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， 帶來了會議電視、可視電話及數(shù)字電視、媒體存儲等一系列應(yīng)用。數(shù)字信號有很多優(yōu)點(diǎn)， 但當(dāng)模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬， 一路6MH z的普通電視信號數(shù)字化后， 其數(shù)碼率將高達(dá)167 Mbps， 對儲存器容量要求很大， 占有的帶寬將達(dá)80MH z左右， 這樣將使數(shù)字信號失去實(shí)用價(jià)值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難， 壓縮后信號所占用的頻帶大大低于原模擬信號的頻帶， 因此說數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使數(shù)字信號走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)。下面就長治微波站在數(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
模擬信號通過取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號的過程稱為A /D 變換， 所得到的信號也稱PCM 信號， PCM 編碼既可以對彩色全電視信號直接進(jìn)行， 也可以對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別進(jìn)行， 前者稱為全電視信號編碼， 后者稱為分量編碼， 這是最基本的編碼形式。數(shù)字壓縮編碼技術(shù)可分為無損壓縮和有損壓縮兩大類， 無損壓縮即壓縮后可恢復(fù)原來的信號， 有損壓縮在解壓后無法恢復(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)測編碼， 如差值編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測和運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測等; （ 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）基于可視對象的編碼; （ 6）可分級編碼。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議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用， 一臺高級的編碼器不僅具有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。
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， 帶來了會議電視、可視電話及數(shù)字電視、媒體存儲等一系列應(yīng)用。數(shù)字信號有很多優(yōu)點(diǎn)， 但當(dāng)模擬信號數(shù)字化后其頻帶大大加寬， 一路6MH z的普通電視信號數(shù)字化后， 其數(shù)碼率將高達(dá)167 Mbps， 對儲存器容量要求很大， 占有的帶寬將達(dá)80MH z左右， 這樣將使數(shù)字信號失去實(shí)用價(jià)值。數(shù)字壓縮技術(shù)很好地解決了上述困難， 壓縮后信號所占用的頻帶大大低于原模擬信號的頻帶， 因此說數(shù)字壓縮編碼技術(shù)是使數(shù)字信號走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)。下面就長治微波站在數(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
模擬信號通過取樣、量化后編碼為二進(jìn)制數(shù)字信號的過程稱為A /D 變換， 所得到的信號也稱PCM 信號， PCM 編碼既可以對彩色全電視信號直接進(jìn)行， 也可以對亮度信號和兩個(gè)色差信號分別進(jìn)行， 前者稱為全電視信號編碼， 后者稱為分量編碼， 這是最基本的編碼形式。數(shù)字壓縮編碼技術(shù)可分為無損壓縮和有損壓縮兩大類， 無損壓縮即壓縮后可恢復(fù)原來的信號， 有損壓縮在解壓后無法恢復(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)測編碼， 如差值編碼、幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測和運(yùn)動補(bǔ)償預(yù)測等; （ 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）基于可視對象的編碼; （ 6）可分級編碼。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議電視、遠(yuǎn)程教育等各種應(yīng)用， 一臺高級的編碼器不僅具有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。
3 MPEG- 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)像素通常與它周圍的某些像素在亮度和色度上存在一定的關(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。
MPEG - 2 中的編碼圖像分為3 類， 分別稱為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， 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， 也可以是幀內(nèi)編碼。B 幀圖像采用雙向時(shí)間預(yù)測， 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)是解決圖像信號的壓縮和保存問題， 信道編碼的主要任務(wù)是解決圖像信號的傳輸問題。圖像信號的數(shù)據(jù)量大， 如不進(jìn)行壓縮， 數(shù)字電視信號就無法實(shí)時(shí)傳送， 而壓縮的主要方式就是除去冗余信號。所謂冗余信號是指那些與信息無關(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（或稱相關(guān)性）， 在傳送時(shí)會出現(xiàn)連續(xù)傳送許多相同數(shù)據(jù)的情況， 稱之為空間冗余， 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， 對于25幀/ s的圖像來說， 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， 也就是說每一幅圖像的變化是可預(yù)測的。利用圖像的時(shí)間冗余特性，把圖像信號在時(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。圖像和聲音信號數(shù)字化后遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律， 如在圖像預(yù)測編碼系統(tǒng)下， 當(dāng)前像素信號的預(yù)測值是由前幾個(gè)相鄰像素值或該像素在前一段上的時(shí)間值預(yù)測出來的。根據(jù)圖像的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性可知預(yù)測誤差小的信號出現(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， 對出現(xiàn)概率大的小誤差信號值用短碼， 而對出現(xiàn)概率小的大誤差信號值用長碼， 這樣就去掉了信號在統(tǒng)計(jì)上的冗余信息。
?。?4） 知覺冗余。人的視聽器官都具有某些不敏感性。知覺冗余是指處于人們視覺和聽覺分辨力不敏感或達(dá)不到的視音頻信號， 對這些無關(guān)緊要的信息給與較大的失真處理， 人們并不會明顯地感到圖像和聲音質(zhì)量的降低， 甚至毫無覺察。因此在編碼時(shí)可以分長碼和短碼來對不同的內(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)過信源編碼后的圖像信號送入多路復(fù)用器中與數(shù)字音頻信號進(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。接收端與此過程正好相反， 電視信號數(shù)據(jù)經(jīng)過打包后， 使其具備可擴(kuò)展性、分級性、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)的目的是通過糾錯編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、均衡等技術(shù)提高信號的抗干擾能力， 保證傳輸信號的可靠性。信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元， 從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯和糾錯的目的。因此它與信源編碼是矛盾的一對， 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。