数字电视 第2章 数字电视信号参数的选择及演播室标准
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取样周期Ts的整数倍，即要求取样频率fs应等于行频fH的 整数倍，即
2.3.2 取样频率的选择
在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应该从以 下4个方面考虑。 (1) 首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于 视频带宽的两倍。
13
(3) 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同的扫描格 式。
24
2.4.4 电视信号的量化 • 1． 量化前的归一化处理 在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和E(B-Y)进行量化和 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：
25
26
• 2. 码电平分配及数字表达式
(1) 亮度信号量化后码电平分配
在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间 隔的量化级，其二进制的范围是00000000～11111111， 相应的十进制范围为0～255。
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。
34
(3) 4∶2∶2数字流的构成
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。
演播室数字编码的主要参数 (4∶2∶2格式)如表
2-3所示。
29
30
31
(2) 视频数据与模拟行同步间的定时关系
32
33
2.5.2 数字分量电视信号的接口 • 1．并行和串行接口通用的信号格式
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：
Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 ,……. Cb360Y719Cr360, Y720
2.6.2
数字高清晰度电视扫描参数及图像格式
1. 场频
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和视频信号频带 不致过宽等，国际上一直采用50Hz和60Hz两种场频 • 2． 扫描方式 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，而目前国际上在HDTV 和SDTV中既有隔行扫描方式，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，可使视频信号带宽降低为逐行扫描时的一半。 47
其中n为量化比特数，符号INT［］表示对［］中 的小数部分四舍五入取整数。
28
2.5 标准清晰度数字电视演播室标准
2.5.1 演播室数字编码参数
ITU-R BT.601-5:Studio encoding parameters of digital television for standard 4:3 and wide-screen 16:9 aspect rations GB/T 14857-93
7
图像平面和二维取样脉冲
8
在水平方向上的取样间隔为Δx，在垂直方 向上的取样间隔为Δy, 取样后的信号为
其频谱为
式中：Δv=1/Δy为垂直取样频率； Δu=1/Δx为水平取样频率；δ(x,y)为单位冲激 序列。 取样前后的频谱示意图如图所示。
9
不发生混叠的条件是Du<2xh ; Dv<2yh 电视是将三维的函数变成一维的函数来处理的
Y6 ,……. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的顺序进行传输。
25芯12对双绞线
39
(2) 并行接口电气特性
• ① 时钟与数据的定时关系
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。 • ② 收、发间线路驱动器特性 收发之间每位数据采用平衡双绞线传输 • ③ 容许的电缆长度
我 国 HDTV 标 准 采 用 分 辨 率 为 1 920 × 1 0 8 0 ， 帧 频 为 25Hz的隔行扫描方式。 • 3． 图像格式
(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
wk.baidu.com625/50/2∶1，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
35
36
37
38
• 2．比特并行接口
(1) 机械特性
每帧的数字视频以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 ,
信号f(t)。
4
模拟信号理想取样前后的频谱
5
ns sin 1 N 2 F (n ) Fs ( s n Ts N 0 s 2
只要满足取样定理并且τ/Ts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。
6
2.2 二维信号的取样
对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点 的亮度Y是光波长λ、水平位臵x、垂直位臵y和 时间t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件， 因此有如下的积分关系：
23
a2 2 2 S S 3 a a 2 2 2 2 n max Nq D A 2 Nq A A 12
2.4.3 量化噪声对图像的影响
如果量化比特数n选得过小，量化噪声对图像的影 响主要有以下几方面。
(1) 颗粒杂波 (2) 伪轮廓 (3) 边缘忙乱
A=M×ΔA=2n×ΔA
M和n的取值主要是由量化信噪比决定的。
1 Nq TS
Ts 2
Ts 2
DA D A2 tdt TS 12
21
• 2． 视频信号(单极性信号 )的量化信噪比 电视信号量化信噪比一般用信号峰-峰值与量化 噪声有效值之比表示，即
一般常用分贝表示为
22
• 3． 声音信号(双极性信号)量化信噪比
fs=m· 2.25MHz(15625/15734.265)
(4) 编码后的比特率Rb=fs· n，其中n为量化比
特数。
14
几种取样格式
15
2.3.3 色度格式
• 1． 4∶2∶2格式
在4∶2∶2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
一半，即
16
2． 4∶4∶4格式 在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率 与亮度信号取样频率相同，即
44
2.6 数字高清晰度电视
2.6.1 概述
高清晰度电视(High Definition Television，HDTV)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。
45
HDTV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HDTV 的基本参数提出了如下的要求。 (1) 提高图像的空间分解力。 (2) 提高场频或帧频，应确保高亮度下图像 不闪烁。 (3) 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 感强。 (4) 展宽色域，提高电视色彩的感染力。 (5) HDTV 应有高质量的环绕立体声，至少 有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。 46
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误差。 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，每个取样的量化都和其他所有
取样无关，因此也称为无记忆量化。矢量量化
是多维量化，是先将K个取样值序列形成K维空
间中的一个矢量，然后将此矢量进行量化。
19
2.4.1 量化器的设计
亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比为
17
• 3． 4∶2∶0格式
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
• 4． 4∶1∶1格式 在4∶1∶1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
18
2.4 量 化 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信号的映射变换
由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频 特性限制了使用的电缆长度。
40
3． 比特串行接口
比特串行接口(Serial Digital Interface，SDI)中，每
个10比特的数据字经并/串转换电路后变成串行 用单芯同轴电缆传输。
的数据流，传输码率从27Mbit/s变为270Mbit/s，
41
(1) 并/串变换
输入数据由27MHz的时钟信号并行写入移位寄存器， 然后用10倍频的270MHz时钟串行读出。
(2) 扰码
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。
42
第2章 数字电视信号参数 的选择及演播室标准
模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和
编码。 取样——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。 量化——将幅度连续信号转换为幅度离散的 信号，即幅度离散化。 编码——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。 1
(2) 色差信号量化后码电平分配
色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB的动态范围为0.5～0.5，让色差零电平对应码电平256÷2=128，色 差信号总共占225个量化级。
27
(3) 码电平数字表达式
亮度和色差信号量化以后取其最邻近的整数作为 码电平值，其数字化表达式为
DY=INT［(219EY+16)×2n-8］ DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］ DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］
间间隔为Ts，取样频率为fs＝1/Ts。
（1）经过理想取样后，输出信号的频谱Fs(ω)是原模 拟信号的频谱F(ω)以ωs为周期延拓形成 则满足 ωs≥2ωh时，则取样后的信号 fs(t)通过一个截止
(2) 如果原模拟信号频谱 F(ω)的频谱范围在 ωh 之内，
频率为ωs/2的理想低通滤波器后，可以无失真地恢复原
10
2.3 数字电视信号参数的选择
电视信号的数字化处理有数字分量编码 数字分量编码方式是对三基色信号 ER，
和数字复合编码两种方式。
EG 和 EB 或对亮度信号和色差信号 EY，ER-Y 与 EB-Y分别进行数字化处理。
11
2.3.1 取样结构的选择
取样结构图
12
为了保证取样结构是正交的，要求行周期 TH 必须是
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M，根据量化误差的 均方值为最小来设计量化器； (2) 给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化 电平总数M尽量小。
20
2.4.2 均匀量化器
• 1． 均匀量化器原理
设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一 量化间隔ΔA是相等的，共分为M级，设M=2n， 其中n为量化比特数，即
模拟信号数字化框图如图所示，其中fc为滤波器
的截止频率，fs为取样频率。
2
2.1
取样定理
2.2
2.3
二维信号的取样
数字电视信号参数的选择
2.4
2.5 2.6
量 化
标准清晰度数字电视演播室标准 数字高清晰度电视
3
2.1 取 样 定 理
对一个时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时
(3) 码型变换
图2-21中的NRZ-NRZI编码器是把非归零码(NRZ)变换 成倒相的非归零码(NRZI)。
(4) 机械特性
在数字比特串行接口中用特性阻抗 75 Ω的单芯同轴电
缆传输信号，接插件为标准的BNC型接头。Bayonet NeillConcelman
43
图2-21扰码电路和NRZ-NRZI变换编码电路
设声音信号的最大幅度为A，动态范围是+A～-A 对它均匀量化成M级，则有 2A=M×ΔA=2n×ΔA其中n为量化比特数。
S max 量化信噪比 Nq A2 3 2n 2 2 2 DA 2 12
S max Nq 1.76 6n dB
S S max A 20 lg Nq a dB Nq dB
2.3.2 取样频率的选择
在数字电视中，亮度信号取样频率的选择应该从以 下4个方面考虑。 (1) 首先应该满足取样定理，即取样频率应该大于 视频带宽的两倍。
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(3) 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同的扫描格 式。
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2.4.4 电视信号的量化 • 1． 量化前的归一化处理 在对模拟电视分量信号EY、E(R-Y)和E(B-Y)进行量化和 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：
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• 2. 码电平分配及数字表达式
(1) 亮度信号量化后码电平分配
在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间 隔的量化级，其二进制的范围是00000000～11111111， 相应的十进制范围为0～255。
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。
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(3) 4∶2∶2数字流的构成
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。
演播室数字编码的主要参数 (4∶2∶2格式)如表
2-3所示。
29
30
31
(2) 视频数据与模拟行同步间的定时关系
32
33
2.5.2 数字分量电视信号的接口 • 1．并行和串行接口通用的信号格式
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：
Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 , Y4 ,……. Cb360Y719Cr360, Y720
2.6.2
数字高清晰度电视扫描参数及图像格式
1. 场频
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和视频信号频带 不致过宽等，国际上一直采用50Hz和60Hz两种场频 • 2． 扫描方式 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，而目前国际上在HDTV 和SDTV中既有隔行扫描方式，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，可使视频信号带宽降低为逐行扫描时的一半。 47
其中n为量化比特数，符号INT［］表示对［］中 的小数部分四舍五入取整数。
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2.5 标准清晰度数字电视演播室标准
2.5.1 演播室数字编码参数
ITU-R BT.601-5:Studio encoding parameters of digital television for standard 4:3 and wide-screen 16:9 aspect rations GB/T 14857-93
7
图像平面和二维取样脉冲
8
在水平方向上的取样间隔为Δx，在垂直方 向上的取样间隔为Δy, 取样后的信号为
其频谱为
式中：Δv=1/Δy为垂直取样频率； Δu=1/Δx为水平取样频率；δ(x,y)为单位冲激 序列。 取样前后的频谱示意图如图所示。
9
不发生混叠的条件是Du<2xh ; Dv<2yh 电视是将三维的函数变成一维的函数来处理的
Y6 ,……. Cb360 Y719 Cr1360, Y720的顺序进行传输。
25芯12对双绞线
39
(2) 并行接口电气特性
• ① 时钟与数据的定时关系
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。 • ② 收、发间线路驱动器特性 收发之间每位数据采用平衡双绞线传输 • ③ 容许的电缆长度
我 国 HDTV 标 准 采 用 分 辨 率 为 1 920 × 1 0 8 0 ， 帧 频 为 25Hz的隔行扫描方式。 • 3． 图像格式
(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
wk.baidu.com625/50/2∶1，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
35
36
37
38
• 2．比特并行接口
(1) 机械特性
每帧的数字视频以Cb1Y1Cr1 , Y2, Cb2Y3Cr2 , Y4, Cb3Y5Cr3 ,
信号f(t)。
4
模拟信号理想取样前后的频谱
5
ns sin 1 N 2 F (n ) Fs ( s n Ts N 0 s 2
只要满足取样定理并且τ/Ts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。
6
2.2 二维信号的取样
对于一个彩色平面活动图像来说，图像中任一点 的亮度Y是光波长λ、水平位臵x、垂直位臵y和 时间t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件， 因此有如下的积分关系：
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a2 2 2 S S 3 a a 2 2 2 2 n max Nq D A 2 Nq A A 12
2.4.3 量化噪声对图像的影响
如果量化比特数n选得过小，量化噪声对图像的影 响主要有以下几方面。
(1) 颗粒杂波 (2) 伪轮廓 (3) 边缘忙乱
A=M×ΔA=2n×ΔA
M和n的取值主要是由量化信噪比决定的。
1 Nq TS
Ts 2
Ts 2
DA D A2 tdt TS 12
21
• 2． 视频信号(单极性信号 )的量化信噪比 电视信号量化信噪比一般用信号峰-峰值与量化 噪声有效值之比表示，即
一般常用分贝表示为
22
• 3． 声音信号(双极性信号)量化信噪比
fs=m· 2.25MHz(15625/15734.265)
(4) 编码后的比特率Rb=fs· n，其中n为量化比
特数。
14
几种取样格式
15
2.3.3 色度格式
• 1． 4∶2∶2格式
在4∶2∶2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
一半，即
16
2． 4∶4∶4格式 在4∶4∶4格式中，色差信号Cr和Cb的取样频率 与亮度信号取样频率相同，即
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2.6 数字高清晰度电视
2.6.1 概述
高清晰度电视(High Definition Television，HDTV)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。
45
HDTV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HDTV 的基本参数提出了如下的要求。 (1) 提高图像的空间分解力。 (2) 提高场频或帧频，应确保高亮度下图像 不闪烁。 (3) 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 感强。 (4) 展宽色域，提高电视色彩的感染力。 (5) HDTV 应有高质量的环绕立体声，至少 有4路数字伴音通道，伴音带宽应达20kHz。 46
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误差。 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，每个取样的量化都和其他所有
取样无关，因此也称为无记忆量化。矢量量化
是多维量化，是先将K个取样值序列形成K维空
间中的一个矢量，然后将此矢量进行量化。
19
2.4.1 量化器的设计
亮度取样频率和两个色差信号的取样频率之比为
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• 3． 4∶2∶0格式
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
• 4． 4∶1∶1格式 在4∶1∶1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
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2.4 量 化 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信号的映射变换
由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频 特性限制了使用的电缆长度。
40
3． 比特串行接口
比特串行接口(Serial Digital Interface，SDI)中，每
个10比特的数据字经并/串转换电路后变成串行 用单芯同轴电缆传输。
的数据流，传输码率从27Mbit/s变为270Mbit/s，
41
(1) 并/串变换
输入数据由27MHz的时钟信号并行写入移位寄存器， 然后用10倍频的270MHz时钟串行读出。
(2) 扰码
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。
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第2章 数字电视信号参数 的选择及演播室标准
模拟信号的数字化过程主要是取样、量化和
编码。 取样——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。 量化——将幅度连续信号转换为幅度离散的 信号，即幅度离散化。 编码——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。 1
(2) 色差信号量化后码电平分配
色差信号经过两次归一化处理后，ECR和ECB的动态范围为0.5～0.5，让色差零电平对应码电平256÷2=128，色 差信号总共占225个量化级。
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(3) 码电平数字表达式
亮度和色差信号量化以后取其最邻近的整数作为 码电平值，其数字化表达式为
DY=INT［(219EY+16)×2n-8］ DCB=INT［(224ECB+128)×2n-8］ DCR=INT［(224ECR+128)×2n-8］
间间隔为Ts，取样频率为fs＝1/Ts。
（1）经过理想取样后，输出信号的频谱Fs(ω)是原模 拟信号的频谱F(ω)以ωs为周期延拓形成 则满足 ωs≥2ωh时，则取样后的信号 fs(t)通过一个截止
(2) 如果原模拟信号频谱 F(ω)的频谱范围在 ωh 之内，
频率为ωs/2的理想低通滤波器后，可以无失真地恢复原
10
2.3 数字电视信号参数的选择
电视信号的数字化处理有数字分量编码 数字分量编码方式是对三基色信号 ER，
和数字复合编码两种方式。
EG 和 EB 或对亮度信号和色差信号 EY，ER-Y 与 EB-Y分别进行数字化处理。
11
2.3.1 取样结构的选择
取样结构图
12
为了保证取样结构是正交的，要求行周期 TH 必须是
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M，根据量化误差的 均方值为最小来设计量化器； (2) 给出固定量化误差要求，设计量化器使其量化 电平总数M尽量小。
20
2.4.2 均匀量化器
• 1． 均匀量化器原理
设在输入信号的动态范围A内进行均匀量化，每一 量化间隔ΔA是相等的，共分为M级，设M=2n， 其中n为量化比特数，即
模拟信号数字化框图如图所示，其中fc为滤波器
的截止频率，fs为取样频率。
2
2.1
取样定理
2.2
2.3
二维信号的取样
数字电视信号参数的选择
2.4
2.5 2.6
量 化
标准清晰度数字电视演播室标准 数字高清晰度电视
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2.1 取 样 定 理
对一个时间连续信号f(t)进行等时间间隔取样，取样时
(3) 码型变换
图2-21中的NRZ-NRZI编码器是把非归零码(NRZ)变换 成倒相的非归零码(NRZI)。
(4) 机械特性
在数字比特串行接口中用特性阻抗 75 Ω的单芯同轴电
缆传输信号，接插件为标准的BNC型接头。Bayonet NeillConcelman
43
图2-21扰码电路和NRZ-NRZI变换编码电路
设声音信号的最大幅度为A，动态范围是+A～-A 对它均匀量化成M级，则有 2A=M×ΔA=2n×ΔA其中n为量化比特数。
S max 量化信噪比 Nq A2 3 2n 2 2 2 DA 2 12
S max Nq 1.76 6n dB
S S max A 20 lg Nq a dB Nq dB