數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)壓縮與傳輸技術(shù)探討

趙義艷

（遼寧省二O 一廣播電視臺(tái)，遼寧 錦州 121300）

1 數(shù)字信號(hào)概述

信號(hào)數(shù)據(jù)從表現(xiàn)形式上可歸結(jié)為：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)民。模擬信號(hào)指幅度取值是連續(xù)的，平時(shí)我們聽到的聲音、看到的電視圖像陽模擬信號(hào)。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)一般要經(jīng)過抽樣、量化、和編碼這樣三個(gè)過程，最終變成由一連串由0 和1 來代表的脈沖數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)壓縮

一路普通模擬視頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字化后,其數(shù)據(jù)量將高于100Mbit/s,這樣一套節(jié)目的音視頻信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量將相當(dāng)巨大,這大大增加了傳輸?shù)睦щy,因此,數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)成為必要也變得很關(guān)鍵。圖像信息的壓縮是利用信息之間的相關(guān)性,即時(shí)間相關(guān)性、頻率相關(guān)性、空間相關(guān)性和能量相關(guān)性進(jìn)行時(shí)間壓縮。頻率壓縮、空間壓縮和能量壓縮,去掉冗余度,達(dá)到壓縮碼率的目的。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)方法有兩種：一是在信源編碼過程中進(jìn)行壓縮,可節(jié)省存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬；二是改進(jìn)信道編碼,發(fā)展新的數(shù)字調(diào)制技術(shù),提高單位頻寬數(shù)據(jù)傳送速率。目前,常用的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾種。

2.1 H.263

H.263 是國際電聯(lián)lTU-T1996年5月正式頒布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案,是為低碼流通信而設(shè)計(jì)的,稱為“低比特率通信視頻編碼”。但實(shí)際上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用在很寬的碼流范圍,而非只用于低碼流應(yīng)用。H.263 采用了半象素的運(yùn)動(dòng)材償,在低碼率下能夠提供較好的圖像效果。在H.263 中,數(shù)據(jù)流層次結(jié)構(gòu)的某些部分是可選的,使得編解碼可以配置成更低的數(shù)據(jù)率或更好的糾錯(cuò)能力,并且包含四個(gè)可協(xié)商的選項(xiàng)以改善性能。H.263采用無限制的運(yùn)動(dòng)向量以及基于語法的算術(shù)編碼,采用事先預(yù)測和與MPEG 中的P-B 幀一樣的幀預(yù)測方法,支持五種分辨率,QCIF、CIF、SQCIF、4CIF 和 16CIF。1998年 IUT-T 推出 H.263+,采用先進(jìn)的幀內(nèi)編碼模式,增強(qiáng)的PB 幀模式改進(jìn)了原版本H.263 的不足,增強(qiáng)了幀間預(yù)測的效果,去塊效應(yīng)濾波器不僅提高了壓縮效率,而且提供重建圖像的主觀質(zhì)量。

2.2 H.264

H.264 標(biāo)準(zhǔn)是ITU-T 的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC 的MPEG(活動(dòng)圖像專家組)的聯(lián)合視頻組（JVT,]ointVideoTeam)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),也稱為MPEG-4Part10,“高級(jí)視頻編碼”。在相同的重建圖像質(zhì)量下,據(jù)數(shù)據(jù)分析,在同等的畫質(zhì)下,H.264 比上一代編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2 平均節(jié)約64%的傳輸碼流,而比MPEG-4ASP 要平均節(jié)約39%的傳輸碼流。H.264 技術(shù)還具備容錯(cuò)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,正好適應(yīng)了目前國內(nèi)運(yùn)營商接人網(wǎng)帶寬還非常有限的狀況。H.264 與以往標(biāo)準(zhǔn)的重要區(qū)別是：支持一定范圍的圖像塊尺寸 (可小到4x4)和更細(xì)的分像素運(yùn)動(dòng)矢量(在亮度組件中為1/4 像素)。H.264 標(biāo)準(zhǔn)使運(yùn)動(dòng)圖像壓縮技術(shù)上升到了一個(gè)更高的階段,在較低的帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是它的亮點(diǎn),所以H.264 將對(duì)諸如數(shù)字衛(wèi)星廣播、數(shù)字視頻存儲(chǔ)以及互聯(lián)網(wǎng)傳播等一系列技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以提高視頻質(zhì)量,擴(kuò)展多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用范圍。有關(guān)專家認(rèn)為,H.264 最終將取代目前廣泛應(yīng)用的MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 MPEG-2

MPEG 組織于1994年推出MPEG-2 壓縮標(biāo)準(zhǔn),被稱為“21 世紀(jì)的電視標(biāo)準(zhǔn)”。包括系統(tǒng)編碼、視頻編碼及音頻編碼三部分標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)視/音頻服務(wù)與應(yīng)用互操作的可能性。MPEG-2 圖像壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關(guān)性和時(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。MPEG-2 的編碼圖像被分為三類,分別稱為I 幀,P 幀和B 幀。I 幀圖像采用幀內(nèi)編碼方式,即只利用了單幀圖像內(nèi)的空間相關(guān)性,而沒有利用時(shí)間相關(guān)性。P 幀和B 幀圖像采用幀間編碼方式,即同時(shí)利用了空間和時(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)。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)。它的編碼碼流分為六層,自上到下分別是:圖像序列層、圖像且(GOP)、圖像、宏塊條、宏塊、塊。MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是不對(duì)編碼具體執(zhí)行過程進(jìn)行規(guī)定,而只對(duì)編碼結(jié)果即己壓縮數(shù)據(jù)的比特流和解碼功能標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 MPEG-4

1999年2月運(yùn)動(dòng)圖像專家組MPEG 正式公布了MPEG-4(ISOIlEC14496)標(biāo)準(zhǔn)第一版本,同年年底推出第二版,于2000年年初正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。它是一個(gè)基于對(duì)象的視頻編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn),它所定義的碼率控制目標(biāo)就是獲得在給定碼率下的最優(yōu)質(zhì)量,它為互聯(lián)網(wǎng)上傳輸高質(zhì)量的多媒體視頻提供了很好的技術(shù)平臺(tái)。MPEG-4采用ACE(高級(jí)譯碼效率)技術(shù),它是一套首次使用于MPEG-4 的編碼運(yùn)算規(guī)則,因此,它的視頻質(zhì)量分辨率比較高,而數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低,與MPEG-2 相比,可節(jié)省90%的儲(chǔ)存空間。MPEG-4 為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了更為廣闊的平臺(tái),它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來,包括壓縮本身的一些工具、算法,也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。同時(shí),它集成了盡可能多的數(shù)據(jù)類型,以實(shí)現(xiàn)各種傳輸媒體都支持的內(nèi)容交互的表達(dá)方法。借助于MPEG-4,我們有可能建立個(gè)性化的視聽系統(tǒng)。所以,MPEG-4 從提出開始就引起了人們的關(guān)注。

3 信道傳輸

數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因,使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼。在有條件接收系統(tǒng)中,誤碼率高就會(huì)使解擾信息在傳輸中造成誤碼,誤碼引起的不良后果可能造成尋址出差錯(cuò)找錯(cuò)地址；授權(quán)出差錯(cuò)使得付費(fèi)用戶收不到解擾后的節(jié)目,而未付費(fèi)的用戶反倒看到了節(jié)目；密鑰出錯(cuò)使解擾器不能解擾等。所以,在有條件接收系統(tǒng)中,要在電路技術(shù)方面采取各種措施來防止誤碼。通過信道編碼這一環(huán)節(jié),對(duì)數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理,使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力,可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有很多種,這個(gè)過程我們就稱之為信道編碼過程。提高數(shù)據(jù)傳輸效率,信道編碼的任務(wù)就是降低誤碼率,增加通信的可靠性,再配之以諸如前向校驗(yàn)、重要數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送等多重措施可使得誤碼率降到更低的范圍。對(duì)不同的信號(hào)傳輸方式采取不同的信道編碼,數(shù)字衛(wèi)星廣播要求傳輸信道的信噪比低,常采用正交相移鍵控調(diào)制(QPSK)；地面無線發(fā)射的數(shù)字電視廣播多采用殘留邊帶調(diào)制(VSB)和編碼正變頻分調(diào)制(COFDM),VSB 抗多徑傳播效應(yīng)好(即消除重影效果好),COFDM 抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好。地面HFC網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視廣播多采用正交幅度調(diào)制(QAM),此方式調(diào)制效率高,要求傳輸信道的信噪比高。

3.1 正交相移鍵控調(diào)制(QPSK)

QPSK 是一種通過轉(zhuǎn)換或調(diào)制來傳達(dá)數(shù)據(jù)的調(diào)制方法。它在星狀圖中使用四個(gè)點(diǎn),平均分布在一個(gè)圓周上。在這四個(gè)相位上,QPSK 每個(gè)符號(hào)能夠進(jìn)行兩位編碼,以格雷編碼的方式顯示在圖形上以最小化誤碼率（BER)。由于QPSK 方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力,所以多用在數(shù)字衛(wèi)星廣播和有線V 向網(wǎng)的回傳。

3.2 殘留邊帶調(diào)制(VSB)

VSB 是介于單邊帶調(diào)制與抑制載波雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)制方式,在雙邊代調(diào)制基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)?shù)臑V波器,保留信號(hào)一個(gè)邊帶頻譜的全部,另一個(gè)邊帶頻譜成份只留一小部分。由于VSB 基本性能較好,而VSB 調(diào)制中的邊帶濾波器相對(duì)其它的更容易實(shí)現(xiàn),所以VSB 調(diào)制在廣播電視、通信等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

3.3 多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)

OFDM 是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù),它將無線通信傳輸信號(hào)分割成了多個(gè)副載波進(jìn)行傳輸,而每個(gè)副載波僅攜帶很小一部分的數(shù)據(jù)負(fù)載,就能利用更長的符號(hào)周期,從而使通信傳輸信號(hào)更不容易受到多徑傳輸?shù)母蓴_或者其他外界的特殊干擾。OFDM 作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)將被更廣泛應(yīng)用于寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域。

3.4 正交幅度調(diào)制(QAM)

QAM 使用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的幅度和相位,使載波的幅度和相位受控于數(shù)字信號(hào),常用有16QAM、32QAM、64QAM 等。這種調(diào)制由于載波的幅度和相位都帶有信息,所以它比QPSK 方式所能傳輸?shù)臄?shù)碼率高。

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