JH8000数字电视实验指导书.doc
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1、JH8000数字电视实验指导书1872020年5月29日文档仅供参考JH8000DTV数字电视实验系统概述3第一章 视频A/D、D/A 实验61.1 实验原理61.1.1 视频A/D变换器61.1.2 视频D/A变换器91.2 实验电路231.2.1 实验电路总体框图231.2.2 视频A/D变换电路模块231.2.3 视频D/A变换电路模块271.2.4 数字处理模块(可编程器件)291.3 实验内容311.3.1 实验一 视频源的参数调整311.3.2 实验二 亮色延时实验341.3.3 实验三 量化比特数对数字图像质量的影响361.3.4 实验四 视频A/D,D/A参数的观测391.3.
2、5 实验五 数字电视的国际标准(ITU-601号建议)41第二章 音频A/D,D/A实验432.1 实验原理432.1.1 音频信号取样频率的选择432.1.2 声音信号(双极性信号)量化信噪比442.1.3 音频信号的量化比特数的确定442.2 实验电路452.2.1 实验电路总体框图452.2.2 音频AD系统模块电路简介452.2.3 音频AD系统模块电路简介462.2.4 数据处理与控制模块482.3 实验内容512.3.1 实验一 抽样频率及量化比特数对声音质量的影响512.3.2 实验二 观测各种时钟数据及其相互关系54第三章 MPEG视频编码573.1 实验原理573.1.1 M
3、PEG-2 编解码系统573.1.2 MPEG-2 压缩编码模块623.2 实验电路713.2.1 MPEG编码模块电路713.2.2 MPEG解码模块电路773.3 实验内容823.3.1 实验一 节目码流和传输码流实验823.3.2 实验二 包识别码(PID)实验843.3.3 实验三 视频编解码延时实验863.3.4 实验四 视频帧结构实验883.3.5 实验五 视频编码速率实验903.3.6 实验六 图像子采样模式实验923.3.7 实验七 GOP实验943.3.8 实验八 图像格式实验96第四章 MPEG音频编码984.1 实验原理984.1.1 MPEG-1音频压缩编码984.1.
4、2 MPEG-2音频压缩编码1074.1.3 MPEG-1、MPEG-2音频参数的比较1094.1.4 MPEG-2中的AAC编码1104.2 实验内容1124.2.1 实验一 MPEG音频层实验11124.2.2 实验二 MPEG音频层实验2114附录:波形说明116JH8000DTV数字电视实验系统概述 JH8000DTV数字电视课程实验箱是完全按照数字电视国际标准设计和生产的数字电视传输系统,能够提供数字电视课程所需的若干实验,同时能够作为实际数字电视传输课程培训时的实验装置。一系统描述 JH8000DTV系统主要由视音频A/D,D/A模块,视音频信源编码、解码模块,TS流形成与解复用模
5、块,DVB SPI 收发接口等模块组成。音频A/D模块板音频信源编码TS流的形成DVB SPI TX模块传输信道DVB SPI RX模块TS流的解码视频信源解码音频信源解码D/AD/ATV监视器视频A/D模块板视频信源编码图1 为JH8000系统原理框图:图1 JH8000DTV系统框图各部分的组成及功能简述如下:1) 视音频A/D、D/A模块:采用专用的集成芯片,按照国际标准采样时钟和采样格式将模拟输入的视音频信号变成标准数字视音频信号。2) 视音频信源编码、解码模块:按国际上MPEG1、2压缩标准完成对数字视音频码流的压缩编码。3) TS流形成与解复用模块:按国际标准将视音频信源编码板输出
6、的MPEG视音频码流打包成TS流或解复用成MPEG视音频码流送入视音频信源解码板。4) DVB SPI 收发接口模块:将MPEG-2的TS流按DVB SPI的国际接口标准实现编解码之间的码流传输。其中各个模块既能够独立进行分块实验,又能够综合组成数字电视系统传输实验JH8000DTV(包括视音频A/D模块、视音频信源编解码模块,TS流形复用与解复用模块和DVB SPI传输接口模块)完成系统总体实验二系统实验1系统总体实验在实验中我们使用JH8000DTV实验箱搭建系统总体实验环境,并紧密结合系统的实际运行状态,经过亲手对系统参数的设置和测试,让试验者初步建立数字电视系统总体概念。2 分模块实验
7、经过系统总体实验之后,我们可在建立总体概念的基础上,将总体系统拆分成若干功能的子模块。每一功能子模块作为一个相对独立的分模块实验板,这样便于实验者从模块实验中掌握数字电视传输系统中各部分原理、功能、技术参数、性能指标及在整个数字电视传输系统中的影响,同时让学生了解各个模块的设计参数和设计方法,为学生今后在数字电视系统设备的研究方面打下扎实的研究基础。整个实验系统能够分成:直接视频、音频的AD-DA闭环实验装置和接入后续编解码模块以及传输模块的开环实验装置,能够进行的实验模块有:(1)视频源参数设置模块(开环)l 亮度设置l 色度设置l 对比度设置l 输入信号源选择设置l 信号源制式设置l 场信
8、号标识行设置l 行有效像素数设置(2)视频编码参数设置模块(开环)l 系统模式设置,能够设置MPEG-1或MPEG-2编码方式l 系统编码码流模式设置,能够设置编码码流输出格式:节目码流(PS)或传输码流(TS)。l 可编程设置GOP结构:I、B、P帧的组合,包括I、IP、IBP、IBBP等。l 可编程设置编码速率:512K-15M (NX256K, N=2-57)l 可编程设置数字视频标识码:VPID。l 可编程设置数字音频标识码:APID。l 可编程设置数字参考时钟标识码:PCRPID。l 可编程设置仅视频编码,音频不编码工作方式。(3)音频编码参数设置模块(开环)l 设置MPEG音频编码
9、层:Layer1 or Layer2l 设置音频采样速率l 设置音频编码输出速率l 设置音频预加重模式l 设置音频声道处理模式l 设置音频PES标志(4)MPEG编码参数设置模块(开环)l 可编程设置编码模式l 可编程设置编码速率:512K-15M (NX256K, N=2-57)l 设置图像采样模式l 可编程设置GOP模式l 可编程设置GOP长度l 可编程设置图像编码:D1、4/3 D1、2/3 D1、1/2 D1、SIF、QSIF、SliceScreenl 可编程设置图像预处理滤波模式(5)视频AD/DA实验模块(闭环)l 亮度设置l 色度设置l 对比度设置l 色饱和度设置l 色调设置l
10、亮色延迟设置l 彩色关闭设置(6)音频AD/DA实验模块l 音频采样频率设置l 音频量化比特数设置l 静音模式设置第一章 视频A/D、D/A 实验视频A/D、D/A变换器是数字电视系统(图1-1)的重要组成部分。视频A/D、D/A变换器性能的好坏对整个数字电视系统重现图像质量有着非常重要的影响。因此,经过视频A/D、D/A实验,更好的掌握视频A/D、D/A的原理,技术参数,国际标准等就显的十分必要。 下面分别介绍视频A/D、D/A变换器的工作原理,参数选择,国际标准,以及各实验的内容,要求,方法等。A/D数字处理器D/A模拟信号模拟信号图1-1 数字设备基本系统组成1.1 实验原理1.1.1
11、视频A/D变换器A/D转换器的作用是把连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号,示意图如图1.1.1所示。它主要包括取样、量化和编码三大部分。取样,是实现时间轴上的离散化;量化,是实现幅度轴上的离散化;编码,是实现把离散化了的数据用二进制码型表示,进而变为一系列的电脉冲。图1.1.1 A/D转换器示意图1分量编码中取样频率的选择分量编码是指对亮度信号(Y)和两个色差信号(R-Y)、(B-Y)分别进行取样、量化和编码。在分量编码中,由于不受色副载波的影响,而且与彩色电视制式关系不大,为了便于国际间节目的交换,建议取样频率应能兼容625行/50场和525行/60场两种扫描体制。根据取样定理,要求取样
12、频率fs2fm,为了防止频谱混叠失真,应选择fs(2.22.7) fm,又为了实现正交取样结构,应满足fs为行频fH的整数倍。综合上述诸条要求,已知亮度信号的上限频率为5.5MHz6 MHz,取样频率可选为fs=2.2fm=1213.2 MHz。对于625行制式行频为fH=15.625 MHz,对于525行制式行频为fH=15.734264KHz,为了满足兼容两种制式的要求,就在13.2MHz附近选定。两种制式行频最佳公倍数为13.5MHz。对625行制式,每行取样点数为:对于525行制式,每行取样点数为: 对于两个色差信号(R-Y)和(B-Y),因为其上限频率均在2.8MHz以下,近似为亮度
13、信号上限频率的一半,为了方便起见,色差信号的取样频率选为: fs(R-Y)= fs(B-Y)=fSY=6.75MHz对于625行制式,色差信号每行取样点数为864=432,对于525行制式,则每行取样点数为858=429。亮度信号和两个色差信号三者的取样频率比例关系为: fs(Y) : fs(R-Y) : fs(B Y) =4:2:2故把这种选择取样频率方式称为4:2:2标准,这就是分量编码中取样频率的选择。2量化量化是使幅度连续的抽样值进一步在幅度上离散化的过程。以便能用有限长度的码字来表示抽样点的幅度。量化可分为舍入量化和截尾量化。舍入量化即用四舍五入来处理被量化信号与预置量化级数电平之间
14、的差值。截尾量化即把高于预置量化级数电平的尾数部分全部舍去。截尾量化误差比舍入量化误差大一倍,因此,一般只采用舍入量化而不采用截尾量化。由量化误差所产生的噪声称量化噪声。设图像信号的最大幅度为A,将它均匀量化成N级,量化级差为A,有:A=NA,N=2n (以二进制表示)电视信号(单极性信号)的量化信噪比定义:量化信噪比= (n为量化比特数) 用分贝表示:能够得出结论:量化比特数n每增加1bit,则信噪比上升6dB;反之,每下降1bit;信噪比降低6dB。信噪比与量化比特数n关系如表1.1.1所示。 表1.1.1量化比特567891041dB47 dB53dB59dB65dB71dB 3编码 A
15、/D转换器中的编码,是把代表特定量化电平等级的比较器的输出状态数据组合,变换成以n比特表示的二进制数码,即每一组二进制数码代表一个取样值的量化电平等级。如表1.1.2。在接受端解码时,从这个数码(或称数据)中重新恢复出原模拟信号电平。表1.1.24视频A/D D/A的特点l 抽样频率高,fs=27MHz (对全信号编码)fs=13.5MHz (对分量信号编码)l 量化比特数高,n=810比特1.1.2 视频D/A变换器 模拟信号被数字化之后,送入数字设备进行处理、记录或传送。最后,当与其它模拟信号设备联结时,需要重新还原为模拟信号。用于把数字信号还原为模拟信号的设备、称为数/模转换器或D/A变
16、换器 图1.1.2 数/模转换器方框图图1.1.2中表示出数/模转换器的简单方框图,主要有数字解码、内插低通滤和零阶保持补偿等三部分电路组成。数字解码是主要部分,其作用是把代表取样值的二进制数码还原为相应的量化电平脉冲。内插低通滤波器,用于把离散的脉冲转换为在时间轴上连续的模拟信号。由于内插滤纸不可能具有理想的门函数频率特性,又因编码时的取样脉冲也不可能是理想的 冲击函数序列而是具有一定宽度的脉冲,这都会使恢复的模拟信号高频成分受到损失。因此,内插低通滤波器之后,又加入零阶保持补偿电路,用于提升模拟信号的高频成分,使输出信号更接近原来的模拟信号。视频 D/A的特点l 运算精度高。l 运算速度快
17、。1电视信号数字化的国际标准分量电视信号的数字编码有利于国际间的电视节目交换。在1982年的CCIR第15次全会上经过了CCIR601号建议书,确定了能实现625行/50场和525行/60场兼容的分量编码4:2:2标准,以后又作了若干补充修正。 数字分量视频标准,则是分别对三个信号(一个亮度信号和二个色差信号)进行取样和量化编码,如前所述,由于消除了色副载波影响,信号质量较高,也有利于制式间的兼容,可是设备复杂,造价高,而且码率也高。在数字分量信号中,亮度信号(Y)峰-峰幅值为700VPP,黑电平与消隐电平一致,同步电平为-300MV,同步信号仅加入亮度信号中;两个色差信号分别称为CR和CB,
18、以0电平双向对称,其满幅度均为700MVPP。 CR=0.713(ER-EY) CB=0.564(EB-EY)2数字分量各信号的取样频率比例根据在前边已介绍过取样频率的选择原则,各信号取样频率之间应满足一个固定的比例。一般把3.375MHZ作为最低的基准频率,抽样比例有以下几种。图1.1.3 亮度与色差信号取样点的分布图(1)4:2:2方式这是较常见的标准方式,其中亮度信号取样频率为3.375X4=13.5MHZ。(2)4:4:4方式这是一些高档级的演播室选用的高质量的取样标准,亮度信号和两个色差信号均采用3.3754=13.5MHz,(3)4:1:1方式两个色差信号取样频率均为3.3751=
19、3.375MHz,这时的色差信号带宽在1.5MHz以下。在图1.1.3中表示了取样点的分布情况,图中代表亮度取样点,而代表色差 CR和CB的取样点。3数字分量4:2:2标准举例现以数字分量4:2:2为例说明如下,表1.1.3中给出了其标准参数。表1.1.3 4:2:2标准参数参数名称625行/50场525行/60场1、编码信号2、1行取样点数亮度信号(Y)色差信号(R-Y)、(B-Y)Y、R-Y、B-Y8644328584293、取样结构正交,行、场、帧重复,(R-Y)、(B-Y)样点同位,并与每行的亮度信号第奇数个(1、3、5)样点同位。4、取样频率亮度信号每个色差信号13.5MHz6.75
20、MHz5、量化方式亮度信号与色差信号均采用每样值8比特均匀量化6、一个有效行取样点数亮度信号每个色差信号7203607、模拟信号电平与量化等级之间关系亮度信号每个色差信号共220量化级,黑电平在每16级,白峰在235级共224量化级,零电平处在0225的量化级中心,即128级8、数字有效行定义(Y)OH到有效行开始有效行期间有效行结束到同步前沿每一行范围132个样点/9.718s720个样点/53.333s12个样点/0.889s864个样点/64s122个样点/9.037s720个样点/53.333s16个样点/1.185s858个样点/63.555s4量化范围的规定及码电平分配 现以100
21、/0/100/0彩条信号为例,说明数字分量信号对量化范围的规定。(1)亮度分量 亮度分量的模拟信号电平与其相对应的数字信号样值(即量化电平)之间的关系如图1.1.4所示。图中示出了8比特量化和10比特量化两种情况下的对应样值,每个样值都分别以10进制数表示其量化级数(亦称量化电平或数字电平)。图1.1.4 100%彩条中亮度信号之模拟电平与量化电平之间的关系在10比特量化系统中共有1024个数字电平(210个),用10进制数表示时,其数值范围从0到1023;用16进制数表示时,其数值范围从000到3FF。数字电平000003和3FC3FF为储备电平(reserve)或称保护电平,这两部分电平是
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