数字视频信号基础.docx
- 文档编号:28599014
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:986.13KB
数字视频信号基础.docx
《数字视频信号基础.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数字视频信号基础.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
数字视频信号基础
数字视频信号基础
(白皮书)
目录
引言-2-
DVI–DigitalVisualInterface-4-
HDMI–HighDefinitionMultimediaInterface-5-
DisplayPort-7-
SDI–SerialDigitalInterface-8-
数字视频信号解析-8-
保持数字信号的完整性-10-
延长数字视频信号传输距离的解决方案-12-
数字内容保护(DigitalContentProtection)-13-
引言
目前的视频市场中,高分辨率的等离子和LCD平板显示器,以及LCD和DLP投影机占据了绝大部分市场份额。
这些显示设备从设计、架构和运行方面来看,本身就是数字化的。
同样地,驱动这些显示设备的信号源,绝大部分也是数字设备,比如计算机、DVD和蓝光播放器、高清数字录像机或DVR机、以及一些AV信号接收器等。
与之相对的是一些采用复合视频或RGBHV等信号接口的传统模拟视频信号源和显示设备,比如VHS录像机、显像管电视机或显示器等。
要想让数字视频信号源通过模拟信号收发器进行传输,必须先将数字输出信号转换成模拟视频信号,这个过程叫做数模转换,即DAC。
在接收端的数字显示设备必须再把这些模拟信号转换成数字信号,这个过程叫做模数转换,即ADC。
每次DAC和ADC的转换过程中,都会给视频信号带来一些错误和失真。
通过采用全数字传输系统,无需经过ADC和DAC电路,从而避免这类失真和错误的出现。
参见图1。
采用数字信号传输系统时,数字接收器的电路只需要判断出所收到信号中每个数据位的“高”或“低”状态,便可以完整地复原所传输的信号。
这和模拟传输方式不同,在模拟传输链路中,每一级放大都会带来附加噪声,使信号劣化,因而不可能将视频信号完完全全地复原出来。
采用模拟传输方式时,良好的系统设计可以让原始信号得到比较真实的还原,但是这种还原的结果永远不可能和原始信号完全一致。
而采用数字传输方式时,就可以做到完全一致的信号还原。
参见图2。
因此,数字传输方式能够极大地抑制噪声,最大限度地保证视频信号传输和复制的完整性。
视频信号源和显示设备之间,有很多标准的数字信号传输格式,其中包括:
●DVI–DigitalVisualInterface(数字图像接口)
●HDMI–HighDefinitionMultimediaInterface(高清多媒体接口)
●DisplayPort(显示端口)
●SDI–SerialDigitalInterface(串行数字接口)
其中有些标准,比如SDI,已经固定沿用了很多年了;而另外一些,比如HDMI和DisplayPort,则是相对较新的标准,并且其版本标准目前仍在不断升级改良中。
因此,目前尚无法断定这些格式中哪一个能够最终成为专业AV领域的标准格式。
每种格式都有其自身技术优势和特性,能够满足AV领域内某些特定方面的集成要求。
下面我们分别介绍一下这些格式。
DVI–DigitalVisualInterface
DVI和HDMI是基于一个通用的视频信号架构,叫做TMDS,即Transition-MinimizedDifferentialSignaling(最小化传输差分信号)。
一个DVITMDS连接中包括三个串行数据通道,分别用于传输红、绿、蓝色彩数据,此外还有第四个通道,用来传输像素速率时钟信号(pixelrateclock),从而给三个色彩通道提供同步时基。
每个DVI连接都可以看成是一个数字化的RGB光栅(raster),支持每种颜色8bit深度以及类似模拟RGB信号的消隐间隔。
水平和垂直同步信息位于TMDS的蓝色数据线路上。
所有的TMDS数据和时钟线路都是差分线路,也就是平衡传输方式,通过DVI线缆中的双绞线进行传输。
为了支持不同的分辨率,在DVI接口的规格标准中,每个插头内提供了一到两个视频连接,也就是通常所说的单链(singlelink)或双链(duallink)。
单链DVI的最大像素速率为165MHz,相当于4.95Gbps,这远高于WUXGA1920*1200或HDTV1080p/60的要求,每种颜色深度为8bit。
采用双链DVI可以获得更高的分辨率和更大的色彩深度,双链DVI最高可以达到330MHz的像素速率和3840*2400的分辨率。
DVI接口的规格标准中,还提供了另外两条用于通信的线路,它们在实现设备之间的DVI信号传输方面有着重要的作用。
参见表1。
DDC(DisplayDataChannel,显示数据通道)是一个串行连接,用于EDID和HDCP通信。
HPD(HotPlugDetect,热插拔检测)针脚用于进行带电插拔的检测,例如,电脑可以通过这个针脚,来检测显示器的连接与否,无需人工干预。
DVI接口标准规定了两种类型的插头:
一种是标准的DVI-D插头,另一种是同时可以传输模拟RGBHV信号的DVI-I插头。
DVI是一种免版税(royalty-free)标准,有DDWG(DigitalDisplayWorkingGroup,数字显示工作组)制定。
自从1999年4月发布该DVI标准的1.0版以后,未曾出现过后续版本。
HDMI–HighDefinitionMultimediaInterface
HDMI格式继承了DVI中的TMDS视频信号形式,并将TMDS扩展加入了数字音频和控制信息。
HDMI接口将高清视频、音频和控制信息整合在一个紧凑的插头里,因而在消费类AV市场上获得很大成功。
参见表2。
最常见的HDMI接插件是19针的A型HDMI插头,其中包含单个TMDS连接,外加DDC和HPD线路。
它还带有一个5V的供电线。
另外,HDMI插头中还整合了CEC(ConsumerElectronicsControl,消费类电子产品控制)线路,用于AV系统中多个设备之间的集成控制。
目前的CEC控制协议还仅限于同一厂家产品间的私有协议。
但是所有CEC协议均采用统一的标准,而且各厂家之间已经开始联合开发制定一个统一的标准控制协议。
HDMI插头还有其它类型:
B型插头计划支持双链HDMI,但尚未正式启用;C型是一款微型化的插头,设计用于消费类摄像机等便携设备。
HDMI规格标准和许可是由HDMILicensing.LLC.公司统一管理的。
和DVI不同,HDMI标准历经了多次版本修订演变。
1.0版的HDMI规格标准发布于2002年6月。
目前的标准是HDMI1.3,发布于2006年8月。
和之前的版本相比,HDMI1.3中最大TMDS单链时钟速率倍增至340MHz,相当于10.2Gbps,参见表3。
HDMI1.3的带宽增加,是它可以支持16bit的色彩深度,也就是所谓的深色(DeepColor),支持扩展色彩空间,支持最新的蓝光光盘的高分辨率环绕立体声,视频分辨率最高可达WQXGA2560*1600。
1.3版的HDMI同时加入了HDCP(High-bandwidthDigitalContentProtection,高带宽数字内容保护技术),这是一个数字版权管理方案,可以防止对数字音视频内容的非法复制。
再往后一个版本的HDMI1.4最近刚刚发布预告,其具体参数规格目前已经可以采用了。
参见表4。
DisplayPort
DisplayPort是一个连接信号源和显示器的免版税的数字接口,用于PC设备厂家代替HDMI接口的低成本形式。
DisplayPort采用不同于TMDS的另一种数字视频传输架构,因而无法直接和HDMI以及DVI兼容。
但是,20针的DisplayPort插头具有类似HDMIA型和C型插头的特性,因而也可以用来传输HDMI信号,从而使设备能够支持HDMI。
参见表5。
比如,如果某个视频源设备仅带有一个DisplayPort插座,但是该设备本身具备输出HDMI信号的能力,那么就可以通过一个DisplayPort转HDMI的适配器,来连接带有HDMI接口的显示设备。
这种特殊的DisplayPort接插件,被称为“双模”(dual-mode)或“多模”(multi-mode),它们会用一个特殊的符号来标识此类接插件:
DisplayPort中的视频和音频信号通过四条差分线路传输,每条线路运行在1.62Gbps或2.7Gbps的速率下,因而整体的最大数据速率可以达到10.8Gbps。
和HDMI1.3版本一样,DisplayPort也能够支持深色(DeepColor)、多通道高解析音频、以及超出WUXGA1920*1200和HDTV1080p/60的图像分辨率。
DisplayPort接口具有一个差分AUX(辅助)通道,用来进行EDID通信,功能类似于HDMI接口中的DDC通道。
除此之外,DisplayPort也包含了一种和HDCP类似的数字版权管理,叫做DPCP(DisplayPortContentProtection,即DisplayPort内容保护)。
除了零注册费的版本之外,DisplayPort还计划通过统一设备的内部和外部连接,比如一个笔记本电脑的主板和显示器之间的连接,来进一步降低成本耗费。
VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,视频电子标准协会)在2006年发布了DisplayPort的最初标准。
最近的一个版本是1.1a,发布于2008年1月。
SDI–SerialDigitalInterface
SDI是由SMPET(SocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers,电影电视工程师协会)指定的一套视频标准,通过标准的RG59或RG6同轴线缆来串行传输视频和音频。
参见表6。
SDI的规范中包含了从270Mbps到2.97Gbps的多种链路速率,主要用于专业广播和视频制作设备,其次也用在现场活动、租赁和舞台演出、医疗影像、数字电影、以及远程呈现(telepresence)中的摄像机和录像设备等。
基于SDI视频架构在AV信号分配中呈增长趋势,这主要是由于它所用线缆价格低廉、便于连接、并且HD-SDI和3G-SDI信号的最远传输距离可以达到330英尺(100米)。
SDI是一种严格的串行单向传输协议,可以用于传输视频、音频,以及诸如时间和数据标记或GPS坐标等元数据,不带有其它辅助通信功能。
数字视频信号解析
数字视频信号和传统模拟视频信号相比有着明显的不同,比如在指标特性和对整个传输链路的时基要求等方面。
而以前模拟信号中的一些非常熟悉的术语,比如电平、峰值,也被数字信号领域的均衡(equalization)、抖动(jetter)和重计时(reclock)等所取代。
数字信号的调节、修正要求也跟模拟信号不同,这在进行数字化AV系统设计之前必须有所了解。
所有标准的数字信号格式,包括SDI、DVI、HDMI以及DisplayPort,都是同步信号(synchronous),也就是说,同步数字信号的值只会在某个参考信号(即时钟信号)所规定的特定时间间隔内才会发生改变。
数字视频信号的本质是二进制(binary)的,信号或者是高电平,或者是低电平,并在两种状态之间迅速切换。
参见图3。
数字信号从低到高的变化时间称为上升时间(risetime),而从高到低变化的时间称为跌落时间(falltime)。
信号电平的高低之间的差值,叫做信号摆幅(signalswing)。
变化之间所允许的最小时间间隔,叫做时钟周期(clockperiod)。
由于数字信号是二进制的,所以它本身非常稳定,因为接收机只需要在每个时钟周期内判断出信号电平是高还是低,就可以把原始信号完整地复原出来。
但是,当信号摆幅下降时,或者当时基不够精确时,这种复原的难度就会增大。
线缆衰减、线缆分布电容、阻抗失配、噪声耦合、串扰等问题,都会导致上升和跌落时间、信号摆幅、以及时基精确性的劣化。
对信号劣化程度的定量分析非常重要,这样才能对信号的完整性标准进行界定。
如果信号的劣化程度过于严重,使接收器无法在正确的时基内判断信号的高低值,那么接收机输出的信号就毫无意义,造成信号丢失,也就是所谓的陡壁效应(cliffeffect)。
这和模拟传输不同,信号变差的时候,模拟传输中的接收机的输出信号也会随之劣化,但是仍然可以看到图像。
时基错误的一个主要原因是抖动(jitter)。
抖动是指时钟周期相对于参考时钟信号的偏差。
抖动产生的原因可能是采用了尺寸较长的低质量线缆,或是在信号源和目标设备之间串联了若干数字设备所造成的累积效应。
眼图(Eyediagram)在定量分析数字信号的完整性方面非常有用。
获得眼图的方法是通过示波器来连续采集一系列数字脉冲,并将这些采样的图像叠加显示在示波器屏幕上。
参见图4。
从所得图像中可以看出传输信号的累积电平和时基特性。
参见图5。
波形中像眼睛一样的部分就是眼图名字的由来。
要判断信号的值是高还是低,应当在这些眼状图形的中心点对应的时间间隙内对信号进行捕捉。
也就是说,这些时间间隙同样对应着信号升降变化的中心位置。
“眼睛”张开得越小,就越难以精确判断信号的值。
数字视频格式规范中,规定了眼睛张开的最小值,以此作为信号完整性的最低标准。
再进行信号的定量测量时,可以把这个值以某种参考或限制性掩蔽(mask)的方式加入到眼图中。
保持数字信号的完整性
一个干净的数字信号传输链路是确保信号完整性的关键因素。
线缆长度不能超出数字信号源的驱动能力范围,因为随着线缆长度的增加,线缆的分布电容和衰减会导致信号上升时间和振幅的劣化。
由于DVI、HDMI和DsiplayPort信号都是通过双绞线进行传输的,当线缆较长的时候,由于布线过程中造成的个别绞线对绞率改变,会引起一些偏差,从而导致视频数据线路之间的相对时间受到影响。
图6的眼图显示的是由于线缆过长引起的衰减和时基错误,给信号带来的失真。
图中的波形已经超出了掩蔽限制范围,这种信号造成的结果可能是图像不稳定,甚至无法显示图像。
在数字视频设备内,可以通过输入信号均衡(inputsignalequalization)、输出信号重计时(outputsignalreclocking)等方式来对信号进行修整。
这些高级的功能可以补偿信号链路中的损耗。
要注意,这类损耗并不仅限在信号链路中,有时候也会和信号源设备本身有关。
信号源设备直接输出的信号一般都被认为是没什么问题的,不过也会存在例外情况。
认识到这一点,才能对整个系统有一个完整的把握。
有些情况下,不可避免地要用到尺寸很长的线缆,这时候采用有源线缆均衡器可以修复信号的完整性并延长驱动距离。
有源均衡器是设计用来补偿长线传输带来的影响。
通过与线缆损耗相匹配的放大器和滤波器,来修复信号摆幅以及上升和跌落时间。
时钟和数据恢复电路可以消除抖动,修复时钟时基,从而让眼图张开。
图7所示的眼图,是对图6的信号采用Extron®DVI201xi双绞线延长器修复后的结果。
输入均衡和输出重计时等信号修复功能是很多Extron®数字产品解决方案的常见功能。
随着视频分辨率以及相关的信号频率增加,信号对线缆中不连续的地方越来越敏感。
这些不连续的地方会产生信号反射,从而使信号劣化。
因此,线缆的弯折半径要尽可能大,并且避免采用绞接、插接或公母转接头等连接方式。
图8显示的,是仅仅在两根线缆中间加入一个接插头后,所带来的信号劣化。
从这个例子中,眼图显示的是一个1920*1200的信号通过一段6英尺(1.8米)的DVI线缆后,接着是通过了一个DVI的母头对母头的转接头,最后经过另一根6英尺(1.8米)的DVI线送出来的信号。
这充分强调了良好的设计规划对于高清数字系统的重要性。
要尽可能降低系统互连,并且信号分配设备一定要具有信号修整功能,从而应对可能发生的影响到信号完整性的问题。
延长数字视频信号传输距离的解决方案
专业AV系统属于按用户需要定制的系统,集成商经常会碰到很多数字视频信号传输方面的要求,包括有时需要把信号送到相当远的距离之外。
在这方面,Extron®提供了针对不同数字视频格式的多种产品,以便满足基本传输架构方面的需求。
比如,绝大部分固定安装场合下,都要求线缆长度在35英尺(11米)以上,并且要求线缆沿墙内敷设入吊顶空间内。
这时候很难使用成品线布线,因为成品线的插头太大,无法穿过穿线管或线槽,而在工地现场工具有限,也很难给HDMI和DVI线做连接头。
参见图9。
即便是可以穿线,但是一般的标准成品线的性能也很难满足较长距离传输的要求。
好在我们有合适的产品,可以灵活满足特定的系统需求。
成品信号线的替代解决方案之一,是采用一对有源的信号发送器和接收器,将信号通过标准的5类屏蔽线或光纤进行传输。
这种方法便于在墙内和家具内进行布线、便于在工地现场制作接插头、同时还能有效地延长信号的传输距离。
5类双绞线是一种廉价的方案,它便于安装和制作接插头,可以支持200英尺(60米)的传输距离。
如果需要更远的传输距离,比如要传输若干英里,或者出于安全保密性的考虑,或是外界电磁干扰很大的场合下,光纤传输产品具有更明显的优点:
●图像质量高–像素性能最高可以达到1920*1200的分辨率
●长距离传输–图像质量在传输距离达到30km时仍能保证
●无视外界干扰–可以用在不适合采用铜质线材的环境下,比如电梯井或是靠近空调或其它电气设备的地方。
●安全保密性好–非常适合政府、军队和司法环境
数字内容保护(DigitalContentProtection)
AV行业的数字化进程,是整个计算机、网络和数字处理技术大潮下的一个部分。
数字格式的图像、音频和视频可以通过广泛普及的计算机和网络设备进行传输、存储和处理。
呈指数增长的数字存储能力和计算能力带来了更加引人注目的新功能。
在写这篇文章的时候,在一个典型的局域网络中传输一个1小时的压缩高清视频需要最多12分钟1。
一个典型的大容量存储器可以储存超过110个小时的高清视频2。
在互联网中,大范围的计算机网络和大容量存储设备的互联,使得世界上任何地方的人都可以高速地、无错误地访问大量的音视频信息。
简易、廉价且高速的高质量数字音视频内容存储和传输,会对视频节目的制造者和销售者的正常商业活动构成破坏,同样受到冲击的还包括商业电影批发商以及电视工作室。
多年以来,在磁带和光盘的销售利润的支持下,建立起了一整套的产供销行业体系。
版权和许可体系则可以控制这条价值链中各项业务的报酬比例。
数字技术的发展使得版权体系难以有效推行,威胁到了这个体系的存在。
如果数字音视频内容泄漏到互联网上,那么用户只要花费极少的费用,就可以迅速浏览到同样高质量的内容,既无需授权许可,也不会给版权所有人带来任何利益。
多年以来,版权所有人们想出了很多办法来预防和制止XX的复制和传播,并还在不断地想出新的办法。
这些方法可能是技术方面的,比如在VHS录像带中藏入一些信号来扰乱翻录,或是将DVD光盘进行加密来防止复制。
此外还有一些法律手段,比如对侵犯版权的人提起诉讼,提交并通过针对数字内容剽窃的新法律法规。
高清视频的兴起,使得对内容的保护比以往更加重要。
如果通过一些XX的方法可以轻易地复制高质量的高清视频内容的话,会给版权所有人带来更大的损失,相比之下低分辨率的VHS或DVD盗版造成的损失还要小一些。
为了解决这个问题,另外一种内容保护技术就应运而生了,这就是HDCP(High-bandwidthDigitalContentProtection,高带宽数字内容保护技术)。
HDCP是一种用于视频信号源和显示设备之间的数字接口加密协议,用以阻止对被保护内容的无授权访问。
HDCP的1.0版最初用在DVI接口上。
HDMI中加入了HDCP的1.1版,而HDCP的1.3版则增加了对DisplayPort口的支持。
随着2008年10月第2.0版的发布,HDCP脱离了接口的限制,可以用于任意信号源和显示设备之间的双向数字传输线路上,无论是有线还是无线接口,无论是压缩数据还是未压缩的数据。
DigitalContentProtection,LLC,(数字内容保护公司)是英特尔的一个子公司,它负责管理对设备厂家的HDCP许可,以及和许可证有关的密钥的发布工作。
每个HDCP设备必须具有唯一的一套密钥,包括一个公共密钥,也就是所谓的KSV,以及40个私有密钥。
获得HDCP许可的厂家通过支付密钥费用来获得使用权。
HDCP是一种限制终端用户对受保护内容的有关操作的方法。
这些限制包括限定受保护内容回放时支持的最大显示设备数量、不允许进行录制或复制、以及禁止使用模拟输出等。
比如,某套AV系统可能能够将HDMI视频同时分配给16台显示设备观看,并能进行模拟信号的录像。
这些功能在使用电脑的HDMI显卡输出来播放一些无保护功能的幻灯片时,能够正常使用。
但是一旦在电脑中播放的是一张具有内容保护功能的蓝光碟片,那么HDCP功能就自动禁止送给某些显示设备的信号,并禁用录音录像功能。
由于很多大型AV系统都可以在大量显示设备上同时显示无加密的视频、可以自由地分配模拟信号、并可以进行视频录制,所以这些系统的使用人员需要注意,当播放某些具有DRM保护的内容时,系统的部分功能可能会被禁用。
注:
1、1小时长的720p压缩视频,压缩标准为ATSC中的19.39Mbps,合起来是19.39*60*60=69.8Gbits。
典型的100Mbps以太网中传输所需时间为698秒,即11.6分钟。
2、从1可知,1小时长的720p压缩视频需要69.8Gbits的存储空间。
一个1太比特的硬盘具有8000Gbits的容量。
因此,一个这样的硬盘可以存储8000/69.8=116小时的720p压缩视频。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数字 视频信号 基础
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)