数字信号的数据压缩与传输技术探讨

赵义艳

（辽宁省二O 一广播电视台，辽宁 锦州 121300）

1 数字信号概述

信号数据从表现形式上可归结为：模拟信号和数字信号民。模拟信号指幅度取值是连续的，平时我们听到的声音、看到的电视图像阳模拟信号。从模拟信号转换到数字信号一般要经过抽样、量化、和编码这样三个过程，最终变成由一连串由0 和1 来代表的脉冲数字信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。

2 数据压缩

一路普通模拟视频信号经数字化后,其数据量将高于100Mbit/s,这样一套节目的音视频信号数字化后的数据量将相当巨大,这大大增加了传输的困难,因此,数据压缩技术成为必要也变得很关键。图像信息的压缩是利用信息之间的相关性,即时间相关性、频率相关性、空间相关性和能量相关性进行时间压缩。频率压缩、空间压缩和能量压缩,去掉冗余度,达到压缩码率的目的。实现数据压缩技术方法有两种：一是在信源编码过程中进行压缩,可节省存储空间和传输带宽；二是改进信道编码,发展新的数字调制技术,提高单位频宽数据传送速率。目前,常用的图像压缩编码标准包括以下几种。

2.1 H.263

H.263 是国际电联lTU-T1996年5月正式颁布的一个标准草案,是为低码流通信而设计的,称为“低比特率通信视频编码”。但实际上这个标准可用在很宽的码流范围,而非只用于低码流应用。H.263 采用了半象素的运动材偿,在低码率下能够提供较好的图像效果。在H.263 中,数据流层次结构的某些部分是可选的,使得编解码可以配置成更低的数据率或更好的纠错能力,并且包含四个可协商的选项以改善性能。H.263采用无限制的运动向量以及基于语法的算术编码,采用事先预测和与MPEG 中的P-B 帧一样的帧预测方法,支持五种分辨率,QCIF、CIF、SQCIF、4CIF 和 16CIF。1998年 IUT-T 推出 H.263+,采用先进的帧内编码模式,增强的PB 帧模式改进了原版本H.263 的不足,增强了帧间预测的效果,去块效应滤波器不仅提高了压缩效率,而且提供重建图像的主观质量。

2.2 H.264

H.264 标准是ITU-T 的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC 的MPEG(活动图像专家组)的联合视频组（JVT,]ointVideoTeam)开发的标准,也称为MPEG-4Part10,“高级视频编码”。在相同的重建图像质量下,据数据分析,在同等的画质下,H.264 比上一代编码标准MPEG-2 平均节约64%的传输码流,而比MPEG-4ASP 要平均节约39%的传输码流。H.264 技术还具备容错能力强、网络适应性强等优势,正好适应了目前国内运营商接人网带宽还非常有限的状况。H.264 与以往标准的重要区别是：支持一定范围的图像块尺寸 (可小到4x4)和更细的分像素运动矢量(在亮度组件中为1/4 像素)。H.264 标准使运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段,在较低的带宽上提供高质量的图像传输是它的亮点,所以H.264 将对诸如数字卫星广播、数字视频存储以及互联网传播等一系列技术进行改进,以提高视频质量,扩展多媒体业务的应用范围。有关专家认为,H.264 最终将取代目前广泛应用的MPEG-2 标准。

2.3 MPEG-2

MPEG 组织于1994年推出MPEG-2 压缩标准,被称为“21 世纪的电视标准”。包括系统编码、视频编码及音频编码三部分标准,以实现视/音频服务与应用互操作的可能性。MPEG-2 图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果能将这些冗余信息去除,只保留少量非相关信息进行传输,就可以大大节省传输频带。MPEG-2 的编码图像被分为三类,分别称为I 帧,P 帧和B 帧。I 帧图像采用帧内编码方式,即只利用了单帧图像内的空间相关性,而没有利用时间相关性。P 帧和B 帧图像采用帧间编码方式,即同时利用了空间和时间上的相关性。P 帧图像只采用前向时间预测,可以提高压缩效率和图像质量。P 帧图像中可以包含帧内编码的部分,即P 帧中的每一个宏块可以是前向预测,也可以是帧内编码。B 帧图像采用双向时间预测,可以大大提高压缩倍数。为更好地表示编码数据,MPEG-2 用句法规定了一个层次性结构。它的编码码流分为六层,自上到下分别是:图像序列层、图像且(GOP)、图像、宏块条、宏块、块。MPEG-2 标准的特点是不对编码具体执行过程进行规定,而只对编码结果即己压缩数据的比特流和解码功能标准化。

2.4 MPEG-4

1999年2月运动图像专家组MPEG 正式公布了MPEG-4(ISOIlEC14496)标准第一版本,同年年底推出第二版,于2000年年初正式成为国际标准。它是一个基于对象的视频编码压缩标准,它所定义的码率控制目标就是获得在给定码率下的最优质量,它为互联网上传输高质量的多媒体视频提供了很好的技术平台。MPEG-4采用ACE(高级译码效率)技术,它是一套首次使用于MPEG-4 的编码运算规则,因此,它的视频质量分辨率比较高,而数据速率相对较低,与MPEG-2 相比,可节省90%的储存空间。MPEG-4 为多媒体数据压缩提供了更为广阔的平台,它可以将各种各样的多媒体技术充分用进来,包括压缩本身的一些工具、算法,也包括图像合成、语音合成等技术。同时,它集成了尽可能多的数据类型,以实现各种传输媒体都支持的内容交互的表达方法。借助于MPEG-4,我们有可能建立个性化的视听系统。所以,MPEG-4 从提出开始就引起了人们的关注。

3 信道传输

数字信号在传输中往往由于各种原因,使得在传送的数据流中产生误码。在有条件接收系统中,误码率高就会使解扰信息在传输中造成误码,误码引起的不良后果可能造成寻址出差错找错地址；授权出差错使得付费用户收不到解扰后的节目,而未付费的用户反倒看到了节目；密钥出错使解扰器不能解扰等。所以,在有条件接收系统中,要在电路技术方面采取各种措施来防止误码。通过信道编码这一环节,对数码流进行相应的处理,使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力,可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有很多种,这个过程我们就称之为信道编码过程。提高数据传输效率,信道编码的任务就是降低误码率,增加通信的可靠性,再配之以诸如前向校验、重要数据重复发送等多重措施可使得误码率降到更低的范围。对不同的信号传输方式采取不同的信道编码,数字卫星广播要求传输信道的信噪比低,常采用正交相移键控调制(QPSK)；地面无线发射的数字电视广播多采用残留边带调制(VSB)和编码正变频分调制(COFDM),VSB 抗多径传播效应好(即消除重影效果好),COFDM 抗多径传播效应和同频干扰好。地面HFC网络数字电视广播多采用正交幅度调制(QAM),此方式调制效率高,要求传输信道的信噪比高。

3.1 正交相移键控调制(QPSK)

QPSK 是一种通过转换或调制来传达数据的调制方法。它在星状图中使用四个点,平均分布在一个圆周上。在这四个相位上,QPSK 每个符号能够进行两位编码,以格雷编码的方式显示在图形上以最小化误码率（BER)。由于QPSK 方式具有较强的抗干扰能力,所以多用在数字卫星广播和有线V 向网的回传。

3.2 残留边带调制(VSB)

VSB 是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式,在双边代调制基础上,通过适当的滤波器,保留信号一个边带频谱的全部,另一个边带频谱成份只留一小部分。由于VSB 基本性能较好,而VSB 调制中的边带滤波器相对其它的更容易实现,所以VSB 调制在广播电视、通信等系统中得到广泛应用。

3.3 多载波正交频分复用调制(OFDM)

OFDM 是一种多载波数字调制技术,它将无线通信传输信号分割成了多个副载波进行传输,而每个副载波仅携带很小一部分的数据负载,就能利用更长的符号周期,从而使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或者其他外界的特殊干扰。OFDM 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域。

3.4 正交幅度调制(QAM)

QAM 使用数字信号去调制载波的幅度和相位,使载波的幅度和相位受控于数字信号,常用有16QAM、32QAM、64QAM 等。这种调制由于载波的幅度和相位都带有信息,所以它比QPSK 方式所能传输的数码率高。

[1]杨荣菊，丁一，曹经珊.数字信号的数据传输[J].黑龙江科技信息，2008-06-05.

[2]程树文.数字和数据信号传输中常用接口[J].有线电视技术，2006-10-20.