基帶傳輸中的數字視頻信號

劉 藝，吳夢霞

（重慶廣播電視集團（總臺），重慶 400052）

0 引 言

在廣播電視工程領域，視頻基帶傳輸一直沿用至今，從模擬信號發展到數字信號，從標清時代走向高清舞臺，到現在的4K超高清視頻信號，正一步一步地走進人們的生活。數字視頻信號的基帶傳輸是用BNC（Bayonet Nut Connector）接頭連接同軸電纜，用于數字視頻信號的傳輸，具有技術成熟度高、穩定、維護方便、實現成本低、信號質量穩定等優點，適用于轉播車、演播室、后期編輯機房等SDI視頻系統結構。數字視頻信號的傳輸，實質上是對數據流的傳輸，這些數據流是由大量的0和1代碼組成的。數字化過程需要將動態畫面信息零散化，即用有限的像素來表示動態畫面。每秒動態畫面包含幾十幀靜態圖像，每一幀靜態圖像由成千上萬的像素點組成，一幀畫面中的一個像素點是靜態圖像顯示中的一個最小圖形單元。像素點數越多，反映的畫面色彩越豐富，還原數字視頻信號的顏色真實感就越強。4K超高清技術就是將人們熟知的HD高清信號從1 920×1 080的分辨率，提升到4K UHD超高清信號3 840×2 160的分辨率。4K UHD超高清信號像素點是HD高清信號的4倍[1]。將連續動態畫面以幀的形式進行分割，可以獲得空間和時間上離散的幀信息，如圖1所示。

圖1 幀空間結構圖

1 像素點采樣

4K超高清技術的發展帶來了圖像掃描方式的變化。在標清和高清時代，圖像的掃描都是采用隔行掃描方式，在不降低刷新率的情況下減少了數據量，但降低了圖像的水平像素點數。而4K超高清技術采用了逐行掃描方式，相對于隔行掃描方式，增加了一倍的掃描行數，使得數據信息量大幅增加，因此對帶寬有較高的要求。1 s的動態畫面中所有像素點的數字信息數據總量實際上相當于數字視頻信號帶寬，即碼率[2]。

以4∶2∶2采樣系統為例進行介紹。一個動態畫面經過攝像機CCD成像后，就形成了一個RGB彩色視頻信號。彩色視頻信號通過4∶2∶2采樣后，可以分解為亮度信號Y和色度信號，色度信號再分解為色差信號U和色差信號V，最后由Y、U、V三個分量進行傳輸[3]。在一幀畫面中，每個像素點的信號分量是連續的，得到每幀每個像素點信號分量的離散值，就將一幀圖像分解成若干個像素點，每個像素點里含有Y、U、V信號的分量，如圖2所示。

圖2 采樣前像素點信號分量示意圖

人眼對亮度的敏感程度大于色度，而在4∶2∶2采樣系統中，亮度信號Y的采樣頻率是13.7 MHz， 色度信號U、V的采樣頻率都是6.35 MHz，正好是亮度信號Y采樣頻率的1/2，即在單位時間內，亮度信號Y采樣2次，色度信號U、V分別各采樣1次。經過4∶2∶2系統采樣后，進行電路封裝，得到每一個像素點的Y、U、V信號分量，如圖3 所示。

圖3 采樣后像素點信號分量示意圖

2 數據量理論計算

每一幀圖像中垂直像素的奇數列包含Y、U、V三個信號分量，偶數列只含有Y信號分量。HD高清信號和4K UHD超高清信號一幀畫面的總像素點數為水平像素點總行數（用H表示）與垂直像素點總列數（用V表示）之積。而經過4∶2∶2采樣后，就會存在一幀畫面中垂直像素點的奇數列與偶數列所含信號分量不同的現象。

根據GY/T155-2000《高清晰度電視節目制作及交換用視頻參數值》和GY/T307-2017《超高清晰度電視系統節目制作和交換參數值》的規定，分別以HDTV高清采用1 920×1 080 50i的視頻格式和UHDTV超高清采用3 840×2 160 50p的視頻格式為例，對一秒畫面中每個像素點里的YUV信號分量進行計算，可以得出HD高清信號和4K UHD超高清信號基帶傳輸的碼率。兩種信號格式的量化級數都是采用的是10 bit。用V奇表示HD和UHD信號像素點中奇數列總和；用V偶表示HD和UHD信號像素點中偶數列總和；用H總表示HD和UHD信號像素點中所有行數。經過4∶2∶2系統采樣后，運用公式，可計算出數字視頻信號碼率。

計算結果為：高清信號1 s傳輸畫面的理論數據 量 為（960×1 080×3+960×1 080×1）×10× 25=1.036 8 Gb，實際測得高清視頻信號碼率為1.094 Gb/s；4K UHD超高清信號1 s傳輸畫面的理論數據量為（1 920×2 160×3+1 920×2 160× 1）×10×50=8.294 4 Gb，實際測得超高清視頻信號碼率為8.694 Gb/s。

3 碼率實際測量

實測結果與計算理論結果存在差異的原因是，測量信號包含了音頻信息、輔助信息、同步信息及封裝信息等其他數據信息，實測結果如圖4所示。

圖4 碼率實測結果對比圖

眼圖（Eye Diagram）包含豐富的信息，體現了數字信號整體的特征，能夠很好地體現數字信號的品質，可以顯示出數字信號的傳輸質量。眼圖分析是高碼率傳輸系統信號完整性分析的核心，是對數字信號質量的一種快速而又非常直觀的監測手段，可以估計傳輸系統的優劣程度。以幅度、噪聲及抖動為指標，監測HD高清信號和4K UHD超高清信號，結果如圖5所示。

圖5 眼圖對比圖

在高碼率傳輸系統中，抖動指標能夠反映傳輸系統的誤碼率，通過對數字視頻信號的眼圖監測發現，4K UHD信號的抖動程度明顯高于HD信號。在信道噪聲環境中，4K UHD眼圖線跡變成了帶狀，而HD信號的眼圖線跡較為清晰通透，說明UHD信號傳輸的噪聲高于HD信號。實際測量指標如表1所示。

表1 眼圖指標對照表

4 結 語

數字視頻信號的碼率越高，呈現的畫面質量就越好，但信道噪聲的影響越明顯，導致誤碼率越高，傳輸難度越大，所以對基帶傳輸的介質要求也越高。目前基帶傳輸所應用的視頻同軸線纜，不能適應高碼率的數字視頻信號傳輸。用12G-SDI優質視頻電纜進行傳輸測試，HD信號能夠傳輸120 m左右，UHD信號在60 m就接近極限。數字視頻信號在高碼率傳輸的情況下，傳輸距離有大幅度下降。目前在工程技術領域，要實現遠距離的高質量傳輸，可以用光纖傳輸代替基帶傳輸，能夠滿足較高質量的數字視頻信號傳輸要求。

數字視頻信號的碼率高低，對視頻設備的運行環境也有一定的要求。高碼率信號處理需要較高的運算速度，從而帶來設備發熱量、運行噪音、耗電功率的增加，對高碼率視頻設備的運行環境提出了更苛刻的要求。機房建設環節要充分考慮到視頻設備的運行環境，在空調系統、隔音效果、電力配備等重要環節應重點布控。

針對高碼率的數字視頻信號，在BNC接頭和視頻電纜的制作工藝方面應該嚴格執行操作規范，保質保量壓接BNC接頭。實際運用中，UHD信號的視頻設備會受到電磁干擾、靜電感應等因素的影響，需要定時清潔BNC接頭及視頻板卡的灰塵，避免故障的發生。