如何保證數(shù)字視頻信號(hào)的質(zhì)量

關(guān)鍵詞： 數(shù)字視頻 , 信號(hào)質(zhì)量

數(shù)字電視設(shè)備工程師在維護(hù)信號(hào)質(zhì)量的過(guò)程中，經(jīng)常遭遇數(shù)字信號(hào)的瞬時(shí)突變。本文介紹的波形監(jiān)視器的眼圖和抖動(dòng)顯示是測(cè)量數(shù)字傳輸信號(hào)質(zhì)量的一種工具。如果在系統(tǒng)中正確地實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤檢測(cè)和處理E，就有助于監(jiān)視關(guān)鍵的信號(hào)通路，并對(duì)系統(tǒng)中潛在的問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警。

從模擬體制到數(shù)字體制的過(guò)渡為幫助保持設(shè)備中視頻信號(hào)的質(zhì)量提供了許多有利條件。視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域之后，將不再受多種可 能影響信號(hào)質(zhì)量的模擬現(xiàn)象的影響。通過(guò)數(shù)字化一個(gè)高質(zhì)量的視頻信號(hào)，可以消除該信號(hào)中的許多模擬缺陷。不過(guò)，為了在數(shù)字域中處理信號(hào)，需要改變一些常見(jiàn)的 工程做法。

例如，串行數(shù)字接口(SDI)通常相當(dāng)可靠，但在某些點(diǎn)，傳輸信號(hào)的完整性無(wú)法保證，且數(shù)據(jù)有可能發(fā)生數(shù)字突變(digital cliff)。SDI的時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)流之中，如果接收設(shè)備不能恢復(fù)時(shí)鐘，就無(wú)法恢復(fù)視頻數(shù)據(jù)和顯示圖像。不幸的是，與模擬系統(tǒng)不同(其信號(hào)的惡化是逐漸發(fā)生的)，數(shù)字系統(tǒng)中圖像的劣化幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。因此，數(shù)字電視設(shè)備工程師的職責(zé)是維護(hù)信號(hào)質(zhì)量，防止發(fā)生數(shù)字突變。

為了檢驗(yàn)安裝質(zhì)量，可以通過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試模式發(fā)生器來(lái)向系統(tǒng)施加特定的壓力測(cè)試信號(hào)。SDI校驗(yàn)場(chǎng) (SDI Check Field)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的測(cè)試信號(hào)，它包括兩個(gè)部分，如圖1所示。SDI校驗(yàn)場(chǎng)的一部分通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)0000 0000 0000 0000 0001(或1111 1111 11111110)序列來(lái)測(cè)試均衡器的動(dòng)作。當(dāng)擾頻器獲得所需的開(kāi)始條件時(shí)，差不多對(duì)每個(gè)場(chǎng)進(jìn)行一次這種測(cè)試，并且將一直持續(xù)下去，直到被EAV數(shù)據(jù)包終止。該序 列產(chǎn)生一個(gè)較高的直流分量，充分測(cè)試設(shè)備的模擬能力和處理信號(hào)的傳輸系統(tǒng)。SDI校驗(yàn)場(chǎng)信號(hào)的另一部分設(shè)計(jì)用來(lái)檢查鎖相環(huán)性能，它使用了一個(gè)由20個(gè)0加 上20個(gè)1組成的特殊信號(hào)，這為時(shí)鐘提取提供了最少的過(guò)零次數(shù)。

這種測(cè)試很有幫助，它能驗(yàn)證數(shù)字系統(tǒng)的一致性，或者測(cè)試系統(tǒng)是否已停止服務(wù)。但是在系統(tǒng)安裝完成之后，如何監(jiān)視其狀態(tài)，確保信號(hào)沒(méi)有發(fā)生數(shù)字突變，或確保某個(gè)設(shè)備沒(méi)有發(fā)生故障呢？

EDH (Error Detection and

Handling，錯(cuò)誤檢測(cè)與處理)的基礎(chǔ)是為垂直輔助數(shù)據(jù)區(qū)中的每個(gè)視頻場(chǎng)插入循環(huán)冗余碼(CRC)計(jì)算。整個(gè)場(chǎng)和活動(dòng)圖像有單獨(dú)的CRC，它們和狀態(tài) 標(biāo)志一道，隨其他串行數(shù)據(jù)一起通過(guò)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送。解串器中將重新計(jì)算CRC，如果計(jì)算得到的CRC值與傳輸值不一致，就報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤。因此，這種方法 可用于在服務(wù)過(guò)程中監(jiān)視SDI信號(hào)；大部分視頻設(shè)備現(xiàn)在可支持在垂直輔助數(shù)據(jù)區(qū)嵌入EDH。各種波形監(jiān)視器和SDI分析器可以提供EDH情況的狀態(tài)報(bào)告， 并可記錄錯(cuò)誤，如圖2所示。典型錯(cuò)誤檢測(cè)數(shù)據(jù)的提供形式是一段時(shí)間內(nèi)的錯(cuò)誤秒數(shù)，以及自發(fā)生錯(cuò)誤的最后一秒以來(lái)的時(shí)間數(shù)。如果監(jiān)視設(shè)備報(bào)告EDH錯(cuò)誤頻繁 發(fā)生，就表示SDI信號(hào)接近發(fā)生數(shù)字突變，應(yīng)該對(duì)信號(hào)路徑作進(jìn)一步檢查，以查找和解決問(wèn)題。

為了在數(shù)字系統(tǒng)中分離出這類(lèi)問(wèn)題，需要一臺(tái)能夠顯示SDI信號(hào)眼圖的波形監(jiān)視器。為了進(jìn)行精確測(cè)量，采用一根長(zhǎng)度短，質(zhì)量 高的電纜是相當(dāng)重要的。眼圖是由采樣數(shù)據(jù)流中重疊的部分構(gòu)成的，直到數(shù)據(jù)變化量足以產(chǎn)生圖3所示的三眼顯示為止。在某些儀器上，也可能將眼圖顯示與數(shù)據(jù)字 邊界(SD為10個(gè)字，HD為20個(gè)字)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)功能對(duì)于檢測(cè)與并串轉(zhuǎn)換有關(guān)的抖動(dòng)模式相當(dāng)有用。

串行接收器在每個(gè)眼圖的中央判定信號(hào)為“高”還是為“低”，從而對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。由于信號(hào)中的噪聲和抖動(dòng)在傳輸信道中不斷增大，它們可能使眼圖閉合，降低接收信號(hào)的可用性。

SMPTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了信號(hào)的發(fā)送幅度、抖動(dòng)、過(guò)沖和上升/下降時(shí)間要求，如表1所示。

信號(hào)的幅度很重要，原因有兩點(diǎn)。一是它與噪聲有關(guān)；二是因?yàn)榻邮斩耸且孕盘?hào)到達(dá)時(shí)剩余的半時(shí)鐘頻率能量為基礎(chǔ)來(lái)估計(jì)所需要的高頻補(bǔ)償(均衡)的。發(fā)送端如果幅度不正確，有可能導(dǎo)致接收端采用錯(cuò)誤的均衡，從而令信號(hào)發(fā)生畸變。

如表1中所定義的那樣，上升時(shí)間和下降時(shí)間是在20％～80％的幅度點(diǎn)之間確定的。不正確的上升時(shí)間可能導(dǎo)致信號(hào)畸變，如振 蕩和過(guò)沖；如果上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)減少眼圖中可用來(lái)采樣的時(shí)間。上升沿和下降沿的過(guò)沖一定不能超過(guò)信號(hào)波形的10％。過(guò)沖有可能是不正確的上升時(shí)間所導(dǎo) 致的結(jié)果，但更大的可能是由于阻抗不連續(xù)或接收、發(fā)送端接中返回?fù)p耗不良而引起的。

抖動(dòng)在眼圖中表現(xiàn)為水平跡線的加粗。眼圖的展開(kāi)程度將隨著抖動(dòng)的加劇而減小，直到接收器無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼為止。抖動(dòng)用單位 間隔(UI)來(lái)度量，1UI與時(shí)鐘周期相對(duì)應(yīng)：SD為3.7ns，HD為673.4ps。抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響還取決于抖動(dòng)的頻率。SMPTE為測(cè)量抖動(dòng)定義 了不同的頻率帶寬。定時(shí)抖動(dòng)是對(duì)傳輸信號(hào)內(nèi)抖動(dòng)的一個(gè)總體度量，而校準(zhǔn)抖動(dòng)則可分離降低接收器恢復(fù)數(shù)據(jù)能力的抖動(dòng)分量。

圖4所示的抖動(dòng)畫(huà)出了與視頻行和場(chǎng)速率相關(guān)的峰峰值抖動(dòng)對(duì)應(yīng)于時(shí)間的曲線。這樣，便可以按照視頻信號(hào)定時(shí)來(lái)將抖動(dòng)進(jìn)行特征 化。許多與抖動(dòng)有關(guān)的問(wèn)題都是由于同步鎖相(genlock)參考抖動(dòng)轉(zhuǎn)移到串行系統(tǒng)中而引起的。這類(lèi)抖動(dòng)通常在20Hz和幾百Hz之間。同步鎖相系統(tǒng)采 用的相位檢測(cè)過(guò)程也可能會(huì)增加噪聲，這些噪聲將影響10Hz～1kHz范圍內(nèi)的抖動(dòng)。使用適當(dāng)?shù)膸捪拗茷V波器，可以在抖動(dòng)測(cè)量中包含或抑制特定的抖動(dòng)分量。

波形監(jiān)視器的眼圖和抖動(dòng)顯示是測(cè)量數(shù)字傳輸信號(hào)性能時(shí)可供選擇的工具。如果在系統(tǒng)中正確地實(shí)現(xiàn)了EDH，它可幫助監(jiān)視關(guān)鍵的信號(hào)通路，并對(duì)系統(tǒng)中潛在的問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警。維持系統(tǒng)正確運(yùn)行的關(guān)鍵是采用精心設(shè)計(jì)的設(shè)備，確保其電纜類(lèi)型、電纜長(zhǎng)度和設(shè)備端接滿(mǎn)足要求。