数字电视信源编码的主要技术与标准

　【摘要】:本文介绍了有关数字电视信源编码的一些主要技术和标准,包括数字演播室标准ITU--601,压缩编码的基本原理和方法,图像压缩编码标准H261,JPEG和MPEG,以及作为数字电视信源编码标准输出的MPEG--2码流的形成。

　　准数字电视和数字高清晰度电视在内的数字电视体系的开发研究正加紧进行。美国已完成称为GA的数字高清晰度电视的标准制定及其进入实用的时间表，欧洲则在开发独立的数字电视方案，并制定了数字电视广播DVB的标准。这一切都是以数字电视信源编码的一系列技术与标准的成熟为基础的。信源编码作为数字电视系统的核心构成部分，直接决定了数字电视的基本格式及其信号编码效率，决定了数字电视最终如何在实际的系统中实现。

　　一.数字电视的信源编码

　　一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现等诸多环节。数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如图1所示：



　　电视信号在获取后经过的第一个处理环节就是信源编码。信源编码是通过压缩编码来去掉信号源中的冗余成分，以达到压缩码率和带宽，实现信号有效传输的目的。信道编码是通过按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错，以保证信号的可靠传输。信道编码后的基带信号经过调制，可送入各类通道中进行传输。目前数字电视可能的传输通道包括卫星，地面无线传输和有线传输等。

　　信源编码的目的是通过在编码过程中对原始信号冗余度的去除来压缩码率，因此压缩编码的技术与标准成为信源编码的核心。九十年代以来，各种压缩编码的国际标准相继推出，其中MPEG－2是专为数字电视《包括标准数字电视和数字高清晰度电视》制定的压缩编码标准。MPEG－2压缩编码输出的码流作为数字电视信源编码的标准输出码流已被广泛认可。目前数字电视系统中信源编码以外的其他部分，包括信道编码，调制器，解调器等，大都以MPEG－2码流作为与之适配的标准数字信号码流。

　　信源编码的第一步首先要对模拟电视信号进行取样和模数变换，相应的需要一个统一的标准。数字演播室标准ITU－R601正是为此制定的国际标准。

　　二.数字演播室标准ITU－R601

　　早在七十年代末，英国广播公司和索尼公司就分别展示了其各自开发的彩色数字录像机，成为最早的数字电视编录产品，由此促成了电视信号模数转换规范的产生。1980年，国际无线电咨询委员会CCIR提出了电视信号模数转换标准的建议，即称为数字演播室标准的CCIR601。后来CCIR成为国际电信联盟的无线电委员会，称为ITU－R，相应的CCIR－601也改称ITU－R601，成为模拟电视向数字电视转变过程中的第一个标准规范，其分量编码标准如表1所示。

　　表 1 ITU－R601数字演播室分量编码标准《4：2：2》

参数 电视制式 PAL NTSC

每行取样数 亮度信号 每个色差信号

864 858 432 429

取样结构 正交取样，色差信号与亮度信号的奇次样值同位

取样频率 亮度信号 每个色差信号

13.5兆赫 6.75兆赫

编码方式 亮度和色差信号均采用线性PCM，8比特量化

每数字有效行取样数 亮度信号 每个色差信号 720 360

量化级数 亮度信号 每个色差信号

220 224

　　参数说明：

　　1.取样频率：根据奈奎斯特定理，取样频率应至少不低于信号最高频率的2倍。其次，为便于进行信源编码，取样结构最好为正交结构，即每个取样点应与其相邻行和相邻帧对齐。为此取样频率必须为行频的整数倍。要同时满足PAL与NTSC的正交取样，取样频率应为两者行频的公倍数。同时，取样频率的选取还必须兼顾码率和带宽。综合考虑上述因素，亮度信号的取样频率定为13.5兆赫。在4：2：2格式中，每个色差信号取样数为亮度信号的一半，取样频率定为6.75兆赫；

　　2.每行取样数：由取样频率除以行频得到每行取样数。为提高编码效率，去掉行场逆程的取样，得到降低了的每数字有效行取样数；

　　3.编码方式：采用简单的线性PCM编码。量化比特数为8比特，这是一个由实验决定的结果。具体实验显示，8比特量化产生的256级量化级，已完全能满足人眼对亮度与色度层次分辨的需要。