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掌握差分增益/相位参数 ,提升合成视频信号测量效果

早在1940年,美国国家电视标准委员会(NTSC)即推出合成单色的视频(图1)标准,此标准将水平及垂直同步之计时(Timing)及亮度信息(流明度)加以编码并放入单一频道中。在接下来的十年里,该委员会再度研议彩色电视标准,此即大众熟知的NTSC,此一新的彩色标准保存相同的视频信号及频宽,以便与先前的黑白电视机保持完全兼容度,为达此目的,彩色色讯副载波(Subcarrier)及参考丛发(Burst)信号,即系色信号,将被放到原来的单色视频信号中。首先,此色讯与亮度频率是交错的,因此彩色与亮度信息可占据相同的可用频宽,此交错频谱的中心大约位在3.58MHz,此即色讯副载波频率。为减少副载波的可见度,频率被刻意选择为水平同步率(Horizontal Synchronization Rate)一半(15.75kHz/2)的单数倍数。其次,包含副载波信号的九个周期系色信号是被放在水平遮没间隔的后缘效应上,其目的为使电视机或接收器中的3.58MHz彩色振荡器同步,在欧洲相对应的为PAL视频标准,这两个标准的主要分别在于PAL的副载波频率为4.43MHz,且其视频同步振幅比略有不同。

在现今充斥高画质模拟与数字视频的世界里,1950年已出现的合成视频信号仍广泛存在,因此大部分与合成视频相关的参数仍是系统设计的主要考虑。合成视频里具有两个独特的参数,分别是差分增益(Differential Gain, DG)与差分相位(Differential Phase, DP),由于这两个参数对于合成视频信号路径非常重要,将其列入大部分高速放大器规格表中已是标准作法,然而测量及验证这些参数并非轻易能解决的问题。本文将提供关于合成NSTC/PAL视频及差分增益与差分相位的概观,接着讨论规格表中相关的技术规格说明及各种DG与DP的测量方法


 

图1 NTSC单色视频信号

色度信息(Chrominance Information)可被分成两种,即色彩饱和度与色彩色度。饱和度是由副载波的放大器决定;而色度则由相对于色彩参考突波之副载波的相位决定;饱和度可被描述为色彩的强度;而色度则可以被描述为Base Color的正确率。举例来说,一个具有较低振幅,但仍然处于具有系色信号合适相位的红色副载波将会变成粉红,也就是比较不饱和的红色,另一方面,若副载波是在超出具有~241o的系色信号的相位之~283o,则色彩为青绿色而非绿色(表1)。

表1 Color Bar程度、振幅、与相位

色彩

亮度程度(IRE)

色度程度(IRE)

色度振幅(IRE)

相位(°)

白色

100.0

0.0

0.0

 

黄色

89.5

48.1~130.8

82.7

167.1

青绿色

72.3

13.9~130.8

116.9

283.5

绿色

61.8

7.2~116.4

109.2

240.7

洋红色

45.7

-8.9~100.3

109.2

60.7

红色

35.2

-23.3~93.6

116.9

103.5

蓝色

18.0

-23.3~59.4

82.7

347.1

黑色

7.5

0.0

0.0

 

应注意视频信号是采用IRE计量单位描述程度与振幅,而非DC电压。基于由同步端-286毫伏特至峰视频(Peak Video)+714毫伏特摆动之标准1VPPNTSC合成视频信号,可建立140IRE峰至峰协议(Peak-to-peak Convention),而一个NTSC IRE单元为7.14毫伏特,其中-40IRE等于-286毫伏特;而+100IRE则等于+714毫伏特;0IRE等于0伏特,PAL视频信号的些微不同在于其改由-300毫伏特至+700毫伏特摆动,因此,一个PAL IRE单元为7毫伏特,其中-43IRE于同步端等于-300毫伏特;而+100IRE于峰视频程度则等于+700毫伏特。本文主要使用IRE单位,而非伏特或微伏。 

DG与DP误差人眼无法察觉 

如图2所示,色讯副载波的平均值或中点即为亮度等级,副载波可被当成弦波信号的振幅,而亮度则可被当成此信号的DC补偿程度。动差增益误差是由于在亮度程度上的改变,对应于色讯副载波的振幅上的改变,因此当图像亮度改变时,动差增益将能测出色彩饱和度的对应改变。当DC补偿程度变化时,应考虑视频放大器的弦波振幅变化,因为这会造成正常日光下的红色轿车在傍晚光线中变成粉红色。动差相位误差会随亮度程度上的改变,而在色讯副载波的相位上改变,当图像亮度改变时,动差相位可测出色彩色度的改变。此外,当DC补偿程度变化时,须考虑视频放大器产生弦波的相位,这会造成在室内的蓝色衬衫,在室外时却变成紫色。理想中,色彩饱和度(振幅)与色度(相位)应该保持常数,而不受亮度或DC补偿程度的影响,一辆红色轿车在任何照明之下都应该是红色,而蓝色衬衫不论是否在室内或室外都应该总是蓝色。


图2 NTSC彩色视频信号

一般来说,DG与DP误差最高分别可达1%与1o,人眼无法察觉,所以应该把这些数值作为整个视频信号链的总误差分配考虑。在信号最终被肉眼观察到前,会有许多误差的部分,一个典型的路径可能会包括摄影机、记录单元、发射器、接收器与显示屏幕。在一个信号路径中,每一个处理阶段或放大器的个别DG/DP要求都远低于1%/1o,其结果会因应连续阶段的次数而有所差别,举例来说,一个视频播放系统的设计中输入输出之间具有五个运算放大器,假设每一个运算放大器贡献DG的0.01%及0.01oDP,那么这些累积DG/DP误差将分别为0.05%/0.05o,若工程师希望其视频播放板(Video Distribution Board)的整体系统技术规格为0.05%DG与0.05oDP,则这些运算放大器仅能刚好达到其要求。摄影棚广播质量的IC与放大器的DG/DP技术规格要求远低于同等级的消费性产品,这是因为在摄影棚广播信号路径中有更多的连续阶段,某些此类视频系统甚至会要求其每一个运算放大器低至DG/DP的0.01%/0.01o。 

DG/DP测量基本 

当DC补偿程度有变化时,实际上测量DG与DP是在测量弦波信号振幅与相位上的误差。因此,测试信号为典型具有从0IRE到最大100IRE的DC补偿之3.58MHz(NTSC)或4.43MHz(PAL)弦波,产生这种信号的一种方式为使用一台视频测试样式产生器输出如图2中的Color Bars波形,接着,DG误差可计算为介于阶梯上于最低与最高步骤所量测的峰至峰振幅之百分比变化,DP也可使用类似的方法,用副载波的相位加以测量与计算,然而,此一端点方法可能会有误导,因DG和DP并非都与亮度或DC程度呈线性关系。此外,若仅仅测量两个端点,透过人工的方式以DC电压错移弦波的补偿会比较容易。因此,较好的方法是测量在阶梯的每一步骤中副载波的振幅,并决定介于振幅之间的最大差值。使用一个具有较多步骤的Color Bars或调变阶梯波形将增加测量点的数目,以提供用来决定最大DG/DP误差的进一步分辨率,因此工程师会选择一个调变锯齿斜坡,而不是限制于较少步骤的阶梯。 

利用手动方式测量整个亮度范围里的多个增益与相位误差点,会相当琐碎。另一个用来评估DG/DP比较好的方法是采用特制的视频测试设备,如向量监视器与波形监视器,这些类型的设备具有内建的DG/DP测试功能,可回报整个连续的亮度范围上之最大峰至峰差值,然而,这样的设备没有分辨率可测量少到0.01%/0.01o至0.001%/0.001o的个别运算放大器,因其较适用于评估完整的视频系统,因此,现在用来测量DG/DP最有效且建议使用的其中一个方法是使用网络分析仪(Network Analyzer)。 

使用网络分析仪进行DG/DP测量 

网络分析仪有能力进行DC偏压范围上增益与相位的同步量测,并对少于0.01%/0.01o的DG/DP误差有相当高的分辨率。一个使用网络分析仪的DG/DP测试设定例子如图3所示。


图3 DG/DP测试设定含网络分析仪

该网络分析仪的分辨率为0.001dB/division与0.01o/division,同时具有内建DC电源,可提供DC补偿或亮度程度。在亮度范围中,此电源可程序化以每个步骤最小10毫伏特的增量扫描DC程度,其可使用500kHz低通滤波器滤除噪声,接着网络分析仪的3.58MHz或4.43MHz振荡器输出连在一起,这可被动以三角配置电路维持线路阻抗,并避免任何额外的DG或DP被导入到测试信号中。测试的装置输出时,一个8dB衰减器被置于输出电阻的串联中,该衰减器确保信号振幅低至可避免位于网络分析仪前端的任何过载与失真,分析仪接口与测试设定组件为50奥姆阻抗,包括分歧器(Splitter)、混波器(Combiner)与衰减器(Attenuator)。 

设定好适合的振荡器振幅与DC扫描范围,并用在输入状态的示波器测量。振荡器振幅经由调整以产出286mVPP(40IRE),此即对于NTSC之标准测试信号振幅。网络分析仪经由调整与组态以用来进行「S21」量测。对于所要求的分辨率应该要取出量测扫描数目的平均值,要测量极低DG/DP装置,平均值应为50或更多,图4所示为一个由网络分析仪而获得运算放大器的典型增益误差与相位图,增益误差一般是以dB加以表示为下述算式的百分比。


图4 -100到+100IRE增益与相位误差

这只是使用网络分析仪进行量测的一种方式,当然还有其它不同的方式及网络分析仪模型可使用于DG/DP测试。有一些分析仪可能没有内建的DC电源,因而需要一个外部DC扫描电源,而其它的分析仪可能没有配备DC偏压输入,在此情形下由函数产生器的调变锯齿斜坡可被纳入此一输入之中,如此一来,就不需要在受测装置输入上的混波器电路,因DC偏压会与在网络分析仪内的弦波进行混波。 

规格表中DG/DP量测条件并未标准化 

对于在规格表中的DG/DP会有一些关于量测技术与测试条件的考虑。虽然DG/DP已几乎成为标准技术规格,但测量方式却没有进行标准化,结果造成一些DG/DP技术规格无法完整表示运算放大器于实际应用中将如何运作,以下将提供一些应注意的测试方法与条件。 

端点方式(End-point Approach)并不是一个好的作法,因只有取得位于最低与最高DC程度的增益差值并不够,除非DG/DP误差在DC补偿时组成完美的线性关系,然而,DG/DP曲线有时候会是二次式甚至三次式,在这些情况中,仅测量端点的数据比起扫描整个范围的结果可能更好看,但会造成误导。 

规格表上的DG/DP也必须根据具有适当色度与亮度参数进行测试,此色度或弦波测试信号必须具有286mVPP(40IRE)的振幅,这是NTSC的标准测试信号振幅,相对于PAL,此振幅为43IRE。此信号的频率也应该是3.58MHz或4.43MHz,而4.43MHz(PAL)通常是最差状况。DG/DP应该针对这两个频率进行测试,以减少的色度振幅和频率进行测试将会得到较好结果,但此部分的特性将无法明显的符合NTSC/PAL技术规格。亮度或DC扫描范围也很重要,基于具有1MHz 100mVPP弦波的DG/DP技术规格虽然令人印象深刻,但对视频设计师而言,没有多大用处。 

在前面的讨论中,此范围是根据NTSC亮度技术规格设为0IRE到+100IRE,基于此项前例,信号有大于0伏特的正向(Positive-going)视频及在0伏特以下的负向(Negative-going)同步脉冲。假设运算放大器总是处理正向视频,则DC扫描范围从0到+100IRE就已足够;然而在中段,视频系统设计师已知道如何在封闭系统中反转视频信号,如伽玛(Gamma)处理等,他们亦须知道一个反转亮度范围的运算放大器DG/DP。换句话说,对DG/DP测试而言,从-100IRE到+100IRE才是一个较为完整的DC扫描范围,图5所示为在正负视频范围中的最大DG/DP误差。


图5 -100IRE到+100IRE最大DG与DP

受测的运算放大器负载条件是另一个主要考虑,虽然在视频系统中的连续阶段有时可能会是AC耦合,视频运算放大器仍然应该根据DC负载进行指定。这应该为标准视频末端阻抗(Video Termination),即两端终止于75奥姆或150奥姆等价负载,应注意在图3中,50奥姆衰减器与100奥姆串联输出电阻形成一个150奥姆负载于受测装置上,同时在整个测试环境中维持50奥姆,因此任何高于150奥姆的DG/DP数值会造成误导,因差分增益与相位是受到振幅上负载量的影响。在输出上,一个1,000奥姆的运算放大器会比150奥姆有较佳的DG/DP,另一方面,低于150奥姆的DG/DP数值作用很大,因运算放大器可能须驱动多重视频线,对于图4中2、3与4视频负载的总等价负载电阻分别为75奥姆、50奥姆与37.5奥姆,然而,并非所有的规格表都会提供对于超过一个视频负载的DG/DP误差,图6所示为美国国家半导体(NS)运算放大器规格表中的DG/DP及视频负载数目的比较。


图6 DG/DP比视频负载个数

DG/DP测试条件的附加警告事项为受测装置的增益组态。一些放大器的DG/DP数值也许不会是介于两个增益中最佳的,有些可能会指定DG/DP于单元增益或某个放大器具有最佳数值的增益,然而,视频放大器通常是使用于两个增益中的一个,而在设定中提供DG/DP极为重要。 

在模拟合成视频系统中,其中一项重要的影响因素是放大器重新产生合成视频信号的能力,而在评估视频信号时,则有两个极重要的参数,分别为差分增益与差分相位,这些参数决定亮度变化对色彩丰富度及明暗度的影响,但在理想状态下,亮度变化不应有任何影响。现在有许多不同的方法与技术可测量并量化这项改变,其中值得推荐的方法是采用高准确度网络分析仪,其可取得完整且正确的数据,除改变量测方法,DG/DP结果也与测试条件的配合有关,这些条件可能影响能否获得完美的DG/DP数值,副载波频率与振幅、亮度程度范围、放大器输出负载、视频负载数目与放大器增益都必须以仿真真实视频应用的方式进行设定,同时规格表中的DG/DP应该要根据这些正确的条件,唯有如此,当复制合成视频信号时,才有办法预测运算放大器的运作情形。 

 

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