视频信号是什么

小白 QA 2020-05-15 13:06:49 阅读(...)

视频信号是指电视信号、静止图象信号和可视电视图象信号。对于视频信号可支持三种制式:NTSC、PAL、SECAM。

视频信号是指电视信号、静止图象信号和可视电视图象信号。对于视频信号可支持三种制式:NTSCPALSECAM

视频信号是什么

视频信号

模拟视频的格式有三种:使用于北美、日本等地的 NTSC 制,使用于西欧、中国等地的 PAL 制以及使用于东欧、俄国等地的 SECAM 制。下面主要介绍国内应用广泛的 PAL 制视频信号的形成原理。

根据三基色原理,利用 R(红)、G(绿)、B(蓝)三色不同比例的混合可以表示各种色彩。摄像机在拍摄时,通过光敏器件(如 CCD:电荷耦合器件),将光信号转换为 RGB 三基色电信号。在电视机或监视器内部,最终也使用 RGB 信号分别控制三支电子枪发出的撞击荧光屏的电子流,使其发光产生影像。由于摄像机中的原始信号和电视机、监视器里的最终信号都是 RGB 信号,因此使用 RGB 信号作为视频信号的传输和记录方式无疑会有较高的图像质量。但在实际应用中往往不是这样,因为一则这会极大地加宽视频信号带宽,增加相关设备成本;二则这也与现行的黑白电视不兼容。为此三基色信号按一定比例组合成亮度(Y)和色度(U,V)信号,它们之间的关系如下:

为了使 U、V 和 Y 能在一个频带内传输,到达黑白/彩色视频信号接收兼容的目的,还需将这两个色度信号进行正交幅度调制。设 U(t),V(t)为色度信号,Y(t)为亮度信号,则经调制后的两个色度信号分别为:

u(t)=U(t)sin(ωsct)

v(t)=V(t)Φ(t)cos(ωsct) (1.2)

式中:ωsc=2πfsc 为色度信号的副载波角频率,Φ(t)是开关函数。由此产生的正交幅度调制的色度信号为:

c(t)=u(t)+v(t)=C(t)sin[ωsct+θ(t)] (1.3)

其中:θ(t)=Φ(t)tg-1[V(t)/U(t)]

C(t)=

Φ(t)为开关函数,如Φ(t)=1,可表示 NTSC 制的色度信号;如Φ(t)=+1(偶数行)或-1(奇数行),则可表示彩色副载波逐行倒相的 PAL 制色度信号。

在 PAL 制中,色度副载频 fsc=283.75fh=4.43MHz,行频 fh=15.625kHz,帧频=25Hz,场频=50Hz。而在 NTSC 制中,色度副载频 fsc=227.50fh=3.589545MHz,行频 fh=15.75kHz,帧频=30Hz,场频=60Hz。两种制式的图像宽高比皆为 4∶3。

从视频信号的频谱上看,色度信号的副载波位于亮度信号频谱的高频端,见图 1。这样,在亮度信号的高频部分间插经过正交调制的两个色度分量,形成彩色电视的基带信号,又称复合电视信号或全电视信号:

e(t)=Y(t)+c(t)= Y(t)+C(t)sin[ωsct+θ(t)] (1.4)

图 1 复合视频信号的频谱(PAL 制)

应用复合视频主要是为了方便传输以及电视信号的发射。为了保证传送的图像能够稳定再现,实际的全电视信号还包括复合同步信号(包括行场同步、行场消隐)及色同步信号等。上面介绍的是彩色电视信号,黑白电视信号可以看作是彩色电视信号的特殊情况,条件就是此时的 C(t)=0。

近来,许多视频设备除了复合视频输出外,还增加了 S-video 输出端子。S-video 信号将亮度 Y(t)和色度信号 C(t)分两条线输出,免得将 Y、C 复合起来输出,然后输出到其他设备后又要进行 Y、C 分离。这样的一个反复过程是有损于图像质量的。

和电影一样,视频图像也是由一系列单个静止画面组成的,这些静止画面被称为帧。一般当帧频在每秒 24~30 帧之间时,视频图像的运动感觉就比较光滑连续,而低于每秒 15 帧,连续运动图像就会有动画感。我国的电视标准是 PAL 制,它规定每秒 25 帧,每帧有水平方向的 625 扫描行。由于采用了隔行扫描方式,625 行扫描线分为奇数行和偶数行,这分别构成了每一帧的奇、偶两场。这样就形成了 50 场/s 的场频,进一步减少了电视画面的闪烁感。

由于在每一帧中电子束都要自上而下地扫描,因此存在着电子束从屏幕右端到左端的行扫描逆程期和从屏幕右下角终点回到屏幕左上角起点的场扫描逆程期。在这期间被消隐的扫描行是不可能携带图像内容的,场扫描逆程期约占整个垂直扫描时间的 8%。与此类似,在整个 64μs 的行扫描周期中,有效扫描时间(携带信息)约为 52μs。

视频信号格式

Y 表示明亮度(Luminance 或 Luma),C 色度(Chrominance 或 Chroma),YPbPr 是将模拟的 Y、PB、PR 信号分开,使用三条线缆来独立传输,保障了色彩还原的准确性,YPbPr 表示逐行扫描色差输出.YPbPr 接口可以看做是 S 端子的扩展,与 S 端子相比,要多传输 PB、PR 两种信号,避免了两路色差混合解码并再次分离的过程,也保持了色度通道的最大带宽,只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为 RGB 三原色信号而成像,这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道,避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真,保障了色彩还原的准确,目前几乎所有大屏幕电视都支持色差输入。

YCbCr 表示隔行分量端子.所说的 YCbCr 和 YPbPr 只是为了方便新人快速区分国产电视上隔/逐行接口而已。

CbCr 就是本来理论上的分量/色差的标识,C 代表分量(是 component 的缩写)Cr、Cb 分别对应 r(红)、b(蓝)分量信号,Y 除了 g(绿)分量信号,还叠加了亮度信号.至于 YPbPr,是后来为了强调逐行概念,显示其飞跃性的变化。

YUV(亦称 YCrCb)是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于 PAL)。YUV 主要用于优化彩色视频信号的传输,使其向后兼容老式黑白电视。与 RGB 视频信号传输相比,它最大的优点在于只需占用极少的带宽(RGB 要求三个独立的视频信号同时传输)。其中“Y”表示明亮度(Luminance 或 Luma),也就是灰阶值;而“U”和“V”表示的则是色度(Chrominance 或 Chroma),作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。“亮度”是通过 RGB 输入信号来创建的,方法是将 RGB 信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面—色调与饱和度,分别用 Cr 和 CB 来表示。其中,Cr 反映了 GB 输入信号红色部分与 RGB 信号亮度值之间的差异。而 CB 反映的是 RGB 输入信号蓝色部分与 RGB 信号亮度值之同的差异。

重放原理

显然,重放过程是记录过程的逆过程,是把记录在磁带上的磁信号转换成电信号的过程,尽管不同类型的录像机其重放系统的电路形式有所不同,但它们的作用都是相同的,即经过重放系统的处理,还原出符合要求的视频信号来。本节我们将以分量型录像机为例简要分析视频信号的重放。

亮度信号的重放过程

是分量型录像机重放通道,两个旋转亮度磁头拾取亮度调频信号,经过磁头放大器,及磁头切换开关后形成一个射频亮度信号分两路输出。一路经失落检测电路,产生失落检测脉冲,到时基校正电路中的失落补偿电路进行失落补偿;另一路经频率解调器对亮度调频信号进行限幅,解调处理,得到复原的亮度信号。然后经过非线性去加重和去加重电路进行去加重,恢复信号原来的幅频特性,同时抑制了高频端杂波能量,提高高频端信噪比。再后信号进入时基校正电路,完成消噪,时基校正,失落补偿等处理。最后信号分成两路,一路作为分量亮度信号输出;另一路进入 Y/C 混合电路与编码色度信号混合成复合彩色视频信号输出。

磁头放大器

又称为预放大器,它是一个低噪声,高增益的宽带放大器,它把旋转变压由输出来的 1mv 左右的微弱的射频信号放大到几百 mv,以满足后续电路对信号处理的要求,一般其增益在 40dB 以上。另外,由于磁头放大器是重放电路的第一级,它的噪声系数将影响到整个电路的信噪比,因此要求其必须是低噪声放大器。另外,由于信号在录放过程中存在很多损失,特别是高频损失较大,所以在预放器中要进行高频补偿,即进行幅频特性的校正。

磁头切换电路

在两磁头的录像机中,磁带与磁头鼓的包角略大于 180°,所以在记录时,A 磁头还未离开磁带时,B 磁头已贴上磁带的另一边,在两磁头同时与磁带接触的那一段时间里,将分别在相邻两条磁迹的首末端记录相同的内容,形成重复部分,大约 10 行左右。

磁头切换电路的作用是切掉两个磁头的多余部分信号,并将 A,B 磁头不连续的信号变成连续的输出信号。而切除的动作是根据磁头切换脉冲来进行的,这个切换脉冲由伺服系统产生,它是一个频率等于磁鼓转速的方波,其跳变沿刚好位于重叠部分的中心。

信号失落补偿

由于磁粉脱落,或者由于磁头与磁带瞬间接触不良,或者是由于磁带上有污物等原因,会使重放亮度信号出现部分幅度跌落,严重时可能没有信号输出,即产生信号失落。这种情况反映在图像上是出现横向白色噪点或条纹。信号失落是没有规律的,因此不可能在失落点补上与原来完全相同的信号,但也不能使补上去的与原来相差太远。由于电视信号中相邻两行的信息是相似的,称为行相关原理。根据这个原理,我们可用前一行信号代替这一行失落的信号。但是,由于电路技术能力有限,不可能将所有的微小失落都全部检测出来,因此一般当失落长度相当于 5us 时间或是信号输出衰减 16dB 以上才进行失落补偿。

限幅与解调电路

为了消除亮度信号中的寄生调幅和高频杂波,保证解调电路正常工作,一般在解调电路之前设置限幅电路。利用限幅电路将调频信号的幅度下降为原来的 1/2(降低 6dB),信号能量也降低为原来的一半。如图 4-39 所示。

限幅电路的作用有两个

(1) 通过将信号变成近似矩形波,能恢复丢失的部分上边带能量,为后续电路提供所需要的信号波形。

能消除亮度调频信号的一切寄生调幅,保证解调电路正常工作,改善信噪比。

对限幅电路的要求是:

(1) 要有足够的限幅深度(40~50dB),至少进行两次限幅,中间插入放大器,使限幅和放大交替进行。

要有足够的通频带,能完全通过调频信号的一次上边带。

要求对称限幅,否则会出现二次谐波成分而产生网纹干扰。

解调电路的作用是将限幅由输出的调频波经过解调还原为视频信号,它是重放系统的核心。

对解调电路的要求是:

解调性好,解调载漏小;

能调频率范围应包括调频信号的整个范围。

由于调频信号的载频较低,相对频偏较大,一般的鉴频方式不能保证其鉴频的直线性,所以要采用脉冲计数式鉴频器或延时线式解调器。

非线性去加重和去加重

前面介绍了为提高重放信号的信噪比,视频信号在调频之前要进行非线性预加重和预加重处理。在重放时,为了使信号恢复正常的调频特性,必须对解调后的视频信号进行非线性去加重和去加重处理。去加重的频率特性与预加重相反,所以在去加重过程中,高频分量被衰减下来,从而降低了信号的高频噪声,使信噪比得到提高。非线性去加重同样也是非线性预加重的逆过程,它的主要目的也是通过抑制信号的高频分量,提高高频端的信噪比,达到消除高频杂波能量的目的,因此也叫杂波消除电路。

时基校正

视频信号在重放过程中,由于磁头旋转不均匀和磁带运行速度不稳定,以及磁带伸缩等因素,会使重放的视频信号产生抖动,即时间轴发生变动,产生了时基误差,这种影响表现在亮度信号是同步信号周期性中晃动,而表现在色度信号上是副载波频率和相位的变化,并引起图像色调失真。也就是说,由于各种原因导致磁带发生伸缩变化时,使视频信号在时域上产生压缩或拉伸,这种时间轴基准长度发生的变化,称为时基误差。如图 4-40 所示。图中信号周期伸长了△TH,即为时基误差。要减少时基误差,单靠提高录像机的机械精度和伺服系统精度是难以达到要求的,一般还需要采用电路校正的方法,这就是时基误差电路。图 4-37(重放通道)中所示的时基校正电路有消噪,时基校正器,失落补偿电路等部分组成,完成其各自的功能。

tu 4-40

在录像机发展的初期,时基误差采用模拟式延时电路,通过控制延时量大小使信号的时基误差得到校正。但是模拟式电路校正的程度太小,后来出现了数字时基校正器电路。

数字时基校正器的基本原理是把录像机重放的视频信号变换为数字信号后存储在数字存储器里边,并控制从存储器中读出的信号给以不同的延时来实现时基校正。有关时基校正电路的原理,具体的我们将在后面的章节专门介绍。

色度信号的重放过程

与亮度信号的重放过程类似,两个色度磁头重放的色度信号磁头放大器和切换开关后形成射频信号分成两路。一路去 AFM 解调电路,从频分复用的合成频谱中,利用带道滤波器取出两个声道的 AFM 信号;另一路经射频放大后进入色度信号通道,后面电路的形式与亮度通道基本相同。但是,需要指出:在色度时基校正电路中,除了进行与亮度通道相同的消噪,时基校正,失落补偿等处理之外,还有一项亮度信号里没有的处理工作,即时间轴扩展。它是时间轴压缩的逆变换,即对一个合成的时间轴压缩的时分复用信号 CTDM,通过时间轴扩展还原为 R-Y,B-Y 色差信号。

时基校正后的两个色差信号,一方面作为分量色度信号输出,另一方面进行色度编码形成色度信号,与亮度信号混合后,作为复合全电视信号输出。

相关知识

交流耦合、偏置和箝位的原因

视频传输系统大多都选用单电源供电。采用单电源供电就意味着要对视频信号进行交流耦合,从而也降低了视频质量。 例如数模转换器(DAC),DAC 的输出可以进行电平转换(一种直流工作模式),以确保输出在 0 电平以上的动态范围。在具体实施中,常见的错误观点是:运算放大器可以检测地电平以下的信号,因此,可以在输出中重现该信号。这种观点是不正确的。集成的单电源方案才是真正的解决方法。当然,视频信号的交流耦合会带来一个问题。信号的 DC 电平在设定图像亮度之后必须重建,并确保信号落在下一级的线性工作区内。这种操作被称作“偏置”,根据视频信号波形以及偏置点所需的精度和稳定性,可以采用不同的电路。但是,S 视频中只有色度信号(C)近似于一个正弦波。亮度(Y)、复合信号(Cvbs)和 RGB 都是复杂波形。从一个参考电平沿着一个方向变化,而在参考电平以下还可以叠加一个同步波形。这种信号需要一种专门用于视频信号的偏置方法,被称作箝位,因为它将信号的一个极值“箝位”在基准电压,而另一个极值仍可以变化。经典形式就是二极管箝位,其中二极管由视频的同步信号激活。不过还有其他的箝位形式。

视频信号的交流耦合

当信号采用交流耦合时,耦合电容存贮了(信号)平均值之和,以及信号源与负载之间的 DC 电势差。图 1 用来说明交流耦合对不同信号偏置点的稳定性的影响。图 1 所示是正弦波和脉冲分别交流耦合到接地电阻负载时的不同之处。

图 1。 简单的 RC 耦合用于正弦波与脉冲时得到不同的偏置点

开始时,两种信号都围绕相同电压变化。但是通过电容之后得到了不同的结果。正弦波围绕半幅值点变化,而脉冲围绕与占空比成函数关系的电压变化。这意味着如果采用了交流耦合,占空比变化的脉冲将比相同幅值频率的正弦波需要更宽的动态范围。因此,所有用于脉冲信号的放大器最好采用直流耦合,以保持动态范围。视频信号与脉冲波形类似,也适合采用直流耦合。

图 2 给出了常见的视频信号,以及视频接口处的标准幅值(见 EIA 770-1、2 和 3)。S 视频中的色度、分量视频中的 Pb 和 Pr,类似于正弦波围绕基准点变化,如上文所述。而亮度(Y)、复合信号与 RGB 仅在 0V (被称作“黑色”或“消隐”电平)至+700mV 之间正向变化。这里延用了业界的默许协议,而不是任何标准。请注意这些信号都是复杂波形,具有同步间隔,尽管该同步间隔可能不被定义或使用。例如,图 2 给出了 NTSC 和 PAL 制式下使用的具有同步头的 RGB。在 PC (图形)应用中,同步是单独的信号,不与 RGB 叠加。在单电源应用中,例如 DAC 输出,在同步间隔内静态电平可能不同。这将影响偏置方式的选择。例如,若双电源应用中,同步间隔内色度的静态电平不是 0V,那么色度信号将更接近脉冲而不是正弦波。

图 2。 用来说明同步间隔、有效视频、同步头和后沿的 RGB (a)、分量(b)、S 视频(c)与复合(d)视频信号。

尽管存在上述复杂因素,视频信号仍需交流耦合到电压变化的位置。通过直流耦合连接两个不同电源的电路存在很大的危险性,这在安全性规则中是严格禁止的。所以,视频设备制造商有一个默许的规则,即视频信号的输入采用交流耦合,而视频输出直流耦合到下一级,重新建立直流成分,请参考 EN 50049-1 (PAL/DVB [SCART])和 SMPTE 253M 第 9。5 章(NTSC),允许提供直流输出电平。若无法建立这样的协议,将导致“双重耦合”,即两个耦合电容出现串联,或导致短路,即没有电容。该规则唯一的例外是电池供电设备,例如便携式摄录机和照相机,为了降低电池损耗而使用交流耦合输出。

接下来的问题是这个耦合电容应该多大?图 1 中,该电容存贮了信号“平均电压”的假定,是根据 RC 乘积大于信号的最小周期得到的。为了确保准确的平均,RC 网络的低-3dB 点必须低于信号最低频率 6 到 10 倍。然而,这将导致大范围的电容值。

例如,S 视频中的色度是相位调制正弦波,其最低频率约 2MHz。即便使用 75Ω负载,也只需要 0。1μF,除非需要使水平同步间隔通过。与之相反,Y (亮度)、Cvbs (复合信号)和 RGB 的频率响应向下扩展到视频帧频(25Hz 至 30Hz)。假定 75Ω负载,并且-3dB 点在 3Hz 至 5Hz,这就需要大于 1000μF 的电容。使用过小的电容会引起显示图像从左到右、从上到下变暗,并可能使图像在空间上产生失真(取决于电容量)。在视频中,这被称作行弯曲与场倾斜。为了避免可见的伪信号,其电平必须小于 1%至 2%。

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