第5章 电视的形成、处理与记录

1、5.1 数字演播室系统数字演播室系统v模拟电视向数字电视过渡，数字设备逐渐替代模拟模拟电视向数字电视过渡，数字设备逐渐替代模拟设备，使模拟演播室成为数字演播室。设备，使模拟演播室成为数字演播室。v在数字演播室内，设备之间流通的信号为串行数字在数字演播室内，设备之间流通的信号为串行数字接口（接口（SDI，Serial Digital Interface）信号。）信号。v未压缩的未压缩的10位量化视频信号，数据传输速率位量化视频信号，数据传输速率270Mb/s，可以提供高质量的信号以满足对播出信，可以提供高质量的信号以满足对播出信号的要求。号的要求。第第5章章 电视信号的形成、处理与记录电视信号的

2、形成、处理与记录串行数字视频接口信号串行数字视频接口信号v彩色电视图像信号有两种彩色电视图像信号有两种PCM编码方式：分量编码编码方式：分量编码和全信号编码，数字演播室采用全信号编码。和全信号编码，数字演播室采用全信号编码。v全信号编码：对彩色电视信号直接进行编码，形成全信号编码：对彩色电视信号直接进行编码，形成数字信号。数字信号。v对全信号编码必须满足的条件：采样点满足正交结对全信号编码必须满足的条件：采样点满足正交结构。采样频率一般选取构。采样频率一般选取4fsc，既满足正交结构又克，既满足正交结构又克服了色度副载波对亮度的影响。服了色度副载波对亮度的影响。v串行信号不单独传送时钟，接收端

3、需要从接收信号串行信号不单独传送时钟，接收端需要从接收信号中恢复出时钟。为避免过多的连中恢复出时钟。为避免过多的连“0”和连和连“1”，加，加入扰码。入扰码。用伪随机码加扰的方法也称为随机化的方法，是采用伪随用伪随机码加扰的方法也称为随机化的方法，是采用伪随机码（机码（PRBS）对输入的）对输入的MPEG-2 码流进行随机化处理。码流进行随机化处理。就是用较长的伪随机序列与就是用较长的伪随机序列与MPEG-2 序列送入移位寄存器序列送入移位寄存器一个比特一个比特地一个比特一个比特地“模模2 加加”，使原来的信号规律也具，使原来的信号规律也具有了伪随机性质。这样连有了伪随机性质。这样连“0”、连

4、、连“1”的现象就被消灭了。的现象就被消灭了。 SDI信号在传输中采用反转的不归零码（信号在传输中采用反转的不归零码（NRZI）跳变代表跳变代表“1”，不跳变代表，不跳变代表“0”1 1 1 0 0 1 0 05.1 数字演播室系统数字演播室系统v数字演播室的主要设备：数字演播室的主要设备： 各类视频源，视频矩阵，切换台，同步信号发生器，数字特各类视频源，视频矩阵，切换台，同步信号发生器，数字特技机，非线性编辑机，视频分配器，监视器。技机，非线性编辑机，视频分配器，监视器。v设备之间采用串行数字接口（设备之间采用串行数字接口（SDI，Serial Digital Interface）。）。 S

5、DI信号在传输中采用反转的不归零码信号在传输中采用反转的不归零码（NRZI），不单独传送时钟，接收端需要从接收信号中恢），不单独传送时钟，接收端需要从接收信号中恢复出时钟。为避免过多的连复出时钟。为避免过多的连“0”和连和连“1”，加入扰码。，加入扰码。v未压缩的未压缩的10位量化、串行传输的视频信号，数据传输速率位量化、串行传输的视频信号，数据传输速率270Mb/s。5.2 彩色电视摄像机彩色电视摄像机v完成光电转换并形成电视信号的主要设备。完成光电转换并形成电视信号的主要设备。v彩色电视摄像机的基本组成彩色电视摄像机的基本组成 （3大部分）：大部分）： 摄像机头摄像机头镜头、分光系统、摄像

6、管、预放器、镜头、分光系统、摄像管、预放器、扫描电路、寻像器、电源及附属设备等。扫描电路、寻像器、电源及附属设备等。视频信号处理部分视频信号处理部分模拟处理：黑斑校正、模拟处理：黑斑校正、 校正、增益提升、白平衡调校正、增益提升、白平衡调节、杂散光校正、黑电平调整等；节、杂散光校正、黑电平调整等；数字处理：数字处理：A/D转换、彩色校正、精细的转换、彩色校正、精细的校正、三维校正、三维滤波、轮廓校正等。滤波、轮廓校正等。编码器、同步机。编码器、同步机。三片式彩色三片式彩色CCD摄像机方框图摄像机方框图5.3.1 图像信号中直流分量的恢复图像信号中直流分量的恢复电视信号各帧电视信号各帧的直流分量

7、反的直流分量反映景物的背景映景物的背景亮度，通常是亮度，通常是缓慢变化的。缓慢变化的。视频通道多采视频通道多采用交流放大，用交流放大，使直流分量丢使直流分量丢失，在重现图失，在重现图像中看不到背像中看不到背景亮度的缓慢景亮度的缓慢变化，造成图变化，造成图像像亮度的畸变亮度的畸变。5.3 图像信号的处理图像信号的处理（a）具有直流分量的图像信号）具有直流分量的图像信号（b）图像信号中的直流分量）图像信号中的直流分量（c）丢失直流分量后的图像信号）丢失直流分量后的图像信号通常采用三极管强迫钳位电路：通常采用三极管强迫钳位电路：信号输入信号输入已钳位信号输出已钳位信号输出钳位脉冲钳位脉冲T1T2T3

8、+E+利用利用钳位电路钳位电路，把随图像内容变化的黑电平重新钳定在同一，把随图像内容变化的黑电平重新钳定在同一个电平上，以恢复图像信号。个电平上，以恢复图像信号。（行消隐期间）（行消隐期间）C钳位电路的另一个作用是消除低频干扰。如下图叠加在行钳位电路的另一个作用是消除低频干扰。如下图叠加在行消隐信号上的低频干扰，经钳位电路后被有效的抑制。但消隐信号上的低频干扰，经钳位电路后被有效的抑制。但钳位电路不能消除调制型干扰。钳位电路不能消除调制型干扰。叠加型干扰可以消除叠加型干扰可以消除调制型干扰不能消除调制型干扰不能消除钳位电路对低频干扰的作用钳位电路对低频干扰的作用5.3.2 黑斑校正黑斑校正查找

9、表查找表E E5.3.3 校正校正 5.3.4 彩色校正彩色校正380400500600700光谱响应光谱响应380400500600700光谱响应光谱响应380400500600700光谱响应光谱响应GGB倒相衰减倒相衰减R倒相衰减倒相衰减1.4.3 摄像光谱相应曲线摄像光谱相应曲线显像三基色显像三基色混色曲线混色曲线5.4 彩色电视信号编码器彩色电视信号编码器vPAL制编码器制编码器PAL制制CVBS由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合消隐信号和复合同步信号组成。消隐信号和复合同步信号组成。方案方案1：平衡调幅后对：平衡调幅后对VF色度分量逐行倒相色

10、度分量逐行倒相方案方案2：先对：先对(RY) 逐行倒相，后平衡调幅逐行倒相，后平衡调幅方案方案3：先对色副载波：先对色副载波cossct逐行倒相，后平衡调幅逐行倒相，后平衡调幅 1. 副载波逐行倒相的副载波逐行倒相的PAL制编码方案制编码方案不同相位的副载波方波波形图不同相位的副载波方波波形图0180( (t t) )e e( (t t) )e e( (t t) )e ev vu ub bb bb b t tK K( (t t) )c co os s2 21 1( (t t) ) )1 18 80 0t tK K( (t t) )S Si in n( (2 21 1s sc ck ks sc

11、c 色副载波相位信息色副载波相位信息PAL识别信息识别信息存在问题存在问题场同步期间色同步信号干扰场同步的分离场同步期间色同步信号干扰场同步的分离教材教材P111 (3-24)为保证场同步可靠分离，为保证场同步可靠分离，在场同步期间（包括前均衡后均衡）最好没有色同步出现，在场同步期间（包括前均衡后均衡）最好没有色同步出现，在场同步和前均衡后均衡期间在场同步和前均衡后均衡期间“挖掉挖掉”色同步信号。色同步信号。色同步消隐门脉冲色同步消隐门脉冲场同步：场同步：2.5H前均衡：前均衡：2.5H后均衡：后均衡：2.5H色同步消隐门脉冲宽度色同步消隐门脉冲宽度7.5H因为因为PAL色同步信号为逐行倒相信

12、号，色同步信号为逐行倒相信号，欲使消隐前的最后一行与消隐后第一行的色同步相位相同，欲使消隐前的最后一行与消隐后第一行的色同步相位相同，消隐门脉冲的宽度必须为消隐门脉冲的宽度必须为奇数奇数个行周期个行周期规定：门宽取规定：门宽取9H为保证色副载波锁相的稳定，各场中断前后的色同步相位应相同为保证色副载波锁相的稳定，各场中断前后的色同步相位应相同又因为又因为PAL色同步信号为逐行倒相信号，且每帧为奇数行色同步信号为逐行倒相信号，且每帧为奇数行625，若第一帧奇数行为不倒相行，则第二帧的不倒相行为偶数行，若第一帧奇数行为不倒相行，则第二帧的不倒相行为偶数行，则固定的则固定的9H消隐门只能保证同一个消隐

13、门前后的色同步同相，消隐门只能保证同一个消隐门前后的色同步同相，不能保证不能保证两帧四场两帧四场的消隐门前后的色同步都同相。的消隐门前后的色同步都同相。不能保证两帧四场的消隐门前后的色同步都同相。不能保证两帧四场的消隐门前后的色同步都同相。解决办法：消隐门位置不固定解决办法：消隐门位置不固定色同步消隐门每场向前移色同步消隐门每场向前移1/2H，四场循环一次，四场循环一次色同步消隐迂回脉冲门色同步消隐迂回脉冲门为保证为保证两帧四场两帧四场的消隐门前后的色同步相位都同相的消隐门前后的色同步相位都同相PAL的特有问题的特有问题色同步消隐迂回门色同步消隐迂回门5.4.2 MPEG编码器编码器 MPEG

14、编解码器主芯片编解码器主芯片SM2210视频引擎视频引擎单元单元锁相锁相回路回路微控制器微控制器单元单元预处理预处理单元单元细化与判决细化与判决单元单元SDRAM控制单元控制单元后处理后处理单元单元视频流视频流单元单元运动估计运动估计单元单元主机接口主机接口单元单元主机主机位流位流/命令命令SDRAM视频数据视频数据像素时钟像素时钟27MHzBT.601/BT.65681MHz27MHz系统时钟系统时钟3.3V1.8Vv视频引擎单元：视频引擎单元：DCT和和IDCT，量化和反量化，变长编码和，量化和反量化，变长编码和解码，运动补偿等。解码，运动补偿等。v视频流单元：编码时，形成视频流单元：编码

15、时，形成PES包，插入包头信息；解码时，包，插入包头信息；解码时，从从PES包中提取包头信息。包中提取包头信息。v运动估计单元：完成前向或双向整像素运动估计。运动估计单元：完成前向或双向整像素运动估计。v细化与判决单元：细化运动矢量到半像素精度；帧内细化与判决单元：细化运动矢量到半像素精度；帧内/帧间帧间编码模式判决，运动补偿模式选择。编码模式判决，运动补偿模式选择。vSDRAM控制单元：为各功能单元提供与片外控制单元：为各功能单元提供与片外SDRAM编解编解码数据缓存器的接口。码数据缓存器的接口。v主机接口单元：用于与主机接口单元：用于与PC主机系统的通信。主机系统的通信。v微控制单元：从主

16、机下载微码，调度芯片各功能单元的工作。微控制单元：从主机下载微码，调度芯片各功能单元的工作。v预处理单元：对输入视频进行格式变换预处理单元：对输入视频进行格式变换(隔行隔行/逐行、帧率逐行、帧率)。v后处理单元：由后处理单元：由SDRAM中的重建帧生成符合中的重建帧生成符合BT.601标准的标准的4：2：2格式数字电视信号，包括格式转换。格式数字电视信号，包括格式转换。MPEG编码器外围电路编码器外围电路摄像头摄像头模拟视频解码模拟视频解码器器SAA7114模拟视频编码模拟视频编码器器BT860MPEG编解码编解码器器SM2210SDRAM调谐器调谐器FM1236USB接口控制接口控制CY7C

17、68013音频复用音频复用S端子端子/CVBS输入输入RF输入输入音频信号输入音频信号输入音频信号输出音频信号输出与与PC通信通信S/CVBS输出输出BT.601/BT.656格式信号格式信号 2I C 2I C 2I Cv调谐器调谐器FM1236：将射频信号解调成：将射频信号解调成CVBS信号。信号。v模拟视频解码器模拟视频解码器SAA7114：将摄像头摄取的视频信号，来：将摄像头摄取的视频信号，来自自S/CVBS端口的视频信号，或来自调谐器的端口的视频信号，或来自调谐器的CVBS信号进信号进行行A/D转换，形成转换，形成BT.601/BT.656格式的数字信号。格式的数字信号。vMPEG编

18、解码器编解码器SM2210：将来自：将来自SAA7114或直接输入的或直接输入的BT.601/BT.656格式的数字信号进行格式的数字信号进行MPEG-2压缩编码，形压缩编码，形成数字电视信号基本流。成数字电视信号基本流。v模拟视频编码器模拟视频编码器BT860：为检验编码效果，接收来自：为检验编码效果，接收来自SM2210的解码后的的解码后的BT.601/BT.656格式的数字信号，编码格式的数字信号，编码成成PAL或或NTSC制模拟电视信号。制模拟电视信号。vUSB接口控制接口控制CY7C68013：通过：通过USB接口下载来自主机的接口下载来自主机的控制微码，并通过控制微码，并通过I2C

19、总线设置总线设置FM1236、 SAA7114、 BT860的参数；另一方面，通过主机接口完成的参数；另一方面，通过主机接口完成MPEG比特流比特流的传输。的传输。5.5 模拟电视射频信号的形成模拟电视射频信号的形成v频带约为频带约为0Hz6MHz的视频基带信号和的视频基带信号和50Hz15KHz的音频基带信号必须调制在射频载波上，形的音频基带信号必须调制在射频载波上，形成射频（成射频（RF）信号，以无线电波的形式向外传播。）信号，以无线电波的形式向外传播。我国地面广播电视系统射频全电视信号我国地面广播电视系统射频全电视信号(1)(1)、使用频段：、使用频段： 甚高频甚高频VHFVHF：48M

20、Hz48MHz223MHz223MHz 超高频超高频UHFUHF：470MHz470MHz960MHz960MHz(2)(2)、调制方式：、调制方式： 图像信号的调制采用残留边带调幅图像信号的调制采用残留边带调幅(VSB) (VSB) ，伴音信号采用，伴音信号采用调频调频(FM)(FM)。由于图像与伴音的调制方式不同而不致于互相干。由于图像与伴音的调制方式不同而不致于互相干扰，接收到的伴音信号的质量也较高。扰，接收到的伴音信号的质量也较高。5.5.1 图像信号的调制1. 1. 残留边带调制方式残留边带调制方式 VSB (Vestigial SideBand modulation)VSB (Ve

21、stigial SideBand modulation) 双边带调幅双边带调幅DSB-AMDSB-AM和单边带调幅和单边带调幅SSB-AMSSB-AM( )cos ( )cos ( )coscos11 coscoscos221 ( )coscos2mmmccccmmcccmcmmcmccmutUtu tUtu tUUttUtUtUtu tUtU设单频调制信号 载波双边带调幅波-单边带调幅波11 coscossinsin22cmcmmcmmctUUttUtt单边带调幅与双边带调幅相比，调制信号的幅度下降为单边带调幅与双边带调幅相比，调制信号的幅度下降为1/21/2，而且增加了一个正交调制项。而且

22、增加了一个正交调制项。(2)(2)残留边带调幅残留边带调幅 VSB-AM (Vestigial SideBand AM)VSB-AM (Vestigial SideBand AM)发送一个完整的上边带和一小部分下边带，即发送一个完整的上边带和一小部分下边带，即0.75MHz0.75MHz以内为双以内为双边带，边带，0.750.751.25MHz1.25MHz为不对称双边带，为不对称双边带，1.251.256MHz6MHz为单边带。为单边带。伴音载频伴音载频f fS S比图像载频比图像载频f fP P高高6.5MHz6.5MHz，距，距f fP P为为 -1.25MHz-1.25MHz处的最小衰

23、处的最小衰减量为减量为20 dB20 dB。残留边带幅频特性：残留边带幅频特性：v已调信号的频带比已调信号的频带比 DSB窄，节省频率资源；窄，节省频率资源；v频带形成滤波器比频带形成滤波器比SSB易实现，相频特性非线性小；易实现，相频特性非线性小；v易检波解调；易检波解调；v利于伴音第二中频的内差载频的产生。利于伴音第二中频的内差载频的产生。vVSB是一种不均衡调制，若幅频特性不加改变进行是一种不均衡调制，若幅频特性不加改变进行检波，则低于检波，则低于0.75MHz的双边带频率成分检波输出的双边带频率成分检波输出的振幅比的振幅比1.256MHz的单边带频率成分大一倍，的单边带频率成分大一倍，

24、产生幅度失真。产生幅度失真。v因此，要恢复原来信号频谱，就要求接收机的中放因此，要恢复原来信号频谱，就要求接收机的中放具有特殊幅频特性。具有特殊幅频特性。接收机中放的特殊幅频特性接收机中放的特殊幅频特性图像中频图像中频伴音中频伴音中频表示接收机中频特性准确地调整到表示接收机中频特性准确地调整到A A点（斜线的中点），所希点（斜线的中点），所希望的平滑的幅频特性；望的平滑的幅频特性；表示接收机中频特性调整到表示接收机中频特性调整到B B点，高频衰减；点，高频衰减；表示接收机中频特性调整到表示接收机中频特性调整到C C点，高频加强，低频相对减弱。点，高频加强，低频相对减弱。调制极性调制极性 图像信

25、号采用负极性调制图像信号采用负极性调制优点：优点：效率高效率高同步脉冲顶对应于图像发射机输出功率最大值，同步脉冲顶对应于图像发射机输出功率最大值，图像中亮的部分一般比暗的部分面积大，因而负极性调制的图像中亮的部分一般比暗的部分面积大，因而负极性调制的平均功率比峰值功率小平均功率比峰值功率小5060，即发射效率高。另一方，即发射效率高。另一方面，同步信号可以在一定程度上忍受调制特性大幅度时的非面，同步信号可以在一定程度上忍受调制特性大幅度时的非线性失真，因此负极性调制所能发射的最大功率约为正极性线性失真，因此负极性调制所能发射的最大功率约为正极性调制的调制的1.5倍。倍。干扰小干扰小在传输过程中

26、，当有脉冲干扰叠加在调幅信号在传输过程中，当有脉冲干扰叠加在调幅信号上时，对正极性调制来说，干扰脉冲为高电平上时，对正极性调制来说，干扰脉冲为高电平(白电平白电平)，经，经解调后在荧屏上呈现为亮点，较易被人眼察觉；而负极性调解调后在荧屏上呈现为亮点，较易被人眼察觉；而负极性调制，干扰脉冲仍为高电平，但经解调后在荧屏上呈现为暗点，制，干扰脉冲仍为高电平，但经解调后在荧屏上呈现为暗点，人眼对暗点不敏感，并且也易为自动干扰抑制电路消除或减人眼对暗点不敏感，并且也易为自动干扰抑制电路消除或减弱。弱。有利于有利于AGCAGC控制控制负极性调制还便于将同步顶用作基准负极性调制还便于将同步顶用作基准电平进行

27、自动增益控制电平进行自动增益控制(AGC)。 伴音信号的调制伴音信号的调制调频调频(FM)(FM)电视广播中伴音信号的频率范围取：电视广播中伴音信号的频率范围取：50Hz-15kHz50Hz-15kHz之间。之间。我国规定伴音己调信号的最大频偏我国规定伴音己调信号的最大频偏ffm m为为50kHz50kHz，则伴音信号已调波的带宽则伴音信号已调波的带宽B B： B B2(f2(fm m+f+fm m) )2(50+15)2(50+15)130kHz130kHz。调频信号的预加重调频信号的预加重调频信号的边频丰富，具有良好的抗干扰性能。但由于伴音信调频信号的边频丰富，具有良好的抗干扰性能。但由于

28、伴音信号频率范围相对较宽，当频偏一定时，音频的低端与高端的调号频率范围相对较宽，当频偏一定时，音频的低端与高端的调频指数频指数mf mf 相差很大，高频端的相差很大，高频端的mf mf 很小，使高频端的抗干扰能很小，使高频端的抗干扰能力变差。解决的办法是在发端采用预加重措施，在接收端采用力变差。解决的办法是在发端采用预加重措施，在接收端采用去加重电路，以均衡高、低端的抗干扰能力。去加重电路，以均衡高、低端的抗干扰能力。 射频全电视信号的频谱及频道划分射频全电视信号的频谱及频道划分 视频图像信号和伴音信号分别对图像载频和伴音载频进行视频图像信号和伴音信号分别对图像载频和伴音载频进行VSBVSB调

29、幅和调幅和FMFM调频后形成射频全电视信号，其频谱如下图所示，调频后形成射频全电视信号，其频谱如下图所示，总频带宽度总频带宽度( (频道带宽频道带宽) )为为8MHz8MHz。每个电视频道以每个电视频道以8MHz8MHz为间隔，我国电视频道在为间隔，我国电视频道在VHFVHF和和UHFUHF频段频段共分为共分为6868个频道。个频道。VHF-：4892MHz （DS1DS5）VHF-：167223MHz （DS5DS12）UHF-：470566MHz （DS13DS24）UHF-：606958MHz （DS25DS68）有线电视增补频道：有线电视增补频道：A1： 111167MHz （Z1 Z

30、7）A2：223 295MHz （Z8 Z16）B： 295 463MHz （Z17 Z37）5.6 模拟电视同步信号的形成模拟电视同步信号的形成22625scHscHHVffffff1111284-+284-+46254625-25-258 85522722782275252 s sc cH Hf ff f2fH=625fVfSCfSC -25f fsc(色副载波色副载波)2fH=31.25kHz fH fV f0 T0 1/ f00.8us3T0 均衡脉冲宽度均衡脉冲宽度6T0 行同步脉冲宽度行同步脉冲宽度为保证场同步可靠分离，在场同步和前、后均衡期间需要消隐为保证场同步可靠分离，在场同步

31、和前、后均衡期间需要消隐色同步信号。通过色同步信号。通过色同步消隐迂回门脉冲色同步消隐迂回门脉冲来消隐来消隐K脉冲实现。脉冲实现。 数字电视演播室时钟频率：数字电视演播室时钟频率：f027MHz27MHz/213.5MHz（亮度信号采样频率）（亮度信号采样频率）13.5MHz/26.75MHz（色度信号采样频率）（色度信号采样频率）13.5MHz/86415625Hz（625/50扫描行频）扫描行频）13.5MHz/85815734.265Hz（525/60扫描行频）扫描行频）5.6.2 将外来电视节目源的各种同步信号锁定在本地同步机所产将外来电视节目源的各种同步信号锁定在本地同步机所产生的各

32、信号的频率与相位上生的各信号的频率与相位上。现在普遍用帧同步。现在普遍用帧同步机进行台主锁相。机进行台主锁相。 简单的台从锁相简单的台从锁相台主锁相台主锁相5.7 电视信号的录放原理电视信号的录放原理 数字视盘的格式和标准：数字视盘的格式和标准： VCD（Video Compact Disk）：）： MPEG-1视频压缩，分辨力视频压缩，分辨力352288，存储量，存储量700MB SVCD（Standard Video Compact Disk ）：）： MPEG-2视频压缩，分辨力视频压缩，分辨力480576，存储量，存储量700MB DVD（Digital Video Disk 或或 D

33、igital Versatile Disk ）：）： MPEG-2视频压缩，视频压缩，RS乘积纠错编码，乘积纠错编码，EFM-Plus调制，分辨调制，分辨力力720576， 存储量存储量: 第第5章习题章习题5.1 为什么射频电视图像信号用负极性、为什么射频电视图像信号用负极性、VSB调幅方式发射，而调幅方式发射，而射频电视伴音信号采用调频方式？画出一行射频电视图像信号射频电视伴音信号采用调频方式？画出一行射频电视图像信号示意波形图，标出相对电平值（以示意波形图，标出相对电平值（以1000750彩条图像信彩条图像信号为例）。号为例）。5.2 画出我国模拟彩色电视广播射频电视发射机幅频特性，注明画出我国模拟彩色电视广播射频电视发射机幅频特性，注明图像、伴音、副载频的位置及