第3章電視信號數字化原理與接口規范模擬信號數字化過程主要是取樣、量化和編碼。取樣——將時間和幅度上連續模擬信號轉變為時間離散信號，即時間離散化。量化——將幅度連續信號轉換為幅度離散信號，即幅度離散化。編碼——按照一定規律，將時間和幅度上離散信號用對應二進制或多進制代碼表示。電視信號數字化原理與接口規范第1頁模擬信號數字化框圖如圖2-1所表示，其中fc為濾波器截止頻率，fs為取樣頻率。

圖2-1模擬信號數字化框圖電視信號數字化原理與接口規范第2頁2.1取樣定理2.2二維信號取樣2.3數字電視信號參數選擇2.4量化2.5標準清楚度數字電視演播室標準2.6數字高清楚度電視電視信號數字化原理與接口規范第3頁假如對一個時間連續信號f(t)進行等時間間隔取樣，取樣時間間隔(取樣周期)為Ts，取樣頻率為fs＝1/Ts。2.1取樣定理電視信號數字化原理與接口規范第4頁(1)經過理想取樣后，輸出信號頻譜Fs(ω)是原模擬信號頻譜F(ω)以ωs為周期延拓形成，如圖2-2所表示。(2)假如原模擬信號頻譜F(ω)頻譜范圍在ωh之內，則滿足ωs≥2ωh時，則取樣后信號fs(t)經過一個截止頻率為ωs/2理想低通濾波器后，能夠無失真地恢復原信號f(t)。電視信號數字化原理與接口規范第5頁圖2-2模擬信號理想取樣前后頻譜電視信號數字化原理與接口規范第6頁只要滿足取樣定理而且τ/Ts足夠小，仍能夠從取樣信號頻譜中準確地恢復出原模擬信號。圖2-3模擬信號實際取樣前后頻譜電視信號數字化原理與接口規范第7頁2.2二維信號取樣對于一個彩色平面活動圖像來說，圖像中任一點亮度Y是光波長λ、水平位置x、垂直位置y和時間t函數。發端經過攝像機將光圖像轉換成電圖像，光電轉換器件是含有積分作用器件，所以有以下積分關系：電視信號數字化原理與接口規范第8頁圖2-4圖像平面和二維取樣脈沖電視信號數字化原理與接口規范第9頁在水平方向上取樣間隔為Δx，在垂直方向上取樣間隔為Δy,取樣后信號為其頻譜為

式中：Δv=1/Δy為垂直取樣頻率；Δu=1/Δx為水平取樣頻率；δ(x,y)為單位沖激序列。取樣前后頻譜示意圖如圖2-5所表示。電視信號數字化原理與接口規范第10頁圖2-5水平、垂直取樣前后二維頻譜電視信號數字化原理與接口規范第11頁2.3數字電視信號參數選擇電視信號數字化處理有數字分量編碼和數字復合編碼兩種方式。數字分量編碼方式是對三基色信號ER，EG和EB或對亮度信號和色差信號EY，ER-Y與EB-Y分別進行數字化處理。電視信號數字化原理與接口規范第12頁2.3.1取樣結構選擇取樣結構是指取樣點在空間與時間上相對位置，有正交結構和行交叉結構等。在數字電視中普通采取正交結構，如圖2-6(a)所表示。這種結構在圖像平面上沿水平方向取樣點等間隔排列，沿垂直方向取樣點上下對齊排列，這么有利于幀內和幀間信號處理。圖2-6(b)所表示為行交叉結構，每行內取樣點數為整數加半個。電視信號數字化原理與接口規范第13頁圖2-6取樣結構圖電視信號數字化原理與接口規范第14頁為了確保取樣結構是正交，要求行周期TH必須是取樣周期Ts整數倍，即要求取樣頻率fs應等于行頻fH整數倍，即電視信號數字化原理與接口規范第15頁2.3.2取樣頻率選擇在數字電視中，亮度信號取樣頻率選擇應該從以下4個方面考慮。(1)首先應該滿足取樣定理，即取樣頻率應該大于視頻帶寬兩倍。電視信號數字化原理與接口規范第16頁(2)為了確保取樣結構是正交，取樣頻率應該是行頻fH整數倍，即電視信號數字化原理與接口規范第17頁(3)為了便于節目標國際間交流，亮度信號取樣頻率選擇還必須兼顧國際上不一樣掃描格式。

fs=m·2.25MHz

(4)編碼后比特率Rb=fs·n，其中n為量化比特數。電視信號數字化原理與接口規范第18頁2.3.3色度格式1．4∶2∶2格式在4∶2∶2格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率二分之一，即電視信號數字化原理與接口規范第19頁2．4∶4∶4格式在4∶4∶4格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率與亮度信號取樣頻率相同，即亮度取樣頻率和兩個色差信號取樣頻率之比為電視信號數字化原理與接口規范第20頁3．4∶2∶0格式本格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率四分之一，即電視信號數字化原理與接口規范第21頁4．4∶1∶1格式在4∶1∶1格式中，色差信號Cr和Cb取樣頻率均為亮度信號取樣頻率四分之一，即電視信號數字化原理與接口規范第22頁2.4量化量化就是把幅度連續改變信號變換為幅度離散信號，這是模擬信號到數字信號映射變換。顯然，一個量化器只能取有限多個量化級，所以量化過程將不可防止地帶來量化誤差。電視信號數字化原理與接口規范第23頁標量量化是一維量化，全部取樣使用同一個量化器進行量化，每個取樣量化都和其它全部取樣無關，所以也稱為無記憶量化。矢量量化是多維量化，是先將K個取樣值序列形成K維空間中一個矢量，然后將此矢量進行量化。電視信號數字化原理與接口規范第24頁2.4.1量化器設計量化器設計標準能夠分為兩種：(1)給定量化器量化電平數M，依據量化誤差均方值為最小來設計量化器；(2)給出固定量化誤差要求，設計量化器使其量化電平總數M盡可能小。電視信號數字化原理與接口規范第25頁2.4.2均勻量化器1．均勻量化器原理設在輸入信號動態范圍A內進行均勻量化，每一量化間隔ΔA是相等，共分為M級，設M=2n，其中n為量化比特數，即

A=M×ΔA=2n×ΔA

M和n取值主要是由量化信噪比決定。電視信號數字化原理與接口規范第26頁2．視頻信號(單極性信號)量化信噪比電視信號量化信噪比普通用信號峰-峰值與量化噪聲有效值之比表示，即 普通慣用分貝表示為電視信號數字化原理與接口規范第27頁3．聲音信號(雙極性信號)量化信噪比設聲音信號最大幅度為A，動態范圍是+A～-A。對它均勻量化成M級，則有2A=M×ΔA=2n×ΔA

其中，n為量化比特數。電視信號數字化原理與接口規范第28頁2.4.3量化噪聲對圖像影響假如量化比特數n選得過小，量化噪聲對圖像影響主要有以下幾方面。(1)顆粒雜波(2)偽輪廓(3)邊緣忙亂電視信號數字化原理與接口規范第29頁2.4.4電視信號量化1．量化前歸一化處理在對模擬電視分量信號EY、E(R-Y)和E(B-Y)進行量化和編碼前，必須進行歸一化處理。由電視原理可知，亮度和色差信號組成以下：電視信號數字化原理與接口規范第30頁 令信號值歸一化(即最大電平為1.0V)，則100％彩條信號各值如表2-2所表示。電視信號數字化原理與接口規范第31頁電視信號數字化原理與接口規范第32頁2.碼電平分配及數字表示式(1)亮度信號量化后碼電平分配在對分量信號進行8比特均勻量化時，共分為256個等間隔量化級，其二進制范圍是00000000～11111111，對應十進制范圍為0～255。電視信號數字化原理與接口規范第33頁(2)色差信號量化后碼電平分配色差信號經過兩次歸一化處理后，ECR和ECB動態范圍為-0.5～0.5，讓色差零電平對應碼電平256÷2=128，色差信號總共占225個量化級。電視信號數字化原理與接口規范第34頁(3)碼電平數字表示式 亮度和色差信號量化以后取其最鄰近整數作為碼電平值，其數字化表示式為DY=INT［(219E

Y+16)×2n-8］DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］ 其中n為量化比特數，符號INT［］表示對［］中小數部分四舍五入取整數。電視信號數字化原理與接口規范第35頁2.5標準清楚度數字電視演播室標準2.5.1演播室數字編碼參數演播室數字編碼主要參數(4∶2∶2格式)如表2-3所表示。電視信號數字化原理與接口規范第36頁電視信號數字化原理與接口規范第37頁電視信號數字化原理與接口規范第38頁2.5.2數字分量電視信號接口1．并行和串行接口通用信號格式凡按照ITU-R

BT.601提議進行數字視頻信號分量編碼視頻信號，其接口和數據流都應符合以下要求。電視信號數字化原理與接口規范第39頁(1)4∶2∶2數字分量信號時分復用傳輸數字設備向外傳輸每幀內像素數據時，應該按以下次序時分復用：Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y4,…….Cb360Y719Cr360,Y720奇數點按CbYCr次序傳輸數據，偶數點只有Y樣點數據傳輸。每一行均如此，直至第576行。電視信號數字化原理與接口規范第40頁(2)視頻數據與模擬行同時間定時關系數字分量視頻信號是由模擬分量視頻信號經過A/D轉換得到，數字有效行與模擬行之間應該有明確定時關系。電視信號數字化原理與接口規范第41頁(3)4∶2∶2數字流組成假如是全數字系統，在接收端不是PAL接收機而是數字接收機，其掃描同時電路也是數字掃描電路，則無須探究數字視頻信號與模擬視頻信號OH定時關系，能夠只關注數字流組成。電視信號數字化原理與接口規范第42頁(4)視頻定時基準信號SAV和EAV

在數字標準清楚度電視(SDTV)中，掃描參數依然為625/50/2∶1，即垂直掃描為含有奇偶場隔行掃描，掃描需要區分行、場正程期和行、場消隱期。電視信號數字化原理與接口規范第43頁(5)奇偶場內場識別和場消隱期掃描行序號在奇數場和偶數場內，場識別和場消隱期行序號如表2-6所表示。電視信號數字化原理與接口規范第44頁電視信號數字化原理與接口規范第45頁2．比特并行接口(1)機械特征每幀數字視頻以Cb1Y1Cr1,Y2,Cb2Y3Cr2,Y4,Cb3Y5Cr3,Y6,…….Cb360Y719Cr1360,Y720次序進行傳輸。電視信號數字化原理與接口規范第46頁(2)并行接口電氣特征①時鐘與數據定時關系時鐘信號是27MHz方波，周期為TCK=37ns，定時基準為時鐘信號高低電平過渡時刻，時鐘信號正向跳變應出現在兩次數據跳變中間。②收、發間線路驅動器特征收發之間每位數據采取平衡雙絞線傳輸電視信號數字化原理與接口規范第47頁③允許電纜長度因為在雙絞線上傳輸27MHz數據，電纜幅頻特征限制了使用電纜長度。3．比特串行接口比特串行接口(Serial

Digital

Interface，SDI)中，每個10比特數據字經并/串轉換電路后變成串行數據流，傳輸碼率從27Mbit/s變為270Mbit/s，用單芯同軸電纜傳輸。電視信號數字化原理與接口規范第48頁(1)并/串變換輸入數據由27MHz時鐘信號并行寫入移位存放器，然后用10倍頻270MHz時鐘串行讀出。(2)擾碼因為接收端解碼時需要恢復時鐘信號，而串行接口不能像并行接口那樣使用單獨數據線傳輸時鐘信號，時鐘恢復只能利用信號本身跳變來產生，這稱為自時鐘方式。電視信號數字化原理與接口規范第49頁(3)碼型變換圖2-21中NRZ-NRZI編碼器是把非歸零碼(NRZ)變換成倒相非歸零碼(NRZI)。(4)機械特征在數字比特串行接口中用特征阻抗75Ω單芯同軸電纜傳輸信號，接插件為標準BNC型接頭。電視信號數字化原理與接口規范第50頁圖2-21擾碼電路和NRZ-NRZI變換編碼電路電視信號數字化原理與接口規范第51頁2.6數字高清楚度電視2.6.1概述高清楚度電視(HighDefinitionTelevision，HDTV)在圖像和聲音質量方面都比現行電視高出一個檔次，能讓觀眾看到清楚鮮艷、生動逼真畫面，聽到優美動聽圍繞立體聲音響，使觀眾有身臨其境感受，取得高度精神享受。電視信號數字化原理與接口規范第52頁HDTV還在屏幕尺寸和寬高比喻面有改進，依據人眼視覺特征和心理效應試驗，對HDTV基本參數提出了以下要求。(1)提升圖像空間分解力。(2)提升場頻或幀頻，應確保高亮度下列圖像不閃爍。(3)提升圖像寬高比，畫面寬高比為16∶9更符合人眼視覺特征，視野寬，臨場感強。電視信號數字化原理與接口規范第53頁(4)展寬色域，提升電視色彩感染力。(5)HDTV應有高質量圍繞立體聲，最少有4路數字伴音通道，伴音帶寬應達20kHz。電視信號數字化原理與接口規范第54頁2.6.2數字高清楚度電視掃描參數及圖像格式1.場頻在模擬電視系統中，選擇場頻主要考慮了運動圖像連續感、無閃爍、不易受交流電源干擾和視頻信號頻帶不致過寬等原因，國際上一直采取50Hz和60Hz兩種場頻。電視信號數字化原理與接口規范第55頁2．掃描方式 電視系統掃描方式有逐行方式與隔行方式兩種，模擬電視系統均采取了隔行掃描方式，而當前國際上在HDTV和SDTV中現有隔行掃描方式，也有逐行掃描方式。 隔行掃描是一個有效帶寬壓縮方案，它將一幀圖像分成兩場掃描，在每幀掃描行數及圖像換幅頻率一定情況下，可使視頻信號帶寬降低為逐行掃描時二分之一。電視信號數字化原理與接口規范第56頁 我國HDTV標準采取分辨率為1920×1080，幀頻為25Hz隔行掃描方式。3．圖像格式 圖像格式包含圖像寬高比、圖像縱橫像素數和像素寬高比等參數。①圖像寬高比

HDTV圖像寬高比