6、可靠性與壽命

    人們習慣于用產品的技術性能指標作為衡量產品質量優劣的標志。但這只是一個方面，還不能反映產品質量的全貌。只有既具備良好的技術性能，又經久耐用、充分可靠的產品才能算真正質量好的產品。而后者通常用產品的可靠性與壽命來加以衡量。對于一個數字系統而言，產品可靠性與壽命包括系統的兩個終端接口間傳輸通道上所有產品的可靠性與壽命。通過對使用現場的實際調查，統計故障次數、記錄每兩次故障的間隔時間、每次故障的維修時間等，可以求出該系統的平均故障間隔時間和平均維修時間。

    可靠性是產品在規定的條件下和時間內，完成規定功能的能力。常用故障率（λ）或平均故障間隔時間和平均維修時間來表征。

    故障率（λ）表示產品工作到時間t的條件下，單位時間內發生失效的概率，常用10-9/h作為基準單位，稱為一菲物（fit）。

    平均壽命時間（mttf）為設備或系統發生失效前的平均工作時間。

    平均故障間隔時間（mtbf）指相鄰兩次故障的間隔時間。

    平均維修時間（mttr）是排除故障需用的時間。

    七、數字信號壓縮

    隨著傳輸信息量的增加，頻率資源就會越來越緊張。如高清晰度電視、視頻會議、電子圖書、多媒體、數字廣播都要占用相當寬的頻帶。

    假定傳送1個頻道電視信號，亮度信號 高頻率設為6mhz，色差信號（r-y和b-y） 高頻率設為1.5mhz。根據取樣定理，亮度信號和色差信號的取樣頻率分別應為12mhz和3mhz。若量化分層數目為256，則需用8bit二進制電碼來傳送每個取樣的量化值。這樣，傳送速率應為（12+3）×8=120mb/s。如此高的傳送速率要占用很寬的頻帶，大約在100mhz以上。因此，壓縮頻帶寬度是數字電視中一個重要課題。

    如果加上文字、聲音、圖形、圖像，信息數據量是非常大的，實時地處理這樣大的數據量，傳輸速率和存儲容量都難以達到。因此，必須高效、實時地對數據量進行壓縮，特別是對視頻圖像進行壓縮。

    一幅電視畫面的各個像素是相互關聯的，在同一行內相鄰像素之間、相鄰兩行之間、相鄰幀之間都有相關性，這說明信息中存在冗余度，去除或減少冗余度便可壓縮傳輸碼率，也壓縮了頻帶。圖像冗余度分空間冗余度（spatial redundancy）和時間冗余度（time redundancy）。空間冗余指1幀內規則的圖像或者圖像中相似的內容，這些像素都有很強的相關性，因此可進行幀內壓縮，只對沒有相關性的部分進行變換編碼；時間冗余度指各幀之間圖像相似的內容，統計表明，幀間像素變化量一般只有10%左右，因此可利用視頻圖像前、后幀之間的時域相關性進行幀間壓縮，即從過去幾幀圖像的內容預測下一幀圖像，僅僅把與前幾幀不相同的數據進行預測編碼。此外，人眼對頻率分量過高的雜波靈敏度較低，同時對圖像的亮度較敏感而對彩色分辨力弱，人眼對圖像邊緣部分雜波靈敏度也較低，因此可對靈敏度較低部分進行壓縮。還可對某些復雜圖像和快速變化圖像可以進行要或不要的選擇，以減小數據量。

    空間冗余度壓縮編碼需首先把圖像劃分成一個個子區域，每個子區域的尺寸可以是1×4、1×8、1×16個像素（一維情況），也可以是4×4、8×8、16×16個像素（二維情況），典型的變換編碼為離散余弦變換（dct，discrete cosine transform）。

    目前主要有3大圖像壓縮編碼標準：jpeg（joint photographics expert group，聯合圖片專家組）標準、mpeg（motion picture expert group，活動圖像專家組）標準和h.261，其中mpeg標準是 常用的標準。

    1、jpeg標準

    jpeg標準主要針對靜止圖像，也被應用于活動圖像。它壓縮比較低，對于中等復雜程度的彩色圖像，其壓縮比與圖像質量的關系如表3所示。

    2、mpeg標準

    mpeg標準主要包括mpeg-1和mpeg-2兩種標準，mpeg是活動圖像專家組（motion picture expert group）的縮寫。mpeg-1是碼率達1.5mb/s的編碼；mpeg-2是碼率達10mb/s的編碼。隨著技術發展的需要，人們開發、研究了mpeg-4，它是甚低碼率（very low bit rate，＜64kb/s)的視頻、音頻編碼。

    mpeg標準中目前 引人注目的是mpeg-2，它是通用的活動圖像及其伴音的編碼標準，適于各種應用，如存儲媒體、分配傳輸和通信等。

    mpeg-2標準全部項目有9部分。第1部分：系統；第2部分：視頻；第3部分：音頻；第4部分；符合性測試；第5部分：軟件；第6部分：數字存儲媒體的指令和控制；第7部分：非向后兼容的音頻；第8部分：10比特視頻；第9部分：實時接口。

    第2部分視頻是標準的核心，它采用幀間和幀內相結合的壓縮方法。1）減少時域冗余度。mpeg把活動圖像劃分為i幀（幀內圖）、p幀（預測圖）和b幀（插補圖）。i幀僅作幀內壓縮編碼，經過中度壓縮，可作為隨機存取的起點，所以i幀圖像必須傳送；p幀僅作正向幀間預測， 對預測誤差作有條件的傳送，壓縮程度較i幀高；b幀以i幀和p幀為參照，作雙向幀間預測插補，它的壓縮程度高。2）減小空域冗余度。mpeg基于dct的壓縮編碼，減小空域冗余度，與jpeg標準采用的方法基本相同，整個過程分為3個步驟：基于宏塊的dct正交變換，計算變換系數；對變換系數進行標量量化，按“z”字形掃描順序重新組合數據；對數據進行編碼，進一步壓縮數據。與jpeg不同的是，mpeg中的視頻信息不僅包含靜止圖像畫面（幀內圖），而且包含運動信息（幀間預測圖、插補圖）。

    mpeg-1標準的平均壓縮比為50：1，圖像分辨率為352×240像素（30幀/s）或352×288像素（25幀/s），主要用于壓縮靜止圖像。

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