1、模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和编码。编码。取样取样将时间和幅度上连续的模拟信号转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。变为时间离散的信号，即时间离散化。量化量化将幅度连续信号转换为幅度离散的将幅度连续信号转换为幅度离散的信号，即幅度离散化。信号，即幅度离散化。编码编码按照一定的规律，将时间和幅度上按照一定的规律，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。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模拟信号数字化框图如图2-1所示，其中所示，其中fc为为滤波器的截止频率，滤波器的截止频率，
2、fs为取样频率。为取样频率。图图2-1模拟信号数字化框图模拟信号数字化框图2.1 取取 样样 定定 理理2.2 二维信号的取样二维信号的取样2.3 数字电视信号参数的选择数字电视信号参数的选择2.4 量量 化化2.5 标准清晰度数字电视演播室标准标准清晰度数字电视演播室标准2.6 数字高清晰度电视数字高清晰度电视 如果对一个时间连续信号如果对一个时间连续信号f(t)进行等时间间进行等时间间隔取样，取样时间间隔隔取样，取样时间间隔(取样周期取样周期)为为Ts，取样频取样频率为率为fs1/Ts。)(1)(snssnFTF(1) 经过理想取样后，输出信号的频谱经过理想取样后，输出信号的频谱Fs()是
3、原模拟信号的频谱是原模拟信号的频谱F()以以s为周期延拓形成的，为周期延拓形成的，如图如图2-2所示。所示。(2) 如果原模拟信号频谱如果原模拟信号频谱F()的频谱范围在的频谱范围在h之内，则满足之内，则满足s2h时，则取样后的信号时，则取样后的信号fs(t)通过一个截止频率为通过一个截止频率为s/2的理想低通滤波器后，的理想低通滤波器后，可以无失真地恢复原信号可以无失真地恢复原信号f(t)。图图2-2 模拟信号理想取样前后的频谱模拟信号理想取样前后的频谱 只要满足取样定理并且只要满足取样定理并且/Ts足够小，仍可以足够小，仍可以从取样信号的频谱中精确地恢复出原模拟信号。从取样信号的频谱中精确
4、地恢复出原模拟信号。图图2-3 模拟信号实际取样前后的频谱模拟信号实际取样前后的频谱 对于一个彩色平面活动图像来说，图像中对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点的亮度任一点的亮度Y是光波长是光波长、水平位置水平位置x、垂直位垂直位置置y和时间和时间t的函数。发端通过摄像机将光图像转的函数。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：件，因此有如下的积分关系：dtyxY)t)yY(x，（，图图2-4 图像平面和二维取样脉冲图像平面和二维取样脉冲 在水平方向上的取样间隔为在水平方向上的取样间隔为x，在垂直
5、方向上的在垂直方向上的取样间隔为取样间隔为y, 取样后的信号为取样后的信号为其频谱为其频谱为 式中：式中：v=1/y为垂直取样频率；为垂直取样频率；u=1/x为水平为水平取样频率；取样频率；(x,y)为单位冲激序列。为单位冲激序列。 取样前后的频谱示意图如图取样前后的频谱示意图如图2-5所示。所示。jisyjyxixyxfyxf)()(),(),( )(),(),(nmsvnvumuFvuvuF图图2-5 水平、垂直取样前后的二维频谱水平、垂直取样前后的二维频谱电视信号的数字化处理有数字分量编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。码和数字复合编码两种方式。数字分量编码方式是
6、对三基色信号数字分量编码方式是对三基色信号ER，EG和和EB或对亮度信号和色差信号或对亮度信号和色差信号EY，ER-Y与与EB-Y分别进行数字化处理。分别进行数字化处理。 取样结构是指取样点在空间与时间上的相对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，如图中一般采用正交结构，如图2-6(a)所示。这种结所示。这种结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，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
7、理。图内和帧间的信号处理。图2-6(b)所示为行交叉结所示为行交叉结构，每行内的取样点数为整数加半个。构，每行内的取样点数为整数加半个。图图2-6 取样结构图取样结构图为了保证取样结构是正交的，要求行为了保证取样结构是正交的，要求行周期周期TH必须是取样周期必须是取样周期Ts的整数倍，即要的整数倍，即要求取样频率求取样频率fs应等于行频应等于行频fH的整数倍，即的整数倍，即Hsfnf 在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应该从以下该从以下4个方面考虑。个方面考虑。 (1) 首先应该满足取样定理，即取样频率应首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽的
8、两倍。该大于视频带宽的两倍。MHzffus122 (2) 为了保证取样结构是正交的，为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频取样频率应该是行频fH的整数倍，即的整数倍，即Hsfnf(3) 为了便于节目的国际间交流，亮度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信号取样频率的选择还必须兼顾国际上不同的扫描格式。同的扫描格式。fs=m2.25MHz(4) 编码后的比特率编码后的比特率Rb=fsn，其中其中n为为量化比特数量化比特数。MHzmfs25. 2 在在4 2 2格式中，色差信号格式中，色差信号Cr和和Cb的取样的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即频率均为亮度
9、信号取样频率的一半，即MHzfffyccbr75. 6)2/1 ( 在在4 4 4格式中，色差信号格式中，色差信号Cr和和Cb的取样的取样频率与亮度信号取样频率相同，即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亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比为比为MHzfffbrccy5 .134:4:4:brccyfff 本格式中，色差信号本格式中，色差信号Cr和和Cb的取样频的取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即率均为亮度信号取样频率的四分之一，即MHzfffyccbr375. 3)4/1 ( 在在4 1 1格式中，色差信号格式中，色差信号Cr和和Cb的的取样频率
10、均为亮度信号取样频率的四分之取样频率均为亮度信号取样频率的四分之一，即一，即MHzfffyccbr375. 3)4/1 (2.4 量量 化化量化就是把幅度连续变化的信号变换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为幅度离散的信号，这是模拟信号到数字信号的映射变换。信号的映射变换。显然，一个量化器只能取有限多个量显然，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级，因此量化过程将不可避免地带来量化误差。化误差。标量量化是一维量化，所有取样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
11、取样无关，因样的量化都和其他所有取样无关，因此也称为无记忆量化。此也称为无记忆量化。矢量量化是多维量化，是先将矢量量化是多维量化，是先将K个取样值序列形成个取样值序列形成K维空间中的一个维空间中的一个矢量，然后将此矢量进行量化。矢量，然后将此矢量进行量化。 量化器的设计原则可以分为两种：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给定量化器的量化电平数M，根据量化根据量化误差的均方值为最小来设计量化器；误差的均方值为最小来设计量化器； (2) 给出固定量化误差要求，设计量化器使给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化电平总数其量化电平总数M尽量小。尽量小。 设在输入信号的动态
12、范围设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，内进行均匀量化，每一量化间隔每一量化间隔A是相等的，共分为是相等的，共分为M级，设级，设M=2n，其中其中n为量化比特数，即为量化比特数，即A=MA=2nA M和和n的取值主要是由量化信噪比决定的。的取值主要是由量化信噪比决定的。 电视信号量化信噪比一般用信号峰电视信号量化信噪比一般用信号峰-峰值与峰值与量化噪声有效值之比表示，即量化噪声有效值之比表示，即一般常用分贝表示为一般常用分贝表示为 量化信噪比量化信噪比nnqPPAAAAsNS23232122)(2nsNSndbqpp68 .10)232log(20)( 设声音信号的最大幅度为设声音信号的最
13、大幅度为A，动态范围是动态范围是+A-A。对它均匀量化成对它均匀量化成M级，则有级，则有2A=MA=2nA其中，其中，n为量化比特数。为量化比特数。 如果量化比特数如果量化比特数n选得过小，量化噪声对图选得过小，量化噪声对图像的影响主要有以下几方面。像的影响主要有以下几方面。 在对模拟电视分量信号在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和和E(B-Y)进进行量化和编码前，必须进行归一化处理。由电视行量化和编码前，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：原理可知，亮度和色差信号的构成如下：BGRYE 0.114E 0.587E 0.299 EBGRY-R0.114E- E 0
14、.587 - 0.701E EBGRY-BE 0.886 E 0.587 - E 0.299- E令信号值归一化令信号值归一化(即最大电平为即最大电平为1.0V)，则则100彩条信号的各值如表彩条信号的各值如表2-2所示。所示。 表表 2-2 100%彩条信号的各值彩条信号的各值彩条彩条EREGEBEYE(R-Y) E(B-Y)白白1.01.01.01.000黑黑000000红红1.0000.2990.701-0.299绿绿01.000.587-0.587-0.587蓝蓝001.00.114-0.1140.886黄黄1.01.000.8860.114-0.886青青01.01.00.7010.
15、7010.299紫紫1.001.00.4130.5870.587 在对分量信号进行在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分比特均匀量化时，共分为为256个等间隔的量化级，其二进制的范围是个等间隔的量化级，其二进制的范围是0000000011111111，相应的十进制范围为，相应的十进制范围为0255。 色差信号经过两次归一化处理后，色差信号经过两次归一化处理后，ECR和和ECB的动态范围为的动态范围为-0.50.5，让色差零电平对应码电，让色差零电平对应码电平平2562=128，色差信号总共占，色差信号总共占225个量化级。个量化级。亮度和色差信号量化以后取其最邻近的整亮度和色差信号量化以后取其
16、最邻近的整数作为码电平值，其数字化表达式为数作为码电平值，其数字化表达式为DY=INT(219EY+16)2n-8DCB=INT(224ECB+128)2n-8DCR=INT(224ECR+128)2n-8其中其中n为量化比特数，符号为量化比特数，符号INT表示对表示对中的小数部分四舍五入取整数。中的小数部分四舍五入取整数。 演播室数字编码的主要参数演播室数字编码的主要参数(4 2 2格式格式)如表如表2-3所示。所示。表表 2-3 演播室数字编码的主要参数演播室数字编码的主要参数参数参数625/50 扫描格式扫描格式525/60 扫描格式扫描格式编码信号编码信号Y，CR，CB：每帧数字有效行
17、每帧数字有效行576507取样结构取样结构正交，行和帧扫描位置重复，每行中正交，行和帧扫描位置重复，每行中 CR和和 CB的的取样点和取样点和 Y的奇数的奇数（1，3，5.）取样点同位。）取样点同位。取样频率：亮度信号取样频率：亮度信号（Y）每一个色差信号每一个色差信号（CR，CB）13.5 MHz6.75MHz每个数字有效行的取样数每个数字有效行的取样数亮度信号亮度信号（Y）每个色差信号每个色差信号（CR，CB）720360每一整行的取样数每一整行的取样数亮度信号亮度信号（Y）各色差信号各色差信号（CR，CB）864432858429编码方式：编码方式：线性线性 PCM，8， （9） ，）
18、，10比特量化比特量化视频信号电平与量化级之间的对应关系视频信号电平与量化级之间的对应关系量化级数范围量化级数范围亮度信号亮度信号每一个色差信号每一个色差信号（以（以 8比特量化为例）比特量化为例）0 到到 255共共 220量化级，黑电平对应于量化级量化级，黑电平对应于量化级 16 峰值白电平对应于量化级峰值白电平对应于量化级 235共共 224量化级，零电平对应于量化级，零电平对应于 128级级 最大正电平对应于最大正电平对应于 240 级级 最大负电平对应于最大负电平对应于 16 级级数字场逆程：场数字场逆程：场 1场场 2624-23311-3361-10264-273模拟有效行期间样
19、值数：亮度信号模拟有效行期间样值数：亮度信号每个色差信号每个色差信号702350714355OH模拟行同步前沿模拟行同步前沿 1/2幅值处基准点幅值处基准点模拟对数字的定时关系：模拟对数字的定时关系：从数字有效行的终点到模拟行同步前沿从数字有效行的终点到模拟行同步前沿OH ，13.5 MHz周期的个数周期的个数1216 凡按照凡按照ITU-R BT.601建议进行数字视频信号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分量编码的视频信号，其接口和数据流都应符合如下规定。如下规定。数字设备向外传输每帧内的像素数据时，应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：
20、该按下列次序时分复用：Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 ,. Cb360Y719Cr360, Y720奇数点按奇数点按CbYCr的次序传输数据，偶数点只的次序传输数据，偶数点只有有Y样点数据传输。每一行均如此，直至第样点数据传输。每一行均如此，直至第576行。行。 数字分量视频信号是由模拟分量视频信号数字分量视频信号是由模拟分量视频信号经过经过A/D转换得到的，数字有效行与模拟行之间转换得到的，数字有效行与模拟行之间应该有明确的定时关系。应该有明确的定时关系。 如果是全数字系统，在接收端不是如果是全数字系统，在接收端不是PAL接收接收机而是
21、数字接收机，其扫描同步电路也是数字扫机而是数字接收机，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描电路，则不必探究数字视频信号与模拟视频信号号OH的定时关系，可以只关注数字流的构成。的定时关系，可以只关注数字流的构成。 在数字标准清晰度电视在数字标准清晰度电视(SDTV)中，扫描参中，扫描参数仍然为数仍然为625/50/2 1，即垂直扫描为具有奇偶场，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、场隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行、场消隐期。消隐期。 在奇数场和偶数场内，场识别和场消在奇数场和偶数场内，场识别和场消隐期行的序号如表隐期行的序号如表2
22、-6所示。所示。 表表 2-6 场识别和场消隐期所包含的行的规定场识别和场消隐期所包含的行的规定第一场第一场（F=0） ，自第） ，自第 1行起至第行起至第 312行止行止场识别场识别（F）第二场第二场（F=1） ，自） ，自 313 行起至第行起至第 626 行止行止（V=1）起始，自第）起始，自第 624 行起行起第一场第一场（V=0）结束，自第）结束，自第 23 行起行起（V=1）起始，自第）起始，自第 311 行起行起场消隐期场消隐期（V）第二场第二场（V=0）结束，自第）结束，自第 336 行起行起 每帧的数字视频以每帧的数字视频以Cb 1Y1Cr 1 , Y2, Cb2Y3Cr2
23、, Y4, Cb3Y5Cr3 , Y6 ,. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的顺序进行传输。的顺序进行传输。 时钟信号是时钟信号是27MHz方波，周期为方波，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。信号的正向跳变应出现在两次数据跳变的中间。 收发之间每位数据采用平衡双绞线传输收发之间每位数据采用平衡双绞线传输 由于在双绞线上传输由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的的数据，电缆的幅频特性限制了使用的电缆长度。幅频特性限制了使用的电缆长度。 比特串行接口比特串行接口(
24、Serial Digital Interface，SDI)中，每个中，每个10比特的数据字经并比特的数据字经并/串转换电路后变串转换电路后变成串行的数据流，传输码率从成串行的数据流，传输码率从27Mbit/s变为变为270Mbit/s，用单芯同轴电缆传输。用单芯同轴电缆传输。 输入数据由输入数据由27MHz的时钟信号并行写入移的时钟信号并行写入移位寄存器，然后用位寄存器，然后用10倍频的倍频的270MHz时钟串行读时钟串行读出。出。 由于接收端解码时需要恢复时钟信号，而串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行接口不能像并行接口那样使用单独的数据线传输
25、时钟信号，时钟的恢复只能利用信号本身的跳输时钟信号，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。变来产生，这称为自时钟方式。 图图2-21中的中的NRZ-NRZI编码器是把非归零码编码器是把非归零码(NRZ)变换成倒相的非归零码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在数字比特串行接口中用特性阻抗75的单的单芯同轴电缆传输信号，接插件为标准的芯同轴电缆传输信号，接插件为标准的BNC型接型接头。头。图图2-21扰码电路和扰码电路和NRZ-NRZI变换编码电路变换编码电路 高清晰度电视高清晰度电视(High Definition Television，HDT
26、V)在图像和声音质量方面都比现行的电视高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。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，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，对根据人眼视觉特性和心理效应实验，对HDTV的的基本参数提出了如下的要求。基本参数提出了如下的要求。(1) 提高图像的空间分解力。提高图像的空间分解力。(2) 提高场频或帧
27、频，应确保高亮度下图像提高场频或帧频，应确保高亮度下图像不闪烁。不闪烁。(3) 提高图像的宽高比，画面宽高比为提高图像的宽高比，画面宽高比为16 9更符合人眼的视觉特性，视野宽，临场更符合人眼的视觉特性，视野宽，临场感强。感强。(4) 展宽色域，提高电视色彩的感染展宽色域，提高电视色彩的感染力。力。(5)HDTV应有高质量的环绕立体声，应有高质量的环绕立体声，至少有至少有4路数字伴音通道，伴音带宽应达路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。 在模拟电视系统中，选择场频主要考虑了运在模拟电视系统中，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动图像的连续感、无闪烁、不易受交流电
28、源干扰和视频信号频带不致过宽等因素，国际上一直采和视频信号频带不致过宽等因素，国际上一直采用用50Hz和和60Hz两种场频。两种场频。电视系统的扫描方式有逐行方式与隔行方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，式两种，模拟电视系统均采用了隔行扫描方式，而目前国际上在而目前国际上在HDTV和和SDTV中既有隔行扫描中既有隔行扫描方式，也有逐行扫描方式。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
29、频信号带宽降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。低为逐行扫描时的一半。我国我国HDTV标准采用分辨率为标准采用分辨率为19201080，帧频为帧频为25Hz的隔行扫描方式。的隔行扫描方式。图像格式包括图像的宽高比、图像的纵横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。像素数和像素宽高比等参数。HDTV图像的宽高比是图像的宽高比是1.777(16 9)。通常用每行的像素数每帧的有效行数来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表示图像的像素数，在标准清晰度数字电视中为720576，在高清晰度数字电视中为，在高清晰度
30、数字电视中为19201080。根据图像的宽高比和图像的纵横有效像素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。数可以推算出像素的宽高比。H D T V 标 准 中 有标 准 中 有 2 4 p 格 式格 式(19201080/24/1 1)，这是符合电影规范，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的逐行扫描方式，是一种新的电视节目制作格式。作格式。ITU-R BT.709建议提出了两种建议提出了两种HDTV节目制作及国际节目交换用节目制作及国际节目交换用HDTV参数方参数方案，一种是隔行扫描数字案，一种是隔行扫描数字HDTV视频格式，视频格式，可以向下兼容可以向
31、下兼容SDTV；另一种是方型像素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。算机等多种应用具有互操作性。我国于我国于2000年颁布了我国数字年颁布了我国数字HDTV演播演播室视频信号接口标准室视频信号接口标准GY/T 156-2000。数字演播室的数据信号为二进制编码，其数字演播室的数据信号为二进制编码，其中包括：视频数据中包括：视频数据(8比特字或比特字或10比特字比特字)、定时、定时基准码基准码(8比特字或比特字或10比特字比特字)与辅助数据等。与辅助数据等。数字视频信号是由模拟视频信号经过数字视频信号是由模拟视频信号经过A/D转转换得到的，在数字有效行与模拟行之间应该有明换得到的，在数字有效行与模拟行之间应该有明确的定时关系。确的定时关系。图图2-22数据格式与模拟波形的定时关系数据格式与模拟波形的定时关系
