數字視頻信號發生器校準方法研究

劉 雷，韓 東，蔣治國

（北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司，北京 100015）

0 引言

數字視頻信號發生器可產生符合各種接口協議和視頻格式的數字視頻信號，具有清晰度高、音頻效果好、抗干擾能力強等特點，逐步取代模擬視頻信號發生器，廣泛應用在電視機、顯示器、手機等數字顯示終端產品的研制、檢測及數字多媒體系統的建設、測試等領域，成為最常用的視頻測量儀器。目前國內沒有數字視頻信號發生器的國家或行業的計量技術規范，因此數字視頻信號發生器的校準并沒有一個統一的標準，一般都是依據被校數字視頻信號發生器的使用說明書進行，并且多數只是功能方面的檢查。這種測試并不全面，不能保證其輸出的視頻信號準確可靠[1-2]。

為了保證數字視頻信號發生器輸出的信號準確可靠，為科研和生產提供保障，北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司實驗室提出了數字視頻信號發生器的校準項目，規定了校準方法，實現了數字視頻信號發生器的校準。

1 校準項目

物理特性、協議、信號內容是決定數字視頻信號質量的3 個要素，因此需要針對這3 個要素來確定數字視頻信號發生器的校準項目。其中，物理特性的好壞一般通過眼圖質量體現，而信號內容又包括視頻參數和伴音，因此，數字視頻信號發生器的校準項目主要有眼圖、協議、視頻參數及伴音4 個部分。

1.1 眼圖

眼圖是一系列數字信號在示波器上累積而顯示出的圖形，它包含了豐富的信息。從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，體現了數字信號整體的特征，從而估計系統的優劣程度。

數字視頻接口主要分為數字分量并行接口（HDMI接口）和數字分量串行接口（SDI接口）兩種。參考，數字分量并行接口（HDMI）和數字分量串行接口（SDI）的眼圖技術指標如表1 所示。

表1 兩種接口的眼圖技術指標

對于HDMI 接口，眼圖幅度和上升下降時間一般測量Data 通道。Data 通道包括Data0、Data1、Data2 三個通道，即RGB 三個通道或YCbCr 三個通道。數字分量串行接口（SDI）只有一個通道[3-5]。

1.2 協議

協議包含視頻協議和音頻協議，視頻協議主要有視頻格式、像素格式、采樣方式、色彩空間、色彩范圍、色深等；音頻協議主要有采樣率、采樣位數等。協議的作用是讓接收設備正確地識別音視頻信號。由于協議的內容較多，這里只列舉了常用的幾項，實際測量時可以按照具體要求增加或減少測量項目。

1.3 視頻參數

視頻參數的技術指標反映了信號中視頻內容的好壞，在使用數字視頻信號發生器進行相關測試時，視頻內容會直接影響測試結果，因此視頻參數是數字視頻信號發生器最重要的部分。

對于視頻參數的校準，部分計量機構認為，數字視頻信號的內容不會在傳輸過程中產生衰減和失真，也不會因為元器件的老化而產生損傷。也就是說，只要數字視頻信號能正常發出，視頻內容就不會存在問題，因此不需要校準。但實際上，視頻信號不只取決于硬件條件，更取決于視頻信號本身。目前，多數數字視頻信號發生器的工作原理是先讀取信號文件，然后將視頻數據直接通過數字視頻接口發出。信號文件的類型包括圖片文件（bmp、png等）、視頻文件（avi 等）、數據流文件（dat 等）、碼流文件（ts 等）。那么，視頻文件的好壞就直接影響最終的信號質量，比如信號文件的位數是8 bit 還是10 bit，信號文件是否存在壓縮，還有就是信號文件本身的制作方法是否合理，這些都直接影響視頻信號內容。很多時候，視頻信號內容上的損傷，通過人眼無法察覺。因此，為了保證數字信號的準確可靠，必須對視頻參數進行校準。《JTG 2182—2020 公路工程質量檢驗評定標準 第二冊機電工程》中的第8 頁和第9 頁明確規定了數字視頻信號發生器的視頻參數的技術要求，具體為：視頻電平，±10%；多波群頻響，30 MHz 帶寬內±3 dB；非線性失真，≤5%；K 系數，≤3%；視頻信噪比，≥56 dB。通過這個標準可以看出數字視頻信號的視頻參數校準的重要性。視頻參數的校準可以根據上述參數進行[6]。

1.4 伴音

伴音是指在視頻中配合圖像的聲音。通常數字視頻信號發生器中都帶有伴音，一般是頻率為1 kHz 的正弦波信號。伴音的校準主要包括音頻頻率、音頻電平及失真。在使用數字視頻信號發生器進行測試的時候，伴音一般對測量結果影響不大，對于它的技術指標，這里不做明確要求。

2 校準方法

本文以數字分量并行接口——HDMI 接口的數字視頻信號發生器為例，概括校準方法。用到的標準器有眼圖測試儀和數字視頻分析儀。

2.1 眼圖

標準眼圖時，儀器連接如圖1 所示，將數字視頻信號發生器的輸出端與眼圖測試儀的輸入端相連。設置數字視頻信號發生器的視頻格式，發送數字視頻測試信號，記錄眼圖分析儀中的眼圖幅度、上升/下降時間、時鐘抖動的測量值。眼圖測試儀可以是高速示波器或帶有眼圖測量功能的數字視頻分析儀。

圖1 眼圖校準連接圖

2.2 協議

標準協議時，儀器連接如圖2 所示，將數字視頻信號發生器的輸出端與數字視頻分析儀的輸入端相連。設置數字視頻信號發生器的視頻格式，發送數字視頻測試信號，打開數字視頻分析儀的音視頻協議測量功能，記錄視頻格式、像素格式、采樣方式、色彩空間、色彩范圍、色深、音頻采樣率以及音頻采樣位數等信息。

圖2 協議校準連接圖

2.3 視頻參數

標準視頻參數時，儀器連接如圖2 所示，將數字視頻信號發生器的輸出端與數字視頻分析儀的輸入端相連。設置數字視頻信號發生器的視頻格式，分別發送彩條（或其他信號，比如白場信號）、五階梯/斜坡、2T 正弦平方波和條脈沖、多波群、平場/斜坡測試信號，打開數字視頻分析儀的彩條（或電平表）、非線性失真、多波群、信噪比測量功能，記錄相應的測量值。

2.4 伴音

標準半音時，儀器連接如圖2 所示，將數字視頻信號發生器的輸出端與數字視頻分析儀的輸入端相連。設置數字視頻信號發生器的音頻頻率和電平，打開數字視頻分析儀的音頻測量功能，記錄音頻頻率、音頻電平、音頻失真的測量值。

3 校準實例

本文以R&S 公司的VTE 視頻分析儀作為標準器，對RDL-420 數字視頻信號發生器進行校準。結果如表2～表5 所示。由于篇幅的原因，這里視頻電平采用白場信號進行測試，多波群頻響只記錄了峰峰值，協議項目也只選擇了比較常用的幾項。在測試信噪比時，為了防止測量結果過大，在標準的白場信號上添加了-60 dB 的噪聲信號。

表2 眼圖校準結果

表3 協議校準結果

表4 視頻參數校準結果

表5 伴音校準結果

5 結語

數字視頻信號發生器在科研生產中起著重要作用，是視頻研發和測試不可缺少的儀器設備。本文提出了數字視頻信號發生器的校準項目，概括了校準方法，列舉了具體的校準實例，實現了數字視頻信號發生器的校準。