數字信號的數據壓縮與傳輸技術探討

趙義艷

（遼寧省二O 一廣播電視臺，遼寧 錦州 121300）

1 數字信號概述

信號數據從表現形式上可歸結為：模擬信號和數字信號民。模擬信號指幅度取值是連續的，平時我們聽到的聲音、看到的電視圖像陽模擬信號。從模擬信號轉換到數字信號一般要經過抽樣、量化、和編碼這樣三個過程，最終變成由一連串由0 和1 來代表的脈沖數字信號。數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。二進制碼就是一種數字信號。二進制碼受噪聲的影響小，易于有數字電路進行處理，所以得到了廣泛的應用。

2 數據壓縮

一路普通模擬視頻信號經數字化后,其數據量將高于100Mbit/s,這樣一套節目的音視頻信號數字化后的數據量將相當巨大,這大大增加了傳輸的困難,因此,數據壓縮技術成為必要也變得很關鍵。圖像信息的壓縮是利用信息之間的相關性,即時間相關性、頻率相關性、空間相關性和能量相關性進行時間壓縮。頻率壓縮、空間壓縮和能量壓縮,去掉冗余度,達到壓縮碼率的目的。實現數據壓縮技術方法有兩種：一是在信源編碼過程中進行壓縮,可節省存儲空間和傳輸帶寬；二是改進信道編碼,發展新的數字調制技術,提高單位頻寬數據傳送速率。目前,常用的圖像壓縮編碼標準包括以下幾種。

2.1 H.263

H.263 是國際電聯lTU-T1996年5月正式頒布的一個標準草案,是為低碼流通信而設計的,稱為“低比特率通信視頻編碼”。但實際上這個標準可用在很寬的碼流范圍,而非只用于低碼流應用。H.263 采用了半象素的運動材償,在低碼率下能夠提供較好的圖像效果。在H.263 中,數據流層次結構的某些部分是可選的,使得編解碼可以配置成更低的數據率或更好的糾錯能力,并且包含四個可協商的選項以改善性能。H.263采用無限制的運動向量以及基于語法的算術編碼,采用事先預測和與MPEG 中的P-B 幀一樣的幀預測方法,支持五種分辨率,QCIF、CIF、SQCIF、4CIF 和 16CIF。1998年 IUT-T 推出 H.263+,采用先進的幀內編碼模式,增強的PB 幀模式改進了原版本H.263 的不足,增強了幀間預測的效果,去塊效應濾波器不僅提高了壓縮效率,而且提供重建圖像的主觀質量。

2.2 H.264

H.264 標準是ITU-T 的VCEG(視頻編碼專家組)和ISO/IEC 的MPEG(活動圖像專家組)的聯合視頻組（JVT,]ointVideoTeam)開發的標準,也稱為MPEG-4Part10,“高級視頻編碼”。在相同的重建圖像質量下,據數據分析,在同等的畫質下,H.264 比上一代編碼標準MPEG-2 平均節約64%的傳輸碼流,而比MPEG-4ASP 要平均節約39%的傳輸碼流。H.264 技術還具備容錯能力強、網絡適應性強等優勢,正好適應了目前國內運營商接人網帶寬還非常有限的狀況。H.264 與以往標準的重要區別是：支持一定范圍的圖像塊尺寸 (可小到4x4)和更細的分像素運動矢量(在亮度組件中為1/4 像素)。H.264 標準使運動圖像壓縮技術上升到了一個更高的階段,在較低的帶寬上提供高質量的圖像傳輸是它的亮點,所以H.264 將對諸如數字衛星廣播、數字視頻存儲以及互聯網傳播等一系列技術進行改進,以提高視頻質量,擴展多媒體業務的應用范圍。有關專家認為,H.264 最終將取代目前廣泛應用的MPEG-2 標準。

2.3 MPEG-2

MPEG 組織于1994年推出MPEG-2 壓縮標準,被稱為“21 世紀的電視標準”。包括系統編碼、視頻編碼及音頻編碼三部分標準,以實現視/音頻服務與應用互操作的可能性。MPEG-2 圖像壓縮的原理是利用了圖像中的兩種特性：空間相關性和時間相關性。這兩種相關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,只保留少量非相關信息進行傳輸,就可以大大節省傳輸頻帶。MPEG-2 的編碼圖像被分為三類,分別稱為I 幀,P 幀和B 幀。I 幀圖像采用幀內編碼方式,即只利用了單幀圖像內的空間相關性,而沒有利用時間相關性。P 幀和B 幀圖像采用幀間編碼方式,即同時利用了空間和時間上的相關性。P 幀圖像只采用前向時間預測,可以提高壓縮效率和圖像質量。P 幀圖像中可以包含幀內編碼的部分,即P 幀中的每一個宏塊可以是前向預測,也可以是幀內編碼。B 幀圖像采用雙向時間預測,可以大大提高壓縮倍數。為更好地表示編碼數據,MPEG-2 用句法規定了一個層次性結構。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 標準的特點是不對編碼具體執行過程進行規定,而只對編碼結果即己壓縮數據的比特流和解碼功能標準化。

2.4 MPEG-4

1999年2月運動圖像專家組MPEG 正式公布了MPEG-4(ISOIlEC14496)標準第一版本,同年年底推出第二版,于2000年年初正式成為國際標準。它是一個基于對象的視頻編碼壓縮標準,它所定義的碼率控制目標就是獲得在給定碼率下的最優質量,它為互聯網上傳輸高質量的多媒體視頻提供了很好的技術平臺。MPEG-4采用ACE(高級譯碼效率)技術,它是一套首次使用于MPEG-4 的編碼運算規則,因此,它的視頻質量分辨率比較高,而數據速率相對較低,與MPEG-2 相比,可節省90%的儲存空間。MPEG-4 為多媒體數據壓縮提供了更為廣闊的平臺,它可以將各種各樣的多媒體技術充分用進來,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。同時,它集成了盡可能多的數據類型,以實現各種傳輸媒體都支持的內容交互的表達方法。借助于MPEG-4,我們有可能建立個性化的視聽系統。所以,MPEG-4 從提出開始就引起了人們的關注。

3 信道傳輸

數字信號在傳輸中往往由于各種原因,使得在傳送的數據流中產生誤碼。在有條件接收系統中,誤碼率高就會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找錯地址；授權出差錯使得付費用戶收不到解擾后的節目,而未付費的用戶反倒看到了節目；密鑰出錯使解擾器不能解擾等。所以,在有條件接收系統中,要在電路技術方面采取各種措施來防止誤碼。通過信道編碼這一環節,對數碼流進行相應的處理,使系統具有一定的糾錯能力和抗干擾能力,可極大地避免碼流傳送中誤碼的發生。誤碼的處理技術有很多種,這個過程我們就稱之為信道編碼過程。提高數據傳輸效率,信道編碼的任務就是降低誤碼率,增加通信的可靠性,再配之以諸如前向校驗、重要數據重復發送等多重措施可使得誤碼率降到更低的范圍。對不同的信號傳輸方式采取不同的信道編碼,數字衛星廣播要求傳輸信道的信噪比低,常采用正交相移鍵控調制(QPSK)；地面無線發射的數字電視廣播多采用殘留邊帶調制(VSB)和編碼正變頻分調制(COFDM),VSB 抗多徑傳播效應好(即消除重影效果好),COFDM 抗多徑傳播效應和同頻干擾好。地面HFC網絡數字電視廣播多采用正交幅度調制(QAM),此方式調制效率高,要求傳輸信道的信噪比高。

3.1 正交相移鍵控調制(QPSK)

QPSK 是一種通過轉換或調制來傳達數據的調制方法。它在星狀圖中使用四個點,平均分布在一個圓周上。在這四個相位上,QPSK 每個符號能夠進行兩位編碼,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 方式具有較強的抗干擾能力,所以多用在數字衛星廣播和有線V 向網的回傳。

3.2 殘留邊帶調制(VSB)

VSB 是介于單邊帶調制與抑制載波雙邊帶調制之間的一種調制方式,在雙邊代調制基礎上,通過適當的濾波器,保留信號一個邊帶頻譜的全部,另一個邊帶頻譜成份只留一小部分。由于VSB 基本性能較好,而VSB 調制中的邊帶濾波器相對其它的更容易實現,所以VSB 調制在廣播電視、通信等系統中得到廣泛應用。

3.3 多載波正交頻分復用調制(OFDM)

OFDM 是一種多載波數字調制技術,它將無線通信傳輸信號分割成了多個副載波進行傳輸,而每個副載波僅攜帶很小一部分的數據負載,就能利用更長的符號周期,從而使通信傳輸信號更不容易受到多徑傳輸的干擾或者其他外界的特殊干擾。OFDM 作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術將被更廣泛應用于寬帶移動通信領域。

3.4 正交幅度調制(QAM)

QAM 使用數字信號去調制載波的幅度和相位,使載波的幅度和相位受控于數字信號,常用有16QAM、32QAM、64QAM 等。這種調制由于載波的幅度和相位都帶有信息,所以它比QPSK 方式所能傳輸的數碼率高。

[1]楊榮菊，丁一，曹經珊.數字信號的數據傳輸[J].黑龍江科技信息，2008-06-05.

[2]程樹文.數字和數據信號傳輸中常用接口[J].有線電視技術，2006-10-20.