第3章 电视信号的数字化

非均匀量化实现方式
音频：压缩扩张编码方式 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 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 两个基本参数是幅度和频率。
声波信号按频率划分： －频率小于20Hz的信号称为亚音(Subsonic)信号，或
几种典型数字电视设备数据格式
不压缩时码率的计算（一）
码率=抽样频率×每样点的比特数
对DVD图像格式(4:2:2)可作如下计算: Y 13.5MHz×8bit=108Mb/s U 6.75MHz×8bit=54Mb/s V 6.75MHz×8bit=54Mb/s 合计=216Mb/s 如按MPEG-2标准压缩后的速率为8.448Mb/s,则 压缩比约 为26:1; 如按MPEG-1标准压缩后的速率为2.048Mb/s,则压缩比约 为100:1
数字录音带
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
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
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。
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视频信号要多。
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。
3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定
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＝5.8~6MHz 为保证足够小的混叠噪声，采样频率fs应取（2.2
~ 2.7） fm 。采样频率fs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 间和帧间的信号处理。因此，应使fs满足fs＝mfH 的关系
电视信号（单极性信号）的量化信噪比
量化信噪比
信号峰峰值 噪声均方根值

SPP
A 2n

2
Nq (r.m.s) A2
3 2n
12
用分贝表示:

S PP

20 log 2
N q (r.m.s) dB
3 2n
10.8 6n
结论： 量化比特数n每增加1bit，则信噪比上升6dB； 反之，每下降1bit，信噪比降低6dB。
M A A
A:信号幅度， △A:量化间距
采用二进制编码，所需比特位数n:
M = 2n
均匀量化与非均匀量化
均匀量化时的信噪比
量化噪声功率Nq:
T
Nq

1 T
T 2

T 2
e(t)
2dt

A2 T3
t3 3
2

T 2

A2 12
结论：
量化分层幅度△A越小，量化误差引起的失真功 率也越小。
现行兼容，应采用同一采样频率;
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)4∶2∶0 b)4∶2∶2 c)4∶4∶4
3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定
量化比特数的确定和量化级的分配 量化比特数
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。
/
亮U
信
色
号
D
分
编
离V
码
Y
分
量
D
信U 号
/
解
A
码V
模拟全电视信号
分量数字编码的优点 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，而且编码几乎与电视制式无 关; 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可根据需要取不同值;
按照ITU-R BT.601建议，用于传输时的视频信号 量化比特数取n=8 bit，此时，量化信噪比应为59dB。
数字信号在传输过程中只要不产生误码，或者 当所产生的误码被全部纠正过来时，就不会增加新的 噪声。所以，在测量数字电视的信噪比时，基本上可 由量化信噪比来确定。
声音信号(双极性信号)量化信噪比
采样频率 /kHz
8
量化 精度 /bit
8
11.025
8
声道数 数码率(未压缩)/ 频带/ Hz kbit/s
单声道 单声道
64
200~3400
88.2
50~7000
FM
22.05
16
双声道
705.6
20~15000
CD
44.1
16
双声道
1411.2
20~20000
DAT
48
16
双声道
1536
20~20000
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
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。
编码 是按照一定的规律，把量化后的离散值
3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定
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
仅使用220个量化级，保留上20级下16级
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
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
=864×η=864×0.83=720 (η:水平回扫率) 一帧有效行数=625-50=575 (取576,即表示去掉场消隐后的有效行数) 一帧图像样点数 =720×576=414720 Y的码率=720×576×8bit×25Hz=82.944Mb/s
不压缩时码率的计算（二）
= 一帧图像样点样数×每样点比特数 ×每秒帧数(25Hz)
一帧图像样点样数 =每行有效样点数×一帧图像的有效行数
对DVD图像格式可作如下计算： (1)对Y信号来说
一行样点数=(抽样频率)/(行频)
=(13.5MHz)/(15.625kHz)=864 一行有效样点数
电视信号量化信噪比:
SPP 2 3 A
Nq (r.m.s)
A
声音信号量化信噪比:
Smax 3 2A 2 Nq 2 A
当均匀量化间距ΔA固定时，量化信噪比随 输入信号幅度A的增加而增加。
这就使得在强信号时可把噪声淹没掉，但在 弱信号时，噪声的干扰就十分显著。
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
3.1 信号的数字化 3.2 音频信号的数字化 3.3 视频信号的数字化 3.4 电视视频信号的频谱 3.5 空间频率 3.6 电视信号亮色分离的基本原理
3.1信号的数字化
数字设备采集 数字电视信号的产生
模拟信号转换
采样频率/
亮度信号
13.5
MHz
色差信号
6.75
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8bit 量化
量化级
亮度信号 色差信号
共220个量化级，消隐电平对应于第16量化级，峰值白电 平对应于第235量化级
共225个量化级（16~240），色差信号的零电平对应于第 128量化级
同步
第0级和第255级保留
设声音信号的最大幅度为A，它是从+A到A范围内变化。对它均匀量化成N级，有： 2A=N·△A，N=2n (以二进制表示)
量化信噪比:
Smax
A2 2
3 22n
Nq
2 A2
12
用分贝表示:

S
m
ax

6.02 n 1.76
N q dB
用非均匀量化改善量化信噪比
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
13.5MHz=15625Hz 864= 4.5 Hz 858 286
采样频率
经常使用的采样频率有:11.025kHz、22.05kHz、 32kHz、44.1kHz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。
量化比特数 经常采用的量化比特数有8bit、12bit和16bit。
为了使色差信号电平的动态范围控制在0.5 到+0.5之内：
Y 0.299R 0.587G 0.114B R Y 0.701R 0.587G 0.114B B Y 0.299R 0.587G 0.886B
ECR 0.713ERY 0.500ER 0.419EG 0.081EB ECB 0.564EBY 0.169ER 0.331EG 0.500EB
3.3.2 ITU-R BT.601建议
参数
625行/50场
525行/60场
有效扫描行数
576
480
编码信号
每行样点数
亮度信号 色差信号
Y，CB，CR
864
858
432
429
每行有效样
亮度信号
720
点数
色差信号
360
采样结构
正交，按行、场、帧重复，每行中的CR，CB的样点同位 置，并与每行第奇数个（1，3，5，…）亮度的样点 同位置
用二进制数字表示，以进行传输或记录。
量化比特数及量化噪声
量化 幅度
等级
f (t)
6.5 A
f '(t)
5.5 A
4.5 A
3.5 A
2.5 A
△A:量化间距
1.5 A
f(t):视频信号 f’(t):量化后的
0.5A 0
A
f (t) - f '(t)
t
2
电平函数值
A
t
2
量化级数：M
称为次音信号； －频率高于20kHz的信号，称为超声波(Ultrasonic)信
号； －频率在20Hz-20kHz之间的声波是人耳可以听到的声
音，称之为音频(Audio)信号; －人的发音器官发出的声音频率约在80Hz-3400Hz之间，
人说话的信号频率通常在300Hz-3400Hz之间，把这种 频率范围的信号称为语（话）音信号(Speech voice)
et eY t eC t A
全 信
全 信
D
模拟全电视信号
/
号
号
/
D
编
解
A
码
码
模拟全电视信号
理论上很容易 易形成亮色干扰，影响图像质量 各个电视制式无法兼容统一
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。
模拟全电视信号
Y
数
分
A
字
量
3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定
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
仅使用225个量化级，保留上15级下16级
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 4∶2∶2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。
用非均匀量化改善量化信噪比
ຫໍສະໝຸດ Baidu
电视信号量化信噪比:
SPP 2 3 A
Nq (r.m.s)
A
声音信号量化信噪比:
Smax 3 2A 2 Nq 2 A
量化间距ΔA随输入信号幅度A的改变而改变。强 信号时粗量化(加大ΔA)，弱信号时细量化(减小ΔA)， 也就是采用非均匀量化(或称非线性量化)来改善量化 信噪比。
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）
常见声音信号的参数
质量 等级
电话 话音 AM
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