（通信与信息系统专业论文）视频通道测试方法的研究与实现.pdf

中文摘要 视频测量作为测量领域的一个重要分支，在广播电视飞速发展的今天，具有 越来越广泛的应用。通过对视频客观指标的测量计算，分析指标所反映的客观失 真量，来确定视频设备质量的高低是视频测量主要完成的工作。当今的视频测量 主要向着数字化、智能化的方向发展，设计高可靠性、集成化、自动化的视频测 量仪器是本论文的主要研究方向，制作低成本仪器也是本论文的一个研究方面。 本论文首先分析了视频测量领域国内外的发展现状，在此基础上，深入分析 了视频测量客观评价方法的理论，对视频测量指标的概念以及测量方法进行了论 述。 本论文介绍了视频测量系统的总体设计，给出了系统的硬件总体框图并对系 统的各个部分包括采样模块，处理器模块和p c i 接口模块进行了具体分析论述， 随后给出了系统的总体软件流程和各模块的软件流程，并对系统的软件设计进行 了详细论述，随后给出了各部分的调试方法和调试过程需要注意的问题。 本论文还对采用p c i 9 0 5 4 作为桥芯片进行p c i 总线接口的软硬件设计方案 进行了详细论述，文中探讨了p c i 接口的硬件实现方案和总线接口逻辑，同时也 深入分析了w d m 驱动程序的设计和实现方法。 论文最后给出了本视频测量系统的测试方法和测试结果，测试结果表明，本 系统不仅在指标性能上达到了较高水平，而且工作在十分可靠的工作状态下，其 实时性也达到了实时测量的要求。 关键词：视频测量数字信号处理器可编程逻辑器件p c i 总线接口w d m 驱动 程序 a b s t r a c t a sn i li m p o r t a n tb r a n c ho fm e a s u r e m e n tf i e l d ，c o m p o s i t ev i d e om e a s u r e i i 】i e n ti s m o r ea n dm o r cv a l u a b l ef o rt h er a p i di m p m v i n gv i d e ob r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g y v i d e om e a s u r e m e n ti sm a i n l yf o c u s e do nm e a s u r i n ga n da n a l y z i n gv i d e oi n d e xi n o r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fv i d e oe q u i p m e n t s d e v e l o p i n gd i g i t i z ea n d i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mi st h e t r e n do fv i d e om e a s u r e m e n t t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ed e s i g no fah i g hr e l i a b l e ，i n t e g r a t e da n da u t o m a t e dv i d e o m e a s u r e m e n te q u i p m e n tw i t hl o w e rc o s t f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c h s t a t u so fv i d e om e a s u r e m e n t ，f o l l o w i n gw i t hs o m eb a s i c c o n c e p t i o n s a n d m e a s u r e m e n tm e t h o d s i tt h e nd e s c r i b e dav i d e om e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ef r a m ew i t hs a m p l i n gm o d u l e ，p r o c e s s i n g m o d u l ea n dp c ii n t e r f a c em o d u l ew a ss h o w n a n dt h e nf o l l o w e dw i t ht h ed e s c r i p t i o n o fs o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gf u n c t i o nf l o wo ft h ew h o l es y s t e ma n de a c ho fi t s m o d u l e s a n da tl a s tt h ep a p e rt o o kad i s c u s s i o ni nd e b u g g i n gi s s u e s 。 t h i sp a p e ra l s om e n t i o n e dt h es o l u t i o no fu s i n gp c i 9 0 5 4a st h eb r i d g ef o rp c ib u s i n t e r f a c e i tp r o b e di n t ot h eh a r d w a r es o l u t i o na n db u si n t e r f a c el o g i co fp c ii n t e r f a c e ， a n dt h e nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f w d md r i v e r t h el a s tp a r to fp a p e ri sat e s tt ot h es y s t e m b a s e d0 1 1t h et e s t i n gr e s u l t , t h es y s t e m h a sh i g hp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y i ta l s oc a na f f o r dt h er e a l - t i m em e 嬲u r e m e m k e y w o r d s ：v i d e om e a s u r e m e n ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , c p l d ，p c ib u si n t e r f a c e ， w d md v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：都佳耨 签字日其目：二0 0 7 年月2 5 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名1 ：郭像静 导师躲掀之 签字日期：z 。口7 年f 月2 5r 签字日期：& 棚7 年f月灯r 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 电子测量是通过获得被测系统的一系列参数，来了解系统的工作状态。为了 表征设备的质量，通常制定出用于表征设备性能的指标，通过这些指标的测量来 判定设备质量的高低。 在广播电视技术飞速发展的今天，视频测量已经派生为测量领域的一个独立 的分支，具有越来越广泛和实际的应用。 进行视频测量，主要目的是通过对图像失真量大小的测量，分析影响失真的 因素，进而努力排除这些因素，从而提高视频设备的质量。现在的视频测量理论， 通过实际的研究，已经将综合失真现象的引起原因孤立化，通过可以识别各种失 真的不同视频标准信号，测量不同的指标并制定相应的指标容限从而可以清楚的 孤立和识别各种种类的失真。 视频通道的测量是使用已知特性的视频信号，使它通过视频通道，在输出端 观测该信号的特性，来确定该信号在被传输过程中是否引入了失真，以及失真的 大小。 在这种测量方法中，至少需要两种类型的测试仪器：标准视频信号发生器和 终端测量设备。 标准视频信号发生器应该能够提供多种同步测试信号，选择标准视频信号发 生器一般要考虑两个因素：视频信号发生器所能提供测试信号的种类和它所产生 标准信号的精度。所选择的视频信号发生器应该能够提供所要测量指标要求的所 有标准测试信号，而且视频信号发生器应该具有测试仪器至少两倍或以上的精 度。 另外，视频测量和维护经常需要在电视节目正常播出的情况下同步进行，这 样就要求视频信号发生器具有插入测试行的功能，把测试信号插入在复合视频信 号的消隐行里进行选行测试。 进行视频测量的另一个要素是后端测量设备，对于某些信号特性的监测可以 使用波形监视器或者矢量示波器来完成，不过对于定量的指标计算和一些不便于 直接从波形上观察出来的指标，仍然需要专用的视频指标测量仪器进行测量。本 论文中所设计的视频测量系统就是这样一个视频指标后端测量设备。 现在的视频测量，正逐步走向数字化和智能化，传统测量仪器已经不能满足 实时准确的测量要求，利用数字化的方法，对视频通道实现高可靠性，集成化， 第一章绪论 多功能的智能化测量是我们亟待解决的问题，也是本论文的主要研究方向。 1 2 视频通道测量方法的发展现状 早期的视频测量，主要采用主观检测方法，由主观评价者将被检测设备重现 的图像信号与标准图像信号进行对比，通过其偏离程度来判断设备失真的程度。 这种测量方法受观测者主观因素影响较多，测量结果因人而异，不能满足高精度 测量的要求，但是由于最终电视图像还是呈现给观众来观看的，其图像质量是否 满意还是要由观众对图像质量的主观评价【l 】来判定，因此这种主观评价法在客观 评价法已经很成熟的今天依然被用在一些重要的检测场合，而且客观评价法对于 各类指标是否合格的容限的设定也要通过主观评价法来得出。 进行主观评价实验时，需要在一定的条件下，将具有代表性的图像人为的加 入不同程度的损伤呈现给观看员，如图1 1 所示，由观看员依据各自的感受给图 像打分，而后按照数理统计的理论对大量的观测数据进行评分，最后得出关于图 像质量的期望以及标准差。 图1 1 视频测量的主观评价法 波形检测法的出现，能客观评定信号的失真状况，是一种高精度的检测方法。 他将标准待测波形通过视频通道，由输出波形的畸变来判定失真的大小，通过和 事先制定的容限的比较，判定设备通道的质量，这种测试方法不受主观因素的影 响，但是测量过程需要用到各种仪器，比如视频场强仪，视频杂波测试仪，群时 延测试仪以及频谱仪等等。这种测试方法往往需要在全场测试方式下进行，对视 频通道的测量需要在正常节目停播的状态下，综合运用这些设备精细的逐项进行 测量，其测量耗时费力，成本高且集成化低，而且要求测试人员熟练各种仪器的 操作和使用，对测试人员的要求比较高，这种测量方法已经逐渐淡出视频测量的 历史舞台。 第一章绪论 插入测试行技术的出现，为视频通道测量技术提供了新的技术手段，测量无 需在节目停播的状态下进行，而把测试信号插入在消隐行里，因此能够在不影响 播出的情况下，测量重要的系统动态指标，并且可以实现自动监测和自动调整。 计算机技术和视频测量技术的结合，又使得视频测量技术产生了根本变革，视频 测量设备向着数字化、高可靠、高集成的智能化方向发展。使用一个微处理器控 制采样电路采集视频信号，在微处理器内部进行各项指标计算测量，实现全部视 频指标集成化测量是现代视频测量的主要方向。 其中美国泰克公司研发生产的v m 7 0 0 t 视频测量仪是其中的代表。v m 7 0 0 t 被公认为事实上的工业标准，为基带视频信号和音频信号的监测及测量提供高标 准的解决方案。它集多种功能于一身，具有数字波形监视器、数字矢量示波器和 指标测量等多种功能，主要应用于研究和开发领域。 但是其复杂的操作方法和昂贵的价格制约着它广泛应用于大规模的工业生 产中，在生产线测试中，所需要的测量仪器应该具有操作简单，测量快速，全自 动化而且成本低廉的特点，这也正是本课题的研究方向和目的。 1 3 本论文的结构 本论文第二章主要阐述了视频通道测量所涉及的各类指标的概念、定义以及 测试方法，对各项指标的计算公式和所使用测试信号进行了逐一分析论述。 第三章对视频测量系统的硬件系统进行论述，给出了硬件总体框图并对各部 分功能电路进行了详细分析，并对硬件电路板的设计和板卡与p c 机接口p c i 接 口的设计进行了深入的论述。 第四章对视频测量系统的软件予以论述，给出了总体软件流程图和各模块流 程图，对采样模块、指标计算模块和通信模块分别加以叙述，本章也涉及w d m 驱动程序的编写方法。 第五章为调试和实验结果，本章对硬件和软件调试环境和调试方法分别予以 说明。 第六章给出了实验过程和实验数据。 最后在第七章列出本论文尚可改进的方面。 在课题进行阶段，本人完成的工作和创新主要包括： 1 相关理论的学习及指标的研读，制定系统总体方案。 2 硬件数据采集及测量部分的设计和调试。 3 d s p 驱动程序及应用程序的编写和调试。 4 p c i 接口方案的制定和w d m 驱动程序的编写和调试。 第二章视频通道客观评价指标分析 第二章视频通道客观评价指标分析 进行视频测量要遵循一定的标准，对于复合视频信号，有几种比较流行的制 式，如p a l 制，n t s c 制和s e c a m 制，对于这些不同的制式，其参数相差很大， 难以制定统一的性能标准，即使是对于同一种制式，比如p a l 制，在不同地区 也存在m 、n 、b 、g 和d 等多种种类，面对不同的组织发布的各种标准，我们 选择使用国标g b 3 6 5 9 8 3 电视视频通道测试方法f 2 】作为我们视频测量系统设 计和实现的依据。 在国标中视频通道的测量主要包括五大项指标和十种测试信号。 这五大项指标分别是：反射损耗、介入增益及其稳定度、视频杂波、视频线 性失真和视频非线性失真。 重要测试信号有：场方波信号、2 t 正弦平方波和条脉冲信号、多波群信号、 阶梯波信号、阶梯波叠加副载波信号、副载波填充的1 0 t 和条脉冲信号、三电 平色度信号以及平场信号等。 使用这些标准测试信号通过视频通道，在视频通道的输出端测量信号的失真 程度，就可以得出被测通道的性能指标。 下文将对这些测试项目逐一进行概念以及测试方法的分析。 2 1 介入增益及其稳定度 介入增益 定义：被测通道输出端信号幅度峰一峰值l 与输入该端信号幅度的标称值 l o ( 7 0 0 m v 峰一峰) 之比称为介入增益，并用d b 来表示。即 g = 2 0 1 9 l 爿d b ( 2 - 1 ) 之所以规定这个指标，是因为视频系统常常由诸多视频设备串联而成，当在 这一系统中加入一个设备或一个无源网络时，要求不要影响其后续设备的工作， 因此要求加入的设备增益均为l ，只有这样，才能做到在无论插入多少设备之后， 系统的总增益不变。 测试方法：在被测通道输入端加入如图2 1 所示的条脉冲信号，在输出端测 量条脉冲信号时间中点b 和消隐电平b ，之间的幅度l ，带入公式( 2 1 ) 中进行 4 第二章视频通道客观评价指标分析 计算。 2 i 2 动态介入增益变动 图2 - 1 条脉冲信号 定义：当视频信号的平均图像电平不同时其介入增益随平均图像电平的变化 有所不同，我们把介入增益随平均图像电平变化的量，称为动态介入增益变动。 平均图像电平( a p l ) 的定义为：行有效期间图像信号幅度的平均分量在整个帧 周期( 不包括行、场消隐期间) 内的平均值，并以亮度信号幅度标称值得百分比 来表示。 测试方法：以平均图像电平5 0 时的介入增益g 如为基准，测量平均图像电 平为1 2 5 、8 7 5 时的介入增益g l 上5 和g8 7 5 ，计算下列变动值： agl=igl25一g50l(2-2) a g 2 = l g 8 7 5 一g 5 0 i ( 2 3 ) g 。和g ：中的最大值，即为所测得动态介入增益变动，测试信号如图2 - 2 所示。 第二章视频通道客观评价指标分析 c a ) 平均图像电平为5 0 时的阶梯波信号 ( b ) 平均图像电平为1 2 5 时的阶梯波信号 2 1 3 介入增益稳定度 定义：介入增益随时间的变化会出现不稳定的情况，我们把在规定时间( 短 时间为1 秒和中等时间为1 小时) 内介入增益的最大偏离值用来表征介入增益稳 定度。 测试方法：按照测试介入增益的方法，按定义的时间进行测试。 2 2 视频杂波 杂波是除有用信号外一切不需要的信号和各种电磁运动的总称。杂波通常分 为连续随机杂波和干扰两种，他们的存在会妨碍有用信号的传送，最终影响系统 的性能。因此杂波的测量对视频通道的测量有着重要意义。 2 2 1 连续随机杂波 定义：连续随机杂波主要指带宽限制后的白噪声，连续随机杂波信杂比定义 为亮度信号幅度的标称值( 7 0 0 m v ) 与带宽限制后测得的随机杂波幅度有效值之 比，用d b 来表示，其计算式如下： 第二章视频通道客观评价指标分析 s 肌2 吣蔫慧然d b ( 2 - 4 ) 连续随机杂波对于图像的影响一般表现为图像颗粒感，雪花和闪烁。 测试方法：在被测通道输入端输入如图2 3 所示的平场信号，经过被测通道后在 输出端测量噪声的幅度的有效值，代入公式( 2 - 4 ) 进行计算。 图2 - 3 平场信号 杂波的频带通常比视频信号的频带宽得多，若不对其进行频带限制，则会影 响随机杂波测量的准确性，因此在被测通道和测量仪器之间，应接入频带限制滤 波器。 通常需要如下几种类型的滤波器： l 、6 m h z 低通滤波器 p a l 制视频标准规定，视频频带标称带宽为6 m h z ，为了排除视频频带之外 的杂波，应该用6 m h z 的低通滤波器限定频带上限。 2 、 1 0 k h z 高通滤波器 信号在传输过程中伴随着很多非随机性的频率较低的干扰，如交流干扰和微 音效应等，为了排除这些干扰，我国规定用一个1 0 k h z 的高通滤波器对其下频 带进行限制。 3 、4 4 3 m h z 陷波器 复合视频信号在相同的频带内同时传输亮度信号和色度信号，为了从随机杂 波中消除副载波成分的干扰，还应接入4 4 3 m h z 副载波陷波器。 由于人眼对视频带宽内不同频率分量的随机杂波的敏感程度不同，因此很多 时候用加权随机杂波的指标来衡量图像的噪声大小 1 ，通过的加权网络即为人眼 的主观感觉对客观指标的反应。 它的定义为：亮度信号幅度的标称值与通过规定的加权和带宽限制网络后测 旷jii，iil1l止 m m 胁叮土 卅 。 第二章视频通道客观评价指标分析 得的随机杂波幅度的有效值之比，用d b 表示，其计算式为： s 州蝴瑙- g 蔫豢黼曲 协5 ， 它是通过在测试仪表前接入统一加权网络来模拟人眼对随机杂波的主观感 觉，从而使测量结果接近实际平均视觉效果。统一加权网络的特性是通过实验得 到的，它的结构如图2 - 4 所示。被测信号通过加权网络后，在被测系统输出端测 量随机杂波的有效值代入公式( 2 5 ) 进行计算。 2 2 2 电源干扰 图2 - 4 统一加权网络结构 定义：电源干扰信杂比定义为亮度信号幅度的标称值与1 k h z 以内的，来自 交流电源的杂波幅度峰二峰值之比，用d b 表示，其计算式为： s 肌2 饥g 驾震鬻d b 仫6 ) 电源干扰是一种周期性干扰，表现为滚道现象，主要是电源及其谐波干扰所 致。 测试方法：在需测试的通道前加入1 k h z 低通滤波器，通过视频通道后测量 视频通道输出端杂波的峰一峰值，代入公式( 2 6 ) 进行计算。 2 2 3 单频干扰 定义：单频干扰信杂比定义为亮度信号幅度的标称值与从1 k h z 6 m h z 的标 称视频带宽内每一单频杂波幅度的峰一峰值之比，用d b 来表示，其计算值为： s n = 2 0 1 9 纛纂器衄 协7 ， 第二章视频通道客观评价指标分析 测量方法：此项指标不适合仪器自动测试，需要使用示波器或频谱仪进行测 量，需要使用平场信号作为输入，在输出端进行测量，当用频谱仪进行测量的时 候，能很方便的读出干扰的频率和电平。 2 2 4 脉冲干扰 定义：脉冲杂波信杂比定义为亮度信号幅度的标称值与脉冲性杂波幅度的峰 一峰值之比，用d b 表示，其计算式为： s n = 2 0 1 9 蒜纂黼d b 仫8 ， 测量方法：此项指标也不适合用测量仪器自动测试，需要输入平场信号使用 示波器在被测通道输出端测出脉冲杂波的幅度峰一峰值后代入公式( 2 - 8 ) 进行 计算。 2 2 5 串扰( 来自其它电视信号的串扰) 定义：串扰信杂比定义为亮度信号幅度的标称值与被测通道所受串扰幅度的 峰一峰值之比用d b 表示，其计算式为： s 肥2 吨器需燃d b 协9 ， 测试方法：串扰杂波一般和串扰通道的传输信号有关，因此，应在被串扰通 道有信号和无信号两种情况下进行测量。 当被串扰通道中的干扰与干扰通道的测试信号基本相似( 只有幅度不同) 时， 采用如图2 5 所示2 t 脉冲和条脉冲信号进行测量，而当被串扰信道中的干扰受 微分而变形或干扰电压与频率成正比时，测试信号采用如图2 - 6 所示的填充副载 波的1 0 t 和填充副载波的条脉冲信号进行测量。用示波器读取串扰幅度，代入 公式( 2 9 ) 进行计算。 9 第二章视频通道客观评价指标分析 b l 6 4 u s 图2 52 t 脉冲和条脉冲 图2 - 6 副载波填充的1 0 t 脉冲和条脉冲 2 3 视频非线性失真 任何时候，都希望视频通道具有线性的传输特性，但目前常用的彩色全电视 信号，是把色度副载波叠加在亮度信号上，在同一段频段内进行传输，这样势必 产生相互影响，导致各种视频非线性失真。 视频非线性失真的分类如下图所示： 视频非线 性失真 图像信号 失真 同步信号 失真 亮度信号非 线性失真 色度信号非 线性失真 相位失真 ( 微分相位) 图2 7 视频非线性失真的分类 1 0 微分增益 失真 性 一一度二 一烘一一一一一一一 嬲 一一倒交一一幅 第二章视频通道客观评价指标分析 2 3 1 亮度非线性失真 定义：当平均图像电平为某一特定值时，将起始电平从消隐电平逐步增加到 白电平的小幅度阶跃信号加至被测通道的输入端，输出端的各阶跃幅度与输入端 相应的阶跃幅度的比值之间的最大差值，称为亮度信号非线性失真。 亮度非线性失真在黑白电视中不容易被察觉出来，如果失真度比较大，将造 成阴影处和高亮处细节的丢失；在彩色电视中，亮度非线性失真反倒容易被察觉 出来，因为它对饱和度影响比较大，而人眼对饱和度的失真比较敏感。 测试方法：将如图2 - 2 ( a ) 所示的阶梯波信号加入被测通道输入端，在输出端 测量出各阶梯的幅度，代入下式进行计算： 值。 亮度非线性失真d = a m 娃- a m i n 1 0 0 a 蛳 ( 2 - 1 0 ) 其中a 蹦为五阶梯中阶梯幅度的最大值，a m 为五阶梯中阶梯幅度的最小 2 3 2 色度信号对亮度信号的交调失真 定义：把规定幅度的色度信号叠加在恒定幅度的亮度信号上并加至被测通道 的输入端，而平均图像电平保持在某一特定值时，输出端由于叠加的色度信号而 引起亮度信号幅度的变化，称为色度信号对亮度信号的交调失真。 色亮交调失真是导致色度对比度失真的重要因素。 测试方法：把如图2 8 所示的三电平色度信号加到被测通道的输入端，在输 出端，经过副载波抑制以后( 4 4 3 m h z 陷波器) ，测量亮度信号在g 2 的最后部 分处的幅度，和其后没有副载波处的幅度，代入公式( 2 1 1 ) 进行计算： d ：坠尘1 0 0 b 6 ( 2 1 1 ) 第二章视频通道客观评价指标分析 7 0 0 m v 一 3 5 0 m v 卜 l o m v l - 3 0 0 m v l 2 3 3 微分增益失真 ( b ) 经副载波抑制的三电平色度信号 图2 8 三电平色度信号 定义：将恒定小幅度的色度副载波叠加在不同电平的亮度信号上，并加至被 测通道的输入端，亮度信号从消隐电平变到白电平，而平均图像电平保持在某一 特定值时，输出端副载波幅度的变化称为微分增益失真。 微分增益失真往往造成色度饱和度的重现失真。 7 0 0 m v 广 | 如l - 1 3 m v l ： 图2 - 9 阶梯波叠加副载波信号 测试方法：把如图2 - 9 所示的阶梯波叠在副载波信号加至被测通道输入端， 测量输出端各副载波阶梯的幅度，取其最大值a 哺和最小值a 曲代入公式 ( 2 1 2 ) 、公式( 2 1 3 ) 和公式( 2 1 4 ) 计算： x = 陪- 1 i 1 0 0 1 2 ( 2 1 2 ) m、1- 。l下l 丫l 叶止 m m h 胁= 第二章视频通道客观评价指标分析 y = 陪十o o la ol x + y =x 1 0 0 其中a 。为消隐电平上的副载波幅度。 2 3 4 微分相位失真 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 定义：将未经相位调制的恒定小幅度色度副载波叠加在亮度信号上，并加至被 测通道的输入端，当亮度信号从消隐电平变到白电平，而平均图像电平保持在某 一特定值时，在输出端副载波的相位变化称为微分相位失真。 测试方法：依旧使用图2 8 所示的阶梯波叠加副载波信号，加在被测通道的输 入端，测量输出端各阶梯副载波的相位，取其最大值，最小值，以消隐 电平上的相位荪为基准，代入公式( 2 1 5 ) 、公式( 2 1 6 ) 和公式( 2 1 7 ) 进行计 算： x = i 一唬l y = i 一九l x + y = i 一l 2 3 5 色度信号增益的非线性失真 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 定义：被测通道输入端的亮度信号幅度和平均图像电平为固定值，色度副载 波幅度从规定的最小值变到规定的最大值，通道输出端副载波与输入端对应幅度 间的比例偏离称为色度信号增益非线性失真。 色度信号的非线性失真也是造成色度饱和度失真的一个重要因素。 测试方法：采用图2 7 ( a ) 所示的三电平色度信号进行测量。其计算式为公 式( 2 1 8 ) ： d = 1 0 0 其中：a 。分别为输出端三个阶梯上副载波幅度的峰一峰值， ( 2 1 8 ) 第二章视频通道客观评价指标分析 2 i 一1 鼬= 一 3 2 3 6 同步信号的静态非线性失真 定义：被测通道输入端的视频信号中具有规定的平均图像电平和标称幅度为 3 0 0 m v 的同步信号，输出同步脉冲中点幅度对标称值的偏离称为同步信号的静 态非线性失真。 测试方法：把如图2 1 0 所示的条脉冲信号加至被测通道的输入端，测量输 出端的同步头脉冲时间中点的幅度和条脉冲时间中点的幅度，代入公式( 2 1 9 ) 进行计算： 。= 毪叫。 式中，s 为同步头时间中点的幅度，l 为条脉冲时间中点的幅度。 2 4 视频线性失真 - j l 1i 1 2 5 u s1 2 5 u s 1 2 5 u s 图2 - 1 0 条脉冲信号 ( 2 - 1 9 ) 信号通过视频通道以后，除了要产生非线性失真，还要产生线性失真，主要 包括通道对信号的不同频率有不同的幅度衰减和不同的相移。 当通道线性失真达到一定程度时，线性失真的测量结果将与平均图像电平和 测试信号的幅度有关，这是需要合理的规定测试信号的幅度及平均图像电平。 视频线性失真可以用时域和频域两种方法进行测量。 频域法即将正弦信号输入系统，测量系统的增益频率特性以及相位频率特 性。要想全面地反映系统的特性，一般需要在多个频点上进行测量。 在需要测试系统的瞬态响应时，需要用时域方法进行测量，它能方便的通过 失真指标分析系统中的各种损伤，直观的看到失真指标对图像损伤的影响。 所以在线性失真测量的时候，往往把时域与频域方法结合起来，全面反映系 1 4 第二章视频通道客观评价指标分析 统的性能。 视频线性失真的分类如图2 1 1 所示： 视频线性 失真 n c j - 域、谀u 量 频域测量 2 4 1 亮度信号波形失真 2 4 1 1 行时间波形失真 色亮不等 性钡u 量 亮度波形 失真 幅频特性 相频特性 图2 1 l 视频线性失真 行时间波 形失真 短f t c j - 间波 形失真 定义：把一个周期与行周期相同量级而幅度为亮度信号幅度标称值的方波信 号加至被测通道的输入端，输出端方波顶部形状的变化称为行时间波形失真。 行时间波形失真造成的图像效果失真主要表现为电视画面从左至右亮度不均匀， 水平方向也会出现拖尾现象。 测试方法：把如图2 1 所示的条脉冲信号加至被测通道输入端，在输出端测 得如图2 1 2 所示的波形，代入公式( 2 2 0 ) 进行计算： k 行时间波形失真= 坚l 1 0 0 ( 2 2 0 ) 其中：b 雌为图中b ，或b ：中的较大值；l 为条脉冲时间中点处的电平。 注：测量时条脉冲在起始和最终1 u s 的变化不计。 益 二延 艄差二州差 色 二色 第二章视频通道客观评价指标分析 2 4 1 2 短时间波形失真 图2 1 2 条脉冲信号 定义：把一个幅度为亮度信号幅度标称值并具有规定形状的窄脉冲加到被测 通道的输入端，如果输出脉冲的幅度和相位均相对原脉冲发生了偏离，则称这些 偏离为短时间波形失真。 短时间波形失真可以在幅度急剧上升的信号中或者是2 t 信号中造成幅度变 化、振铃、过冲和下冲。 测试方法：把如图2 5 所示的2 t 脉冲和条脉冲信号加之被测通道输入端， 在输出端得到如图2 1 3 所示的波形，短时间波形失真可用公式( 2 2 1 ) 进行计 算： 短时间波形失真：兰兰1 0 0 ( 2 - 2 1 ) 其中，p 为2 t 脉冲的幅度，l 为条脉冲信号幅度的平均值。 2 4 1 3 过冲失真 图2 1 3 短时间波形失真示意图 定义：把宽度较窄的方波信号加到被测通道的输入端，则输出方波信号 在其前后沿附近区域内所产生的最大暂态偏离与此方波稳态幅度的比值，称为过 冲失真。 1 6 第二章视频通道客观评价指标分析 测试方法：将如图2 1 所示的条脉冲信号加至被测通道输入端，在输出端出 现如图2 1 4 所示波形，代入公式( 2 - 2 2 ) 求出过冲失真： 过冲失真= r a 1 0 0 其中：a 为a l ( 预冲) ，a 2 ( 上冲) ，a 3 ( 下冲) 中的最大值： l 为条脉冲的幅度。 图2 1 4 过冲失真示意图 2 4 2 亮度信号线性失真k 系数评价法 ( 2 - 2 2 ) 一：j!ii彗ii b i j + 2 k ； 图2 一1 5k 5 0 刻度板 b 行时间波形失真k 。 第二章视频通道客观评价指标分析 将如图2 - 5 所示的2 t 脉冲和条脉冲信号加至被测通道输入端，在输出端示 波器上将条脉冲调到与k 。刻度板( 如图2 - 1 6 所示) 在a 、b 、m 。、m ：重合， 测出条项的最大偏移处的k 。，条脉冲顶部最初和最后1 s 除外。 图2 - 1 6 k b 、k p b 刻度板 l 5 0 0 c 2 t 正弦平方波与条脉冲之幅度比k 曲 将如图2 5 所示的2 t 脉冲和条脉冲信号加至被测通道输入端，在输出端示 波器上测出相应于正弦平方波脉冲峰点偏移处的k “( 如图2 1 6 所示) 。测量时 示波器增益应保持与b 相同。 d 2 t 正弦平方波失真k 。 把2 t 脉冲加至被测通道的输入端，在输出端将示波器幅度和位置旋钮调到 使2 t 脉冲的基线与k 。刻度板标o 的水平线重合，并使脉冲峰点在顶部水平线 ( 如图2 1 7 ) ，测出对应于不失真状态的最大偏移处的k 。 2 4 3 色度一亮度增益差 图2 - 1 7 k p 刻度板 定义：把一个具有规定的亮度和色度分量幅度的测试信号加至被测通道的输 入端，输入和输出之间色度分量和亮度分量的幅度比的改变称为色度一亮度增益 第二章视频通道客观评价指标分析 差。 色亮增益差往往表现为色度信息的衰减或者剧烈增加，它们在电视画面上表 现为色度饱和度的失真。 测试方法：把如图2 - 6 所示的1 0 t 脉冲填充副载波信号加至被测通道的输入 端，在输出端l o t 脉冲信号呈现如图2 1 8 所示的畸变，利用补偿法，调节亮度 分量和色度分量之间的相对增益，使底线中心达到平坦，则增益调节量即为色度 一亮度增益差a k ，以d b 为单位。当色度分量增益大于亮度分量增益时( 如图 2 1 8 ( a ) ) ，k 为正；反之( 如图2 1 8 ( b ) ) ，k 为负。 ( - ) 色度增益丈于亮度增苴 ( b ) 色度增苴小于亮度增苴 图2 - 1 8 具有色亮增益差的1 0 t 脉冲信号 2 4 4 色度亮度时延差 定义：把一个亮度分量有规定的幅度和波形，色度分量是被这个亮度分量调 制的色度副载波，这两个分量在幅度和时间上都有确定的关系的复合信号加到被 测通道的输入端，在输出端，把亮度分量与色度分量的调制包络作比较，如果这 两个波形的相应部分在时间关系上与输入端不同，则称此变化为色度一亮度时延 差。 色亮时延差往往造成色彩的拖尾效应，尤其是在显示物体的边缘部分。在亮 度变化过快时，它往往造成重现失真度增加。 测试方法：把如图2 - 6 所示的l o t 脉冲填充副载波信号加至被测通道的输入 端，在输出端1 0 t 脉冲信号呈现如图2 1 9 所示的畸变，利用补偿法，调节亮度 分量和色度分量之间的相对延时，使底线重新达到平坦则延时调节量即为色度一 亮度时延差f ，以n s 为单位。当色度分量时延大于亮度分量时延时( 如图2 1 9 ( a ) ) ，f 为正，反之( 如图2 1 9 ( b ) ) ，r 为负。 1 9 第二章视频通道客观评价指标分析 衄瓜 t 怕度耐蔓大于甍度时置 t b ) 色度时置小于壳度时置 图2 1 9 具有色亮时延差的1 0 t 脉冲信号 2 4 5 增益频率特性 定义：从场重复频率至系统标称截止频率的频带范围内通道输入与输出之间 相对于基准频率( 1 0 0 - - - 2 5 0 k h z ) 的增益变化，称为增益频率特性，以d b 为单 位。 幅频特性的指标主要表征系统是否均一的传输视频频带内所有频率特性的 信号，对高频信号没有明显的衰减。 图2 2 0 多波群信号 测试方法：采用点频，带消隐的扫频或多波群法，一般低端从l o o k h z 测起。 我们采用多波群信号的测量方法，将如图2 - 2 0 所示的多波群信号加至被测通道 输入端，在输出端测量各频率分量的幅度，代入公式( 2 - 2 3 ) 进行计算： g 划g 翥裂器麓d b 协2 3 ，u2 z 叭g 蚕砀幕两孺匿石f 面 u 吃川 2 4 6 群时延频率特性 定义：从场重复频率至系统标称截止频率的频带范围内通道输入与输出之间 ，。_i。_i，l_。l v v v v ， v 裂= 刚 第二章视频通道客观评价指标分析 的群时延相对于基准频率( 1 0 0 - - - 2 5 0 k h z ) 的群时延变化，称为群时延频率特性。 群时延以n s 为单位。 群时延往往导致因为亮度振铃、过冲和下冲引起的垂直方向锐度减小。 2 l 第三章视频通道测量系统的硬件设计 第三章视频通道测量系统的硬件设计 3 i 主控制芯片的选择 要实现对于视频信号的采集和指标计算功能，目前有几种方法可以考虑，如 使用单片机作为微控制芯片搭建系统，或者使用通用d s p 作为主控制和计算芯 片，再或者使用f p g a 进行系统的设计。1 4 单片机工作在比较低的系统时钟下，可用于比较简单的系统设计，而且主要 用于控制功能，对于本系统大量的指标计算以及复杂的算法不能胜任，因此本系 统不选择单片机作为主控芯片来搭建系统。 f p g a 是一种很灵活的处理器类型，随着f p g a 的门数不断提高，其应用逐 步向数字信号处理领域发展。现在，f p g a 已经开始面向性能要求超越传统单个 d s p 器件数倍乃至上百倍的数字信号处理市场。但是f p g a 存在一些弱点，比 如成本高，应用开发工作要比d s p 程序开发困难等。相对于d s p ，f p g a 开发 成本更高，周期更长。 数字信号处理芯片( d s p ) 是一种非常适合进行数字信号处理的微处理器， 它不仅在硬件结构上，也在指令流程上有着显而易见的优势。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初的 4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到0 3 3 n s ( 如a d s p b f 5 6 1 ) ，处理能力提高了1 0 0 0 多倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4u 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚微米c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从 1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵 活性的增加。此外，d s p 芯片的发展，使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗 都有很大程度的下降。 为了满足本视频测量系统中输入信号采样速率快、信号实时处理的要求，本 设计采用d s p 作为主处理芯片搭建整个硬件平台。d s p 芯片是以算法特点为基 础设计的，其体系结构直接反映算法的特点，因此它非常适合实时快速地实现各 种数字信号处理算法。d s p 除了具有普通微处理器所强调的高速运算和控制功能 外，还针对实时数字信号处理在处理器结构、指令系统和指令流程上做了很大的 改动，它的结构特点如下： 第三章视频通道测量系统的硬件设计 ( 1 ) d s p 普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结 构，比传统的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度。 ( 2 ) d s p 大都采用流水线结构。采用指令流水线的执行方式，可以大大提 高系统的执行效率。使得系统可以低延迟或“无延迟 地执行较复杂的指令。从 而在不提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间，进一步增强处理器的数 据处理能力。 ( 3 ) 针对滤波、相关、矩阵运算等特点，d s p 大多都配有独立的乘法器和 加法器，使得在同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算。有的d s p 还可 以同时进行加、减、乘运算，大大加快f f t 的蝶形运算速度。 ( 4 ) 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅 助寄存器用于寻址，它们可以在当前访问前后自动修改内容以指向下一个要访 问的地址( 自动变址) ，并支持循环寻址和位反序寻址。 ( 5 ) 具有硬件接口逻辑和软件等待功能，使得d s p 作为快速芯片能与 s d r a m 、f l a s h 、f i f o 等各种慢速存储器接口。 ( 6 ) 配有中断处理器、定时控制器和实时时钟，可以很方便地完成控制功 能。 考虑到系统的性能、成本和功耗等因素，系统决定采用a d i 公司设计生产 的定点d s p 芯片a d s p b f 5 3 1 来实现视频信号采集分析算法。 a d s p - b f 5 3 1 是b l a c k f i n 系列处理器中性价比很高的一款主流芯片，是 b l a c k f i n 系列处理器的第二代产品。，b l a e k f m 系列d s p 是a d i 公司与i n t e l 联合 开发的体现高性能体系结构的首款d s p 芯片。它是1 6 位定点d s p 产品的一个 大系列。它作为一种尖端的信号处理技术，其体系结构不仅特别适合于完成视频、 音频、语音和数据通信的数字信号处理，同时还提供综合的控制能力。它具有微 信号结构，动态电源管理功能，降低了系统的功耗；具有高度并行的计算单元和 高性能的地址产生器，提高了数字信号处理的速度；它还具有极佳的代码密度和 分层结构的内存，而且能集成更多的外围设备；具有j t a g 接口，提供了方便的 调试手段。b l a c k f m 系列处理器通过集成丰富的业界领先的系统外设及存储器， 成为下一代需要将r i s c 式编程、多媒体支持和前沿的信号处理等集成在片内的 处理器平台的很好的选择【5 1 。 a d s p - b f 5 3 1 采用1 7 6 脚l q p f 封装。它的主要性能如下【6 】： 1 具有高速定点运算能力，最高4 0 0 m h z 时钟频率，8 0 0 m m a c ； 2 高达1 4 8 m b y t e s 的片内存储器； 3 内含1 到6 3 倍频的锁相环( p p l ) 时钟发生器； 4 外部存储器控制器可与s d r a m 、s r a m 、f l a s h 和r o m 无缝连接； 第三章视频通道测量系统的硬件设计 5 灵活的存储器引导方式，可以从s p i 、外部存储器或内部r o m 引导： 6 采用低功耗和低电压的设计方法，具有动态功率管理的特点，即通过改 变工作电压和频率来大大降低总功