基帶傳輸中的數(shù)字視頻信號

劉 藝，吳夢霞

（重慶廣播電視集團(tuán)（總臺），重慶 400052）

0 引 言

在廣播電視工程領(lǐng)域，視頻基帶傳輸一直沿用至今，從模擬信號發(fā)展到數(shù)字信號，從標(biāo)清時代走向高清舞臺，到現(xiàn)在的4K超高清視頻信號，正一步一步地走進(jìn)人們的生活。數(shù)字視頻信號的基帶傳輸是用BNC（Bayonet Nut Connector）接頭連接同軸電纜，用于數(shù)字視頻信號的傳輸，具有技術(shù)成熟度高、穩(wěn)定、維護(hù)方便、實(shí)現(xiàn)成本低、信號質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于轉(zhuǎn)播車、演播室、后期編輯機(jī)房等SDI視頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。數(shù)字視頻信號的傳輸，實(shí)質(zhì)上是對數(shù)據(jù)流的傳輸，這些數(shù)據(jù)流是由大量的0和1代碼組成的。數(shù)字化過程需要將動態(tài)畫面信息零散化，即用有限的像素來表示動態(tài)畫面。每秒動態(tài)畫面包含幾十幀靜態(tài)圖像，每一幀靜態(tài)圖像由成千上萬的像素點(diǎn)組成，一幀畫面中的一個像素點(diǎn)是靜態(tài)圖像顯示中的一個最小圖形單元。像素點(diǎn)數(shù)越多，反映的畫面色彩越豐富，還原數(shù)字視頻信號的顏色真實(shí)感就越強(qiáng)。4K超高清技術(shù)就是將人們熟知的HD高清信號從1 920×1 080的分辨率，提升到4K UHD超高清信號3 840×2 160的分辨率。4K UHD超高清信號像素點(diǎn)是HD高清信號的4倍[1]。將連續(xù)動態(tài)畫面以幀的形式進(jìn)行分割，可以獲得空間和時間上離散的幀信息，如圖1所示。

圖1 幀空間結(jié)構(gòu)圖

1 像素點(diǎn)采樣

4K超高清技術(shù)的發(fā)展帶來了圖像掃描方式的變化。在標(biāo)清和高清時代，圖像的掃描都是采用隔行掃描方式，在不降低刷新率的情況下減少了數(shù)據(jù)量，但降低了圖像的水平像素點(diǎn)數(shù)。而4K超高清技術(shù)采用了逐行掃描方式，相對于隔行掃描方式，增加了一倍的掃描行數(shù)，使得數(shù)據(jù)信息量大幅增加，因此對帶寬有較高的要求。1 s的動態(tài)畫面中所有像素點(diǎn)的數(shù)字信息數(shù)據(jù)總量實(shí)際上相當(dāng)于數(shù)字視頻信號帶寬，即碼率[2]。

以4∶2∶2采樣系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。一個動態(tài)畫面經(jīng)過攝像機(jī)CCD成像后，就形成了一個RGB彩色視頻信號。彩色視頻信號通過4∶2∶2采樣后，可以分解為亮度信號Y和色度信號，色度信號再分解為色差信號U和色差信號V，最后由Y、U、V三個分量進(jìn)行傳輸[3]。在一幀畫面中，每個像素點(diǎn)的信號分量是連續(xù)的，得到每幀每個像素點(diǎn)信號分量的離散值，就將一幀圖像分解成若干個像素點(diǎn)，每個像素點(diǎn)里含有Y、U、V信號的分量，如圖2所示。

圖2 采樣前像素點(diǎn)信號分量示意圖

人眼對亮度的敏感程度大于色度，而在4∶2∶2采樣系統(tǒng)中，亮度信號Y的采樣頻率是13.7 MHz， 色度信號U、V的采樣頻率都是6.35 MHz，正好是亮度信號Y采樣頻率的1/2，即在單位時間內(nèi)，亮度信號Y采樣2次，色度信號U、V分別各采樣1次。經(jīng)過4∶2∶2系統(tǒng)采樣后，進(jìn)行電路封裝，得到每一個像素點(diǎn)的Y、U、V信號分量，如圖3 所示。

圖3 采樣后像素點(diǎn)信號分量示意圖

2 數(shù)據(jù)量理論計(jì)算

每一幀圖像中垂直像素的奇數(shù)列包含Y、U、V三個信號分量，偶數(shù)列只含有Y信號分量。HD高清信號和4K UHD超高清信號一幀畫面的總像素點(diǎn)數(shù)為水平像素點(diǎn)總行數(shù)（用H表示）與垂直像素點(diǎn)總列數(shù)（用V表示）之積。而經(jīng)過4∶2∶2采樣后，就會存在一幀畫面中垂直像素點(diǎn)的奇數(shù)列與偶數(shù)列所含信號分量不同的現(xiàn)象。

根據(jù)GY/T155-2000《高清晰度電視節(jié)目制作及交換用視頻參數(shù)值》和GY/T307-2017《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和交換參數(shù)值》的規(guī)定，分別以HDTV高清采用1 920×1 080 50i的視頻格式和UHDTV超高清采用3 840×2 160 50p的視頻格式為例，對一秒畫面中每個像素點(diǎn)里的YUV信號分量進(jìn)行計(jì)算，可以得出HD高清信號和4K UHD超高清信號基帶傳輸?shù)拇a率。兩種信號格式的量化級數(shù)都是采用的是10 bit。用V奇表示HD和UHD信號像素點(diǎn)中奇數(shù)列總和；用V偶表示HD和UHD信號像素點(diǎn)中偶數(shù)列總和；用H總表示HD和UHD信號像素點(diǎn)中所有行數(shù)。經(jīng)過4∶2∶2系統(tǒng)采樣后，運(yùn)用公式，可計(jì)算出數(shù)字視頻信號碼率。

計(jì)算結(jié)果為：高清信號1 s傳輸畫面的理論數(shù)據(jù) 量 為（960×1 080×3+960×1 080×1）×10× 25=1.036 8 Gb，實(shí)際測得高清視頻信號碼率為1.094 Gb/s；4K UHD超高清信號1 s傳輸畫面的理論數(shù)據(jù)量為（1 920×2 160×3+1 920×2 160× 1）×10×50=8.294 4 Gb，實(shí)際測得超高清視頻信號碼率為8.694 Gb/s。

3 碼率實(shí)際測量

實(shí)測結(jié)果與計(jì)算理論結(jié)果存在差異的原因是，測量信號包含了音頻信息、輔助信息、同步信息及封裝信息等其他數(shù)據(jù)信息，實(shí)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 碼率實(shí)測結(jié)果對比圖

眼圖（Eye Diagram）包含豐富的信息，體現(xiàn)了數(shù)字信號整體的特征，能夠很好地體現(xiàn)數(shù)字信號的品質(zhì)，可以顯示出數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。眼圖分析是高碼率傳輸系統(tǒng)信號完整性分析的核心，是對數(shù)字信號質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的監(jiān)測手段，可以估計(jì)傳輸系統(tǒng)的優(yōu)劣程度。以幅度、噪聲及抖動為指標(biāo)，監(jiān)測HD高清信號和4K UHD超高清信號，結(jié)果如圖5所示。

圖5 眼圖對比圖

在高碼率傳輸系統(tǒng)中，抖動指標(biāo)能夠反映傳輸系統(tǒng)的誤碼率，通過對數(shù)字視頻信號的眼圖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，4K UHD信號的抖動程度明顯高于HD信號。在信道噪聲環(huán)境中，4K UHD眼圖線跡變成了帶狀，而HD信號的眼圖線跡較為清晰通透，說明UHD信號傳輸?shù)脑肼暩哂贖D信號。實(shí)際測量指標(biāo)如表1所示。

表1 眼圖指標(biāo)對照表

4 結(jié) 語

數(shù)字視頻信號的碼率越高，呈現(xiàn)的畫面質(zhì)量就越好，但信道噪聲的影響越明顯，導(dǎo)致誤碼率越高，傳輸難度越大，所以對基帶傳輸?shù)慕橘|(zhì)要求也越高。目前基帶傳輸所應(yīng)用的視頻同軸線纜，不能適應(yīng)高碼率的數(shù)字視頻信號傳輸。用12G-SDI優(yōu)質(zhì)視頻電纜進(jìn)行傳輸測試，HD信號能夠傳輸120 m左右，UHD信號在60 m就接近極限。數(shù)字視頻信號在高碼率傳輸?shù)那闆r下，傳輸距離有大幅度下降。目前在工程技術(shù)領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高質(zhì)量傳輸，可以用光纖傳輸代替基帶傳輸，能夠滿足較高質(zhì)量的數(shù)字視頻信號傳輸要求。

數(shù)字視頻信號的碼率高低，對視頻設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境也有一定的要求。高碼率信號處理需要較高的運(yùn)算速度，從而帶來設(shè)備發(fā)熱量、運(yùn)行噪音、耗電功率的增加，對高碼率視頻設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境提出了更苛刻的要求。機(jī)房建設(shè)環(huán)節(jié)要充分考慮到視頻設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，在空調(diào)系統(tǒng)、隔音效果、電力配備等重要環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)布控。

針對高碼率的數(shù)字視頻信號，在BNC接頭和視頻電纜的制作工藝方面應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范，保質(zhì)保量壓接BNC接頭。實(shí)際運(yùn)用中，UHD信號的視頻設(shè)備會受到電磁干擾、靜電感應(yīng)等因素的影響，需要定時清潔BNC接頭及視頻板卡的灰塵，避免故障的發(fā)生。