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1、VCD/DVD机技术,冯庆胜2008.4.20,VCD影碟机基础知识,激光影碟机的发展史模拟信号数字化的过程VCD光盘的数据格式及构成MPEG1的编码与解码过程VCD影碟机的结构与电路组成VCD影碟机的基本工作原理,1.1 激光影碟机的发展概述,激光影碟机是利用激光头读取光盘上固化的音频、视频信号，经电路处理还原为模拟信号并重放的设备。,1948年美国哥伦比亚广播系统研究所P.哥德马克研制出了模拟密纹唱片（即RP唱片）1956年美国安培公司研制成功用于广播电视业务的录像机1958年双声道立体声唱片问世1962年荷兰飞利浦公司研制成功了盒式磁带录音机20世纪70年代中期研制成功了使用1/2英寸磁
2、带的彩色盒式录像机。,之前产品：,磁带式录像机,索尼历史,录像机,系统特点：提供的音质和画质越来越高，但是它们无法摆脱机械接触式拾讯头易磨损的缺点，同时，信号处理以模拟方式为主，信噪比低。随着20世纪70年代后期大规模集成电路、微机技术、激光技术的飞速发展和广泛应用，迎来了激光数字音视频重放设备的新时代。,激光影碟机特点：由于利用激光头发出激光读取信息时，激光头与光盘无接触，因此也就无摩擦和无磨损。光盘存储的信息容量大，图像清晰，播放的音质好。从20世纪70年代初期的LD机到20世纪80年代初期的CD机，发展到90年代初的VCD机及1996年的DVD机，各种样式、各种品牌的影碟机层出不穷。,L
3、D机,20世纪70年代，人们通过对光盘技术的研究、利用，发明了LD机。首部LD机是美国音乐公司与荷兰飞利浦公司联合开发推出的LD影碟激光视盘系统，从此开创了利用光盘技术的视听新时代。,LD激光影碟：以坑点形式记录图像、声音信号，它并不是把模拟的图像和声音信号变为数字信号记录在光盘上，而是将图像及声音信号分别调频、叠加、限幅，得到周期长短不一的模拟信号的方波，再记录到光盘上。特点：由于图像和声音信号均采用模拟形式，LD影碟机播放的画面清晰度高达420线水平。LD影碟片有直径为20cm和30cm两种形式。新一代的LD影碟机可以兼容CD、VCD影碟片。,12年前的LD机带来的惊喜,原装松下,索尼MD
4、P-999 LD机,2.CD机,随着音频信号的数字化和大规模集成电路的发展，并借助激光光盘技术，新一代的激光唱机和激光唱盘诞生了，这就是CD方式。CD的全称是CD-DA，后来被列为数字小型光盘标准。,CD数字音频系统与以前音频系统的区别：该系统的信号记录和处理是把模拟音频信号数字化后进行的，存储于CD唱片上的声音信息是“0”、“1”数据流信息读取采用光学方式数字信号采用了纠错编码处理优点：CD数字音频系统解决了模拟音频系统所存在的拾音头磨损大、传输失真大、信噪比低、抗干扰能力弱等问题，播放的声音优美动听。,1984年诞生的第一台CD Walkman,第一台CD播放机 个头还真不小,3.VCD机
5、,20世纪90年代初，国际标准化组织标准算法的制定和公布，形成了一个数据压缩技术向各产业的新产品迅速转化的起点，从而引发了一场影视技术的革命，把现代家用电器带入了一个数码科技的新天地。我国第一台VCD视盘机是合肥美菱万燕电子有限责任公司于1993年率先推出的。,VCD视盘机特点：集光、电、机械技术于一体的数字音像产品，是MPEG数字压缩技术与CD技术结合的产物，价格低廉、性价比高、软件节目丰富，获得人们的认可。虽然在图像清晰度和音色方面逊色于LD和DVD，但未影响其进入普通家庭，反而成为家电产品消费的热点。,VCD视盘机是继LD影碟机和CD激光唱机之后开发出的一种新型光盘机，它是一种数字式音频
6、、视频信号的播放设备。VCD视盘机的机芯、激光头及其伺服电路、数字信号处理电路与CD唱机相同，只是在CD机的基础上增加了一套MPEG解码电路和视频D/A变换与编码电路。因此，VCD视盘机即可播放CD光盘以及VCD光盘。,VCD视盘机播放出来的图像质量，其水平清晰度为250线，相当于家用录像机（VHS）重放图像质量水平。实际上，因为VCD视盘机采用了激光束读取信息方式，光盘与激光头无磨损，不会因使用时间长使图像质量变差，因此VCD视盘机的图像质量优于家用录像机。,4.DVD机,1996年1月8日，美国拉斯维加斯举办一年一度的国际冬季消费电子产品博览会，日本索尼公司在展厅入口处设立的DVD影视剧场
7、以其清晰逼真的画面，现场感十足的音响，将观众带入了身临其境的三维境界，真正的充满魅力的影视设备DVD脱颖而出，出尽了风头。,DVD光盘特点：采用MPEG2标准对音视频图像信号进行数字压缩处理，其记忆容量是CD片的13倍，能在12cm光盘上存储约4小时的图像信息其图像清晰度达500线以上音频采用杜比数码（AC3）5.1声道的环绕立体声。,1.2 数字化信号基础,1.2.1 模拟信号与数字信号1.概述在实际应用中，电子技术用到传输和处理信号（包括信号的运算、放大、比较等），这里所指的信号是电压和电流的信号。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路，如放大电路、滤波电路、电压/电流变换电路等。处理数字信号
8、的电子电路称为数字电路，如逻辑门电路、触发器等。,2.模拟信号与数字信号的特点模拟信号的特点：（1）既要随时间连续变化又要随幅度连续变化。（2）应用普遍，如电视信号等。（3）精确测量较为困难。数字信号的特点：（1）是离散的信号。（2）其应用技术发展迅猛，主要表现在通信、科研、音响设备等方面。（3）定位、测量比较容易。,1.2.2 模拟信号数字化,1.数字化的作用不论是在唱机中还是在磁带录音机中，放音都要用电机来使唱片或磁带作等速旋转和走带，以便读取上面记录的信号，重放信号的质量很大程度上取决于唱针和唱片或磁头和磁带的相对速度，如果电机旋转速度不够稳定，重放信号就会产生失真。失真使声音混浊不清、
9、抖动，影响听音效果。,虽然模拟技术采用了一些简单的手段对这种情况加以改善，把这种失真控制在一定范围内，但并没有解决根本问题。要想获得更高水准的音频信号，实现家庭影院的视听效果，只有通过数字技术得以实现即将模拟信号转化为数字信号，因此将模拟信号数字化是电子技术发展的必然过程。,1.2.3 数字化信号的优点,数字方式由于把模拟信号变换成了数字信号，即变换成了序列脉冲信号，这些脉冲信号的变化仅指脉冲宽度的变化，而脉冲幅度是不变的。利用限幅器可以轻易地削除在数字化过程中可能引入的噪声，使脉冲波形达到非常平整的效果，这比处理模拟信号中的噪声容易得多。,在数字信号中，脉冲的幅度已不像模拟信号那样重要，因为
10、数字电路处理的是脉冲的有无，只要脉冲幅度达到能够识别的电平值即可；在模拟信号中，则需要知道每一个模拟量的准确值。,数字化信号优点：（1）数字化信号具有极高的稳定性及可靠性，依赖元器件与电路稳定性的程度降低，电路只要能辨别脉冲的有无即可。只要增加数字信号的量化位数，就能获得高精度。（2）便于用计算机来处理数字信息和进行各种控制，数字信号还可以长时间储存。（3）电路便于大规模集成化，提高运行速度。,1.2.4 数字化信号的过程,抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号；量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表
11、示；编码就是将已量化（取整）的各电平值用二进制数码表示的过程。,1.抽样（1）抽样的概念所谓抽样就是每隔一定的时间间隔抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲ST(t)的控制下，抽样门闭合或断开，如图-所示。,2.量化量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号(即量化值）。量化分为均匀量化和非均匀量化两种。,1）.均匀量化话音信号的概率密度分布曲线如图所示。图中U为过载电压。而且话音信号主要分布在-U+U之间。我们将-U+U这个区域称为量化区，而将u-U与u+U范围称为过载区。,量化值（离散值）一般与样值（连续值）不相等，因而产
12、生误差，此误差是由量化而产生的，所以叫量化误差。其最大量化误差（指绝对值）不超过半个量化间隔/2，但在过载区，量化误差将超过/2。有量化误差就好比有一个噪声叠加在原来的信号上起干扰作用，这种噪声称为量化噪声。,均匀量化的特点是：在量化区内，大、小信号的量化间隔相同，最大量化误差也就相同，所以小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。在N（量化级数）大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求（数字通信系统中要求量化信噪比26dB），而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。,2）.非均匀量化非均匀量化的宗旨是：在不增大量化级数N的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信
13、噪比。为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。,原理实际中，非均匀量化的实现方法通常是在进行量化之前，先将信号抽样值压缩，再进行均匀量化。这里的压缩是用一个非线性电路将输入电压x变换成输出电压y：y=f(x)如右图所示：图中纵坐标y 是均匀刻度的，横坐标x 是非均匀刻度的。所以输入电压x越小，量化间隔也就越小。也就是说，小信号的量化误差也小。,国际电信联盟(ITU)制定了两种建议，即A压缩律和压缩律，以及相应的近似算法 13折线法和15折线法。我国大陆、欧洲各国以及国际间互连时采用A律及相应的13
14、折线法，北美、日本和韩国等少数国家和地区采用律及15折线法。下面将分别讨论这两种压缩律及其近似实现方法。,A压缩律A压缩律是指符合下式的对数压缩规律：式中，x 压缩器归一化输入电压；y 压缩器归一化输出电压；A 常数，它决定压缩程度。A 律是从前式修正而来的。它由两个表示式组成。第一个表示式中的y和x成正比，是一条直线方程；第二个表示式中的y和x是对数关系，类似理论上为保持信号量噪比恒定所需的理想特性的关系。,13折线压缩特性 A律的近似 A律表示式是一条平滑曲线，用电子线路很难准确地实现。这种特性很容易用数字电路来近似实现。13折线特性就是近似于A律的特性。在下图中示出了这种特性曲线：,图中
15、横坐标x在0至1区间中分为不均匀的8段。1/2至1间的线段称为第8段；1/4至1/2间的线段称为第7段；1/8至1/4间的线段称为第6段；依此类推，直到0至1/128间的线段称为第1段。图中纵坐标y 则均匀地划分作8段。将与这8段相应的座标点(x,y)相连，就得到了一条折线。由图可见，除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同。在下表中列出了这些斜率：,因为信号为交流信号，所以，上述的压缩特性只是实用的压缩特性曲线的一半。在第3象限还有对原点奇对称的另一半曲线，如下图所示：在此图中，第1象限中的第1和第2段折线斜率相同，所以构成一条直线。同样，在第3象限中的第1和第2段折线斜率也相同，并且和第
16、1象限中的斜率相同。所以，这4段折线构成了一条直线。因此，共有13段折线，故称13折线压缩特性。,从表中看出，13折线法和A=87.6时的A律压缩法十分接近。,15折线图：不再详细讲解,3.编码自然二进制码和折叠二进制码采用折叠二进制码,现以4位码为例，列于下表中：,折叠码的优点因为电话信号是交流信号，故在此表中将16个双极性量化值分成两部分。第0至第7个量化值对应于负极性电压；第8至第15个量化值对应于正极性电压。对于自然二进制码，这两部分之间没有什么对应联系。对于折叠二进制码，除了其最高位符号相反外，其上下两部分还呈现映像关系，或称折叠关系。这种码用最高位表示电压的极性正负，而用其他位来表
17、示电压的绝对值。这就是说，在用最高位表示极性后，双极性电压可以采用单极性编码方法处理，从而使编码电路和编码过程大为简化。,折叠码的另一个优点是误码对于小电压的影响较小。例如，若有1个码组为1000，在传输或处理时发生1个符号错误，变成0000。从表中可见，若它为自然码，则它所代表的电压值将从8变成0，误差为8；若它为折叠码，则它将从8变成7，误差为1。但是，若一个码组从1111错成0111，则自然码将从15变成7，误差仍为8；而折叠码则将从15错成为0，误差增大为15。这表明，折叠码对于小信号有利。,码位排列方法在13折线法中采用的折叠码有8位。其中第一位c1表示量化值的极性正负。后面的7位分
18、为段落码和段内码两部分，用于表示量化值的绝对值。其中第2至4位(c2 c3 c4)是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落；其他4位(c5 c8)为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示27 128种量化值。,段落码编码规则,段内码编码规则：,在上述编码方法中，虽然段内码是按量化间隔均匀编码的，但是因为各个段落的斜率不等，长度不等，故不同段落的量化间隔是不同的。其中第1和2段最短，斜率最大，其横坐标x的归一化动态范围只有1/128。再将其等分为16小段后，每一小段的动态范围只有(1/128)(1/16)=1/2048。这就
19、是最小量化间隔,后面将此最小量化间隔(1/2048)称为1个量化单位。第8段最长，其横坐标x的动态范围为1/2。将其16等分后，每段长度为1/32。典型电话信号的抽样频率是8000 Hz。故在采用这类非均匀量化编码器时，典型的数字电话传输比特率为64 kb/s。,4.A/D转换与D/A变换A/D变换就是模拟/数字变换，它的作用是把模拟信号变换成数字信号。首先利用采样保持电路对输入的模拟信号采集样本值，然后进行量化编码处理。经量化编码处理后，模拟信号就变成了数字信号，故量化编码电路又称为A/D变换器。,CD由于采用16位的数字信号，所以A/D变换器必须具有将模拟信号分解成21665 536个等级
20、的能力，且变换过程必须在1020us的时间内完成。,D/A变换就是数字/模拟变换，即把数字信号变换成模拟信号。D/A变换是把处理后的数字信号还原成模拟信号，这样才能利用目前的放大器和扬声器把音响信号重放出来。,1.3 VCD光盘结构与数据格式,1.VCD光盘结构VCD盘片存储的内容与CD盘片不同，但大小一样，其直径为120mm；盘片中央有一内孔，用于刻录与播放的固定，其直径为15mm；内孔之外26mm116mm之间为用户数据区；用户数据区之外116mm117mm处为导出区；117mm120mm之间为盘片的边沿区。,从盘片的剖面看，盘片分为三层：一层为透明衬底，一般多由聚氯乙烯（PVC）、丙烯基
21、（PMMA）或聚碳酸酯（PC）等构成，其中聚碳酸酯作为制造VCD和CD盘片的材料具有耐热、耐湿及良好的成型性能；中间层为反射层，用金属薄膜铝采用蒸镀方法形成；反射层上面是保护层，一般由硬树脂制成；保护层上面为商标层。光盘重量在14g33g之间。,数据格式,VCD的视频信号和音频信号以二进制的方式存储在光盘上，“1”和“0”以反射层的“坑”和“岛”来表示。在反射层上，每次坑岛的跳变处表示数字1，不跳变处表示数字0。光盘上的坑和岛由内向外螺旋延伸，每个坑的深度大约0.1um，宽度约0.5um0.6um，长度约0.83um3.1um，相邻两圈坑道的宽度为1.6um。,对于一张12cm的CD、VCD光
22、盘来讲，其轨迹长度大约5000m。如果对一张光盘的尺寸作一个比喻，那么，人的一根头发相当于唱片的30条轨迹；若将一个凹坑或一个凸岛的大小看做一粒谷子那么大，则激光唱片的直径将有800m。,2.VCD盘片中信号的组织形式CD光盘CD光盘上直接记录PCM信号，由于盘片在制造和使用过程中，可能有灰尘和划伤或光盘本身存在缺陷，使得在重放时误码率升高。因此在记录信号时，需要纠错和交叉交织技术，即组织左右各12个样本，加上纠错校验位、同步码、控制码构成一个完整的音频数据帧。,CD数据一帧共588个通道位，这588位数码信号大致可以分为两大部分：即24位同步信号（同步码），14位（1字节）控制和显示信息（控
23、制码），两者之间有3个通道位的连结位（耦合位）作为信号间的分段间隔；第二部分为32字节数据，分两段配置，每一段中12字节的音乐数据，加上4字节的CIRC纠错码，无论是音乐数据或纠错码，每个字节间都有3个通道位的耦合码。,从以上帧格式可以看出，每帧中只有24字节用于传送音乐信息。通常将98个帧组成一个播放段或叫一个扇区，每一个扇区有98242 352字节的音频数码信息。,VCD光盘仍采用帧编码数据结构，保留了一个扇区数据的容量，即每帧仍为588个通道位，帧内的同步码、控制码、耦合位格式以及每帧信息数据的存储量仍为24字节，每98帧为一个扇区，每一个扇区仍有2 352字节的音视频数码信息，与CD相
24、同。但对音视频数码信息的存放区域和方法作了很大改变，以便于光学拾音头迅速找到某一扇区，其具体方法如下：,VCD光盘：,（1）将原来每帧用于存放立体声的24字节统一安排，用于存放视频图像数据和音频数据。（2）将视频图像数据和音频伴音数据采用打包（Packing）方式存放，打包后的每一捆包中包括3个封包（Packet）。封包是传送数据的基本单位。5个捆包（15个封包）构成一个扇区。在一个扇区中，有14个封包用于存放视频图像数据，只有一个封包用于存放音频数据。,（3）为了辨认各捆包及其中的封包，便于解码时识别，编码时在每一个封包前设有一定字节长度的“包头”（即标头，Header）。包头包括开始码、定
25、时信息（SCR、PTS、DTS）、内容指示（封包性质，即图像或声音、缓存器范围、尺寸、传输速率、画面类型）等。数据封包中又分为几个层面（Layer），各层有不同的标头以区别数据。,1.4 MPEG1编码原理,MPEG（motion picture experts group）是运动图像专家组的简称，现在作为运动图像以及相关的音频信息压缩的国际标准规格的代名词。该标准专门用于数据存储设备及数据传输网络上的影视图像和声音的编码压缩。目前已经制定MPEG-1至MPEG-4多种标准。,其中MPEG-1用于VCD机中的图像和声音压缩MPEG-2用于DVD机中的图像和声音压缩,1.4.1 MPEG1图像编
26、码原理要完整地显示一帧画面，在PAL制中，每秒钟要传送25帧彩色活动图像；在NTSC制中，每秒钟要传送30帧彩色活动图像。在PAL制中每帧用625行扫描6MHz带宽的视频信号，每行对图像取样860点，约有500线的清晰度；而在NTSC制中，每帧用525行进行扫描。,若要进行数字化传送，必须将有效行的每个图像取样点分解成亮度信号和两个色差信号进行量化。首先将R、G、B三基色彩色图像信号转变为亮度信号Y和色差信号U、V，再将图像细化采样成88的图像块作为二维离散余弦变换DCT的输入，通过正向DCT变换，使能量集中在少数几个系数上，再进行量化和编码处理。,1.分割一帧图像进行数字化压缩、细化采样为了
27、提高图像质量，在对视频模拟信号采样之前，先要对每帧图像进行分割处理。首先将每帧图像从上至下横向切成若干条，每条称为图像片；再将每片纵向切成若干块，称为图像块（即宏块）。图像块是处理彩色图像的最基本单元，可分解成一个亮度图像块Y和两个数字色差图像块Cr、Cb。人眼对亮度信号非常敏感而对色度信号不敏感，利用这一特点再把亮度图像块平均切割成四份，每一份称为像素块。,将每块分割成88的取样矩阵形式，每个取样元素是构成图像的最小单元，称为像素点。作为数字图像的取样点，像素越多，图像越清晰，反之图像越模糊。用8bit对每一个像素进行量化，则每个点可取得256个等级的高精度及灰度来反映亮度，其信噪比相当高，
28、达到58.8dB，远远超过VHS模拟录像机的图像质量。,两个色差图像块不再分割，直接用88的取样矩阵形式采样。每个取样元素代表色差像素点，每个色差像素点同样用8bit量化。,技术规格,国际标准：视频信号6MHz的带宽，约具有500线的清晰度，对象素规定为625行制时每行象素864个，525行制时每行象素858个。每帧规定有效行，每行亮度象素为720个。625行制时为576，亮度象素为576720414720，两个色差信号象素576360207360。525行制时为480，亮度象素为480720345600，两个色差信号象素480360172800。,传送速率：（414720+207360）82
29、5或（414700+207300）830124.416MHz但由于数据流太大，传输码率太高，不能适用普通计算机网络传输。因此，只有以降低清晰度为代价，采用每行的像素点和每帧中的行数都取一半的方法，才能形成MPEG1的格式。如表1.1所示，传输码率为30.4Mb/s，水平清晰度250线。,表1.1 MPEG1图像参数,MPEG1的图像压缩分割流程规定从上到下，从左到右逐行扫描分割，NTSC制中（525行制），每帧图像切成15片，每片切成22个图像块，共330个图像块；在PAL制中（625行制），每帧图像分割成18片，每片切成22个图像块，共396个图像块。在图像块中，对亮度图像块再等分成四份，每
30、份为88的像素矩阵，每个亮度图像块共有256个像素点；对两个色差图像块，每个色差图像块为88的像素矩阵，共有64个像素点。,图像块量化编码的传送顺序为：亮度图像块（第一像素块、第二像素块、第三像素块、第四像素块）色差图像块Cr色差图像块Cb亮度图像块。整个细化采样过程从左到右，从上至下。见课本P39图2.15,2.帧间压缩技术帧间压缩技术是依据电视场的相关性，按每秒传送2530帧的系列画面来保证连续传送，以避免闪动的重要手段。相邻帧的相似性很强，相邻帧的背景与主体的差异很小，背景差异更小，整帧画面换新的相邻帧是几乎没有的。,根据这一客观规律，充分利用人类视觉的非线性，采取减少时域冗余信息的方法
31、进行有损压缩，是帧间压缩技术的理论依据。帧间压缩不依次传送电视的每帧图像，而是把要传送的图像帧定义为3种帧图像。,第一种帧叫做基准编码帧，简称I帧。I帧包括图像信号的全部信息，其数据代表了画面背景运动主体的详情，是其他相邻帧的参考基准。第二种帧叫做向前预测编码帧，简称P帧。P帧以I帧作为参考画面，只传送主体变化的差值信息，称为预测误差。,P帧是在I帧的基础上获得的，它是以前面的I帧为参考获得的预测误差，若前面是P帧，也可以前面的P帧为参考获得预测误差。在重放时，依靠帧存储器将I帧和P帧的差值进行运算，得出新的画面，与录像前的运动画面一模一样。,第三种帧叫做双向预测内插编码帧，简称B帧。B帧只传
32、送在它前面的I帧（或P帧）和后面的P帧的差值信息。差值信息是B帧传送它前面的I帧（或P帧）和后面的P帧的误差信息，称为双向误差预测。这种传送双向预测误差方法是MPEG1特有的，因此I帧和P帧或P帧之间一般可以有两个B帧。,为了使图像能及时编辑，在编码处理时将图像以帧为单位进行分组，PAL制以5帧为一组，简称5帧组；NTSC制以6帧为一组，简称6帧组，,每组传送时间为0.2s，每0.2s就产生一个图像进出的编辑点。可见，在一连串连续相关的图像帧分为I、P、B格式传送编码时，只有I帧需全帧图像编码传送，P帧和B帧只有预测误差信息量传送。比起I帧，全帧图像信息编码传送的信息量要少得多。I帧的数据大小
33、为19 000Byte，P帧为10 000Byte，B帧为2 8002 900Byte。,所以I帧的信息量最大，B帧的信息量最小。这种图像帧重新定义后，编辑的方法与逐帧依次传送相比，每6帧中就有5帧只需传送少量信息数据，使传送的数据大大减少，这就是图像帧间压缩的结果。,3.帧内压缩技术的原理一帧“新闻联播”的画面，播音员面部和服装部位的线条与清晰度是各不同的，其面部是受观众注意的部位，不仅轮廓变化大，而且线条特别复杂，亮度、灰度等级差异大；其他部分如衣服、手臂、头发等轮廓稍有变化，灰度等级差异不大。,这说明同一帧图像类存在相关性，有空域冗余的地方，PAL制的每帧图像有396个图像块，NTSC制
34、的每帧图像有330个图像块。每块内各像素的相关性更强。与其原封不动地全部传送，不如通过一种技术处理将主要的部位、变化大的轮廓以细量化传送，其他部位则以粗量化传送，以减少信息量，使图像数据得到压缩。这种技术可以在同一帧图像的不同空间位置进行多次压缩，这是在同一帧内进行的，称为帧内压缩技术。,1.4.2 MPEG1音频数据压缩编码原理,为了在一张能播放74分钟音频信号的光盘上存储数据量更大的图像信号和伴音信号，除数字图像要进行大幅度（1/1201/130）压缩外，数字伴音也要压缩。数字伴音的压缩格式为MPEG-LAYER2，压缩率为1/6。MPEG1音频信号与视频信号的压缩编码采用的技术手段相似，
35、即从信号中消去重复的（冗余）信息。在对输入信号进行量化时，对于人耳敏感性较差的音频信号频率段进行粗量化，舍去次要信息；对敏感性较强的频率段采用精量化，用较多的码位来传送。,一般地，人耳听不见某一声级（声压）的弱声，或当一种频率的强声出现时会掩盖另一频率的弱声，这是人耳的声学特性，也叫最小可闻阈值特性和掩蔽效应。据此将不重要的信息去除，可将大约1.5Mb/s的声音传输码率压缩到0.3Mb/s。,1.5 MPEG1解码器的工作原理,1.5.1 MPEG1解码器的组成MPEG1解码器内部组成方框图如图所示。,基本电路是解码器工作必须具备的电路，包含电源电路、复位电路、时钟电路。电源电路：向解码器提供
36、工作电压。一般为+5V，节能型解码器为+3.3V。复位电路：在通电时对解码器内部电路进行初始化。时钟电路：产生时钟脉冲，使用解码器与各电路同步工作。,2.主接口,主接口为系统控制微处理器（CPU）与解码器之间传输信息的接口，用于CPU与解码器的通信，如读/写控制、初始化、报告状态和控制等。,3.CD接口,CD接口是数字信号处理器（DSP）与解码器传输信息的接口，主要接收DSP电路输出的串行数据（DATA）信号、位时钟（BCK）信号和左右时钟（LRCK）信号。,4.RISC处理器和解压协处理器,RISC即精确指令系统计算机，具有MPEG1解码功能和一些简单的图像处理功能。解压协处理器是由硬件构成
37、的哈夫曼译运算处理功能块，协助RISC处理器工作，并在软件支持下完成MPEG1解码，还原压缩前的数字音视频信号。,5.存储器接口,存储器接口用于连接外接的存储器。存储器配合上述两个处理器完成解压缩处理。,6.视频接口,视频接口为解码器还原的数字视频信号的输出口。,7.音频接口,音频接口为解码器还原的PCM数字音频信号的输出口。,8.内部总线,内部各电路间数据传输的线路，包括数据线和地址线。各种数据在地址指令作用下进行传送。,1.5.2 MPEG1图像解码原理自学,MPEG1解码是编码的逆过程，发生在VCD播放机中。下面将分析各类帧的解码过程。MPEG1解码过程即图像的重放，是在VCD机从旋转的
38、盘片上读出EFM信号并对其进行解调和数字处理，使图像数据还原为采样量化的数据信号后进行的。,1.I帧解码当I帧输入时，首先暂存于缓冲存储器（简称缓存器）中编码标志所指定的存储区中。在主CPU的控制下，先将I帧图像数据送到可变长度码解调器（VLD），按照ROM中存放的可变长度码对查表，逐一将编码时压缩的码位恢复为压缩前的DCT量化值；,再将此量化值（一个区块64个）逐位乘以ROM中存放的64位视觉心理模式量化表的相对位置逆量化参数，恢复成DCT频率系数，此过程称为逆量化（DCT(1）。,逆量化过程将原压缩数据中的值和量化了的直流成分及主要低频成分按量化表恢复为非零数码。此时与量化前相比会产生误差
39、，但因为量化表是根据视觉心理模式制定的，其误差主要在对视觉影响较小的部分，对图像质量影响不大。,逆量化时还需要在选定逆量化器步长时参考从编码中分离出的量化步长指示参数，以将编码时为防止数据溢出或缓存器变空而加入的调整量，通过控制逆量化器步长而修正。,经逆量化的数据送入离散余弦逆变换器（DCT(1），通过查表法将逆量化值所代表的各频率余弦分量恢复为变换前的亮度或色度空域数据，得到图像压缩前的区块信息。4个区块信息组成一个大块，若干个大块组成一片，若干片组成一帧完整的图像画面数据，得到I帧画面，完成I帧解码。,解码出的I帧空域数据经加法器分两路输出：一路经帧重排，恢复成编码前的帧排列顺序；另一路送
40、入I帧存储器，作为下面P帧和B帧解码时的基准。,2.P帧和B帧解码解压缩后的I帧数据存入I帧存储器的同时，在主CPU的控制下，P帧图像数据按序取出，一方面送到与I帧解码相同的处理电路进行处理，得到P帧空域误差数据；另一方面取出运动矢量送到I帧存储器，以便在I帧得到相应的大块数据。P帧大块误差信息经反量化和离散余弦逆变换后得到预测误差数据。该数据分两路输出：一路送到帧重排器；另一路存入P帧存储器，用于B帧解码。,输入的B帧信号也是大块预测误差信息，经混合（图像复用解码）后取出量化步长，控制逆量化器，同时取出两个运动矢量分别送入I帧存储器和P帧存储器，以便在I帧和P帧中得到相应的大块数据。B帧大块
41、误差信息经逆量化和离散余弦逆变换（DCT(1）后得到预测误差数据，在加法器中与两个相应大块数据相加，解出B帧大块数据，最后经帧重排后输出。,3.帧重排由于在编码时，首先对输入的帧进行了重新排列，因此解码后要将解压缩的I，P，B帧进行帧重排，恢复编码前的顺序。先将解压缩后的I，P，B帧数据存入缓冲存储器（DRAM），再根据编码模式的指示和输出制式的帧频要求恢复为IBBPBP或IBPBP的正常播放顺序。,1.5.3 MPEG1声音解码,从DSP电路送来的MPEG1码流送入封包标头解码器解码，从标头上辨别数据封包的种类。若是视频封包，送视频解码；若是音频封包，送音频解码。,音频压缩信号先经左、右声道
42、分离，然后每声道分两路，一路按数据格式分解为32个子频带，分别按量化步长信息进行逆量化，再将32个子频带信号合成为压缩前的频带，恢复为压缩前的PCM码流存入DRAM。另一路经快速傅里叶逆变换分离出位分配数据和强弱比例因子，用于控制32个子频带的逆量化步长，使解压后的数字音频信号尽量接近压缩前的频谱结构。在标头解码器中还进行PTS解码。,PTS是每个I画面视频封包和音频封包前面都具有的展示时标，用来指示此封包内的声图内容的播放开始时间，按PTS指示的时间向DRAM发出读取指令，将声音数据从DRAM中读出，以保证声音与图像同步播出。解压缩后的数字音频信号通常以串行方式输出到数模变换器DAC，转换成
43、模拟音频信号，同时送入DAC的还有BCK和LRCK时钟信号，如图1.4所示。,图1.4 音频解码原理方框图,1.6 VCD影碟机的结构与电路组成,VCD是英文“VideoCompactDisc”的缩写，其意为视频光盘，它是在CD机的基础上采用MPEG1压缩编码技术，利用激光束读取光盘信息的音像设备。国内市场流行的VCD机种类较多，按其配制的机芯分为飞利浦数码机芯单碟机和多碟机、索尼机芯单碟机和多碟机;按其采用的解码芯片分为CL48X系列机、CL680机和ES32XX系列机、OTI系列机；按装碟方式分为单碟机、三碟机和五碟机。,VCD机主要由碟片驱动机芯和电路两大部分组成，其中电路主要包括光电信
44、号处理器、数字信号处理器、伺服控制电路、系统控制电路及MPEG解码电路、电源电路等，如图1.5所示。,图1.5 VCD机结构示意图,1.6.1 电路部分,（1）光电信号处理器。光电信号处理器由激光头及RF放大电路等组成。（2）伺服电路。伺服电路包括主轴伺服、聚焦伺服、循迹伺服和进给伺服。（3）数字信号处理器（DSP）。（4）MPEG1解码电路，包括MPEG1视频/音频解码器、ROM只读存储器、DRAM动态随机存储器、RGB三通道数/模转换器、PAL/NTSC制式编码器及数字滤波器和音频数/模转换器等。,（5）系统控制电路。系统控制电路的核心是微处理器（CPU），主要采用单片微处理器，也可以用多
45、个微处理器分别控制机芯电路。还包括解码电路和键盘/显示驱动电路。（6）电源电路。电源电路可采用串联可调式稳压电源，也可采用开关稳压电路。,1.6.2 碟片驱动机芯部分,VCD机的碟片驱动机芯主要由机械部分和电路部分组成。1.机械部分（1）激光头进给机构：由进给电机驱动，使激光头沿着光盘的信息轨迹从内到外平滑移动。此机构还可以完成寻曲、静像、跳跃、重放等功能。（2）加载机构：由加载电机驱动，进行光盘的加载和卸载。（3）主轴驱动机构：由主轴电机驱动，带动光盘旋转。,2.电路部分机芯的电路部分主要有光电转换电路、前置放大电路和驱动电路等。,1.7 VCD影碟机的工作原理,VCD机工作过程：通过机芯与
46、电路将光盘上固化的图像和伴音信息拾取后转换成电信号，经解压处理还原成模拟视频信号和音频信号，并实现各种播放功能控制。下面分析各部分工作原理。图见课本P86,1.光电信号处理电路,光电信号处理电路主要是将激光头拾取碟片上数字音频和视频信号转换为电信号，经过RF放大器进行前置放大和整形处理后，一路送到锁相环（RF-PLL）电路中再生位时钟信号，作为数字信号处理器的基准时钟和主轴线速度伺服误差节拍基准；另一路送到伺服电路去与位时钟进行相位比较，产生使主轴线速恒定的伺服误差信号和循迹信号。,2.伺服电路,（1）主轴伺服电路。主轴伺服电路的作用是驱动主轴电动机带动碟片做恒线速度转动。在播放时，激光头沿着
47、碟片中心的外边缘连续读取信息，激光束扫描的速度保持1.2m/s1.4m/s不变。碟片由快至慢逆时针旋转，转速由500r/m降至200r/m，起动速度486r/m568r/m，停止速度约196r/m228r/m。主轴电动机的控制数据按帧存储在碟片上，碟片的转速反映出读取EFM信号的频率大小。,（2）聚焦伺服电路 聚焦伺服电路是用来产生聚焦误差信号的，通过聚焦线圈控制激光物镜，使其碟片起伏而做同步垂直方向移动，保证激光束正确聚焦在碟片的信息面上（聚焦误差不超过0.5um）。,（3）循迹伺服电路循迹伺服电路通过检测激光束与碟片音轨中心的位移产生循迹误差信号，用以控制循迹线圈，使物镜随碟片音轨的变化面
48、而做同步径向方向的移动，保证激光束的光点始终对准信息纹迹中心（循迹误差不超过0.1um）。,（4）进给伺服电路。进给伺服电路驱动和控制进给电动机，使其带着激光头沿碟片上的信息轨迹从最内圈移动到最外圈，或使激光头快速移动（因物镜在碟片的数据区域内可移动的范围仅有1mm）。激光束要想全方位扫描碟片的信号纹迹，光靠物镜本身动作无法实现，还需通过进给机构驱动激光头在整个信号记录范围内不断地作径向跟踪移动。,3.数字信号处理器（DSP）,数字信号处理器是用放大后的RF信号（即EFM信号，包含代表数据帧的所有信息，如图像、声音及控制信息等）控制VCO压控振荡器的频率，再生出位时钟（BCK或BCLK）信号，
49、识别并选出位于每一信息帧最前面的同步信号（同步字），以保证准确分割编码。,将14bit数据通过EFM解调器采用程序逻辑矩阵进行解调处理，恢复为8bit二进制数据并进行CIRC纠错、补偿、去交织等运算，以保证传送的信息与记录的同步;将帧编码切换，分离出各种子码信号、左右声道时钟信号（LRCK）及图像、声音的数据（DATA）单元组合信号，将数字视频信号转换成模拟视频信号并进行制式编码。,4.MPEG1解码电路,经数据处理器（DSP）分离处理后的BCLK（位时钟）、LRCK（左右声道音频时钟）、DATA（图像、声音信息及控制数据）信号被送到MPEG1解码器，在微处理器的控制下，根据ROM中的数据进行
50、格式变换，即将CD-DA格式变成CD-ROM、XA格式，再送到DRAM中以信号区为单位存储。在读取时，以信号区为单位依次读出，并将串行数据变换成8bit的并行数据。,此串行数据经MPEG1视频/音频解码器中的门控阵列电路进行视频/音频数据分离和控制。DRAM动态随机存储器用来存放解码过程中的当前处理数据、准备处理数据、处理中间数据及处理后按帧顺序排列的完整数据等。ROM只读存储器用来存放解压缩芯片的指令、工作码及设定的DSP与解压芯片的数据接口格式。,分离后的视频信号经解码器进行可变长度解码、逆量化、逆DCT和图像处理，恢复成各为8bit的R（红）、G（绿）、B（蓝）彩色数据信号，再经RGB三
