原创模拟视频技术和应用（二）

 2010-4-17 19:26  1139 3 3 分类: 模拟

模拟视频信号已经应用了几十年，至今仍在使用。最原始且最常见的通用视频标准包括了NTSC（美国国家电视系统委员会）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的现代消费模拟视频传输系统包括了S-Video、分量视频(Component Video)、专业G'B'R'视频以及计算机R'G'B'系统。本文将探讨部分模拟视频信号的需求，并讨论它们之间有何相似点和差别以及如何简化此类视频系统的模拟输入/输出设计。

模拟视频传输——分量视频

为了在S-Video的基础上进行改良，分量视频出现了，免除了对色度信号的调制，从而最终减少了误差。分量模拟视频保持了重要的一致亮度(Y')信息，但却分别保存了色彩差异的信息。P'B是蓝色的色彩差异信号，而非原先用于数字域色彩差异的C'B 。类似的，P'R是红色的色彩差异信号，而C'R则是数字域中红色的差异。

分量视频亮度的1Vpp电压幅度需求在本质上于与CVBS亮度相同。亮度同步信息为 -300mV信号，视频信息为700mV信号，在同步信号电平之上。色彩差异信号可支持700mVpp，其同步信息处于电压范围的中点，而非亮度的底端。

分量模拟视频(Y'P'BP'R)包括了多个差分格式。此类格式包括了标准清晰度(SD)、增强型清晰度(ED)以及高清晰度(HD)视频。SD视频包括了基于NTSC的480i (aka 525i)以及基于PAL的576i (aka 625i)，在此 ‘i’ 标注指代了隔行(interlaced)视频。此类视频系统具有高达6.75MHz的亮度带宽以及3.375MHz的P'B 及 P'R 信号带宽。对于同步信息来说，除了色彩差异信号采用了中点电平之外，其余均与CVBS相同。

增强型清晰度(ED)视频包括了基于NTSC的480p (aka 525p)以及基于PAL的576p (aka 625p)。在此 ‘p’ 标注指代了逐行扫描，因此需求更大的带宽。亮度信息限制在12MHz，同时色彩差异信息限制在6MHz。同步电平的需求与480i一致，但宽度较短(2.33us vs. 4.7us)，刷新率较高。

高清晰度(HD)视频包括了720p、1080i 以及 1080p。720p及1080i 的亮度信号所具有的带宽限制为30MHz，同时其色彩差异信号的带宽限制为15MHz。1080p的亮度信号限制于60MHz，色彩差异信号限制于30MHz。SMPTE的274M及296M标准允许改变帧速率及采样速率，从而可改变此类模拟带宽，但绝大多数系统还是采用了上述的数值。在此须注意到，带宽及同步宽度可以，也确实在，随着其各自的波形而改变，毕竟针对每一信号都有诸多的须考虑选项（720p多达8个，1080i/1080p多达11个）。

此类HD视频信号的电压需求与480i及480p的需求一致。亮度通道需求1Vpp，同时色彩差异通道需求700mVpp。但HD信号的同步信息却有所不同，采用了三电平(tri-level)同步。尽管如此，其底端电平仍将随着CVBS、480i 及 480p所依循的传统的300mV单同步(single-sync)脉冲而漂移。由于三电平同步及更快的信号率，720p的同步宽度缩短至0.54us，1080i短至0.59us，而1080p则可以缩短至0.296us。

模拟视频传输——计算机及专业接口

当涉及到计算机的R'G'B'视频信号时，您将面对一个信号所需求超大矩阵，该矩阵基于像素分辨率及刷新率，兼容大部分的视频电子标准协会(VESA)标准。在此须注意，在计算机领域，RGB尽管常用，但其本质属于非线性的伽玛修正信号，实际上应为R'G'B'。消费类视频信号与R'G'B'之间最大的不同点在于全部三个R'G'B'信号均需求及其一致的信号带宽。

R'G'B'信号具有最高的频率需求，可超过148.5MHz（1920 x 1440 于 75Hz 时），并且毫无疑问的还将更高。因此，处理能力需要充分的提升以满足上述三个超大带宽的信号。而诸如Y'P'BP'R的系统对处理能力的需求则较低（由于采用了4:2:2的处理），因此可用于较为廉价的系统。对全部三个信号的定时同步是极为重要的，否则将产生色彩偏移(color shifting)。为产生纯净的白色，所有三个信号都必须是100%的饱和，而同时仅有的亮度信号是作为消费类信号的需求。一般来说，将亮度(brightness或Luma)从色调/饱和度、色浓度或色彩差异信息中分离处理可实现更轻松的校准。对于消费类视频信号来说，定时同步也不再像对于R'G'B'那么至关重要。

计算机R'G'B'的电压需求与700mVpp的亮度信号需求大致相同。唯一的差别是其同步信号可能但不一定包含在信号中。同步信息可独立完成，在此情况下需求两根独立的信号线——水平同步线及垂直同步线。某些时候，上述两个同步信号也可合并至单个信号——H+V同步信号。大量的时间及同步信息被包含在绿色信号中——R'G'sB'。其它的时间及同步信息被包含在全部三个信号中——R'sG'sB's 或 sR'G'B'。当同步信号内嵌至视频信号时，其幅度为300mVpp，与传统的亮度信号一致。很明显，同步持续时间取决于信号的分辨率及刷新率。此参数可变，可从3.8us（6?0 x 480 于 60 Hz时）缩短至0.74us (1920 x 1200 于 85Hz时)，乃至更短，例如，降低消隐(reduced blanking)的1920 x 1200 分辨率于 60Hz时需要0.208s的刷新同步。

最后，在专业及广播系统中，所采用的将是G'B'R'。SMPTE 分量标准规定了亮度信息将被置于第一通道，蓝色色彩差异信息被置于第二通道，而红色色彩差异信息被置于第三通道，该组成与Y'P'BP'R的命名法一致。由于亮度通道(Y') 携带了同步信息，而绿色通道(G')也携带了同步信息，在此层意义上G'应排在首位。而由于蓝色色彩差异通道(P'B)居中，红色色彩差异通道(P'R)位于末尾，在此层意义上B'信号应居于第二通道而R'应居于第三通道。从而硬件可使用G'B'R'实现更好的兼容性而非R'G'B'。

对于以下的每一标准——480i/525i、576i/625i、480p/525p、576p/625p、720p、1080i 以及 1080p来说，每个G'B'R'信号的视频及同步幅值都分别等同于Y'的需求。在此须注意，由于众多G'B'R'系统的同步被内嵌至全部三个通道，但不一定是所有的系统都如此。此类系统带宽的需求实质上等同于上述方法中SD、ED及HD标准所分别对应的亮度带宽需求。与计算机的R'G'B'信号类似，对于视频信号及其显示的校准来说，其每一信号的定时也不是那么至关重要。

表1例举了视频信号的模拟需求。由于每一视频系统都有许多其它的不确定性，下列数字仅代表了最优的起始值。对于理想的最小化转换速率值来说，通式SR = (2 Pi F 0.707 Vpeak * 2)采用了Vpeak表述1V (2Vpp)，并假定输出缓冲处于最差状态下，0.707作为-3dB在给定频率点上的-3dB幅值，而2倍乘缓冲的因子仅作为保障。在实际系统中，视频信号不需要从0V上升至1V（1Vpp or 0.5Vpeak），而更趋向于0V 至 700mV（350mV峰值）以实现从纯黑至纯白。对于输入缓冲器来说，其幅度是输出缓冲器所需求的一半。因此，表1中所采用的信息仅可作为起始值。