使用4000系列數字熒光示波器進(jìn)行視頻測量(一)

引言

不管是調試視頻裝置還是設計一個(gè)新機頂盒，進(jìn)行視頻測量都是一個(gè)主要挑戰。視頻波形非常復雜，經(jīng)常把表示視頻圖像的信號與顯示圖像所需的定時(shí)信息組合在一起。視頻信號可以采用各種不同的標準和格式，每種標準和格式都有自己的特點(diǎn)。某些視頻測量要求專(zhuān)用儀器，如泰克業(yè)界標準波形監測儀、視頻測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(jiàn)的測量，只要該儀器擁有適當的采集和測量功能即可。

在本應用指南中，我們將考察關(guān)鍵視頻測量問(wèn)題，說(shuō)明它們與不同類(lèi)型的示波器的關(guān)系。我們還將演示怎樣使用泰克4000系列數字熒光示波器進(jìn)行常見(jiàn)的視頻測量。

基本視頻標準和格式

有許多不同的視頻標準和格式。某些系統如NTSC、PAL和SECAM，已經(jīng)使用了幾十年，通常稱(chēng)為“標清”電視。比較新的系統如高清電視(HDTV)則通過(guò)提高圖像內部的行數和像素數量，提供了更高的清晰度。視頻信號的來(lái)源很多，包括攝像機、掃描儀和圖像終端。傳輸時(shí)在RF載波上沒(méi)有調制的信號稱(chēng)為基帶視頻信號，包括模擬陸地系統或電纜傳輸系統中使用的大多數視頻信號。一般來(lái)說(shuō)，基帶視頻信號在開(kāi)始時(shí)是三種分量模擬或數字信號，代表著(zhù)三原色，即紅色、綠色和藍色(RGB)三種分量。這些信號通常會(huì )經(jīng)過(guò)多次轉換，然后才到達電視監視器。

圖1 標清視頻系統的典型方框圖

圖1是典型的視頻系統方框圖。不管系統是標清還是高清，其中的步驟類(lèi)似。注意，在來(lái)源和目的地之間，視頻信號會(huì )多次變換格式。為設計和調試這些系統，測試設備必須能夠考察每種格式的信號。

轉換

第一次格式變化發(fā)生在第一步，即轉換。為更容易處理，原始的RGB信號通常會(huì )轉換成三個(gè)分量信號：Luma信號或Y以及從Y導出的兩個(gè)色差信號，通常是B-Y和R-Y。

根據使用的標準或格式，可以改變色差信號。例如，對SMPTE模擬分量系統，它們可以改變標度，變成Pb和Pr。在NTSC合成系統中，色差信號的標度變成I和Q。對PAL系統，它們變成U和V，依此類(lèi)推。一旦轉換之后，可以分配三個(gè)分量信號進(jìn)行處理。

處理

在我們旋轉電視監視器上的控制按鈕時(shí)，我們只能改變圖像的顯示方式。在視頻信號中，可以編輯、混合或改動(dòng)視頻信號，準備進(jìn)行傳輸和查看?？梢越M合視頻分量信號，形成一個(gè)合成視頻信號(如在NTSC、PAL或SECAM系統中)。它們可以保持獨立的不同分量信號(如在RGB圖像和HDTV系統中)。它們可以分成不同的流明和色度信號(如在Y/C系統中，如S-VHS或Hi-8)。它們甚至可向上變換成HDTV信號。

合成視頻

合成視頻信號是傳統廣播和有線(xiàn)電視應用中最常見(jiàn)的信號，之所以稱(chēng)為“合成”信號，是因為它們包含組合成一個(gè)信號的多個(gè)信號分量。在北美和日本，NTSC標準定義了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的方式。在大多數其他國家中，PAL和SECAM標準提供了同樣的功能。這些標準中在一對色彩副載波上調制色度信號。然后調制的色度信號增加到流明信號中，構成視頻信號的活動(dòng)部分。最后增加同步信息。盡管很復雜，但這種合成信號可以在一條同軸電纜上傳送，這是一種優(yōu)勢。

分量視頻

然而，電視演播室會(huì )首選分量視頻信號，這些信號生成、記錄和處理起來(lái)比較簡(jiǎn)單，可以在信號上結合應用切換、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(méi)有編碼/解碼過(guò)程，分量視頻系統和設備更容易保持信號完整性，可以實(shí)現更高的圖像質(zhì)量。分量視頻的缺點(diǎn)是必須在不同電纜上傳送信號，限制了信號傳送的距離，要求認真匹配信號路徑。

Y/C視頻

Y/C視頻是S-VHS和Betacam系統中使用的折中解決方案。Y/C是一種分量格式，它在一對色彩副載波上調制色度信號，但色度信號會(huì )與流明信號分開(kāi)。這最大限度地減少了合成系統的流量/色度影響，同時(shí)簡(jiǎn)化了分量系統的頻道間定時(shí)問(wèn)題?？梢栽谝粭l專(zhuān)用電纜上傳送Y/C信號。

高清電視

基帶信號可以處理成(甚至最初就是)高清電視信號。很明顯，上變頻的標清信號的質(zhì)量和清晰度不如基本高清信號。我們將在后面更詳細地介紹HDTV。

顯示

在傳輸之后，顯示步驟的目標是準確地復現處理的圖像。在合成系統中，信號必須解碼成分量形式，然后轉換成RGB格式，以便在監視器上進(jìn)行顯示。分量視頻信號所需的處理較少，因為它們可以直接轉換成RGB信號進(jìn)行顯示。

視頻同步

為復現圖像，需要在水平方向和垂直方向同時(shí)掃描攝像機和視頻顯示器(參見(jiàn)圖2a)。在隔行掃描系統中，可以交替掃描屏幕上的各個(gè)水平行，先掃描奇數行，然后掃描偶數行；在逐行掃描系統中，可以順序掃描各行。

圖2 模擬合成基帶中的同步信號

攝像機和顯示器必須同步，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，這是基帶視頻信號的一部分。水平同步脈沖開(kāi)始水平掃描，在水平消隱間隔中，光束返回屏幕的左側，等待水平同步脈沖，然后掃描另一行。這稱(chēng)為“水平回掃”(參見(jiàn)圖2b)。

在波束到達屏幕底部時(shí)，它必須返回頂部，開(kāi)始下一個(gè)場(chǎng)或幀，這稱(chēng)為“垂直回掃”，其使用垂直同步脈沖傳送信號(參見(jiàn)圖2c)。垂直回掃所用的時(shí)間要比水平回掃長(cháng)，因此采用更長(cháng)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(xiě)入任何信息。

每種視頻標準都規定了一系列同步信號，控制著(zhù)視頻信號的顯示方式。PAL信號每秒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。某些高清計算機監視器以每秒72次的幀速率顯示1000多行。分量信號也需要定時(shí)信號，同步通常與其中一個(gè)分量相結合(如綠色頻道)。

高清電視

上面我們一直重點(diǎn)介紹典型的標清系統，如NTSC和PAL。通過(guò)在圖像內部提高行數和像素數，高清電視提供了更高的清晰度。有許多HDTV標準，標準的名稱(chēng)反映了各自的特點(diǎn)。其中，第一部分指明信號中存在的活動(dòng)行數，第二部分指明圖像是隔行掃描(i)、逐行掃描(p)還是稱(chēng)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)或幀速率(適用于逐行掃描信號)，規定一秒內顯示的圖像數量。

HDTV同步

標清信號采用雙電平同步信號，允許電路鎖定電視信號的行和場(chǎng)速率。圖3a顯示了NTSC基帶視頻信號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，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HDTV格式的時(shí)鐘速率。4000系列的定時(shí)和電壓光標可以簡(jiǎn)便地測量這些參數。

測試設置要求

在考察怎樣測量視頻信號之前，我們先考察一下可以怎樣最好地使用測量工具，有效測試各種應用。

選擇適當的示波器

示波器是通用的測試儀器，它們使用兩個(gè)維度表示信號，允許我們在時(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用。

模擬示波器還是數字存儲示波器

過(guò)去，設計人員和工程師只能選擇兩種示波器：模擬實(shí)時(shí)示波器和數字存儲示波器(DSO)。由于每種示波器都有自己的優(yōu)點(diǎn)，因此許多用戶(hù)會(huì )盡量同時(shí)擁有兩種示波器。模擬示波器捕獲速率快，提供了輝度等級顯示，為波形提供了實(shí)時(shí)“統計”維度。變化的亮度清楚地顯示信號不同部分的發(fā)生頻率。資深用戶(hù)可以迅速檢定信號質(zhì)量，確定異常事件，在調節系統時(shí)獲得實(shí)時(shí)反饋。

數字存儲示波器有自己的優(yōu)點(diǎn)。DSO提供了自動(dòng)測量、完善的觸發(fā)、波形存儲和硬拷貝功能，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(lài)信號處理結構，在信號采集過(guò)程的每一步中都要求微處理器干預(參見(jiàn)圖4)。DSO捕獲速率太慢，不能準確地繪制復雜的視頻信號，它們缺少調試必需的輝度等級信息。

圖4 數字存儲示波器(DSO)的串行處理結構

數字熒光替代方案

對于示波器，用戶(hù)還有第三個(gè)選擇：數字熒光示波器(DPO)。數字熒光示波器同時(shí)融合了模擬示波器和數字存儲示波器的優(yōu)勢。從數據存儲到完善的觸發(fā)功能，DPO提供了DSO的所有傳統優(yōu)勢。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(lèi)似。DPO以數字方式仿真化學(xué)熒光工藝，在模擬示波器的CRT中創(chuàng )建輝度等級。其結果是一個(gè)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面，復現信號功能豐富的特點(diǎn)。DPO可以以無(wú)可比擬的方式查看視頻信號細微的行為模式和動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。DPO的長(cháng)處在于其并行處理結構(參見(jiàn)圖5)。DPO把數字化波形數據光柵化成稱(chēng)為數字熒光的數據庫。大約每隔1/30秒，數字熒光中存儲的信號圖像快照就會(huì )直接發(fā)送到顯示系統。同時(shí)，與集成式采集/顯示系統平行的微處理器會(huì )執行波形數學(xué)運算、測量和前面板控制。這種波形數據直接光柵化及直接復制到顯示存儲器，消除了DSO常見(jiàn)的數據處理瓶頸。

圖5 數字熒光示波器(DPO)的并行處理結構

某些高級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(zhuān)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(hù)能夠最大限度地洞察信號活動(dòng)，提高了發(fā)現瞬態(tài)信號問(wèn)題的概率，如欠幅脈沖、毛刺和跳變錯誤。某些DSO則提供了專(zhuān)用模式，把多個(gè)捕獲的突發(fā)信號保存至長(cháng)存儲器中，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據時(shí)有明顯的死區時(shí)間。這種性能水平根本比不上DPO實(shí)現的實(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)測量、高級觸發(fā)、波形數學(xué)運算和波形存儲。事實(shí)上，DPO融合了模擬示波器結構和DSO結構的優(yōu)勢，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。

基本示波器指標

示波器第一個(gè)常用指標是帶寬。根據經(jīng)驗，示波器的模擬帶寬至少應該是信號帶寬的五倍，才能保證準確地顯示信號。(估算信號帶寬的方式之一是用0.35除以最快信號成分的10%～90%上升時(shí)間)例如，HDTV信號的帶寬一般是30MHz，因此，HDTV使用的示波器的帶寬至少應該是150MHz。泰克4000系列示波器提供了高達1GHz的帶寬。
采樣率表明了對信號采樣的速度。為使用sin(x)/x內插準確地重建信號，示波器的采樣率至少應該是信號最高頻率成分的2.5倍。如果使用線(xiàn)性?xún)炔?，那么采樣率至少應該是最高頻率信號成分的10倍。4000系列示波器采用sin(x)/x內插，采樣率高達5GS/s，可以準確地表示最復雜的視頻標準。

示波器的波形捕獲速率表明了信號的采集速度(單位為波形/秒)。如前所述，大多數傳統DSO的信號捕獲速率要遠遠低于模擬示波器或DPO。速率較低可能會(huì )隱藏異常信號，降低分析結果的可信度。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。

數字示波器的記錄長(cháng)度用構成一個(gè)完整的波形記錄的點(diǎn)數表示，決定著(zhù)每條通道可以捕獲的數據量。由于示波器只能存儲數量有限的樣點(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(cháng)度較短，用戶(hù)會(huì )被迫在信號細節和記錄長(cháng)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(hù)可以在較短的時(shí)間周期內采集詳細的信號信息，也可以加長(cháng)時(shí)間周期，但采集信號的詳細程度會(huì )下降。幸運的是，4000系列在所有通道上標配10M樣點(diǎn)的記錄長(cháng)度，可以捕獲很長(cháng)時(shí)間的信號活動(dòng)，而不會(huì )降低信號的詳細程度。

表1 4000系列支持的視頻標準

示波器的主要視頻測量功能

輝度等級顯示

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)題是輝度等級顯示。用戶(hù)熟悉的模擬示波器和波形監測儀的這種特點(diǎn)會(huì )通過(guò)改變顯示的樣點(diǎn)輝度，來(lái)顯示信號的統計行為。4000系列DPO提供了這種輝度等級顯示。它們透過(guò)定性輝度信息，提供深入的洞察能力，用戶(hù)可以看到細微的細節和信號變化。

視頻觸發(fā)

在分析視頻波形時(shí)，第一步是獲得穩定的顯示。在捕獲和分析信號前，必須先在這個(gè)信號上觸發(fā)示波器。4000系列標配N(xiāo)TSC、PAL和SECAM標準視頻觸發(fā)功能，大大簡(jiǎn)化了這一工作。

選配的DPO4VID模塊增加了對各種模擬HDTV標準的支持。它根據活動(dòng)行數、掃描類(lèi)型和幀或場(chǎng)速率識別HDTV格式。表1匯總了4000系列支持的標配和選配視頻格式。

一旦選擇了視頻格式，下一步是指定希望觸發(fā)的項目。4000系列提供了各種選項，包括偶數場(chǎng)、奇數場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數，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準、來(lái)源、觸發(fā)分量、極性和觸發(fā)釋抑設置。在本例中，示波器已經(jīng)觸發(fā)了NTSC信號奇數場(chǎng)的第39行

自定義視頻觸發(fā)

并不是每個(gè)視頻系統都符合NTSC、PAL、SECAM或HDTV格式。作為一項規則，計算機視頻監視器、媒體顯示器、安全攝像機和其他自含式系統并不是為直接接口廣播視頻設備設計的，可能不符合普通的525行或625行標準。4000系列通過(guò)自定義視頻觸發(fā)功能，為這些應用提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的解決方案。自定義視頻觸發(fā)要求一些測量簡(jiǎn)便的輸入參數，以便知道要查找什么項目。為測量這些參數，先從邊沿觸發(fā)模式入手，運行觸發(fā)電平，直到觸發(fā)視頻信號負的同步脈沖。調節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)項目是視頻信號使用雙電平同步脈沖還是三電平同步脈沖(參見(jiàn)圖3a和圖3b)。如果是雙電平，那么使用光標測量同步脈沖的寬度。然后提高時(shí)間/格設置，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，測量同步脈沖之間的時(shí)間。最后，指定視頻信號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，4000系列可以在自定義(非標準)視頻信號上觸發(fā)偶數場(chǎng)、奇數場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數(4～3000)。

視頻自動(dòng)設置

許多示波器用戶(hù)已經(jīng)習慣使用前面板上的Autoset按鈕，讓示波器自動(dòng)調節垂直、水平和邊沿觸發(fā)參數，有效顯示各種信號。遺憾的是，這些自動(dòng)設置功能在過(guò)去一般不能用于復雜的視頻信號。然而，4000系列自動(dòng)設置功能可以識別視頻信號，設置示波器，以最佳方式查看信號。例如，用戶(hù)只需把1080i/60 HDTV色條信號連接通道1上，按Autoset，就可以獲得圖7所示的顯示畫(huà)面。注意Autoset功能還會(huì )啟動(dòng)一個(gè)側面菜單，允許迅速選擇觸發(fā)行還是場(chǎng)等。

視頻格線(xiàn)

圖7中顯示的另一個(gè)易用功能是視頻格線(xiàn)。自動(dòng)設置功能自動(dòng)為NTSC信號激活I(lǐng)RE格線(xiàn)，為所有其他視頻信號激活mV格線(xiàn)。此外，它自動(dòng)把垂直標度設置成114mV/div，為格線(xiàn)相應地定標信號。在觸發(fā)類(lèi)型設置為視頻時(shí)，對每條模擬通道，114mv/div垂直標度設置會(huì )插入正常的1-2-5序列中，可以簡(jiǎn)便地定標視頻信號，以轉換整個(gè)顯示畫(huà)面，最大限度地提高查看的簡(jiǎn)便性和準確性。(未完待續)