同步与SMPTE时间码（时间码）

# SMPTE EBU时间码 by Phil Rees 来源：https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm ## 同步与SMPTE时间码（time code） 图片：Philip Rees SMPTE MTC单元 (https://www.philrees.co.uk/products/tapesync.htm) 本文档是对SMPTE时间码（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#smpte）同步系统的描述（主要偏技术性，但不需要广泛的先验知识），特别是可以录制到录像带音轨或音频带上的双相位标记（Bi-Phase Mark）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#mod）"LTC"时间码同步音调。其他时间码变体，如VITC时间码（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#vitc）也有所提及。文档还包含了关于彩色电视标准（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#pal）和场序列（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#colfrm）等相关主题的一些支持信息。此外，还简要描述了在SMPTE（或EBU）时间码数据字（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#word）中使用的二进制编码十进制（BCD）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#bcd）表示法。 https://www.philrees.co.uk/ 我最初出于技术角度探索这个主题的原因是开发一款低成本的MIDI磁带同步单元（https://www.philrees.co.uk/products/tapesync.htm），这是客户经常提出的需求，也是我们一系列电子音乐设备（https://www.philrees.co.uk/products/）的一个合乎逻辑的补充。我们的时码磁带同步单元支持SMPTE（包括丢帧（Drop Frame）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#drop）格式）和MIDI时间码（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#mtc），名为***TS1***，在过去十多年里是一款成功且备受尊敬的产品。 ### 同步系统 当您需要音频、视频或音乐技术设备（例如磁带录音机和音序器）协同工作时，您可能需要某种方法来确保它们彼此同步播放。这被称为“同步”，缩写为“sync”甚至“synch”。 磁带录音机轨道是被单个录音头元件扫描的磁带区域。例如，它可以承载音频信号，即声音流的电子模拟信号。为了利用音轨记录同步信息，信息必须被编码成一种与音频兼容的信号，称为同步音调。录有同步音调的音频磁带轨道被称为“条带”。理想情况下，同步设备应该能够在同步音调的任何位置启动并加入，即使不是在条带的开头；这称为“追逐”。SMPTE/EBU时间码标准定义了占主导地位的国际公认同步音调标准，它允许设备“追逐”或定位到精确位置。 链接：FSKplus（https://www.philrees.co.uk/products/tapesync.htm#fskplus）在音乐技术应用中，对于不兼容时间码的设备，您或许可以通过与节拍相关的条带系统使用磁带同步单元。此类系统的例子包括传统的*FSK*（频移键控）和*Philip Rees*专有的*FSKplus (https://www.philrees.co.uk/products/tapesync.htm#fskplus)*格式。 ### SMPTE/EBU时间码标准 在录像技术出现之前，存在机械式的声画同步。这主要依赖于胶片和特殊齿孔录音带上的齿孔（一排整齐的孔）。相对的定时调整可以通过滑动齿孔来实现。同样的齿孔也用于保持同步。录像带没有齿孔，因此当视频技术出现时，需要一种电子等效物来取代机械同步方法。 SMPTE徽标：已获所有权利认可（https://www.smpte.org/）1967年，美国电影电视工程师协会（Society of Motion Picture and Television Engineers）（https://www.smpte.org/）引入了我们称之为SMPTE（“辛普蒂”）时间码的东西。SMPTE的音频同步音调版本称为线性或纵向时间码，即LTC。顺便提一下，还有其他版本的时间码可以插入到视频信号中（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#vitc）或通过MIDI连接发送（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#mtc）。 在早期的网站**tvhandbook\.com**上，一个*广播历史时间线*在1969年有这样一条记录：“SMPTE时间码的建立终结了各种编辑机器不兼容时间码所造成的混乱”。 SMPTE时间码的原始用途包括精确的视频编辑和电影声轨同步。SMPTE中的时间数据采用八位数二十四小时时钟的形式。计数包括0到59秒、0到59分钟和0到23小时。秒被细分为若干帧，帧数可以变化以匹配世界各地使用的各种帧率。帧率是每秒更新图像的次数，以产生连续运动的错觉。 ### 帧率格式 电影胶片片段有四种标准帧率格式：用于美国音频的30帧每秒（fps）的SMPTE帧率。它与用于CD母带制作的Sony 1630格式一起使用。其起源是已淘汰的美国单声道电视标准。美国彩色电视标准（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#drop）的帧率略有不同，约为29.97 fps。这通过被称为30丢帧（Drop Frame）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#drop）的SMPTE格式来适应，这是在美国、日本以及通常是60 Hz（市电频率）、NTSC（电视标准）地区进行视频工作所必需的。每秒的帧数不是整数，因此使用了近似值；它基于30 fps，但在每分钟开始时会丢弃（跳过）两个帧计数，每第十分钟除外（每小时中不丢弃帧的分钟是第1、11、21、31、41和51分钟）。欧洲广播联盟（EBU）（European Broadcasting Union）（https://www.ebu.ch/home）的25 fps标准在整个欧洲、澳大利亚以及市电频率为50 Hz、彩色电视系统为PAL或SECAM（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#pal）的地方使用。剩余的24 fps帧率用于电影工作，很少用于音频。 在音频后期制作中，SMPTE已被采用用于设备同步和作为磁带位置的参考。本质上，音频工作（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#rates）帧率的选择通常是任意的。 ### SMPTE LTC的调制方案 图示：双相位标记调制方案，下文有描述 一个比特是一个二进制数字（只能取值0或1）。一个比特的值通常由电子开关的“关”和“开”状态表示。当二进制数字序列必须通过专为模拟音频信号设计的通道时，“开”和“关”状态（“相位”）无法可靠地区分。然而，音频频率可以忠实地再现；为了利用这一特性，SMPTE纵向时间码（LTC）将其数据编码到电子状态转换的速率（频率）中。二进制值0由一个比特周期（或比特“单元”）的开始（或“边界”）处的单个转换表示。二进制值1由两个转换表示 - 一个在比特周期开始时，第二个在比特周期中间。这种方案称为“双相位标记”，与频率调制（“FM”）非常相似；也就是说，一连串的二进制1由频率加倍的音频突发表示，而一连串的二进制0由音频突发表示。这种简单的调制方案具有惊人的鲁棒性，并且与各种实际世界的音频通道兼容，包括录音机轨道。为确保在音频通道中的良好性能，还规定了波形（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#wave）的上升时间。 ### SMPTE LTC帧的数据组织 纵向时间码（LTC）每个视频帧的数据流包含80个比特周期（比特单元）。在原始美国帧率30 fps下，比特率将计算为30 x 80，即每秒2400比特。一串0的频率将是1.2 kHz，一串1的频率将是2.4 kHz。对于欧洲25 fps帧率，相应的比特率是每秒2000比特。在这种情况下，一串0的频率将是1.0 kHz，一串1的频率将是2.0 kHz。所有这些频率都安全地处于音频范围内，因此SMPTE LTC同步音调波形（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#wave）可以轻松地录制到任何尚可的音轨上。 80个比特的SMPTE LTC帧字分配如下： 比特0..3 = 帧个位 / 比特4..7 = 用户比特1 / 比特8,9 = 帧十位 / 比特10 = DF标志位 / 比特11 = 彩色帧标志 / 比特12..15 = 用户比特2 / 比特16..19 = 秒个位 / 比特20..23 = 用户比特3 / 比特24..26 = 秒十位 / 比特27 双相位标记相位校正 / 比特28..31 = 用户比特4 / 比特32..35 = 分个位 / 比特36..39 = 用户比特5 / 比特40..42 = 秒十位 / 比特43 二进制组标志位 / 比特44..47 = 用户比特6 / 比特48..52 = 时个位 / 比特52..55 = 用户比特7 / 比特56,57 = 时十位 / 比特58 保留 / 比特59 二进制组标志位 / 比特60..63 = 用户比特6 / 比特64..79 = 同步字 在每一帧中，80个比特中的26个承载SMPTE时间或“地址”，采用二进制编码十进制（BCD）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#bcd）格式。在上图中，这些比特显示为`帧个位`、`帧十位`、`秒个位`、`秒十位`、`分个位`、`分十位`、`时个位`和`时十位`。BCD数字以“最低有效位优先”的方式加载。 32个比特被分配为八组四位`用户比特`，有时也称为“二进制组”。此容量通常用于携带额外信息，如磁带卷号和日期。只要两个二进制组标志位（Binary Group Flag Bits）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#bgfb）被清除，用户比特可以根据需要进行分配。用户比特在时间码流过程中通常不会变化。 最后16个比特构成`同步字`。时间码读取器使用这些比特来查找帧边界、磁带方向和同步音调的比特率。这些比特的值固定为`0011 1111 1111 1101`。 双相位标记（Bi-Phase Mark）（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#mod）相位校正比特`bPMPC`是比特27。可以设置或清除此比特，以使每个80比特字包含偶数个零。这意味着每个同步字中脉冲串的相位（或逻辑意义）将是相同的。随着LTC标准的演进，在1980年代，时间码在1英寸视频编辑中被大量使用。许多早期用于将播放机和录制机与编辑器同步的处理器系统要求时间码同步字必须按规范正确计时到垂直消隐间隔。然而，由于某些磁带的跟踪（或其他互换）问题，有必要手动调整这些磁带的跟踪以实现最佳播放。同时，并非所有录像机都配备了时间码板，而配备的那些也并非全部对离带时间码进行再生（再生会为外部世界提供适当定相和整形的信号）。结果，当跟踪变化时，同步字的时序关系也随之变化。令许多编辑和磁带操作员（卷盘员）沮丧的是，他们发现得太晚，如果跟踪偏离规范太远，编辑器中的时间码读取器可能会偏差一帧。当时作为行业主力的*Ampex VPR-2/2B*，具有时间码波形显示功能。由于每帧零的个数不断变化导致波形的极性不断翻转，使用该显示来验证同步字的位置变得复杂。添加双相位标记比特是为了使在视觉上更容易找到同步字。等到该标准被完全采用时，大多数新型机器已经包含了再生功能，这使得双相位标记比特过时了。在标准被采纳之前，*Sony*在*BVH-2000*上在一个用户比特中实现了相位校正比特 - 这台机器也有时间码波形显示。***致谢 (https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#credit1)*** 比特58不是时十位BCD（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#bcd）计数（其最大值为二）所必需的，也没有被赋予任何其他特殊用途，因此保持未分配状态。此比特已被`保留`以供未来分配。 比特43和59被分配为二进制组标志位`bGFb`。这些比特用于指示何时使用标准字符集来格式化用户比特（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#user）数据。二进制组标志位应仅按下面的真值表所示使用。表中的未分配条目不应使用，因为它们可能在未来被分配特定含义。 `` 比特43 比特59 未指定用户比特格式 0 0 八位字符集 1 0 未分配（保留） 0 1 未分配（保留） 1 1 `` 如果您正在设计一个能够读取其他写入器条带的时间码读取器，最好建议您让读取器忽略（屏蔽掉）比特27、43、58和59。如果您正在设计一个写入器以生成可移植的SMPTE时间码（以获得良好的兼容性），您应该将这些比特分配为零值；这是因为某些读取器可能会将这些比特解释为SMPTE帧“地址”的一部分；其结果将是无效或非法的BCD值。 丢帧标志`DF位`是比特10；如果使用丢帧格式（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#drop），则设置此比特。彩色帧标志`col\.frm`是比特11；如果时间码有意与彩色电视场序列（https://www.philrees.co.uk/articles/timecode.htm#colfrm）同步，则设置此比特。 ### NTSC和*丢帧*格式 电视电子电视由Philo T\. Farnsworth（https://www.farnovision.com/chronicles/）在美国发明，其系统每帧300线。由于美国的专利诉讼，该技术首先在英国得到应用。原始（现已淘汰）英国电子电视系统使用25 fps和405线。1941年，美国单色电视标准被指定为更优一些，它具有30 fps的帧率和525线。音频信号通过调制一个4.5 MHz的副载波波与视频信号组合。 1953年，美国国家电视系统委员会（NTSC）（National Television System Committee）指定了一种彩色电视标准，该标准将与现有的黑白接收机兼容。图示：幅度调制两个额外的彩色（色度）视频分量通过调制额外的副载波波与单色（亮度）视频信号组合。他们发现，通过将这些副载波的频率选择在主要亮度分量的带宽内，可以仅引起很小的问题。这意味着新的彩色电视频道将占用与现有单色频道相同的带宽。两个色度分量的频率被设定为相同（227.5倍行频），但相位相差90度（四分之一周期）。 然而，人们发现存在一个麻烦...