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      淺談病態(tài)碼測試在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中的重要性

      2014-09-18 07:11:30崔志明
      電視技術(shù) 2014年8期
      關(guān)鍵詞:眼圖信道編碼高標(biāo)

      崔志明

      (大連廣播電視臺,遼寧 大連 116000)

      隨著現(xiàn)代電視技術(shù)的快速發(fā)展,電視信號格式已從模擬標(biāo)清轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字標(biāo)清并正向數(shù)字高清過渡,信號傳輸模式也從以電纜傳輸為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨饫w傳輸為主。但在這種過渡過程中,會(huì)伴隨一些隱性的問題,如在系統(tǒng)使用過程中會(huì)丟失圖像,圖像會(huì)抖動(dòng)或者圖像閃爍、黑屏一兩秒鐘后再恢復(fù)圖像,嚴(yán)重的時(shí)候圖像要很久才能恢復(fù)。但用測試儀器去檢測時(shí),又都符合廣電的測試標(biāo)準(zhǔn)。為了保證系統(tǒng)的安全播出,同時(shí)提高整體播出的質(zhì)量,必須通過一些特殊的測試方法把這些隱性的問題給予排除,所以在系統(tǒng)測試時(shí)引入病態(tài)測試碼的測試方式。

      1 SDI數(shù)字視頻和病態(tài)碼測試的基本原理

      A/D轉(zhuǎn)換器把模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號,信道編碼器將A/D轉(zhuǎn)換器的位并行數(shù)字信號輸出轉(zhuǎn)換成適合于所選的介質(zhì)(如同軸電纜)進(jìn)行傳送的位串行信號。但該信號在傳輸過程時(shí)會(huì)因熱噪聲而惡化。信道譯碼器對接收到的位串行信號進(jìn)行解串行化,并恢復(fù)成并行的位數(shù)字視頻信號。過多的熱噪聲會(huì)影響到信號譯碼器,最終會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)誤或位丟失。D/A轉(zhuǎn)換器是A/D轉(zhuǎn)換器的反過程,就是把數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化為模擬視頻信號,恢復(fù)成原始信號,如圖1所示。簡單地說在信道編碼器環(huán)節(jié)后輸出的就是高標(biāo)清SDI信號。

      圖1 模擬視頻信號傳輸過程

      高標(biāo)清SDI的信號構(gòu)成,在ITU-R601數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中,確定以亮度分量信號Y和兩個(gè)色差分量信號RY、B-Y為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼,考慮到抽樣的樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足正交結(jié)構(gòu)的要求,兩個(gè)色差信號的抽樣頻率均為亮度信號抽樣頻率的一半,Y,R-Y,B-Y三分量的抽樣頻率分別為13.5 MHz,6.75 MHz,6.75 MHz,采用10 bit量化,產(chǎn)生1 024級量化,位串行速率為270 Mbit/s。而對于高清數(shù)字信號HD-SDI,在SMPTE 274M數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中,Y,R-Y,B-Y三分量的抽樣頻率分別為74.25 MHz,37.125 MHz,37.125 MHz,10 bit量化,產(chǎn)生1 024級量化,位串行速率為1.45 Gbit/s。在高標(biāo)清SDI信號中,除了有效的視頻信號之外,還有其他附加的信號,如有效視頻的結(jié)束(EAV)信號、有效視頻的開始(SAV)信號、線數(shù)信息(LN)、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)、輔助數(shù)據(jù)信息(ANC)等等,同時(shí)輔助數(shù)據(jù)信息包含數(shù)字音頻、時(shí)間代碼、錯(cuò)誤檢測和處理(EDH)以及未來用戶和控制數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與視頻信號相同都采用10 bit量化。

      高標(biāo)清信號信道編碼格式如圖2所示,擾頻器及碼轉(zhuǎn)換器如圖3所示。

      圖2 信道編碼格式

      圖3 擾頻器及碼轉(zhuǎn)換器框圖

      在傳輸時(shí),為了避免系統(tǒng)在傳輸過程中,因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤過于集中而給圖像或者音頻帶來影響,采用了擾頻器生成為偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(G1(X)=X9+X4+1),生成NRZ(不歸零碼)信號,但NRZ在運(yùn)用過程中,可能導(dǎo)致1的連續(xù)長串或者0的連續(xù)長串,從而導(dǎo)致在圖像恢復(fù)時(shí)遭到破壞,也就是在接收端不利于從接收數(shù)據(jù)信號中恢復(fù)時(shí)鐘信號。為了處理這個(gè)問題,利用生成多項(xiàng)式G2(X)=X+1對NRZ信號作轉(zhuǎn)換,從而得到NRZI(倒相不歸零)信號,再并行轉(zhuǎn)換成串行,形成SDI信號,這樣可以增加電平的變化頻率,有利于恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(如圖2所示)。但它僅僅減少的是出現(xiàn)連續(xù)1和連續(xù)0的概率,它不能取消連續(xù)1和連續(xù)0的可能。理論上分析高標(biāo)清SDI信道編碼后最極端情況可能出現(xiàn)的是1個(gè)1和連續(xù)19個(gè)0,因此要確保高標(biāo)清SDI信號在這樣一個(gè)特殊信道編碼的情況下傳輸,并在傳輸中不出現(xiàn)誤碼即經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栐陲@示屏上不出現(xiàn)閃屏、黑屏等現(xiàn)象,那么必須用最壞可能出現(xiàn)的情況來設(shè)計(jì)并測試電路。為了測試高標(biāo)清SDI信號傳輸系統(tǒng)的優(yōu)劣,國際專業(yè)組織(SMPTE)高度重視,為此提供了專用的SDI查驗(yàn)場信號(SMPTE-RP178標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行增強(qiáng)性測試,同時(shí)建議采用SMPTE-RP184對SDI信號系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測,以確保傳輸系統(tǒng)的安全可靠,此測試信號一般將它稱為“病態(tài)碼”。

      2 病態(tài)碼在測試時(shí)的使用

      眾所周知,模擬視頻傳輸系統(tǒng)若信噪比好、圖像質(zhì)量好、分辨率高,則圖像清晰,信噪比下降時(shí)會(huì)在圖像上出現(xiàn)噪點(diǎn),信噪比越低噪點(diǎn)越多,非常直觀。

      SDI數(shù)字系統(tǒng)和以往的模擬復(fù)合視頻系統(tǒng)不同,在正常的傳輸狀態(tài)下由于SDI系統(tǒng)的數(shù)字信號通過傳輸后進(jìn)行判決再生,信號幾乎無任何損傷,隨著傳輸信道信噪比下降,在崩潰點(diǎn)之前,數(shù)字系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行,在圖像上幾乎無法分辨有任何劣變。由于設(shè)備輸出的信號一般均進(jìn)行了判決再生,因此測試儀器也很難發(fā)現(xiàn)問題,但在崩潰點(diǎn)之后,數(shù)字系統(tǒng)幾乎完全無法運(yùn)行。在圖像上表現(xiàn)為不定時(shí)隨機(jī)地出現(xiàn)圖像馬賽克或停幀。從泰克的綜合測試儀上特別是眼圖這一指標(biāo)能發(fā)現(xiàn)一般信號傳輸后眼圖開口沒有問題,但傳輸“病態(tài)碼”信號連續(xù)觀察一段時(shí)間會(huì)發(fā)現(xiàn)眼圖抖動(dòng)頻繁,出現(xiàn)從0.2UI以內(nèi)突變到1UI以上甚至10UI以上。具體測試變化圖4、圖5所示。

      圖4 即將信號惡化的眼圖(截圖)

      圖5 眼圖抖動(dòng)厲害,甚至模糊(截圖)

      對此,需要知道運(yùn)行中的數(shù)字系統(tǒng)還有多少裕量,也就是說,需要了解系統(tǒng)離崩潰點(diǎn)有多遠(yuǎn)。因此國際上就采用增強(qiáng)測試的方法即病態(tài)碼測試來測量系統(tǒng)的裕量,以確保系統(tǒng)運(yùn)行在安全狀態(tài)。其原理就是人為地將一組如19個(gè)0和1個(gè)1的特殊病態(tài)碼信號輸入系統(tǒng),觀察系統(tǒng)是否會(huì)崩潰或指標(biāo)劣變,從而確定系統(tǒng)的狀況。

      從抖動(dòng)指標(biāo)上就可以看出國際上對這一檢測的重視:他們將抖動(dòng)0.2UI系統(tǒng)指標(biāo)要求定義為對病理信號的測試要求。因?yàn)閷σ粋€(gè)病理信號抖動(dòng)測試為0.2UI的系統(tǒng),它在對彩條信號的抖動(dòng)測試時(shí)約為0.07UI;若僅僅將自己的系統(tǒng)要求在對彩條信號的傳輸定為0.2UI(國標(biāo)要求),則傳輸時(shí)幾乎不用時(shí)基回復(fù)功能(即消抖動(dòng))就可實(shí)現(xiàn),不過使用這樣的系統(tǒng)在實(shí)際工作中因?yàn)闆]有任何裕量很可能會(huì)出現(xiàn)偶然的崩潰,在圖像上表現(xiàn)為不定時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)的圖像馬賽克或停幀、黑屏或者閃頻等現(xiàn)象。

      那么對一個(gè)彩條信號的傳輸定為0.07UI系統(tǒng),是否就安全了呢?答案是否定的,因?yàn)镾DI的信道編碼方式采用擾頻NRZI,這樣做的目的是減少信號傳輸中的直流成分(連續(xù)的1或者0)。但是,對于某些特殊的數(shù)據(jù)排列還是會(huì)發(fā)生連續(xù)的1或者0的情形。這樣對系統(tǒng)傳輸帶寬有更高的要求,若系統(tǒng)對帶寬、信號均衡、穩(wěn)定的鎖相等問題處理不當(dāng),均會(huì)對傳輸信號產(chǎn)生劣化,結(jié)果可能造成信號接收端產(chǎn)生誤碼。

      國際上為此制定了SMPTE RP178中規(guī)定有這樣的檢測信號,通過故意加重直流成分,以對其影響進(jìn)行評價(jià),這樣的信號稱之為檢查過濾信號或者病態(tài)(Path?ological)信號。這種負(fù)擔(dān)有兩種形式:一種是電纜均衡器試驗(yàn)用的1個(gè)“1”后面連續(xù)跟著19個(gè)“0”;另一種是20個(gè)“1”后面連續(xù)跟著20個(gè)“0”。信號的變化點(diǎn)很少,時(shí)鐘信號難以提取,故用作鎖相環(huán)路(PLL)性能的檢測。這樣的狀態(tài)發(fā)生一次以后至下一個(gè)EAV之前會(huì)連續(xù)發(fā)生,成為強(qiáng)大的疲勞信號,在EAV肯定要進(jìn)行重新設(shè)定,所以最長連續(xù)1行,從概率來看,系統(tǒng)的加擾次數(shù)為9次,發(fā)生率為1行/512行。如圖6所示,左側(cè)上半部分是電纜均衡器試驗(yàn)用的疲勞波形發(fā)生的信號畫面,左側(cè)下半部分是數(shù)據(jù)變化點(diǎn)少的時(shí)鐘恢復(fù)器試驗(yàn)用的疲勞波形發(fā)生的信號畫面。這是對信號的均衡和場性能的檢測。通過這樣檢測,就能檢測出對整個(gè)傳輸系統(tǒng)離崩潰點(diǎn)有多遠(yuǎn),從而避免系統(tǒng)的崩潰,保證系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定安全。

      圖6 SDI查驗(yàn)場即“病理測試信號”

      簡而言之,病理信號檢測內(nèi)容如下:

      1)對均衡器好壞的檢測,即EQ CHECK;

      2)對場信號的檢測,即checkfield;

      3)對鎖相信號的檢測,即PLL check。

      其實(shí),隨著高標(biāo)清系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,病理信號檢測是安全播出必須考慮的一環(huán),并非是可有可無的。

      下文中圖7~圖12是“病理信號測試”的實(shí)測圖示,圖13~圖14是75%Bars彩條信號的實(shí)測圖示。

      圖7 檢測EQ check的信號源(截圖)

      圖8 在系統(tǒng)中正常通過EQ check檢測的眼圖(截圖)

      圖9 檢測checkfield的信號源(截圖)

      圖10 在系統(tǒng)中正常通過checkfield檢測的眼圖(截圖)

      圖11 檢測PLL check的信號源(截圖)

      圖12 在系統(tǒng)中正常通過PLL check檢測的眼圖(截圖)

      圖13 檢測75%Bars的信號源(截圖)

      圖14 在系統(tǒng)中正常通過75%Bars檢測的眼圖(截圖)

      3 小結(jié)

      隨著科技的發(fā)展,模擬電視系統(tǒng)必然被高標(biāo)清數(shù)字電視系統(tǒng)所取代,數(shù)字視頻系統(tǒng)比以往模擬視頻系統(tǒng)要復(fù)雜得多,特別是在圖像的畫質(zhì)、伴音的音像效果、抗干擾等性能上,數(shù)字視頻系統(tǒng)有模擬視頻系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)越性。在模擬視頻的世界里難以實(shí)現(xiàn)的制式變換、節(jié)目資源的共享、節(jié)目制作的特技合成、藝術(shù)效果的追求、節(jié)目資源的網(wǎng)絡(luò)管理等功能,在數(shù)字視頻系統(tǒng)的世界里都可得以實(shí)現(xiàn)。但是同時(shí)系統(tǒng)也比以往更加龐大、復(fù)雜,設(shè)備種類繁多,為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定、可靠,采用病態(tài)碼測試逐步成為高標(biāo)清系統(tǒng)測試必不可少的環(huán)節(jié)。

      [1]MICHAEL R,MICHEL P.數(shù)字電視基礎(chǔ)[M].2版.北京超品技術(shù)有限公司,譯.北京:人民郵電出版社,2003.

      [2]武暾,趙宗印,曹彥軍,等.數(shù)字衛(wèi)星電視傳輸系統(tǒng)抖動(dòng)特性模擬與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù),2013,37(S1):64-69.

      [3]王勁濤,潘長勇,楊抒文.中國地面數(shù)字電視廣播信道編碼調(diào)制芯片介紹[J].電視技術(shù),2009,33(7):22-23.

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