電視信號的數(shù)字化

1、 數(shù)字電視原理信號的數(shù)字化3.1音頻信號的數(shù)字化3.2 視頻信號的數(shù)字化視頻信號的數(shù)字化3.3n模擬信號的數(shù)字化過程主要是采樣、量化和編碼。n采樣將時間和幅度上連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)闀r間離散的信號，即時間離散化。3.1信號的數(shù)字化3.1信號的數(shù)字化n采樣-時間上的離散化 采樣采樣是指用每隔一定時間（或空間）間隔的信號樣本值序列代替原來在時間（或空間）上連續(xù)的信號，也就是在時間（或空間）上將模擬信號離散化。3.1信號的數(shù)字化n量化-幅度離散化 量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。即幅度離散化。3.1信號的數(shù)字化n編碼-離散值的數(shù)字表示

2、 編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的離散值用二進制數(shù)字表示，以進行傳輸或記錄。n 模擬信號數(shù)字化框圖如圖3-1所示，其中fc為濾波器的截止頻率，fs為取樣頻率。n 圖3-1模擬信號數(shù)字化框圖3.2音頻信號的數(shù)字化 聲音是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波，叫聲波。聲音的強弱體現(xiàn)在聲波壓力的大小上，音調(diào)的高低體現(xiàn)在聲音的頻率上。因而，聲音信號的兩個基本參數(shù)是頻率和幅度。3.2音頻信號的數(shù)字化聲波信號按頻率劃分：n亞音(Subsonic)信號（次音信號）20kHzn音頻(audio)信號: 在20Hz20kHz之間的聲波n人的發(fā)音:在80Hz 3400Hz之間n人的說話:在300Hz3400Hz之間-語（

3、話）音信號(speech，voice)3.2音頻信號的數(shù)字化 采樣頻率 經(jīng)常使用的采樣頻率有11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.lkHz和48kHz等。采樣頻率越高，聲音失真越小、音頻數(shù)據(jù)量越大。 人耳聽覺的頻率上限在20kHz左右，為了保證聲音不失真，采樣頻率應大于40kHz。3.2音頻信號的數(shù)字化 量化比特數(shù) 經(jīng)常采用的量化比特數(shù)有8bit、12bit和16bit。量化比特數(shù)越多，音質越好，數(shù)據(jù)量也越大。 人耳的聽覺能感覺極微小的聲音失真而且又能接受極大的動態(tài)范圍。由于這個特點，所以對音頻信號進行數(shù)字化所用的量化比特數(shù)比起視頻信號來要多。3.2音頻信號的數(shù)字化 聲道數(shù)

4、記錄聲音時，如果每次生成一個聲波數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成二個聲波數(shù)據(jù)，稱為立體聲（雙聲道），立體聲更能反映人的聽覺感受。3.2音頻信號的數(shù)字化 音頻數(shù)字化的采樣頻率和量化精度越高，音質越好，恢復出的聲音越接近原始聲音，但記錄數(shù)字聲音所需存儲空間（數(shù)據(jù)量）也隨之增加?？梢杂孟旅娴墓焦浪懵曇魯?shù)字化后每秒所需的存儲量（假定不經(jīng)壓縮）： 存儲量=(采樣頻率量化比特數(shù)聲道數(shù))/8 其中，存儲量的單位為B（字節(jié)）3.2音頻信號的數(shù)字化質量等級采樣頻率/kHz量化精度/bit聲道數(shù) 數(shù)碼率（未壓縮）/ kbit/s頻帶/ Hz電話話音88單聲道642003400AM11.0258單聲道88.250700

5、0FM22.0516雙聲道705.62015000CD44.116雙聲道1411.2 2020000DAT4816雙聲 在在PAL制的制的625行行/50場場/2 1隔行電視信隔行電視信號中，利用每場號中，利用每場312.5行中的行中的294行記錄數(shù)行記錄數(shù)字音頻信號，每行記錄字音頻信號，每行記錄3個音頻樣值，于是個音頻樣值，于是取樣頻率為取樣頻率為nfs50（場）（場）294（行）（行）3（樣值）（樣值）= 44.1kHz 1. 取樣頻率取樣頻率2. 量化比特數(shù)量化比特數(shù)3.演播室數(shù)字音頻聲道演播室數(shù)字音頻聲道3.3 視頻信號的數(shù)字化在時間軸上(t軸)分為一系列離散

6、的幀（等間隔）每幀圖像在垂直方向(y軸)上離散為一條一條的掃描行每行在水平方向(x軸)上采樣，得到一個一個像素。模擬視頻信號：三維視頻信號掃描一維時間變化信號3.3視頻信號的數(shù)字化 結果： 數(shù)字電視圖像幀-由二維空間排列的像素點組成； 視頻序列-由時間上一系列的數(shù)字圖像幀組成。 3.3視頻信號的數(shù)字化 對彩色電視信號的數(shù)字化處理主要有分量數(shù)字編碼和復合數(shù)字編碼兩種方式。 復合數(shù)字編碼是將彩色全電視信號直接進行數(shù)字化，編碼成 PCM形式（已被淘汰）。 分量數(shù)字編碼方式是分別對亮度信號Y和兩色差信號B-Y、R-Y分別進行PCM編碼。3.3視頻信號的數(shù)字化分量數(shù)字編碼優(yōu)點：避免了復合數(shù)字編碼時因反復

7、解碼所引起的質量損傷和器件的浪費，且編碼幾乎與電視制式無關世界統(tǒng)一的數(shù)字編碼標準后期制作的處理方便時分復用方式，不會像復合數(shù)字編碼那樣因頻分復用帶來亮、色串擾，可獲得高質量的圖像亮度信號和色度信號的帶寬根據(jù)需要取不同3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n分量數(shù)字編碼采樣頻率的確定n亮度信號的采樣頻率n各國主觀測試亮度信號帶寬fm5.86MHz 為保證足夠小的混疊噪聲，采樣頻率fs應取（2.2 2.7）* fm ，則應 fs = 12.76 13.2MHz。3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采用每幀固定的正交采樣結構，有利于行間、場間和幀間的信號處理。因此，應使fs滿足fsmfH的關系

8、；為了使625行/50場及525行/60場這兩種掃描制式實現(xiàn)行兼容應采用同一采樣頻率；3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定亮度信號的采樣頻率625行/50場掃描制式行頻(15625Hz)525行/60場掃描制式行頻(4.5MHz/286)4.513.5MHz=15625Hz 864=Hz 858286亮度信號的采樣頻率為13.5MHz 3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定色差信號的采樣頻率主觀測試色度信號的帶寬應選為2.8MHz，若色差信號采樣頻率為6 7 MHz時能滿足色鍵處理等對圖像質量的較高要求為保證足夠小的混疊噪聲采樣頻率為行頻的整數(shù)倍為了使625行/50場及525行/60場這

9、兩種掃描制式實現(xiàn)行兼容色差信號的采樣頻率為6.75MHz 3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采樣結構 a) 4 2 0 本格式中，色差信號本格式中，色差信號Cr和和Cb的取樣頻的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即 n 4 2 0格式中，色差信號格式中，色差信號Cr和和Cb在水平方向在水平方向和垂直方向上的取樣點數(shù)均為和垂直方向上的取樣點數(shù)均為Y的一半，一行按的一半，一行按4 2 2取樣，另一行按取樣，另一行按4 0 0取樣，因此稱為取樣，因此稱為4 2 0格式。格式。n 4 2 0格式中，格式中，4個像素產(chǎn)生個像素產(chǎn)生6個樣值（個樣值（Y為為4

10、個，個，Cb和和Cr各各1個），如果每個樣值個），如果每個樣值8比特編碼，比特編碼，68=48bits, 48/4=12bits/per pixel，即平均每，即平均每個像素個像素12bits。3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采樣結構b) 4 2 2n 在在4 4 4格式中，亮度信號和兩個色差信號格式中，亮度信號和兩個色差信號Cr和和Cb（或（或R，G，B信號）的取樣頻率均為信號）的取樣頻率均為13.5MHz，且取樣結構完全相同，即，且取樣結構完全相同，即n 亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比是是n 在在4 2 2格式中，亮度信號的取樣頻率

11、為格式中，亮度信號的取樣頻率為13.5MHz，兩個色差信號的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的一半，兩個色差信號的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的一半，即即n 因此，亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比是因此，亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比是 n 4 2 2編碼方式主要應用于電視演播室節(jié)目制作中。編碼方式主要應用于電視演播室節(jié)目制作中。 3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采樣結構c) 4 4 43.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定采樣結構 a) 4 2 0 b)4 2 2 c)4 4 43.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特數(shù)的確定和量化級的分配量化比特數(shù) 量化比

12、特數(shù)是指要區(qū)分所有量化級所需的二進制碼位數(shù)。其大小直接影響到數(shù)字圖像的質量，每增加或減少1bit，就使量化信噪比增加或減少6dB。 CCIR601建議中，規(guī)定對亮度和色差信號都采用8 bit的均勻量化。8 bit的量化精度在某些場合是不夠的，在后來的數(shù)字演播室中又擴展到10 bit的量化。3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特數(shù)的確定和量化級的分配 亮度信號的量化級分配20 保護帶16 保護帶3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特數(shù)的確定和量化級的分配色差信號的量化級分配 為了使色差信號電平的動態(tài)范圍控制在0.5-0.5之內(nèi)，色差信號需歸一化：0.7130.5000.4

13、190.081RCR YRGBEEEEE0.5640.1690.3310.500BCB YRGBEEEEE 3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定n量化比特數(shù)的確定和量化級的分配色差信號的量化級分配16 保護帶15 保護帶3.3.2 ITU-R BT.601建議 1982年2月，在CCIR 第15次全會上，在通過的CCIR 601建議建議中，確定了以分量數(shù)字編碼4 2 2標準作為演播室彩色電視信號數(shù)字編碼的國際標準。該建議考慮到現(xiàn)行的多種彩色電視制式，提出了一種世界范圍兼容的數(shù)字編碼方式，是向數(shù)字電視廣播系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標準化邁出的第一步。3.3.2 ITU-R BT.601建議參數(shù)參數(shù)62

14、5行行/50場場525行行/60場場有效掃描行數(shù)有效掃描行數(shù)576480編碼信號編碼信號Y，CB，CR每行樣點數(shù)每行樣點數(shù)亮度信號亮度信號864858色差信號色差信號432429每行有效樣每行有效樣點數(shù)點數(shù)亮度信號亮度信號720 （行正程）（行正程）色差信號色差信號360 （行正程）（行正程）采樣結構采樣結構正交，按行場幀重復，每行中的正交，按行場幀重復，每行中的CR，CB的樣點同位置，的樣點同位置，并與每行第奇數(shù)個（并與每行第奇數(shù)個（1，3，5，）亮度的樣點同位置）亮度的樣點同位置采樣頻率采樣頻率/ MHz亮度信號亮度信號13.5色差信號色差信號6.75編碼方式編碼方式對亮度信號和色差信號都

15、進行均勻量化，每個樣值為對亮度信號和色差信號都進行均勻量化，每個樣值為8bit量化量化量化級量化級亮度信號亮度信號共共220個量化級，消隱電平對應于第個量化級，消隱電平對應于第16量化級，峰值白電量化級，峰值白電平對應于第平對應于第235量化級量化級色差信號色差信號共共225個量化級（個量化級（16240），色差信號的零電平對應于第），色差信號的零電平對應于第128量化級量化級同步同步第第0級和第級和第255級保留級保留3.3 標準清晰度數(shù)字電視演播室標準3.3.1 演播室數(shù)字編碼參數(shù)n 演播室數(shù)字編碼的主要參數(shù)(4 2 2格式)如表3-3所示。3.4 數(shù)字分量電視信號的接口n1并行和串行接口

16、通用的信號格式 凡按照ITU-R BT.601建議進行數(shù)字視頻信號分量編碼的視頻信號，其接口和數(shù)據(jù)流都應符合如下規(guī)定。n(1) 4 2 2數(shù)字分量信號的時分復用傳輸n數(shù)字設備向外傳輸每幀內(nèi)的像素數(shù)據(jù)時，應該按下列次序時分復用：nCb1Y1Cr1 , Y2 , Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 , . Cb360Y719Cr360, Y720n奇數(shù)點按CbYCr的次序傳輸數(shù)據(jù)，偶數(shù)點只有Y樣點數(shù)據(jù)傳輸。每一行均如此，直至第576行。n(2) 視頻數(shù)據(jù)與模擬行同步間的定時關系n 數(shù)字分量視頻信號是由模擬分量視頻信號經(jīng)過A/D轉換得到的，數(shù)字有效行與模擬行之間應該有明確的定時

17、關系。數(shù)據(jù)格式與模擬波形的定時關系數(shù)據(jù)格式與模擬波形的定時關系n(3) 4 2 2數(shù)字流的構成n 如果是全數(shù)字系統(tǒng)，在接收端不是PAL接收機而是數(shù)字接收機，其掃描同步電路也是數(shù)字掃描電路，則不必探究數(shù)字視頻信號與模擬視頻信號OH的定時關系，可以只關注數(shù)字流的構成。n(4) 視頻定時基準信號SAV和EAV 在數(shù)字標準清晰度電視(SDTV)中，掃描參數(shù)仍然為625/50/2 1，即垂直掃描為具有奇偶場隔行掃描，掃描需要區(qū)分行、場正程期和行、場消隱期。n(5) 奇偶場內(nèi)的場識別和場消隱期掃描行的序號n 在奇數(shù)場和偶數(shù)場內(nèi)，場識別和場消隱期行的序號如表3-6所示。n2比特并行接口(1) 機械特性n 每

18、幀的數(shù)字視頻以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的順序進行傳輸。n如果數(shù)據(jù)字長10bit，則要占用10個通道。n(2) 并行接口電氣特性 時鐘與數(shù)據(jù)的定時關系n 時鐘信號是27MHz方波，周期為TCK=37ns，定時基準為時鐘信號高低電平的過渡時刻，時鐘信號的正向跳變應出現(xiàn)在兩次數(shù)據(jù)跳變的中間。n 收、發(fā)間線路驅動器特性n 收發(fā)之間每位數(shù)據(jù)采用平衡雙絞線傳輸n 容許的電纜長度n 由于在雙絞線上傳輸27MHz的數(shù)據(jù)，電纜的幅頻特性限制了使用的電纜長度。3 比特串行接口n 比特串行接口(Serial Digital Interface，SDI)中，每個10比特的數(shù)據(jù)字經(jīng)并/串轉換電