数字视频图像传输系统实现中几个问题的研究
摘要
本文针对数字视频图像传输中的两个典型问题，即信源的编码压缩和数据的调制传输，进行了原理上和工程实现上的讨论，并且重点放在其具体实现上。首先，归纳、介绍了数字视频图像编码压缩的基本原理和常用方法，并重点就MPEG进行了必要的阐述。就其实现而言，本文采用基于微机的AV-8视频采集卡，实现了图像数据的采集和编码压缩。更进一步，论文采用Verilog HDL语言来描述MPEG的运算核心部分：离散余弦变换(DCT)／反离散余弦变换(IDCT)，其主要内容是小数的乘加运算在可编程器件中的实现。其次，论文对视频图像传输中普遍采用的数字调制传输方式，有二相移相键控调制(BPSK)、四相移相键控调制(QPSK)和正交幅度调制(QAM)等，进行了MATLAB程序的仿真比较。随后，针对QPSK，详细讨论了其基本原理和具体的实现算法，并进行了仿真验证，然后选用HSP50215数字上变频芯片和HSP50214B数字下变频芯片，设计了数字调制、解调器的实现方案。最后，作为对整个数字视频图像传输系统的宏观认识，利用MATLAB中的实时建模仿真Simulink库对典型的视频图像传输系统一数字视频广播系统(DVB)，进行了建模、仿真和初步的分析，结果表明：在高斯白噪声的传输环境下，系统采取的一系列抗干扰措施，包括内、外码级联的信道纠错编码和先进的调制技术(OFDM)等，保证了信源信息传输的有效进行。
This paper mainly investigates two important problems of digital image and video transmission. One is compression; the other is digital modulation. Here we discuss the basic theory and their realization, and mainly concentrate on their realization. First of all, the paper discusses the basic theory and means of image and video compression, then attaches more importance to the standards of image and video compression, such as MPEG. As for its realization, there are two ways: soft and hard. Here we try out a hard way with video card to realize it. In the second place, we discuss some ways of digital modulation in transmission of image data, for example BPSK, QPSK, QAM, and so on. Here the paper compares the differences of these ways of modulation, and gives some simulation results, and chooses two integrated circuits: HSP50215 and HSP50214B, then designs the structure of QPSK's realization. Finally as a special example of the system of image transmission, the paper discusses the structure of digital video broadcasting system, and manages to complete its simulation in MATLAB, and gives the simulation results, so that we can have an overall recognition.
This paper mainly investigates two important problems of digital image and video transmission. One is compression; the other is digital modulation. Here we discuss the basic theory and their realization, and mainly concentrate on their realization. First of all, the paper discusses the basic theory and means of image and video compression, then attaches more importance to the standards of image and video compression, such as MPEG. As for its realization, there are two ways: soft and hard. Here we try out a hard way with video card to realize it. In the second place, we discuss some ways of digital modulation in transmission of image data, for example BPSK, QPSK, QAM, and so on. Here the paper compares the differences of these ways of modulation, and gives some simulation results, and chooses two integrated circuits: HSP50215 and HSP50214B, then designs the structure of QPSK's realization. Finally as a special example of the system of image transmission, the paper discusses the structure of digital video broadcasting system, and manages to complete its simulation in MATLAB, and gives the simulation results, so that we can have an overall recognition.
引文
1 吴乐南．数据压缩．北京：电子工业出版社，2000
2 樊昌信等．通信原理．北京：国防工业出版社，1998
3 曹志刚，钱亚生．现代通信原理．北京：清华大学出版社，1992
4 黄胜华，徐佩霞．现代通信原理．合肥：中国科技大学出版社，1989
5 陈启美，李嘉．现代数据通信教程．南京：南京大学出版社，2000
6 张传生．数字通信原理．西安：西安交通大学出版社，1990
7 李建新，刘乃安等．现代通信系统分析与仿真MATLAB通信工具箱．西安：西安电子科技大学出版社，2000
8 陈怀琛．MATLAB及其在理工课程中的应用指南．西安电子科技大学出版社，2000
9 刘卫国．科学计算与MATLAB语言．北京：中国铁道出版社，2000
10 车晴．电子系统仿真与MATLAB．北京：北京广播学院出版社，2000
11 郑志航．数字电视原理与应用．北京：中国广播电视出版社，2001
12 王锁萍．电子设计自动化教程．成都：电子科技大学出版社，2000
13 夏宇闻．复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术．北京：北京航天航空大学出版社，1998
14 常青等．可编程专用集成电路及其应用与设计实践．北京：国防工业出版社，1998
15 徐志军，徐光辉．CPLD／FPGA的开发与应用．北京：电子工业出版社，2002
16 潘松，王国栋．VHDL实用教程．成都：电子科技大学出版社，2000
17 姚庆栋，毕厚杰，王兆华，徐孟侠．图像编码基础．北京：人民邮电出版社，1984
18 黎洪松．数字视频技术及其应用．北京：清华大学出版社，1998
19 井上伸雄．数字信号处理的应用．第一版．北京：科学出版社，1991
20 国家自然科学基金委员会[编]．电子学与信息系统．北京：科学出版社，1998
21 王汇源．数字图像通信原理与技术．北京：国防工业出版社，2000
22 郑世林．数码压缩技术与应用．北京：机械工业出版社，2000
23 余松煜等．现代图像信息压缩技术．北京：科学出版社，1998
24 施阳．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK．西安：西北工业出版社，1999
25 刘昌孝．专用集成电路设计．北京：国防工业出版社，1995
26 王建校，宁改娣．MAX+Plus口应用入门．北京：科学出版社，2000
27 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，2000
28 J. G. Proakis. Digital communication. 北京：电子工业出版社，1998
29 Stephen Von Rump．视频通信的未来趋势．电信科学．2000(3)：4-6
30 徐孟侠．关于数字电视的定义．电视技术．2000(8)：7-8
31 樊昌信，薛向阳．数字图像信号编码最新进展．电信科学．1993(7)：9-15
32 徐孟侠．电视编码十年．通信学报．1981(2)
33 姚庆栋．电视编码的进展．通信学报．1986(6)
34 吴乐南．多媒体音像压缩芯片的新进展．电信科学．1995(6)：21-24
35 曹叶文，项海格．HDTV传输的调制技术．电信科学．1995(9)：2-6
36 梅剑平，全子一．正交频分复用及其在高速数字通信中的应用．电信科学．1995(4)：15-22
37 梅剑平，全子一．美国“大联盟”HDTV传输系统方案．电信科学．1995(2)：21-25
38 杨秀华，乐陶，徐孟侠．发展我国高清晰电视的关键技术及建议．电视技术．1993(2)：9-11
39 杨林，杨知行，吴佑寿．一种新的地面数字多媒体／电视广播传输系统．电视技术．2002(1)：12-16
40 孙雪俊，周祖成．高清晰度数字电视传输系统设计与实现．电子技术应用．2001(6)：47-49
41 赵建，俞卞章．MPEG的发展与前瞻．电视技术．2002(3)：17-21
42 沈兰荪，魏海，黄祥林．基于子带／小波分解的视频编码可分级性研究．电子学报．2000(7)：126-127
43 狄红卫，余英林．XYZ视频图像压缩编码．电子学报．2000(6)：32-35
44 胡启明．谈谈数据压缩技术．现代通信．2000(4)：10-11
45 李剑．多媒体信息压缩技术．兵工自动化．2000(3)：48-51
46 黄葆华，吕晶．多模式数字调制器实现方法探讨．军事通信技术．2001(9)：25-30
47 李彤，沈兰荪．全数字接收机的结构及关键技术．电信科学．1995(4)：25-31
48 张文忠，沈兰荪．全数字接收机的DSP实现．电信科学．1995(10)：26-30
49 潘莉，东辉等．数字调制解调技术及其应用的研究进展．电讯技术．2001(5)：26-30
50 廖长清，卢建川等．基于TMS320C54x实现π／4-DQPSK调制．电讯技术．2002(1)：1-4
51 胡师彦．视频压缩在视频监控系统中的应用．电子产品世界．2001(10)：11-13
52 齐崇英，西宏等．基于DSP的单兵背负式短波数字通信系统．电子技术应用．2002(3)：50-52
53 王利众，费元春等．DDS在正交调制技术中的应用．电子技术应用．2002(3)：48-50
54 郑剑泉，曹杰．用软件无线电方法实现中频信号的数字化接收解调．电子工程师．2002(10)：55-58
55 袁伟娜，张翠芳．软件无线电中数字变频器的设计与实现．电子工程师．2002(10)
56 杨玉军，重阳等．基予WAP技术的自适应内容传递技术的分析．现代电子技术．
2001(11)：10-12
57 吕涛．多媒体通信的技术基础．电信科学．1995(11)：28-314
58 朱常青．三维立体实境交流方式．现代电子技术．2002(5)：39-40
59 张煦．21世纪通信技术发展趋势．电子技术．2001(1)：5-8
60 季兵，晓勇．基于浮点DSP的数字图像压缩方法研究．电视技术．2000(12)：13-15
61 王利众，费元春等．数字接收机中频电路的研究．电讯技术．2002(1)：39-41
62 黄葆华，吕晶．多模式全数字调制器实现方法探讨．军事通信技术．2001(9)：25-30
63 昆仑，郭黎利．全数字BPSK调制解调器．哈尔滨工程大学学报．2000(4)：60-63
64 夏牧．数字信号处理技术在软件无线电中的应用．数字通信．1999(4)：46-49
65 吴昊，张乃通．软件无线电应用中的关键器件及技术．通信与电视．1999(8)：45-47
66 钱峻，章坚武，姚庆栋．软件无线电在我国第三代移动通信系统中的应用．电讯技术．1999：59-62
67 居红兵，曹志刚．四维8PSK网格编码调制及全数字化同步算法的研究．通信学报．1992(6)
68 陈寅健，李荔，杨根庆．一种用于突发通信的全数字解调器设计．无线通信技术．2000(3)：32-36
69 张炜，潘长勇，郭兴波．卫星信号全数字解调器的研制．电讯技术．2001(1)：84-87
70 沈兰荪．调制解调的数字实现．电信科学．1993(11)：27-31
71 王文军．一种基于DSP技术的基带解调器的算法原理与仿真．通信与广播电视．1996(2)：26-34
72 王文军．数字传输系统中的滤波器及其DSP实现方法．通信与广播电视．1996(2)：31-39
73 赵安，查朝云等．一种采用DSP技术的低速率DQPSK调制解调器．通信与广播电视．1996(3)：6-9
74 王育红，薛吁明，樊昌信．一种全数字接收机结构．西安电子科技大学学报．1998(6)：374-378
75 徐波，樊平毅，曹志刚．四相相移键控调制的抗大频偏的全数字接收机．清华大学学报．1997(9)：24-28
76 张文军，夏劲松等．高级数字电视广播系统传输方案．电视技术．2002(1)6-13
77 彭翔，丁宏庆．多制式数字调制系统的设计与实现．电子技术．1999(2)：13-16
78 Les Mintzer．用FPGA设计软件无线电和调制解调器．电子工程专辑．1999
79 G.M.Dillard. Mean-Level detection of nonfluctuating Signals, IEEE Aerospace Vol.AES-10, N0.6, p795-799, Nov 1974
80 M Kunt, A Ikonomopoulos and M Kocher.Second-Generation Image coding Techniques.
Proc. of the IEEE, Vol. 73, No.4, April 1985
81 M. Kunt, Michel Benard and Riccardo Leonardi, Recent Results in High-Compression Image Coding, IEEE Tras. on Circuits and systems, Vol.34, No. 11, Nov. 1987
82 K.C.Zangi, R.David. Software radio issues in cellular base station. IEEE Journal on Selected Areas in Comm., Vol. 17, No.4, p561-573, APR.1999
83 L.E.Franks. Carrier and bit synchronization in data communication—a tutorial, IEEE,Trans., Com,Vol.28, No.8, p1107-1121, Aug.1980
84 A.J.Viterbi, A.M.Viterbi. Nonlinear estimation of PSK modulated carrier phase with application to Burst digital transmission. IEEE Trans. Information Theory, Vol. IT-29, No.4,p543-551, JUL. 1983
85 RY.Kam. Maximum likelihood carrier phase recovery for linear suppressed-carrier digital data modulations, IEEE Trans. Comm., Vol. 34, No. 6, p522-527, Jun. 1986
86 M.Oerder, H. Meyr. Digital filter and square timing recovery. IEEE Trans. Comm., Vol.36, No.5, p605-612, MAY. 1988
87 G.Ascheid, M.Oerder, H. Meyr. An All Digital Receiver Architecture for Bandwidth Efficient Transmission at High Data Rates, IEEE Trans. Comm., Vol.37, No.8, p804-813, Aug. 1998
88 EM. Gardner. Interpolation in digital modems—part Ⅰ: Fundaments, IEEE Trans. Com.,Vol.41, No.3, p501-507, Mar. 1993
89 L.Erup, F.M.Garder, R.A.Harris. Interpolation in digital modems—part Ⅱ: implementation and performance, IEEE Trans. Com., Vol.41, No.6, p998-1008, Jun. 1993
90 B.Daneshrad, H.Samueli. A 1.6 Mbps digital QAM system for DSL transmission. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, Vol. 13, No.9, p1600-1610, DEC. 1995
91 R.D.Gaudenzi, M.Luise. Analysis and design of an all digital demodulator for Trellis coded 16 QAM transmission over a nonliear satellite channel. IEEE Trans. Comm.,No.2/3/4, p659-668, FEB/MAR/APR. 1995
92 Brian C. Tom, Aggelos K. Kataggelos. Resolution Enhancement of Monochrome and Color Video Using Motion Compensation. IEEE TRANSACTION ON IMAGE PROCESSING, VOL. 10, NO.2, FEB 2001
93 Bruno Aiazzi, Luciano Alparone and Stefano Baronti. A Reduced Laplacian Pyramid for Lossless and Progessive Image Communication, IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATION, VOL 44, NO. 1, JAN 1996
2 樊昌信等．通信原理．北京：国防工业出版社，1998
3 曹志刚，钱亚生．现代通信原理．北京：清华大学出版社，1992
4 黄胜华，徐佩霞．现代通信原理．合肥：中国科技大学出版社，1989
5 陈启美，李嘉．现代数据通信教程．南京：南京大学出版社，2000
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47 李彤，沈兰荪．全数字接收机的结构及关键技术．电信科学．1995(4)：25-31
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58 朱常青．三维立体实境交流方式．现代电子技术．2002(5)：39-40
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62 黄葆华，吕晶．多模式全数字调制器实现方法探讨．军事通信技术．2001(9)：25-30
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65 吴昊，张乃通．软件无线电应用中的关键器件及技术．通信与电视．1999(8)：45-47
66 钱峻，章坚武，姚庆栋．软件无线电在我国第三代移动通信系统中的应用．电讯技术．1999：59-62
67 居红兵，曹志刚．四维8PSK网格编码调制及全数字化同步算法的研究．通信学报．1992(6)
68 陈寅健，李荔，杨根庆．一种用于突发通信的全数字解调器设计．无线通信技术．2000(3)：32-36
69 张炜，潘长勇，郭兴波．卫星信号全数字解调器的研制．电讯技术．2001(1)：84-87
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75 徐波，樊平毅，曹志刚．四相相移键控调制的抗大频偏的全数字接收机．清华大学学报．1997(9)：24-28
76 张文军，夏劲松等．高级数字电视广播系统传输方案．电视技术．2002(1)6-13
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82 K.C.Zangi, R.David. Software radio issues in cellular base station. IEEE Journal on Selected Areas in Comm., Vol. 17, No.4, p561-573, APR.1999
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88 EM. Gardner. Interpolation in digital modems—part Ⅰ: Fundaments, IEEE Trans. Com.,Vol.41, No.3, p501-507, Mar. 1993
89 L.Erup, F.M.Garder, R.A.Harris. Interpolation in digital modems—part Ⅱ: implementation and performance, IEEE Trans. Com., Vol.41, No.6, p998-1008, Jun. 1993
90 B.Daneshrad, H.Samueli. A 1.6 Mbps digital QAM system for DSL transmission. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, Vol. 13, No.9, p1600-1610, DEC. 1995
91 R.D.Gaudenzi, M.Luise. Analysis and design of an all digital demodulator for Trellis coded 16 QAM transmission over a nonliear satellite channel. IEEE Trans. Comm.,No.2/3/4, p659-668, FEB/MAR/APR. 1995
92 Brian C. Tom, Aggelos K. Kataggelos. Resolution Enhancement of Monochrome and Color Video Using Motion Compensation. IEEE TRANSACTION ON IMAGE PROCESSING, VOL. 10, NO.2, FEB 2001
93 Bruno Aiazzi, Luciano Alparone and Stefano Baronti. A Reduced Laplacian Pyramid for Lossless and Progessive Image Communication, IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATION, VOL 44, NO. 1, JAN 1996