Файл: ВидеостандартыСигналы, форматы, стыкиВ. Л. Штейнберг Содержание 2Видеостандарты.pdf

Уровни, напряжения, коды, единицы измерения
20
По стандарту NTSC-M и национальному стандарту США уровень черного композитного сигнала не совпадает с уровнем гашения и поднят на пьедестал высотой 7.5 единиц IRE
(53.6 мВ).
0 В
- 0.3 В
PAL
0.7 В
0 IRE
- 40 IRE
(- 0.286 В)
NTSC-США
100 IRE
(0.714 В)
Пьедестал
7.5 IRE
Рис. 2.5.1 Уровни композитных сигналов NTSC и PAL
Однако, в японском варианте системы NTSC-M пьедестал не используется (он равен нулю), что приводит к существенным различиям уровней как сигналов яркости, так и сигналов цветности.
В цифровой области роль напряжений выполняют кодовые комбинации, которые тоже должны регламентироваться стандартом. При этом приходится учитывать различие в размахах компонентных и композитных сигналов. Размах композитных сигналов возрастает вследствие добавления сигнала модулированной поднесущей (цветности), тогда как размах цифрового сигнала в компонентном стыке дополнительно снижается из-за того, что синхроимпульсы не кодируются. В результате одному шагу квантования соответствуют четыре различных приращения уровней аналоговых видеосигналов в зависимости от того, какой сигнал кодирован - NTSC, PAL, Y или Cb/Cr. Цифровые опорные уровни черного также зависят от формата сигнала.

Звуковое сопровождение
21
2.6 Звуковое сопровождение
Как известно, - "лучше один раз увидеть, чем...". Тем не менее, слышать иной раз даже важнее. Другими словами, производство ТВ программ невозможно без звукового сопровождения, поэтому целесообразно кратко рассмотреть звуковые стандарты, особенно принимая во внимание возможность передачи так называемого интегрированного звука
(embedded audio) через последовательный цифровой стык путем временного уплотнения потока видеоданных.
Есть два основных формата звукового производства: аналоговый и цифровой.
Аналоговый звукостык (моно и стерео) определен достаточно четко. К счастью, во всем мире почти повсеместно применяется один основной тип соединителя (XLR) и уровень 0 дБ везде понимается одинаково. Тем не менее, имеются некоторые хорошо известные сложности с импедансом линии, который может варьировать от 110 Ом до 600 Ом, и с симметрично- асимметричным согласованием. Кроме того, следует помнить, что стереозвук существует в двух стандартных форматах: Левый/Правый (L/R) и Сумма/Разность (M/S). Переход от одного формата к другому требует применения матрицирующего преобразователя.
Широко применяемый цифровой звукостык AES/EBU был стандартизирован по итогам совместной работы Звукотехнического Общества (AES) и Европейского Союза Вещания
(EBU). Исходный документ AES называется: AES3 (ANSI 4.40) "Рекомендация AES по цифровой звукотехнике - Формат последовательной передачи двухканальных линейно кодированных звукоданных".
Этот стандарт предоставляет большую свободу вариантов.
Например, для различных применений можно иметь разные длины кодовых слов. Стык
AES/EBU поддерживает кодовые слова от 16 до 24 бит с целью обеспечения необходимого динамического диапазона и отношения сигнал/шум. Существует простая формула для расчета результирующего отношения сигнал/шум: SNR = 6n, где SNR - отношение сигнал/шум в децибелах,n - число бит на отсчет. На практике отношение сигнал/шум оказывается существенно ниже этой величины вследствие необходимости иметь запас по динамическому диапазону и из-за некоторых других факторов.
В формате AES/EBU каждый отсчет звука передается в составе субкадра, содержащего: 20 бит звукоданных, 4 бита вспомогательных данных (которые можно занять, например для расширения кодового слова до 24 бит), 4 бита данных и 4-битовую преамбулу. Два субкадра образуют кадр, содержащий по одному отсчету в каждом из двух звуковых каналов. Кадры группируются в блоки по 192.
Сигнал AES/EBU включает также данные состояния канала, содержащие следующую информацию:
• включение/выключение предыскажений
• частота дискретизации
• режим канала (стерео, моно, и т.д.)
• использование вспомогательных битов (расширение до 24 бит или другой вариант использования)
• контрольную сумму (CRC - cyclic redundancy code) для обнаружения ошибок.
Поддерживаются несколько фиксированных частот дискретизации: 32, 44.1 и 48 кГц, причем частота дискретизации может оперативно переключаться.
Первоначально стык AES/EBU был ориентирован на 110-омные кабели с разъемами XLR.
Относительно высокие частоты сигналов в стыке AES/EBU не позволяют передавать их по витым парам на расстояния более нескольких сотен метров. Недавно был стандартизирован также и вариант с использованием несимметричных 75-омных коаксиальных кабелей и пониженным размахом сигнала (1 В вместо 3 ... 10 В). В результате цифровой звукосигнал приобрел те же свойства, что и аналоговый видеосигнал, поэтому его можно передавать по имеющимся видеотрактам через обычные видеоусилители-распределители, видеокоммутаторы и т.д. (см. документ SMPTE 267M).
В последнее время для передачи как аналоговых, так и цифровых звуковых сигналов, стали все шире использоваться субминиатюрные разъемы компьютерного типа (типа D):

Звуковое сопровождение
22
• 9-контактные для 2-канального звука или стереозвука
• 25-контактные для 4-канального звука (что соответствует числу каналов интегрированного звука в стыке SDI)
Подробнее параметры интегрированного звука описаны в разделе 3.5.2.

Общие сведения о разделе "Справочные данные"
23

Аналоговые видеосигналы и стыки
24
3.2 Аналоговые видеосигналы и стыки
Основным источником информации для этого раздела является Рекомендация ITU-R BT.470-4
(ранее эти данные содержались в Отчете 624-3 МККР) "Характеристики Телевизионных
Систем". Фактически, имеется большое число вариантов реализации, слегка отличающихся от базовых версий, приведенных в этом документе.
3.2.1 Параметры развертки и синхронизации
Параметр
Единица измерения
NTSC-M
PAL-M
PAL, PAL-N
SECAM
Частота кадров Гц 29.97002997 25
Частота полей Гц 59.94005994 50
Число строк в кадре 525 625
Частота строк Гц
15,734.26573 15,625
Номинальный период строк (H) мкс 63.555555 64.0
Строчный гасящий интервал мкс 10.7 12.0
Длительность фронтов гашения нс 140 300
Передняя площадка мкс 1.5 1.5
Строчный синхроимпульс мкс 4.7 4.7
Задняя площадка мкс 4.5 5.8
Уравнивающий импульс мкс 2.3 2.35
Вертикальная синхрогруппа строк (H)
9 7.5
Число уравнивающих импульсов
6 + 6 5 + 5
Число широких импульсов 6 5
Широкий импульс мкс
27.0775 27.3
Врезка (между широкими импульсами) 4.7 мкс 4.7 мкс
Длительность фронтов импульсов нс 140 200
Полевой гасящий интервал
20H+10.7 мкс 25H+12 мкс
Полевая передняя площадка мкс 1.5 1.5
Примечание: В системе PAL-I, применяемой в Великобритании, два параметра отличаются:
Передняя площадка = 1.65 мкс
Длительность фронтов импульсов = 250 нс.

Формирование и уровни сигнала яркости
25
3.2.2 Формирование и уровни сигнала яркости
Приведенная ниже формула верна для всех компонентных и композитных систем (кроме некоторых систем ТВЧ):
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B.
Термин "сигнал яркости" и символ "Y" для его обозначения могут означать как сигнал без синхроимпульсов (S), так и сигнал черно-белого телевидения, содержащий синхроимпульсы.
Обозначение "Ys" гораздо лучше, но, к сожалению, используется не всегда. Процесс ввода синхроимпульсов в состав сигнала яркости описывается простой формулой:
Ys = Y+ S.
Параметр
NTSC - M (США)
PAL - M
NTSC - M (Япония)
PAL - B,G,I PAL - N
SECAM
Уровень гашения
(опорный уровень)
0 IRE
(0 мВ)
0 IRE
(0 мВ)
0 мВ
Уровень черног 7.5
IRE
(53.5714 мВ)
0 IRE
(0 мВ)
0 мВ
Номинальный уровень белого
100 IRE
(714.2857 мВ)
100 IRE
(714.2857 мВ)
700 мВ
Уровень вершин синхроимпульс ов
- 40 IRE
(-285.7 мВ)
- 40 IRE
(-285.7 мВ)
- 300 мВ
Примечание: Уровни даны в предположении, что коаксиальный кабель нагружен на 75 Ом.

Формирование и уровни сигнала яркости
26
3.2.3 Аналоговый компонентный стык YPrPb (YsPrPb)
В этом формате цветоразностные сигналы Pr и Pb имеют точно такой же размах, как сигналы первичных цветов R, G, B и сигнал яркости Yбез синхроимпульсов: 700 мВ на нагрузке 75 Ом. Это требование приводит к следующему масштабному уравнению:
Pr = 0.71327 (R-Y),
Pb = 0.56433 (B-Y).
Обратное матрицирование в сигналы RGB, например для целей отображения, задается следующим уравнением:
R = Y + 1.40200 Pr
G = Y - 0.71414 Pr - 0.34414 Pb
B = Y + 1.77305 Pb.
Сигналы Pr и Pb лежат в диапазоне от -350 мВ до + 350 мВ и не содержат каких-либо синхронизирующих импульсов. Сигнал Y (Ys), напротив, содержит синхроимпульсы
(синхросмесь) размахом 300 мВ, поэтому его полный размах составляет 1000 мВ.
Безотносительно к каким-либо официальным стандартам (МККР, SMPTE, и т.д.) фирма Sony, опираясь на успех своих изделий серии Betacam, установила стандарт "де-факто" для стран, использующих стандарт разложения 525 строк. В этом случае сигналы имеют следующие параметры:
Y (без синхроимпульсов):
714 мВ (100 IRE)
Пьедестал (уровень черного): 54 мВ (7.5 IRE)
Уровень синхроимпульсов:
-286 мВ (-40 IRE)
Pr и Pb: +/-
467 мВ
Примечание: Амплитуда +/- 467 мВ сигналов Pr и Pb 100 % насыщенности соответствует амплитуде этих сигналов +/- 350 мВ при насыщенности 75 %. Эти уровни сигналов продолжают использоваться в 525-строчных странах наряду с "истинно стандартными уровнями", соответствующими официальным документам.
Для передачи сигналов Y,Pr,Pb применяется какой-либо один из двух следующих типов соединителей: а) 3 отдельных разъема типа BNC для Ys, Pr и Pb соответственно б) 12-контактный разъем типа "Betacam" (штеккеры для входов, розетки для выходов).
8 9 1 7 12 10 2 6 11 3 5 4
Контакт
Сигнал
1
Y
2
Y корпус
3
Pr
4
Pr корпус
5
Pb
6
Pb корпус
Рис. 3.2.3.1 Разъем типа Betacam для сигналов YPrPb
3.2.4 Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация
Параметр
Единица измерения
NTSC-M PAL-M PAL-N
PAL
SECAM
Отношение поднесущей к строчной частоте
(Fsc/Fh)
455/2 909/4 917/4+1/625 1135/4+1/625
Fr: 282
Fb: 272
Частота цветовой поднесущей (Fsc) Гц
3,579,545.5 3,575,611.8 3,582,056.25 4,433,618.75 Fr:
4,406,250
Fb: 4,250,000
Цветовой кадр Поле
4 8 8 8
4
Начало вспышки мкс относ. 0h
5.31 5.31 5.3 5.64 5.6

Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация
27
Начало вспышки периодов относ. 0h
19 19 19 25
-
Длительность вспышки мкс
2.51 2.52 2.51 2.25
-
Длительность вспышки период
9 9
9 10 непрерывный
ЧМ сигнал
Длительность фронта вспышки нс
300 300 300 250 300
Фазы вспышки относ. оси B-Y град
180
+/- 135 см. Прим.1
+/- 135 см. Прим.1
+/- 135 см. Прим.1 см. Прим.2
Размах вспышки
40 IRE
(285.7 мВ)
40 IRE
(285.7 мВ)
300 мВ 300 мВ
Fr: 167 мВ
Fb: 215 мВ
Примечание 1: Фаза вспышки PAL составляет +135 градусов на нечетных строках первого поля восьмиполевой последовательности (первого поля цветового кадра) и -135 градусов на четных строках этого поля. Знак фазы вспышки непрерывно чередуется по строкам.
Примечание 2: В системе SECAM начальная (стартовая) фаза цветовой поднесущей не регламентируется, но она должна коммутироваться, т.е. принудительно изменяться, на следующую величину (в градусах): по строкам: 0, 0, 180, 0, 0, 180,... или 0, 0, 0, 180, 180, 180, 0, 0, 0,... по полям:
0, 180, 0, 180...
Начальная фаза поднесущей является одним из наиболее важных параметров сигналов
NTSC и PAL. В англоязычной литературе его обозначают SCH - SubCarrier to Horizontal sync timing phase; поскольку речь идет о соотношении двух параметров название параметра иногда пишут с косой чертой - SC/H. В аналоговых композитных форматах этот параметр может отклоняться от номинального (нулевого) значения в широких пределах. Например, стандарт
SMPTE 170M дает для SCH ширину поля допуска в пределах +/- 10 градусов.
Следует подчеркнуть, что одним и тем же термином "SCH" могут обозначаться три совершенно различных параметра:
1. Фаза поднесущей в момент середины фронта строчного синхроимпульса текущей строки
(по-английски начало строки принято называть Line Datum). В системе PAL эта величина нарастает небольшими шагами от строки к строке, поэтому ее точное значение практически не играет большой роли. В системах NTSC и PAL-M оно, в принципе, должно совпадать (с точностью до знака) со значением фазы поднесущей в момент начала поля.
2. Фаза поднесущей в момент начала поля (Field Datum), которая определяется путем экстраполяции сигнала вспышки в точку начала соответствующей строки. Эта величина особенно важна при монтаже композитных видеозаписей, поскольку различия в SCH источников могут приводить к горизонтальным сдвигам изображения в смонтированной видеофонограмме.
3. Фаза поднесущей в момент начала первого поля цветового кадра. Этот параметр характеризует отличие реального композитного сигнала от идеального, так называемого "математического" сигнала. В таком контексте выражение "нулевая начальная фаза" означает, что синусоидальное колебание поднесущей оси U нарастает и пересекает нулевой уровень точно в начальной точке поля.
Применительно к композитным сигналам ведомая синхронизация выполняет две основных функции: а) обеспечение синхронизма вертикальной и горизонтальной разверток, б) обеспечение синхронизма цветовых поднесущих.
Традиционно, блоки ведомого режима допускают независимое управление фазой строк и фазой поднесущей. При этом результирующая начальная фаза поднесущей (SCH) может изменяться в пределах полного круга - от 0 до 360 градусов. Тем самым гарантируется точное ведение, но отнюдь не нулевое значение SCH, которое требуется для аппаратуры цифровой композитной видеозаписи. Современной альтернативой такому подходу является обеспечение фиксированного (обычно нулевого) значения параметра SCH, ценой некоторой погрешности в точности фазы строк. Следует отметить, что ведение с фиксированной начальной фазой возможно только от "хороших" опорных сигналов, которые сами обладают этим свойством.

Цветовые поднесущие и цветовая синхронизация
28
Цветовой кадр определен как группа соседних кадров, которая начинается и заканчивается одним и тем же значением SCH (NTSC и PAL), либо одним и тем же типом цветоразностного сигнала (SECAM). Следует отметить, что термином "опорная поднесущая" в системе PAL обозначается поднесущая синфазной оси U (B-Y), а в системе NTSC, напротив, - синусоидальное колебание, привязанное к вспышке, т.е. сигнал с фазой минус 180 градусов, точно противофазный оси U.
Длительность цветового кадра составляет:
NTSC 2 кадра (4 поля)
PAL 4 кадра (8 полей)
SECAM 2 кадра (4 поля)
Примечание: С учетом коммутации начальной фазы поднесущей цветовой кадр SECAM составляет 6 кадров (12 полей), однако такая трактовка понятия цветового кадра применяется только при теоретическом анализе.
В странах, использующих систему NTSC, первый и второй кадр в составе цветового кадра называют также "Цветовой кадр A" и "Цветовой кадр B".
Цветовая синхронизация (colour framing или colour sync) обеспечивает синхронизм цветовых кадров, обычно для целей компоновки программ. Современные видеомагнитофоны автоматически производят цветовую синхронизацию в процессе разгона лентопротяжного механизма. Кассетные видеомагнитофоны не всегда гарантируют эту функцию, что приводит к срывам цвета на монтажных стыках. При достаточно большом отклонении параметра SCH от точного (фиксированного) значения, говорить о синхронизме цветовых кадров уже не имеет смысла.
В первоначальном варианте системы SECAM обязательной составляющей композитного сигнала был сигнал цветовой синхронизации (СЦС). Этот сигнал в виде пакетов цветности, модулированных трапецеидальным сигналом сверхнасыщенного зеленого, вводится в девять строк вертикального интервала гашения с целью обеспечения цветовой синхронизации
(правильного чередования сигналов Dr/Db). Вследствие высокой энергии сигнала способ
вертикальной цветовой синхронизации (именуемый также полевой цветовой синхронизацией) обладает исключительно высокой помехоустойчивостью. С другой стороны, за помехоустойчивость приходится платить дорогую цену в виде потери 18 строк кадра, которые можно было бы отвести для различных современных служб.
Несмотря на договоренности об исключении СЦС из процесса производства программ, в ряде стран они все еще излучаются в эфир и используются для передачи программ по линиям связи. При наличии сигналов вертикальной цветовой синхронизации, они занимают строки 7-
15 и 320-328.
В современном оборудовании SECAM для цветовой синхронизации используется только различие частот немодулированных цветовых поднесущих на задних площадках строчных гасящих интервалов. Это способ обычно называется строчной цветовой синхронизацией.