電視訊號的數位化

2021-07-08 09:44:47 字數 4228 閱讀 7376

1. 訊號的數位化:

將模擬訊號轉換成數碼訊號,一般需要完成取樣、量化和編碼三個步驟。上述數位化的過程又稱為脈衝編碼調製(pcm

pulse code modulation)。

1.1 取樣

用每隔一定時間(或空間)間隔的訊號樣本值序列代替原來在時間(或空間)上連續的訊號,也就是在時間(或空間)上將模擬訊號離散化。

根據奈奎斯特(nyquist)取樣定理:只要取樣頻率大於或等於模擬訊號的最高頻率的2倍,即:

1.2 量化

用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值,把模擬訊號的連續幅度變為有限數量、有一定間隔的離散值。

取樣把模擬訊號變成了時間(或空間)上離散的樣值序列,但每個樣值的幅度仍然是乙個連續的模擬量,因此還必須對其驚喜離散化處理,將其轉換為有限個離散值,才能用有限個二進位制數來表示其幅值。這種對取樣值進行離散化的過程叫做量化。

從數學角度看,量化就是把乙個取連續值得無限集合,通過變換q。對映到乙個只有l個離散值的集合,k=1,2,3...,l。

在進行二進位制編碼時,所需的二進位製碼位數n與量化級說m之間的關係為:

n通常稱為量化位元數。例如,有8個量化級,那麼可用3位二進位製碼來區分,因此稱8個量化級的量化為3個bit量化。

1.3 編碼

按照一定的規律。把量化後的離散值用二進位制數字表示,以進行傳輸或記錄。

取樣、量化後的訊號還不是數碼訊號,需要把它轉換成數字編碼脈衝,這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進位制編碼。具體說來,就是用n位元二進位製碼來表示已經量化了的樣值,每個二進位制數對應乙個量化電平,然後把它們排列,得到有二值脈衝組成的數字資訊流。

數碼訊號的傳輸位元率(通常也稱數碼率)等於取樣頻率與量化位元數的乘積。顯然,取樣頻率越高,量化位元率越多,數碼率就越高,所需的傳輸頻寬就越寬。

2. 音訊訊號的數位化:

聲音是通過空氣傳播的一種連續的波,叫聲波。聲音的強弱體現在聲波壓力的大小上,音調的高低體現在聲音的頻率上。聲音用電訊號表示時,聲音頻號在時間和幅度上都是連續性的模擬訊號。

聲音頻號的兩個基本引數是頻率和幅度訊號的頻率是指訊號每秒鐘變化的次數,其單位為hz

人們把頻率小於20hz的訊號稱為亞音(sub-sonic)

頻率高於20khz的訊號,稱為超聲波(ultrasonic)訊號。

人耳可以聽到的聲音是頻率在20hz ~ 20khz之間的聲波,稱之為音訊(audio)訊號

人的器官發出的聲音頻率約在80 ~ 3400hz之間,但人說話的訊號頻率通常在300 ~ 3400hz,人們把這種頻率範圍的訊號稱為語(話)音訊號(speech,voice)

對聲音頻號的分析表明,聲音頻號是由許多不同頻率和幅度的訊號組成的,這類訊號,通常稱為復合訊號。音訊訊號的另乙個重要引數是頻寬。它用來描述組成復合訊號的頻率範圍。如高保真音訊訊號(high-fidelity audio)的頻率範圍是10hz ~ 20khz,他的頻寬約為20khz。

聲音頻號的數位化需要解決以下兩個問題:

1)每秒鐘需要採集多少個聲音樣本,也就是取樣頻率fs是多少。

2)每個聲音樣本的量化位元數是多少,也就是量化精度是多少。

取樣頻率由取樣定理給出,即取樣頻率應該大於原始模擬訊號最高頻率的兩倍。

每個樣本的量化位元數反應度量聲音波形幅度的精度。如:每個聲音樣本用16bit表示,測得的聲音樣本值在0 ~ 65536的範圍裡,他的精度就是輸入訊號的1/65536。

人耳聽覺的頻率上限在20khz左右,為了保證聲音不失真,取樣頻率應大於40khz。

經常使用的取樣頻率:11.025khz,22.05khz,32khz,44.1khz,48khz。取樣頻率越高,聲音失真越小,音訊資料量越大。

經常使用的量化位元數有8bit,12bit,16bit。量化位元數越多,音質,越好,資料量越大。

反應音訊數位化質量的另乙個因素是聲道數。記錄聲音時,如果每次生成乙個聲波資料,則成為單聲道;每次生成兩個聲波資料,則稱為,立體聲(雙聲道)。

儲存量 = ( 取樣頻率 * 量化位元數 * 聲道數 )/ 8

其中,儲存量的單位為b(位元組)。

例如:數字雷射唱盤(compact disc,cd)的標準取樣頻率為44.1khz,量化位元數為16bit,立體聲可以幾乎無失真地播出頻率高達20khz的聲音,這也是人類所能聽到的最高頻率聲音。儲存1min**資料所需要的容量為:

(44.1 * 1000 * 16 * 2 * 60 / 8)b = 10584000b

根據聲音的頻帶、取樣頻率、量化精度及聲道數,通常把聲音的質量分成5個等級。

由低到高是:**話音質量、調幅(am)無線廣播質量、調頻(fm)無線電廣播質量、數字雷射唱盤(cd)質量和數字錄音帶(dat)質量。

質量等級

取樣頻率/khz

量化精度/bit

數碼率(未壓縮)

/kbit/s

頻帶/hz

**話音88

單聲道64

200 ~ 3400

am11.025

8單聲道

88.2

50 ~ 7000

fm22.05

16雙聲道

705.6

20 ~ 15000

cd44.1

16雙聲道

1411.2

20 ~ 20000

dat48

16雙聲道

3.2分量數字編碼方式是分別對亮度訊號y兩色差訊號b - y,r - y進行pcm編碼。

分量數字編碼取樣頻率:

亮度訊號的取樣頻率:13.5mhz

色差訊號的取樣頻率:6.75mhz

這樣,亮度訊號的取樣頻率正好是色差訊號取樣頻率的2倍。

1)4:2:2標準:y,b - y,r - y訊號的取樣頻率選為13.5mhz、6.75mhz、6.75hz的組合。

2)4:1:1(4:2:0)標準:y,b - y,r - y訊號的取樣頻率選為13.5mhz、3.375mhz、3.375hz的組合。

3)4:4:4標準:y,b - y,r - y訊號的取樣頻率選為13.5mhz、13.5mhz、13.5mhz的組合。

3.3 itu-r bt.601建議書: 引數

625行/50場

52行 /60場

有效掃瞄行行數

576480

編碼訊號

y,cb,cr

每行有效點數

亮度訊號

864858

色差訊號

432429

每行有效樣點數

亮度訊號

720色差訊號

360取樣結構

正交、按行、場、幀重複、沒行中的cr,cb的樣點同位置,並與每行第奇數個(1,3,5,...)亮度

取樣頻率 / mhz

亮度訊號

13.5

色差訊號

6.75

編碼方式

對亮度訊號和色差訊號都進行均勻量化,每個樣值為8bit量化

量化級亮度訊號

共220個量化級,消隱電平對應與第16量化級,峰值白電平對應於第235量化級

色差訊號

共225個量化級(16 ~ 240),色差訊號的零電平對應於第128量化級。

同步第0級和第255級保留

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