《视频解密》中文版（第四版）第九章NTSC和PAL数字编码和解码（第一部分）

虽然没有真正的“数字”视频，但是NTSC和PAL复合视频格式是现在主要的视频格式。虽然视频信号本身是模拟的，但是它们完全可以通过数字编码和解码。

模拟NTSC和PAL编码器和解码器已经在某个时候可用。但是它们需要调整，提供有限的视频质量，所以很难被使用。使用数字技术实现的NTSC和PAL编码和解码技术提供了如方便使用，较小的模拟调整和更高的视频质量等优势。

除了复合视频，S-video支持消费类和专业类设备之外，也必须被应用。S-video使用分离的亮度（Y）和色度（C）模拟视频信号，所以通过消除Y/C分离处理可以保持较高质量。

这一章讨论数字编码器（图9.1）和解码器（图9.21），它们支持复合和S-video的（M）NTSC和（B，D，G，H，I，NC）PAL视频信号。（M）和（N）PAL可以通过一些简单的修改得到。

NTSC编码器和解码器通常基于YCbCr，YUV或YIQ色度空间。PAL编码器和解码器通常基于YCbCr或YUV色度空间。

NTSC和PAL编码

YCbCr输入数据的Y值范围是16~235，Cb和Cr值范围是16~240。RGB输入数据的范围是0~255；专业视频应用可能使用的一般范围是16~255。

由于超出范围的YCbCr值导致某些彩色组合溢出标准的YIQ或YUV范围，可以做3件事中之一，按顺序列出如下：（a）允许产生的视频信号超出YIQ或YUV的范围；（b）限制彩色饱和度以确保产生合法的视频信号；（c）剪切YIQ或YUV电平以保证正常方位。

4:1:1，4:2:0或4:2:2的YCbCr数据在转换成YIQ或YUV数据之前必须首先转换成4:4:4的YCbCr数据。色度低通滤波器将不执行适当的内插值。

 表9.1列举了一些常用的采样率和分辨率。

2×过采样

2×过采样生成8:8:8的YCbCr或RGB数据，简化了模拟输出滤波器。过采样也方便地实现8-比特到10-比特数据的转换，提高了视频的质量。

图9.1典型的NTSC/PAL数字编码器实现

 

视频标准

采样时钟频率

应用

有效分辨率

总分辨率

场频（每秒）

（M）NTSC，（M）PAL

9Mz

SVCD

480×480i

572×525i

59.94隔行

13.5MHz

BT.601

7201×480i

858×525i

MPGE-2

704×480i

DV

720×480i

12.27MHz

方形像素

640×480i

780×525i

（B，D，G，H，I，N，NC）PAL

9MHz

SVCD

480×576i

576×625i

50隔行

14.75MHz

方形像素

768×576i

944×625i

13.5MHz

BT.601

7202×576i

864×625i

MPEG-2

704×576i

DV

720×576i

 

表9.1     NTSC/PAL常用的采样频率和分辨率

 

  1真正有效采样点典型是716和10%的消影点之间。

  2真正有效采样点典型是702和50%的消影点之间。

色度空间变换

选择10-比特的视频电平，白色 = 800，同步 = 16，由此可知同步到白色的幅度是1V，所以，D/A变换器（DACs）的全范围输出设置到1.305V。

（M）NTSC，（M，N）PAL

由于（M）NTSC和（M，N）PAL有一个7.5-IRE的消影台阶电平和40-IRE的同步幅度，色度空间变换方程被推导，以产生0.660V的有效视频。

YUV色度空间处理

现代编码器实际基于YUV色度空间，对于这些编码器，YCbCr到YUV的方程是：

                    Y = 0.591（Y601 - 64）

                    U = 0.504（Cb - 512）

                    V = 0.711（Cr - 512）

R’G’B’到YUV的方程是：

                    Y = 0.151R’ + 0.297G’ + 0.058B’

                    U = -0.074R’ - 0.147G’ + 0.211B’

                    V = 0.312R’ - 0.261G’ - 0.051B’

对于专业视频应用使用10-比特，RGB的一般范围是64~940，R’G’B’到YUV的变换方程为：

                    Y = 0.177（R’ - 64）+ 0.347（G’-64）+ 0.067（B’-64）

                    U = -0.087（R’ - 64）- 0.171（G’-64）+ 0.258（B’-64）

                    V = 0.364（R’ - 64）- 0.305（G’-64）- 0.059（B’-64）

Y的一般范围是0~518，U的一般范围是0~±226，V的一般范围是0~±319。负的Y信号应该被支持以允许测试信号，键控信息和真实视频通过编码器而不崩溃。

YIQ色度空间处理

对于基于YIQ色度空间的NTSC编码器设计，YCbCr到YIQ的方程是：

                    Y = 0.591（Y601 - 64）

                    I= 0.596（Cr - 512）- 0.274（Cb - 512）

                    Q = 0.387（Cr - 512）+ 0.423（Cb - 512）

R’G’B’到YIQ的方程是：

                    Y = 0.151R’ + 0.297G’ + 0.058B’

                    I = 0.302R’ - 0.139G’ - 0.163B’

                    Q = 0.107R’ - 0.265G’ + 0.158B’

对于专业视频应用使用10-比特，RGB的一般范围是64~940，R’G’B’到YIQ的变换方程为：

                    Y = 0.177（R’ - 64）+ 0.347（G’-64）+ 0.067（B’-64）

                    I = 0.352（R’ - 64）- 0.162（G’-64）+ 0.190（B’-64）

                    Q = 0.125（R’ - 64）- 0.309（G’-64）- 0.184（B’-64）

Y的一般范围是0~518，I的一般范围是0~±309，Q的一般范围是0~±271。负的Y信号应该被支持以允许测试信号，键控信息和真实视频通过编码器而不崩溃。

YCbCr色度空间处理

如果设计是基于YUV色度空间的，Cb和Cr变换到U和V可以在调制处理或缩放色度差异低通滤波器系数期间避免使用正弦和余弦缩放。这个优点是减少数据路径的处理。

NTSC-J

由于日本使用的（M）NTSC版本有一个0-IRE消影台阶电平，色度空间变换方程被推导，以产生0.7140V的有效视频。

YUV色度空间处理

YCbCr到YUV的方程是：

                    Y = 0.639（Y601 - 64）

                    U = 0.545（Cb - 512）

                    V = 0.769（Cr - 512）

R’G’B’到YUV的方程是：

                    Y = 0.164R’ + 0.321G’ + 0.062B’

                    U = -0.080R’ - 0.159G’ + 0.239B’

                    V = 0.337R’ - 0.282G’ - 0.055B’

对于专业视频应用使用10-比特，RGB的一般范围是64~940，R’G’B’到YUV的变换方程为：

                    Y = 0.191（R’ - 64）+ 0.375（G’-64）+ 0.073（B’-64）

                    U = -0.094（R’ - 64）- 0.185（G’-64）+ 0.279（B’-64）

                    V = 0.393（R’ - 64）- 0.329（G’-64）- 0.064（B’-64）

Y的一般范围是0~560，U的一般范围是0~±244，V的一般范围是0~±344。负的Y信号应该被支持以允许测试信号，键控信息和真实视频通过编码器而不崩溃。

YIQ色度空间处理

对于基于YIQ色度空间的旧的编码器设计，YCbCr到YIQ的方程是：

                    Y = 0.639（Y601 - 64）

                    I= 0.645（Cr - 512）- 0.297（Cb - 512）

                    Q = 0.419（Cr - 512）+ 0.457（Cb - 512）

R’G’B’到YIQ的方程是：

                    Y = 0.164R’ + 0.321G’ + 0.062B’

                    I = 0.326R’ - 0.150G’ - 0.176B’

                    Q = 0.116R’ - 0.286G’ + 0.170B’

对于专业视频应用使用10-比特，RGB的一般范围是64~940，R’G’B’到YIQ的变换方程为：

                    Y = 0.191（R’ - 64）+ 0.375（G’-64）+ 0.073（B’-64）

                    I = 0.381（R’ - 64）- 0.176（G’-64）+ 0.205（B’-64）

                    Q = 0.135（R’ - 64）- 0.334（G’-64）- 0.199（B’-64）

Y的一般范围是0~560，I的一般范围是0~±334，Q的一般范围是0~±293。负的Y信号应该被支持以允许测试信号，键控信息和真实视频通过编码器而不崩溃。

YCbCr色度空间处理

如果设计是基于YUV色度空间的，Cb和Cr变换到U和V可以在调制处理或缩放色度差异低通滤波器系数期间避免使用正弦和余弦缩放。这个优点是减少数据路径的处理。

（B，D，G，H，I，NC）PAL

由于这些PAL有一个0-IRE的消影台阶电平和43-IRE的同步幅度，色度空间变换方程被推导，以产生0.7V的有效视频。

YUV色度空间处理

YCbCr到YUV的方程是：

                    Y = 0.625（Y601 - 64）

                    U = 0.533（Cb - 512）

                    V = 0.752（Cr - 512）

R’G’B’到YUV的方程是：

                    Y = 0.160R’ + 0.314G’ + 0.061B’

                    U = -0.079R’ - 0.155G’ + 0.234B’

                    V = 0.329R’ - 0.275G’ - 0.054B’

对于专业视频应用使用10-比特，RGB的一般范围是64~940，R’G’B’到YUV的变换方程为：

                    Y = 0.187（R’ - 64）+ 0.367（G’-64）+ 0.071（B’-64）

                    U = -0.092（R’ - 64）- 0.181（G’-64）+ 0.273（B’-64）

                    V = 0.385（R’ - 64）- 0.322（G’-64）- 0.063（B’-64）

Y的一般范围是0~548，U的一般范围是0~±239，V的一般范围是0~±337。负的Y信号应该被支持以允许测试信号，键控信息和真实视频通过编码器而不崩溃。

YCbCr色度空间处理

如果设计是基于YUV色度空间的，Cb和Cr变换到U和V可以在调制处理或缩放色度差异低通滤波器系数期间避免使用正弦和余弦缩放。这个优点是减少数据路径的处理。

亮度（Y）处理

为了消除2×过采样处理而导致产生的高频分量，必须做高达6MHz的低通滤波处理。

一个可选的陷波滤波器也可以被用来从亮度信号中消除彩色副载波频率成分。这提高了解码器的视频解码质量以简单分离Y/C。当产生S-video，RGB或YPbPr视频信号时，陷波滤波器应该被禁止。

接下来，任何小樱台阶电平被加到有效视频期间，消影和同步信息被加入。

（M）NTSC，（M，N）PAL

由于（M）NTSC和（M，N）PAL有一个7.5-IRE的消影台阶电平，在视频有效期间亮度值被加42。在消影期被加0。

在消影台阶电平被加入之后，亮度信号相对于消影信号而有爬升，有一个上升的余弦分布以减少在视频信号的开始和结束处斜率。典型的消影上升和下降时间对于NTSC是140±20ns,对于PAL是300±100ns。

在消影处理执行完毕之后，数字复合同步信息被加到亮度数据中。分配的值是16（存在同步）或240（不存在同步）。为了降低同步信号的斜率，同步上升和下降时间应该被处理生成余弦分布（16和240之间）。典型同步上升和下降时间对于NTSC是140±20ns,对于PAL是250±50ns，虽然编码器应该生成同步脉冲边沿为130或240ns来补偿滤波器的模拟输出以降低同步边沿。

在这一点上，我们有数字亮度的同步和消影信息，如表9.2所示。

NTSC-J

当生成NTSC-J视频时，有一个0-IRE消影台阶电平。所以，在有效视频期间，没有消影台阶电平被加入到亮度数据中。其它的处理和（M）NTSC一样。

（B，D，G，H，I，NC）PAL

当生成（B，D，G，H，I，NC）PAL视频时，有一个0-IRE消影台阶电平。所以，在有效视频期间，没有消影台阶电平被加入到亮度数据中。

消影信息的插入使用于（M）NTSC相同的技术。但是，典型的消影上升和下降时间是300±100ns,

复合同步信息的加入使用于（M）NTSC相同的技术，但是使用16（存在同步）或252（不存在同步）。典型同步上升和下降时间是250±50ns，虽然编码器应该生成同步脉冲边沿为240ns来补偿滤波器的模拟输出以降低同步边沿。

在这一点上，我们有数字亮度的同步和消影信息，如表9.2所示。

 

视频电平

（M）NTSC

NTSC-J

（B，D，G，H，I，NC）PAL

（M，N）PAL

白

800

800

800

800

黑

282

240

252

282

消影

240

240

252

240

同步

16

16

16

16

 

表9.2     10比特数字亮度值

模拟亮度（Y）生成

数字亮度数据可以驱动一个10位DAC以产生0~1.305伏输出产生一个S-video（Y/C）接口的Y视频信号

图9.2和9.3所示的是75%彩条的亮度视频波形。亮度电平的值指示了一个最大输出1.305V的10位DAC的数据值。在连接器处的视频源应该有一个75Ω的阻抗匹配。

 图9.2（M）NTSC亮度（Y）视频信号75%彩条。指示的亮度电平是10比特值

 图9.3（B，D，G，H，I）PAL亮度（Y）视频信号75%彩条。

指示的亮度电平是10比特值

 

由于DAC的采样保持操作引入一个（sinx）/x的特性，视频数据可以通过一个[(sinx)/x]-1滤波器来补偿。反过来，由于模拟低通滤波器通常跟在DAC之后，可以在模拟滤波器中进行校准。

作为一个可选项，在驱动DAC之前，数字Y信息延时一个可编程的时钟周期数可能是有用的。如果模拟亮度视频在DAC之后被低通滤波，模拟色度视频在DAC之后被带通滤波，那么色度视频路径可能比亮度视频路径有更长的延时（典型值可以达到400ns）。通过调整Y数据的延时，模拟亮度和色度视频在滤波之后将被更接近对齐，简化了模拟设计。

色差处理
低通滤波

色差信号（CbCr，UV或IQ）应该使用高斯滤波器进行低通滤波。这种类型的滤波器减小了振铃消影，过冲，避免在清晰的边界处产生伪影。

如果编码器用于视频编辑应用，那么滤波器在通带范围内的最大纹波为±0.1dB。它减小了滤波器产生的累积增益和伪影，尤其当通过多次传递的编码和解码处理时。在编码的最后点，高斯滤波器可能会被使用。

YCbCr和YUV色度空间

Cb和Cr，或U和V被1.3MHz低通滤波。典型滤波器特性是在1.3MHz处衰减<2dB，在2.6MHz处衰减>20dB。滤波器特性如图9.4所示。

YIQ色度空间

Q被0.6MHz低通滤波。典型滤波器特性是在0.4MHz处衰减<2dB，在0.6MHz处衰减>6dB。滤波器特性如图9.5所示。

对I的典型滤波器特性如U和V相同。

滤波器的考虑

调制处理的谱如图9.6~9.9所示。如果是模拟调制，调制处理的频谱和他们一样，但重复采样率谐波。

使用宽带（1.3MHz）滤波器，调制的色度谱将和相邻的0频率区域重叠，导致混叠。所以，可能在副载波上有相当的混叠。由于这些原因，可能更适合使用窄带低通滤波器（0.6MHz）。

宽带高斯滤波器通过在降低彩色物体边界的伪影能和单色显示器最佳兼容。一个窄带，高截变的低通滤波器将加强那些边界的副载波信号，导致振铃效应。如果单色兼容可以被忽略，那么，一个低通滤波器有益的响应将降低色度扩散到低频亮度中（导致低频交叉亮度），这个解码器很难抑制。

 图9.4典型1.3-MHz数字低通滤波器的特性

 

同样，虽然编码器可能维持一个宽的色度带宽，但是，解码器中的色差带宽往往要窄的多。在解码器中，消除色度的上边带（由于低通滤波视频信号到4.2~5.5MHz）将有利于在色度传输时的振铃效应和色差串扰。任何增加解码器的色度带宽将导致颜色串扰的同比增长。

 图9.5典型0.6-MHz数字低通滤波器的特性

 图9.6     NTSC数字色度调制的频谱（FS=13.5MHz，FSC=3.58MHz）

                     （a）低通滤波U和V信号。（b）彩色副载波。

（c）（a）和（b）卷积运算产生的色度调制频谱

 图9.7     NTSC数字色度调制的频谱（FS=12.27MHz，FSC=3.58MHz）

                     （a）低通滤波U和V信号。（b）彩色副载波。

（c）（a）和（b）卷积运算产生的色度调制频谱

 图9.8     PAL数字色度调制的频谱（FS=13.5MHz，FSC=4.43MHz）

                     （a）低通滤波U和V信号。（b）彩色副载波。

（c）（a）和（b）卷积运算产生的色度调制频谱

 图9.9     PAL数字色度调制的频谱（FS=14.75MHz，FSC=4.43MHz）

                     （a）低通滤波U和V信号。（b）彩色副载波。

（c）（a）和（b）卷积运算产生的色度调制频谱

色度（C）调制

（M）NTSC，NTSC-J

在有效视频期间，CbCr，UV，或IQ数据调制成正弦（sin）和余弦（cos）副载波，如图9.1所示，产生数字色度（C）数据。对于这个设计，11比特参考副载波相位（见图9.17）和突发相位都是（180o）。

对于YUV和YCbCr处理，在有效视频期间，180o必须加到11-比特参考副载波相位，所以正弦和余弦ROMs输出有适当的副载波相位（分别是0o和90o）。

对于YIQ处理，在有效视频期间，213o必须加到11-比特参考副载波相位，所以正弦和余弦ROMs输出有适当的副载波相位（分别是33o和123o）。

对于下面的方程，

                    ω = 2лFSC

                    FSC = 3.579545MHz（±10Hz）

YUV色度空间

如第八章中讨论的，色度信号可以表示为：

                    （U sin ωt）+（V cos ωt）

色度幅度是±sqrt（U2+V2）

YCbCr色度空间

如果解码器是基于YCbCr色度空间的，色度信号可以表示为：

      （Cb-512）（0.504）（sin ωt）+（Cr-512）（0.711）（cos ωt）

对于NTSC-J制式，方程是：

      （Cb-512）（0.545）（sin ωt）+（Cr-512）（0.769）（cos ωt）

在这些情况中，正弦和余弦ROMs中的值通过指示的值缩放，以允许调制器直接接收Cb和Cr数据进行混合，而不是U和V数据。

YIQ色度空间

如第八章中讨论的，色度信号可以表示为：

                    （Q sin（ωt + 33o））+（I cos（ωt + 33o））

色度幅度是±sqrt（I2+Q2）

（B，D，G，H，I，M，N，NC）PAL

在有效视频期间，CbCr或UV数据调制成正弦（sin）和余弦（cos）副载波，如图9.1所示，产生数字色度（C）数据。对于这个设计，11比特参考副载波相位（见图9.17）和突发相位都是（135o）。

对于下面的方程，

                    ω = 2лFSC

                    FSC = 4.43361875MHz（±5Hz）对于（B，D，G，H，I，N）PAL

                    FSC = 3.58205625MHz（±5Hz）对于（NC）PAL

                    FSC = 3.57561149MHz（±5Hz）对于（NC）PAL

PAL开关

理论上，由于[sin ωt]和[cos ωt]副载波是正交的，U和V信号在解码器中可以完美地分量。但是，如果视频信号收到扭曲，如由于低通滤波器导致的边带不对称衰减，正交性就退化，导致U和V信号之间的串扰。

除了90o副载波相位偏移之外，PAL制式使用备用行切换V信号以提供U和V副载波之间的频率偏移。当被解码时，串扰分量出现于调制的备用线携带的频率中，在纯色区域产生一个被叫做汉诺威条的运动图像。这个运动图像可能在解码器中通过一个梳状滤波器抑制，使切换和未切换行之间平均分布。

当PAL开关 = 0时，11比特参考副载波相位（见图9.17）和突发相位是相同的（135o）。所以，在有效视频期间，225o必须加到11-比特参考副载波相位，所以正弦和余弦ROMs输出有适当的副载波相位（分别是0o和90o）。

当PAL开关 = 1时，225o加到11-比特参考副载波相位，以产生225o突发相位。所以，在有效视频期间，135o必须加到11-比特参考副载波相位，所以正弦和余弦ROMs输出有适当的副载波相位（分别是0o和90o）。

注意，在图9.17中，当PAL开关 = 1时，-V副载波被产生，实现-V分量。

YUV色度空间

如第八章中讨论的，色度信号可以表示为：

                    （U sin ωt）±（V cos ωt）

V的符号行行之间变换（叫做PAL开关）

色度幅度是±sqrt（U2+V2）

YCbCr色度空间

如果解码器是基于YCbCr色度空间的，（B，D，G，H，I，NC）PAL制式色度信号可以表示为：

      （Cb-512）（0.533）（sin ωt）+（Cr-512）（0.752）（cos ωt）

对于（M，N）PAL制式，方程是：

      （Cb-512）（0.504）（sin ωt）+（Cr-512）（0.711）（cos ωt）

在这些情况中，正弦和余弦ROMs中的值通过指示的值缩放，以允许调制器直接接收Cb和Cr数据进行混合，而不是U和V数据。

一般处理

正弦和余弦的副载波值应该至少正的9比特精度。调制乘法器的输出必须有饱和度逻辑以确保上溢和下溢条件下饱和度的最大值和最小值。

在色差调制信号被加之后，其结果四舍五入到9位正值。在这一点上，色度数字调制的范围如表9.3所示。数字色度数据信号的结果的余弦上升至和时间于被用于亮度消影数据的信号一样。

 

视频电平

（M）NTSC

NTSC-J

（B，D，G，H，I，NC）PAL

（M，N）PAL

色度峰值

328

354

347

328

突发峰值

112

112

117

117

消影

0

0

0

0

突发峰值

-112

-354

-347

-328

色度峰值

-328

-112

-117

-117

 

表9.3     10-比特数字色度值

 

突发生成

如图9.1所示，经过低通滤波的色差数据和彩色突发包络信息相乘。在彩色突发时间期间，色差数据应该被忽略，并且彩色突发包络信号插入到Cb，U或Q通道（Cr，V或I通道强制为0）。

突发包络的上升和下降期间应该生成升余弦分布来降低突发包络的斜率。典型的突发包络上升和下降时间按是300±100ns。

突发包络应该足够宽以能生成9或10个周期幅度为50%或更大的突发信息。当突发包络信号和ROM的正弦输出相乘时，彩色突发被生成，它的幅度如表9.3所示。

对于专业类视频应用，彩色突发相位应该有一可编程的0o~360o的范围，提供系统可选的相位以匹配外部视频信号。这可以通过在突发时间期间对11-比特副载波参考增加一个可编程的值来实现（见图9.17）。

模拟色度（C）生成

数字色度数据可能驱动一个10-位DAC以产生0~1.305V的输出，生成一个S-video（Y/C）接口的C视频信号。视频信号在连接器处应该有一个75Ω的源阻抗匹配。

图9.10和9.11所示的是75%彩条的色度视频波形。括号中的数据指示的是一个10-位DAC最大输出值是1.305V的数据值。如果DAC不能输出双击视频信号，那么在驱动DAC之前，一个偏移必须加入到色度数据中（符号信息被去掉）。在这种情况下，+512偏移被使用，消影电平位于10-位DAC输出电平的中间。

由于DAC的采样保持操作引入一个（sinx）/x的特性，视频数据可以通过一个[(sinx)/x]-1滤波器来补偿。反过来，由于模拟低通滤波器通常跟在DAC之后，可以在模拟滤波器中进行校准。

 图9.10（M）NTSC色度（C）视频信号的75%彩条

指示的是10-比特视频电平值

 图9.11（B，D，G，H，I）PAL色度（C）视频信号的75%彩条

指示的是10-比特视频电平值