示。

一、抽样

模拟的电视信号在时间上和幅值上都是连续的[图6.2－3（a）]。首先通过抽样将其变成时间上离散的信号，如图6.2－3（b）所示。抽样定理（奈奎斯特定理）指出：如对某一时间连续而带宽限制在0至的模拟信号进行抽样，只要抽样的速率,那么这些抽样值就能准确地确定原信号本身。下面对进行证明（见图6.2－4）。

若有一带宽限制在（）模拟信号,其频谱为；抽样信号的频频谱为，则已抽样信号为：

由于时域乘意味着频域卷积，所以已抽样信号的频谱为：

当抽样信号的抽样频率时，的频谱不发生重迭，可以通过的低通滤波不失真从中滤出；如果抽样频率，则的频谱发生重迭，因而无法从中分离出。

二、量化

已抽样信号虽然在时间上离散了，但是它的每一个取值仍然是一个连续量。由于连续量可能是无穷多个数值。因而用有限状态的数字信号无法表示它。所以，为了使连续信号数字化，除了按规定抽样外，还必须使每一个抽样值近似地化为有限状态的离散量。[Page]

将连续量变成离散量，通常可用量化的办法来完成。所谓量化，就是“分级”和“分层”的意思，相当于用“四舍五入”的方法，使每一个连续量归为某一临近的整数。图6.2－3（c）将图6.2－3（b）中的抽样值进行分级，样点值在之间量化为1，在之间量化为2，依次类推，小于的样值量化为0，在图6.2－3（c）中共分为8级。显然，量化后抽样值就可用一定位数的代码去表示。

三、编码

以二进制码元代表代码是最常见的。N位二进制码元能代表个数值，选择适当的N，总是能够代表有限个的数值。例如在图6.2-3（c）、（b）中，由于将量化电平分成级，所以需用三位码（）来表示，如表6－3。0或1在系统中实际分别由脉冲的有、无或脉冲的正、负极性来表示，这样形成的数码信号叫做基带信号。在数字通信中，通常还需要把基带信号再做二次调制，即调制到更高的频率上再进行传输。

表6－3 量化级与相应的代码

量级

 0 1 2 3 4 5 6 7

代码

 000 001 010 011 100 101 110 111

四、译码与滤波

在PCM系统的接收端，译码器数字信号再变成幅度有变化的脉冲，如果传输中不出现误码，它的幅度和图6.2-3(c）所示的量化后的抽样值一致。然后经过低通滤波器将脉冲平滑成连续信号（图6.2-3(）.

五、量化误差

需要指出，上述节中的量化，它固然可以把连续量化为离散量，可是，由于量化使离散量与原来的连续量间产生了差别。从信号传输观点来看，量化将对信号造成“误差”。这种误差完全是由于量化所造成的。故称其为量化误差。这种量化误差的影响，相当于干扰或噪声，故又称为量化噪声（或量化干扰）。从述的模/数变换过程看出，只要量化级分得足够多，则量化噪声就会相当小。当然，分级越多，所需编码的位数就要增加，从而使编码设备复杂化。因此，减少量化误差与量化编码的复杂性之间总是矛盾的。由于人眼对亮度变化的辨化是有限的，所以，对于一般电视图象信号而言，当N＝8，即量化级数为个量化等级时，经图6.2-2所示的PCM系统再生信号的图象质量，与原始模拟信号的图象相比，人眼将察觉不出两者的差异。当N＝8时，每个抽样值都要由8位二进制码表示其数值，记作8位码/抽样，或8比特/抽样。

6.2.3 彩色电视信号的编码标准－－CCIR601号建议

CCIR601号建议的制定，是向着数字电视广播系统参数统一化，标准化迈出的第一步。在该建议中，规定了625行和525行系统电视中心演播室数字编码的基本参数值。

601号建议单独规定了电视演播室的编码标准，它对彩色电视信号的编码方式，取样频率、取样结构都作了明确的规定。

下面对601号建议作四点说明。

1、规定彩色电视信号采用分量编码。所谓分量编码就是彩色全电视信号在转换成数字形式之前，先被分离成亮度信号和色差信号，然后对它们分别进行编码。分量信号（Y、JB－Y、R－Y或R、G、B信号）分别编码后，再合成数字信号。假如不进行这种分离，而对彩色全电视信号进行编码叫做直接编码。采用分量编码，有利于各种电视制式（NTSC、PAL、SECAM）的相互转换；有利于实现高清晰度电视；便于采用卫星电视传送。采用直接编码的优点是比分量编码设备简单，它尤其适宜于存在多次模拟一数字一模拟转换的线路中，因为如果采用分量编码，电视信号的多次分解会造成累积失真。

2、规定了取样频率。例如，在4：2：2等级的编码中，规定亮度信号和色差信号的取样频率分别为13.5MHz和6.75Mhz。其理由是：亮度信号的带宽6MHz，由抽样定理可知，取样频率应大于12MHz。在选择取样频率的最佳值时，要考虑到电视图象的取样结构是正交的（见下文）。后者要求取样频率应同时为525行和625行标准中行频的整数倍；从另一方面看，这个频率应选的尽可能低，以便不过多地增加数据流的速率。625行和525行标准的分别为15625Hz和15734.26573Hz，而它们的最小整数倍频是144。

所以，对于亮度信号合适的2.25MHz整数倍频率（[Page]5、6、7倍）为：11.25MHz、13.5MHz和15.75Mhz。从它们中选中13.5Mhz，是因为它是唯一满足上面提到的几项要求的频率值。采用它后，625行系统的一行中将会有864个取样值；525行系统的一行中将会有858个取样值。这两种扫描系统在行有效段内采用一样的取样值，亮度信号有720个取样值，每一个色差信号有360个取样值。

选择色差信号取样频率的根据是：它的频带约为2MHz时，得到质量相当高的彩色重现图象，确定色差相号取样频率的另一个基本因素；525行系统的一行中将会有858个取样值。这两种扫描系统在行有效段内采用一样的取样值，亮度信号有720个取样值，每一个色差信号有360个取样值。

选择色差信号取样频率的根据是：它的频带约为2HMz时，得到选题相当亮的彩色重现图象；确定色差信号取样频率的另一个基本因素，是要保证有高质的彩色电子背景。为此，色差信号的取样频率应该在6～7MHz范围内。由于必须组成总的数据流，并要有固定的取样结构（见图6.2-5），为此，选定色差信号的取样频率等于亮度信号取样频率的1/2,即6.75MHz。这数字编码标准可用4：2：2的关系式来表示，它表明亮度信号取样频率为两个色差信号取样频率的两倍，它们被同时传送。如果亮度信号和两个色差信号取样频率都等于13.5Mhz，则可用4：4：4的关系式表示。

当取样频率为行频的整数倍时，取样结构称为正交结构，如图6.2－5所示，它的特点是取样结构是固定的，即取样点在电视屏幕上的相对位置是不变的，相邻帧的取样点处在同样的位置上。若取样频率不等于行频的整数倍时，则相邻帧的取样点将会改变位置，取样结构将是移动的。601号建议明确规定取样结构应该是正交的。

3、规定对亮度信号和两个色差信号都进行八位线性编码，且原理上可有256个量化电平（从－至255），但是，在数字编码时，一般不使用模/数转换器的整个动态范围，以免实际中超出动态范围。实际上对数字信号动态范围的限制等效于对输入模拟信号的幅度或出现失真的限制，所以给亮度信号只分配220个量化极，黑白电平和标定白电平分别相对于量化级16和235。这样，在黑电平“下面”有16个量化级的余量，在白电平“上面”有20个量化级的余量。上、下余量不同时因为数字信号动态范围受到限制时，人们对所出现的失真感受不同所致。为每个色差信号分别配224个量化级，色差信号的零电平对应于量化极128。

4.当数字编码标准为4：2：2时，总的编码数据流是由亮度信号数据流（13.5×8＝108兆比特/秒）和两个差信号数据流（6.75×8×2＝108兆比特/秒）之和组成的，并等于216兆比特/秒。为了将来能得到质量更高的图象，例如用于录制时存档节目，正研究采用4：4：4标准的可能性，即采用宽基色信号R、G、B（或亮度信号和色差信号），它们中每个信号的取样频率都等于13.5MHz，采用这种标准时，数据流为13.5×8×3＝324兆比特/秒。与此同时，也在探索采用更换低标准2：1：1的可能性（如用于采访电视），这时取样频率为6.75MHz和3.375MHz。因别：高质量¾ 演播室摄象机的输出至编码器；中等质量¾ 编码之后；低质量¾ 当前是指采访电视摄象机和录象机的输出。数字电视中有大约同样的等级：亮度信号和色差信号取样频率的关系4：4：4：；4：2：2；4：1：1；和2：1：1（用于采访电视）。

对数字编码系列兼容性的要求是：能比较简单地从一个标准过渡到另一个标准。如果要求所有标准都采用正交取样结构（取样点位于矩形格子的四角上），那么，要从4：4：4标准转变为4：2：2标准，需要取消色差信号的所有偶数取样值即可。同样，由4：2：2标准转变成4：4：4标准时，只需要恢复色信号的偶数取样值即可。

6.2.4 数字电视压码率技术

特别需要指出：不管是彩色全电视信号直接编码还是分量编码，得到的数字电视信号的码率很高，均有很宽的频带。以直接编码为例，设取样频率为3倍的副载频（抽样频率等于副载频的整数倍，可以减轻抽样频率与副载频之间的差拍干扰。），等于[Page]13.3MHz。采用PCM编码的码率为：

n×＝8×13.3＝106.4（兆比特/秒）

在理想情况下，其带宽为53.2MHz，比传送一路模拟电视信号所要求的带宽将近提高了一个数量级。若用目前的电视频道去传送它们是不可能的，所以数字电视的中心问题是要成倍地降低数字信号码元的传送速率（即压缩码率）。消除电视信号中的多余信息（冗余量）和采用高效编码方法可以解决这个问题。

有三种电视信号冗余度－－结构、统计、生理冗余度。结构冗余度是由电视图象的扫描规律决定的，主要是由于消隐期的存在造成的；统计性冗余度是由于一行中象素间、相邻行及相邻帧象素间存在着相关性决定的；生理性冗余度是指信息中人眼睛看不到的那一部分。由于人的视觉感受在很大程序上符合图象的统计特性，所以在统计性冗余度和生理性冗余度之间，实际上很难划出清楚的界线。

高效编码是指高效率的信源编码。其目的是在保证图象质量的前提下，为了节省信道容量，设法尽量降低码率，压缩频带。除了节省信道容量外，在储存数字图象时，高效编码也是节省存储量的必要手段。高效编码可以分为帧内编码和帧间编码。前者是采用一、二维预测的DPCM编码，后者是采用三维预测的DPCM编码。帧间编码虽然效率较高，但需要容量很大的帧存储器，广泛采用尚有困难。目前用于广播电视信号的主要是帧内编码。

一、降低抽样频率的压缩码率技术

降低抽样频率自然能够压缩码率，但是抽样定理指出：当取样频率<2时，频谱发生重迭，如图6.2-6（a）所示。采用低通滤波器无法从中单独滤出M（v ）来无失真地恢复模拟信号m（t）。

由于电视图象信号的能量主要集中在行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内，中间存在很大的空隙，因此，如果把抽样频率选为半行频的奇数倍，就可使>2时出现 频谱混迭部分形成半行频交错，如图6.2-6（b）所示。于是，可以采用具有图6.2-6（c）所示频率特性的梳状滤波器再配合适当的低通滤波器将基带信号频谱选出，以较小的失真恢复原始信号，这就是亚奈奎斯特抽样技术。

实验表明：对于黑白电视信号来说，抽样频率低于1.5时，重现图象的质量仍不明显下降是可能的。频谱重迭的范围不应过大，因为毕竟电视信号频谱中还包含着非行频谐波的频率成分。亚奈奎斯特抽样技术也可用于对彩色复合信号进行处理，并同样能够压缩码率，不过，其信号处理过程要复杂一些。

二、差分脉码调制（DPCM）

高效编码的方法之一是采用差分脉码调制，它可以消除电视信号的统计性冗余度，因此大大地压缩了码率。DPCM又称为预测量化系统，它所传输的不是信号本身，而是实际信号与其预测量之间的差值（预测误差）。预测值是借助已经传送的、与待传抽样相邻的若干抽样值估计（预测）出来的。由于电视信号的强相关性，邻近抽样的取值一般很接近，因此预测能有较高的准确性。从统计上讲，需要传输的预测误差主要集中在零附近的一个小范围内，比信号本身小得多，只有在图象轮廓和边缘处才出现较大的预测误差，但这只是少量的，且人眼不易察觉这种误差。因此，预测误差量化所需要的量化级较少，从而码率得到压缩。通常，DPCM比PCM每个抽样可节约4位码。数字式DPCM系统方框图如图6.2-7所示

DPCM系统的输入信号为PCM视频信号，它被均匀量化为8位码。对于每一个，线性预测器将产生一个预测值，是通过在X之前已经传送出去的N－1之前已经传送出去的N－1个抽样，按照线性预测公司

＝ （6.2-3）

估计出来的。其中称为预测系数，是在之前已传出的抽样值。可以是与同在一行的抽样（一维预测）、或包括前一行或几行的抽样（二维预测），也可以涉及到前一帧的抽样（抽维预测）。采用一、二维预测的叫帧内DPCM编码，三维预测属于帧间编码。

由于仅仅利用前已传送的抽样计算，所以接收端也可以用发送端同样的公式计算。如果传输无误码，并且忽略量化误差的影响，则发、收两端计算出来的相同。此时，发送端发送的是经编码后的预测误差（忽略量化）：[Page]

（6.2-4）

接收端经解码后得到，将其与相加，重新得，即

（6.2-5）

但是，在实际的DPCM系统中量化器的影响不能忽略，经编码后发送端传出来的是量化后的预测误差，与的差别是量化误差：

（6.2-6）

在接收端，利用收到与预测值相加，得到再生的抽样值，即

（6.2-7）

显然，再生的抽样值与原始抽样值之间 的差别等于量化误差。即

（6.2-8）

由于在DPCM系统的接收端得不到原始的抽样值，而只能得到含有量化误差的抽样值，因此，在预测公式（6.2-3）中，只能以替换，即

（6.2-9）

为了做到收、发同步，发端也要采用同样的预测公式。为此发端也必须产生一个含量化误差的再生抽样作为预测器的输入，在图6.2-7中它是由一个加法器将与相加实现的。由于这样的原因，前面抽样的量化误差也要对当前抽样的预测产生影响，所以量化器与预测器之间存在相互作用。

DPCM系统的主要缺点是抗御误码能力差。若传输中出现误码，就会出现发、收不一致，此时接收端无法发现错误，并会将误差扩散到图象中较大的一个区域。因此，DPCM对信道质量要求高，所以一般要增加信道编码，并用纠错进行保护。

三、线性变换编码的简介

线性变换编码不直接对图象数据编码，而是首先将图象数据进行某种线性变换，得到一组变换系数，然后对这些系数实现量化、编码、传输。在接收端，对收到的变换系数进行相应的逆变换，再恢复成图象信号。这样做的理由是对变换系数进行编码往往比直接图象数据本身进行压缩更容易获得高的效率。以大家熟悉的付里叶变换为例，它是以通常在欧几里德空间（空间域）描写的图象信号变换到频率空间（频率域）去描写，付里叶变抽的特理意义是频谱展开，对一幅图象进行二维付里叶变换就是在纵和横的两个方向进行二维频谱展开。由于信号与其频谱间有一一对应的关系。因此，传输频谱在接收端同样可以恢复信号，而传送频谱往往要比传送信号本身简单。由于电视信号的能量主要集中在低频部分，能量密度随频率升高而迅速下降，加之考虑到人眼对图象中的高频细节不甚敏感的特点，因此，在频率域编码时，可以用较多的码位对幅度大的低频分量进行量化，而用较少的码位对幅度小的高频分量进行量化，对于频率特别高的分量甚至于可以舍弃不传，从而就整体而言，码率可以明显下降。

从理论上讲，线性变换编码，可以压缩码率的原因在于图象信号存在很强的相关性，这种强相关性在频率域的反映是功率大部分集中在低频段，从而有可能利用频率域滤波方式获得大的压缩比。

线性变换除付里叶变换外，还有沃尔什哈达玛一变换（WHF）、哈尔变换（HT）、斜变换（ST）、离散余弦变换（DCT）、K－L变换等。由于篇幅限制，这里就不再赘述。