第2章 数字电视信号参数的选择及演播室标准 模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和编码。 第2章 数字电视信号参数的选择及演播室标准 模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和编码。 取样——将时间和幅度上连续的模拟信号转变为时间离散的信号，即时间离散化。 量化——将幅度连续信号转换为幅度离散的信号，即幅度离散化。 编码——按照一定的规律，将时间和幅度上离散的信号用对应的二进制或多进制代码表示。
模拟信号数字化框图如图2-1所示，其中fc为滤波器的截止频率，fs为取样频率。 图2-1模拟信号数字化框图
2.1 取 样 定 理 2.2 二维信号的取样 2.3 数字电视信号参数的选择 2.4 量 化 2.5 标准清晰度数字电视演播室标准 2.6 数字高清晰度电视
2.1 取 样 定 理 如果对一个时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时间间隔(取样周期)为Ts，取样频率为fs＝1/Ts。
(1) 经过理想取样后，输出信号的频谱Fs(ω)是原模拟信号的频谱F(ω)以ωs为周期延拓形成的，如图2-2所示。 (2) 如果原模拟信号频谱F(ω)的频谱范围在ωh之内，则满足ωs≥2ωh时，则取样后的信号fs(t)通过一个截止频率为ωs/2的理想低通滤波器后，可以无失真地恢复原信号f(t)。
图2-2 模拟信号理想取样前后的频谱
只要满足取样定理并且τ/Ts足够小，仍可以从取样信号的频谱中精确地恢复出原模拟信号。 图2-3 模拟信号实际取样前后的频谱
2.2 二维信号的取样 对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点的亮度Y是光波长λ、水平位置x、垂直位置y和时间t的函数。发端通过摄像机将光图像转换成电图像，光电转换器件是具有积分作用的器件，因此有如下的积分关系：
图2-4 图像平面和二维取样脉冲
在水平方向上的取样间隔为Δx，在垂直方向上的取样间隔为Δy, 取样后的信号为 其频谱为 式中：Δv=1/Δy为垂直取样频率；Δu=1/Δx为水平取样频率；δ(x,y)为单位冲激序列。 取样前后的频谱示意图如图2-5所示。
图2-5 水平、垂直取样前后的二维频谱
2.3 数字电视信号参数的选择 电视信号的数字化处理有数字分量编码和数字复合编码两种方式。 数字分量编码方式是对三基色信号ER，EG和EB或对亮度信号和色差信号EY，ER-Y与EB-Y分别进行数字化处理。
2.3.1 取样结构的选择 取样结构是指取样点在空间与时间上的相对位置，有正交结构和行交叉结构等。在数字电视中一般采用正交结构，如图2-6(a)所示。这种结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列，这样有利于帧内和帧间的信号处理。图2-6(b)所示为行交叉结构，每行内的取样点数为整数加半个。
图2-6 取样结构图
为了保证取样结构是正交的，要求行周期TH必须是取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs应等于行频fH的整数倍，即
2.3.2 取样频率的选择 在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应该从以下4个方面考虑。 2.3.2 取样频率的选择 在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应该从以下4个方面考虑。 (1) 首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽的两倍。
(2) 为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍，即
(3) 为了便于节目的国际间交流，亮度信号取样频率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。 fs=m·2.25MHz (4) 编码后的比特率Rb=fs·n，其中n为量化比特数。
2.3.3 色度格式 1． 4∶2∶2格式 在4∶2∶2格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即
2． 4∶4∶4格式 在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率与亮度信号取样频率相同，即 2． 4∶4∶4格式 在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率与亮度信号取样频率相同，即 亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比为
3． 4∶2∶0格式 本格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即
4． 4∶1∶1格式 在4∶1∶1格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即
2.4 量 化 量化就是把幅度连续变化的信号变换为幅度离散的信号，这是模拟信号到数字信号的映射变换。 2.4 量 化 量化就是把幅度连续变化的信号变换为幅度离散的信号，这是模拟信号到数字信号的映射变换。 显然，一个量化器只能取有限多个量化级，因此量化过程将不可避免地带来量化误差。
标量量化是一维量化，所有取样使用同一个量化器进行量化，每个取样的量化都和其他所有取样无关，因此也称为无记忆量化。 矢量量化是多维量化，是先将K个取样值序列形成K维空间中的一个矢量，然后将此矢量进行量化。
2.4.1 量化器的设计 量化器的设计原则可以分为两种： (1) 给定量化器的量化电平数M，根据量化误差的均方值为最小来设计量化器；
2.4.2 均匀量化器 1． 均匀量化器原理 设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一量化间隔ΔA是相等的，共分为M级，设M=2n，其中n为量化比特数，即 A=M×ΔA=2n×ΔA M和n的取值主要是由量化信噪比决定的。
2． 视频信号(单极性信号)的量化信噪比 电视信号量化信噪比一般用信号峰-峰值与量化噪声有效值之比表示，即 一般常用分贝表示为
3． 声音信号(双极性信号)量化信噪比 2A=M×ΔA=2n×ΔA 设声音信号的最大幅度为A，动态范围是+A～-A。对它均匀量化成M级，则有 2A=M×ΔA=2n×ΔA 其中，n为量化比特数。
2.4.3 量化噪声对图像的影响 (1) 颗粒杂波 (2) 伪轮廓 (3) 边缘忙乱 2.4.3 量化噪声对图像的影响 如果量化比特数n选得过小，量化噪声对图像的影响主要有以下几方面。 (1) 颗粒杂波 (2) 伪轮廓 (3) 边缘忙乱
2.4.4 电视信号的量化 1． 量化前的归一化处理 在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和E(B-Y)进行量化和编码前，必须进行归一化处理。由电视原理可知，亮度和色差信号的构成如下：
令信号值归一化(即最大电平为1.0V)，则100％彩条信号的各值如表2-2所示。
2. 码电平分配及数字表达式 (1) 亮度信号量化后码电平分配 在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的量化级，其二进制的范围是00000000～11111111，相应的十进制范围为0～255。
(2) 色差信号量化后码电平分配 色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB的动态范围为-0.5～0.5，让色差零电平对应码电平256÷2=128，色差信号总共占225个量化级。
DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］ (3) 码电平数字表达式 亮度和色差信号量化以后取其最邻近的整数作为码电平值，其数字化表达式为 DY=INT［(219EY+16)×2n-8］ DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］ DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］ 其中n为量化比特数，符号INT［］表示对［］中的小数部分四舍五入取整数。
2.5 标准清晰度数字电视演播室标准 2.5.1 演播室数字编码参数 演播室数字编码的主要参数(4∶2∶2格式)如表2-3所示。
2.5.2 数字分量电视信号的接口 1．并行和串行接口通用的信号格式 2.5.2 数字分量电视信号的接口 1．并行和串行接口通用的信号格式 凡按照ITU-R BT.601建议进行数字视频信号分量编码的视频信号，其接口和数据流都应符合如下规定。
(1) 4∶2∶2数字分量信号的时分复用传输 数字设备向外传输每帧内的像素数据时，应该按下列次序时分复用： (1) 4∶2∶2数字分量信号的时分复用传输 数字设备向外传输每帧内的像素数据时，应该按下列次序时分复用： Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 ,……. Cb360Y719Cr360, Y720 奇数点按CbYCr的次序传输数据，偶数点只有Y样点数据传输。每一行均如此，直至第576行。
(2) 视频数据与模拟行同步间的定时关系 数字分量视频信号是由模拟分量视频信号经过A/D转换得到的，数字有效行与模拟行之间应该有明确的定时关系。
(3) 4∶2∶2数字流的构成 如果是全数字系统，在接收端不是PAL接收机而是数字接收机，其扫描同步电路也是数字扫描电路，则不必探究数字视频信号与模拟视频信号OH的定时关系，可以只关注数字流的构成。
(4) 视频定时基准信号SAV和EAV 在数字标准清晰度电视(SDTV)中，扫描参数仍然为625/50/2∶1，即垂直扫描为具有奇偶场隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行、场消隐期。
(5) 奇偶场内的场识别和场消隐期扫描行的序号 在奇数场和偶数场内，场识别和场消隐期行的序号如表2-6所示。
2．比特并行接口 (1) 机械特性 每帧的数字视频以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,……. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的顺序进行传输。
(2) 并行接口电气特性 ① 时钟与数据的定时关系 时钟信号是27MHz方波，周期为TCK=37ns，定时基准为时钟信号高低电平的过渡时刻，时钟信号的正向跳变应出现在两次数据跳变的中间。 ② 收、发间线路驱动器特性 收发之间每位数据采用平衡双绞线传输
3． 比特串行接口 ③ 容许的电缆长度 由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频特性限制了使用的电缆长度。 比特串行接口(Serial Digital Interface，SDI)中，每个10比特的数据字经并/串转换电路后变成串行的数据流，传输码率从27Mbit/s变为270Mbit/s，用单芯同轴电缆传输。
(1) 并/串变换 (2) 扰码 输入数据由27MHz的时钟信号并行写入移位寄存器，然后用10倍频的270MHz时钟串行读出。 由于接收端解码时需要恢复时钟信号，而串行接口不能像并行接口那样使用单独的数据线传输时钟信号，时钟的恢复只能利用信号本身的跳变来产生，这称为自时钟方式。
(3) 码型变换 (4) 机械特性 图2-21中的NRZ-NRZI编码器是把非归零码(NRZ)变换成倒相的非归零码(NRZI)。 在数字比特串行接口中用特性阻抗75Ω的单芯同轴电缆传输信号，接插件为标准的BNC型接头。
图2-21扰码电路和NRZ-NRZI变换编码电路
2.6 数字高清晰度电视 2.6.1 概述 高清晰度电视(High Definition Television，HDTV)在图像和声音质量方面都比现行的电视高出一个档次，能让观众看到清晰鲜艳、生动逼真的画面，听到优美动听的环绕立体声音响，使观众有身临其境的感受，获得高度的精神享受。
HDTV还在屏幕尺寸和宽高比方面有改进，根据人眼视觉特性和心理效应实验，对HDTV的基本参数提出了如下的要求。 (1) 提高图像的空间分解力。 (2) 提高场频或帧频，应确保高亮度下图像不闪烁。 (3) 提高图像的宽高比，画面宽高比为16∶9更符合人眼的视觉特性，视野宽，临场 感强。
(4) 展宽色域，提高电视色彩的感染力。 (5)HDTV应有高质量的环绕立体声，至少有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。
2.6.2 数字高清晰度电视扫描参数及图像格式 1. 场频 2.6.2 数字高清晰度电视扫描参数及图像格式 1. 场频 在模拟电视系统中，选择场频主要考虑了运动图像的连续感、无闪烁、不易受交流电源干扰和视频信号频带不致过宽等因素，国际上一直采用50Hz和60Hz两种场频。
2． 扫描方式 电视系统的扫描方式有逐行方式与隔行方式两种，模拟电视系统均采用了隔行扫描方式，而目前国际上在HDTV和SDTV中既有隔行扫描方式，也有逐行扫描方式。 隔行扫描是一种有效的带宽压缩方案，它将一帧图像分成两场扫描，在每帧扫描行数及图像换幅频率一定的情况下，可使视频信号带宽降低为逐行扫描时的一半。
3． 图像格式 我国HDTV标准采用分辨率为1920×1080，帧频为25Hz的隔行扫描方式。 图像格式包括图像的宽高比、图像的纵横像素数和像素宽高比等参数。 ① 图像的宽高比 HDTV图像的宽高比是1.777(16∶9)。
② 图像的纵横像素数 通常用每行的像素数×每帧的有效行数来表示图像的像素数，在标准清晰度数字电视中为720×576，在高清晰度数字电视中为1920×1080。 ③ 像素宽高比 根据图像的宽高比和图像的纵横有效像素数可以推算出像素的宽高比。
4． 24P格式 HDTV标准中有24p格式(1920×1080/24/1∶1)，这是符合电影规范的逐行扫描方式，是一种新的电视节目制作格式。
2.6.3 数字高清晰度电视演播室参数标准 ITU-R BT.709建议提出了两种HDTV节目制作及国际节目交换用HDTV参数方案，一种是隔行扫描数字HDTV视频格式，可以向下兼容SDTV；另一种是方型像素通用数字高清晰度视频格式，和多媒体计算机等多种应用具有互操作性。
2.6.4 数字高清晰度电视演播室视频信号接口 1. 视频数据 2.6.4 数字高清晰度电视演播室视频信号接口 我国于2000年颁布了我国数字HDTV演播室视频信号接口标准GY/T 156-2000。 1. 视频数据 数字演播室的数据信号为二进制编码，其中包括：视频数据(8比特字或10比特字)、定时 基准码(8比特字或10比特字)与辅助数据等。
2. 数字视频信号与模拟视频信号波形的定时关系 (1) 行定时关系 数字视频信号是由模拟视频信号经过A/D转换得到的，在数字有效行与模拟行之间应该有明确的定时关系。
图2-22数据格式与模拟波形的定时关系