發布日期：2022-04-26 點擊率：254
早在1940年，美國國家電視標準委員會(NTSC)即推出合成單色的視頻(圖1)標準，此標準將水平及垂直同步之計時(Timing)及亮度信息(流明度)加以編碼并放入單一頻道中。在接下來的十年里，該委員會再度研議彩色電視標準，此即大眾熟知的NTSC，此一新的彩色標準保存相同的視頻信號及頻寬，以便與先前的黑白電視機保持完全兼容度，為達此目的，彩色色訊副載波(Subcarrier)及參考叢發(Burst)信號，即系色信號，將被放到原來的單色視頻信號中。首先，此色訊與亮度頻率是交錯的，因此彩色與亮度信息可占據相同的可用頻寬，此交錯頻譜的中心大約位在3.58MHz，此即色訊副載波頻率。為減少副載波的可見度，頻率被刻意選擇為水平同步率(Horizontal Synchronization Rate)一半(15.75kHz/2)的單數倍數。其次，包含副載波信號的九個周期系色信號是被放在水平遮沒間隔的后緣效應上，其目的為使電視機或接收器中的3.58MHz彩色振蕩器同步，在歐洲相對應的為PAL視頻標準，這兩個標準的主要分別在于PAL的副載波頻率為4.43MHz，且其視頻同步振幅比略有不同。
在現今充斥高畫質模擬與數字視頻的世界里，1950年已出現的合成視頻信號仍廣泛存在，因此大部分與合成視頻相關的參數仍是系統設計的主要考慮。合成視頻里具有兩個獨特的參數，分別是差分增益(Differential Gain, DG)與差分相位(Differential Phase, DP)，由于這兩個參數對于合成視頻信號路徑非常重要，將其列入大部分高速放大器規格表中已是標準作法，然而測量及驗證這些參數并非輕易能解決的問題。本文將提供關于合成NSTC/PAL視頻及差分增益與差分相位的概觀，接著討論規格表中相關的技術規格說明及各種DG與DP的測量方法
圖1 NTSC單色視頻信號
色度信息(Chrominance Information)可被分成兩種，即色彩飽和度與色彩色度。飽和度是由副載波的放大器決定；而色度則由相對于色彩參考突波之副載波的相位決定；飽和度可被描述為色彩的強度；而色度則可以被描述為base Color的正確率。舉例來說，一個具有較低振幅，但仍然處于具有系色信號合適相位的紅色副載波將會變成粉紅，也就是比較不飽和的紅色，另一方面，若副載波是在超出具有～241o的系色信號的相位之～283o，則色彩為青綠色而非綠色(表1)。
表1 Color Bar程度、振幅、與相位
色彩
亮度程度(IRE)
色度程度(IRE)
色度振幅(IRE)
相位(°)
白色
100.0
0.0
0.0
黃色
89.5
48.1～130.8
82.7
167.1
青綠色
72.3
13.9～130.8
116.9
283.5
綠色
61.8
7.2～116.4
109.2
240.7
洋紅色
45.7
-8.9～100.3
109.2
60.7
紅色
35.2
-23.3～93.6
116.9
103.5
藍色
18.0
-23.3～59.4
82.7
347.1
黑色
7.5
0.0
0.0
應注意視頻信號是采用IRE計量單位描述程度與振幅，而非DC電壓。基于由同步端-286毫伏特至峰視頻(Peak Video)+714毫伏特擺動之標準1VPPNTSC合成視頻信號，可建立140IRE峰至峰協議(Peak-to-peak Convention)，而一個NTSC IRE單元為7.14毫伏特，其中-40IRE等于-286毫伏特；而+100IRE則等于+714毫伏特；0IRE等于0伏特，PAL視頻信號的些微不同在于其改由-300毫伏特至+700毫伏特擺動，因此，一個PAL IRE單元為7毫伏特，其中-43IRE于同步端等于-300毫伏特；而+100IRE于峰視頻程度則等于+700毫伏特。本文主要使用IRE單位，而非伏特或微伏。
DG與DP誤差人眼無法察覺
如圖2所示，色訊副載波的平均值或中點即為亮度等級，副載波可被當成弦波信號的振幅，而亮度則可被當成此信號的DC補償程度。動差增益誤差是由于在亮度程度上的改變，對應于色訊副載波的振幅上的改變，因此當圖像亮度改變時，動差增益將能測出色彩飽和度的對應改變。當DC補償程度變化時，應考慮視頻放大器的弦波振幅變化，因為這會造成正常日光下的紅色轎車在傍晚光線中變成粉紅色。動差相位誤差會隨亮度程度上的改變，而在色訊副載波的相位上改變，當圖像亮度改變時，動差相位可測出色彩色度的改變。此外，當DC補償程度變化時，須考慮視頻放大器產生弦波的相位，這會造成在室內的藍色襯衫，在室外時卻變成紫色。理想中，色彩飽和度(振幅)與色度(相位)應該保持常數，而不受亮度或DC補償程度的影響，一輛紅色轎車在任何照明之下都應該是紅色，而藍色襯衫不論是否在室內或室外都應該總是藍色。
圖2 NTSC彩色視頻信號
一般來說，DG與DP誤差最高分別可達1%與1o，人眼無法察覺，所以應該把這些數值作為整個視頻信號鏈的總誤差分配考慮。在信號最終被肉眼觀察到前，會有許多誤差的部分，一個典型的路徑可能會包括攝影機、記錄單元、發射器、接收器與顯示屏幕。在一個信號路徑中，每一個處理階段或放大器的個別DG/DP要求都遠低于1%/1o，其結果會因應連續階段的次數而有所差別，舉例來說，一個視頻播放系統的設計中輸入輸出之間具有五個運算放大器，假設每一個運算放大器貢獻DG的0.01%及0.01oDP，那么這些累積DG/DP誤差將分別為0.05%/0.05o，若工程師希望其視頻播放板(Video Distribution Board)的整體系統技術規格為0.05%DG與0.05oDP，則這些運算放大器僅能剛好達到其要求。攝影棚廣播質量的IC與放大器的DG/DP技術規格要求遠低于同等級的消費性產品，這是因為在攝影棚廣播信號路徑中有更多的連續階段，某些此類視頻系統甚至會要求其每一個運算放大器低至DG/DP的0.01%/0.01o。
DG/DP測量基本
當DC補償程度有變化時，實際上測量DG與DP是在測量弦波信號振幅與相位上的誤差。因此，測試信號為典型具有從0IRE到最大100IRE的DC補償之3.58MHz(NTSC)或4.43MHz(PAL)弦波，產生這種信號的一種方式為使用一臺視頻測試樣式產生器輸出如圖2中的Color Bars波形，接著，DG誤差可計算為介于階梯上于最低與最高步驟所量測的峰至峰振幅之百分比變化，DP也可使用類似的方法，用副載波的相位加以測量與計算，然而，此一端點方法可能會有誤導，因DG和DP并非都與亮度或DC程度呈線性關系。此外，若僅僅測量兩個端點，透過人工的方式以DC電壓錯移弦波的補償會比較容易。因此，較好的方法是測量在階梯的每一步驟中副載波的振幅，并決定介于振幅之間的最大差值。使用一個具有較多步驟的Color Bars或調變階梯波形將增加測量點的數目，以提供用來決定最大DG/DP誤差的進一步分辨率，因此工程師會選擇一個調變鋸齒斜坡，而不是限制于較少步驟的階梯。
利用手動方式測量整個亮度范圍里的多個增益與相位誤差點，會相當瑣碎。另一個用來評估DG/DP比較好的方法是采用特制的視頻測試設備，如向量監視器與波形監視器，這些類型的設備具有內建的DG/DP測試功能，可回報整個連續的亮度范圍上之最大峰至峰差值，然而，這樣的設備沒有分辨率可測量少到0.01%/0.01o至0.001%/0.001o的個別運算放大器，因其較適用于評估完整的視頻系統，因此，現在用來測量DG/DP最有效且建議使用的其中一個方法是使用網絡分析儀(Network Analyzer)。
使用網絡分析儀進行DG/DP測量
網絡分析儀有能力進行DC偏壓范圍上增益與相位的同步量測，并對少于0.01%/0.01o的DG/DP誤差有相當高的分辨率。一個使用網絡分析儀的DG/DP測試設定例子如圖3所示。
圖3 DG/DP測試設定含網絡分析儀
該網絡分析儀的分辨率為0.001dB/division與0.01o/division，同時具有內建DC電源，可提供DC補償或亮度程度。在亮度范圍中，此電源可程序化以每個步驟最小10毫伏特的增量掃描DC程度，其可使用500kHz低通濾波器濾除噪聲，接著網絡分析儀的3.58MHz或4.43MHz振蕩器輸出連在一起，這可被動以三角配置電路維持線路阻抗，并避免任何額外的DG或DP被導入到測試信號中。測試的裝置輸出時，一個8dB衰減器被置于輸出電阻的串聯中，該衰減器確保信號振幅低至可避免位于網絡分析儀前端的任何過載與失真，分析儀接口與測試設定組件為50奧姆阻抗，包括分歧器(Splitter)、混波器(Combiner)與衰減器(Attenuator)。
設定好適合的振蕩器振幅與DC掃描范圍，并用在輸入狀態的示波器測量。振蕩器振幅經由調整以產出286mVPP(40IRE)，此即對于NTSC之標準測試信號振幅。網絡分析儀經由調整與組態以用來進行「S21」量測。對于所要求的分辨率應該要取出量測掃描數目的平均值，要測量極低DG/DP裝置，平均值應為50或更多，圖4所示為一個由網絡分析儀而獲得運算放大器的典型增益誤差與相位圖，增益誤差一般是以dB加以表示為下述算式的百分比。
圖4 -100到+100IRE增益與相位誤差
這只是使用網絡分析儀進行量測的一種方式，當然還有其它不同的方式及網絡分析儀模型可使用于DG/DP測試。有一些分析儀可能沒有內建的DC電源，因而需要一個外部DC掃描電源，而其它的分析儀可能沒有配備DC偏壓輸入，在此情形下由函數產生器的調變鋸齒斜坡可被納入此一輸入之中，如此一來，就不需要在受測裝置輸入上的混波器電路，因DC偏壓會與在網絡分析儀內的弦波進行混波。
規格表中DG/DP量測條件并未標準化
對于在規格表中的DG/DP會有一些關于量測技術與測試條件的考慮。雖然DG/DP已幾乎成為標準技術規格，但測量方式卻沒有進行標準化，結果造成一些DG/DP技術規格無法完整表示運算放大器于實際應用中將如何運作，以下將提供一些應注意的測試方法與條件。
端點方式(End-point Approach)并不是一個好的作法，因只有取得位于最低與最高DC程度的增益差值并不夠，除非DG/DP誤差在DC補償時組成完美的線性關系，然而，DG/DP曲線有時候會是二次式甚至三次式，在這些情況中，僅測量端點的數據比起掃描整個范圍的結果可能更好看，但會造成誤導。
規格表上的DG/DP也必須根據具有適當色度與亮度參數進行測試，此色度或弦波測試信號必須具有286mVPP(40IRE)的振幅，這是NTSC的標準測試信號振幅，相對于PAL，此振幅為43IRE。此信號的頻率也應該是3.58MHz或4.43MHz，而4.43MHz(PAL)通常是最差狀況。DG/DP應該針對這兩個頻率進行測試，以減少的色度振幅和頻率進行測試將會得到較好結果，但此部分的特性將無法明顯的符合NTSC/PAL技術規格。亮度或DC掃描范圍也很重要，基于具有1MHz 100mVPP弦波的DG/DP技術規格雖然令人印象深刻，但對視頻設計師而言，沒有多大用處。
在前面的討論中，此范圍是根據NTSC亮度技術規格設為0IRE到+100IRE，基于此項前例，信號有大于0伏特的正向(Positive-going)視頻及在0伏特以下的負向(Negative-going)同步脈沖。假設運算放大器總是處理正向視頻，則DC掃描范圍從0到+100IRE就已足夠；然而在中段，視頻系統設計師已知道如何在封閉系統中反轉視頻信號，如伽瑪(Gamma)處理等，他們亦須知道一個反轉亮度范圍的運算放大器DG/DP。換句話說，對DG/DP測試而言，從-100IRE到+100IRE才是一個較為完整的DC掃描范圍，圖5所示為在正負視頻范圍中的最大DG/DP誤差。
圖5 -100IRE到+100IRE最大DG與DP
受測的運算放大器負載條件是另一個主要考慮，雖然在視頻系統中的連續階段有時可能會是AC耦合，視頻運算放大器仍然應該根據DC負載進行指定。這應該為標準視頻末端阻抗(Video Termination)，即兩端終止于75奧姆或150奧姆等價負載，應注意在圖3中，50奧姆衰減器與100奧姆串聯輸出電阻形成一個150奧姆負載于受測裝置上，同時在整個測試環境中維持50奧姆，因此任何高于150奧姆的DG/DP數值會造成誤導，因差分增益與相位是受到振幅上負載量的影響。在輸出上，一個1,000奧姆的運算放大器會比150奧姆有較佳的DG/DP，另一方面，低于150奧姆的DG/DP數值作用很大，因運算放大器可能須驅動多重視頻線，對于圖4中2、3與4視頻負載的總等價負載電阻分別為75奧姆、50奧姆與37.5奧姆，然而，并非所有的規格表都會提供對于超過一個視頻負載的DG/DP誤差，圖6所示為美國國家半導體(NS)運算放大器規格表中的DG/DP及視頻負載數目的比較。
圖6 DG/DP比視頻負載個數
DG/DP測試條件的附加警告事項為受測裝置的增益組態。一些放大器的DG/DP數值也許不會是介于兩個增益中最佳的，有些可能會指定DG/DP于單元增益或某個放大器具有最佳數值的增益，然而，視頻放大器通常是使用于兩個增益中的一個，而在設定中提供DG/DP極為重要。
在模擬合成視頻系統中，其中一項重要的影響因素是放大器重新產生合成視頻信號的能力，而在評估視頻信號時，則有兩個極重要的參數，分別為差分增益與差分相位，這些參數決定亮度變化對色彩豐富度及明暗度的影響，但在理想狀態下，亮度變化不應有任何影響。現在有許多不同的方法與技術可測量并量化這項改變，其中值得推薦的方法是采用高準確度網絡分析儀，其可取得完整且正確的數據，除改變量測方法，DG/DP結果也與測試條件的配合有關，這些條件可能影響能否獲得完美的DG/DP數值，副載波頻率與振幅、亮度程度范圍、放大器輸出負載、視頻負載數目與放大器增益都必須以仿真真實視頻應用的方式進行設定，同時規格表中的DG/DP應該要根據這些正確的條件，唯有如此，當復制合成視頻信號時，才有辦法預測運算放大器的運作情形。
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