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1、數(shù)字電視原理,,第3章 電視信號的數(shù)字化,模擬信號的數(shù)字化過程主要是采樣、量化和編碼。 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,采樣----時間上的離散化 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,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,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制數(shù)字表示，以進行傳輸或記錄。,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。 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： 亞音(Subsonic)信號（次音信號）20kHz 音頻(audio)信號: 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(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(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
4、信號的數(shù)字化,聲道數(shù) 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(zhì)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,在PAL制的625行/50場/21隔行電視信號中，利用每場312.5行中的294行記錄數(shù)字音頻信號，每行記錄3個音頻樣值，于是取樣頻率
5、為 fs50（場）294（行）3（樣值）= 44.1kHz,1. 取樣頻率,2. 量化比特數(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 視頻信號的數(shù)字化,在時間軸上(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
6、。 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)字編碼時因反復解碼所引起的質(zhì)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(zhì)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,分量數(shù)字編碼采樣頻率的確定 亮度信號的采樣頻率 各國主觀測試亮度信號帶寬fm5.86MHz
7、 為保證足夠小的混疊噪聲，采樣頻率fs應?。?.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； 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),,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
8、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(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場及525行/60場這兩種掃描制式實現(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) 420,,本格式中，色差信號Cr和Cb的取樣頻率均為亮度信號取樣頻率的四分之一，即,,420格式中，色差信號Cr和Cb在水平方向和垂直方向上的取樣點數(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個像素產(chǎn)生6個樣值
9、（Y為4個，Cb和Cr各1個），如果每個樣值8比特編碼，68=48bits, 48/4=12bits/per pixel，即平均每個像素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) 422,,,在444格式中，亮度信號和兩個色差信號Cr和Cb（或R，G，B信號）的取樣頻率均為13.5MHz，且取樣結構完全相同，即 亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比是,,在422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，即 因此，亮度取樣頻率和兩個色差信號的取樣頻率之比是 422編碼方式主要應用于電視演播室節(jié)目制作中。,
10、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) 444,3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,采樣結構,a) 420 b)422 c)444,,3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,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(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,量化比特
11、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,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：,,,,3.3.1電視信號分量數(shù)字編碼參數(shù)的確定,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422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
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、標準化邁出的第一步。,3.3.2 ITU-R BT.601建議,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) 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)字分量電視信號的接口 1并行和串行接口通用的信號格式 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。,(1) 422數(shù)字分量信號的時分復用傳輸 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： Cb1Y1Cr1 , Y2 , Cb2Y3
13、Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 , . Cb360Y719Cr360, Y720 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。,(2) 視頻數(shù)據(jù)與模擬行同步間的定時關系 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關系。,數(shù)據(jù)格式與模擬波形的定時關系,(3) 422數(shù)字流的構成 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。,(4) 視頻定時基準信號SAV和
14、EAV 在數(shù)字標準清晰度電視(SDTV)中，掃描參數(shù)仍然為625/50/21，即垂直掃描為具有奇偶場隔行掃描，掃描需要區(qū)分行、場正程期和行、場消隱期。,(5) 奇偶場內(nèi)的場識別和場消隱期掃描行的序號 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。,2比特并行接口 (1) 機械特性 每幀的數(shù)字視頻以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的順序進行傳輸。 如果數(shù)據(jù)字長10bit，則要占用10個通道。,(2) 并行接口電氣特性 時鐘與數(shù)據(jù)的定時關系 時鐘信號是27M
15、Hz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。, 收、發(fā)間線路驅(qū)動器特性 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度。,3 比特串行接口 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的時鐘信號并行寫入移位寄存器，然后用10倍頻的270MHz時
16、鐘串行讀出。,(2) 擾碼 由于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的數(shù)據(jù)線傳輸時鐘信號，時鐘的恢復只能利用信號本身的跳變來產(chǎn)生，這稱為自時鐘方式。 ----隨機化處理；m序列 ；統(tǒng)計特性,(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用信號的翻轉代表一個邏輯，信號保持不變代表另外一個邏輯。 -----每次遇到比特1都發(fā)生電平躍遷，這能提供一種同步機制。,擾碼電路和NRZ-NRZI變換編碼電路,(4) 機械特性 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，接插件為標準的BNC型接頭。,作業(yè),P69 1.請說明電視數(shù)字化的三個步驟。 4.什么叫復合數(shù)字編碼？什么叫分量數(shù)字編碼？它們各有什么優(yōu)缺點？ 6請畫圖示意說明444、422、420采樣格式。,
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