高清、标清数字视频系统的同步.doc

高清、标清数字视频系统的同步出处：传播与制作 作者：程宏 张京春 日期：2011-5-17 所属期刊：201104同步是高清、标清和模拟视频系统中最基本也是最严格的技术环节。视频系统中的各种设备，如摄像机、VTR、服务器和切换器等，均应处于同步状态。同步信号是系统的锁相基准信号，它保证了信号切换时画面不出现滚动、跳动以及A/D、D/A转换颜色不失真等现象。对于演播、播出系统来说，整个系统的统一同步是必不可少的。在视频系统设计、安装、调试、维护中，工程技术人员除了要重视视频、音频等技术环节，还需要重视同步这一技术环节，科学合理地配置同步和相关设备。一. 高清、标清系统中同步信号的种类和选择1模拟黑场同步信号模拟黑场同步信号（BLACK BURST 简称BB），称它为黑场色同步是因为该信号的正程图像对应的信号电平是黑电平(对于PAL制黑电平为0mV；对于北美NTSC制为7.5IRE)。图1模拟黑场同步信号应符合国家广播电影电视总局在2000年颁布的中华人民共和国广播电影电视行业标准GY/T167-2000数字分量演播室的同步基准信号。该标准规定数字分量演播室系统中用模拟基准信号作为数字标清系统的外同步基准信号，该同步基准信号的有效视频信号部分应是消隐信号，同步脉冲是负极性信号，脉冲幅度300mv，行同步基准点定义为行同步脉冲的下降沿的50%处。模拟黑场同步信号的行同步提供了行时序；场同步提供了场时序。这一同步基准信号已经广泛用于大量的串行数字分量系统中。模拟视频同步信号如图1。模拟黑场同步信号的同步脉冲幅度标称值为300mV，可选色同步信号峰峰幅度标称值为300mV，同步脉冲极性应为负极性。行同步脉冲前沿（基准沿）的建立时间不应超过210ns，在10%和90%幅度值之间测量。行同步脉冲各前沿的定时在至少一场时间上应在前沿平均定时的2.5ns范围之内。基准信号应工作在75阻抗下，应符合标准的BNC型。2数字BB数字的同步信号包括高清数字同步信号（HD SDI BLACK）和标清数字同步信号（SD SDI BLACK）。时钟和定时基准信息更加容易提取，适合于全数字系统应用。数字环境中的同步是通过特定的编码字序列来实现的。这些编码字序列代表着有效视频的开始(SAV)和有效视频的结束 (EAV)。在每个编码字序列中，都用3FF作为起始字，随后是000、000两个字，最后是XYZ字。在XYZ字中，包含有场序(F)、场消隐(V)和行消隐(H)信息，参见图2。在数字视频信号中，是利用上述数据来实现同步定时的。在图中可以观察到F、V和H比特的指配使用情况。数字视频信号的行场计数从第一场的第一行开始。数字的同步信号如图2。同步信号必须足够稳定可靠，能承受持续长期的充满噪声的环境，由于数字同步信号频率太高，同步仅仅是一个较短的保留字，在实际工作环境中较容易受到干扰，造成系统同步丢失。因此，在实际应用环境中，目前还是使用模拟BB信号作为系统同步信号。3高清三电平同步信号在高清的模拟行定时中，采用了双极型三电平同步而不是标清系统中的负极型两电平同步。2000年颁布的中华人民共和国广播电影电视行业标准GY/T 155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值中具体描述了三电平同步信号：三电平行同步脉冲的幅度是300mv，正向行同步脉冲和负向行同步脉冲的宽度为44T（T=1/74.25s），行同步的基准点定义为负脉冲向正脉冲过渡的50%处。三电平同步信号有着更快的上升时间，同步精度更高。全高清数字播出系统设备可以使用三电平同步。高清三电平同步信号如图3。比较模拟BB和三电平这两种同步信号，对于同步点的判定，因为BB同步点为下降沿的50%处，受信号幅度影响较大，而三电平信号的同步点在低电位至高电位上升沿的过零点，不受信号幅度影响，所以三电平比BB更加精准，理论上更加适合做高清系统的同步。但是在实际应用中高清系统是以模拟BB同步信号作为系统同步定时基准的。模拟BB同步信号由于带宽较小，便于传输和分配。采用标准数字电缆传输模拟BB信号，传输距离达到300米（甚至更长）。目前大多数高标清设备均接受模拟BB同步信。根据GB/T 167-2000数字分量演播室的同步基准信号标准的内容，数字、模拟混合系统中要求使用BB同步。目前的系统中还存在少量的模拟设备，而模拟设备依赖BB黑场同步中的4.43M色度高频副载波信号。而三电平信号是不可能提供副载波的。在选择高标清视频系统中同步信号发生器时，可选择以产生BB为主的、多路输出相位单独可调的的信号发生器。有条件的机构，可以配置有高清三电平同步信号和BB同步信号、高清测试信号的主备切换的同步系统。高标清同步信号发生器的技术指标应符合如下技术标准：GY/T 167-2000数字分量演播室的同步基准信号；GY/T 20562-2006演播室串行数字信号抖动技术参数和测量方法；GY/T 155-2000高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值三电平部分。二. 全台同步1全台同步系统全台同步系统是把产生自总控的基准同步信号分配给各分控或者各演播室和各播出频道。再分配给各子系统，通过调整同步设备的输出相位，实现全台信号的同步。全台同步系统包括同步信号的发生，及从总控到分控等各子系统的分配。子系统内部同步由子系统自行分配。全台同步系统主要采用模拟BB作为同步信号源，如果子系统中个别设备需要模拟BB以外的同步信号（数字BB、三电平、数字音频字等），则在各子系统上配置生成。为保证同步系统的安全，台主同步设备和链路采用主备方式，如图4。模拟BB同步信号传输可使用标准数字线缆。主、备核心同步机各输出三路不同相位的同步信号，一路用于总控系统内部同步；第二路通过视分分发给全台各分控和其它子系统，通过计算全台子系统中最大延时量确定此路同步信号超前相位量；第三路作为第二路的备份送往各分控。各分同步设备（各分控或者各演播室和各播出频道）受总控同步信号锁定。再生同步信号并分配到各内部设备，为内部设备提供必需的测试信号.通过对各环节同步相位的调整和使用部分帧同步设备实现全台视音频信号在各流程中的同步。2同步时间线如图5，同步时间线主要描述在直播流程中各地的同步信号延时问题。播出切换台是直播信号流程的终点，我们把它确定为全台同步信号基准点(0H)，在直播信号流程中，电缆传输距离、视频周边设备、演播室切换台等都存在着一定的延时。例如，某演播室切换台的延时最大，达到1H以上，其它设备的延时相对较小，为了确保直播信号的同步问题，可以把直播流程中的相位分为两个主要区域，总控同步区和演播同步区。根据需要，总控、播出分控、传输分控相位应设置在总控同步区，主楼演播分控、新闻演播分控、演播中心分控相位在演播同步区。具体而言，以播出切换台为同步信号基准点（0H），总控同步根据需要设计为0H或少量超前量，确保总控输出信号到达播出切换台时同播出本地信号相位一致。传输分控和播出分控的同步设计同总控类似。上述三系统共同构成总控同步区。而在演播同步区，由于切换台延时较大，可以将延时最大的演播室的延时作为演播同步区的同步基准（假定大约提前2.5H左右）。这样，由总控向演播同步区提供的同步源可以超前2.5H。具体分控和演播室的同步可以根据实际情况调整自己的同步设备，实现直播全流程的信号同步。3外来信号的帧同步方式针对大量的外来信号，如果所有信号都使用帧同步设备，将花费大量资金，从实际应用出发，可以将帧同步设备布置在总控矩阵前端，将所有台外、外来信号进行帧同步。真正发挥总控在电视系统的技术功能。外来信号主要用于送不同的演播室直播或直接送播出频道直播。为满足这些同步差异较大的应用需求，可以在总控同步设备产生多种超前同步信号，使用专用的矩阵对其进行切换，锁定帧同步设备，提供不同相位的外来信号供演播室或播出使用，根据信号通路的延时设置具体相位输出。演播室A使用外来信号X时，可以根据需要设置该帧同步的同步为-2H，演播室B使用X时，可以设置为-1.8H，播出直切时，设置为-0.1H。这种设置可以提前做好，使用矩阵切换既可。这样，在外来信号的使用流程中，可以不必再使用帧同步设备了。（1）矩阵的帧同步功能。总控、分控和部分演播室建议设置帧同步设备环通方式，既从矩阵输出送到帧同步设备，再送回矩阵，灵活实现帧同步功能。这样可以大大提高帧同步器等设备的使用效率。（2）切换台的矫正窗口。全台同步主要解决不同视频信号在切换台入端相位尽量一致，但是，由于情况非常复杂，相位完全一致的难度很大，所以建议在选择播出和演播室切换台时，要考虑其具备一定的同步容限，最好在1H以上。这样，由电缆传输和部分视频周边设备引起的延时可以不必考虑，只要输入信号的相位在切换台的容限窗口之内就可以了，从而简化了同步系统的设计难度。为解决在应急切换时的同步问题，建议选择带行同步功能的应急切换器。针对特别经常直播的外来信号主通路（例如CCTV新闻联播信号），为了确保安全播出可以考虑配置帧同步设备。三. 重视同步技术环节相对于模拟视频系统，同步系统的不正常也许对高标清数字系统影响更大。在视频环境中，同步是一项最基本的和最严格的调试步骤。系统中的所有设备都应当处于同步状态，这样才能顺利地完成节目制作和播出任务。在视频系统设计、安装、调试、维护中，工程技术人员除了要重视视频、音频等技术环节，还需要重视同步这一技术环节。为了确保安全制播，主备通路各设备所需的同步信号尽可能分离，如通过不同的视频分配器进行分配处理。各设备（如视频服务器的不同编解码板）尽可能不共享同一同步信号。目前，有的同步发生器采用了 Stay GenLock技术，在失锁发生时（外来同