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使用4000系列数字荧光示波器进行视频测量(一)




关键词:

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即可。


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泰克4000系列数字荧光示波器进行常见的视频测量。

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 标清视频系统的典型方框图


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以及从Y导出的两个色差信号,通常是B-Y和R-Y。


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


在我们旋转电视监视器上的控制按钮时,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。在大多数其他国家中,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、降低噪声和其他功能。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系统中使用的折中解决方案。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,以便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。


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)。在隔行扫描系统中,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;在逐行扫描系统中,可以顺序扫描各行。

图2 模拟合成基带中的同步信号


摄像机和显示器必须同步,以便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)。


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。

图3a NTSC基带视频波形的水平消隐部分

图3b HDTV基带视频波形,显示三电平同步脉冲


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。

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。

图4 数字存储示波器(DSO)的串行处理结构


数字荧光替代方案


对于示波器,用户还有第三个选择:数字荧光示波器(DPO)。数字荧光示波器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接发送到显示系统。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。

图5 数字荧光示波器(DPO)的并行处理结构


某些高级DPO拥有DPX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保存至长存储器中,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


示波器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,才能保证准确地显示信号。(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使用的示波器的带宽至少应该是150MHz。泰克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。


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系列的最大波形捕获速率为35 000波形/秒,可以以丰富的信息实际显示视频信号。


数字示波器的记录长度用构成一个完整的波形记录的点数表示,决定着每条通道可以捕获的数据量。由于示波器只能存储数量有限的样点,因此波形周期(时间)与示波器的采样率成反比。如果示波器的记录长度较短,用户会被迫在信号细节和记录长度之间或在采样率和采集的时间周期之间进行折中。用户可以在较短的时间周期内采集详细的信号信息,也可以加长时间周期,但采集信号的详细程度会下降。幸运的是,4000系列在所有通道上标配10M样点的记录长度,可以捕获很长时间的信号活动,而不会降低信号的详细程度。

表1 4000系列支持的视频标准

示波器的主要视频测量功能


辉度等级显示


前面我们已经说过,许多视频工程师面临的最关键的显示问题是辉度等级显示。用户熟悉的模拟示波器和波形监测仪的这种特点会通过改变显示的样点辉度,来显示信号的统计行为。4000系列DPO提供了这种辉度等级显示。它们透过定性辉度信息,提供深入的洞察能力,用户可以看到细微的细节和信号变化。


视频触发


在分析视频波形时,第一步是获得稳定的显示。在捕获和分析信号前,必须先在这个信号上触发示波器。4000系列标配NTSC、PAL和SECAM标准视频触发功能,大大简化了这一工作。


选配的DPO4VID模块增加了对各种模拟HDTV标准的支持。它根据活动行数、扫描类型和帧或场速率识别HDTV格式。表1汇总了4000系列支持的标配和选配视频格式。


一旦选择了视频格式,下一步是指定希望触发的项目。4000系列提供了各种选项,包括偶数场、奇数场、所有场、所有行或行数,如图6所示。

图6 4000系列的视频触发功能可以方便地选择视频标准、来源、触发分量、极性和触发释抑设置。在本例中,示波器已经触发了NTSC信号奇数场的第39行


自定义视频触发


并不是每个视频系统都符合NTSC、PAL、SECAM或HDTV格式。作为一项规则,计算机视频监视器、媒体显示器、安全摄像机和其他自含式系统并不是为直接接口广播视频设备设计的,可能不符合普通的525行或625行标准。4000系列通过自定义视频触发功能,为这些应用提供了一个简便的解决方案。自定义视频触发要求一些测量简便的输入参数,以便知道要查找什么项目。为测量这些参数,先从边沿触发模式入手,运行触发电平,直到触发视频信号负的同步脉冲。调节示波器的垂直控制和水平控制功能,有效地查看同步脉冲。示波器要指定的第一个项目是视频信号使用双电平同步脉冲还是三电平同步脉冲(参见图3a和图3b)。如果是双电平,那么使用光标测量同步脉冲的宽度。然后提高时间/格设置,直到两个视频行的同步脉冲都位于示波器显示屏上,然后再使用光标,测量同步脉冲之间的时间。最后,指定视频信号是逐行扫描还是隔行扫描。一旦指定了这几个简单的参数,4000系列可以在自定义(非标准)视频信号上触发偶数场、奇数场、所有场、所有行或行数(4~3000)。


视频自动设置


许多示波器用户已经习惯使用前面板上的Autoset按钮,让示波器自动调节垂直、水平和边沿触发参数,有效显示各种信号。遗憾的是,这些自动设置功能在过去一般不能用于复杂的视频信号。然而,4000系列自动设置功能可以识别视频信号,设置示波器,以最佳方式查看信号。例如,用户只需把1080i/60 HDTV色条信号连接通道1上,按Autoset,就可以获得图7所示的显示画面。注意Autoset功能还会启动一个侧面菜单,允许迅速选择触发行还是场等。


视频格线


图7中显示的另一个易用功能是视频格线。自动设置功能自动为NTSC信号激活IRE格线,为所有其他视频信号激活mV格线。此外,它自动把垂直标度设置成114mV/div,为格线相应地定标信号。在触发类型设置为视频时,对每条模拟通道,114mv/div垂直标度设置会插入正常的1-2-5序列中,可以简便地定标视频信号,以转换整个显示画面,最大限度地提高查看的简便性和准确性。(未完待续)

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