微分相位測(cè)量普遍存在的問(wèn)題

韓 東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3174—1995《PAL-D制電視廣播技術(shù)規(guī)范》[1]的規(guī)定，中國(guó)彩色電視廣播制式為PAL-D（逐行倒相正交平衡調(diào)幅制）。在對(duì)符合國(guó)標(biāo)的PAL制彩色視頻信號(hào)的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前所進(jìn)行的微分相位測(cè)量普遍存在很大的問(wèn)題。筆者將就此進(jìn)行分析，并給出正確的測(cè)量方法。

1 微分相位簡(jiǎn)介

對(duì)電視視頻信號(hào)的質(zhì)量檢查，一般都要分析其視頻線性失真和視頻非線性失真。其中，視頻非線性失真主要包括：亮度非線性失真、微分增益、微分相位和色度信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的交調(diào)失真等參數(shù)。而微分相位失真對(duì)圖像質(zhì)量的影響尤為明顯。當(dāng)微分相位失真較大時(shí)，會(huì)使圖像相應(yīng)部分的色調(diào)（顏色）發(fā)生變化，這將給人們一種圖像不真實(shí)的感覺(jué)。

那么，什么是微分相位呢？微分相位又簡(jiǎn)稱(chēng)為DP（Differential Phase）。通俗地講，就是當(dāng)視頻信號(hào)的亮度分量電平發(fā)生變化時(shí)，它上面疊加的彩色副載波信號(hào)的相位發(fā)生了變化[2]。微分相位失真對(duì)圖像的影響是：會(huì)使圖像相應(yīng)部分的色調(diào)（顏色）發(fā)生變化，人眼對(duì)此十分敏感。比如，有一個(gè)畫(huà)面是一位穿著艷麗裙裝的報(bào)幕員，在聚光燈下走向舞臺(tái)中央。如果圖像信號(hào)存在嚴(yán)重的微分相位失真，那么畫(huà)面上不同亮度部分的同一服裝顏色就會(huì)發(fā)生改變。這種圖像會(huì)給人一種虛假的感覺(jué)。所以，正確測(cè)量微分相位失真的數(shù)值并進(jìn)行分析，以采用相應(yīng)的措施降低其失真就變得十分重要了。

2 微分相位的測(cè)量方法

在GB3659—1983《電視視頻通道測(cè)試方法》[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)微分相位失真的定義和測(cè)試方法都給出了明確的規(guī)定。

定義：將未經(jīng)相位調(diào)制的恒定小幅度色度副載波疊加在亮度信號(hào)上，并加至被測(cè)通道的輸入端，當(dāng)亮度信號(hào)從消隱電平變到白電平，而平均圖像電平保持在某一特定值時(shí)，在輸出端副載波的相位變化稱(chēng)為微分相位失真。

測(cè)試方法：

把疊加副載波的五階梯信號(hào)加至被測(cè)通道的輸入端，測(cè)量輸出端階梯波各梯級(jí)（包括消隱電平）上的副載波的相位，以消隱電平上副載波的相位Φ0為基準(zhǔn)，微分相位失真用＋X，－Y表示。其計(jì)算公式為

微分相位失真峰-峰值由式求得

式中：Φ0為輸出端消隱電平上副載波的相位；Φmax和Φmin分別為輸出端階梯波各梯級(jí)（包括消隱電平）上副載波的相位中的最大值和最小值。

測(cè)量微分相位通常采用疊加副載波的五階梯信號(hào)和CCIR330信號(hào)，其波形如圖1和圖2所示。

測(cè)量微分相位使用的較佳設(shè)備有美國(guó)泰克（Tektro?nix）公司的VM700T視頻測(cè)量裝置等，國(guó)產(chǎn)儀器有四川川嘉電子有限公司的JC-MVA150型視音頻測(cè)量?jī)x等。它們可以同時(shí)給出階梯波各梯級(jí)上微分增益和微分相位的失真值，而無(wú)須按照上述公式手動(dòng)計(jì)算。其測(cè)量結(jié)果顯示如圖3所示。

圖3 微分增益和微分相位的測(cè)量顯示（儀器面板截圖）

因?yàn)橹袊?guó)彩色電視廣播制式為PAL-D制，彩色視頻信號(hào)的色度副載波是逐行倒相的。一行為＋V行視頻信號(hào)，下一行就是－V行視頻信號(hào)，依次反復(fù)。而且即使是同一行序號(hào)的信號(hào)，在第一場(chǎng)和第三場(chǎng)以及第二場(chǎng)和第四場(chǎng)其色度副載波也是垂直反相的。具體地說(shuō)，在第一場(chǎng)和第二場(chǎng)，行序號(hào)為單數(shù)的行是非倒相行，行序號(hào)為雙數(shù)的行是倒相行。而在第三場(chǎng)和第四場(chǎng)，則剛好相反，行序號(hào)為單數(shù)的行是倒相行，行序號(hào)為雙數(shù)的行是非倒相行。對(duì)此，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3174—1995《PAL-D制電視廣播技術(shù)規(guī)范》中有明確的規(guī)定。

3 微分相位測(cè)量中存在的問(wèn)題

如上所述，因?yàn)橥恍行蛱?hào)的視頻信號(hào)在第一場(chǎng)和第三場(chǎng)（第二場(chǎng)和第四場(chǎng)）其色度副載波垂直反相。所以，在使用VM700T視頻測(cè)量裝置進(jìn)行某一行微分相位測(cè)量時(shí)，如果不采用平均（Average）方式，那么非倒相行和倒相行的微分相位失真值就會(huì)快速交替顯示。這將無(wú)法清楚地顯示和讀取穩(wěn)定的微分相位測(cè)量值。對(duì)于這種情況，人們很容易想到用“平均”的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但這樣做，就會(huì)造成PAL制視頻信號(hào)微分相位測(cè)量的嚴(yán)重錯(cuò)誤。下面分析造成微分相位測(cè)量本質(zhì)性錯(cuò)誤的原因。

通常測(cè)量人員都采用疊加副載波的五階梯信號(hào)進(jìn)行微分相位測(cè)試。假設(shè)被測(cè)信號(hào)消隱電平上的副載波相位為60°，而階梯波其他梯級(jí)上副載波相位最大偏離處的相位為70°。那么，根據(jù)微分相位的定義，該信號(hào)微分相位失真值就應(yīng)為10°。用監(jiān)視器觀察其圖像，相應(yīng)色條的顏色也會(huì)發(fā)生明顯的改變。這也說(shuō)明該信號(hào)的確存在較大的微分相位失真。如果把該信號(hào)加到VM700T視頻測(cè)量裝置的輸入端，采用簡(jiǎn)單的“平均”方式進(jìn)行微分相位測(cè)量，那么，得到的測(cè)量結(jié)果不是10°，而是接近于0°。這與對(duì)應(yīng)的色調(diào)（顏色）偏差圖像完全不相吻合，結(jié)果顯然是錯(cuò)誤的。判斷視頻測(cè)量方法是否正確的準(zhǔn)則是測(cè)量結(jié)果應(yīng)與圖像質(zhì)量相一致。

下面簡(jiǎn)單分析：假設(shè)在第99行進(jìn)行測(cè)試，如果被測(cè)信號(hào)第一場(chǎng)第99行在消隱電平上的副載波相位為＋60°，副載波相位最大偏離處的相位為＋70°，那么，顯然其微分相位失真值應(yīng)為＋10°。但對(duì)于PAL制彩色視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，第三場(chǎng)第99行因是倒相行，如不考慮正交誤差，那么在消隱電平上的副載波相位應(yīng)為－60°，而副載波相位最大偏離處的相位則為－70°,其微分相位失真值應(yīng)為－10°。這時(shí),如果用簡(jiǎn)單的“平均”方式進(jìn)行測(cè)量，那么，測(cè)量的就是非倒相行的微分相位失真值＋10°和倒相行的微分相位失真值－10°的平均值，當(dāng)然結(jié)果會(huì)接近為零。顯然這種測(cè)量是錯(cuò)誤的，但問(wèn)題嚴(yán)重的是目前對(duì)微分相位的測(cè)量普遍采用的就是這種方法。

4 正確的微分相位測(cè)量方法

要掌握正確的測(cè)量方法，必須先了解一下VM700T視頻測(cè)量裝置進(jìn)行微分相位測(cè)量的選單樹(shù)，如圖4所示。

圖4 微分相位測(cè)量選單樹(shù)

從圖4中可以看到，在微分相位測(cè)量選單樹(shù)的“采集子選單”中，有“僅＋V相位（＋V Phase Only）”和“僅－V相位（－V Phase Only）”兩個(gè)選項(xiàng)。但這里應(yīng)特別注意：其中“＋V”指的是“＋V行”，即非倒相行?！皟H＋V相位（＋V Phase Only）”表示在這種方式下，只測(cè)量“＋V行”也就是非倒相行的微分相位失真值。而不是指僅測(cè)量和顯示正的微分相位失真值。在“＋V行”微分相位失真值為正值和負(fù)值的出現(xiàn)幾率約各占50%。當(dāng)然，“僅－V相位（－V Phase Only）”則指的是只測(cè)量“－V行”即倒相行在反相前的微分相位失真值。這一功能與VM700T和JC-MVA150中，彩條測(cè)量的“＋V”、“－V”功能基本相同。這兩個(gè)選項(xiàng)就為正確穩(wěn)定地測(cè)量微分相位失真值提供了條件。具體的方法是：首先在被測(cè)行，選用“僅＋V相位（＋V Phase Only）”測(cè)量方式，在平均（Average）方式下，讀取微分相位（DP）失真值。它對(duì)應(yīng)于＋V行（非倒相行）的DP值。然后再選用“僅－V相位（－V Phase On?ly）”測(cè)量方式，在平均（Average）方式下，讀取微分相位（DP）失真值。它對(duì)應(yīng)于－V行（倒相行）在反相前的DP值。所讀取的微分相位（DP）失真值，都應(yīng)帶有正負(fù)號(hào)。最后，用“僅＋V相位（＋V Phase Only）”方式得到的微分相位（DP）失真值減去“僅－V相位（－V Phase Only）”方式得到的微分相位（DP）失真值再除以2。其簡(jiǎn)化公式為：[（＋V）測(cè)得值－（－V）測(cè)得值]÷2。但要特別注意：所有的失真值，都應(yīng)帶有正負(fù)號(hào)。

之所以這樣測(cè)量和計(jì)算，是因?yàn)樵赑AL制色度信號(hào)的解碼的過(guò)程中，首先要對(duì)U，V（包括＋V和－V）分量信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)，然后再轉(zhuǎn)換為B－Y和R－Y色差信號(hào)。所謂“同步解調(diào)”就是對(duì)U分量信號(hào)用基準(zhǔn)副載波信號(hào)與之相乘，＋V分量信號(hào)用正向偏轉(zhuǎn)90°的基準(zhǔn)副載波信號(hào)與之相乘，而－V分量信號(hào)用反向偏轉(zhuǎn)90°的基準(zhǔn)副載波信號(hào)與之相乘，這就實(shí)現(xiàn)了－V行信號(hào)的垂直反轉(zhuǎn)。這也是上述計(jì)算公式中使用減號(hào)的原因。然后，再將對(duì)應(yīng)于＋V非倒相行和－V倒相行的色差信號(hào)疊加后取其平均值。因?yàn)榻庹{(diào)過(guò)程是這樣，所以對(duì)于PAL制信號(hào)的微分相位失真值也是取決于非倒相行和倒相行兩個(gè)失真值的綜合作用，而要取其平均值。這樣，以上測(cè)量和計(jì)算方法才能反映出實(shí)際彩色電視視頻信號(hào)的質(zhì)量情況。

上述測(cè)量方法的另一特點(diǎn)是：它不僅能夠給出對(duì)應(yīng)于彩色圖像質(zhì)量的正確微分相位失真值，而且通過(guò)測(cè)量過(guò)程還能夠了解被測(cè)網(wǎng)絡(luò)相移特性的真實(shí)質(zhì)量情況。例如，把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的疊加副載波的五階梯視頻信號(hào)加到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端。輸入信號(hào)的副載波相位在非倒相行為＋60°，在倒相行為－60°。若被測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)在高亮度分量電平上副載波相移特性很差的網(wǎng)絡(luò)，在消隱電平上，副載波相位沒(méi)有改變，仍為＋60°和－60°，而在某一亮度分量電平上，副載波相位同向偏離，非倒相行相位由＋60°偏離到＋70°，而倒相行相位由－60°偏離到－50°。因?yàn)镻AL制的逐行倒相功能對(duì)視頻信號(hào)的微分相位失真有改善作用，所以在這種情況下用上述正確方法測(cè)得的微分相位失真會(huì)相當(dāng)小，相應(yīng)圖像的色調(diào)也確實(shí)沒(méi)有多大變化。但從測(cè)量過(guò)程可以看到，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的相移特性確實(shí)存在很大問(wèn)題，它會(huì)給其他方面的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)隱患，應(yīng)對(duì)其相移特性作進(jìn)一步分析和改進(jìn)。

5 小結(jié)

綜上所述，對(duì)PAL制視頻信號(hào)的微分相位測(cè)量應(yīng)使用上述的正確測(cè)量方法。如采用現(xiàn)在普遍使用的簡(jiǎn)單的“平均”方式進(jìn)行微分相位測(cè)量，會(huì)使測(cè)得的微分相位失真值與實(shí)際值偏離較大。這樣，就會(huì)影響對(duì)視頻信號(hào)及其相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量評(píng)定和進(jìn)一步改進(jìn)。因此，正確掌握微分相位的測(cè)量方法是非常重要的。

[1]GB3174—1995，PAL-D制電視廣播技術(shù)規(guī)范[S].1995.

[2]平龍.電視圖象傳輸質(zhì)量等級(jí)與主要失真指標(biāo)[J].電視技術(shù)，1998，22（8）：46-48.

[3]GB3659—1983，電視視頻通道測(cè)試方法[S].1983.