简谈数字视频信号的同步

现在，数字化、网络化、信息化浪潮席卷全球，计算机与电视的融合正不断深入，信号方式由模拟转向数字，又将因数字转为网络。这样使节目制作和传输应用方式越来越丰富，信号的组成将越来越高效、合理，视频信号的一个基本组成—同步信号正按这个趋势发展，整个数字系统的同步也有新的变化。
一．数字同步信号
我们已熟知，在模拟环境中，同步信号已被严格规范，它确实能控制好定时，这对视频系统非常重要。但设计或调整一个系统时，你会认为同步信号显得很不灵活:系统内同步信号是纳秒级计量,种类繁多,要求严格,而且在整个视频信号中,同步信息占用率高。于是我们希望从模拟进入数字环境时,同步信号能得到改善。
当信号转为数字信号时，模拟波形变为0、1码，这样计算机数据通信的方法将被借鉴。例如误码检测方面，数字电视信号中也加入CRC码等等。在同步方面，我们也会看到位元同步、群同步、网同步等数据通信中应用的同步方式。
串行数字接口SDI是现阶段的通用数字接口，在很大程度上已经取代了模拟视频接口。因为它是无压缩格式，既无损耗，也很少需要维护。SDI接口内传输码流为270Mb/s的D1格式串行数字分量信号。下面简要分析D1信号。D1格式分别在Y、B-Y、R-Y上取样和量化，进行A/D，取样时钟折衷为27MHz，其中Y为13.5MHz，B-Y、R-Y都为6.75MHz；量化比特为10b。D1格式的并行输出码流为27Mb/s。当并行转为串行输出时，移位寄存器的时钟频率是A/D时钟频率的10倍，27×10=270MHz，D1格式的串行输出码流则为270Mb/s。DI格式的串行输出被命名为串行数字分量。D1信号包括三种信号是：视频信号、定时基准信号、辅助信号。
D1格式对定时基准信号处理中，考虑到每一行都存在300mV的行同步信号，不管在活动图像或标准测试信号中都是冗余部分，所以没必要每次取样和量化，可仅以“0～3”这4个码字来表示有效扫描开始，称之为“有效视频起始标志”（Start of Active Video,SAV）。同样，用第“1020～1023”这4个码字来表示有效扫描结束，称之为“有效视频结束标志”（End of Active Video,EAV），“SAV”与“EAV”将起到同步信号的作用。
“SAV”与“EAV”作为D1格式信号的定时基准信号，各种数字设备，如D/A可方便地利用“SAV”与“EAV”同步数字视频信号。由于其只占8个取样字，将腾出很大空间放置其它辅助数据。这么做有一个更大好处，可将原应用于同步的约30%的取样点增加用于信号电平上。也就是说原应该用约1000个取样点取峰峰1V，现可全用在0～700mV的信号电平上，既加大了取样密度，又提高了取样精度。但也因为在消隐期加入了辅助数据，而有些设备在信号的转换过程中，是要去掉消隐信号的，所以有可能造成信号的损失，应予注意。每个定时基准信号由4个字的序列组成，格式如下：3FF 000 000 XYZ (数值以16进制表示,3FF 000留供定时基准信号用)。头3个字是固定前缀，第4个字包含定义第二场标识、场消隐状态和行消隐状态的信息。定时基准信号内的比特分配列于表1。
F=0/1 第l/2场时, V=0/1 其它处/场消隐时 。H=0/1 有效视频开始处(SAV)/有效视频结束处(EAV)
P0，P1，P2，P3：保护比特(见表2)
MSB：最高有效比特 表l规定了V和F比特的状态。
P0，P1，P2，P3比特的状态决定于F，V比特的状态，见表2。在接收机中，这种安排容许纠正l 比特误码和检出2比特误码。这也代表了一种设计思想，同步与纠错都是为了信号的高质量传输，同步兼顾纠错，纠错也必反应同步。另外，通过以上分析，我们是不是可以这么说，SDI串行数字接口并不是一个真正的数字接口。因为它是模拟信号经A/D转换得来的，所有的水平和垂直频率及消隐期依旧存在，且定时是模拟的。它算是使用数字来传输有效行波形的受高度限制的模拟接口，是数模兼容时代的一种选择，它的同步必然与模拟信号有很多联系。
二．数字系统的同步
现阶段模数两种环境下的系统外同步都为模拟BB信号，做到了两者的兼容。由数字信号的形成可知，数字处理过程中，时钟是同步的关键。在数字设备内，BB信号的处理是进入时钟发生器，产生各种基准时钟，“SAV”与“EAV”也以此时钟为基准，提供正确顺序。比如，在录像机内，输入的SDI信号，进行串/并转换后，在解码器部进行抽出SDI视频信号、EAV、SAV的检测，然后在INPUT TBC部使输入的信号与基准时钟同步。这个TBC依靠EAV、SAV对输入信号进行延时同步。
在模拟系统中，视频信号必须同时、同步，每个系统被精确地锁定。在现有数字系统内（D1信号），放松了对于精确定时的要求，只需要达到毫秒，数行或数帧的数量级，而不必要达到纳秒(ns)的数量级。系统定时变得没那么麻烦，这是因为在数字处理过程中，首先在信号传输时，依靠串行再生时钟技术，将具有LC或RC电路振荡器的锁相环(PLL)电路利用基准时钟再生串行时钟频率产生输出，能够在一系列串行再生的过程中消除所有的抖动，直到崩溃点的出现。另外一方面，由于存在寄存器和其它RAM存储数据，故时延可能会很大，典型的时间差为行、场或帧，而在切换和矩阵等数字设备中能提供自动计时、同时、同步。也可这么说，具有数字形式输入和输出的器件内部往往具备自动输入定时补偿功能。比如飞利浦的DD10切换台，自动补偿52祍,并还可调整3行时间。它的52祍 补偿区间是在消隐期间上下挪动，主动来适应输入信号的相位变化。对于数字系统来说，自动定时调整总是一个关键问题。不过由于它所涉及的数字频率很高，目前 对于串行数据流尚无法实现这种调整。由于数据率很高，必须变换回到并行格式信号进行延迟，因此，自动输入定时尚无法在所有的设备中得到应用。对于数据，我 们不能超前，只能延时它们。为了满足这些新的定时要求，需要各种类型的可调延时器件。但这样，就有可能导致与伴音定时和时间码通过系统有关的一些麻烦的问 题。伴音和视频信号通过不同的通路进行处理时，可能出现不同的伴音对视频的延时。重要的一点，当信号不能准确同步，应在系统的某处增设时间缓冲器，用以保 证干净的切换。如果数据信号中携带嵌入的音频信号，那未就可根据比视觉更灵敏的听觉发现干扰声来判断设置时间缓冲器的场合。这方法是非常有效的。法国的一 款视/音频延时器VAD110D可实现SDI视频和双AES音频延时，视频延时长达2.5s,音频延时长达2.7s。它实现了视频定时微调（水平和垂直）；AES音频将被重新同步和取样（48kHz），锁定在输入的SDI视频信号上。另在去年的IBC上，泰克推出AVDC100，它利用数字水印技术自动检测视音频是否同步，并作出调节。
三．网络的同步
现阶段，SDI传输流是全球数字化的标准，各种编码输出的流信号，须转换成同一规格的SDI格式，这就多增加一道编解码程序，而且SDI只支持两种固定格式的隔行扫描图像：625/50、525/60，要求严格。未来是否仍用隔行扫描，以及现有的图像尺寸和宽高比，还成问题。可以断言，一种新的方式又在追寻当中，就好比数字必将取代模拟一样，这种方式必将取代SDI。纵观现状，SDI应用已经成熟，更多的眼球关注的是现代化的网络，很多制播网已投入应用。更为灵活的网络将取代SDI，网络的同步也比SDI的容易，灵活。
作为计算机网络，它不会关心所要传送的数据形式，不管是SDI流，还是MPEG流，JPEG流，视频格式对网络没有关系。对实时要求的视频网络，关键前提是解决好同步。现行网络多为FC网 与以太网相结合。实际网络中，有各种速率的信息，且在发射接收两方，由于分组交换、多路复用、纠错、处理冲突等产生很大延时。视频网作为一个同步实时网络 系统，一般都规定有最大传送时间，固定的、非常小的延时及可以保证恒定的传输速率。在计算机网络中，有一种网同步方法，称为等级制主从同步法。其原理是： 在整个网络设立一个主站，它具有一个高稳定的主时钟源，主钟源产生的时钟信号按树状逐级送往各从站，各从站的时钟频率直接或间接受到主时钟的控制，又通过 各自锁相环与主时钟保持一致。高一级的时钟或传输线路出故障，则可选用低一级的时钟替代。这个时钟信号也就是同步信号，相当于传统意义上的BB信号。但它由于信息量小，不会占用带宽；且这个信号是与数据一起传送的。因为在高数据流的环境，为了同步，将在收发两端用到很多缓存器起延时作用，而这些RAM容量是有限的，如果数据不同步，将很快使RAM填满而把数据溢出，所以这个信号设计为与数据一起传输，以避免RAM的 崩溃。在接收端，比如解码器，数据流中包含了一个嵌入报头，它包含了实时传送的信息，其中一个参数为实际的数据频率。解码器有一个频率合成器电路，将把实 际的数据频率首先分离出来，然后与发端参考信号比较，抵消相应的偏差，输出定时准确的数据包。这样，通过一个大的时基校正系统，网络数据就能同步。