高清模拟分量概述

摄像机的输出信号由红、绿、兰（RGB）三个分量所组成。经过伽马校正后，则以R'G'B'表示。这三个分量信号具有相同的带宽，典型值为30MHz。利用人眼对亮度细节分辨力高、对色度细节分辨力低的特点，可以将R'G'B' 三分量信号转换为一个亮度信号Y' 和两个色差信号即B' Y'和R' Y'。这样，图像细节信息仅由全带宽（30MHz）的亮度通道来传送，而两个色差信号则可使用较窄的带宽，通常为亮度带宽的一半，即15MHz。为将R'G'B'分量转换为Y'、B' Y'和R' Y' 分量，只需通过一个简单的矩阵变换即可实现。转换后亮度和色差信号的动态范围发生了变化。转换前，R'G'B' 信号的动态范围是0 至700mV，转换后，Y' 信号后的动态范围虽然是0 至700mV，但两个色差信号却有着不同的动态范围：对于1080 行（每帧有效行数）格式，R' Y' 为+/ 551mV，B' Y' 为+/ 650mV（色差信号是双极性信号）。为使它们的动态范围与Y' 分量一致，需要给B' Y'和R' Y' 各引入一个幅度压缩因子。引入压缩因子后， B' Y'成为P'b，R' Y'成为P'r，它们的动态范围均为+/ 350mV。这样，R'G'B' 三分量信号最终成为亮色分离的Y'P'bP'r 三分量信号，这也是最常使用的模拟分量格式。上述转换过程可用数学式表示如下：

Y'＝0.2126 R'+0.7152 G'+0.0722 B'
R'-Y'＝0.7874 R' 0.7152 G' 0.0722 B'
B'-Y'＝ 0.2126 R' 0.7152 G'+0.9278 B'
P'b＝1/1.8556(B' Y')＝0.53891(B' Y')
P'r=1/1.5748 (R' Y')＝0.63500 (R' Y')

在Y'P'bP'r 模拟分量中，由于亮色分离，三通道分别传输，因此不存在复合传输中的微分增益失真和微分相位失真。但也带来了新的问题，那就是三个通道之间的时延/增益是否一致。它们是模拟分量电视测试的重要参数。在Y'P'bP'r 标准清晰度格式中，同步信号总是在Y 通道中传送的，使用的是单极性双电平同步信号。但在HD 格式中，使用的是双极性三电平同步信号。在Y'P'bP'r 高清分量信号中，通常是在三个通道中均传送同步信号；在R'G'B'系统中，同步信号既可以在其中某一通道中传送，也可以在三个通道中同时传送，有时将同步作为单独的一路传送（RGBS），或者是采用行场同步分开的传送方式（RGBHV）。了解同步信号的传送方式，对于正确进行测试是十分重要的。

高清模拟分量信号的测量

对模拟电视的测量通常可按失真和杂波两大类进行。失真又分为线性失真和非线性失真，其中线性失真的测量项目包含频率响应、通道间的时延不等和瞬态失真等。当然，信号幅度、同步幅度和定时也是常规测量项目。高清模拟分量信号的频带比标准清晰度宽得多，对测量精度的要求也高些，常规的测量仪器是无法胜任的。为此，泰克公司推出了VM5000自动视频测量系统和TG700多格式视频信号发生器。VM5000是一种专用于SDTV和HDTV模拟分量测试的综合测量系统，TG700可提供多种模拟和数字测试信号，它的模拟宽带视频发生器组件能够提供模拟高清分量所必需的测试信号。

表1：100%彩条信号的幅度（略）

表2：75%彩条信号的幅度（略）

在进行系统性能测量和例行测试时，并不一定总是需要全场的测试信号，它也可以是单行的测试信号。全场测试信号是多个单行重复测试的结果。将各种不同的测试信号组合在一起，可以产生一种矩阵测试信号。VM5000提供了一种专用的测试信号软件包，它将各种R'G'B' 测试信号与Y'P'bP'r 测试信号组合在一起而形成测试矩阵。VM5000的测试矩阵图案如图1所示。这种矩阵测试信号软件包能使VM5000进行多种参数测量而不必来回切换测试信号，从而避免了视频测量系统中的潜在操作性问题，减少了输入测试信号中的误差，并且有利于实现全自动化测试，大大缩短了测量时间。

VM5000 HD 的矩阵测试信号以数据文件的形式提供，利用泰克公司的MPEG 播放器如MTX100 或MA953A 可以重放这种码流文件，从而为机顶盒和其它消费数字视频产品的综合测试提供方便。也可将矩阵测试信号文件载入到泰克TG700 发生器中，便于直接进行模拟基带测试。

图1 VM5000的矩囝测试图案（略）

电平测量

VM5000的幅度电平测量通常使用彩条测试信号，彩条有100％彩条或75％彩条两种类型，它们的R'G'B'幅度分别对应于700mV和525mV。利用表1和表2，可以得到100％彩条和75％彩条的Y'P'bP'r 分量的幅度计算值。

VM5000 HD在进行彩条测量时，要对每个分量通道执行8次幅度测量（分别对应于白、黄、青、绿、品红、红、兰、黑8个色条），这样，三个通道总共要进行24次测量。色条幅度电平的测量值均以后肩电平作为测量参考值。在进行手动测量时，应当使完整的视频行显示在仪器的捕获窗口中。

对于不同的被测设备，实际的测量结果允许在某一百分比范围内变化。但超出允许变化范围有可能会造成显示图像中的色调失真或色饱和度失真。利用彩条信号还能查验通道间的增益是否相等，因此可以不再进行通道间的增益测量。

同步幅度和定时

同步幅度和定时测量是一项十分重要的测量项目，必须确保同步信号的幅度和定时关系符合相关标准。VM5000测试矩阵中的任意有效行信号均可作为它的测试信号。测试时应保证有效视频信号的幅度大于7.5%，这样才能进行前后肩宽度的精确测量。

图2 行同步信号的幅度和定时关系（略）

同步幅度是相对于后肩电平的幅度。定时宽度的测量应当在信号的上升沿或下降沿的50％处进行。而信号的上升和下降时间则是在上升沿或下降沿的10％和90％处进行。图2是VM5000测量行同步幅度和定时关系的示意图。

表3 ：1080高清视频格式的定时特性（单位：ns）

表3为 1080i 格式高清的定时特性。VM5000 HD 可以自动测量表3 中的各个参数，1080i指的是每帧的有效行数为1080 行，隔行扫描制式。这与国内采用的标准是一致的。

频率响应测量

HDTV 要求视频通道具有足够宽的频带宽度和良好的频率响应。为了测量HDTV 信号中整个频率范围内的频率响应，可以使用多波群测试信号。严格地说，多波群信号并不能代表整个视频范围内的频谱特性，但实际的视频通道中一般不会出现孤立的、凹凸不平的幅度起伏点，在宽带视频通道中更是如此。因此用多波群测试信号来进行频响测量是足够准确的。幅度的变化量用dB 或百分比来表示。一般将白条或某些相对较低频率处的幅度作为频响测试基准幅度(0dB，100％)。

有三种多波群测试信号可供使用：第一种为R'G'B'多波群测试信号，它具有100％的幅度和6个正弦波组；第二种为Y'P'bP'r 混合多波群测试信号，它包含全带宽的Y信号组和两个半带宽的色差信号组，其幅度为320mV峰值至峰值（45.7％）；第三种为半带宽频率组的Y'P'bP'r多波群测试信号，幅度为45.7％。详见表4所示。

图3 机顶盒的频响输出图示（略）

VM5000 HD 的带宽高达1GHz，有着极为平坦的频率响应。在1080i 格式中，视频信号的带宽为30MHz，因此，VM5000HD 完全能够保证被测器件频率响应的精确测量。VM5000 所采用的算法规则，使它能够捕获、测量和报告多波群信号中的标志处幅度、各波束信号的跌落幅度以及各波束的频率。图3 为机顶盒的频率响应测试显示。

表4：1080i高清视频格式的多波群频率组（单位）

VM5000 HD所使用的算法，即使在有噪声干扰的条件下，以及当被测信号经过MPEG压缩或经过其它视频格式处理后仍可有效地进行幅度测量运算。在被测信号的频谱中，可以发现在频率上相互分离的6个大峰值信号。测试信号中的各组频率虽然足以相互区分，但在经过被测器件的处理之后，有可能在测试信号中出现多个容易混淆的频率。在这种情况下，VM5000HD所使用的算法将从信号的频谱显示中选择6个间隔最大的峰值，按照由低至高的顺序显示出各频率组。利用台阶区和窗口中的正弦波束之间的互相关性，测得各频率组的最大幅度。

另外，在用VM5000 HD测量频率响应时，最好按照仪器的默认方式，即从通道1取得同步信号，这样可以得到较好的频响测量精度。但这种默认方式对信噪比的测量精度是有影响的。

非线性测量

如果被测系统的增益与输入信号的幅度有关，则该系统中存在着非线性。由于模拟分量的亮度/色差通道是分离的，不存在色度信号的微分增益失真和微分相位失真，但三个分量信号自身还是存在着非线性失真。例如，亮度通道Y就存在着亮度非线性失真，同样P'b或P'r 通道也有P'b 或P'r 非线性失真。非线性失真的测量方法是，将台阶电平增量相等的阶梯波测试信号（或线性良好的斜坡信号）送入被测系统，由于系统的非线性，各台阶电平的增量出现了差异，VM5000测量并比较系统输出的各个台阶的电平增量，将最大电平增量与最小电平增量相减，其差值与最大电平增量之比的百分数即作为该被测系统的非线性指标。

图4 机顶盒的非线性测量（略）

在VM5000所采用的矩阵测试信号中，实际用于R'G'B'和Y'P'bP'r的非线性测试信号是一种斜坡信号。它是由三个斜坡组成的，如图3所示。其中第一个斜坡是亮度斜坡，它可用于Y'分量（或R'、G'、B'分量）的非线性测量，第二个斜坡用于P'b的非线性测量，第三个斜坡则用于P'r的非线性测量，三个分量的斜坡分别用黄、兰和红三色以示区别。非线性测量是在斜坡内的6个相等的时间间隔内进行的，以对斜坡信号理想线性增长的偏离百分比来表示非线性。图4表示某一实际机顶盒输出的测量结果显示。在显示结果中，除了斜坡信号5个电平段的非线性百分比之外，还给出了整个斜坡中某电平段的最大百分比。其中，亮度斜坡信号在最高电平段的斜度略有偏离，但对被测设备而言，这也许在可以接受的容限之内。

在黑白电视中，亮度信号的非线性失真会引起图像对比度的变化，影响图像的层次，但只要失真不是太严重，一般来说，观众是不容易发现的。但对彩色电视而言，由于加在显像管上的信号应当是正确的R'G'B'信号，任一分量信号的非线性失真，都会导致重显图像的亮度失真，并会产生彩色失真，而且色饱和度的失真要显著些。因此，对于模拟高清分量，要将任一分量的非线性失真控制在允许的容限内。

通道时延测量

在模拟分量的传输通道中，三分量的相对定时是非常重要的，它们应当同时到达显示终端。如果三个分量间的相对时延超出了容限，则会在显示器件上出现明显的失真，例如重合度不佳、彩色镶边等，而人眼对这一类失真是相当敏感的。必须指出，在进行通道时延测量时，被测器件和VM5000 HD之间的三个分量通道的连接电缆长度应当相等，否则，所得出的测量结果将不能正确地反映被测器件的通道时延特性，这与通道时延与通道间的相对电缆长度有关。

在标清模拟分量测试中，通常使用蝴蝶结信号来测量各通道间的时延量。这是一种模拟分量专用的测试信号，然而，当其通过信号处理系统(如MPEG压缩系统)或受到噪声干扰时，蝴蝶结信号会有所劣化。不过，为VM5000 HD开发的算法只需使用标准的扫描信号即可检测出通道间的互相关(cross-correlation)。此外，还可使用其它相关度高的测试信号，如多波群或chirps信号来测量通道间的时延不等，甚至现场节目素材也可使用。当被选信号通道间的互相关度不能满足要求时，通道间的时延测量将无法进行，VM5000 HD的每一通道将显示出“---” 标记，并给出“low correlation between channels”（通道间相关度低）的信息。

图5 机顶盒的通道时延测量(略)

图5是用标准扫描信号测量机顶盒通道时延的结果，测量结果显示，通道Pb和Pr之间的时延测量值为正数，表示Pb滞后于Pr 1.1ns。Y与Pb之间的测量值为负数，表示Y超前于Pb 13.53ns。时延测量结果是信号各部分之间为取得最大互相关所需的时间位移量。在某种情况下，这种时间位移或者时延量也是频率的函数。通过测量各窄带信号的时延，可以得出被测器件的群时延特性。

噪声测量和噪声频谱显示

如果按照信号的作用来分类，可将信号划分为有用信号和无用信号。无用信号按其来源分为干扰和杂波（或称为噪声），干扰来自外界，如天电干扰或各种人为干扰；噪声则来自于传输系统内部，它是由元器件中载流子的无规则热运动而产生的，因此具有随机性质。但从测量的角度来看，则不必区分无用信号是来自于外部的干扰还是来自于内部的噪声，通常使用信噪比来唯一地反映它们对有用信号的影响程度，并将所有的无用信号通称为噪声。

噪声的影响是众所周知的，它会降低图像的清晰度，明显的噪声会使图像闪烁或产生雪花干扰，甚至会破坏接收信号的同步。噪声对图像的损伤程度取决于多种因素，其中包括噪声的频谱分布。CCIR建议书576-2给出了加权滤波器，它赋予噪声以某种频谱特性，使噪声的影响在典型的观看条件下更接近于人眼的视觉感受。

通常使用平场测试信号来测量噪声，用于Y'（或R'、G'、B'）平场测试信号的台阶电平为7.5%、50%或100%，用于P'b和P'r 平场测试信号的台阶电平为0%。在进行噪声测量时，首先要消除行倾斜和低频失真，以免影响测量结果。VM5000 HD测得的信噪比以dB表示，以700mV作为基准。可以选择加权或不加权的测量方式，VM5000还提供了多种带宽截止滤波器。

图6 VM5000HD的噪声测量(略)

图6是VM5000HD对一基准信号发生器的噪声测量显示，其信噪比高达80dB以上。由此可见，VM5000 HD的信噪比测量具有非常宽的动态范围。在图6的测量中，同步信号是从VM5000 HD的通道4取得的，而不是来自于默认的通道1。同步来自通道4比通道1有更宽的噪声测量动态范围，从而可以进行更精确的低电平噪声测量。为了更深入地观测被测设备的视频噪声特性，了解任一分量通道中的噪声/频率分布状况，VM5000 还提供了自动噪声频谱显示，使用游标可以对频谱显示中的特定噪声频率进行精确的定位，用户可以利用这一特点查找被测设备中的噪声来源。