5数字电视演播室系统.ppt

第5章 数字电视演播室系统,5.1 数字演播室概述5.2 数字电视信号取样原理5.3 标清数字演播室编码参数标准5.4 标清数字电视信号接口5.5 高清数字演播室编码参数标准5.6 数字音频信号传输接口,5.1 数字演播室概述,数字演播室是具备数字视音频信号的产生、处理、记录、传输、切换、播出等设备的场所，由演播室+控制机房组成；传输介质采用电缆、光缆；目前都采用基于串行数字接口SDI的传输系统，通过开关矩阵和电缆从信号源传送到目的地；SDI系统内的信号传输速率为：每路270Mbps或360Mbps（16:9）的固定速率。,演播室+控制机房,一般控制机房的布置方式,1、演播室 主要设备：摄像机、话筒、灯具 基本要求：从录音需要看，要求环境安静，房屋 结构符合声学要求，隔音效果良好，混响时间合适；从拍摄需要看，要求装备足够的灯光照明用具，并有足够的空间，能按照摄制要求进行布光，保证图像层次分明、清晰度高、色彩逼真。,2、控制室主要设备：录像机、字幕机、切换台、调音台、同步机、监视器、技术监测等。主要功能：实现视频控制、音频控制、灯光控制。导播控制：节目制作播出的总指挥，称为电视导播。导播在制作和播出过程中，依靠视频监视器、音频监听扬声器、时钟和计时器、内部通话和对讲系统等，来选择和组织不同的视音频输入信号，实现节目控制。,数字演播室系统的信号传送,数字演播室的信号传送结构分为流和文件两种。电视信号的数字化和数据化。,流是一种连续的进程，是指将电视节目内容（包括视频、音频、元数据）从发送端连续地传送到一个或多个接收端。特点：发送端不能得到接收端的回应，当丢失数据或数据中断时不进行重发；传送的速率等于内容本身的速率，并是恒定的；接收端在任意时间开始接收都可以收到发端送出的内容；需要传送同步信息。,流与文件,文件是有关内容的比特拷贝，是数据化的信号。特点：文件一般以异步、无差错的方式进行传输，并以寻址的方式将数据送到用户端；可使用不同的传送速率，不要求速率平稳，不需要与任何外部时间同步；数据中断时能进行重发；文件传送以头标开始，后面跟着内容，头标只在开始时发送一次。,数字化是将模拟信号转换为数字信号进行处理、传输、存储。电视台内的传统视频设备大都以流方式进行存储和播放。数据化也是数字化的，但表现形式不同，数据化的实质是文件化，即将流形式的内容转变为数据块形式的文件。数据化特点：设备种类和介质形式无关；支持异步或非实时性传输；无误码的传输；无损复制。,数字化与数据化,数据化优势：设备和介质的无关性；可用多种手段传输；有利于数据迁移、交换与共享；有利于存储、复制、备份；可以长期、稳定地保持可用性；能支持检索。,1、数字分量系统中的亮度和色度信号,5.2 数字电视信号取样原理,数字分量信号编码框图,将R、G、B转换为亮度Y、色差R-Y、B-Y Y= 0.587G + 0.114B + 0.299R B-Y= 0.587G + 0.886B 0.299R R-Y= 0.587G 0.114B + 0.701RY动态范围：0700mVR-Y动态范围：620mVB-Y动态范围：491mV引入压缩系数，将色差信号动态范围控制在350mV内,一般用Cr 、Cb表示数字化后的色差信号R-Y、B-Y,2、取样结构取样结构：指取样点在空间与时间上的相对位置。正交结构：指在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列。3、亮度信号取样频率的选择满足取样定理，大于视频带宽6MHz的两倍；为保证正交取样结构，应是行频的整数倍；为兼顾625行/50场、525行/60场，便于节目国际交流，应是两个行频的最小公倍数2.25MHz的整数倍（取6倍）。最后确定取样频率为：13.5MHz,4、取样格式有4:4:4、4:2:2、4:1:1、4:2:0四种取样格式；电视演播室节目制作中主要采用4:2:2取样编码方式；有效比特数计算： 对于4:2:2格式，亮度信号Y的分辨率为720576样值，色度信号Cr 、Cb分辨率为360576样值，10位比特量化，则一帧画面的有效视频数据量为 72057610360576102=8294400bit,1982年CCIR通过了601号建议书，规定了“数字演播室分量编码标准”。1993年我国制定GB/T 14857-93演播室数字电视编码参数规范，等同采用了601标准。625/50、525/60两种扫描格式在数字有效行内，亮度取样点统一为720个，两个色差信号统一为360个，即采用4:2:2格式。,5.3 标清数字演播室编码参数标准,1、625/50扫描标准的4:2:2编码参数,帧频：25Hz每帧行数：625（有效行576，消隐行49）行频：62525Hz=15625Hz（每行64us）亮度信号的采样频率：13.5MHz每行总样点数：13.5MHz15625Hz=864 其中：有效样点720，行消隐样点144,为什么每行亮度总样点数为864？,2、数字量化电平和模拟电平的对应关系,8bit量化，亮度信号的峰值白电平对应码电平235（EB），消隐电平对应码电平16（10）；为预防信号变动造成过载，上端留20级、下端留16级作为信号保护带；其中码电平0、255为保护电平，不允许出现在视频数据流中，码字00和FF用于传送同步信息；对于10bit量化，在8bit最低位后加两位0，其中码电平03、10201023为保护电平，000和3FF用于传送同步信息；8bit数字信号可以通过10bit的数字设备和数字通路，只要在最低位后加两个0即可，输出端恢复时再将两个0去掉。,5.4 标清数字电视信号接口,演播室各个数字视频设备之间采用电缆连接时，有两种接口方式：1）并行方式，将8或10bit视频数据字同时传送，需要多芯电缆，各比特通过各芯传送；2）串行方式，将各比特通过单一芯线顺序传送，使用75欧姆同轴电缆,5.4.1 并行和串行接口通用的信号格式,1、4:2:2数字分量信号的时分复用传输数字设备向外传输每帧像素数据时，按下列次序时分复用直至第576行：Cb1Y1Cr1，Y2，Cb2Y3Cr2，Cb360Y719Cr360，Y720数据的字节速率为：27MWps输出数据：10bit的27Mb/s并行数据码流2、视频数据与模拟行同步间的定时关系,亮度信号取样点和模拟行的定时关系,数字有效行持续时间： 7201/13.5MHz=53.333us 其中第09个样点持续时间为： 101/13.5MHz=0.74us用来形成行消隐的后沿 最后第712719个样点持续时间为： 81/13.5MHz=0.59us用于形成行消隐的前沿 数字有效行的第10711个样点持续时间为： 7021/13.5MHz=52us这是持续传送图像内容的模拟有效行持续期。 52us+12us（行消隐）=64us（每行持续时间）,SDI样点编号和模拟信号的时间关系,亮度和色度样点数据的时分复用,SDI输出数据的速率为27兆字/s每个有效行输出的第一个视频字应是CB,3、视频定时基准信号SAV和EAV数字分量标准规定：不直接传送模拟信号的同步脉冲，在每一行的数字有效行数据流之后，通过复用方式加入两个定时基准信号。在行消隐期间，留出8个数据字位置，用于传送定时信号。 SAV：有效视频起始，第17241727字EAV：有效视频结束，第14401443字基准信号由4个字组成：3FF 000 000 XYZ XYZ包含奇偶场、场消隐、SAV或EAV、校验码信息,4、数字场与模拟场的对应关系,625/50制式数字信号的场消隐,辅助数据（ANC）插入标准,（1）辅助数据的应用时间码的传送：在场消隐期间传送纵向时间码（LTC）或场消隐时间码（VITC）、实时时钟等其它时间信息或用户定义信息；数字声音的传送：在串行分量数字信号的消隐期间，可传送多达16路AES/EBU 20比特的数字声音信号；监测与诊断信息的传送：插入误码检测校验字和状态标识位，用于检验传输后的校验字有效状态；图像显示信息的传送：在高标清同播，4:3和16:9混用情况下，传送宽高比标识信令AFD。,（2）辅助数据的插入位置分行辅助数据（HANC）和场辅助数据（VANC）HANC允许插在所有的数字行消隐内，即从EAV后开始到SAV前结束的期间，总长不超过280字；VANC只允许插在场消隐期间的各行有效部分，每行可插入多达1440个字的大辅助数据块，但只能用8比特字。,1、机械特性并行接口中用10对导线平衡传输10个并行比特位，1对导线传输27MHz时钟信号，1对公共地电位连接线，1个电缆屏蔽接地线，因此采用25芯电缆，内有12对双绞线；接口使用25芯带锁定机构的超小型D型接插件，码型为NRZ（不归零码）,5.4.2 比特并行接口,时钟与数据的定时关系：时钟为27MHz方波，37ns周期，脉冲宽度18.5ns，时钟正向跳变出现在两次数据跳变的中间；收、发间线路驱动器特性：采用平衡双绞线传输，驱动器输出阻抗（双绞线的特性阻抗）最大为110欧姆，信号幅度0.82.0V峰-峰值之间，接收器输入阻抗11010欧姆，最大输入信号2.0V，最小185mV（对应眼图能使接收器正确读出二进制数据）。,2、电气特性,容许的电缆长度： 因为在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频特性限制了使用长度； 在无电缆均衡器条件下为50m，采用后可达200m； 并行接口25芯插脚多，电缆较粗，易发生接触不良问题，因此仅适用演播室内的短距离范围。,传输速率从27Mb/s变为270Mb/s；采用75的单芯同轴电缆，接插件为标准的BNC型接头；由于串行码率较高，电缆的损耗特性限制了使用长度，容许250m，加均衡器后达1km以上；并串转换后：插入了定时基准信号、数字音频和其他辅助数据；不单独传输时钟信号，采用扰码技术将NRZ变换成倒相的NRZ（NRZI），易提取时钟信息,5.4.3 比特串行接口SDI,串行数字信号为什么要进行通道编码？,通道编码确定数据流进入通道时0和1的变化方式；通道编码的目的：使串行数字信号形状得到优化，从而使信号频谱的能量分布相对集中，降低直流分量，有利于时钟恢复等。不归零码(NRZ)：1规定为高的DC电平，0规定低的DC电平。串行数字信号不单独传送时钟信号。而NRZ码可能出现连0和连 l的状态，NRZ码有直流分流和明显的低频分量，因此在串行数字视频信号的传输中不采用NRZ码的基本形式。,通道编码NRZI码,串行数字视频信号传输采用倒相的NRZ码，称NRZI码(NRZI nverted code)：0电平保持不变，1电平变化。NRZI码在每个时间单元内比NRZ码有更多的电平变换次数，即脉冲沿增多，这可改进时钟再生锁相环的工作，稳定时钟信号； NRZI码虽然比NRZ码优越，但它仍有直流分量和明显的低频分量。为进一步改进接收端的时钟再生，采用了扰码方式(scrambling)。扰码器使长串连0和连l序列以数据重复方式随机化并扰乱，限制了直流分量，提供了足够的信号电平转换次数，保证时钟恢复可靠。,SDI的通道编码,从NRZ到NRZI的变换由最后一个异或门的主从D触发器组成。,串行数字信号接口SDI,SMPTE 259M标准规定了4：2：2分量数字信号和4fsc复合数字信号的串行数字接口标准(SDI)，并适用于625/50和525/60两种扫描标准。该标准接口已用于采用同轴电缆的演播室内。 SDI系统内的信号传输速率为每路270Mbps或360Mbps(16:9格式)的固定速率。?现的数字分量设备都设计为10比特接口，对于8比特字的信号要在最低两位， DATA 0和DATA 1加0。,SDI系统的主要优点是：图像质量好，多次复制后图像质量无损失；SDI接口对525行60场和625行50场电视制式同样适用，切换设备容易统一；采用SDI接口可以继续使用现有的演播室结构和同轴电缆，现存体系结构和同轴电缆是非常可靠的。,串行数字信号传输接口SDTI,SDI接口不能直接传送压缩的数字信号，因此，数字录像机、硬盘等设备记录的压缩信号重放后，必须解压缩才能进入SDI系统。在记录重放处理传送再记录的过程中要反复的解压和压缩，引起图像质量下降，增加延时。为了使压缩信号能直接通过SDI系统传送和分配，1998年7月，SMPTE推出了SDTI接口标准，称为SMPTE 305M标准。 SMPTE 305M标准推出以后，将有利于对各种类型的数字录像机、非线性编辑和多媒体设备、磁盘存储器、服务器和矩阵的连网。,SDTI规定的数字信号格式与SDI相同，只是将压缩的数字信号打包后作为有效数据放在有效行内。SDTI接口可传送打包的DVCAM、 DVCPR025、DVCPR050、DIGITAL-S和4：2：2 PML等各类MPEG-2压缩数据流，并支持元数据，还能高速(最高四倍速)传输数据流。各类压缩数据不需要解压，可直接通过矩阵和切换台分配传输到目的地。如果进行特技处理和监看图像仍需要解压。,我国于2000年颁布了高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值标准GY/T155-2000，规定演播室有两个标准：一个是用于电视广播的标准，称为1080/50i；一个是用于电视节目制作的标准，称为1080/24P。,5.5 高清数字演播室编码参数标准,1、1080/50i标准,有效扫描行1080行，场频50Hz，i表示2：1隔行扫描。一帧总扫描行1125行，行频为28125Hz。数字化的取样频率：Y为74.25MHz(2.25MHz的33倍)，Cr、Gb都为37.125MHz。每行的总样点数：Y为2640，Cr、Gb各为1320。 每行的有效样点数Y为1920，Cr、Gb各为960，象素宽高比为1:1 。8bit或10bit线性量化，量化电平和模拟信号的关系与标清数字信号相同。总码率(采用10比特量化)为：10(Bit)74.25(MHz)2=1485Mbps有效码率为：1920108025102=1036.8Mbps 规定的标称模拟信号带宽为30MHz。,2、1080/24P标准,一帧有效扫描行数为1080行，帧频为24Hz，P表示逐行扫描。一帧总扫描行数为1125行，行频为27000Hz。数字化的取样频率：Y为74.25MHz(2.25MHz的33倍)，Cr、Gb都为37.125MHz。每行总样点数：Y为2750，Cr、Gb各为1375。但每行有效样点数和1080/50i相同，Y为1920，Cr、Gb各为960。8bit或l0bit量化，量化电平和模拟信号的关系与1080/50i相同。,5.6 数字音频信号传输接口,两种接口：一种是平衡双绞线的平衡传输方式，电缆连接头是XLR型，AES/EBU美国音频协会/欧洲广播联盟规定；另一种是同轴电缆的非平衡传输方式，电缆连接头是BNC型，SMPTE276M规定。,我国采用AES/EBU数字音频标准，是传输接收数字音频信号的设备接口协议；规定以2的补码进行编码；通道编码为双相标志码，加入字节时钟标志以表明每个样值的开始，传输介质是电缆；,AES/EBU编码器对数据样值进行编码,NRZ、NRZI、双相标志码的编码特征,倒相的不归零码NRZI,数字音频数据的帧结