如何保证数字视频信号的质量

数字电视设备工程师在维护信号质量的过程中，经常遭遇数字信号的瞬时突变。本文介绍的波形监视器的眼图和抖动显示是测量数字传输信号质量的一种工具。如果在系统中正确地实现了错误检测和处理E，就有助于监视关键的信号通路，并对系统中潜在的问题进行报警。

从模拟体制到数字体制的过渡为帮助保持设备中视频信号的质量提供了许多有利条件。视频信号转换到数字域之后，将不再受多种可 能影响信号质量的模拟现象的影响。通过数字化一个高质量的视频信号，可以消除该信号中的许多模拟缺陷。不过，为了在数字域中处理信号，需要改变一些常见的 工程做法。

例如，串行数字接口(SDI)通常相当可靠，但在某些点，传输信号的完整性无法保证，且数据有可能发生数字突变(digital cliff)。SDI的时钟嵌入在数据流之中，如果接收设备不能恢复时钟，就无法恢复视频数据和显示图像。不幸的是，与模拟系统不同(其信号的恶化是逐渐发生的)，数字系统中图像的劣化几乎是瞬时发生的。因此，数字电视设备工程师的职责是维护信号质量，防止发生数字突变。

为了检验安装质量，可以通过一个适当的测试模式发生器来向系统施加特定的压力测试信号。SDI校验场 (SDI Check Field)是一个专门的测试信号，它包括两个部分，如图1所示。SDI校验场的一部分通过产生一个0000 0000 0000 0000 0001(或1111 1111 1111 1110)序列来测试均衡器的动作。当扰频器获得所需的开始条件时，差不多对每个场进行一次这种测试，并且将一直持续下去，直到被EAV数据包终止。该序 列产生一个较高的直流分量，充分测试设备的模拟能力和处理信号的传输系统。SDI校验场信号的另一部分设计用来检查锁相环性能，它使用了一个由20个0加 上20个1组成的特殊信号，这为时钟提取提供了最少的过零次数。

这种测试很有帮助，它能验证数字系统的一致性，或者测试系统是否已停止服务。但是在系统安装完成之后，如何监视其状态，确保信号没有发生数字突变，或确保某个设备没有发生故障呢？

EDH (Error Detection and Handling，错误检测与处理)的基础是为垂直辅助数据区中的每个视频场插入循环冗余码(CRC)计算。整个场和活动图像有单独的CRC，它们和状态 标志一道，随其他串行数据一起通过传输系统进行发送。解串器中将重新计算CRC，如果计算得到的CRC值与传输值不一致，就报告一个错误。因此，这种方法 可用于在服务过程中监视SDI信号；大部分视频设备现在可支持在垂直辅助数据区嵌入EDH。各种波形监视器和SDI分析器可以提供EDH情况的状态报告， 并可记录错误，如图2所示。典型错误检测数据的提供形式是一段时间内的错误秒数，以及自发生错误的最后一秒以来的时间数。如果监视设备报告EDH错误频繁 发生，就表示SDI信号接近发生数字突变，应该对信号路径作进一步检查，以查找和解决问题。

为了在数字系统中分离出这类问题，需要一台能够显示SDI信号眼图的波形监视器。为了进行精确测量，采用一根长度短，质量 高的电缆是相当重要的。眼图是由采样数据流中重叠的部分构成的，直到数据变化量足以产生图3所示的三眼显示为止。在某些仪器上，也可能将眼图显示与数据字 边界(SD为10个字，HD为20个字)进行关联。这项功能对于检测与并串转换有关的抖动模式相当有用。

串行接收器在每个眼图的中央判定信号为“高”还是为“低”，从而对串行数据进行检测。由于信号中的噪声和抖动在传输信道中不断增大，它们可能使眼图闭合，降低接收信号的可用性。

SMPTE标准规定了信号的发送幅度、抖动、过冲和上升/下降时间要求，如表1所示。

信号的幅度很重要，原因有两点。一是它与噪声有关；二是因为接收端是以信号到达时剩余的半时钟频率能量为基础来估计所需要的高频补偿(均衡)的。发送端如果幅度不正确，有可能导致接收端采用错误的均衡，从而令信号发生畸变。

如表1中所定义的那样，上升时间和下降时间是在20％～80％的幅度点之间确定的。不正确的上升时间可能导致信号畸变，如振 荡和过冲；如果上升时间过长，可能会减少眼图中可用来采样的时间。上升沿和下降沿的过冲一定不能超过信号波形的10％。过冲有可能是不正确的上升时间所导 致的结果，但更大的可能是由于阻抗不连续或接收、发送端接中返回损耗不良而引起的。

抖动在眼图中表现为水平迹线的加粗。眼图的展开程度将随着抖动的加剧而减小，直到接收器无法对数据进行解码为止。抖动用单位 间隔(UI)来度量，1UI与时钟周期相对应：SD为3.7ns，HD为673.4ps。抖动对系统的影响还取决于抖动的频率。SMPTE为测量抖动定义 了不同的频率带宽。定时抖动是对传输信号内抖动的一个总体度量，而校准抖动则可分离降低接收器恢复数据能力的抖动分量。

图4所示的抖动画出了与视频行和场速率相关的峰峰值抖动对应于时间的曲线。这样，便可以按照视频信号定时来将抖动进行特征 化。许多与抖动有关的问题都是由于同步锁相(genlock)参考抖动转移到串行系统中而引起的。这类抖动通常在20Hz和几百Hz之间。同步锁相系统采 用的相位检测过程也可能会增加噪声，这些噪声将影响10Hz～1kHz范围内的抖动。使用适当的带宽限制滤波器，可以在抖动测量中包含或抑制特定的抖动分 量。

波形监视器的眼图和抖动显示是测量数字传输信号性能时可供选择的工具。如果在系统中正确地实现了EDH，它可帮助监视关键的信号通路，并对系统中潜在的问题进行报警。维持系统正确运行的关键是采用精心设计的设备，确保其电缆类型、电缆长度和设备端接满足要求。

作者：Michael Waidson

Tektronix公司