使用4000系列數(shù)字熒光示波器進行視頻測量(一)

引言

不管是調(diào)試視頻裝置還是設(shè)計一個新機頂盒，進行視頻測量都是一個主要挑戰(zhàn)。視頻波形非常復(fù)雜，經(jīng)常把表示視頻圖像的信號與顯示圖像所需的定時信息組合在一起。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。某些視頻測量要求專用儀器，如泰克業(yè)界標準波形監(jiān)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行許多常見的測量，只要該儀器擁有適當?shù)牟杉蜏y量功能即可。

在本應(yīng)用指南中，我們將考察關(guān)鍵視頻測量問題，說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)字熒光示波器進行常見的視頻測量。

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(tǒng)如NTSC、PAL和SECAM，已經(jīng)使用了幾十年，通常稱為“標清”電視。比較新的系統(tǒng)如高清電視(HDTV)則通過提高圖像內(nèi)部的行數(shù)和像素數(shù)量，提供了更高的清晰度。視頻信號的來源很多，包括攝像機、掃描儀和圖像終端。傳輸時在RF載波上沒有調(diào)制的信號稱為基帶視頻信號，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。一般來說，基帶視頻信號在開始時是三種分量模擬或數(shù)字信號，代表著三原色，即紅色、綠色和藍色(RGB)三種分量。這些信號通常會經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，然后才到達電視監(jiān)視器。

圖1 標清視頻系統(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)是標清還是高清，其中的步驟類似。注意，在來源和目的地之間，視頻信號會多次變換格式。為設(shè)計和調(diào)試這些系統(tǒng)，測試設(shè)備必須能夠考察每種格式的信號。

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信號通常會轉(zhuǎn)換成三個分量信號：Luma信號或Y以及從Y導(dǎo)出的兩個色差信號，通常是B-Y和R-Y。

根據(jù)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(tǒng)，它們可以改變標度，變成Pb和Pr。在NTSC合成系統(tǒng)中，色差信號的標度變成I和Q。對PAL系統(tǒng)，它們變成U和V，依此類推。一旦轉(zhuǎn)換之后，可以分配三個分量信號進行處理。

處理

在我們旋轉(zhuǎn)電視監(jiān)視器上的控制按鈕時，我們只能改變圖像的顯示方式。在視頻信號中，可以編輯、混合或改動視頻信號，準備進行傳輸和查看。可以組合視頻分量信號，形成一個合成視頻信號(如在NTSC、PAL或SECAM系統(tǒng)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(tǒng)中)。它們可以分成不同的流明和色度信號(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。

合成視頻

合成視頻信號是傳統(tǒng)廣播和有線電視應(yīng)用中最常見的信號，之所以稱為“合成”信號，是因為它們包含組合成一個信號的多個信號分量。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(定時信息)編碼成合成視頻信號的方式。在大多數(shù)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(diào)制色度信號。然后調(diào)制的色度信號增加到流明信號中，構(gòu)成視頻信號的活動部分。最后增加同步信息。盡管很復(fù)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，電視演播室會首選分量視頻信號，這些信號生成、記錄和處理起來比較簡單，可以在信號上結(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/解碼過程，分量視頻系統(tǒng)和設(shè)備更容易保持信號完整性，可以實現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量。分量視頻的缺點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(tǒng)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(diào)制色度信號，但色度信號會與流明信號分開。這最大限度地減少了合成系統(tǒng)的流量/色度影響，同時簡化了分量系統(tǒng)的頻道間定時問題?？梢栽谝粭l專用電纜上傳送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(fù)現(xiàn)處理的圖像。在合成系統(tǒng)中，信號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(zhuǎn)換成RGB信號進行顯示。

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掃描攝像機和視頻顯示器(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

攝像機和顯示器必須同步，以便同時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)。

在波束到達屏幕底部時，它必須返回頂部，開始下一個場或幀，這稱為“垂直回掃”，其使用垂直同步脈沖傳送信號(參見圖2c)。垂直回掃所用的時間要比水平回掃長，因此采用更長的同步間隔，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。

每種視頻標準都規(guī)定了一系列同步信號，控制著視頻信號的顯示方式。PAL信號每秒25次顯示一個視頻幀，一個幀中包含625個視頻行。NTSC信號每秒30次顯示一個視頻幀，一個幀中只包含525個視頻行。某些高清計算機監(jiān)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信號，同步通常與其中一個分量相結(jié)合(如綠色頻道)。

高清電視

上面我們一直重點介紹典型的標清系統(tǒng)，如NTSC和PAL。通過在圖像內(nèi)部提高行數(shù)和像素數(shù)，高清電視提供了更高的清晰度。有許多HDTV標準，標準的名稱反映了各自的特點。其中，第一部分指明信號中存在的活動行數(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(適用于隔行掃描信號)或幀速率(適用于逐行掃描信號)，規(guī)定一秒內(nèi)顯示的圖像數(shù)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。脈沖中包含三個電平：-300mv、0mv和+300mv，定時間隔取決于相應(yīng)HDTV格式的時鐘速率。4000系列的定時和電壓光標可以簡便地測量這些參數(shù)。

測試設(shè)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(yīng)用。

選擇適當?shù)氖静ㄆ?/STRONG>

示波器是通用的測試儀器，它們使用兩個維度表示信號，允許我們在時域中“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)字存儲示波器

過去，設(shè)計人員和工程師只能選擇兩種示波器：模擬實時示波器和數(shù)字存儲示波器(DSO)。由于每種示波器都有自己的優(yōu)點，因此許多用戶會盡量同時擁有兩種示波器。模擬示波器捕獲速率快，提供了輝度等級顯示，為波形提供了實時“統(tǒng)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。資深用戶可以迅速檢定信號質(zhì)量，確定異常事件，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時獲得實時反饋。

數(shù)字存儲示波器有自己的優(yōu)點。DSO提供了自動測量、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。DSO依賴信號處理結(jié)構(gòu)，在信號采集過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，不能準確地繪制復(fù)雜的視頻信號，它們?nèi)鄙僬{(diào)試必需的輝度等級信息。

圖4 數(shù)字存儲示波器(DSO)的串行處理結(jié)構(gòu)

數(shù)字熒光替代方案

對于示波器，用戶還有第三個選擇：數(shù)字熒光示波器(DPO)。數(shù)字熒光示波器同時融合了模擬示波器和數(shù)字存儲示波器的優(yōu)勢。從數(shù)據(jù)存儲到完善的觸發(fā)功能，DPO提供了DSO的所有傳統(tǒng)優(yōu)勢。此外，它們使用三個維度捕獲和顯示波形信息，即幅度、時間、幅度在時間上的分布，這在很大程度上與模擬示波器類似。DPO以數(shù)字方式仿真化學熒光工藝，在模擬示波器的CRT中創(chuàng)建輝度等級。其結(jié)果是一個實時顯示畫面，復(fù)現(xiàn)信號功能豐富的特點。DPO可以以無可比擬的方式查看視頻信號細微的行為模式和動態(tài)特點。DPO的長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。大約每隔1/30秒，數(shù)字熒光中存儲的信號圖像快照就會直接發(fā)送到顯示系統(tǒng)。同時，與集成式采集/顯示系統(tǒng)平行的微處理器會執(zhí)行波形數(shù)學運算、測量和前面板控制。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活動，提高了發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號問題的概率，如欠幅脈沖、毛刺和跳變錯誤。某些DSO則提供了專用模式，把多個捕獲的突發(fā)信號保存至長存儲器中，然后是一個顯示周期，兩者相互交替。這可以臨時提供每秒20 000～40 000個波形的傳送速率，但在處理和顯示波形數(shù)據(jù)時有明顯的死區(qū)時間。這種性能水平根本比不上DPO實現(xiàn)的實時性能。

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。遺憾的是，模擬示波器缺少DSO和DPO提供的許多基本功能，如自動測量、高級觸發(fā)、波形數(shù)學運算和波形存儲。事實上，DPO融合了模擬示波器結(jié)構(gòu)和DSO結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時避免了兩者的缺點。

基本示波器指標

示波器第一個常用指標是帶寬。根據(jù)經(jīng)驗，示波器的模擬帶寬至少應(yīng)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(yīng)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(nèi)插準確地重建信號，示波器的采樣率至少應(yīng)該是信號最高頻率成分的2.5倍。如果使用線性內(nèi)插，那么采樣率至少應(yīng)該是最高頻率信號成分的10倍。4000系列示波器采用sin(x)/x內(nèi)插，采樣率高達5GS/s，可以準確地表示最復(fù)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(shù)傳統(tǒng)DSO的信號捕獲速率要遠遠低于模擬示波器或DPO。速率較低可能會隱藏異常信號，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際顯示視頻信號。

數(shù)字示波器的記錄長度用構(gòu)成一個完整的波形記錄的點數(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數(shù)量有限的樣點，因此波形周期(時間)與示波器的采樣率成反比。如果示波器的記錄長度較短，用戶會被迫在信號細節(jié)和記錄長度之間或在采樣率和采集的時間周期之間進行折中。用戶可以在較短的時間周期內(nèi)采集詳細的信號信息，也可以加長時間周期，但采集信號的詳細程度會下降。幸運的是，4000系列在所有通道上標配10M樣點的記錄長度，可以捕獲很長時間的信號活動，而不會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)說過，許多視頻工程師面臨的最關(guān)鍵的顯示問題是輝度等級顯示。用戶熟悉的模擬示波器和波形監(jiān)測儀的這種特點會通過改變顯示的樣點輝度，來顯示信號的統(tǒng)計行為。4000系列DPO提供了這種輝度等級顯示。它們透過定性輝度信息，提供深入的洞察能力，用戶可以看到細微的細節(jié)和信號變化。

視頻觸發(fā)

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

選配的DPO4VID模塊增加了對各種模擬HDTV標準的支持。它根據(jù)活動行數(shù)、掃描類型和幀或場速率識別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(shù)場、奇數(shù)場、所有場、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準、來源、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信號奇數(shù)場的第39行

自定義視頻觸發(fā)

并不是每個視頻系統(tǒng)都符合NTSC、PAL、SECAM或HDTV格式。作為一項規(guī)則，計算機視頻監(jiān)視器、媒體顯示器、安全攝像機和其他自含式系統(tǒng)并不是為直接接口廣播視頻設(shè)備設(shè)計的，可能不符合普通的525行或625行標準。4000系列通過自定義視頻觸發(fā)功能，為這些應(yīng)用提供了一個簡便的解決方案。自定義視頻觸發(fā)要求一些測量簡便的輸入?yún)?shù)，以便知道要查找什么項目。為測量這些參數(shù)，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(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。然后提高時間/格設(shè)置，直到兩個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。一旦指定了這幾個簡單的參數(shù)，4000系列可以在自定義(非標準)視頻信號上觸發(fā)偶數(shù)場、奇數(shù)場、所有場、所有行或行數(shù)(4～3000)。

視頻自動設(shè)置

許多示波器用戶已經(jīng)習慣使用前面板上的Autoset按鈕，讓示波器自動調(diào)節(jié)垂直、水平和邊沿觸發(fā)參數(shù)，有效顯示各種信號。遺憾的是，這些自動設(shè)置功能在過去一般不能用于復(fù)雜的視頻信號。然而，4000系列自動設(shè)置功能可以識別視頻信號，設(shè)置示波器，以最佳方式查看信號。例如，用戶只需把1080i/60 HDTV色條信號連接通道1上，按Autoset，就可以獲得圖7所示的顯示畫面。注意Autoset功能還會啟動一個側(cè)面菜單，允許迅速選擇觸發(fā)行還是場等。

視頻格線

圖7中顯示的另一個易用功能是視頻格線。自動設(shè)置功能自動為NTSC信號激活I(lǐng)RE格線，為所有其他視頻信號激活mV格線。此外，它自動把垂直標度設(shè)置成114mV/div，為格線相應(yīng)地定標信號。在觸發(fā)類型設(shè)置為視頻時，對每條模擬通道，114mv/div垂直標度設(shè)置會插入正常的1-2-5序列中，可以簡便地定標視頻信號，以轉(zhuǎn)換整個顯示畫面，最大限度地提高查看的簡便性和準確性。(未完待續(xù))