第一講數(shù)字電視概論

1、20092010學年第二學期學年第二學期了解三大彩色電視制式的特點及缺陷；了解三大彩色電視制式的特點及缺陷；理解數(shù)字電視的概念、分類及優(yōu)點；理解數(shù)字電視的概念、分類及優(yōu)點；掌握視頻信號的采樣、量化及編碼；掌握視頻信號的采樣、量化及編碼；掌握數(shù)字電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)掌握數(shù)字電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);了解數(shù)字電視的發(fā)展。了解數(shù)字電視的發(fā)展。1、電視技術(shù)的發(fā)展歷程、電視技術(shù)的發(fā)展歷程尼普柯夫圓盤 黑白電視彩色電視數(shù)字電視電視的發(fā)展v 50年代，首先黑白電視v 60年代末，彩色電視v 80年代，D2MAC嘗試對傳統(tǒng)模擬電視改變，但沒有成功。v 日本和美國嘗試HDTV傳輸，但最終也沒有獲得期望的成功。v 90年代初，在

2、演播室中使用未壓縮的CCIR601數(shù)字電視信號。（270Mbit/s800Mbit/s，信道傳輸必須壓縮）電視技術(shù)是電視技術(shù)是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一世紀人類最偉大的發(fā)明之一v電視是人類進行信息傳播變革中影響最大的研究成果。v電視技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)最先進研究成果的集合體。v早期電視和數(shù)據(jù)傳輸是兩種不同系統(tǒng)，現(xiàn)在電視和計算機趨于融合。v95年以后數(shù)字電視時代，電視和數(shù)據(jù)服務已經(jīng)完全融和在一起。v信息化時代的海量數(shù)據(jù)： GSM：9600bit/s UMTS：2Mbit/s ISDN：2x64kbit/s SDTV：270Mbit/s HDTV：800Mbit/s電視的誕生電視的誕生1v基石：基

3、石：1883年圣誕節(jié)，德國的年圣誕節(jié)，德國的P.Nipkow發(fā)明發(fā)明“尼普柯夫圓盤尼普柯夫圓盤” 使用機械掃描方法，作了首次發(fā)射圖像傳送的實驗。每幅畫面有24行掃描線，圖像相當模糊?！澳崞湛路驁A盤”上螺旋形排列著一些孔洞，當這個盤子旋轉(zhuǎn)時，通過每個孔洞可以瀏覽一幅圖像的一行，光線透過這個孔洞照在這幅圖像便完成了一次行掃描，硒光電池將圖像的反射光轉(zhuǎn)變成電信號，下一個孔洞順序掃描緊挨著的那部分圖像，直到完整的圖像全部被掃描。電視的誕生電視的誕生2v 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：19081908年，英國肯培爾年，英國肯培爾斯文頓、俄國羅申克夫斯文頓、俄國羅申克夫提出電子掃描原理，奠定了近代電視技術(shù)的理論基礎(chǔ)

4、。提出電子掃描原理，奠定了近代電視技術(shù)的理論基礎(chǔ)。v 19231923年，美籍俄國人茲沃爾金（年，美籍俄國人茲沃爾金（V.K.V.K.ZworykinZworykin）發(fā)明靜電發(fā)明靜電積貯式攝像管，后來又發(fā)明電子掃描式顯像管，這是近代積貯式攝像管，后來又發(fā)明電子掃描式顯像管，這是近代電視攝像術(shù)的先驅(qū)。電視攝像術(shù)的先驅(qū)。v 1929 1929 年年1111月月1818日，日，ZworykinZworykin示范他的全部電子電視接收示范他的全部電子電視接收器。器。V.K.Zworykin 1939 年前后使用的電視顯象管和攝像管 電視的誕生電視的誕生3v 19251925年，英國的貝爾德（年，英國

5、的貝爾德（J.L.BairdJ.L.Baird）根據(jù)根據(jù)“尼普科夫圓盤尼普科夫圓盤”進行了進行了新的研究工作，發(fā)明機械掃描式電視攝像機和接收機。當時畫面分新的研究工作，發(fā)明機械掃描式電視攝像機和接收機。當時畫面分辨率僅辨率僅3030行掃描線，掃描器每秒只能行掃描線，掃描器每秒只能5 5次掃過掃描區(qū)，畫面本身僅有次掃過掃描區(qū)，畫面本身僅有2 2英寸高、英寸高、1 1 英寸寬。英寸寬。v 19261926年，貝爾德向英國報界作了一次播發(fā)和接收電視的表演，開創(chuàng)年，貝爾德向英國報界作了一次播發(fā)和接收電視的表演，開創(chuàng)了電視技術(shù)研究的先河。了電視技術(shù)研究的先河。v 19271929年，貝爾德通過電話電纜首

6、次進行機電式電視試播，并年，貝爾德通過電話電纜首次進行機電式電視試播，并進行短波電視試驗，英國廣播公司開始試驗播發(fā)電視節(jié)目。進行短波電視試驗，英國廣播公司開始試驗播發(fā)電視節(jié)目。 v 1936年年11月月2日日是一個值得紀念的日子，位于英國市郊的亞歷山大宮是一個值得紀念的日子，位于英國市郊的亞歷山大宮的英國廣播公司電視臺開始正式播出。這是世界上第一座正式開播的英國廣播公司電視臺開始正式播出。這是世界上第一座正式開播的電視臺，人們把這一天作為電視事業(yè)的開端。英國正式開播的電的電視臺，人們把這一天作為電視事業(yè)的開端。英國正式開播的電視在開始時仍為機電系統(tǒng)，視在開始時仍為機電系統(tǒng)，4個月后被電子系統(tǒng)取

7、代。個月后被電子系統(tǒng)取代。v 1941年，美國國家電視標準委員會確定美國的電視技術(shù)標準為每秒年，美國國家電視標準委員會確定美國的電視技術(shù)標準為每秒30幀、每幀幀、每幀525行。同年行。同年7月月1日，美國聯(lián)邦通信委員會正式批準建立日，美國聯(lián)邦通信委員會正式批準建立美國第一座電視臺全國廣播公司的紐約美國第一座電視臺全國廣播公司的紐約WNBT電視臺。電視臺。 電視圖像的彩色化電視圖像的彩色化v 電視也同電影一樣，經(jīng)歷了一個由黑白到彩色的發(fā)展過程，美國是電視也同電影一樣，經(jīng)歷了一個由黑白到彩色的發(fā)展過程，美國是世界上最早播出彩色電視節(jié)目的國家。世界上最早播出彩色電視節(jié)目的國家。 v 1953年，美國

8、國家電視制式委員會提出年，美國國家電視制式委員會提出NTSC(National Television System Committee)制。制。v 1954年美國全國廣播公司、哥倫比亞廣播公司，采用年美國全國廣播公司、哥倫比亞廣播公司，采用NTSC制式首次制式首次播出彩色電視節(jié)目。播出彩色電視節(jié)目。v 日本、加拿大分別于日本、加拿大分別于1957、1966年采用同一制式播出。年采用同一制式播出。v 1956年，法國提出年，法國提出SECAM(SEquential CouleurAvecMemoire)制。制。v 1960年，聯(lián)邦德國提出年，聯(lián)邦德國提出PAL(Phase Alternation

9、 Line-by-Line)制。制。v 為便于轉(zhuǎn)播和交換節(jié)目，各國曾多次討論統(tǒng)一電視制式問題，但由于政治及經(jīng)濟等方面的原因，始終未能達成一致。于是，國際上便形成了3種彩色電視制式同時并存的局面。 v 彩色電視機在哪國使用必須符合該國的黑白體制、彩色制式及頻道劃分，還要注意電源標準（有110伏/60赫與220伏/50赫之分），這樣才能保證接收機安全可靠地接收到良好的彩色圖像和伴音。v 目前世界上采用PAL制的國家最多。中國所采用的電視制式為PAL/D，國家標準為：每幀掃描625行，每秒25幀。 衛(wèi)星廣播電視的出現(xiàn)衛(wèi)星廣播電視的出現(xiàn) v 1962年，美國發(fā)射年，美國發(fā)射“電星一號電星一號”通信衛(wèi)星

10、，進行了橫跨通信衛(wèi)星，進行了橫跨大西洋的電視節(jié)目傳送實驗，這是一顆低軌道衛(wèi)星，使大西洋的電視節(jié)目傳送實驗，這是一顆低軌道衛(wèi)星，使用起來受到許多限制。用起來受到許多限制。v 1963年，美國發(fā)射了世界第一顆同步通信衛(wèi)星年，美國發(fā)射了世界第一顆同步通信衛(wèi)星“同步二同步二號號”。v 1964年，國際通信衛(wèi)星組織的第一顆商用通信衛(wèi)星年，國際通信衛(wèi)星組織的第一顆商用通信衛(wèi)星“國國際通信衛(wèi)星一號際通信衛(wèi)星一號”啟用，使世界正式進入了衛(wèi)星通信時啟用，使世界正式進入了衛(wèi)星通信時代，國際間進行電視節(jié)目的傳送和轉(zhuǎn)播成為現(xiàn)實。代，國際間進行電視節(jié)目的傳送和轉(zhuǎn)播成為現(xiàn)實。v 1969年年7月月20日阿波羅日阿波羅11

11、號的整個登月過程就是通過衛(wèi)星號的整個登月過程就是通過衛(wèi)星傳送傳送49個國家，有個國家，有7.2億人同時收看到了這個節(jié)目。億人同時收看到了這個節(jié)目。 高清晰度電視高清晰度電視( (HDTV) HDTV) v 電視畫面同電影電視畫面同電影(35mm)相比還顯得很粗糙，這是因為目前相比還顯得很粗糙，這是因為目前構(gòu)成電視畫面的像素較少的緣故。因而，人們又研制出高構(gòu)成電視畫面的像素較少的緣故。因而，人們又研制出高清晰度電視清晰度電視?！案咔逦取敝概c現(xiàn)行電視相比，其水平和垂直方向的圖象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕顯示器近距離觀看時，圖象細膩逼真，無閃爍和粗糙感，并配以數(shù)字環(huán)繞音響伴音。采用16:

12、9的寬高比作為世界標準。我國HDTV標準為19201080i，每幀圖像有207萬個像素。 高清晰度電視高清晰度電視( (HDTV) HDTV) v在在HDTVHDTV的發(fā)展進程中，經(jīng)歷了一個由模擬向數(shù)字的發(fā)展進程中，經(jīng)歷了一個由模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化的過程。轉(zhuǎn)化的過程。 日本早在1985年就建立了1125線、每秒60幀的MUSE制式(全視頻帶寬30MHz)的HDTV。但日本人在把所有的精力放在努力去完善模擬電視的清晰度同時，卻忽視了數(shù)字技術(shù)發(fā)展的大趨勢。 IEEE的MPEG專家組制訂的MPEG-2標準和先進的數(shù)字通信技術(shù)，使得帶寬高達20MHz的HDTV信號可以在6MHz左右的現(xiàn)行傳輸信道不失真地傳送

13、。 美國的全數(shù)字高清晰度電視已達到實用化。 1998年9月8日至12日，中央電視臺利用我國研制成功第一套數(shù)字高清晰度電視系統(tǒng)試驗發(fā)射了數(shù)字高清晰度電視節(jié)目，成為繼美國、歐洲和日本之后世界上第四個擁有數(shù)字高清晰度電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的國家。 國慶50周年慶典上，我國在北京試播了高清晰度數(shù)字電視，在技術(shù)標準上實現(xiàn)了ATSC和DVB（美、歐兩大陣容）標準兼容。 1953年，美國國家電視制式委員會提出NTSC(National Television System Committee)制。1954年美國全國廣播公司、哥倫比亞廣播公司，采用NTSC制式首次播出彩色電視節(jié)目。日本、加拿大分別于1957、19

14、66年采用同一制式播出。1956年，法國提出SECAM(SEquential CouleurAvecMemoire)制。1960年，聯(lián)邦德國提出PAL(Phase Alternation Line-by-Line)制。為便于轉(zhuǎn)播和交換節(jié)目，各國曾多次討論統(tǒng)一電為便于轉(zhuǎn)播和交換節(jié)目，各國曾多次討論統(tǒng)一電視制式問題，但由于政治及經(jīng)濟等方面的原因，視制式問題，但由于政治及經(jīng)濟等方面的原因，始終未能達成一致。于是，國際上便形成了始終未能達成一致。于是，國際上便形成了3種種彩色電視制式同時并存的局面。彩色電視制式同時并存的局面。 彩色電視機在哪國使用還要注意電源標準（有彩色電視機在哪國使用還要注意電源標

15、準（有110伏伏/60赫與赫與220伏伏/50赫之分），這樣才能保證赫之分），這樣才能保證接收機安全可靠地接收到良好的彩色圖像和伴音。接收機安全可靠地接收到良好的彩色圖像和伴音。目前世界上采用目前世界上采用PAL制的國家最多。中國所采用制的國家最多。中國所采用的電視制式為的電視制式為PAL/D，國家標準為：每幀掃描國家標準為：每幀掃描625行，每秒行，每秒25幀。幀。 電視制式是指一個電視系統(tǒng)中，掃描參數(shù)電視制式是指一個電視系統(tǒng)中，掃描參數(shù)(如如625行行/50場場/2：1)、圖像格式、視頻帶寬、圖像格式、視頻帶寬(如如6MHz)、射頻帶寬射頻帶寬(如如8MHz)、調(diào)制極性、聲音調(diào)制極性、聲音

16、載頻與圖像載頻以及調(diào)制方式等參數(shù)的綜合。載頻與圖像載頻以及調(diào)制方式等參數(shù)的綜合。 三大制式主要在以下幾個方面不兼容。三大制式主要在以下幾個方面不兼容。 (1) 頻道帶寬不同。頻道帶寬不同。NTSC使用使用6MHz頻道寬頻道寬度；而度；而PAL有有6MHz，7MHz和和8MHz幾種帶寬；幾種帶寬；SECAM帶寬為帶寬為8MHz。 (2) 視頻信號帶寬不同。視頻信號帶寬不同。NTSC使用使用4.2MHz帶寬；帶寬；PAL使用使用4.2MHz，5MHz，5.5MHz和和6MHz帶寬，帶寬，SECAM使用使用6MHz。(3) 信號的行結(jié)構(gòu)不同。信號的行結(jié)構(gòu)不同。NTSC采用每幀采用每幀525行，每秒行

17、，每秒30幀；幀；PAL和和SECAM使用每幀使用每幀625行，行，每秒每秒25幀。因此行頻也不同。幀。因此行頻也不同。(4) 色副載波不相兼容。色副載波不相兼容。NTSC使用使用3.579545MHz，PAL使用使用4.43361875MHz，SECAM使用兩個副載波使用兩個副載波4.40625MHz和和4.250MHz。(5) 聲音載波的偏置不相同。在聲音載波的偏置不相同。在NTSC中聲音中聲音載波的偏置為載波的偏置為4.5MHz；在在PAL中為中為5.5MHz或或6MHz，取決于取決于PAL的類型；的類型；SECAM使使6.5MHz。 是指一個從節(jié)目攝制、制作、編輯、是指一個從節(jié)目攝制、

18、制作、編輯、存儲、發(fā)射、傳輸，到信號接收、處理、存儲、發(fā)射、傳輸，到信號接收、處理、顯示等過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。顯示等過程完全數(shù)字化的電視系統(tǒng)。LDTV: 352*240 VCDSDTV: 720*576 演播室水平演播室水平HDTV: 1920*1080 35mm電影電影HDTV:是一個透明的系統(tǒng)，是一個透明的系統(tǒng)，一個具有正常視覺的一個具有正常視覺的觀眾在距離高清晰度電視機大約是顯示屏高度觀眾在距離高清晰度電視機大約是顯示屏高度3倍的地方所看到的圖像質(zhì)量應與觀看原景象或表倍的地方所看到的圖像質(zhì)量應與觀看原景象或表演時所得到的印象相同。演時所得到的印象相同。信號抗干擾能力強；信號抗干擾能

19、力強；易于保存和復制；易于保存和復制；充分利用信道容量，增加節(jié)目頻道；充分利用信道容量，增加節(jié)目頻道；可移動接收；可移動接收；易于實現(xiàn)加密易于實現(xiàn)加密/解密和加擾解密和加擾/解擾處理；解擾處理；數(shù)字特技；數(shù)字特技；交互；交互；多種信息服務；多種信息服務；彩色逼真，無竄色；彩色逼真，無竄色；5.1聲道環(huán)繞立體聲。聲道環(huán)繞立體聲。1.5.1概念：把時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上概念：把時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的有限個樣值。離散的有限個樣值。1.5.2采樣結(jié)構(gòu)：取樣點在空間與時間上的相對位采樣結(jié)構(gòu)：取樣點在空間與時間上的相對位置置1.5.3采樣結(jié)構(gòu)的類型：正交結(jié)構(gòu)和行交叉結(jié)構(gòu)采樣結(jié)構(gòu)的類型

20、：正交結(jié)構(gòu)和行交叉結(jié)構(gòu)正交結(jié)構(gòu)：在圖像平面上沿水平方向取樣點等間正交結(jié)構(gòu)：在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列行交叉結(jié)構(gòu)：每行內(nèi)的取樣點數(shù)為整數(shù)加半個行交叉結(jié)構(gòu)：每行內(nèi)的取樣點數(shù)為整數(shù)加半個為了保證取樣結(jié)構(gòu)是正交的，要求行為了保證取樣結(jié)構(gòu)是正交的，要求行周期周期TH必須是取樣周期必須是取樣周期Ts的整數(shù)倍，即要的整數(shù)倍，即要求取樣頻率求取樣頻率fs應等于行頻應等于行頻fH的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即Hsfnf 在在4 2 2格式中，色差信號格式中，色差信號Cr和和Cb的取樣的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的一半，即頻率均為亮度信號取

21、樣頻率的一半，即MHzfffyccbr75. 6)2/1 ( 在在4 4 4格式中，色差信號格式中，色差信號Cr和和Cb的取樣的取樣頻率與亮度信號取樣頻率相同，即頻率與亮度信號取樣頻率相同，即 亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比為比為MHzfffbrccy5 .134:4:4:brccyfff 本格式中，色差信號本格式中，色差信號Cr和和Cb的取樣頻的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即MHzfffyccbr375. 3)4/1 ( 在在4 1 1格式中，色差信號格式中，色差信號Cr和和Cb的的取樣頻率均為亮

22、度信號取樣頻率的四分之取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即一，即MHzfffyccbr375. 3)4/1 (量化就是把幅度連續(xù)變化的信號變換為幅量化就是把幅度連續(xù)變化的信號變換為幅度離散的信號，這是模擬信號到數(shù)字信號度離散的信號，這是模擬信號到數(shù)字信號的映射變換。的映射變換。顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，因此量化過程將不可避免地帶來量化誤差。因此量化過程將不可避免地帶來量化誤差。設(shè)在輸入信號的動態(tài)范圍設(shè)在輸入信號的動態(tài)范圍A內(nèi)進行均勻量化，每內(nèi)進行均勻量化，每一量化間隔一量化間隔A是相等的，共分為是相等的，共分為M級，設(shè)級，設(shè)M=2n，其中

23、其中n為量化比特數(shù)，即為量化比特數(shù)，即A=MA=2nA M和和n的取值主要是由量化信噪比決定的。的取值主要是由量化信噪比決定的。視頻信號的信噪比：視頻信號的信噪比：10.8+6n音頻信號的信噪比：音頻信號的信噪比：1.76+6n按量化間隔是否均勻，分為線性量化（均勻量化）按量化間隔是否均勻，分為線性量化（均勻量化）和非線性量化（非均勻量化）和非線性量化（非均勻量化）按歸并方式，分為舍入量化和截尾量化。按歸并方式，分為舍入量化和截尾量化。 在對模擬電視分量信號在對模擬電視分量信號EY、E(R-Y)和和E(B-Y)進進行量化和編碼前，必須進行歸一化處理。由電視行量化和編碼前，必須進行歸一化處理。由

24、電視原理可知，亮度和色差信號的構(gòu)成如下：原理可知，亮度和色差信號的構(gòu)成如下：BGRYE 0.114E 0.587E 0.299 EBGRY-R0.114E- E 0.587 - 0.701E EBGRY-BE 0.886 E 0.587 - E 0.299- E令信號值歸一化令信號值歸一化(即最大電平為即最大電平為1.0V)，則則100彩條信號的各值如表彩條信號的各值如表2-2所示。所示。 在對分量信號進行在對分量信號進行8比特均勻量化時，共分比特均勻量化時，共分為為256個等間隔的量化級，其二進制的范圍是個等間隔的量化級，其二進制的范圍是0000000011111111，相應的十進制范圍為，

25、相應的十進制范圍為0255。 色差信號經(jīng)過兩次歸一化處理后，色差信號經(jīng)過兩次歸一化處理后，ECR和和ECB的動態(tài)范圍為的動態(tài)范圍為-0.50.5，讓色差零電平對應碼電，讓色差零電平對應碼電平平2562=128，色差信號總共占，色差信號總共占225個量化級。個量化級。亮度和色差信號量化以后取其最鄰近的整亮度和色差信號量化以后取其最鄰近的整數(shù)作為碼電平值，其數(shù)字化表達式為數(shù)作為碼電平值，其數(shù)字化表達式為DY=INT(219EY+16)2n-8DCB=INT(224ECB+128)2n-8DCR=INT(224ECR+128)2n-8其中其中n為量化比特數(shù)，符號為量化比特數(shù)，符號INT表示對表示對中的小數(shù)部分四舍五入取整數(shù)。中的小數(shù)部分四舍五入取整數(shù)。一個典型的數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡系一個典型的數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡系統(tǒng)如圖統(tǒng)如圖1-1所示。所示。圖1-1 數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖 數(shù)字電視廣播系統(tǒng)框圖如圖數(shù)字電視廣播系統(tǒng)框圖如圖1-2所示。所示。圖1-2數(shù)字電視廣播系統(tǒng)框圖第一個階段為個別電視設(shè)備的數(shù)字化第一個階段為個別電視設(shè)備的數(shù)字化階段。階段。第二個階段為全功能數(shù)字電視演播室第二個階段為全功能數(shù)字電視演播室階段。階段。第三個階段為數(shù)字視頻廣播階段。第三個階段為數(shù)字視頻廣播階段。 1988年年9月