模拟视频详解

模拟视频信号已经应用了几十年，至今仍在使用。最原始且最常见的通用视频标准包括了NTSC（美国国家电视系统委员会）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的现代消费模拟视频传输系统包括了S-Video、分量视频(ComponentVideo)、专业G'B'R'视频以及计算机R'G'B'系统。本文将探讨部分模拟视频信号的需求，并讨论它们之间有何相似点和差别以及如何简化此类视频系统的模拟输入/输出设计。全部数字化尚未实现现代的视频系统通常同时在前端及后端采用数字化处理。这是由于此类系统确实拥有较好的灵活性，并具有相应的低成本及集成特性，因而数字化产品更吸引消费者。既然如此，那么为什么不简单的将所有相互连接的视频都放到数字域处理呢？数字视频传输以串行数字视频（SDV或SDI）的形式推广了若干年，但由于成本问题，应用主要局限于专业广播系统。新近的数字传输系统包括了DVI以及HDMI。此类系统得到较好的普及，特别是针对于高端系统。在2006年的国际消费电子展上，“年代久远”的模拟视频传输系统——分量视频——仍被视为最主要的机顶盒与显示器互连方式。同时，许多“低成本”的视频系统虽然缺乏高端特性，但仍广泛应用于世界范围。在某些地区，价格仍然是约束消费者购买能力的最重要因素，大多数的居民无法承受HDTV的价格。因此传统的CVBS及S-Video将继续服役至若干年之后。视频的命名法及背景视频的色彩信息通过线性化的（三原色）红、绿及蓝(RGB)分量获取。由于CRT显示技术的限制，此类基本的色彩信息需要采用非线性的形式（即所谓的伽玛矫正[gamma-correctedcolor]）进行处理。为了区分真RGB以及非线性的伽玛修正RGB，人们采用了R'G'B'。由于全部三个信号需求较大带宽，因此传统的消费视频无法使用R'G'B'。为了降低带宽、成本，并解决延迟及现今的运行功耗等问题，R'G'B'信号在算法上进行了处理，从而造就了不同形式的视频信号。最为重要的信号是亮度（brightness，或称之为光亮度[luminance]）。国际照明委员会(CIE)所规定的真实亮度(Y)的解析度应通过线性化的RGB得到。由于在RGB中加入了非线性的成分(Gamma)，亮度将无法保持真实性。因此，针对所有的视频系统，人们采用了光亮度（lumaY'）并在技术上严格的定义。类似的，由于采用了非线性化的R'G'B'术语，色浓度(chroma，C')的称谓也取代了原本的色度(chrominance)——亦称为色彩信息，由色调及饱和度组成。色彩所具有的不同信号P'B、P'R、R'–Y'以及B'–Y'同样参照此方式表示非线性化的伽玛修正信号。其它的术语包括了U、V、I以及Q，但一般不作标刻记号，因为此类术语仅作为数学方程式的符号而没有用于CIE色彩空间。尽管如此，仍然有观点认为这些术语也应具有标刻记号，因为它们同样基于非线性化的元素。图1所示的简化RGB信号流展示了此类视频术语创建的方式，但忽略了某些元素，例如同步信息。图1–消费接口的通用RGB视频信号流模拟视频传输——CVBS及S-Video最初的NTSC及PAL系统所采用的单线传输系统通常称为合成视频基带信号，即CVBS。一般来说，此类系统的带宽限制低于6MHz。但需要注意，SMPTE（运动图像及电视工程师协会）的170M标准在技术上并没有以任何方式对亮度通道的带宽进行限制，仅是针对色度或色彩不同的信号进行了限制。尽管如此，由于射频传输的需要，绝大多数系统还是把带宽限制在4.2MHz。CVBS信号最为重要的电压电平需求包括了-40IRE（–286mV用于NTSC以及–300mV用于PAL）同步信号以及+100IRE（714mV用于NTSC以及700mV用于PAL）视频信号。此类电平可在标准间细微的变化，但其所示的值仍分别代表了此类信号的一般电压。事实上CVBS信号在这个140IRE的区间，具有75%的色彩饱和度。但是，许多人都忽略了色彩可达到100%的饱和度。从而使得CVBS信号有可能达到的值分别为NTSC：286mV+935mV=1.221Vpp，PAL：300mV+933.5mV=1.2335Vpp。该电压值高于其它标准的视频信号，一旦忽略，将有可能导致潜在的视频信号削波失真。CVBS信号最大的问题之一在于亮度与色度信号的组合。由于此类信号可能占据相同的频谱，因此，很难将信号彼此分离却不显露人为处理的痕迹。这就是存在众多相异的视频解码（其专业术语诸如2D、3D、3D自适应等）的梳状滤波器。但即使是采取了诸如此类的技术，在试图分离两个视频信号时，人为处理的痕迹仍然有可能，或是确实存在。消除此问题的最好办法是在最开始就不将亮度信号与色度信号合并。S-Video正是如此，且可生成比CVBS更优良的图像。S-Video的带宽与CVBS极为相似，通常低于6MHz。使用S-Video的唯一缺点是必须采用两条传输线。模拟视频传输——分量视频为了在S-Video的基础上进行改良，分量视频出现了，免除了对色度信号的调制，从而最终减少了误差。分量模拟视频保持了重要的一致亮度(Y')信息，但却分别保存了色彩差异的信息。P'B是蓝色的色彩差异信号，而非原先用于数字域色彩差异的C'B。类似的，P'R是红色的色彩差异信号，而C'R则是数字域中红色的差异。分量视频亮度的1Vpp电压幅度需求在本质上于与CVBS亮度相同。亮度同步信息为-300mV信号，视频信息为700mV信号，在同步信号电平之上。色彩差异信号可支持700mVpp，其同步信息处于电压范围的中点，而非亮度的底端。分量模拟视频(Y'P'BP'R)包括了多个差分格式。此类格式包括了标准清晰度(SD)、增强型清晰度(ED)以及高清晰度(HD)视频。SD视频包括了基于NTSC的480i(aka525i)以及基于PAL的576i(aka625i)，在此‘i’标注指代了隔行(interlaced)视频。此类视频系统具有高达6.75MHz的亮度带宽以及3.375MHz的P'B及P'R信号带宽。对于同步信息来说，除了色彩差异信号采用了中点电平之外，其余均与CVBS相同。增强型清晰度(ED)视频包括了基于NTSC的480p(aka525p)以及基于PAL的576p(aka625p)。在此‘p’标注指代了逐行扫描，因此需求更大的带宽。亮度信息限制在12MHz，同时色彩差异信息限制在6MHz。同步电平的需求与480i一致，但宽度较短(2.33usvs.4.7us)，刷新率较高。高清晰度(HD)视频包括了720p、1080i以及1080p。720p及1080i的亮度信号所具有的带宽限制为30MHz，同时其色彩差异信号的带宽限制为15MHz。1080p的亮度信号限制于60MHz，色彩差异信号限制于30MHz。SMPTE的274M及296M标准允许改变帧速率及采样速率，从而可改变此类模拟带宽，但绝大多数系统还是采用了上述的数值。在此须注意到，带宽及同步宽度可以，也确实在，随着其各自的波形而改变，毕竟针对每一信号都有诸多的须考虑选项（720p多达8个，1080i/1080p多达11个）。此类HD视频信号的电压需求与480i及480p的需求一致。亮度通道需求1Vpp，同时色彩差异通道需求700mVpp。但HD信号的同步信息却有所不同，采用了三电平(tri-level)同步。尽管如此，其底端电平仍将随着CVBS、480i及480p所依循的传统的300mV单同步(single-sync)脉冲而漂移。由于三电平同步及更快的信号率，720p的同步宽度缩短至0.54us，1080i短至0.59us，而1080p则可以缩短至0.296us。模拟视频传输——计算机及专业接口当涉及到计算机的R'G'B'视频信号时，您将面对一个信号所需求超大矩阵，该矩阵基于像素分辨率及刷新率，兼容大部分的视频电子标准协会(VESA)标准。在此须注意，在计算机领域，RGB尽管常用，但其本质属于非线性的伽玛修正信号，实际上应为R'G'B'。消费类视频信号与R'G'B'之间最大的不同点在于全部三个R'G'B'信号均需求及其一致的信号带宽。R'G'B'信号具有最高的频率需求，可超过148.5MHz（1920x1440于75Hz时），并且毫无疑问的还将更高。因此，处理能力需要充分的提升以满足上述三个超大带宽的信号。而诸如Y'P'BP'R的系统对处理能力的需求则较低（由于采用了4:2:2的处理），因此可用于较为廉价的系统。对全部三个信号的定时同步是极为重要的，否则将产生色彩偏移(colorshifting)。为产生纯净的白色，所有三个信号都必须是100%的饱和，而同时仅有的亮度信号是作为消费类信号的需求。一般来说，将亮度(brightness或Luma)从色调/饱和度、色浓度或色彩差异信息中分离处理可实现更轻松的校准。对于消费类视频信号来说，定时同步也不再像对于R'G'B'那么至关重要。计算机R'G'B'的电压需求与700mVpp的亮度信号需求大致相同。唯一的差别是其同步信号可能但不一定包含在信号中。同步信息可独立完成，在此情况下需求两根独立的信号线——水平同步线及垂直同步线。某些时候，上述两个同步信号也可合并至单个信号——H+V同步信号。大量的时间及同步信息被包含在绿色信号中——R'G'sB'。其它的时间及同步信息被包含在全部三个信号中——R'sG'sB's或sR'G'B'。当同步信号内嵌至视频信号时，其幅度为300mVpp，与传统的亮度信号一致。很明显，同步持续时间取决于信号的分辨率及刷新率。此参数可变，可从3.8us（640x480于60Hz时）缩短至0.74us(1920x1200于85Hz时)，乃至更短，例如，降低消隐(reducedblanking)的1920x1200分辨率于60Hz时需要0.208s的刷新同步。最后，在专业及广播系统中，所采用的将是G'B'R'。SMPTE分量标准规定了亮度信息将被置于第一通道，蓝色色彩差异信息被置于第二通道，而红色色彩差异信息被置于第三通道，该组成与Y'P'BP'R的命名法一致。由于亮度通道(Y')携带了同步信息，而绿色通道(G')也携带了同步信息，在此层意义上G'应排在首位。而由于蓝色色彩差异通道(P'B)居中，红色色彩差异通道(P'R)位于末尾，在此层意义上B'信号应居于第二通道而R'应居于第三通道。从而硬件可使用G'B'R'实现更好的兼容性而非R'G'B'。对于以下的每一标准——480i/525i、576i/625i、480p/525p、576p/625p、720p、1080i以及1080p来说，每个G'B'R'信号的视频及同步幅值都分别等同于Y'的需求。在此须注意，由于众多G'B'R'系统的同步被内嵌至全部三个通道，但不一定是所有的系统都如此。此类系统带宽的需求实质上等同于上述方法中SD、ED及HD标准所分别对应的亮度带宽需求。与计算机的R'G'B'信号类似，对于视频信号及其显示的校准来说，其每一信号的定时也不是那么至关重要。表1例举了视频信号的模拟需求。由于每一视频系统都有许多其它的不确定性，下列数字仅代表了最优的起始值。对于理想的最小化转换速率值来说，通式SR=(2PiF0.707Vpeak*2)采用了Vpeak表述1V(2Vpp)，并假定输出缓冲处于最差状态下，0.707作为-3dB在给定频率点上的-3dB幅值，而2倍乘缓冲的因子仅作为保障。在实际系统中，视频信号不需要从0V上升至1V（1Vppor0.5Vpeak），而更趋向于0V至700mV（350mV峰值）以实现从纯黑至纯白。对于输入缓冲器来说，其幅度是输出缓冲器所需求的一半。因此，表1中所采用的信息仅可作为起始值。*通常采用限制(limit)表述，而非需求(required)模拟滤波为何滤波甚至可用于模拟视频呢？依照最初的情形，模拟视频信号通常转换为数字视频信号，反之亦然。对于诸如DVD录像机等显示及接收设备来说，转换意味着需采用模数转换器(ADC)来实现。对于机顶盒及DVD播放器来说，转换意味着需采用数模转换器(DAC)。但不管是AD