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1、數字電視原理,,第3章 電視信號的數字化,模擬信號的數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信號的數字化,3.1信號的數字化,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)橛邢迶盗?、有一定間隔的離散值。即幅度離散化。,3.1信號的數字化,編碼---離散值的數字表示 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字表示，以進行傳輸或記錄。,模擬信號數字化框圖如圖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模擬信號數字化框圖,3.2音頻信號的數字化,聲音是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波，叫聲波。聲音的強弱體現在聲波壓力的大小上，音調的高低體現在聲音的頻率上。因而，聲音信號的兩個基本參數是頻率和幅度。,3.2音頻信號的數字化,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音頻信號的數字化,采樣頻率 經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、音頻數據量越大。 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音頻信號的數字化,量化比特數 經常采用的量化比特數有8bit、12bit和16bit。量化比特數越多，音質越好，數據量也越大。 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字化所用的量化比特數比起視頻信號來要多。,3.2音頻
4、信號的數字化,聲道數 記錄聲音時，如果每次生成一個聲波數據，稱為單聲道；每次生成二個聲波數據，稱為立體聲（雙聲道），立體聲更能反映人的聽覺感受。,3.2音頻信號的數字化,音頻數字化的采樣頻率和量化精度越高，音質越好，恢復出的聲音越接近原始聲音，但記錄數字聲音所需存儲空間（數據量）也隨之增加?？梢杂孟旅娴墓焦浪懵曇魯底只竺棵胨璧拇鎯α浚俣ú唤泬嚎s）： 存儲量=(采樣頻率量化比特數聲道數)/8 其中，存儲量的單位為B（字節(jié)）,3.2音頻信號的數字化,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,3.演播室數字音頻聲道,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視頻信號的數字化,結果： 數字電視圖像幀----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字圖像幀組成。,3.3視頻信號的數字化,對彩色電視信號的數字化處理主要有分量數字編碼和復合數字編碼兩種方式
6、。 復合數字編碼是將彩色全電視信號直接進行數字化，編碼成 PCM形式（已被淘汰）。 分量數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視頻信號的數字化,分量數字編碼優(yōu)點： 避免了復合數字編碼時因反復解碼所引起的質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，不會像復合數字編碼那樣因頻分復用帶來亮、色串擾，可獲得高質量的圖像 亮度信號和色度信號的帶寬根據需要取不同,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,分量數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應取（2.2 2.7）* fm ，則應 fs = 12.76 13.2MHz。,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,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行兼容應采用同一采樣頻率；,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,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電視信號分量數字編碼參數的確定,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倍 為了使625行/50場及525行/60場這兩種掃描制式實現行兼容,色差信號的采樣頻率為6.75MHz,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,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電視信號分量數字編碼參數的確定,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電視信號分量數字編碼參數的確定,采樣結構,c) 444,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,采樣結構,a) 420 b)422 c)444,,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,量化比特數的確定和量化級的分配 量化比特數 量化比特數是指要區(qū)分所有量化級所需的二進制碼位數。其大小直接影響到數字圖像的質量，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，在后來的數字演播室中又擴展到10 bit的量化。,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,量化比特
11、數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電視信號分量數字編碼參數的確定,量化比特數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，色差信號需歸一化：,,,,3.3.1電視信號分量數字編碼參數的確定,量化比特數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，確定了以分量數字編碼422標準作為演播室彩色電視信號數字編碼的國際標準。該建議考慮到現行的
12、多種彩色電視制式，提出了一種世界范圍兼容的數字編碼方式，是向數字電視廣播系統(tǒng)參數統(tǒng)一化、標準化邁出的第一步。,3.3.2 ITU-R BT.601建議,3.3 標準清晰度數字電視演播室標準,3.3.1 演播室數字編碼參數 演播室數字編碼的主要參數(422格式)如表3-3所示。,3.4 數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建議進行數字視頻信號分量編碼的視頻信號，其接口和數據流都應符合如下規(guī)定。,(1) 422數字分量信號的時分復用傳輸 數字設備向外傳輸每幀內的像素數據時，應該按下列次序時分復用： Cb1Y1Cr1 , Y2 , Cb2Y3
13、Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 , . Cb360Y719Cr360, Y720 奇數點按CbYCr的次序傳輸數據，偶數點只有Y樣點數據傳輸。每一行均如此，直至第576行。,(2) 視頻數據與模擬行同步間的定時關系 數字分量視頻信號是由模擬分量視頻信號經過A/D轉換得到的，數字有效行與模擬行之間應該有明確的定時關系。,數據格式與模擬波形的定時關系,(3) 422數字流的構成 如果是全數字系統(tǒng)，在接收端不是PAL接收機而是數字接收機，其掃描同步電路也是數字掃描電路，則不必探究數字視頻信號與模擬視頻信號OH的定時關系，可以只關注數字流的構成。,(4) 視頻定時基準信號SAV和
14、EAV 在數字標準清晰度電視(SDTV)中，掃描參數仍然為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) 奇偶場內的場識別和場消隱期掃描行的序號 在奇數場和偶數場內，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 每幀的數字視頻以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的順序進行傳輸。 如果數據字長10bit，則要占用10個通道。,(2) 并行接口電氣特性 時鐘與數據的定時關系 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在兩次數據跳變的中間。, 收、發(fā)間線路驅動器特性 收發(fā)之間每位數據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的數據，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比特的數據字經并/串轉換電路后變成串行的數據流，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 輸入數據由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據線傳輸時鐘信號，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.請說明電視數字化的三個步驟。 4.什么叫復合數字編碼？什么叫分量數字編碼？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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