第3章电视信号的数字化

数字电视原理第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3.1信号的数字化采样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。模拟信号、单位脉冲序列理想抽样函数和抽样输出信号三者的频谱关系3.1信号的数字化量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。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。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

A=M×ΔA=2n×ΔA

M和n的取值主要是由量化信噪比决定的。

量化信噪比

一般常用分贝表示为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非均匀量化通常有两种方法。一种方法是把非线性处理放在编码器之前和解码器之后的模拟电路部分，编、解码器中仍然采用均匀量化

采用非均匀量化(或称非线性量化)来改善量化信噪比。压缩扩张编码方式

另一种方法是直接采用非均匀量化，对于视频信号，在高效编码时常采用非均匀量化器。在MPEG标准中，DCT变换后对变换系数进行非均匀量化，低频信号采用细量化，高频信号采用粗量化。3.1信号的数字化编码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。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：频率小于20Hz的信号称为亚音(Subsonic)信号，或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，但人说话的信号频率通常在300Hz~3400Hz之间，人们把这种频率范围的信号称为语（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64200~3400AM11.0258单声道88.250~7000FM22.0516双声道705.620~15000CD44.116双声道1411.220~20000DAT4816双声道153620~200003.3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。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。

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。复合数字编码和分量信号编码框图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，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根据需要取不同

在数字电视中一般采用正交结构，这种结构在图像平面上沿水平方向取样点等间隔排列，沿垂直方向取样点上下对齐排列，这样有利于帧内和帧间的信号处理。

行交叉结构，每行内的取样点数为整数加半个。

视频信号的抽样结构3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定取样结构图采样频率选择：

(1)首先各国主观测试亮度信号带宽fm＝5.8~6MHz

，应该满足取样定理，即取样频率应该大于视频带宽的两倍。

(2)为了保证取样结构是正交的，取样频率应该是行频fH的整数倍，即

3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定(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

fs=m*2.25MHz

3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定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)(4)编码后的比特率Rb=fs·n，其中n为量化比特数。从降低码率考虑，fs应接近2fu3.3.1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6~7MHz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)4∶2∶0b)4∶2∶2c)4∶4∶43.3.1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8bit的均匀量化。8bit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10bit的量化。34图像分量信号量化比特数确定和码电平分配

从电视原理已知，亮度信号方程为：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

色差信号方程为：

R-Y=0.701R-0.587G-0.114B B-Y=-0.299R-0.587G+0.886B

3.3.1电视信号分量数字编码参数的确定亮度信号与色度信号特点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36100%彩条色度信号、亮度信号和色差信号的标称值

亮度信号Y:0～1

色差信号R-Y:－0.701～0.701

色差信号B-Y:－0.886～0.88637色差信号必须引入压缩系数，使得：

CR，CB:－0.5～0.5：KR==0.713KB==0.564归一化后的色差信号为：

比较：模拟彩色电视信号传输Y，U，VV=0.877(R-Y)U=0.493(B-Y)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3.3.2ITU-RBT.601建议

1982年2月，在CCIR第15次全会上，在通过的CCIR601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。作业P696．请画图示意说明4∶4∶4、4∶2∶2、4∶2∶0采样格式。按照均匀量化，分别求出亮度Y,色差U,V信号中对应的白、黄、青，绿、紫，红、蓝、黑8个电平的8bit码。写一篇关于高清晰度数字电视定义及其视频图像信号特点，视频信号接口定义的概述文章。3.3.2ITU-RBT.601建议参数625行/50场525行/60场有效扫描行数576480编码信号Y，CB，CR每行样点数亮度信号864858色差信号432429每行有效样点数亮度信号720色差信号360采样结构正交，按行、场、帧重复，每行中的