對高清基帶系統(tǒng)視音頻通道測試的認(rèn)識

杜 劍

內(nèi)蒙古廣播電視臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

對高清基帶系統(tǒng)視音頻通道測試的認(rèn)識

杜 劍

內(nèi)蒙古廣播電視臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，電視進入了高清時代，受眾對圖像質(zhì)量的要求越來越高，高清系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)也日趨復(fù)雜，套用標(biāo)清電視的測試方法已經(jīng)不能適應(yīng)高清系統(tǒng)。為此，有必要全面、系統(tǒng)的總結(jié)出一套測試方法，以便于開展技術(shù)系統(tǒng)測試工作。本文根據(jù)筆者工作實際，就高清基帶系統(tǒng)視音頻通道測試進行論述。

高清 通道特性 指標(biāo)測試

引 言

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化高清制播平臺技術(shù)的發(fā)展，高清制播系統(tǒng)建設(shè)日趨復(fù)雜，建成的系統(tǒng)是否滿足要求？信號在制作和播出域經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換后，畫面及聲音質(zhì)量是否下降？這需要一套科學(xué)的檢測方法確定。目前，行業(yè)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)還不夠全面和細(xì)致，本文緊扣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)測試經(jīng)驗，便于相關(guān)人員了解如何檢測高清系統(tǒng)通道指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)問題，有效保障播出安全。

1 測試方法及實踐

1.1 測試準(zhǔn)備工作

1.1.1 確定系統(tǒng)通道

（1）視頻系統(tǒng)通道

數(shù)字系統(tǒng)通道分為A、B兩類。A類通道沒有視頻信號變換環(huán)節(jié)，通道輸出端與輸入端的圖像有效數(shù)據(jù)完全一致，圖像質(zhì)量不會出現(xiàn)損傷。B類通道通常為網(wǎng)絡(luò)制作、網(wǎng)絡(luò)播出和硬盤播出通道，該通道有比特變換、壓縮編解碼和色域變換環(huán)節(jié)，會影響圖像質(zhì)量。

A類通道為演播室、播控系統(tǒng)中，不含視頻服務(wù)器、上下變換器、延時器、采集錄制等設(shè)備的通道。A類通道只測輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式和音視頻相對延時的技術(shù)指標(biāo)。如圖1所示。

圖1 A類通道示意

B類通道除測試輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式和音視頻相對延時外，還需主觀評價圖像質(zhì)量和測試通道視頻特性。如圖2所示。

圖2 B類通道示意

（2）音頻系統(tǒng)通道

調(diào)音臺、音頻工作站等設(shè)備，對音頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及DSP處理，會影響信號質(zhì)量，數(shù)字通道采用AES/EBU接口，模擬通道采用XLR接口。如圖3、4所示。

圖3 演播室音頻通道

圖4 音頻工作站通道

1.1.2 確定測試點

在系統(tǒng)主、備路通道的始端輸入標(biāo)準(zhǔn)測試信號，選取系統(tǒng)通道末端及關(guān)鍵設(shè)備出口作為測試點，通過設(shè)備分析信號指標(biāo)。

在測試音頻工作站時，測試信號經(jīng)音頻接口進入，通過音頻工作站及工作站控制臺建立音頻直通通道，在音頻接口輸出信號送分析儀分析。

2 選擇設(shè)備和測試信號

2.1 測試設(shè)備

2.1.1 視頻測試設(shè)備

TG700信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生視頻測試標(biāo)準(zhǔn)信號。WFM7120波形監(jiān)視器，用于分析HD-SDI信號指標(biāo)。PQA600A圖像質(zhì)量分析儀，用于客觀化主觀評價圖像質(zhì)量，分析儀可以作為信號源輸出圖像序列，同時采集圖像后與原圖像序列進行對比分析。

2.1.2 音頻測試設(shè)備

SYS-2722音頻分析儀，用于測試和分析音頻信號質(zhì)量，可以輸出音頻測試信號的同時，分析音頻信號技術(shù)指標(biāo)。

2.2 測試信號

2.2.1 高清視頻測試信號

100%彩條信號用于測試系統(tǒng)的輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式，測試通道視頻特性中閃電和矢量的技術(shù)指標(biāo)。如圖5所示。

圖5 100%彩條信號

五階梯信號用于測試通道視頻特性中的亮度非線性失真。如圖6所示。

圖6 五階梯信號

多波群信號用于測試通道視頻特性中的亮度幅頻特性。如圖7所示。

圖7 多波群信號

2.2.2 高清音視頻相對延時信號

用于測試系統(tǒng)音頻相對視頻的延時情況，該信號視頻由黑場向彩條、音頻由靜音向千周進行同步跳變，100%彩條視頻和千周音頻信號持續(xù)0.5秒，黑場和靜音信號持續(xù)4.5秒。

2.2.3 高清視頻圖像序列

圖像序列為30秒左右時長的視頻，選擇10個不同場景的圖像序列考察圖像的亮度色度細(xì)節(jié)、清晰度、色彩還原、色飽和度、運動預(yù)測與補償效果等內(nèi)容，檢驗系統(tǒng)是否對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

旋轉(zhuǎn)鳥籠，用于考察色鍵處理效果、亮度細(xì)節(jié)、運動預(yù)測與補償效果。如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)鳥籠

女士膚色，用于考察膚色還原、色彩還原和質(zhì)感。如圖9所示。

圖9 女士膚色

玫瑰，用于考察色彩還原、清晰度和塊效應(yīng)。如圖10所示。

圖10 玫瑰

豐收麥田，用于考察清晰度。如圖11所示。

圖11 豐收麥田

花壇，用于考察色度細(xì)節(jié)。如圖12所示。

圖12 花壇

秋葉，用于考察運動預(yù)測與補償效果。如圖13所示。

圖13 秋葉

大地花海，用于考察清晰度和彩色飽和度。如圖14所示。

圖14 大地花海

籃球，用于考察運動預(yù)測與補償效果、亮度細(xì)節(jié)。如圖15所示。

圖15 籃球

滑雪，用于考察運動預(yù)測與補償效果、亮度層次。如圖16所示。

圖16 滑雪

演播室訪談，用于考察亮度細(xì)節(jié)、色度細(xì)節(jié)。如圖17所示。

圖17 演播室訪談

2.2.4 音頻測試信號

模擬音頻測試信號的電平幅度為+4dBu，千周信號用于測試模擬音頻通道信噪比；20Hz～20KHz掃頻信號用于測試模擬音頻通道的幅頻特性、總諧波失真加噪聲。數(shù)字音頻測試信號的電平幅度為-20dBFS，千周信號用于測試數(shù)字音頻通道信噪比；20Hz～20KHz掃頻信號用于測試數(shù)字音頻通道的幅頻特性和總諧波失真加噪聲。

3 測試內(nèi)容及數(shù)值

3.1 視頻測試項目

3.1.1 輸出接口特性

輸出接口測試數(shù)據(jù)，如表1。

檢測項目信號幅度上升時間下降時間上升下降時間差上沖下沖直流電平偏移單位mV ps ps ps%%m V抖動10Hz高通濾波100KHz高通濾波UI UI CRC誤碼秒數(shù)技術(shù)要求800±80〈270〈270〈100〈5〈5±500〈1〈0.2 0

眼圖特性，直流電平偏移，誤碼秒，如圖18、19、20所示。

圖18 眼圖特性測試數(shù)據(jù)

圖19 直流電平偏移數(shù)據(jù)

圖20 誤碼秒數(shù)據(jù)

3.1.2 輸出接口數(shù)據(jù)格式

（1）高清節(jié)目制作圖像特性

高清節(jié)目制作圖像特性，檢測項目及技術(shù)要求，如表2。

表2 高清節(jié)目制作圖像特性檢測項目及技術(shù)要求

（2）高清節(jié)目制作圖像掃描特性

高清節(jié)目制作圖像掃描特性，檢測項目及技術(shù)要求，如表3。

表3 高清節(jié)目制作圖像掃描特性檢測項目及技術(shù)要求

（3）高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時規(guī)范

高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時規(guī)范，檢測項目及技術(shù)要求，如表4。

表4 高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時規(guī)范檢測項目及技術(shù)要求

（4）HD-SDI定時參考信號

HD-SDI定時參考信號，檢測項目及技術(shù)要求，如表5。

表5 HD-SDI定時參考信號檢測項目及技術(shù)要求

3.1.3 通道視頻特性

通道視頻特性檢測項目及技術(shù)要求，如表6。

表6 通道視頻特性檢測項目及技術(shù)要求

（1）幅頻特性

幅頻特性是在視頻通道頻帶范圍內(nèi)，通道輸入與輸出之間相對于基準(zhǔn)頻率的增益變化。如圖21所示。

圖21 幅頻特性示意

通過測量基準(zhǔn)頻率的幅度以及被衰減頻率的幅度，利用公式可以算出幅頻特性值。

（2）亮度非線性失真

亮度信號經(jīng)通道傳輸后，因通道非線性導(dǎo)致對信號不同電平有不同增益而造成失真。如圖22所示。

圖22 亮度信號非線性失真示意

測量五階梯波的每一級臺階幅度，再通過公式算出亮度非線性失真的百分比值。

（3）通道間時延差及閃電顯示

輸入彩條信號，通過閃電顯示了解通道間的時延差情況，閃電顯示上半部測量Pb與Y的定時，下半部測量Pr與Y的定時。如果色差信號與亮度信號存在時延差，則綠／紫過渡線出現(xiàn)彎曲，朝垂直中心（黑色區(qū)）彎曲，色差信號滯后亮度信號；朝外（白色區(qū)）彎曲，色差信號超前于亮度信號；通道間定時正確，過渡線會通過7個刻度點的中心點，第1個標(biāo)記距中心點為2ns。如圖23所示。

圖23 通道間時延差及閃電顯示示意

（4）矢量顯示

通過矢量顯示，了解彩色相位是否存在偏差。如圖24所示。

圖24 矢量顯示示意

3.1.4 高清音視頻相對延時

高清音視頻相對延時，檢測項目及技術(shù)要求，如表7。

表7 高清音視頻相對延時檢測項目及技術(shù)要求

3.1.5 高清圖像質(zhì)量

在制作域，將高清圖像序列按照MPEG-2 IBP格式、100Mbps碼率采集到工作站，工作站播放圖像序列經(jīng)圖像質(zhì)量分析儀采集后與原圖像比較，得出PQR值。在播出域，將高清圖像序列按照MPEG-2 IBP格式、50Mbps碼率采集到視頻服務(wù)器，經(jīng)圖像質(zhì)量分析儀采集后與原圖像比較，得出PQR值。PQR值=1，圖像質(zhì)量基本沒有損傷；PQR值=3，圖像質(zhì)量損傷可察覺但不明顯；PQR值=10，圖像質(zhì)量損傷明顯。

3.2 音頻測試項目

3.2.1 模擬輸入輸出的接口

模擬輸入輸出的接口檢測項目及技術(shù)指標(biāo)等級，如表8。

表8 模擬輸入輸出的接口檢測項目及技術(shù)指標(biāo)等級

（1）模擬信噪比

模擬發(fā)生器輸出+4dBu的千周信號，通過模擬分析儀測得輸出信號的幅度值U1，撤除發(fā)生器信號后再測得輸出幅度值U2，用U1減去U2的值為該模擬系統(tǒng)的信噪比。如圖25、26所示。

圖25 輸出信號的幅度值U1

圖26 輸出信號的幅度值U2

（2）模擬幅頻特性

系統(tǒng)輸入+4dBu電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，測得1KHz的信號幅度U1，分別測得從20KHz到20Hz的信號幅度U2，用U2依次減U1，得出的dB值范圍為該系統(tǒng)的幅頻特性值。如圖27所示。

圖27 幅頻特性值

（3）模擬總諧波失真加噪聲

系統(tǒng)輸入+4dBu電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，直接測得各頻點總諧波失真加噪聲值。如圖28所示。

圖28 總諧波失真加噪聲值

3.2.2 數(shù)字輸入輸出的接口

數(shù)字輸入輸出的接口，檢測項目及技術(shù)指標(biāo)，如表9。

表9 數(shù)字輸入輸出的接口檢測項目及技術(shù)指標(biāo)

（1）數(shù)字信噪比

數(shù)字發(fā)生器輸出-20dBFS的千周信號，通過數(shù)字分析儀測得輸出信號的幅度值U1，撤除發(fā)生器信號后再測得輸出幅度值U2，用U1減去U2的值為該數(shù)字系統(tǒng)的信噪比。如圖29所示。

圖29 數(shù)字信噪比值

（2）數(shù)字幅頻特性

系統(tǒng)輸入-20dBFS電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，測得1KHz的信號幅度U1，分別測得從20KHz到20Hz的信號幅度U2，用U2依次減U1，得出的dB值范圍為該系統(tǒng)的幅頻特性值。

（3）數(shù)字總諧波失真加噪聲

系統(tǒng)輸入-20dBFS電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，直接測得各頻點總諧波失真加噪聲值。

3.3 測試常見問題

3.3.1 視頻測試問題

（1）抖動超標(biāo)。抖動是數(shù)字信號在形成、編碼、處理、傳送和變換中，造成的數(shù)據(jù)跳變位置與理想位置在時間上的偏移。抖動是數(shù)字系統(tǒng)性能中最重要的特性參數(shù)之一，抖動造成恢復(fù)的時鐘和數(shù)據(jù)在時間上出現(xiàn)瞬間偏差，當(dāng)這種偏差變得足夠大時，數(shù)據(jù)被錯譯而產(chǎn)生誤碼。抖動主要測量兩個指標(biāo)，定時抖動（高于10Hz的所有抖動）和校準(zhǔn)抖動（高于100KHz的所有抖動）。定時抖動用于表征整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，校準(zhǔn)抖動能夠直接給出影響正確恢復(fù)數(shù)據(jù)的信息，設(shè)備鎖相環(huán)不能跟蹤輸入信號的定時變化。

校準(zhǔn)抖動超標(biāo)，提示設(shè)備鎖相環(huán)電路性能不良。如圖30所示。

圖30 校準(zhǔn)抖動數(shù)據(jù)和超標(biāo)示意

（2）圖像損傷。主觀評價圖像質(zhì)量對于視頻壓縮系統(tǒng)來說是比較有效的檢測方法，通過基于人類視覺系統(tǒng)模型的客觀圖像質(zhì)量評價設(shè)備，可以快速、可重復(fù)的進行客觀圖像質(zhì)量測量。

演播室圖像序列的PQR值為6.254，圖像質(zhì)量損傷可察覺，圖像背景色塊和玫瑰花出現(xiàn)亮度細(xì)節(jié)和色度細(xì)節(jié)損失。如圖31所示。

圖31 圖像亮度細(xì)節(jié)和色度細(xì)節(jié)損失示意

秋葉圖像序列PQR值為5.247，圖像質(zhì)量損傷可察覺，秋葉出現(xiàn)塊效應(yīng)現(xiàn)象，圖像在壓縮編碼中運動預(yù)測與補償效果不佳。如圖32所示。

圖32 圖像塊效應(yīng)示意

鳥籠序列PQR值為4.367，圖像質(zhì)量損傷可察覺，鳥和鳥籠欄桿出現(xiàn)細(xì)節(jié)損失和塊效應(yīng)現(xiàn)象。如圖33所示。

圖33 圖像細(xì)節(jié)損失和塊效應(yīng)現(xiàn)象

大地花海圖像序列PQR值為4.525，圖像質(zhì)量損傷可察覺，紅花和綠草出現(xiàn)細(xì)節(jié)損失。如圖34所示。

圖34 圖像細(xì)節(jié)損失示意

（3）通道視頻特性不良

亮度非線性失真，是系統(tǒng)中非線性元器件產(chǎn)生的，這些元器件參數(shù)隨著作用于它的信號電平而改變造成失真。

五階梯波的每一級幅度增益不均等，提示設(shè)備非線性性能不良。如圖35所示。

圖35 五階梯波示意

亮度幅頻特性不良，常見高頻頻段幅度下降，幅頻特性不平坦產(chǎn)生失真。如圖36、37所示。

圖36 頻率信號幅度增強

圖37 頻率信號幅度衰減

3.3.2 音頻測試問題

音頻系統(tǒng)測試常見總諧波失真加噪聲超標(biāo)問題，這是系統(tǒng)不是完全線性造成的，輸出信號比輸入信號多了諧波和噪聲成分。如圖38所示。

圖38 音頻系統(tǒng)測試常見總諧波失真加噪聲超標(biāo)示意

在63.25Hz以下的低頻出現(xiàn)諧波失真加噪聲百分比值偏高，低頻信號通過設(shè)備后產(chǎn)生新的諧波或低頻信號混有干擾噪聲。

結(jié)束語

系統(tǒng)測試是把控節(jié)目質(zhì)量的重要一關(guān)，加快高清系統(tǒng)測試方法的研究和實踐已經(jīng)刻不容緩，除本文介紹的測試方法外，還有其他測試?yán)碚撔枰M一步實踐和檢驗，這將是今后的工作目標(biāo)和方向。

TP37

B

2096-0751（2017）08-0014-11

杜劍 內(nèi)蒙古廣播電視臺 工程師

審稿人：杜中 內(nèi)蒙古廣播電視臺 正高級工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏