復(fù)合視頻信號

??? 20世紀(jì)40年代，美國國家電視系統(tǒng)委員會(NTSC)推出黑白復(fù)合視頻標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可對定時（水平與垂直同步）和光度（亮度）信息進(jìn)行編碼，并將編碼后的信息輸入一個通道。10年之后，該委員會重新開發(fā)出“NTSC”彩色電視標(biāo)準(zhǔn)。這種全新的彩色標(biāo)準(zhǔn)采用了相同的視頻信號和帶寬，兼容以往的黑白電視機(jī)。為此，彩色（色度）副載波和基準(zhǔn)脈沖(如基準(zhǔn)彩色副載波群)都被嵌入原始的黑白視頻信號。首先，色度和亮度頻率實現(xiàn)交叉存取，以便色彩與亮度信息能夠占用同等的可用帶寬。這種交叉頻譜主要集中于3.58MHz(色度副載波頻率)左右。為了降低副載波的可視性，色度副載波頻率專門選擇為水平同步速率一半（15.75kHz/2）的奇數(shù)倍。其次，由副載波信號9個周期構(gòu)成的基準(zhǔn)彩色副載波群被置于水平消隱信號期的后沿。該脈沖可以使電視機(jī)的3.58MHz彩色震蕩器或接收器實現(xiàn)同步。與NTSC相對的歐洲視頻標(biāo)準(zhǔn)是相位交替線式掃描（PAL）視頻標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是：PAL的副載波頻率為4.43MHz，并且其視頻振幅比的同步性略有不同。
??? 色度信息可分為兩部分：色彩飽和度" title="飽和度">飽和度與色調(diào)。飽和度由載波的振幅決定，而色調(diào)則由彩色基準(zhǔn)同步信號的載波的相位決定。飽和度代表色彩的強(qiáng)度，而色調(diào)則代表基色的精確度。例如，如果振幅較低的紅色載波采用基準(zhǔn)彩色副載波群的相位，則呈現(xiàn)粉色，屬于低飽和度紅色。另一方面，如果載波與基準(zhǔn)彩色副載波群超過241°，達(dá)到283°，則綠色會變成青綠色。
??? NTSC復(fù)合視頻的色條電平、振幅和相位如表1所示。值得注意的是，視頻信號以IRE為單位描述電平和振幅，而不采用直流電壓。基于-286mV(同步脈沖頂部)到+714mV (峰值視頻)之間的標(biāo)準(zhǔn)1VPP NTSC復(fù)合視頻信號，確定140IRE峰峰常規(guī)。1個NTSC IRE單位為7.14mV，據(jù)此推算，-40IRE等于286mV，+100IRE等于+714mV，0IRE等于0V。在這方面，PAL 視頻信號與NTSC視頻信號稍有不同，它介于-300mV～+700mV之間。這樣1個PAL IRE 單元為7mV，據(jù)此推算，在同步脈沖頂部條件下，-43IRE等于-300mV，而在峰值視頻電平條件下，+100IRE等于+700mV。在下文的論述過程中，將主要采用IRE單位，而不采用V或mV為單位。

差分增益（DG）與差分相位（DP）

??? 色度副載波的平均值或中值代表亮度電平。該副載波可以看成是正弦曲線信號的振幅，該亮度可以看成是該信號的直流偏置電平。亮度電平變化導(dǎo)致色度副載波的振幅變化，產(chǎn)生差分增益誤差。因此，當(dāng)畫面光度發(fā)生變化時，差分增益誤差就是色彩副載波的振幅變化。如果直流偏置電平變化，則由視頻放大器產(chǎn)生的正弦曲線振幅就會隨之變化。因此在白天呈現(xiàn)紅色的汽車，在夜幕降臨時會呈現(xiàn)粉色。亮度電平變化還會導(dǎo)致色度副載波的相位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生差分相位誤差。當(dāng)畫面亮度發(fā)生變化時，差分相位誤差就是色彩副載波的相位變化。如果直流偏置電平變化，則由視頻放大器產(chǎn)生的正弦曲線相位就會隨之變化。這使在室內(nèi)為藍(lán)色的襯衫，到室外就變成了紫色。比較理想的情況是，無論亮度或直流偏置電平如何變化，顏色飽和度（振幅）和色調(diào)（相位）都應(yīng)保持不變。紅色的汽車無論在什么樣的照明條件下，都應(yīng)呈現(xiàn)紅色，藍(lán)色的襯衫無論是在室內(nèi)還是室外，都應(yīng)為藍(lán)色。
??? 通常情況下，如果DG與DP誤差分別達(dá)到1%和1°，人的肉眼是無法感知的。因此，可以將這些數(shù)值作為整個視頻信號鏈的總誤差值。在誤差能為人眼所感知之前，可以存在多個誤差塊。一個典型的通道可包括攝像機(jī)、記錄裝置、發(fā)射器、接收器和監(jiān)視器。根據(jù)要求，信號鏈內(nèi)的所有處理器或放大器的DG/DP需遠(yuǎn)低于1%/1°，至于低出多少，需由信號鏈內(nèi)的裝置數(shù)量決定。例如，在設(shè)計視頻傳輸系統(tǒng)時，需要在輸入端和輸出端之間安裝5個運(yùn)算放大器。假設(shè)每個運(yùn)算放大器的DG和DP分別為0.01%和0.01°，其誤差總和就分別為0.05%和0.05°。如果設(shè)計者希望視頻傳輸電路板的整體系統(tǒng)規(guī)格為0.05% DG和0.05°DP，則這5個運(yùn)算放大器就可滿足其需要。由于演播室廣播信號鏈連續(xù)安裝多個裝置，因此演播室級的IC和放大器與消費(fèi)者使用的IC與放大器相比，需要更低的DG/DP。其中一些視頻系統(tǒng)" title="視頻系統(tǒng)">視頻系統(tǒng)甚至要求所有的運(yùn)算放大器的DG/DP值低于0.01%/0.01°。
DG/DP測量基礎(chǔ)
??? 測量DG和DP的關(guān)鍵是在直流偏置電平發(fā)生變化時，測量正弦曲線信號的振幅和相位誤差。因此，該測試信號通常為直流偏移量在0 IRE～100IRE之間的3.58MHz(NTSC)或 4.43MHz（PAL）正弦波。產(chǎn)生這種信號的一種方法是采用視頻測試模式產(chǎn)生器，由它產(chǎn)生“色條”波形。DG誤差可表示為最低階副載波的峰峰振幅測量值與最高階相應(yīng)測量值的百分比變量。DP 可采用類似于副載波相位的方法進(jìn)行測量和計算。不過，這種端點測量方法也可能會導(dǎo)致錯誤結(jié)果，原因在于DG和DP始終不可能隨著亮度或直流電平的變化而變化。此外，要想僅僅測量兩個端點，可采用更為簡便的方法，即手動改變帶直流電壓的正弦波偏移量。因此，最佳的方法是測量所有階梯上的所有副載波的振幅，然后確定振幅之間的最大增量。采用色條或經(jīng)過調(diào)制的具備多個梯級的階梯波形，能夠增大測量點數(shù)量，提供更高的分辨率，幫助確定最大的DG/DP誤差。因此，經(jīng)過調(diào)制的鋸齒形波形可能比受較少梯級所限的梯形波形更為理想。
??? 在整個亮度范圍內(nèi)，對多個增益和相位誤差點進(jìn)行手動測量是非常枯燥的工作。另一種可選的方法是，采用專用的視頻測試設(shè)備" title="測試設(shè)備">測試設(shè)備（如矢量顯示器和波形監(jiān)視器）測量DG/DP。這些儀器具備內(nèi)置的DG/DP測試功能，能夠在整個持續(xù)亮度范圍內(nèi)，報告最大的峰峰增量。不過，這些設(shè)備不能單獨測量從0.01%/0.01°到0.001%/0.001°范圍內(nèi)運(yùn)算放大器的DG/DP，實際上它們更適合測量整個視頻系統(tǒng)。因此，目前測量DG/DP的最有效的方法之一是采用網(wǎng)絡(luò)分析器。

采用網(wǎng)絡(luò)分析器測量DG/DP

??? 在直流偏壓范圍內(nèi), 網(wǎng)絡(luò)分析器可同時測量增益和相位誤差，并且具備很高的分辨率，能夠解析低于0.01%/0.01°的DG/DP誤差。圖1為采用HP4195網(wǎng)絡(luò)分析器測試DG/DP的設(shè)置。

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??? HP4195擁有0.001dB/division和 0.01°/division的分辨率，并且還具備內(nèi)置的直流電源，用于提供直流偏移量或亮度電平。該電源經(jīng)過編程，在亮度范圍內(nèi)，可以每梯級10mV的增量提高直流電平。它采用了500kHz的低通濾波器，濾除可能會影響測量結(jié)果的噪聲。此外，還采用了HP4195震蕩器輸出裝置（輸出頻率為3.58MHz或4.43MHz）。這是通過采用增量配置電路，維持線路阻抗，防止任何其他的DG或DP進(jìn)入測試信息。在測試設(shè)備的輸出端，將8dB衰減器與輸出電阻器并聯(lián)。該衰減器可確保信號振幅低至可防止網(wǎng)絡(luò)分析器的前端出現(xiàn)過載或失真現(xiàn)象。該分析器接口與測試設(shè)置組件的阻抗為50Ω，包括分離器、合成器和衰減器。
??? 正確設(shè)定振蕩器振幅和直流掃描范圍，并通過安裝在測試設(shè)備輸入端的示波器測量。該振蕩器經(jīng)過調(diào)整，可以產(chǎn)生286mVPP（40IRE）的信號，這是NTSC標(biāo)準(zhǔn)的測試信號振幅。該網(wǎng)絡(luò)分析器經(jīng)過校準(zhǔn)和設(shè)置，可完成“S21”測量。要想獲得所需的分辨率，需要對多次測試掃描結(jié)果取平均值。如果測量超低DG/DP設(shè)備，則需對50次或更多次測量結(jié)果取平均值。圖2顯示由網(wǎng)絡(luò)分析器提供的運(yùn)算放大器的典型增益誤差和相圖。一般增益誤差是以dB為單位，采用以下的等式計算并以百分?jǐn)?shù)的形式表示：
??? %誤差=[10(|增益誤差(dB)|/ 20)-1]×100%

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??? 這只是利用網(wǎng)絡(luò)分析器進(jìn)行測量的一種方法。當(dāng)然也可以采用其他不同型號的網(wǎng)絡(luò)分析器和略微不同的方法測量DG/DP。一些網(wǎng)絡(luò)分析器也許不具備內(nèi)置的直流電源，可能需要采用外部直流掃描電源。其他分析器可能安裝了直流偏壓輸入端，在這種情況下，由信號發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒形波形將進(jìn)入該輸入端。這就無需在測試設(shè)備的輸入端安裝組合電路。

數(shù)據(jù)表中的DG/DP測量條件

??? 就DG/DP測量而言，數(shù)據(jù)表介紹了一些有關(guān)測量方法和測試條件的注意事項。盡管DG/DP幾乎已經(jīng)成為數(shù)據(jù)表中的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，但其測量方法仍無需實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。因此，一些DG/DP指標(biāo)也許不能完全代表運(yùn)算放大器在實際應(yīng)用中的運(yùn)行情況。以下的測試方法和條件是十分重要的。
??? 端點測試方法的測試效果并不理想。因為只獲得最低和最高直流電平之間的增益增量，除非DG/DP誤差與直流偏移量完全成線性關(guān)系。然而，DG/DP曲線有時呈現(xiàn)平方甚至立方的關(guān)系。在這種情況下，只測量端點值與對整個掃描范圍進(jìn)行測量相比，獲得的數(shù)據(jù)更好。
??? 該數(shù)據(jù)表公布的DG/DP也必須是基于采用正確的色度和亮度參數(shù)進(jìn)行的測試。該色度或正弦曲線測試信號必須具備286mVPP(40IRE)的振幅，這是NTSC標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化測試信號振幅（就PAL標(biāo)準(zhǔn)而言，該振幅為43IRE）。該信號的頻率也應(yīng)為3.58MHz或4.43MHz。就PAL標(biāo)準(zhǔn)而言，頻率為4.43MHz通常是最壞情況。應(yīng)當(dāng)在這兩種頻率條件下，或者至少在最壞的情況下，對DG/DP進(jìn)行測試并公布結(jié)果。降低色度振幅或頻率進(jìn)行測試，可獲得更出色的結(jié)果，但卻不能正確體現(xiàn)NTSC/PAL規(guī)范介紹的本部分的特色。因此，基于1MHz和100mVPP正弦波進(jìn)行的測試得出的DG/DP值也許能給人以深刻的印象，但卻很少有視頻設(shè)計者采用這種方法。亮度或直流掃描范圍也非常重要。在上文的論述中，根據(jù)NTSC亮度規(guī)范的規(guī)定將此范圍設(shè)定為0IRE～+100IRE。因此NTSC信號具備高于0V的正向視頻和低于0V的負(fù)向同步脈沖。假設(shè)該運(yùn)算放大器始終接收到正向視頻，則直流掃描范圍在0～+100IRE之間時為佳。然而，現(xiàn)在的視頻系統(tǒng)設(shè)計者已懂得如何在為實現(xiàn)各種目的（例如伽瑪處理）封閉系統(tǒng)的中間期，轉(zhuǎn)化視頻信號。這些設(shè)計者也許需要知道適用于轉(zhuǎn)化亮度范圍的運(yùn)算放大器的DG/DP。換言之，-100IRE～+100IRE就是DG/DP測試所需的更完整直流掃描范圍。圖3舉例說明正向與負(fù)向視頻范圍內(nèi)的最大DG/DP誤差。

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??? 測試運(yùn)算放大器的負(fù)載條件是需要考慮的另一問題。盡管視頻系統(tǒng)安裝的連續(xù)級一般可實現(xiàn)交流耦合，但仍應(yīng)根據(jù)直流負(fù)載具體說明視頻運(yùn)算放大器的負(fù)載條件。它應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的視頻終端，雙端接75Ω 或 150Ω負(fù)載。需要注意，在圖1中，50Ω衰減器與100Ω系列輸出電阻器在測試設(shè)備上形成150Ω直流負(fù)載，同時保持50Ω的整體測試環(huán)境。基于任何高于150Ω負(fù)載的DG/DP值都會起到誤導(dǎo)作用，這是因為差分增益與差分相位都易受到放大器負(fù)載的影響。與150Ω的輸出端負(fù)載相比，運(yùn)算放大器在輸出端的負(fù)載為1kΩ時，具備更加出色的DG/DP。另一方面，低于150Ω負(fù)載的DG/DP更為實用，原因是運(yùn)算放大器也許需要驅(qū)動多個視頻線路。面向2、3和4個視頻負(fù)載的等效負(fù)載總電阻分別為75Ω、50Ω和37.5Ω。不過，有些數(shù)據(jù)表將不提供多個視頻負(fù)載的DG/DP誤差值。圖4顯示了美國國家半導(dǎo)體運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中的DG/DP與視頻負(fù)載數(shù)量的對比情況。

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