视频数据信号（共7篇）
视频数据信号 篇1
电视新闻演播室系统是电视新闻节目制作播出的关键节点之一, 随着央视新址新闻演播室相继投入使用, 其中订制研发的新闻演播室监控系统也投入运行。该监控系统的主要功能之一是获取、记录和发布演播室中正在播出信号的完整准确的路由信息。使用此功能, 在演播室系统内部, 能够将正在播出信号的路由在演播室监控系统的终端上实现图形化展示, 可以使演播室TALLY灯实现完整的播出提示;使用此功能获取的数据, 向演播室系统外部应用发布, 为央视新址的全台监控系统 (URM) 提供基础数据, 实现URM终端上图形化展示各个新闻演播室在播信号的动态路由;使用这个数据, 为央视新址新闻节目生产流程中播后串联单自动生成、媒资自动归档整理及统计分析, 以及播出操作记录查询等功能, 提供了基础。
一需求分析
新闻演播室监控系统, 可以对演播室的使用信号进行监测, 在立项的技术需求中就提出要求实现演播室正在播出信号路由的图形化展示;全台监控系统 (URM) 也明确提出, 需要演播室监控系统提供播出信号的路由数据, 用在URM系统的终端上, 实现全台正在播出的演播室中播出路由的图形化动态展示。
电视演播室播出提示的TALLY灯, 是新闻直播安全操作的重要保障, 在总局第62号令中有明确的要求。传统的做法是使用演播室切换台、应急矩阵等视频信号路由选择处理设备产生的TALLY数据, 经过驱动处理后, 实时点亮正在播出或播放信号设备所对应的TALLY灯, 作为正在播出的提示。但是演播室系统中, 图文在线包装设备 (简称在线包装) 已普遍代替了传统的视频特技机和字幕机, 用于在线渲染合成带有多视窗特技的电视节目, 以及播出字幕, 切换台、应急矩阵的TALLY信息, 无法准确表达在线包装参与播出的情况, TALLY灯的提示存在歧义, 这种问题同样存在于虚拟演播室中。如此将对电视节目的安全播出造成隐患。
央视新址新闻生产流程, 经采、编、播, 每一档新闻播出后, 要进行播出素材的播后整理归档, 本档新闻的一个完整流程才告结束。每一档新闻节目, 从内容播放的信号源分, 有摄像机、视频服务器、外来信号及延时器的信号, 还有在线包装设备的字幕, 以及在线包装播出的视窗所引用的外来信号等;在内容上, 由若干条播音员导语+新闻条目 (一段新闻小片) 、外来信号直播组成, 包含播音员口播、口播插画面等形态, 以及片头片花、包装广告小片, 还包括在线渲染的字幕、字板和视窗特技等。将这些内容按照播出顺序和播出形态, 经过编排, 形成一个播出串联单, 这是一个计划单据, 在播出后根据内容 (新闻小片、字幕等素材) 的实际播出起始点和长度, 形成一个实际播出的串联单, 即播后串联单, 指导播后对素材的初级编目、归档、统计分析等。播后串联单的自动生成, 需要播出信号的路由数据。
针对上述需求, 在央视新闻演播室监控系统的研发中, 首次完成了对新闻演播室中正在播出信号的完整准确的路由信息进行获取和记录的功能, 并普遍应用于台内相关演播室。
二系统原理
1.传统系统构成
电视演播室的视频系统, 由切换台、应急矩阵等视频信号路由选择处理设备, 摄像机、视频播放设备 (如视频服务器) 、外来视频信号的接收设备, 视频延时器等信号源设备, 用于播出字幕包装、多视窗等特技功能的在线包装设备, 以及信号处理送播设备和收录设备等构成。视频系统中, 信号源设备的视频信号输出端分别连接切换台或应急矩阵的输入端, 切换台或应急矩阵的PGM (节目输出) 端连接处理和收录送播设备。对于切换台, 还具有多个AUX (辅助母线) 输出, 通过操作AUX面板, 可以将连接到切换台的某一信号源的信号在指定的AUX上输出;对应虚拟演播室系统, 在路由选择处理设备之前还连接有虚拟渲染合成设备;视频系统里, 还包括TALLY (提示) 系统, TALLY系统传统的做法是使用切换台或应急矩阵的TALLY信号/数据, 经过驱动处理后作为正在播出的提示, 实时点亮在播设备所对应的TALLY灯。
2.相关设备功能
对于切换台, 其内部主要由输入切换矩阵、混合划像模块、键处理模块、TALLY信息电路及控制电路, 输出母线 (包括PGM母线、AUX母线) 等部分组成。切换台的每一个播出或操作动作, 都会按TSL协议输出一组TALLY数据, 其中包含切换台的每条输出母线的输入交叉点, 以及播出转换方式, 如切出 (cut) 、扫划 (wipe) 、叠画 (mix) 等, 对于上键操作, TALLY数据将包含键的信息, 如外键信号源和外键的填充信号源。应急矩阵具有切换台类似的路由选择和TALLY信息输出功能, 只是没有键处理模块, 在应急矩阵输出端连接外置的键处理设备后, 这两种设备的组合配置, 其功能与切换台相似。外置的键处理设备也具有TALLY信息输出, 提示是否有键混合操作。为了简洁, 本文省略对外置的键处理混合设备的讨论。
图文在线包装设备, 用于在线渲染生成电视字幕或图标等图像, 还具有播放视窗特技的功能, 即在一副图像画面中切割出1个至多个 (r个) 小的视窗, 这些小窗口中填充的内容, 是连接到在线包装的1路至r路外部视频信号的图像。将切换台r个AUX的输出端分别接入到在线包装不同的外部视频输入端, 这样, 在线包装的外部视频输入IN1至INr与切换台的多个AUX中的r个, 存在一个对应关系。可以根据节目需要, 在线包装播放1至多个 (r个) 视窗特技。在线包装提供一对输出信号:①视频输出, 是在线包装生成的字幕、图表、视窗等可见图像的视频信号;②键输出, 是可见图像的几何形状或轮廓的信号。将在线包装的视频输出、键输出指派到切换台的键处理混合器的键填充输入和键源输入。切换台的键处理混合器使用键开启操作“键上”, 在线包装所生成或产生的字幕或图标或多个视窗就会叠加到输出的PGM图像上。对于虚拟演播室, 其虚拟场景的渲染合成设备具备与在线包装的开视窗等相似功能。
3.传统视频系统工作原理分析
演播室的电视播出过程, 就是按照串联单于某一时刻在切换台的背景母线上选择某一视频源的信号, 由PGM (节目输出) 端输出, 或者在上述被选中的信号的图像背景上, 使用切换台的键功能“键上”, 可以叠加由在线包装生成播放的字幕、图表, 或者是外部视频多视窗得到PGM信号在PGM端输出, 传至处理送播设备进行播出并由收录设备采录。在切换台的背景母线上直接选择在线包装的视频输出信号, 而不用键上操作, 也可完成整屏字板以及视窗的播出。对于在线包装的外部视频视窗特技, 每个小窗口的信号内容是由切换台中对应的AUX选择的。
在上述播出过程中, TALLY系统跟随切换台的操作, 实时点亮正在播放信号的设备以及在线包装所配置的TALLY灯, 作为设备正在播放的提示。
但是在传统的演播室视频系统中, TALLY信息是由切换台提供的, 是反映切换台内部输入矩阵交叉点的闭合情况, 指示其被选通的输入端, 并且仅作为播出提示, 而未保存为数据记录;对于在线包装信号的使用, TALLY信息仅能提示其在切换台内连接的输入交叉点是否被闭合, 切换台内的键处理混合器的叠加功能是否被启用, 这些信息仅表明在线包装信号链路的联通, 而在线包装是否有字幕、特技视窗等参与播出, 如何参与播出, 是无法指示的。一般节目播出操作过程中, 切换台通常先开启在线包装的视频画面叠加功能, 即键上, 键处理模块处在叠加操作状态, 等待在线包装播放需要叠加字幕、图表或视窗的信号, 此时与键上相关的在线包装对应的TALLY信息已经有效, 而真正需要叠加字幕、图表或视窗时, 是由在线包装播放出叠加内容的信号, 在切换台中完成叠加, 如此, TALLY信息并不能实际表明在线包装参与播出的时间;并且在线包装还可以通过r个AUX, 引用1至r路外部视频源, 以播放1至r个视窗方式, 叠加在背景信号上参与播出, 为在线包装提供信号的AUX, 其交叉点在TALLY信息中是可以获得的, 但是在线包装何时使用AUX信号, 引用哪几个AUX信号用于播放特技窗口参与播出, 也是无法确定的。在切换台的背景母线上直接选择在线包装的视频输出信号, 而不用键上操作, 此种情况TALLY信息中是可以获得在线包装信号链路联通的状态, 但是在线包装使用AUX提供的外部信号完成播放视窗特技, 何时使用AUX信号, 引用哪几个AUX播放特技窗口, 参与播出, 同样无法确定。应急矩阵与外置键处理混合设备的组合, 同样存在上述问题。
在虚拟演播室系统中, 虚拟场景渲染合成设备与在线包装相似, 也可引用多路外来信号、播放多个视窗, 由此参与播出的路由问题与在线包装相同。
由此可见, 只通过切换台、应急矩阵等设备的TALLY信息, 无法得到完整准确的播出路由, 不能进行完整的图形化播出展示;这个TALLY信息驱动的TALLY灯, 不能完整准确提示播出状态, 不利于演播室的安全播出;另外在节目播出后, 如果要对已经播出的节目进行素材编目整理和统计, 传统的做法是对照播出串联单, 通过查看采录的播出节目录像, 人工判断单条新闻节目的切分点, 打上标记后再进行编目整理, 存入媒体资料库归档和播后统计, 这种人工整理的做法, 效率很低, 整理时间往往长于节目播放的时常, 用户几乎不能接受。
基于上述分析, 必须通过使用切换台、应急矩阵等设备的TALLY信息, 与在线包装的工作状态结合, 才能完整、实时地获取和记录电视演播室播出信号路由数据, 该方法同样适用于虚拟演播室路由数据的获取, 以及TALLY灯应用。
4.播出信号路由数据获取原理
电视演播室播出信号路由数据获取功能的系统构成示意图如图1, 包括在线包装、路由选择处理设备 (切换台) 、TALLY服务器和监控服务器。其中, 在线包装特别添加了一个n位的GPI/O输出接口, 其播出状态与GPI/O位有可配置的对照关系, 简单起见, 在线包装播出状态与GPI/O按1对1配置, n位GPI/O可表征在线包装的n种播出状态, 如将n位的GPI/O进行编码, 可表征在线包装的2n种状态。下面以1对1配置讨论。
在线包装按常规, 其视频/键输出端与切换台的输入端连接, 其r个外部视频输入端IN 1至IN r, 与切换台AUX01至AUX r输出端相应连接, 设置视窗特技1……r分别对应于所述r个外部视频输入端IN 1……IN r。
在线包装的n位GPI/O输出接口, 与TALLY服务器的n位GPI/I接口连接, 用于发送在线包装的工作状态。
GPI/O输出接口具有n个状态位, n>r, 用于标明在线包装不同的播出内容, 每1位输出状态标志位, 代表1种 (1类) 播出状态, 这些状态位分别与TALLY服务器的n位GPI/I接口的连接, 通过这个GPI/O, 在线包装将工作状态输出给TALLY服务器, 本系统定义, 在线包装的前r个标志位GPI/O 1至GPI/O r的状态, 与在线包装的视窗特技1至视窗特技r, 以及为视窗特技提供视频信号的切换台的多个AUX输出端的r个, AUX01至AUXr存在一一对应的关系, 当GPI/O 1至GPI/O r中的某位或某些位有效时, 标明在线包装播出对应的视窗特技, 及对应的AUX正在使用, AUX的交叉点选中的路由已被在线包装使用;在线包装的后n-r位GPI/O r+1至GPI/O n的状态, 分别对应在线包装内部生成并播放的n-r类字幕或图表;如在线包装使用第1个外部视频输入端“IN 1”开启播放视窗特技1, “IN 1”的实际内容是由切换台的“AUX 01”选择提供的, 则在线包装将第1个输出状态标志位GPI/O 1置为有效;若在线包装同时使用第2……r个外部视频输入端“IN 2”……“IN r”开启播放视窗特技2……r, “IN 2”……“IN r”的实际内容由“AUX 02”……“AUX r”选择提供, 则在线包装将第2~r个输出状态标志位GPI/O 2……GPI/O r置为有效;如此, TALLY服务器就可以得到辅助母线AUX 01~AUX r是否被在线包装使用的信息。
TALLY服务器与切换台使用RS422常规连接, 用于接收切换台生成的TALLY信息。
TALLY服务器根据接收到的在线包装的GPI/O标志位, 和切换台的TALLY信息进行匹配, 之后加入相应的路由数据和时间数据, 最终产生可供监控服务器识别的复合TALLY信息, 并将该信息发送至监控服务器。具体为:TALLY服务器根据解析后的TALLY信息, 查找是否含有在线包装被键上、切出的状态, 若存在被键上、切出, 则查找在线包装GPI/O端口GPI/O 1至GPI/O r是否存在有效位, 如果存在有效位, 进一步在切换台的TALLY信息中查找出对应的AUX 01~AUX r的交叉点, 这样在线包装被键上、通过播放视窗以及引用的参与播出的信号路由就得到了确定;当TALLY服务器获得在线包装GPI/O r+1至GPI/O n中某些位有效且在切换台的TALLY信息中有这台在线包装被键上的状态时, 就表明在线包装通过产生并播放字幕等信号参与播出。另外, TALLY服务器根据复合TALLY信息, 驱动或点亮参与播出设备预置或配置的TALLY灯, 包括背景母线、键通道、AUX母线上参与播出的信号源的指示灯。
TALLY服务器和收录设备有EBU时钟基准信号输入, 以使播出信号路由数据和收录的播出节目的录像具有统一的标准时间参数。经测试和优化, 播出信号路由数据, 其时间精度能达到帧 (±40ms) 级。
监控服务器通过网络与TALLY服务器连接, 对TALLY服务器发送的复合TALLY信息进行解析、过滤, 与监控服务器记录的演播室系统的信号源设备表进行匹配处理, 最终形成完整的播出信号路由数据并保存。
5.路由数据架构说明
在播信号的路由数据, 除立项时讨论的应用, 可能将有未知的应用, 为此, 在项目论证阶段, 就明确采取基于数据的客观属性, 将路由数据的数据结构定义尽可能完整的方针, 保证运行数据记录的完整, 为其他应用提供一个完整统一的数据, 避免应用需求的增加而造成对数据结构的更新;基于本项目的各种应用, 可以根据各自应用需求, 在完整的路由数据中检索出各自相关的关键信息。
(1) 路由数据架构图
路由数据架构图如图2所示。
(2) 路由数据架构说明
a.根节点 (Signal Root)
节点用途说明
节点“Signal Root”标识路由报文的根节点, 该标识在一个报文文件中具有唯一性。
子节点约束说明
根节点“Signal Root”的子节点为“Route”节点, 其同一级节点数目从一到无穷, 即允许一个路由报文中同时报送多条路由数据。
b.路由节点 (Route)
节点用途说明
路由节点“Route”用于描述一条路由数据。
节点属性说明
ID:路由唯一标识。
Program Code:描述使用该路由的节目或频道代码。
Update Time:路由信息的最终更新时间。
子节点约束说明
路由节点“Route”的子节点为“Signal Source”节点, 其同一级节点数目从一到无穷, 即允许一个路由报文中同时报送和路由相关的多个信号源描述数据。
路由节点“Route”的子节点为“Chain”节点, 其同一级节点数目从一到无穷, 即允许一个路由报文中同时报送多条链路数据。
c.链路节点 (Chain)
节点用途说明
链路节点“Chain”用于描述路由途径的链路数据。
节点属性说明
ID:链路唯一标识, 在报送路由之前必须上报所有相关的链路数据。
d.信号源描述节点 (Signal Source)
节点用途说明
链路节点“Signal Source”用于描述路由所使用的信号源描述信息。
节点属性说明
Name:信号源名称, 作为信号源在子系统的唯一标识。
Type:信号源类型, 用于标识高标清信号的类型。
Level:信号源类型和级别信息, 包括输出级信息 (PGM、Key1 Fill、Key1 Key……) 以及其他一些可扩展的属性。
三应用
使用参与播出中完整的播出路由数据的获取方法, 得到切换台和在线包装工作状态的复合TALLY数据, 驱动TALLY灯, 在新闻直播演播室, 实现了完整准确的播出操作指示。应用在播路由数据, 在每个演播室监控终端上可以动态展示在播路由。
监控服务器通过一个网口向外部应用发布在播路由数据, 全台监控系统URM使用这个数据, 在URM终端上, 实现图形化动态展示全台演播室的在播路由。
新闻的播后整理归档系统, 对于每档播出的节目, 使用这个带时间信息的路由数据, 与播出串联单匹配, 实现播后串联单的自动生成和播出内容的自动编目整理。使用这个数据, 还可自动生成演播室的视频播出操作日志, 便于操作事件的总结和排查。
摘要：本文介绍了演播室系统播出信号路由数据的获取原理及应用。电视新闻演播室的监控系统获得参与播出的完整的播出路由数据, 驱动信号源TALLY提示。路由数据为在播路由的图形化展示、新闻生产流程中播后的媒资自动归档整理以及统计分析提供了基础数据。此数据的时间精度能达到帧 (±40ms) 级别。
关键词：播出路由数据,新闻演播室,监控系统,TALLY数据,图形化展示,自动归档整理
视频数据信号 篇2
1.1 电平的定义
为了避免混淆,对“电平”的含义必须明确加以定义[1]。在数字QAM信号中,“电平”是指在任意一个时间间隔中所测得信号的真实功率。另一方面,在模拟视频信号的情况下,“电平”是指在水平同步脉冲周期内所测得的已调制RF载波的真实功率,有时也被称为“峰值视频包络功率”。如果在一个经延伸的时间周期内,用一个被称作“视频滤波器”的电路对同一个已调制载波进行测量,那么所得之结果将是“平均”功率。
1.2 模拟和数字信号的幅度分布
首先假设将QAM信号电平设置成等同于模拟视频信号的平均功率[2,3]。诚然,即便如此,两种信号的幅度分布情况大不相同。这就是说,在同一瞬间两种信号的特定瞬时值截然不同。在同一个示波器上交替观察这两种信号就可以看出它们之间的差别。通过对模拟信号的行、场消隐脉冲的重复显示,就可对它进行测量。而数字信号则完全是随机的。从统计学角度来看,两种信号“密度函数的或然率”( Probability Densi ty Functions,PDF)是不相似的。数字信号经常是呈现“高斯”(Gaussian)型的。
然而,当许许多多独立的信号被组合在一起时,整个信号的幅度分布将趋向于“高斯”分布。人们常用“中心限制理论”(Central Limit Theorem)来证实这一点(详尽的数学计算已不属于本文范围)。实际结论可以这么说,随着信号数目的增加,两种不同信号的“峰值”将越来越相似。这样,在激光发射机中经过峰值限幅,两种信号将更为近似了。本文所指大量模拟视频信号的组合,其数目约为大于20个。
1.3 模拟视频信号的峰值包络功率和平均功率的差别
一个模拟视频信号的峰值包络功率是等于未调制RF的载波功率,这是因为在水平同步脉冲周期内的调制深度为0。当载波被调制时,功率之减少取决于在白色峰值电平出现时的最大调制深度以及平均的图像电平(Average Picture Level,APL)。
对一个单一信号来说,APL的变化将跟随图像内容的变化。当节目内容不同时,APL的值将完全不同。但是,当一组图像信号被组合在一起后,APL的变化必将会减少。所以要选择一个适当的APL值。根据以上分析,选择APL为50%,这是因为图像的中间亮度在全白与全黑之间,这样的假设看来较为合理。另外,应考虑到有足够多的一组信号被组合在一起。
因而,在随后的计算中考虑的是一个模拟视频信号的平均功率有50%的APL。
1.4 场消隐期间的效应
在PAL制中,场消隐持续时间约占25 行的时间。在场消隐期内不传视频信号,但其间有几“行”可能包含图文数据和测试信号等信息。由于有此场消隐期效应,APL更难计算。考虑到这个因素,在计算时可作一个小的调整。但如何来给这个调整作具体设定较难给出。通过大量的实际测试发现,在最差的情况下,因场消隐期效应引起的已调制信号的平均功率增加约为0.2 d B。
1.5 色度信号与音频信号的效应
由于色度信号与音频信号之幅度远低于各种同步信号之幅度,因此,对亮度信号的50% APL来说,它们的效应可以忽略不计。
1.6 电视制式标准的选择
以下各项计算的根据是采用PAL制(除PAL–I制外)特性标准。经过简单的各项修正可证明,如采用NTSC制特性标准,其结果也基本相同。对PAL–I制标准来说,差别较大(特别常涉及到调制深度),就需要另作计算。
2数字与模拟信号电平差的计算
2.1 采用一般制式时的计算
图1 展示了在行消隐期间一个模拟视频信号的时域响应过程。需要注意的是,标准已规定了各种电视信号的详细特征,行同步脉冲和消隐的持续时间在某一特定的信号电平上是唯一的。当然,从一个电平瞬间转换至另一个电平也是不可能的。
然而,为了简化计算,假设从行同步脉冲到行消隐电平之间的转换为瞬时转换,并且它们的持续时间是平均值。从图1中可见,行同步脉冲(B)的时间宽度取值为4.7 μs,整个行消隐持续期,包括消隐前沿(A)、行同步脉冲(B)以及消隐后沿(C)(后沿内包含色同步信号),总共为12 μs。
如果从同步顶点到峰值白电平之间总的视频信号幅度为1 V,设同步头峰值点作为参考点,其值设为0 V,则消隐沿为0.3 V,50%的APL值为0.65 V。
基带模拟视频信号对RF载波的调制采用负极性调制方式(大部分电视系统都采用负极性调制方式)。这意味着在行同步脉冲期间的RF载波幅度为最大。在PAL制式中,当图像信号处于峰值白电平时,“残留”(residual)的载波幅度是最大值的1/10,即0.1(要特别注意“幅度”与“功率”之区别)。图2展示的是在行消隐期间的已调制信号。
相应于消隐电平的RF载波幅度导出过程为:
在基带信号中,同步头到峰值白电平为1 V,消隐信号出现在0.3 V处(见图1)。如果RF载波的最大幅度为1.0,其幅度变化可从1.0~0.1,即0.9 的动态范围。将0.3 乘以0.9,得到0.27。所以,消隐信号可表现出一个最大值为0.73(由1.0-0.27得)倍的RF载波电平。
类似地,相应于50%白电平的RF载波幅度导出过程为:
在基带信号中,50%白电平信号出现在0.65 V处(见图1)。把0.65乘以0.9,得到0.585。因此,50%白电平信号可表现出一个最大幅度为0.415(由1.0-0.585得)倍的RF载波电平。
在行同步脉冲期间,RF载波处于最大幅度值,即1 V。现在又如何来确定已调制载波的平均功率呢?这就需要测定在整个一个行周期中(64 μs),信号在3 种电平(0.415,0.73,1.0)上各自的信号持续时间。
信号的3个持续时间如表1所示。
以上计算都是以电压(V)为单位的,现在则应以功率为单位来计算。因功率与电压的平方成正比,则可按电压平方关系计算
因此,功率从最大值下降了10lg(0.274)= 5.62 d B。换言之,一个被具有APL为50%的视频信号调制的RF载波,其平均功率比峰值包络功率或未调制载波的功率低5.62 d B。这就表明,对数字QAM信号来说,建议应用的平均功率电平应比模拟信号的峰值包络功率电平低约6 d B。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。
同样的方法也可用来分析在场消隐期间所增加的RF信号功率。诚然,如前所说有些电视系统常在场消隐期内插入文字、数据、测试信号等信息,有些系统则很少插入这些信息。在最差的情况下,假设不插入任何信息,则RF信号的平均功率被增加0.2 d B。这一点微小的调整可以忽略不计,而实际情况是,在场消隐期内插入测试信号是较为普遍的一种应用。
2.2 采用PAL-I制时的修正
在计算信号平均功率时,要考虑PAL–I制与其他制式的基本差别在于载波的调制深度。在PAL–I制中,与峰值白电平相应的残留载波幅度是最大值的1/5,即0.2,不同于其他PAL制的0.1,如图3所示。
用如前所述测定时间长度的方法来决定已调制载波的平均功率。这就是测定在整个行周期中(64 μs),信号在3 种电平(0.48,0.76,1.0)时各自的信号持续时间。
信号的3个持续时间如表2所示。
按电压平方关系计算
因此,功率从最大值下降了10lg(0.326 5)= 4.86 d B。事实上,PAL–I制的最大调制深度与其他PAL制相比略小一点,结果造成调制信号的平均功率略大。现在的结论就是在PAL–I制系统中,数字QAM信号的电平设置可比峰值包络视频功率电平低5 d B。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。
实际上,在有线电视系统的应用中,采用降低6 d B的方法较为普遍,而不管其为何种电视制式。
3 QAM信号的测量和设置
3.1 正确测量QAM信号的幅度
HFC设备正常工作的最基本要求是下行RF电平要设置正确。大多数人对模拟频道的测试都已经很熟悉,使用频谱分析仪和电平表很容易做到,但要正确测量64QAM和256QAM就遇到了麻烦。首先,这些载波形式的幅度是8 MHz带宽的平均功率。其次,数字调制载波很像充满频带的噪声,这使测量变得复杂。
在模拟电视频道幅度测量中感兴趣的是已调频道的视频载波的瞬时同步峰值的均方根值(RMS)。那就是为什么电平表使用峰值检波的道理,那样的仪表就可以决定瞬时同步峰值和显示载波RMS幅度。峰值检波电平表对视频是最佳的,但对噪声和类噪声的信号则无法测量。
当用通常的电平表去测量噪声时,必须使用检波器校对因子来修正。因为电平表是在较窄的带宽下测量的,对视频载波可以取得最佳效果,但对噪声就不行了。对8 MHz带宽的调制载波测量必须取整个带宽的平均功率。很明显这个带宽要比电平表的测量带宽(MBW)宽得多。有些仪表已具备数字平均功率测量的功能。频谱分析仪提供了一个很方便的测量数字调制载波的方法。但是,如果不注意使用方法非常容易得到错误的结果。
从图4 和图5 可以看出,尽管信号没变,但由于频谱分析仪上的分辨率带宽(RBW)设置不同,在频谱仪屏幕上显示出的QAM信号相对模拟信号的幅度差是不一样的。
通过公式计算的方式可得到正确的QAM功率为
式中:PT是总功率;PRBW是光标点测量值(图4 是90 d BμV,图5 是95 d BμV);BWE信号带宽;BWR是分辨率带宽(RBW)(图4是100 k Hz,图5是300 k Hz)。
通过图4所得到的数据计算得
通过图5所得到的数据计算得
可见图4、图5 中QAM信号强度都是109 d BμV。按国内大多数网络的设置,如果要求QAM信号比模拟信号低10 d B,则此时恰恰相对于模拟信号100 d BμV高出了9 d B,高于正常值19 d B。
3.2 正确设置QAM信号与模拟信号的电平差
通过上节分析可知,正确的设置见图6和图7。
PRBW的光标点测量值在图6 是中71 d BμV,图7 中是76 d BμV。 根据图6 中所得数据,依据式(3)得
根据图7中数据计算得
可见,这样的设置才是正确的。
4数字平移后发射机电平的调整
在实际应用中,由于数字平移后模拟频道数大大减少,一般从60 个减少到6 个,而增加的QAM数字频道数约在30个左右,所以光发射机的输入总功率下降,时常会引起发射机显示输入过低告警。此时就需要增加发射机的RF输入功率。必须清楚地知道,这个功率是指发射机得到的RF输入总功率。一般会通过提高每频道电平来提高总功率。
4.1 计算平移前后的信号总功率
如果平移前模拟频道为60 个,每频道的电平为15 d Bm V,则有
这个功率就是平移前发射机得到的总功率。
如果平移后模拟频道为6个,每频道电平提高到23 d Bm V,QAM频道为30个,QAM信号比模拟信号低10 d B,则有
这个总合成功率就是平移后发射机得到的总功率。可见,平移前后发射机得到的总功率基本相等,发射机工作状态没有改变,仍处在正常工作状态。
4.2 建议的调试方法
根据上节的计算可以看到,平移后如果把模拟信号电平提高8 d B,就可以保持光发射机得到的总功率与平移前一样。但也应该注意到,由此会带来3个问题:
1)要将前端原有的信号分配系统提高信号电平较困难,需要在前端增加前置放大器。
2)随着将来QAM频道的增加,需要降低信号电平,否则会引起发射机过载,信号质量变差。
3)无论是现在提高发射机的每频道输入电平还是将来随着QAM频道的增加而降低每频道电平,都会引起光站的输出电平变化,进而引起用户电平的变化。整个电缆分配网电平需要重新调整。
鉴于这3点,笔者建议在平移后不通过提高每频道电平的方法来提高发射机的总功率,而是采用如下3种方法:
1)有条件的可将整个频段内的QAM频道布满,不用的频道不加调制。将来仅需开启调制,电平无需调整。
2)关闭的且频点未被替换的模拟调制器继续保留,仅关闭调制,载波继续输出。将来根据QAM频道的增加而逐一替换。
3)用1台(也可2台或3台,根据具体情况)替换下的模拟调制器,放在频段最高点,调高其输出电平,使其与正在使用的模拟和数字信号的合成总功率与平移前一致。其输出电平的计算及总合成功率的计算方法与上节计算方法一样,区别的仅是此时是3个信号的合成,即在用模拟信号、QAM信号和这个仅供调试用模拟载波信号。将来随着QAM频道的增加,仅需通过降低这个模拟载波电平来保持总功率不变。而这个输出电平较高的模拟载波,由于处在频段的最高点,其产生的寄生杂波不会影响到频段内正常使用的频道。如果有多台替换下的模拟调制器可被用来放在频段的最高处用作调试用信号,则每台调制器的输出电平可相应降低。
无线视频信号采集系统设计 篇3
现在对无线信号的采集和处理主要通过视频采集卡进行采集,有一些公司生产的采集卡提供第三方的软件开发包(SDK)这样便于用户进行第二次开发。在监视计算机方面主要使用VC++,VB等开发软件进行监视界面的开发,但是总体比起来VC++在视频处理上比VB较为成熟,利用VC++中的VFW视频开发包对视频采集卡采集回来的视频信号进行处理。
1 视频信号采集系统组成
该系统的组成大致分为硬件和软件部分,该文对软件部分的设计和开发做着重的介绍,软件部分则利用VC++6.0为软件开发平台。
1.1 硬件部分
硬件部分由无线摄像头、摄像头信号接收器和USB视频采集卡三部分组成。硬件连接如图1所示。
USB视频采集卡工作原理。
该次视频采集系统采用的是EASY CAP的USB视频采集卡,视频采集卡是我们进行视频处理必不可少的硬件设备,无线摄像头发送的和无线信号接收器接收的信号是连续的模拟信号,但是计算机却不会识别模拟信号,计算机只识别0或1这样的二进制码,这样就需要一个像本系统中的USB视频采集卡把无线视频接收器采集到的模拟信号进行模/数转换,把连续的模拟信号转换成离散的数字信号,这样经过转换后的数字信号就可以被计算机编辑、处理和保存了。
在该系统中视频采集软件通过驱动识别USB视频采集卡并对采集回来的信息进行处理,因为视频采集卡采集到的都是一幅幅静态图片,所以要在软件中设置与USB视频采集卡相匹配的采集速率,这样就能对视频信号进行静态图片的抓取和保存,对视频流信号进行保存。具体数/模转换流程如图2。
1.2 软件部分
软件部分主要采用了VC++6.0来编写采集程序。
VC++6.0由微软公司开发,它是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境,同时也具备C++语言编译器的功能。Visual C++6.0由编辑器、调试器以及程序信息技术向导AppWizard、类向导Class Wizard等开发工具组成。
VFW(Video for windows)是视频开发应用的一种早期技术。Microsoft的Visual C++从4.0版开始就支持Video for Windows(简称VFW)了,这给视频捕获编程带来了很大的方便。VFW(Video for Windows)是微软公司开发的针对于Windows自带的一个数字视频编辑软件开发包。用户不用自己安装VFW,而是Windows系统中自带了这个视频开发包,方便了用户的使用。VFW的中心就是一个A VI文件标准,A VI(Audio Video Interleave)就是一种声音和视频同步组合在一起的一种文件,它是一种有损的压缩形式。
在VFW中为用户提供了一套完整的应用程序接口(API),API可以为用户提供一种与应用程序访问一组例程的能力,而且用户不需要访问源码和了解内部工作的细节。编写程序时可以利用API函数来编写应用程序,这样就可以避免编写无用程序,减小工作量。
VFW的视频捕获主要由AVICap窗口类来完成。AVICap窗口类为应用程序提供了一个基于消息的接口。在该系统中视频的捕获和单帧捕获都是靠AviCap所提供的强大全面的函数和宏实现的,这是微软公司开发的VFW开发包为我们编辑视频采集软件提供的一条捷径,可以使用简单易读的函数和宏就可以达到我们编程需要达到的目的。
AVICap有两种显示视频的格式:(1)预览模式(preview),这是一个使用CPU资源的模式。视频流首先从采集硬件保存到系统内存,之后通过GDI函数将视频信息显示在捕获窗口中。从硬件角度讲,该模式需要使用VGA卡,通过VGA卡显示在监视器上。(2)叠加模式(Overlay)该模式显示视频是通过硬件的叠加,叠加的视频是不需要通过VGA卡的,叠加视频的硬件把自身的输出信号与VGA输出信号合并,最后显示到监视器上的信号是二者的组合信号。
2 VFW视频采集的开发
2.1 开发应用程序的步骤
V C++应用程序开发的一般步骤为:(1)创建一个项目;(2)采用workspace窗口和它的class view,file view,resource view去建立项目中的C++类、文件和资源;(3)将文件从项目中添加或删除;(4)编辑项目的源代码和资源;(5)为项目指定配置(Debug或Release);(6)连遍项目文件;(7)纠正连遍错误;(8)执行并测试生成的可执行文件;(9)测试项目文件;(10)剖视以及代码优化。
2.2 VFW采集开发流程
使用VFW进行视频采集大致分为如下几个部分基本流程。
(1)使用函数capCreatureWindows(…)创建应用程序的视频捕获窗口。(2)使用函数capsetcallbackonstatus(...)函数处理回调函数状态,并用capsCalLbackonerror(…)函数来设置错误信息的回调处理。但是该次系统设计没有使用回调函数。(3)查找USB视频采集卡的驱动并连接。(4)得到USB视频采集卡的驱动信息。(5)判断是否连接正确,并设置采集速率。
2.3 监控系统的建立
使用VFW的宏函数实现视频捕获和预览,应用程序简单、控制灵活。在本系统中,是基于VC++6.0的对话框应用程序框架实现编程开发,很多的应用程序都是基于这种开发方式的。另一部分应用就是基于文档的编程开发,单文档是主流。文档应用程序的最大特点是有标准菜单、客户区域任意调整;缺点是相对比对话框类,开发难度较大。
2.3.1 建立单文档应用程序
该系统是基于VC++6.0的项目建立向导创建一个单文档、无工具栏和状态栏的应用程序,下面是建立单文档应用程序的详细步骤:首先启动VC++6.0,选择“文件”一“新建”一“工程”命令。在工程选择卡中,选择MFC AppWizard(exe)。
工程名称栏中输入工程的名称,位置栏中输入的是工程所保存的文件位置。
下一步需要选择创建应用程序的类型有三类分别为:单文档、多重文档和基本对话框,由于本系统是视频采集界面,所以选择的应用程序为基本对话框应用程序,点击完成就成功的建立了一个基本对话框的应用程序工程。
2.3.2 建立对话框
对话框是监控软件和用户的交互平台,使用者可以在对话框中直接预览由USB视频采集卡采集到VC++中的视频信息,并对其进行抓取截图、录像、暂停和退出等功能,这些功能会以按钮的形势提供给使用者,方便对视频信号进行想要的处理。对话框建立的详细步骤如下:在工作空间下选择“resource view”选项卡打开dialog下拉文件并在dialog文件夹上右键单击选择插入dialog,创建一个新的对话框,此时新建的对话框就出现在右侧工作区中,我们可以对其进行大小的任意改变。
2.3.3 添加图像和按钮控件
对于本次系统的设计,需要对对话框添加“图像”和“按钮”控件,在工具箱中就可以找到并选择加入到对话框中的任意位置,“图像”的作用是显示由USB视频采集卡转换成的数字视频信号,起到一个监视屏的作用,因为代码中已经把窗口的大小作为一个指针,送到窗口创建函数capCreatureWindows()中了,当程序初始化时可以自动识别到窗口的大小并返回一个宽度和高度值,所以图像控件可以随意更改大小,函数中设置窗口X轴坐标和Y轴坐标的数据已经被指针所取代了。“按钮”则为使用者提供对采集回来的视频信息进行处理的功能,按钮有五个各自的功能分别为:播放、截图、录像、暂停和退出。在添加按钮时可以改变其名称,这个名称就是显示在按钮上的名称,起到提示其功能的作用。当添加好按钮时双击按钮就可以进入到按钮代码的编辑,用来响应函数的功能,在修改控件ID后,比如一个按钮控件,假设使ID为BUTTON 1则建立按钮后在窗口类中的对话框类中自动添加了一个名为ONBUTTON1的按钮控件类。这个类则包含了这个按钮所包含的一些属性和信息。
关于窗口类,我们在运行程序的时候可以直接看到窗口对话框,在窗口建立之前系统要知道怎样建立一个窗口,和窗口返回的一些信息要交给谁处理。这样就需要我们创建一个窗口类来定义我们设计的窗口的各种信息,比如窗口的消息、函数的处理、窗口的风格、图标、鼠标、菜单等等。可以使按钮实现各种功能。下图为设计好的对话框。
具体程序代码不再详述。
3 运行调试
代码编辑完成后就要把工程保存,之后就可以编译了,在编译菜单下选择编译选项(也可以直接按F7键,同样可以对源文件进行编译),对源文件进行编译、执行及编译配置等操作,该菜单位于编译器的顶层菜单中。按F5可以调试应用程序,查看程序的运行情况。如果在调试程序时遇到问题,可以使用编译器中的“帮助”菜单调用MSDN帮助文件来解决问题。编译后在工程的文件夹下有个一DEBUG的文件夹中就会生成应用程序图标,双击就会运行应用程序。查看应用程序的运行情况,以及各个功能的实现情况是否正常。
在运行程序后,因为视频信号进入到USB视频采集卡后,采集卡又对信号进行一次硬件压缩,性质类似于对信号进行了编码,而本系统采用的是CapAvi来采集的信号,把压缩过的信号直接显示到了预览窗口中,所以会有信号的不稳定与数据的丢失。
其他的功能正常,程序运行正常。
4 结语
该系统基于VC++6.0利用VFW开发包,对无线视频信号进行采集和处理系统进行了设计。搭建了一个无线视频信号采集的平台。该系统主要的开发部分为软件部分,硬件只需进行驱动的安装和硬件连接即可。通过运行调试,取得了比较好的效果。
参考文献
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[3]陈珲,张会汀,周杰华.利用VFW实现实时视频捕获及其应用[J].计算机应用.2003,23(8):141-143.
自适应视频信号传输解决方案 篇4
关键词：视频传输,均衡器,双绞线,视频切换系统,安全监控系统
在安防监控系统中，视频信号传输是整个系统中一个至关重要的环节，选择何种介质和设备传送视频信号将直接关系到监控系统的质量和可靠性。目前，在监控系统中用来传输视频信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤，对应的传输设备分别是同轴视频放大器、双绞线视频传输设备和光端机。
同轴电缆是较早使用，也是使用时间最长的传输方式。后来，由于远距离和大范围图像监控的需要以及人们对监控图像质量要求的提高，监控网络中开始大量使用光纤来传输视频信号。至于双绞线被使用到视频监控网络中则是近来的事, 它的出现主要很好地解决了两个方面的问题:一方面它解决了200米至2000米距离范围内高质量视频信号传输的问题，因为在这段距离范围内同轴电缆传输难以达到要求而光纤传输又显得不经济;另一方面它解决了大规模密集型监控网络的布线问题，双绞线自身的尺寸和柔软性克服了大量使用同轴电缆时的布线难题。当然，双绞线还具有抗干扰能力强、价格便宜等优点。正是由于双绞线很好地解决了长期困扰着人们的这些问题，所以它在监控网络的应用立即引起了业界广泛的关注，在较短的时间内已经被大量使用到工程实践中，并且取得了很好的应用成果。
视频信号双绞线传输的典型应用
图1示出双绞线传输的典型应用框图。
在摄像机端, 一般采用无源变压器将单端CVBS视频信号转换成差分视频信号;双绞线传输设备完成差分信号至单端信号的转换以及视频信号的放大、滤波、驱动;信号输出可接至监视器、DVR设备或视频矩阵设备。双绞线一般是5类双绞线, 如网线。
视频信号双绞线传输的传统解决方案
传统解决方案一般采用无源发射 (如不平衡变压器) 和有源接收 (如EL5175) 。有源接收电路里需要设计由阻容构成的均衡网络，采用拨码开关来设置不同补偿距离下的补偿参数，同时一般还需要增设两个机械电位器，用于亮度和色度的微调。
由于传统方案采用手动均衡方式，而实际应用中网线质量、安装距离和阻容器件参数分散性等因素，造成拨码开关设置的补偿参数的补偿效果不是很理想。虽然通过微调两个机械电位器可以改善补偿质量，但由于两个电位器的调节是相互影响的，现场工程人员不好掌握调节的尺度。
视频信号双绞线传输方案
Maxim提供的1200米自适应视频信号传输方案是：M A X 4 4 4 5+M A X 7 4 7 4+MAX11504，采用三级结构：第一级采用MAX4445配合外部阻容均衡网络，实现差分信号至单端信号的转换并进行预均衡;第二级采用MAX7474，实现信号自动均衡，补偿由于网线质量、安装距离、阻容器件参数分散性等带来的差异;第三级采用MAX11054，实现信号滤波、缓冲和ESD保护。原理电路如图2所示。
该方案的优势在于：
·消除线材质量的差异带来的补偿效果的差异
由于实际安防工程中，用户采用的网线品牌有多种，质量会有差异，而传输设备中设置好的补偿参数又是在特定一种材质的网线下调试的。因此当工程中铺设另一种网线时，补偿效果就会有差异。在Maxim方案中，由于采用了具有自动均衡功能的芯片MAX7474，从而可以很好地消除线材质量的差异带来的补偿效果的差异。
·消除工程中实际安装距离的差异带来的补偿效果的差异
传输设备中设置好的补偿参数一般是在特定距离下调试的，如600米。而在实际安防工程中，安装距离不会刚好是600米，可能是650米，则设备中拨码开关设置的补偿参数的补偿效果就会有差异，图2中由于采用了具有自动均衡功能的芯片MAX7474，从而可以很好地消除工程中实际安装距离的差异带来的补偿效果的差异。
·消除均衡网络中阻容器件参数的差异带来的补偿效果的差异
众所周知，常用的电阻和电容的精度都较低，电阻的精度一般是1%或5%，电容的精度一般是10%甚至20%。因此，即使在特定安装距离和特定材质的网线下调试均衡网络的补偿参数，两组阻容器件由于参数的分散性，补偿效果就会有差异。图2电路由于采用了具有自动均衡功能的芯片，从而可以很好地消除均衡网络中阻容器件参数的差异带来的补偿效果的差异。
对比图3、图4和图5，我们可以清楚地看到该方案对视频信号的补偿效果。
结语
MAX7474为复合视频信号通过非屏蔽双绞线传输时提供电缆损耗补偿，通过监测输出端彩色视频信号的同步信号和色同步信号的幅度调节增益，自适应均衡电缆长度。采用网线传输时，MAX7474可完全均衡300米传输电缆的损耗，并可有效提高600米传输电缆的信号完整性。MAX7474接受NTSC和PAL制式的差分视频信号，包含单位增益视频输出驱动和可调节的后肩钳位直流电平，器件还提供LOS和LOB逻辑输出指示。
在本方案中，我们采用MAX4445配合外部阻容均衡网络固定补偿特定的传输距离，并结合MAX7474自动均衡的特点来补偿网线质量、安装距离和阻容器件参数分散性等带来的差异，很好地解决了1200米视频信号的自适应传输。
参考文献
[1]MAX7474数据手册[R], Maxim公司
[2]MAX4445 Datasheet[R], Maxim
[3]MAX11504 Datasheet[R], Maxim
[4]Ben Nader.模拟视频滤波技术[J].电子产品世界, 2008, 3:110-112
多波束视频信号模拟器的设计 篇5
雷达目标模拟是系统模拟技术与雷达技术相结合的产物, 雷达回波信号可以认为是由发射波形经过延迟和多普勒频移后的复现波形所构成。模拟技术广泛用于对雷达系统的调试、性能评价。采用雷达目标模拟技术, 可以缩短雷达的研制周期, 减少雷达的研制费用等。实时雷达信号模拟的应用贯穿于雷达的研制、调试和操作使用的各个阶段。
单波束视频信号模拟器产生多普勒模拟信号, 并通过对发码的数字延时模拟一定距离的回波延时, 但不模拟各信道间的相位关系。
对于雷达回波信号为多路接收信道的回波信号, 目标信号在各信道间有一定的相位关系, 波束形成分机利用这种相位关系完成多波束接收。为了更好的模拟回波信号, 验证波束形成情况, 需要模拟各信道间的相位关系, 因此有必要设计多波束视频信号模拟器。
基于DDS (直接式数字合成) 与FPGA相结合实现雷达目标模拟技术, 提出了一种多波束视频信号模拟器的实现方法。雷达目标回波信号主要包括三种信息:幅度信息、频域信息、时域信息。在三种信息的处理上, 目前都有相应的技术途径, 如幅度模拟可由大动态的程控衰减器实现, 目标多普勒频率可通过DDS实现, 也可以通过高速数字信号处理系统的运算实现。相对幅度和频率信息的实现而言, 距离延迟的实现在过去相对较难。以往的方法是采用声表面波延迟的方法来实现, 但信号质量较差, 带宽较窄。现在实现的方法较多, 可以在数字信号处理系统中通过延时控制来实现。
1. 设备组成
1.1 系统结构
本系统可模拟多路回波信号, 设计上采用四块视频信号模拟板组合来实现。每块视频信号板对应着2个通道——每通道分I、Q两路共4路信号的模拟, 这样, 信号模拟器可生成8个通道共16路模拟信号, 用来模拟某系统的输出, 用来调制对应的信号处理器。多波束视频信号模拟器由上述四个视频信号模拟单元、同步控制单元、对外控制接口和计算机上的交互软件等组成。系统的构成框图与连接关系如下图1所示。
如图1, 设备包括1块主控视频信号模拟板和3块从视频信号模拟板 (每块板可模拟4路信号) 。为保证各路信号的一致性, 所有视频信号板采用相同的PCB设计。一个视频信号模拟板作为主控板, 用来与上位机进行通信并产生同步信号发送给各从板, 以同步所产生的各路信号。背板实现电源变换和基准时钟同步功能。背板为各视频信号板提供统一的基准时钟, 并将外部输入的伪码和码钟送入各视频信号板, 用一个并行总线口传递控制数据、同步各板的信号及为各板供电。
视频信号板可对伪码进行延时和调制;可以将发码调制到一个低频多普勒频率;以此来实现视频信号的动目标模拟。多波束视频信号模拟器可以对目标的俯仰角、速度、距离等参数进行模拟, 与计算机通过RS232接口进行数据通信。通过计算机提供的人机交互界面, 进行参数设置和状态显示。模拟器根据上位机设定的目标参数生成视频信号。
计算机上的终端监控软件与模拟器采用串口进行通信, 半双工, 终端软件完成对设备的自检、初始化、参数查询和参数设置的功能。用户按下软件界面的自检按钮, 监控软件完成对设备各部分的自检, 并显示各部分的自检结果。软件刚启动时对设备进行自检一次, 并对设备参数进行初始化设置。
按下参数查询命令后, 监控软件向模拟器发送参数查询命令, 模拟器返回当前的目标参数, 监控软件将当前参数显示在界面上。
进行参数设置时, 监控软件先向模拟器发送相应的设置命令, 监控软件再向模拟器发送参数查询命令, 模拟器返回当前的目标参数, 并将当前参数显示在界面上。
1.2 视频信号模拟板
视频信号模拟板为整个系统的核心部分, 视频模拟信号产生基于DDS技术来实现, DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可实现多种数字与模拟调制的优点。
所设计的视频信号模拟器每板都使用一片AD公司的AD9959单片四通道DDS集成电路。AD9959含有四路DDS单元, 最高工作频率可达500M, 每一路的频率、相位、幅度都独立可控, 其各通道之间的隔离度优于65dB, 且支持多片之间的同步。基于这种灵活性, 就可以校正由于PCB布局布线、滤波和放大等模拟处理带来的信号之间的失衡。所有的通道都共用一个系统时钟, 因此可保证各通道的同步性。
视频信号模拟单元的原理框图如图2所示。
视频信号模拟单元主要由MCU (微控制器) 、FPGA、DDS模块、幅度控制和对外控制接口等组成。MCU完成与上位机的通信, 接收上位机所发的信令, 将计算后得到的各控制参数送入FPGA, 并将设备当前参数和工作状态发送至上位机。FPGA完成寄存器读写、延时控制、频率相位控制等功能, 产生各控制时序信号以及各板之间的同步信号, 控制各个DDS通道产生所需的信号, 各通道的信号经由DAC (数模转换器) 转为模拟信号, 滤波后, 又通过一个数控衰减器输出, 用来对信号的幅度进行控制。视频信号模拟板还可接收外部输入的伪码, 对其进行延时和调制。
数控衰减器采用AD公司的集成电路, 它由8位数据线控制, 理想动态范围可达80dB以上, 步进为0.375dB。这样, 就可以对所产生信号的输出幅度进行精确和大动态范围的控制, 以满足系统的使用要求。
1.3 多通道模拟原理
本系统可产生8通道共16路模拟信号, 模拟接收的多路回波信号。对于雷达中回波信号为多路接收信道的回波, 目标信号在各信道间有一定的相位关系。下图3为各阵元接收信号示意图。
设N个接收阵元沿一个直线布设, 相对于阵轴法线的θ的方向上, 两阵元的波程差引起的相位差为:
所以针对某一个θ角, 只需要根据式 (1) 计算出阵元间的相位差ψ, 并使各模拟通道多普勒信号相位差为ψ就可以模拟各阵元接收到的目标回波信号。达到模拟目标俯仰角的目的。
2. 测试与分析
2.1 测试方法
在设备设计调试完成后, 对其所产生的各路信号进行了测试。测试的内容包括各路信号的多普勒频移、各通道之间的相位偏移以及输出幅度等。测试框图如下图4所示。
在进行多普勒频移和相位偏移测试时, 先不加伪码信号, 用计算机上的交互软件对模拟器参数进行设置, 用Agilent示波器观察所输出信号的波形, 测试中用的是Agilent公司的数字示波器, 其采样率可达1GSa/s, 可对两路信号的相位差进行较精确的测试。示波器的两路输入分别接模拟器的两路输出信号, 以通道I1路的相位为基准, 分别测其余15路与I1的相位偏移。通过软件改变多普勒频率、输出信号幅度等设置参数, 用频谱仪来测试各路信号的频率和幅度值;
用伪码发生器输入伪码信号, 利用频谱仪观察输出调制信号的波形, 用示波器同时观察发码和输出信号, 调节距离延时, 观察输出信号与发码的相对延时变化。
2.2 结果与分析
设备的各项测试结果不能在此全部列出, 只列出了部分测试结果。由于所设计的是多波束模拟器, 比较关注各信道模拟信号之间的相位关系, 因此给出了各路之间相位偏移的一部分测试结果, 表1列出的数据是在表中所示的两个频率之下, 俯仰角设置分别为2°和10°时, 通道1~4中I与Q各路信号之间的相位测试结果, 通道5~8各路信号的测试结果就不在此一一列出。各路相位都以第1通道I路的相位为基准。表2列出的是对通道1的所产生频点的测试结果和信号经过数控衰减器后的幅度测试结果。
由上表可见, 各通道之间的相位偏移与上面1.3节公式1的计算结果相一致, 各通道I路和Q路之间的相位差为90度, 测试结果最大误差为0.7度, 在允许的范围之内, 表明其正确模拟了雷达回波信号在各信号间的相位关系。除此之外, 对设备其它参数的测试结果也均满足要求。测试结果表明, 所产生的信号频率精确, 频谱干净稳定。各路信号所模拟的多普勒频偏、各信号之间的相移、距离延时、信号幅度均达到了使用要求。系统性能稳定, 能够较真实地模拟雷达信号。
所设计的系统目前已经用于雷达接收机的调试, 运行性能稳定。
3. 结束语
多波束视频信号模拟器基于DDS与FPGA技术相结合的硬件设计, 整个系统采用板卡式结构, 各路视频信号的生成使用相似的硬件电路。目前本设备在某种雷达研制的调试和检验过程得到了应用, 效果良好, 系统的各项性能可以满足应用要求。
雷达目标模拟器作为雷达的一种辅助设备, 它的应用越来越受到重视, 所以对通用雷达模拟器的研究也会逐渐的丰富起来。所研究的内容只涉及了这一领域的一部分, 对通用雷达模拟器的研究必将会随着雷达系统的发展, 以及模拟技术的发展而逐渐充实。在将来的模拟器设计中可以进一步从通用化、仪表化和可扩展等方面进行研究。
参考文献
[1]AD公司AD9959Data Sheet.2005Analog Devices, Inc.
[2]丁鹭飞雷达原理[M].西安电子科技大学出版社, 2002
[3]杨剑峰多波束形成的信号接收系统设计.电子科技[J].2009, 24 (4) :39-41
电视系统中数字视频信号的监测 篇6
对于数字电视节目监测离不开监视器, 为了使监视器准确重现原图像, 需要规范调整。根据ITU BT-818和ITU BT-815标准, 首先调整监视器的亮度和对比度。亮度调整是进行黑电平调整, 调整亮度电平时, 视频信号是在垂直方向整体移动。一般使用PLUGE信号中的三电平信号调整亮度, PLUGE信号中的三电平信号包括-2%黑、0%黑和+2%灰。将PLUGE信号输入到监视器的输入端, 如果我们从屏幕上看到-2%黑的电平条, 说明信号的黑电平有些偏高。如果从屏幕看不到+2%黑的电平条, 表明信号的黑电平有些偏低。实际上, 只要调整到从屏幕上看-2%黑和0%黑两个条相同, 同时能够显示出+2%黑的电平条, 此时, 亮度电平已经调整到适当位置。其次对比度调整是调整亮度信号的放大量。将亮度的层次拉开, 信号底部的基点是不动的, 对比度的调整没有相应的标准, 一般根据环境以及人眼的主观感觉调整到一个适当位置。而颜色调整实际是色度信号幅度的调整, 表现在屏幕上就是色彩饱和度的调整。调整过程中, 需要输入彩条信号, 对于标准的100%彩条信号, 若监视器色度的调整符合标准, 相应的蓝路信号在白、青、紫和蓝条的电平幅度就完全一致。一般在监视器上有一个只看蓝色的按键, 按下去后, 屏幕上只显示蓝色信号, 此时只需要调整色度旋钮, 使相应的亮度区域一致即可。这样就可以使监视器准确的重放出原始颜色。
在数字节目图像信号记录和技术质量审查时, 不仅要监测复合全电视信号幅度不超过标准规定, 而且要确保分量信号R、G、B色域不越限超标。这一点在进行数字节目质量监测时已经充分得以证明, 有些图像信号的复合全电视信号幅度测量时并没有超过800mV, 但在R、G、B信号色域监测时已经越限超标, 而且实际观看的图像也是明显偏色的。根据上面所说的监测方法, 不仅要有复合全电视信号幅度监测功能, 而且应具备R、G、B色域监测功能。目前具有钻石显示和箭头显示功能的监测仪, 以及具有Five Bar显示功能的监测仪, 都能用于判定R、G、B信号色域是否越限超标, 而且很容易区分是哪个通道色域超标。这些显示功能上/下限指标均可以预置门限值, 用户根据不同标准任意设定使用。
不同的是:具有钻石和箭头显示功能的监视仪除上/下门限值可预置外, 还具有超标象素占整个画面象素面积的百分比数值的设定, 这给使用者一个宽限, 即只有超标象素面积占整个画面面积达到或超过设定的百分比时才报警, 确定为超标;而具有Five Bar显示功能的监测仪没有此项面积百分比设定, 即超标象素不管占整个画面象素面积的百分比多大, 只要超标幅度达到设定的门限值, 就以红色警示区显示超标。
数字信号还可以用眼图来确定和检验串行数字信号的传输质量, 把串行数字信号输入到示波器的信号输入端, 并用本输入数字信号作为示波器的扫描触发信号, 扫描周期选为二个时钟周期, 即两个码元的时间, 由于输入数字信号以扫描周期重叠显示在荧光屏上, 形成一个图形, 宽度同一个码元宽, 高度同数字信号的脉冲幅度。对于一个频带宽度无限宽的系统, 数字信号从1到0和从0到1的转换速度非常快, 转换时间可为零, 显示出的图形为矩形。但实际传输系统的频带宽度有限, 数字信号的0和1的转换时间变慢, 脉冲的上升沿和下降沿不再陡峭, 并有上冲和下冲, 相位抖动, 不同宽度脉冲的幅度有了差别, 甚至脉冲的顶部和底部变得倾斜了, 因此显示图形形状与人眼形状相似, 称为眼图。
如果数字信号的模拟波形是理想的, 眼图会呈现为一系列方框, 但在实际系统中, 由于带宽、噪声以及抖动等因素的影响, 会造成眼图的闭合, 数字系统最终关心的是眼图的闭合程度。通常幅度变化, 噪声等因素造成眼在垂直方向上的闭合, 定时抖动影响水平闭合, 整个数字系统在正常工作时, 应保持眼的开度。眼图广泛应用于确定设备的特性和技术标准、安装后的验收检测、以及系统设备维护测试, 眼图观测和分析是对数字信号质量进行检验的一种较好的方法。
眼图观测通常包括:幅度、时钟周期、上升和下降时间、过冲和下冲以及抖动等参量, 使用专用的数字分量波形监视器或示波器可以进行观测。SMPTE 259M规定的信号电平和参数的容限如下, 对于非平衡输出的串行接口, 输出阻抗为75Ω, 反射损耗≥15dB (5MHz~270MHz) , 输出信号幅度变化在800mVpp的±10%以内, 直流偏置信号半幅度点电平在0V±0.5V范围内, 20%~80%上升时间0.4~1.5ns之间, 80%~20%下降时间0.4ns~1.5ns之间, 上升时间与下降时间差值0.5ns, 上冲小于信号幅度的10%, 下冲小于信号幅度的10%。对于非平衡输入的串行接口特性和参数容限为输入阻抗75Ω, 反射损耗≥15分贝 (5MHz~270MHz) , 电缆均衡1/2时钟频率上电缆的衰减量≤30dB。
串行数字信号监测的另一个指标是抖动。数字信号在形成、编码、处理、传送和变换中, 数据发生跳变, 由于数字信号的跳变对它们的理想位置在时间上的变化, 产生了偏移。抖动是串行数字传输系统中最重要的参数之一, 它能够在数字数据的传送和恢复中引起差错, 当这种偏差变得足够大时, 数据可能被译错。表征和测量抖动性能对串行数字系统可靠和可预测的工作非常重要。
根据不同抖动频率成分使接收机失锁的幅度频率曲线, 可见抖动速率越高, 对设备影响越严重, 抖动的分类要以所包含的频率成分来划分, 大致分为绝对抖动、定时抖动、校正抖动和低频抖动, 与其它抖动相比, 校正抖动是最重要的抖动测量参数, 它能够直接给出影响数字接收机正确恢复数据能力的信息。串行数字信号抖动参数和限值:定时抖动的下限频率为10Hz, 校正抖动的下限频率为1kHz~100kHz之间, 测量的上限频率在1/10时钟频率以上, 定时抖动限值应小于0.2UI, 校正抖动限值应小于0.2UI。
电视图像中对于数字视频信号除了以上几种监测指标外, 还有误码的测试。误码不仅使电视图像出错, 而且严重时还会造成图像丢失, 误码的产生主要由传输环境, 如信噪比下降、高频抖动、设备接地、设备间连接的电气特性不好、电源干扰等造成, 其测试主要通过固定图形测试法和在线EDH检测和处理。
随着数字化进程的不断深入, 数字产品逐渐进入了电视领域, 传统的测量和监测手段已不能适应新技术的要求, 如何对数字电视信号进行有效的监测和可量化的管理就成为各个电视台普遍关心的问题。使用具有性能优良的数字图像测试仪器对电视系统进行测试, 从而客观的、公正的对数字电视系统给出全面评价, 有利于数字电视系统进行科学的设备选型、系统验收, 一个好的信号监测系统应该能够具有良好的检测精度、丰富的检测内容、灵活多样的报警方式以及操作方便的监测软件, 这样可以更好地提高电视设备的数字化改造。
摘要：随着数字化、网络化技术在广播电视领域的应用, 数字电视图像的清晰度、饱和度都有了质的飞跃, 对数字电视节目系统图像质量的监测与测量, 有利于科学的进行设备选型、系统验收, 促进广播电视技术事业的发展。
关键词：监测,PLUGE信号,色域,眼图,抖动
参考文献
[1]李汉舟, 潘泉, 张洪才, 赵春晖, 冯旻.基于数字图像处理的温度检测算法研究[J].中国电机工程学报, 2003, 6.
音频与视频信号时间差及其测量 篇7
对电视接收机而言,音视频信号同步性是随数字电视接收机出现而提出的一项新的指标要求。然而,就电视、电影系统来说,音视频同步性却早已是被关注、研究并提出要求的“老项目”,例如电影中的对口型,电视采集记录中的唇音同步。在模拟电视系统中,接收机只负责声像信号的接收、放大和再现,即使在音视频信号分别处理的单元,处理时间的差别最大也不过毫秒量级,只要进入接收机的信号是音视频同步的,重现的声像不会“对不上口型”。假如对不上,问题一般出在所接收的信号上,因此,对接收机无须要求音视频同步性的指标。但对于数字电视系统,在音视频信号分别处理的信源编码单元(发端)和信源解码单元(收端),由于数字音视频信号的复杂程度大不相同,加上为了尽量降低视频信号占用的码率,常常不惜以加长处理时间来换取其高的编码效率,于是,在这两个单元中,视频处理时间比音频处理时间长许多,它们之间的差甚至达到秒的量级。为尽可能确保音视频的同步性,在这两个单元中,都会引入一定的补偿机制,然而硬件环境的限制及补偿策略的优劣都会影响到补偿效果的好坏,因此在数字电视领域,不仅包含信源编码单元的发端需要作音视频同步性的测量,而且包含信源解码单元的接收机也需要作音视频同步性的测量。此外,显示单元中,显示器的响应速度和涉及帧存储的图像处理电路对音视频信号时间差也可能造成可察觉的影响,故也需要对数字电视显示器作音视频同步性测量。
对于接收终端,音视频同步性可定义为同步采集的声音和图像信号在再现过程中保持同步的程度,以它们出现的时间差表示,单位为ms,声音信号提前为正,迟后为负。
2 音视频同步性的的感觉特性和音视频时间差指标要求
音视频同步好坏不仅与设备的性能有关,还涉及人们听觉和视觉特性,电影电视工作者对此早就开始研究。图1引自ITU-R BT.1359-1[1]建议,它集中体现了这些研究的成果。图1表明,从声音超前20 ms到落后90 ms的范围内,人们感觉不出视听质量的变化,CC′称不可察觉门限;一般将主观评价降0.5级(5级记分)时作为可察觉门限,如BB′所示,它对应于-125~+45 ms;而下降不足1.5级的范围认为都可接受,AA′称为可接受门限,对应于-185~+90 ms。这些数据明确指出,人们的感觉对声音落后于图像要比声音超前于图像宽容得多,这可能是由于人们对声落后于像的一般自然现象长期习惯的结果。
根据图1,建议数字电视终端设备音视频时间差的指标和分配如下:
1)数字电视接收机(下称一体机):音视频时间差不超出-160~+65 ms。对应的主观评价级差约在1级附近,接近可察觉门限与可接受门限的中间值,余下±25 ms的空间留给发端。
2)数字电视接收器(下称机顶盒)和数字电视显示器(下称显示器)合起来相当于数字电视接收机,上述指标自然应对它们作合理的分配,建议:显示器不超出-120~+45 ms,机顶盒不超出-40~+20 ms。这种对机顶盒偏紧而对显示器偏松的分配原则,是出于两点考虑:其一,显示器中画质处理和图像出现相对于激励信号的滞后等因素都将造成音视频的正时间差,且难予弥补;其二,声像测量比波形测量(见后)的误差要大得多,数据越小相对误差越大。另一可考虑的方案是显示器不超出-100~+45 ms,机顶盒不超出-60~+20 ms,既放宽了机顶盒负限的要求,又保持最终声像再现的质量水平。无论选哪个方案,机顶盒的指标都比SJ/T 11334-2006[2]的规定(±20 ms)有所放宽。
3 机顶盒音视频时间差的测量
测试系统如图2所示。
测试TS流发生器发出音视频时间差为0的特定测试流信号。测试发射机按相关标准将TS流进行信道编码并调制成RF信号输出,输出信号的音视频时间差Tb仍保持为0,待测机顶盒的输出只有电信号,测得输出信号的音视频时间差Tc,Tc即是待测机顶盒的音视频时间差Tx。此测量中,保证测量正确性的最关键因素有两个,其一是测试信号的设计,其二是TS流中的音视频信号的时间差必须为0。
SJ/T 11337-2006[3]卫星数字电视接收器测量方法推荐的测试信号波形如图3所示。
实际使用中发现该测试信号有以下缺点:1)周期太长(4 s),需要很长的存储时间(或很大的存储空间)才能看到完整的波形,实际上周期降到1 s左右对测量结果并无影响,却大大降低了对选用示波器的要求。2)必须采用时基精度高、具有数字读数功能的示波器才能较正确地测得音视频波形上升沿之间的时间差。
建议的测试信号如图4所示。
视频信号为12帧(0.48 s)亮和12帧暗的循环。音频为0.4 s有(幅度如图所示)、0.56 s无、基本频率为1 k Hz的间歇信号,间歇周期与视频信号循环周期相同。视频信号亮帧群的前沿与有声期间的中点时间重合为同步的基准。1 k Hz的波形形成了最小刻度间隔1 ms,最大读数范围±200 ms的十进标尺。由于该信号根据声像波形相对位置的变化来测定音视频时间差,称为波形测试信号,它具有以下特点:
1)音频信号的幅度构成了十进计数的标尺,根据视频信号中亮帧群的前沿映射到音频信号上的位置到中点的距离即可直接读出测量结果(左偏为负,右偏为正),且由于测试信号本身具有极高的时基精度,既使测量简单方便,又使结果正确可靠。
2)大大降低了对选用示波器的精度和性能要求,甚至可采用较老式的模拟存储示波器。
3)该设计还考虑了实现全数字化检测的简便性,并极易扩展到数字输出的视音频信号同步性的测量。
将波形测试信号(声像测试信号同)转换成TS流信号时,一般依据相关的编码规则,并严格使音视频同步基准的声音与图像具有相同的“PTS”采用软编码来实现。
4 一体机音视频时间差的测量
测试系统如图5所示。
与图4的系统比较,两者基本相同。然而,由于测试对象不同,检测手段和测试信号有所不同。对接收机而言,其直接的输出是声音和图像,它们的时间差只能由人们的耳朵和眼睛来检测,所用测试信号也需另行设计,称为声像测试信号。
参考ITU 1729-2005[4]的推荐,建议的声像测试信号由声音信号和图像信号组成。其图像信号由任一静止背景上开一测试窗口形成。测试窗口的图形如图6所示。
测试窗口由背景为黑色的横条上若干垂直白线条所组成,这些白线条分成在A,B,C 3组。A组的中央竖线为参考点,左边的2条竖线分别给出一体机和显示器声音比图像超前的指标限额位置;右边的2条竖线分别给出显示器和一体机声音比图像落后的指标限额位置。C组的中央竖线同样是参考点,其水平位置与A组参考点相同,11条竖线从左至右分别指示音视信号时间差的位置,B组仅1条竖线,它从左向右作循环的匀速移动,称为移动标记,每0.96 s循环1次。
音视频信号时间差声像测试信号中,音频信号的左声道为连续的400 Hz单频信号,右声道为每0.96 s间断25 ms的600 Hz单频信号。
将音视频信号合并形成声像测试信号时,必须使右声道间断的前沿与视频信号中移动标记正好到达参考点的时刻相同,此为音视频信号同步的基准。
测量时,注视显示图像中测试窗口的图形,目光跟随标记C移动,同时聆听声音,确定声音刚开始变调那瞬间移动标记C的位置,根据上刻度线A判定合格与否,根据下刻度线B判读时间差的数值。
无论波形测试信号还是声像测试信号,尽管音频信号不因HDTV,SDTV而有差别,但图像信号各不相同,故各需两个信号。
5 显示器音视频时间差的测量
测试系统如图7所示。
测试信号同样采用前述的声像测试信号,它可由信号发生器直接产生,但必须确保测试信号自身的音视频时间差为0,为此声音信号和图像必须由同一时钟产生,并有可靠的机制确保同步基准点的对准。
6 音视频时间差测量的一些体会
本文的建议作为提案已被全国音频、视频及多媒体系统与设备标准化技术委员会接纳,进入标准起草程序,相应的测试信号和设备的设计开发基本完成,也进行了一些实际测量。然而,标准还有待修改完善,测量的经验和数据需要较长的积累过程,目前只能谈一点初步体会,并欢迎大家展开讨论,多多提出宝贵的建议和意见。
早期的机顶盒能解出图像和声音即视为成功,常常对音视频同步不予理会,不仅音视频时间差的测量结果绝对数值甚大,而且每次开机测得的结果差别也很大,如不根据数字音视频信号各自的PTS作音视频同步的自动调整,是难以达到指标要求的。
即使是专业级的“标准”解码器(测量中曾使用两家公司的专业解码器及一家知名公司的信号源和笔者等人自行开发的信号源,情况基本一样),各次开机测量结果一般也有数毫秒之差,个别超过10 ms(作为一种猜测,所用调整策略可能是时间差大于某阈值才予调整,否则不予理会)。因此,正式测量中可能有必要取多次测量的均值,同时也可采用更佳的调整策略。
一体机和显示器音视频同步性是依据主观判断。笔者作了多个已知时间差的测试信号,请多人判读。开始所测结果相差很大,与预设数值差别也很大,稍经训练,这些差别明显减小。可见,经过训练的测试员,所测数据的一致性和正确性是能保证的。此外,信号源除提供音视频时间差为0的测试信号外,还有必要提供若干已知时间差的训练信号,使测试员能常得到训练和“复习”。
参考文献
[1]ITU-R BT.1359-1,Relative timing of sound and vision for broad-casting[S].1998.
[2]SJ/T11334-2006,卫星数字电视接收器通用规范[S].2006.
[3]SJ/T11335-2006,卫星数字电视接收器测量方法[S].2006.