武汉电视台大型电视转播车设计98年.docx

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武汉电视台大型电视转播车设计98年

武汉电视台大型电视转播车

设计思想和系统特点

周炎卿

 电视转播车是一种完整可机动运行的演播中心。

随着电视设备的小型化、轻量化，新的电视设备层出不穷。

近来，国内外电视转播车的发展趋势是大型化、多讯道、多功能。

作为一个特大城市电视台所担负的任务很繁重，由于经济能力的限制，不可能购置各种用途的电视车。

因此，该车必须能同时满足多种要求：

包括现场直播、静场录像、后期剪辑和具备有慢动作重放、实时字幕、三维特技效果以及数码录音等多种功能。

八十年代始，世界各主要工业国在模拟分量的电视技术方面开展了广泛研究。

到1987年的十五届蒙特勒国际电视展览会上，已经推出了成熟的分量演播体系。

我国广电部也在1988年提出了“关于采用模拟分量录像机”和“改用D2-MAC制（多工模拟分量）作为我国通讯卫星传送广播电视节目信号的制式”的决定。

分量系统比现在的复合系统有着许多的优点，如PAL制中亮度信号和色差信号已被编码为一个复合信号，经过编码，图像信号的质量就不可避免受到一些损失，并产生由副载波调制和组合处理时所产生的非线性失真和线性失真。

如微分增益（DG）、微分相位（DP）、色度和亮度信号的交调失真，色度增益的非线性失真，色度和亮度的增益差与时间差。

编码后视频信号本身也易于失真，由于色差信息位与视频频谱的高端，这些高频信号需有高放大倍数，这一要求在录制和分配系统中很难保持不失真，而解码一个复合视频信号同样也会产生一些多余的产物，如色爬行、边缘杂乱、色区细节损失以及寄生条纹信号。

即使是使用了梳状滤波器和其他复杂技术也不能完全消除这些危害。

分量系统没有编码和解码过程，从而使图像质量改善，使用分量格式进行编辑和复制，其优越性便显得更为突出。

图1为复合信号与分量信号节目制作系统之比较，可见分量信号制作链比复合信号制作链简洁得多。

   由于电视制作的现在和过去是复合信号为主的环境，而将来是数字化。

国际无线电咨询委员会（InternationalRadioConsnltativeCommitter）在1983年通过了CCIR601建议，规定了将来数字化标准是4：

2：

2，也就是电视信号以分量方式数字化，亮度信号取样频率为二个色差信号取样频率的一倍。

数字分量本身是由模拟分量即模/数（A/D）变换而来的。

故向数字化过渡的最佳方式即“模拟分量”。

基于上述，从理论上已经明确，分量信号可以大大提高电视图像的质量；在实践上，模拟分量的视频设备（包括摄像机、录像机、编辑机、切换台、监视和接口设备）已经齐全。

采用模拟分量符合广电部制定的技术政策，又便于向数字化发展，因此电视转播车采用分量化技术是必需的，可行的。

它将带动全台节目制作系统的分量化。

分量信号系统首先要考虑分量信号形式的选择。

分量信号形式有并联传输的单元分量信号和双元传输信号，有串联传输INS-MAC信号，其分类如图2所示。

串联分量信号目前尚不能直接进行节目制作，且未最后标准化，故不予考虑。

并联分量中单元分量（R..G.B）的三个信号都是宽带信号（均在6MHZ以上），而每路带宽的大小又直接影响图像的清晰度；双元分量信号中，Y.R-Y.B-Y方式和Y.U.V方式中的色差信号幅度均超过了0.7VP-P值范围；Betacam为Sony公司企业标准，故上述均不宜采用。

目前，被各国广泛采用的是1985年欧广联（EBU）的技术标准N10，该标准也得到了“电影与电视工程师协会”（SMPTE）的赞同，故此后几乎所有的模拟分量视频设备均采用了这一标准。

在我国电视制式采用的100/0/75/0彩条条件下，其信号表示方式和波形图如图（3）所示。

我们选择N10标准分量信号形式，对整套分量设备的选用和系统的顺利开通，带来了极大方便。

在确定采用了分量化技术和分量信号形式后，设计安装一台先进的高质量的转播车还有赖于全系统，特别是视频系统的设计及整套设备的选型。

视频系统方框图见图4。

五台帧行转移（FIT）CCD摄像机的输出信号送至CCU单元，CCU输出的EY、ECR、ECB分量信号通过分量视频分配放大器，一路作信号源分配给分量切换台。

另一路分配给三组分量IDXI开关，再分别选通送给分量录像机和分量数字特技。

切换台的信号源除摄像机信号外，还有分量放像机、分量数字特技机提供的信号，以及由切换台、分量扩展IDXI开关选通的录像机输出信号。

经分量切换台处理的节目输出信号，通过分量2×1开关，分量视频分配放大器，其中一路送二组10×1开关，选通作为录像机输入信号，用作现场节目录像。

切换台输出的另一路信号分配给一呈台高质量的PAL制编码器，一次编码成复合信号送给微波发送机，以完成现场直播功能。

系统中的三台录像机配置了编辑机，具有较强的独立制作能力，可以进行电视节目后期的分量制作。

以上是该车视频系统的主通道，该通道所有路径的信号形式，全是N10标准的分量信号，而所有设备也均为分量设备。

显然，该视频系统是一个真正的全分量系统。

为了防止设备发生故障而造成的信号中断，设置了应急开关，只要把2×1开关转换为应急形式，即可立即转换为摄像机或放像机的分量信号直接输出。

导演可经一组10×1开关对5路摄像机信号和两路录像机信号进行选择，此种应急系统简单明了，操作迅速安全。

该车还配置有完善、实用的视频技术监测系统，它由一套小型监视器、矢量示波器和精密彩监所组成。

该套设备可监测分量和复合视频信号以及电视图像。

复合信号包括编码后的复合信号通过技测10×1开关选测，未经切换台的信号源分量信号通过视频接口板跳线监测，经切换后的输出分量信号直接监测。

该监测系统是目前我国电视转播车队伍中第一台具有分量监测功能的系统。

在转播车的主体设计思想确立后，接着必须进行设备的选型，我们的选型原则是：

具备符合系统要求的功能；必须达到广播级的水平；符合国际标准；良好的性能价格比；并注意与台技术设备的兼容性和今后发展方向。

摄像机的档次直接影响转播车的水平。

到目前为止，CCD摄像机主要性能指标已可以与管式摄像机相媲美，在操作方便性、寿命和某些性能方面则已超过后者，价格也颇具竞争力，所以选择CCD摄像机是当然的。

而选用池上HL-55A型是基于两个方面的考虑。

一是该机达到了广播级水平，性能指标高，且工作稳定性好（我台引进该厂的设备连续使用数年没有发生过故障）。

二是我台在此之前已经配置了一批该型号的摄像机，为求得通用性，便于讯道的扩展，多机位的联机时保证图像的一致和特殊情况下的互调。

录像机兼有其信号源和信号存储两大功能，是节目链的始端的中间环节，模拟分量录像机主要有松下的M2和Sony的Betacam-sp两大类。

它们均采用1/2”盒式磁带，亮度、色度信号分别用两对磁头记录在两条磁迹上。

M2采用方位角记录和窄视频磁迹，记录密度较高；其亮度频偏为2.6MHZ，色度频偏为1.4MHZ，亮度信号带宽为5.5MHZ，色度分量信号带度均为2.2MHZ，达到了广播级的水平和要求。

该系统配置了两台AU-65录像机、一台AU-63放像机，AU-63具有慢动作重放功能，在现场转播时，它可以作为一个信号源，三台机器接成一放二录的组合。

在后期制作时，可以改为二放一录的组合，以便进行复杂节目的编辑。

视频切换台是视频系统的核心，GVG-110CV是一个节目制作能力较强，具有一级多层画面的M/E第四代分量切换台。

由于美国草谷公司生产的视频设备稳定可靠，质量指标高，具有良好的信誉。

我台选用其设备由来已久，为求得设备的同一性，车上其他设备也多选用GVG产品。

如DPM-700数字特技、8500系列视频及脉冲分配放大器、TEN-X系列路由开关、9650同步信号发生器等。

音频系统选用了英国的AMEX调音台，实行二级调音，考虑到文艺晚会的情况，现场配置了十六路调音台，并在车内增加了数码录音机，以便进行高质量的录音。

该车装配完成后，由广电部科学研究所专家李倜率组进行了严格测试，各项技术指标优秀（见附表），证明系统设计是合理的，设备的选型是成功的。

在武汉国际杂技节期间，该车担当了十分重要的现场直播任务，连续直播五场，录像两场。

工作稳定，图像清晰度高，颜色逼真透亮。

附表

武汉电视转播车测试数据

序号

项目

单位

Y

R-Y

B-Y

备注

1、

输入幅度

MV

2、

输出幅度

MV

705

530

535

3、

频

响

最大值

db

0

0

0

最小值

db

-0.35

-0.175

-0.175

4、

KP

KP

%

<0.5

<0.5

<0.5

P

%

<0.5

<0.5

<0.5

KPb

KPb

%

<0.5

<0.5

<0.5

Kpb

%

<0.5

<0.5

<0.5

KP

Kb

%

<0.5

<0.5

<0.5

kb

%

<0.5

<0.5

<0.5

K50

%

<0.5

<0.5

<0.5

K

%

<0.5

<0.5

<0.5

5、

非线性失真

%

0．2

0．2

0．2

6、

信杂比

Db

67

72

74

7、

时正

Ns

0

0

蝴蝶结

Ns

2

2

闪电

8、

串扰

9、

其它

见照片

数字视频信号的传输

刘怀林

 数字视音频的大潮已经向我们涌来。

数字小岛、数字视音频中心、数字转播车已陆续在我国不少电视台出现。

甚至数字播出与发射已不再是纸上谈兵。

数字化及计算机化将引起电视技术领域的极大变革。

本文将从一个非常小的侧面谈一下这个数字大潮。

因为数字视频信号的传输在系统设计与安装中是不可缺少的一环。

   目前，设备间、系统间的数字视频信号的传输多使用串行信号。

其接口为SDI（SerialDigitalInterface）。

这是因为该方式较简单易行。

传送距离较远。

因此本文所谈的数字信号的传输实质上就是串行数字视频信号的传输。

   数字视频信号的传输在某种意义上讲与模拟信号相似。

分为同轴电缆传送，三同轴传送和光纤传送三种。

但由于两者信号有着本质的不同。

所以其处理手法上有着很大的区别。

    一、同轴电缆传送

 在数字环境中，设备间、系统之间的数字视频信号的传送多采用同轴电缆，其接口为SDI。

它由三部分组成。

如图1所示。

1、串行数据发送：

串行数据发送电路的主要功能是：

将数字视频并行信号变成串行信号，通过扰频（scrambler）和NRZI（NonreturntoZeroInverfed）编码，可限制信号的直流成份，前者还有利于接收端回收时钟信号。

图2是其示意图：

我们知道，数字分量并行数据率为27MB/秒，10比特。

当变成串行数据时，27MHZ10倍频成为270MHZ时钟。

在并──串移位寄存器的输出端就变成了270Mb/s的串行数据。

2、 电缆和连接器

目前模拟环境下使用的高质量视频电缆可以运行于数字系统。

模拟环境下的视频电缆从直流到10MHZ都呈现很低的阻抗。

这在数字领域也是需要的。

但由于串行数字信号频率很高，这种电缆传输对数字视频信号将有明显的衰减。

由于SDI接收端设有自动电缆均衡，另外串行数字信号对这种衰减不敏感。

因此现在使用的优质电缆原则上可用于数字环境。

为了更好地传输数字视频信号。

电缆厂家已生产出专门为串行数字信号设计的新的低耗泡沫介质电缆。

比目前电缆更细、更柔软，并且对数字信号有更好的电特性。

如Belden1505A。

有关连接器，直至目前，视频电缆采用BNC连接器。

阻抗为50欧姆。

而同轴电缆阻抗为75欧姆。

这种看上去不合理的现象为什么能保持至今呢？

其主要原因是在视频信号所涉及的频率率上。

这种失配并不产生什么问题。

但在数字视频信号频率很高的情况下会不会引起脉冲畸变或比特率误差呢？

经测试表明，只要接收端输入阻抗看上去为75欧姆。

这种50欧姆连接器所引起的失配是可以忽略的。

只要设备输入输出返回损耗（returnloss）好于15DB。

使用50欧姆BNC连接器是没有什么问题的。

其示意图如图3所示。

 3、 接收端

 经过电缆传送之后，在接收设备的输入端便是SDI接收。

它有两种形式，一种是再锁定接收。

如图4所示，一种是不要锁定的接收。

　　不管使用哪种形式，自动均衡是需要的。

因为数字信号在电缆传输中不但幅度受到衰减，而且波形也会失真。

频率越高，其传输距离会越短。

一般来说，发送端数字信号电平为800mvp-p，对于270Mb/s的数字分量串行信号来说，经过220米电缆之后，其幅度已下降到30mv，脉冲波形变成了类似于正弦波的形状。

经过自动均衡之后，脉冲幅度与波形得到明显改善。

通过PLL（相位锁定环路）之后，使时钟信号获得再生，并且经恢复电路之后，其输出信号又是原来的串行方波信号了。

作为短距离传送，可以不用PLL电路，但对于远距离传送，具有自动均衡和再锁定功能的接收是必要的。

4、 数字信号传输中的突变效应

 我们很熟悉模拟信号在电缆中的传输，电缆对信号的影响有两个方面：

幅度与频响。

随着电缆长度的增加，幅度和高频特性随之逐渐下降，它对图像的影响是渐进的。

电缆对数字信号的影响与模拟信号不一样。

它不是渐进，而是突变。

只要接收端可以恢复原来的数据，则信号质量不受任何衰减，即是说，200米的电缆与250米的电缆，其传输数字信号的质量是一样的，但逐渐增加到某个长度时，视频信号重现质量突然恶化，有时电缆长度之差仅几米，其图像可从完好变为完全没有。

这种数字视频传送中特有的现象叫突变效应（cliffeffect）。

这在设计和使用中要引起注意。

 二、三同轴电缆传送

 在摄像机头与CCU（摄像机控制单元）之间有视频信号、控制信号、同步信号和电源等。

这种多信号传送，一般使用多芯电缆。

在模拟信号传输中，摄像机头与CCU间的多信号传送多使用多芯电缆，只有距离远时才考虑三同轴传送。

因为前者价格便宜，在数字摄像机两者的传输中，有的使用三同轴，有的使用光纤，几乎没有多芯电缆传送的。

下面以日立数字摄像机SK-2600为例，看一看三同轴是怎样传送数字信号的。

我们知道，模拟信号的三同轴传送采用频率调制，使不同信号调制在不同频率上，在数字信号的三同轴传送中，传送距离与传输信号的速率有看密切的关系，由于摄像机与CCU的实际距离一般在300米以内。

这样，在目前技术条件下均衡器能适应的最高传输率为360Mb/s，这种300米距离及最高传输率360Mb/s就确定下来了。

在三同轴传送的信号中，不仅有摄像机送到CCU的主视频信号，还有CCU至摄像机的返送信号。

刚才讲过，数字分量串行数据率高达270Mb/s，要想同时传送两路无压缩数字视频信号是不可能的（最高传输率360Mb/s），所以这种双向传输只能保证摄像机至CCU的主视频信号的高质量传送，而返送信号采用实时压缩方式（M-JPEG）。

图5显示了三同轴双向传输的基本原则，它是采用时基压缩（TimeBaseCompression）方式来解决数字视频信号的双向传输。

时基压缩已不是什么新东西，它早在电视中应用。

如SONYBetacam的时分复用方式使R-Y、B-Y共用一条磁迹。

两者本质上是一样的。

表1是三同轴传送的数据率分配表。

CCD像素数

NTSC52万

PAL60万NTSC60万

主信号视频276278

机头（Y.C）（2：

1：

1）（3：

1：

1）

CCU音频、数据等1514

返送信号视频5454

CCU

 机头音频、数据等1514

总计360Mb/s

表1三同轴传送数据率分配

从中可以看出，主视频信号具有最高的图像质量。

但为了减少数据量，采取了两项措施：

把R.G.B信号变换成Y、R-Y、B-Y；将行、场消隐期间的数据不予传送。

返送视频由于是供寻像器监看的信号，其视频质量可差一些，因而可采用8bit量化（主视频信号为10bit量化），并采用实时数据率压缩和行、场消隐数据不予传送等措施。

由于音频和CPU数据量很小，不采用压缩方式。

时基压缩，或者说时分复用是双向传输360Mb/s串行数据的关键，为了保证安全有效地传输，数据以25行的周期进行打包（packet）。

图6是数据打包的方式为了在电缆长度1000米最坏情况下不使双向信号传输发生冲突，在包内设置了保险空间（guardspace），其长度为10s，在包的开头插入15s长的preamble数据，以保证PLL电路进行锁定，音频和CPU数据集中在一起，以行频速率插进到视频信号之中。

三、光纤传输

当传送距离远时，数字视频信号的传送也和模拟信号一样采用光纤传输，光纤传输具有非常高的带宽，损耗低，噪波与失真小等优点，作为高数据率数字视频信号，它不受幅度畸变的影响，而且对噪波也极不敏感。

光纤传输的一个突出优点是低损耗。

举一个例子：

通常光纤传输使用红外波长（1310nm），其光纤的衰减为1公里1/4分贝。

换句话说，传送1公里后，其信号仍为原来的94%，这是远距离传送使用光纤的主要原因。

目前模拟视频信号的传送仍然使用光纤。

其调制方法有两种，一种是密度调制（IM：

IntensiveModulation）。

一种是频率调制（FM：

FreguencyModulation）。

IM调制，实质上是利用视频信号直接调制发光设备的发光功率。

但由于激光的非线性会导致视频幅度的畸变。

因而很少采用。

在FM系统中，首先视频信号对VCO进行频率调制。

VCO（压控振荡器）的输出再调制发射器件。

这种方法可避免通道非线性对视频线性的影响。

但由于系统调制系数（modulationindex）对脉冲抖动，激光澡波和反射有影响，因而也对模拟信号的性能有所损害。

为此模拟传送系统采取各种措施以减小这种损害。

现在还是回到数字信号传送话题。

由于数字串行视频数据率高，可不可以直接传送数字视频呢？

换句话说，是否直接将数字串行信号转换成光纤信号呢？

如果行，就可避免解串、编解码、再锁定等处理。

因为如果两者通道编码方式不一样，上述处理是不可避免的。

这个问题已得到解决。

那就是SMPTE的一个工作组推出了传送数字串行视频的光纤传输标准──297M。

该文件对发送、接收和连接器等都作了相应的规定。

表2和表3是发送和接收有关指标的说明。

表2光纤发送端输出信号指标

光纤类型

SM（MM为选件）

MM（62.5/125um）

光源类型

激光

激光或LED

光波长

1310un40nm

1310nm40nm

在半功率点最大光谱线宽

10nm

30nm

最大输出功率

-7.5dbm

-7.5dbm

最小输出功率

-12dbm

-12dbm

上升与下降时间

1.5ns（20%—80%）

1.5us（20%—80%）

熄灭（extinction）率

5：

1最小；30：

1最大

5：

1最小

抖动

0.135UI最大

0.135UI最大

最大反射

4%

4%

电子/光学传输功能逻辑“1”表示最大密度“0”表示最小密度

注：

SM：

singlemode单模MM：

multimode多模

 表3光纤接收输入信号指标

光纤类型

单模

多模

最大输入功率

－7.5dBm

－7.5dBm

最小输入功率

－20dBm

－20dBm

检测器门限

＋1dBm（最小）

－4dBm（最大）

1、光纤发送和接收

数字信号经BNC同轴电缆送至光纤发送电路，发送电路的输出使用SC/PC型连接器，连至单模或多模光纤。

光纤的接收输入端是SC/PC型连接器。

其输出经BNC同轴连接器送出SMPTE259M串行数字视频信号。

光纤发送与接收示意图如图7所示。

2、 具有A/D和D/A变换的光纤传送。

如果视频输入为模拟信号，则系统必须经A/D变换器变换成4：

2：

2数字分量信号，在接收端，它或许再经D/A变换器变换成模拟信号。

这种光纤传输系统示意图如图8所示。

作为数字视频，这里讲的是SMPTE259M规定的4：

2：

2串行数字分量信号，这也是电视设备间，系统间传送的标准信号了，根据传送的距离和实际需要，可以采用同轴电缆。

三同轴电缆和光纤传送等方式，这给厂商或用户在设计或安装一个系统之前要有一个全面的考虑。

另外，压缩视频信号的传输不在本文范围之列。

注：

此文曾在《世界广播电视》1998年第1期上发表过