基带传输中的数字视频信号

刘 艺，吴梦霞

（重庆广播电视集团（总台），重庆 400052）

0 引 言

在广播电视工程领域，视频基带传输一直沿用至今，从模拟信号发展到数字信号，从标清时代走向高清舞台，到现在的4K超高清视频信号，正一步一步地走进人们的生活。数字视频信号的基带传输是用BNC（Bayonet Nut Connector）接头连接同轴电缆，用于数字视频信号的传输，具有技术成熟度高、稳定、维护方便、实现成本低、信号质量稳定等优点，适用于转播车、演播室、后期编辑机房等SDI视频系统结构。数字视频信号的传输，实质上是对数据流的传输，这些数据流是由大量的0和1代码组成的。数字化过程需要将动态画面信息零散化，即用有限的像素来表示动态画面。每秒动态画面包含几十帧静态图像，每一帧静态图像由成千上万的像素点组成，一帧画面中的一个像素点是静态图像显示中的一个最小图形单元。像素点数越多，反映的画面色彩越丰富，还原数字视频信号的颜色真实感就越强。4K超高清技术就是将人们熟知的HD高清信号从1 920×1 080的分辨率，提升到4K UHD超高清信号3 840×2 160的分辨率。4K UHD超高清信号像素点是HD高清信号的4倍[1]。将连续动态画面以帧的形式进行分割，可以获得空间和时间上离散的帧信息，如图1所示。

图1 帧空间结构图

1 像素点采样

4K超高清技术的发展带来了图像扫描方式的变化。在标清和高清时代，图像的扫描都是采用隔行扫描方式，在不降低刷新率的情况下减少了数据量，但降低了图像的水平像素点数。而4K超高清技术采用了逐行扫描方式，相对于隔行扫描方式，增加了一倍的扫描行数，使得数据信息量大幅增加，因此对带宽有较高的要求。1 s的动态画面中所有像素点的数字信息数据总量实际上相当于数字视频信号带宽，即码率[2]。

以4∶2∶2采样系统为例进行介绍。一个动态画面经过摄像机CCD成像后，就形成了一个RGB彩色视频信号。彩色视频信号通过4∶2∶2采样后，可以分解为亮度信号Y和色度信号，色度信号再分解为色差信号U和色差信号V，最后由Y、U、V三个分量进行传输[3]。在一帧画面中，每个像素点的信号分量是连续的，得到每帧每个像素点信号分量的离散值，就将一帧图像分解成若干个像素点，每个像素点里含有Y、U、V信号的分量，如图2所示。

图2 采样前像素点信号分量示意图

人眼对亮度的敏感程度大于色度，而在4∶2∶2采样系统中，亮度信号Y的采样频率是13.7 MHz， 色度信号U、V的采样频率都是6.35 MHz，正好是亮度信号Y采样频率的1/2，即在单位时间内，亮度信号Y采样2次，色度信号U、V分别各采样1次。经过4∶2∶2系统采样后，进行电路封装，得到每一个像素点的Y、U、V信号分量，如图3 所示。

图3 采样后像素点信号分量示意图

2 数据量理论计算

每一帧图像中垂直像素的奇数列包含Y、U、V三个信号分量，偶数列只含有Y信号分量。HD高清信号和4K UHD超高清信号一帧画面的总像素点数为水平像素点总行数（用H表示）与垂直像素点总列数（用V表示）之积。而经过4∶2∶2采样后，就会存在一帧画面中垂直像素点的奇数列与偶数列所含信号分量不同的现象。

根据GY/T155-2000《高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》和GY/T307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》的规定，分别以HDTV高清采用1 920×1 080 50i的视频格式和UHDTV超高清采用3 840×2 160 50p的视频格式为例，对一秒画面中每个像素点里的YUV信号分量进行计算，可以得出HD高清信号和4K UHD超高清信号基带传输的码率。两种信号格式的量化级数都是采用的是10 bit。用V奇表示HD和UHD信号像素点中奇数列总和；用V偶表示HD和UHD信号像素点中偶数列总和；用H总表示HD和UHD信号像素点中所有行数。经过4∶2∶2系统采样后，运用公式，可计算出数字视频信号码率。

计算结果为：高清信号1 s传输画面的理论数据 量 为（960×1 080×3+960×1 080×1）×10× 25=1.036 8 Gb，实际测得高清视频信号码率为1.094 Gb/s；4K UHD超高清信号1 s传输画面的理论数据量为（1 920×2 160×3+1 920×2 160× 1）×10×50=8.294 4 Gb，实际测得超高清视频信号码率为8.694 Gb/s。

3 码率实际测量

实测结果与计算理论结果存在差异的原因是，测量信号包含了音频信息、辅助信息、同步信息及封装信息等其他数据信息，实测结果如图4所示。

图4 码率实测结果对比图

眼图（Eye Diagram）包含丰富的信息，体现了数字信号整体的特征，能够很好地体现数字信号的品质，可以显示出数字信号的传输质量。眼图分析是高码率传输系统信号完整性分析的核心，是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的监测手段，可以估计传输系统的优劣程度。以幅度、噪声及抖动为指标，监测HD高清信号和4K UHD超高清信号，结果如图5所示。

图5 眼图对比图

在高码率传输系统中，抖动指标能够反映传输系统的误码率，通过对数字视频信号的眼图监测发现，4K UHD信号的抖动程度明显高于HD信号。在信道噪声环境中，4K UHD眼图线迹变成了带状，而HD信号的眼图线迹较为清晰通透，说明UHD信号传输的噪声高于HD信号。实际测量指标如表1所示。

表1 眼图指标对照表

4 结 语

数字视频信号的码率越高，呈现的画面质量就越好，但信道噪声的影响越明显，导致误码率越高，传输难度越大，所以对基带传输的介质要求也越高。目前基带传输所应用的视频同轴线缆，不能适应高码率的数字视频信号传输。用12G-SDI优质视频电缆进行传输测试，HD信号能够传输120 m左右，UHD信号在60 m就接近极限。数字视频信号在高码率传输的情况下，传输距离有大幅度下降。目前在工程技术领域，要实现远距离的高质量传输，可以用光纤传输代替基带传输，能够满足较高质量的数字视频信号传输要求。

数字视频信号的码率高低，对视频设备的运行环境也有一定的要求。高码率信号处理需要较高的运算速度，从而带来设备发热量、运行噪音、耗电功率的增加，对高码率视频设备的运行环境提出了更苛刻的要求。机房建设环节要充分考虑到视频设备的运行环境，在空调系统、隔音效果、电力配备等重要环节应重点布控。

针对高码率的数字视频信号，在BNC接头和视频电缆的制作工艺方面应该严格执行操作规范，保质保量压接BNC接头。实际运用中，UHD信号的视频设备会受到电磁干扰、静电感应等因素的影响，需要定时清洁BNC接头及视频板卡的灰尘，避免故障的发生。