- 數(shù)字電視的編碼概述
- 數(shù)字電視編碼器的結(jié)構(gòu)
- 數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù)
- 數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)
數(shù)字視頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、廣播電視等領(lǐng)域,帶來(lái)了會(huì)議電視、可視電話(huà)及數(shù)字電視、媒體存儲(chǔ)等一系列應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)模擬信號(hào)數(shù)字化后其頻帶大大加寬,一路6MHz的普通電視信號(hào)數(shù)字化后,其數(shù)碼率將高達(dá)167Mbps,對(duì)儲(chǔ)存器容量要求很大,占有的帶寬將達(dá)80MHz左右,這樣將使數(shù)字信號(hào)失去實(shí)用價(jià)值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難,壓縮后信號(hào)所占用的頻帶大大低于原模擬信號(hào)的頻帶,因此說(shuō)數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使數(shù)字信號(hào)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)。下面就長(zhǎng)治微波站在數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)改造后,探討EN2200-M型編碼器及數(shù)字電視信源編解碼技術(shù)和應(yīng)用。
1數(shù)字電視的編碼概述
模擬信號(hào)通過(guò)取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為A/D變換,所得到的信號(hào)也稱(chēng)PCM信號(hào),PCM編碼既可以對(duì)彩色全電視信號(hào)直接進(jìn)行,也可以對(duì)亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)分別進(jìn)行,前者稱(chēng)為全電視信號(hào)編碼,后者稱(chēng)為分量編碼,這是最基本的編碼形式。數(shù)字壓縮編碼技術(shù)可分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類(lèi),無(wú)損壓縮即壓縮后可恢復(fù)原來(lái)的信號(hào),有損壓縮在解壓后無(wú)法恢復(fù)原樣,有一定的失真,但失真在某一限度以下時(shí)人是感覺(jué)不到的。目前采用的壓縮編碼方法有以下幾種:(1)統(tǒng)計(jì)編碼,如霍夫曼編碼和游程編碼等;(2)預(yù)測(cè)編碼,如差值編碼、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)等;(3)變換編碼,如DCT變換、小波變換;(4)量化技術(shù),如均勻量化、非均勻量化和自適應(yīng)量化技術(shù);(5)基于可視對(duì)象的編碼;(6)可分級(jí)編碼。前4種編碼技術(shù)主要用于MPEG-2,DVB數(shù)字電視系統(tǒng)規(guī)定采用MPEG-2的壓縮編碼方法,它是基于存儲(chǔ)器的以幀為單位的壓縮方法,后兩種方法主要用于MPEG-4,MPEG-4在數(shù)字電視系統(tǒng)中主要用于流媒體方式的數(shù)字電視。
2數(shù)字電視編碼器的結(jié)構(gòu)
MPEG-2壓縮編碼器是將模擬電視視音頻信號(hào)進(jìn)行MPEG-2壓縮編碼輸出實(shí)時(shí)TS流的前端設(shè)備,適用于數(shù)字電視的傳輸或前端信源編碼以及會(huì)議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用,一臺(tái)高級(jí)的編碼器不僅具有DVB接口,還應(yīng)當(dāng)設(shè)有電信接口,以使該設(shè)備能方便地在HFC網(wǎng)絡(luò)、微波MMDS或8GHZ系統(tǒng)、SDH或PDH等網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,如圖1所示。
圖1編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。
3MPEG-2視頻編碼系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)
MPEG-2圖像壓縮的原理是利用圖像中的兩種特性:空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。一幀圖像內(nèi)的任何一個(gè)場(chǎng)景都是由若干像素點(diǎn)構(gòu)成的,因此一個(gè)像素通常與它周?chē)哪承┫袼卦诹炼群蜕壬洗嬖谝欢ǖ年P(guān)系,這種關(guān)系叫作空間相關(guān)性;一個(gè)節(jié)目中的一個(gè)情節(jié)常常由若干幀連續(xù)圖像組成的圖像序列構(gòu)成,一個(gè)圖像序列中前后幀圖像間也存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系叫作時(shí)間相關(guān)性。這兩種相關(guān)性使得圖像中存在大量的冗余信息,如果我們能將這些冗余信息去除,只保留少量非相關(guān)信息進(jìn)行傳輸,就可以大大節(jié)省傳輸頻帶,而接收機(jī)利用這些非相關(guān)信息,按照一定的解碼算法,就可以在保證一定的圖像質(zhì)量的前提下恢復(fù)原始圖像,一個(gè)好的壓縮編碼方案就是能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。
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MPEG-2中的編碼圖像分為3類(lèi),分別稱(chēng)為I幀、P幀和B幀。
I幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式,即只利用單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性,而沒(méi)有利用時(shí)間相關(guān)性。I幀主要用于接收機(jī)的初始化和信道的獲取以及節(jié)目的切換和插入,I幀圖像的壓縮倍數(shù)相對(duì)較低,I幀圖像周期性出現(xiàn)在圖像序列中,出現(xiàn)頻率可由編碼器選擇。
P幀和B幀圖像采用幀間編碼方式,即同時(shí)利用空間和時(shí)間上的相關(guān)性。P幀圖像只采用前向時(shí)間預(yù)測(cè),可以提高壓縮效率和圖像質(zhì)量。P幀圖像中可以包含幀內(nèi)編碼的部分,即P幀中的每一個(gè)宏塊可以是前向預(yù)測(cè),也可以是幀內(nèi)編碼。B幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測(cè),可以大大提高壓縮倍數(shù)。值得注意的是,由于B幀圖像采用了未來(lái)幀作為參考,因此MPEG-2編碼碼流中圖像幀的傳輸順序和顯示順序是不同的。
MPEG-2的編碼碼流分為6個(gè)層次。為更好地表示編碼數(shù)據(jù),MPEG-2用句法規(guī)定了一個(gè)層次性結(jié)構(gòu),它分為6層,自上到下分別是:圖像序列層、圖像組(GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用如下:視音頻資料的保存;非線性編輯系統(tǒng)及非線性編輯網(wǎng)絡(luò);微波、衛(wèi)星、光纜傳輸;電視節(jié)目的播出。
4數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù)
在全數(shù)字電視技術(shù)中,有兩個(gè)很關(guān)鍵的編碼技術(shù)即信源編碼和信道編碼,它們就是采用MPEG-2技術(shù),信源編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的壓縮和保存問(wèn)題,信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號(hào)的傳輸問(wèn)題。圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)量大,如不進(jìn)行壓縮,數(shù)字電視信號(hào)就無(wú)法實(shí)時(shí)傳送,而壓縮的主要方式就是除去冗余信號(hào)。所謂冗余信號(hào)是指那些與信息無(wú)關(guān)的或?qū)D像質(zhì)量影響不大的多余部分,這就是MPEG-2圖像壓縮的原理。
(1)空間冗余。一幅圖像由數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素組成,相鄰兩個(gè)甚至幾個(gè)像素之間有很大的相似性(或稱(chēng)相關(guān)性),在傳送時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況,稱(chēng)之為空間冗余,利用某種編碼方法(如正交變換編碼),去掉空間上的冗余信息,減少傳輸和記錄碼率。
(2)時(shí)間冗余。電視圖像也有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性,對(duì)于25幀/s的圖像來(lái)說(shuō),通常情況下前一幀圖像和后一幀圖像的差別很小,大部分畫(huà)面內(nèi)容相同,這表明相鄰兩幅圖像的相關(guān)性非常大,而圖像之間相隔較遠(yuǎn)時(shí),其圖像的相關(guān)性才逐步減小,而且這種相關(guān)性很強(qiáng)的圖像變化時(shí)一般都是有規(guī)律的,也就是說(shuō)每一幅圖像的變化是可預(yù)測(cè)的。利用圖像的時(shí)間冗余特性,把圖像信號(hào)在時(shí)間上的冗余信息去掉,也可以減小傳輸和記錄碼率。
(3)統(tǒng)計(jì)冗余。圖像和聲音信號(hào)數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,如在圖像預(yù)測(cè)編碼系統(tǒng)下,當(dāng)前像素信號(hào)的預(yù)測(cè)值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測(cè)出來(lái)的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測(cè)誤差小的信號(hào)出現(xiàn)的概率大,相反則出現(xiàn)概率小。采用統(tǒng)計(jì)編碼的方法,對(duì)出現(xiàn)概率大的小誤差信號(hào)值用短碼,而對(duì)出現(xiàn)概率小的大誤差信號(hào)值用長(zhǎng)碼,這樣就去掉了信號(hào)在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。
(4)知覺(jué)冗余。人的視聽(tīng)器官都具有某些不敏感性。知覺(jué)冗余是指處于人們視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號(hào),對(duì)這些無(wú)關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理,人們并不會(huì)明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低,甚至毫無(wú)覺(jué)察。因此在編碼時(shí)可以分長(zhǎng)碼和短碼來(lái)對(duì)不同的內(nèi)容進(jìn)行編碼,這叫作有所為和有所不為,從而達(dá)到減小碼率的目的。
5數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)
經(jīng)過(guò)信源編碼后的圖像信號(hào)送入多路復(fù)用器中與數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用,然后送入信道編碼器。
模擬電視系統(tǒng)不存在復(fù)用器,視音頻信號(hào)分別傳送,但在數(shù)字電視中,則是將視頻、音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來(lái)的數(shù)據(jù)比特流,經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流,送給信道編碼及調(diào)制。接收端與此過(guò)程正好相反,電視信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)打包后,使其具備可擴(kuò)展性、分級(jí)性、交互性。
6數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào)
信源編碼是經(jīng)過(guò)壓縮消去數(shù)據(jù)冗余,實(shí)現(xiàn)信源碼率與信道容量的匹配,解決了傳輸?shù)目赡苄?。而?shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過(guò)糾錯(cuò)編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、均衡等技術(shù)提高信號(hào)的抗干擾能力,保證傳輸信號(hào)的可靠性。信道編碼的過(guò)程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元,從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的。因此它與信源編碼是矛盾的一對(duì),系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮在有限的寬帶中盡量提高有效性和可靠性。
