浅谈病态码测试在数字电视传输系统中的重要性

崔志明

（大连广播电视台，辽宁 大连 116000）

随着现代电视技术的快速发展，电视信号格式已从模拟标清转变为数字标清并正向数字高清过渡，信号传输模式也从以电缆传输为主逐步转变为以光纤传输为主。但在这种过渡过程中，会伴随一些隐性的问题，如在系统使用过程中会丢失图像，图像会抖动或者图像闪烁、黑屏一两秒钟后再恢复图像，严重的时候图像要很久才能恢复。但用测试仪器去检测时，又都符合广电的测试标准。为了保证系统的安全播出，同时提高整体播出的质量，必须通过一些特殊的测试方法把这些隐性的问题给予排除，所以在系统测试时引入病态测试码的测试方式。

1 SDI数字视频和病态码测试的基本原理

A/D转换器把模拟视频信号转化为数字视频信号，信道编码器将A/D转换器的位并行数字信号输出转换成适合于所选的介质（如同轴电缆）进行传送的位串行信号。但该信号在传输过程时会因热噪声而恶化。信道译码器对接收到的位串行信号进行解串行化，并恢复成并行的位数字视频信号。过多的热噪声会影响到信号译码器，最终会导致位错误或位丢失。D/A转换器是A/D转换器的反过程，就是把数字视频信号转化为模拟视频信号，恢复成原始信号，如图1所示。简单地说在信道编码器环节后输出的就是高标清SDI信号。

图1 模拟视频信号传输过程

高标清SDI的信号构成，在ITU-R601数字电视标准中，确定以亮度分量信号Y和两个色差分量信号RY、B-Y为基础进行编码，考虑到抽样的样点结构应满足正交结构的要求，两个色差信号的抽样频率均为亮度信号抽样频率的一半，Y，R-Y，B-Y三分量的抽样频率分别为13.5 MHz，6.75 MHz，6.75 MHz，采用10 bit量化，产生1 024级量化，位串行速率为270 Mbit/s。而对于高清数字信号HD-SDI，在SMPTE 274M数字电视标准中，Y，R-Y，B-Y三分量的抽样频率分别为74.25 MHz，37.125 MHz，37.125 MHz，10 bit量化，产生1 024级量化，位串行速率为1.45 Gbit/s。在高标清SDI信号中，除了有效的视频信号之外，还有其他附加的信号，如有效视频的结束（EAV）信号、有效视频的开始（SAV）信号、线数信息（LN）、循环冗余校验码（CRC）、辅助数据信息（ANC）等等，同时辅助数据信息包含数字音频、时间代码、错误检测和处理（EDH）以及未来用户和控制数据，这些数据与视频信号相同都采用10 bit量化。

高标清信号信道编码格式如图2所示，扰频器及码转换器如图3所示。

图2 信道编码格式

图3 扰频器及码转换器框图

在传输时，为了避免系统在传输过程中，因数据错误过于集中而给图像或者音频带来影响，采用了扰频器生成为伪随机二进制序列（G1(X)=X9+X4+1），生成NRZ（不归零码）信号，但NRZ在运用过程中，可能导致1的连续长串或者0的连续长串，从而导致在图像恢复时遭到破坏，也就是在接收端不利于从接收数据信号中恢复时钟信号。为了处理这个问题，利用生成多项式G2(X)=X+1对NRZ信号作转换，从而得到NRZI（倒相不归零）信号，再并行转换成串行，形成SDI信号，这样可以增加电平的变化频率，有利于恢复数据时钟信号（如图2所示）。但它仅仅减少的是出现连续1和连续0的概率，它不能取消连续1和连续0的可能。理论上分析高标清SDI信道编码后最极端情况可能出现的是1个1和连续19个0，因此要确保高标清SDI信号在这样一个特殊信道编码的情况下传输，并在传输中不出现误码即经系统传输的信号在显示屏上不出现闪屏、黑屏等现象，那么必须用最坏可能出现的情况来设计并测试电路。为了测试高标清SDI信号传输系统的优劣，国际专业组织（SMPTE）高度重视，为此提供了专用的SDI查验场信号（SMPTE-RP178标准）进行增强性测试，同时建议采用SMPTE-RP184对SDI信号系统进行性能检测，以确保传输系统的安全可靠，此测试信号一般将它称为“病态码”。

2 病态码在测试时的使用

众所周知，模拟视频传输系统若信噪比好、图像质量好、分辨率高，则图像清晰，信噪比下降时会在图像上出现噪点，信噪比越低噪点越多，非常直观。

SDI数字系统和以往的模拟复合视频系统不同，在正常的传输状态下由于SDI系统的数字信号通过传输后进行判决再生，信号几乎无任何损伤，随着传输信道信噪比下降，在崩溃点之前，数字系统仍能正常运行，在图像上几乎无法分辨有任何劣变。由于设备输出的信号一般均进行了判决再生，因此测试仪器也很难发现问题，但在崩溃点之后，数字系统几乎完全无法运行。在图像上表现为不定时随机地出现图像马赛克或停帧。从泰克的综合测试仪上特别是眼图这一指标能发现一般信号传输后眼图开口没有问题，但传输“病态码”信号连续观察一段时间会发现眼图抖动频繁，出现从0.2UI以内突变到1UI以上甚至10UI以上。具体测试变化图4、图5所示。

图4 即将信号恶化的眼图（截图）

图5 眼图抖动厉害，甚至模糊（截图）

对此，需要知道运行中的数字系统还有多少裕量，也就是说，需要了解系统离崩溃点有多远。因此国际上就采用增强测试的方法即病态码测试来测量系统的裕量，以确保系统运行在安全状态。其原理就是人为地将一组如19个0和1个1的特殊病态码信号输入系统，观察系统是否会崩溃或指标劣变，从而确定系统的状况。

从抖动指标上就可以看出国际上对这一检测的重视：他们将抖动0.2UI系统指标要求定义为对病理信号的测试要求。因为对一个病理信号抖动测试为0.2UI的系统，它在对彩条信号的抖动测试时约为0.07UI；若仅仅将自己的系统要求在对彩条信号的传输定为0.2UI（国标要求），则传输时几乎不用时基回复功能（即消抖动）就可实现，不过使用这样的系统在实际工作中因为没有任何裕量很可能会出现偶然的崩溃，在图像上表现为不定时随机出现的图像马赛克或停帧、黑屏或者闪频等现象。

那么对一个彩条信号的传输定为0.07UI系统，是否就安全了呢？答案是否定的，因为SDI的信道编码方式采用扰频NRZI，这样做的目的是减少信号传输中的直流成分（连续的1或者0）。但是，对于某些特殊的数据排列还是会发生连续的1或者0的情形。这样对系统传输带宽有更高的要求，若系统对带宽、信号均衡、稳定的锁相等问题处理不当，均会对传输信号产生劣化，结果可能造成信号接收端产生误码。

国际上为此制定了SMPTE RP178中规定有这样的检测信号，通过故意加重直流成分，以对其影响进行评价，这样的信号称之为检查过滤信号或者病态（Path⁃ological）信号。这种负担有两种形式：一种是电缆均衡器试验用的1个“1”后面连续跟着19个“0”；另一种是20个“1”后面连续跟着20个“0”。信号的变化点很少，时钟信号难以提取，故用作锁相环路（PLL）性能的检测。这样的状态发生一次以后至下一个EAV之前会连续发生，成为强大的疲劳信号，在EAV肯定要进行重新设定，所以最长连续1行，从概率来看，系统的加扰次数为9次，发生率为1行/512行。如图6所示，左侧上半部分是电缆均衡器试验用的疲劳波形发生的信号画面，左侧下半部分是数据变化点少的时钟恢复器试验用的疲劳波形发生的信号画面。这是对信号的均衡和场性能的检测。通过这样检测，就能检测出对整个传输系统离崩溃点有多远，从而避免系统的崩溃，保证系统传输的稳定安全。

图6 SDI查验场即“病理测试信号”

简而言之，病理信号检测内容如下：

1）对均衡器好坏的检测，即EQ CHECK；

2）对场信号的检测，即checkfield；

3）对锁相信号的检测，即PLL check。

其实，随着高标清系统在各个领域的迅猛发展，病理信号检测是安全播出必须考虑的一环，并非是可有可无的。

下文中图7～图12是“病理信号测试”的实测图示，图13～图14是75%Bars彩条信号的实测图示。

图7 检测EQ check的信号源（截图）

图8 在系统中正常通过EQ check检测的眼图（截图）

图9 检测checkfield的信号源（截图）

图10 在系统中正常通过checkfield检测的眼图（截图）

图11 检测PLL check的信号源（截图）

图12 在系统中正常通过PLL check检测的眼图（截图）

图13 检测75%Bars的信号源（截图）

图14 在系统中正常通过75%Bars检测的眼图（截图）

3 小结

随着科技的发展，模拟电视系统必然被高标清数字电视系统所取代，数字视频系统比以往模拟视频系统要复杂得多，特别是在图像的画质、伴音的音像效果、抗干扰等性能上，数字视频系统有模拟视频系统所无法比拟的优越性。在模拟视频的世界里难以实现的制式变换、节目资源的共享、节目制作的特技合成、艺术效果的追求、节目资源的网络管理等功能，在数字视频系统的世界里都可得以实现。但是同时系统也比以往更加庞大、复杂，设备种类繁多，为了保证系统运行的安全、稳定、可靠，采用病态码测试逐步成为高标清系统测试必不可少的环节。

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