全带宽数字电视基础和测试1.doc

全 带 宽 数 字 电 视 基 础 和 测 试 全 带 宽 数 字 电 视 指 的 是 未 经 压 缩 的 数 字 电 视， 如 270MB/s 的 串 行 数 字 分 量 电 视、177MB/s 或 144MB/s 的 串 行 数 字 复 合 电 视 等。 本 文 将 仅 以 D1 格 式 的 数 字 电 视 为 例， 叙 述 数 字 电 视 的 基 本 概 念 和 测 试 方 法。 全 带 宽 数 字 电 视 的 基 本 概 念D1 格 式 的 由 来 图 1 图 1 所 示 的 是 大 家 熟 知 的 现 代 电 视 中 的 模 拟 视 频 和 全 带 宽 数 字 视 频 部 分。 从CCD 摄 像 机 输 出 的 RGB 模 拟 分 量 信 号 其 带 宽 高 达36MHz 或30MHz, 采 用 隔 行 扫 描 方 式 可 将 RGB 信 号 带 宽 降 至15MH ， RGB 信 号 经 过 矩 阵 线 性 变 换 成Y、BY、RY 后， 带 宽 进 一 步 降 至10MHz。 最 后 经 过 复 合 编 码 器， 模 拟 分 量 的Y、BY、RY 编 码 为 模 拟 复 合 的PAL 和NTSC 格 式。 虽 然 带 宽 降 低 5MHz(PAL D/K 为6MHz ), 但 不 可 避 免 地 给 图 象 带 来 了 损 伤， 画 面 质 量 大 大 降 低， 各 种 失 真 由 此 产 生。 从 模 拟 复 合 的PAL 和NTSC 直 接 取 样、 量 化 的 全 带 宽 数 字 格 式 称 之 为 D2 格 式， 取 样 时 钟 频 率 为4 倍 的 副 载 波 频 率， 串 行 方 式 的 输 出 码 流 为177Mb/s 或144Mb/s。 电 视 工 作 者 很 早 就 注 意 到 在 演 播 室 和 转 播 车 系 统 中 采 用 模 拟 分 量 方 式， 可 很 大 程 度 上 提 高 图 象 质 量 和 多 版 制 作 质 量。D1 格 式 的 产 生 也 就 是 基 于 这 一 点。D1 格 式 分 别 在Y，BY，RY 上 各 自 取 样 和 量 化， 取 样 时 钟 频 率 折 衷 为 27MHz , 分 配 给Y 为13.5MHz、BY 为6.75MHz、RY 为6.75MHz。 量 化 比 特 为10 位，D1 格 式 的 并 行 方 式 输 出 码 流 为27Mb/s。 当 并 行 输 出 转 为 串 行 输 出 时， 很 明 显 为 了 保 证 同 样 的 速 率， 移 位 寄 存 器 的 时 钟 频 率 必 须 是A/D 时 钟 频 率 27MHz 的10 倍 即 270MHz, 这 样 D1 格 式 的 串 行 输 出 码 流 就 为 270Mb/s。我 们 把D1 格 式 的 串 行 输 出 命 名 为 串 行 数 字 分 量。ITU-R BT.601-2(CCIR 601) 取 样 和 量 化 简 介601 取 样 方 式图 2601 取 样 又 称 作 4:2:2 取 样， 我 们 以 图 2 中 的 4x4 象 素 块 来 说 明 这 一 取 样 方 式。 N 行 的 0 号 象 素 对 Y、Cb、Cr 都 取 样，1 号 象 素 仅 对 Y 取 样，2 号 象 素 同 0 号 象 素 一 样 对Y、Cb、Cr 都 取 样，3 号 象 素 同 1 号 象 素 一 样 仅 对 Y 取 样。 这 样， 在 这4 个 并 列 的 象 素 中 Y 取 样 了 4 次、BY 取 样 了 2 次、RY 也 取 样 了 2 次。 所 以 601 取 样 也 称 作 为4:2:2 取 样。4:2:2 取 样 的 理 由 是 基 于 人 的 视 觉 系 统 对 色 度 的 分 辨 率 远 远 低 于 对 亮 度 的 分 辨 率，如 同 彩 色 电 视 中 的 色 度 大 面 积 着 色 原 理 一 样。 如 果 把“4” 看 作 亮 度 信 号 的 切 换 频 率 13.5MHz， 那 么“2” 正 好 等 于 6.75MHz。 此 外 取 样 字 输 出 时， 排 列 顺 序 为Cb Y Cr Y Cb Y Cr Y， 即 二个 色 差 取 样 字 中 夹 着 一 个 亮 度 取 样 字， 或 二 个 亮 度 取 样 字 中 夹 着 一 个 色 差 取 样 字。 量 化 D1 格 式 的 串 行 数 字 分 量 其 取 样 字 的 字 长 为 10 位， 即 取 样 电 平 有 1024 个 台 阶。 这 1024 个 取 样 电 平 怎 样 安 排， 有 如 何 规 定， 下 文 就 亮 度 信 号 的 量 化 和 色 度 信 号 的 量 化 分 别 给 予 叙 述。 -亮 度 信 号 的 量 化 图 3 图3 为 亮 度 信 号 量 化 的 示 意 图。 考 虑 到 每 一 行 都 存 在 的 300mV 高 度 的 行 同 步 信 号 不 管 在 活 动 图 象 或 标 准 测 试 信 号 中 都 是“ 冗 余” 的 部 分， 所 以 没 有 必 要 每 次 取 样 和 量 化， 可 仅 以 第 “03” 4 个 码 字( 量 化 电 平 000003) 来 表 示 有 效 行 扫 描 开 始， 称 之 “SAV” (Start Active Video)， 同 样 用 第 “10201023” 4 个 码 字( 量 化 电 平 3FC3FF) 来 表 示 有 效 行 扫 描 结 束， 称 之“EAV”(End Active Video)。 数 字 接 收 机、D/A 可 很 简 单 地 利 用 “SAV ” 和“EAV” 同 步 数 字 视 频 行。 此 举 的 更 大 好 处 在 于 可 将 原 应 该 用 于 取 样 同 步 的 约 30 的 取 样 点， 现 可 增 加 用 于 信 号 电 平 上。 也 就 是 说 原 应 该 用 约1000 取 样 点 取 样 峰 峰1 V， 现 可 全 用 在0700mV 的 信 号 电 平 上， 加 大 了 取 样 密 度， 提 高 了 取 样 精 度。 此 外， 除 了 03，10201023 这 8 个 字 用 于作 同 步 外， 第 “463”( 量 化 电 平 004039 )这 60 个 字 保 留 给 黑 电 平“ 下 浮”， 第“9411019”( 量 化 电 平 3AD3FB) 这 79 个 字 保 留 给 白 电 平“ 过 冲”。 可 见 实 际 0700mV 为 877 个 量 化 电 平 ， 即 877 个 字( 第“64940”)。 黑 电 平 在 040 量 化 电 平 上， 白 电 平 在3AC 量 化 电 平 上。 在D1 格 式 中 无 论 625/50 或 525/60 其 有 效 行 的 象 素 都 定 义 为 720 个， 根 据 4:2:2 取 样 法 则 在 每 个 象 素 上 Y 都 取 样， 则 每 个 有 效 行 上 有 720 个Y 取 样 字。 -色 差 信 号 的 量 化 图 4 图4 所 示 的 色 差 信 号 的 量 化，由 于 第“ 03”、“10201023” 这 8 个 字 所 代 表 的 量 化 电 平 已 用 作“SAV” 和“EAV”， 同 样 在 色 差 信 号 的 量 化 中 也 保 留 不 用。 同 亮 度 信 号 量 化 一 样， 表 示 “004039” 量 化 电 平 的 第“463” 60 个 字 保 留 给 负 电 平 过 冲， 与 亮 度 信 号 量 化 不 一 样 的 是 只 保 留 表 示“3C13FB 量 化 电 平 的 第“9611019” 59 个 字 保 留 给 正 电 平 过 冲， 比 亮 度 信 号 的 白 电 平 过 冲 少 保 留20 个 量 化 电 平。 这 样 色 差 信 号 的 “350mv+350mV” 电 平 的 量 化 字 为 897 个 字( 第64960)， 比 亮 度 信 号 的“0700mV” 电 平 的 量 化 字 多 了20 个 字。 在 色 差 信 号 的 量 化 中， 零 电 平 在 表 示 量 化 电 平 “200” 的 第512 字 上， 峰 负 电 平 在 表 示 量 化 电 平 “040” 的 第64 字 上， 峰 正 电 平 在 表 示 量 化 电 平 “3C0” 的 第960 字 上。 同 样， 根 据 4:2:2 的 取 样 方 式 在 有 效 行 的720 个 象 素 上 Cb,Cr 各 有360 个 取 样 字。 D1 格 式 的 水 平 行 图5 图5 很 清 晰 地 表 明 了D1 格 式 水 平 行 取 样 字 的 位 置。 正 如 以 上 所 述，在 有 效 行 中 有720 个Y 取 样 字，360 个Cb 取 样 字，360 个Cr 取 样 字， 总 共 有1440 个 取 样 字(01439)。 行 消 隐 期 间，525/60 可 安 排 276 取 样 字，625/50 可 安 排 288 个 取 样 字。 这 样 整 个 一 水 平 行，525/60 有1716 个 取 样 字，625/60 有1728 个 取 样 字 （比 525/60 多 了12 个 取 样 字。注 意， 表 示“SAV” 和“EAV” 的 各 自 4 个 字 也 放 在 行 消 隐 区 域。 表 示“SAV” 和“EAV” 的 4 个 码 字， 前 3 个 字 相 同 都 是 3FF/000/000， 不 同 的 是 称 作“XYZ” 的 第 4 个 字。 在 “XYZ” 字 中 其 第 8 比 特(F 比 特) 的 状 态 表 征 所 取 样 的 行 在 奇 数 场 还 是 在 偶 数 场， 第 7 比 特(V 比 特) 的 状 态 表 征 所 取 样 的 行 在 场 消 隐 期 间 还 是 在 正 程 期 间， 第 6 比 特(H 比 特) 的 状 态 表 征 是“EAV“ 还 是 “SAV“。 另 有 6 个 比 特 用 于 比 特 纠 错。F、V、H 的 状 态 表 如 表 1 所 述； F0 奇 数 场( 第 一 场)F1 偶 数 场( 第 二 场)V0 正 程V1 场 消 隐 期H0SAVH1EAV 表 1 NRZ 码 对 NRZI 码 的 转 换 D1 格 式 的平 行 输 出 转 为 串 行 输 出 时， 产 生 的 270Mb/s 码 流 为 不 归 零 码(NRZ 码)。 NRZ 码 的 逻 辑“0” 并 非 是 正 真 的“0”电 平( 如 0mV) ， 而 仅 是 输 出 的 低 电 平 而 言。 同 样 逻 辑 “1” 也 并 非 是 正 真 的“1” 电 平( 如 300mV 等)， 而 仅 是 输 出 的 高 电 平 而 言。 这 就 意 味 着 NRZ 码 对 极 性 很 敏 感， 传 送 中 产 生 的 噪 声 电 平 都 会 产 生 错 误 的“0” 和“1”。 另 外 NRZ 码 对 接 收 机 和 D/A 最 可 怕 的 常“0” 和 常 “1” 码 的 运 行 也 束 手 无 策。 码 流 中 当 出 现 常“0” 和 常 “1” 码 的 运 行 时 意 味 着 码 流 中 低 频 成 分 很 丰 富， 即 常“0” 和 常“1” 运 行 期 间 不 发 生 取 样 时 钟 的 跳 变，这 样 接 收 机 和 D/A 的 锁 相 环 的 本 振 在 这 段 期 间 内 由 于 得 不 到 时 钟 信 息 的 修 正， 本 振 的 漂 移 可 能 就 会 造 成 锁 相 环 的 失 锁， 从 而 发 生严 重 的 接 收 误 码。 通 过 对 NRZ 码 的 加 扰 就 能 去 除 上 述 NRZ 码 的 这 二 个 固 有 缺 陷， 加 扰 的 数 学 方 程 式 为 G1(X)X9 X4 1 和 G2(X) = X +1， 加 扰 后 的 NRZ 码 变 成 NRZI 码 称 作 倒 相 不 归 零 码。NRZI 码 的 特 点 是， 不 把 输 出 的 高 电 平 和 低 电 平 看 作“1” 和“0”， 仅 把 高、 低 电 平 之 间 的 变 化 认 作“1” 和“0”， 对 高 低 电 平 的 极 性 不 再 敏 感。NRZI 码 的 另 一 个 优 点 是 通 过 对 NRI 码 的 加 扰， 打 破 了 常“0” 和 常“1” 的 运 行， 使“1” 和“0” 的 比 值 非 常 接 近 1， 向 接 收 机 和 D/A 产 生 了 最 多 的 过 零 点 即 提 供 了 丰 富 的 时 钟 信 息， 使 接 收 机 和 D/A 的 锁 相 环 的 本 振 能 紧 紧 地 锁 住 取 样 时 钟， 保 证 了 接 收 机 和 D/A 的 正 常 工 作。 辅 助 数 据 区 和 嵌 入 音 频辅 助 数 据 模 拟 视 频 中 的 行 消 隐 期， 在 全 带 宽 数 字 视 频 中 称 作 行 辅 助 数 据 区。 如 上 所 述 在 EAV 和 SAV 之 间 可 放 置 268 和288 个 辅 助 数 据 字， 但 也 并 非 可 随 意 放 置。 目 前 已 作 标 准 的 是： 第 一，每 一 行 辅 助 数 据 区 可 放 置 8 个 AES/EBU 2 通 道 数 据， 但 必 须 紧 接 在 EAV 后 面 不 能 有 一 个 码 字 的 空 隙。 第 二， 称 作 误 码 检 测 信 号 的 EDH 码(RP165 标 准 定 义)被 放 置 在 行 辅 助 数 据 区 的 第5 或315 行 (625/50 系 统), 但 必 须 紧 邻 在 SAV 前， 同 样 不 能 有 一 个 码 字 的 空 隙。 行 辅 助 数 据 区 的 余 下 部 分 留 着 以 后 使 用， 目 前 还 未 作 标 准。 行 辅 助 数 据 区 由 SMPTE 定 义 为 “HANC”(Horizontal Anicillary Data)。 模 拟 视 频 中 的 场 消 隐 期， 在 全 带 宽 数 字 视 频 中 称 作 场 或 帧 辅 助 数 据 区， 由 EBU 定 义 为“VANC”(Vertical Anicillary)。 VANC 也 有 些 特 殊 规 定， 以625/50 为 例， 第5 行 留 作 给 RP165 标 准 的EDH 码， 第 6 行 留 作 给 RP168 标 准 规 定 的 场 或 帧 切 换， 第 10 行 留 作 放 置 DVITC(Digital Vertical Interval Timecode) 码。 放 置 在 辅 助 数 据 区 的 数 据 必 须 以 打 包 的 形 式 进 入， 有 其 规 定 的 格 式， 请 见 下 图。 图6 图6 所 示 的 是 一 个 辅 助 数 据 包 的 格 式。 对 D1 格 式 而 言 首 先 是 用 于 表 明 D1 格 式 的 3 个 字 (000,3FF,3FFF)。 其 次 是 表 明 辅 助 数 据 是 什 么 内 容 的 1 个 字 的 数 据 识 别 码“ID”。 在 数 据 识 别 码 之 后 的 是 表 明 数 据 包 号 码 的 1 个 字， 接 收 机 可 根 据 包 号 码 的 连 续 性 来 判 别 是 否 丢 失 数 据。 在 包 号 码 之 后 的 是 表 明 包 中 数 据 总 和 的 1 个 字 ， 称 作 数 据 计 数 字。 在 数 据 计 数 字 之 后 就 是 数 据 区， D1 格 式 的 625/50 系 统 最 多 可 规 定 放 置267 个 字。 在 辅 助 数 据 包 的 最 后 一 个 字 是 出 错 检 测 字。 这 样 一 个 辅 助 数 据 包 最 多 可 有274 个 字， 加 上 EAV 和 SAV 8 个 字， 每 一 HANC 总 共 可 有282 个 字。 如 果 我 们 充 分 地 利 用HANC 和 VANC 空 间， 将 可 获 得 巨 大 的 带 宽 资 源， 请 见 下 表。 表 2 从 表 2 可 看 出 在625 系 统 中 HANC 最 多 可 放 置 176,250 个 字， 相 当 于44.1Mb/s 的 码 流， VANC 最 多 可 放 置 70,560 个 字， 相 当 于 14.1Mb/s 的 码 流， 总 共 可 有 58.2M/s 的 码 流 可 利 用。 嵌 入 音 频 辅 助 数 据 区 目 前 最 大 的 利 用 是 放 置 音 频， 放 置 在 辅 助 数 据 区 中 的 音 频 称 之 嵌 入 音 频。 嵌 入 音 频 的 好 处 除 了 用 一 根 电 缆 传 输 视、 音 频 简 化 网 路 外， 最 大 的 好 处 是 解 决 了 唇 音 问 题。 所 以 有 必 要 对 嵌 入 音 频 作 一 介 绍。 图7 嵌 入 音 频 以 段 形 式 打 包， 每 音 频 数 据 段 有192 帧， 每 帧 又 包 含 二 个 亚 帧。 每 亚 帧 表 示 一 音 频 通 道， 前 缀 X 和Y 来 识 别 音 频 通 道 1 和 通 道 2。 前 缀 Z 来 识 别 音 频 数 据 段 开 始 和 音 频 通 道 1 。 如 果 音 频 取 样 频 率 为 48KHz， 则 一 帧 的 取 样 时 间 为 20.83 ms， 每 一 亚 帧 的 取 样 时 间 为10.415ms。 亚 帧 的 常 用 结 构 如 下 图 所 示。 图 8 每 一 亚 帧 定 义 为 32 位。 前 缀 为 4 位， 音 频 数 据 为 24 位， 在 数 据 位 后 的 4 位 分 别 是 有 效 位“V”(Validity)、 用 户 数 据 位“U”(User Data)、 通 道 状 态 位“C” (Channel Status Data) 和 亚 帧 的 奇 偶 位(Subframe Parity)。 将 每 亚 帧 的“U” 位 和“C” 位 抽 出， 组 成 各 8 比 特 的24 字 节“U” 和“C” 状 态 段（8X24192 这 就 是 音 频 数 据 段 取192 帧 的 原 因， 单 独 发 送， 这 样 32 比 特 的 亚 帧 就 成 了 30 比 特， 便 可 分 成 3 个 视 频 数 据 字 长 嵌 入 到 辅 助 数 据 区 内。 经 验 告 诉 我 们， 嵌 入 音 频 数 据 字 均 匀 地 放 置 在 各 行 最 有 利 于 消 除 唇 音。 嵌 入 音 频 一 般 又 将 8 个 AES/EBU 音 频 对， 分 成 4 组， 详 见 下 表。 GroupChannelsData ID 1 14 2FF 2 58 1FD 3 912 1FB 4 1316 2F0 表 4 串 行 数 据 的 传 输 传 输 270Mb/s 的 D1 格 式 的 串 行 数 字 分 量 视 频 码 流 ， 是 一 个 必 须 引 人 注 意 的 问 题。 高 码 流 带 来 了 高 带 宽， 高 带 宽 又 限 制 了 传 输 的 距 离。 模 拟 视 频 随 着 传 输 距 离 的 增 大， 信 噪 比 越 来 越 差 图 象 越 来 越 模 糊。画 面 质 量 在 逐 步 下 降 的 过 程 中 不 存 在 图 象 突 然 消 失 点，与 模 拟 视 频 不 同 的 是， 数 字 视 频 在 传 输 过 程 中 有 一 突 变 点， 在 突 变 点 前， 几 乎 是 无 故 障 工 作，画 面 质 量 可 以 基 本 上 说 与 传 输 距 离 无 关， 也 就 是 说 在 零 米 处 和 邻 近 突 变 点 处 画 面 质 量 可 以 基 本 一 样。 但 是 一 过 突 变 点 图 象 马 上 消 失， 从 百 分 之 百