数字电视原理第5章信源编码标准
信源编码与信道编码
信源编码与信道编码⼀．信源编码和信道编码的发展历程信源编码：最原始的信院编码就是莫尔斯电码，另外还有ASCII码和电报码都是信源编码。
但现代通信应⽤中常见的信源编码⽅式有：Huffman编码、算术编码、L-Z编码，这三种都是⽆损编码，另外还有⼀些有损的编码⽅式。
信源编码的⽬标就是使信源减少冗余，更加有效、经济地传输，最常见的应⽤形式就是压缩。
相对地，信道编码是为了对抗信道中的噪⾳和衰减，通过增加冗余，如校验码等，来提⾼抗⼲扰能⼒以及纠错能⼒。
信道编码：1948年Shannon极限理论→1950年Hamming码→1955年Elias卷积码→1960年 BCH码、RS码、PGZ译码算法→1962年Gallager LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）码→1965年Ｂ－M译码算法→1967年RRNS码、Viterbi算法→1972年Chase⽒译码算法→1974年Bahl MAP算法→1977年IMaiBCM分组编码调制→1978年Wolf 格状分组码→1986年Padovani恒包络相位／频率编码调制→1987年Ungerboeck TCM格状编码调制、SiMonMTCM多重格状编码调制、WeiL.F.多维星座TCM→1989年Hagenauer SOVA算法→1990年Koch Max－Lg－MAP算法→1993年Berrou Turbo码→1994年Pyndiah 乘积码准最佳译码→1995年 Robertson Log－MAP算法→1996年 Hagenauer TurboBCH码→1996MACKaｙ－Neal重新发掘出LDPC码→1997年 Nick Turbo Hamming码→1998年Tarokh 空－时卷格状码、AlaMouti空－时分组码→1999年删除型Turbo码虽然经过这些创新努⼒，已很接近Shannon极限，例如1997年Nickle的TurboHamming码对⾼斯信道传输时已与Shannon极限仅有0.27dB相差，但⼈们依然不会满意，因为时延、装备复杂性与可⾏性都是实际应⽤的严峻要求，⽽如果不考虑时延因素及复杂性本来就没有意义，因为50多年前的Shannon理论本⾝就已预⽰以接近⽆限的时延总容易找到⼀些⽅法逼近Shannon 极限。
数字电视基础知识
信道资源利用率大大提高 提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电 视购物，…… 为“三网融合”提供了技术上的可能性。
3. 数字电视分类
HDTV：图像分辨率1920×1080（16：9） SDTV：图像分辨率720×576（PAL） 720×480（NTSC） LDTV：VCD级图像分辨率
分量编码取样频率
亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声fs=（2.2～2.7）fm fm =5.8-6 MHz fs≥12.76～13.2 MHz 满足行锁相采样 fs=mfH, m为整数 使525/652行兼容（525行/60场 625行/50场） 要采用同一取样频率 在13.2MHz附近，只有 13.5MHz=15625Hz×864 (625/50) =15734.264 Hz×858 (525/60) 亮度信号取样频率取样13.5MHz
四.有线数字电视技术基础
1.有线数字电视信号传输等级及传输系统模式
1）传输等级 LDTV，SDTV，HDTV 2)传输系统模式 电缆传输——PCM方式 光纤传输——SDH方式 光纤 — 同轴混合传输——HFC数字调制方式
2．有线数字电视的主流标准与方式
1) 标准：DVB-C
ATSC-16VSB，ATSC-64QAM
GB/T17975.1-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码 第1部分系统 GB/T17975.2-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码 第2部分视频 GB/T17975.3-2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码 第3部分音频 GB/T17881-1999 广播电视光缆干线同步数字体系(SDH)传输 接口技术规范 GB/T17953-2000 4：2：2数字分量图像信号接口 ISO7816 智能卡接口规范
电视原理课件之信道编码
提高传输安全性：信道编码技术可以提高数字电视信号的传输安全性，防止信号被非法窃 取和篡改。
移动通信系统中的应用
提高传输速率：通过信道编码提高数据传输速率，降低传输延迟 增强抗干扰能力：通过信道编码增强信号的抗干扰能力，提高传输质量 提高传输可靠性：通过信道编码提高信号传输的可靠性，降低传输错误率 提高传输安全性：通过信道编码提高信号传输的安全性，防止信息泄露和窃取
码
线性编码的优点：易于实现， 易于解码，易于纠错
差分编码原理
差分编码：将原始数据转换为差分信号 差分信号：相邻两个信号之间的差值 优点：提高传输效率，降低误码率 应用：数字通信、卫星通信等领域
卷积编码原理
卷积编码是一种线性分组码，通过卷积运算生成编码序列 卷积编码的优点是具有较强的纠错能力，可以纠正多种错误 卷积编码的缺点是编码效率较低，需要较大的带宽 卷积编码的应用广泛，如数字电视、卫星通信等领域
交织码：用于提高传输的 稳定性和可靠性
数字信号：由0和1组成 的信号
信道编码：将数字信号 转换为适合传输的信号
纠错码：用于检测和纠 正传输中的错误
扩频码：用于提高传输 的抗干扰能力
信道编码的应用
数字电视广播系统中的应用
提高传输效率：通过信道编码技术，提高数字电视信号的传输效率，降低传输成本。
增强抗干扰能力：信道编码技术可以提高数字电视信号的抗干扰能力，保证信号传输的稳 定性。
交织编码原理
交织编码：将数据流分成多个子流，每个子流进行独立的编码
交织器：实现交织编码的关键设备，将数据流分成多个子流
交织深度：交织器将数据流分成的子流数量，决定了交织编码的复杂度 交织编码的优点：提高数据传输的可靠性，降低误码率，提高数据传输的 速度
第五章信源编码(编码定义及定长编码)
所以送一个信源符号x需要的平均信息率为：
K KL logm L
信息率最小就是找到一种编码方式使
KL logm L
最小。
5.2.1定长编码定理
定义：各个码字码长都相等的码 定长码中每个码字长度相等，所以只要定长码是非奇异
码，则必为唯一可译码
非奇异码 唯一可译码
即时码
非奇异码 唯一可译码
即时码
变长码
等长码
消息
概率
C1
C2
C3
C4
C5
C6
u1
1/2
000
0
0
0
1
01
u2
1/4
001
01
10
10
000
001
u3
1/16
010
011
110
1101 001
100
u4
1/16
011
0111 1110 1100 010
101
u5
1/16
100
01111 11110 1001 110
110
u6
1/16
101
解码：按照码符号的顺序，从根节点依次查询到终端节点，就得到对应的 信源符号。再从根节点对剩下的码符号序列做相同的处理，直到处理完码 符号序列中所有的码符号
对应表中的码4分析
A01Fra bibliotek01
1
0
0
1
0
10 1
0
1
000
001 010
011 100 101 110
111
一阶节点 二阶节点 三阶节点
唯一可译码存在的充要条件
我们之后介绍的是二元信道中的编码。
第五章 信源编码
第五章信源编码信息论基础第五章信源编码 本章主要讨论的问题：5.1 离散信源编码5.1.1 编码器5.1.2分组码5.1.3定长码5.1.4 变长码5.2 连续信源编码5.3 相关信源编码简介信源编码：以提高通信有效性为目的的编码。
通常通过压缩信源的冗余度来实现。
采用的方法是压缩每个信源符号的平均比特数或信源的码率。
即同样多的信息用较少的码率传送，使单位时间内传送的平均信息量增加，从而提高通信的有效性。
信源编码理论是信息论的一个重要分支，其理论基础是信源编码的两个定理。
–无失真信源编码定理：是离散信源/数字信号编码的基础；–限失真信源编码定理：是连续信源/模拟信号编码的基础，如语音、图像等信号。
信源编码的分类：离散信源编码、连续信源编码和相关信源编码三类。
–离散信源编码：独立信源编码，可做到无失真编码；–连续信源编码：独立信源编码，只能做到限失真信源编码；–相关信源编码：非独立信源编码。
编码器编码器可以看作这样一个系统，它的输入端为原始信源S ，其符号集为；而信道所能传输的符号集为。
编码器的功能是用符号集X 中的元素，将原始信源的符号变换为相应的码字符号，所以编码器输出端的符号集为称为码字，为码字的码元个数，称为码字的码字长度，简称码长。
码字的集合C 称为码书。
称为码元。
12{,,...,}q S S S S =12{,,...,}r X x x x =12{,,...,}q S s s s =12{,,...,}r X x x x =编码器12:{,,...,}q C W W W 12:{,,...,}q C w w w i S i w i w i L i w i w i x例：二元信道的信源编码器：码符号集X={0,1}，如果要将信源通过二元信道传输，必须将信源编成二元码，这也是最常用的一种码。
等长码非等长码非奇异码非奇异码 等长码与变长码码中各个码字都是由同样多个码元构成的，称为等长码，反之，称为变长码。
PPT5-4 数字有线电视的信源编码技术
GOP头，包括了时间信息，但这一信息并不是解码中实际使用的信息，即
便丢失，解码也可以继续进行。分成图像组的一个目的是在同一序列内可 随时进入不同的图像。 一般情况下0.5s内必须传一次I帧，因此对于PAL制，一个GOP通常包含 12帧，常见的结构为IBBPBBPBBPBB.由于B帧为未来帧，作为预测参考帧
的事件分配短字码，给使用概率小的事件分配长字码，最大限度地提高编
码效率。
20
MPEG-2的编码流程 ①输入一个I帧、P帧或B帧；
②在B帧或P帧的情况下进行运动预测补偿； ③进行88像素的DCT变换； ④变换系数被量化； ⑤完成变字长编码，实现比特率的缩减。 MPEG-2的解码流程是MPEG-2的编码流程的反过程。
逐行扫描的图像只能是帧格式，隔行扫描的图像可以使帧格式，也可以使
场格式。
9
像条层
图像层下面是像条层(slice)。每一个像条包括一定数量的宏块，其顺序和
行扫描顺序一致。像条可以从一个宏块行(16行宽)的任何一个宏块开始。 在MPEG-l中，像条可以包括多个宏块行，但在MPEG-2MP＠ML中一个 像条必须在同一宏块行中起始和结束。 一个像条至少应包括一个宏块。
像条是最低的比特流级别，即一旦因误码失步可以根据起始码重新同步。
起始码对以上各层都是相同的。
10
像块层
在 MPEG-2 中，块“Block”可以是 8×8 样值，既可称为像块，也可以
是8×8 DCT系数或重组数据，这时应称为系数块或数据块。它是亮度信 号、两个色差信号之一。 所有上述各个层次都与一定的信号处理有关。如视频序列实际上是 节目的随机进入点；而GOP则是视频编辑的随机进入点；图像（或帧） 是编码处理的单位；像条是用于同步的单位；宏块是运动补偿处理的单 位；像块则是DCT处理单位。
信源编码与信道编码课件
常见的熵编码算法包括哈夫曼编码和算术编码等。
算术编码原理
算术编码是一种基于概率的压缩方法，它将输入数据映射到一个实数范 围内，通过降低该实数范围来达到压缩数据的目的。
信道编码
广泛应用于通信和数据传输领域，如移动通信、卫星通信、光纤通信等。
性能指标的对比
信源编码
压缩比、解码时间、重建数据的失真程度等是其主要性能指标。
信道编码
误码率、抗干扰能力、频谱效率等是其主要性能指标。
06
信源与信道编码的未来发展
信编码的未来发展
视频编码
随着超高清视频和虚拟现实技术的普及，信源编码将更加注重视 频压缩效率，以适应更高的分辨率和帧率。
目的
提高信息传输效率和存储 空间利用率。
方法
通过去除冗余信息、减少 表示信息的比特数等方式 实现。
信源编码的分类
无损压缩
能够完全恢复原始数据的压缩方 法。
有损压缩
无法完全恢复原始数据的压缩方 法，一般用于图像、音频和视频 等多媒体数据的压缩。
信源编码的应用场景
文件压缩
用于减小文件大小，便 于存储和传输。
视频会议
对视频和音频信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
数字电视
对图像和声音信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
无线通信
对语音和数据信号进行 压缩，以减小传输带宽
和存储空间。
02
信源编码原理
熵编码原理
熵编码是一种无损数据压缩方法，它利用了数据中存在的冗余和概率分布特性，通 过编码技术去除冗余，达到压缩数据的目的。
信源编码和信源解码
信源编码和信源解码字、符号、图形、图像、音频、视频、动画等各种数据本身的编码通常称为信源编码，信源编码标准是信息领域的基础性标准。
无论是数字电视、激光视盘机，还是多媒体通信和各种视听消费电子产品，都需要音视频信源编码这个基础性标准。
大家用电脑打字一定很熟悉，当你用WORD编辑软件把文章（DOC文件）写完，存好盘后，再用PCTOOLS工具软件把你的DOC文件打开，你一定能看到你想象不到的东西，内容全是一些16进制的数字，这些数字叫代码，它与文章中的字符一一对应。
现在我们换一种方法，用小画板软件来写同样内容的文章。
你又会发现，用小画板软件写出来的BMP文件，占的内存（文件容量）是DOC文件的好几十倍，你知道这是为什么？原来WORD编辑软件使用的是字库和代码技术，而小画板软件使用的是点阵技术，即文字是由一些与坐标位置决定的点来组成，没有使用字库，因此，两者在工作效率上相差几十倍。
[信源]->[信源编码]->[信道编码]->[信道传输+噪声]->[信道解码]->[信源解码]->[信宿]目前模拟信号电视机图像信号处理技术就很类似小画板软件使用的点阵技术，而全数字电视机的图像信号处理技术就很类似WORD编辑软件使用的字库和代码技术。
实际上这种代码传输技术在图文电视中很早就已用过，在图文电视机中一般都安装有一个带有图文字库的译码器，对方发送图文信号的时候只需发送图文代码信息，这样可以大大地提高数据传输效率。
对于电视机，显示内容是活动图像信息，它哪来的“字库”或“图库”呢？这个就是电视图像特有的“相关性”技术问题。
原来在电视图像信号中，90%以上的图像信息是互相相关的，我们在模拟电视机中使用的Y/C（亮度信号/彩色信号）分离技术，就是利用两行图像信号的相关性，来进行Y/C分离。
如果它们之间内容不相关，Y/C信号则无法进行分离。
全数字信号电视也一样，如果图像内容不相关，则图像信号压缩也就要免谈。