解析数字电视技术及其应用

6、可靠性与寿命

人们习惯于用产品的技术性能指标作为衡量产品质量优劣的标志。但这只是一个方面，还不能反映产品质量的全貌。只有既具备良好的技术性能，又经久耐用、充分可靠的产品才能算真正质量好的产品。而后者通常用产品的可靠性与寿命来加以衡量。对于一个数字系统而言，产品可靠性与寿命包括系统的两个终端接口间传输通道上所有产品的可靠性与寿命。通过对使用现场的实际调查，统计故障次数、记录每两次故障的间隔时间、每次故障的维修时间等，可以求出该系统的平均故障间隔时间和平均维修时间。

可靠性是产品在规定的条件下和时间内，完成规定功能的能力。常用故障率（λ）或平均故障间隔时间和平均维修时间来表征。

故障率（λ）表示产品工作到时间t的条件下，单位时间内发生失效的概率，常用10-9/h作为基准单位，称为一菲物（fit）。

平均寿命时间（MTTF）为设备或系统发生失效前的平均工作时间。

平均故障间隔时间（MTBF）指相邻两次故障的间隔时间。

平均维修时间（MTTR）是排除故障需用的时间。

七、数字信号压缩

假定传送1个频道电视信号，亮度信号最高频率设为6MHz,色差信号（R-Y和B-Y）最高频率设为1.5MHz.根据取样定理，亮度信号和色差信号的取样频率分别应为12MHz和3MHz.若量化分层数目为256,则需用8bit二进制电码来传送每个取样的量化值。这样，传送速率应为（12+3）×8=120Mb/s.如此高的传送速率要占用很宽的频带，大约在100MHz以上。因此，压缩频带宽度是数字电视中一个重要课题。

一幅电视画面的各个像素是相互关联的，在同一行内相邻像素之间、相邻两行之间、相邻帧之间都有相关性，这说明信息中存在冗余度，去除或减少冗余度便可压缩传输码率，也压缩了频带。图像冗余度分空间冗余度（Spatial redundancy）和时间冗余度（Time redundancy）。空间冗余指1帧内规则的图像或者图像中相似的内容，这些像素都有很强的相关性，因此可进行帧内压缩，只对没有相关性的部分进行变换编码；时间冗余度指各帧之间图像相似的内容，统计表明，帧间像素变化量一般只有10%左右，因此可利用视频图像前、后帧之间的时域相关性进行帧间压缩，即从过去几帧图像的内容预测下一帧图像，仅仅把与前几帧不相同的数据进行预测编码。此外，人眼对频率分量过高的杂波灵敏度较低，同时对图像的亮度较敏感而对彩色分辨力弱，人眼对图像边缘部分杂波灵敏度也较低，因此可对灵敏度较低部分进行压缩。还可对某些复杂图像和快速变化图像可以进行要或不要的选择，以减小数据量。

空间冗余度压缩编码需首先把图像划分成一个个子区域，每个子区域的尺寸可以是1×4、1×8、1×16个像素（一维情况），也可以是4×4、8×8、16×16个像素（二维情况），典型的变换编码为离散余弦变换（DCT,Discrete Cosine Transform）。

1、JPEG标准

JPEG 是Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组））的缩写。JPEG的压缩方式通常是破坏性资料压缩（lossy compression），意即在压缩过程中图像的品质会遭受到可见的破坏，有一种以JPEG为基础的标准Progressive JPEG是采用无失真的压缩方式，但Progressive JPEG并没有受到广泛的支援。JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式，是可以把文件压缩到最小的格式，在 Photoshop软件中以JPEG格式储存时，提供11级压缩级别，以0-10级表示。其中0级压缩比最高，图像品质最差。即使采用细节几乎无损的10 级质量保存时，压缩比也可达 5:1.以BMP格式保存时得到4.28MB图像文件，在采用JPG格式保存时，其文件仅为178KB,压缩比达到24:1.经过多次比较，采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。

JPEG标准主要针对静止图像，也被应用于活动图像。它压缩比较低，对于中等复杂程度的彩色图像，其压缩比与图像质量的关系如表3所示。

2、MPEG标准

MPEG的全名为Moving Pictures Experts Group/Motin Pictures Experts Group,中文译名是动态图像专家组。 在化学领域，MPEG是聚乙二醇单甲醚的简称，是由环氧乙烷通过加成反应制得的可溶于水的线性聚合物。在建筑、涂料和油墨、纺织、电子产品、橡胶、食品加工及包装、制药、家庭用品、农业、金属加工等行业都得到广泛的应用。

MPEG标准主要包括MPEG-1和MPEG-2两种标准，MPEG是活动图像专家组（Motion Picture Expert Group）的缩写。MPEG-1是码率达1.5Mb/s的编码；MPEG-2是码率达10Mb/s的编码。随着技术发展的需要，人们开发、研究了MPEG-4,它是甚低码率（Very low bit rate,<64kb/s）的视频、音频编码。

MPEG标准中目前最引人注目的是MPEG-2,它是通用的活动图像及其伴音的编码标准，适于各种应用，如存储媒体、分配传输和通信等。

MPEG-2标准全部项目有9部分。第1部分：系统；第2部分：视频；第3部分：音频；第4部分；符合性测试；第5部分：软件；第6部分：数字存储媒体的指令和控制；第7部分：非向后兼容的音频；第8部分：10比特视频；第9部分：实时接口。

第2部分视频是标准的核心，它采用帧间和帧内相结合的压缩方法。1）减少时域冗余度。MPEG把活动图像划分为I帧（帧内图）、P帧（预测图）和B帧（插补图）。I帧仅作帧内压缩编码，经过中度压缩，可作为随机存取的起点，所以I帧图像必须传送；P帧仅作正向帧间预测，对预测误差作有条件的传送，压缩程度较I帧高；B帧以I帧和P帧为参照，作双向帧间预测插补，它的压缩程度高。2）减小空域冗余度。MPEG基于DCT的压缩编码，减小空域冗余度，与JPEG标准采用的方法基本相同，整个过程分为3个步骤：基于宏块的DCT正交变换，计算变换系数；对变换系数进行标量量化，按"Z"字形扫描顺序重新组合数据；对数据进行编码，进一步压缩数据。与JPEG不同的是，MPEG中的视频信息不仅包含静止图像画面（帧内图），而且包含运动信息（帧间预测图、插补图）。

MPEG-1标准的平均压缩比为50:1,图像分辨率为352×240像素（30帧/s）或352×288像素（25帧/s），主要用于压缩静止图像。

MPEG-2的图像分辨率为720×480,立体声与MPEG-1标准的音频相兼容，主要用于压缩活动图像。