視頻信號測量與發生基礎

1. 理解復合視頻信號

復合視頻信號是所有需要生成視頻信號的成分組合在同一信號中的信號。構成復合信號的三個主要成分如下：

• 亮度信號——包含視頻圖像的強度（亮度或暗度）信息
• 色彩信號——包含視頻圖像的色彩信息
• 同步信號——控制在電視顯示屏等顯示器上信號的掃描

單色復合信號是由兩個成分組成的：亮度和同步。圖1顯示了這個信號（通常成為Y信號）。

圖1：單色復合視頻信號（亮度從白過渡到黑）

色彩信號通常被稱為C信號，在圖2中示出。

圖2：彩色條的色彩信息信號（包括顏色突發）

復合彩色視頻信號通常成為彩色視頻、消隱與同步（CVBS）信號示Y與C之和，如圖3所示。

CVBS = Y + C

圖3：彩色條的彩色復合視頻信號

兩個組成部分Y與C可以作為兩個獨立信號分開傳輸。這兩個信號合稱為Y/C或S視頻。

2. 視頻信號組成

單一水平視頻行信號由水平同步信號、后沿、活動象素場以及前沿組成，如圖4所示。

圖4：視頻信號組成

視頻信號的另一方面是垂直同步（VSYNC）脈沖。這實際上是在場之間發生的脈沖序列，用于通知顯示器，完成垂直重跟蹤，準備掃描下一場。在每個場中都有幾行是不包含活動視頻信息的。有些只包含HSYNC脈沖，而其他包含均衡與VSYNC脈沖序列。這些脈沖是在早期的廣播電視中定義的，所以從那以后構成了標準的一部分，雖然之后的硬件技術能夠避免部分附加脈沖的使用。在圖5中給出了復合RS-170交叉信號，其中包括垂直同步脈沖，為了簡單起見，下面給出了一個6行幀：

應當理解對于從模擬相機得到的圖片，其垂直尺寸（以象素為單位）是由幀接收器對水平視頻行采樣的速率所決定的。而這個速率是由垂直行速率合相機的體系結構所決定的。相機CCD陣列的結構決定了每個象素的大小。為了避免圖像失真，您必須對水平方向，以一定速率進行采樣，將水平的活動視頻場分割為正確的象素點數。下面是RS-170標準的實例：

感興趣參數：

• 行/幀數：525（其中包括用于顯示的485線；其余是每兩個場之間的VSYNC行）
• 行頻率：15.734 kHz
• 行持續時間：63.556微秒
• 活動水平持續時間：52.66微秒
• 活動象素/行數：640

現在，我們可以進行一些計算：

• 象素時鐘頻率（每個象素達到幀接收器的頻率）：
  640象素/行 / 52.66 e-6 秒/行 = 12.15 e6 象素/行（12.15 MHz）
• 活動視頻的象素行長度 + 定時信息（稱為HCOUNT）：
  63.556 e-6 秒 * 12.15 e6 象素/秒 = 772 象素/行
• 幀率：
  15.734 e3 行/秒 / 525 行/幀 = 30 幀/秒

3. 不同的視頻格式

以下表格描述了常用標準模擬視頻格式的一些特征：

NTSC：美國國家電視標準委員會

PAL：逐行倒相

SECAM: Systeme Electronic Pour Coleur Avec Memoire

4. 彩色編碼

對于所有的PAL和NTSC格式而言，編碼是基于正交調幅（QAM）概念的，其中將兩個彩色成分通過象限幅度調制之后，合并在一起。調制必須經過解碼，因此跟蹤絕對相位需要對彩色信息進行解碼。稱為彩色突發的參考信號被插入到每行的開始處，它位于水平同步脈沖之后（參閱上述圖3與圖4）。

對于所有的SECAM格式，兩個彩色成分使用兩個不同的子載波頻率進行頻率調制，之后順序分步在不同的視頻行上。SECAM格式不需要彩色突發信號。

5. 視頻信號電平

視頻信號電平定義了視頻信號不同部分的電平和范圍。用于定義視頻信號電平的組織是IRE（無線電工程師協會）。消隱電平對應0 IRE，白色電平對應+ 100 IRE。消隱電平是視頻信號的參考級別（通常為0 V），如下面的圖6所示，如果對信號進行一定的設置，消隱電平和白色電平是不同的。

對于NTSC而言，通常應用7.5 IRE設置，將黑色電平提高為+ 7.5 IRE。對于PAL和SECAM，黑色電平與消隱電平一致，均為0 IRE。

下表根據視頻格式顯示了不同的視頻信號電平。

模擬合成視頻信號使用75 Ω的輸出阻抗定義為電壓源。當帶75 Ω阻抗的負載時，白色電平同步通常為1 V峰峰值。因此，無負載信號名義上為2 V峰峰值。

6. 隔行掃描概念

所有復合視頻系統使用隔行掃描技術在電視屏幕上顯示視頻圖像。圖7顯示了隔行掃描概念。

模擬視頻信號包含控制掃描從左到右逐行以及從上到下逐場進行掃描?？刂浦鹦袙呙璧拿}沖稱為水平同步脈沖（H-Sync）?？刂拼怪睊呙璧拿}沖稱為垂直同步脈沖（V-Sync）。

兩個交叉場合成一個完整幀。第一個場稱為奇數場，對視頻圖像的奇數行進行掃描。第二個場稱為偶數場，對視頻圖像的偶數行進行掃描。整個過程對每幀進行重復。

7. 活動圖像

掃描得到的活動視頻圖像總是具有4/3的尺寸比例（水平/垂直），它與視頻格式無關。彩色復合視頻信號表明掃描過程要求在每行的左側和右側需要一些附加空間，在活動視頻圖像場的頂部和底部也同樣如此。這個額外的空間包含同步信號、彩色突發以及其他例如ITS等格式特定的信息，這并不是活動視頻圖像的一部分。大約所有行的90％以及每行的80％都能夠傳送活動圖像信息。如下表所示，精確的數值依賴于視頻格式。

活動行代表了實際用于傳送圖像和信息的行數。舉例而言，在NTSC中，每幀的525行中只有480行是傳送圖像信息的。同樣，在每行中，只有在活動行序列中才傳送圖像信息，這比整行的持續時間短。舉例而言，在NTSC中，63.55µs中只有52.2µs是活動行持續時間。幀速率是掃描速度。

8. 灰度圖像和提取線譜輪廓

假設以下條件滿足，下一小節中的完整NTSC幀掃描圖像對在電視屏幕上可能出現的視頻顯示進行了模擬：

• 電視能夠顯示整條線，而不僅僅是活動圖像部分。
• 電視并非將兩個場進行隔行掃描得到完整的圖像幀，而是對整個幀逐行掃描。

掃描從代表偶數場垂直同步模式的幾行開始掃描（從上到下逐行）。在偶數場的垂直同步模式之后插入可選的測試信號（ITS）。最后顯示實際的奇數場活動圖像。

這個過程對偶數場重復，構成完整的幀。

說明：大多數行從水平同步脈沖開始，隨后是色彩突發模式信號。之后的活動圖像（或ITS）顯示強度變化，其中較高的信號電平代表更高的亮度。

位于圖8和圖9底部的提取譜線輪廓顯示了從偶數場提取的活動視頻信號行。關于視頻電平的更多信息，等參閱之前的視頻信號小節。

水平同步脈沖一般是簡單的負脈沖，這些脈沖電平低于亮度信號電平。但是，垂直同步信號由分步在多行上的脈沖序列構成，脈沖序列對于奇數場和偶數場而言是不同的。圖8和圖9顯示了用于兩種場和三種主要視頻格式的垂直同步模式。

圖10顯示了對構成完整NTSC幀的525行進行掃描的結果。

圖10是一個灰度圖像，由于它代表了原始NTSC視頻波形的強度圖。色彩信息嵌入到這個波形中，還沒有進行編碼。