視頻信號

目錄
·視頻信號定義
·視頻信號分類
·交流耦合、偏置和箝位（圖）
·視頻信號的重放原理





視頻信號定義
　　視頻信號是指電視信號、靜止圖象信號和可視電視圖象信號。對于視頻信號可支持三種制式：NTSC、PAL、SECAM。
視頻信號分類
　　一、高頻或射頻信號
　　
　　為了能夠在空中傳播電視信號，必須把視頻全電視信號調制成高頻或射頻（RF－Radio Frequency）信號，每個信號占用一個頻道，這樣才能在空中同時傳播多路電視節(jié)目而不會導致混亂。我國采樣PAL制，每個頻道占用8MHz的帶寬；美國采用NTSC制，電視從2頻道至69頻道，每個頻道的帶寬為4MHz，電視信號頻帶共占用54 MHz至806 MHz的信道。有線電視CATV（Cable Television）的工作方式類似，只是它通過電纜而不是通過空中傳播電視信號。
　　電視機在接收受到某一頻道的高頻信號后，要把全電視信號從高頻信號中解調出來，才能在屏幕上重現(xiàn)視頻圖像。
　　二、復合視頻信號
　　復合視頻（Composite Video）信號定義為包括亮度和色度的單路模擬信號，也即從全電視信號中分離出伴音后的視頻信號，這時的色度信號還是間插在亮度信號的高端。由于復合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號重放時很難恢復完全一致的色彩。這種信號一般可通過電纜輸入或輸出到家用錄像機上，其信號帶寬較窄，一般只有水平240線左右的分解率。早期的電視機都只有天線輸入端口，較新型的電視機才備有復合視頻輸入和輸出端（Video In，Video Out），也即可以直接輸入和輸出解調后的視頻信號。視頻信號已不包含高頻分量，處理起來相對簡單一些，因此計算機的視頻卡一般都采用視頻輸入端獲取視頻信號。由于視頻信號中已不包含伴音，故一般與視頻輸入、輸出端口配套的還有音頻輸入、輸出端口（Audio－In、Audio－Out），以便同步傳輸伴音。因此，有時復合式視頻接口也稱為AV（Audio Video）口。
　　三、S－Video信號
　　
　　目前有的電視機還備有兩分量視頻輸入端口（S－Video In），S－Video 是一種兩分量的視頻信號，它把亮度和色度信號分成兩路獨立的模擬信號，用兩路導線分別傳輸并可以分別記錄在模擬磁帶的兩路磁跡上。這種信號不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達420線。與復合視頻信號相比，S－Video可以更好地重現(xiàn)色彩。
　　　四、分量信號
　　兩分量視頻可來自于高檔攝像機，它采用兩分量視頻的方式記錄和傳輸視頻信號。其它如高檔錄像機、激光視盤LD機的輸出也可按分量視頻的格式，其清晰度比從家用錄像機獲得的電視節(jié)目的清晰度要高得多。
　　不同制式的電視機只能接收和處理其對應制式的電視信號。當然，目前也發(fā)展了多制式或全制式的電視機，這為處理和轉換不同制式的電視信號提供了極大的方便。全制式電視機可在各國各地區(qū)使用，而多制式電視機一般為指定范圍的國家生產(chǎn)。如Panasonic TC-2188M多制式電視機，適用于PAL－D，I制和NTSC（3。58）制，也即它可以在中國大陸（PAL－D）、香港（PAL－I）和日本（NTSC 3。58）使用。
交流耦合、偏置和箝位（圖）
　　一、為什么要對視頻信號進行交流耦合、偏置和箝位？
　　視頻傳輸系統(tǒng)大多都選用單電源供電。采用單電源供電就意味著要對視頻信號進行交流耦合，從而也降低了視頻質量。 例如數(shù)模轉換器(DAC)，DAC 的輸出可以進行電平轉換(一種直流工作模式)，以確保輸出在 0 電平以上的動態(tài)范圍。在具體實施中，常見的錯誤觀點是：運算放大器可以檢測地電平以下的信號，因此，可以在輸出中重現(xiàn)該信號。這種觀點是不正確的。集成的單電源方案才是真正的解決方法。當然，視頻信號的交流耦合會帶來一個問題。信號的 DC 電平在設定圖像亮度之后必須重建，并確保信號落在下一級的線性工作區(qū)內。這種操作被稱作“偏置”，根據(jù)視頻信號波形以及偏置點所需的精度和穩(wěn)定性，可以采用不同的電路。但是，S 視頻中只有色度信號(C)近似于一個正弦波。亮度(Y)、復合信號(Cvbs)和 RGB 都是復雜波形。從一個參考電平沿著一個方向變化，而在參考電平以下還可以疊加一個同步波形。這種信號需要一種專門用于視頻信號的偏置方法，被稱作箝位，因為它將信號的一個極值“箝位”在基準電壓，而另一個極值仍可以變化。經(jīng)典形式就是二極管箝位，其中二極管由視頻的同步信號激活。不過還有其他的箝位形式。
　　二、視頻信號的交流耦合
　　當信號采用交流耦合時，耦合電容存貯了(信號)平均值之和，以及信號源與負載之間的DC電勢差。圖1用來說明交流耦合對不同信號偏置點的穩(wěn)定性的影響。圖1所示是正弦波和脈沖分別交流耦合到接地電阻負載時的不同之處。
　　圖1。 簡單的RC耦合用于正弦波與脈沖時得到不同的偏置點
　　開始時，兩種信號都圍繞相同電壓變化。但是通過電容之后得到了不同的結果。正弦波圍繞半幅值點變化，而脈沖圍繞與占空比成函數(shù)關系的電壓變化。這意味著如果采用了交流耦合，占空比變化的脈沖將比相同幅值頻率的正弦波需要更寬的動態(tài)范圍。因此，所有用于脈沖信號的放大器最好采用直流耦合，以保持動態(tài)范圍。視頻信號與脈沖波形類似，也適合采用直流耦合。
　　圖2給出了常見的視頻信號，以及視頻接口處的標準幅值(見EIA 770-1、2和3)。S視頻中的色度、分量視頻中的Pb和Pr，類似于正弦波圍繞基準點變化，如上文所述。而亮度(Y)、復合信號與RGB僅在0V (被稱作“黑色”或“消隱”電平)至+700mV之間正向變化。這里延用了業(yè)界的默許協(xié)議，而不是任何標準。請注意這些信號都是復雜波形，具有同步間隔，盡管該同步間隔可能不被定義或使用。例如，圖2給出了NTSC和PAL制式下使用的具有同步頭的RGB。在PC (圖形)應用中，同步是單獨的信號，不與RGB疊加。在單電源應用中，例如DAC輸出，在同步間隔內靜態(tài)電平可能不同。這將影響偏置方式的選擇。例如，若雙電源應用中，同步間隔內色度的靜態(tài)電平不是0V，那么色度信號將更接近脈沖而不是正弦波。
　　圖2。 用來說明同步間隔、有效視頻、同步頭和后沿的RGB (a)、分量(b)、S視頻(c)與復合(d)視頻信號。
　　盡管存在上述復雜因素，視頻信號仍需交流耦合到電壓變化的位置。通過直流耦合連接兩個不同電源的電路存在很大的危險性，這在安全性規(guī)則中是嚴格禁止的。所以，視頻設備制造商有一個默許的規(guī)則，即視頻信號的輸入采用交流耦合，而視頻輸出直流耦合到下一級，重新建立直流成分，請參考EN 50049-1 (PAL/DVB [SCART])和SMPTE 253M第9。5章(NTSC)，允許提供直流輸出電平。若無法建立這樣的協(xié)議，將導致“雙重耦合”，即兩個耦合電容出現(xiàn)串聯(lián)，或導致短路，即沒有電容。該規(guī)則唯一的例外是電池供電設備，例如便攜式攝錄機和照相機，為了降低電池損耗而使用交流耦合輸出。
　　接下來的問題是這個耦合電容應該多大？圖1中，該電容存貯了信號“平均電壓”的假定，是根據(jù)RC乘積大于信號的最小周期得到的。為了確保準確的平均，RC網(wǎng)絡的低-3dB點必須低于信號最低頻率6到10倍。然而，這將導致大范圍的電容值。
　　例如，S視頻中的色度是相位調制正弦波，其最低頻率約2MHz。即便使用75Ω負載，也只需要0。1μF，除非需要使水平同步間隔通過。與之相反，Y (亮度)、Cvbs (復合信號)和RGB的頻率響應向下擴展到視頻幀頻(25Hz至30Hz)。假定75Ω負載，并且-3dB點在3Hz至5Hz，這就需要大于1000μF的電容。使用過小的電容會引起顯示圖像從左到右、從上到下變暗，并可能使圖像在空間上產(chǎn)生失真(取決于電容量)。在視頻中，這被稱作行彎曲與場傾斜。為了避免可見的偽信號，其電平必須小于1%至2%。
　　三、用于視頻的單電源偏置電路
　　如圖3a所示，只要RC乘積足夠大，RC耦合對任意視頻信號都有效。另外，與之相應的運放電源范圍必須足以處理信號平均值附近的負向和正向偏移。過去，這是通過運放使用雙電源實現(xiàn)的。假定RS與Ri以相同的地為參考，并等于Ri與Rf的并聯(lián)值，則運放可以抑制共模噪聲(即具有較高的共模抑制比[CMRR])，并具有最小的失調電壓。低-3dB點為1/(21RSC)，并且，不論耦合電容的尺寸大小，電路都可以保持其電源抑制比(PSRR)、CMRR和動態(tài)范圍。絕大多數(shù)視頻電路采用這種方法構建，而且絕大多數(shù)交流耦合視頻的應用仍然采用這種方式。
　　隨著數(shù)字視頻和電池供電裝置的出現(xiàn)，負電源就成了降低成本與功耗的負擔。RC偏置的早期嘗試與圖3b類似，其中使用了分壓器。假定圖3a中R1 = R2，且VCC等于VCC與VEE之和，這兩個電路是相似的。但是兩者的交流性能是不同的。例如，圖3b中VCC上的任何變化將直接導致運放輸入電壓按照一定的分壓比變化，而圖3a中，該變化被運放的電源余量吸收了。R1 = R2時，圖3b的PSRR只有-6dB。因此，電源必須經(jīng)過濾波與良好的穩(wěn)壓。
　　為了改善交流PSRR (圖3c)，插入一個隔離電阻(RX)是低成本的替代方法。不過，除非與Rf和Ri的并聯(lián)值匹配，否則這種方法會帶來額外的直流失調。更麻煩的是，這還需要RxC1與C2Ri的乘積必須小于3至5Hz，如上文所述。盡管該電路中更大的旁路電容(C3)需要更小的RX，并降低了失調電壓，但同時也使C1增大。在使用電解電容的低成本設計中可以采用這種方法。
　　另一種選擇是圖3d，它用3端穩(wěn)壓器替代了分壓器，并將PSRR擴展到低至DC。穩(wěn)壓器的低輸出阻抗在降低電路失調電壓的同時，使RX更接近Rf和Ri的并聯(lián)值。因為C3的唯一目的是降低穩(wěn)壓器噪聲，并以頻率的函數(shù)補償穩(wěn)壓器的輸出阻抗(Zout)，所以其值小于圖3c中的值。不過C1和C2仍很大，并且對低于RiC1乘積的頻率，CMRR存在較大的問題，另外還有穩(wěn)定性問題。
　　圖3。 RC偏置技術，包括雙電源(a)、使用分壓器的單電源(b)、低失調的分壓器(c)以及改善了PSRR的穩(wěn)壓源(d)。
　　根據(jù)上述內容，雙電源供電交流耦合比單電源方法更好(考慮共模抑制與電源抑制)—不考慮具體應用。
　　四、視頻箝位
　　亮度、復合信號與RGB信號在黑色(0V)參考電平與帶有同步頭(-300mV)的最大值(+700mV)之間變化。但是，與圖1占空比變化的脈沖相似，若這些信號是交流耦合的，偏置電壓會隨視頻內容而變化(被稱為平均圖像電平或APL)，并會丟失亮度信息。需要有一個電路電路將黑色電平保持為常數(shù)，不隨視頻信號或同步頭幅度的變化而變化。
　　圖4a所示電路被稱作二極管箝位，試圖通過二極管(CR)代替電阻來實現(xiàn)。該二極管相當于單向開關。這樣，視頻信號的大部分負向電壓、水平同步頭被強制為地。因此該電路又被稱作同步頭箝位。假定同步電壓(-300mV)不變，而且二極管的導通電壓為零，這將使參考電平(0V)保持恒定。雖然不能控制同步電平，但是可以降低導通電壓，即通過將箝位二極管放在運放的反饋回路實現(xiàn)“有源箝位”。這樣做的主要問題是：如果匹配電路不正確則有可能產(chǎn)生自激，并且在分立設計中很少采用。集成方案可以進行補償，具有更高的可靠性。(例如MAX4399、MAX4098和MAX4090。)
　　若同步電平變化或不存在，二極管可以用開關替代――通常使用受外部信號控制的FET (圖4b)。這就是鍵控箝位，控制信號是鍵控信號。鍵控信號與同步脈沖一致，這就實現(xiàn)了同步箝位。與二極管箝位不同的是，這種方法可以在同步間隔的任意位置使能，而不僅僅在同步頭。如果鍵控信號出現(xiàn)在視頻信號是黑色電平時(圖4c)，則得到“黑色電平箝位”。這種方法最為通用、接近理想模型。開關不具備二極管的導通電壓，可以真正實現(xiàn)黑色電平箝位。
　　加入一個直流電壓源(Vref)為色度、Pb與Pr以及復合信號和亮度信號設定偏置。其缺點是需要同步隔離器獲得鍵控信號，而在某些應用中這就不夠準確了。若正在量化視頻信號，則希望黑色電平保持在±1最低有效位(LSB)或在±2。75mV內。箝位得不到這樣的精度。
　　用來為視頻信號提供偏置的另一種方法稱作直流恢復，可以實現(xiàn)接近±1 LSB的黑色電平精度。圖4d中需要注意的第一點是，該電路中沒有耦合電容。取而代之，U2用來比較第一級(U1)的直流輸出和某個電壓(Vref)，并對U1施加負反饋，強制輸出跟蹤該電壓，而與輸入電壓無關。顯然，若回路連續(xù)運行，將得到直流電平。可以在反饋回路中插入一個開關。該開關僅在每行需要設定為Vref的點(同步頭或黑電平)瞬時關閉。該電壓由電容(C)存貯，但該電容并未與輸入串聯(lián)，而是通過切換反饋回路以采樣-保持(S/H)形式出現(xiàn)。
　　圖4。 不同形式的視頻箝位：(a) 二極管或同步頭箝位；(b) 用作同步頭箝位的帶基準電壓的鍵控箝位；(c) 用作黑色電平箝位的鍵控箝位；(d) 直流恢復
　　圖5的實現(xiàn)電路實際上由兩個電容(Chold和Cx)，兩個運放(U1和U2)，以及一個S/H組成。真正的比較與信號平均由Rx、Cx和U2完成。RC乘積根據(jù)噪聲平均選擇。對16ms的場信號(NTSC/PAL)，RC乘積應大于200ns。因此U2是根據(jù)低失調電壓/電流與穩(wěn)定性來選擇的低頻器件，而不是根據(jù)其頻率響應特性來選擇。(MAX4124/25是這種應用的良好選擇。) 另一方面，U1根據(jù)其頻率響應，而不是失調進行選擇。S/H和Chold本身的選擇依據(jù)其泄漏特性，即在每行引起的電壓變化(下降)。圖中電路使用雙電源供電，該電路也可以使用精確的電平轉換，用單電源形式實現(xiàn)。
　　圖5。 直流恢復電路的實現(xiàn)，使用兩個電容、兩個運放和一個S/H。
　　直流恢復的最大問題是恢復的電平—Vref黑色視頻電平—是模擬量，與其在數(shù)字域中的數(shù)值無關。為了進行修正，通常與鍵控箝位一樣，用DAC產(chǎn)生Vref，直流恢復可以用于任何視頻信號(帶或不帶同步)，并可以在波形的任意位置使能 - 足以滿足放大器和S/H的快速響應。
視頻信號的重放原理
　　顯然，重放過程是記錄過程的逆過程，是把記錄在磁帶上的磁信號轉換成電信號的過程，盡管不同類型的錄像機其重放系統(tǒng)的電路形式有所不同，但它們的作用都是相同的，即經(jīng)過重放系統(tǒng)的處理，還原出符合要求的視頻信號來。本節(jié)我們將以分量型錄像機為例簡要分析視頻信號的重放。
　　亮度信號的重放過程
　　是分量型錄像機重放通道，兩個旋轉亮度磁頭拾取亮度調頻信號，經(jīng)過磁頭放大器，及磁頭切換開關后形成一個射頻亮度信號分兩路輸出。一路經(jīng)失落檢測電路，產(chǎn)生失落檢測脈沖，到時基校正電路中的失落補償電路進行失落補償；另一路經(jīng)頻率解調器對亮度調頻信號進行限幅，解調處理，得到復原的亮度信號。然后經(jīng)過非線性去加重和去加重電路進行去加重，恢復信號原來的幅頻特性，同時抑制了高頻端雜波能量，提高高頻端信噪比。再后信號進入時基校正電路，完成消噪，時基校正，失落補償?shù)忍幚�。最后信號分成兩路，一路作為分量亮度信號輸出；另一路進入Y/C混合電路與編碼色度信號混合成復合彩色視頻信號輸出。
　　磁頭放大器
　　又稱為預放大器，它是一個低噪聲，高增益的寬帶放大器，它把旋轉變壓由輸出來的1mv左右的微弱的射頻信號放大到幾百mv，以滿足后續(xù)電路對信號處理的要求，一般其增益在40dB以上。另外，由于磁頭放大器是重放電路的第一級，它的噪聲系數(shù)將影響到整個電路的信噪比，因此要求其必須是低噪聲放大器。另外，由于信號在錄放過程中存在很多損失，特別是高頻損失較大，所以在預放器中要進行高頻補償，即進行幅頻特性的校正。
　　磁頭切換電路
　　在兩磁頭的錄像機中，磁帶與磁頭鼓的包角略大于180°，所以在記錄時，A磁頭還未離開磁帶時，B磁頭已貼上磁帶的另一邊，在兩磁頭同時與磁帶接觸的那一段時間里，將分別在相鄰兩條磁跡的首末端記錄相同的內容，形成重復部分，大約10行左右。
　　磁頭切換電路的作用是切掉兩個磁頭的多余部分信號，并將A，B磁頭不連續(xù)的信號變成連續(xù)的輸出信號。而切除的動作是根據(jù)磁頭切換脈沖來進行的，這個切換脈沖由伺服系統(tǒng)產(chǎn)生，它是一個頻率等于磁鼓轉速的方波，其跳變沿剛好位于重疊部分的中心。
　　信號失落補償
　　由于磁粉脫落，或者由于磁頭與磁帶瞬間接觸不良，或者是由于磁帶上有污物等原因，會使重放亮度信號出現(xiàn)部分幅度跌落，嚴重時可能沒有信號輸出，即產(chǎn)生信號失落。這種情況反映在圖像上是出現(xiàn)橫向白色噪點或條紋。信號失落是沒有規(guī)律的，因此不可能在失落點補上與原來完全相同的信號，但也不能使補上去的與原來相差太遠。由于電視信號中相鄰兩行的信息是相似的，稱為行相關原理。根據(jù)這個原理，我們可用前一行信號代替這一行失落的信號。但是，由于電路技術能力有限，不可能將所有的微小失落都全部檢測出來，因此一般當失落長度相當于5us時間或是信號輸出衰減16dB以上才進行失落補償。
　　限幅與解調電路
　　為了消除亮度信號中的寄生調幅和高頻雜波，保證解調電路正常工作，一般在解調電路之前設置限幅電路。利用限幅電路將調頻信號的幅度下降為原來的1/2(降低6dB)，信號能量也降低為原來的一半。如圖4-39所示。
　　限幅電路的作用有兩個：
　　(1) 通過將信號變成近似矩形波，能恢復丟失的部分上邊帶能量，為后續(xù)電路提供所需要的信號波形。
　　能消除亮度調頻信號的一切寄生調幅，保證解調電路正常工作，改善信噪比。
　　對限幅電路的要求是：
　　(1) 要有足夠的限幅深度(40~50dB)，至少進行兩次限幅，中間插入放大器，使限幅和放大交替進行。
　　要有足夠的通頻帶，能完全通過調頻信號的一次上邊帶。
　　要求對稱限幅，否則會出現(xiàn)二次諧波成分而產(chǎn)生網(wǎng)紋干擾。
　　解調電路的作用是將限幅由輸出的調頻波經(jīng)過解調還原為視頻信號，它是重放系統(tǒng)的核心。
　　對解調電路的要求是：
　　解調性好，解調載漏�。�
　　能調頻率范圍應包括調頻信號的整個范圍。
　　由于調頻信號的載頻較低，相對頻偏較大，一般的鑒頻方式不能保證其鑒頻的直線性，所以要采用脈沖計數(shù)式鑒頻器或延時線式解調器。
　　非線性去加重和去加重
　　前面介紹了為提高重放信號的信噪比，視頻信號在調頻之前要進行非線性預加重和預加重處理。在重放時，為了使信號恢復正常的調頻特性，必須對解調后的視頻信號進行非線性去加重和去加重處理。去加重的頻率特性與預加重相反，所以在去加重過程中，高頻分量被衰減下來，從而降低了信號的高頻噪聲，使信噪比得到提高。非線性去加重同樣也是非線性預加重的逆過程，它的主要目的也是通過抑制信號的高頻分量，提高高頻端的信噪比，達到消除高頻雜波能量的目的，因此也叫雜波消除電路。
　　時基校正
　　視頻信號在重放過程中，由于磁頭旋轉不均勻和磁帶運行速度不穩(wěn)定，以及磁帶伸縮等因素，會使重放的視頻信號產(chǎn)生抖動，即時間軸發(fā)生變動，產(chǎn)生了時基誤差，這種影響表現(xiàn)在亮度信號是同步信號周期性中晃動，而表現(xiàn)在色度信號上是副載波頻率和相位的變化，并引起圖像色調失真。也就是說，由于各種原因導致磁帶發(fā)生伸縮變化時，使視頻信號在時域上產(chǎn)生壓縮或拉伸，這種時間軸基準長度發(fā)生的變化，稱為時基誤差。如圖4-40所示。圖中信號周期伸長了△TH，即為時基誤差。要減少時基誤差，單靠提高錄像機的機械精度和伺服系統(tǒng)精度是難以達到要求的，一般還需要采用電路校正的方法，這就是時基誤差電路。圖4-37(重放通道)中所示的時基校正電路有消噪，時基校正器，失落補償電路等部分組成，完成其各自的功能。
　　tu 4-40
　　在錄像機發(fā)展的初期，時基誤差采用模擬式延時電路，通過控制延時量大小使信號的時基誤差得到校正。但是模擬式電路校正的程度太小，后來出現(xiàn)了數(shù)字時基校正器電路。
　　數(shù)字時基校正器的基本原理是把錄像機重放的視頻信號變換為數(shù)字信號后存儲在數(shù)字存儲器里邊，并控制從存儲器中讀出的信號給以不同的延時來實現(xiàn)時基校正。有關時基校正電路的原理，具體的我們將在后面的章節(jié)專門介紹。
　　色度信號的重放過程
　　與亮度信號的重放過程類似，兩個色度磁頭重放的色度信號磁頭放大器和切換開關后形成射頻信號分成兩路。一路去AFM解調電路，從頻分復用的合成頻譜中，利用帶道濾波器取出兩個聲道的AFM信號；另一路經(jīng)射頻放大后進入色度信號通道，后面電路的形式與亮度通道基本相同。但是，需要指出：在色度時基校正電路中，除了進行與亮度通道相同的消噪，時基校正，失落補償?shù)忍幚碇�外，還有一項亮度信號里沒有的處理工作，即時間軸擴展。它是時間軸壓縮的逆變換，即對一個合成的時間軸壓縮的時分復用信號CTDM，通過時間軸擴展還原為R-Y，B-Y色差信號。
　　時基校正后的兩個色差信號，一方面作為分量色度信號輸出，另一方面進行色度編碼形成色度信號，與亮度信號混合后，作為復合全電視信號輸出。

• 通信詞典解釋