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betacam-sx与视频广播的数字化进程(1)

2013-10-13 01:04   近一段时间在电视技术方面呼声最高的莫过于数字化,因为数字化的视频和音频具有高保真、易存储等优点，所以它们一面世就极受欢迎。在此情况下，加快进入数字化领域的步伐选用数字录象机就显得尤为重要。
随着数字视频技术的迅速 发展 ，磁带记录方式的数字录象机开始采用数据压缩技术，出现了价格适中、且有较高的图像和声音录放质量、更高记录密度的新格式录象机，主要有sony的betacam-sx、dvcam、松下的dvcpro、dv和jvc的digital-s。在这些同类产品中，只有betacam-sx采用了mpeg-2压缩方式，可以采用更大的压缩比从而降低数据率，并且填补了mpeg-2压缩方式在电视信号处理的全过程中录象编辑制作领域的空白，因此有利于数字设备的配套性及发展性。本文就betacam-sx这种记录方式进行阐述，并同现存的其它平行记录格式作有限的比较，以用来说明betacam-sx格式的某些技术特点。

一．取样比方面的比较
    从表一可以看出在取样比方面dvcpro（25mbps）与dvcam未满足ccir601规定的亮度信号与色度信号r-y、b-y的取样比4:2:2，这是衡量数字视频信号是否达到广播级的一个重要标准。不满足此标准就与广泛采用4:2:2的多数数字切换台与特技机较难以兼容。在制定此国际统一的分量编码的标准时，亮度信号抽样频率的选择必须兼顾不同的扫描制式，由于现行的扫描制式主要有625行/50场和525行/60场两种，它们的行频分别为15625hz和15734.265hz，因此itu-r建议的分量编码标准的亮度抽样频率为13.5mhz，这恰好是上述两种行频的整数倍，另外按照国际现行电视制式，亮度信号最大带宽是6mhz，根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率至少要大于2×6=12mhz，可见取13.5mhz也是合适的。另外由于人眼的视觉对亮度变化比对色度变化敏感度更高，色差信号的带宽可以比亮度信号带宽窄得多，所以在分量编码时两个色差信号的抽样频率可以低一些，同时也考虑到抽样的样点结构满足正交结构的要求,itu-r建议两个色差信号的抽样频率均为亮度信号抽样频率的一半，即6.75mhz，因此，对演播室数字电视设备进行分量编码的标准是：亮度信号的抽样频率是13.5mhz,两个色差信号的抽样频率是6.75mhz，其抽样频率之比为4:2:2，称为4:2:2格式。4:1:1取样格式又在4:2:2取样格式的基础上把色差信号的取样频率降低了一半，即色度清晰度又降低了一半，因此它的色度信号要差一些。而在4:2:0的取样比情况下，一场中相连两行的色度取样被插入以产生一个单色度取样，它不仅色差信号要差一些，而且它还具有许多缺点。首先，由于使用隔行扫描，垂直方向的清晰度已经被降低，而采用4:2:0取样比的视频，在垂直方向上色度清晰度又降为只有水平方向上的一半；另外，垂直插入色度取样的过程很复杂，当场处理或垂直方向上有移位时会使色度清晰度再度下降，虽然直接显示人眼看不出来，但当有较多色度处理时就显得不足，更会导致糟糕的多代复制效果；再有，它无法把水平和垂直方向上色度信号取样密度的差别考虑在内。表二 总结 了包括ntsc和pal制在内的不同视频格式色度信号的取样密度。

显而易见，4:2:0无法在水平和垂直两个方向上降低等量的色度清晰度，水平对垂直色度清晰度是处于3:1的比例，即使把4:3的宽高比考虑在内时，水平到垂直的比率仍是2.25:1。很明显,4:1:1取样结构能在水平及垂直方向上，提供平衡的色度清晰度。如果目的是使用一种ntsc或pal的复合标准来分配一个信号，那么4:2:0就比较差，它的水平色度清晰度比ntsc或pal更高，但垂直色度解析度却比这些复合标准更差。

   在纠错能力方面betacam-sx是四种格式中纠错能力最强的。数字录象机都采用二维rs纠错编码，即里德-索罗门码（reed-solomon），它是利用伽罗华创造的伽罗华域（galois field）中的数学关系来把传送数据包的每个字节映射成伽罗华域中的一个元素（又称符号），每个数据包都按码生成多项式为若干个字节的监督校验字节，组成rs的误码保护包，接收端则按校验矩阵来校验接收到的误码保护包是否有错，有错时则在错误允许的范围内纠错。rs纠错编码具有很强的纠正突发误码的能力。在里德-索罗门编码中，通常以符号为单位来处理，一般选用8比特符号，这样做可以处理非常大量的数据，8比特伽罗华域最长的序列为28-1=255个符号，总共有255×8=2040比特。在此编码中每个符号要乘以某个基本元素的幂次方后再模2加，如图一所示。因此，我们必须定义两个符号伽罗华域的乘法如表三所示。

    在里德-索罗门编码中一系列误码可以用码字除一定数量的一次多项式，如果要纠正t个错误，那么码字必须要被2t个不同的形式如x+an的一次多项式整除。这里的n取值为直到2t的所有整数值。a是基本元素，以3比特伽罗华域为例，基本元素a是010，输入是5个符号，每个符号3比特，与相应的元素相乘后直接模2加输出。因为有两种系数，所以得到两个校验字，由于没有出错，所以在校验时，两个校验式的结果都为零，即： 内容来自www.nseac.com
s0=a⊕b⊕c⊕d⊕e⊕p⊕q=0
s1=a7a⊕a6b⊕a5c⊕a4d⊕a3e⊕a2p⊕aq=0
    当接收到的符号有错时，通过 计算 可以得到与符号有关的错误信息，举例如图二所示。此时有错的码用加撇表示，s0是错误码，真正的d=d’+s0=101⊕001=100，错误的位置将由s1与s0的关系决定。s1和s0是同一个错误的不同的码，由于s1是由乘an次方的各接收符号模2加得到的，因此s1/s0=ak的k恰好是乘2n的那一个符号。

     

为了纠正一个符号错，要2个符号的检测码，一个用来确定位置，一个用来纠错，纠t个错误需要2t个检验符，这时要计算2t个等式，确定t个位置和纠t个错，能纠t个符号的rs码生成多项式为：
g（x）=（x+a0）（x+a1）（x+a2）…（x+a2t-1）
如果由某种方式预先知道哪一个符号出错，则可以用同样数量的检验符纠正同样数量的错误符号。

另外，为了适应不同的码组长度可使用截短的rs码，例如dvb和ga。ga采用rs（207，187，10），即分组码符号长度为207个，187个信号符号，可检出207-187=20个错，可纠正（207-187）÷2=10个错。该码就是从rs（255，235，10）码截短而得到的，实际上可以看成255个符号中除207个有具体的值外，剩余的48个符号全部添零，可以用同样的电路进行编解码。
在dvcpro、dvcam、digital-s格式中视、音频数据的内码组为rs（85. 77）码，检错能力为85-77=8byte，纠错能力为（85-77）÷2=4byte。视频数据的外码组为rs（149. 138），在内码组指出错误位置时能纠错149-138=11byte。音频的外码组为rs（14. 9）码，在内码组指出错误位置时14byte中有不多于14-9=5byte的错误都能得到纠正。而betacam sx的视频内码组为rs（124. 112）外码组为rs（64. 50），声音的内码组为rs（124. 112）外码组为rs（14. 6），其外码组的纠错能力明显高于其它格式，加上磁迹宽度又比其它格式宽了许多，即使一个gop中有两根磁迹丢失，误码校正仍可正常进行，其误码校正数据块的组成如图三所示。

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