视频压缩编码技术就是对数字的视频信号进行压缩和解压缩的过程。因此讨论视频压缩编码前，必须先了解数字视频信号的概念和构成。

    什么是数字信号？它是自然电视景象的数字表示。具体说来，在本章中将依次讨论：（1）数字电视的概念；（2）彩色空间；（3）数字电视景象标准格式；（4）A/D和D/A变换；（5）取样和亚取样；（6）量化；（7）数字视频的质量。

1.1 数字电视的基本概念

1.1.1 数字电视的优越性

    现在，模拟彩色电视已经相当普及，在一定程度上满足了人们的生活需求。但是，模拟电视缺陷日益暴露出来。为此，数字电视就应运而生，与模拟电视相比，具有许多突出的优点：

    （1）失真小、噪声低、质量高

    模拟电视信号在放大、处理、传输、存储过程中，难免会引入失真噪声，而且多种噪声与失真叠加到电视信号后，不易去除，且会随着处理次数和传输距离的增加不断累积，导致图像质量及信噪比的下降。

    相反，数字电视信号没有上述的噪声累积效应。只要噪声电平不超过脉冲幅度的一半，就可用脉冲再生技术对其整形，并恢复成“0”或“1”两种电平，便不会引入噪声。这样说来，是否数字电视信号没有任何失真和噪声呢？从下面的叙述可知，它会引入“量化噪声”，这是因为信号的数字化必须要经过取样、量化、编码三个基本步骤，“量化”是不可缺少的。量化噪声不可避免，但可控制在相当低的电平一下。
  可见，数字电视的第一个突出优点是噪声低、失真小、视频质量好。

    （2） 易处理、易校正

    模拟电视信号要进行压缩编码处理、加密处理、校正处理都不是一件容易的事情。

    数字电视信号利用VLSI芯片进行压缩编码处理、加密处理、白平衡调整、γ校正、彩色校正和轮廓校正，相对来说容易得多。随着大规模集成电路设计和工艺的不断发展，现在利用专用芯片和通用DSP来实现以上处理的成本不断下降，这是视频数字压缩编码能取得不断发展的一个重要原因。

    （3） 容量大、节目多

    同样带宽的模拟电路能容纳的数字电视节目比模拟电视节目多得多。例如，CATV 频道中，550MHz～750MHz的200MHz带宽中，如果传送模拟电视，每个节目需8MHz带宽，充其量只能传送25套节目。如果传送数字电视节目，采用64QAM调制，其频谱利用率为5.3，如每路节目用MPEG-2压缩为4Mbps，实际只需4÷5.3≈0.75MHz带宽，于是在同样的200MHz带宽中可传送数字电视节目数为200÷0.75≈260，约为模拟电视的11倍！

1.1.2 数字电视的PCM原理

    将输入的模拟电视信号变成输出的数字电视信号需经过取样、量化、编码三个步骤，由A/D变换器完成这三个步骤。
 

1.1.2.1 取样

    所谓取样，就是在时间轴上把连续变化的模拟信号变为离散量的过程。在时间上是连续变化的，经取样后变换成时间上离散的ud（t）信号。


    取样过程

    根据取样定理：当输入的模拟信号上限频率为fc，只要取样脉冲us（t）的重复频率fs不低于fc的两倍，总可以无失真地由取样后的离散信号恢复出原来的模拟信号，当2fc≤fs或满足取样定理时，则可恢复出原始的模拟信号，否则会发生频谱重叠，即所谓的混叠效应，无法恢复出原始信号。

    由于实际的低通滤波器（限制模拟信号的上限频率 fc）滤波特性不可能做成理想的陡峭的截止特性，当低通滤波器的截止频率为fc时，实际的取样频率fs应取成：fs＝(2.2～2.5) fc

 对于电视信号，经分析可知其信号能量主要集中在行频fh及其多次谐波n fh附近。而在f＝(2n+1)fh/2附近，信号能量很弱。当取样频率fs取下式：

    fs＝(2n+1) fh/2

    fs<2fc，即所谓的亚取样时，发生频谱混叠，但频谱以fh/2的间隔交错开，因此仍可通过设计得当的梳状滤波器将所需信号的频谱分离出来。

    这种亚取样可显著压缩数字电视的数字码率。

1.1.2.2 量化

    取样后的脉冲信号在时间上是离散的，但在幅值上空间上仍是连续的，即其可能取的值有无限多个，这就需要对它采用四舍五入的方法，将其可能的幅值数由无限多个变为有限个值。这种将信号幅值由连续量变成离散量的过程称为量化。量化器的输入输出特性具有阶梯形状，由于采取四舍五入的方法，输出信号不同于原模拟信号，产生了失真，即所谓的“量化噪声”。

    如果模拟信号的动态范围（最大值）为A，量化级数为M，量化节距或量化步长为Q，则M＝A/Q，这种量化称为均匀量化，量化节距为恒定值Q。

1.1.2.3 PCM编码

    对于量化后的信号，通常用“0”和“1”表示，即用二进制码表示。这时的编码称为脉冲编码调制——PCM 编码。模拟电视信号经取样、量化、编码（PCM编码）后得到的二进制序列，即数字电视信号。

    每个取样信号用8位二进制码表示，可能取的量化值为M＝2＝256。一般讲，当用n位二进制8

码表示时，有 M＝2n， n愈大，则M愈大，Q愈小，即量化噪声愈小，数字信号愈接近模拟信号。