1 数字电视的基本知识--杭州精灵电子
用户中心  购物篮
会员登陆  收藏夹
  精灵电子元件网购商城是专业的电子元件批发、零售、网购服务的网站,本商城主要在线销售小家电产品,电子制作小产品,网上购物流行商品,以及数码产品和电脑产品家电维修配件电子元件等等,提供个人以及团体网上最实惠、最安全的购物环境,奉献给广大的网上购物消费者最贴心的服务和最实惠的商品。精灵电子元件物商城的网上购物:价格最低!质量最好!服务最优! 电子元件邮购 小电器,家用电器,网上购物,购物商城。 精灵电子
     星期日
 您的位置: 杭州精灵电子>>电子技术学习园地>>数字电视的基本知识
   后您也可以发表文章的哦数字电视的基本知识

一、数字电视的基本知识

(一)、数字电视的概念及产生

什么是数字电视?这的产生及发展过程怎样?一直是一些人们迷惑的事情。

所谓数字电视,就是将图像画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编成多位数码,并以非常高的比特率进行数码流发射、传输、接收的系统工程。也就是说在数字电视这个系统工程中发射台发射的电视信号是一种高比特率的数码脉冲串;空中或有线电缆中传输的电视信号也是高比待率的数码脉冲串;电视接收机,从接收到视频放大、色度解码、音频放大等所有过程均为数码流的处理过程。在这个过程中没有数/模或模 /数转换,仅在显像管激励终端经数/模转换为负极性图像信号,扬声器功率推动终端经数/模转换为正弦波音频信号,使显像管荧屏显示高清晰画面,扬声器还原出近似临场的立体声或丽音效果。

随着科学技术的发展,商业激烈竞争的演变,人们生活水平的提高,数字电视这一概念作为一种时尚也在社会中流传开来,其实,早在40年前人拉的思维中就已经形成了数字电视这一概念,它几乎与模拟彩色电视形成于同一年代。1948 年人开始了对数字电视的构想,只是限于技术等诸多因素不能进入早期开发。美国哥伦比亚广播公司(CBS)提出的扬顺序制模拟彩色电视于 1949年9月在美国联邦通信委员会进行的综合审查评比中正式通过,并被定为美国彩色电视机的标准制式,两年后,即 1950年11月开始试播。1953年NTSC制解决了彩色电视与黑白电视的兼容问题,1956年法国人享利.戴.弗朗斯在保留原 NTSC行倒相正交衡调幅制(PAL制),从此三大模拟制式不断改进,而数字电视却在近半个世纪的漫长岁月中始终处在“胚胎”期,因此,数字电视一直鲜为人知。

1965年美国加利副尼亚州立大学伯克利分校的 Zedeh教授首次提出模糊集合,创立模糊逻辑,从此揭开了人工智能的序幕,极大地丰富了人类对客观世界的认识,启示人们去研究模糊逻辑及其应用,因而数字电视的胚胎过程有了重大的转机。

随着科学技术的不断发展与进步,1971年日本NHK研究所率先提出HDTV(高清晰度电视)的概念,并经过了20多年的发展道路,但至今仍未脱离模式方式。

在1971年日本NHK提出HDTV的概念后,前联帮德国ITT公司(国际电报电话公司),经过十几年的艰苦研究,于1983 年下半年研制出了第一部可以投放市场的数字化彩色电视接收机,从而引起日本和美国的电视整机制造厂商的重视,为数字电视的实现展开了激烈的竞争。

到1990年,由于数字技术的进步,促进数字电视广播开始有了长足的发展。1991年美国为研制高清晰度电视,首先提出了信源用数字压缩编码,传输用数字通信技术,至此,全数字电视真正出现了。因此,高清晰度数字电视技术是涉及广播电视、通信、计算机和微电子等诸多领域的高新技术,是集近半个世纪的图像编码技术与现代电子技术、通信技术等发展成就于一身的现代高科技的产物。

由于数字电视技术的不断成熟和发展,美国Direc TV/BSS于1994年6月开始了数字SDTV的卫星直播业务。到1996年12月美国联存通信委员会又批准了以HDTV为基础的ATSC数字电视标准并决定到2006年停止模拟制NTSC电视广播,全部改为数字电视广播,从而使美国联邦通信委员会在1992年决定的15年过渡期缩短到9年。同时要求非商业广播在2003年5月1日前全改为数字体制。1998年驿诞节部分电视台便开始了正式的数字电视地面广播,到1999年5月1日接收数字电视广播的观众数量已达到美国观众的35%,到20世纪末高清晰数字广播可覆盖美国全境的55%。

由于美国的数字电视(在美国被称为先进电视,欧洲称为数字电视)广播发展速度如此之快,所以影响到欧洲也在加紧实施数字电视发展计划,英国于1998年下半年也开始了数字电视地面广播。欧洲的其他一些国家也已经开始或准备开始卫星数字电视广播。日本计划于2000 年全面进入数字电视时期。因此,新的数字电视体系正在诞生,在工业发展国家里模拟制电视体系正在向数字电视体系过渡。

1995年我国中央电视台从美国能用仪器公司引进加密数字电视设备,开始了数字压缩电视卫星传输,1996年又引进了美国科学亚特兰大公司的数字压缩设备进行卫星电视的传输。此后,我国的数字电视广播便紧锣密鼓的筹备起来,到1997年1月便相继开始有了广东、广西、湖北、湖北、河南、福建、江西、辽宁、内蒙、青海、陕西、江苏和山西共13个省的14套节目,用MPEG-2数字压缩技术,通过卫星传输。到1998年,这种方式的电视广播发展到20多套节目。目前我国数字压缩电视广播还主要用在卫星电视和电缆电视的信号传输上,然后通过各地有线电视台解密后将模拟信号送入各户。但随着我国今年Ku波段直播卫星的发射,卫星电视也将进入个体接收方式,直接到户。国际电联今年通知分配给我国的Ku波段直播卫星轨道位置限定在1999年10 月前必须使用,否则将取消,这就使我国开展卫星直播业务的时间表被限定,与其相对应的接收设备的开发和生产也就随之摆上日程。

据报道,我国的数字电视地面广播已于我国建国50周年时开始试播。这一高新技术成就,将标志着我国数字电视技术走进世界领先的行列。

我国未来数字电视接收机组成方框如图1-1所示。

 

(二)、数字电视的基本特点

自从80年代初期,德国人研制出第一台数字化彩色电视机以后,一些工业发达国家便开始了背后的数字电视体系的开发和利用,虽然经过了近十年的极不合理和极不平衡的电视数字化进展阶段,但终于迎来了将压缩后的数字分量信号直接分配到家庭用户,替代原来的模拟制传输。这是第三代电视技术数字电视地面广播的显著特点。在当前的数字电视体系中最为重要的关键点是:采用先进的图像、声音、数据压缩编码技术;采用先进的数字通信技术;采用先进的传送技术(系统层的技术)。

新的数字电视体系较模拟制电视体系十分优越,其主要表现是:节省信道,在一个模拟制电视卫星转发器中可以传输5套数字电视节目;节省发射功率,在相同信号服务区内,所需要的平均发射功率比模拟制峰值功率低一个数量级;接收的图像质量较高,幅形比为16:9,更接近人眼视觉;便于开展多种数字住处业务(包括加密/加扰);兼容性和互操作性较好(可与多媒体计算机网络连接)。

(三)、模糊技术的应用

随着科学技术的不断发展,模糊技术已成功的应用到数字彩色电视机中。这一新领域的理论基础源于1965年美国加利福尼亚州立大学伯克利分校Zedeh教授提出的模糊集合和创立的模糊逻辑。这一新的概念在我国已开始引起人们的极大关注,它将是21世纪人工智能取得重大发展的突破口之一。自从模糊逻辑创立以来,其模糊技术在电子工业,特别是家电产品得到了广泛的应用,并十分成熟起来,从而打破了精确逻辑一统天下的历史。

那么,什么是模糊逻辑呢?模糊逻辑又会实现怎样一个目的呢?

所谓模糊逻辑,就是一种能够在容许定义的二值之间的模糊地带,有选择地正确执行某一指令的技术,又称模糊技术。微处理器采用模糊逻辑之后,其控制能力更接近人类的思维方式。比如,70岁以上的人是老年人,那么69岁的人是不是老年人呢?这一问题如果用精确逻辑推算就只能确认70岁的人为老年人,而在现实生活中人们对69岁的人肯定也会遵为老年人,这就出现了智能上的差异,模糊逻辑正在于实现这种人工智能。

随着人类社会的发展,问题日益高度复杂,测量和计算的高精确度已走向其反面,常规的自动控制要求数据高度准确,一旦有错可能导致整个系统失灵。而采用模糊逻辑控制,一处出点错即纠正,不会拖累全局,故系统稳定,容错性好。


    模糊技术运用在彩色电视机的中央微处理器中时,将会建立I2C总线控制,使电视机智能化。我们知道,

在收看电视机节目时,如果观看距离远且房间明亮,应强调轮廓的亮度,而在观看距离近且房间较暗的情况下,则强调细节的表现力。于是人们希望在房间亮度和观看距离等客观条件变化时,能够通过对亮度和对比度的控制来实现层次感的控制,并同时通过改变速度调制和清晰度来控制立体感。在大量的实践中,人们确认这样一种电视图像能够使观众较长时间看电视而不产生视觉疲劳,同时又有合适的对比度感。然而这其中的“亮暗”、“远近”以及“层次对比”等却是一个十分模糊的概念,这种什么样算亮、暗,什么样算远、近的模糊性质,是以往的精确控制无能为力的,对比,模糊控制技术却可以使你满意。但这是非常高的现代科学技术。

目前彩色电视机的电脑模糊控制器已经诞生,并应用在彩色电视机中。它是一种以模糊逻辑算法、模糊识别和模糊判决为核心的智能化系统。它通过硬件电路把环境参量采集下来,经软件和硬件系统快速处理后,对彩电的画面亮度、对比度和音量进行自动调整,以使观众获得最佳视听效果和节电效益。如广东茂名地区的高州模糊控制技术集团公司开发并生产了FC-1D型彩电电脑模糊亮度,自动调节电视机画面的亮度和对比度,起到“光程眼”的作用。

(1)通过光电传感器,测量环境亮度,自动调节电视机画面的亮度和对比度,起到“光程眼”的作用。

(2)通过超声波测距,判断手持遥控器的人与电视机的距离,从而自动调节电视机的音量大小,也可据此自动调节电视机画面的清晰度、亮度以及对比度等参量,以达到最佳视听效果。

(3)实现无人观看时自动关机,它既可直流关机,也可经遥控后交流关机。

其主要性能指标有:

(1)环境照度在0~1801x时,电视画面亮度及对比度控制电压的相应值为1~4V。

(2)测距范围在1~8m时,电视伴音控制电压的相应值为2~3.5V。

(3)晶体振荡频率为6Mhz。

(4)超声信号频率为40Mhz。

(5)工作环境温度为-10℃~+40℃

(6)相对温度不大于90%

至今采用模糊控制的彩色电视机,国外品牌有日本三洋C29ZS101型以及日本松下大屏幕新画王系列彩电,它们都设计了一种人工智能电路。它所采用的模糊AI技术主要包含动态清晰度、动态减噪、动态彩色噪声抑制、动态彩色、动态图像和模糊图像控制等六部分内容。

另外,日本三洋公司还推出74cm及84cm(29及33英寸)的“帝王”模糊控制大屏幕彩色电视机和71cm(28英寸)的16:9宽屏幕彩色电视机。前两种彩色电视机具有模糊逻辑图像控制,由电路不断监视室内亮度和观看距离,无论在明亮或黑暗的环境下都可自动调节出柔和、清晰的图像,并能减少图像中的噪波,从而产生极为副真的图像。71cm(28英寸)的16:9宽屏幕彩色电视机除具备上述高的清晰度和模糊逻辑图像控制外,还有立体声和4种画面可变模式。其4种模式为:

(1)标准模式 此时荧光屏显示4:3的画面。

(2)恰好模式 扩展4:3的电视画面以使荧光屏的图像逼真自然,适于观看体育节目和音乐会实况,增加临场感。

(3)变焦模式 垂直和水平均匀扩大4:3的画面,适合欣赏16:9的电影录像带和广播。

(4)横向模式 水平扩展4:3的画面。

由我国航天工业总公司二院和北京牡丹电子集团公司协作研制的大屏幕模糊控制彩电样机于1995年8月已通过技术鉴定,并且经合作双方继续努力,到现在已具备大批量生产条件。因此,在不久的将来,国产模糊控制的大屏幕彩色电视机将推向社会,并且其性能和日本同类机相比会毫不逊色。

(四)、未来电视的发展方向

随着数字视频压缩技术的不断发展,模糊逻辑的控制技术逐渐成熟,卫星通讯技术及计算机网络的蓬勃发展,多种技术先进的数字电视已成为未来市场发展的必然趋势。

1.高清晰度电视

追求清晰的图像质量已是电视技术发展的必然方向,是消费者追求的最终目的,也是市场竞争的焦点。正如人眼的分辨能力有限一样,现行电视系统的分解力和图像清晰度也是有限的,它必须克服许多技术上的难点才能实现高清晰度。

在近两年的时间里,某些国外电子产品厂商,为了占领中国市场,在广告宣传中有不少哗众取宏的成分误导消费者,其中大肆宣传的800线清晰度就是一个典型例子。一些外国彩电生产企业,利用一些国人对八、六等数字情有独钟的心情,对销往中国的彩电的清晰度,不管科学不科学,不论能否达到,统统冠以600线、800线,又在600线与800线之间取了一个760线。这种廉洁无论从理论上,还是从实践上都可以充分地证明纯属是违反科学的欺骗性误导。

某些外国公司鼓吹800线图像清晰度的一个目的是欺骗、误导消费者购买他们的产品作计算机终端显示器。因为计算机的终端显示器必须是中精密度的,才能分辨清晰的字符和图形;另一个目的是欺骗、误导消费者购买他们的产品享受高清晰度电视的乐趣。实际上普通模拟彩色电视机不可能作计算机终端显示器,也不可能享受高清晰度电视的乐趣。实际上普通模拟彩色电视机不可能作计算机终端显示器,也不可能享受高清晰度电视的乐趣。

电视系统的分解力直接影响着图像清晰度,要实现高清晰度电视,首先就要解决图像的平方向能分辩的像素数,称为电视系统的水平分解力。像素数越多,图像越细腻,越清晰。但像素数越多,图像信号所占频谱越宽,图像通道的通频带也越宽,因此图像通道的通带宽度将限图像水平分解力。

图像水平分解力还要受电子束截面积的限制。如果电子束直径与垂直条纹宽度相差不多,则视频信号接近,具有一定平均分量(代表图像背景亮度)的正弦波(代表图像细节)。电子束直径越小,每行扫描线能分解的黑白条纹数就越多,图像也就越清晰、细腻。但是电子束直径不可能无限减小,电子束直径的减小受两个因素限制,一个是图像亮度,一个是彩色显像管的荫罩孔节距。

实践证明:水平分解力与垂直分解力相当时,图像质量、电视系统的经济性最佳,这就要考虑到光栅的幅型比为4:3或16:9。我国现行电视制式标准的幅型比为4:3,场频为50Hz,行扫描线数为625行,水平方向逆程系数为0.18,信号带宽为5.6MHz,因此,我国电视制式中视频通道的带宽规定为6Mhz。

如果发送16:9宽屏幕电视信号,在场频、行扫描线数等条件不变的情况下,则信号带宽为1.5MHz。这就是说我国现有电视标准的条件下,要使16:9宽屏幕电视机达到与4:3普通幅型电视系统相同的清晰度,它的视频带宽必须由5.6MHz提高到10.5MHz。然而,事实上我国电视系统中的图像、伴音采用共同通道传送,图像、伴音信号必须在8MHz带宽内传送,图像载频与伴音载频之间相差6.5MHz,考虑到伴音干扰图像,图像干扰伴音等因素,现行电视制式仍采用6MHz带宽。在这样的条件下用16:9宽屏幕电视机重视6MHz视频信号,其水平清晰度只有普通4:3幅型的75%。对于16:9宽屏幕电视机,由于水平方向被拉长,单位宽度上的视频信息减少,图像当然要变粗糙,实际上图像清晰度反而是下降了。因此,在现有国情的条件下,人们津津乐道的16:9宽屏幕彩色电视机,并没有真正成为高清晰度电视。

彩色电视系统的图像清晰度主要取决于电视信号源,即摄像机的图像分解力,视频通道的带宽和彩色显像管的分辨力。由于受各种技术条件的限制,现行电视系统均为6MHz的视频带宽、500线极限度清晰度设计,因此国外进口彩色电视机号称800线清晰度是不现实的,理论上也是荒廖的,不仅在我国现行电视制式下不能实现,在日本、美国、韩国等其他国家和地区现行模拟电视制式下也是无法实现的。

彩色电视系统的图像清晰度是电视系统的综合指标,与系统的每个环节的性能都有关,但目前终端显示设备的极限清晰度决定了电视系统的极限清晰度。一般情况下通过电路措施(例如亮/色分离、轮廓校正、电子束速度调制、图像细节校正、动态清晰度控制等)、彩色显像管工作状态调整(例如聚焦电压调整、减小束电流、提高阳极电压等),可以提高图像重视效果,充分发挥彩色显像管的分辨力,但绝不可能超过由节距和电子束孔径决定的极限分解力。

自从现行的彩色电视问世以来,人们一直关注着图像经过采集、编码、传输、解码、再现等过程后,人眼最终所看到的图像必然包含有各种噪声和干扰等引起的损伤。因此,人们渴望得到的高清晰度电视图像,这是目前高清晰度电视面临的重要研究课题,它必须通过一场新的技术革命才能实现。

高清晰度电视(HDTV),目前美国已有最终方案,而大多国家尚未确定,但前期技术研究工作非常活跃。全数字化的高清晰度电视能有效克服现行的电视制式的缺陷。因此,高清晰度电视是21世纪中的发展方向。

未来高清晰度电视的基本要求:

1.图像清晰、细腻,全屏扫描线数为1125行或1250行,像素数是现行彩电的5倍左右。

2.幅型比为16:9,更符合人眼的视觉特征,视野宽,临场感强。

3.图像、声音、彩色之间串扰减小,保证重显图像清晰稳定。

4.利用数字伴音系统,可传送多种伴音或立体声信号,提高彩色电视机的音质。

我国广播电视如何向高清晰度电视过渡,还有待于广播电视部门与生产部门如何去协调一致。不过发展高清晰度电视已成定局,在不很长的时间里,我国高清晰度彩色电视接收机也会在全社会得到普及。

2.图文电视

图文电视业务是处于电视信号结构中的一种数字数据广播业务,主要利用电视信号场消隐期间的某几行传送图方和数据信息,接收端是装备有解码器的电视接收机,对数据解码后以二维形式显示文字和图形信息:新闻、气象、旅游、市场、金融、股票、交通、体育、文化娱乐、广告、各类通告等。

随着电视技术的飞速发展,宽屏幕电视(16:9)已经成功地推向市场,这就对图文功能及屏幕显示功能提出了更高的要求。普通标准图文解码器的基本业务级别为40μs内产生40个字符/行,图文的页在中间显示,而每边有大的扩张黑框.宽屏幕电视的宽度比同样高度的普通电视宽33%,但有效显示时间仍为52μs。当这两类电视的像素频率相同时,所显示的字符就过宽了。要实现字符正确的宽高比,就要使像素频率提高33%,在30μs内产生40个字符/行。由于普通的图文电视解码器的压控振荡器采用单一工作频率,所以缺乏应用于宽屏幕电视的灵活性。

宽屏幕电视的“电影扩展”功能能使4:3字符框传输扩展到填满屏幕。为使原来画面A区能清晰显现,扩展产生于视频通道,隔行扫描电路也要适当调整,以每行10条扫描线为基础的字符组的24行图文页将占据480线。为了在显示出整页的同时,要保证图文小标题自动落入可视区,不致损失多达4行,通过微控制器处理,在解码器的显示存储器内存入被接收的数据,建立页的有效数据包,计算转换量,然后逐字节转换被接收的数据。

现行图文电视大多数都采用固定传输格式。可变格式在固定格式基础上可充分发挥CPU及其软件的作用,提高文字传递效率和灵活性。可变格式采用较新的技术,以较高的价格换取了较高的纠错能力和灵活性,并确定了高级别的图文显示标准。

在图文的显示方式中,就原有的技术而言,同时显示图文页和屏幕显示信息会因为所有显示数据都取自存储器的同一区域而当接收下一次的图文页时又重写屏幕显示信息。当显示一些特殊的屏幕显示信息符号时,时常发现缺少了信号同步,难以保证获得稳定的屏幕显示信息。

由于微处理控制系统和大规模集成电路技术的进步,扩展图文显示发生器就较好地改善了上述存在的问题,适应了屏幕的显示要求。图文显示发生器能产生全屏图文内容,若解码器为二极显示方式,则能实现高质量屏幕显示。当用于宽屏幕电视时,如图文显示限于48μs(以避免屏幕侧边出现影响清晰度问题),则与普通的图文电视机(4:3)显示的48个字符相比,具有扩展图文显示器的宽屏幕电视机(16:9)就能显示具有理想宽高比的63个字符。

为适应宽屏幕电视机的推广,对图文功能所提出的要求必须是:图文显示属性要提高,高级别的图文显示标准要推广,图文显示方式要扩展。为了满足这些要求,荷兰菲利浦公司最先推出了SAA5270型图文电视解码器。我国部分电视机生产厂于1997年相继推出了不同品牌型号的图文电视接收机,一些电视台也随之开始了图文电视广播,如中央台、山东台等。因此,未来的21世纪中,图文电视也是一个重要的发展方向,并且将是一种应用于宽屏幕电视的具有屏幕显示功能的新技术。

3.卫星电视

在当今的社会生活中,电视起着非常重要的作用,为了组织好节目源,全世界都在向卫星方向发展,已逐步形成卫星网结构。然后通过有线电视分配网络送给千家万户。自从1985年我国利用通信卫星传播电视节目起,卫星电视接收站大量普及。但是,在同台建站,以及接收站建在微波路径附近时,地面站常受到同频段微波干扰,致使许多电视接收站不能正常工作,给建站工作带来很大困难。随着地面站的普及和微波站的发展,如何解决微波对卫星电视接收站的干扰成为很重要的问题。

到目前为止,世界上绝大多数国家或地区,利用卫星传送的电视节目为模拟制,因为卫星信道质量相对地面广播要好得多,同时覆盖面大,无需中继(除洲际传输外),特别适合节目分配和广播,因此得到广泛的应用。但是,模拟制方式传送电视节目占用频带宽,即一个36MHz的卫星转发器只能传送一路模拟电视信号,信道利用率不高,且卫星租金昂贵,除了那些需要覆盖全国的电视节目外,一般不采用卫星广播。

近二三年,由于数字视频码率压缩技术的迅速发展和超大规模集成电路的研制成功,使利用卫星传送数字广播电视节目变成了现实。采用现代的数字视频压缩技术和信道调制技术,可实现在一路模拟电视信号占用带宽内传送4-6路数字压缩电视节目,大大提高信道利用率,降低每路节目的传输费用。

在卫星广播电视系统中采用数字压缩技术,是当今世界广播电视领域的发展趋势,也是我国广播电视技术“九五”规划的发展方向。因此,未来21世纪的电视技术将是卫星数字电视技术。目前我国福建福日电视机厂已有卫星电视开发成功,并进入国外市场。其他一些电视机生产厂也在积极开发之中。

卫星数字电视技术的主要优点是:

1.能克服模拟电视系统的固有缺陷。例如性能良好的数字滤波器可以实现各种复杂的线性相频特征,能够进行诸如亮/色分离等各种提高电视图像质量的信号处理功能。

2.抗干扰能力强,信噪比较高。电视信号经过二进制数字编码之后,比原始模拟信号具有较强的抗干扰能力,即使经过长距离地传输和反复记录,通过误码纠错等,仍可无失真地复原。

3.增加电视的功能。数字电视信号易于存储在半导体器件中,能够进行一维、二维以至包括帧在内的三维处理,利用行存储器或帧存储器可以对电视信号进行各种时基处理,实现不同步信号源之间的同步转换,对电视画面实现压缩、扩大、冻结、慢放等各种视频特技效果。

4.积小,容易调整,设备稳定性、可靠性提高。数字电视采用二值电平的数字器件,使数字设备比模拟设备具有更大的设计灵活性,特别是微处理软件的引入,使生产的自动调试和运行的自动控制成为可能,并能作为计算机的终端显示器而进入现代信息网。

数字卫星电视的应用开辟了卫星电视广播的新时代,在电视领域将发挥越来越大的作用。利用卫星传送多路数字电视节目,可大大扩大电视广播的覆盖范围,尤其可使山区和边远地区收视电视节目难的问题得以根本解决,电视质量也能得到提高,而且还能降低每路电视广播节目的费用。因此,利用数字压缩技术,进行卫星数字电视广播具有广阔的前景。

4.有线电视

随着卫星电视技术的飞速发展,地区有线电视网的开通,许多单位积极创办用于教育、宣传和娱乐的自办节目,为此,电视频道越来越多,怎样将这些来源不同的电视信号高质量地传送到千家万户,是当前人们最关心的事情,也是不同规模有线电视系统所面临的问题。过去普遍采用的所谓全频道共同天线系统,不论是频道容量还是可靠性方面,实践证明远远不能满足上述要求。因此,采用邻频传输技术对旧系统进行改造,是未来21世纪有线电视的主攻方向。

所谓邻频传输,是相对于隔频传输而言的,是指两个以上相邻的电视频道信号在同一根同轴电缆里传输而不产生肉眼可见的干扰。其特点是系统容量大,但技术复杂。

在系统选择传输方式中,和须了解各种传输方式的基本原理、优点和缺点,才有可能选择地正确采用有线电视的传输方式。在有线电视中普遍有一次变频、二次变频、邻频三种传输方式。

一次变频是将甲频率的电视信号变为乙频率的电视信号。例如将UHF频段变到VHF频段的某频道,13频道变为9频道或9频道变为21频道。其优点是设备简单、投资少。缺点是因属于直接变频,频道与频道间的频带较宽,无法控制频率的漂移,这样会干扰相邻的频道,造成重影等不良效果。这种方式只能适应小型的公共天线系统,而不能满足中型的有线电视系统。

二次变频是将某频率的电视信号进行二次频率变换。例如将甲频道变为中频(IF:38.9MHz),再从中频变为乙频道。如16频道变为中频,再由中频变为3频道。其优点是因采用中频为接口,使频道互换有很大的方便。更主要的是在中频范围内干扰噪波少,其声表面波滤波器可以做得很窄,控制了频率的漂移,为诸邻频道带来的干扰给予极大的抑制作用,确保了信号的稳定。缺点是虽然控制了频率的漂移,但只能隔频道传输,给多套节目(几套到十几套节目)的传输带来难题,所以不适应中型的系统,无法满足系统的发展要求。

邻频传输技术吸取了二次变频的优点,解决了一二次变频在传输中不能用邻频道传输的缺点,满足远距离传输的中型有线电视系统。邻频传输技术的前端是整个系统的核心,它包括调制器、频道处理器及主放大器等三个部分。

有线电视的实现,主要依赖于传输电缆及分支分配器,传输电缆通常使用藕芯电缆。藕芯电缆因其介质含量减少,故比实芯电缆的损耗低许多。但是经过数年使用后,发现损耗会有不同程度的增加。究其原因,是由于电缆纵孔进水、潮湿,使介质损耗加大所致。所以,藕芯电缆的使用寿命较短。一种新型低损耗物理高发泡电缆使用寿命较长,它的绝缘介质中,空气占有量为78%-80,因此传播速度更快、介质损耗更低。由于采用具有大量微孔的聚乙烯构成介质,微孔间彼此封闭,所以水与潮气不会浸入。还有一种竹节式电缆也与物理高发泡电缆具有相同的优点,在其介质中所占的比例比较多,已接近理想的空气介质。在相同直径及同频率下,传播速度要比物理高发泡电缆高93%,损耗更小,但因这种电缆的转弯半径要求较大,所以多用于干线传输。

当前有线电视事业在我国城乡正如火如茶地飞速发展,其发展势头及规模正愈来愈受到国际同业人员的瞩目。自从1989年研制出高度线性的分布反馈(DFB)激光器,并将其运于CATV中以残留边带调幅(AM-VSB)方式同时传输几十路电视信号以来,光纤传输由于具有传输距离远、频带宽、抗干扰性强、稳定可靠及图像质量好等无可比拟的优越性正逐渐取代同轴电缆干线,将来有完全取代同轴电缆的可能。光纤联网的升级改造是未来21世纪的发展方向。

目前有线电视网不仅在大、中、小城镇已经开通,而且农村有线电视网也正在兴起。然而,农村有线电视的发展走什么路子却是一个很值得考虑的问题,是乡镇独立建网,还是与县联网,这是乡镇有线电视网建设中如何规划、设计的重要事情。作为广播电视工作者必须高度重视。如果乡镇独立建网,一是不可能成为信息传输的广域网,二是高技术准备的CATV网络,乡镇一级很难有力量建设和维护。实践证明,分散独立的小片网是没有前途的,只有把乡镇独立分散的小片网连成大网,才能形成系统优势。风格越大,信息量越多,服务功能越多,也就越能适应现代社会的需要。

自从1993年美国提出建立“信息高速公路”以来,世界各国不断作出反应,许多发达国家已纷纷制定了发展和试验“信息高速公路”的计划。我国对此也非常重视,组织有关专家进行论证并研究对策。根据中国国情,提出了称之为“高速信息网”计划。在未来的21世纪,有线电视将是一个与信息网络结合起来的,采用光纤链路的传输网络。

5.多媒体电视

多媒体技术是一门综合的高新技术,它把微电子、通信和数字化声像等技术融为一体,利用计算机对文字、声音、数据、图像等各种信息进行综合处理、存储与传输,目前已广泛应用于商业、教育、电子出版等系统。在影视文艺创作领域,由于该技术的涉入,不仅会改变影视工作者传统的工作条件与工作方式,而且会引起节目制作的一场革命。

由于科学技术的不断发展,信息传播媒介也在飞速发展。按照其服务对象和传播方式大致可分为:大从性传播媒介和专业性传播媒介。大众性传播媒介主要有:广播电视、图文电视、有线电视、电缆图文电视(正程图文电视等)。专业性传播媒介主要有:可视图文(图文检索)、各种专业计算机网络、数据广播等。前者以广播方式为主,覆盖面双较宽,但信息内容以大众所关心的信息为主,更新速度快,但信息量有限;后者则以交互式双向传输为主,并具有检索功能,覆盖面小,但信息大。未来21世纪中,家用广播电视接收机将与计算机和信息网络配合,作为多媒体的终端显示器,那时电视机不仅能接收广播电视信号、有线电视信号、卫星电视信号,而且可以作为计算机的终端显示器,并与交互式信息传播网络相连,成为信息高速公路的终端显示设备,从而庳展它的应用范围,真正做到足不出户,便可通晓古今中外各信息。为此今后生产的彩色电视机将安置21芯插座或RGB插孔,以便更方便地扩大彩电的应用范围。在未来的21世纪,发展与新型显示器件相关联的配套技术将为主攻方向,今后电视图像信号的显示器件要向大屏幕化、超薄化、轻量化发展,背投式CRT型、液晶显示和等离子显示技术将变得越来越重要,与其相关联的技术有高压技术,自动会聚技术,画面质量较正技术等。这一切都将为多媒体图像终端显示提供高质量的物质基础。

随着多媒体技术的发展,图、文、声、像一体化,信号的采集、处理、存储与传输等已普遍数字化,特别是动态图像的引入,使当前信息的存储和传输技术感到无能为力。多媒体技术在当今电视节目制作中通过支持模拟和数字两种编辑方式,一方面可使用户继续使用廉价的磁带作为存储媒体而不必牺牲非线性编辑提供的方便;另一方面,它把现在模拟时代与未来数字时代之间的鸿沟连接了起来。据笔者了解,数字电视与模拟电视兼容的研究目前已有了突破性进展。

6.交互式电视

交互式电视是一种受观念控制的现代高新技术电视,在节目间和节目内观众能够作出选择和决定,是一种非对称双工形式的新型电视技术,是在数字技术、网络技术、计算机技术等十分完善的基础上构想而成的。

交互式电视和多媒体电视的一个重要区别是前者的信息传输采用了不对称模式,交互式电视系统和人类间直接通信的信息系统一样,数据的发送和接收量有很大的差别,人的眼睛和大脑结合可以迅速地接收非常多的信息,而操作键盘和定位设备的手就要慢好几个数量级。使用遥控器的交互式电视系统,目前需要以秒兆位的速度传送家用质量的电视,而从遥控器到机盒只是每分钟几位的数量级。

这种不对称相对多媒体通信、分布式多媒体系统以及计算机风格系统来说是一个新概念,多媒体系统两个方向的传输路径肯有相同的传输率,数据交换是处于计算机之间而不是人和机器之间。交互式电视系统通信对像是人和机器,所以它把传输通路分成节目通路和返回通路。节目通路也称下行通路,它流向用户,把视频信息传送到用户。例如,一个交互式电视用户坐在家里的交互式电视机旁,考虑今天想看的节目,当他拿起非常简单的单键遥控器时,一系列小的矩形菜单出现在电视机屏幕的顶部。假设想看一部电影,于是他把单键遥控器(具有激光指标器)指向菜单的“电影”框,这时菜单向下扩展,把电影分成几组,如:浪漫传奇片、动作惊险片、经典著作片、科学幻想片及滑稽喜剧片等。用户选择了“滑稽喜剧片”,于是一系列电影片名中选择了“卓别林”。当选完电影片名后用户感到饿了,于是点购食物,几种诱人的烧饼出现在屏幕上,用户选中了某一种,然后屏幕通知用户在按键选择后30分钟内烧饼将送到,否则免费。用户不必告诉烧饼送到哪儿,因为系统知道用户的关资料。接下来选择饮料,选定后,完整的食物订单显示在屏幕上以使确认。同时还出现了一些电影的节选镜头,使用户确认这是他想要看的电影。当用户有被告知价格后,电影就真正开始了,从开始选择到播放电影大约花两分钟时间。电影播放不到半小时,送烧饼和饮料的人来了,但这时用户不必付钱,因为交互式电视系统通过您在网上的帐户已经把钱付给饼店及饮料店了。用户只需到厨房取些餐具接过食品即可,然后付给送货人一点小费,回来接着看电影。然而,有一个问题却出现了,用户错过了几分钟最好的情节,但交互式电视系统会帮助您,这时可拿起遥控器,大屏幕上立即出现了十几个小屏幕,每个都放着同一部电影,但开始时间不同,用户选择了他刚刚看过后的一个,用户就可从刚才被打断的地方接着观看。

交互式电视于1994年诞生在美国。这它主要由美国电话公司和有线电视公司合作开发。有线公司(CATV)拥有用户为5800万个家庭的大容量的光纤网络,用以传输各种图像、视频、音频及计算机数据,并具有播出多种电视节目的经验。

现在全世界已有17个国家正在开发或提供交互式电视的试验和服务。交互式电视具有较好的应用前景和经济效益,目前正处在蓬勃发展的初期。美国已经有美国电话公司点播电视(TELO VOD)系统、有线电视公司点播电视(CATV VOD)系统、峰窝电视点播系统及宾馆点播系统。在交互式电视系统中,关键设备是:视频服务器,ATM通信设备、机顶盒以及节目选择和收费计算机,然而这些技术正随着计算机技术、通信技术、多媒体技术以及半导体技术的发展而不断更新换代。交互式电视产业在未来的21世纪必将飞速发展。

综上所述,读者对什么是数字电视,由此而引发的技术革命,不难有一个清楚的了解。一切新的电视欲望,都必须是建立在高度发展的数字编码压缩、模糊逻辑思维、卫星有线以及计算机网络传输等诸多高新技术的系统工程上,否则,什么800线清晰度、电视购物等,都是不能成立的。

二、数字电视的基本原理

(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,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。

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。

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。

(二)、数字电视信号的播出与传输

电视信号的传播质量,一直是人们最关心的事情,因为它直接影响电视接收机的收视效果。在传统的模拟电视号的传播过程中,总有一定的信噪比存在,干扰电视信号的传播与接收。

电视信号中的噪声干扰主要来源于:

(1)接收信号源内的原有噪声(指二极能上差转信号源)。

(2)外界的自发噪声干扰。

(3)其他发射台的电波干扰。

(4)由于多径传输所引起的重影干扰。

(5)差转机内部的热噪声以及宽频带放大器非线性畸变所引起的干扰。

(6)交流干扰及组合频率干扰。

较理想的电视转播,应努力使电视接收机视频输出的信噪比在45dB以上。但它远不能满足数字化高清晰度电视的要求。近几年来,由于卫星信道质量好(相对地面广播),覆盖面大,无需中继,特别适合节目分配和广播,因此得到了广泛的应用。但绝大多数利用卫星传送的电视节目为模拟制。模拟制方式传送电视节目占用频带宽,一个36MHz的卫星转发器只能传送一路模拟电视信号,因此信道利用率不高。

随着数字视频码率压缩技术的迅速发展和超大规模集成电路的研制成功,使数字化播控系统和利用卫星传送数字广播电视节目变成了现实,使图像质量得到极大提高,用以满足高清晰度电视的广播级要求。同时,由于采用现代的数字视频压缩技术和信道调制技术,可实现在一路模拟电视信号占用带宽内传送4-6路数字压缩电视节目,从而大大提高了信道利用率,降低了每路电视节目的传输费用,同时也减去了噪声干扰。

因此,在数字电视中,即使产生了数字电视信号,要提高数字电视机的接收质量,还有演播中心和电视传输的两个方面的细节问题。

1.演播中心的播控系统

在早期的电视台播控技术中,主要依靠人工手动控制数台录像机来完成视、音切换控制。随着频道节目增加,播出时间延长,播控人员在整个播出过程中时刻处于高度紧张状态,极大地增大了劳动强度及心理压力,从而不免发生播放事故,特别在切换过程中极易出现瞬间的抖动噪声,严重影响了播出质量。

随着微电子技术的发展、计算机的普及,电视播控方式与随之发生变化,由人工手动切换转向半自动及全自动播控。数字化无磁带播出即将取代传统的磁带化播出方式。计算机海量存储技术、数字压缩编码技术、光纤通信技术、多媒体通信技术、磁盘技术的发展以及数字化设备成本的不断降低。将使播控系统发生质的飞跃,使网络的电视播控完全数字化,从而极大地提高电视信号的播出质量。

但是,使用磁盘代替磁带并非数字化的全部含义。数字化的播控系统,应是先进的自动化技术,以多台服务器、工作站、PC构成主体,一方面继承过去的磁带式播出方式,使用录在磁带或光盘等媒介载体上的节目源,使模拟量或分量的录像机等可以与新式数字化设备并存;另一方面可以通过功能的网络获取播出信息及节目内容。

自动播控系统的设计和实现是一个十分严肃的工程技术问题。首先它必须是能够通过提高硬件质量、有效备份和加强监测手段来减少故障因素,同时提供多种应急手段;在提高播出质量的基础上,尽可能地提高播出部门的自动化程度,使系统更具体整体性。

先进的计算机控制自动播控系统将是电视台播出装备升级换代、提高播出质量的重要手段,它可以根据人工操作习惯 和软件的智能化管理,实时地对各录像机进行自动调度、自动播放、自动切换,以达到定时播出、顺序播出、触发播出和节目插播功能,从而极大地提高节目录像带的规范化程序。

自动播控系统是由许多环节构成的,因此,它必须有分级监视和交互监视的方法,对播出信号实时地进行主观评价;能够利用示波器和综合测试仪对重要进行定量的技术监测。使视音频技术质量等级要求达到行业标准。

随着人们生活水平的不断提高,要求电视台的发展是频道增多,播出时间增长,节目量增大,直播节目增多,节目输出点增多。并且还要同时保证播出的高可靠性、信号的高质量、操作的简易性以及系统的良好扩容能力。这就要求演播中心的播控系统的发展将是应用机器人技术的完全自动化,否则将难以适应未来数字化视音频信号传输技术的网络化。

2.数字电视的传输方式

由于数字视频码率压缩技术的迅速发展,数字压缩电视节目不断增多,电视人口覆盖率要求不断提高,一个完美的视、音传输方式,能否将电视节目分配和广播到户,已愈来愈引起人们的关注。

目前,民办一些发达国家已普遍采用卫星、微波和有线相结合的传输网络。我国也开始利用卫星传送多路数字压缩电视节目,以及微波中继系统和CATV系统形成的网络到户。

1995年11月,我国中央电视台用中星5号G频段成功地向全国播出了体育、电影等五套数字压缩的电视节目。1996年8月又采用美国SA公司的符合MPEG-2/DVB标准的设备向全世界播出了中央3台和中央4台的数字压缩电视节目。

1997年初,我国MPEG-2/DVB标准,用亚洲2号卫星的3B转发器以SCPC方式传送了河南、内蒙古、青海、广西、湖南等五省区的数字压缩电视节目;用亚洲2号卫星的6B转发器传送了福建、广东、湖北、江西、辽宁等五省的数字压缩电视节目,(也采用SCPC方式)。数字压缩技术的上星广播,给我国的数字电视发展注入了新的生机。

在我国将多套数字压缩电视节目送上卫星的方式,通常有两种:一种是将每套节目各自调制一个载波后发至卫星,另一种是将几套节目的数据流合成一个数据,然后调制一个载波,将其发至卫星。前者被称为SCPC(单路单载波)方式,后者被称为MCPC(多路单载波)方式。我国各省台采用的SCPC方式,共用一个转发器,中央台因传送的是多套节目,因而采用了MCPC方式。

在接收端根据不同用途可有两种接收方式:一种是通过有线电视台配备的IRD业务,将收到的卫星数字电视信号转换成模拟信号,以常规方式送入有线电视网;另一种是直接到户,但这时家庭要配备一个家用IRD,卫星数字电视信号就可以直接送到电视机,使用户十分方便地收看到电视节目。

目前,我国各地城镇已建起了CATV系统,并且也正在向更高级阶段发展,使得大型工矿企业能与城镇,或几个城市之间实现CATV的系统联网,从而使传输距离由几公里扩大到几十分里至几百分里的范围。由于业务内容的不断增多,对传输距离的扩大,除了要求各种设备的高性能外,还必须解决远距离传送手段。目前普遍使用的优质同轴电缆,即使设计了合理的放大器,对于甚高频最远可传14km,而全频道系统只能传送2.75km.

因柴解决远距离传送,除利用可以传送几十公里的光纤技术外,主要一种方法是利用微波技术,即用微波作为CATV系统的延绅。微波即频率为30MHz-300GHz范围内的电磁波,其波长为1m-1mm。由于微波具有频带宽、稳定性好、直线传播、定向收发等特点,目前各国的电视传输网中的远距离传输几乎都采用了微波中继系统。我国也是如此,在大型CATV系统中已经进入使用电视微波技术的阶段。

(三)、数字视频的基本原理

数字视频是一种用二进制数进行编码、压缩、再传输的图像信源。它较传统的模拟制式图像信源相比,更适合多次中继的远距离通信,易于多次复制,并且抗干扰能力强,保密性好,有效地提高了电视的质量。

数字化技术在视频图像中的运用成功,不仅需要二进制数的支持,而且图像变换编码及图像编码的标准也为之起着关键性的作用。视频序列力像在时间上有很强的相关性,利用块运动估计 和运动补偿技术可以比较有效地去除图像帧间冗余度,实现高码率压缩比,这种技术已广泛用于视频压缩的一些国际标准中,如H.261,H.263,MPEG-1,MPEG-2等。在这些视频压缩国际标准中视频系统编码器的复杂性最主要取决于运动估计。运动估计是活动图像编码和计算机视觉领域中的一项关键技术。计算机视觉的研究侧重于由物体的二维运动来估计其三维运动,活动图像编码的研究侧重于由物体和摄像机的相对运动而形成的二维运动。因此,数字视频是十分复杂的编码技术的支持。

1.二进制数的引入

在人们的日常生活中,对数的运用,总有一个进位的概念,用以表示数码的量级。在实际应用中,根据不同事物的需要,人们创立了多种数的进位制。我们最常用、最熟悉的是十进制,例如10mm为1cm,10cm为1dm,10dm为1m等。但是,日常生活中,并不都是采用十进制的,如1年等于12个月,则是十二进制;1小时等于60分钟,1分钟等于60秒,是60进制;鞋是以双计算的,即1双等于2只,是二进制。

在我们最常用、最熟悉的十进制数中,共有10个不同的数字符号0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,由且由低位向高位是“逢十进一”。

在十进制中由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个数字符号,加上正负号、小数点等就可以构成一个数。例如1999这个数,通常读为一千九百九十九。用数学公式表达,则为:1999=1×103+9×102+9×10+9

在十进制中任一个正整数N都能够写成

N=an×10n+an-1×10n-1+...+a3×102+a1×10+a0

其中0≤ai≤9≤,而I是0到几中的任一个数.

如将3475写成数学公式的表达形式时,则当i≥4时有ai=0,a3=3,a2=4,a1=7,a0=5,即3475=3×103+4×102+7×10+5。

在十进制中,由于利用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个数字符号可以表示出任意大小的数,因而十进制普遍应用,似乎没有必要搞其他进位制,事实上在电子数字计算机出现以前,除了少数数学家以外,确实没有人考虑其他进位制。

随着电子计算机技术的出现,十进制数已不能适应电子数字计算,为此二进制计算方法便应运而生,并且愈来愈显著起来。在二进制计数方法中,只有两个数字符号0、1,而且由低位向高位是“逢二进一”,同一个数所在的位数相差一位,其值就有二位之差。所以,在二进制的数:

0就是零;

1就是一;

10就是二;

100就是四;

1000就是八;

10000就是十六;

100000就是三十二;

1000000就是六十四;

10000000就是二百二十八;

......等等。

由于在二进制中10就是二,1就是一,所以在十进制11=10+1等于二加一就是三。对于由1111这四个数字符号所组成的数在十进制和二进制中,它们所表示的量值是不同的。在十进制中1111是一千一百一十一,而在二进制中1111=1000+100+10+1却是八加四加二再加一,也就是十五。

在数学界,当g是正整数而g不等于10时,将用(a)g来表示a是用g进位法写的,因此(a)2是表示a是用二进位法写的。为了方便起见,当a是用十进位法写时,我们还用平常的写法,也就是a。

在电子计算机中采用二进制,是因为这种进位制具有下面一些优点:

1.二进制数只0、1两个数字字符号,十进制却有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字符号。电子计算机不可能像人一样,一眼就识别这十个符号。在计算机内只能用物理元件的不同稳定状态来表征这些不同符号。因此,对于一个十进制数就需要一个具有十种不同稳定状态的物理元件,而对于二进制数只要一个具有两种不同稳定状态的物理元件即可。显然,后一种物理元件是容易实现的。如电灯的“亮”与“暗”和开关的“接通”与“断开”都是电灯和开关的两种不同稳定状态,如果用“亮”或“接通”表示1,则“暗”或“断开”就表示0,所以用电灯或开关就可以表示一个二进制数。

2.采用二进制,可以用较少的物理元件表示较多的数,所以采用二进制可以节省设备而使电子计算机的结构比较简单,也有利于工作可靠性的提高。

3.二进制数的四则运算和十进制数相同,因为它只有0和1两个数字符号,因此只要记住“逢二进一”的原则,就可以进行任何运算了。

要使人们习惯采用的十进制量化模拟视频在电子数字计算机中进行运算,道德必须把需要运算的十进制数“翻译”成二进制。根据二进制计数方法的定义,十进制的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个数字符号,可用二进制数表示为:

0=(0)2

1=(1)2

2=(10)

3=2+1=(10)2+(1)2=(11)2

4=(100)2

5=4+1=(100)2+(1)2=(101)2

6=4+2=(100)2+(10)2=(110)2

7=6+1=(100)2+(1)2=(111)2

8=(1000)2

9=8+1=(1000)2+(1)2=(1001)2

在实际应用中,可基于2的乘次方采用试减法来将十进制数换成二进制数。2的乘次方通常是:

21=2

22=4

23=8

24=16

25=32

26=64

27=128

28=256

29=512

210=1024

211=2048

212=4096

213=8192

214=16384

...=...

如将24化为二进制数:根据2的乘次方知道,不大于24的最大数是24=16。由24-16=8和2的乘次方知道,不大于8的最大数是23=8。由于

24=16+8=1×24+1×23+0×22+0所以,24=(11000)2

再如将92化为二进制数:根据2的乘次方知道,不大于92的最大数是26=64,由92-64=28,再由2的乘次方知道,不大于28的最大数是24=16。由28-16=12,再由2的乘次方知道,不大于12的最大数是23=8。由12-8=4,再由2的乘次方知道,不大于4的最大值是22=4。由于

92=64+16+8+4

=1×26+0×25+1×24+1×23+1×22+0×2+0

所以(92)=(1011100)2

从十进制数转化为二进制数来看,后者一个最大特点是码位较高。这也是较十进制数在应用计算时的一个不利因素,它要求计算机的硬件有一个较高的质量。

至于二进制数转换成二进制数,方法就比较简单了,只要把它用2的乘次方的多项式表示,求出结果就行了。

如:(10011)2化成十进制数时

分解(10011)2=1×24+0×23+0×22+1×2+1

由有:24+2+1=16+2+1=19

所以(10011)2=19

2.数字视频的编码技术

随着数字化技术的发展和成熟,视频和音频的数字化已使数字高清晰度电视(HDTV)成为现实。高清晰度电视是新一代电视,其扫描线在1000行以上,每行1920个像素,宽高比为16:9,较常规电视更符合人们的视觉特性,使图像质量与35mm首映电影相当。但是由于像素数大幅度增加,使本来数码位就较高的二进制编码形成极大的编码数据,使HDTV的信息量可达常规电视的5倍以上,传输时占用频带宽,存储时占用媒体容量大,特别是对计算量最庞大的运动估算的运动算算法来说,编码器无疑要有非常高的处理速度,这样给实际应用开发带来了极大困难。因此,必须对HDTV图像进行压缩编码。

自美国于90年代初提出第一套数字HDTV方案Digicipher开始,经过几年时间的数字图像压缩技术的发展和MPEG-2标准的制定,限制全数字高清晰度电视实现的信源编码已经不再是挡路石。

在我国高清晰度电视的研究开始于80年代末,到了90年代,在算法方面已经有了一定成果。从用图像子图划分的方法,将一幅图像划分成几块,到采用一种并行处理结构,降低了运动估算及处理速度,完成了基于MPEG-2的高清晰度电视图像信源压编码软件。我国的“高清晰度电视功能样机”项目正是在这样的背景下提出的,并针对我国的国情,使其核心技术图像信源编码器的主要技术要求设定为:

分辨率:1440×1152

场频:50Hz

扫描方式:隔行扫描

幅型比:16:9

在我国目前的经济、技术条件和现实情况下,经过论证,采用了将高清晰度电视画面按“十字”划分的编码方案,同时利用SDTV(标准清晰度)专用视频编码器。如图1-5所示“十字”划分方案,是在编码端,首先将高清晰度画面按图1-5的划分方法,分为四个SDTV(标准清晰度)子画面,然后分别用SDTV编码器进行编码,按MPEG-2中的MP@ML格式进行活动图像压缩,得到四个压缩后的码流,接着将四个视频码按ML@H14L格式重新进行拼接和同步,形成一个高清晰度电视的视频码流。如图1-6所示。

在“十字”划分的编码方案中,MPEG-2MP@ML的编码器的十分关键的。一般有两种实施方案,其一是采用基本的DCT专用芯片,运动估计,加上高性能的数字信号处理(DSP)芯片进行设计;其二是采用现有的MPEG-2编码芯片或芯片组。第一种方案虽然有很大的灵活性,但在设计上比较复杂,而第二种方案设计简单,但灵活性很差。由于经过划分之后的高清晰度图像信源的编码被转化为四个MPEG-2MP@ML的图像信源编码,因此,信源编码的主要任务就变成了MPEG-2MP@ML编码器的设计实现。

由于HDTV编码系统,是由四个MP@ML的编码器加上一些辅助电路构成,因此MP@ML的编码器又称为编码器。子编码器由三个主要模块组成:其一是运动估计模块;其二是运动补偿模块;其三是混合编码模块。

运动估计模块的主要功能和作用是:对输入的信号进行数据格式转换,然后根据MPEG中图像序列处理顺序和显示顺序的关系对帧数据进行重新排序,再将4:2:2格式的数据转换成4:1:1格式,然后进行整像素的运动估计,并将亮度信号、色度信号、运动矢量、帧启动和同步信号等送给运动补偿模块。

运动补偿模块是以输入的整像素的运动矢量为基础,进行半像素的运动估计,并得到相应的平均绝对差值(AMD)。以MAD为标准进行运动补偿方式的选择,选定运动补偿方式后以宏块为单位进行运动补偿,并将选定的运动补偿方式、运行矢量、补偿后的图像差值信号送到后面的混合编码模块。

混合编码模块的作用,除对输入补偿后的图像数据、运动矢量、同步信号及其他格式和控制信号等做DCT处理并进行量化外,还将得到的系数做逆量化和IDCT处理,将重建数据存入帧存中。得到的系数还要进行激程编码,然后进行Huffman编码,得到的数据与其他控制住处形成MPEG-2码流向后一级输出。

在以十字划分方案的高清晰度电视视频编码器的基础上,由四路MPEG-2MP@ML码流到一路MPEG-2MP@High1440码流的合成技术是十分关键的。要符合MPEG-2标准的码流,就必须保留或修改四路码流的信头信息,合并slice层的数据。

为便于slice的合成,将一个SDTV标准清晰度画面(有效像素720×576)的子画面划分为36个slice,这样最后合成的1440×1152大小的HDTV画面将含36×4=144个slice,每行两个slice。

如果用1、2、3、4分别表示图1-4中的左上、右上、左下、右下位置的子编码器,则在一帧时间内,应首先依次读取子编码器1、2、3、4输出的码流中slice层以上的信头信息,修改子码流中的信头数据,使之成为MP@High1440码流的信头数据,然后输出到HDTV级的传输缓存中,而丢弃码流1、2、3中的这些信头信息。接着依次将码流1和码流2在同一垂直位置上的slice层数据进行拼接输出,直到读完和拼接完码流1和码流2中的一帧码字。然后对码流3和码流4进行拼接,直到完成一个HDTV帧的码流拼接。如此特环,周而复始。

在十字划分方案的高清晰度电视视频编码中,由于采用了SDTV专用视频编码器,所以在HDTV画面的十字边界不能作过界的运动补偿(MC),否则会造成十字边界处宏声的预测误差增大,从而有可能引起十字边界附近宏块重建质量下降,造成十字交叉处图像质量不易被接受。在高清晰度电视功能样机的研究中,四个视频子编码器采用的是IBM公司的MPEG-2专用视频压缩编码芯片,由于受到专用芯片本身的限制,量化级Q的控制无法做到宏块级,所以目前只能在GOP一级进行码率分配,通过保持解码后重建子图间图像质量的均衡,尽可能地减少由十字划分所带来的可能出现的十字叉效应,即十字边界处图像质量的损失。

3.图像压缩码的国际标准

近几年来,随着超大规模集成电路的不断发展,多媒体技术逐渐深入到人们的生活中,并引起越来越多的关注。多媒体的各项应用都离不开高效的图像压缩算法。在视频领域,也正在进行从模拟到数字的转换,从VCD、DVD到HDTV。视频数字化后,由于其数据量很大,不适合存储和实时传输,所以要对其进行压缩编码。为了使图像压缩编码有一个国际标准,ITU和ISO从80年代末期开始了图像压缩的标准化工作,并相继制定了H.261,H.263,MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4,JPEG等若干标准,基本上适应了中高码率信道上图像存储、传输的要求。这一系列国际标准的推出极大地促进了视频压缩编码实时实现技术的研究和发展,最终使数字视频技术进入了实用阶段。

(1)H.261编码标准:H.261是一种高集成度全数字化视频编解标准,于1990年7月由可视电话编码专家组提出,建议为ITU-TH.261,全称为“Video codec for audiovisual servicesat 64-1920kbps”。它具有覆盖整个ISDN(综合业务数字网)基群信道的功能,适合于有会话业务的活动图像压缩编码,广泛应用于会议电视睡可视电话。它是1948年以来电视图像压缩编码领域40年研究的结晶,其基础和核心是混合编码技术,即带有运动补偿的帧间预测编码+变换编码+量化+可变长编码。其视频压缩编码算未能原理如图1-7所示。

H.261建议要求输入CIF或QCIF格式的图像,CIF格式的空间分辨率为352像素×288行,QCIF格式的空间分辨率为176像素×144行。

H.261建议采用层次化数据结构,将图像数据划分为四个层次:图像层(P)、块组层(GOB)、宏块层(MB)和块层(BIOCK)。

H.261建议的参考模型8(RM8)提出了传输缓存器占有率与反馈的量化系数之间的线性关系描述,并据此来控制传输缓存器输入码流的速率,即传输缓存器由空到满时,量化系数线性地由小变大。但是,由于其采用线性的方法控制一个非线性动态的视频编码器传输缓存器,至使传输缓存器无法工作在最佳状态。这是H.261建议的一个主要缺陷。

目前,基于H.261的数字视频编码系统VP/H261已经研制成功。它可以在线切换CIF和QCIF图像格式、在线切换传输码率。在CIF图像格式下,传输码率不低于384kbps时,能以25帧/s的帧率实时编解码活动图像,图像质量令人满意;在QCIF图像格式下,传输码率不低于128kbps时,能以25帧/s的帧率实时编解码活动图像,图像质量较姨;传输码率为64kbps时,能以8-15帧/s的帧率实时编解码活动图像。

(2)H.263编码标准:H.263是一种极低码率窄带电信信道视频编码建议。它是由国际电信联盟标准组(ITU-T)于1995年提出的关于码率低于64kbps的窄带电信信道视频编码标准草案,并于1996年进一步得到完善。

H.263 是已有图像压缩标准的总结和提高,它的压缩算法采取的是基于波形编码的技术,即DCT/MPC的混合编码技术,基本上是H.261的扩展与改进。

H.263信源编码器处理的是逐行扫描、帧频为29.97Hz的活动图像,帧频容限为±5×10-5.图像信号分成亮度分量和两个色差分量(Y,U和V)编码,色信号格式为Y:U:V=4:2:0。

H.263采用的图像格式共有5种:

1.CIF图像格式:
亮度分量,像素数/行为352,行数/帧为288;色度分量,像素数/行为176,行数/帧为144;

2.QCIF图像格式:
亮度分量,像素数/行为176,行数/帧为144;色度分量,像素数/行为88,行数/帧为72。

3.SUb-QCIF图像格式:
亮度分量,像素数/行为128,行数/帧为96;色度分量,像素数/行为64,行数/帧为48。

4.4CIF图像格式:
亮度分量,像素数/行为704,行数/帧为576;色度分量,像素数/行数352,行数/帧为288。

5.16CIF图像格式:
亮度分量,像素数/行为1408,行数/帧为1152;色度分量,像素数/行为704,行数/帧为576。

在这5种格式中,每行的像素数与525行或625行信源的亮度和色差信号行下程部分分别以6.75MHz和3。375Mhz取样时的样点数兼容。其画面的幅形比均为4:3。

在H.263规定中,所有的解码器必须能工作在QCIF和SUb-QCIF两种格式,而编码器必须能工作在QCIF和SUb-QCIF两者之中的一种格式。

H.2SUb-QCIF两种格式,而编码器必须能工作在QCIF和SUb-QCIF两者之中的一种格式。

H.263标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

ONT>

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

ONT>

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

ONT>

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

ONT>

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

ONT>

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

63标准中规定视频信源编码原理,主要由运动补偿预测、离散余弦变换、量化、熵编码和编码控制几部分组成。如图1-8所示。

被编码的每一帧图像划分成很多宏块,一个宏块包含了4个亮度块和两个空间上相应的色差块。每个亮度块或色差块相当于8像素×8行的Y、CB和CRO在QCIF格式中,一帧图像99个宏块,宏块的编号按逐行水平扫描顺序排列。数据传输时,按编号逐个宏块输出。

H.263的视频编码流是十分复杂的,它由图像、块组、宏块、块共四层从高到低分层构成。

(3)JPEG编码标准:JPEG标准,即ISO/IEC1091-1标准。它是对静态图像制订的,但也可用于对连续运动图像进行压缩,压缩时将连续图像的每一个帧视为一幅静止图像进行压缩,若压缩器/解压器速度足够快,还可以实时处理视频信号,构成以JPEG为基础 的实时视频存储/回放系统。

JPEG标准压缩后的视频图像数据量大大减小,对同样的硬盘可以存储更长时间图像,因而在现代数字视频编辑、处理中大量运用了该种编码标准。在因特网上只允许用两种图像格式,JPEG就是其中之一。

JPEG标准提供了4种压缩算法:

1.基线有损压压缩算法。该种算法在DCT离散弦变换的基础上建立的。其压缩运算过程是:

a.以8×8像素块为单位,对图像数据进行离散余弦变换,将数据转换到频率域,得到64个DCT矩阵。

b.对DCT系统进行排序、量化,使数据得到第一次压缩。

c.采用了可变长编码技术,对量化后的DCT系数进行编码。其特点是,对出现概率最的码字分配以较短的码长,对出现概率低的码字分配以长的码长,这样编码后的数据将大大少于编码前的数据,从而达到数据压缩的目的。

2.扩展有损压缩算法,

3.无损压缩算法。

4.分层压缩算法。

JPEG标准可以用于对不同像素结构、不同色度空间、不同扫描方式图像进行压缩,但在不同应用领域对图像压缩的要求也不同,采用的量化表及可长编码技术也不同。为了便于在不同系统间压缩数据文件的交换处理,JPEG标准中定义了几种标记段及相应标记。如在JPEG基线系统中定义的一些标记为:

1.图像开始标记SOI,它主要用于表示JPEG数据文件的开始,是JPEG文件的第一个标记,也是JPEG文件的第一个字。SOI只有标记没有段体。

2.帧开始段SOFO,它主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的量化表及其块数。

3.扫描开始段SOS,它也主要由若干字节组成,用来定义每个色彩分量使用的可长编码技术。

4.图像结束标记EOI,它紧随压缩数据最后一个字节,也是JPEG文件的最后一个字,用以表示JPEG数据文件的结束。

5.应用定义段APPn。在JPEG标准中允许一幅图像数据中最多有16个APP段,APP在压缩时插入用于说明该JPEG文件的应用场合等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

6.说明段COM。COM也是在压缩时期插入用于该JPEG文件进行注释、备忘等,解压缩时该段直接由解码器读出传递给使用者。

7.量化表定义段DOT,记录编码时用到的量化表,解码时传递给解码器使用。

8.Huffman表定义段DHT,记录编码时用到该表,解码时传递给解码器使用。Huffman编码,是一种可变长编码技术。

(4)MPEG-1标准:MPEG是Moving,Picture Expert Group的缩写词,意为活动图像专家组,他隶属于国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)名下。由该组织规定的视频编码标准就被称为MPEG标准。MPEG标准是现在运用比较广泛的运动图像压缩技术,它的主要特点是利用了DCT算法减少图像空间(二维症面)的信息冗余度,利用运动估算与运动补偿来减少图像在时间方向上的冗余度,以达到大幅度压缩图像信息的目的。目前已有MPEG-1,MPEG-2,MPEG-4等几种标准。它们都是在不断发展中形成的。

MPEG-1标准是由活动图像专家组于1990年正式公布,其图像传输速率规定为1.5Mbps,音频信号速率为64.128-192Mbps,基本分辨率为352×288,主要用于VCD。MPEG-1没有采用国际广播协会确定的CCIR601分辨图像的指标(NTSC为704×480,PAL为704×576),而是采用了适当降低图像清晰度标准的方案,使用较低数据率的1/4分辨图像的标准(NTSC制为352×240,PAL为352×288),水平和垂直清晰度均降低一半,并作VCD视盘机的图像信号标准。

MPEG-1由三个主要部分组成:

1.MPEG系统,该系统规范说明如何净符合MPEG标准视频和音频部分的一条或多条数据流与定时信息结合,形成单一的复合流,以便于数据的存储或传输,在MPEG-1的数据流中又分成系统层和压缩层。系统层主要包含定时信息和其他需要分离的音、视频流,以及重播时同步音、视频的信息;压缩层主要含有被压缩的音、视频数据。

2.MPEG视频该视频部分提供了一种统一的编码格式,用来描述存储在各种数字存储媒体上的经过压缩的视频信息,主要用于对连续传输速率为0.9-1.5Mbps的数字视频序列均含有序列头标、一至多个图像组以及序列结束码,而视频序列的基本编码单元是图,为偶数,而B-Y矩阵和R-Y色差矩阵、R-Y色差矩阵。Y矩阵的行和列均为偶数,而B-Y矩阵和R-Y矩阵无论是在水平方向或是垂直方向均为Y矩阵的一半的尺度。为了保证画面质量,获取高的压缩比,采用了失真算法,使用帧内编码(减少空间相关)和帧间编码(减少时间相关)相结合的办法。帧内编码图像,即为I图像,它在编码时不对其他图像进行参照,它提供编码序列的直接存取(访问)点,并从这一点开始解码。预测编码图像(P图像)使用运动估计与补偿预测进行有效编码,预测时使用过去的帧内编码图像或预测编码图像,并且P图像一般又用作进一步预测的参考。双向预测编码图像(B图像)提供最高的压缩比,但是它需要过去参考图像和将来参图像进行运动补偿,而双向预测编码图像从不用作预测时的参考。

在MPEG-1中,每一幅视频画面都有一个头标和多个画面的切片,通常是垂直方向分片,NTSC制把每帧图像切成15片,而PAL制把每帧图像切成18片。切片同样由一个头标和若干宏块组成,每片分成22个宏块,它的排列从左到右,从顶到底。每一个宏块的亮度部分含有16行,每行有16个像素,这样使用16×16大小的宏块作为运动补偿的单位。同时还把每一个宏块再分成4份,谓之像块,这样一个宏块含有4个亮度Y的像块和两个色差像块,每一个像块均为8×8=64个像素,由此可以算出在PAL制画面中,像素数为64×6×22×18=152064个像素;在NTSC制画面中像素数为64×6×22×15×=126720个像素。

3.MPEG音频,使用子带方法把伴音信息压缩到比特率为64kbps和192kbps。在VCD光盘录制过程中,图像信号压缩到原来的1/120-1/130,而声音信号也要压缩到原来的1/6。

(5)MPEG-2标准:MPEG-2建议(草案)由活动图像专家组于1993年11月提出,主要用于数字电视广播、数字CATV的机顶盒STB及DVD播放机。在这个标准中,图像传输速率为5-10Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为720×480.

MPEG-2标准的核心部分与MPEG-1基本相同,但功能上比MPEG-1有了很大的扩充。它不仅支持普通的CIF、CCIR601等分辨格式,而且还可以支持清晰度分辨率;不仅支持面向存储媒介的应用,还广泛地支持各种通信环境下数字视频信号的编码与传输,如卫星广播、数字地面广播、DVD等等;不仅支持恒定比特率传输模式CBR,还可支持变化比特率传输模式VBR。MPEG-2另一个重要特点是其比特流的可分级性,这意味着编码器可以忽略比特流中的增强部分,只解码全部比特流中的基本部分,仍可得到有用的图像序列,只不过这时所得到的图像分辨率低一些,或者帧速率低一些,或者质量低一些。

在MPEG-2中,视频比特率的范围约在2-80Mbps;视频格式有多种,同时还规定了不同的档次和等级。在所规定的档次中有两个:

1.主要档次,称为MP,是Main Profile的缩写词。

2.专业档次,称为PP,是Professional Profile的缩写词。其亮色比例采用4:2:2格式。

在所规定的等级中有4个:

1.高等级,称为HL,是High Level的缩写词,指图像尺寸不大于1920×1152。

3.主要等级,称为ML,是Main Level的缩写,指图像尺寸不大于352×576。

4.低等级,称为LL,是Low Level的缩写,指图像尺寸不大于352×288,

最常用的主要档次(MP)/主要等级(ML)可以简写为MP@ML,其中@为英文at。

在NPEG-2标准中,重建图像显示清晰度的提高,往往需要以视频比特率为代价。例如:

1.超级VCD,480像素×576行/25帧,视频比特率为1.89Mbps,压缩比为44:1,重建图像显示的清晰度为350线。

2.高密度数字激光视盘DVD,720像素×576行。25帧,视频比特率为3.5-4.5Mbps,压缩比为36:1-28:1,重建图像显示的清晰度为400-450线。

3.数字SDTV(标准清晰度电视),720像素×576行/25帧,视频比特率为4.0-5.0Mbps,压缩比为3:1-25:1,重建图像显示的清晰度为400线。

4.数字HDTV(高清晰度电视),1920×1080行/30帧,视频比特率为18.8Mbps,压缩比为40:1,重建图像显示的清晰度为1000线。

在采用MPEG-2国际标准进行视频压缩编码,而且压缩编码的算法确定时,如何恰当地选取视频比特率数值,是数字化电视业务的一个关键。

(6)MPEG-3标准:MPEG-3建议(草案) 主要对MPEG-2进行了修补,使得图像传输速率为15-45Mbps,音频信号速率为56-256Mbps,基本分辨率为1920×1080。主要应用于HDTV(高清晰度电视)。

(7)MPEG-4标准:MPEG-4是一个多媒体通信标准。其应用十分广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统,还可以以立互方式进行工作。MPEG-4标准中,对称动通信信道,视频的数码率为5-64Kb/s;对影视应用视频的数码率可高达2Mb/s。

由于预见到通用可编程DSP技术的发展,及相对于用软件实现标准的明显优势,活动图像专家组于1993年7月便开始了制定MPEG-4标准,1997年1月,MPEG-4的第一片正式分布,但MPEG-4的工作尚未结束。第二版的标准还在制定之中。MPEG-4将是一个多媒体通信时代被广泛应用的国际标准。其实现技术还有待于进一步的研究与开发。

另外,MPEG-7也将成为未来国标标准,目前正处于开发探讨阶段。

综上所述,随着多种国际编码标准的实施,我国数字高清晰度电视视频编码器的实时实现已成为必然。其实现方法为:先将1440×1152的HDTV画面划分成4个720×576的SDTV子画面,由4个MPEG-2MP@ML子编码器并行编码,最后将4路码流合成为高清晰度电视码流。为了较彻底地解决十字边界效应问题,子图像重建质量均衡策略主要采用了:1.过界运动估计/运动补偿;2. 码率分配和量化控制策略。

随着微电子技术的发展,我国高清晰度电视最终采用1920×1152/4:2:2格式。

(四)、NICAM(数字丽音)的基本原理

NICAM(数字丽音)是Near Instantaneous Companded Audio multiplex的缩写词,意为“准瞬时压扩声音多路复用”,是由英国广播公司(BBG)开发研究成功的,由于其数据传输率为728Kbps,因此,这种数字声频被称为NECAM-728。这种电视伴音的数字技术既可以用于地面广播,也可以用于卫星电视广播。它具有模拟电视声音不可比拟的优点,在NICAM通道中,;既可以传送立体声节目,也可以传送双语节目,还可以传送数字信息。具有传送的声音动态范围大、音质好、信噪比高、串音小等优点。它研究成功,很快得到广泛应用,在西欧、北欧、东南亚和香港等一些国家和地区相继开展了NICAM广播业务。由于该种技术所传送的声音美国动听,所以香港地区称为“丽音”。

为适应我国电视广播和有线电视发展的需要,北京电视台、北京牡丹电子集团公司等单位,基于我国国情,自1994至1997经历了四年的研究时间,终于制定出GY/T129-1997《PAL-电视广播附加双声道数字声技术规范》,并从1997年5月16日开始试播,从此,北京电视台第一套(6频道)节目正式启用了PAL-D附加NICAM-728数字立体声试播节目,1998年1月1日北京电视台第一套节目以采用PAL-D附加NICAM数字声系统广播形式正式上星,从而标志了我国广播电视的声音系统由过去的传统模拟单声广播进入了数字立体声广播,同时也标志着我国数字电视广播的序幕已经拉开。中华人民共和国广播电影电视部对GY/T129-1997《PAL-D电视广播附加双声道数字声技术规范》标准已正式批准,并决定于1998年5月1日开始实施。

根据中华人民共和国电子行业标准,对我国彩的NICAM双声道数字系统多声道电视接收机的基本技术参数和测量方法作了明确规定。其中:

技术参数主要有:

(1)输入信号的电平比图像噪波限制灵敏度标称电平低3dB时引起的比特误码率≤3×10-5.

(2)模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率≤3×10-6.

(3)可察觉咔喀音频噪声时的输入信号电平比图像噪波限灵活度标称电平低3dB/μV以下.

(4)音频相应特性,在场声器端或假负载上,100Hz-12kHz频率范围内,及在AV输出端口,100Hz-14kHz频率范围内,电压不均匀度不劣于±3dB.但对声音输出采用电路多分频系统时,在产品技术条件中规定。

(5)谐波失真,在100Hz-7.5kHz频率范围内,在扬声器端或负载上≤5%,在AV输出端口≤3%。

(6)声音通道的动态范围,在扬声器或假负载上≥63dB,在AV输出端口≥63dB.

(7)串音,频率为1kHz时,在场声器端或假负载上,左、右声道的串音≤-46dB,A、B通道的串音≤-60dB.在AV输出端口,左、右声道的串音及A、B通道的串音≤-60dB。

(8)NICAM信号噪比(A计数时),在扬声器或假负载上≥46dB,在AV输出端口≥49dB。

(9)NICAM数字声与FM模拟声时输出信号的幅度差不劣于±3dB,

测量方法中的项目主要有:

(1)由输入信号电平引起的比特误码率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(2)由模拟FM载波的各种频偏引起的比特误码率,属伪随机码信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(3)由上邻频道引起的比特误骊率,属于伪随机信号,对其信号要求为15阶以上的伪随机二进制序列.

(4)可察觉咔喀音频噪声,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS(立体声模式,两声道均有信号)模式,电平为-11dB.

(5)音频响应特性,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DD(双音频模式,两声道均有信号)模式,电平为-20dB。

(6)谐波失真,属于多频道预加重后等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-7.5kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(7)声音通道的动态范围,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-60dB。

(8)串音,属于多频道预加重等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为DO(双音频模式,仅A声道有信号)模式、或OD(双音频模式,仅B声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅A声道有信号)模式、或OS(立体声模式,仅B声道有信号)模式,电平为-20dB。

(9)左、右声道之间的相位差,属于多频率预加重前等幅信号,对其信号频率要求为40Hz-15kHz,为SS模式,电平为-20dB。

(10)音频信号的信噪比,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为DD模式,电平为-11dB。

(11)NICAM数字声与FM模拟声的幅度差,属于单频信号,对其信号频率要求为1kHz,为SS模式,电平为-11dB。

在上述测试项目中,(1)-(10)项与1992年国际电工委员会IEC制定的《采用NICAM双通道数字声系统多声道电视接收机的电测量》(IEC107-5)中测量方法的项目编号相同。第(11)项是根据我国对NICAM接收机技术参数的要求而增加。

我国的一些电视台已经开始或正在积极准备进行PAL-D制的NICAM数字声广播。由于我国电视广播制式的特点,无法直接套用它国的NICAM广播制式。因此,在PAL-D制NICAM广播标准中,确定载频位置、载频幅度、信号带宽3个重要参数将是十分关键的问题。依据我国电视广播制式,要求PAL-D制NICAM广播既要养顾CATV系统,又要考虑对现有发射机的改造要尽可能的方便。因此,在PAL-D NICAM标准中,载频规定在5.85MHz,PAL-D NICAM载频相对于图像载频电平为-25dB,带宽为40%余弦滚降,在这3个主要指标中,载频位置是最重要,也是最难确定的。

目前,英国和我国香港地区使用PAL-1制NICAM广播方式,其数字声中间载频为6.552MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为100%升余弦滚降;瑞典、挪威等使用PAL-B/C制NICAM广播方式,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-20dB,带宽为40%升余滚降。还有一些国家采用了NICAM制广播,其数字声中间载频为5.85MHz,相对于图像的电平为-27dB,带宽为40%升余弦滚降。

1.NICAM信号的产生。

NICAM信号的产生,主要基于CCITT国际电报电话咨询委员会规定的J17建议中给出的预加重特性标准。其频率特性如图1-9所示。当有音频信号并且分为左、右两个声道或A、B两路送入NICAM信号编码器时,首先要经过预加重网络进行处理,再进入模/数变换电路,如图1-10所示。音频信号首先经预加重处理的目的是使音频信号在模/数变换和电视恢复等过程中产生的噪声得以降低。音频信号经预加重处理后,又经1.5kHz低通滤波器进行滤波,以避免取样时产生的频谱折转混叠。音频中的两路信号经各自的预加重和低通滤波后,一同送入模/数转换电路,进行二进制数码编程。在这一过程中,音频的取样频率为32kHz,带宽为16kHz,产生的二进制数据为14bit。

14bit的音频信号码流,经压缩器压缩到10bit后再加入1bit的奇偶校验位,使之形成1bit的信号码流。然后送入位元交织电路。1bit的奇偶校验位的作用,是为电视接收机中的解码器提供检查错误的依据,以使解码器正确无误地恢复原始信号。

为防止干扰和提高系统的稳定性,减少出现多位误码对所传数据造成的影响,对数据信号施以“位元交织”处理,即把原来的数据码序打乱,再按一定的规则重新排列。这样经过交织后的信号码流,即使在传输和接收机产生若干位的连续差错,在解码器中经交织处理恢复原来的数据次序,这些误码将分散到不同的取样值中去,从而使一个样值中出现多个错误的概率大为下降,提高了信号的抗误码能力。

2.NICAM信号的发射

由NICAM信号编码产生的二进制数据流,要与AM图像和FM模拟声音一起发射出去,供接收端使用。但是,如果只是随意对其进行叠加,必将造成相互干扰,为此,为降低数字声信号调制载波能量对FM模拟声音信号和图像信号的干扰,对交织后的数据流还要进行扰码处理,即向已经交错的数据加入伪随机二进制的数据流,以及40%的余弦滚降型滤波。

当脉冲数字编码完成后,主要是对其进行调制。调制方法主要采用差分正交相移键控(DQPSK)数字调制方式。调制后的数字声信号和调频的模拟声音信号及调幅的图像信号进行相加,由RF发射机通过天线发射出去。其工作方框图如图1-11所示。

 

3.NICAM信号的解调

当NICAM的RF信号被接收机接收后,必须要由解码器将其数据码流还原来模拟音频信号,才可听到美丽的声音。为此,数字声信号,首先要经调谐器进入准分离声音解调电路,得到中心频率为5.65MHz(PAL-D制NICAM)的数字载波信号,然后再送到数字处理通道。如图1-12所示。

在数字声处理通道中,由DQPSK解调出NICAM信号码流,再经扰码复原电路,取出数据流中的随机数据。然后根据存储器中保存的管理程序去掉交错恢复位元顺序,变成原来的11位字,然后再按数据发送的标定系数把这些字扩展 成11位字的形式,并在奇偶校验位的基础上纠正错误,解码后获得14bit的实时数据流,它含有左、右声道或A、B声道的信号。利用数/模变换,还原出声音信号。

(五)、两倍速扫描的基本原理

随着数字处理电路在电视技术中的应用,电视机在性能和功能上发生了很大的变化。如数字化的丽音接收电路、数字化的梳状亮色分熟电路及数字化画质改善电路等,都极大地改善了模拟电视的诸多不足。

现行的彩色电视机都采用隔行扫描方式,每幅图像由偶数场和奇数场均匀镶嵌而成,尽管场频为50Hz或60Hz,但每帧频率应为25Hz或30Hz,使屏幕上亮度较高的细节处产生行间闪烁,易使观众的眼睛产生疲劳。为了消除普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,一些电视机生产厂开始引入了倍场频数字处理技术。

1.倍速扫描的提出

自从1948年英国的D.Gabor首先提出全息摄影原理,以及1962年美国的Leith和Upatnieks提出两光束全息摄影术以来,电视界一直为追求仿全息三维立体电视而努力。直至1985年日本松下公司首先研制成功了时分式立体电视,实现了人们梦寐以求的愿望,使同步接收25场/s的奇数场和偶数场的左右图像变为现实。但是在现有50Hz或60Hz的电视制式场频下,由于隔行扫描,每幅立体图像由奇数场(L)和偶数场(R)图像组成,使左、右眼每秒钟各接收25场或30场图像,而普通电视左、右眼每秒钟同时接收50场或60场图像,因此,时分式立体电视较普通电视将产生很大的闪烁现象。而且,当图像的黑白反差太大,形成大的白本底图像时,闪烁更为严重,这就为时分式立体电视走向市场形成了一个极大的障碍。

为了解决立体电视中的图像闪烁现象,使之有与普通电视图像相当的感受,人们设想如果能将扫描场频增加一倍,即由50Hz或60Hz增加到100Hz或120Hz,那么时分式立体电视图像,对左(右)眼每秒将接收50场或60场图像,与普通电视毫无区别,从而可以有效地消除闪烁现象,使三维产生一种全新的视觉享受。

综上所述,倍速扫描是基于时分式立体电视的闪烁现象而提出的

2.场频的倍频转换

场扫描的倍频转换技术是一种数字式的场频转换技术,它把PAL/NTSC制式的50Hz/60Hz场频的信号,通过存入数字式的存储器DRAM,采用“慢存快取‘的办法,即读出捍钟频率是存入时钟频率的2倍,以实现信号场频的倍频转换,从而成为场频为100Hz/120Hz的视频信号。

采用数字处理技术设计而成功的100Hz扫描电视,消除了普通电视制式由于场频低带来的图像大面积闪烁,减轻了长时间收看给电视观众带来的眼睛疲劳;提高了图像的垂直清晰度,是普通模拟电视制式场频过低缺陷的极好弥补。

100Hz扫描电路主要由视频存储器、模数转换电路(ADC)、数模转换电路(DAC)、倍频转换电路及时钟控制电路等组成,如图1-13所示。在低场频制式电视中,主要是图像闪烁易使人们的视觉疲劳,因此,倍场频的关键技术是如何使图像中的亮度(Y)信号和色差(R-Y、B-Y)信号完成数字格式的场倍频转换。

从视频处理电路输出的亮度信号Y、色差信号(R-Y)和(B-Y),首先由7.0MHz和3.5MHz低通滤波器进行必要的滤波,然后分别送入三路模/数转换器,在由锁相环振荡器提供的14.3MHz采样脉冲作用下,转换成8bit数据流。

锁相环振荡所产生的频率为28.6MHz,在向二路模/数转换器提供采样脉冲前,通过1/2分频后得到14.3MHz频率脉冲。输出的亮度数据流直接送入亮度信号存储器,进行一场的信号存储。输出的两色差信号数据流以时分复用的方式输入到色差信号存储器,进行一场存储。28.6MHz锁相环振荡器经1/2分频后输出的14.3MHz时钟频率,除一方面提供给三路模/数转换器外,另一方面还同时送入亮度信号存储器和色差信号存储器。因此,这就决定了亮度信号存储器和色差信号存储器的写入存储器频率为14.3MHz,当亮度信号存储器和色差信号存储器在读出数据时,其时钟控制则由定时控制倍频转换器控制,此时的时钟频率为28.6Mhz。

由于存储器的写入时钟信号是14.3MHz,而读出的时钟信号是28.6MHz,因而亮度信号和两色信号在慢写快读的作用下就分别完成了数字格式的场倍频的转换。

由亮度信号存储器输出倍场亮度信号数据流再由三路数/模转换器转换成模拟的亮度信号,经14MHz低通滤波送到后级解码电路。由色差信号存储器输出的倍场色差信号数据流,在定时控制倍频转换系统的时分复用的解调作用下,将R-Y信号数据流和B-Y信号数据流送入三路数/模转换器,使其成为模拟的色差信号,再由7MHz低通滤波器滤波后,送到后级的信号处理电路。

定进控制倍频转换系统在28.6MHz时钟频率及原始行、场同步信号的控制下产生倍场后的场同步信号和行同步信号,以使倍场频后的电视机的行场扫描同步,图像画面稳定。

(六)、I2C总线的控制技术

I2C总线,是INTER-IC串行总线的缩写。INTER-IC原文大意是用于相互作用的集成电路,这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成,由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功,并先后用于音频、视频集成电路及中央控制中心,使数字技术扩展了彩色电视机的遥控功能,为开发16:9高清晰度数字彩色电视机奠定了基础。

I2C总线在传送数据时其速率可达100kbps,最高速率时可达400kbps,总线上允许连接的设备数主要决定于总线上的电容量,一般设定为400pF以下。I2C总线主要在微处理器的控制之下,因此通常称微处理器是I2C总线的主机。在一台数字技术的设备及彩色电视机中,总有受控于微处理器的设备或各种功能电路,而这些受控电路也被设入I2C总线,因此习惯上总称受控设备及功能电路为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构为I2C总线的从机。这种主机与从机之间的连接通常是在总线的输出端,而输出端的电路结构又总是开漏输出或集电极开路输出。

通常数据传送要由主机发出启动信号和时钟信号,向所控从机发出一个地址、一个读写位和一个应答位,其中地址位为7位数据,在实际控制中,一般一次只能传送一个8位数据,并以一个停止位结束。

在实际应用中,往往被传送的数据位数会超过8位,也就是说总会有多字节传送,这时必须在传送数据地址结束后再传送一个副地址。因此,被传送的字节没有限制,但每一个字节后面必须有一位应答位。应答位通常被设定在低电平,当应答位处于高电平时,指示被传送的数据已结束。

I2C总线在空闲状态时,也就是不在进行任何操作控制时,数据线SDA和时钟线SCL总是处于高电平输出状态。当操作控制系统时,I2C总线的主机将发出启动信号,使数据线SDA由高电平变为低电平,同时时钟线SCL也发出时钟信号。

I2C总线在传送数据时,总是将最高位数码放在前面作为其特有的传送顺序。在数据传送过程中,如果从机在完成某一操作之前不能接收下一个字节数据,即数据中断,这时时钟线SCL将被位至低电平,从而迫使发送器主机进入等待状态,当接收器从机准备好接收下一个字节时再释放时钟线SCL,继续传送数据。

在I2C总线的控制系统中,有时从机也可以是多台微处理器,在多台微机同时工作时,它们对总线的控制也由相似于时钟的同步方式进行仲裁,也就是说时钟的同步与仲裁过程是同时进行的,不存在因是主机而有优先权次序。不同速度的从机可以接在同一I2C总线上完成相互间数据的传送。高速方式芯片和普通芯片可以混合于同一I2C总线上。

近年来,由于I2C总线只有两根控制,并且具有很强的自动寻址、多微机时钟同步和仲裁等功能而受到各半导体集成电路厂商的普遍应用。如在众多彩色电视机由普遍采用的由I2C总线控制的超大规模集成电路CXP80420(中央处理器)、SAA5243、SA5445(图文数据广播处理器)、TA8783N、TA8880、TA8772(彩色多制式视频/色度/偏转信号处理器),以及UPD6254CX、PCF8582A(存储器),TA8739P、TA8859、TA8889(偏转处理器),TA8777N(AV开关)、TA8776N(声音处理)、TDA8415(立体声/双伴音处理器)等。

目前,国内外众多电视机生产厂普遍采用了具有I2C总线控制功能的集成电路,从而也就推出了具有I2C总线控制的彩色电视机。例如日本东芝公司生产的东芝2518型彩色电视机、东芝2918型彩色电视机,日本索尼公司生产的大屏幕彩色电视机,我国天津通信广播公司生产的北京8340,四川长虹电器股份有限公司生产的长虹C2919PV、长虹C2939KV彩色电视机等。

由于I2C总线在控制过程中,主要完成的是能够代表启动信号、地址、读/写位、应答位等的数据流的数据传送,因此,在商业竞争中,人们习惯于称呼由I2C总线控制的彩色电视机为“数码彩电”。

事实上I2C总线的控制方法,主要是I2C总线对专用芯片配以相应地址,使被控集成电路中都含有自己的随机存储器RAM,而每一个RAM都有自己的地址,也就是被控制器中的副地址,用以对指令进行写入和读出。在分配给专用芯片的地址中,主要包含固定地址和可编程地址,其数码位数为7位。可编程地址的位数在很大程度上决定了连接到I2C总线上的同一型号芯片的最大数目。

因此,I2C总线的建立,为产品的升级提供了可能,但它不就此改变了模拟电视的转输模式,也不就此改变了彩色电视机接收模拟信号的性质。当然I2C总线控制的最新器件可以改变传统的彩色电视机的接收、处理等模式,但它需要电视、数字电路于一身的功能结构,及多项高新技术于一体的设备。

1.I2C总线的特点与特性

I2C总线与传统的PWM调宽脉冲相比较,其最大的特点是串行数据线和时钟线都是双向传输线。I2C总线在实际电路的应用中,两个线各自通过一个上拉电阻连接到电源电压的正极端,当总线空闲时,数据线SDA和时钟线SCL必须保持高电平,同时各接口电路的输出又必须是开路漏极或开路集电极,因此I2C总线的最大特性是在地址信息传输过程中,即可以是主控器也可以是被控器,或既可以是发射器又可以是接收器,从而为挂在总线上的各集成电路或功能模块完成各自的功能提供了极大方便。

如果I2C总线用作主控器电路即微处理电路,则在总线上将提供时钟传送及初始化的数据传输,而控制数据信息传送的对象、方向及传送的终止也由主控器来决定。在I2C总线上被主控器所寻址的集成电路或功能模块,称之为被控器。在I2C总线上,被控器每接收一个“数码”后都要在数据线上给主控器发送一个识别应答信号,以示完成一个控制功能。因此,I2C总线具有十分灵活的运用性。并且还具有多重主控的能力,如多个作为主控器去控制占用总线的电路,都可以根据在I2C总线上进行数据传送的工作状态,被分为主控发送器、主控接收器、被控发射器、被控接收器。在多重主控能力中,由于总线的仲裁过程,I2C总线的时钟信号将是各试力占用总线的各主控器的时钟信号的同步组合。所谓仲裁是在多个主控器试图同时控制总线时一个裁决过程,它只允许其中的一个主控器继续占用总线,并保证在整个过程中总线上的数据不会被丢失或出错误;所谓同步是将两个或多个器件的时钟信号进行处理。

I2C总线上的时钟信号是由主控器产生,每个主控器在占用总线传送数据期间都有自已的时钟,因此,在应用中,由一个主控器产生的I2C总线时钟信号只可能被一个低速的被控器或另一个主控器改变。然而,一个低速的被控器可将串行时钟线保持低电平,以延长总线时钟信号的低电平周期,使高速的主控器和低速的被控器达到同步,因此,当总线上正在进行仲裁时,另一个主控器也能改变总线的时钟周期。

2.I2C总线的控制基础

由于在I2C总线中的多主控器的控制权总是相互竞争,并且在相互竞争中进行寻址和数据发送,因此总线上没有中央微处理器,也没有任何优先级。在I2C总线上进行数据传输时,所有的主控器都会在串行时钟线上产生自己的时钟信号,而且只有当时钟线上的信号处于高电平时,数据线上的数据才是有效的。因此,当各主控器向总线上输出各不相同的时钟频率时,只有通过仲裁过程,才可使总线上有一个统一的时钟信号。只有总线上的时期线上的一种“线与”连接和双向传输特性来实现的。因此,I2C总线的控制基础主要是仲裁过程和时钟同步。

在总线的仲裁过程中,一旦有一主控器输出一个低电平时钟信号,则串行时钟线将由此变为低电平,直到该主控器时钟信号的高电平状态到来,数据信号才开始传送。在总线上这个时钟线的电平转换,将影响所有主控器的时钟信号低电平周期的计时。事实上,当一个主控器的时钟信号由低电平向高电平转换时,它可能并不会改变串行时钟线的低电平状态,因为此时可能有另一个主控器仍然处于时钟低电平周期。也就是说,在I2C总线控制中,时钟线将由时钟低电平周期最长的主要控器保持为低电平状态,而其他时钟低电平周期较短的主控器则将相继进入时钟高电平等待状态。只有当总线上的所有主控器都结束了时钟低电平周期的计时后,时钟线才被完全释放,即时钟线的状态达到一致高电平状态。

当所有主控器时钟信号都进入高电平状态后,便开始了各自的时钟信号高电平周期计时。当有一个主控器的时钟高电平状态计时结束时,这个主控器将再次使I2C总线上的时钟线SCL处于低电平状态。从而,在总线的仲裁过程中,使时钟线通过各主控的时钟输出产生一个统一的时钟同步信号成为现实。

简言之,在多重主控器的I2C总线上,时钟线信号的低电平周期由时钟信号低电平周期最长的主控器决定,而时钟线信号的高电平周期则由时钟信号高电平周期最短的主控器决定。

在I2C总线中,具有主控能力的器件的数据传输和寻址也是在仲裁中进行的。当有多个主控器企图同时占用总线传输数据时,根据I2C总线的规约它们之间会有一个促裁过程,以决定谁将占用总线。促裁是在时钟线SCL为高电平时,根据数据线SDA的状态进行的。因此,仲裁过程和时钟电平、数据线状态是相辅相成的。也正是这种相辅相成的机制,使在总线仲裁过程中,当有其他主控器在数据线上传送低电平时,发送高电平的主控器将会发现此时数据线上的电平与其输出电平不一致,从而被裁决失去总线的主控权,并立即关闭其数据输出。

仲裁过程可以持续诈多位,以对多个主控器正在企图寻址同一电路的事件进行判决。如果一个主控器在发送某一字节期间被裁决失去主控权,则它的时钟信号可继续输出,直到整个字节发送结束为止。如果主控器在其寻址阶段被仲裁决定失去主控权,则该主控器必须立刻进入被控接收器状态,以判决被仲裁决定获得主控权的主控器是否正在对它进行寻址。产生数据的主控器一旦发现内部数据电平与数据总线的实际电平之间有差异,则它的输出将被立即关闭,随即在总线上输出一个高电平,这就不会影响获得主控权的主控器所进行的数据传输,总线上的寻址和数据传输等住处也不会丢失。因此,I2C总线的仲裁过程使I2C总线上的数据传输得以顺利进行,为多种控制功能的实施奠定了良好的基础。

3.I2C总线的传输

I2C总线的传输是一个比较复杂的数码传输,它主要是以18bit的字节进行数据传输,而传输时又总有一个时钟脉冲相对应,因此,I2C总线的数据传送实质上是个脉冲串的传输,其传输格式如图1-14所示。图中1为字节传送完成接收器内产生中断信号,2为当处理中断服务时时钟线保持低电平。

在I2C总线上,每一个数据中,逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电压。I2C总线在进行传送时,在时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。这就保持了数据传输的有效性。

在时钟线保持高电平期间,由于数据线由高电平向低电平的变化是一种稳定的状态,所以就将其状态规定为起始条件;而当时钟线保持高电平期间,数据线是由低电平向高电平变化,则规定为停止条件。只有I2C总线中主控器产生起始条件和停止条件两个信号时,总线才会被认为处于“忙”态或“闲”态,从而准确控制了比特位的传送。

在I2C总线上,比特位传送字节的后面都必须跟随一位确认位,或称跟随一位应答位。并且数据是以最高有效位首先发出。但是,当正在进行数据传输的接收器收到完整的一个数据字节后,有可能还要完成一些其他的工和,如处理一个内部中断服务等。在这种情况下就有可能无法立刻接收另一字节的数据,因而,此时接收器可以通过总线上的时钟保持为低电平,从而使发送器进入等待状态,直到接收器准备好接收新的数据,而接收器通过释放时钟线使数据传输继续进行,正是I2C总线能允许其他总线的数据格式进行传输,才有一个特殊寻址开始的信息传输,以及通过对总线产生一个停止信号进行停止。

当一个字节的数据能够被总线上的一个已被寻址的接收器接收后,总线上的般要产生一个确认信号,并在这一位时钟号的整个高电平期间,使数据保持稳定的低电平状态,从而完成应答确认信号的输出。确认信号通常是指起始信号和停止信号,如果这个信息是一个起始字节,或是总线寻址,则总线上不允许有应答信号产生。如果因某种特殊情况,被控器不对应的被控寻址进行确认回答,则必须将数据线置于高电平,然后主控器可以通过产一个停止信号来结束总线的数据传输。如果被控接收器对被控寻址做出了确认应答,但在数据传输的一段时间以后,又无法继续接收更多的数据,则主控器也将停止数据的继续传送。因此,被控接收器可以通过对无法接收的第一个数据字节不产生确认应答信号来通知主控器,即在相应的应答信号时钟位上将数据线置于高电平,主控器则在总线上产生停止信号,从而结束数据的传送。

注:1-7 为地址位;8为读/写位;9为应答位

在I2C总线上,它的数据传输总有一些规约要求,例如,起始信号的后面总有一个被控器的地址。被控器的地址一般规定为7bit的数据,数码中的第8比特是数据的传输方向位,即读/写位。一个完整的I2C总线传输格式如图1-15所示。

 

在读/写位中,如果是“0”,则表示主控器发送数据,也就是执行“写”的功能;如果是“1”,则表示主控器接收数据,也就是执行“读”的功能。而数据的每次传输总是随主控器产生的停止信号而结束。而I2C总线中,有时主控器希望总占用总线,并不断进行数据传输,因此,在设定规约时,可以在不首先产生信号的情况下,再次发出起始信号对另一被控器进行寻址。为解决这一问题,可以采用多种读/写组合形式来进行总线的一次数据传输。在多种读/写组合形式中,主要有三种措施,其中:

1.主控发送器向被接收器发送数据,数据传输方向在整个传输过程中不变。

2.主控器在第一个字节后立即从被控制器读数据,在首位确认应答信号产生后,主控发送器变成主控接收器,而被接收器变成被控发送器,同时首位应答信号仍由被控器产生,使停止信号总是由主控器产生。

3.数据传输过程中的复合格式需要改变传送方向时,起始信号和被控器地址都会被重复产生一次,但两次的读/写方向正好反相。

总之在I2C总线上,通过接口电路收到起始信号后,必须复位它们的总线逻辑,以使被控制器地址的传输得以预处理,从而完成对各不相同功能电路的控制。

(七)、IM总线的控制技术

在80年代初至90年代末期的近20年的数字电视的发展进程中,彩色电视机中的核心器件中央微处理器的应用,在专用总线的设计上,有着不断的发展。1981年德国电报电话公司(ITT)研究成功了以DICIT-2000系列超大规模集成电路为主体的用于数字电视中的专用器件,为数字彩色电视接收机的产生提供了物质基础,而Intermetall公司研制开发的控制总线则在DIGIT-2000系列芯片之间,对各种数字信息的读/写操作以及查询处理、协调工作等起了重要作用,习惯上称这种控制总线为IM总线。

IM总线是整机的主要信息通道,它主要由Clock时钟线、Ident 识别线和Data数据线三条信号线组成,如图1-16所示,其中时钟线和识别线都是单向的,只有数据线是双向的。IM总线将中央控制器CCU和被控外围电路连接起来,它的最高时钟频率为170kHa。在IM总线中,其数据传输也是通过漏极开路的方式来实现的,由CCU提供公共的上拉电阻,其阻值约为2.5kΩ左右.在IM总线处于空闲时,识别I、时钟C、数据D三线都是高电平,只有I和G两线处于低电平时,总线上一个新的事件才能开始,首先由D线传送8位地址,当I为高电平时,传送8位或16位数据,传送顺序都是最低位LSB在前,当时钟上跳沿发生数据接收,一个传送事件完成时,I线发出短脉冲信号,指示相应的总线接口进行所传数据的存储,IM总线接口电路完成地址和数据的并串转换以及IM总线的激励。

在Digit2000系列的大多数功能芯片内部都有不同数量的寄存器,包括用来规定芯片的工作方式和工作参数的控制寄存器和反映芯片内部状态和处理结果的状态寄存器、数据寄存器。不同功能芯片的寄存器地址一般互不相同,在通常情况下,每个地址只对应一种访问方式,即要么是写入功能,要么是读出功能。但是,在实际电路中,有时情况比较复杂,需要先将某一序号写入地址,然后才可以进行数据传输。这种复杂通信,是因为有些功能复杂的芯片由于其内部寄存器较多,而系统又没有其一一分IM总线访问地址,故采用二次寻址的方式。例如:在Digit2000系列中DPU2553偏转处理电路,其地址就约定34为HSP RAM写入地址寄存器,而地址35为HSP RAM读出地址寄存器,地址36为HSP数据寄存器,地址37为HSP状态寄存器。如果要读出HSP RAM的内容,应先将其序号写入地址35,在接下来的一个通信周期中对地址36进行读取,才能得到所需的数据;如果要写入HSP RAM的内容,则需先将其序号写入地址34,再净数据入地址36

在具有画中画或画外画的电路中 ,如果子画面电路与主画面电路有个别功能芯片的寄存器地址有冲突,如VSP 2860与DPU2553的大多数地址重复时,本机将利用CCU中央控制器提供的PIP-ON信号控制CD4066接成单刀双掷电子开关,使IM总线的数据线不同时接通主画面与子画面,从而避免了地址冲突。

在IM总线上,各功能芯片在通信时,是在每个时脉冲的上升沿接收地址码。当地址发送结束时CCU会令识别线再次变高,于是各功能芯片将收到的地址与本芯片内各寄存器地地作比较,从而确定唯一的被寻址芯片及下一步数据传输的方向。同样CCU也是根据该地址码确定收/发数据的长度是8位或16位,再发送相应数目的时钟脉冲。若该地址对应某一控制寄存器,则由CCU发送命令数据至被寻址的功能芯片;若该地址对应状态寄存器,则由相应的功能芯片将该寄存器中的数据送往CCU,无论是哪种方式,数据传送完成后,CCU会令识别线输出一个窄的负脉冲,标志一个总线通过过程结束。

综上所述,由于IM总线中的识别线和时钟线都是单向传输的,因此很容易驱动,在高清晰度电视机中已使用两上射极跟随器对其分别加以驱动,而对数据线由于是双向传输,CCU又没有给出方向控制信号,实现起来要复杂得多,通常是:在一个通信周期的前半部分,CCU要向各功能芯片发送访问地址,这时数据线的传输方向总是由CCU向外;当地址发送结束后识别线变高,开始了数据传送过程。这时数据线的传输方向一般是由此前发送的地址码决定的,可能是由CCU向外输出,也可能是从外部输入CCU。显然,如能接收此前CCU发送的地址码,再结合有关各地址数据传输方向和长度等方面的先验知识,就能够知道通信周期后半段的数据传输方向,进而实现双向驱动。从原理上讲,可以使用移位寄存器接收地址码,用EPROM查表法得到传输方向控制信号,但考虑到前面提过的二次寻址问题,即传输方向还可能受上一通信周期中访问地址的影响,单纯用硬件实现电路势必复杂。因此,通常是通过采用软件硬件配合的方来完成双向驱动和监测。

 

发布人:精灵电子 发布时间:2008年3月30日 已被浏览 4797
上一篇日本原装“小耳朵”的新应用
下一篇卫星高清晰电视接收(HDTV)安装与使用手记
电子技术学习园地
 常用颜色代码表以及中国传统颜色名录
 使用NEC单片机保护您的设计
 基于NEC单片机的电动车充电器控制系统设计
 基于电能计量芯片CSE7759的计量插座设计
 采用LNK304PN的LED 220V照明灯
 NEC单片机入门及使用
 基于FC7759的智能断电节能插座设计
 PROTEL99SE 菜单对话框中英文对照
 COOL EDIT PRO录音详细教程
 大功率智能充电器的研究与设计
电路图纸软件下载排行
LF351JFET输入运算放大器
长虹29SD82彩色电视机电路原
CC4007数字集成电路技术资料
长虹PF2131彩色电视机存储器
长虹21K60彩色电视机存储器数
创维3T36彩色电视机电路图纸
创维4P02彩色电视机电路图纸
创维5Y21彩电电视机电路原理图
金星514彩电电视机电路原理图纸
汇佳智能第三代25-29寸彩色电
友情链接: 电子制作实验室 互易中国 淘宝店 神州宏网 波茵电子 耐王科技淘宝店 电子套件DIY
查ip手机 百度搜索 51单片机论坛 立创EDA开源 
客服:286124798@qq.com  点击这里给我发消息 旺旺: 点击这里给我发消息
© 杭州精灵电子  页面执行时间 66.40625 毫秒 访问量:19719933 
本站淘宝店地址:http://shop34111169.taobao.com/  杭州电子市场
   浙ICP备17031801号