数字电视原理

内容提要本书共分8章，重点介绍了数字视频编码压缩原理、数字电视的国际标准、数字电视传输组网技术和数字音频技术。在叙述中结合了大量的图表和电路框图，形象生动地阐明了晦涩难懂的技术概念，有助于读者对数字电视原理的全面认识和了解。本书内容丰富、系统性强，可供高等院校广播电视专业、通信专业、多媒体通信专业以及相关专业的师生阅读，也适合电视台的技术人员，广大数字视频设备的生产厂家、公司、用户以及从事宽带组网的工程技术人员和管理人员阅读参考。自从1948年提出视频数字化概念至今，电视编码压缩技术已经历了5多个年头。在这5多年内，视频数据压缩编码方法像雨后春笋般层出不穷。目前，电视正迅速地走向"数字时代"，数字电视的飞速发展远远超出人们的预料。世界发达国家，广播电视从模拟向数字的过渡已全面展开，从部分（单机设备）数字化向全系统（节目制作、信号传输、发射和接收）数字化方向发展。数字电视设备日新月异，数字VCD、数字DVD、数字摄像机、数字录像机、数字点播电视（VOD）、数字交互电视（ITV）、数字调制解调器、数字电视接收机、数字加密电视、数字电视机顶盒、全数字高清晰度电视，逐步形成整个电子行业潮流的主导，如日中天。我国著名学者徐孟侠教授称数字电视的发展经历着五大浪潮，即："第一次浪潮"，1994年初，VCD（MPEG-1标准）播放机在我国上市，并持续"暴热"达8年之久；1994年6月，美国DirecTV开始数字SDTV（标准清晰度数字电视）的卫星直接广播；22年7月，美国两家公司DirecTV和EchoStar共有卫星数字电视184万用户，占DTH用户总数的96.4％。"第二次浪潮"，1998年11月，美国开始以HDTV为重点数字电视（MPEG-2标准）的地面广播，英国开始数字SDTV的地面广播；2年夏，美国数字电视用户数接近1万。"第三次浪潮"，2年12月-24年，亚洲东部和拉丁美洲各国推出数字电视。日本于2年12月采用其ISBT-S标准，发展BS卫星直接广播业务；新加坡于2年12月采用欧洲DVB-T/COFDM标准开-展数字SDTV业务在公共交通车辆上的移动接收；韩国于21年12月采用美国ATSC/8，VSB标准，在汉城地区先后有5家公司发射地面广播的数字HDTV。中国广电总局已于21年11月采用其行业标准（DVB-C）在有线电视网络中发展数字电视业务，作为"切入点"。"第四次浪潮"，24年-28年，亚洲其余国家（特别是东南亚各国）、俄罗斯、富裕的阿拉伯国家、少数非洲国家发展数字电视。"第五次浪潮"，28年-212年，贫穷的阿拉伯国家、多数贫穷的非洲国家发展数字电视。全球大约在225年完成从模拟电视到数字电视的过渡。鉴于数字电视设备的推陈出新，习惯于模拟电视的技术人员，对数字电视技术有不知所措的感觉，急需补充新的知识、新的概念、新的推广应用手段。为帮助从事数字视频技术的工程技术人员更深入地了解视频数字化的基本知识、电视信号压缩的基本原理、数字电视的实现方法以及已公布的各种视频编码的国际标准，作者结合自己2多年的教学和科研的体会编写了此书。书中除了引用作者的科研成果外，还引用了国内外公开发表的成果，所引用的部分均附了参考文献。全书共分8章。第1章概论。第2章电视信号的分析，分析了电视信号的一维、二维、三维频谱和不同的电视信号波形的频谱分布情况。第3章视频信号数字化，介绍了视频信号A/D、D/A变换和PAL信号亮、色数字分离的原理和方法。第4章图像压缩编码，介绍了各种压缩编码原理及其实现方法，并介绍了运动估值在序列图像编码中的应用情况。第5章数字电视的国际标准，介绍了已公布的主要数字编码国际标准，分析了它们的不同点。第6章数字电视传输，介绍数字电视传输技术。第7章数字电视调制和解调，介绍各种数字调制技术。第8章数字音频技术。本书第6、8章由北京邮电大学余智博士编写，其余各章均由余兆明教授完成，余兆明教授对全书章节进行了仔细安排，并负责书稿的审校工作。此书是继《数字电视和高清晰度电视》（1997年人民邮电出版社出版，余兆明教授编著）、《数字电视设备及测量》（2年人民邮电出版社出版，余兆明教授、李晓飞副教授、陈来春高工编著）、《MPEG标准及其应用》（22年北京邮电大学出版社出版，由余兆明教授、李晓飞副教授、陈来春高工编著）和《数字电视传输与组网》（23年人民邮电出版社出版，余兆明教授、余智博士编著）的续集。希望本书能为从事数字电视原理教学、数字电视设备研制及推广应用的工程技术人员，为急需了解数字电视传输知识的工程技术人员和从事数字电视传输与组网及推广应用的工程技术人员稍尽绵薄之力。书中部分插图为研究生等辛勤劳动的结晶，在此深表谢意。数字技术发展一日千里，数字电视设备不断推陈出新，相关文献浩如烟海，由于时间仓促，加之作者水平有限，常感力不从心，疏漏之处还望读者不吝赐教。

暂缺《数字电视原理》作者简介

第1章  概论  1
1.1  数字电视的优点  1
1.2  视、音频数字化参数  3
1.2.1  视频信号的抽样结构和不压缩时码率的计算  4
1.2.2  视、音频信号量化及量化噪声  7
1.2.3  全信号和分量信号编码  9
1.2.4  图像分量信号量化比特数的确定和码电平的分配  10
1.3  数字电视系统  12
1.4  数字电视机顶盒  13
1.4.1  数字电视机顶盒的组成  13
1.4.2  数字CATV高频头电路  13
第2章  电视信号的分析  16
2.1  电视信号的频谱  16
2.1.1  静止图像信号的频谱  17
2.1.2  活动图像信号的频谱  18
2.2  电视信号的空间频率和空间频谱  18
2.2.1  空间频率  19
2.2.2  空间频谱  21
2.3  电视信号离散化  25
2.3.1  一维抽样  25
2.3.2  二维抽样  30
第3章  视频信号数字化  33
3.1  视频A/D、D/A变换  33
3.1.1  A/D变换器  33
3.1.2  PCM编码器  34
3.1.3  D/A变换器  35
3.1.4  电流相加型D/A变换器  36
3.1.5  并串型A/D变换器  36
3.2  PAL信号亮、色数字分离  38
第4章  图像压缩编码  43
4.1  图像压缩编码概述  43
4.1.1  图像数据压缩机理  43
4.1.2  图像编码过程  44
4.1.3  图像压缩编码的分类  44
4.2  熵编码  52
4.2.1  前缀码  52
4.2.2  离散、无记忆信源的信息量  53
4.2.3  无失真信源编码定理  53
4.2.4  Huffman码  54
4.2.5  准可变字长编码  55
4.2.6  混合编码  55
4.3  预测编码  56
4.3.1  差分脉冲编码调制(DPCM)  57
4.3.2  预测编码的类型  57
4.3.3  预测器  59
4.3.4  后向预测和双向预测  62
4.3.5  像素块预测  64
4.3.6  量化与编码  68
4.3.7  具有运动补偿的帧内插  69
4.4  变换编码  73
4.4.1  变换的物理意义  73
4.4.2  正交变换的矩阵表示  74
4.4.3  协方差矩阵和K-L变换  75
4.4.4  二维离散余弦变换(DCT)  76
4.4.5  二维离散余弦整数变换  83
4.4.6  沃尔什-哈特马(Walsh-Hadamard)变换  86
4.5  子带编码  88
4.5.1  子带编码原理  88
4.5.2  子带滤波  89
4.5.3  正交镜像滤波器(QMF)  91
4.5.4  二维子带编码  93
4.5.5  塔型编码  94
4.6  小波变换编码  95
4.6.1  基于小波变换的表态图像编码方法  95
4.6.2  小波变换的数学分析基础  95
4.6.3  图像小波多分辨分解的数据特性  106
4.6.4  基于小波变换的表态图像压缩算法  107
4.7  分形编码  111
4.7.1  分形的引出  111
4.7.2  分形压缩算法概况  114
4.7.3  分形编码的理论基础  114
4.7.4  分形编码的IFS方法  116
4.7.5  分形编码实例  118
4.8  模型基编码  119
4.8.1  模型基编码的引出  119
4.8.2  语义基图像编码  120
4.8.3  物体基图像编码  124
第5章  数字电视的国际标准  128
5.1  数字电视的国际标准概述  128
5.2  CCIR(现ITU-R)601号建议  131
5.2.1  CCIR(现ITU-R)601号建议内容  132
5.2.2  电视声音信号的编码参数  133
5.3  H.261标准  135
5.3.1  图像格式  135
5.3.2  信源编码器  137
5.3.3  信源解码器  142
5.3.4  图像复用和解复用  143
5.4  JPEG标准  146
5.4.1  基于DCT的编码器和解码器  146
5.4.2  DCT和DCT系数量化  147
5.4.3  熵编码器  149
5.4.4  数据交换格式  149
5.5  MPEG-1标准  149
5.5.1  MPEG-1标准的内容  150
5.5.2  MPEG-1视频流结构  152
5.5.3  MPEG-1音频压缩处理单元  153
5.5.4  通信处理板  154
5.6  MPEG-2标准  154
5.6.1  系统部分  155
5.6.2  图像部分  157
5.6.3  声音部分(略)  159
5.6.4  图像格式  159
5.7  H.263建议  162
5.7.1  ITU极低码率视频编码标准  162
5.7.2  极低码率视频编码近期标准H.263  163
5.7.3  H.263中的帧间预测算法  164
5.8  MPEG-4标准  167
5.8.1  MPEG-4标准概述  167
5.8.2  MPEG-4可视信息编码  168
5.8.3  MPEG-4基于VOP的视频编码  171
5.8.4  MPEG-4的视频编码  173
5.8.5  MPEG-4的音频编码  174
第6章  数字电视传输  176
6.1  数字电视传输系统  176
6.1.1  数字通信系统  176
6.1.2  数字电视卫星传输系统  177
6.1.3  数字电视有线传输系统 179
6.1.4  数字电视地面广播传输系统  180
6.2  能量扩散  182
6.3  R-S纠错  183
6.3.1  R-S码的结构  184
6.3.2  R-S码的编码  185
6.3.3  R-S码的译码  185
6.3.4  R-S码的纠错  187
6.3.5  R-S码在数字电视传输标准中的应用  188
6.4  数据交织和解交织  188
6.4.1  块交织  188
6.4.2  卷积交织  190
6.4.3  时间交织和频率交织  191
6.4.4  纠错性能分析和数字电视中的实际交织电路  192
6.5  格状编码(TCM)  195
6.5.1  格状编码调制  195
6.5.2  格状编码调制的维特比译码算法  204
第7章  数字电视调制和解调  213
7.1  数字电视调制的种类  213
7.1.1  数字电视调制的分类  213
7.1.2  数字电视信号经调制后的几项性能  214
7.2  QPSK数字调制技术  215
7.2.1  QPSK的谱分析  215
7.2.2  QPSK误码性能要求  219
7.3  OFDM数字调制技术  221
7.4  MVSB(残留边带)数字调制技术  229
7.4.1  8VSB和16VSB数字调制后的频谱利用率  229
7.4.2  QPSK、MQAM、OFDM、MVSB小结  230
7.5  字节到符号映射  231
7.6  MQAM调制  232
7.6.1  QAM的功率谱分析  232
7.6.2  16QAM频谱利用系数和它的星座图  234
7.6.3  64QAM奈奎斯特基带滤波器的特性  237
7.7  π/2旋转不变QAM星座的获得  238
7.8  Offet-QAM数字调制技术  241
7.8.1  Offet-QAM调制电路  241
7.8.2  Offet-QAM调制原理  242
7.9  反向信道(上行信道)数字调制技术  243
7.10  美国ATSC数字电视地面广播系统介绍  245
第8章  数字音频技术  248
8.1  数字音频广播  248
8.1.1  DAB的技术特点  248
8.1.2  尤里卡(Eureka)147/DAB发射系统  249
8.1.3  尤里卡(Eureka)147/DAB接收系统  253
8.2  MPEG音频压缩技术  255
8.2.1  音频特性及其编码   255
8.2.2  MPEG-1音频压缩技术  257
8.2.3  MPEG-2音频压缩技术  263
8.2.4  MPEG-1、MPEG-2音频参数的比较  266
8.2.5  MPEG-2中的AAC编码  266
8.2.6  MPEG-4数字音频压缩技术  268
8.3  美国HDTV  AV-3音频压缩技术  270
8.4  家庭影院和环绕立体声  274
8.4.1  从留声机到家庭影院  274
8.4.2  家庭影院的概念及构成  275
8.4.3  现实声场诸要素  276
8.4.4  家庭影院杜比环绕声  276
8.4.5  家庭影院杜比定向逻辑环绕声系统   279
8.4.6  家用THX系统  280
8.4.7  家庭影院扬声器系统  282
8.4.8  关于多声道环绕声  284