全带宽数字电视基础和测试

本 文 在D1 格 式 由 来 这 一 段， 曾 提 到 由 于 模 拟 复 合 编 码 器 的 存 在 图 象 质 量 大 大 下 降， 各 种 失 真 也 由 此 产 生。 所 以 模 拟 复 合 射 频 的 测 试 也 变 得 相 当 复 杂。D1 格 式 的 数 字 视 频 直 接 取 样 于 模 拟 分 量， 失 真 大 大 减 少， 测 试 也 相 对 简 单 得 多。 这 也 是 数 字 视 频 的 又 一 大 优 点。 那 么 对这 种 D1 形 式 的 码 流 信 号， 我 们 关 心 的 是 什 么？ 究 竞 要 测 试 的 又 是 那 些 内 容 呢？ 下 面 一 一 叙 述。

误 码 的 定 义 于 检 测

误 码 是 首 先 必 须 关 心 的 问 题， 因 为 误 码 不 仅 会 使 图 象 出 错， 严 重 的 误 码 还 会 造 成 失 去 图 象。很 幸 运 的 是 运 行 在 数 字 环 境 下 的 大 多 数 数 字 视 频 设 备 通 常 不 会 改 变 所 携 带 的 串 行 数 据， 即 不 会 产 生 误 码。 这 些 数 字 设 备 包 括 数 字 切 换 矩 阵、 数 字 面 板 连 接 器、 数 字 延 迟 器、 不 带 前 置 放 大 器 的 数 字 帧 同 步 器、 嵌 入 音 频 复 用 器 和 介 复 用 器。 误 码 仅 产 生 于 传 输 的 环 境， 如 信 噪 比 的 下 降、 高 频 的 抖 动、设 备 的 接 地、 电 源 的 纹 波 等。

误 码 的 定 义

在 信 号 源 和 接 收 机 之 间 存 在 任 何 一 个 数 据 字 的 数 值 的 改 变 就 称 之 误 码。 在 模 拟 接 收 情 况 下， 这 一 定 义 不 存 在 非 议。 然 而 在 数 字 接 收 条 件 下， 并 非 十 分 完 全。 因 为 如 果 切 换 矩 阵 改 变 所 选 择 的 信 号 源 时， 就 会 出 现 码 流 短 时 间 的 混 乱， 这 时 就 不 能 认 为 是 误 码。 本 文 前 面 提 到 的 RP168 标 准 除 了 规 定 了 在 场 消 隐 期 进 行 切 换 的 行， 还 对 切 换 的 时 间 长 度 作 出 规 定， 误 码 检 测 设 备 就 能 够 对 这 一 时 间 长 度 产 生 的 误 码 忽 略 不 计。 所 以 在 数 字 视 频 中， 误 码 又确 切 地 定 义 为 全 场 误 码 和 有 效 图 象 误 码。

全 场 误 码， 指 的 是 误 码 发 生 在 表 征 全 场 所 用 行 的 数 据 字 中， 除 了RP168 标 准 规 定 的 场 消 隐 区 中 的 图 象 切 换 行。

--有 效 图 象 误 码， 指 的 是 误 码 发 生 在 表 征 有 效 图 象 的 数 据 字 中。提 出 有 效 图 象 误 码 是 基 于 象 数 字 帧 同 步 器、 在E-E 工 作 状 态 下 的 数 字 录 像 机 等 大 多 数 数 字 设 备 都 具 备 重 新 设 置 所 用 行 消 隐 区， 以 及 部 分 场 消 隐 区 的 功 能， 可 能 会 破 坏 没 有 误 码 的 完 整 信 号。 这 样 就 有 必 要 从 全 场 误 码 中 单 独 测 试 有 效 图 象 误 码。

误 码 的 检 测

-- 误 码 率 和 误 码 秒

大 多 数 工 程 师 熟 悉 位 误 码 率 (BER-Bit Error Rate) 的 概 念， 它 是 误 码 位 与 总 的 二 进 制 位 数 的 比 值。 例 如， 10 位 数 字 分 量 信 号 的 数 据 率 是 271Mb/s， 如 果 每 帧 有 一 个 误 码， 对 625 行 系 统 ， 误 码 率 BER＝25/(270x106 )=0.93x10-7 。

然 而 传 统 的 误 码 率 测 试 方 法 却 不 宜 在 串 行 电 视 系 统 中 使 用。 原 因 之 一，误 码 率 常 用 于 引 起 噪 声 的 随 机 误 码 统 计。 然 而 典 型 的 串 行 视 频 误 码 为 脉 冲 误 码， 与 随 机 误 码 不 同 的是 具 有 间 隔 出 现 的 特 点， 一 个 数 据 字 的 出 错 会 引 起 数 百 个 相 同 数 据 字 的 出 错。 原 因 之 二， 误 码 率 测 试 必 须 使 用 若 干 已 定 义 的 伪 随 机 比 特 率 序 列 信 号 中 的 一 种， 而 全 部 这 些 序 列 信 号 却 与 串 行 数 字 视 频 比 特 流 信 号 不 存 在 相 似 的 特 征， 数 字 视 频 设 备 无 法 处 理 这 些 供 测 试 用 的 比 特 信 号。 原 因 之 三， 如 果 一 个 数 字 视 频 系 统 工 作 在 安 全 区 内， 由 随 机 噪 声 产 生 的 误 码 大 约 为 每 一 百 年 一 次， 误 码 率 BER＝1x10-18 可 见 误 码 率 的 测 试 方 法 就 不 能 提 供 有 价 值 的 数 据。 原 因 之 四， 误 码 率 的 测 试 必 须 停 播 测 试， 需 测 试 所 有 比 特， 往 往 要 花 费 很 长 一 段 时 间。 在 广 播 系 统 中 没 有 这 样 一 个 环 境。

由 于 脉 冲 误 码 具 有 间 隔 出 现 的 特 点， 电 视 工 作 者 们 提 出 了另 一 个 误 码 测 量 方 法—误 码 秒。 误 码 秒 定 义 为 每 秒[FS:Page] 发 生 的 误 码 统 计。 误 码 秒 更 适 用 于 脉 冲 误 码 场 合， 更 适 合 评 价 因 短 脉 冲 干 扰 引 起 同 步 信 号 遭 受 破 坏， 造 成 图 象 纷 乱 的 误 码 统 计。 此 外， 电 视 节 目 的 制 作 者 更 关 心 的 是 节 目 出 错 的 次 数， 而 不 是 多 少 比 特 受 影 响。 泰 克 公 司 已 研 制 出 一 种 用 于 数 字 视 频 误 码 秒 的 检 测 系 统， 并 公 开 技 术 细 节， 以 鼓 励 其 它 厂 商 使 用 这 种 测 试 方 案。 这 一 方 案 已 被 SMPTE 采 纳 为 标 准， 称 为PR165 实 用 建 议 文 件。RP165 也 称 之“EDH”， 意 误 码 检 测 和 处 理。

--EDH 误 码 秒 检 测

EDH 基 本 概 念 相 同 与 计 算 机 系 统 的”CRC“( 循 环 冗 余 码)。 原 理 图 如 下：

图 10

10 位 的 并 行 数 据 经 过 协 处 理 器， 对 每 一 场 视 频 信 号 的 全 场 或 有 效 场 进 行CRC 码( 循 环 冗 余 码) 计 算， 并 把CRC 码 计 算 值 加 入 场 辅 助 数 据 区 的 某 一 行( 如625 系 统 的 第5 行)， 一 起 进 入 移 位 寄 存 器， 并 转 串。 通 过 传 输 系 统 和 串 转 并 后， 重 新 对 每 一 场 视 频 信 号 的 全 场 或 有 效 场 计 算CRC 值， 并 提 取 放 在 场 辅 助 数 据 区 的CRC 值， 进 行 比 较。 如 果 与 发 出 的CRC 值 不 同， 即 指 示 出 现 误 码， 并 作 出 误 码 秒 报 告。

使 用RP165 EDH 测 试 方 法 的 优 点 是， 不 需 要 特 定 的 测 试 比 特 流 序 列， 任 何 活 动 画 面 序 列 都 可 测 试， 而 且 可 在 线 测 试， 不 需 停 播， 并 能 精 确 地 作 出 误 码 报 告。 在 出 现 误 码 处，RP165 可 提 供 确 定 误 码 秒 所 必 须 的 信 息， 如 误 码 秒 的 持 续 时 间 长 度、 上 一 次 误 码 秒 以 后 的 时 间、 这 些 信 息 显 然 比 位 误 码 率 更 加 实 用。 其 次CRC 数 据 是 串 行 数 字 视 频 的 一 部 分(525 行 的 第 9 行，625 行 的 第 5 行)， 由 此 对 系 统 性 能 可 提 供 很 好 的 测 试 结 果。 当 非 在 线 测 试 时 RP165 误 码 秒 检 测 可 精 确 地 测 定 误 码 率 曲 线 的 拐 点。 在 RP165 提 供 的 全 场 图 象 误 码 秒 和 有 效 图 象 误 码 秒 的 测 试 报 告 中 ， 可 有 15 个 EDH 误 码 标 志 被 报 告。

泰 克 公 司的 数 字 视 频 监 视 器 WFM601 和VM700 的SDI 选 件 都 能 及 其 方 便 测 试 误 码 秒， 只 需 把 数 字 信 号 环 入 仪 器， 仪 器 就 能 自 动 检 测 误 码 秒。

抖 动 的 影 响 及 其 测 量

抖 动 的 定 义

串 行 数 字 视 频 信 号 经 过 数 字 分 配 放 大 器、 数 字 矩 阵 以 及 其 它 工 作 于 数 字 串 行 格 式 设 备 处 理 后， 就 可 能 产 生 抖 动、 噪 声、 幅 度 改 变 以 及 其 它 失 真。 如 果 用 无 抖 动 的 时 钟 去 获 取 数 据， 那 么 经 过 恢 复 以 后 的 信 号 可 逼 近 原 信 号。 但 在 实 际 系 统 中， 时 钟 是 从 串 行 比 特 流 中 分 离 出 来 的， 也 包 含 出 现 在 信 号 中 的 抖 动 成 分。 然 而 在 一 定 的 范 围 内( 如 较 低 频 率 范 围 内)， 时 钟 中 的 抖 动 也 可 能 是 所 希 望 的 特 性， 这 种 抖 动 有 助 于 将 时 钟 的 边 沿 确 定 在 眼 图 的 中 间 位 置。 如 果 随 着 眼 图 开 口 位 置 的 改 变， 时 钟 跟 着 发 生 同 步 性 的 变 动， 则 串 行 接 收 机 可 承 受 较 大 幅 度 的 低 频 抖 动。 下 图 为 接 收 机 能 承 受 抖 动 的 灵 敏 度。

图11

从 图 中 可 看 出， 接 收 机 对 抖 动 频 率 10 Hz 以 下 的 低 频 抖 动 能 承 受 2 个 UI( 眼 图 宽 度)， 随 着 抖 动 频 率 的 递 增， 接 收 机 对 抖 动 的 承 受 能 力 下 降， 到 了 10KHz， 只 能 承 受0.24UI(1/4 的 眼 图 宽 度)。 抖 动 又 根 据 时 钟 的 二 种 提 取 方 式 不 同， 定 义 了 二 种 抖 动。

-- 定 时 抖 动 定 义 为 相 对 于 一 个 从 低 频 起(约10Hz) 无 抖 动 的 时 钟， 数 字 信 号 的 特 征 瞬 态( 例 如 过 零 点 ) 的 时 间 偏 移。

--校 准 抖 动( 也 称 相 对 抖 动 ) 定 义 为 相 对 于 从 信 号 本 身 恢 复 的 时 钟( 该 时 钟 的 抖 动 分 量 主 要 分 布 在 10Hz[FS:Page]~1KHz 的 范 围 内 )， 数 字 信 号 的 特 征 瞬 态( 例 如 过 零 点 ) 的 时 间 偏 移。

抖 动 的 测 量

根 据 抖 动 的 不 同 定 义， 也 产 生 了抖 动 的 二 种 测 量 方 式， 即 定 时 测 量 和 相 对 测 量。

图 12

-- 定 时 测 量 测 量 时 需 要 一 个 无 抖 动 的 时 钟 作 为 基 准。 抖 动 的 测 量 范 围 基 本 上 包 含 了 抖 动 的 全 部 频 率 分 量。

-- 校 准 抖 动 测 量 的 基 准 时 钟 为 从 串 行 数 据 流 中 提 取 的 时 钟。 抖 动 的 测 量 范 围 不 计 入10Hz 以 下 的 抖 动 频 率 分 量， 仅 测 量10Hz~10KHz 的 抖 动 频 率 分 量。 如 图13 所 示。

图13

串 行 数 字 波 形 基 本 指 标 测 试--- 眼 图 指 标 检 测

SMPTE 259M 对 串 行 数 字 视 频 的 眼 图 波 形 的 基 本 指 标 作 了 标 准。 图14 列 出 了 这 些 标 准。

图 14

SMPTE 259M 提 出了 这 些 指 标：

--眼 图 的 眼 高 为 0.8 Volts  10%, 即 眼 高 的 高 度 的 范 围 为720mV~880mV。
--抖 动 的 容 差 为 0.2 UI P-P 。1 UI 为 1 个 眼 图 的 宽 度， 即 1 个 时 钟 的 时 间 宽 度，则 1 UI＝1/27x106 =3.7 ns , 0.2 UI=0.2 x 3700 ps = 740 ps。

--上 升 时 间 的 范 围 为 0.4~1.5 ns, 测 量 点 在 上 升 沿 的 20％ 和 80％ 处。

在 眼 图 的 测 量 中， 观 测 270 Mb/s 的 串 行 数 据 流， 测 试 仪 器 必 须 具 有 350 MHz~1 GHz 的 带 宽。 当 测 试 抖 动 时， 测 试 仪 器 的 PLL 必 须 有 稳 定 的 时 间 常 数， 并 具 有 10 Hz 和 1 KHz 的 高 通 滤 波 器。 上 升 时 间 的 测 量 还 必 须 注 意 到 测 量 仪 器 建 立 被 测 波 形 时 本 身 的 上 升 时 间， 它 的 修 正 公 式 为：

Ta = Tm2-0.5Ts2
式 中：Ta= 实 际 上 升 时 间，Tm= 测 量 得 到 的 上 升 时 间，Ts= 仪 器 的 上 升 时 间。
泰 克 的VM700 SDI 选 件 能 根 据 修 正 格 式， 作 出 精 确 的 眼 图 上 升 时 间 测 试 值。

系 统 测 试

系 统 测 试 包 括 系 统 的 增 强 测 试 和 SDI 检 测。

增 强 测 试

一 个 数 字 系 统 在 工 作 的 时 候， 很 重 要 的 一 点 就 是 必 须 知 道 系 统 还 有 多 大 的 余 量， 即 系 统 离 开 崩 溃 点 有 多 远。 这 也 就 是 增 强 测 试 的 目 的。 增 强 测 试 的 方 法 是 改 变 数 字 信 号 中 的 一 个 或 多 个 参 数， 直 到 使 它 图 象 破 坏。 参 数 的 改 变 量， 就 是 系 统 的 余 量 的 测 定 值。SMPTE 259M 提 出， 系 统 增 强 测 试 的 最 为 直 观 的 方 法 是 加 接 电 缆， 直 到 出 现 误 码。 实 验 的 结 果 也 表 明， 电 缆 长 度 测 试 是 最 有 意 义 的 增 强 测 试。
有 一 点 必 须 提 出 的 是 增 强 测 试 只 能 停 播 测 试。

SDI 检 测 和 SDI 检 测 场

SDI( Serial Digital Interface)－串 行 数 字 接 口 的 固 有 弱 点 是， 无 误 码 检 测 功 能 和 纠 错 手 段， 以 及 误 码 会 在 加 扰 器 中 倍 增。 加 扰 系 统 的 不 良 统 计 值 也 表 明， 跳 变 的 低 密 度 和[FS:Page] 不 对 称 是 产 生 误 码 的 主 要 因 素。SDI 的 检 测 主 要 是 对 自 动 均 衡 器 的 测 试 和 接 收 机、D/A 的PLL 的 测 试。 测 试 信 号 是 一 种 很 特 殊 的 全 场 信 号， 称 作 SDI 检 测 场。

--SDI 检 测 场
SDI 检 测 场 信 号 又 称“ 异 常” 信 号、“ 有 病” 信 号。 它 是 一 种 很 难 处 理 的 的 信 号， 对 测 试 系 统 的 性 能， 它 具 有 十 分 重 要 的 价 值。SDI 检 测 场 信 号 在 全 场 中 分 隔 为 两 种 信 号， 每 种 信 号 都 含 有 最 大 的 直 流 分 量。 其 中， 一 种 信 号 用 于 测 试 均 衡 器 的 性 能， 另 一 种 信 号 用 于 测 试 锁 相 环 的 锁 相 能 力。 由 于 SDI 检 测 场 是 全 场 测 试 信 号， 因 此 也 只 能 停 播 测 试。

SDI 检 测 场 信 号 由 SMPTE RP178 实 用 标 准 定 义。 图 15 示 意 了 SDI 检 测 场 的 结 构。

图 15

SDI 检 测， 主 要 是 测 试 自 动 电 缆 均 衡 器 和 接 收 机 的 锁 相 环。

-- 自动电缆均衡器测试
SDI 检 测 场 的 上 半 场 测 试 信 号 的 每 一 行 都 由 1 比 特
的“1” 和 19 比 特 的“0” 的 排 列 组 成， 用 于 自 动 电 缆 均 衡 器 的 测 试。 当 这 种 测 试 信 号 通 过 被 测 的 自 动 均 衡 器 时， 会 在 每 帧 的 一 些 时 间 上 建 立 很 大 的 直 流 分 量。这 种 高 直 流 分 量 的 切 换－“ 接 通‘、 “ 关 断”， 将 会 增 强 测 试 自 动 均 衡 器 的 模 拟 功 能 的 线 性 程 度， 线 性 不 良 的 均 衡 器 会 在 跳 变 点 产 生 误 码。 用 数 字 波 形 监 视 器 的“ 图 象” 显 示 方 式， 可 很 方 便 检 测 产 生 于 比 特 跳 变 处 的直 流 成 分 波 形。

--PLL 的锁相测试
SDI 检 测 场 的 下 半 场 测 试 信 号 的 每 一 行 都 由 20 比 特 的“1” 和 20 比 特 的“0” 的 排 列 组 成。 很 明 显，这 种 测 试 信 号 含 有 最 大 的 低 频 成 分 和 最 少 的 过 零 点， 给 时 钟 的 恢 复 和 PLL 的 锁 相 是 一 种“ 加 压” 测 试。PLL 的 测 试， 不 需 测 试 仪 器， 只 要 观 测 当 SDI 检 测 场 通 过 系 统 时 图 象 是 否 仍 完 美 无 损 即 可。如 果 图 象 出 现 紊 乱 或 失 去 图 象， 则 说 明 系 统 中 接 收 机 的 锁 相 环 无 法 锁 住 这 种“ 异 常”0、1 序 列 信 号。 这 种 接 收 机 用 在 系 统 中 是 不 安 全 的， 因 为 在 实 际 的 图 象 情 况 下， 输 入 的 数 据 与 加 扰 状 态 的 某 些 特 殊 组 合 也 有 可 能 很 凑 巧 地 产 生 一 长 列“0”。

数字“ 波形”的监视

称 作 为 数 字 码 流 的“ 波 形”， 意 为 数 字 码 流 解 码 为 模 拟 状 态 下 的 波 形 显 示。 对 D1 格 式 的 数 字 码 流 而 言， 即 是 以 模 拟 分 量 RGB 或 Y/B-Y/R-Y 方 式 的 显 示。 在 数 字 演 播 室、 数 字 转 播 车 等 数 字 环 境 下， 我 们 都 可 用 这 种 方 式 来 监 视 实 际 图 象 的 波 形。

由 泰 克 公 司 发 明 的“ 钻 石” 显 示( 也 称 作“ 菱 形” 显 示 ) 对 数 字“ 波 形” 的 监 视， 更 为 实 用。 图 18 列 出 了 一 个“ 钻 石“ 显 示 中 的“ 非 法” 状 态。

图 16

图 16 是 一 实 际 图 象 的“ 钻 石” 显 示。 在 两 个 菱 形 中 的 图 象 点 都 在 正 确 的 幅 度 和 色 度 之 内。 夹 在 两 个 G 坐 标 轴 中 的 那 一 点， 就 因 为 着， 在 某 瞬 间 G 超 过 规 定 值。“ 钻 石” 显 示 是 一 个 很 实 用 的 数 字“ 波 形” 观 测 方 法。 它 很 方 便 很 直 观 地 显 示 了 图 象 的 实 时 状 态， 便 于 我 们 随 时 调 整 系 统 的 [FS:Page]最 基 本 指 标。

本 文 以 D1 格 式 为 例 简 述 了 数 字 视 频 的 基 础 常 识， 以 及 误 差 的 定 义 和 测 试 方 法， 由 于 作 者 水 平 实 在 有 限， 肯 定 文 中 错 误 不 少， 真 心 希 望 读 者 一 一 指 正。