数字电视广播原理与应用

数字电视广播原理与应用第一页，共五十八页，2022年，8月28日1.1景物像的分解与像素的顺序传输1.1.1景物像的分解1.1.2像素的顺序传输第二页，共五十八页，2022年，8月28日所谓电视或即电视广播，是通过电信系统将实时的或记录的活动景物（附带声音或不带声音）在一定距离之外即刻重现其图像和声音的技术。第三页，共五十八页，2022年，8月28日基本要求方面，重现图像应符合人眼的视敏特性、亮度层次感觉、视觉惰性、闪烁感觉、细节分辨力和色彩感知能力等特性，以保证显示屏上的图像相对于原景物像有极佳的逼真感，无可见瑕疵。实施方式方面，包括景物像怎样转换成电信号，对电信号作怎样的处理、编码和传输，以及在接收端怎样使电信号还原出光图像。第四页，共五十八页，2022年，8月28日实施方式中包括发送端的摄像、光电转换、电信号处理和编码传输，以及接收端的电信号接收、解码处理和电光转换图像显示。第五页，共五十八页，2022年，8月28日景物像分解，是将被拍摄景物通过摄像镜头成像于CCD上的光图像分解成很多微粒像—像素，也就是将整个景物像解析为是由很多的像素组成的，每个像素携载有亮度和色度信息。所谓像素顺序传输，是使每个像素的亮度和色度信息经光电转换形成电信号后将各像素的电信号按照预定的时间先后，顺序地向外传输，也即涉及像素扫描方式。第六页，共五十八页，2022年，8月28日关于具体的景物像分解方式和像素数量选择，在摄像机中它们的实现实际上是由CCD摄像器体面上的光敏单元数量及其阵列自动完成的，每一个光敏单元对应于一个像素。1.1.1景物像的分解第七页，共五十八页，2022年，8月28日像素顺序传输是全部像素的电信号逐一地排队输出（顺序传输），而不是一齐输出（同时传输）。顺序传输方式中只需一路电信号传输通道，按照时（间）分（割）方式传输各个像素的电信号。同时传输方式中，需要几十万甚至上百万路以上的电信号传输通道，按照空（间）分（割）方式传输各个像素的电信号。1.1.2像素的顺序传输第八页，共五十八页，2022年，8月28日1.2.1水平扫描和垂直扫描的参数1.2.2逐行扫描1.2.3隔行扫描1.2逐行扫描及隔行扫描第九页，共五十八页，2022年，8月28日确定扫描特性的重要参数是扫描频率及其倒数即扫描周期，还有扫描周期中正程时间与逆程时间两者的长度。1.2.1水平扫描和垂直扫描的参数第十页，共五十八页，2022年，8月28日水平扫描（行扫描）参数包括行扫描频率fH、行扫描周期TH、行正程时间THt、行逆程时间THr和行逆程系数α。1.水平扫描参数第十一页，共五十八页，2022年，8月28日该频率fH通常简称为行频，它本身不是一个独立变量而是一个因变量，行频fH实际导出自帧频fF（或场频fv，fv=fF×2）和每帧画面的总行数n（包括正程行数nt和逆程行数nr,n=nt+nr）。若每秒传输若干帧画面的帧频为fF，每帧画面总行数为n，则行频fH为fH=nfF=nfv/2（1）水平扫描（行扫描）频率fH第十二页，共五十八页，2022年，8月28日常规电视中有TH=1/fH=1/15625=64μs国际上统一规定，THt和THr值分别为THt=52μs，THr=12μs行逆程系数α定义为THr与TH之比，α=THr/TH=12/64=0.1875=18.75%（2）行周期TH、行正程时间THt、行逆程时间THr和行逆程系数α第十三页，共五十八页，2022年，8月28日垂直扫描参数包括场扫描频率fv、场扫描周期Tv、场正程时间Tvt、场逆程时间Tvr和场逆程系数β。2.垂直扫描第十四页，共五十八页，2022年，8月28日该频率fv通常简称为场频，其选择取决于所重现活动图像的运动连续感、特别是观看的画面上没有闪烁现象。根据人眼视觉特性，场频fv应高于45.8Hz，最好达到60Hz或更高。我国市电频率为50Hz，所以频率和帧频选择为fv=50Hz，fF=50/2=25Hz（1）场扫描频率fv第十五页，共五十八页，2022年，8月28日场周期是场频的倒数，有Tv=1/fv=1/50=20ms,TF=2Tv=40ms国际上规定，一帧625行的每场312.5行内，场正程占287.5行，场逆程占25行。场正程时间Tvt和场逆程时间Tvr分别为Tvt=Tv×287.5/312.5=18.4msTvr=Tv×25/312.5=1.6ms（2）场周期Tv、场正程时间Tvt、场逆程时间Tvr和场逆程系数β第十六页，共五十八页，2022年，8月28日场逆程系数β定义为Tvt与Tv之比,常规电视和高清晰度电视的β值分别为βSD=25/312.5=0.008βHD=45/1125=0.04第十七页，共五十八页，2022年，8月28日逐行扫描中，摄像端的光敏器件CCD上一行行地依次使各光敏单元内形成的电荷包转变为电流输出至电阻负载上，产生图像电信号（或称视频信号）。逐行扫描视频信号的带宽Δf是指信号最高频率fmax与最低频率fmin之差，即Δf=fmax-fmin。1.2.2逐行扫描第十八页，共五十八页，2022年，8月28日如果画面是一帧均匀亮度的灰白图像，视频信号的fmin可认为是0Hz。至于视频信号的最高频率fmax，它产生于一行内相邻像素为黑白相间的画面下。假设垂直方向有效行数为z行，有效画面垂直高度为h，则有效画面水平宽度为l时（l:h为帧型比或宽高比），每行正程有z×l/h个像素，第十九页，共五十八页，2022年，8月28日经过光—电转换后的视频信号，每帧画面形成1/2×z2×l/h周正弦波号（只考虑方波的基波）。由于扫描帧频为fF，所以视频信号的fmax为fmax=1/2×l/h×z2×fF对式（1-10）须乘上一个修正因子（1-β）/（1-α）fmax=1/2×l/h×z2×fF×(1-β)/(1-α)第二十页，共五十八页，2022年，8月28日隔行扫描技术能在基本不影响图像质量水准的前提下降低一半视频信号带宽，其优点明显。实用的是2∶1隔行扫描，将一帧画面分成两场进行扫描，先扫描画面平面上的奇数行图像扫遍由奇数行构成的奇场然后，进入偶数行图像的扫描，并包括偶场的场消隐期各行在内，最后扫描完整帧，再进入下一帧的奇、偶场扫描。1.2.3隔行扫描第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日模拟电视中，为了使接收端的显像管（CRT）重现图像在空间位置上具有准确地交错间隔的奇、偶场画面，要求驱动显像管电子束扫描的场频和行频两个锯齿电流的周期之间，有精确的比例关系，表达式为Tv=TH·(2k+1)/2=kTH+0.5TH=(k+0.5)TH具体地，k=312,所以Tv=312.5TH第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日在数字电视方面，标准清晰度电视系统中虽然也是625行/50场/2∶1隔行的扫描规范，但不需确保Tv=（k+0.5）TH的关系。第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日1.3亮度视频信号1.3.1概述1.3.2图像信号1.3.3复合消隐信号1.3.4复合同步信号1.3.5全电视信号第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日通过行、场扫描由CCD输出的有效画面上的一行行、一场场景物像基带电信号可称为图像信号，为了使接收端接收到时能在显示屏上重现出画面稳定、水平不撕裂、垂直不滚动的正常图像，还需在传输信号中加入行、场（扫描）同步信号。实际需要传输的视频信号应由图像信号、复合消隐和复合同步三大部分组成，在先前的黑白电视广播中它们总称为黑白（基带）视频信号，而在彩色电视广播中则总称为彩色（基带）视频信号。1.3.1概述第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日黑白电视广播中，图像信号是一路反映景物画面上各像素明暗信息的亮度信号，在接收端可给出灰度层次对应于景物像明暗的黑白画面。彩色电视广播中，每个景物像像素包含的彩色信息有亮度、色调和饱和度（后两者可合称为色度），用电信号表示时需要三路视频信号。第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日实际中不是传输亮度、色调和饱和度三个信息而是传输从色度学理论中得到的等效信息红（R）、绿（G）、蓝（B）基色图像信号，这三者实质上相当于三路黑白电视机那样的单色信号，它们综合相加便呈现彩色图像。无论黑白电视或彩色电视，模拟视频信号都是由图像信号、复合消隐和复合同步组成的。第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日黑白电视中，图像信号是携带景物明暗信息的电信号，彩色电视中，R，G，B三路基色信号是携带景物中红、绿、蓝基色图像成分信息的电信号。1.3.2图像信号第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日图像信号不同于声音信号，它是单极性的而不是双极性的。电视演播室中的模拟视频设备，输入、输出的图像信号规定为正极性信号，额定峰—峰值（消隐电平-白电平）为0.7Vpp；一般地，消隐电平为0V，白电平为0.7V。所谓消隐电平，也是图像信号的基准电平，它所属的时期为行（或场）消隐期，可简写为HBI（或VBI）。图中的THr即对应于HBI（12μs）。第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日图像信号在显像器件中呈现的实际最高（或白）电平的亮度Bmax与最低（或黑）电平的亮度Bmin之比称为图像对比度（反差），C=Bmax/Bmin。越宽的视频信号频带，能给出越清晰的图像。第三十页，共五十八页，2022年，8月28日复合消隐信号由行、场扫描逆程期间的行、场消隐脉冲组成，也称复合消隐脉冲，在视频信号中，复合消隐脉冲是与图像信号结合在一起而不是独立地可见的，但从视频信号的组成来说复合消隐脉冲为一个独立的信号成分。1.3.3复合消隐信号第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日视频信号中的行消隐期（HBI）和场消隐期（VBI）并非只起抑制扫描逆程光迹和提供行、场同步信息的作用，其时段内可以附加入许多其他用途的信息，特别是数字音频信号，即通常所说的在视频数据流内嵌入数字音频数据。第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日复合同步信号由分别叠加在行、场消隐脉冲上的行、场同步脉冲组成，也称复合同步脉冲，其作用是在行、场消隐期间分别控制行、场扫描逆程的具体开始时刻，以确保重现图像有稳定的画面构成，不左右撕裂，不上下滚动。1.3.4复合同步信号第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日有几个重要参数：①相对于图像信号0.7Vpp峰—峰值，行、场同步脉冲为0.3Vpp；②行同步脉冲宽4.7μs，其前沿滞后行消隐前沿1.5μs，也即存在1.5μs宽的行消隐前肩；③场同步脉冲宽2.5TH，即宽1.6ms，其前沿滞后场消隐前沿2.5TH（1.6ms），也即存在1.6ms宽的场消隐前肩。第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日由图像信号、复合消隐信号和复合同步信号组成的完整视频信号一般称为全电视信号或复合视频信号。复合消隐信号中的行消隐后肩上附加有色同步信号，这时的全电视信号专称为彩色全电视信号或彩色复合视频信号。黑白电视广播中的全电视信号，主要示明包含奇、偶场内场消隐期及其前后时段的视频信号。1.3.5全电视信号第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日有几个重要参数：①相对于图像信号0.7Vpp峰—峰值，行、场同步脉冲为0.3Vpp；②行同步脉冲宽4.7μs，其前沿滞后行消隐前沿1.5μs，也即存在1.5μs宽的行消隐前肩；③场同步脉冲宽2.5TH，即宽1.6ms，其前沿滞后场消隐前沿2.5TH（1.6ms），也即存在1.6ms宽的场消隐前肩。第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日彩色电视广播包括复合消隐、复合同步、行序号和脉冲幅度等参数。2.5TH宽的场同步脉冲开了5个槽，在其前、后又各有5个窄的均衡脉冲（宽2.35μs）此种设计目的在于保证行、场扫描的稳定和奇、偶场图像空间位置上的精确交错镶嵌。第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日1.4彩色视频信号的组成1.4.1三基色原理1.4.2亮度和色差信号编码第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日色度信息包含色调和饱和度，故总共需传输三个电信号参量，其中，亮度信息可以由CCD输出的电信号（电压或电流物理量）大小直接反映，然而，色调和饱和度信息难以由电信号物理直接反映。因此，通过三基色原理来解决。1.4.1三基色原理第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日三基色原理，是指人眼观看显示器件上间接呈现的景物彩色图像时，不要求恢复出原景物进入摄像机的照明光源反射光的光谱成分，重要的是能使人眼获得与直接观看原景物时相同的灰度层次和色彩感觉。第四十页，共五十八页，2022年，8月28日R，G，B三路基色视频信号各具有与前述黑白视频信号相同的特性，都是625/50/2∶1扫描格式，有相同的扫描频率和扫描相位，基带信号的最高频率都为6MHz，需要有三路通频带宽度为6MHz的通道进行传输，或者说总的带宽达到3×6MHz=18MHz。为此，根据人眼视觉特性和色度学理论将R，G，B基色信号转换成一个亮度信号和两个色差信号以压缩总的传输带宽。1.4.2亮度和色差信号编码第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日首先，从R，G，B基色信号中导出一个正确地对应于景物明暗比例程度的亮度信号Y，它完全等效于前述的黑白视频信号，可单独给出具有相应灰度层次和确切细节的黑白图像。根据彩色显像管中涂敷的三基色荧光粉的色度坐标（x,y）和电视系统采用的基准白，从色度学计算中可据此计算出亮度信号Y的编码公式，Y=0.299R+0.587G+0.114B第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日Y表示由此得出的相应的亮度电压。对于黑白景物（包括各级灰度层次），R，G，B电压有着一致的大小，即总是R=G=B，黑白景物上总有Y=R=G=B，这称为摄像端的白平衡。现在的各种彩色电视系统中，这另两个独立信号均选为红色差信号R-Y和蓝色差信号B-Y，它们也是从R，G，B信号中分别导出的，根据式B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日关于图像分解力（或称图像清晰度），它与视频信号带宽间的关系有如下的简单推导式。由于行正程THt=52μs，若画面上水平方向有52周黑白变化，则从水平扫描中得到的视频信号恰为1MHz；或者说，1MHz视频信号可给出水平方向2×52=104条（明暗）电视线（TVL）。所以，6MHzY信号可给出624TVL亮度分解力，1.5MHz色差信号可给出156TVL色度分解力。观看到的彩色电视图像实际上相当于精细的黑白图像上叠加了稍欠精细的色度成分。第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日接收端接收到Y0～6MHz，（R-Y）0～1.5MHz和（B-Y）0～1.5MHz三个信号，通过与编码矩阵相逆的解码矩阵恢复出R，G，B信号后，馈至显示器件的三个基色信号激励端借以产生彩色图像；解码矩阵公式为：R=Y0～6+（R-Y）0～1.5=R0～1.5+Y1.5～6G=Y0～6+（G-Y）0～1.5=G0～1.5+Y1.5～6B=Y0～6+（B-Y）0～1.5=B0～1.5+Y1.5～6

第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日（G-Y）0～1.5，发送端并未传输，但接收端可根据下式从接收到的R-Y和B-Y中得到：第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日1.5彩色电视中视频信号的调制传输1.5.1视频信号对高频载波的调制1.5.2色差信号频谱搬移和色度信号形成1.5.3彩色全电视信号和U，V信号第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日彩色视频信号通过对高频载波的调制才能向外传输。黑白电视广播中，是将全电视信号对高频载波进行调制，具体采用以负极性全电视信号对高频载波进行调幅的方式，并对调幅产生的双边带信号保持全部上边带而抑制掉大部分下边带，只残留一小部分，即1.25MHz下边带，形成所谓的残留（下）边带调幅传输方式。1.5.1视频信号对高频载波的调制第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日彩色电视模拟制式的传输中，由Y，R-Y，B-Y组成的彩色图像信号其动态范围在已调波中高电平不应超出同步电平的已调波幅度，低电平不应低于白电平的已调波幅度。第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日一套电视节目占用的高频带宽总计8MHz，也即是一个电视广播频道的带宽。除8MHz外，也有规定为7MHz和6MHz的标准。这种8MHz带宽的电视频道分配在黑白电视广播中最先确定，彩色电视广播随之照样遵循。第五十页，共五十八页，2022年，8月28日彩色电视信号通过高频调制发射传输时必须将基带视频信号的频带限制于6MHz之下，因而Y，R-Y和B-Y三个信号也须综合在6MHz之内。总的频谱成分表达式可以用下列式子表示fnm=nfH±mfvfnm表示各个谱线成分，n为行频fH的谐波次数，n=0～384，m为场频fv的谐波次数，m=0～140。

色差信号频谱搬移和色度信号形成第五十一页，共五十八页，2022年，8月28日确定一个频率为fsc的色度副载波，由R-Y，B-Y对它作正交平衡调幅，两个调幅波相加便形成所谓的色度信号。正交平衡调幅中的“正交”，是指RY对cosωsct进行调幅，B-Y对sinωsct进行调幅；而“平衡”是指采用抑制载波本身的调幅，其数字表达式为eR-Y=(R-Y)cosωscteB-Y=(B-Y)sinωsct第五十二页，共五十八页，2022年，8月28日两个色差信号的调幅波相加后合成为色度信号ec，数学表示式为第五十三页，共五十八页，2022年，8月28日经过对典型的彩条信号电平的计算得知，75%幅度、100%饱和度的Y+ec信号的高电平