电视信号数字化原理与接口规范

第3章电视信号数字化原理与接口规范模拟信号数字化过程主要是取样、量化和编码。取样——将时间和幅度上连续模拟信号转变为时间离散信号，即时间离散化。量化——将幅度连续信号转换为幅度离散信号，即幅度离散化。编码——按照一定规律，将时间和幅度上离散信号用对应二进制或多进制代码表示。电视信号数字化原理与接口规范第1页模拟信号数字化框图如图2-1所表示，其中fc为滤波器截止频率，fs为取样频率。

图2-1模拟信号数字化框图电视信号数字化原理与接口规范第2页2.1取样定理2.2二维信号取样2.3数字电视信号参数选择2.4量化2.5标准清楚度数字电视演播室标准2.6数字高清楚度电视电视信号数字化原理与接口规范第3页假如对一个时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时间间隔(取样周期)为Ts，取样频率为fs＝1/Ts。2.1取样定理电视信号数字化原理与接口规范第4页(1)经过理想取样后，输出信号频谱Fs(ω)是原模拟信号频谱F(ω)以ωs为周期延拓形成，如图2-2所表示。(2)假如原模拟信号频谱F(ω)频谱范围在ωh之内，则满足ωs≥2ωh时，则取样后信号fs(t)经过一个截止频率为ωs/2理想低通滤波器后，能够无失真地恢复原信号f(t)。电视信号数字化原理与接口规范第5页图2-2模拟信号理想取样前后频谱电视信号数字化原理与接口规范第6页只要满足取样定理而且τ/Ts足够小，仍能够从取样信号频谱中准确地恢复出原模拟信号。图2-3模拟信号实际取样前后频谱电视信号数字化原理与接口规范第7页2.2二维信号取样对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点亮度Y是光波长λ、水平位置x、垂直位置y和时间t函数。发端经过摄像机将光图像转换成电图像，光电转换器件是含有积分作用器件，所以有以下积分关系：电视信号数字化原理与接口规范第8页图2-4图像平面和二维取样脉冲电视信号数字化原理与接口规范第9页在水平方向上取样间隔为Δx，在垂直方向上取样间隔为Δy,取样后信号为其频谱为

式中：Δv=1/Δy为垂直取样频率；Δu=1/Δx为水平取样频率；δ(x,y)为单位冲激序列。取样前后频谱示意图如图2-5所表示。电视信号数字化原理与接口规范第10页图2-5水平、垂直取样前后二维频谱电视信号数字化原理与接口规范第11页2.3数字电视信号参数选择电视信号数字化处理有数字分量编码和数字复合编码两种方式。数字分量编码方式是对三基色信号ER，EG和EB或对亮度信号和色差信号EY，ER-Y与EB-Y分别进行数字化处理。电视信号数字化原理与接口规范第12页2.3.1取样结构选择取样结构是指取样点在空间与时间上相对位置，有正交结构和行交叉结构等。在数字电视中普通采取正交结构，如图2-6(a)所表示。这种结构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，这么有利于帧内和帧间信号处理。图2-6(b)所表示为行交叉结构，每行内取样点数为整数加半个。电视信号数字化原理与接口规范第13页图2-6取样结构图电视信号数字化原理与接口规范第14页为了确保取样结构是正交，要求行周期TH必须是取样周期Ts整数倍，即要求取样频率fs应等于行频fH整数倍，即电视信号数字化原理与接口规范第15页2.3.2取样频率选择在数字电视中，亮度信号取样频率选择应该从以下4个方面考虑。(1)首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽两倍。电视信号数字化原理与接口规范第16页(2)为了确保取样结构是正交，取样频率应该是行频fH整数倍，即电视信号数字化原理与接口规范第17页(3)为了便于节目标国际间交流，亮度信号取样频率选择还必须兼顾国际上不一样扫描格式。

fs=m·2.25MHz

(4)编码后比特率Rb=fs·n，其中n为量化比特数。电视信号数字化原理与接口规范第18页2.3.3色度格式1．4∶2∶2格式在4∶2∶2格式中，色差信号Cr和Cb取样频率均为亮度信号取样频率二分之一，即电视信号数字化原理与接口规范第19页2．4∶4∶4格式在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb取样频率与亮度信号取样频率相同，即亮度取样频率和两个色差信号取样频率之比为电视信号数字化原理与接口规范第20页3．4∶2∶0格式本格式中，色差信号Cr和Cb取样频率均为亮度信号取样频率四分之一，即电视信号数字化原理与接口规范第21页4．4∶1∶1格式在4∶1∶1格式中，色差信号Cr和Cb取样频率均为亮度信号取样频率四分之一，即电视信号数字化原理与接口规范第22页2.4量化量化就是把幅度连续改变信号变换为幅度离散信号，这是模拟信号到数字信号映射变换。显然，一个量化器只能取有限多个量化级，所以量化过程将不可防止地带来量化误差。电视信号数字化原理与接口规范第23页标量量化是一维量化，全部取样使用同一个量化器进行量化，每个取样量化都和其它全部取样无关，所以也称为无记忆量化。矢量量化是多维量化，是先将K个取样值序列形成K维空间中一个矢量，然后将此矢量进行量化。电视信号数字化原理与接口规范第24页2.4.1量化器设计量化器设计标准能够分为两种：(1)给定量化器量化电平数M，依据量化误差均方值为最小来设计量化器；(2)给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化电平总数M尽可能小。电视信号数字化原理与接口规范第25页2.4.2均匀量化器1．均匀量化器原理设在输入信号动态范围A内进行均匀量化，每一量化间隔ΔA是相等，共分为M级，设M=2n，其中n为量化比特数，即

A=M×ΔA=2n×ΔA

M和n取值主要是由量化信噪比决定。电视信号数字化原理与接口规范第26页2．视频信号(单极性信号)量化信噪比电视信号量化信噪比普通用信号峰-峰值与量化噪声有效值之比表示，即 普通惯用分贝表示为电视信号数字化原理与接口规范第27页3．声音信号(双极性信号)量化信噪比设声音信号最大幅度为A，动态范围是+A～-A。对它均匀量化成M级，则有2A=M×ΔA=2n×ΔA

其中，n为量化比特数。电视信号数字化原理与接口规范第28页2.4.3量化噪声对图像影响假如量化比特数n选得过小，量化噪声对图像影响主要有以下几方面。(1)颗粒杂波(2)伪轮廓(3)边缘忙乱电视信号数字化原理与接口规范第29页2.4.4电视信号量化1．量化前归一化处理在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和E(B-Y)进行量化和编码前，必须进行归一化处理。由电视原理可知，亮度和色差信号组成以下：电视信号数字化原理与接口规范第30页 令信号值归一化(即最大电平为1.0V)，则100％彩条信号各值如表2-2所表示。电视信号数字化原理与接口规范第31页电视信号数字化原理与接口规范第32页2.码电平分配及数字表示式(1)亮度信号量化后码电平分配在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔量化级，其二进制范围是00000000～11111111，对应十进制范围为0～255。电视信号数字化原理与接口规范第33页(2)色差信号量化后码电平分配色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB动态范围为-0.5～0.5，让色差零电平对应码电平256÷2=128，色差信号总共占225个量化级。电视信号数字化原理与接口规范第34页(3)码电平数字表示式 亮度和色差信号量化以后取其最邻近整数作为码电平值，其数字化表示式为DY=INT［(219E

Y+16)×2n-8］DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］ 其中n为量化比特数，符号INT［］表示对［］中小数部分四舍五入取整数。电视信号数字化原理与接口规范第35页2.5标准清楚度数字电视演播室标准2.5.1演播室数字编码参数演播室数字编码主要参数(4∶2∶2格式)如表2-3所表示。电视信号数字化原理与接口规范第36页电视信号数字化原理与接口规范第37页电视信号数字化原理与接口规范第38页2.5.2数字分量电视信号接口1．并行和串行接口通用信号格式凡按照ITU-R

BT.601提议进行数字视频信号分量编码视频信号，其接口和数据流都应符合以下要求。电视信号数字化原理与接口规范第39页(1)4∶2∶2数字分量信号时分复用传输数字设备向外传输每帧内像素数据时，应该按以下次序时分复用：Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y4,…….Cb360Y719Cr360,Y720奇数点按CbYCr次序传输数据，偶数点只有Y样点数据传输。每一行均如此，直至第576行。电视信号数字化原理与接口规范第40页(2)视频数据与模拟行同时间定时关系数字分量视频信号是由模拟分量视频信号经过A/D转换得到，数字有效行与模拟行之间应该有明确定时关系。电视信号数字化原理与接口规范第41页(3)4∶2∶2数字流组成假如是全数字系统，在接收端不是PAL接收机而是数字接收机，其扫描同时电路也是数字扫描电路，则无须探究数字视频信号与模拟视频信号OH定时关系，能够只关注数字流组成。电视信号数字化原理与接口规范第42页(4)视频定时基准信号SAV和EAV

在数字标准清楚度电视(SDTV)中，扫描参数依然为625/50/2∶1，即垂直扫描为含有奇偶场隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行、场消隐期。电视信号数字化原理与接口规范第43页(5)奇偶场内场识别和场消隐期扫描行序号在奇数场和偶数场内，场识别和场消隐期行序号如表2-6所表示。电视信号数字化原理与接口规范第44页电视信号数字化原理与接口规范第45页2．比特并行接口(1)机械特征每帧数字视频以Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y6,…….Cb360Y719Cr1360,Y720次序进行传输。电视信号数字化原理与接口规范第46页(2)并行接口电气特征①时钟与数据定时关系时钟信号是27MHz方波，周期为TCK=37ns，定时基准为时钟信号高低电平过渡时刻，时钟信号正向跳变应出现在两次数据跳变中间。②收、发间线路驱动器特征收发之间每位数据采取平衡双绞线传输电视信号数字化原理与接口规范第47页③允许电缆长度因为在双绞线上传输27MHz数据，电缆幅频特征限制了使用电缆长度。3．比特串行接口比特串行接口(Serial

Digital

Interface，SDI)中，每个10比特数据字经并/串转换电路后变成串行数据流，传输码率从27Mbit/s变为270Mbit/s，用单芯同轴电缆传输。电视信号数字化原理与接口规范第48页(1)并/串变换输入数据由27MHz时钟信号并行写入移位存放器，然后用10倍频270MHz时钟串行读出。(2)扰码因为接收端解码时需要恢复时钟信号，而串行接口不能像并行接口那样使用单独数据线传输时钟信号，时钟恢复只能利用信号本身跳变来产生，这称为自时钟方式。电视信号数字化原理与接口规范第49页(3)码型变换图2-21中NRZ-NRZI编码器是把非归零码(NRZ)变换成倒相非归零码(NRZI)。(4)机械特征在数字比特串行接口中用特征阻抗75Ω单芯同轴电缆传输信号，接插件为标准BNC型接头。电视信号数字化原理与接口规范第50页图2-21扰码电路和NRZ-NRZI变换编码电路电视信号数字化原理与接口规范第51页2.6数字高清楚度电视2.6.1概述高清楚度电视(HighDefinitionTelevision，HDTV)在图像和声音质量方面都比现行电视高出一个档次，能让观众看到清楚鲜艳、生动逼真画面，听到优美动听围绕立体声音响，使观众有身临其境感受，取得高度精神享受。电视信号数字化原理与接口规范第52页HDTV还在屏幕尺寸和宽高比喻面有改进，依据人眼视觉特征和心理效应试验，对HDTV基本参数提出了以下要求。(1)提升图像空间分解力。(2)提升场频或帧频，应确保高亮度下列图像不闪烁。(3)提升图像宽高比，画面宽高比为16∶9更符合人眼视觉特征，视野宽，临场感强。电视信号数字化原理与接口规范第53页(4)展宽色域，提升电视色彩感染力。(5)HDTV应有高质量围绕立体声，最少有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。电视信号数字化原理与接口规范第54页2.6.2数字高清楚度电视扫描参数及图像格式1.场频在模拟电视系统中，选择场频主要考虑了运动图像连续感、无闪烁、不易受交流电源干扰和视频信号频带不致过宽等原因，国际上一直采取50Hz和60Hz两种场频。电视信号数字化原理与接口规范第55页2．扫描方式 电视系统扫描方式有逐行方式与隔行方式两种，模拟电视系统均采取了隔行扫描方式，而当前国际上在HDTV和SDTV中现有隔行扫描方式，也有逐行扫描方式。 隔行扫描是一个有效带宽压缩方案，它将一帧图像分成两场扫描，在每帧扫描行数及图像换幅频率一定情况下，可使视频信号带宽降低为逐行扫描时二分之一。电视信号数字化原理与接口规范第56页 我国HDTV标准采取分辨率为1920×1080，帧频为25Hz隔行扫描方式。3．图像格式 图像格式包含图像宽高比、图像纵横像素数和像素宽高比等参数。①图像宽高比

HDTV图像宽高比