高清电视机数字板基本知识和工作原理—A/D变换

郝铭

在倍频电视中怎样把模拟信号转换为数字信号

高清电视内部处理信号的核心部分是一块在主板上可拔插的单元，我们常称为“数字板”或“解码板”。整机的小信号处理功能（解码、变频、视频信号、行场振荡等）基本都集中在这块板上，但是这块插板的主要的功能是进行场频的50Hz/S向100Hz/S变换（也有变换成75Hz/S）,也就是完成倍频的功能（有时也称此板为倍频板）。由于倍频电视的普及，作为一个维修人员理解数字板的工作原理，对于今后的发展是至关重要的。下面逐步的分期介绍数字板的各部分工作原理。

一、 倍频原理

倍频就是把场扫描频率增加一倍，

我国电视信号的场频标准是50Hz/s，即每秒显示50场，而倍频就是每秒显示100场，也就是把原来显示的50场，再重复显示一次，原来的50场信号加上重复显示的50场信号显示的时间仍然是1秒。这样在一秒钟的时间就显示了100场信号，场扫描的频率由每秒50Hz变为每秒100Hz，场扫描频率加倍了，这就是倍频的含义。在同一时间要再次重复显示一个已经随时间流逝掉信号，是不可能的，怎么办？那么我们就设法使这个随时间流逝的信号，停顿、存储起来再显示一次，我们想到了数字存储技术，利用存储器把每秒50场的信号存储起来，用相同的时间，即在一秒钟时间内快速连续从存储器中读出两次，则得到了每秒100场的倍频信号。

由于存储器只能存储幅值为“0”和“1”的二进制数字信号，而模拟信号是十进制，无法存储的，所以要完成倍频功能，还必须把模拟信号经过A/D（模/数）变换变换成数字信号，倍频变换完成后，再经由D/A（数/模）变换还原成模拟信号。

变换的原理如图1所示 AB场的视频信号，首先经过A/D变换，变换成为AB场的数字信号后，A场信号进入存储器A，B场信号进入存储器B，进行存储，然后由时序控制器控制，在和存入相同的时间从存储器A连续两次读出AA场信号，从存储器B连续两次读出BB场信号输出信号加在一起输出的信号就是倍频的AABB场信号，从而完成了倍频的功能。这也就是数字板的主要功能。

                                                                  图1

二、模数（A/D）变换—取样量化编码（PCM）

模拟信号转换为数字信号要经过三个步骤最终才能形成二进制的数字信号，这三个步骤总称为“脉冲编码调制”（PCM–Pulse Code Modulation）。

取样；就是在时间轴上对模拟信号进行分段。

量化；就是确定分段后的模拟信号的每一个段的幅度值—样值。

编码；就是把每个样值转化为二进制数。

下面用例图来简单介绍取样、量化、编码的过程

以图2-A所示简单的模拟信号，来说明模/数（A/D）变换的原理和过程；

1.取样。首先在时间轴上对模拟信号进行分段，就是在时间上把模拟信号离散化，如图2-B所示；模拟信号则变成了，点状排列的曲线。这就是“取样”，两个点水平之间的距离是取样时间，点的重复频率就是取样频率。取样后的信号，虽然不是连续的，仍然具有模拟信号的特征，这就是断续曲线的整体形状、比例和原模拟信号相同，振幅比例没有改变，如图2-C所示。

2.量化。每个点和下面零轴的垂线，其幅度是不等的，幅度的大小随模拟信号振幅的变化而变化，也就是幅度的大小正比于模拟信号的幅度变化。每一个点垂线的长短，就是这个点的取样值，根据要求精度的不同，对连续依次取样值四舍五入，这就是“量化”，如图2-D

3.编码。把经过量化的每一个点的样值进行由十进制到二进制的转换，这个过程叫“编码”或“二进制编码”，以完成由模拟信号到数字信号的转换的过程，如图3所示。

我们以图3来详细介绍量化编码的方法及结果；在图3中，下面时间轴2对应的取样样值的幅值是3.2，四舍五入后是3，十进制3的二进制是011。下面时间轴3对应的取样样值的幅值是5.1，四舍五入后是5，十进制5的二进制是101，这样以此类推，就得到了每一个取样样值采用3个二进制数表示的以一连串“0”和“1”表示的二进制数“011101110110101100011010011100101”。再按照“0”表示低电平，“1”表示高电平，画出高低电平的波形图，这就是数字信号的波形，可以看出一个简单的类似一个正弦周期的曲线，经过变换后变成多个以“0”和“1”表示的一连串二进制数，其数字信号的波形也比模拟信号复杂的多。

                                                                    图2

                                                              图3

4二进制码名词解释

所谓二进制编码就是用表示低电平的0和表示高电平的1，用一连串0、l来表示一个十进制数值，或是表示一个字母、符号等，这一过程称为二进制编码。由于二进制数运算规律简单，它的“1”和“0”两个码很容易通过电路来实现，所以在数字系统电路中通常采用二进制编码。

1）码的基本名称

数位与比特。码的位叫做数位，英文是digit。对于十进制码叫做十进制数位，英文是decimal digit。对于二进制码叫做二进制数位，英文是binary digit，对于二进制数位一般简称为“bit”，中文读作“比特”。

2）码率:: “码率”就是每秒位数，

码率=取样频率×每取样点的比特数

3）数字信号的比特位

某一个模拟信号的样值，经过转换为一串二进制码是 10101101，该码共有 8个数位，所以称为 8 比特 （bit）或 8 位。每一位的名称如下；右边{dy}位1称为；“比特0”位（bit0）。右边第二位0 称为；“比特1”位（bit1），以此类推，一直到比特8位。如图4所示

                                                                    图4

三、取样编码的标准

1、取样标准；从图3也可以看出，在进行A/D变换时，分段（点）越细越好，两个点水平之间的距离是取样时间，点的重复频率就是取样频率。可见取样频率越高，变换后的数字信号所含信息和原模拟信号信息误差越小，取样频率反映图像忠实于原模拟信号的忠实度，为了高保真的处理信息，取样频率越高越好，但是太高了，技术、系统都难以达到，根据取样定律；“奈奎斯特定律”（注1）为基础， 国际无线电咨询委员会(CCIR) ，通过了CCIR601号建议，确定以分量编码为基础, 即以亮度分量Y、和两个色差分量R-Y、 B-Y为基础进行编码,作为电视演播室数字编码的国际标准。标准规定； (1).不管是PAL制，还是 NTSC制电视,Y、R-Y、B-Y三分量的取样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。(2). 取样后采用线性量化编码，每个样值的量化编码“位”（bit）， 用于传输为8位（bit）。(3). Y、R-Y、B-Y三分量样值之间比例为4 :2 :2。这就是我们常说的4 :2 :2 标准。

对于SDTV标准的模拟视频信号或Y 信号的取样频率即为13.5MHz。

2、量化编码标准；从图3中可以看出；每一个取样值都经过了四舍五入，这样一个经过量化编码的值都有3个二进制数，我们就叫它为 3位编码，一个二进制数就是一“位”，号的信息值有了偏差（有失真），如果不经过四舍五入就进行编码，如果每一个样值量化编码“位”提高，显然转换后的数字信号和原来模拟信号的信息偏差就小的多（无失真），编码的结果二进制数的“位”越多显示图像的层次越丰富，“位”反映图像的层次。对于我们现行的SDTV电视标准，国际上规定对于视频信号的量化编码标准是8位（bit），图像的层次可以达到256级。

四、SDTV模拟视频信号变换为数字信号后的“码率”

把模拟信号变换成数字信号以后，信号是以“0”和“1”来表示，每一个“0”和“1”是一个“位”，每一个样值的8位量化编码，就有8个位。那么；我们的视频信号经过模/数变换、解码后输出的Y U V （注2）数字信号，每秒到底要传输多少个“位”（bit）?

这就是“码率”，“码率”就是每秒位数。对于我们现行SDTV的Y U V信号的4 :2 :2标准，

码率=取样频率×每取样点的比特数。码率的计算如下；

Y信号取样频率是13.5MHz U信号取样频率是6.75MHz V信号的取样频率是 6.75MHz 量化位都是 8位。

码率= 13.5 MHz×8+6.75 MHz×8+6.75 MHz×8=216 MHz/秒

可以看出我们带宽为0～6MHz的视频信号，经过模/数变换为数字信号后，其数据量异常的庞大，每秒传输达到216兆位的数据量，

五、并行传输和串行传输

在模拟电视电路中，电路间Y 信号的传输，采用一根引脚则可以了，加上U V信号，共3根引脚，而在经过模/数变换的数字信号，由于码率达到 216兆位的数据量，如此庞大的数据量，仍然采用一根线传输，“0”和“1”的二进制数排队顺序传送，如图5所示，对于SDTV每秒50场的动态图像，显然是有困难的，会造成传输信息堵塞。频繁出现“马赛克”图像，和静止图像。此种传输方式叫“串行传输”。

                               集成电路A 的作用;是A/D变换   把模拟信号变化为8位数字信号                        

                                                                          图5

为了解决此问题，采用按照每一个比特位一根线传输的方式，这种方式称为并行传输，如图6所示，集成电路A，输入的是模拟的Y信号，经过内部模/数变换后，变成～bit7的数字信号，集成电路A由8根引脚输出bit0～bit7的数字信号，在集成电路B也由8个引脚输入bit0～bit7的数字信号，在内部处理是再按原来的顺序排列起来，这样传输就可以保证图像的流畅。但是对于电路来说，集成电路的引脚数量大大上升，R G B基色信号传输需要24 根引脚，Y U V信号传输也必须16根引脚。采用并行方式传输，图像重放清晰、流畅，目前高清电视机内部均采用此种方式。这就是为什么数字集成电路引脚特别多的原因。原来修惯了 TA7698模拟集成电路电视机的师傅，看到数字集成电路处理模拟信号电视机极不适应的原因。

                                                                 图6

注1；“奈奎斯特定律”规定在模拟信号向数字信号转换中，取样频率必须大于被取样信号{zg}频率的2 倍。由于我们的SDTV视频信号的带宽为～6MHz 又考虑到取样频率必须是行频的整倍数（锁定行频）所以选13.5MHz比较合适。它是PAL制、SECAM制，行频的864倍，是NTSC制，行频的858倍，并且均大于视频信号带宽{zg}频率的两倍。

注2；U、V信号就是B-Y、R-Y色差信号经过幅度压缩的信号，其中幅度比值 U=0.493 B-Y , V=0.877R-Y其压缩的目的是；为了防止在编码的过程中B-Y和R-Y正交后，其幅值超过同步头，引起重放时破坏图像的同步。