数字电视机顶盒的内部系统信号处理过程及其特性研究
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周朔
（北京工业大学 实验学院，北京，101101）
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摘要
目的：为了研究数字电视机顶盒内部信号处理的过程及其特点。方法：运用了原理列举法 公式推导法等进行研究。结果：（1）数字电视机顶盒处理信号的原理很简单；（2）数字电视机顶盒处理信号的过程与大学所掌握的信号知识有很大联系（3）数字电视机顶盒内部系统的构成改进了原有电视的信号处理模式；
关键词：
数字电视机顶盒；信号处理；特性
The research about the signal process of The Digital TV set top box and its feature
Zhou Shuo
(The Pilot College Of Beijing University of Technology, Beijing, 101101)
Objective: In order to explore the process of The Digital TV set top box. Method :the use of experimental methods, principle list reduction and other research. Results:(1)The principle of the signal process of The Digital TV set top box is easy.; (2)the signal process of The Digital TV set top box have close relationship with the knowledge we have learned ；(3)The system of The Digital TV set top box transform the traditional process of the signal;
Key words: The Digital TV set top box; signal process; feature
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本文是信号与系统教学的课题之一。 作者简介：周朔（1994— ），男，北京工业大学实验学院电子信息工程系，本科在校学生；
一、 数字电视信号的产生
直接产生：字幕机，数字摄像机等
转换产生： 电影胶片——电视电影机 ；
模拟信号1-数字信号2（A/D转换）——信号数字化 （一）信号数字化过程 （模拟转数字）
? 取样：取样频率，抽样定理：取样频率≥信号最高频率的两倍，将时间上连续信号变换成时间上离散的信号
? 量化：将数量上连续的离散信号样值进行离散化处理，使之变成数量 上不连续的离散信号
? 编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用n比特二进制码（通常用8bit）来表示已经量化了的取样值，称为编码。 每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列起来， 就得到基带数字信息流。 传输速率：传输速率=取样频率fs×量化比特数
f(t) 模拟信号 前置滤波器 取样器 量化器 编码器 f(n)
（二）音频信号的数字化 ? 取样频率：>40KHz。
常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。 ? 量化比特数：8bit，12bit，16bit。
? 声道：单声道，双声道（立体声） 取样频率×量化比特数×声道数 ? 数字音存储量： 字节（8bit） （三）视频信号的数字化 编码方式：
复合编码——将彩色全电视信息直接 编成PCM码，与电视制式有关，需解码， 频分复用，产生亮，色串扰
分量编码——将亮度信号Y，色差信号R- Y和B-Y分别编码成PCM码，与电 视制式无关，无需解码，时分复用，无亮，色串扰 （四）量化比特数和量化级 量化比特：
Y，B-Y，R-Y都采用 8bit 均匀量化 ；未经γ较正的信号采用10bit均匀量化
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模拟信号：在我们打电话时，电话线上传送的电信号是随着我们通话声音大小的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都
是连续的，我们把这种信号称为模拟信号。平常我们所能看见的电视、听见的声音、电话、传真信号等都属这类信号。模拟信号在传输过程中容易衰减和失真
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数字信号：对模拟信号进行抽样、量化和编码，把连续的信号取值截取为一串间断的脉冲信号，可以用二进制数进行表示和记录，我们称之为数
字信号。计算机内部所能处理的信号都是数字信号。数字信号在传输过程中不容易失真，可再生（还原）性强。采用此方式对电视（视频）信号进行处理，所获得的信号就被称之为数字电视（视频）信号。
量化级： 亮度信号 8bit ，256个量化级，0-255 为防止过载 上端留20级，下端留16级，量化级 16 表示黑电平 ，量化级235表示白电平 （五）音频与视频信号的压缩
数字信号的压缩：电视信号数字化后的数据量过大，使普通的存储器难以接受。而且，数码率太高使数字电视信号频带过宽，频道利用率太低，甚至无法容纳整个信号的传输。 分量编码：4:2:2标准：R=165.9Mb/s 频带宽度B≈83MHz ；4:4:4标准：R=278.7Mb/s 频带宽度B≈140MHz；4次群的R为139.264Mb/s，可传话路1920路 。1920路电话传不了一套4:2:2的数字电视节目；用11套模拟电视节目换一套数字电视节目。号频带太宽，频带利用率低，频率资源严重浪费。同时对电路要求高，设计复杂，维修困难，设备造价高。 所以对数字信号进行压缩显得很有必要。由于图像本身存在大量的冗余: 空间相关冗余时间相关冗余；符号相关冗余；结构相关冗余；知识相关冗余。以及人类的视觉冗余，所以对于图像信号的压缩时可行的。
压缩的途径及方法：行、场逆程不传送，在接收端重新形成；亚奈奎斯特取样法，使得采样频率fs＜2fm，使混叠分量与亮度谱线交错；采用高效率的编码――信源编码，去除电视信号中的冗余。 ? 图像压缩
预测编码：利用某种数学模式对以前已知的相关数据进行运算，得出一个与当前传送样值相接近的预测值，进而把当前要传送的值减去预测值，得到一个误差值――预测误差，将这个误差值编码后传送出去。 当前样值－预测值＝预测误差
预测编码去除了电视信号中空间、时间上的冗余。 给出了良好的概率分布，为后面的 压缩编码创造了条件。
一维预测：参考样值仅与xN当前样值处于同一扫描行内的预测编码； 二维预测：参考样值除了本行之外还和前一行或前几行的样值有关；
三维预测：参考样值除了本帧之外还和前一帧或前几帧图像的样值有关。
由于一、二维预测都是在同一帧内进行预测，所以也称为帧内预测编码；三维预测与前面的帧有关，所以也称为帧间预测编码。
（2）变换编码
变换编码中经常使用的是离散余弦变换——DCT变换。DCT变换是把空间域上的信号变换到频率域上，使能量在空间域上分散分布的原信号变换后能量在频率域上相对集中到某些少数区域内，即将空间域上的信号样值变换成频率域上的系数，经变换后的系数按频率由低到高分布。
DCT变换的处理步骤：
⑴将一幅图象分成若干像块，每个像块的大小为8×8个像素。 ⑵对每一块像块进行DCT变换。
772?(2x?1)u???(2y?1)v??F(u,v)?C(u)C(v)??f(x,y)cos?cos???N?2N??2N?x?0y?0277?(2x?1)u???(2y?1)v??f(x,y)???C(u)C(v)F(u,v)cos?cos???Nu?0v?0?2N??2N?
⑶对变换后的系数进行量化。
⑷进行之字形扫描（读出）和零游程编码
像块样值数据f(x,y)为8×8的矩阵，经DCT后的频域系数F(u,v)也为8×8的矩阵。此
矩阵的左上角系数F00相当于像块中64个样值的平均直流成分，其余的63个F(u,v)均表示64个样值中所含交流成分的系数 。
经过变换后，较大的系数集中在直流分量及附近的低频区域，即信号能量主要集中在直流及低频区域的少数变换系数上，高频区域的系数多为0或很小。
（3）统计编码（熵编码）
统计编码是基于信号统计特性的编码技术。它的基本原理是按信源符号出现概率的不同分配以不同长度的码字（bit数），概率大的分配以短的码字，概率小的分配以长的码字。这样使最终的平均码长很小，总的数码率大大降低。经常使用的是霍夫曼编码。基本的步骤如下：
①将每个符号按其概率由大到小顺序排列起来。
②将最小的两个概率相加，并对其中较大的概率用“1”表示，较小的概率用“0”表示。反之也可，但赋值方式应保持一致。
③把求出的和值作为一个新的概率值再按①重新排列。 ④按照这样的步骤重复进行，直到概率加到1。
⑤分配码字。由概率为1处开始沿各点参加运算的分支线从后向前（从右向左）逐一写出“0”、“1”的代号（从高位到低位写）直到各符号为止。得到的代码就是各信源符号的码字。反之也可，从符号到汇合点p＝1（从左到右），但代码的写出是从低位到高位。 ? 音频压缩
声音信号客观统计规律。人耳听觉的生理、心理学因素根据声学理论，人耳存在着一个听觉的阈值，当某个频率的声音的强度（声强）小于某个特定的数值之后，人耳就听不见了，即当声音弱到人的耳朵刚刚可以听见时，我们称此时的声音强度为“听阈”。
在编码时，可以根据人耳的特性进行编码，减少冗余。可将时间上彼此相继的取样值归并成块；由掩蔽效应，人耳听不到的不传；对于人耳不能分辨方向的频率接近的高频音，不必再分声道，将多声道的高频音耦合到一个公共通道；采用子频带编码，由每个子频带中的最小同听阈来确定各子频带取样值的必要的量化。声音压缩主要有两种编码方法：
MUSICAM编码：MUSICAM----掩蔽型自适应通用子频带集成编码与复用。这种编码的方法属于子频带编码，它是用滤波器组将宽频带的声音信号的频谱分割为宽度均为750Hz的32个子频带。每个子带的量化和比特分配是利用人耳听觉的心理声学模型和音频信号统计特性的内在联系确定，并清除音频信号中的冗余和不相干部分，来实现有效的数据压缩。
杜比AC-3编码：AC-3是杜比实验室开发的数字音频编码技术，它提供5.1环绕立体声。由于AC-3系统编码灵活，在消费电子领域，目前大多数的电影制作都使用了该技术，美国等国家的数字电视系统也采用该技术作为音频编码标准。杜比AC-3也是一种感知型编码方式，它把整个音频频带根据人耳听觉特性分割成若干个较窄的频段，利用声心理学模型模拟人耳的听觉遮蔽效应，删除人耳所听不到或可忽略的部分，并采用窗函数处理、指数变换编码、自适应比特分配等压缩编码技术。AC-3采用基于改良离散余弦变换（MDCT）的自适应变换编码（ATC）算法。
（六）数字信号的调制
完成压缩后下一步就是将数字信号传输出去，数字电视的传输方式有三种,一种是卫星传输,一种是有线传输,一种是地面传输。这三种数字电视的信源编码都采用MPEG-2的复用数据包,但由于它们的传输途径不同,因而在信道编码方面采用不同的调制方式。主要有以下方式:
1.正交振幅调制(QAM):这是近年来被国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式,正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载
波的双边带调制,利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。它的调制效率高,要求传送途径的信噪比高,它主要用于有线电视电缆传输。
2.键控移相调制(QPSK):在数字信号的调制方式中,QPSK四相移键控是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性,在电路上实现也较为简单。所以它的调制效率高,要求传送途径的信噪比低,用于卫星广播传输方式。
3.残留边带调制(VSB):VSB是介于SSB与DSB之间的一种调制方式,在VSB中,设法让一个边带通过,同时又保留另一个边带的一部分,因此这种方法称为残留边带调制。抗多径(即重影)传播效应好,适合地面广播。
4.编码正交频分调制(COFDM):它的基本思想通过采用允许子信道频谱重叠,但相互间又不影响的频分复用(FDM)方法来并行传送数据。它抗多径传播效应和同频干扰好,适合地面广播和同频网广播。
二、 数字电视机顶盒对数字电视信号的输入与接收
机顶盒输入端的基带物理接口与同步单元能够使数据结构与信号格式相匹配，信号帧结构与含同步字节的MPEG-211传送层一致，有线数字电视传送采用的MPEG-2数据传送层由188个字节的包组成，其中包头的4个字节中1个字节用于同步（47HEX），3个字节用于业务识别和加扰控制，其余的184个字节是MPEG-2数据或附加数据。同步(SYNCI)变换和随机化单元的功能是根据MPEG-2帧结 构将SYNCI字节进行反转，同时为实现频谱成形对数据流进行随机化处理。
MPEG-2传送复用器输出端的数据可随机化，在每8个传送包的开始处将伪随机二进制码 （PRBS）寄存器进行初始化。为了向解扰器提供一个初始化信号，将每组8个传送包中的第一个传送包的MPEG-2同步字节由47HEX逐比特取反转换为B8HEX，是传送复用适配的 过程。伪随机二进制码（PRBS）生成器输出的第一位加到被取反后的MPEG-2同步字节（B8HEX)后面的第一个字节的第一位（最高有效位MBS）上。在同步传送其余的7个传送包的MPEG-2同步字节期间PRBS继续工作，为使这此字节不被加扰，在此期间PRBS无输出，因此PRBS序列的 周期是1 503 B。随机化处理的过程无论是在调制器有无输入时，还是输入的比特流与MPEG-2传送的格式不兼容时都要进行避免未调制的载波由调制器输出。
卷积交织器的作用是在保持同步字节的周期不变的条件下完成深度I＝12 B的误码保护数据包的卷积交织处理，生成一个交织帧。交织帧由相互交迭的误码保护数据 包组成并且界定于已取反或没有取反的MPEG-2同步字节。交织器由几个分支构成，由输入开关周期性地把输入字节流接入各路输入。每一路是深度为M·j个单元的先入先出（FIFO）移位寄存器。每个FIFO单元大小为一个字节，输入输出开关同步。
字节到m位符号变换是将卷积交织器产生的字节变换为QAM符号（字节到符号的映射）。对于不同级别的QAM调制，映射的符号数不同。在任何情况下符号Z的MSB都是取字节V的MSB。相应地该符号的下一个有效位应取字节的下一个有效位。在2m-QAM调制情况下，该处理将k个字节映射到n个符号。其关系为8k＝n×m。为获得π／2旋转不变的QAM星座，对每个符号的2个最高有效位进行差分编码。2个MSB（最高有效位IK QK）的差份编码由下列布尔表达式表示：
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MPEG-2解码：MPEG-2是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本上是建立在MPEG-2技术基础上，MPEG-2是包括从网络传输到高清晰度电视的全部规范。MP@LL用于VCD，可视电话会议和可视电话用的H.263和H.261是它的子集。MP@ML用于DVD、SDTV，MP@HL用于HDTV。MPEG-2图像信号处理方法分运动预测、DCT、量化、可变长编码4步完成，电路是由RISC处理器为核心的ASIC电路组成。MPEG-2解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能。在视频处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。图文电视可用APHA迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据，要有很高的速度和处理能力。OSD是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提示。在音频方面，由于欧洲DVB采用MPEG－2伴音，美国的ATSC采用杜比AC－3，因而音频解码要具有以上两种功能。
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