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1、第第6章章数字电视与高清晰度电视数字电视与高清晰度电视6.1数字电视概述数字电视概述6.2电视信号的编码电视信号的编码6.3频带压缩编码频带压缩编码6.4电视信号的数字处理电视信号的数字处理6.5数字电视机原理介绍数字电视机原理介绍6.6高清晰度电视高清晰度电视16.1数字电视概述数字电视概述 6.1.1 数字电视的概念 数字电视(digital tv)指的是将模拟的电视信号变换为数字形式的电视信号,然后进行传输、处理或进行存储的系统。(a)2 图61 数字电视系统 (b)3数字电视分为： 标准清晰度电视(standard definnition television).是相当与目前模拟电视系
2、统的数字电视系统，清晰度可达500电视线。 高清晰度电视(high definition television),指水平清晰度和垂直清晰度约为模拟电视的2倍，宽高比为16：9的数字电视系统。46.1.2 数字电视的特点 数字电视之所以是电视技术发展的主要方向,就是因为它和传 统的模拟电视比较有许多突出的优点。(1)数字电视的抗干扰能力强。 (2)数字电视信号能够进行存储,包括成帧图像的存储,从而能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理,得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。 (3) 数字电视稳定可靠,易于调整,便于生产。 (4)数字电视信号由于具有数字信号的共同形式,容易和其它信息链联
3、,便于加入公用数据通信网。容易实现交互业务。 (5)数字电视技术复杂、成本高、频带宽(6)具有多种信号接口，使用方便。56.1.3 数字电视的发展数字电视发展较晚,主要受的大规模集成电路制作技术、数字信号处理的理论与技术的限制。1968年，东京日本广播协会（nhk）技术研究实验室，开始对hdtv首次开发工作。并在1980年公布了hdtv的nhk系统的暂时标准（1125行/60场）。 1984年，nhk首先用hdtv向国内转播节目，1989年6月3日，正式利用ms-2卫星开始hdtv节目播出。 80年代后期，欧洲实行eu95计划，制定了1250/50的hdtv标准。16：9的幅行比。6日本从19
4、89年开始用muse方式通过卫星播出模拟hdtv，从2000年12月开始通过bs-4b卫星播出7套数字hdtv，每个频道的播出时间都是每天24小时。 中国中央电视台从1999年10月开始试验播出hdtv。 2000年国家广电总局确定1080/50i作为中国高清晰度电视信号源标 准，1080/24p作为节目制作和交换标准。 上海从2001年1月开始试播hdtv，北京和深圳也试播。到2006年，已经有25个城市实现了数字电视播出。2008年，7个城市实现高清电视地面广播。 美国从1999年底开始播出数字电视(dtv)，至今已经有超过 150个电视台播出了dtv / hdtv。7澳大利亚从2001年
5、开始用1080/50i播出数字hdtv。 总的趋势是原ntsc(525/60)地区大部分采用1080/60i，原 pal(525/60i)地区大部分采用了1080/50i作为播出信号标准。 香港，新加坡已经选定1080/50i作为hdtv信号源标准。台湾，韩国已经选定1080/60i作为hdtv信号源标准。89中国国家广电总局的hdtv标准 每帧有效扫描行：1080 ， 取样结构：正交取样 像素形状：方形像素 画面宽高比：16 : 9 每帧扫描行数：1125行 垂直扫描类型：逐行或2:1隔行扫描 垂直扫描频率：逐行24帧 ，隔行50场 取样频率：亮度: 74.25 mhz ， 色度: 37.1
6、25 mhz 标称带宽：亮度: 30 mhz ，色度: 15 mhz 量化电平：8或10比特 106.2电视信号的编码电视信号的编码 6.2.1 电视信号的数字化 模拟电视信号转换为数字电视信号的过程是一个编码过程。也称为pcm调制(脉冲编码调制)。 图62 电视信号的编码与解码 11图63 pcm的编码与解码过程 取样信号fs2fm12 取样后的pam信号经过量化,变为幅度取有限个离散值的pam信号。然后,再根据取样点的离散值,编为n位的二进制数字码。设离散值的最大个数为m,n与m的关系为 2n=m，或 n=lbm （6-1） 式中,lbm表示以2为底时m的对数。量化：均匀量化、非均匀量化传
7、输方式：并行传输、串行传输传输速率：nfs（串行）13 6.2.2 图像信号的编码方案与参数确定 1.全电视信号编码全电视信号编码就是直接对全电视信号进行pcm编码。 (1)取样频率。 选择这种编码的取样频率fs,除了要满足取样定理的要求外,还要考虑下面的因素。减小由非线性带来的取样信号频率与彩色副载波的组合差拍对视频信号的干扰。一般取fs=3fsc或者fs=4fsc要考虑取样点在屏幕上位置。采用空间正交取样结构,便于 进行行间、场间和帧间的信号处理。14图64 正交取样结构 15当pal制中取fs=4fsc表示两相邻帧取样点位置相同。也 只相差0.0032个取样周期,因此满足正交结构。16每
8、帧取样次数为：可见四帧才能重复。而相邻两行差约1/4个周期。因此 常采用fs=4fsc当fs=3fsc时17 (2)编码位数。 图像信号的编码位数n是由所需的量化层数决定的。 设单极性图像信号的变化范围为0到1,分为2n个量化层,每个量化层高为2-n。由于均匀分布,量化噪音的均方根值为对于满量程(s=1)的信号量化噪音比噪比为(62)18 实验表明,当n=7、8,即将信号量化为128至256个层时,人们已很难感到量化的影响。 全信号编码时的数据速率。以pal制fs=4fsc、n=8为例,总的数据速率为 44.438=141.76mb/s=17.72mb/s每一帧的数据量为192. 分量编码 分
9、量编码就是对y、r-y、b-y或三个基色分量r、g、b分别编码,进行并行传输,或者按时分复用传输。 对亮度和色差信号取样频率应满足取样定理，一般取2.2倍的最高频率。 为了实现正交取样的点阵结构，取样频率应为行频的整倍数。 为了兼容50hz、60hz场频和625行、525行两种制式，取样频率应为两者行频的公倍数。 亮度取样频率和色差取样频率应满足整倍数关系. (1)取样频率。 遵循原则：20 1982年国际无线电咨询委员会（ccir）提出了分量编码4:2:2标准,即： 取样频率为13.5/6.75/6.75mhz(y/r-y/b-y). 因此对于625/50制式: 每行亮度和色差取样点为641
10、3.5=864和646.75=432。 对于525/60h制式: 每行亮度和色差取样点分别为13.5/0.015734266=858和6.75/0.015734266=429. 在要求不高的场合，也可采用: 4:1:1(13.5/3.375/3.375mhz)标准,或 2:1:1(6.75/3.375/3.375mhz)标准.21(2)数字有效行。图65 数字有效行的时间关系 数字有效行行起点行终点规定对于两种制式，亮度取样点为720，色差取样点为36022 (3) 编码位数和排列。 分量编码规定，亮度和色差信号归一化为01和-0.5 0.5范围，8位编码。 由于r-y最大为0.701,b-y
11、为0.886,故取压缩系数分别为： kr-y=0.5/0.701， kb-y=0.5/0.886. 压缩后得到： y=0.299r 0.587g 0.114b (r-y)=kr-y (0.7r-0.59g-0.11b)= 0.5r-0.419g-0.081b (b-y)=kb-y(-0.3r-0.59g 0.89b )= -0.169r-0.331g 0.5b 亮度信号编为自然二进制码，而色差信号编为二进制偏移码 (63)23 亮度信号编码后,黑-白电平对应16-235量化级。色差信号对应16-239量化级。 分量编码的数字信号在传输时,规定按下面顺序构成复合的数据序列: (b-y)y(r-y
12、) (y) (b-y)y(r-y) (y) 这里(b-y)y(r-y)是空间同一取样点的数字,而(r-y)(y)(b-y)中(y)是仅有亮度取样的空间取样点的数字,它规定在一行的偶数样点上。 24 3. 电视伴音信号的编码 电视中的伴音信号也按pcm编码。由于伴音与电视体制没有确定的关系,编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20hz至15khz,高质量的伴音为20hz至20khz。 在pal的分量编码时,可采用48khz取样频率,就可以保持与图象信号取样频率的关系,与数字图象信号时分复用。 13.5mhz37534=48khz. 因为声音的动态范围大，要实现高保真，要求信号量化噪音比为8590d
13、b，因此要求编码位数比较大。但因为取样频率低，所以很容易实现数字流的传输。 256.3频带压缩编码频带压缩编码 上面讨论了图像信号编码,编码信号的码率是很高的。以分量编码为例,按422标准,一路彩色图像的码率为 (13.5 26.375)8=216mb/s=27mb/s 当采用1.5b/hz的高效数字调制时，需要频带宽度为144mhz。因此直接传送原始数字视频信号占用很大的带宽。因此，很有必要进行频带压缩，即要压缩信号传送码率。 26 视频信号压缩的可能性： 视频数据中存在着大量的冗余，即图像的各像素数据之间存在极强的相关性。利用这些相关性，一部分像素的数据可以由另一部分像素的数据推导出来，结
14、果视频数据量能极大地压缩，有利于传输和存储。27空间冗余。视频图像在水平方向相邻像素之间、垂直方向相邻像素之间的变化一般都很小，存在着极强的空间相关性。从而产生了空间冗余。 时间冗余。在相邻场或相邻帧的对应像素之间，亮度和色度信息存在着极强的相关性。当前帧图像往往具有与前、后两帧图像相同的背景和移动物体，只不过移动物体所在的空间位置略有不同，对大多数像素来说，亮度和色度信息是基本相同的，称为帧间相关性或时间相关性。 结构冗余。在有些图像的纹理区，图像的像素值存在着明显的分布模式。如方格状的地板图案等。已知分布模式，可以通过某一过程生成图像，称为结构冗余。28知识冗余。有些图像与某些知识有相当大
15、的相关性。如人脸的图像有固定的结构，嘴的上方有鼻子，鼻子的上方有眼睛，鼻子位于脸部图像的中线上。这类规律性的结构可由先验知识得到，此类冗余称为知识冗余。 视觉冗余。人眼具有视觉非均匀特性，对视觉不敏感的信息可以适当地舍弃。在记录原始的图像数据时，对视觉敏感和不敏感的部分同等对待，从而产生视觉冗余。人眼对图像细节、幅度变化和图像的运动并非同时具有最高的分辨能力。人眼视觉对图像的空间分解力和时间分解力以及与对幅度分解力的要求具有交换性。因此可采用运动检测自适应技术，对静止图像或慢运动图像降低时间抽样频率，对快速运动图像降低其空间抽样频率。29 人对不同图象的视觉门限不同，即视觉掩盖效应。因此，可以
16、采用边缘检测自适应技术，对于图像的平缓区或正交变换后代表图像低频成分的系数细量化。对图像轮廓附近或正交变换后代表图像高频成分的系数粗量化；在量化中，尽量使每种情况下所产生的幅度误差刚好处于可觉察门限之下。图像区域的相似性冗余。在图像中的两个或多个区域所对应的所有像素值相同或相近，从而产生的数据重复性存储，这就是图像区域的相似性冗余。纹理的统计冗余。有些图像纹理尽管不严格服从某一分布规律，但是在统计的意义上服从该规律，利用这种性质也可以减少表示图像的数据量，称为纹理的统计冗余。30 6.3.1 预测编码 预测编码是以减小空间和时间冗余信息为目的的编码方法。1.预测编码的原理 预测编码是线性预测编
17、码,也称为差分脉码调制(dpcm)。图66是dpcm的组成框图。待编码的电视取样序列量化后的数字序列预测器产生的预测值预测误差31图中, xn是待编码的电视取样序列,xn为量化后的数字序列, 为预测器产生的预测值。预测值 是由xn以前已传送各点量化值的线性组合(64) 当序列的统计特性已知时，可以得到这些系数的最佳值,使得预测值与样值的预测误差最小(均方误差意义上的最小),即最小32(65) 通常n值只取34个值。由于图像的统计特性随图像变化很大,ai的值可以有不同的取舍和方法。如一种称为皮尔希(pirsch)的预测公式为 图67 预测取样点的结构 33 2. dpcm的编码 采用线性预测,由
18、于减小了所传预测误差信号的动态范围,为压缩数据创造了条件。但压缩的程度与采用的具体编码方法有很大关系。 图68是只用一个预测值时统计得出的亮度预测误差信号的概率密度分布,数学上呈现拉普拉斯分布。 (66)图68 亮度信号预测误差的概率分布 34 (1)非均匀量化编码。 对幅值小的范围,量化间距减小;对大的幅值,则用大的量化间隔，码长n不变。 设信号(预测误差)的峰峰值s为其均方根值s的10倍,即s=10s,非均匀量化的平均信号量化噪声比(对应峰峰信号)为(67) 设总的量化电平数为m,按公式(66)和使平均信号量化噪声比最小要求,可求出最佳的量化电平和判决电平,也可以求出此时的量化噪声均方值为
19、35(68)考虑m=2n,得因此可以看出，在同样编码位数的情况下，非均匀量化信噪比要比均匀量化大的多。或者说当具有相同信噪比时，非均匀编码位数要小。36 (2) 可变字长编码。 也叫熵编码或概率编码。 这种编码具有相同的量化间隔，概率大的小差值信号赋以短码，而概率小的大差值信号赋以长码。从而在统计上获得较短的平均码长。 设某一数字信号,取有限个(k个)离散值,相应的概率为p1,p2,pk,则定义此信号的信息量熵h为(69)(bit)37 以我们熟悉的二进制信号为例,设“0”、“1”为等概率的,都是pi=0.5,则由式(69),h=1bit。这与由n=lbm得到的结果相同。这表示n=h,编码效率
20、为： 最高(610)若对每个样值编码的长度ni与概率pi的对数绝对值成正比,即(611)38 式中,c为负常数,则平均码长n将等于信号的熵值,有最高的编码效率。这可从下面得到证明。因为 则平均码长n为 取c=-1,有n=h。 实际上,pi是在0至1间取值,而ni只能取离散值。实际编码效率总小于1。实践表明，可变字长编码的平均码长比非均匀量化时还要小。 39 总之： dpcm预测编码结构简单，易于硬件实现，压缩效率高，已成为频带压缩编码的主要方法。dpcm的主要缺点是抗误码的能力差。若信号传输过程中产生误码，则在收端通过预测值的反复运算，误差将扩大到图像中的一个较大范围。因此，对误码要求较高，通
21、常还要采用纠错的信道编码。 目前采用预测编码，已可以将广播数字电视信号压缩到大约30 mb/s的传输速率。可以在公共数字信道 pcm三次群（34 mb/s）中传输，也可以在国际通信卫星组织（intelsat）的传输信道（30 mbs）中传输。40 6.3.2 变换编码 变换编码是采用另一种方法消除图像中相关的冗余信息,而达到压缩数据和频带作用。变换编码是将在空间域里描述的图象，经过某种变换（如傅立叶变换、离散余弦变换dct、沃什（walsh）变换等）在变换域中进行描述。这样可以将图象能量在空间域的分散分布变为在变换域中的集中分布，便于再利用其他如z字型扫描、自适应量化、变长编码等进一步处理，完
22、成对图象信息的有效压缩。41图6-9（1）变换编码的物理意义（a）12相邻像素,n=3的子图象在阴影区的概率较大；（b）旋转变换后42图6-9（2）图象块的dct变换（a）背景部分图象快的dct；（b）细节部分图象快的dct43 图69（3）图像的沃什变换编码(a)宽度信号变换后的平均幅度;(b)44沃什变换矩阵;(c)最佳bit分配446.3.3 其它压缩码率的措施 1. 亚奈奎斯特取样 根据取样定理,设信号最高频率为fm, 最低不失真的取样频率为其二倍,即fs=2fm,称为奈奎斯特频率。 已知原信号(y或色差)的频谱分量频率为nfhmfv。现选取样频率为半行频的奇数倍,即(612)此时折叠
23、的频率为45图610 亚奈奎斯特取样频谱及恢复滤波器特性 46 2. 同步信号的编码 电视信号的行逆程和场逆程中,只有同步信号和消隐信号(复合信号中尚有色同步信号)。 在电视信号数字化时，只要对行、场定时信号单独编码，插入到图象数字信号中即可。476.4电视信号的数字处理电视信号的数字处理 数字信号的一般数字运算、逻辑运算,可以实现许多模拟处理中的处理功能。 数字信号的一个重要特点,是容易实现信号的存储和延时。486.4.2 数字滤波器 1. 数字滤波器的作用 在电视信号的数字处理中,数字滤波器起着很重要的作用。它可以完成模拟滤波器的各种作用。如：频带限制、高低频信号提取、信号分离、解调、通过
24、桢间滤波提取图面信息、动态信道均衡、消除重影等等。 49图611 数字滤波器的结构和模型(a)电路模型2. 数字滤波器的基本结构和原理 图611(a)是一种常用数字滤波器的结构和电路模型,它是由一些延迟电路和乘法器、加法器组成。 t为延迟时间,可为取样周期ts,、行周期th,、帧周期tfc0,c1,cn为加权系数x(nts)为输入数字信号序列,输出信号50 由图可见输出信号为： y(nty(nts s)=c)=c0 0x(ntx(nts s) c) c1 1x(ntx(nts s-t) -t) c cn nx(ntx(nts s-nt)-nt)(613)设延迟时间与数字信号取样周期相同,t=t
25、s,则若输入为一单位脉冲序列,x(nt)=(nt) 则输出为：(614)51 若定义此滤波器的单位脉冲响应为h(nt),显然上式就是h(nt),因此有(615) 将数字信号的时间序列x(nt)用归一化的数字序列x(n)代替,而延迟环节ejt用归一化的z=e j代替,称为数字频率。即进行z变换。(617)而滤波器的传输函数为：(616)z为复变量。则数字序列x(n)的变换为：52图611 数字滤波器的结构和模型（b)z变换后数学模型 如过用z=e j代入上式，就可以求出频率特性h()53 第一,数字滤波器的频率特性,具有周期性,这是因为z=ej,z是的周期函数,h()也必然是周期函数。其周期为2
26、,即在z平面上半径为1的单位圆上。而物理上的频率的周期性,则由 =t (618)在公式(617)所示的滤波器特性中,若h(0),h(n)具有对称性,即对于中间n=n/2,有h(0)=h(n),h(1)=h(n-1), 则此滤波器具有线性相位特性。54图612 具有线性相位特性的单位脉冲响应 (a)偶对称; (b)奇对称 如图612(a)、(b)所示特性。55对于（a)图，有：将z=e j代入,并考虑h(n)=h(0),h(n-1)=h(1),56(619) 相位是线性的 当信号通过该滤波器时，各频率分量大小不同，但具有同样的延迟nt/2，这样恢复的图象不会有重影或轮廓的模糊现象。57 图613
27、水平空间滤波器(a)滤波器的结构3. 数字滤波器举例 (1)亮度水平滤波器。图613(a)是一水平空间滤波器,延迟时间为t=ts。58将z=e j代入由图得滤波器的传输函数为：显然它是满足线性相位条件的。59 化为实际频率=2f/fs,再考虑fs=4fsc,h1(f)为(620) 图613水平空间滤波器(b)幅频特性 60 (2) 分离亮色信号的梳状滤波器。由图得到：图6-14（a） 图614(a) 中,延时t=th,a至b之间为亮度信号分离器,传输函数为hy(),a至c之间为色度信号滤波器,传输函数为hc()。61 也是线性相移网络。将z=e j及=th，th=2f/fh代入,得到其幅频特性
28、为(621)62同样可以求出色度滤波器的传输函数(622)63图614 亮色分离梳状滤波器64图615 pal色度解调器 (3) pal色度解调器。 图中,延时器th、ts及相加、相减电路构成分离u、v的梳状滤波器。65(623)(624) 对于副载波频率f=fsc,考虑fsc=(284-1/4)fh及fsc=fs/4,代入式(623)、式(624)可知,|hu(fsc)|=1,hv(fsc)=0。式(623)、式(624)还可以用fh表示为:对于u支路,滤波器的幅频特性为666.4.3 电视信号的时基处理 若数字电视信号在存储过程中，采用不同的存入和取出的定时信号就可将电视信号在时间上进行变
29、换，这种变换称为时基处理。 图616就是数字时基校正器(dtbc)的原理框图。图616 dtbc原理框图 676.4.4 图像的几何变换及数字视频特技(dve) 1. 图像几何变换的原理 在dve中,图像处理是逐场进行的,信号以场进行存储,设存储位置以整数值的水平和垂直坐标分别用h和v表示。图象的水平和垂直空间坐标为w和h 。在pal制中，每场行正程行数为288，在保 证 4： 3的 宽 高 比 的 情 况 下 ， 水 平 方 向 最 大 位 置 应 为2884/3=384。如果每行取样点数为tpn，则有：(625)68 设变换后的数字图象坐标为x、y，则一般情况下输出与输入坐标间的关系可由下
30、式表示:(626)图617 数字图像坐标与屏幕坐标 69 设对应变换后的输出数字信号的屏幕坐标系为w和h,则它和未作变换坐标的w和h间的关系由式(625)、式(626)可得(627) 改变sh、sv、x0、y0、k1、k2就可得到所需的几何变换。在场逆程将它们送入地址计算器，然后在正程计算变换地址并进行读写数据70 2. 图像的几何变换 (1)图像的移位。 当选择sh=sv=1,k1=k2=0,给出每场的移位值x0、y0,图像就在屏幕上移位,x0、y0的变化决定了图像移位的轨迹。 (2)图像的扩大和缩小。 选择k1=k2=0,x0=y0=0,并选择sh=sv1,就可以使图像缩小;若使sh、sv
31、有规律地递减,就会得到连续缩小的图像。反之,若选择sh=sv1,则可以使图像扩大。若sv、sh不相等,图像的宽、高将作相应的变化。71图618内插电路的一般形式72 (3)图像的旋转。 图619表示图形可进行围绕z轴、y轴、x轴的三种旋转。 图619 图像的旋转(a)绕z轴旋转;(b)绕y轴旋转;(c)绕x轴旋转 73 3其它各种数字视频特技 （1）图像的镶嵌和画中画。将存储的两个不同画面图像，通过取舍、缩小，组合成一个帧并最后显示出来，就产生电视图像的镶嵌。 （2）电视墙（video wall）。 电视墙实现图像的扩大和一幅图像在多个屏幕上显示。其方法是，将存储的一帧图像分为 m x n个单
32、元（m x n个屏幕）。从这些单元中同时读出视频数据，通过内插处理，将每一单元的数据扩展为一个屏幕显示所需的数据。并在相应的扫描时刻分别经 da变换送到对应的屏幕。从而组合成一整幅放大的电视图像。 74（3）图像的冻结和动画效果。 在数字电视中，若固定某一帧的存储图像而不随时更新，并反复读出显示，就在屏幕上得到静止的图像。这一特技称为图像的冻结（freeze）。冻结可以只对图像中的一部分内容进行，周围背景仍可以是运动的。 若每隔若干帧才将存储内容更新，而按正常的方式读出显示，则在屏幕上得到不连续变化的图像，从而产生类似电影中动画片的效果。 当存储多帧连续图像，并用内插处理扩大为更多的帧，每帧仍
33、按正常速度扫描显示，则得到的是“慢”动作的图像。75（4）油画（painting）和马赛克（mosaic）效果。 若将数字化的亮度信号和色度信号的n个低位强制为零，即故意使图像进行粗量化，这样因图像失去细节，形成类似油画的效果。 若将存储器的水平和垂直读地址的 n个低位 bit强制为零，那末在图像 n x n个像素的方块内将显示同一地址的内容，这相当于减小了空间取样率，从而使图像如同用许多小方块拼接而成。这种图像类似于由许多小瓷砖构成的马赛克瓷砖的形状。 76（5）图像的叠加和类似电影特技。 将两个不同的电视节目信号分别按帧存储，然后轮流读出显示，则在屏幕上看到的是两个图像的叠加。若连续地改变
34、读取帧数的比例，一直到从一种图像转换到另一节目图像，则可得到类似电影中的淡入、淡出的镜头切换。利用图像叠加、镶嵌及图形的几何变换还可以得到许多类似电影待技的效果，如远近镜头的变换，散焦至聚焦的变换等。 以上仅是一些常用的电视特技，目前先进的dve系统所能产生的特技效果远不止这些。例如，sony公司的 dme450 p带数字功能切换台，可以发生包括 117种三维特技在内的281种特技效果。776.5数字电视机原理介绍数字电视机原理介绍 6.5.1 数字电视接收机的组成和所用集成电路 1.数字电视接收机的组成 图620是一数字电视接收机的原理框图。从图上看,其基本功能部分与模拟电视机基本相同。其中
35、,虚线框内的视频信号的处理是用数字电路完成,也包括低电平的同步和扫描电路。 78图620数字电视接收机框图79 2. digit2000集成电路 digit超大规模集成电路(vlic),是专门为数字电视接收机设计的系列芯片。它从1973年开始研制,1981年完成,1983年开始用于电视机上,并成批生产。其后,虽然在专用芯片上都有发展,但digit2000仍然是具有代表性的产品。其中,各芯片的型号和功能如下: ccu2000/2030 中央控制单元 vcu2100 视频编解码单元 vpu2200 视频处理单元 apu2300/2400 伴音a/d变换器/伴音处理单元 dpu2500 偏转处理单元
36、 mcu2600 时钟发生器 cfu2210ntsc 梳状滤波器视频处理 spu2220secam 色度处理器80maa2230 自动图像控制器tup2700 文字广播处理器mda20611024 位eeprom6.5.2 由digit2000芯片组成的数字电视机原理介绍 81vcu完成放大箝位后，以4fsc取样，编7位码。在把vpu处理后的亮度与色度信号d/a变换，送矩阵电路。最后输出三基色信号。vpu完成亮度信号与色度信号处理，如亮度与色度信号分离，对比度控制、亮度控制、色度信号解调、色同步提取、uv分离、饱和度控制与色度等。信号放大、电流传感器检测电子束电流，送回vpu，通过ccu控制v
37、cu中d/a的参考电压，达到自动控制对比度和亮度。同步信号提取、输出行、场信号图621 由digit2000芯片组成的数字电视机框图 824.控制部分中央控制单元ccu是整个电视机控制的中心。ccu中主要包括:8位微处理器(8049)、rom、ram、调谐分辨率为62.5khz的锁相式频率合成器、用于接受红外遥控的红外遥控解码器、用于用户指令键盘和4位led频道指示的i/o端口、用于输入输出控制信号和输入调整指令的系统总线接口等。rom存放各种程序，如所有调整功能的服务程序、多制式工作方式、频道选择和节目预约、遥控、键盘服务、频道显示；e2prom存如如厂家或用户设置的各种调整数据。在adc中
38、首先分别对两路模拟伴音进行pdm调制，再经过数字音频滤波器转换成35khz抽样频率、16bit的数字音频信号。同时，用识别滤波器分离出pdm中的伴音类别识别信号，它识别出是单、双伴音、立体声三种。两路数字音频送入解码矩阵形成左、右路信号，然后分别送到后面的音频处理电路，完成去加重、音量控制、音调控制、平衡控制等作用，还可产生伪立体声效果。经过处理的信号送到两个脉冲宽度调制器，变为脉冲宽度随信号变化的模拟信号。此脉宽信号送到后面的分立元件放大器中，靠d类音频功放和经低通滤波后成为音频信号，直接推动扬声器。836.5.3 改进型数字电视接收机1改善图像质量 为改善各种制式图像质量而研制的芯片有为了
39、 ntsc处理亮度信号的梳状滤波器maa 2210，它的作用是弥补 ntsc制视频带宽窄的不足，以提高图像清晰度。 用于处理secam色度信号用的maa 2220 。maa 2230是自动图像控制器。它由自动黑电平控制、自动对比度控制、自动饱和度控制、帧内基准及自动色度校正五个单元组成。它们进一步改善了亮度和色度信号，提高了图像质量。 842逐行扫描处理器 逐行扫描处理器的功用是提高行扫描频率，变原来的隔行扫描为逐行扫描，可以消除行闪烁和行场动现象。 psp就是完成此功能的处理片，它的主要部分是行存储器、数字滤波器和延时电路等。两片psp与数字电视机中的vcu、vpu、dpu相连。工作过程是在
40、一个行周期中，以主时钟（144 mhz）速率将亮度信号和色度信号写入一个psp中，而同时以两倍的速率（288 mhz）从另一片 psp中重复读出前一行写入的数据。同时，将扫描的行频加倍，将原一行扫成两行。在下一行扫描时，两片处理器交换写入和读出的操作。这种逐行扫描要求其它数字处理芯片也作相应变化，以适应行倍频需要。 853画中画处理器（pip） 画中画处理器用来在电视图像的主画面中，镶嵌上另一套节目的小的子画面。 用场存储器对子画面的图像信号进行空间压缩，同时，子画面的扫描相位也应同步子主画面。这是由pip处理及附加的动态随机存取存储器配合原vcu、vpu等完成的。将子画面的电视信号每三个像素
41、和每三行取样一次，将其进行数字化处理后，以每个像素 5 bit的亮度信号和 3 bit色度信号形式存入 dram中。存储时，先经串一并变换，变成 4 x 5 bit的亮度信号（一次取 4个样点）和 4 x 3 bit的色度信号。读出时，以主画面的同步信号和时钟为基准，将存储的子画面数据以一定的时序（对应于子画面在屏幕不同位置）送入vcu中，经da转换后，使子画面显示于屏幕的特定位置上。通过ccu控制，主画面和子画面随时可以进行互换。此外，子画面还可实现静止画面显示。 864祝频存储控制器（vmc） 采用视频存储控制器（vmc），将场或帧存入存储器，则可以产生如产生静止画面（图像冻结）、画面的放
42、大与缩小、多画面（4画面或9画面）、及无闪烁的倍场频等。场存储器用 6片 64 k x 4 bit的 dram，由 vmc进行写读控制。为了压缩数据量，取样频率由 177 mhz减小为 118 mhz（相当于原取样频率的 23），并进行二维线性预测，将亮度信号由 8 bit压缩为 4 bit，色度信号由 4 bit压缩为 2 bit。读出时则用预测解码恢复。875图文电视广播处理器（tpu） 在传送图像和伴音信号的同时、传送一些公共的文字信息，图文电视广播的原理就是将传送的文字信息以数字代码形式插入到场消隐的一些行中（每场 14行，称为数据行），在用户接收机中，用专门的附加处理器，配合电视机中
43、的 ccu，将这些数据取出并存储于专门的存储器中，进行必要的处理，再在屏幕上显示出来。886.6高清晰度电视高清晰度电视 6.6.1 现行电视制度的不足1. 画面细节分辨率不够,清晰度不足 图像细节分辨率不够,主要受扫描行数和视频信号频带宽度的影响2. 图像中的亮色串扰 现有制式中,亮、色信号在时间上及频域上都是重合的，两者间必然会有相互影响,表现在图像上产生亮、色间的串扰。 893. 图像中的亮色串扰 现有制式中,亮、色信号在时间上及频域上都是重合的,两者间必然会有相互影响,表现在图像上产生亮、色间的串扰。 4. 大面积闪烁和行闪烁 5.电视图像的临场感不强90 6.6.2 对高清晰度电视的
44、要求 从上面的分析可以看出,对未来的高清晰度电视提出的要求有: 1. 提高图像帧的总行数 2. 展宽图像信号的频带 3. 改隔行扫描为逐行扫描及提高场频 4. 采用更好的亮色复用方法 5. 采用16/9幅形比的宽屏幕显示91 6.6.3 电视信号空间表示 1. 图像信号的变换域表示 图像信号可以用f(x,y,t)的三维表示。 2. 信号的二维空间表示 设f(x,y,t)为图像信号,对y,t进行二维富氏变换,其变换为fyt(fy,ft)。当f(x,y,t)为y和t的连续函数时,fyt(fy,ft)在fy、ft域为连续谱。 92图622电视图像的三维分解93图623隔行扫描奇数行的频域分布94图6
45、24隔行扫描全帧图像信号的频域分布956.6.4几种现有hdtv制式简介1.nhk1125行制式及muse制式nhk1125行是日本广播协会(nhk)70年代中期最早提出的hdtv体制,它是不兼容的。因为当时的考虑出发点是,只有放弃兼容才能搞出全新的高质量、高清晰度电视。nhk1125行制式的规格指标如表61所示。96表61nhk1125制式的主要参数97 其主要技术特点是: 亮度信号和色度信号采用tcm(时间压缩多工组合)方式。即将c和y经数字变换在时间上进行压缩(亚奈取样),然后将c和y行正程分时传送。 色度信号采用时间压缩的cw、cn按行顺序轮流传送。 色度信号的时间压缩比为41。 tcm经亚奈抽样压缩后,把2030mhz的视频信号带宽压缩为约8mhz。 数字编码的伴音与视频信号一起经时分复用(在行逆程)。982.欧洲的1250行制式及平场重现技术图625滤波扫描变换方式框图99图626平场重现原理图100 3. 美国的地面兼容的atv制式 actv在发端采用169幅形比及525/59.94的逐行扫描。在传输时变为隔行扫描(以便兼容)。在actv接收机则再恢复为逐行扫描显示。 101图627actv制编码框图102