1、數(shù)字電視播控技術,一 數(shù)字視頻分量信號標準、數(shù)字音頻 信號傳輸； 二 mpeg視頻壓縮編碼技術； 三 電視播控系統(tǒng)的傳輸信號及標準； 四 數(shù)字電視播控的關鍵技術與標準; 五 數(shù)字演播室自動播控；,中國傳媒大學信息工程學院 張琦,一 數(shù)字視頻分量信號標準，數(shù)字音頻傳輸 1 串行分量數(shù)字信號傳輸系統(tǒng) 2 數(shù)字分量信號的合法和有效 3 串行數(shù)字傳輸接口SDTI 4 IEEE 1394串行接口 7 數(shù)字音頻傳輸接口,Analog to digital conversion（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換） 0mv（數(shù)字字）= 040 = 001000000,標準清晰度時鐘頻率 27MHz， 高清晰度時鐘頻率148.5

2、MHz偶數(shù)幀頻 (148.511.001）=148.35 MHz 奇數(shù)幀頻,嵌入音頻緩存（ SD）,SAV,EAV,1 組,2 組,3 組,4 組,WVR7120,SD Digital Horizontal Line(標準清晰度水平行),過沖 和下沖,眼圖中有過沖和下沖 這是由于信號路徑的終端失配造成的 在整個信號路徑中必須 保證正確的終接 雖然信號仍然能夠正確地接收，但降低了眼圖的閥值,HD 眼圖測量,不相稱的上升下降時間 位移50% 點 信號仍然能夠正確地接收,HD 眼圖測量,二 數(shù)字視頻分量信號標準 1.抽樣,11 抽樣原理 把模擬信號變成數(shù)字信號時，先用一個周期 為T的窄脈沖流對模擬信

3、號幅度進行抽取, 把時 間上連續(xù)變化的模擬信號變成時間上離散的信號 圖(a)是時間上連續(xù)變化的模擬信號f(t)； 圖(b)是抽樣脈沖序列； 圖(c)是抽樣后的信號fs(t) 圖(d)(e)(f)是相應的頻譜。,圖i 頻譜混疊失真,12 模擬信號的恢復,用理想低通濾波器恢復模擬信號 :,（a）內(nèi)插函數(shù)g(t) （b）原模擬信號f(t)，由抽樣函數(shù)fs(t)與g(t) 的 卷積得到。,在取樣點上的f（t）值等于其樣值f（nT）； 樣點之間的值,由各內(nèi)插函數(shù)在樣點之間的延伸值 與各自樣點值的乘積之和組成。 無限項乘積之和使離散信號恢復為連續(xù)模擬信號。 低通濾波器的特性是關鍵。,低通濾波器又稱為內(nèi)插濾

4、波器。 內(nèi)插函數(shù)是理想低通濾波器的沖激響應。,13 抽樣頻率的選擇原則,抽樣頻率fS的選擇要考慮以下2個條件： （1）滿足奈奎斯特準則：fS 2fm ，不產(chǎn)生混疊失真 （2）應取行頻的整數(shù)倍使抽樣樣點位置形成正交結構， 正交結構：行與行、幀與幀之間的樣點位置都能對齊。 （3）兼顧不同的掃描制式,ITU-R 601建議： 亮度信號Y的抽樣頻率 fs =13.5 MHz ，滿足fs 2fm MHz 。 625行/50， fm= 6MHz , 864樣點/行， 312.5864 = 270000樣點/場 525行/60， fm= 4.2MHz , 858樣點/行, 262.5858 = 225225

5、樣點/場 色度分量Cr 和 Cb，fs= 6.75 MHz 22.75 MHz， 每行樣點數(shù)：432個（625行/50）； 429個（525行/60）。,14 分量信號的抽樣比例及樣點結構,分量信號抽樣比例： 抽樣頻率的基準頻率3.375MHZ ，Y、Cr和Cb對3.375MHZ的倍數(shù)之比稱為分量信號抽樣比例。 （1） 4:2:2抽樣 Y抽樣頻率為43.375=13.5MHZ ，Cr和Cb的抽樣頻率 23.375=6.75MHZ ，演播室設備用。 （2） 4：4：4抽樣 亮度和色度或R、G、B的抽樣頻率都是13.5MHZ 。 用于數(shù)字信號發(fā)生器、高級后期節(jié)目制作設備。 （3） 4：2：0 抽樣

6、 Y：13.5MHZ ，Cr和Cb的抽樣頻率 仍為：6.75MHZ ， 垂直方向每兩行產(chǎn)生一行色度樣值。,數(shù)字分量信號的樣點結構 （1） 4:2:2 結構 4:2:2抽樣的樣點結構稱為4:2:2結構 ，每行中每兩個亮度樣點含一個色度樣點。圖a （2） 4:2:0 結構 每場在水平方向和垂直方向都是每兩個Y樣點含一個Cr和Cb樣點。圖b每個內(nèi)插樣值分別由每場中每相鄰兩行樣點的樣值算出，得到的樣值為奇（偶）場相鄰的兩行共用，稱為內(nèi)插樣點。 內(nèi)插樣點在垂直方向上與相應的Y樣點排成一條直線。 4：2：0結構用于數(shù)字電視廣播和流媒體等，以降 數(shù)據(jù)傳輸率。 （3） 4;4:4 結構,樣點結構,返回幻燈片

7、9,15 對抽樣信號輸入低通濾波特性的規(guī)定,2 量化,量化：將幅度上連續(xù)的樣值變?yōu)榉壬想x散的有限個 二進制信號。圖21 Q：量化間距；n：量化電平的級序，表示量化電平為nQ 量化間距相等，稱為均勻量化或線性量化。 量化誤差： 量化后的樣值電平與原模擬信號電平之間的誤差 電平在nQQ/2范圍內(nèi)的模擬信號樣值，其量化電平都 定為nQ 。這種量化誤差的最大值為 Q/2 。 輸入信號的峰峰值為S，總的量化電平級數(shù) M=S/Q 二進制編碼所需比特數(shù) n 與 M 的關系為 M = 2n,2.1 量化過程,22 量化噪聲,量化誤差是數(shù)字系統(tǒng)中特有的損傷源。 把量化誤差看作一種噪聲，它引起重建信號波形失真和

8、圖像上的偽輪廓效應。 線性量化的量化噪聲的一階概率，在-Q/2至 +Q/2區(qū)間均勻分布，則量化噪聲的有效值為： Nrms = 模擬輸入信號電平占有整個量化范圍時，D/A變換后 輸出電平的峰峰值 S=2n Q 。 量化噪聲用，峰峰值與量化噪聲有效值之比表示：,1）視頻信號的實際帶寬限制到fmax，使S/Nrms提高一個 量值: 10lg（fs/2fmax） 2）視頻信號峰峰值小于量化范圍時，S/Nrms減小 上式修正為： n：量化比特數(shù)； fs：抽樣頻率； fmax：視頻信號最高頻率； Vq：量化范圍； Vw：白色電平； VB：黑色電平。,S/Nrms的修正,23 D/A變換器的輸出,A/D和D

9、/A時都有保持電路， 使恢復的抽樣信號成為矩形脈沖； 使D/A變換輸出的高頻分量受到衰減。 零階保持的輸入信號為fS(t）=f(nT）， D/A變換未經(jīng)內(nèi)插濾波的輸出為xS(t)，其頻率響應xS()為:,經(jīng)內(nèi)插濾波器恢復成幅度連續(xù)變化的模擬信號。 保持電路引起的高頻衰減在低通后通過頻率均衡器補償,D/A未經(jīng)內(nèi)插濾波的輸出的XS(t),24 量化范圍的規(guī)定,量化范圍700mV。 同步信號不抽樣量化。 保護電平（儲備電平reserve）：不允許出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中, 000和3FF用于傳送同步信息。 保證達到儲備電平范圍的模擬信號不發(fā)生限幅，防止混疊失真。 上下余量 “Headroom”： 電平偏差和漂

10、移、濾波和校正產(chǎn)生的過沖，在余量范圍內(nèi)者，應不失真地通過A/D。 8比特的數(shù)字信號通過10比特的數(shù)字設備和通路時，要在最低位后加兩位0，在輸出端去掉這兩位0。,亮度分量：,100%彩條亮度信號模擬電平與量化電平的關系,A/D變換器需要單極性信號，100%彩條的CB和CR電平上移350mV。消隱信號的量化電平定為200。,色度分量,CR量化電平,3 4:2:2編碼參數(shù)（625行/50場）,編碼信號 EY = 0.299ER+0.587EG+0.114EB ECB = 0.564 ( EB EY) ECR = 0.713 ( ER EY) 每行總的樣點數(shù) Y : 864，CB : 432，CR :

11、 432，總樣點數(shù) : 1728 每個有效行的樣點數(shù) Y : 720， CB : 360 ，CR : 360，總樣點數(shù) : 1440 編碼信號EY和ECR、ECB符合EBU和SMPTE標準。 兩個色度信號的名稱ECR和ECB是CCIR 601的規(guī)定 。,4 4:2:2標準抽樣點的行場定時關系,兩種掃描標準的數(shù)字有效行樣點數(shù)相同， 數(shù)字行消隱不同：525/60的為138個抽樣周期； 625/50的為144個抽樣周期。 數(shù)字有效行持續(xù)：7201/13.5MHz = 53.333s 對應模擬有效行樣點10711， 持續(xù)：7021/13.5MHZ=52s 對應模擬行消隱前沿樣點712719， 持續(xù)：8

12、1/13.5MHZ =0.59s 對應行模擬行消隱后沿樣點09， 持續(xù)：101/13.5MHz=0.74s,625/50，4:2:2, 樣點位置與行同步之間的關系,數(shù)字場消隱期,625/50的4:2:2抽樣格式，將兩場的有效行數(shù)都定為288行 為了避免處理半行數(shù)字信號，視頻數(shù)字奇偶場的場消隱寬度不同， 第1場的場消隱期為有效行前的24行 第2場的場消隱期為有效行前的25行。 見圖,5 亮度和色度數(shù)據(jù)的時分復用,亮度數(shù)據(jù)和色度數(shù)據(jù)采用時分復用的方式傳輸。 復用信號每行的總字數(shù)為1728個（625/50 ）， 或1716個（525/60 ）。 兩種掃描標準的數(shù)字有效行內(nèi)復用數(shù)據(jù)字數(shù) 都是1440

13、兩種掃描標準的數(shù)字消隱期間復用數(shù)據(jù)字數(shù)不同： 625/50標準為288個字（14401727）， 525/60標準為276個字（14401715）。,625/50標準的數(shù)字行消隱及復用數(shù)據(jù),復用數(shù)據(jù)的速率27兆字/秒，每個字持續(xù)37ns 三個分量信號按CB，Y，CR，Y，CB，Y順序輸出 CB和CR樣點位置與（1，3，5）Y樣點的奇數(shù)號一致 前3個字（CB1、Y1、CR1）屬同一個像點的三個分量 接著的Y2是下一個像點的亮度分量，它只有Y分量 每個有效行輸出的第一個視頻字應是CB。 625/50標準的數(shù)字行消隱與復用數(shù)據(jù)字的關系， 及定時基準信號（TRS）EAV和SAV的位置如下：,返回6 定

14、時基準信號（TRS）,(2)輔助數(shù)據(jù)的插入位置,625/50標準的復用數(shù)據(jù)的字數(shù)分布,6 定時基準信號（TRS）,串行數(shù)字分量信號，不直接傳送同步脈沖。在行 消隱期間留出8個字位置，傳送定時基準信號，見圖， 625/50，EAV的位置：字14401443， SAV的位置：字7241727 場消隱期，EAV和SAV信號保持同樣格式。 定時信號4個字：3FF 000 000 XYZ 3FF、000、000是固定前綴，標志定時基準信號 SAV和EAV開始。 XYZ為一可變字，包含：奇偶場標志符、場消隱狀 態(tài)符、行消隱狀態(tài)符。 下圖：,625/50標準每幀定時基準信號的位置。,SAV和EAV字3FF、

15、000、000、XYZ的二進制數(shù)值,XYZ的比特0和比特1定為0，以與8比特量化接口兼容 比特9固定1，比特6、7、8可變，分別用H、V和F表示三種信息： F 是場標志符，F(xiàn)=0 表示第1場期間； F=1 表示第2場期間。 V 是場標志符，V=0 表示有效場期間； V=1 表示場消隱期間。 H 是行標志符，H=0 表示有效行開始（SAV）； H=1 表示有效行結束（EAV）。 字XYZ的P0、P1、P2、P3值取決于比特F、V和H的值，可對F、V、H 進行2比特誤碼檢測及1比特誤碼校正見下表。,4:2:2定時基準信號(TRS),10比特16進制XYZ的二進制數(shù)值及其校驗比特 P0、P1、P2、

16、P3與F、V、H的關系,7 輔助數(shù)據(jù)的插入(1) 輔助數(shù)據(jù)（ANC）的應用,1）傳送時間碼 場消隱期間傳送縱向時間碼LTC或場消隱期時間碼 VITC、實時時鐘等時間信息和其它用戶定義信息 2）傳送數(shù)字聲音 數(shù)字消隱期間可傳送達16路AES/EBU 20比特的數(shù)字 聲信號 3）傳送監(jiān)測與診斷信息 插入誤碼檢測校驗字和狀態(tài)標識位，檢驗傳輸后的 校驗字有效狀態(tài)，以監(jiān)測10比特字數(shù)字視頻接口的工 作狀況。 4）圖像顯示信息，傳送4:3和16:9寬高比標識信令。 5）其它：如圖文電視信號、節(jié)目制作和技術操作信令,(2)輔助數(shù)據(jù)的插入位置,行輔助數(shù)據(jù)（HANC）, 10比特字，允許插在所有數(shù)字行消隱期間：

17、從EAV結束到SAV開始前，不超過280個字（625/50）?；脽羝?30。 每個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)首標為： 000 3FF 3FF 場輔助數(shù)據(jù)（VANC）， 只插在場消隱的各有效行內(nèi)，每行可插1440字， 在行、場消隱期間，沒有傳送輔助數(shù)據(jù)的各個字必須 賦值：對應于Y樣點的字必須賦予16進制040。 對應于CB和CR樣點的字必須賦予16進制數(shù)200。,三 串行分量數(shù)字信號傳輸系統(tǒng) 1串行傳輸信號的通道編碼,4:2:2串行分量數(shù)字信號的速率為： 27兆字/秒10比特/字=270Mbps 傳輸串行分量數(shù)字信號的NRZ碼需要的帶寬135MHz 在演播室內(nèi)能滿足這個頻帶要求。 遠距離的電纜傳輸、地面廣播或

18、衛(wèi)星傳輸時都需要壓縮碼率以適合通道容量。 香農(nóng)定理，在一個通道中傳送數(shù)據(jù)的速率低于給定的通道容量，誤碼率會很低。,1.1 串行傳輸信號的碼率,12 通道編碼的目的,通道編碼的目的： 改變串行數(shù)字信號進入通道的碼形，消除直流分量， 使信號頻譜的能量分布相對集中，有利于時鐘恢復。 NRZ碼： 羅輯1規(guī)定一個高DC電平，邏輯0規(guī)定一個低DC電平。 NRZ碼有直流分流和低頻分量。 串行數(shù)字信號不單獨傳送時鐘信號，接收設備用 壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生時鐘信號，通過鎖相環(huán) PLL 與串行數(shù)字信號中0到1或1到0的跳變沿進行鎖定。 NRZ碼出現(xiàn)連0和連1的狀態(tài)時，在一段時間內(nèi)失 去0和1的轉(zhuǎn)換，鎖相環(huán)就失去

19、基準，接收端數(shù)據(jù)再生 的抽樣精度就降低了，易產(chǎn)生誤碼。 在串行數(shù)字視頻傳輸中不采用NRZ碼的基本形式。,13 通道編碼（NRZNRZI）,NRZI碼： NRZ邏輯1時，NRZI碼的電平變化，NRZ碼是邏輯0時， NRZI碼的電平保持不變。 NRZI碼比NRZ碼的電平跳變 次數(shù)多。檢測出電平變換，就可以恢復NRZ碼的數(shù)據(jù)。 若NRZ碼信號連1時，其NRZI碼成為fs /2方波信號 NRZ碼數(shù)字信號及由它生成的NRZI碼：,擾碼器和NRZI編碼器,NRZI碼雖比NRZ碼優(yōu)越，但仍有直流分量和低頻分量。 擾碼器： 產(chǎn)生偽隨機二進制序列（PRBS），并與傳送的NRZ數(shù)據(jù) 進行異或，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列被隨

20、機擾亂，限制了直 流和低頻分量，特別是長串的連0，提供更多的信號電 平轉(zhuǎn)換。 加擾函數(shù)的生成多項式為：G1（X）=X9+X4+1 加擾器可能產(chǎn)生長串連1序列，在加擾器后接NRZ到 NRZI變換器，將連1變成電平轉(zhuǎn)換。 NRZ NRZI變換器： NRZI變換由一級帶一個異或門的主從D觸發(fā)器組成， NRZI變換器的生成多項式為： G2（X）=X+1,NRZ NRZI變換器,1.4 接收端通道解碼,傳送數(shù)據(jù)先通過NRZI到NRZ變換器，還原出NRZ 碼，再通過解擾器，但在電路中用前饋代替了發(fā)端的 反饋，用同樣的隨機序列進行相反的運算，恢復出原 始數(shù)據(jù)。,2 眼圖的形成,眼圖作用： 可用來確定和檢驗串

21、行數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。 怎樣看眼圖： 示波器用輸入數(shù)字信號觸發(fā)掃描，掃描周期選二個時 鐘周期。輸入數(shù)字信號重疊顯示在熒光屏上，形成一 個寬為一個碼元，高同信號幅度的圖形 眼圖形成： 在頻帶無限寬的系統(tǒng)，數(shù)字信號1和0的轉(zhuǎn)換速度非常 快，顯示出的碼元圖形為矩形。 實際系統(tǒng)帶寬有限，數(shù)字信號0和1的轉(zhuǎn)換沿變斜， 并有上沖和下沖、不同寬度脈沖的相位和幅度有了差 別，脈沖的頂部和底部也變得傾斜。顯示的碼元圖形 與人眼形狀相似了。,眼圖的形成,3 串行分量數(shù)字信號接口SDI 31 串行接口的通用電氣特性,4:2:2分量數(shù)字信號的串行數(shù)字接口（SDI）標準， 適合625/50和525/60掃描。傳輸同軸電纜長度限制范圍在時鐘頻率上對信號的衰減量不超過30dB。,數(shù)字信號（眼圖）