PAL 全电视信号的特征与处理_图文

发布于:2021-05-14 23:27:18

播控中心  PAL 全电视信号的特征与处理技术 ·应用与实践·
北京新奥特集团开发中心 王新成
  【摘 要】 详细介绍我国现行的 PAL D 制全电视信号的结构特征, 并以工程应用实例介绍 PAL 全电视信号的数字处理方法。
【关键词】 EBU 彩条 迂回消隐 彩色帧 数字色键 XYZ 定标  视频捕捉
【Abstract】 T h is p ap er in troduces fea tu res in the structu re of ex ist2 ing PAL D TV com po site signa ls u sed in Ch ina and d ig ita l p rocessing m ethod s fo r PAL com po site TV signa ls, u sing som e exam p les in eng ineer2 ing app lica tion s.
【Key words】 EBU co lou r ba r D etou r b lank ing Co lou r fram e  D ig ita l co lo r key XYZ ca lib ra tion V ideo cap tu re

  目前, 世界上正在使用的彩色电视广播制 式有 N T SC、PAL、SECAM 和M A C 制, 前三

1 PAL D 制全电视信号的特征

种用于地面电视广播, 现已形成覆盖全球的地 面广播网, M A C 制专用于卫星电视广播, 1985 年正式使用, 现已发展成共有 5 种分制式的

111 EBU 彩条的波形和矢量 对电视设备的性能和系统的传输特性进行
测试调整时, 通常用标准彩条作测试信号, 我

M A C 家族。

国的标准彩条是采用欧洲广播联盟 (EBU ) 提

我 国 的 地 面 电 视 广 播 采 用 的 是 PAL D 出的彩条标准, 所以也称为 EBU 彩条。EBU 彩

制, PAL (p ha se a lterna ting line) 是彩色电视 条在监视器屏幕上显示 8 条等宽的彩色竖条,

制式, 它兼容黑白电视的D 制。D 制的主要特 从左到右依次为白、黄、青、绿、紫、红、蓝、

征 是 625 行, 50 场, 伴 音 与 图 象 载 波 频 距 黑, 通常用四位数码表示彩条名称。 我国采用

615M H z。PAL D 比较特殊, 因为全世界只有 我国使用这种制式。我国自 1973 年 5 月 1 日正

的是 100 0 75 0 彩条信号, 第一位和第二位数 字分别表示组成白条和黑条的基色信号的最大

式采用 PAL D 制广播以来, 经过几十年的建 值和最小值, 第三位和第四位数字分别表示各

设, 现 有 电 视 台 1 200 座, 差 转 台 4 万 个, 色条的各相应基色信号的最大值和最小值。

CA TV 台 3 000 多座, 中央和 9 省共 20 多套节 目上卫星广播。 全国电视机拥有量 2 亿 8 千万

彩条是一个复合信号, 由三基色分量组合 而成, 图 1 是组成彩条的分量信号波形图。 其

台, 年产彩色电视机 1 300 万台, 电视机普及率 中, R 、G、B 是单元分量信号, 是最基本的基

81% , 人口覆盖率 8411% , 每天收看电视的人 色分量; Y、R - Y、B - Y 是双元分量信号, 它 口 8~ 10 亿人, 是世界上最大的电视广播系统。 们与单元分量信号之间存在下列关系:

因而, 深刻了解 PAL D 制的信号特征, 深入研 究该制式的信号处理技术, 对提高我国电视广

Y = 01299 R + 01587 G + 01114 B (1) R - Y = 01701 R - 01587 G - 01114 B (2)

播设备和节目制作的质量, 具有非常现实的意 义。

B - Y = - 01299 R - 01587 G + 01886 B (3) 可见, 单元分量与双元分量是线性组合关

下文围绕 PAL D 制全电视信号的特征, 系, 两种处理技术就图象质量而言是等价的。但

介绍电视广播设备中常用的全信号处理方法和 处理电路难度和应用范围是有区别的。 单元分

技术。

量常用在信源编码中, 例如图象采集、 数字特

16

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

技算法处理等; 双元分量常用在信道编码中, 例 如全信号传输, 因为双元分量能节约频带。
表 1 是 100 0 75 0 彩条的分量信号的相 对幅度值。 在不同的系统和设备中, 为了适应 信道的要求, 各分量的幅度值要作相应的压缩 处理, 所以, 分量信号具有多种标准, 但无论 在什么标准中, 它们的波形与图 1 基本相同。

准点, 向上将 017 V (P - P ) 值的视频信号分 为十等分, 向下将- 013 V (P - P ) 的同步信号 分为四等分, 每一单元为 10 IR E, 计量以整数为 单位, 非常方便。 右边的刻度是我国电视台和 设备生产厂家常用的计量单位, 它把全信号的 最大值作为 1 V (P - P ) , 以消隐电*为零电*, 视频信号的最大值是 017 V (P - P ) , 同步是 013 V (P - P )。这种计算方法适于用示波器直 接计量, 应用也很方便。 另外, 在发射设备中 还用百分数计量, 以便于计量调制度。

图 1 EBU 彩条的分量信号波形
表 1 EB U 彩条的分量幅度值

图 2 EBU 彩条的全电视信号波形

信号

彩条

RG B

Y R- Y B- Y



110 110 110 110 0

0

黄 0175 0175 0 0166 0109 - 0166



0 0175 0175 0153 - 0153 0122

绿

0 0175 0 0144 - 0144 - 0144

紫 0175 0 0175 0131 0144 0144

红 0175 0 0 0122 0153 - 0122



0 0 0175 0109 - 0109 0166



00 0

0

0

0

图 3 EBU 彩条的矢量波形
  图 3 是 EBU 彩条的矢量图, 在矢量示波 器上观察 EBU 彩条全电视信号, 也只能显示 出它的色度部分, 色度信号的数学表示式为: F c = F u±F v= (B - Y ) sinΞsc t
  ± (R - Y ) co sΞsc t

  EBU 彩条的全电视信号波形如图 2 所示,

= (B - Y ) 2+ (R - Y ) 2 sin (Ξsc t+ Υ) (4)

由亮度、 色度和同步三部分组成。 由于该信号 其中 C = (B - Y ) 2+ (R - Y ) 2

(5)

最接*实际的彩色图象信号, 又便于计算, 它 以广泛用于电视广播系统中作测试信号。 图中 左边的 A 刻度是国际无线电工程师学会制定 的国际通用电视电*计算法。 它以 100 IR E = 700 mV 为计量单位, 以消隐电*为零电*基

Υ=

tg-

1R B

-

Y Y

(6)

式中 C 为色度信号矢量的振幅, 表示色饱和

度, Υ为矢量的相角, 在 0°~ 360°范围内变化,

表征色调。EBU 彩条的 6 个矢量在图 3 中已生

电视技术 1997 年第 5 期

17

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

动形象地表示出来。 另外, 135°的短矢量是 N 行的色同步, 225°的短矢量是 P 行的色同步。
利用 EBU 彩条的矢量图, 可用矢量示波 器粗略地计量出系统的指标, 在广播级电视设

备中, 6 个彩条矢量与图 3 中所示的标准值相

比, 误差不得大于±015°, 这对色差矩阵的精度

要求十分苛刻, 要达到千分之一才能满足, 色

同步的矢量长度应在 75% 的点上, 相角误差要

小于 0105°, 因为它是解调色差信号的参考基

准, 因此一定要准确。 实践中发现, 相当多的

进口专业设备微分相位失真大于±5°, 主观评

价仍相当好, 这是因为 PAL 制具有较强的色 调失真补偿作用, 微分相位失真容限宽达±

40°, 比N 制的±12°宽了 3 倍多。所以, 不必苛 求静态相位关系。 但矢量相位随机抖动时, 屏

幕上会产生讨厌的横向黑条, 象刮风一样, 俗

称刮风失真, 相当多的国产视频设备动态相位

失真很大, 应引起注意。 另外, 在矢量示波器

上, 用 EBU 彩条还可计量白*衡、黑*衡、载 漏、D G 和 D P 等指标。 112 色度副载波频率和色同步

PAL 制中, 为了消除亮色干扰, 色度信号

的副载波频率 f sc与行频 f H 有下式关系

f sc=

n-

1 4 fH

(7)

其中 n 为正整数。 这种方法称为四分之一行频间置, 对于

625 行 50 场的D 制, 为了减小副载波干扰亮点 的结构, 还附加了 25H z (半场频) 偏置, 故副 载波表达式变为

同时给 Y C 分离带来了相当大的难度。如果在 PAL 制中也采用二分之一行频间置, Y 和V 信 号就会重合在一起, 引起严重的亮色干扰, 因 而四分之一行频间置已是较好的方法了。
图 4 副载波信号的频谱间置
  在彩色电视系统中, 黑场信号 (B. B ) 也 是常用的信号之一, 它常作为各种设备的同步 基准。 所谓同步, 在电视系统中, 此概念包含 各信号之间行场和副载波频率一致, 倒相次序 相同, B. B 信号包含 PAL 信号的全部特征和 同步信号, 因而应用非常广泛。
B. B 信号的波形与矢量如图 5 所示, 色同 步在行消隐后肩上, 由 9~ 11 个副载波周期组 成, 矢量如图 5b 所示, 135°的N 行色同步是解 调第一、 二场的奇数行和第三、 四场的偶数行 的基准; 而 225°P 行色同步是解调第一、 二场 的偶数行和第三、 四场的奇数行的基准。

f sc=

n-

1 4

f H+

1 2fV

(8)

在 D 制中, 取 n= 284, f H = 15 625 H z, f V = 50

H z, 则

  f sc=

284-

1 4

+

1 625

×15 625

= 41433 618 75 M H z

(9)

副载波信号的频谱间置如图 4 所示, 采用四分

之一行频间置后, 在 PAL 信号中, Y、U 、V 信

号互不干扰, 但与采用二分之一行频间置的

N T SC 相比, 与黑白电视信号的兼容性降低了,

图 5 黑场信号的波形与矢量
113 四场迂回消隐与九行消色 由于色同步位于行消隐后肩上, 距行同步
很*, 故从全信号中分离同步会受到色同步的 影响, 尤其在场逆程, 色同步如果与均衡和开 槽脉冲同时存在, 会进一步增加分离的难度。另 外, 为了保证副载波再生振荡器的稳定性, 还 要求每场色同步在消隐前后的相位一致, 并为

18

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

135°, 故在 PAL 制中规定, 在场逆程 9 行时间 里不传输色同步信号, 这样就形成了色同步消 隐位置在四场中不一样, 并逐场移动半行, 色 同步消隐脉冲在四场中的位置也跟着逐场移动

半行, 故称为四场迂回消隐脉冲。 四场的波形 与时序如图 6 所示。 用具有行场延时功能的监 视器可观察到行场逆程信号的图象, 如图 7 所 示。

图 6 PAL D 四场消隐时序图

才能成整数 709 379, 而 2 500 行在D 制中正好

是 8 场。 即副载波的起始相位每 8 场才重复一

次, 这就是 PAL D 制中的彩色帧概念。

在过去, 多数广播电视设备都不具备彩色

帧功能, 各信源产生的 PAL 全信号中的副载

波起始相位都是随机的, 只保证 f sc和 f H 的严

格关系, 由于过去的节目主要来源于摄象机, 节

目片段是长篇幅的, 编辑点频繁变动的情况很

少, 只要接收机的副载波的起始相位与发射端

一致, 编辑点前后的闪烁就不易被观众觉察到。

图 7 逆程的图象
114 彩色帧的概念 把副载波 f sc和行频 f H 的关系式稍作变换

而*几年来, 随着电脑动画、 软件特技制作设 备的大量使用, 逐帧生成和逐帧录制的节目越 来越多, 故要求编辑这些节目时必须按场序连

    f sc=

284-

1 4

+

1 625

×15 625

=

1

1435+

1 625

fH

= 2831751 6f H

(10)

接, 否则, 副载波相位在编辑点前后不连续, 会 产生刺眼的彩色闪烁。 专业录象机一般都具有 自动成帧的功能。 115 当前国产电视设备中的非标准现象

上式表明, 在具有四分之一行频间置和 25H z

我国使用的广播电视设备以进口货为主

偏置的 PAL 全电视信号中, 在一行扫描线里 流, 高档的测试仪器和中心切换台主要来自美

有 2831751 6 个副载波周期, 而该数的 2 500 倍 国的 T ek t ron ix, G ra ss V a lly G roup , AM PEX

电视技术 1997 年第 5 期

19

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

等公司; 摄录设备、 编辑机、 数字特技等设备 来自日本各公司。 这些设备都具备标准的同步 机、 编码器, 输出的全电视信号都具有文中所 讲的特征, 但多数不具备彩色成帧的功能, 有 些经济型产品甚至不具备 25H z 偏置。 总体上 讲, 用这些设备制作的节目基本上可以得到较 好的质量。
国产专业电视设备在我国基本上是空白。 90 年代初, 在北京、成都、深圳等地, 一些新 兴的高科技公司借助我国独一无二的汉字处理 技术, 把进口的电视字幕机挤出了国门。 由于 字幕机生产利润高, 不少不具备条件的企业一 拥而上, 用游戏机上用的非标准廉价的编码器 M C1377 1378, CXA 1145 1645, AD 720 722 等 制作字幕机, 有的甚至没有同步机, 依靠分离 外视频的同步维持工作。 这类电视设备, 连 PAL 倒相次序都是随机的, 根本谈不上文中所 述的标准 PAL 特征, 所以爬行、闪烁、抖动、 PAL 反相等现象司空见惯。所产生的电视全信 号也无法上专业设备进行数字处理。 估计在我 国现有非标准字幕机 5 000 余台, 主要分布在 中小电视台和 CA TV 台, 希望引起有关各界的 注意。
2 通用 PAL 全电视信号处理技术
  在专业电视技术中, 对视频信号的加工处 理都是在分量级上进行的; 而设备的输入输出 端口电路则是全信号形式, 因而在输入端口电 路的解码之前和输出端口的编码之后都少不了

全电视信号处理电路, 其涉及的电路有同步分 离、奇偶场识别、副载波再生、PAL 识别 (倒 相次序)、场序识别、彩色帧识别、Y C 分离等。 *几年来, 随着数字处理技术的进步和集成电 路的迅速发展, 不涉及复杂算法的视频处理也 可在全电视信号级进行, 例如对全信号的采集、 制式转换等处理。 下面分别介绍上述处理技术 的具体实施方法。 211 同步分离与奇偶场识别
在绝大部分视频信号处理流程图中, 同步 分离是全信号处理的第一步, 经过同步分离后, 视频信号和同步信号分道扬镳, 进入各自的通 道进一步加工。 通用的同步分离与奇偶场识别 电路按图 8 流程工作。 全电视信号经缓冲和箝
图 8 同步分离的流程
位后, 对消隐电*和同步头电*进行检测, 把 检测值相加*均后得到同步幅度 50% 处的电 *, 该电*的绝对值随同步头的幅度变化, 但 相对值是不变的, 总能在同步头 50% 处切出复 合同步脉冲。 把复合同步进行半行频抑制, 去

图 9 奇偶场识别时序

20

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

掉均衡和开槽脉冲, 再经整形后可得到行同步。 对复合同步进行宽度检测, 可检出场同步。 奇 偶场的识别是利用隔行扫描的特点, 奇场扫描 在 31215 行处结束, 即在 313 行的半行处; 而 偶场扫描在 625 行末结束。 如果把行同步延时 适当值后加到D 触发器的D 端, 用场同步的前 沿对延迟的行同步进行采样, 采到高电*就是 奇场扫描开始; 采到低电*则是偶场扫描开始。 时序如图 9 所示。
如果用中小规模集成电路和分离元件实现 图 8 的功能, 需要 6~ 8 块 IC 和一些分立元件, 电路的调试也比较麻烦, 现在类似功能的芯片 已做成了单片集成电路, 图 10 是 N C3100 字幕 机上的同步分离电路, 该 IC 可同时输出复合 同步、 行同步、 场同步、 奇偶场和色同步选通 脉冲 (类似 K 脉冲)。EL 4583 的时序图如图 11 所示, 图 12 是它的内部功能。类似的单片集成 电路还有 LM 1881、 EL 4581, 但功能都不如

EL 4583 齐全。 在数字电视机中, 同步分离也常在数字级
进行, 工作流程与图 8 类似, 但在数字级进行 同步分离会降低视频信号量化后的动态范围, 除非用 10~ 12 b it 进行量化, 但高比特量化会 增加成本, 所以在大部分专业设备中, 同步分 离仍在模拟级进行。
图 10 N C3100 字幕机中的同步分离电路

图 11 EL 4583 的信号波形图

电视技术 1997 年第 5 期

21

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

图 12 EL 4583 的内部功能

212 副载波再生与 PAL 识别

正弦鉴相特性, 色同步锁定时, 环路误差电压

在进行色度解调和多路视频锁相时, 必须 接*于零。 积分环路用二阶低通滤波器, 可消

从全电视信号中再生副载波的频率和逐行倒相 除再生副载波频率的速度和加速度变化误差。

的相序。 副载波的频率和 PAL 顺序全部包含 为了提高频率精度, V CO 振荡频率锁定在 (2~

在行消隐后肩上的色同步信号中。 所以, 用选 通电路把色同步选出来, 送到图 13 所示的双环

8) f sc上。副环路设计成开环模式, 鉴相器设计 成余弦特性, 因而锁定 135°的 N 行色同步时,

路高频锁相环电路中, 把主环路鉴相器设计成 输入信号与参考信号同相, 输出误差电压最大;

22

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

而锁定 225°的 P 行色同步时, 输入信号与参考 在 9 行消色中, 因而, 只要能识别出 9 行消色

信号反相, 输出误差电压最小, 把误差电压转 的准确位置, 就可以得到四场迂回的次序。 从

换成不归零脉冲形式, 就可得到半行频的 PAL 图 6 的四场消隐时序图中可以看出, 第三场的

脉冲。

第一个色同步距离场同步最*, 只有 5 行时间;

第四场最远, 有 6 行半时间; 其它两场中, 第

一场为 6 行, 第二场为 5 行半。根据这些特点,

用图 15 的逻辑电路, 就能正确识别出四场的次

序。图中把场同步V D 延迟 5 行多一点时间, 约

340 Λs 得到 V D , 再和色同步标志脉冲相与, 检

测出第三场的第一个色同步, 然后用它作复位

脉冲, 对一个计数时钟为场频的计数器复位, 这

个计数器的输出依次为 4→1→2→3 场, 四场次

图 13 副载波再生与 PAL 识别框图
  图 14 是 T IG V IS ION 图象板上的副载波

序得到正确的识别。 四场次序的识别主要用于 对同步机进行精确的场同步。

再生与 PAL 识别电路, 它是一个功能与图 13

很类似的单片 IC , V CO 工作于 4f sc上, 输出再

生副载波的相位用 7 脚上的电位器可在 0°~

360°的范围内*滑调整, 色同步选通脉冲是用

2 脚上的复合同步延时得到的。输出的 PAL 脉

冲有两个, PAL 1是宽度约 215 Λs 的正脉冲, 位 置对准在 P 行的色同步处, PAL 2是占空比为 50% 的半行频方波, PAL 1适于对同步机电路进 行 PAL 定相, PAL 2适于视频编码器中控制倒

相 次序, 该电路主环路捕获范围为 f sc ±100

H z, 同步范围 f sc±200 H z。

图 15 四场迂回次序识别

  8 场场序识别, 即彩色帧的识别, 用简单的

逻辑电路实现比较麻烦。 在专业数字视频解码

器中, 在解调色度信号的同时, 就可附带识别

出彩色帧。例如 B t812 的 F IELD - 0, F IELD 1, F IELD - EV EN 三只引脚的输出逻辑组合,

能正确指出正在输出的是哪一场, 如表 2 所示。

必须指出的是, 我国有不少节目源, 副载波 f sc 与行频 f H 不符合 (9) 式的标准 PAL D 的确定 关系, 这时 B t812 的输出组合逻辑就不能正确

图 14 PA 3132 的外围电路
213 四场迂回次序和彩色帧识别

的指示出场序, 得到的只是表中所示的不确定 场序。 另外, 我国不少中小电视台用非标准

四场迂回次序和彩色帧识别统称场序识 PAL 字幕机 (如M C1377 M C1378 编码器) 制

别, 场序在逐帧编辑中非常有用。 在标准的 作节目, 从这些设备的视频中识别场序是徒劳

PAL D 制全电视信号中, 四场迂回信息包含 的, 而且奇偶识别、PAL 识别、Y C 分离都难

电视技术 1997 年第 5 期

23

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

以正确实施。 还有一些电路设计工程师, 企图从摄象机
同 步 集 成 电 路 中 得 到 彩 色 成 帧 脉 冲, 例 如 CXA 7930 的 2 脚 CF 输出。 必须指出, CF 输 出能正确给出内同步状态自身的彩色帧, 而不 能给出外同步状态下外视频的彩色帧。
表 2 B t 812 的场序输出表

F IELD F IELD F IELD 正确

-1

- 0 - EV EN 场序

不确定 场序

0

0

0

1

1, 3, 5, 7

0

0

1

2

2, 4, 6, 8

0

1

0

3

3, 5, 7, 1

0

1

1

4

4, 6, 8, 2

1

0

0

5

5, 7, 1, 3

1

0

1

6

6, 8, 7, 4

图 16 PAL 二维二阶 Y C 分离梳状滤波器

器的幅频特性为:

H

Y (f

)=

co s2

1 135Πf 56715f H

=

co s2

2Πf
fH

(11)

H C (f

)=

s in 2

1 135Πf 56715f H

=

s in 2

2Πf
fH

(12)

画出 (11) 式的梳状滤波器特性如图 17 所

示, 图中实线是一阶特性, 虚线是二阶特性, 可

以看出二阶特性的选择性更好一些, 但所需的

行延迟线也要增加一倍, (12) 式的梳状滤波器

特性与图 17 相似, 只不过峰值在U 、V 上。

1

1

0

7

7, 1, 3, 5

1

1

1

8

8, 2, 4, 6

214 Y C 分离的方法

Y C 分离是 PAL 制全电视信号处理中最 困难的课题, 这是因为组成电视图象的每一个 象素, 在水*垂直和时间上是相关的, 相关程 度又随着图象内容在变化。而某一种分离电路, 只适于分离相关系数在一定范围里变化的图 象, PAL 制副载波的四分之一行频间置也给 Y C 分离增加了困难。
Y C 分离的基本方式是滤波器法, 根据滤 波器的形式分为一维、二维和三维分离方式, 而 每种方式中根据滤波器的频率特性又分为一 阶、 二阶和高阶, 随着维数和阶数的增加, 电 路的复杂度和成本将急剧上升, 一维滤波器只 是带通滤波器, 二维需行延迟线, 三维需帧存 储器, 阶数增加, 这些单元也要成倍增加。 各 种 Y C 分离方式的详细分析需要很大的篇幅, 下面只介绍一个代表性的方法, 这是一个二维 二阶的梳状滤波器, 结构框图如图 16 所示, 共 需要 4 行延迟线和 3 个加法器。
如果不考虑带通滤波器和均衡器的特性, 取行延迟时间 1 135 个时钟周期, 可得到滤波

图 17 亮度梳状滤波器特性
  二维二阶 Y C 分离的实际电路如图 18 所 示, 图中 IC 1为 IC2产生色同步选通脉冲; IC2是 副载波锁相环, 产生 4 倍副载波频率的时钟信 号, 为 V CO 延迟线作移位时钟; IC3、IC4是单 片两行 CCD 延迟线, 每个芯片可把全电视信 号精确延迟 2 270 个时钟周期; IC5、IC6组成了 多个加法运算放大器, B PF 是带宽 2M H z, 中 心频率 4143 M H z 的带通滤波器, 把色度信号 中其他残余信号去掉。DL 是一个宽带的亮度 均衡器, 用来补偿 B PF 产生的时延。
该电路在相关系数为 014~ 1 时分离度很 好, 最高分离度可达到 46 dB , 比电视机中的一 维分离电路高 20 dB 多。随着图象相关系数的 减小, 分离度会降低, 在相关系数为 0 时, 分 离度会降到 15 dB 以下。 完善的 PAL 制 Y C 分离, 需要把高阶的一维、 二维和三维滤波器 组合起来, 用运动检测电路快速检测图象的相 关性, 运算出相关系数, 再控制切换电路, 及 时接通某一个合适的滤波器, 这种方法叫做自

24

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

适应逻辑梳状滤波器, 由多达 4~ 8 帧存储器, 4~ 8 行延迟线和快速的微处理器等电路组成,

所以直到今天, PAL 制中完美的 Y C 分离电 路还难以实施和普及。

图 18 二维二阶 Y C 分离原理图

215 数字视频解码

  样点的值只不过与 FV 的符号相反, 其它均

PAL 全电视信号经 Y C 分离后, 对色度 与不倒相行相同, 根据图 19 和表 3, 很容易构

信号的进一步处理就是色度解调, 根据色度信 造出图 19 所示的 PAL 色度信号的解调方法,

号的表达式 (4) , 不倒相行表示为

图中开关 S1完成 FU 与 FV 的分离; S2处理 FV 的

F C = FU + FV = (B - Y ) sinΞsc t+

倒相行, 当输入不倒相行时, FV 直通; 当输入

(R - Y ) co sΞsc t

(13)

该式的信号波形如图 19a 所示, 为了分析方便,

设取样频率为 4f sc, 色度样点的 FU、FV 值见表

3, 在 0°、180°点取样得到 FU , 在 90°、270°取

样得到 FV。

对于色度信号的倒相行, 表示式为

倒相行时, FV 反相后输出, 在 S2的输出端得到 完全不倒相的 FV。
表 3 色度样点的 FU、 FV 值

样点相位 色度信号

0° 90° 180° 270° 360°

F C = FU - FV = (B - Y ) sinΞsc t-

(R - Y ) co sΞsc t

(14)

FU

0 - FU 0

FU

FC

0

FV

0 - FV 0

  从 FU 和 FV 中进一步解调出基带信号 B -

Y 和 R - Y , 可按图 19 右半边的方法, 用副载

波 F sc作时钟, 对 FU 和 FV 再采样, 如图 19c、d

所示, 在 0°对 FV 采样得到 R - Y , 在 90°对 FU

采样得到B - Y , 样值可用采样保持器或锁存

器保持, 就可得到输出波形连续的双元基带信

号。如果要进一步得到单元基带信号 R 、G、B ,

只需按式 (1) 至 (3) 作线性逆变换, 用简单

的电阻矩阵电路就可实现。

图 19 色度解调波形

电视技术 1997 年第 5 期

25

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

数字视频解码可以做到 FU 与 FV 的彻底分 离, 视频质量比模拟解码要好得多, 在实际的 应用电路中, 还常用 F IFO 作行延迟线, 与全 加器组成梳状滤波器, 接在图 20 FU、FV 之后, 进一步减小微分相位误差。 *几年发表的数字 解码器新产品中, 还具有数字色键、Χ校正、数 字降噪、 数字轮廓校正等多种功能。

图 20 PAL 色度信号的数字解码方法

图 21 D FS- 2000 帧同步机中的视频解码器

  广播级的高性能数字视频解码器目前品种 调后基带信号的色度、 亮度和饱和度可编程调

较少, 价格昂贵, 多用在专业视频设备中。 在 整, 工作状态由内部的 30 个寄存器管理, 外接

数字电视机中, 为了降低成本, 解码器常与其 微处理器可通过标准的 M PU 接口, 方便地对

它小信号电路集成一体。虽然 1972 年数字电视 寄存器进行设置, 内部功能框图如图 22 所示。

机就已面世, 但由于价格昂贵, 至今仍未进入 216 数字视频编码

寻常百姓家。

编码是解码的逆过程, 因而根据图 19 很容

图 21 是 D FS- 2000 帧同步机中的数字视 易构造出图 23 所示的 PAL 色度信号的编码

频 解 码 器 电 路, 它 采 用 B rook tree 公 司 的 B t812 单片解码器, B t812 是一片性能优良的

方法。图中 S1受 2 F sc控制, S2既受 F sC控制, 又 受 PAL 脉冲控制, 编码过程如表 4, 编好 PAL

专业芯片, 输入端有两个 4×1 信号选择开关, 它的超锁相功能可解调不稳定的输入信号。 解

制色度信号 F C, 再与亮度和复合同步相加, 就 可得到 PAL 全电视信号。

26

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

图 22 B t812 内部功能框图
漏、 调漏、 正交误差、 倒相误差, 编码质量比 模拟方式高得多。在 L S I 中, 还可把编码器与 同步发生器、彩色查找表、Χ校正、色键混合、 场逆程数据插入等功能电路集成一体, 以便进 一步提高性价比。

图 23 PAL 色度信号的数字编码方法

表 4 色度编码过程表

f sc的相位

0° 90° 180° 270°

S1 的位置

2

1

2

1

F ′c 的内容

FV

FU

FV

FU

N行 1

1

2

2

S2 位置

P行 2

1

1

2

N 行 FV

FU

- FV - FU

FC

P 行 - FV

FU

FV

- FU

  数字编码器不仅结构简单, 而且不会有载

图 24 SA A 7185 应用电路

电视技术 1997 年第 5 期

27

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

  图 24 是 V CD 小影碟机和多媒体电影解 压卡中常用的数字编码电路, 采用了 PH IL IPS 公司的单片集成编码器 SAA 7185, 该 IC 输入 数 据 可 以 是 16 比 特 YU V 方 式, 也 可 是 CC IR 656 格式。图中是输入 8 比特M PEG21 数 据, 这是与 CC IR 656 兼容的方式, 编码器工作

于主模式。内部的 8×3 字节查找表, 可用于 21 行数据插入。输出口的 DA C 具有 10 比特分辨 率, 同时输出 S2video 方式的 Y C 分量信号和 复合全电视信号, 内部的 40 个工作寄存器由外 部微处理机通过 IIC 总线设置。SAA 7185 内部 功能如图 25 所示。

图 25 SAA 7185 内部框图

217 PAL 全电视信号的实时捕捉

上都是不可取的。 因而, 目前对视频信号的数

对 PAL 全电视信号的实时捕捉, 实际上 字处理, 都采用压缩技术, 在民用产品中用

就是复合视频信号的数字化传输和记录。 根据 M PEG21, 在专业产品中用M PEG22, 节目制作

PCM 编码原理, 设采样频率为 4 F SC, 码速率 为

中用 M J PEG, 所以视频信号的压缩和解压缩 是当前的热门话题。

  R = 4f sc×n = 4×41433 618 75 M H z×8 b it

对全电视信号进行数字化, 除了上述数码 率以外, 还要注意两个问题, 一是选择合适的

= 142 M b it s

(15) 采样频率, 二是选择满足需要的量化层数。

式中 f sc为副载波频率, n 为量化的比特数。

对于采样频率, 应该从采样定理、 减少副

上式表明, 经数字化的 PAL 全电视信号, 载波干扰和合理的样点空间结构三方面考虑。

传输速率为 142 M b it s, 折合到频带, 以 (015 根据香农采样定理和综合前后置滤波器的易于

~ 1) R 折算, 则需要 70~ 140M H z 的带宽, 是 实现, 采样频率应不低于视频基带中最高频率

模拟信道的 12~ 24 倍。这样高的码速率, 在目 的 212 倍, 视频基带一般为 0~ 6 M H z, 则采样

前最快的微机 Pen tium - 200 上, 用 PC I 总线 频率应大于 1312 M H z。 副载波频率及边带位

传输和用 9GB 的硬盘记录, 也只能存储 8 分钟 于亮度信号高端, 且能量较大, 量化过程中会

的视频数据, 显然, 无论在技术上还是在经济 产生谐波, 某些谐波会通过采样折叠到基带中,

28

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

与基带亮度和色度产生差拍干扰。 如果充分利

用色度信号的频谱间置特点, 使采样频率与副

载波相关, 折叠到基带中的副载波谐波就落在

亮度频谱间隙中, 与色度信号频谱重合产生零

拍, 而零拍干扰人眼不易觉察到, 既满足采样

定理, 又与副载波采样频率相关。 在 PAL 制 中, 只有 3 F SC和 4 F SC易于实现, 而当采样频 率为 4 F SC, 与行频关系*似为 f S= (4n- 1) f H , 一行中*似包含整数个样点, 因此一场中

相邻行的样点是*似对准的, 设场存储器为

313 行, 一场的样点为

  N

= field

行数×f S
fH

=

313×

4f f

SC H

= 313×4 n-

1 4

+

1 625

≈ 1 252 n- 311

(16)

所以奇偶场的样点也是*似对准的, 一帧的样

点为

  N = frame 625×4× n-

1 4

+

1 625

= 2 500 n- 621

(17)

所以帧间的样点是重合的, 可见用 4 F SC采 样时, 将得到正交的空间取样结构, 这对数字

处理带来了方便, 图象质量也很好, 电路简单,

在时基校正和帧同步系统中应用较多。

关于量化层数主要根据信噪比确定, 视频

信号与音频信号相比, 图象的动态范围不大, 而

且是单极性信号, 这种信号的量化信噪比为

S N = 1018+ 6 n (dB )

(18)

式中 n 为量化比特数, 当 n= 8 时, S N = 5818

dB。

然而, 在系统中, 同一个视频信号经多种

设备反复进行量化处理, 这时噪声就会按 10

lgn (dB ) 上升, 当反复处理 4 次时, 10 lg4= 6 dB , 信噪比降低了一倍, 相当量化层次少了 1 比特。因而, 在反复进行数字处理的系统中, 要

根据实况增加量化比特。另外, 根据韦伯2菲涅

尔定理, 人眼鉴别亮度变化的阈值 ?L 随着背

景亮度L 的减小而降低, 其比值是一个常数

?L
L

=

C

(19)

未经 Χ校正的视频信号量化后, 显象管屏幕的 亮度L 与输入电压 V 的关系为

L = kV Χ

(20)

k 是系数, Χ是显象管的非线性系数。

式中L 对V 微分, 得到量化误差 dV 引起

亮度变化的关系为

dL = k ΧV Χ- 1dV

(21)

dL L

=

ΧdVV

=

C

(22)

上式说明, 当输入电压越小, 即亮度越小

时, 亮度鉴别值 dL 也越小, 要求量化误差也越 小, 在均匀量化系统中, 只能提高量化比特数

来满足这种要求。 因此, 处理未经 Χ校正的视 频信号时, 量化层数要增加 2~ 3 比特。

当前, 专业数字视频设备中最常见的是 8

~ 10 比特量化, HD 2End 的顶级设备中用 12 比特量化。目前, 虽然 IC 技术已相当发达, 但 制造一个 12 比特的高速并行处理 A D 转换 器, 意味着要集成 4 096 个电压比较器, 技术和

价格上都不现实。 因而常见的视频 A D 多属 于并串型结构, 这就限制了转换的速度, 上限

频率多在 20M H z 左右, 制约了电路设计工程 师不能像处理音频那样, 为了提高性能随心所

欲地采用 8~ 32 倍的过采样。

图 26 是多媒体电脑中用的视频捕捉电路,

由多制式解码器 PX 4072、视频图形加速器 CL - GD 544X、 1M B 的 DRAM 和 32k 的 E2 PROM 组成。 整个捕捉系统与一台 Pen tium 2 100 的 PC I 总线相接, 从外部输入一路 N T SC 或 PAL、SECAM 制式的复合全电视信号, 经 实时采集和彩色空间转换后, 以 V GA 扩展模 式或 V ESA 模式, 以任意尺寸的双窗口形式显 示在微机的 CR T 上。 上述所有的处理都是硬 件完成的, 所以, 硬盘或 CD - ROM 文件可同 时与外视频叠显在一个屏幕上, 甚至 CPU 还 有足够的时间把一路软件解压的 M PEG 图象 以窗口形式同时叠显在 CR T 上。

电视技术 1997 年第 5 期

29

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

图 26 实时视频捕捉电路

30

电视技术 1997 年第 5 期

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

  PX 4072 是一个多制式专业视频解码器, 内部功能如图 27 所示, 包含复合信号的 A D 转换, Y C 分量, 产生视频采样时钟, 进行数 字视频解调。 彩色空间转换和双窗口 X Y 定 标, 输出接口能直接与图形加速器相连接。

图 27 PX4072 多制式专用解码器功能框图
  GD 544 X 是一个 32 位多功能图形加速 器, 内部功能如图 28 所示, 包含视频捕捉、XY 线性内插、 双频合成、 24 比特真彩色 RAM DA C, 具有 PC I、V ESA - VL 总线接口, 最高 显示分辨率为 1 280×1 024, 是多媒体显示卡 中常用的芯片之一。

图 28 544X 图形加速器功能框图
参考文献
〔1〕松井俊也. 画像处理回路技术のすべて 技术. N o. 5 P. 221
〔2〕B rook tree. B t812 D ig ita l V ideo D ecoder 〔3〕élax tcc. D a ta Book. 1994 P. 42143 〔4〕PH IL IPS. D eck top V ideo D a ta H andbook. 1995 p.
7962854 〔5〕C IR KU S LO G IC. GD 25446 T echn ica l R eference
M anua l. D ecem ber 1995 F irst Ed ition

电视技术 1997 年第 5 期

31

? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net


相关推荐

最新更新

猜你喜欢