使用4000系列數(shù)字熒光示波器進(jìn)行視頻測(cè)量(一)
引言
不管是調(diào)試視頻裝置還是設(shè)計(jì)一個(gè)新機(jī)頂盒,進(jìn)行視頻測(cè)量都是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。視頻波形非常復(fù)雜,經(jīng)常把表示視頻圖像的信號(hào)與顯示圖像所需的定時(shí)信息組合在一起。視頻信號(hào)可以采用各種不同的標(biāo)準(zhǔn)和格式,每種標(biāo)準(zhǔn)和格式都有自己的特點(diǎn)。某些視頻測(cè)量要求專用儀器,如泰克業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)波形監(jiān)測(cè)儀、視頻測(cè)量儀表和矢量顯示器。也可以使用通用示波器進(jìn)行許多常見的測(cè)量,只要該儀器擁有適當(dāng)?shù)牟杉蜏y(cè)量功能即可。
在本應(yīng)用指南中,我們將考察關(guān)鍵視頻測(cè)量問(wèn)題,說(shuō)明它們與不同類型的示波器的關(guān)系。我們還將演示怎樣使用泰克4000系列數(shù)字熒光示波器進(jìn)行常見的視頻測(cè)量。
基本視頻標(biāo)準(zhǔn)和格式
有許多不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)和格式。某些系統(tǒng)如NTSC、PAL和SECAM,已經(jīng)使用了幾十年,通常稱為“標(biāo)清”電視。比較新的系統(tǒng)如高清電視(HDTV)則通過(guò)提高圖像內(nèi)部的行數(shù)和像素?cái)?shù)量,提供了更高的清晰度。視頻信號(hào)的來(lái)源很多,包括攝像機(jī)、掃描儀和圖像終端。傳輸時(shí)在RF載波上沒有調(diào)制的信號(hào)稱為基帶視頻信號(hào),包括模擬陸地系統(tǒng)或電纜傳輸系統(tǒng)中使用的大多數(shù)視頻信號(hào)。一般來(lái)說(shuō),基帶視頻信號(hào)在開始時(shí)是三種分量模擬或數(shù)字信號(hào),代表著三原色,即紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)三種分量。這些信號(hào)通常會(huì)經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換,然后才到達(dá)電視監(jiān)視器。
圖1 標(biāo)清視頻系統(tǒng)的典型方框圖
圖1是典型的視頻系統(tǒng)方框圖。不管系統(tǒng)是標(biāo)清還是高清,其中的步驟類似。注意,在來(lái)源和目的地之間,視頻信號(hào)會(huì)多次變換格式。為設(shè)計(jì)和調(diào)試這些系統(tǒng),測(cè)試設(shè)備必須能夠考察每種格式的信號(hào)。
轉(zhuǎn)換
第一次格式變化發(fā)生在第一步,即轉(zhuǎn)換。為更容易處理,原始的RGB信號(hào)通常會(huì)轉(zhuǎn)換成三個(gè)分量信號(hào):Luma信號(hào)或Y以及從Y導(dǎo)出的兩個(gè)色差信號(hào),通常是B-Y和R-Y。
根據(jù)使用的標(biāo)準(zhǔn)或格式,可以改變色差信號(hào)。例如,對(duì)SMPTE模擬分量系統(tǒng),它們可以改變標(biāo)度,變成Pb和Pr。在NTSC合成系統(tǒng)中,色差信號(hào)的標(biāo)度變成I和Q。對(duì)PAL系統(tǒng),它們變成U和V,依此類推。一旦轉(zhuǎn)換之后,可以分配三個(gè)分量信號(hào)進(jìn)行處理。
處理
在我們旋轉(zhuǎn)電視監(jiān)視器上的控制按鈕時(shí),我們只能改變圖像的顯示方式。在視頻信號(hào)中,可以編輯、混合或改動(dòng)視頻信號(hào),準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸和查看。可以組合視頻分量信號(hào),形成一個(gè)合成視頻信號(hào)(如在NTSC、PAL或SECAM系統(tǒng)中)。它們可以保持獨(dú)立的不同分量信號(hào)(如在RGB圖像和HDTV系統(tǒng)中)。它們可以分成不同的流明和色度信號(hào)(如在Y/C系統(tǒng)中,如S-VHS或Hi-8)。它們甚至可向上變換成HDTV信號(hào)。
合成視頻
合成視頻信號(hào)是傳統(tǒng)廣播和有線電視應(yīng)用中最常見的信號(hào),之所以稱為“合成”信號(hào),是因?yàn)樗鼈儼M合成一個(gè)信號(hào)的多個(gè)信號(hào)分量。在北美和日本,NTSC標(biāo)準(zhǔn)定義了Luma(黑色和白色信息)、色度(色彩信息)和同步(定時(shí)信息)編碼成合成視頻信號(hào)的方式。在大多數(shù)其他國(guó)家中,PAL和SECAM標(biāo)準(zhǔn)提供了同樣的功能。這些標(biāo)準(zhǔn)中在一對(duì)色彩副載波上調(diào)制色度信號(hào)。然后調(diào)制的色度信號(hào)增加到流明信號(hào)中,構(gòu)成視頻信號(hào)的活動(dòng)部分。最后增加同步信息。盡管很復(fù)雜,但這種合成信號(hào)可以在一條同軸電纜上傳送,這是一種優(yōu)勢(shì)。
分量視頻
然而,電視演播室會(huì)首選分量視頻信號(hào),這些信號(hào)生成、記錄和處理起來(lái)比較簡(jiǎn)單,可以在信號(hào)上結(jié)合應(yīng)用切換、混合、特效、色彩校正、降低噪聲和其他功能。與合成視頻一樣,由于沒有編碼/解碼過(guò)程,分量視頻系統(tǒng)和設(shè)備更容易保持信號(hào)完整性,可以實(shí)現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量。分量視頻的缺點(diǎn)是必須在不同電纜上傳送信號(hào),限制了信號(hào)傳送的距離,要求認(rèn)真匹配信號(hào)路徑。
Y/C視頻
Y/C視頻是S-VHS和Betacam系統(tǒng)中使用的折中解決方案。Y/C是一種分量格式,它在一對(duì)色彩副載波上調(diào)制色度信號(hào),但色度信號(hào)會(huì)與流明信號(hào)分開。這最大限度地減少了合成系統(tǒng)的流量/色度影響,同時(shí)簡(jiǎn)化了分量系統(tǒng)的頻道間定時(shí)問(wèn)題??梢栽谝粭l專用電纜上傳送Y/C信號(hào)。
高清電視
基帶信號(hào)可以處理成(甚至最初就是)高清電視信號(hào)。很明顯,上變頻的標(biāo)清信號(hào)的質(zhì)量和清晰度不如基本高清信號(hào)。我們將在后面更詳細(xì)地介紹HDTV。
顯示
在傳輸之后,顯示步驟的目標(biāo)是準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)處理的圖像。在合成系統(tǒng)中,信號(hào)必須解碼成分量形式,然后轉(zhuǎn)換成RGB格式,以便在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示。分量視頻信號(hào)所需的處理較少,因?yàn)樗鼈兛梢灾苯愚D(zhuǎn)換成RGB信號(hào)進(jìn)行顯示。
視頻同步
為復(fù)現(xiàn)圖像,需要在水平方向和垂直方向同時(shí)掃描攝像機(jī)和視頻顯示器(參見圖2a)。在隔行掃描系統(tǒng)中,可以交替掃描屏幕上的各個(gè)水平行,先掃描奇數(shù)行,然后掃描偶數(shù)行;在逐行掃描系統(tǒng)中,可以順序掃描各行。
圖2 模擬合成基帶中的同步信號(hào)
攝像機(jī)和顯示器必須同步,以便同時(shí)掃描圖像的同一部分。這種同步由水平同步脈沖處理,這是基帶視頻信號(hào)的一部分。水平同步脈沖開始水平掃描,在水平消隱間隔中,光束返回屏幕的左側(cè),等待水平同步脈沖,然后掃描另一行。這稱為“水平回掃”(參見圖2b)。
在波束到達(dá)屏幕底部時(shí),它必須返回頂部,開始下一個(gè)場(chǎng)或幀,這稱為“垂直回掃”,其使用垂直同步脈沖傳送信號(hào)(參見圖2c)。垂直回掃所用的時(shí)間要比水平回掃長(zhǎng),因此采用更長(zhǎng)的同步間隔,即“垂直消隱間隔”。在水平或垂直消隱間隔中,在視頻屏幕上不寫入任何信息。
每種視頻標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了一系列同步信號(hào),控制著視頻信號(hào)的顯示方式。PAL信號(hào)每秒25次顯示一個(gè)視頻幀,一個(gè)幀中包含625個(gè)視頻行。NTSC信號(hào)每秒30次顯示一個(gè)視頻幀,一個(gè)幀中只包含525個(gè)視頻行。某些高清計(jì)算機(jī)監(jiān)視器以每秒72次的幀速率顯示1000多行。分量信號(hào)也需要定時(shí)信號(hào),同步通常與其中一個(gè)分量相結(jié)合(如綠色頻道)。
高清電視
上面我們一直重點(diǎn)介紹典型的標(biāo)清系統(tǒng),如NTSC和PAL。通過(guò)在圖像內(nèi)部提高行數(shù)和像素?cái)?shù),高清電視提供了更高的清晰度。有許多HDTV標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)的名稱反映了各自的特點(diǎn)。其中,第一部分指明信號(hào)中存在的活動(dòng)行數(shù),第二部分指明圖像是隔行掃描(i)、逐行掃描(p)還是稱為分段幀的組合掃描方式(sF),最后一部分指明格式的場(chǎng)(適用于隔行掃描信號(hào))或幀速率(適用于逐行掃描信號(hào)),規(guī)定一秒內(nèi)顯示的圖像數(shù)量。
HDTV同步
標(biāo)清信號(hào)采用雙電平同步信號(hào),允許電路鎖定電視信號(hào)的行和場(chǎng)速率。圖3a顯示了NTSC基帶視頻信號(hào)的水平消隱部分及其雙電平水平同步脈沖。
圖3a NTSC基帶視頻波形的水平消隱部分
圖3b HDTV基帶視頻波形,顯示三電平同步脈沖
但是HDTV使用三電平同步信號(hào),如圖3b所示。脈沖中包含三個(gè)電平:-300mv、0mv和+300mv,定時(shí)間隔取決于相應(yīng)HDTV格式的時(shí)鐘速率。4000系列的定時(shí)和電壓光標(biāo)可以簡(jiǎn)便地測(cè)量這些參數(shù)。
測(cè)試設(shè)置要求
在考察怎樣測(cè)量視頻信號(hào)之前,我們先考察一下可以怎樣最好地使用測(cè)量工具,有效測(cè)試各種應(yīng)用。
選擇適當(dāng)?shù)氖静ㄆ?/STRONG>
示波器是通用的測(cè)試儀器,它們使用兩個(gè)維度表示信號(hào),允許我們?cè)跁r(shí)域中“查看”波形。并不是所有示波器都是一樣的,但是,某些示波器更適合視頻應(yīng)用。
模擬示波器還是數(shù)字存儲(chǔ)示波器
過(guò)去,設(shè)計(jì)人員和工程師只能選擇兩種示波器:模擬實(shí)時(shí)示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)。由于每種示波器都有自己的優(yōu)點(diǎn),因此許多用戶會(huì)盡量同時(shí)擁有兩種示波器。模擬示波器捕獲速率快,提供了輝度等級(jí)顯示,為波形提供了實(shí)時(shí)“統(tǒng)計(jì)”維度。變化的亮度清楚地顯示信號(hào)不同部分的發(fā)生頻率。資深用戶可以迅速檢定信號(hào)質(zhì)量,確定異常事件,在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)獲得實(shí)時(shí)反饋。
數(shù)字存儲(chǔ)示波器有自己的優(yōu)點(diǎn)。DSO提供了自動(dòng)測(cè)量、完善的觸發(fā)、波形存儲(chǔ)和硬拷貝功能,而這些功能都是模擬儀器所不具備的。但是,DSO也有缺點(diǎn)。DSO依賴信號(hào)處理結(jié)構(gòu),在信號(hào)采集過(guò)程的每一步中都要求微處理器干預(yù)(參見圖4)。DSO捕獲速率太慢,不能準(zhǔn)確地繪制復(fù)雜的視頻信號(hào),它們?nèi)鄙僬{(diào)試必需的輝度等級(jí)信息。
圖4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)的串行處理結(jié)構(gòu)
數(shù)字熒光替代方案
對(duì)于示波器,用戶還有第三個(gè)選擇:數(shù)字熒光示波器(DPO)。數(shù)字熒光示波器同時(shí)融合了模擬示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的優(yōu)勢(shì)。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到完善的觸發(fā)功能,DPO提供了DSO的所有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。此外,它們使用三個(gè)維度捕獲和顯示波形信息,即幅度、時(shí)間、幅度在時(shí)間上的分布,這在很大程度上與模擬示波器類似。DPO以數(shù)字方式仿真化學(xué)熒光工藝,在模擬示波器的CRT中創(chuàng)建輝度等級(jí)。其結(jié)果是一個(gè)實(shí)時(shí)顯示畫面,復(fù)現(xiàn)信號(hào)功能豐富的特點(diǎn)。DPO可以以無(wú)可比擬的方式查看視頻信號(hào)細(xì)微的行為模式和動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。DPO的長(zhǎng)處在于其并行處理結(jié)構(gòu)(參見圖5)。DPO把數(shù)字化波形數(shù)據(jù)光柵化成稱為數(shù)字熒光的數(shù)據(jù)庫(kù)。大約每隔1/30秒,數(shù)字熒光中存儲(chǔ)的信號(hào)圖像快照就會(huì)直接發(fā)送到顯示系統(tǒng)。同時(shí),與集成式采集/顯示系統(tǒng)平行的微處理器會(huì)執(zhí)行波形數(shù)學(xué)運(yùn)算、測(cè)量和前面板控制。這種波形數(shù)據(jù)直接光柵化及直接復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器,消除了DSO常見的數(shù)據(jù)處理瓶頸。
圖5 數(shù)字熒光示波器(DPO)的并行處理結(jié)構(gòu)
某些高級(jí)DPO擁有DPX波形成像處理器,大大提高了示波器的波形捕獲速率。這種專有的ASIC使得4000系列能夠以每秒最快35 000個(gè)波形的速率捕獲波形。這種快速波形捕獲速率使得用戶能夠最大限度地洞察信號(hào)活動(dòng),提高了發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)問(wèn)題的概率,如欠幅脈沖、毛刺和跳變錯(cuò)誤。某些DSO則提供了專用模式,把多個(gè)捕獲的突發(fā)信號(hào)保存至長(zhǎng)存儲(chǔ)器中,然后是一個(gè)顯示周期,兩者相互交替。這可以臨時(shí)提供每秒20 000~40 000個(gè)波形的傳送速率,但在處理和顯示波形數(shù)據(jù)時(shí)有明顯的死區(qū)時(shí)間。這種性能水平根本比不上DPO實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性能。
與DPO一樣,模擬示波器也有波形捕獲速率快和輝度等級(jí)顯示的特點(diǎn)。遺憾的是,模擬示波器缺少DSO和DPO提供的許多基本功能,如自動(dòng)測(cè)量、高級(jí)觸發(fā)、波形數(shù)學(xué)運(yùn)算和波形存儲(chǔ)。事實(shí)上,DPO融合了模擬示波器結(jié)構(gòu)和DSO結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。
基本示波器指標(biāo)
示波器第一個(gè)常用指標(biāo)是帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),示波器的模擬帶寬至少應(yīng)該是信號(hào)帶寬的五倍,才能保證準(zhǔn)確地顯示信號(hào)。(估算信號(hào)帶寬的方式之一是用0.35除以最快信號(hào)成分的10%~90%上升時(shí)間)例如,HDTV信號(hào)的帶寬一般是30MHz,因此,HDTV使用的示波器的帶寬至少應(yīng)該是150MHz。泰克4000系列示波器提供了高達(dá)1GHz的帶寬。
采樣率表明了對(duì)信號(hào)采樣的速度。為使用sin(x)/x內(nèi)插準(zhǔn)確地重建信號(hào),示波器的采樣率至少應(yīng)該是信號(hào)最高頻率成分的2.5倍。如果使用線性內(nèi)插,那么采樣率至少應(yīng)該是最高頻率信號(hào)成分的10倍。4000系列示波器采用sin(x)/x內(nèi)插,采樣率高達(dá)5GS/s,可以準(zhǔn)確地表示最復(fù)雜的視頻標(biāo)準(zhǔn)。
示波器的波形捕獲速率表明了信號(hào)的采集速度(單位為波形/秒)。如前所述,大多數(shù)傳統(tǒng)DSO的信號(hào)捕獲速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模擬示波器或DPO。速率較低可能會(huì)隱藏異常信號(hào),降低分析結(jié)果的可信度。4000系列的最大波形捕獲速率為35 000波形/秒,可以以豐富的信息實(shí)際顯示視頻信號(hào)。
數(shù)字示波器的記錄長(zhǎng)度用構(gòu)成一個(gè)完整的波形記錄的點(diǎn)數(shù)表示,決定著每條通道可以捕獲的數(shù)據(jù)量。由于示波器只能存儲(chǔ)數(shù)量有限的樣點(diǎn),因此波形周期(時(shí)間)與示波器的采樣率成反比。如果示波器的記錄長(zhǎng)度較短,用戶會(huì)被迫在信號(hào)細(xì)節(jié)和記錄長(zhǎng)度之間或在采樣率和采集的時(shí)間周期之間進(jìn)行折中。用戶可以在較短的時(shí)間周期內(nèi)采集詳細(xì)的信號(hào)信息,也可以加長(zhǎng)時(shí)間周期,但采集信號(hào)的詳細(xì)程度會(huì)下降。幸運(yùn)的是,4000系列在所有通道上標(biāo)配10M樣點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度,可以捕獲很長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)活動(dòng),而不會(huì)降低信號(hào)的詳細(xì)程度。
表1 4000系列支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)
示波器的主要視頻測(cè)量功能
輝度等級(jí)顯示
前面我們已經(jīng)說(shuō)過(guò),許多視頻工程師面臨的最關(guān)鍵的顯示問(wèn)題是輝度等級(jí)顯示。用戶熟悉的模擬示波器和波形監(jiān)測(cè)儀的這種特點(diǎn)會(huì)通過(guò)改變顯示的樣點(diǎn)輝度,來(lái)顯示信號(hào)的統(tǒng)計(jì)行為。4000系列DPO提供了這種輝度等級(jí)顯示。它們透過(guò)定性輝度信息,提供深入的洞察能力,用戶可以看到細(xì)微的細(xì)節(jié)和信號(hào)變化。
視頻觸發(fā)
在分析視頻波形時(shí),第一步是獲得穩(wěn)定的顯示。在捕獲和分析信號(hào)前,必須先在這個(gè)信號(hào)上觸發(fā)示波器。4000系列標(biāo)配NTSC、PAL和SECAM標(biāo)準(zhǔn)視頻觸發(fā)功能,大大簡(jiǎn)化了這一工作。
選配的DPO4VID模塊增加了對(duì)各種模擬HDTV標(biāo)準(zhǔn)的支持。它根據(jù)活動(dòng)行數(shù)、掃描類型和幀或場(chǎng)速率識(shí)別HDTV格式。表1匯總了4000系列支持的標(biāo)配和選配視頻格式。
一旦選擇了視頻格式,下一步是指定希望觸發(fā)的項(xiàng)目。4000系列提供了各種選項(xiàng),包括偶數(shù)場(chǎng)、奇數(shù)場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數(shù),如圖6所示。
圖6 4000系列的視頻觸發(fā)功能可以方便地選擇視頻標(biāo)準(zhǔn)、來(lái)源、觸發(fā)分量、極性和觸發(fā)釋抑設(shè)置。在本例中,示波器已經(jīng)觸發(fā)了NTSC信號(hào)奇數(shù)場(chǎng)的第39行
自定義視頻觸發(fā)
并不是每個(gè)視頻系統(tǒng)都符合NTSC、PAL、SECAM或HDTV格式。作為一項(xiàng)規(guī)則,計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)視器、媒體顯示器、安全攝像機(jī)和其他自含式系統(tǒng)并不是為直接接口廣播視頻設(shè)備設(shè)計(jì)的,可能不符合普通的525行或625行標(biāo)準(zhǔn)。4000系列通過(guò)自定義視頻觸發(fā)功能,為這些應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的解決方案。自定義視頻觸發(fā)要求一些測(cè)量簡(jiǎn)便的輸入?yún)?shù),以便知道要查找什么項(xiàng)目。為測(cè)量這些參數(shù),先從邊沿觸發(fā)模式入手,運(yùn)行觸發(fā)電平,直到觸發(fā)視頻信號(hào)負(fù)的同步脈沖。調(diào)節(jié)示波器的垂直控制和水平控制功能,有效地查看同步脈沖。示波器要指定的第一個(gè)項(xiàng)目是視頻信號(hào)使用雙電平同步脈沖還是三電平同步脈沖(參見圖3a和圖3b)。如果是雙電平,那么使用光標(biāo)測(cè)量同步脈沖的寬度。然后提高時(shí)間/格設(shè)置,直到兩個(gè)視頻行的同步脈沖都位于示波器顯示屏上,然后再使用光標(biāo),測(cè)量同步脈沖之間的時(shí)間。最后,指定視頻信號(hào)是逐行掃描還是隔行掃描。一旦指定了這幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù),4000系列可以在自定義(非標(biāo)準(zhǔn))視頻信號(hào)上觸發(fā)偶數(shù)場(chǎng)、奇數(shù)場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數(shù)(4~3000)。
視頻自動(dòng)設(shè)置
許多示波器用戶已經(jīng)習(xí)慣使用前面板上的Autoset按鈕,讓示波器自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直、水平和邊沿觸發(fā)參數(shù),有效顯示各種信號(hào)。遺憾的是,這些自動(dòng)設(shè)置功能在過(guò)去一般不能用于復(fù)雜的視頻信號(hào)。然而,4000系列自動(dòng)設(shè)置功能可以識(shí)別視頻信號(hào),設(shè)置示波器,以最佳方式查看信號(hào)。例如,用戶只需把1080i/60 HDTV色條信號(hào)連接通道1上,按Autoset,就可以獲得圖7所示的顯示畫面。注意Autoset功能還會(huì)啟動(dòng)一個(gè)側(cè)面菜單,允許迅速選擇觸發(fā)行還是場(chǎng)等。
視頻格線
圖7中顯示的另一個(gè)易用功能是視頻格線。自動(dòng)設(shè)置功能自動(dòng)為NTSC信號(hào)激活I(lǐng)RE格線,為所有其他視頻信號(hào)激活mV格線。此外,它自動(dòng)把垂直標(biāo)度設(shè)置成114mV/div,為格線相應(yīng)地定標(biāo)信號(hào)。在觸發(fā)類型設(shè)置為視頻時(shí),對(duì)每條模擬通道,114mv/div垂直標(biāo)度設(shè)置會(huì)插入正常的1-2-5序列中,可以簡(jiǎn)便地定標(biāo)視頻信號(hào),以轉(zhuǎn)換整個(gè)顯示畫面,最大限度地提高查看的簡(jiǎn)便性和準(zhǔn)確性。(未完待續(xù))
評(píng)論