1、 数字电视技术第3章 电视信号的数字化第3章 电视信号的数字化n3.1 信号的数字化n3.2 音频信号的数字化n3.3 视频信号的数字化n3.4 电视视频信号的频谱n3.5 空间频率n3.6 电视信号亮色分离的基本原理n采样 采样采样是指用是指用每隔一定时间（或空间）间隔每隔一定时间（或空间）间隔的的信号样本值序列代替原来在时间（或空间）上连信号样本值序列代替原来在时间（或空间）上连续的信号，也就是在时间（或空间）上将模拟信续的信号，也就是在时间（或空间）上将模拟信号离散化。号离散化。n量化 量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅
2、度变为有限数量、幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。有一定间隔的离散值。3.1信号的数字化n编码 编码则是按照一定的规律，把量化后的离散编码则是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数字表示，以进行传输或记录。值用二进制数字表示，以进行传输或记录。3.1信号的数字化n量化比特数及量化噪声tAAAAAAA0.51.52.53.54.55.56.502A2At幅度量化等级)(tf)(tf)(tf)(tf-A:量化间距量化间距f(t):视频信号视频信号f(t):量化后的量化后的电平函数值电平函数值n量化级数：量化级数：MAAMA:信号幅度，信号幅度，A:量化间距量化间距n
3、 采用二进制编码，所需比特位数采用二进制编码，所需比特位数n:M =2n n 均匀量化均匀量化与与非均匀量化非均匀量化n均匀量化时的信噪比均匀量化时的信噪比量化噪声功率量化噪声功率Nq:123)(1233222222AtTAdtteTNTTTTq结论结论：量化分层幅度量化分层幅度A越小，量化误差引起的失真功越小，量化误差引起的失真功率也越小。率也越小。n电视信号（单极性信号）电视信号（单极性信号）的量化信噪比的量化信噪比 nnqPPAAsmrNS232122).(2噪声均方根值信号峰峰值量化信噪比用分贝表示用分贝表示:nsmrNSndBqPP68.10232log20).(结论结论：量化比特数
4、量化比特数n每增加每增加1bit，则信噪比上升，则信噪比上升6dB；反之，每下降反之，每下降1bit，信噪比降低，信噪比降低6dB。n声音信号声音信号(双极性信号双极性信号)量化信噪比量化信噪比设声音信号的最大幅度为设声音信号的最大幅度为A，它是从，它是从+A到到-A范范围内变化。对它均匀量化成围内变化。对它均匀量化成N级，有：级，有：2A=NA，N=2n (以二进制表示以二进制表示)量化信噪比量化信噪比:nAAqNS2122max2232276.102.6maxnNSdBq用分贝表示用分贝表示:n用用非均匀量化非均匀量化改善量化信噪比改善量化信噪比 AAsmrNSqPP32).(2max22
5、3AANSq电视信号的量化信噪比电视信号的量化信噪比:声音信号量化信噪比声音信号量化信噪比:n非均匀量化实现方式非均匀量化实现方式音频：压缩扩张编码方式音频：压缩扩张编码方式 视频：直接非均匀量化（量化表）视频：直接非均匀量化（量化表）3.2 音频信号的数字化 声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。波。声音的强弱声音的强弱体现在体现在声波压力的大小声波压力的大小上，上，音调音调的高低的高低体现在体现在声音的频率声音的频率上。因而，上。因而，声音信号的声音信号的两个基本参数两个基本参数是是幅度幅度和和频率频率。声波信号按声波信号按频率频率划分：划分：频率
6、小于频率小于20Hz20Hz的信号称为的信号称为亚音亚音(Subsonic)(Subsonic)信号信号，或，或称为称为次音信号；次音信号；频率高于频率高于20kHz20kHz的信号，称为的信号，称为超声波超声波(Ultrasonic)(Ultrasonic)信信号；号；频率在频率在20Hz-20kHz20Hz-20kHz之间的声波是人耳可以听到的声之间的声波是人耳可以听到的声音，称之为音，称之为音频音频(audio)(audio)信号信号人的发音器官发出的声音频率约在人的发音器官发出的声音频率约在80Hz-3400Hz80Hz-3400Hz之间，之间，但但人说话的信号频率通常在人说话的信号频
7、率通常在300Hz-3400Hz300Hz-3400Hz之间之间，把这，把这种频率范围的信号称为种频率范围的信号称为语（话）音信号语（话）音信号(Speech(Speech voice)voice)n采样频率采样频率 经常使用的采样频率有经常使用的采样频率有:11.025kHz、22.05kHz、32kHz、44.1kHz和和48kHz等。等。采样频率越高，声音失真越小、音频数据量采样频率越高，声音失真越小、音频数据量越大。越大。人耳听觉的频率上限在人耳听觉的频率上限在20kHz20kHz左右，为了保证左右，为了保证声音不失真，声音不失真，采样频率应大于采样频率应大于40kHz40kHz。n
8、量化比特数量化比特数 经常采用的量化比特数有经常采用的量化比特数有8bit、12bit和和16bit。量化比特数越多，音质越好，数据量也越大。量化比特数越多，音质越好，数据量也越大。人人耳的听觉能感觉极微小的声音失真而且又能接受耳的听觉能感觉极微小的声音失真而且又能接受极大的动态范围极大的动态范围。由于这个特点，所以对音频信号进行数字化由于这个特点，所以对音频信号进行数字化所用的量化比特数比视频信号要多。所用的量化比特数比视频信号要多。n声道数声道数 记录声音时，如果每次生成一个声波数据，记录声音时，如果每次生成一个声波数据，称为称为单声道单声道；每次生成二个声波数据，称为；每次生成二个声波数
9、据，称为立体立体声声（双声道双声道），立体声更能反映人的听觉感受。），立体声更能反映人的听觉感受。音频数字化的采样频率和量化精度越高，音质越音频数字化的采样频率和量化精度越高，音质越好，恢复出的声音越接近原始声音，但记录数字声音好，恢复出的声音越接近原始声音，但记录数字声音所需存储空间也随之增加。所需存储空间也随之增加。可以用下面的公式估算声音数字化后每秒所需的可以用下面的公式估算声音数字化后每秒所需的存储量（假定不经压缩）：存储量（假定不经压缩）：存储量存储量=(采样频率采样频率量化比特数量化比特数声道数声道数)/8 其中，存储量的单位为其中，存储量的单位为B（字节）（字节）质量等级采样频率
10、/kHz量化精度/bit声道数数码率（未压缩）/kbit/s频带/Hz电话话音88单声道642003400AM11.0258单声道88.2507000FM22.0516双声道705.62015000CD44.116双声道1411.2 2020000DAT4816双声道153620200003.3视频信号的数字化在时间轴上在时间轴上(t轴轴)分为分为一系列离散的帧一系列离散的帧每帧图像在垂直方向每帧图像在垂直方向(y轴轴)上离散为上离散为一条一一条一条的扫描行条的扫描行每行在水平方向每行在水平方向(x轴轴)上采样，得到上采样，得到一个一一个一个像素。个像素。n 对彩色电视信号的数字化处理主要有分
11、量数对彩色电视信号的数字化处理主要有分量数字编码和复合数字编码两种方式。字编码和复合数字编码两种方式。复合数字编码复合数字编码是将彩色全电视信号直接进行是将彩色全电视信号直接进行数字化，编码成数字化，编码成 PCM形式。形式。分量数字编码方式分量数字编码方式是分别对亮度信号是分别对亮度信号Y和两和两色差信号色差信号B-Y、R-Y分别进行分别进行PCM编码。编码。分量信号解码A/D数字亮色分离分量信号编码D/AYUVYUV模拟全电视信号模拟全电视信号分量数字编码优点分量数字编码优点避免了复合数字编码时因反复解码所引起的质量避免了复合数字编码时因反复解码所引起的质量损伤和器件的浪费，而且编码几乎与
12、电视制式无损伤和器件的浪费，而且编码几乎与电视制式无关关;后期制作的处理方便后期制作的处理方便;时分复用方式，不会像复合数字编码那样因频分时分复用方式，不会像复合数字编码那样因频分复用带来亮、色串扰，可获得高质量的图像复用带来亮、色串扰，可获得高质量的图像;亮度信号和色度信号的带宽根据需要取不同亮度信号和色度信号的带宽根据需要取不同;3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n分量数字编码采样频率的确定亮度信号的采样频率亮度信号的采样频率各国主观测试亮度信号带宽各国主观测试亮度信号带宽fm5.86MHz 为保证足够小的混叠噪声，采样频率为保证足够小的混叠噪声，采样频率fs应取（应取（2.2 2.
13、7）fm。采样频率。采样频率fs至少应等于至少应等于12.76 13.2MHz采用每帧固定的正交采样结构，有利于行间、场采用每帧固定的正交采样结构，有利于行间、场间和帧间的信号处理。因此，应使间和帧间的信号处理。因此，应使fs满足满足fsmfH的关系的关系为了使为了使625行行/50场及场及525行行/60场这两种扫描制式实场这两种扫描制式实现行兼容应采用同一采样频率现行兼容应采用同一采样频率3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定亮度信号的采样频率亮度信号的采样频率625行行/50场扫描制式行频场扫描制式行频(15625Hz)525行行/60场扫描制式行频场扫描制式行频(4.5MHz/286
14、)4.513.5MHz=15625Hz 864=Hz 858286亮度信号的采样频率为13.5MHz 3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定色差信号的采样频率色差信号的采样频率主观测试主观测试色度信号的带宽应选为色度信号的带宽应选为2.8MHz，若色差，若色差信号采样频率为信号采样频率为6 7 MHz时能满足对图像质量的时能满足对图像质量的较高要求较高要求;为保证足够小的混叠噪声为保证足够小的混叠噪声;采样频率为行频的整数倍采样频率为行频的整数倍;为了使为了使625行行/50场及场及525行行/60场这两种扫描制式实场这两种扫描制式实现行兼容现行兼容;色差信号的采样频率为6.75MHz 3.
15、3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构 a)4 2 0 b)4 2 2 c)4 4 43.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配量化比特数 量化比特数是指要区分所有量化级所需的量化比特数是指要区分所有量化级所需的二进制码位数。其大小直接影响到数字图像的二进制码位数。其大小直接影响到数字图像的质量，每增加或减少质量，每增加或减少1bit，就使量化信噪比增，就使量化信噪比增加或减少加或减少6dB。CCIR601建议中，建议中，规定对亮度和色差信号都规定对亮度和色差信号都采用采用8 bit的均匀量化的均匀量化。8 bit的量化精度在某些的量化精度在某些场合是不够的
16、，在后来的数字演播室中又扩展场合是不够的，在后来的数字演播室中又扩展到到10 bit的量化。的量化。3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配亮度信号的量化级分配3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配色差信号的量化级分配 为了使色差信号电平的动态范围控制在为了使色差信号电平的动态范围控制在-0.5 到到+0.5之内：之内：0.7130.5000.4190.081RCR YRGBEEEEE0.5640.1690.3310.500BCB YRGBEEEEE 0.2990.5870.1140.7010.5870.1140.2990.58
17、70.886YRGBRYRGBBYRGB 3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定n量化比特数的确定和量化级的分配色差信号的量化级分配3.3.2 ITU-R BT.601建议 1982年年2月，在月，在CCIR 第第15次全会上，在通过次全会上，在通过的的CCIR 601建议建议中，确定了以分量数字编码建议建议中，确定了以分量数字编码4 2 2标准作为演播室彩色电视信号数字编码的标准作为演播室彩色电视信号数字编码的国际标准。该建议考虑到现行的多种彩色电视制国际标准。该建议考虑到现行的多种彩色电视制式，提出了一种世界范围兼容的数字编码方式，式，提出了一种世界范围兼容的数字编码方式，是向数字电视广
18、播系统参数统一化、标准化迈出是向数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出的第一步。的第一步。3.3.2 ITU-R BT.601建议参数参数625行行/50场场525行行/60场场有效扫描行数有效扫描行数576480编码信号编码信号Y，CB，CR每行样点数每行样点数亮度信号亮度信号864858色差信号色差信号432429每行有效样每行有效样点数点数亮度信号亮度信号720色差信号色差信号360采样结构采样结构正交，按行、场、帧重复，每行中的正交，按行、场、帧重复，每行中的CR，CB的样点同位的样点同位置，并与每行第奇数个（置，并与每行第奇数个（1，3，5，）亮度的样点）亮度的样点同位置同位置采样频
19、率采样频率/MHz亮度信号亮度信号13.5色差信号色差信号6.75编码方式编码方式对亮度信号和色差信号都进行均匀量化，每个样值为对亮度信号和色差信号都进行均匀量化，每个样值为8bit量化量化量化级量化级亮度信号亮度信号共共220个量化级，消隐电平对应于第个量化级，消隐电平对应于第16量化级，峰值白电量化级，峰值白电平对应于第平对应于第235量化级量化级色差信号色差信号共共225个量化级（个量化级（16240），色差信号的零电平对应于第），色差信号的零电平对应于第128量化级量化级同步同步第第0级和第级和第255级保留级保留几种典型数字电视设备数据格式几种典型数字电视设备数据格式 不压缩时码率的
20、计算（一）不压缩时码率的计算（一）n码率码率=抽样频率抽样频率每样点的比特数每样点的比特数对对DVD图像格式图像格式(4:2:2)可作如下计算可作如下计算:Y 13.5MHz8bit=108Mb/sU 6.75MHz8bit=54Mb/sV 6.75MHz8bit=54Mb/s 合计合计=216Mb/s n如按如按MPEG-2标准压缩后的速率为标准压缩后的速率为8.448Mb/s,则则 压缩比约压缩比约为为26:1;n如按如按MPEG-1标准压缩后的速率为标准压缩后的速率为2.048Mb/s,则压缩比约则压缩比约为为100:1n不压缩时码率的计算（二）不压缩时码率的计算（二）=一帧图像样点样数
21、一帧图像样点样数每样点比特数每样点比特数 每秒帧数每秒帧数(25Hz)一帧图像样点样数一帧图像样点样数 =每行有效样点数每行有效样点数一帧图像的有效行数一帧图像的有效行数n对对DVD图像格式可作如下计算图像格式可作如下计算:(1)对对Y信号来说信号来说一行样点数一行样点数=(抽样频率抽样频率)/(行频行频)=(13.5MHz)/(15.625kHz)=864一行有效样点数一行有效样点数 =864=8640.83=720 (:水平回扫率水平回扫率)一帧有效行数一帧有效行数=625-50=575 (取取576,即表示去掉场消隐后的有效行数即表示去掉场消隐后的有效行数)一帧图像样点数一帧图像样点数=
22、720576=414720Y的码率的码率=7205768bit25Hz=82.944Mb/sn(2)对对U、V信号的计算信号的计算按按Y:U:V=4:2:2 其速率计算如下其速率计算如下:V的码率的码率 =3605768bit25Hz=41.472Mb/sU的码率的码率 =3605768bit25Hz=41.472Mb/s合合 计计 =165.9Mb/s 3.4 电视视频信号的频谱设电视视频信号为设电视视频信号为f(x,y)，它是两个自变量它是两个自变量x,y的周的周期函数。该周期函数对期函数。该周期函数对x来讲以来讲以TH（行周期）为（行周期）为周期，对周期，对y来讲以来讲以TV（场周期）为
23、周期。（场周期）为周期。f(x,y)：图像的亮度信号xyTH(,)(,)HVf xTyTf x yTV结论：结论：电视信号电视信号f(x,y)是周期函是周期函数，可用傅立叶级数表示。数，可用傅立叶级数表示。电视信号的傅立叶级数的复数形式：电视信号的傅立叶级数的复数形式：22()(,)HVj mx nyTTmnmnf x yF e 22()22221(,)VHHVHVTTj mu nvTTTTmnH VFf u v edudvT TmnF为谐波为谐波 22()HVj mx nyTTe的幅度和相角，是复数的幅度和相角，是复数 m,n为整数为整数 u，v为水平，垂直频率为水平，垂直频率讨论：讨论：(
24、1)由于由于PAL-D信号的带宽规定为信号的带宽规定为6MHz，在此带宽内的行，在此带宽内的行频最高次谐波只能为频最高次谐波只能为：22()(,)HVj mx nyTTmnmnf x yF e 6638415625HMHzMHzmfHz(2)在两根行频主谱线之间的间隔为在两根行频主谱线之间的间隔为fH宽度，在这频带宽度范宽度，在这频带宽度范围内，只能安排场频的最高谐波为围内，只能安排场频的最高谐波为 15625312.550HVfHznfHz但谐波分量只能取整数，所以，但谐波分量只能取整数，所以，n=312 静止图像信号的频谱静止图像信号的频谱n静止图像谱线的特点静止图像谱线的特点其频谱以主谱
25、线和副谱线其频谱以主谱线和副谱线离散离散分布。分布。主谱线幅度随谐波次数增加而逐渐下降，主谱线幅度随谐波次数增加而逐渐下降，能量能量主要集中在低频分量主要集中在低频分量。主谱线两边安排副谱线，其幅度随谐波次数增主谱线两边安排副谱线，其幅度随谐波次数增加而逐渐下降，能量主要集中在低频分量。加而逐渐下降，能量主要集中在低频分量。在在PAL-D制中行频谱线的最高谐波为制中行频谱线的最高谐波为m=6MHz/15625Hz，在两主谱线间最多可安排，在两主谱线间最多可安排副谱线为副谱线为n=15625Hz/50Hz=312。活动图像信号的频谱活动图像信号的频谱n活动图像信号频谱是连续的活动图像信号频谱是连
26、续的 活动图像信号的频谱能量大部分集中在行频及其倍频活动图像信号的频谱能量大部分集中在行频及其倍频附近的狭窄频带内。附近的狭窄频带内。而在相邻行谐波频率之间（半行频整数倍附近）信息而在相邻行谐波频率之间（半行频整数倍附近）信息能量是极少的。能量是极少的。整个频谱的使用情况相当不经济。整个频谱的使用情况相当不经济。3.5 空间频率一、空间频率的定义一、空间频率的定义 任何形状波形的电视信号都可以分解为各种任何形状波形的电视信号都可以分解为各种不同频率和不同幅度的谐波分量。不同频率和不同幅度的谐波分量。如果这些谐波分量的幅度不是随时间变化而如果这些谐波分量的幅度不是随时间变化而是随空间位置的不同而
27、变化，称这种频率为是随空间位置的不同而变化，称这种频率为空间空间频率频率。n水平空间频率（水平空间频率（m）：）：画面宽度范围内垂直黑白条的周期数画面宽度范围内垂直黑白条的周期数(cpw)n垂直空间频率（垂直空间频率（n）画面高度范围内水平黑白条的周期数画面高度范围内水平黑白条的周期数(cph)m=3,n=0 m=0,n=2 m=2,n=2 二、空间频率与电视信号频率的关系二、空间频率与电视信号频率的关系 n电视信号的电视信号的最低频率最低频率：直流分量（零频分量），表示图像的背景亮度直流分量（零频分量），表示图像的背景亮度n电视信号的电视信号的最高频率最高频率：seHVHnfmfnffmN2
28、inHVHnfmfnffmN逐行扫描：逐行扫描：隔行扫描：隔行扫描：“”号的取值：号的取值：条纹是从右上方向左下方倾斜，则取条纹是从右上方向左下方倾斜，则取正正号号;条纹是从左上方向右下方倾斜，则取条纹是从左上方向右下方倾斜，则取负负号。号。N行数行数m=3,n=0fm=mfH+nfV=3fH+0fV =315625Hz=46875Hzfm=mfH+nfV=2fH+2fV =215625Hz+250Hz =31350Hzm=2,n=2fm=mfH-nfV=2fH-2fV =215625Hz-250Hz =31150Hzm=2,n=2n理想亮度信号的二维空间频谱理想亮度信号的二维空间频谱mn幅度
29、384312mn-312-384384-384312-312K22222()384312mnzKK3.6 电视信号亮色分离的基本原理 对模拟彩色电视信号进行数字化处理时，必对模拟彩色电视信号进行数字化处理时，必须先将模拟复合信号经须先将模拟复合信号经AD变换后，用数字方法变换后，用数字方法分离出亮度信号分离出亮度信号Y和色度信号和色度信号C，然后，然后，再从色度再从色度信号信号C中分离出两个色差信号中分离出两个色差信号R-Y和和B-Y。一、采用一、采用2个像素延时的亮、色数字分离电路个像素延时的亮、色数字分离电路 fsc：彩色副载波频率：彩色副载波频率 复合复合PAL彩色信号中的色度信号是以彩
30、色信号中的色度信号是以正交的正交的形式对彩色副载波形式对彩色副载波fsc进行调制，然后叠加在亮度进行调制，然后叠加在亮度信号之上。色度信号的表达式为信号之上。色度信号的表达式为 C=U sinsctV cossct其中其中:V=kr(RY)，U=kb(BY)“”符号表示符号表示逐行倒相逐行倒相。如。如第一行第一行C=U sinsct+V cossct，第二行第二行C=U sinsctV cossct。PAL制制-1/4行频行频-间置间置-频谱频谱PAL信号中彩色副载波与行频的关系为：信号中彩色副载波与行频的关系为：一行的样点数为：一行的样点数为：113(284)28346254scHHfff3
31、4 283441135HscHHffff色度信号的表达式：色度信号的表达式：sincosscscCUtVtsinscuUtcosscvVtS1+S3=2YS1-S3=2C 或或S1+S7=2YS1-S7=2C二、从色度信号二、从色度信号C中分离出色差信号中分离出色差信号1)(S1+S1136)/2可以得到可以得到u信号，而信号，而v信号相位相反而相互抵消信号相位相反而相互抵消;2)(S2-S1137)/2可以得到可以得到v信号，而信号，而u信号相位相反而相互抵消信号相位相反而相互抵消;所以采用图示电路，可以分离出所以采用图示电路，可以分离出u、v相间输出的数据。相间输出的数据。三、三、u、v解
32、调出解调出U、V信号信号 采用二次抽样电路解调出采用二次抽样电路解调出U、V基带色差信基带色差信号。号。cosscvVtsinscuUtttS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14Uu幅度 右图为右图为u信号表示信号表示在在4fsc抽样时的样点分抽样时的样点分布，谱线包络即是布，谱线包络即是U信号。如对应着彩色信号。如对应着彩色副载波每个周期的副载波每个周期的900相位，以相位，以fsc速率进行速率进行二次抽样，把其余样二次抽样，把其余样点去掉，则可得到点去掉，则可得到U信号。信号。n二次抽样取出二次抽样取出U、V信号的电路信号的电路 可以看出，如二次抽样频率为可以看出，如二次抽样频率为fsc，对，对u信号数据进行抽信号数据进行抽样，并且抽样点的相位对应着样，并且抽样点的相位对应着S2、S6、S10、S14时，所得到的时，所得到的数据就是数据就是U=kb(BY)的数据。的数据。采用同样的方法，将二次抽样信号相位对采用同样的方法，将二次抽样信号相位对v信号数据错信号数据错开开/2后，对后，对v信号进行二次抽样，就可以得到信号进行二次抽样，就可以得到V=kr(RY)的的数据。图中数据。图中PAL开关的作用是使逐行倒相的开关的作用是使逐行倒相的V信号恢复成不信号恢复成不倒相的倒相的V信号。信号。
