数字电视原理信号的数字化3.1音频信号的数字化3.2第第3 3章章 电视信号的数字化电视信号的数字化视频信号的数字化3.3n模拟信号的数字化过程主要是采样、量 化和编码。n 采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。3.1信号的数字化3.1信号的数字化n采样-时间上的离散化采样是指用每隔一定时间（或空间）间隔的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）上将模拟信号离散化。3.1信号的数字化n量化-幅度离散化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度变 为有限数量、有一定间隔的离散值。即幅度 离散化。3.1信号的数字化n编码-离散值的数字表示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。n 模拟信号数字化框图如图3-1所示，其中fc为滤波 器的截止频率，fs为取样频率。n图3-1模拟信号数字化框图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，叫声波。声音的强弱体现在声波压力的 大小上，音调的高低体现在声音的频率上。 因而，声音信号的两个基本参数是频率和幅 度。3.2音频信号的数字化声波信号按频率划分：亚音(Subsonic)信号（次音信号）20kHz音频(audio)信号: 在20Hz20kHz之间的声波人的发音:在80Hz 3400Hz之间人的说话:在300Hz3400Hz之间-语（话 ）音信号(speech，voice)3.2音频信号的数字化 采样频率经常使用的采样频率有11.025kHz 、22.05kHz、32kHz、44.lkHz和48kHz等。 采样频率越高，声音失真越小、音频数据量 越大。人耳听觉的频率上限在20kHz左右 ，为了保证声音不失真，采样频率应大于 40kHz。3.2音频信号的数字化 量化比特数经常采用的量化比特数有8bit、 12bit和16bit。量化比特数越多，音质越好， 数据量也越大。人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。由于这个 特点，所以对音频信号进行数字化所用的量 化比特数比起视频信号来要多。3.2音频信号的数字化 声道数记录声音时，如果每次生成一个声波数据，称为单声道；每次生成二个声波数 据，称为立体声（双声道），立体声更能反 映人的听觉感受。3.2音频信号的数字化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， 但记录数字声音所需存储空间（数据量）也随之 增加。可以用下面的公式估算声音数字化后每秒 所需的存储量（假定不经压缩）：存储量=(采样频率量化比特数声道 数)/8 其中，存储量的单位为B（字节）3.2音频信号的数字化质量等级采样频 率/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15362020000n 在PAL制的625行/50场/21隔行电视 信号中，利用每场312.5行中的294行记录数 字音频信号，每行记录3个音频样值，于是取样频率为nfs50（场）294（行）3（样值）= 44.1kHz 1. 取样频率2. 量化比特数3.演播室数字音频声道多路声音轨记录的声道分配多路声音轨记录的声道分配3.3 视频信号的数字化在时间轴上(t轴)分 为一系列离散的帧（等间隔）每帧图像在垂直方向 (y轴)上离散为一条一条 的扫描行每行在水平方向(x轴 )上采样，得到一个一个 像素。模拟视频信号：三维视频信号 扫描一维时间变化信号3.3视频信号的数字化结果：数字电视图像帧-由二维空间排列的像素点组成；视频序列-由时间上一系列的数字图像帧组成。3.3视频信号的数字化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。复合数字编码是将彩色全电视信号 直接进行数字化，编码成 PCM形式（已被淘汰）。分量数字编码方式是分别对亮度 信号Y和两色差信号B-Y、R-Y分别进行PCM编码。3.3视频信号的数字化分量数字编码优点：避免了复合数字编码时因反复解码所引起的 质量损伤和器件的浪费，且编码几乎与电视制式 无关世界统一的数字编码标准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各国主观测试亮度信号带宽fm 5.86MHz 为保证足够小的混叠噪声，采样频率fs应 取（2.2 2.7）* fm ，则应fs = 12.76 13.2MHz。3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定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fs满足fsmfH的关系；为了使625行/50场及525行/60场这两种扫描制式实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625行/50场扫描制式行频 (15625Hz)525行/60场扫描制式行频 (4.5MHz/286)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主观测试色度信号的带宽应选为2.8MHz，若色 差信号采样频率为6 7 MHz时能满足色键处理等对图像质量的较高要求为保证足够小的混叠噪声采样频率为行频的整数倍为了使625行/50场及525行/60场这两种扫描制式实现行兼容 色差信号的采样频率为6.75MHz 3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构a) 420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 n 420格式中，色差信号Cr和Cb在水平方向 和垂直方向上的取样点数均为Y的一半，一行按 422取样，另一行按400取样，因此称为420 格式。n 420格式中，4个像素产生6个样值（Y为4 个，Cb和Cr各1个），如果每个样值8比特编码， 68=48bits, 48/4=12bits/per pixel，即平均每个像 素12bits。3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构b) 422n 在444格式中，亮度信号和两个色差信号 Cr和Cb（或R，G，B信号）的取样频率均为 13.5MHz，且取样结构完全相同，即n 亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之 比是n 在422格式中，亮度信号的取样频率为13.5MHz， 两个色差信号的取样频率均为亮度信号取样频率的一半，即n 因此，亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之 比是 n 422编码方式主要应用于电视演播室节目制作中。 3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构c) 4443.3.1电视信号分量数字编码参数的确定采样结构a) 420 b)422 c)4443.3.1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1bit，就使量化信噪 比增加或减少6dB。CCIR601建议中，规定对亮度和色差 信号都采用8 bit的均匀量化。8 bit的量化精度在某些场合是不够的，在后来的数字演播室中又 扩展到10 bit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20 保护带16 保护带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0.5-0.5之内，色差信号需归一化：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色差信号的量化级分配16 保护带15 保护带3.3.2 ITU-R BT.601建议1982年2月，在CCIR 第15次全会上，在通过的CCIR 601建议建议中，确定了 以分量数字编码422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 播系统参数统一化、标准化迈出的第一步。3.3.2 ITU-R BT.601建议 参数625行/50场场525行/60场场 有效扫扫描行数576480 编码编码 信号Y，CB，CR 每行样样点数亮度信号864858 色差信号432429 每行有效样样 点数亮度信号720 （行正程） 色差信号360 （行正程） 采样结样结 构正交，按行场帧场帧 重复，每行中的CR，CB的样样点同位置， 并与每行第奇数个（1，3，5，）亮度的样样点同位置 采样频样频 率/ MHz亮度信号13.5 色差信号6.75 编码编码 方式对对亮度信号和色差信号都进进行均匀量化，每个样值为样值为 8bit量化 量化级级亮度信号共220个量化级级，消隐电隐电 平对应对应 于第16量化级级，峰值值白 电电平对应对应 于第235量化级级 色差信号共225个量化级级（16240），色差信号的零电电平对应对应 于第 128量化级级 同步第0级级和第255级级保留3.3 标准清晰度数字电视演播 室标准3.3.1 演播室数字编码参数n 演播室数字编码的主要参数(422格式)如表3-3所示。3.4 数字分量电视信号的接口n1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。n(1) 422数字分量信号的时分复用传输n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：nCb1Y1Cr1 , Y2 , Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 , . Cb360Y719Cr360, Y720n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。n(2) 视频数据与模拟行同步间的定时关系n 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。数据格式与模拟波形的定时关系n(3) 422数字流的构成n 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。n(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625/50/21，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。n(5) 奇偶场内的场识别和场消隐期扫描行的序号n 在奇数场和偶数场内，场识别和场消隐期行的序号如表3-6所示。n2比特并行接口(1) 机械特性n 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。n如果数据字长10bit，则要占用10个通道。n(2) 并行接口电气特性 时钟与数据的定时关系n 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