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1、數(shù)字電視原理,,第3章 電視信號(hào)的數(shù)字化,模擬信號(hào)的數(shù)字化過程主要是采樣、量化和編碼。 采樣將時(shí)間和幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間離散的信號(hào)，即時(shí)間離散化。,3.1信號(hào)的數(shù)字化,3.1信號(hào)的數(shù)字化,采樣----時(shí)間上的離散化 采樣是指用每隔一定時(shí)間（或空間）間隔的信號(hào)樣本值序列代替原來在時(shí)間（或空間）上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間（或空間）上將模擬信號(hào)離散化。,3.1信號(hào)的數(shù)字化,量化----幅度離散化 量化是用有限個(gè)幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)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(hào)的數(shù)字化,編碼---離散值的數(shù)字表示 編碼則是按照一定的規(guī)

2、律，把量化后的離散值用二進(jìn)制數(shù)字表示，以進(jìn)行傳輸或記錄。,模擬信號(hào)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。 圖3-1模擬信號(hào)數(shù)字化框圖,3.2音頻信號(hào)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(qiáng)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(hào)的兩個(gè)基本參數(shù)是頻率和幅度。,3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化,聲波信號(hào)按頻率劃分： 亞音(Subsonic)信號(hào)（次音信號(hào)）20kHz 音頻(audio)信號(hào): 在20Hz20kHz之間的聲波 人的發(fā)音:在80Hz 3400Hz之間 人的說話:在300Hz3400Hz之間----語（

3、話）音信號(hào)(speech，voice),3.2音頻信號(hào)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(yīng)大于40kHz。,3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化,量化比特?cái)?shù) 經(jīng)常采用的量化比特?cái)?shù)有8bit、12bit和16bit。量化比特?cái)?shù)越多，音質(zhì)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(dòng)態(tài)范圍。由于這個(gè)特點(diǎn)，所以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化所用的量化比特?cái)?shù)比起視頻信號(hào)來要多。,3.2音頻

4、信號(hào)的數(shù)字化,聲道數(shù) 記錄聲音時(shí)，如果每次生成一個(gè)聲波數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成二個(gè)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(hào)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(zhì)越好，恢復(fù)出的聲音越接近原始聲音，但記錄數(shù)字聲音所需存儲(chǔ)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(chǔ)量（假定不經(jīng)壓縮）： 存儲(chǔ)量=(采樣頻率量化比特?cái)?shù)聲道數(shù))/8 其中，存儲(chǔ)量的單位為B（字節(jié)）,3.2音頻信號(hào)的數(shù)字化,在PAL制的625行/50場(chǎng)/21隔行電視信號(hào)中，利用每場(chǎng)312.5行中的294行記錄數(shù)字音頻信號(hào)，每行記錄3個(gè)音頻樣值，于是取樣頻率

5、為 fs50（場(chǎng)）294（行）3（樣值）= 44.1kHz,1. 取樣頻率,2. 量化比特?cái)?shù),3.演播室數(shù)字音頻聲道,多路聲音軌記錄的聲道分配,3.3 視頻信號(hào)的數(shù)字化,在時(shí)間軸上(t軸)分為一系列離散的幀（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(gè)一個(gè)像素。,模擬視頻信號(hào)：三維視頻信號(hào)掃描一維時(shí)間變化信號(hào),3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化,結(jié)果： 數(shù)字電視圖像幀----由二維空間排列的像素點(diǎn)組成； 視頻序列----由時(shí)間上一系列的數(shù)字圖像幀組成。,3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化,對(duì)彩色電視信號(hào)的數(shù)字化處理主要有分量數(shù)字編碼和復(fù)合數(shù)字編碼兩種方式

6、。 復(fù)合數(shù)字編碼是將彩色全電視信號(hào)直接進(jìn)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(duì)亮度信號(hào)Y和兩色差信號(hào)B-Y、R-Y分別進(jìn)行PCM編碼。,3.3視頻信號(hào)的數(shù)字化,分量數(shù)字編碼優(yōu)點(diǎn)： 避免了復(fù)合數(shù)字編碼時(shí)因反復(fù)解碼所引起的質(zhì)量損傷和器件的浪費(fèi)，且編碼幾乎與電視制式無關(guān)世界統(tǒng)一的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn) 后期制作的處理方便 時(shí)分復(fù)用方式，不會(huì)像復(fù)合數(shù)字編碼那樣因頻分復(fù)用帶來亮、色串?dāng)_，可獲得高質(zhì)量的圖像 亮度信號(hào)和色度信號(hào)的帶寬根據(jù)需要取不同,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,分量數(shù)字編碼采樣頻率的確定 亮度信號(hào)的采樣頻率 各國主觀測(cè)試亮度信號(hào)帶寬fm5.86MHz

7、 為保證足夠小的混疊噪聲，采樣頻率fs應(yīng)?。?.2 2.7）* fm ，則應(yīng) fs = 12.76 13.2MHz。,3.3.1電視信號(hào)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(jié)構(gòu)，有利于行間、場(chǎng)間和幀間的信號(hào)處理。因此，應(yīng)使fs滿足fsmfH的關(guān)系； 為了使625行/50場(chǎng)及525行/60場(chǎng)這兩種掃描制式實(shí)現(xiàn)行兼容應(yīng)采用同一采樣頻率；,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,亮度信號(hào)的采樣頻率 625行/50場(chǎng)掃描制式行頻(15625Hz) 525行/60場(chǎng)掃描制式行頻(4.5MHz/286),,亮度信號(hào)的采樣頻率為13.5MHz,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,色差

8、信號(hào)的采樣頻率 主觀測(cè)試色度信號(hào)的帶寬應(yīng)選為2.8MHz，若色差信號(hào)采樣頻率為6 7 MHz時(shí)能滿足色鍵處理等對(duì)圖像質(zhì)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(chǎng)及525行/60場(chǎng)這兩種掃描制式實(shí)現(xiàn)行兼容,色差信號(hào)的采樣頻率為6.75MHz,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,采樣結(jié)構(gòu),a) 420,,本格式中，色差信號(hào)Cr和Cb的取樣頻率均為亮度信號(hào)取樣頻率的四分之一，即,,420格式中，色差信號(hào)Cr和Cb在水平方向和垂直方向上的取樣點(diǎn)數(shù)均為Y的一半，一行按422取樣，另一行按400取樣，因此稱為420格式。 420格式中，4個(gè)像素產(chǎn)生6個(gè)樣值

9、（Y為4個(gè)，Cb和Cr各1個(gè)），如果每個(gè)樣值8比特編碼，68=48bits, 48/4=12bits/per pixel，即平均每個(gè)像素12bits。,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,采樣結(jié)構(gòu),b) 422,,,在444格式中，亮度信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)Cr和Cb（或R，G，B信號(hào)）的取樣頻率均為13.5MHz，且取樣結(jié)構(gòu)完全相同，即 亮度取樣頻率和兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率之比是,,在422格式中，亮度信號(hào)的取樣頻率為13.5MHz，兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率均為亮度信號(hào)取樣頻率的一半，即 因此，亮度取樣頻率和兩個(gè)色差信號(hào)的取樣頻率之比是 422編碼方式主要應(yīng)用于電視演播室節(jié)目制作中。,

10、3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,采樣結(jié)構(gòu),c) 444,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,采樣結(jié)構(gòu),a) 420 b)422 c)444,,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配 量化比特?cái)?shù) 量化比特?cái)?shù)是指要區(qū)分所有量化級(jí)所需的二進(jìn)制碼位數(shù)。其大小直接影響到數(shù)字圖像的質(zhì)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(duì)亮度和色差信號(hào)都采用8 bit的均勻量化。8 bit的量化精度在某些場(chǎng)合是不夠的，在后來的數(shù)字演播室中又?jǐn)U展到10 bit的量化。,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,量化比特

11、數(shù)的確定和量化級(jí)的分配 亮度信號(hào)的量化級(jí)分配,20 保護(hù)帶,16 保護(hù)帶,,,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配 色差信號(hào)的量化級(jí)分配 為了使色差信號(hào)電平的動(dòng)態(tài)范圍控制在0.5--0.5之內(nèi)，色差信號(hào)需歸一化：,,,,3.3.1電視信號(hào)分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,量化比特?cái)?shù)的確定和量化級(jí)的分配 色差信號(hào)的量化級(jí)分配,16 保護(hù)帶,15 保護(hù)帶,,,3.3.2 ITU-R BT.601建議,1982年2月，在CCIR 第15次全會(huì)上，在通過的CCIR 601建議建議中，確定了以分量數(shù)字編碼422標(biāo)準(zhǔn)作為演播室彩色電視信號(hào)數(shù)字編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)。該建議考慮到現(xiàn)行的

12、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(biāo)準(zhǔn)化邁出的第一步。,3.3.2 ITU-R BT.601建議,3.3 標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視演播室標(biāo)準(zhǔn),3.3.1 演播室數(shù)字編碼參數(shù) 演播室數(shù)字編碼的主要參數(shù)(422格式)如表3-3所示。,3.4 數(shù)字分量電視信號(hào)的接口 1并行和串行接口通用的信號(hào)格式 凡按照ITU-R BT.601建議進(jìn)行數(shù)字視頻信號(hào)分量編碼的視頻信號(hào)，其接口和數(shù)據(jù)流都應(yīng)符合如下規(guī)定。,(1) 422數(shù)字分量信號(hào)的時(shí)分復(fù)用傳輸 數(shù)字設(shè)備向外傳輸每幀內(nèi)的像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該按下列次序時(shí)分復(fù)用： Cb1Y1Cr1 , Y2 , Cb2Y3

13、Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 , . Cb360Y719Cr360, Y720 奇數(shù)點(diǎn)按CbYCr的次序傳輸數(shù)據(jù)，偶數(shù)點(diǎn)只有Y樣點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。每一行均如此，直至第576行。,(2) 視頻數(shù)據(jù)與模擬行同步間的定時(shí)關(guān)系 數(shù)字分量視頻信號(hào)是由模擬分量視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到的，數(shù)字有效行與模擬行之間應(yīng)該有明確的定時(shí)關(guān)系。,數(shù)據(jù)格式與模擬波形的定時(shí)關(guān)系,(3) 422數(shù)字流的構(gòu)成 如果是全數(shù)字系統(tǒng)，在接收端不是PAL接收機(jī)而是數(shù)字接收機(jī)，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(hào)與模擬視頻信號(hào)OH的定時(shí)關(guān)系，可以只關(guān)注數(shù)字流的構(gòu)成。,(4) 視頻定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)SAV和

14、EAV 在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)中，掃描參數(shù)仍然為625/50/21，即垂直掃描為具有奇偶場(chǎng)隔行掃描，掃描需要區(qū)分行、場(chǎng)正程期和行、場(chǎng)消隱期。,(5) 奇偶場(chǎng)內(nèi)的場(chǎng)識(shí)別和場(chǎng)消隱期掃描行的序號(hào) 在奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)內(nèi)，場(chǎng)識(shí)別和場(chǎng)消隱期行的序號(hào)如表3-6所示。,2比特并行接口 (1) 機(jī)械特性 每幀的數(shù)字視頻以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的順序進(jìn)行傳輸。 如果數(shù)據(jù)字長(zhǎng)10bit，則要占用10個(gè)通道。,(2) 并行接口電氣特性 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的定時(shí)關(guān)系 時(shí)鐘信號(hào)是27M

15、Hz方波，周期為TCK=37ns，定時(shí)基準(zhǔn)為時(shí)鐘信號(hào)高低電平的過渡時(shí)刻，時(shí)鐘信號(hào)的正向跳變應(yīng)出現(xiàn)在兩次數(shù)據(jù)跳變的中間。, 收、發(fā)間線路驅(qū)動(dòng)器特性 收發(fā)之間每位數(shù)據(jù)采用平衡雙絞線傳輸 容許的電纜長(zhǎng)度 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(zhǎng)度。,3 比特串行接口 比特串行接口(Serial Digital Interface，SDI)中，每個(gè)10比特的數(shù)據(jù)字經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換電路后變成串行的數(shù)據(jù)流，傳輸碼率從27Mbit/s變?yōu)?70Mbit/s，用單芯同軸電纜傳輸。,(1) 并/串變換 輸入數(shù)據(jù)由27MHz的時(shí)鐘信號(hào)并行寫入移位寄存器，然后用10倍頻的270MHz時(shí)

16、鐘串行讀出。,(2) 擾碼 由于接收端解碼時(shí)需要恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)，而串行接口不能像并行接口那樣使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)線傳輸時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘的恢復(fù)只能利用信號(hào)本身的跳變來產(chǎn)生，這稱為自時(shí)鐘方式。 ----隨機(jī)化處理；m序列 ；統(tǒng)計(jì)特性,(3) 碼型變換 NRZ-NRZI編碼器是把非歸零碼(NRZ)變換成非歸零倒相碼(NRZI)。 NRZI編碼和NRZ的區(qū)別就是NRZI用信號(hào)的翻轉(zhuǎn)代表一個(gè)邏輯，信號(hào)保持不變代表另外一個(gè)邏輯。 -----每次遇到比特1都發(fā)生電平躍遷，這能提供一種同步機(jī)制。,擾碼電路和NRZ-NRZI變換編碼電路,(4) 機(jī)械特性 在數(shù)字比特串行接口中用特性阻抗75的單芯同軸電纜傳輸信號(hào)，接插件為標(biāo)準(zhǔn)的BNC型接頭。,作業(yè),P69 1.請(qǐng)說明電視數(shù)字化的三個(gè)步驟。 4.什么叫復(fù)合數(shù)字編碼？什么叫分量數(shù)字編碼？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 6請(qǐng)畫圖示意說明444、422、420采樣格式。,