數(shù)字電視廣播原理與應(yīng)用

數(shù)字電視廣播原理與應(yīng)用第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.1景物像的分解與像素的順序傳輸1.1.1景物像的分解1.1.2像素的順序傳輸?shù)?頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六所謂電視或即電視廣播，是通過電信系統(tǒng)將實時的或記錄的活動景物（附帶聲音或不帶聲音）在一定距離之外即刻重現(xiàn)其圖像和聲音的技術(shù)。第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六基本要求方面，重現(xiàn)圖像應(yīng)符合人眼的視敏特性、亮度層次感覺、視覺惰性、閃爍感覺、細(xì)節(jié)分辨力和色彩感知能力等特性，以保證顯示屏上的圖像相對于原景物像有極佳的逼真感，無可見瑕疵。實施方式方面，包括景物像怎樣轉(zhuǎn)換成電信號，對電信號作怎樣的處理、編碼和傳輸，以及在接收端怎樣使電信號還原出光圖像。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六實施方式中包括發(fā)送端的攝像、光電轉(zhuǎn)換、電信號處理和編碼傳輸，以及接收端的電信號接收、解碼處理和電光轉(zhuǎn)換圖像顯示。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六景物像分解，是將被拍攝景物通過攝像鏡頭成像于CCD上的光圖像分解成很多微粒像—像素，也就是將整個景物像解析為是由很多的像素組成的，每個像素攜載有亮度和色度信息。所謂像素順序傳輸，是使每個像素的亮度和色度信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換形成電信號后將各像素的電信號按照預(yù)定的時間先后，順序地向外傳輸，也即涉及像素掃描方式。第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六關(guān)于具體的景物像分解方式和像素數(shù)量選擇，在攝像機(jī)中它們的實現(xiàn)實際上是由CCD攝像器體面上的光敏單元數(shù)量及其陣列自動完成的，每一個光敏單元對應(yīng)于一個像素。1.1.1景物像的分解第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六像素順序傳輸是全部像素的電信號逐一地排隊輸出（順序傳輸），而不是一齊輸出（同時傳輸）。順序傳輸方式中只需一路電信號傳輸通道，按照時（間）分（割）方式傳輸各個像素的電信號。同時傳輸方式中，需要幾十萬甚至上百萬路以上的電信號傳輸通道，按照空（間）分（割）方式傳輸各個像素的電信號。1.1.2像素的順序傳輸?shù)?頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.2.1水平掃描和垂直掃描的參數(shù)1.2.2逐行掃描1.2.3隔行掃描1.2逐行掃描及隔行掃描第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六確定掃描特性的重要參數(shù)是掃描頻率及其倒數(shù)即掃描周期，還有掃描周期中正程時間與逆程時間兩者的長度。1.2.1水平掃描和垂直掃描的參數(shù)第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六水平掃描（行掃描）參數(shù)包括行掃描頻率fH、行掃描周期TH、行正程時間THt、行逆程時間THr和行逆程系數(shù)α。1.水平掃描參數(shù)第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六該頻率fH通常簡稱為行頻，它本身不是一個獨(dú)立變量而是一個因變量，行頻fH實際導(dǎo)出自幀頻fF（或場頻fv，fv=fF×2）和每幀畫面的總行數(shù)n（包括正程行數(shù)nt和逆程行數(shù)nr,n=nt+nr）。若每秒傳輸若干幀畫面的幀頻為fF，每幀畫面總行數(shù)為n，則行頻fH為fH=nfF=nfv/2（1）水平掃描（行掃描）頻率fH第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六常規(guī)電視中有TH=1/fH=1/15625=64μs國際上統(tǒng)一規(guī)定，THt和THr值分別為THt=52μs，THr=12μs行逆程系數(shù)α定義為THr與TH之比，α=THr/TH=12/64=0.1875=18.75%（2）行周期TH、行正程時間THt、行逆程時間THr和行逆程系數(shù)α第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六垂直掃描參數(shù)包括場掃描頻率fv、場掃描周期Tv、場正程時間Tvt、場逆程時間Tvr和場逆程系數(shù)β。2.垂直掃描第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六該頻率fv通常簡稱為場頻，其選擇取決于所重現(xiàn)活動圖像的運(yùn)動連續(xù)感、特別是觀看的畫面上沒有閃爍現(xiàn)象。根據(jù)人眼視覺特性，場頻fv應(yīng)高于45.8Hz，最好達(dá)到60Hz或更高。我國市電頻率為50Hz，所以頻率和幀頻選擇為fv=50Hz，fF=50/2=25Hz（1）場掃描頻率fv第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六場周期是場頻的倒數(shù)，有Tv=1/fv=1/50=20ms,TF=2Tv=40ms國際上規(guī)定，一幀625行的每場312.5行內(nèi)，場正程占287.5行，場逆程占25行。場正程時間Tvt和場逆程時間Tvr分別為Tvt=Tv×287.5/312.5=18.4msTvr=Tv×25/312.5=1.6ms（2）場周期Tv、場正程時間Tvt、場逆程時間Tvr和場逆程系數(shù)β第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六場逆程系數(shù)β定義為Tvt與Tv之比,常規(guī)電視和高清晰度電視的β值分別為βSD=25/312.5=0.008βHD=45/1125=0.04第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六逐行掃描中，攝像端的光敏器件CCD上一行行地依次使各光敏單元內(nèi)形成的電荷包轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鬏敵鲋岭娮柝?fù)載上，產(chǎn)生圖像電信號（或稱視頻信號）。逐行掃描視頻信號的帶寬Δf是指信號最高頻率fmax與最低頻率fmin之差，即Δf=fmax-fmin。1.2.2逐行掃描第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六如果畫面是一幀均勻亮度的灰白圖像，視頻信號的fmin可認(rèn)為是0Hz。至于視頻信號的最高頻率fmax，它產(chǎn)生于一行內(nèi)相鄰像素為黑白相間的畫面下。假設(shè)垂直方向有效行數(shù)為z行，有效畫面垂直高度為h，則有效畫面水平寬度為l時（l:h為幀型比或?qū)捀弑龋啃姓逃衵×l/h個像素，第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)過光—電轉(zhuǎn)換后的視頻信號，每幀畫面形成1/2×z2×l/h周正弦波號（只考慮方波的基波）。由于掃描幀頻為fF，所以視頻信號的fmax為fmax=1/2×l/h×z2×fF對式（1-10）須乘上一個修正因子（1-β）/（1-α）fmax=1/2×l/h×z2×fF×(1-β)/(1-α)第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六隔行掃描技術(shù)能在基本不影響圖像質(zhì)量水準(zhǔn)的前提下降低一半視頻信號帶寬，其優(yōu)點明顯。實用的是2∶1隔行掃描，將一幀畫面分成兩場進(jìn)行掃描，先掃描畫面平面上的奇數(shù)行圖像掃遍由奇數(shù)行構(gòu)成的奇場然后，進(jìn)入偶數(shù)行圖像的掃描，并包括偶場的場消隱期各行在內(nèi)，最后掃描完整幀，再進(jìn)入下一幀的奇、偶場掃描。1.2.3隔行掃描第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六模擬電視中，為了使接收端的顯像管（CRT）重現(xiàn)圖像在空間位置上具有準(zhǔn)確地交錯間隔的奇、偶場畫面，要求驅(qū)動顯像管電子束掃描的場頻和行頻兩個鋸齒電流的周期之間，有精確的比例關(guān)系，表達(dá)式為Tv=TH·(2k+1)/2=kTH+0.5TH=(k+0.5)TH具體地，k=312,所以Tv=312.5TH第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在數(shù)字電視方面，標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視系統(tǒng)中雖然也是625行/50場/2∶1隔行的掃描規(guī)范，但不需確保Tv=（k+0.5）TH的關(guān)系。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.3亮度視頻信號1.3.1概述1.3.2圖像信號1.3.3復(fù)合消隱信號1.3.4復(fù)合同步信號1.3.5全電視信號第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六通過行、場掃描由CCD輸出的有效畫面上的一行行、一場場景物像基帶電信號可稱為圖像信號，為了使接收端接收到時能在顯示屏上重現(xiàn)出畫面穩(wěn)定、水平不撕裂、垂直不滾動的正常圖像，還需在傳輸信號中加入行、場（掃描）同步信號。實際需要傳輸?shù)囊曨l信號應(yīng)由圖像信號、復(fù)合消隱和復(fù)合同步三大部分組成，在先前的黑白電視廣播中它們總稱為黑白（基帶）視頻信號，而在彩色電視廣播中則總稱為彩色（基帶）視頻信號。1.3.1概述第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六黑白電視廣播中，圖像信號是一路反映景物畫面上各像素明暗信息的亮度信號，在接收端可給出灰度層次對應(yīng)于景物像明暗的黑白畫面。彩色電視廣播中，每個景物像像素包含的彩色信息有亮度、色調(diào)和飽和度（后兩者可合稱為色度），用電信號表示時需要三路視頻信號。第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六實際中不是傳輸亮度、色調(diào)和飽和度三個信息而是傳輸從色度學(xué)理論中得到的等效信息紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）基色圖像信號，這三者實質(zhì)上相當(dāng)于三路黑白電視機(jī)那樣的單色信號，它們綜合相加便呈現(xiàn)彩色圖像。無論黑白電視或彩色電視，模擬視頻信號都是由圖像信號、復(fù)合消隱和復(fù)合同步組成的。第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六黑白電視中，圖像信號是攜帶景物明暗信息的電信號，彩色電視中，R，G，B三路基色信號是攜帶景物中紅、綠、藍(lán)基色圖像成分信息的電信號。1.3.2圖像信號第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六圖像信號不同于聲音信號，它是單極性的而不是雙極性的。電視演播室中的模擬視頻設(shè)備，輸入、輸出的圖像信號規(guī)定為正極性信號，額定峰—峰值（消隱電平-白電平）為0.7Vpp；一般地，消隱電平為0V，白電平為0.7V。所謂消隱電平，也是圖像信號的基準(zhǔn)電平，它所屬的時期為行（或場）消隱期，可簡寫為HBI（或VBI）。圖中的THr即對應(yīng)于HBI（12μs）。第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六圖像信號在顯像器件中呈現(xiàn)的實際最高（或白）電平的亮度Bmax與最低（或黑）電平的亮度Bmin之比稱為圖像對比度（反差），C=Bmax/Bmin。越寬的視頻信號頻帶，能給出越清晰的圖像。第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六復(fù)合消隱信號由行、場掃描逆程期間的行、場消隱脈沖組成，也稱復(fù)合消隱脈沖，在視頻信號中，復(fù)合消隱脈沖是與圖像信號結(jié)合在一起而不是獨(dú)立地可見的，但從視頻信號的組成來說復(fù)合消隱脈沖為一個獨(dú)立的信號成分。1.3.3復(fù)合消隱信號第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六視頻信號中的行消隱期（HBI）和場消隱期（VBI）并非只起抑制掃描逆程光跡和提供行、場同步信息的作用，其時段內(nèi)可以附加入許多其他用途的信息，特別是數(shù)字音頻信號，即通常所說的在視頻數(shù)據(jù)流內(nèi)嵌入數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六復(fù)合同步信號由分別疊加在行、場消隱脈沖上的行、場同步脈沖組成，也稱復(fù)合同步脈沖，其作用是在行、場消隱期間分別控制行、場掃描逆程的具體開始時刻，以確保重現(xiàn)圖像有穩(wěn)定的畫面構(gòu)成，不左右撕裂，不上下滾動。1.3.4復(fù)合同步信號第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六有幾個重要參數(shù)：①相對于圖像信號0.7Vpp峰—峰值，行、場同步脈沖為0.3Vpp；②行同步脈沖寬4.7μs，其前沿滯后行消隱前沿1.5μs，也即存在1.5μs寬的行消隱前肩；③場同步脈沖寬2.5TH，即寬1.6ms，其前沿滯后場消隱前沿2.5TH（1.6ms），也即存在1.6ms寬的場消隱前肩。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六由圖像信號、復(fù)合消隱信號和復(fù)合同步信號組成的完整視頻信號一般稱為全電視信號或復(fù)合視頻信號。復(fù)合消隱信號中的行消隱后肩上附加有色同步信號，這時的全電視信號專稱為彩色全電視信號或彩色復(fù)合視頻信號。黑白電視廣播中的全電視信號，主要示明包含奇、偶場內(nèi)場消隱期及其前后時段的視頻信號。1.3.5全電視信號第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六有幾個重要參數(shù)：①相對于圖像信號0.7Vpp峰—峰值，行、場同步脈沖為0.3Vpp；②行同步脈沖寬4.7μs，其前沿滯后行消隱前沿1.5μs，也即存在1.5μs寬的行消隱前肩；③場同步脈沖寬2.5TH，即寬1.6ms，其前沿滯后場消隱前沿2.5TH（1.6ms），也即存在1.6ms寬的場消隱前肩。第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六彩色電視廣播包括復(fù)合消隱、復(fù)合同步、行序號和脈沖幅度等參數(shù)。2.5TH寬的場同步脈沖開了5個槽，在其前、后又各有5個窄的均衡脈沖（寬2.35μs）此種設(shè)計目的在于保證行、場掃描的穩(wěn)定和奇、偶場圖像空間位置上的精確交錯鑲嵌。第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.4彩色視頻信號的組成1.4.1三基色原理1.4.2亮度和色差信號編碼第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六色度信息包含色調(diào)和飽和度，故總共需傳輸三個電信號參量，其中，亮度信息可以由CCD輸出的電信號（電壓或電流物理量）大小直接反映，然而，色調(diào)和飽和度信息難以由電信號物理直接反映。因此，通過三基色原理來解決。1.4.1三基色原理第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三基色原理，是指人眼觀看顯示器件上間接呈現(xiàn)的景物彩色圖像時，不要求恢復(fù)出原景物進(jìn)入攝像機(jī)的照明光源反射光的光譜成分，重要的是能使人眼獲得與直接觀看原景物時相同的灰度層次和色彩感覺。第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六R，G，B三路基色視頻信號各具有與前述黑白視頻信號相同的特性，都是625/50/2∶1掃描格式，有相同的掃描頻率和掃描相位，基帶信號的最高頻率都為6MHz，需要有三路通頻帶寬度為6MHz的通道進(jìn)行傳輸，或者說總的帶寬達(dá)到3×6MHz=18MHz。為此，根據(jù)人眼視覺特性和色度學(xué)理論將R，G，B基色信號轉(zhuǎn)換成一個亮度信號和兩個色差信號以壓縮總的傳輸帶寬。1.4.2亮度和色差信號編碼第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六首先，從R，G，B基色信號中導(dǎo)出一個正確地對應(yīng)于景物明暗比例程度的亮度信號Y，它完全等效于前述的黑白視頻信號，可單獨(dú)給出具有相應(yīng)灰度層次和確切細(xì)節(jié)的黑白圖像。根據(jù)彩色顯像管中涂敷的三基色熒光粉的色度坐標(biāo)（x,y）和電視系統(tǒng)采用的基準(zhǔn)白，從色度學(xué)計算中可據(jù)此計算出亮度信號Y的編碼公式，Y=0.299R+0.587G+0.114B第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六Y表示由此得出的相應(yīng)的亮度電壓。對于黑白景物（包括各級灰度層次），R，G，B電壓有著一致的大小，即總是R=G=B，黑白景物上總有Y=R=G=B，這稱為攝像端的白平衡?，F(xiàn)在的各種彩色電視系統(tǒng)中，這另兩個獨(dú)立信號均選為紅色差信號R-Y和藍(lán)色差信號B-Y，它們也是從R，G，B信號中分別導(dǎo)出的，根據(jù)式Y(jié)=0.701R-0.587G-0.114BB-Y=-0.299R-0.587G+0.886B第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六關(guān)于圖像分解力（或稱圖像清晰度），它與視頻信號帶寬間的關(guān)系有如下的簡單推導(dǎo)式。由于行正程THt=52μs，若畫面上水平方向有52周黑白變化，則從水平掃描中得到的視頻信號恰為1MHz；或者說，1MHz視頻信號可給出水平方向2×52=104條（明暗）電視線（TVL）。所以，6MHzY信號可給出624TVL亮度分解力，1.5MHz色差信號可給出156TVL色度分解力。觀看到的彩色電視圖像實際上相當(dāng)于精細(xì)的黑白圖像上疊加了稍欠精細(xì)的色度成分。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六接收端接收到Y(jié)0～6MHz，（R-Y）0～1.5MHz和（B-Y）0～1.5MHz三個信號，通過與編碼矩陣相逆的解碼矩陣恢復(fù)出R，G，B信號后，饋至顯示器件的三個基色信號激勵端借以產(chǎn)生彩色圖像；解碼矩陣公式為：R=Y0～6+（R-Y）0～1.5=R0～1.5+Y1.5～6G=Y0～6+（G-Y）0～1.5=G0～1.5+Y1.5～6B=Y0～6+（B-Y）0～1.5=B0～1.5+Y1.5～6

第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六（G-Y）0～1.5，發(fā)送端并未傳輸，但接收端可根據(jù)下式從接收到的R-Y和B-Y中得到：第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.5彩色電視中視頻信號的調(diào)制傳輸1.5.1視頻信號對高頻載波的調(diào)制1.5.2色差信號頻譜搬移和色度信號形成1.5.3彩色全電視信號和U，V信號第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六彩色視頻信號通過對高頻載波的調(diào)制才能向外傳輸。黑白電視廣播中，是將全電視信號對高頻載波進(jìn)行調(diào)制，具體采用以負(fù)極性全電視信號對高頻載波進(jìn)行調(diào)幅的方式，并對調(diào)幅產(chǎn)生的雙邊帶信號保持全部上邊帶而抑制掉大部分下邊帶，只殘留一小部分，即1.25MHz下邊帶，形成所謂的殘留（下）邊帶調(diào)幅傳輸方式。1.5.1視頻信號對高頻載波的調(diào)制第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六彩色電視模擬制式的傳輸中，由Y，R-Y，B-Y組成的彩色圖像信號其動態(tài)范圍在已調(diào)波中高電平不應(yīng)超出同步電平的已調(diào)波幅度，低電平不應(yīng)低于白電平的已調(diào)波幅度。第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一套電視節(jié)目占用的高頻帶寬總計8MHz，也即是一個電視廣播頻道的帶寬。除8MHz外，也有規(guī)定為7MHz和6MHz的標(biāo)準(zhǔn)。這種8MHz帶寬的電視頻道分配在黑白電視廣播中最先確定，彩色電視廣播隨之照樣遵循。第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六彩色電視信號通過高頻調(diào)制發(fā)射傳輸時必須將基帶視頻信號的頻帶限制于6MHz之下，因而Y，R-Y和B-Y三個信號也須綜合在6MHz之內(nèi)?？偟念l譜成分表達(dá)式可以用下列式子表示fnm=nfH±m(xù)fvfnm表示各個譜線成分，n為行頻fH的諧波次數(shù)，n=0～384，m為場頻fv的諧波次數(shù)，m=0～140。1.5.2

色差信號頻譜搬移和色度信號形成第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六確定一個頻率為fsc的色度副載波，由R-Y，B-Y對它作正交平衡調(diào)幅，兩個調(diào)幅波相加便形成所謂的色度信號。正交平衡調(diào)幅中的“正交”，是指RY對cosωsct進(jìn)行調(diào)幅，B-Y對sinωsct進(jìn)行調(diào)幅；而“平衡”是指采用抑制載波本身的調(diào)幅，其數(shù)字表達(dá)式為eR-Y=(R-Y)cosωscteB-Y=(B-Y)sinωsct第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六兩個色差信號的調(diào)幅波相加后合成為色度信號ec，數(shù)學(xué)表示式為第53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)過對典型的彩條信號電平的計算得知，75%幅度、100%飽和度的Y+e