淺談病態(tài)碼測試在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中的重要性

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)。

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