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用4000系列数字荧光示波器进行视频测量

2007/11/27/10:03 来源:慧聪教育装备网

    引言

    不管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。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 标清视频系统的典型方框图

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    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(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

图2模拟合成基带中的同步信号

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    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,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3a NTSC基带视频波形的水平消隐部分

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    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

图4数字存储示波器(DSO)的串行处理结构

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    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

图5 数字荧光示波器(DPO)的并行处理结构

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    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35000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20000~40000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。

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