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1、第3章电视信号数字化原理与接口规范,3.1数字化基础,3.1.1连续时间信号的取样 3.1.2离散时间信号的量化 3.1.3编码,模拟信号数字化过程包括三个步骤：取样，量化和编码， 取样将时间和幅度上连续的模拟信号转变为时间离散的信号，即时间离散化。 量化将幅度连续信号转换为幅度离散的信号，即幅度离散化。 编码按照一定的规律，将时间和幅度上离散的信号用对应的二进制或多进制代码表示。,对时间和幅度上连续的模拟信号在时间轴上等间隔取样后，称为离散时间信号。 设模拟信号为x(t)，取样频率为fs，可以证明，取样后离散时间信号x(t)的频谱X(f)是一个周期函数，是以原模拟信号x(t)的频谱X(f)的
2、周期延拓形成的，周期为取样频率fs。X(f)与X(f)之间的关系为 式中n为整数，Ts为取样周期，Ts=1/fs。,3.1.1连续时间信号的取样,由图3-2可知： 取样后离散时间信号的频谱X(f)是原模拟信号的频谱X(f)以取样频率fs为周期延拓形成的； 若取样频率fs足够大，取样后离散时间信号的频谱将不会发生频谱混叠；, 取样后离散时间信号的频谱X(f)不发生混叠的条件是：fs2fh。即取样频率应大于原模拟信号带宽fh的两倍，称为取样定理； 如果取样频率满足取样定理，将取样后的离散时间信号通过一个截止频率为1/2fs的理想低通滤波器，就能够恢复出原模拟信号。,量化就是把幅度连续变化的信号变换
3、为幅度离散的信号。按照量化对象的不同，可分为标量量化和矢量量化；按照量化间隔是否均匀，又可分为均匀量化和非均匀量化。,3.1.2离散时间信号的量化,设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一量化间隔A是相等的，量化分层级数为M级， M=2n，其中n称为量化比特数，即 A=MA=2nA,1.均匀量化原理,设输入的连续信号为x(t)，量化后输出的阶梯信号为y(t)，则量化误差为 e(t)=x(t)-y(t) 当信号量化处理时，量化误差e(t)的范围为+A/2-A/2。,如果信号的功率密度谱为均匀分布函数，则可以证明，量化噪声功率为 量化间隔A越小，量化误差引起的噪声功率就越小。,（1）单极性信号
4、量化信噪比 单极性信号（如视频信号）量化信噪比一般用信号峰峰值与量化噪声有效值之比表示为,2.量化信噪比,用分贝表示为 量化比特数n每增加1比特，量化信噪比上升6dB。在数字电视中，常用的量化比特数为8，9，10。,设双极性信号的最大幅度为A，动态范围是+A-A。对它均匀量化成M级，则有 2A=MA=2nA 其中，n为量化比特数。,（2）双极性信号（如声音信号）量化信噪比,量化信噪比用信号功率与量化噪声功率之比表示为 用分贝表示为,若输入信号幅度为a，小于最大输入幅度A，则量化信噪比又可表示为 用分贝表示为,当输入信号幅度下降1/2时，信噪比将下降6dB。在数字电视中，常用的音频信号的量化比特
5、数有16bit，20bit和24bit等几种，,量化噪声对图像的影响主要有以下几方面。（1）颗粒杂波 （2）伪轮廓 （3）边缘忙乱,3.量化噪声对图像的影响,在PCM编码中，一般采用二进制等长码，即每一量化等级都用相同位数n的二进制码表示，n位二进制码有2n种可能的排法，用其中的一种排法表示一个量化级。 按码元的排列不同，等长二进制码有多种，在数字电视中常用的有自然二进制码、格雷码、折叠码以及2的补码等。,3.1.3编码,自然二进制码的优点是编译码简单、直观，获得了广泛应用。自然二进制码的缺点是相邻码字的对应码元不同的个数（称为码距）多，,1.自然二进制码,雷码又称为交替二进制码，是由自然二进
6、制码演变而来的。格雷码的第i位gi是由自然二进制码的第i位bi及高一位bi+1模2加而得的，即,2.格雷码格,折叠码也是由自然二进制码重排而成的，它的高位码元（MSB）代表信号的正负极性，0代表正值，1代表负值。其他各位都以某一中心值作上下对称分布，即中心值上下两部分各位成“倒影”关系，这就是折叠之意。,3.折叠码,2的补码与折叠二进制码类似，适用于双极性信号。首位代表极性，其他各位按代数值从大到小。对于正值，和折叠二进制码相同，对于负值，两者的码字次序相反。,4. 2的补码,3.2.1数字分量系统中的亮度和色差信号 3.2.2取样结构 3.2.3亮度信号取样频率的选择 3.2.4色度取样格式
7、,3.2 数字电视信号取样原理,电视摄像机拾取得到的原始信号是红（R）、绿（G）、蓝（B）信号，但是在传送时，将其转换为亮度信号Y和色差信号R-Y和B-Y。 由R，G，B到Y，R-Y，B-Y的变换公式如下：,3.2.1数字分量系统中的亮度和色差信号,在分量视频中，通过对色差信号R-Y，B-Y引入压缩系数，以把色差分量信号动态范围控制在350mV之内，再引入350mV偏置，把信号的数值动态范围控制在0700mV之间，转换公式为,对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点的亮度C是光波长、水平位置x、垂直位置y和时间t的函数。 通过对波长积分以后得到的电视信号是x，y，t三者的函数。,3.2.2取
8、样结构,摄像机获得的图像信号的过程可以看作是对彩色平面活动图像在时间域和空间域垂直方向上的取样结果。 为了保证取样结构是正交的，要求行周期TH必须是取样周期Ts的整数倍，也即取样频率fs应等于行频fH的整数倍，即,在数字电视中亮度信号取样频率的选择应该从以下四个方面考虑。 首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽的两倍，设亮度信号带宽fu是6MHz，因此有 为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍，即,3.2.3亮度信号取样频率的选择, 为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。现行的扫描格式主要有625行/50场和525行/59.
9、94场两种，它们的行频分别为15625Hz和15734.265Hz，这两个行频的最小公倍数是2.25MHz，也就是说取样频率应是2.25MHz的整数倍，即 其中m为整数。, 由于编码后的比特率Rb=fsn，其中n为量化比特数，因此从降低码率考虑，fs选得越接近2fu越好。,在数字电视中两个色差信号一般用Cr和Cb来表示，由于色差信号的带宽比亮度信号窄，所以在数字分量编码时两个色差信号的取样频率可以低一些，同时考虑到取样点正交结构的要求，在数字电视中有以下几种取样格式。,3.2.4色度取样格式,在444格式中，亮度信号和两个色差信号Cr和Cb（或R，G，B信号）的取样频率均为13.5MHz，且取
10、样结构完全相同，即 亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比是,1. 444格式,这种方式一般用在对R，G，B信号进行数字即化的场合，或在要求高质量的信号源的情况下采用这种格式。,在422格式中，亮度信号的取样频率为13.5MHz，两个色差信号的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即 因此，亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比是 422编码方式主要应用于电视演播室节目制作中。,2. 422格式,本格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即,3. 420格式,420格式中，色差信号Cr和Cb在水平方向和垂直方向上的取样点数均为Y的一半，一行按422取样，另一行按4
11、00取样，因此称为420格式。 420格式中，4个像素产生6个样值（Y为4个，Cb和Cr各1个），如果每个样值8比特编码，68=48bits, 48/4=12bits/per pixel，即平均每个像素12bits。,对于444格式，亮度信号Y的格式为720576样值, 色度信号Cb、Cr的格式也各为720576样值, 设每个样值8比特编码，一帧画面的数据量为 72057683=9953280（bits）,4.数据量计算,对于422格式，亮度信号Y的格式为720576样值, 色度信号Cb、Cr的格式各为360576样值, 设每个样值8比特编码，一帧画面的数据量为 （7205768）+（3605
12、7682）=6635520（bits）,对于420格式，亮度信号Y的格式为720576样值, 色度信号Cb、Cr的格式各为360288样值, 设每个样值8比特编码，一帧画面的数据量为 （7205768）+（36028882） = 4976640(bits),3.3标准清晰度数字电视演播室编码参数,3.3.1演播室数字编码主要参数 3.3.2数字视频信号量化电平分配,演播室数字编码的主要参数（422格式）如表3-4所示。,3.3.1演播室数字编码主要参数,表3-4 演播室数字编码的主要参数,1.亮度信号量化后码电平分配 2.色差信号量化后码电平分配,3.3.2数字视频信号量化电平分配,亮度和色差
13、信号量化以后取其最邻近的整数作为码电平值，其数字化表达式为 其中n为量化比特数，符号INT表示对中的小数部分四舍五入取整数。,3.码电平数字表达式,3.4数字标准清晰度电视信号接口,3.4.1信号时分复用传输格式 3.4.2比特并行接口 3.4.3 SDI串行接口,1. 422数字分量信号的时分复用传输 2.视频数据与模拟行同步间的定时关系 由图可见： 以模拟行同步前沿OH为基准，每一数字行起始于模拟行同步前沿OH前24T处 ，每行64s，共有864个亮度取样周期，8642=1728个时钟周期；,3.4.1信号时分复用传输格式, 数字有效行起始于模拟行同步前沿OH后264T处，数字有效行内有7
14、20个亮度取样周期，占1440T； 数字行消隐起始于模拟行同步前沿OH前24T处 ，共占288T。左端有4T的定时基准码EAV （End of Active Video），代表有效视频结束，右端有4T的定时基准码SAV（Start of Active video）,代表有效视频开始。,在数字标准清晰度电视（SDTV）中，扫描参数仍然为625/50/21，即垂直扫描为隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行场消隐期。在模拟电视中这些同步关系由复合同步脉冲表示，而在数字电视码流中则依靠EAV和SAV来标注。EAV和SAV又称为定时基准信号，SAV在每一视频数据块的起始处，EAV在每一视频数据块的终止
15、处。,3.视频定时基准信号SAV和EAV,下面是数字电视和模拟电视扫描行数的对比。 （1） 模拟电视 在模拟电视中，奇数场自第1行起至第312.5行止；场消隐起始于第622.5行结束于第22.5行，共占25行；场正程起始于第22.5行，结束于第310行，共占287.5行。偶数场自第312.5行起至第625行止；场消隐起始于第311行结束于第335行，共占25行；场正程起始于第336行，结束于第622.5行，共占287.5行。一帧的正程中有效行为287.5+287.5=575行。,以625行/50场格式为例，在数字电视中，奇数场（第一场）为312行，场消隐占24行，正程占288行；偶数场（第二场
16、）为313行；场消隐占25行，正程占288行。一帧的正程中有效行为288+288=576行，它比模拟信号多一行。,（2）数字电视,3.4.2比特并行接口,每帧的数字视频以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,，Cb360 Y719 Cr360, Y720的顺序进行传输。,1.机械特性,2.并行接口电气特性,（1） 时钟与数据的定时关系,图3-15时钟与数据的定时关系,（2）收、发间线路驱动器特性,图3-16线路驱动器和线路接收器的连接,由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频特性限制了使用的电缆长度。在无电缆均衡器条件下，容许电缆长度为50m，采用电缆均衡器后可达200m。,（3） 容许的电缆长度,（1）协处理器用于插入定时基准信号、格式化后的数字音频和其他辅助数据。 （2）CRC是冗余校验码，它插入到
