第二章数字电视编码技术练习.docVIP

第二章 数字电视编码技术 2．1数字电视系统的基本原理框图 数字电视系统是指音频、视频和数据信号从信源编码、调制、接收和处理均采用数字技术的电视系统。它由信源、信源编码器、信道编码器、信道、信道解码器、信源解码器、信宿等部分组成 信源是指产生和输出音频、视频和数据信号的设备，如摄像机、传声器等。信源编码器主要包括模数(A/D)转换、压缩编码、多路复用三部分。将信源送出的模拟信号进行模/数(A/D)转换，用一定的数字脉冲组合来表示信号的幅度，从而形成数字信号。为了提高传输效率，一般将数字化的视音频信号先进行压缩编码，在压缩过程中可以从数字信号中移去自然存在的冗余度，尽量减少音频、视频中的重复信息，提高图像的传输效率。 信道编码器包括纠错编码和数字调制，主要解决数字信号传输的可靠性问题，故又称为抗干扰编码。 传输信道有地面(无线发射) 传输、有线传输和卫星传输三种。解码器与编码器的功能相反，在接收端将接收到的已调信号，经解调、纠错解码、解复用、解压缩、数/模(A/D)转换，恢复出原模拟电视信号。 2.2数字信号的产生及编码 2．2．1模拟信号与数字信号 模拟信号的特点是信号在时间上和振幅上的变化都是连续的，可以用它的某些参数去模拟其数值的大小。 模拟信号具有直观、形象的特点。但是模拟信号精度低，表示的范围小，且容易受到干扰。 在电子设备中，模拟信号经种种处理和变换，往往会受到噪声和失真的影响。在电路中，从输入端到输出端尽管信号的形状大体没有变化，但信号的信噪比和失真度可能已经大大改变了。在模拟设备中，这种信号的变化是无法挽回的。 二、数字信号 数字信号的特点是代表信息的物理量以一系列数据组的形式来表示。数字信号在时间轴上是离散的，表示幅度值的数字量也是离散的， 图2-2 模拟信号和数字信号 图2-3 模拟信号与数字信号的关系 2．2．2模拟信号数字化 把幅波上连续变化的信号变成离散信号，要经过取样、量化和编码3个过程。图2-4是模拟信号变为3位二进制数的数字信号的过程，显然，在模拟信号转换为数字信号的过程取样点越多，越能接近原来的模拟信号。取样是以恒定的周期间断地采集模拟信号在该时刻的数值。量化是用特定的尺度来测量取样值。但经过取样、量化后的信号仍不是数字信号，还必须经过编码这一过程。编码实质是将幅波上已量化的数值，用二进制数1和0按一规则来编制的过程。 图2-4 模拟信号的取样、量化和编码的过程 一、取样 取样是模拟信号数字化的第一步，它是把模拟信号以一恒定的频率在时间轴上离散地取样。如果把连续变化的图像的声音信号u(t)加到取样器的输入端，它可看成一个受控开关，当脉宽为τ的取样脉冲到来时，开关接通，有一个与模拟信号相当的幅度的脉冲信号输出，显然，用作控制开关的取样脉冲重复频率越高，则在单位时间内取样值越多，取样真实性也就越高。通常把在时间上不连续的取样值来代替原来连续变化的模拟信号运行过程称之为取样。取样频率越高，取样点越多，则重现的波形便越接近原来的信号。奈奎斯特(Nyquist)取样定理：对模拟信号进行取样时，其取样频率人应大于或至少等于原信号频谱中最高频率?max的两倍，即：?取样≥2?max。根据奈奎斯特取样规则，理想地取样时，只要取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的2倍，就可以不失真地恢复模拟信号。 比如，VCD所传送的音频最高频率为20kHz，则取样频率应选择等于或高于40kHz。实际VCD机中，取样频率通常选择为44.1kHz或48kHz。 有一模拟信号的波形如图2-5所示。由图可见，该信号左边频率低，幅度大；右边频率高，幅度小。设该模拟信号主要频率为?，周期为T。根据取样定理可知，取样频率?取样≥2?max，即两个取样点之间的间隔不能大于T/2。反之，如果取样频率低于2?max (取样周期大于T/2)，则只能在一个周期中取得一个样值，这就不能正确反映模拟信号的全部信息了。如图2-5左边的信号。 图2-5 模拟信号的取样及频率关系 在一列取样值的时间空隙，应予以插补才能使其恢复原有信号波形。这种插补通常由取样后的低通滤波器来完成。该低通滤波器的截止频率应稍高于?max以便消除取样脉冲引入的附加频谱，取样过程和相关频谱如图2-6所示。 图2-6 取样过程和相关频率 二、量化 经过取样保持处理后的信号只是在时间上离散开来，而它在幅度上仍是连续的信号。把这种信号在幅度轴上离散开来，也就是把它变为有限个在幅度上离散的二进制信号的过程叫做量化。简单地说就是测量一下每个取样点的值，然后用二进制码表示所测量的幅值，这样就把模拟信号变成了数字编码信号(PCM)。 如某一模拟信号的峰-峰值