第二章数字电视演播室基本参数课件

第二章 数字电视演播室基本参数一、模拟信号的数字化一、模拟信号的数字化模拟信号模拟信号取样取样量化量化编码编码数字信号数字信号模拟信号：在时间和幅度上都连续的信号模拟信号：在时间和幅度上都连续的信号数字信号：在时间和幅度上都离散的信号数字信号：在时间和幅度上都离散的信号模拟信号模拟信号t数字信号数字信号1 1 1 0 1 1t1 1、取样、取样取样：将时间轴上连续的信号每隔一定的时间间隔抽取出取样：将时间轴上连续的信号每隔一定的时间间隔抽取出一个信号的幅度样本，使其成为时间上离散的脉冲序列。一个信号的幅度样本，使其成为时间上离散的脉冲序列。其中，样本之间的时间间隔称为取样周期（其中，样本之间的时间间隔称为取样周期（Ts），其倒数），其倒数称为取样频率（称为取样频率（fs）取样过程相当于用一个电子开关对模拟信号进行控制。开取样过程相当于用一个电子开关对模拟信号进行控制。开关闭合时，该时刻的信号得以输出，于是就得到了该时刻关闭合时，该时刻的信号得以输出，于是就得到了该时刻的信号幅度值。开关每隔的信号幅度值。开关每隔Ts闭合一次，这样就得到了间隔闭合一次，这样就得到了间隔为为Ts的取样脉冲序列，该序列在时间上已经离散化，但幅的取样脉冲序列，该序列在时间上已经离散化，但幅度仍然是连续变化的度仍然是连续变化的 取样信号的频谱取样信号的频谱取样造成信号频谱的周期延拓。取样之后的频谱相当于原取样造成信号频谱的周期延拓。取样之后的频谱相当于原信号频谱以取样频率（信号频谱以取样频率（fs）为周期所进行的周期延拓。）为周期所进行的周期延拓。取样定理取样定理要想取样后能够不失真地恢复出原信号，则取样频率必须要想取样后能够不失真地恢复出原信号，则取样频率必须大于信号最高频率的二倍。即大于信号最高频率的二倍。即fs 2fm 取样信号的恢复取样信号的恢复用截止频率为用截止频率为fs/2的低通滤波器可恢复原始信号的频谱的低通滤波器可恢复原始信号的频谱 2 2、量化、量化量化：量化：在幅度轴上将连续变化的幅度值用有限个量化电平（量在幅度轴上将连续变化的幅度值用有限个量化电平（量化等级）表示，即将幅度离散化化等级）表示，即将幅度离散化。相邻两个量化电平之间的。相邻两个量化电平之间的间隔称为量化间隔。间隔称为量化间隔。量化比特数：量化比特数：量化等级通常用二进制的位数量化等级通常用二进制的位数n表示，称为量化表示，称为量化比特数。比特数。n与十进制的量化等级数与十进制的量化等级数M之间的关系为：之间的关系为：量化过程n=log2 M 量化噪声：量化噪声：由于量化过程是将连续变化的信号电平归并到有限由于量化过程是将连续变化的信号电平归并到有限个量化等级上，得到的数值是原幅值的近似值，因此会引入量个量化等级上，得到的数值是原幅值的近似值，因此会引入量化误差。量化误差对信号的影响类似于噪声，因此称为量化噪化误差。量化误差对信号的影响类似于噪声，因此称为量化噪声。声。量化比特数越多，即量化间隔越细，量化噪声越小量化比特数越多，即量化间隔越细，量化噪声越小3 3、编码、编码编码：编码：将已量化的信号幅值用二进制或多进制数码表示。将已量化的信号幅值用二进制或多进制数码表示。二进制数码中的每一位为一个比特（二进制数码中的每一位为一个比特（bit）。）。常用的二进制编码方式有自然二进制码、格雷码、折叠二常用的二进制编码方式有自然二进制码、格雷码、折叠二进制码等。进制码等。编 码十进制数十进制数十进制数十进制数自然二进制码自然二进制码自然二进制码自然二进制码格雷码格雷码格雷码格雷码折叠二进制码折叠二进制码折叠二进制码折叠二进制码0 00000000000000110111 10010010010010100102 20100100110110010013 30110110100100000004 41001001101101001005 51011011111111011016 61101101011011101107 7111111100100111111二、数字电视信号的产生二、数字电视信号的产生复合编码方式复合编码方式模拟电视信号模拟电视信号取样取样量化量化编码编码数字电视信号数字电视信号分量编码方式分量编码方式1 1 1 1、复合编码方式、复合编码方式、复合编码方式、复合编码方式（1）取样）取样取样结构：取样结构：取样点在画面上相对于空间和时间的分布规律。取样点在画面上相对于空间和时间的分布规律。固定正交取样结构：固定正交取样结构：每一行的取样点正好处于前一场和前一行取样点的每一行的取样点正好处于前一场和前一行取样点的正下方，而且与前一帧的样点重合正下方，而且与前一帧的样点重合。fsnfH 固定正交取样结构固定正交取样结构复合编码：将彩色复合电视信号作为一个整体复合编码：将彩色复合电视信号作为一个整体进行取样、量化和编码进行取样、量化和编码固定正交取样结构固定正交取样结构奇数行奇数行偶数行偶数行奇数行样点奇数行样点偶数行样点偶数行样点取样频率取样频率fs的选择的选择：fs=2.2 fm fsn fsc fsn fHfs 4 fsc17.72MHz每行取样点数为每行取样点数为1135（2）量化）量化为了保证量化后的信号具有足够的信噪比，应尽为了保证量化后的信号具有足够的信噪比，应尽量减小量化误差，即增加量化比特数。但量化比量减小量化误差，即增加量化比特数。但量化比特数增加会导致数码率增加，给信号处理和传输特数增加会导致数码率增加，给信号处理和传输带来困难。带来困难。如果要保证实际图像的量化信噪比大于如果要保证实际图像的量化信噪比大于50dB，则量化比特数不应少于则量化比特数不应少于8比特，即量化级数不少比特，即量化级数不少于于256级。级。电视系统采用的量化比特数为电视系统采用的量化比特数为8或或10比特。比特。（3）编码）编码将量化后的取样值用一组二进制码表示将量化后的取样值用一组二进制码表示2 2 2 2、分量编码方式、分量编码方式、分量编码方式、分量编码方式（1）取样）取样分量编码：对亮度信号和两个色差信号分别进分量编码：对亮度信号和两个色差信号分别进行取样、量化和编码。行取样、量化和编码。4：2：2 取样结构取样结构Y 的取样频率：的取样频率：13.5MHz（是（是625/50及及525/60系统行频的整数倍）系统行频的整数倍）R-Y/B-Y的取样频率：的取样频率：6.75MHz固定正交取样结构固定正交取样结构4：2：2 分量取样结构分量取样结构 4：4：4 取样结构取样结构R/G/B 的取样频率均为：的取样频率均为：13.5MHz或或Y/CR/CB的取样频率均为：的取样频率均为：13.5MHz固定正交取样结构固定正交取样结构4：4：4 分量取样结构分量取样结构 4：1：1 取样结构取样结构Y 的取样频率为：的取样频率为：13.5MHzR-Y/B-Y 的取样频率为：的取样频率为：3.375MHz固定正交取样结构固定正交取样结构4：1：1 分量取样结构分量取样结构 4：2：0 取样结构取样结构Y 的取样频率：的取样频率：13.5MHzR-Y/B-Y的取样频率：的取样频率：6.75MHzR-Y/B-Y每两行取一行每两行取一行固定正交取样结构固定正交取样结构4：2：0 分量取样结构分量取样结构取样参数取样参数4 4：4 4：4 44 4：2 2：2 24 4：2 2：0 04 4：1 1：1 1取样频率取样频率取样频率取样频率（MHzMHz）Y YR R13.513.513.513.513.513.513.513.5R-YR-YGG13.513.56.756.756.756.753.3753.375B-YB-YB B13.513.56.756.756.756.753.3753.375每帧有效每帧有效每帧有效每帧有效行数行数行数行数Y YR R576576576576576576576576R-YR-YGG576576576576288288576576B-YB-YB B576576576576288288576576每行有效每行有效每行有效每行有效象素数象素数象素数象素数Y YR R720720720720720720720720R-YR-YGG720720360360360360180180B-YB-YB B720720360360360360180180（2）量化与编码）量化与编码量化比特数：量化比特数：8比特（或比特（或10比特）。比特）。量化级数：量化级数：256（或（或1024）在量化之前，为了将三个分量归一化到相同的动态范在量化之前，为了将三个分量归一化到相同的动态范围，需要对红色差信号围，需要对红色差信号R-Y和蓝色差信号和蓝色差信号B-Y进行压缩进行压缩归一化后归一化后Y：01CR：0.50.5CB：0.50.51.0000.9220.0630.000255235160Y1.0000.9410.0000.5020.063CR255240160128CB1.0000.9410.0000.5020.063255240160128（3）数字有效行）数字有效行数字有效行相当于模拟电视信号的行正程，但时数字有效行相当于模拟电视信号的行正程，但时基上略有不同，基上略有不同，如图所示如图所示。OH为每行开始的第一个取样点的位置，也是模拟为每行开始的第一个取样点的位置，也是模拟电视信号行同步开始的位置。数字有效行由电视信号行同步开始的位置。数字有效行由133852之间的之间的720个样值组成。个样值组成。3 3、SDTVSDTV演播室参数（演播室参数（演播室参数（演播室参数（CCIR 601CCIR 601 ）参数参数参数参数625/50 625/50 扫描格式扫描格式扫描格式扫描格式编码信号编码信号编码信号编码信号Y Y，C CR R，C CB B取样结构取样结构取样结构取样结构固定正交，固定正交，固定正交，固定正交，C CR R，C CB B取样点位取样点位取样点位取样点位置与置与置与置与Y Y的奇数取样点位置重合的奇数取样点位置重合的奇数取样点位置重合的奇数取样点位置重合取样频率：取样频率：取样频率：取样频率：Y Y C CR R，C CB B13.5MHz13.5MHz6.75MHz6.75MHz取样点数取样点数取样点数取样点数/行：行：行：行：Y Y C CR R，C CB B864864432432取样点数取样点数取样点数取样点数/数字有效行：数字有效行：数字有效行：数字有效行：Y Y C CR R，C CB B720720360360编码方式编码方式编码方式编码方式均匀量化，均匀量化，均匀量化，均匀量化，8bit8bit、10bit 10bit PCMPCM编码编码编码编码视频信号电平与量化等级视频信号电平与量化等级视频信号电平与量化等级视频信号电平与量化等级之间的对应关系（之间的对应关系（之间的对应关系（之间的对应关系（8bit8bit）量化等级范围：量化等级范围：量化等级范围：量化等级范围：0 0255255Y Y共共共共220220个量化等级，个量化等级，个量化等级，个量化等级，消隐电平：消隐电平：消隐电平：消隐电平：1616，峰值白电平：，峰值白电平：，峰值白电平：，峰值白电平：235235C CR R，C CB B共共共共225225个量化等级，个量化等级，个量化等级，个量化等级，0 0电平：电平：电平：电平：128128，最大正电平：最大正电平：最大正电平：最大正电平：240240最大负电平：最大负电平：最大负电平：最大负电平：16 16 OOH H模拟行同步前沿模拟行同步前沿模拟行同步前沿模拟行同步前沿1/21/2幅值处基准点幅值处基准点幅值处基准点幅值处基准点三、数字高清晰度电视三、数字高清晰度电视1、HDTV的发展历史及现状的发展历史及现状模拟模拟HDTV系统系统数字数字HDTV系统系统MUSE制制HD-MAC制制ATSC标准标准DVB标准标准ISDB方案方案国内情况国内情况2、HDTV系统的定义系统的定义高清晰度电视系统应能使观看者在图像高度的高清晰度电视系统应能使观看者在图像高度的大约大约3 3倍距离处观看图像细节时，能达到或接近倍距离处观看图像细节时，能达到或接近具有正常视觉锐度的观看者观看原始景物的感具有正常视觉锐度的观看者观看原始景物的感觉。觉。也就是说，也就是说，HDTV系统在垂直和水平方向上的系统在垂直和水平方向上的分解力都应比分解力都应比SDTV系统提高一倍。系统提高一倍。另外，另外，HDTV在图像色彩、声音等方面也都有在图像色彩、声音等方面也都有明显的改善。明显的改善。3、HDTV系统的技术参数选择系统的技术参数选择a.扫描行数扫描行数为了使垂直分解力增加一倍，为了使垂直分解力增加一倍，HDTV系统的每系统的每帧图像行数不应少于帧图像行数不应少于1000行。行。ITU-R BT.709建议书中曾给出两种扫描行数，建议书中曾给出两种扫描行数，即即1125行行/帧和帧和1250行行/帧。帧。b.每行取样点数每行取样点数水平分解力也应增加一倍。水平分解力也应增加一倍。ITU-R BT.709建议建议书中给出的每行取样点数为书中给出的每行取样点数为2200和和2304，其中，其中每行有效样点数为每行有效样点数为1920。c.画面宽高比画面宽高比根据双眼的视场清晰范围，根据双眼的视场清晰范围，HDTV画面宽高比应象画面宽高比应象宽银幕电影那样在（宽银幕电影那样在（1.661.85）：）：1的范围内，的范围内，目前已公认为目前已公认为16:9d.像素形状像素形状如果像素在水平和垂直方向上的大小是相同的，则如果像素在水平和垂直方向上的大小是相同的，则称为方形像素。称为方形像素。HDTV系统采用方形像素有利于实系统采用方形像素有利于实现与计算机系统的互操作性。现与计算机系统的互操作性。ITU-R BT.709建议书中专门规定了方形像素的帧格建议书中专门规定了方形像素的帧格式，即每帧有效行数为式，即每帧有效行数为1080，每行有效样点数为，每行有效样点数为1920。4、我国我国HDTV演播室标准的基本参数演播室标准的基本参数参数参数参数参数数值数值数值数值1 1图像扫描顺序图像扫描顺序图像扫描顺序图像扫描顺序从左到右，从上到下从左到右，从上到下从左到右，从上到下从左到右，从上到下隔行时，第一场的第一行在隔行时，第一场的第一行在隔行时，第一场的第一行在隔行时，第一场的第一行在第二场的第一行之上第二场的第一行之上第二场的第一行之上第二场的第一行之上2 2隔行比隔行比隔行比隔行比2 2：1 1（隔行）（隔行）（隔行）（隔行）3 3帧频（帧频（帧频（帧频（HzHz）25254 4行频（行频（行频（行频（HzHz）28125281255 5宽高比宽高比宽高比宽高比1616：9 96 6像素形状像素形状像素形状像素形状方形（方形（方形（方形（1 1：1 1）7 7每帧总行数每帧总行数每帧总行数每帧总行数112511258 8每帧有效行数每帧有效行数每帧有效行数每帧有效行数10801080（1080i）9 9每行总取样每行总取样每行总取样每行总取样点数点数点数点数R R、GG、B B、Y Y26402640C CR-YR-Y、C CB-YB-Y132013201010每行有效取每行有效取每行有效取每行有效取样点数样点数样点数样点数R R、GG、B B、Y Y19201920C CR-YR-Y、C CB-YB-Y9609601111取样频率取样频率取样频率取样频率(MHz)(MHz)R R、GG、B B、Y Y74.2574.25C CR-YR-Y、C CB-YB-Y37.12537.1251212取样结构取样结构取样结构取样结构固定正交固定正交固定正交固定正交1313模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（MHzMHz）30301414量化电平量化电平量化电平量化电平1010比特编码比特编码比特编码比特编码8 8比特编码比特编码比特编码比特编码R R、GG、B B、Y Y黑电平黑电平黑电平黑电平64641616C CR-YR-Y、C CB-Y B-Y 消色电平消色电平消色电平消色电平512512128128R R、GG、B B、Y Y 标称峰值电平标称峰值电平标称峰值电平标称峰值电平940940235235C CR-YR-Y、C CB-Y B-Y 标称峰值电平标称峰值电平标称峰值电平标称峰值电平6464和和和和8608601616和和和和2402401515量化电平分配量化电平分配量化电平分配量化电平分配1010比特编码比特编码比特编码比特编码8 8比特编码比特编码比特编码比特编码视频数据视频数据视频数据视频数据4 4101910191 1254254同步基准同步基准同步基准同步基准0 03 3 和和和和10201020102310230 0 和和和和 255 25524p参数参数参数参数数值数值数值数值1 1每帧总行数每帧总行数每帧总行数每帧总行数112511252 2隔行比隔行比隔行比隔行比1 1：1 1（逐行）（逐行）（逐行）（逐行）3 3帧频（帧频（帧频（帧频（HzHz）24244 4行频（行频（行频（行频（HzHz）27000270005 5宽高比宽高比宽高比宽高比1616：9 96 6像素形状像素形状像素形状像素形状方形（方形（方形（方形（1 1：1 1）7 7每帧总行数每帧总行数每帧总行数每帧总行数112511258 8每帧有效行数每帧有效行数每帧有效行数每帧有效行数108010809 9每行总取样每行总取样每行总取样每行总取样点数点数点数点数R R、GG、B B、Y Y27502750C CR-YR-Y、C CB-YB-Y137513751010每行有效取每行有效取每行有效取每行有效取样点数样点数样点数样点数R R、GG、B B、Y Y19201920C CR-YR-Y、C CB-YB-Y9609601111取样频率取样频率取样频率取样频率(MHz)(MHz)R R、GG、B B、Y Y74.2574.25C CR-YR-Y、C CB-YB-Y37.12537.1251212取样结构取样结构取样结构取样结构固定正交固定正交固定正交固定正交1313模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（模拟信号标称带宽（MHzMHz）3030数码率：系统在单位时间内传送的数据量数码率：系统在单位时间内传送的数据量实时传输情况下：实时传输情况下：数码率数码率fs量化比特数量化比特数复合编码、复合编码、8比特量化时：比特量化时：数码率数码率17.72（MHz）8（bit）141.76Mbps10比特量化时：比特量化时：数码率数码率17.72（MHz）10（bit）177.2Mbps四、数字电视信号的数码率四、数字电视信号的数码率1、复合编码方式、复合编码方式2、分量编码方式（、分量编码方式（4：2：2）SDTV系统系统10bit量化时：量化时：亮度信号数码率亮度信号数码率13.5（MHz）10（bit）135 Mbps色差信号数码率色差信号数码率2 6.75（MHz）10（bit）135 Mbps总数码率总数码率 135 135 270 Mbps8比特量化时：比特量化时：总数码率总数码率 108 108216 Mbps有效数码率：单位时间内传输的与视频信号有关有效数码率：单位时间内传输的与视频信号有关的数据量。的数据量。有效数码率每行有效样点数有效数码率每行有效样点数每帧有效行数每帧有效行数 量化比特数量化比特数帧频帧频4：2：2 分量信号的有效数码率分量信号的有效数码率10bit量化时：量化时：720576102536057610252207.360 Mbps8 bit 量化时：量化时：165.888 Mbps HDTV系统系统10bit量化时：量化时：亮度信号数码率亮度信号数码率74.25（MHz）10（bit）742.5 Mbps色差信号数码率色差信号数码率2 37.125（MHz）10（bit）742.5 Mbps总数码率总数码率 742.5 742.5 1485 Mbps8比特量化时：比特量化时：总数码率总数码率 594 5941188 MbpsHDTV信号有效数码率信号有效数码率10bit量化时：量化时：1920108010259601080102521036.8 Mbps8比特量化时：比特量化时：829.44 Mbps