数字电视压缩的编码技术

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数字电视要实用化,必须要进行数码率的压缩。对数字电视信号压缩处理主要从两个方面着手,一是为改善信息源的效率而进行的信源编码;另一是为提高信息传输可靠性而进行的信道编码。下面分别作些介绍。

一、信源编码

信源编码目的是寻求各种途径来改善和提高信息源的效率。它一般由三个步骤完成,如图1所示。首先对表示信息的信号形式进行某种变换,尽量去除原信源信息的内部相关性或降低其结构上存在的冗余度。第二是量化,在满足对图像质量一定要求的前提下,减少表示信号的精度,主要通过符合主观视觉特性的量化来实现,最后是进行统计编码,根据各符号概率的大小分配不同长度的码,使各符号的概率均匀化,以消除信息中所含的统计冗余度。经过上述对信息的符号独立化和概率均匀化的处理,使信源的效率得到改善。常用的信源编码方法有预测编码、变换编码和变字长编码等。

图1
图1 🔍原图 (815×186)

1.差值脉冲编码

差值脉冲编码实际上是一种预测编码方式,它是预测编码的基本电路。原理框图见图2。发送端由一个加法器(实施减法),一个延迟时间为一个样值周期的延迟元件,经过相减输出的是当前样值与前一个样值的差值。接收过程相反,用收到的差值加上前一个样值得到当前样值。实用的差值脉冲编码电路做了一些改进,它消除了原理电路中的输出误差与当前和前值量化误差积累的缺点,使输出样值的误差仅与当前的量化误差有关,而与以前的误差无关。

图2
图2 🔍原图 (684×207)

2.变字长编码

变字长编码是根据信息符号出现概率的大小、分配不同长度的码。进行概率均匀化处理。在此以一个例子介绍常用的霍夫曼编码。

假设一个七个值的数据流,值分别为0、1、2、3、4、5、6,概率分别为0.4、0.18、0.09、0.22、0.07、0.03、0.01,霍夫曼编码组成见图3。这样得到的各符号二进制码长不等,但仍然是唯一可分的。

图3
图3 🔍原图 (543×294)

3.预测编码

预测编码的基本原理是利用图像本身的各种特性来预测将要发送的样值,使被减的样值尽量接近将要发送的样值。两者越接近,小幅值差值出现的概率越大,整个系统的效率就越高。预测编码发送端由加法器、预测、量化和编码器组成,接收端由解码器、预测器和加法器组成。收发两侧有相同的预测器,原理图见图4,原理与差值脉冲编码实用电路相同,只是将样值延时器换成预测器,传送的是样值与预测值的差值。预测编码中的关键部件是预测器。预测器有线性预测和非线性预测,线性预测使用得较多。

图4
图4 🔍原图 (784×195)

在实际电路中,为了适应不同的需要,不同的预测方法在电路实现上做了具体的改动。实用中还可采用混合编码的方法,如自适应预测编码器就是采用这种方法,它根据图像的内容自动地采用帧内或帧间预测的方法,其电路框图如图5所示。

图5
图5 🔍原图 (616×423)

4.交换编码

图像信号千变万化,但许多自然景物都具有某种固有的结构。如能找到一种符号图像本身内在特性的变换方法,将原来的图像样值序列变换成一个特性更利于进行统计编码的新序列,就能得到效率更高的编码方法。这种变换可以讲是一种广义的频域变换。目前应用最广泛的是离散余弦变换,其变换的主要规则是首先将样值划成M×N像块,然后把M×N个样值利用离散余弦变换变成M×N个像数。然后再读出(之字型),进行量化和变字长编码,最后传输或记录。其变换原理见图6,图中以4×4像素为一像块单元。

图6
图6 🔍原图 (848×376)

5.子带编码

子带编码方法是使用一组适当的滤波器,将宽频带信号(视/音频)分割为若干子频段信号、在一段时间内组成一数字帧信号流输出。这种方法在视音频压缩技术中均有应用,其区别主要是:采用的滤波器和压缩方法不同;分别应用人眼和耳的生理特性进行数据率压缩;输出数据流的复接方式也不同。

二、信道编码

一般来说经过信源编码使信源各符号间的相关性减少,比原来更加独立,这往往会使信号的抗干扰能力下降。而且当符号表示愈有效即冗余度压缩愈多时,误码影响愈严重。因此要使信源编码的各种方法真正有效,还必须对信道进行抗干扰性编码,也即信道编码。

信道编码可概括为两个方面:一是要求码列的频谱特性适应通道的频谱特性,使信号的能量损失最小,从而减少发生差错的可能性,即频谱成形技术。另一个是在码列中加入附加信息,即使发生差错也能被发现并纠正,即检/纠错编码、从以上两个方面来保证信道具有一定通透性,具有检/纠错能力。

信道编码从广义上讲可以包括以下几个部分:频谱成形、检/纠错编码和信道调制。其组成见图7。经过信源编码后的数据流,经过这些环节处理后,成为具有一定抗干扰能力和检/纠错能力,而且适应相应传输信道传输特性要求的新的数码流。再通过各种媒体传输或记录后,即实现了数字电视的传输。

图7
图7 🔍原图 (825×192)

由于实际传输媒介不同,各部分所采用的处理技术也有所差异,在此仅就一些常用方法进行简介。

1.频谱成形

(1)改变编码码型

这种方式在数字录音和录像通道中应用较多。因为做磁性记录和光电记录时,其媒体记录无法使直流成分通过。为了使码列的频谱向中频集中,降低码列中的低频分量是改变编码码型的目的。常用特性较好的是密勒码和双二进制编码。

(2)改变传输通道特性

信息论中,无码间干扰条件是数码率为Wbit/s的数字信号,在截止频率为W/2Hz的理想低通特性的信道上传输。实际通带均是带宽有限通道,会使脉冲(码元)发生扩散,如到达接收端后脉冲宽度超过一个周期,而对下一个码的判定造成干扰,就是产生了码间干扰。为了减少这一影响,在处理信号时采用的低通滤波器使之具有升余弦滚降特性,使之更接近理想无码间干扰的条件。

2.检/纠错编码

在实际传输中,由信道线性畸变引起的码间串扰,常可用均衡的办法纠正。而对噪声和突发性干扰的影响需要从其它途径解决。首先从合理选择调制/解调方法,加大发送功率,扩展信道频率等方面着手,使干扰不足以影响到使信道误码率达不到要求。若上述办法仍难以满足要求,就要采用差错控制措施。因此出现了各种各样的差错控制技术。

差错控制方式基本上分为两类。一类称为反馈纠错,即在发信端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码,加入少量监督码元,在接收端根据编码规定对收到的编码信号进行检查,发现错误即要求重发信息,直到正确为止。一类为前向纠错,即发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法,使接收端在收到的信号码元中不仅能发现错码,还能够纠正错码。这种纠错方法在电视技术中得到广泛的应用。

纠错编码的基本思路是通过对信息序列做变换,使原来彼此独立且相关性极小的信息码元,经过变换后产生某种相关性,从而在接收端有可能根据这种相关的规律性来检查识别,进而纠正信息序列在传输中所产生的差错。不同的纠错编码有不同的检(纠)错能力。有的编码只能检错而不能纠错,有的既能检错又可纠错。一般来讲,增加监督码元越多,检(纠)错的能力越强。也就是它以降低信息传输速率做为代价,换取了信息传输的可靠性。

数字电视压缩信道编码中常采用前向纠错编码,主要有循环码、卷积码、交织码以及它们的变异编码。

3.信道调制

信道调制采用数字调制,数字调制与模拟调制相似,也采用振幅调制、频率调制及相位调制等方法,所不同的是由于数字信号的特点,可以应用多进制调制方法,不仅可使信息谱与信道相匹配,还可以改善信道传输数率的能力。在此仅介绍一些数字振幅和数字相位调制的有关内容。

(1)数字振幅调制

数字振幅调制是各种数字调制的基础。虽然它在抗信道噪声的能力比数字频率和数字相位调制差些,但随着电路技术和相应的处理技术不断提高,这种调制方式又引起了人们的重视。正交振幅调制(QAM)是数字电视调制技术中常用的方法之一。它是在振幅调制的基础上发展起来的。实用的正交振幅调制有QAM、16QAM、32QAM、64QAM,最高可达512QAM。这种调制方式在数字电视的卫星、微波、电缆和地面传输系统中得到了广泛的应用。

(2)数字相位调制

数字相位调制也称为相移键控,它是利用载波相位的变化来传递信息的。数字相位调制有二相制、四相制和八相制等,最常用的是四根相移键控调制(QPSK)。

在调制技术中常采用的方式还有正交频分复用编码调制以及多电平残留边带调制等,不再赘述。(黄竞)