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取样、量化、编码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；右边第一位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). Moneygram service clients 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（图5中 集成电路A 是一个 把输入模拟信号变换成数字信号的A/D转换电路）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”。

图5 集成电路A为A/B变换

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（图6中 集成电路A 是一个 把输入模拟信号变换成数字信号的A/D转换电路），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bit0～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 集成电路A为A/B变换

完结。
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最高频率的2 倍。由于我们的SDTV视频信号的带宽为 0～6MHz 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最高频率的两倍。

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。