【正文】 JH8000DTV數(shù)字電視實驗系統(tǒng)概述 3第一章 視頻A/D、D/A 實驗 6 實驗原理 6 視頻A/D變換器 6 視頻D/A變換器 9 實驗電路 23 實驗電路總體框圖 23 視頻A/D變換電路模塊 23 視頻D/A變換電路模塊 27 數(shù)字處理模塊（可編程器件） 29 實驗內(nèi)容 31 實驗一 視頻源的參數(shù)調(diào)整 31 實驗二 亮色延時實驗 34 實驗三 量化比特數(shù)對數(shù)字圖像質(zhì)量的影響 36 實驗四 視頻A/D，D/A參數(shù)的觀測 39 實驗五 數(shù)字電視的國際標(biāo)準(zhǔn)（ITU601號建議） 41第二章 音頻A/D，D/A實驗 43 實驗原理 43 音頻信號取樣頻率的選擇 43 聲音信號（雙極性信號）量化信噪比 44 音頻信號的量化比特數(shù)的確定 44 實驗電路 45 實驗電路總體框圖 45 音頻AD系統(tǒng)模塊電路簡介 45 音頻AD系統(tǒng)模塊電路簡介 46 數(shù)據(jù)處理與控制模塊 48 實驗內(nèi)容 51 實驗一 抽樣頻率及量化比特數(shù)對聲音質(zhì)量的影響 51 實驗二 觀測各種時鐘數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系 54第三章 MPEG視頻編碼 57 實驗原理 57 MPEG2 編解碼系統(tǒng) 57 MPEG2 壓縮編碼模塊 62 實驗電路 71 MPEG編碼模塊電路 71 MPEG解碼模塊電路 77 實驗內(nèi)容 82 實驗一 節(jié)目碼流和傳輸碼流實驗 82 實驗二 包識別碼（PID）實驗 84 實驗三 視頻編解碼延時實驗 86 實驗四 視頻幀結(jié)構(gòu)實驗 88 實驗五 視頻編碼速率實驗 90 實驗六 圖像子采樣模式實驗 92 實驗七 GOP實驗 94 實驗八 圖像格式實驗 96第四章 MPEG音頻編碼 98 實驗原理 98 MPEG1音頻壓縮編碼 98 MPEG2音頻壓縮編碼 107 MPEGMPEG2音頻參數(shù)的比較 109 MPEG2中的AAC編碼 110 實驗內(nèi)容 112 實驗一 MPEG音頻層實驗1 112 實驗二 MPEG音頻層實驗2 114附錄：波形說明 116JH8000DTV數(shù)字電視實驗系統(tǒng)概述 JH8000DTV數(shù)字電視課程實驗箱是完全按照數(shù)字電視國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和生產(chǎn)的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)，可以提供數(shù)字電視課程所需的若干實驗，同時可以作為實際數(shù)字電視傳輸課程培訓(xùn)時的實驗裝置。一．系統(tǒng)描述 JH8000DTV系統(tǒng)主要由視音頻A/D,D/A模塊,視音頻信源編碼、解碼模塊,TS流形成與解復(fù)用模塊,DVB SPI 收發(fā)接口等模塊組成。音頻A/D模塊板音頻信源編碼TS流的形成DVB SPI TX模塊傳輸信道DVB SPI RX模塊TS流的解碼視頻信源解碼音頻信源解碼D/AD/ATV監(jiān)視器視頻A/D模塊板視頻信源編碼圖1 為JH8000系統(tǒng)原理框圖：圖1 JH8000DTV系統(tǒng)框圖各部分的組成及功能簡述如下：1） 視音頻A/D、D/A模塊：采用專用的集成芯片，按照國際標(biāo)準(zhǔn)采樣時鐘和采樣格式將模擬輸入的視音頻信號變成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視音頻信號。2） 視音頻信源編碼、解碼模塊：按國際上MPEG－2壓縮標(biāo)準(zhǔn)完成對數(shù)字視音頻碼流的壓縮編碼。3） TS流形成與解復(fù)用模塊：按國際標(biāo)準(zhǔn)將視音頻信源編碼板輸出的MPEG視音頻碼流打包成TS流或解復(fù)用成MPEG視音頻碼流送入視音頻信源解碼板。4） DVB SPI 收發(fā)接口模塊：將MPEG2的TS流按DVB SPI的國際接口標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)編解碼之間的碼流傳輸。其中各個模塊既可以獨立進行分塊實驗，又可以綜合組成數(shù)字電視系統(tǒng)傳輸實驗JH8000DTV（包括視音頻A/D模塊、視音頻信源編解碼模塊，TS流形復(fù)用與解復(fù)用模塊和DVB SPI傳輸接口模塊）完成系統(tǒng)總體實驗二．系統(tǒng)實驗1．系統(tǒng)總體實驗在實驗中我們使用JH8000DTV實驗箱搭建系統(tǒng)總體實驗環(huán)境，并緊密結(jié)合系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，通過親手對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和測試，讓試驗者初步建立數(shù)字電視系統(tǒng)總體概念。2． 分模塊實驗通過系統(tǒng)總體實驗之后，我們可在建立總體概念的基礎(chǔ)上，將總體系統(tǒng)拆分成若干功能的子模塊。每一功能子模塊作為一個相對獨立的分模塊實驗板，這樣便于實驗者從模塊實驗中掌握數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中各部分原理、功能、技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)及在整個數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中的影響，同時讓學(xué)生了解各個模塊的設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方法，為學(xué)生今后在數(shù)字電視系統(tǒng)設(shè)備的研究方面打下扎實的研究基礎(chǔ)。整個實驗系統(tǒng)可以分成：直接視頻、音頻的ADDA閉環(huán)實驗裝置和接入后續(xù)編解碼模塊以及傳輸模塊的開環(huán)實驗裝置，可以進行的實驗?zāi)K有：（1）視頻源參數(shù)設(shè)置模塊（開環(huán)）l 亮度設(shè)置l 色度設(shè)置l 對比度設(shè)置l 輸入信號源選擇設(shè)置l 信號源制式設(shè)置l 場信號標(biāo)識行設(shè)置l 行有效像素數(shù)設(shè)置（2）視頻編碼參數(shù)設(shè)置模塊（開環(huán)）l 系統(tǒng)模式設(shè)置，可以設(shè)置MPEG1或MPEG2 編碼方式l 系統(tǒng)編碼碼流模式設(shè)置，可以設(shè)置編碼碼流輸出格式：節(jié)目碼流(PS)或傳輸碼流(TS)。l 可編程設(shè)置GOP結(jié)構(gòu)：I、B、P幀的組合，包括I、IP、IBP、IBBP等。l 可編程設(shè)置編碼速率：512K15M （NX256K， N=257）l 可編程設(shè)置數(shù)字視頻標(biāo)識碼：VPID。l 可編程設(shè)置數(shù)字音頻標(biāo)識碼：APID。l 可編程設(shè)置數(shù)字參考時鐘標(biāo)識碼：PCRPID。l 可編程設(shè)置僅視頻編碼，音頻不編碼工作方式。（3）音頻編碼參數(shù)設(shè)置模塊（開環(huán)）l 設(shè)置MPEG音頻編碼層：Layer1 or Layer2l 設(shè)置音頻采樣速率l 設(shè)置音頻編碼輸出速率l 設(shè)置音頻預(yù)加重模式l 設(shè)置音頻聲道處理模式l 設(shè)置音頻PES標(biāo)志（4）MPEG編碼參數(shù)設(shè)置模塊（開環(huán)）l 可編程設(shè)置編碼模式l 可編程設(shè)置編碼速率：512K15M （NX256K， N=257）l 設(shè)置圖像采樣模式l 可編程設(shè)置GOP模式l 可編程設(shè)置GOP長度l 可編程設(shè)置圖像編碼：D4/3 D2/3 D1/2 DSIF、QSIF、SliceScreenl 可編程設(shè)置圖像預(yù)處理濾波模式（5）視頻AD/DA實驗?zāi)K（閉環(huán)）l 亮度設(shè)置l 色度設(shè)置l 對比度設(shè)置l 色飽和度設(shè)置l 色調(diào)設(shè)置l 亮色延遲設(shè)置l 彩色關(guān)閉設(shè)置（6）音頻AD/DA實驗?zāi)Kl 音頻采樣頻率設(shè)置l 音頻量化比特數(shù)設(shè)置l 靜音模式設(shè)置第一章 視頻A/D、D/A 實驗視頻A/D、D/A變換器是數(shù)字電視系統(tǒng)（圖11）的重要組成部分。視頻A/D、D/A變換器性能的好壞對整個數(shù)字電視系統(tǒng)重現(xiàn)圖像質(zhì)量有著非常重要的影響。因此，通過視頻A/D、D/A實驗，更好的掌握視頻A/D、D/A的原理，技術(shù)參數(shù)，國際標(biāo)準(zhǔn)等就顯的十分必要。 下面分別介紹視頻A/D、D/A變換器的工作原理，參數(shù)選擇，國際標(biāo)準(zhǔn)，以及各實驗的內(nèi)容，要求，方法等。A/D數(shù)字處理器D/A模擬信號 模擬信號圖11 數(shù)字設(shè)備基本系統(tǒng)組成 實驗原理 視頻A/D變換器A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。它主要包括取樣、量化和編碼三大部分。取樣，是實現(xiàn)時間軸上的離散化；量化，是實現(xiàn)幅度軸上的離散化；編碼，是實現(xiàn)把離散化了的數(shù)據(jù)用二進制碼型表示，進而變?yōu)橐幌盗械碾娒}沖。 A/D轉(zhuǎn)換器示意圖1．分量編碼中取樣頻率的選擇分量編碼是指對亮度信號（Y）和兩個色差信號（RY）、（BY）分別進行取樣、量化和編碼。在分量編碼中，由于不受色副載波的影響，而且與彩色電視制式關(guān)系不大，為了便于國際間節(jié)目的交換，建議取樣頻率應(yīng)能兼容625行/50場和525行/60場兩種掃描體制。根據(jù)取樣定理，要求取樣頻率fs≥2fm，為了防止頻譜混疊失真，應(yīng)選擇fs（~） fm，又為了實現(xiàn)正交取樣結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足fs為行頻fH的整數(shù)倍。綜合上述諸條要求，~6 MHz，取樣頻率可選為fs==12~ MHz。對于625行制式行頻為fH= MHz，對于525行制式行頻為fH=，為了滿足兼容兩種制式的要求。對625行制式，每行取樣點數(shù)為：對于525行制式，每行取樣點數(shù)為： 對于兩個色差信號（RY）和（BY），近似為亮度信號上限頻率的一半，為了方便起見，色差信號的取樣頻率選為： fs(RY)= fs(BY)=fSY=對于625行制式，色差信號每行取樣點數(shù)為864=432，對于525行制式，則每行取樣點數(shù)為858=429。亮度信號和兩個色差信號三者的取樣頻率比例關(guān)系為： fs(Y) : fs(RY) : fs(B –Y) =4:2:2故把這種選擇取樣頻率方式稱為4：2：2標(biāo)準(zhǔn)，這就是分量編碼中取樣頻率的選擇。2．量化量化是使幅度連續(xù)的抽樣值進一步在幅度上離散化的過程。以便能用有限長度的碼字來表示抽樣點的幅度。量化可分為舍入量化和截尾量化。舍入量化即用四舍五入來處理被量化信號與預(yù)置量化級數(shù)電平之間的差值。截尾量化即把高于預(yù)置量化級數(shù)電平的尾數(shù)部分全部舍去。截尾量化誤差比舍入量化誤差大一倍，因此，一般只采用舍入量化而不采用截尾量化。由量化誤差所產(chǎn)生的噪聲稱量化噪聲。設(shè)圖像信號的最大幅度為A，將它均勻量化成N級，量化級差為△A，有：A=N△A，N=2n （以二進制表示）電視信號（單極性信號）的量化信噪比定義：量化信噪比= （n為量化比特數(shù)） 用分貝表示：可以得出結(jié)論：量化比特數(shù)n每增加1bit，則信噪比上升6dB；反之，每下降1bit；信噪比降低6dB。 量化比特567891041dB47 dB53dB59dB65dB71dB 3．編碼 A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼，是把代表特定量化電平等級的比較器的輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)組合，變換成以n比特表示的二進制數(shù)碼，即每一組二進制數(shù)碼代表一個取樣值的量化電平等級。在接受端解碼時，從這個數(shù)碼（或稱數(shù)據(jù)）中重新恢復(fù)出原模擬信號電平。4．視頻A/D D/A的特點l 抽樣頻率高，fs=27MHz (對全信號編碼)fs= (對分量信號編碼)l 量化比特數(shù)高，n=8—10比特 視頻D/A變換器 模擬信號被數(shù)字化之后，送入數(shù)字設(shè)備進行處理、記錄或傳送。最后，當(dāng)與其他模擬信號設(shè)備聯(lián)結(jié)時，需要重新還原為模擬信號。用于把數(shù)字信號還原為模擬信號的設(shè)備、稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或D/A變換器 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器方框圖，主要有數(shù)字解碼、內(nèi)插低通濾和零階保持補償?shù)热糠蛛娐方M成。數(shù)字解碼是主要部分，其作用是把代表取樣值的二進制數(shù)碼還原為相應(yīng)的量化電平脈沖。內(nèi)插低通濾波器，用于把離散的脈沖轉(zhuǎn)換為在時間軸上連續(xù)的模擬信號。由于內(nèi)插濾紙不可能具有理想的門函數(shù)頻率特性，又因編碼時的取樣脈沖也不可能是理想的 沖擊函數(shù)序列而是具有一定寬度的脈沖，這都會使恢復(fù)的模擬信號高頻成分受到損失。因此，內(nèi)插低通濾波器之后，又加入零階保持補償電路，用于提升模擬信號的高頻成分，使輸出信號更接近原來的模擬信號。視頻 D/A的特點l 運算精度高。l 運算速度快。1．電視信號數(shù)字化的國際標(biāo)準(zhǔn)分量電視信號的數(shù)字編碼有利于國際間的電視節(jié)目交換。在1982年的CCIR第15次全會上通過了CCIR601號建議書，確定了能實現(xiàn)625行/50場和525行/60場兼容的分量編碼4：2：2標(biāo)準(zhǔn)，以后又作了若干補充修正。 數(shù)字分量視頻標(biāo)準(zhǔn)，則是分別對三個信號（一個亮度信號和二個色差信號）進行取樣和量化編碼，如前所述,由于消除了色副載波影響，信號質(zhì)量較高，也有利于制式間的兼容，但是設(shè)備復(fù)雜，造價高，而且碼率也高。在數(shù)字分量信號中，亮度信號（Y）峰峰幅值為700VPP，黑電平與消隱電平一致，同步電平為300MV，同步信號僅加入亮度信號中；兩個色差信號分別稱為CR和CB，以0電平雙向?qū)ΨQ，其滿幅度均為700MVPP。 CR=（EREY） CB=（EBEY）2．?dāng)?shù)字分量各信號的取樣頻率比例根據(jù)在前邊已介紹過取樣頻率的選擇原則，各信號取樣頻率之間應(yīng)滿足一個固定的比例。，抽樣比例有以下幾種。 亮度與色差信號取樣點的分布圖（1）4：2：2方式這是較常用的標(biāo)準(zhǔn)方式，=。（2）4：4：4方式這是一些高檔級的演播室選用的高質(zhì)量的取樣標(biāo)準(zhǔn)，4=，（3）4：1：1方式1=。，圖中代表亮度取樣點，而○代表色差 CR和CB的取樣點。3．?dāng)?shù)字分量4：2：2標(biāo)準(zhǔn)舉例現(xiàn)以數(shù)字分量4：2：2為例說明如下。 4：2：2標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)參數(shù)名稱625行/50場525行/60場編碼信號1行取樣點數(shù)亮度信號（Y）色差信號（RY）、（BY）Y、RY、BY864432858429取樣結(jié)構(gòu)正交，行、場、幀重復(fù)，（RY）、（BY）樣點同位，并與每行的亮度信號第奇數(shù)個（5…）樣點同位。取樣頻率亮度信號每個色差信號量化方式亮度信號與色差信號均采用每樣值8比特均勻量化一個有效行取樣點數(shù)亮度信號