数字视频信号发生器校准方法研究

2022-04-12蒋治国

电视技术 2022年3期

刘雷，韩东，蒋治国

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引言

数字视频信号发生器可产生符合各种接口协议和视频格式的数字视频信号，具有清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强等特点，逐步取代模拟视频信号发生器，广泛应用在电视机、显示器、手机等数字显示终端产品的研制、检测及数字多媒体系统的建设、测试等领域，成为最常用的视频测量仪器。目前国内没有数字视频信号发生器的国家或行业的计量技术规范，因此数字视频信号发生器的校准并没有一个统一的标准，一般都是依据被校数字视频信号发生器的使用说明书进行，并且多数只是功能方面的检查。这种测试并不全面，不能保证其输出的视频信号准确可靠[1-2]。

为了保证数字视频信号发生器输出的信号准确可靠，为科研和生产提供保障，北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司实验室提出了数字视频信号发生器的校准项目，规定了校准方法，实现了数字视频信号发生器的校准。

1 校准项目

物理特性、协议、信号内容是决定数字视频信号质量的3 个要素，因此需要针对这3 个要素来确定数字视频信号发生器的校准项目。其中，物理特性的好坏一般通过眼图质量体现，而信号内容又包括视频参数和伴音，因此，数字视频信号发生器的校准项目主要有眼图、协议、视频参数及伴音4 个部分。

1.1 眼图

眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示出的图形，它包含了丰富的信息。从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而估计系统的优劣程度。

数字视频接口主要分为数字分量并行接口（HDMI接口）和数字分量串行接口（SDI接口）两种。参考，数字分量并行接口（HDMI）和数字分量串行接口（SDI）的眼图技术指标如表1 所示。

表1 两种接口的眼图技术指标

对于HDMI 接口，眼图幅度和上升下降时间一般测量Data 通道。Data 通道包括Data0、Data1、Data2 三个通道，即RGB 三个通道或YCbCr 三个通道。数字分量串行接口（SDI）只有一个通道[3-5]。

1.2 协议

协议包含视频协议和音频协议，视频协议主要有视频格式、像素格式、采样方式、色彩空间、色彩范围、色深等；音频协议主要有采样率、采样位数等。协议的作用是让接收设备正确地识别音视频信号。由于协议的内容较多，这里只列举了常用的几项，实际测量时可以按照具体要求增加或减少测量项目。

1.3 视频参数

视频参数的技术指标反映了信号中视频内容的好坏，在使用数字视频信号发生器进行相关测试时，视频内容会直接影响测试结果，因此视频参数是数字视频信号发生器最重要的部分。

对于视频参数的校准，部分计量机构认为，数字视频信号的内容不会在传输过程中产生衰减和失真，也不会因为元器件的老化而产生损伤。也就是说，只要数字视频信号能正常发出，视频内容就不会存在问题，因此不需要校准。但实际上，视频信号不只取决于硬件条件，更取决于视频信号本身。目前，多数数字视频信号发生器的工作原理是先读取信号文件，然后将视频数据直接通过数字视频接口发出。信号文件的类型包括图片文件（bmp、png等）、视频文件（avi 等）、数据流文件（dat 等）、码流文件（ts 等）。那么，视频文件的好坏就直接影响最终的信号质量，比如信号文件的位数是8 bit 还是10 bit，信号文件是否存在压缩，还有就是信号文件本身的制作方法是否合理，这些都直接影响视频信号内容。很多时候，视频信号内容上的损伤，通过人眼无法察觉。因此，为了保证数字信号的准确可靠，必须对视频参数进行校准。《JTG 2182—2020 公路工程质量检验评定标准第二册机电工程》中的第8 页和第9 页明确规定了数字视频信号发生器的视频参数的技术要求，具体为：视频电平，±10%；多波群频响，30 MHz 带宽内±3 dB；非线性失真，≤5%；K 系数，≤3%；视频信噪比，≥56 dB。通过这个标准可以看出数字视频信号的视频参数校准的重要性。视频参数的校准可以根据上述参数进行[6]。

1.4 伴音

伴音是指在视频中配合图像的声音。通常数字视频信号发生器中都带有伴音，一般是频率为1 kHz 的正弦波信号。伴音的校准主要包括音频频率、音频电平及失真。在使用数字视频信号发生器进行测试的时候，伴音一般对测量结果影响不大，对于它的技术指标，这里不做明确要求。

2 校准方法

本文以数字分量并行接口——HDMI 接口的数字视频信号发生器为例，概括校准方法。用到的标准器有眼图测试仪和数字视频分析仪。

2.1 眼图

标准眼图时，仪器连接如图1 所示，将数字视频信号发生器的输出端与眼图测试仪的输入端相连。设置数字视频信号发生器的视频格式，发送数字视频测试信号，记录眼图分析仪中的眼图幅度、上升/下降时间、时钟抖动的测量值。眼图测试仪可以是高速示波器或带有眼图测量功能的数字视频分析仪。

图1 眼图校准连接图

2.2 协议

标准协议时，仪器连接如图2 所示，将数字视频信号发生器的输出端与数字视频分析仪的输入端相连。设置数字视频信号发生器的视频格式，发送数字视频测试信号，打开数字视频分析仪的音视频协议测量功能，记录视频格式、像素格式、采样方式、色彩空间、色彩范围、色深、音频采样率以及音频采样位数等信息。

图2 协议校准连接图

2.3 视频参数

标准视频参数时，仪器连接如图2 所示，将数字视频信号发生器的输出端与数字视频分析仪的输入端相连。设置数字视频信号发生器的视频格式，分别发送彩条（或其他信号，比如白场信号）、五阶梯/斜坡、2T 正弦平方波和条脉冲、多波群、平场/斜坡测试信号，打开数字视频分析仪的彩条（或电平表）、非线性失真、多波群、信噪比测量功能，记录相应的测量值。

2.4 伴音

标准半音时，仪器连接如图2 所示，将数字视频信号发生器的输出端与数字视频分析仪的输入端相连。设置数字视频信号发生器的音频频率和电平，打开数字视频分析仪的音频测量功能，记录音频频率、音频电平、音频失真的测量值。

3 校准实例

本文以R&S 公司的VTE 视频分析仪作为标准器，对RDL-420 数字视频信号发生器进行校准。结果如表2～表5 所示。由于篇幅的原因，这里视频电平采用白场信号进行测试，多波群频响只记录了峰峰值，协议项目也只选择了比较常用的几项。在测试信噪比时，为了防止测量结果过大，在标准的白场信号上添加了-60 dB 的噪声信号。