Tektronix - 视频测量介绍

应用指南视频测量介绍使用4000系列数字荧光示波器进行视频测量引言不管是调试视频装置还是设计一个新机顶盒，进行视频测量都是一个主要挑战。视频波形非常复杂，经常把表示视频图像的信号与显示图像所需的定时信息组合在一起。视频信号可以采用各种不同的标准和格式，每种标准和格式都有自己的特点。某些视频测量要求专用仪器，如泰克业界标准波形监测仪、视频测量仪表和矢量显示器。也可以使用通用示波器进行许多常见的测量，只要该仪器拥有适当的采集和测量功能。在本应用指南中，我们将考察关键视频测量问题，说明它们与不同类型的示波器的关系。我们还将演示怎样使用4000系列数字荧光示波器进行常见的视频测量。2标清视频系统的典型方框图。光转换图像捕获转换成色差信号处理编码器处理显示根据标准编码合成视频记录矩阵监视器数字化分量视频数字处理模拟处理记录监视器基本视频标准和格式有许多不同的视频标准和格式。某些系统如NTSC、PAL和SECAM，已经使用了几十年，通常称为“标清”电视。比较新的系统如高清电视(HDTV)则通过提高图像内部的行数和像素数量，提供了更高的清晰度。视频信号的来源很多，包括摄像机、扫描仪和图像终端。传输时在RF载波上没有调制的信号称为基带视频信号，包括模拟陆地系统或电缆传输系统中使用的大多数视频信号。一般来说，基带视频信号在开始时是三种分量模拟或数字信号，代表着三原色，即红色、绿色和蓝色(RGB)三种分量。这些信号通常会经过多次转换，然后才到达电视监视器。图1是典型的视频系统方框图。不管系统是标清还是高清，其中的步骤类似。注意，在来源和目的地之间，视频信号会多次变换格式。为设计和调试这些系统，测试设备必须能够考察每种格式的信号。转换第一次格式变化发生在第一步，即转换。为更容易处理，原始的RGB信号通常会转换成三个分量信号：Luma信号或Y，及从Y导出的两个色差信号，通常是B-Y和R-Y。系列数字荧光示波器进行视频测量应用指南根据使用的标准或格式，可以改变色差信号。例如，对SMPTE模拟分量系统，它们可以改变标度，变成Pb和Pr。在NTSC合成系统中，色差信号的标度变成I和Q。对PAL系统，它们变成U和V，依此类推。一旦转换之后，可以分配三个分量信号进行处理。处理在我们拧电视监视器上的控制功能时，我们只能改变图像的显示方式。在视频信号中，可以编辑、混合或改动视频信号，准备进行传输和查看。可以组合视频分量信号，形成一个合成视频信号(如在NTSC、PAL或SECAM系统中)。它们可以保持独立的不同分量信号(如在RGB图像和HDTV系统中)。它们可以分成不同的流明和色度信号(如在Y/C系统中，如S-VHS或Hi-8)。它们甚至可向上变换成HDTV信号。合成视频合成视频信号是传统广播和有线电视应用中最常见的信号，之所以称为“合成”信号，是因为它们包含组合成一个信号的多个信号分量。在北美和日本，NTSC标准定义了Luma(黑色和白色信息)、色度(色彩信息)和同步(定时信息)编码成合成视频信号的方式。在大多数其它国家中，PAL和SECAM标准提供了同样的功能。这些标准中在一对色彩副载波上调制色度信号。然后调制的色度信号增加到流明信号中，构成视频信号的活动部分。最后增加同步信息。尽管很复杂，但这种合成信号可以在一条同轴电缆上传送，这是一种优势。分量视频然而，电视演播室会首选分量视频信号，这些信号生成、记录和处理起来比较简单，可以在信号上结合应用切换、混合、特效、色彩校正、降低噪声和其它功能。与合成视频一样，由于没有编码/解码过程，分量视频系统和设备更容易保持信号完整性，可以实现更高的图像质量。分量视频的缺点是必须在不同电缆上传送信号，限制了信号传送的距离，要求认真匹配信号路径。Y/C视频Y/C视频是S-VHS和Betacam系统中使用的折衷解决方案。Y/C是一种分量格式，它在一对色彩副载波上调制色度信号，但色度信号会与流明信号分开。这最大限度地减少了合成系统的流量/色度影响，同时简化了分量系统的频道间定时问题。可以在一条专用电缆上传送Y/C信号。高清电视基带信号可以处理成(甚至最初就是)高清电视信号。很明显，上变频的标清信号的质量和清晰度不如基本高清信号。我们将在后面更详细地介绍HDTV。显示在传输之后，显示步骤的目标是准确地复现处理的图像。在合成系统中，信号必须解码成分量形式，然后转换成RGB格式，以在监视器上进行显示。分量视频信号所需的处理较少，因为它们可以直接转换成RGB信号进行显示。4、图2b和图2c.模拟合成基带中的同步信号。第一个场开始第二个场开始回扫第一个场结束第二个场结束第一行第三行水平同步脉冲水平同步脉冲垂直同步信息垂直回扫视频同步为复现图像，需要在水平方向和垂直方向同时扫描摄像机和视频显示器(参见图2a)。可以交替扫描屏幕上的各个水平行，先扫描奇数行，然后扫描偶数行，如在隔行扫描系统中；也可以顺序扫描各行，如在逐行扫描系统中。摄像机和显示器必须同步，以同时扫描图像的同一部分。这种同步由水平同步脉冲处理，这是基带视频信号的一部分。水平同步脉冲开始水平扫描。在水平消隐间隔中，光束返回屏幕的左侧，等待水平同步脉冲，然后扫描另一行。这称为“水平回扫”(参见图2b)。基带视频波形，显示三电平同步脉冲。图3a.NTSC基带视频波形的水平消隐部分。在波束到达屏幕底部时，它必须返回顶部，开始下一个场或帧，这称为“垂直回扫”，其使用垂直同步脉冲传送信号(参见图2c)。垂直回扫所用的时间要比水平回扫长，因此采用更长的同步间隔，即“垂直消隐间隔”。在水平或垂直消隐间隔中，在视频屏幕上不写入任何信息。每种视频标准都规定了一系列同步信号，控制着视频信号的显示方式。PAL信号每秒25次显示一个视频帧，一个帧中包含625个视频行。NTSC信号每秒30次显示一个视频帧，一个帧中只包含525个视频行。某些高清计算机监视器以每秒72次的帧速率，显示1000多行。分量信号也需要定时信号。同步通常与其中一个分量相结合(如绿色频道)。高清电视上面我们一直重点介绍典型的标清系统，如NTSC和PAL。通过在图像内部提高行数和像素数，高清电视提供了更高的清晰度。有许多HDTV标准，标准的名称反映了各自的特点。其中，第一部分指明信号中存在的活动行数，第二部分指明图像是隔行扫描(i)、逐行扫描(p)还是称为分段帧的组合扫描方式(sF)，最后一部分指明格式的场(适用于隔行扫描信号)或帧速率(适用于逐行扫描信号)，规定一秒内显示的图像数量。HDTV同步标清信号采用双电平同步信号，允许电路锁定电视信号的行和场速率。图3a显示了NTSC基带视频信号的水平消隐部分及其双电平水平同步脉冲。但是HDTV使用三电平同步信号，如图3b所示。脉冲中包含三个电平：-300mv、0mv和+300mv，定时间隔取决于相应HDTV格式的时钟速率。4000系列的定时和电压光标可以简便地测量这些参数。6数字存储示波器(DSO)的串行处理结构。放大器模数转换器解复用器采集存储器显示存储器显示器图5.数字荧光示波器(DPO)的并行处理结构。数字荧光内容的快照定期直接发送到显示器上，而不需停止采集。与集成式采集/显示系统平行的微处理器执行波形数学运算、测量和前面板控制。放大器模数转换器数字荧光显示器测试设置要求在考察怎样测量视频信号之前，我们先考察一下可以怎样最好地使用测量工具，有效测试各种应用。选择适当的示波器示波器是通用的测试仪器，它们使用两个维度表示信号，允许我们在时域中“查看”波形。并不是所有示波器都是一样的，但是，某些示波器更适合视频应用。模拟示波器还是数字存储示波器过去，设计人员和工程师只能选择两种示波器：模拟实时示波器和数字存储示波器(DSO)。由于每种示波器都有自己的优点，因此许多用户会尽量同时拥有两种示波器。模拟示波器捕获速率快，提供了辉度等级显示，为波形提供了实时“统计”维度。变化的亮度清楚地显示信号不同部分的发生频率。资深用户可以迅速检定信号质量，确定异常事件，在调节系统时获得实时反馈。数字存储示波器有自己的优点。DSO提供了自动测量、完善的触发、波形存储和硬拷贝功能，而这些功能都是模拟仪器所不具备的。但是，DSO也有缺点。DSO依赖信号处理结构，在信号采集过程的每一步中都要求微处理器干预(参见图4)。DSO捕获速率太慢，不能准确地绘制复杂的视频信号，它们缺少调试必需的辉度等级信息。系列数字荧光示波器进行视频测量应用指南数字荧光替代方案还有第三个选择。数字荧光示波器(DPO)同时融合了模拟示波器和数字存储示波器的优势。从数据存储到完善的触发功能，DPO提供了DSO的所有传统优势。此外，它们使用三个维度捕获和显示波形信息，即幅度、时间、幅度在时间上的分布，这在很大程度上与模拟示波器类似。DPO以数字方式仿真化学荧光工艺，在模拟示波器的CRT中创建辉度等级。其结果是一个实时显示画面，复现信号功能丰富的特点。DPO可以以无可比拟的方式查看视频信号细微的行为模式和动态特点。DPO的长处在于其并行处理结构(参见图5)。DPO把数字化波形数据光栅化成称为数字荧光的数据库。大约每隔1/30秒，数字荧光中存储的信号图像快照就会直到发送到显示系统。同时，与集成式采集/显示系统平行的微处理器会执行波形数学运算、测量和前面板控制。这种波形数据直接光栅化及直接复制到显示存储器，消除了DSO常见的数据处理瓶颈。某些高级DPO拥有DPXTM波形成像处理器，大大提高了示波器的波形捕获速率。这种专有的ASIC使得4000系列能够以每秒最快35,000个波形的速率捕获波形。这种快速波形捕获速率使得用户能够最大限度地洞察信号活动，提高了发现瞬态信号问题的概率，如欠幅脉冲、毛刺和跳变错误。某些DSO则提供了专用模式，把多个捕获的突发信号至长存储器中，然后是一个显示周期，两者相互交替。这可以临时提供每秒20,000-40,000个波形的传送速率，但在处理和显示波形数据时有明显的死区时间。这种性能水平根本比不上DPO实现的实时性能。与DPO一样，模拟示波器也有波形捕获速率快和辉度等级显示的特点。遗憾的是，模拟示波器缺少DSO和DPO提供的许多基本功能，如自动测量、高级触发、波形数学运算和波形存储。事实上，DPO融合了模拟示波器结构和DSO结构的优势，同时避免了两者的缺点。基本示波器指标除结构外，示波器还可以使用指标进行描述。第一个常用指标是带宽。根据经验，示波器的模拟带宽至少应该是信号带宽的五倍，才能保证准确地表示信号。(估算信号带宽的方式之一是用0.35除以最快信号成分的10-90%上升时间。)例如，HDTV信号的带宽一般是30MHz，因此，HDTV应用使用的示波器的带宽至少应该是150MHz。4000系列示波器提供了高达1GHz的带宽。采样率表明了对信号采样的速度。为使用sin(x)/x内插准确地重建信号，示波器的采样率至少应该是信号最高频率成分的2.5倍。如果使用线性内插，那么采样率至少应该是最高频率信号成分的10倍。4000系列示波器采用sin(x)/x内插，采样率高达5GS/s，可以准确地表示最复杂的视频标准。8系列数字荧光示波器进行视频测量应用指南示波器的波形捕获速率表明了信号的采集速度(单位为波形/秒)。如前所述，大多数传统DSO的信号捕获速率要远远低于模拟示波器或DPO。速率较低可能会隐藏异常信号，降低分析结果的可信度。4000系