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：liguo@liguo.com.cn
第四部分 信号的格式转换，Scaler和帧同步
由于现在应用系统中所用的信号有许多种格式，如常见的VGA、Video、DVI 、SDI 、HDMI等等，在信号复合使用时就必然会出现格式的统一和转换问题，其中主要包括以下几种转换方式。
一、模拟信号与数字信号之间的转换
以往常用的模拟信号包括Video 、VGA 、Y/C 、RGB、YUV、YPbPr、 YCbCr等等，其中VGA是IT行业中用的，与DVI有对应关系，而其他的基本上都是视频行业的信号，可对应SDI， HD-SDI或HDMI等信号，我们不去考虑数字信号中许多的协议情况，仅从信号本身的转换了解一下。从模拟到数字的转换是A/D的过程(Analog To Digital)。其包括两个主要概念: 1、采样率；2、量化的bit数。采样率是指一秒钟内对信号进行多少次的采样，如一秒钟采一次样，采样率就是1Hz，如果采1,000次，采样率就是1KHz，以此类推，目前，音频的采样率有48KHz、96KHz、192KHz等等，对应视频的采样率，一般Y采取13.5MHz，U/V采取6.25MHz，如果是R、G、B色域；会采用全部13.5MHz等等，在第一部分已经作过一些介绍。采样率的选用要根据所希望保留的信号带宽，根据奈奎斯特采样定律，模拟信号的带宽最大能达到采样率的1/2，对应第一部分中的介绍就能明白了，同时采样率还要和行/场有对应关系，与色负载波有对应关系等，因此才出现了如13.5MHz和74、25MHz等数值。量化的bit数是指将一个归一的数值，如1进行多少份的量化，如果将1分成两个1/2，采样的bit数为1，即21＝2。它能描述一个信号的幅度是否比1/2大或是小，但如果实际信号大于1/2又不到1，就无法知道具体是多大，只知道是介于1与1/2之间，描述比较粗糙，如果采样bit数是2 ，即22＝4，将信号分成4份，我们可以描述某信号是介于3/4与1/2之间，就比较准确了，如果量化bit数是8，那么我们选一个信号时其精度就能达到28=256，1/256的误差，如果是10bit数，其误差就能达到1/1024，以此类推。目前音频采样量化可达12bit，16bit，Video的采样量化一般为8 bit。
D/A(Digital/Analog)，这就是A/D的反过程。
二、模/数转换中的损失
从A/D与D/A的过程中了解到，数字信号只能尽可能少损失地描述模拟信号，但不能完全真地还原，这里包括几个问题：
1、带宽的损失，按照奈奎斯特采样率，所能保留的最大带宽为采样率的1/2，这一数据在实验中也得到证实，附图是我们在测试VGA信号的光纤传输设备时的测量数据，黄线是VGA信号的频谱组成，而蓝线是经过光纤传输(其中包括有一套A/D和D/A的过程)所得到的频谱，因为数字信号不会在传输过程中有其他损失，因此造成的损失由A/D、D/A承担。在原信号3dB点上看时，正好增加损失了6dB，复合理论上的一次A/D、D/A过程，带宽损失6dB的描述。
2、信号的损失，由于采样bit数有限，因此对信号的描述不可能完整，总要损失许多信息，按照理论上的推算，8bit的采样对信号造成的损失可达信噪比52-54dB左右，10dB的损失可达60dB左右，(信号有些内容损失了对原信号来讲，也是一种噪声)，因此现在量化bit数在不断增加，从8bit到10bit到12bit，如HDMI和DP中的DeepColour， 带来的是带宽的增加。
三、数字信号之间的转换
数字信号由于采用的编码形式不同，在复用时也要进行转换，原则上，因为都是数字信号，不存在A/D和D/A的过程，不会再有严重损失了，但实际上由于各种数字信号在原生成时所依据的信号是不同的，如SDI与HD-SDI是依据YUV色域空间的，而VGA、DVI、HDMI、DP等是RGB色域空间的。我们知道，采用YUV色域就是可以利用UV带宽压缩以减少带宽，因此基于YUV色域的信号比RGB色域的信号带宽小，由YUV色域向RGB色域转换，只是色域转换了，不能增加信息，但从RGB色域向YUV色域转换就必然会损失许多信息。例如HDMI信号，其支持RGB色域和YUV色域，同样的信号，在YUV色域看时明显比RGB色域时要差，因此我们一般不建议将RGB色域的信号转成YUV色域的信号，明显是吃亏了。 [Page]
除了色域的问题，其它就是信号格式的问题了，原则上讲只需要将格式转就行了，现在也有专门的芯片完成这一功能。但要形成完整的信号，其中的各种协议和一些具体要求不同，给转换造成许多麻烦，例如SDI和HD-SDI是广播电视行业的标准，其只针对特定的几种分辨率，对时钟精度的要求极高，如果把DVI等其它要信号转成SDI信号，除了色域的损失外，时钟精度很难达到SDI的要求，因此可能造成与其他设备联接时出现的问题，这些情况大家要预先考虑到，防止使用时的突发情况。
四、分辨率转换Scaler问题
在视频领域(Video、YUV、Y/C、SDI、HD-SDI等)，其分辨率就是几种，如480p、720p、1080i、1080p等，与IT行业常用分辨率相比，少得太多了。复合使用时，为了将信号统一，就要求将所有信号统一到一种或几种分辨率情况下，因此，此时的转换可能不仅是A/D、D/A的转换，也要包括分辨率的转换。这是一个较为复杂的过程，主要有以下几个问题。
1、隔行与逐行的问题，最早的视频信号是采用隔行显示的方式以节省带宽，而IT行业中是逐行显示的，隔行的信号是将一幅(一帧)画面采用两次取样，第一次取奇场，第二次取偶场，两场信号交叉叠加形成一帧图像。如果是一帧静止图像，这样没什么问题，二场图像之间没有位置差，如果是运动图像，两场图像间的位置就有差异。而IT行业中采用的是逐行显示，即一次就将一幅(一帧)画面全取下来，逐一地行行显示，同一帧的图像没有位置差。但在转换时就麻烦了，将隔行转换为逐行时，如果将两场信号按顺序地显示，如奇场对应第一帧逐行图像，偶场对应第二帧逐行图像，就有明显的“拉毛”现象，出现毛刺，如果只采用一场图像，则分辨率就会损失，且画面抖动会明显。现在虽然出现了许多去隔行算法，但都无法从根本上解决，搞过图像处理的人都知道，去隔行算法往往是Scaler的主要指标。
2、分辨率上的转换，从一种分辨率到另一种分辨率转换，必会带来许多损失。因为原装的分辨率图像是真实的，无法采用什么算法，新生成的图像其信息是利用原图像算出来的，只是主观感觉好一点。比如一个极简单的例子，由2个点算成4个点，如果将两个点重复变成1、1、2、2，从显示上来，虽然每个图像的信息是真实的，但像素点很粗，如果采用算法变成1、1、1、2，则中间的画面点的信息是假的，这在图像处理的角度上讲是损失了图像质量，何况图像处理中不仅有行方向的变化，还有场方向的变化，帧数不同造成的帧频方向变化，新产生的图像从质量上讲是变坏了，只是主观上好看了一点。
3、Scaler破坏了图像的质量，但为了信号的统一复用，这个过程有时是必须的，只是我们应该明白：①尽可能减少转换次数，别将一个信号三番五次地转换；②尽可能由低向高转，低带宽向高带宽转换，如视频向IT转，其中尤其是隔行转换，会使图像看上去“好转一些”，尽可能别向下转换，除非万不得已。
五、帧同步的问题
在应用中大家都会遇到这种问题，多路信号上屏时，在切换的时候，会出现屏幕图像跳动、黑屏等现像，有时黑屏的时间会很长。从视频应用开始就有黑屏现象，到VGA应用和数字应用中，黑屏现象可能会更明显。黑屏的过程如下：屏(或投影机等)在显示一路信号时，其行场同步和采样时钟与信号中的时序信息是对应的，此时切换为另一组信号，其行/场，同步与时钟马上要和新来的信号进行锁相，这是需要时间的。针对模拟视频，由于其分辨率较少，只有NTSC制、PAL制、SECAM制等，行场的频率和采样时钟是几种固定的格式，因此变化不太大，只需要简单判定一下是多少，随后马上可以锁定到该频率上，因此锁相时间较短。在1/4秒内可完成，既使是如此短的时间，屏幕也会跳动或黑屏。而IT行业则比较麻烦，对VGA信号来说，要根据行场频率及同步的极性，决定是何种分辨率，时钟频率是多少，由于分辨率众多，不可能一次就锁定该频率，而是一个渐近的锁相过程，因此黑屏时间就要长。数字信号也是如此，要根据所传来的时钟信号及EDID等信息去判断，最终锁定新的信号，这一过程要几秒钟的时间，对整体工程的质量造成很大的影响，因为用户不懂，他们只关心屏不能黑，因此帧同步的概念就出现了。 [Page]
所谓帧同步是将图像中的有效信号留存下来，再按照新的(或外来的)时序信号放出，从屏的角度上看，所来的信号时序是没有变化的，就不必要重新锁相，屏也就不黑了。在设计Scaler时，其中存在图像处理的过程，必然要将图像信号保存，并在生成新的图像时，一定会按照新的时序发生信号，如果此时能保证在更换新信号时新的时序没有变化或可与外部时序锁相，那就可以成为帧同步机，因此我们在设计Scaler时会考虑其帧同步的功能。当然也可以专用设计帧同步机，如Video的帧同步机，VGA的同步机以及DVI、SDI等专门的帧同步机。