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掌握差分增益/相位參數(shù)　，提升合成視頻信號(hào)測(cè)量效果

早在1940年,，美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NTSC)即推出合成單色的視頻(圖1)標(biāo)準(zhǔn),，此標(biāo)準(zhǔn)將水平及垂直同步之計(jì)時(shí)(Timing)及亮度信息(流明度)加以編碼并放入單一頻道中。在接下來(lái)的十年里,，該委員會(huì)再度研議彩色電視標(biāo)準(zhǔn),，此即大眾熟知的NTSC，此一新的彩色標(biāo)準(zhǔn)保存相同的視頻信號(hào)及頻寬,，以便與先前的黑白電視機(jī)保持完全兼容度,，為達(dá)此目的，彩色色訊副載波(Subcarrier)及參考叢發(fā)(Burst)信號(hào),，即系色信號(hào),，將被放到原來(lái)的單色視頻信號(hào)中。首先,，此色訊與亮度頻率是交錯(cuò)的,，因此彩色與亮度信息可占據(jù)相同的可用頻寬，此交錯(cuò)頻譜的中心大約位在3.58MHz,，此即色訊副載波頻率,。為減少副載波的可見度,，頻率被刻意選擇為水平同步率(Horizontal Synchronization Rate)一半(15.75kHz/2)的單數(shù)倍數(shù)。其次,，包含副載波信號(hào)的九個(gè)周期系色信號(hào)是被放在水平遮沒(méi)間隔的后緣效應(yīng)上,，其目的為使電視機(jī)或接收器中的3.58MHz彩色振蕩器同步，在歐洲相對(duì)應(yīng)的為PAL視頻標(biāo)準(zhǔn),，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要分別在于PAL的副載波頻率為4.43MHz,，且其視頻同步振幅比略有不同。

在現(xiàn)今充斥高畫質(zhì)模擬與數(shù)字視頻的世界里,，1950年已出現(xiàn)的合成視頻信號(hào)仍廣泛存在,，因此大部分與合成視頻相關(guān)的參數(shù)仍是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要考慮。合成視頻里具有兩個(gè)獨(dú)特的參數(shù),，分別是差分增益(Differential Gain, DG)與差分相位(Differential Phase, DP),，由于這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于合成視頻信號(hào)路徑非常重要，將其列入大部分高速放大器規(guī)格表中已是標(biāo)準(zhǔn)作法,，然而測(cè)量及驗(yàn)證這些參數(shù)并非輕易能解決的問(wèn)題,。本文將提供關(guān)于合成NSTC/PAL視頻及差分增益與差分相位的概觀，接著討論規(guī)格表中相關(guān)的技術(shù)規(guī)格說(shuō)明及各種DG與DP的測(cè)量方法

圖1　NTSC單色視頻信號(hào)

色度信息(Chrominance Information)可被分成兩種,，即色彩飽和度與色彩色度,。飽和度是由副載波的放大器決定；而色度則由相對(duì)于色彩參考突波之副載波的相位決定,；飽和度可被描述為色彩的強(qiáng)度,；而色度則可以被描述為Base Color的正確率。舉例來(lái)說(shuō),，一個(gè)具有較低振幅,，但仍然處于具有系色信號(hào)合適相位的紅色副載波將會(huì)變成粉紅,，也就是比較不飽和的紅色,，另一方面，若副載波是在超出具有～241o的系色信號(hào)的相位之～283o,，則色彩為青綠色而非綠色(表1),。

表1　Color Bar程度、振幅,、與相位

色彩

亮度程度(IRE)

色度程度(IRE)

色度振幅(IRE)

相位(°)

白色

100.0

0.0

0.0

黃色

89.5

48.1～130.8

82.7

167.1

青綠色

72.3

13.9～130.8

116.9

283.5

綠色

61.8

7.2～116.4

109.2

240.7

洋紅色

45.7

-8.9～100.3

109.2

60.7

紅色

35.2

-23.3～93.6

116.9

103.5

藍(lán)色

18.0

-23.3～59.4

82.7

347.1

黑色

7.5

0.0

0.0

應(yīng)注意視頻信號(hào)是采用IRE計(jì)量單位描述程度與振幅,，而非DC電壓?；谟赏蕉?286毫伏特至峰視頻(Peak Video)+714毫伏特?cái)[動(dòng)之標(biāo)準(zhǔn)1VPPNTSC合成視頻信號(hào),，可建立140IRE峰至峰協(xié)議(Peak-to-peak Convention)，而一個(gè)NTSC IRE單元為7.14毫伏特,，其中-40IRE等于-286毫伏特,；而+100IRE則等于+714毫伏特；0IRE等于0伏特，PAL視頻信號(hào)的些微不同在于其改由-300毫伏特至+700毫伏特?cái)[動(dòng),，因此,，一個(gè)PAL IRE單元為7毫伏特，其中-43IRE于同步端等于-300毫伏特,；而+100IRE于峰視頻程度則等于+700毫伏特,。本文主要使用IRE單位，而非伏特或微伏,。 

DG與DP誤差人眼無(wú)法察覺(jué) 

如圖2所示,，色訊副載波的平均值或中點(diǎn)即為亮度等級(jí)，副載波可被當(dāng)成弦波信號(hào)的振幅,，而亮度則可被當(dāng)成此信號(hào)的DC補(bǔ)償程度,。動(dòng)差增益誤差是由于在亮度程度上的改變，對(duì)應(yīng)于色訊副載波的振幅上的改變,，因此當(dāng)圖像亮度改變時(shí),，動(dòng)差增益將能測(cè)出色彩飽和度的對(duì)應(yīng)改變。當(dāng)DC補(bǔ)償程度變化時(shí),，應(yīng)考慮視頻放大器的弦波振幅變化,，因?yàn)檫@會(huì)造成正常日光下的紅色轎車在傍晚光線中變成粉紅色。動(dòng)差相位誤差會(huì)隨亮度程度上的改變,，而在色訊副載波的相位上改變,，當(dāng)圖像亮度改變時(shí)，動(dòng)差相位可測(cè)出色彩色度的改變,。此外,，當(dāng)DC補(bǔ)償程度變化時(shí)，須考慮視頻放大器產(chǎn)生弦波的相位,，這會(huì)造成在室內(nèi)的藍(lán)色襯衫,，在室外時(shí)卻變成紫色。理想中,，色彩飽和度(振幅)與色度(相位)應(yīng)該保持常數(shù),，而不受亮度或DC補(bǔ)償程度的影響，一輛紅色轎車在任何照明之下都應(yīng)該是紅色,，而藍(lán)色襯衫不論是否在室內(nèi)或室外都應(yīng)該總是藍(lán)色,。

圖2　NTSC彩色視頻信號(hào)

一般來(lái)說(shuō)，DG與DP誤差最高分別可達(dá)1%與1o,，人眼無(wú)法察覺(jué),，所以應(yīng)該把這些數(shù)值作為整個(gè)視頻信號(hào)鏈的總誤差分配考慮。在信號(hào)最終被肉眼觀察到前,，會(huì)有許多誤差的部分,，一個(gè)典型的路徑可能會(huì)包括攝影機(jī),、記錄單元、發(fā)射器,、接收器與顯示屏幕,。在一個(gè)信號(hào)路徑中，每一個(gè)處理階段或放大器的個(gè)別DG/DP要求都遠(yuǎn)低于1%/1o,，其結(jié)果會(huì)因應(yīng)連續(xù)階段的次數(shù)而有所差別,，舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)視頻播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中輸入輸出之間具有五個(gè)運(yùn)算放大器,，假設(shè)每一個(gè)運(yùn)算放大器貢獻(xiàn)DG的0.01%及0.01oDP,，那么這些累積DG/DP誤差將分別為0.05%/0.05o，若工程師希望其視頻播放板(Video Distribution Board)的整體系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格為0.05%DG與0.05oDP,，則這些運(yùn)算放大器僅能剛好達(dá)到其要求,。攝影棚廣播質(zhì)量的IC與放大器的DG/DP技術(shù)規(guī)格要求遠(yuǎn)低于同等級(jí)的消費(fèi)性產(chǎn)品，這是因?yàn)樵跀z影棚廣播信號(hào)路徑中有更多的連續(xù)階段,，某些此類視頻系統(tǒng)甚至?xí)笃涿恳粋€(gè)運(yùn)算放大器低至DG/DP的0.01%/0.01o,。 

DG/DP測(cè)量基本 

當(dāng)DC補(bǔ)償程度有變化時(shí)，實(shí)際上測(cè)量DG與DP是在測(cè)量弦波信號(hào)振幅與相位上的誤差,。因此,，測(cè)試信號(hào)為典型具有從0IRE到最大100IRE的DC補(bǔ)償之3.58MHz(NTSC)或4.43MHz(PAL)弦波，產(chǎn)生這種信號(hào)的一種方式為使用一臺(tái)視頻測(cè)試樣式產(chǎn)生器輸出如圖2中的Color Bars波形,，接著,，DG誤差可計(jì)算為介于階梯上于最低與最高步驟所量測(cè)的峰至峰振幅之百分比變化，DP也可使用類似的方法,，用副載波的相位加以測(cè)量與計(jì)算,，然而，此一端點(diǎn)方法可能會(huì)有誤導(dǎo),，因DG和DP并非都與亮度或DC程度呈線性關(guān)系,。此外，若僅僅測(cè)量?jī)蓚€(gè)端點(diǎn),，透過(guò)人工的方式以DC電壓錯(cuò)移弦波的補(bǔ)償會(huì)比較容易,。因此，較好的方法是測(cè)量在階梯的每一步驟中副載波的振幅,，并決定介于振幅之間的最大差值。使用一個(gè)具有較多步驟的Color Bars或調(diào)變階梯波形將增加測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目,，以提供用來(lái)決定最大DG/DP誤差的進(jìn)一步分辨率,，因此工程師會(huì)選擇一個(gè)調(diào)變鋸齒斜坡，而不是限制于較少步驟的階梯,。 

利用手動(dòng)方式測(cè)量整個(gè)亮度范圍里的多個(gè)增益與相位誤差點(diǎn),，會(huì)相當(dāng)瑣碎,。另一個(gè)用來(lái)評(píng)估DG/DP比較好的方法是采用特制的視頻測(cè)試設(shè)備，如向量監(jiān)視器與波形監(jiān)視器,，這些類型的設(shè)備具有內(nèi)建的DG/DP測(cè)試功能,，可回報(bào)整個(gè)連續(xù)的亮度范圍上之最大峰至峰差值，然而,，這樣的設(shè)備沒(méi)有分辨率可測(cè)量少到0.01%/0.01o至0.001%/0.001o的個(gè)別運(yùn)算放大器,，因其較適用于評(píng)估完整的視頻系統(tǒng)，因此,，現(xiàn)在用來(lái)測(cè)量DG/DP最有效且建議使用的其中一個(gè)方法是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer),。 

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行DG/DP測(cè)量 

網(wǎng)絡(luò)分析儀有能力進(jìn)行DC偏壓范圍上增益與相位的同步量測(cè)，并對(duì)少于0.01%/0.01o的DG/DP誤差有相當(dāng)高的分辨率,。一個(gè)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的DG/DP測(cè)試設(shè)定例子如圖3所示,。

圖3　DG/DP測(cè)試設(shè)定含網(wǎng)絡(luò)分析儀

該網(wǎng)絡(luò)分析儀的分辨率為0.001dB/division與0.01o/division，同時(shí)具有內(nèi)建DC電源,，可提供DC補(bǔ)償或亮度程度,。在亮度范圍中，此電源可程序化以每個(gè)步驟最小10毫伏特的增量掃描DC程度,，其可使用500kHz低通濾波器濾除噪聲,，接著網(wǎng)絡(luò)分析儀的3.58MHz或4.43MHz振蕩器輸出連在一起，這可被動(dòng)以三角配置電路維持線路阻抗,，并避免任何額外的DG或DP被導(dǎo)入到測(cè)試信號(hào)中,。測(cè)試的裝置輸出時(shí)，一個(gè)8dB衰減器被置于輸出電阻的串聯(lián)中,，該衰減器確保信號(hào)振幅低至可避免位于網(wǎng)絡(luò)分析儀前端的任何過(guò)載與失真,，分析儀接口與測(cè)試設(shè)定組件為50奧姆阻抗，包括分歧器(Splitter),、混波器(Combiner)與衰減器(Attenuator),。 

設(shè)定好適合的振蕩器振幅與DC掃描范圍，并用在輸入狀態(tài)的示波器測(cè)量,。振蕩器振幅經(jīng)由調(diào)整以產(chǎn)出286mVPP(40IRE),，此即對(duì)于NTSC之標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)振幅。網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)由調(diào)整與組態(tài)以用來(lái)進(jìn)行「S21」量測(cè),。對(duì)于所要求的分辨率應(yīng)該要取出量測(cè)掃描數(shù)目的平均值,，要測(cè)量極低DG/DP裝置，平均值應(yīng)為50或更多,，圖4所示為一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)分析儀而獲得運(yùn)算放大器的典型增益誤差與相位圖,，增益誤差一般是以dB加以表示為下述算式的百分比。

圖4　-100到+100IRE增益與相位誤差

這只是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行量測(cè)的一種方式,，當(dāng)然還有其它不同的方式及網(wǎng)絡(luò)分析儀模型可使用于DG/DP測(cè)試,。有一些分析儀可能沒(méi)有內(nèi)建的DC電源,，因而需要一個(gè)外部DC掃描電源，而其它的分析儀可能沒(méi)有配備DC偏壓輸入,，在此情形下由函數(shù)產(chǎn)生器的調(diào)變鋸齒斜坡可被納入此一輸入之中,，如此一來(lái)，就不需要在受測(cè)裝置輸入上的混波器電路,，因DC偏壓會(huì)與在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)的弦波進(jìn)行混波,。 

規(guī)格表中DG/DP量測(cè)條件并未標(biāo)準(zhǔn)化 

對(duì)于在規(guī)格表中的DG/DP會(huì)有一些關(guān)于量測(cè)技術(shù)與測(cè)試條件的考慮。雖然DG/DP已幾乎成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)格,，但測(cè)量方式卻沒(méi)有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,，結(jié)果造成一些DG/DP技術(shù)規(guī)格無(wú)法完整表示運(yùn)算放大器于實(shí)際應(yīng)用中將如何運(yùn)作，以下將提供一些應(yīng)注意的測(cè)試方法與條件,。 

端點(diǎn)方式(End-point Approach)并不是一個(gè)好的作法,，因只有取得位于最低與最高DC程度的增益差值并不夠，除非DG/DP誤差在DC補(bǔ)償時(shí)組成完美的線性關(guān)系,，然而,，DG/DP曲線有時(shí)候會(huì)是二次式甚至三次式，在這些情況中,，僅測(cè)量端點(diǎn)的數(shù)據(jù)比起掃描整個(gè)范圍的結(jié)果可能更好看,，但會(huì)造成誤導(dǎo)。 

規(guī)格表上的DG/DP也必須根據(jù)具有適當(dāng)色度與亮度參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,，此色度或弦波測(cè)試信號(hào)必須具有286mVPP(40IRE)的振幅,，這是NTSC的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)振幅，相對(duì)于PAL,，此振幅為43IRE,。此信號(hào)的頻率也應(yīng)該是3.58MHz或4.43MHz，而4.43MHz(PAL)通常是最差狀況,。DG/DP應(yīng)該針對(duì)這兩個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)試,，以減少的色度振幅和頻率進(jìn)行測(cè)試將會(huì)得到較好結(jié)果，但此部分的特性將無(wú)法明顯的符合NTSC/PAL技術(shù)規(guī)格,。亮度或DC掃描范圍也很重要,，基于具有1MHz 100mVPP弦波的DG/DP技術(shù)規(guī)格雖然令人印象深刻，但對(duì)視頻設(shè)計(jì)師而言,，沒(méi)有多大用處,。 

在前面的討論中，此范圍是根據(jù)NTSC亮度技術(shù)規(guī)格設(shè)為0IRE到+100IRE,，基于此項(xiàng)前例,，信號(hào)有大于0伏特的正向(Positive-going)視頻及在0伏特以下的負(fù)向(Negative-going)同步脈沖。假設(shè)運(yùn)算放大器總是處理正向視頻,，則DC掃描范圍從0到+100IRE就已足夠,；然而在中段，視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師已知道如何在封閉系統(tǒng)中反轉(zhuǎn)視頻信號(hào),，如伽瑪(Gamma)處理等,，他們亦須知道一個(gè)反轉(zhuǎn)亮度范圍的運(yùn)算放大器DG/DP。換句話說(shuō),，對(duì)DG/DP測(cè)試而言,，從-100IRE到+100IRE才是一個(gè)較為完整的DC掃描范圍，圖5所示為在正負(fù)視頻范圍中的最大DG/DP誤差,。

圖5　-100IRE到+100IRE最大DG與DP

受測(cè)的運(yùn)算放大器負(fù)載條件是另一個(gè)主要考慮,，雖然在視頻系統(tǒng)中的連續(xù)階段有時(shí)可能會(huì)是AC耦合，視頻運(yùn)算放大器仍然應(yīng)該根據(jù)DC負(fù)載進(jìn)行指定,。這應(yīng)該為標(biāo)準(zhǔn)視頻末端阻抗(Video Termination),，即兩端終止于75奧姆或150奧姆等價(jià)負(fù)載，應(yīng)注意在圖3中,，50奧姆衰減器與100奧姆串聯(lián)輸出電阻形成一個(gè)150奧姆負(fù)載于受測(cè)裝置上,，同時(shí)在整個(gè)測(cè)試環(huán)境中維持50奧姆，因此任何高于150奧姆的DG/DP數(shù)值會(huì)造成誤導(dǎo),，因差分增益與相位是受到振幅上負(fù)載量的影響,。在輸出上，一個(gè)1,000奧姆的運(yùn)算放大器會(huì)比150奧姆有較佳的DG/DP,，另一方面,，低于150奧姆的DG/DP數(shù)值作用很大，因運(yùn)算放大器可能須驅(qū)動(dòng)多重視頻線,，對(duì)于圖4中2,、3與4視頻負(fù)載的總等價(jià)負(fù)載電阻分別為75奧姆、50奧姆與37.5奧姆,，然而,，并非所有的規(guī)格表都會(huì)提供對(duì)于超過(guò)一個(gè)視頻負(fù)載的DG/DP誤差，圖6所示為美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)運(yùn)算放大器規(guī)格表中的DG/DP及視頻負(fù)載數(shù)目的比較,。

圖6　DG/DP比視頻負(fù)載個(gè)數(shù)

DG/DP測(cè)試條件的附加警告事項(xiàng)為受測(cè)裝置的增益組態(tài),。一些放大器的DG/DP數(shù)值也許不會(huì)是介于兩個(gè)增益中最佳的，有些可能會(huì)指定DG/DP于單元增益或某個(gè)放大器具有最佳數(shù)值的增益,，然而,，視頻放大器通常是使用于兩個(gè)增益中的一個(gè)，而在設(shè)定中提供DG/DP極為重要,。 

在模擬合成視頻系統(tǒng)中,，其中一項(xiàng)重要的影響因素是放大器重新產(chǎn)生合成視頻信號(hào)的能力，而在評(píng)估視頻信號(hào)時(shí),，則有兩個(gè)極重要的參數(shù),，分別為差分增益與差分相位,，這些參數(shù)決定亮度變化對(duì)色彩豐富度及明暗度的影響，但在理想狀態(tài)下,，亮度變化不應(yīng)有任何影響?，F(xiàn)在有許多不同的方法與技術(shù)可測(cè)量并量化這項(xiàng)改變，其中值得推薦的方法是采用高準(zhǔn)確度網(wǎng)絡(luò)分析儀,，其可取得完整且正確的數(shù)據(jù),，除改變量測(cè)方法，DG/DP結(jié)果也與測(cè)試條件的配合有關(guān),，這些條件可能影響能否獲得完美的DG/DP數(shù)值,，副載波頻率與振幅、亮度程度范圍,、放大器輸出負(fù)載,、視頻負(fù)載數(shù)目與放大器增益都必須以仿真真實(shí)視頻應(yīng)用的方式進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)規(guī)格表中的DG/DP應(yīng)該要根據(jù)這些正確的條件,，唯有如此,，當(dāng)復(fù)制合成視頻信號(hào)時(shí)，才有辦法預(yù)測(cè)運(yùn)算放大器的運(yùn)作情形,。