（电路与系统专业论文）新一代数字化逐行扫描idtv的研究与设计.pdf

创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成采。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗 列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得嚣安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书狐 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 刁永绷 日期竺! ! 圭! 望! j 丑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：学校有权保露送交论文豹复印件，允许查阅和借阕论文： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或 其它复制手段保存论文。 本人篾名： 导师签名： - 3 永翔 i 毒竞警 日期兰! ! ! 圭! 盟兰霹 日期! ! ：! ：! 摘要 本论文研究和设计了新一代数字化i d t v 的视频数字化处理模块，并对原有 控制软件进行了全面的改造和优化，完成了样机的研制。该数字化i d t v 可以接 收现行的多种制式的电视信号，并可以将我国p a l 制5 0 h z 隔行扫描的电视信号， 通过非线性内插转换为6 0 h z 逐行扫描输出，较好地同时解决了p a l 制电视图象 存在的大面积闪烁、爬行、行间闪烁及行结构粗糙等问题：由于行扫描频率与标 准v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 分辨率) 相近，它还可兼做计算机的大屏幕显示器使用。视 频数字化处理模块选用了国外先进成熟的电视专用芯片，最大程度地提高了系统 的集成度，并保证了优良的图象质量和整机的高可靠性，使整机的性价比较高， 具有真正商品化的价值。此外，本论文还对隔行扫描到逐行扫描的变换在图象质 量方面的提高从理论上作了一些分析。 关键词：逐行扫描 ld t v 视频处理控制软件 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt h ev i d e od i g i t i z e dp r o c e s s i n gb l o c k ( v p b ) o ft h en e w g e n e r a t i o nd i g i t i z e di d t v 州t hp r o g r e s s i v es c a n f u l l yr e c o n s t r u c t e da n do p t i m i z e dt h e c o n t r o l l i n gs o f t w a r eo fi ta n da c c o m p l i s h e dt h ed e v e l o p m e n to fm o d e lm a c h i n e t h i s d i g i t i z e di d t vh a st h ea b i l i t yt or e c e i v em u l t i s y s t e mt vp r o g r a m sn o w a d a y sa n dc a n c o n v e r ti n t e r l a c e dt vs i g n a lo fp a ls y s t e mw i t h5 0 h zf i e l df r e q u e n c yt op r o g r e s s i v e v i d e ow i t h6 0 h zv i d e of i e l d f r e q u e n c y v i an o n l i n e a r i n t e r p o l a t i o n ，w h i c h s i m u l t a n e o u s l ys o l v et h ep r o b l e m sp r e t t yw e l le x i s t e di nt vi m a g eo fp a ls y s t e m s u c h a sl a r g ea r e af l i c k e r 1 i n ec r a w l ，i n t e r l i n ef l i c k e r ，c o a r s el i n es t r u c t u r ea n ds oo n w i t h i i n es c a nf r e q u e n c yc l o s et os t a n d a r dv g a i ta l s oc a ns e r v ea sal a r g es c r e e nm o n i t o ro f c o m p u t e r c o m p o s e do fs o p h i s t i c a t e di c sd e d i c a t e dt ot v t h ev p bh a sa nu t m o s t i n t e g r a t i o nl e v e l ，w h i c hp r o v i d e se x c e l l e n tp i c t u r eq u a l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n d c o n t r i b u t e st h ec o m p l e t em a c h i n et or e a c har a t h e rw e l lc o s tp e r f o r m a n e er a t i of o r c o m m e r c i a l i z a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra l s om a k e ss o m et h e o r e t i c a la l l a l y s i so nt h e p i c t u r eq u a l i t ye n h a n c e m e n tt h r o u g hd e i n t e r l a c e dc o n v e r s i o n k e y w o r d s ：p r o g r e s s i v es c a n i d t vv i d e op r o c e s s i n g c o n t r o l l i n gs o f t w a r e 弟一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 电视作为现代社会的重要的信息传播媒体之一，已经成为人们日常生活的重 要组成部分。但在相当长的一段时间之内，从技术方面来看，电视技术的发展一 直都没有太大突破，总体上仍沿用模拟发射和接收技术，这又在很大程度上制约 了电视在当前的信息社会所能发挥的作用。进入8 0 年代以后，随着数字技术和 超大规模集成电路技术的迅速发展，在广播电视领域中出现了一种引人注目的新 颖的电视接收机数字化彩色电视机，它采用数字技术对普通模拟电视信号进 行处理，不但提高了电视图象的质量，而且为传统意义上的电视机增加更多的功 能开辟了新的途径。 数字化电视机与传统的模拟电视机有很大的不同，主要在于电视信号解码、 视频信号处理、扫描信号处理和伴音信号处理均改用数字化处理电路来实现，这 几个数字处理部分和高频调谐器的选台电路一起统一由微处理器( m c u ) 控制， 以实现各种功能。此后以日本东芝公司、松下公司和德国i t t 公司为代表又 开发了新一代的数字化电视机i d t v ( i m p r o v e dd e f t i n i t i o nt e l e v i s i o n ，改善清 晰度电视) 。由于采用了更加先进的数字信号处理技术，可以对数字图象信号进 行存储、变换，进一步提高了电视图象的质量，使图象接近发射的模拟电视信号 理论上所能达到的清晰度。 另一方面，随着超大规模集成电路技术、通信技术、计算机技术及网络技术 的日新月异，信息行业已经开始进入了数字化时代，电视业也面临着同样的过渡 转变过程，并将产生上万亿美元的市场机会，世界发达国家对此都格外重视，纷 纷制定各自的数字电视标准，这些新的数字电视制式标准无论在发射方式上还 是在接收方式上，都无法与现有的电视广播制式相兼容，需要巨大的投资来改造 现有的发射台，现有的电视接收机也需要淘汰，而代之以成本相对昂贵得多的数 字电视接收机，这对于普通的用户来说也是很难迅速接受的。因此，即使处在数 字化进程前沿的美国也是在2 0 0 6 年才停止播送现有模拟制式的电视节目，转为 全数字模式。对于我国这样的发展中国家，从经济和技术角度考虑，电视节目播 放和接收的数字化进程将会更长，预计在未来十年之内仍将沿用现有的模拟电视 制式。在这一过渡时期内，在不改变现有电视广播体制的前提下，如何充分挖掘 现有电视制式的潜力，使显示的图象能够度尽量接近理论上所能达到的清晰度就 成为当前电视行业发展面临的一个非常现实的课题，数字化电视机的研制和开发 正好迎合了这样一个市场要求。 新一代数字化逐行扫描i d t v 的研究与设计 1 2 数字化i d t v 的特点 1 2 1 传统的模拟电视机的缺点 模拟电视中接收、传输和处理的是在时间上和数值上都是连续的信号，即模 拟信号，它是图象信号经光电转换后自然形式，其优点是在技术实现上比较简单， 成本较低，但其在处理现有制式的彩色电视信号时却存在一系列自身难以甚至无 法克服的缺点，且很难扩展其它功能。其主要问题有： 1 亮色串扰、清晰度低 由于带宽的限制，现行的n t s c 、p a l 制是先用色度信号调制彩色副载波， 根据频谱交错原理将其插入亮度信号的频谱的高端，然后被一起调制到主载波上 进行传递。副载波的插入一方面限制了亮度信号的带宽，同时在频谱交错处易产 生亮色串扰，尤其在图象中出现较多细节的位置或处于较快运动的区域影响就更 大。传统的模拟电视采用陷波带通的方式来分离亮色信号，分离效果较差，产生 了明显的亮色串扰，同时损失了亮度信号的高频分量，导致图象清晰度的下降。 2 出现闪烁 以我国电视制式( p a l d 制) 为例，场扫描频率正为5 0 h z ，每帧图象的扫描 行数为6 2 5 行，每个频道占用6 m h z 的视频带宽，只能采用隔行扫描方式传送( 若 采用逐行扫描方式传送，则电视图象信号的最高频率正m “= r 功：2 = 缈x 5 7 5 2 x 5 0 1 2 一l l m h z ，其中r = w h 为屏幕宽高比；z 为有效扫描行数，对于p a l 制， z - 扫描行数逆程行数= 6 2 5 5 0 = 5 7 5 行；为帧扫描频率，对于p a l 制逐行为5 0 h z ， 而对于p a l 制隔行为2 5 h z ，即每帧图象由奇偶两场扫描来实现) 。可见，图象场 频只是略大于人眼的临界闪烁频率4 5 8 h z ，且采用隔行扫描方式，使得通过普通 模拟电视处理而输出的图象信号，由于人眼可以感觉到的临界闪烁频率在亮度大 的地方更高一些，所以在亮场区域仍会有大面积闪烁现象( 对于n t s c 制，场频 为6 0 h z ，这一问题并不严重) ；由于采用隔行扫描方式，还会出现边沿闪烁、行 间闪烁、并行、爬行等现象。 3 不易扩展功能 由于在模拟电视中传递和处理的是模拟信号，添加如画中画、画外画、多画 面浏览、静止画面等功能相当困难，甚至无法实现，且成本会增加很多；模拟电 视不能处理数字信号，所以无法与计算机等数字设备直接连接，无法适应数字化 信息时代的要求。 1 2 2 数字化i d t v 的特点 i d t v 是i m p r o v e dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 的缩写，即改善清晰度电视机之意a 它是在不改变现有的模拟发射体制的前提下，将接收到的模拟信号进行模数转 第一章绪论 换，转换为数守信号进行存储、处理和控制，最后再经数模变换后进行模拟显示 的电视帆。它g & 够充分挖掘瓒有制式的潜力，很大程度上改善原有模拟电视的清 晰度，并提高煞机的性能，楚向全数字电视过渡的必要阶段。 数字化i d t v 由于采用了超大规模集成电路、微处理器及外部移储器( 包括 图象数据存储鹄元s g r a m 和存储各i c 内部可编程寄存器参数的存储单元 e 2 p r o m ) 等，并应用了数字圈象处理的瑗论和技术，大大提高了电筏图象质量， 为生产和调试提供了更大的灵活性。 1 图象质量商 现有的彩色电视体制，由于采焉亮度傣号和色度信号的频谱阗銎和隔行扫描 方式，从而引起亮色串扰、图象清晰度低、行间闪烁、并行、爬行椁现象。在数 字化彩色电视机中，模拟的念电视信号被转换为数字视频信号，它再被数字滤波 器分离为数字亮度信号和数字色度信号，由于使用数字滤波器实现亮度和色度信 号分离比较容易，可以把亮色信号分离得比较彻底，从雨提高了图象的清晰度， 减轻了串色干扰；通过对数字图象信号的存储、处理，可以变隔行扫描为逐行扫 描输出，提高图象的垂直分辨率，甚至可以提高输出图象的场扫描频率，从而有 效解决图象的大蟊积闵烁、弦溺瓣烁、并行、爬行等翊题。 2 功能多、用途广 数字信号本身是一种数据，它可以代发图象信号，也可以代表控制信号，这 栉就使图象信号与控制信号融为一体，从丽使数字化奄视拥有了很多模拟电视很 难菠至无法实现的新功能，翔番中匡、多潮面测览、静止画露、图象缩放等；数 字化电视机一般也可以直接接受数字信号，使它既可以作为模拟设备的显示终 端，如录像机、v c d 、电子游戏机等，也可以作为数字设备的显示终端，如d v d 、 计算机等，实现电视辊豹多功能、多嗣途。 3 可靠性高，便于生产和维修 数字化电视机采用超大规模集成电路( v l s i ) ，使外围元件减至最少，大大 简化图象解码、视频信号处理、德转控制等部分的电路，从丽减少走线数量，进 而w 以最大程度的减少干扰，提高整枫的w 靠性。由予照机性能在很大程度上取 决于i c 的性能及印制板布局布线，在生产中，只要其它元器件性能良好，安装 正确，就可以保证很好的一致性；必要的参数调整，大都可以通过调整各i c 的 内帮可编程寄存器来实瑗，大大篱亿了电视机的生产调试难度。 1 3 课题背景及本文新作的工作 近凡年，豳内市场上也出现了多款数字化处理i d t v ，实现的主要 功能有p a l 制的由5 0 h z 隔行到1 0 0 h z 隔行的变换或是n t s c 制的幽6 0 h z 隔杼 赣一代数字化逐行扫描i d t v 豹研究与设汴 到6 0 h z 逐行的变换、多画面浏爨、接驳v g a 信号等，由于画中画功能的增加需 要增加较高成本，且实用性不大，几乎没有带画中画功能的数字化i d t v 的机型 蘑越。这些机登在电视圈象扫搂方式处理方瓣戆主要特点是：或是提窝场扫描频 率，即将5 0 h z 6 0 h z 场频倍频为1 0 0 h z 1 2 0 h z ；或是采用各种内插方式，将 5 0 h z 6 0 h z 隔行扫描信号转换为5 0 h z 6 0 h z 逐行扫描输出。可见，上述机型对于 我国采蠲的5 0 h z 瓣p a l 割龟携信号来说，或是只能解决酉嚣豹大蘑软闲烁问题， 或是只能解决画面的边沿闪烁、行间闪烁等闯题，无法同时对行扫描和场扫描同 时进行提升，从而进一步提高图象的整体效果。 本课题是2 0 0 0 年陕西省立项的重点高新技术项目，并获得陕西销科委的拨 款。它是在珏安巢专业从事逐行扫描t d t v 努 发及推广的公司( 以下称为s t 公 司) 开发的以s i e m e n s 公司的s d a 9 4 0 0 为视频核心处理芯片的逐行倍场双频 数字化电视的软硬件的基础上完成的。本论文的主要工作是采用国际上最先进的 i d t v 专用逐行据描处理芯片美国n d s p 公司豹n v 3 2 0 及s i e m e n t s 公司最 新推出的视频信号控制及行场偏转控制芯片s d a 9 3 8 0 ，开发研制新一代数字化逐 行扫描i d t v ，其主要特点是可将我国使用的p a l 制场频5 0 h z 、隔行扫描的电视 图象信号，通过j # 线性、自适威内插算法提升为场频6 0 h z 、逐行扫攒的图象信号 输出，同眩解决或缓解普通的p a l 电视图象存在的大露较闪烁、行闻闵烁和行结 构粗糙等问胚；改造原有的汇编语言控制程序为结构化语句程序，极大提高了程 序的w 读性和可维护性，并在此基础上实现对新一代i d t v 整机的控制。本机型 由予栈颓带宽与标准v g a 按近，同封又霹以兼炸计算机的大屏幕显示器使用。 应特剐指出的是，论文工作中研制和开发这种数字化电视样机的一大特点就是在 设计的一开始就密切地面向市场、面向实际，在充分保证整机图象的商质量、工 作的高霹靠性的前提下，尽可能地降低整机的成本，从丽馊整机成本鞍低，在同 类产品中具有很商的性价比，弗具有真正商箍化的意义和较强的市场竞争力。 第二章数字化r d 的基本原理 5 第二章数字他i d t v 的基本原理 2 1 数字化i d ，r v 的含义 数字化i d t v ( i m p r o v e dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 是在普通数字化彩色电视机的 基毳斑上发展起来豹，它使用峻存储器，采照数字童适应亮色分褰滤波纂、数字降 噪和自适应隔行手j 描到逐行扫描的变换等先进的数字信号处理技术，大大提高了 电视图象的质量。 当然，数字化i d t v 有别予纯粹意义上的数字电视( d i g i t a lt v ) ：数字化电视 毫睡接收的还是电视台发射的模拟电褫信号，它在高中频遴道因工作频率较高，依 然采用模拟电路进行放大、混频和解调，解调出的视频繁带信号( 包括全电视信 号和伴音信号) 虽然仍是模拟信号，但由于其频率已缀较低，且带宽有限，此后 载可以采用数字技术对其进行处理和交换，最终再转换为模拟信号羧如；数字电 视则不同，它接收的是压缩、调制过的数审视频和音频信号，并利用数字技术对 信号进行处理、传输或存储；同时，作为向全数字电视的必要的过渡，数字化彩 色电视机也将为全数字电视d t v ( d i g i t a lw ) 的研制和普及打下熙实的技术和 市场基础。 2 2 数字化i d t v 基本原理 图2 1 为数字化i d t v 的基本组成框圈。与传统豹模拟电视程毙，其传音处理、 视频解码、视频图象处理及偏转部分的电路一般都采用了数字信号处理技术，它 的备主要功能模块的基本工作原理如下： 图2 1 数字化i d t v 的基本组成框图 新一代数字化逐行扫描i d t v 的研究与设计 1 高中频电路 数字化i d t v 将天线接收到( 或有线电视) 的高频电视信号，经过调谐器选 台变频和图象、伴音中频放大以后，再分别解调出全电视信号和音频信号，这部 分电路仍采用模拟电路。其中，频道的搜索、选择是通过m c u 输出信号控制高 频调谐器( 俗称高频头) 的工作频段和频率来实现的。高频调谐器的工作频段和 频率是由数字量代表的，m c u 将各个频道的这些信息保存在外部存储器中，通 常为e 2 p r o m ( e l e c t r o n i ce r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ) ，在需要时 从外部存储器读入或改写频道数据。当前常用的电子选台式高频调谐器一般分电 压调谐式和频率调谐式两种。 2 音频处理单元 输入到音频处理单元的模拟伴音信号先经过音频a d 变换器( a d c ) 转换为 数字信号，在音频处理模块中进行相应的处理，包括伴音信号制式、立体声信号、 双语信号和丽音( n i c a m ) 信号的自动识别、去加重、音量增减、高低音调整、 环绕声处理等等，再经d a 变换成模拟音频信号输入到功率放大器放大后，推动 扬声器还原伴音。 3 视频解码单元 输入到视频解码单元的模拟视频信号先进行a d 转换，变换为数字信号，然 后利用数字滤波器对数字视频信号进行滤波，分离出亮度和色度分量，并对亮度 分量进行峰化处理和对比度、亮度控制等，对色度分量进行彩色解码处理、色度 控制( n t s c 制中还包括色调控制) ，最后输出数字y u v 或r g b 信号( 及同步 数字分量输出数据的时钟) 和行、场同步信号到视频处理单元。在这一单元，还 需要实现对p a l 、n t s c 及s e c a m 制及其中的子制式的识别，并分离出行场同 步信号及奇偶场标志信号输出到视频处理单元。 4 视频处理单元 视频处理单元是数字化i d t v 中决定图象质量的核心部分。它接收视频解码单 元输入的数字y u v 信号及行场同步信号，并将当前一帧或几帧数字图象信息暂 存在其内部或外部存储器中( 一般为s d r a m 或s g r a m ) ，利用这些帧的图象信 息，通过合理的内插算法，产生新的行和场的图象信息，并实现相应的行场频率 的变换。 5 偏转控制单元 偏转控制单元的功能是接受来自视频处理单元的同步信号( 如行场同步信 第二章数字化i d t v 的基本原理 7 号) ，产生电视接收机所需的行激励、场锯齿波和东西校正输出( 抛物波) 信号 等，并获取来自偏转线圈的行场激励的取样及高压束电流的取样作为反馈信号， 调整自身的输出，以保证后级的行高压电路、显像管工作在正常范围之内，并稳 定图象的大小及行相位等。 6 中央控制单元 中央控制单元是数字化i d t v 的控制核心，数字化i d t v 整机的几乎所有自动 化操作过程都是在中央控制单元的控制下实现的。中央控制单元提供了较多的定 时器、中断、i o 端口等资源及强大的可编程能力，给开发人员以很大的自由空 间来编写结构合理、功能完善、界面友好的电视机控制程序。目前，中央控制单 元通常是由单片机及少量外围辅助电路组成，并通过1 2 c 总线访问和控制其它具 有1 2 c 总线接口的芯片。一般地，它主要需要完成如下几个功能： ( 1 ) 处理用户的操作 数字化i d t v 的频道预置值、用户设定的音量、高低音、亮度、对比度、色 度、色调等的数据，都在开机时由中央控制单元通过1 2 c 总线从外部e 2 p r o m 中 读出，然后写入对应的芯片中：当电视机的工作状态发生变化时，某些参数将发 生改变，如频道切换、音调增减、制式切换等，这时，中央控制单元根据情况， 通过1 2 c 总线从对应的e 2 p r o m 单元中读出数据或直接将某些事先确定的数据重 新写入芯片。很多电视专用的单片机都具有o s d 输出( o s d 一一o ns c r e e n d i s p l a y ) 端口，显示一些叠加在当前的图象信号之上的彩色字符，作为用户和电 视机交互信息的界面，通过编写程序，使单片机在电视机的不同工作状态输出不 同的o s d ，让用户可以直观地看到电视机现在的工作状态。另外，现在大多数的 数字化电视都可以使用遥控发射器控制，遥控发射器键码的读入，一般也需要通 过编写程序来实现，并根据不同的键值和当前的状态，控制周围的芯片和电路实 现不同的操作。 ( 2 ) 控制主电源的“通”和“断” 数字化i d t v 与一般的遥控电视机类似，除主电源之外，另外还有一路副电 源。为了延长电视机的使用寿命及节省电力消耗，现在的数字化电视一般都具有 所谓的待机模式，在待机模式下，主电源不工作，整机的大多数模拟电路部分及 显像管高压供电均不正常，使显像管不工作：副电源工作正常，它为红外接收器、 中央控制单元、偏转控制单元等部分的电路供电，使中央控制单元可以接收来自 遥控发射器的命令( 如开机或切换频道时) ，并输出控制信号接通主电源，使其 它部分电路的供电也正常。通过编程，中央控制单元还可以实现定时自动待机、 自动开机( 从待机状态) 、定时切换频道等功能。 ( 3 ) 生产调试过程中存储和调整某些参数 新代数字化逐行扫描i d t v 的研究与设计 在数字化i d t v 在生产调试过程中，需要调整各个芯片的某些可编程寄存器的 参数，如图象的几何校正参数等，调整过的参数最终被保存在外部的e 2 p r o m 中。 每次开机后，中央控制单元通过1 2 c 总线从e 2 p r o m 中将这些参数值读出，并把 这些参数写入相应芯片的寄存器中，使整个数字化电视机处于正常工作状态。 7 电源部分 开关稳压电源具有转换效率高、耗电省、稳压范围宽、体积小、重量轻特点， 因此，现在的数字化i d t v 的电源一般均采用开关稳压电源。另外，在开机瞬间， 电源部分还负责产生一个复位信号到中央控制单元，使其在加电之后处于一个确 定的状态。 2 _ 3 采用数字化逐行处理对提升图象清晰度的有效性 2 3 1 逐行扫描对于图象垂直清晰度的提高的直观分析【4 1 电视接收机图象重显的垂直清晰度与摄象端和接收端的扫描行结构、图象的 析象率、重显图象的行间闪烁、边沿闪烁、爬行等诸多主观效果因素有关。 由于重显图象由一行一行的扫描线构成所以图象的垂直清晰度与扫描行数 有关，其上限由一帧图象中的有效扫描行数决定。 对于采用隔行扫描方式的接收机来说，其重显图象的垂直清晰度为兄，若用 数学表达式，可表示为： 尺。= ”鼠j c f ( 2 1 ) 其中，月为一帧中的扫描行数，鼠是垂直有效扫描系数，k 是凯尔( k e l l ) 系数， f 是隔行扫描系数。 n 值是由电视系统的扫描制式决定的( 对于欧洲和我国使用的p a l 制，n 为6 2 5 行，而日本、美国等使用的n t s c 制，n 为5 2 5 行) 。丘值表示场扫描正程的扫描 行数占一帧总扫描行数胛的百分比，由具体规定的扫描格式而定( 例如p a l 制的 k 值为9 2 ) ，丘与 的的乘积即为一帧图象的有效扫描行数。 凯尔系数足是用来说明摄象机扫描系统中的垂直分解力在实际中可达到有效 扫描行数的程度。在目前的隔行扫描系统中，k 值小于1 的主要原因是：由于扫 描行与图象画面之间相对位置的随机性的影响，并不是每个扫描行都能有效地重 显图象。在图2 2 ( a ) 和2 2 ( b ) 所示的原图象及经摄象传输而最终显示的图象的比较 中，若在摄象时，当黑白条恰好落在扫描线上时( 如图2 2 ( a ) q h 的第- - y u 黑白条) ， 在接收端就可以正确地重现图象( 如图2 2 ( b ) o 的第- - y i j 黑白条) ，这是最理想的 情况，此时的垂直分解力等于有效扫描行数：但在最坏的情况下( 如图2 2 ( a ) 中 的第- y j j 黑白条) ，在摄象时，扫描电子束刚好覆盖黑白条各一半，重显时电子 辩= 章数字化i f f f v 拘基奉原理 9 束只能体现象綮亮度的平均值，即每行图象信号都呈现相同的灰甑( 如图2 2 2 ( b ) 中的第二列获条) ，这时完众着不到黑自祭纹，垂直分解力为0 ；瓣将黑白条纹之 闽的目隔加大一倍，将可耋现黑白条绞。如图2 2 z 强) 和2 2 ( b ) 中的戢在一列黑白条 纹图象，但是此时的垂直分解力只有扫描行数的一半。当然，在宓际使用中，这 种黑白相间的、整齐排列的图象是罕见的，一般的图蒙内容都具有随机性，从统 计平均豹角度来着，垂直分勰力应介于密效扫接 亍数昶一半有效舒二数之间，据统 计分轿，可近纭取垂直分孵力为有效行数豹7 0 ，鄱取k = 0 7 。 f l = i i 二i f 1 l r = i i f 二二j e l _ 【i i f i = 1 _ r = i i i 二二二= = l l f i i f i 口 ( a ) 一 。t 口：。 誊f 卜 _ 嗣2 2 垂直分解力与扫插的关系 ( b ) 隔行扫描系数f ，是采用主观评价的方法对隔行扫描显示系统和逐行扫描显 示系统的垂崮清晰度进行比较后而得出的，有关实验表明，隔行扫描系数约在 0 f i - 0 7 之闻。霹采羯甄行孝玉描方式的系统，荚主观评徐妁垂苣清晰瘦，是逐行扫 描系统的6 0 。”7 0 。隔行扫描系统降低了垂直清晰度的主要原因是由于扫描线 的行间闪烁、边沿闪烁、爬行和并行等干扰现象的存在而引起的。 由上述分析可知，电视接收机屏幕黧鼹的图象，其垂直清晰度爱到三个因素 的限制，即有效扫描行数( 日鼠) 、凯尔鬈数( 足) 和隔行扫描系数( f ) 。提高黧 中任何一个参数值，都可以提高图象的瓣崖清晰度。 要提高有效扫描行数需要改变现有的，“播电视制式并增加每个信道的频率带 爨；要提毫蟊刘霉要竣交接象蠛豹扫捺鼗撵方法，挺蠢撰象李及降绦赣窭壤号 的频谱混叠。这两个因索与电视制式和图敷摄入的方式有关，这里不再讨论。 在电视接收机端，用行扫描变换的方法将原来的隔行扫描信号改为逐行扫描 鼹示，可以消除隔行扫攒系数f 引起的潮象垂直清晰度豹损失。这种方法在不霈 疆改变现有的电视广播制式、传输带宽黻及摄象祝现寄的扫描析象系统( 隔行孪曩 描) 的情况下即可将图象的垂直清晰殿提高3 0 2 1 e 右。同时由于行扫描频率 的加倍，每场的扫描线数加倍( 变为5 2 5 行，场或6 2 5 行，场) ，使得屏幕显示的掬 搦先樱结构也不那么粗糙。 新一代数字化运行扫描i d t v 的研究与设计 2 3 2 逐行扫描对于提高图象垂直清晰度的频域分析【1 0 】【2 0 】【2 1 】 为了进一步说明逐行变换对提高图象的垂直清晰度的作用，下面以p a l 制图 象为例，从频域的角度来简单地分析一下电视信号的频谱。电视系统传输的是三 维的信息b ( x , y , o ，为显示和传输的需要，它首先被在垂直方向y 和时间方向t 上 进行取样，随着数字技术的引入，为了利用其进一步提高图象的质量，对电视信 号在水平方向x 也进行了取样以实现数字化。因此，数字化电视信号可视为连续 三维函数6 阮”一经三维6 序列取样函数取样的结果，设电视图象奇数场与偶数场 的信号分别为6 向移和6 2 恸砂，其相应的傅立叶谱分别为b 仉z 刀和 b 2 识z 刀，则取样后奇数场图象信号 b s l ( x ，y ，) = b l ( x ，y ，) 8 ( x - k a ，y - i 2 b - b ，t - m 2 c - c ) ( 2 2 ) ，” 偶数场图象信号 b s 2 ( x ，儿r ) = b 2 ( x 川y ) d ( x - k a ，y - l 2 b ，t - m 2 c ) 其中a 是沿x 方向的取样周期，b 是行距，在p a l 系统中为屏高6 2 5 向的取样周期，即场周期，在p a l 系统中为2 0 m s 。 它们对应的傅立叶谱分别为 b ，t ( ， ，= 警莩莩军占 x 一告，y j l i ，r 一罢 c 一，“m 。而1 。莩莩莓b 正一：k ，厶一去，一云 ( - ) + ” 噬：( 六，乃，) 2 石击莩军莓舵l 正一考，一去，一罢j 由以上的奇偶场傅立叶谱组成的一帧图象的信号谱为 b ? 0 1 ， 、= b i i ( l ， y ， 、+ b ；2 ( l ，f ， 、 ( 2 3 ) c 是沿t 方 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 石七i 莩莩； b ( 一：k ，一去，一罢 ，( 一广”+ b z 卜告小去小别 c z s ， 在三维频域中，工的含义为在垂直方向的清晰度；正为水平方向上单位长度内 包含了多少个信号变化的周期；z 的大小表示空间位置的某一点在单位时间内亮 暗变化的次数。图2 3 为p a l 制电视信号在频率原点附近的三维谱，其在垂直一时 间平面上的投影( 即沿正方向的投影) 见图2 4 。其中，z 以周屏高( h z p h ) 为 单位，z 以周屏宽( h z p w ) 为单位，f 以赫兹( h z ) 为单位。 蔓三童墼圭墨! ! 型篓薹查塑里 ! ! 圈2 3p a l 信号在频率艨点附近的三维谱 单位：h z ) jl ，y 3125 龟 _ 2 f 一1 8 7 5 - 1 25 2 5 讯 2 5 1 25 搪7 5 慨o 1 5 6 。3 - 懈 l z 6 图2 4p a l 制信号在瓣童时间平面的投影 新一代数字化逐行扫描i d i v 的研究与设计 图2 3 和2 4 中，- ，= 、z 、z 的的最大值分别为： f , , 。= 3 8 4 ( h z p w ) 工。2 31 2 5 ( h z p h ) 厶。= 2 5 ( h z ) 对于静止或缓慢变化的图象，其奇偶场的图象谱可以近似认为相同，即： 且颤z ，= b 2 暖z ( 2 7 ) 设占，织z 刀和b 2 优, f y 组成的一帧图象的信号谱为b 织z 刀，则 口嘏z 刀= 占皈z 刀+ b 2 优z 力 ( 2 8 ) 则对于式( 2 6 ) ，当l + m 为偶数时： 只( 六， ，：) = 石击莩莩莓文正一言，六一去，一万m ) c z 9 ) 当l + m 为奇数时：e ( 正， ，) = 0 ( 2 1 0 ) 由式( 2 9 ) 可知，经取样后的p a l 制图象信号的三维谱b s ( ， ，) 是 b ( l ， ，：) ( 基带谱) 以图2 5 中所示的黑点为中心向空间进行扩展的。图2 5 中画出了这种扩展在第一象限内的情况。 l j声 。| | 、 矗 父7 。 l 一，小 多 l ! 彳锍 1a7 图2 5 采样后频谱重复的分布规律 这样，采样后的p a l 制图象信号的三维谱b s ( 正，v ，) 在垂直- 时间平面上的 投影如图2 6 所示。图2 6 中，阴影区域a 的存在，一方面说明从屏幕上观察到 的图象中，包含有妒的由行扫描引起的重复谱中的频谱成分，因此导致图象的 粗糙的行结构：另一方面说明，由于垂直方向采样频率不够高( 扫描行数不够多) ， 第二章数字屯1 1 ：, t v 虻基车厦理 若显示的图象垂直方向卜火于3 1 2 5 ，则i ；巳视图象的基带谱与邻近的重复谱之间 存在着频谱混叠现象，这使得系统的实际的垂直分解力达不到设计的有效扫描行 1 数。阴影区域b 的存在，表明观察到的匡象巾包含有户2 5 h z ( 帧频) 和产 = 口 的重复谱中的频谱成分，这反映出人眼刘隔牙扫描的图象中韵奇偶场臣象具有 分辨能力，从而产生爬行、行训l 刈烁等现象，这也导致了丰观感觉的垂直抒解力 下降。阴影区域c 的存在，表明观察到的匿象中包含有户j 0 h z 场额) 的频谱 成分，而其空间频谱主要为低频成分这就使在【m 1 而的高亮度、高对比度羔域会 出现大而积闪烁现象。 一2 尉泠一， 一 犁7 髟 图2 6 - g t i 普b ( ，) 庄亚直时问平面上的拄影 划于运动图象来说，由于b l ( 疋，) b 2 ( 正， ，) 则当l + m 为奇数霉， 这两场图象的频谱b 1 ( 正， ，：) 和b 。2 ( ，t ， ，) 不能完全抵消，从而发牛额谱混 叠，这种混叠称为剩余混叠，它的产生也使图象的垂直分解力下降。 另外，在实际的接收机中，由于扫描电流的非线性和稳定性方面前问题，使 两场光栅不能均匀镶嵌，严重时甚至会使两场光栅重叠这种现象称为真实并行： 若被传送的图象中的运动物体在垂直方向有足够大的速度，并且每经过一场时间 新一代数字化运行扫描i d t v 的研究与设计 运动物体刚好向下移动一行距离，则后一场传送的细节将与前一场相同，所以当 视线随着运动物体移动时，看起来似乎是两行变成了一行，这称为视在并行。真 实并行和视在并行的存在，同样会使图象的垂直清晰度下降。 下面仍以p a l 制图象为例，以简单的5 0 h z 隔行到5 0 h z 逐行的变换来说明逐 行扫描对于提高电视图象质量的作用。为了比较图象的垂直分辨率，可将一场逐 行扫描图象看成是垂直方向( y 方向) 和时间方向( t 方向) 的二维采样值( 不考 虑x 方向上的采样) ，设采样前的图象为b ( y ，0 ，则采样后的图象 皆6 ( y ，r ) x s ( y - i b ，t t i t c ) ( 2 1 1 ) 其中b 是行距，在p a l 系统中为屏高6 2 5 ，c 是沿t 方向的取样周期，即场周期， 在p a l 系统中为2 0 m s 。 它对应的傅立叶谱为 口，( 兀，：) = l b ( 乃一i l ，：一詈) ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 可得，逐行扫描图象的频谱在垂直时间平面的分布将如图2 7 所示。将图2 7 与图2 6 比较可以看出，图2 7 中的视力可分辨区域内没有了区域 a ( 代表可见的行结构) ，阴影区域b ( 代表爬行和行间闪烁) 的面积明显缩小， 而阴影区域c ( 代表大面积闪烁) 则基本没有变化。 综上所述，通过将隔行扫描信号变换为对应场频的逐行扫描信号，能够几乎 完全消除图象行结构粗糙的现象，并可以大大减轻图象的爬行和行间闪烁，提高 图象的垂直清晰度，从而在很大程度上提高图象的整体质量。当然，对于p a l 制 图象的大面积闪烁现象，由于场频没有提高而不能得到消除。 第二章数字化i d t , r 的基本原理 一 灌 罗影一 一 h27 逐行扫描的颁讲舟幸直埘州平面上的频谱丹右 第三章新一代数字化逐行扫描i d t v 视频处理电鼯的设计! ! 第三章新一代数字化逐行扫描id t v 视频处理电路的设计 3 1 新一代数字化逐行扫描i d t v 的特点 目前，市场上已经有普通的数字化逐行扫描i d t v 出售，其性能与s t 公司原 有的s i e m e n s 方案相当。它们的主要特点是将5 0 h z 6 0 h z 隔行扫描信号倍行为 5 0 h z 6 0 h z 逐行扫描输出或将5 0 h z 隔行扫描信号倍场为l o o h z 隔行扫描信号输 出。这类机型，在重显我国的彩色电视现行的p a l d 制图象时，特别是对于大屏 幕彩色电视来说，一般都是在较远的位置观看，逐行扫描处理虽然提高了图象的 清晰度，但人眼已经很难觉察到：相反地，由于逐行处理增加了每场图象的有效 行数，在亮场图象时，主观上感觉大面积闪烁现象反而更加明显。对于1 0 0 h z 隔 行扫描输出信号，虽然消除了图象的大面积闪烁现象，但对于大屏幕电视或是投 影电视来说，其粗糙的行结构清晰可见，较远处观看仍然可以较明显地分辨。此 外，由于成本等方面的原因，这类大屏幕( 2 9 ”) 数字化逐行扫描i d t v 在价格上 至少要高出普通模拟电视机2 0 0 0 元人民币，这对于普通消费者来说，在感觉不 到图象质量的明显改进的前提下，付出这么大的代价，是很难以接受的。 在广泛的市场调研及对国际上有关电视的最新技术、方案的全面跟踪和比较 之后，我们对原有的i d t v 的核心模块数字化处理部分进行了重新设计。新 一代i d t v 的视频数字化处理部分，选择了美国n d s p 公司的芯片n v 3 2 0 作为图 象逐行扫描处理的核心处理器，其主要特点是可以将5 0 h z 的p a l 制隔行扫描信 号提升为6 0 h z ( 甚至更高) 逐行扫描输出，且集成了运动检测( m o t i o nd e t e c t i o n ) 和运动补偿( m o t i o nc o m p e n s a t i o n ) 、图象降噪( n o i s er e d u c t i o n ) 、动态色度瞬态 校正( d y n a m i cc h r o m i n a n c et r a n s i e n ti m p r o v e m e n t ) 、锐度控制( s h a r p n e s s ) 等 提高画质的电路，这样既提高了图象的细腻程度，克服了图象的边沿闪烁、行间 闪烁、爬行、并行等问题，又大大减轻了电视图象的大面积闪烁现象，极大地 提高了图象的可观赏性；视频解码部分采用了德国m i c r o n a s 公司( 原i t t 公 司) 的v p c 3 2 1 0 a ，其主要特点是全数字化处理、带有两行延迟的自适应y c 分 离梳状滤波器、包括n t s c 、p a l 和s e c a m 在内的多制式解码；后级的偏转控 制单元采用s i e m e n s 公司最新推出的偏转控制器s d a 9 3 8 0 ，其特点是带有多路 r g b ，y 1 信号输入切换及处理功能，并具有速度调制( s v m ) 输出，可以进一 步提高图象的整体效果。以上三个芯片都由三菱公司的电视专用m c u m 3 7 2 7 4 通过1 2 c 总线来控制，o s d 信号由m 3 7 2 7 4 输出到s d a 9 3 8 0 并控制其切换。另外， 为了降低整机的成本，我们同时也将原来的机芯的其它部分电路进行了完善和必 要的简化。考虑到工艺上的可行性及各种方案的兼容性，我们将整个视频数字化 处理模块( 包括视频解码单元、视频处理单元和偏转控制单元，如图3 1 中点划 新一代数字化逐行扫描i d t v 的研究与设计 线所示部分) 做在一块电路板上，然后通过一定的接口与其它部分的电路连接。 图3 1 是新一代数字化逐行扫描i d t v 的基本结构框图。与图2 1 比较可以看出， 其它部分的电路的工作原理与普通的数字化逐行扫描d t v 基本相同在这里不 做讨论。下面，分别对我们设计的视频的数字化逐行扫描模块的各单元的电路做 一个比较洋细的介绍。 锄调l 菏措监 。i j 糖放凡 中撷l 也蚺) 音频址理 ( m s p 3 4 1 0 ) 酵艟一 器事 陶3 1 新代数：芦化i d t v 均原理枉嘲 3 2 新一代数字化逐行扫描i d t v 视频解码单元 我们设计的新一代数字化逐行扫描i d t v 的视频解码单元由德国m i c r o n a s 公司的v p c 3 2 1 0 a 附加外围电路组成，v p c 3 2 1 0 a t 的功能框图如图3 2 所示。 v p c 3 2