AV系统集成中的常见问题.doc

AV系统集成中的常见问题刘力：高级工程师；毕业于清华大学无线电系，后进入中国科学院自动化研究所工作；曾参加国家重点科技项目的研发，现任北京利国电子公司总经理。联系作者：引言:承蒙各位朋友同仁垂爱，拙作在业内同行中能引起一些反响万分感谢。本专栏原意是介绍一些新的技术发展方向，各种在转换，传输过程中遇到的问题，无奈水平有限，长篇大论实已黔驴技穷。但在日常工作中，常有客户就一些看似简单但在实际应用中会遇到问题进行咨询，此类问题较小不宜长篇大论，只好大致分类，组成问答式的文章连载出来，这其中包含一些基础理论知识以表明文有出处，但理论肯定不系统，或是只有应用结论，够用就好。如有错处，敬请斧正，或有类似的应用问题可发送至： ，班门弄斧试解答之。1、Video和VGA信号在切换时跳动 现象：多路Video或VGA信号，在经过矩阵切换时，屏幕上的画面会有一段不稳定期，画面跳动，不能像电视剧中切换镜头那平滑切换。 原因：视频信号与VGA信号中，除了含有图像信号外，还包含扫描用的行/场同步信号或复合同步信号，当显示设备接收到Video或VGA信号时，要将同步信号分离出来（VGA信号是直接提取），显示器按同步信号进行同步锁相，进行扫描。如果此时切换到另一信号，则需要重新提取同步信号，并按新的同步信号进行扫描，除非新信号的同步信号与原信号的同步信号完全一致，即所有的行/场同步信号没有发生变化，重新同步/锁相的结果与原信号相同，扫描过程没有被打断，是平滑过渡，否则都会进行重新的锁相，重新确定扫描的起始点，而在此期间Video信号大概至少需要8帧左右的时间，（VGA信号所需时间可能更长一些）图像的显示是混乱的，从显示屏的表现上看，图像有一个跳动的过程，随后进入稳定的显示状态。因此切换时跳动是一种理论上就存在的现象，并不是切换设备本身的缺陷. 解决方案:对于Video信号而言,有一款专用的设备称为帧同步机,其原理是将输入信号的有效信息经过解码并存储后,按照新的外加的同步信号进行合成,形成一个新的视频信号，新信号的同步信号与外加的同步信号完全一致,如果所有的视频信号都经过帧同步的处理,则所有的信号之间的同步信号是完全一致的,此时再进行切换时,对显示屏而言,不需要对新信号进行重新定位(虽然存在重新同步/锁相的过程,但同步/锁相的结果与原信号完全一致,不会再发生显示不稳定的现象)画面会像切镜头一样平滑过渡。VGA信号的切换原理与此相同，只是VGA信号的频率较高，所含信息量大。因此所需的存储空间大，成本较高，而且由于历史上应用的原因，Video信号在电视行业中切换不能跳动，因此有帧同步机这类设备，而VGA信号没专用的帧同步设备，因此VGA信号切换不跳动较为麻烦。在图像控制器等到这类设备中，是给Video信号或VGA信号保留单独的通道，该通道只对该信号开放，如果要切换另一路信号时，可将其走另一通道，在形成有效信息的数字信号后对其进行切换，这样也不会引起画面跳动。如不能给另外的通道，就只好判到同步信号变化后先静帧，保证显示稳定，待重新同步之后再换。某些特定的视频切换器中，包含有帧同步机在内，如果采用单同步机，是在切换信号时，先将的有效信息暂停（静帧），将同步系统与新进来的信号进行同步/锁相，等到同步/锁相过程完毕，新信号的有效信息稳定后在数字信号方面进行切换以使输出信号不跳动。但画面会停滞至少8帧，1/3秒左右。如果采用双同步机，是将新信号先切换到另一帧同步机中等到画面稳定后，再从数字部分进行切换，保证画面不跳动。如果外来的Video信号源允许进行外同步，如专用录像机、摄像机等，可用一个同步信号将所有的信号源同步起来，此时播出的信号已经是经过帧同步的信号了，对这些信号进行切换必不会引起跳动，电视台中的信号切换就是采用这类方法。 结论：Video信号或VGA信号进行切换时发生跳动是一种理论上就存在的现象，并非切换设备的缺陷，跳动时间对Video信号而言，大致有8帧，1/3秒左右时间，VGA信号即使是同分辩率，同刷新率的切换时也会跳动。而VGA信号针对不同的显示屏，跳动时间最长能5秒左右，现在较新的投影机或大屏在1-3秒左右。如果保证不跳动，必须使被切换信号之间是严格的帧同步的，是要花费一定代价的。2、Video信号与VGA信号之间的转换 工程中，由于特定的需求，要将Video信号转换成VGA或将VGA信号转成Video信号，但是两个过程是相反的，所带来的问题也是不同的。 Video转成VGA： 首先Video信号对PAL/SECAM制而言是625行50Hz场频，扣除场逆程的时间,有效行数是575行，对NTSC而言，是525行60Hz场频,有效行数是475行，数字化时的像素时钟为13.5MHz有效带宽是6MHz以内，隔行扫描。 图： 1 隔行扫描：第一场扫行,第二场扫行, 2 每场的频率为50/2=25/秒即整幅画面的扫描频率(帧频) 3 为25/秒, 4 逐行扫描：按顺序扫描,其场频就是帧频。 5 6 7 所谓隔行扫描是当初为了节省带宽降低对元器件的要求，将一幅画面分成两部分，每一部分只有一半的有效行，两幅画面像梳子一样交叉，按照奇数行或偶数行分别扫描，如上图。每幅图的扫描频率只有场频的一半，即所谓帧频，其缺点是画面闪烁严重，并且由于两场在摄像时是不同时曝光的，对运动画面而言两场画面的位置是有位移的，这为去隔行算法设置了难题。而VGA信号由于有多种分辨率与场频，带宽各有不同，以1024768/75Hz为例，其像素时钟是75MHz，有效带宽为40MHz左右，而且VGA信号全是逐行扫描，因此Video信号转VGA信号就是一个隔行扫描转逐行扫描，并提升带宽的转换。其过程是将Video信号经数字解码，将有效信号提取出来形成720/576或720/476的数字信号，随后进行SCANLER，即分辨率转换转成1024/768的信号同时包含去隔行算法，并按1024768/75Hz重新编码转换成VGA信号。这其中经过了解码过程，A/D过程，SCANLER过程，D/A过程，仅是A/D和D/A过程信息的频谱损失就达到6dB，并且SCANLER过程在理论上就是一个模糊运算的过程，因此新生成的VGA信号，从信息损失的角度上讲是不合理的，但由于有一个隔行转逐行转换，画面闪烁减轻，从图像的显示结果上讲有所提升，这个转换过程还是有些收益的。这类设备的主要指标是信噪比，去隔行算法的优劣，其它指标都差不多。VGA转Video 与Video转VGA相比处理过程相反，VGA信号转Video信号时要经过A/D过程，SCANLER过程，D/A和编码过程，这其间频谱的损失是一样的，分辨率由高转低，信号带宽由高转低有效信息由40MHz左右压缩到6MHz以内损失较严重，显示由逐行转隔行，显示效果大不如前,无论你选用多么高档的转换设备，以上这些损失是不可避免的，因此显示效果都不好。无论是几百或一千多元的设备还是3-5万元的设备，所能提高的也就是信噪比好一些，SCANLER效果好一些，但本质是一样的，一般不建议采用这种变换，除非有特殊的应用（如要将VGA信号变成Video信号调制后进入有线电视网等等），但事先要对信号损失心中有数，并与甲方协调，最好先让他们看到这种效果，如果能认可，再采用这种方案，否则很可能是方案得到通过，但效果不被接受，最终下不了台，还要改方案。3、模拟信号与数字信号之间的转换与损失模拟信号：是指信号的幅度是连续可变的信号，以往常见的包括音频信号、视频信号和VGA等信号都是模拟信号。由于电平幅度是连续可变化的，因此可以表现最小的变化。如电压信号，我们可以精确到0.1V、0.01V、1mV、1V、1pV等等，只要是有所不同，就可以表现出来。其优点是可以无穷精确地表示一个变量，缺点是：不利于存贮，容易受到干扰（因为有一点不同就已经表现出来了），不利于传输等等。数字信号：是用“0”和“1”即2进制代码表示的状态，例如对电压信号而言，我们可以将0V定义为“0”，而将5V定义为“1”。一般以2.5V为分界线,小于2.5V时都认为是“0”，而大于2.5V时都认为是“1”了，这样做优点便于存贮传输，不易被干扰。在数字电路中，TTL电平一般指的5V电平，当前常用的控制电路中，常用的是TTL电平，也有一些芯片内部或对外用3.5V电平,那“0”或“1”的分界线就是在1.75V左右，当然也有一些电路用更高的电平。只要将“0”与“1”分界点定义在电平中间即可。模拟与数字信号之间的转换： 从数字信号的特点可以看到，用“0”和“1”的状态来表示信号是极不精确的，以TTL电平为例，它只能表示一个信号大于2.5V或是小于2.5V，它仅将一个规一化了的数值分成了二份，具体值是多少仅用“0”和“1”是表现不出来的，但如果用多个“0”和“1”状态组合来表示一个数值，精度就会提高。例如用00表示小于1/4的值，01表示大于1/4小于1/2的值用，10表示大于1/2小于3/4的值，11表示大于3/4的值，即用2位数字状态就可以表现出1/4的精度，同理用3位状态就能表现1/8精度的值，用8位状态可表现1/256的精度，用10位状态可表现1/1024的精度等等，如果用的位数足够高，就可以表现足够的精度，这个位数就是对应的bit数，我们一般常用的是8bit10bit、12bit、16bit等。在电子计算机中的发展中，初期是采用的是8bit称为1Byte，因此现在有很多参数包括存贮器件位数，通道参数等都是以8bit=1Byte的倍数为基准表示。在控制协议等数据应用场合，采用的是16进制码，这与我们常用的10进制码是不同的，10进制码是逢10进1，如9、10、20、30100等，而16进制码是逢以16进1，其表示方法如下：（4位数组合可以表现16种状态） 0 0 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 1 1 1 0 0 1 9 0 0 1 0 2 1 0 1 0 A 0 0 1 1 3 1 0 1 1 B 0 1 0 0 4 1 1 0 0 C 0 1 0 1 5 1 1 0 1 D 0 1 1 0 6 1 1 1 0 E 0 1 1 1 7 1 1 1 1 F 当然，如果给出一个代码是EF，则可对应8个bit状态，分别是1 1 1 0 1 1 1 1，尤其在控制代码中，每一个bit都会有相应的准确的物理定义，知道上述这种对应，会便于理解控制协议。在将模拟信号转换成数字信号时，有几项主要指标将要考虑，量化位数，即量化的bit数，即将一个规一化的值分成多少份，如果是8bit量化，即分为了256份，如果是10bit量化，即分成了1024份等等，以8bit量化为例，如果模拟信号之间的差距小于1/2564的时候，数字化的信号是分辨不出这其中之的差距的，因此对信号是有损失的，量化速度，因为信号是一个随时间轴变化的电平（电流等）信号，除了对幅度进行分份量化，还要看其对时间的反应速度，如果1秒钟采一次样进行量化，采样频率为1Hz，如果一秒钟采10次，采样频率为10Hz等等，现在的采样频率在几十几百MHz是容易实现的。如图：将模拟信号转换成数字信号即由Analog转为Digital信号称为A/D（模/数变换）过程，反之称为D/A（数/模变换） 以A/D过程为例，由于采样位数和采样频率的限制，数字信号所能表现出的原信号与模拟原信号相比肯定是有了一些损失，这种损失是理论上就存在的，一般表现在频谱损失和信噪比损失。以8bit量化为例，无论在量化过程中的信号干扰或是量化后损失了原信号，都可表现为给原信号带来噪声信号，因此8bit量化的最大信噪比应是5253dB（没有记错的话），不可能再大了。另外，因此采样频率的限制，采样频率越高在时间轴上分得越细，所能表现的高频分量就越多，按照奈奎斯特采样定律，在经过A/D或D/A时，所能表现的模拟带宽最大可达到采样频率的一半。如果是以10MHz时钟采样，所能保留的最大带宽为5MHz，或者是说在半采样频率点上，信号从频谱上讲损失了3 dB，这也是理论上存在的，实验数据也支持这一结论，如果A/D或D/A的器件不好或电路不够合理，损失只能进一步加大。 结论：以A/D为例8bit量化 信噪比 最大 5253dB 10bit量化 信噪比 最大 5657dB 带宽为采样频率一半，或损失了3dB。4、VGA信号不同分辨率时的行/场极性与带宽根据VISA标准，对VGA信号在不同分辨率的场频（刷新频率）时，其像素时钟肯定是不同的，但同时其行场信号的形式和极性也是有区别的详见下表：从上表中可以看到几个问题：行场同步的形式和极性不同，有时是行/场同步是采用正极性信号，有时采用负极性信号，甚至采用复合同步信号。因此在工程中有时在切换不同的VGA信号源时，在屏幕上的显示位置会有可能不同，例如：先针对某台PC机将屏幕的显示位置调整好了，但一换信号源，显示位置又跑了，尤其是在拼屏中比较明显，这种情况就是行场极性不同造成的，可选择允许极性调整的分配器或电缆均衡器将行场极性调整一致。不同分辨率的像素时钟是不同的，以102426860为例，其像素时钟为75MH，按上面讲的奈奎斯特采样定律生成VGA信号时其最大模拟带宽在38MHZ左右，同理1280102460时，带宽在54MHZ左右，即使1600120060时，带宽最大在81MHZ左右，因此在选择通道设备和传输设备时，如果纯从带宽角度上看，不必过于强调带宽值，当然从技术角度上讲，带宽越宽越表现技术能力，但从使用角度上看，实在是没有必要，有时反而因为带宽过宽而造成设备自激等其他不良后果。5、模拟通道设备的指标要求所谓模拟通道设备是指针对模拟AV信号、VGA信号的切换、分配、传输等设备。该类设备并不改变信号的格式，原则上讲，应该对该信号没有影响（损失），但在实际应用中，所有设备（包括电缆）对信号都有影响，而且是负面影响。因此在广电行业中，国家推行该类设备的国家技术标准，即所谓的国标。由于是针对广电行业的特殊设备要求制定的，业内一般称为广播级标准。国标规定了接口标准，包括输入、输出阻抗，电平范围等，同时也规定了技术参数，因此AV信号的设备都应符合这些要求。对VGA信号，由于是较新出现的，原主要应用于IT行业，国内国际上均没有相应的硬性标准规定其指标参数，仅是对接口标准有了一些规定，而且也还是行业标准，如VESA标准等。上一讲中给出VESA关于不同分辨率的行场频像素时钟、同步极性等标准，在阻抗和电平范围上一般是参考AV的标准，如R、G、B是750.7Vp-p，同步信号是TTL电平，高阻（510-5K）等，但具体的通道技术参数没有明确规定，我们也只能讲一下AV的通道技术标准，右图是国标的技术参数。 基础知识：国标GB/T14236-93与本公司产品的测试结果（VAS128*32V） VGA信号目前无标准 其中有几项技术指标对我们应用有影响较大，试逐一解释。 1)随机信噪比 信号通过设备时，肯定会受到设备的影响，这些影响包括电路热噪声，电源的噪声等等，统称为噪声。比较形象地讲，是信号通过设备后被“弄脏”了，那么“脏”到什么程度能够容忍就必须有个规定，信噪比就是信号与噪声功率比，该值越大就表明噪声相对信号而言越小，对信号的影响就越小，模拟通道设备的信噪比要求是大于65dB。2)幅频特性 即信号幅度与频率之间的关系，在解释这个问题之前，先解释一下dB和带宽的概念。 dB=20log幅度比，或=10log功率比。常用的是3dB的概念， 3dB时幅度比为0.707、功率比为0.5，即常说的半功率点,如果一个信号的幅度下降到0.707的时候或者说功率损失了一半的时候，其对应的dB值是3，或者说每增加3dB，功率就下降一半。 带宽：当信号幅度下降到0.707时，或是功率损失一半时，对应的频率，为该信号的带宽。如下图： 基础知识: 幅频特性与带宽 dB的定义：20log 幅度比、10log功率比 幅度、频率特性 带宽：3dB、幅度比0.707、功率比0.5 V:幅度 我们以前说的带宽都是指3dB时的对应频率，在广电行业中，由于AV信号的带宽很小（Video在6MHZ以内，Audio在50KHZ以内），因此，对设备的带宽要求不能小于6MHZ是远远不够精确的，因为一般器件在6MHZ时，衰减远小于3dB，因此直接给出6MHZ时的衰减值，用于评判设备的优劣。同时该指标要求的是在6MHZ以内，幅度特性的波动范围是0.2dB。 3)路间串扰 尤其在矩阵切换产品中，不同的通道走不同的信号，信号彼此之间肯定有干扰，这种干扰定为路间串扰。当然是越小越好，一般串扰如果在-20dB左右，能较清晰地看到别的通道串过