数字演播室高清晰度电视及其测试(上)－襄樊电视台戴延龄

关键词：数字高清晰度电视　扫描格式　取
自上世纪70年代，各国相继开展了对高清晰度电视(HDTV)的研究和开发工作，但进展一直比较缓慢。到了90年代，进入了模拟电视向数字电视转换的新时期，由标准清晰度电视(SDTV)向高清晰度电视过渡的进程大大加快。这里就演播室数字HDTV的格式、参数、接口做一介绍。
数字HDTV的格式和参数
参数选择的依据
在确定数字HDTV的参数之前，应当考虑所选定的参数具有最大的通用性，以便于实现国际节目交换，并以此作为参数选择的依据。
扫描格式
自电视诞生以来，场频一直沿用50Hz和60Hz(或59.94Hz，即60/1.001)这两种格式，对应的帧频分别为25Hz和30Hz(29.97Hz)。数字HDTV也不例外。场频是我们确定其它参数的一个重要出发点。另外，电视系统采用的扫描方式也有两种：逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描是一种理想的扫描方式，它的垂直清晰度高，便于数字寻址，图像压缩效率高，有利于实现与计算机的互操作性(计算机显示采用的是逐行扫描)；它的缺点是信号频带太宽，码率太高。隔行扫描则以牺牲上述优点为代价而换取了带宽的压缩和码率的降低，是目前普遍采用的扫描方式。
屏幕宽高比
高清电视所追求的首先是人的视觉感受。实验证明，采用16∶9的宽高比，更符合人眼的视觉特性，临场感更强。屏幕的宽高比是确定图像象素分布的依据。目前广泛采用的高清象素的分布格式为1920×1080，正好满足了16∶9的宽高比要求；而且，象素为1∶1方形结构。我们知道，计算机的常用分辨率为800×600或1024×768，即宽高比为4∶3，为方形象素。二者象素均为方形，同样有利于实现与计算机的互操作性。
取样频率和样点结构
数字HDTV的样点结构应当便于图像数字处理，以保持最佳的图像清晰度。这就要求每行、每场的取样点都是整数，使图像的样点结构在垂直方向上逐行、逐场对齐。这样的样点结构称为正交样点结构。要采用正交样点结构，取样频率必须为行频的整数倍。由于历史的原因，在传统的模拟HDTV中有着行频各不相同的扫描格式，取样频率采用2.25MHz的整数倍，就可以兼顾各种不同的扫描格式。
电影素材的转换
电影素材在电视节目中占有重要地位，但电影与电视的帧频是不同的。为此，在目前普遍采用的数字HDTV扫描格式中，除了上述场频为50Hz和60Hz的扫描格式之外，还有一种24Hz(23.976Hz)的扫描格式，它使得电影素材可方便地在数字HDTV中的编辑和播出。
如上所述，因场频和扫描方式的不同，在全球范围内，存在着多种高清格式。本文仅就1125行/50场/2∶1(隔行扫描)格式进行讨论，这与我国制定的演播室数字HDTV标准也是一致的。这一高清格式的主要系统参数列于表1。须要说明的是，由于Y、CB和CR视频分量编码信号的广泛运用，因此表1中只给出了Y、CB、CR的参数值；如果使用R、G、B分量信号，只需参考Y信号的参数即可。

取样和量化
摄像机输出的RGB信号经线性矩阵转换为亮度信号Y和两个色差信号CR和CB；RGB信号和亮度信号Y的带宽均为30MHz，色差信号的带宽为15MHz。与常规清晰度电视的单极性双电平同步信号不同，模拟HDTV采用的是双极性三电平(±３00mv和0)同步信号。行周期为1/28.125kHz=35.556μs。同步信号的波形、电平及分量信号Y(或R、G、B)、CR和CB的动态范围如图1所示，其中上图为Y信号，下图为CR、CB色差信号。

三个分量信号R、G、B与Y、CB、CR之间的换算关系为：
Y=0.2126R＋0.7152G＋0.0722B
CB=0.5389(B-Y)
CR=0.6350(R-Y)
须要注意，高清电视亮度与色差公式中的系数与标清电视有所不同。
在对模拟信号进行数字化处理时，须要对行、场正程期间的视频信号进行取样和量化，这样得出的取样点为有效样点。按照标准，每帧有效样点数应当是1920(水平方向)×1080(垂直方向)。标准规定：视频信号采用4∶2∶2分量编码，Y信号的取样频率为74.25MHz，CR或CB的取样频率为其一半，即37.125MHz。因此，每亮度行的总取样点数为：
74.25MHz/28.125kHz=2640
CR或CB色差信号的取样点数均为：
37.125MHz/28.125kHz=1320
三者合计，每行的总样点数为5280。每个样点采用10b量化(也可以采用8b量化)，那么总码率为：
(5280×10b)/35.556μs=1.485Gb/s
这就是数字高清的总数据率。当然，直接用Y与CR、CB取样频率之和再与10b相乘，所得出的总码率也是一样的。对行正程期间视频信号的10b量化电平的规定如图2所示。

取样和量化的过程也就是模／数转换的过程。亮度信号Y和两个色差信号CB、CR的取样和量化是分别进行的，它们各为10比特字。两个色差信号经过并行时分复用后(以下用CB/CR表示时分复用后的色差信号)与亮度信号组合为20比特字，每个20比特字对应一个CB/CR色差取样和一个亮度取样。按照规定，复用组合应当采用如下方式：
(CB0　Y0)(CR0　Y1)(CB2　Y2)(CR2　Y3)… (CBi　Yi)(CRi　Yi＋1)…
这里(CBiYi)表示每行第i个有效样点(i为偶数)，其中Yi表示每行第i个亮度取样，CBi和CRi表示每行第i个色差取样，它们与Yi属于位置相同的一个有效取样点。由上述比特字的排列方式可以看出，仅在每行第偶数个有效样点上才有色差取样(因样点序号从零开始，为便于说明，此处权将“0”也视为偶数)，第奇数个(i+1)样点上只有亮度取样而无色差取样，即CB或CR色差样点数均为亮度样点数的一半，这是因为CR或CB的取样频率为亮度取样频率的一半。
在亮度和色差信号的A/D转换过程中，按照规定，无论是亮度取样字还是色差取样字，均不允许使用000h至003h之间(十进制为0、1、2、3)及3FCh至3FFh之间(十进制为1020、1021、1022、1023)的量化电平级来表示样点幅度，这些数据字被作为保留电平。这样做也便于与8b量化编码格式兼容，因为取消这些量化电平后，在用二进制表示的10b有效样值的量化电平中，去掉末尾(即最低位)的两个零，就是相同电压幅度下的8b有效样值量化电平。例如，对于700mV的亮度信号，在10b量化编码格式中，其量化电平为1110101100(参见图2)，去掉末尾两个零，就是700mV在8b量化编码格式的量化电平11101011。
同步和定时
模拟分量信号经A/D转换之后，就形成了数字分量数据流。在模拟电视中，利用行场同步脉冲来实现收发两端的同步扫描；而在数字分量信号中，定时信息是通过有效视频结束(EAV)标志和有效视频开始(SAV)标志这两种定时基准码来传送的。SAV和EAV分别位于每一数字有效行的起始处和结束处，具体位置如图3所示。

由图3可知，模拟行和数字行的定时基准不在同一处。模拟同步基准点OH与数字行定时基准码SAV字终点的时间宽度为：
44T+148T=192T
其中T为数字亮度行的取样周期，它等于：
1/74.25MHz=13.468ns
定时基准码EAV或SAV均含有4个字，前3个字为固定的3FFh、000h、000h字，接收端正是凭借这3个字(一个全“1”，两个全“0”)来识别定时基准码。第4个字XYZ非常重要，它包含扫描格式(逐行或隔行)、场序识别、行场正程或逆程等信息，EAV与SAV的区分也在于XYZ字，其两个最低位(bit 0和bit 1)预置为零，其作用在于和8b量化兼容。其它8位(bit 2～bit 9)的含义为：
bit 9：始终固定为1；
bit 8 (F)：在逐行扫描系统中始终为0，在隔行扫描系统中，F=0时表示该行(即XYZ字所在行)位于第一场，F=1时表示该行位于第二场；
bit 7(V)：V=1表示该行位于场消隐期间，V=0表示该行位于有效图像期间；
bit 6(H)：H=1表示该定时基准码为EAV，H=0表示该定时基准码为SAV；
bit5、4、3、2(分别表示为P3、P2、P1、P0)：这4个比特称为保护比特，它们与F、V、H比特共同组成线性分组码序列，保护比特的取值决定于F、V、H的数值，从而为F、V和H比特提供检错和误码校正，在接收端可以检测出F、V和H 3个比特中的两位错码并能纠正其中一位错码。
图4是数字场的定时示意图。容易看出，因为F有0、1之分，所以该系统为隔行扫描格式；F=0时该行在第一场，F=1时则在第二场；凡V=0时该行处于有效图像期，凡V=1时则处在场消隐期；凡H=0时该定时基准码为SAV，凡H=1时则为EAV。

另外，由图4知，一帧总行数为1125，其中第1124行、1125行和1～20行位于第一场数字场消隐区，计22行；561～583行位于第二场数字消隐区，计23行。每帧场消隐区总共为45行。21～560行为第一场有效图像区，计540行；584～1123为第二场有效图像区，计540行。两场合计共1080行，即为一帧的有效图像行数。
每一亮度行(或CB/CR色差行)的样点序号从SAV后第一个有效样点开始计数，第一个样点序号为零，至SAV的终点为最后一个样点，序号为2639。
行序号指示和CRC校验
与数字SDTV不同，在数字HDTV的消隐期内，设有行序号指示字和循环冗余校验(CRC)字，接收端可以据此判断所接收的视频数据是属于哪一行，同时能够检测出某行视频数据经传输后是否存在差错。
从图3可以看出，紧随EAV序列4个字之后有两个字的行编号(LN0和LN1)，LN0和LN1合在一起，用11b的二进制数值(L0～L10)给出了它所在行的行序号，其比特分配参见表2。在这两个字中，最高位bit 9总是bit 8的逻辑非；两个最低位作为保留比特，预置为零。现举一例说明行序号指示的用法：假设LN0= 394h、LN1=220h，对应的二进制数据分别为1110010100和1000100000，按照表2对行序号的分配规定，可知该行的行序号为10001100101，即第1125行。

数字HDTV的CRC校验计算是按亮度数据行和CB/CR色差数据行分别进行的，而且是逐行校验。每一亮度数据行在行编号(LN0和LN1)之后有YCR0和YCR1两个数据字(见图3)，这两个字就是亮度CRC校验字。CRC校验的基本原理是把该行发送的视频数据比特序列当作一个数学多项式的系数(例如，一组比特序列1000010001可用F(X)=X9+ X4+1来表示)，并将它作为被除数，用一个收发双方预先约定的生成多项式作除数，二者相除后就得到一个余数多项式，在发送端将这个余数多项式的系数(它被称为CRC校验字)存放在YCR0和YCR1内，随同视频数据序列一起发送，在接收端采取与发送端同样的除法运算，如果计算出的余数多项式系数与存放在YCR0和YCR1内的系数相同，表示传输无差错；如果不同，则表示有误码产生。标准规定，CRC校验的生成多项式为：
CRC(X)=X18+X5+X4+1
由于它的最高次幂为18，因此余数多项式的最高次幂不可能超过17，用18b来存放CRC校验字是能够满足位数的要求。YCR0和YCR1数据字的比特分配如表3所示，最高位bit 9仍然是bit 8的逻辑非。实际上，CRC校验过程是从亮度行的第一个视频数据字即Y0开始计算，直到该行EAV后的行序号字LN1为止。CRC的初始值预置为零。这种循环冗余校验在接收端能够检测出视频数据流中所有1位、2位和奇数位的离散错，以及所有长度不大于18位的突发错(即连续的一串错码)，它对于长度大于18位的突发错也有相当强的检测能力。

在图3中，CB/CR色差行的行序指示字也为LN0和LN1，它们与亮度行中的对应行序号指示相同。CCR0和CCR1为色差行中CB/CR色差数据的CRC校验字。其校验过程与亮度行同。
有效图像区中的CB0、CR0、CB1、CR1…等为色差数据字。
在数字消隐期间，除SAV、EAV、行序号、CRC校验字和辅助数据外，其余数据字均使用消隐电平来填充。由图2知，在亮度行中，消隐电平为40h；在色差行中，消隐电平为200h。