数字电视信号传输接口-全媒体制播技术成果

演播室中，电视节目制作和编辑等各个环节需要不同的数字视频设备互相连接，使用不平衡同轴电缆可以将视频设备互相连接起来，源阻抗、终端阻抗和同轴电缆特性阻抗都是75Ω。采用电缆连接时有两种接口方式：一种是并行方式，将8bit（或10bit）的视频数据字同时传送，这需要使用多芯电缆将各个比特位通过各芯线传送；另一种是串行方式，将视频数据字的各个比特以相继的数据字通过单一芯线顺序传送。

接口的机械连接特性和数字信号电特性的规定方面国际标准是ITU-R BT.656号建议书，该标准使数字视频设备之间数据流的传输有了明确的规范，用户在配置各种设备组成自己的数字电视系统时，不必顾虑系统连接中出现任何设备间不匹配的问题，使数字演播室内各数字设备能连成一个4∶2∶2的数字演播室环境。

1.数字标准清晰度电视信号接口

（1）演播室数字编码的主要参数

演播室数字编码的主要参数（4∶2∶2格式）如表2-3所示。

表2-3　演播室数字编码的主要参数（4∶2∶2格式）

（2）信号时分复用传输格式

①4∶2∶2数字分量信号的时分复用传输

4∶2∶2数字分量信号的时分复用编码器如图2-8所示。亮度信号色度信号先经过3MHz的前置滤波器滤除视频中的高频成分，然后经过A/D转换，输出的亮度和色差信号分别以13.5MW/s和6.75MW/s字速率输入到合成器，经时分复用后以27MW/s字速率读出。数字设备向外传输每帧内的像素数据时，应该按下列次序时分复用：Cb1Y1Cr1，Y2，Cb2 Y3Cr2，Y4，Cb3 Y5Cr3，Y6，…Cb360 Y719 Cr360，Y720，奇数点按Cb YCr的次序传输数据，偶数点只有Y样点数据传输。每一行均如此，直至第576行。

图2-8　4∶2∶2数字分量信号的时分复用编码器框图

②视频数据与模拟行同步间的定时关系

数字分量视频信号是由模拟分量视频信号经过A/D转换得到的，数字有效行与模拟行之间应该有明确的定时关系。以625行/50场扫描格式为例的视频数据与模拟行同步定时关系如图3-9所示。

由图2-9可见：以模拟行同步前沿OH为基准，每一数字行起始于模拟行同步前沿OH前24T处，每行64μs，共有864个亮度取样周期，864×2=1728个时钟周期；数字有效行起始于模拟行同步前沿OH后264T处，数字有效行内有720个亮度取样周期，占1440T；数字行消隐起始于模拟行同步前沿OH前24T处，共占288T。左端有4T的定时基准码EAV（End of Active Video），代表有效视频结束，右端有4T的定时基准码SAV（Start of Active video），代表有效视频开始。

图2-9　视频数据与模拟行同步定时关系

③视频定时基准信号SAV和EAV

在数字标准清晰度电视（SDTV）中，扫描参数仍然为625/50/2∶1，即垂直扫描为隔行扫描，扫描需要区分行、场正程期和行场消隐期。在模拟电视中这些同步关系由复合同步脉冲表示，而在数字电视码流中则依靠EAV和SAV来标注。EAV和SAV又称为定时基准信号，SAV在每一视频数据块的起始处，EAV在每一视频数据块的终止处。

④奇偶场内的场正程期和场消隐期扫描行的序号

在奇数场和偶数场内，场正程和场消隐期的序号如表2-4所示。

表2-4　场正程和场消隐期所包含的行的规定

（3）比特并行接口

a.机械特性

每帧的数字视频以Cb1Y1Cr1，Y2，Cb2Y3Cr2，Y4，Cb3Y5Cr3，Y6，…，Cb360 Y719 Cr360，Y720的顺序进行传输。

在并行接口中用10对导线平衡传输10个并行比特位，码型为NRZ（不归零）码。为了使接收端获得数据定时信息，还需要一对导线传输27MHz的时钟信号。此外发、收设备间应有一对公共地电位连接线，电缆屏蔽层还需要有防止电磁辐射的接线地，因此，实际比特并行接口采用25芯电缆，内有12对双绞线。接口使用25芯带有锁定机构的超小型D型接插件，接点分配如表2-5所示。

表2-5　25芯接插件节点分配

②并行接口电气特性

A.时钟与数据的定时关系

时钟信号是27MHz方波，周期为TCK=37ns，定时基准为时钟信号高低电平的过渡时刻，时钟信号的正向跳变应出现在两次数据跳变的中间，时钟与数据的定时关系如图2-10所示。

图2-10　时钟与数据的定时关系

B.收、发间线路驱动器特性

收发之间每位数据采用平衡双绞线传输（实际比特并行接口采用25芯电缆，内有12对双绞线），电路如图2-11所示。线路驱动器的输出阻抗最大为110Ω，在110Ω负载电阻上的信号幅度应在0.8VP-P-2.0VP-P之间，线路接收器输入阻抗为110Ω±10Ω，最大输入信号为2.0VP-P，最小输入信号为185mVP-P。

图2-11　线路驱动器和线路接收器连接

C.容许的电缆长度

由于在双绞线上传输27MHz的数据，电缆的幅频特性限制了使用的电缆长度。在无电缆均衡器的条件下，容许电缆长度为50米，采用电缆均衡器后可达200米。并行传输仅在演播室内短距离使用。

③SDI串行接口

比特串行接口（Serial Digital Interface，SDI）中，每个10比特的数据字经并/串转换电路后变成串行的数据流，传输码率从27Mbit/s变为270Mbit/s，用单芯同轴电缆传输。数字串行接口框图如图2-12所示，包括以下几个环节。

图2-12　数字串行接口框图

A.并/串变换

输入数据由27MHz的时钟信号并行写入移位寄存器，然后用10倍频的270MHz时钟串行读出，规定先传最低有效位，传输码型为NRZ。

B.扰码器的作用

由于接收端解码时需要恢复时钟信号，而串行接口不能像并行接口那样使用单独的数据线传输时钟信号，时钟的恢复只能利用信号本身的跳变来产生，这称为自时钟方式。为了避免出现长串的“0”和连“1”，常用的解决办法是：用伪随机二进制序列（PRBS）。

C.编码器的作用

编码器的作用是进行码型变换，NRZ-NRZI编码器把非归零码（NRZ）变换成倒相的非归零码（NRZI）。NRZI码的优点在于，接收端对数据流的极性不敏感，只响应于极性的变换，容易解码和提取时钟信息。

D.机械特性

在数字比特串行接口中用特性阻抗75Ω的单芯同轴电缆传输信号，接插件为标准的BNC型接头，BNC型接头如图2-13所示。

图2-13　BNC型接头

E.SDI码率

对于4∶2∶2格式，亮度信号Y的取样频率为13.5MHz，色度信号Cb和Cr的取样频率为6.75MHz，设量化比特数为10，则SDI信号码率为：

（13.5MHz+2×6.75MHz）×10=270Mbit/s

2.数字高清晰度电视信号接口

为使演播室高清晰度电视信号数字视频接口实现标准化，国家广播电影电视总局于2000年6月6日发布了GY/T 157-2000演播室高清晰度电视数字视频信号接口标准，本标准描述了演播室高清晰度电视信号数字视频接口的信号格式、比特并行接口和比特串行接口。下面介绍GY/T 157-2000的主要参数。

（1）数字高清晰度电视信源参数

数字高清晰度电视信源参数如表2-6所示。

表2-6　数字高清晰度电视信源参数

（2）视频数据

亮度信号Y和经过时分复用的色差信号CB、CR被处理为20比特字，每个20比特字对应一个色差取样和一个亮度取样，复用组合方式如下：

（CB1Y1）（CR1Y2）（CB3Y3）（CR3Y4）…

其中，Yi表示每行的第i个亮度有效取样，而CBi和CRi表示与Yi取样点位置相同的色差CB和CR分量的取样。由于色差信号取样频率是亮度信号取样频率的一半，因此色差取样的序号“i”仅取奇数值。

对于10比特系统，数字电平为从0到3和从1020到1023范围的数据字，对于8比特系统，数字电平为0和255的数据字，专供同步基准数据使用，不能作为视频数据出现。

除上述Y和CB/CR信号被处理成20比特数据流之外，Y、CB/CR和辅助通道数据被处理成30比特数据流，R、G和B信号也被处理成30比特数据流。

（3）数字视频信号与模拟视频信号波形的定时关系

A.行定时关系

一个数字行占m个时钟周期，数字行开始于相应行的模拟同步信号的基准点（OH）前f个时钟周期处。数字有效行结束于相应行的模拟同步信号的基准点（OH）后的g个时钟周期处，如图2-14所示。

图2-14　数据格式与模拟波形的定时关系

B.场定时关系

数字场的起点由数字行的起点位置确定，场期间的详细定时关系如表2-7所示。表中所示，第一场数字场消隐表示在第一场有效视频之前的场消隐，第二场数字场消隐表示在第二场有效视频之前的场消隐。

表2-7　隔行扫描系统场周期定时规范

C.视频定时基准码（SAV和EAV）(www.xing528.com)

有两种定时基准码，一种在每个视频数据块的开始（有效视频起始SAV），另一种在每个视频数据块的终止（有效视频结束EAV）。这些码与视频数据相邻，在帧/场消隐期间内仍然存在（如图2-14所示）。

（4）比特并行接口

表示视频信号数据字的比特用20或30对屏蔽导线并行传输。20对导线用于亮度信号Y和时分复用的色差信号CB/CR的传输；30对导线用于R、G、B信号或者Y、CB/CR附加一个数据流（辅助通道）的传输。另有一对屏蔽导线传输74.25MHz同步时钟信号。数据信号以非归零码（NRZ）形式实时传送。

A.时钟信号和时钟与数据的定时关系

系统传输的时钟信号是方波，时钟的上升沿出现在数据持续期的中间，如图2-15所示。

图2-15　时钟和数据的定时关系

B.接口的电特性

在传输Y和CB/CR分量时，接口使用21个线路驱动器和线路接收器。每个线路驱动器是平衡输出，相应的线路接收器是平衡输入，如图2-16所示。在传输R、G、B分量或Y、CB/CR外加一个附加数据流（辅助通道）时，使用31个线路驱动器和线路接收器。

图2-16　线路驱动器和线路接收器的连接

不强制使用ECL技术，但线路驱动器和接收器必须与ECL10KHz规范兼容，即允许驱动器或接收器采用ECL。线路驱动器特性如表2-8所示，线路接收器特性如表2-9所示。

表2-8　线路驱动器特性

表2-9　线路接收器特性

当随机的数据信号产生如图2-17所示的眼图时，接收器必须能正确地读出数据。

图2-17　对应于最小输入信号电平的理想眼图

C.机械特性

接口使用93芯接插件。电缆接插件上的两个螺杆和设备上的两个螺孔把插头插座锁在一起。电缆插头为针接点，设备插座为孔接点，插头插座和电缆必须屏蔽。

按照所传输的信号，可以使用两种多通道电缆：21或31通道电缆，电缆由双绞线对组成，每对双绞线都有屏蔽，另外它还有一个总的屏蔽。每对双绞线的标称特性阻抗是110Ω，隔行扫描系统在最长传输距离为20米和逐行扫描系统在最长传输距离为14米时，电缆特性应能满足图2-17的眼图条件。

（5）HDSDI码率计算

对于4∶2∶2格式，亮度信号Y的取样频率为74.25MHz，色度信号Cb和Cr的取样频率为37.125MHz，量化比特数为10，则HDSDI信号码率为：

（74.25MHz+2×37.125MHz）×10=1485Mbit/s。

3.数字声音信号接口

在演播室中各种数字音频设备之间需要相互连接，这些设备包括数字录音机、数字录像机的音频系统、调音台等，由于数字音频的基带信号的带宽已接近视频信号，用简单的连接是不行的，两端的阻抗必须匹配，否则会造成接收端数字波形有较大失真。在采用电缆连接不同的电视设备传输数字音频信号时，有两种接口类型：第一种是双绞线的平衡方式传输信号，电缆连接头是XLR型，由AES/EBU（Audio Engineering Society，即美国音频工程协会和European Broadcast Union，即欧洲广播联盟）规定；第二种是使用同轴电缆的非平衡方式传输信号，电缆连接头是BNC型，由SMPTE 276M建议规定。

国家广播电影电视总局行业标准GY/T 158-2000《演播室数字音频信号接口》（Digital audio signal interface for broadcasting studios）是参照AES/EBU标准制定的。

（1）AES/EBU数字声音信号接口

一个AES/EBU编码器对数据样值进行编码的简单框图如图2-18所示。

图2-18　AES/EBU编码器框图

AES/EBU数字音频接口标准是传输和接收数字音频信号的数字设备接口协议，标准中规定，音频数据必须以2的补码编码，传输介质是电缆，在串行传输16bit-20bit的并行字节时先传输最低有效位，必须加入字节时钟标志以表明每个样值的开始，最后的数据流为双相标志码编码等。

（2）接口信号格式

接口可以对取样频率为48kHz、44.1kHz和32kHz、量化比特数为24、20、16的数字音频信号进行实时传输，并能提供辅助信息，这些辅助信息可以向接收端提供所传输数据的各种重要参数，如误码检测和同步信息等。

A.数字声音数据的帧结构

数字声音的数据按帧划分，如图2-19所示。

图2-19　数字音频信号的帧结构

一个音频帧包括两个32比特的子帧（子帧1和子帧2），一个子帧只包括一个音频声道的一个样值数据，每个子帧的前4bit为前置码，用来标识子帧的起始。每个样值24比特，20比特同步数据和4个附加比特。

4个附加比特为辅助数据，各比特位所代表的功能如下：

有效比特（V）：样值数据是音频且可进行D/A转换，则此比特置0。否则样值有问题，接收设备将输出静音。

用户比特（U）：送至一个28×8bit的存储器。一个音频块中每个声道有192个子帧，因而该存储器中有192个用户比特。

通道比特（C）：送到一个28×8bit的通道状态存储器，此比特对于音频数据内容的标识非常重要。通道状态存储器描述了在AES/EBU数据流通道中比特分配及其含义，例如字节0的比特0表示是家用级还是专业级，如果通道用于消费，字节0中比特0置0，用于专业时置1。

奇偶校验比特（P）：通常为偶校验，偶校验确保在一个子帧的32个比特中1的数目是偶数。奇偶校验比特可以检测在传输中发生的奇数个错误，一些设备忽略此比特或者没有正确地处理这种标识。

B.数字声音数据的块结构（Block Structure）

每192个音频帧构成一个块，在数据流中用标志符Z标识每个块的开始。在一个48kHz抽样的系统中每个音频帧的时间是20.83s。一个AES/EBU块的时间为20.83s×192=4000s。

每个子帧的前4bit为前置码，有X、Y、Z三种前置码，它们的意义如下：

Z：表示每个音频块第一帧的开始。

X：表示一个块内其余每帧的开始。

Y：表示每个帧的子帧2开始。

这些同步数据长度均为4比特，与子帧中其他数据结构不同，不用双相标志码编码。

C.AES/EBU数据特性

抽样频率为48KHz时总数据率为32×2×48000=3.072Mbps。在双相标志码编码后，数据传输率提高到两倍为6.144Mbps，双相标志码的频谱能量在6.144MHz的倍频处为0。

同步字包括三个低单元和随之而来的三个连续的高单元，在AES/EBU信号频谱中占据一个低的基频，3.072/3=1.024MHz。每个音频帧包括64bit，每20.83s发出一帧。帧中的一个数据比特持续时间为325.5ns，一个双相标志码比特单元时间为163ns，由一些数据流比特叠加产生的眼图眼宽时间为163ns。

D.平衡传输接口电特性

连接电缆应采用有屏蔽层的平衡电缆，在0.1MHz-6.0MHz频率上电缆标称特性阻抗为110Ω。从结构上看，接插件使用了常见的XLR型接插件，平衡信号由平衡的双绞线和带屏蔽层的传声器型电缆传送。输入和输出都规定为变压器耦合，而且不接地。双绞线特性阻抗为110Ω，发收两端必须有110Ω匹配电阻。这种连接的电缆长度可达到100米，不致对信号造成过分的劣化。

E.数字音频嵌入数字视频数据流

数字音频数据可以嵌入数字音频SDI流的每一行的HBI（行逆程）中的辅助数据空间中传送，对于如何将音频和视频在同一条信号中传输，ITU-R BT.1305号建议书对此做出了规定。国家广播电影电视总局的行业标准GY/T 161-2000《数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范》等效采用了ITU-R BT.1305号建议书。

按HBI计算，一行中可容纳的辅助数据为：

144-8-6=130B或1040bit（按8bit计算）

公式中的8B为EAV和SAV占用，6B为紧随EAV之后固定的定时基准码占用。由此可以计算出数字视频HBI期间可以传送的辅助数据码率为：

1040×625×25=16.25Mbit/s

由于一路立体声的码率为：

48000×20×2=1.92Mbit/s

由此可以计算出在数字视频SDI流最多可以嵌入8路无压缩的数字立体声音频信号。

标准规定，除了第7、320、5、318行外，音频数据可以出现在大多数行的HBI期间，并应在整个帧内平均分布。当一路48kHz取样的音频信号嵌入一帧内时，相当于HBI内传送该路声音的48000/15625=3.072个样值，具体是在多数行内传3个样值，在少数行内传4个样值。

F.其他接口协议格式

除了占极大优势地位的AES/EBU协议外，其他三种接口格式也被广泛使用，分别为MADI（多通道音频数字互联）、SDIF2（SONY数字接口格式）和SPDIF（SONY Philips数字接口）。

a.MADI格式

MADI格式在标准文件《AES 10-1991》中规定，它可以容纳直到56个符合AES3-1992标准的32位信号。最初开发的MADI是作为点对点操作系统，用以将多通道录音机到数字音频控制台的处理，其他的应用包括数字路径选择系统和演播室之间的互联。

MADI信号可以容易地转换为AES/EBU子帧，因为只有开始的前4位不同。56个子帧被串行化以组成MADI帧，然后以4/5方案编码，该方案在串行数据流中采用4位的组并通过检查表将其转换为5位字，这样可以减少编码数据的直流含量，于是每个编码的子帧的长度为32+8=40位。使用±12.5%的可能变化支持32～48kHz的抽样频率，这样可以允许对录音机进行变换操作。数据传输率则被固定为125Mbit/s，用以为编码数据流提供足够的带宽（56通道×40位×48kHz×1.125=121Mbit/s）。

传输介质可以使用宽带宽的同轴电缆（长达50m）或光纤链路（超过50m）。

b.SDIF2格式

此格式是由Sony开发的，用于专业和半专业的原版片制作和记录。它用于互连44.1kHz和48kHz的单通道链路，并且由32比特长的音频字组成。开始的20bit专留作音频样本值，紧接的9bit用于创建控制字，剩余的3bit将同步信息添加到32bit字。控制字提供有关预加重、正常音频或非音频数据、禁止复制、SDIF音频块同步信息（每256音频字）和用户数据信息的音频通道信息。

传输介质为75Ω同轴电缆，在晶体管-晶体管逻辑（TTL）电平上工作且数据传输速率为1.54Mbit/s。它是点对点操作互连系统，需要3条同轴电缆分别用于传送左通道数据、右通道数据和字时钟信号。

c.SPDIF格式

此格式是一家厂商的专利商品名，用于AES/EBU格式协议的消费者模式。开发此格式用于在半专业和消费者设备间进行数字音频数据的串行传输。在AES3专业模式和AES3消费模式设备之间需要有格式转换器（用于数据和电平转换）。