数字电视信号的产生原理

一、数字电视信号的产生基础

在数字电视系统中，如何产生数字电视信号，并将其传播出去，是实现数字电视完整体系的基础之一。随着新一代电视广播的出现，广播机构已开始逐步采用数字摄像机和数字录像机来代替传统的模拟设备。并且随着新一代数字摄录设备的问世，广播视频领域和数字设备已经逐渐成熟起来。例如，1996年初，索尼公司推出了一种演播室用的摄像系统，就为新型HDTV数字摄像机奠定了物质基础。数字摄录设备的采用选型，主要是采用数字视频压缩技术的数字摄像机和数字录像机，能够为构建一个从拍摄到制作到播出的完整电视系统提供必要的支持和条件。因为作为广播业界，历来都将图像质量放在首位，使其能够达到CCIR601（ITU601）文件中所规定的广播级演播室数字视频标准。

我们现在知道：数字电视信号在作长距离传输、多次复制时都比模拟信号优越得多，因为，它不会累加噪声，同时也不会造成信号损失。数字电视信号，在影视画面上的特技制作上，在同等带宽通道内的信息量传输上，也都比模拟电视信号要方便、经济得多。随着当今数字技术的飞速发展，数字处理摄像机、数字切换台、数字特技机、硬盘编辑、记录系统等许多数字电视设备在逐步进入电视台，在不久的将来数字电视设备将占领电视台，从而使数字电视代替模拟电视。

然而，从现实出发，我国各地电视台所采用的电视设备，还普遍为模拟式，其传输、存储、节目交换都是模拟信号，要进入数字化，还需一个过渡阶段。例如，湖北省电视台于1994年底利用装一辆数字处理转播车的方法，来作为由模拟向数字过渡的奠基。虽然目前转播车的最后输出应是模拟复合信号，但随着数字摄像机和数字录像机的进入，一辆较为全面的数字转播车必将成为现实。

1.数字摄像机

在传统的模拟制彩色电视传送的基本方案中，是根据三基色原理，在发送端把自然景物的彩色利用分色系统分解成红、绿、蓝三种基色，进而用三支摄像管把三基色的光图像变换成相应的三个电信号，通过有线或无线的形式传送到接收端。摄像机所摄取自然景物的图像首先通过物镜，送到后面的分光镜上，如图1-2所示。分光镜有D1、D2二只，D1只反射蓝色光，并让其余色光透过，所以彩色中的蓝色光分量被分离出来，通过反射镜B1投到下面的蓝色光摄像管上。其余的色光透光分光镜D1到达分光镜D2。D2只反射红色光而让其余的绿色光透过。分离出的红色光通过反射镜B2投到上面的红色光摄像管上。最后剩下的绿色光通过D2投到后面的绿色光摄像管上。分解后的三幅基色光图像被转换为相应的三个电信号，再经处理变换之后传送出去，从而产生了模拟制彩色电视信号。

随着数字电视地面广播的实现，要求能够产生数字全电视信号的摄像机系统也迫在眉睫。因此，将数字信号处理技术运用到摄像机领域，就形成了一个新的课题。随之使用3只CCD摄像器件的3-CCD摄像机产生了。

什么是CCD器件呢？CCD是英Charge Coupled Device的缩写词，意为氧化物介质电容，具有电荷转移及延时特性。自1993年以来，日本NHK技术研究所利用3只CCD摄像器件形成的空间像素偏置技术，大大提高了HDTV摄像机的图像质量，从而新一代双重绿色拾取方式的高清晰度摄像机问世了。这种双重绿色拾方式被简称为DG拾取方式。其工作原理如图1-3所示。人们经过长期研究发现，要实现高清晰度电视，必须在彩色显像管的色品图进步的基础上，使亮度议程：

Y=0.30ER+0.59EG+0.11EB

调整在Y=0.212ER+0.70EG+0.08EB上，因为高清晰度电视（HDTV）系统所用荧光粉中绿色的主波长移向人眼最灵敏段，在提高亮度方面起了相当大的作用。

在如图1-3所示的采用DG拾取方式的摄像机中，主要运用了使G1-CCD和G2-CCD相对移动1/2像素距离的空间像素偏置技术，使空间偏置图像存在于两个G信号CCD之间，从而完全消除了G通道中的寄生信号，明显提高了G信号的清晰度。从上述高度方程中可以知道，在高清晰度电视系统中，[Page]G信号对亮度信号的影响是非常重要的，因此，改善G信号的质量，将意味着提高亮度信号的质量。而图像分解力则是数字电视系统的重要参数，重建图像的清晰度是数字图像质量的主要指标之一。

在DG拾取方式中，R和B信号并没有发生图像偏置技术，只是在光学低通滤波器的作用下，经同一只CCD器件通过。因此R和B的寄生信号还直接影响亮度信号的质量。为了解决这种3-CCD摄像机中所存在的不足，日本池上公司又推出了一种新型4-CCD摄像机。它是在3-CCD基础上将R和B信号用2只CCD器件拾取改进而成的。其基本原理示意图如图1-4所示。

在4-CCD摄像机中，G1CCD与G2CCD之间仍然保持空间位移设置。但与此同时，G1CCD与RCGD形成对应，G2CCD与BCCD与形成对应。RCCD与BCCD之间也存在了图像偏置。这种新型的CCD的布局，使空间偏置图像技术得以完善。因此，4-CCD摄像系统较3-CCD更为理想。

由于在4-CCD摄像机中，首次实现了RCCD与BCCD之间的图像偏置，使R和B分量之间也彼此抵消寄生信号，人而使摄像机视频通道中的寄生信号可以在更宽的范围内被消除。

4-CCD摄像机的出现有效地提高了HDTV摄像机的图像质量。由于它使用了4只CCD摄像器件，可以使每幅画面上的像素提高到130万个，使摄像机输出水平可以达到1200TVL，为数字图像的压缩偏码奠定了坚实基础。

2.数字录像机

自从广播电视诞生以来，图像质量一直是人们最关心的问题。为了提高图像质量，人们不断努力去开发研制数字录像机。

前几年由于硬盘录像机以及非线性编辑系统的开发成功，使广播业界一时间炒得很热。但由于硬盘价格较贵，视频网络技术不成熟，而且又不能取代电视台以磁带为主体的格局，这样数字视频压缩技术的数字录像机，便提到了议事日程的首位。

目前日本索尼公司、松下公司、胜利公司已生产出了数字磁带录像机，并且以数字磁带录像机为龙头的整个数字视频系统引入广播电视界已经走向成熟。在广播电视领域中，由摄像机摄取的活动图像，一般都要在演播室进行加工处理，因此，录像机就起了节目制作的重要作用。

数字录像机作为广播电视领域的应用，主要是为取得高精度编辑的效果，迷就要求数字录像机必须有可靠的高速磁鼓转速（4500-9000r/min）和处理高比特流（18-50mb/s）的能力，以及必要的技术指标。例如，目前索尼公司Betacam-sx格式录像机的主要技术指标有：

1.亮度信号（Y）取样率：13.5MHz。

2.Y/R-Y、B-Y取样比：4:2:2

3.量化比特：8bit.

4.压缩方式：MPEG-2

5.压缩比：10：1

6.数据率：18mb/s

7.音频：16b/48kHz,4通道

在上述指标中，亮度信号（Y）的取样率13.5MHz是依据CCIR601文件所规定的国际取样频率标准确定的。为了衡量数字视频信号是否达到广播级标准，在CCIR601文件中还规定了亮度信号与色度信号R-Y、B-Y的取样比，这个比值即为4:2:2。量化比特也是由CCIR601文件所规定的，但它后来修改为10bit。

在上述指标中，由于彩了10:1压缩，使得数据率较低，这样不仅保持了较好的黑种人质量，而且有利于录像机的整体设计。因为录像机在节目制作中有着十分重要的作用，所以录像机的格式必须有十分良好的可编辑性。

在目前的数字录像机中，除索尼Betacam-sx格式外，还有DVCAM格式，以及松下公司的DVCPRO格式、胜利公司的Digital-s格式等。它们在某些技术标准上略有一些差异，但其取样率都是13.5MHz。鉴于在本书中数字录像机只是作为对数字电视整体的了解，因此，对其他格式的录像机京不再予以介绍，望读者见谅。

索尼Betacam-sx格式的录像机，主要采用了帧间压缩技术，它可以使帧精度编辑效果十分突出，为剪辑工作提供了极大方便及可靠性。

在数字录像机中，常有基带比特流和压缩比特流两种编辑方式。所谓基带比特流编辑，是将压缩后的数据解压后进行编辑和记录，而压缩比特流编辑是在不解压的情况下直接利用压缩比特流进行编辑。对于两者的分析与比较，这里就不再分析介绍，因为它已远离电视维修知识的了解范围了。[Page]

总之数字录像机对整个数字化电视体系起着关键性的重要作用。

3.数字摄录机

随着科学技校的不断发展，摄像机和录像机正在向一体化方向发展。目前日本索尼公司、松下公司、胜利公司、夏普公司以及韩国的LG公司已有数字摄录机推出。例如，1995年9月日本索尼公司推出的DCR-JX1000型数字摄录机采用了分量记录系统分别记录宽带亮度分量Y和色度分量R-Y、B-Y信号，具有3倍于模拟视频的色度区域，其主要数字视频规格有：

1.信号系统格式：北美和日本的NTSC标准信号制式。

2.磁带：6.35mm数字视频盒带。

3.记录时间：60min

4.摄像器件：3只8.47mm(1/3英寸)CCD,41万像素。

5.录像器：17.78mm(0.7英寸)彩色LCD系统，18万像素。

6.变倍镜头：F1.6(f5.9-59mm)

7.最低照度：8Lx。

8.音频记录格式：数字16bit,48kHz;(立体声)12bit,32kHz.

9.外形尺寸：329mm×110mm×144mm

10.主机重量:1.4kg.

11.电池:NP-710

这种采用数字磁带记录的小型摄录机,极大地推进了消费电子数字化的进程,同时不仅应用于娱乐,而且也十分适宜信息应用.数字摄录机的数字能力,可同个人计算机和通信系统结合使用,为处理和传送图像数据开辟新途径.消费用数字摄录机系统可以25Mb/s的极快速度传送视频数据,保证了同未来设备和系统的兼容性.这种小型数字摄录机所用数字盒带可以存储11GB数据,因此具有很大的图像数据存储量.

随着计算机技术的全面普及与应用,1995年,美国、日本、德国又先后研制出了以计算机硬盘为记录媒体的数字摄录机和计算机编辑系统，使全新的电视节目制作编辑方式数字非线性编辑技术成为实现，从而形成了用数字化摄录机记录的，以MPEG-2标准压缩的32bit数字图像信号。

4.数字式录像磁带

随着数字摄录像机的出现，与之相适应的数字磁带也同时产生，它是用Multi Puretron材料蒸涂制作而成的。其记录密度为VHS磁带的六七倍，可记录和重放精细清晰的图像和具有临场感的声音。因此，它可以提供极优的高密度数字信号输出。

在国外，国在DVCAM磁带中装上了16kb或4kb的半导体存储器，所以常把数字式录像带盒称为录像带盒存储器。它可以配合数字处理摄录一体机在拍摄过程中形成由摄像开始就参与非线性编辑，从而完成在拍摄进程中自动生成索引画面和记录数据的两类常用信息。

所谓索引画面，是指在摄录活动画面的同时，每一个镜头的入点静帧画面都经过缩小到原来的1/64面积之后，形成小的静止画面。在装有16kb带盒存储器的DVCAM录像带上可记录198幅索引画面，而装有4kb带盒存储器的DV录像带上可记录45幅索引画面。这些索引画面住处全部记录在磁带最后一段素材的尾部。

所谓记录数据，是指对拍摄时出现的场号、次号、入点/出点、时码等许多十分重要信息进行的数据记录，并存放在带盒存储器中。

由于数字式录像带盒能够产生上述两种信息，而这种两种信息的建立，会使DVCAM录像机在读取记录数据的同时，可使显示屏上显示出相应的索引画面。这就为编辑提供了可靠数据，从而大大减少了传统编辑过程中查看所有磁带，进行镜头剪辑、编辑、拷贝等所耗费的时间。

由于有数字式录像带盒，便完全可以改变传统的编辑模式。并且，从摄录一体机到录像机以及非线性编辑系统，全部采用相同的离散余弦变换的压缩方式，信号可以通过QSDI这一数字接口以四倍的速度传输，形成了一个全数字化链，它的最大特点还在于数码流在反复的压缩/解压缩中不会有任何的信号损失，保证在拷贝过程中视频图像质量不会降低。因此，数字式录像带盒将会完全取代目前普通的录像带盒。

5.数字性线性编辑

所谓数字非线性编辑，是一种应用计算机技术使视频信号A/D量化记录，编辑链路以MPEG-2标准进行压缩信号，以图表方式检索素材，编辑过程由计算机自动处理完成为特征的全新视频制作技术。我们知道，在传统的模拟线性编辑技术中，是利用摄录机、编辑机等对模拟视频信号进行摄取、加工的过程。通过剪辑、复制处理，最后形成了一条组合了视、音频磁迹的模拟信号集合。这种传统的模拟线性编辑技术，对素材先后次序不能进行随心所欲的调整与排序，不能随意进行插入非等长于原[Page]CTL的画面等操作，从而极大地限制了节目制作的灵活性与方便性。数字非线性编辑技术的出现很好地解决了传统线性编辑中所存在的一系列问题。

数字非线性编辑技术具有以下最为明显的优点：

（1）数字非线性编辑系统全部的工作过程均以32bit数字量化压缩算法完成，因此视频信号处理链路基本不受外界噪波干扰，没有传统模拟线性编辑过程中的打火、失落、跟踪不良现象产生，图像质量高。

（2）由于是数字信号的编辑，所以图像质量不会因设备的新旧而出现大的差别。

（3）制作节目快捷，高效。

（4）节小机时，设备使用寿命长。传统的视频磁头寿命为500-1000小时，计算机硬盘为300000小时。

（5）硬件接口标准化，适应多种编辑软件，可随意制作多种ADO特技，增加节目的可看性。

（6）具备多代拷贝而才劣化的特点。

（7）由于编辑系统基于计算机技术，易于构建大型甚至全球视频网络，从而使节目的交换及素材资料资源共享成为可能。

（8）由于视频和音频均可以被采集和量化，因而还可以应用静帧冻结技术，制作出多彩多姿的图像电子邮件或软件封面，在多媒体制作领域中加以应用，

（9）设备体积小，便携性能好，易于挂接计算机互联风格，编辑、传输工作可以随时随地进行。

数字非线性编辑技术的硬件基础是基于以高速CPU，SCSI硬盘阵列、高效动态视频图形采集压缩编码处理器等为特征的计算机编辑系统，其软件基础多是以UNIX、WINDOWS、OS/2为平台开发的各种图形、图像编播制作系统。由于素材信息的标识地址在硬盘中的排序是随机的，因此编辑人员可以对其进行任意调用、编辑，并加入多种多样的ADO数字特技，用ALPHA通道，组织多达十余层的动态叠加画面，每层画面中还可以独立应用多种滤波特技，形成多种绥繁复杂的影视形像。编辑人员无需考虑素材在硬盘物理地址中的先后顺序与长度，无需考虑图像拷贝修改的次数与质量，当编辑图表输入、排序后，这些长达数小时的图像素材便由计算机自动进行编辑、重放，录制，无需人来干预。

总之，数字非线性编辑技术的兴起给习惯于传统线性编辑方式的电视工作者带来了新的机遇与挑战，迫使在视频制作领域揿起了一场新的革命。

6.数码流的压缩技术

随着数字化电视技术的兴起，在我国由模拟制向数字化过渡中的一些标准问题，已摆在通向数字化的路口。根据最新数字技术及数字设备的特点，数据压缩技术的标准，将是数字化后的电视信号能否正常播出与传输的关键问题。因为，由于计算机技术以及磁盘和网络/服务器的非线性编辑技术，将使数字化后的电视信号数据量极大，使1秒时间内的视频图像占据27MB，码率高达216Mbps，对硬件要求十分严格。

目前，在广播电视领域，数字压缩技术标准主要有依据1982年国际上制定的CCIR601建议书中所确定的能实现PAL和NTSC两种制式兼容的4:2:2分量编码标准而实行的MJPEG和MPEG-2两种方式。

（1）JPEG是对静止图像采用帧内编码压缩，M-JPEG是把运动的视频序列作为连续的“静止图像”来处理，如以每秒25帧的速度来完成对静止图像压缩。这种压缩方式只对帧内的空间冗余进行压缩不对帧间的时间冗余进行压缩，因此，其压缩效率不高。但这种压缩方式单独、完整地压缩每一帧，在编辑过程中可随机存取任意帧，精确到帧的编辑。MJPEG的压缩和解压缩是对称的，可由相同的硬件和软件实现。

M-JPEG方式在广播播级，图像质量为D1、D5时的压缩比为1，码率为165.6Mbps，存储时间为0.8min/GB；在专业级，图像质量为S-VHS，HIB时的压缩比为8，码率为20.7Mbps，存储时间为6.46min/GB

（2）MPEG-2是一种应用运动补偿帧间预测与离散余弦变换的编码，在编码时，图像序列被分为I帧、P帧和B帧，然后对其采取不同的压缩编码方式。其中：I帧为帧内编码帧；P帧为前向预测编码帧；B帧为双向预测帧。

在帧间预测压缩中，以若干帧图像作为一个GOP（图像组）进行处理时，视频图像的帧数愈多，同等压缩比下图像质量就愈高。但是它对后期制作中随机存取某一帧不利。[Page]

MPEG-2与M-JPEG相比较，最为突出的特点是：在处理图像的“简单”与“复杂”区域能自动变换压缩率，在同一帧内使用不同的压缩比，而在M-JPEG中，同一帧内必须使用用一压缩比。同时，在压缩成丁同像质量的条件下，MPEG-2图像所占的空间只是M-JPEG图像的10~-15%，因此，在图像采集、制作、传输、播出各领域中，MPEG-2已是主流压缩格式。

1996年1月，国际慕尼黑会议确认了具有高广播图像质量和高编辑精度的MPEG-2MP@ML标准。它更能够容许较短的GOP，使之适应于节目制作的精确编辑。