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HDTV系统测量初探

2006-09-05 本刊编辑部 陈善栘 依马狮网


    近来,新建的HDTV数字演播室、转播车逐渐增多起来。而相应的单机、系统验收、日常维护等的测量问题也已经提到了日程。虽有“眼图”参数作为标准订在那里,但如何运用?怎样才算合格?困扰着大家。如何能够得到预警信息?也是数字电视系统维护中十分期待解决的问题。

一. HDTV数字视频通道增益的“新”概念
    传统的模拟视频通道增益的概念多指:从摄像机输出到切换台输出(包括通道中各个设备的输入信号)的幅值均应保持700mv。随后的,无论是送往录像机、其他机房还是较远的总控、播出或传送等部门,都要保持700mv(到达值)。不够时就要设法加大传输能力,如使用直径较粗的电缆、减少无端衰耗或利用分配放大器提高传输能力并保持终接匹配。其中,进、出机房的信号接口盘、矩阵、应急开关、切换台等有源或无源器件的接口处(含电缆)等的损耗都较小,可忽略。因为,在模拟电视系统中电视信号的带宽仅有6MHz,当传输距离为20~30米时(即使加上多个无源的连接器),信号衰减也不大。

    然而,数字串行信号通过SDI接口的速率都在270Mb/s以上(SDTV),HDTV则更高达1.485Gb/s(粗略称作1.5Gb/s)。所以,作为HDTV的数字视频通道,“无衰减”就做不到了。特别是,不能再沿用模拟时期《视频通道测量方法》中推崇的“介入增益”,来解释数字通道规定。

    传统的视频通道要求各个节点之间必须保持0dB(700mv;75Ω)。即:当在这一系统中加入一个设备或无源网络时,希望不要影响后续设备的工作,也就是要使所加入的设备增益均为1。或者说在两个端点之间插入设备时,不管设备内部对信号进行怎样的处理,其输出电平总要和输入端一样(700mv),不允许设备间互补。也只有这样,才能做到在不论插入多少设备之后,系统的总增益不变。这就是模拟时代的“介入增益”要为0dB的概念。如何衡量达标与否?用“介入增益稳定度”和“动态介入增益变动”的容限值来衡量。如,中华人民共和国广播电视行业标准GY/T 107-092《电视中心播控系统维护规程》中对视频通道主要运行技术指标“介入增益”等级参数的要求是:甲级为±0.2dB;乙级为±0.36dB;丙级为±0.48dB等。它意味着,在0dB(700mv)基础上允许高出+0.2dB或降低-0.2dB(甲级),余类推。

    数字视频通道的指标要求是:各设备输出端必需达到800mv(指眼图幅度标称值,可略微正负10%)。但是并没有要求输入端必须是800mv。实际上由于电缆线路损耗较大(特别是频率高端)也确实达不到。这一点往往成为人们误解数字系统不好掌握的症结。其实,在评价数字系统时只要先将“介入增益”的概念彻底抛开,然后。再按数字特性的规律去考虑问题,就可以顺理成章地接受了。
  
二. 眼图达标值是指设备输出端
    行业标准GY/T 165-2000《电视中心播控系统数字播出通路技术指标和测量方法》中规定了数字视频通路各检测点眼图的技术指标。其中,眼图幅度最为敏感。这里所标的数值是指设备输出端应该达到的范围。当连线较长、或因通过连接器、开关等无源器件时幅度衰减较大,信号减弱很多也不必担心。因为,下级设备多工作在开关状态属脉冲放大器类型,其输入特性取决于均衡网络,且“均衡能力”都较强。所以,足以使信号得到恢复。

    实践表明,除个别情况外,数字设备的输入端都带有均衡器,并以“均衡能力”来表示该设备的性能好坏。如,在某种速率下、能够传送多少米远等。举例来说:一台型号为P16HSCQI-2的LEITCH高清“应急切换器”其说明书中标明的入口性能为:Belden 1694A  1.5Gb/s  120M。然而,又一台型号为IQSDA01的SNELL & WILCOX高清“视频分配放大器”其入口性能标明的是:能接受Belden 1694A在1.485Gb/s情况下,经140M传输的信号。显然强于“应急切换器”的指标。

    通过查表可见,电缆1694A的特性为:在1.5Gb/s情况下,按SMPTE 292M标准,能够传输距离122M(条件是:用750MHz频率的眼图作为测试信号;当眼图幅度衰减20dB时,该电缆的长度)。在运行条件下,也可以用所传节目的信号(眼图)进行测量。电缆的可传实际长度能达到172M(条件是:以每2分钟出现1次误码为准,此时的眼图幅度已衰减到176mv)。其实,还有潜力(有时眼图幅度小到100mv以下,仍能还原图像)。因为,在误码没有出现前,眼图的幅度再小,只要是保持“过零点”不丢失(保证0、1的各个跳变沿存在),就能正确解码。
 
三. 等效电缆长度计的应用及电缆加载实验
    鉴于上述“眼图”幅度已经远低于标称值,居然还能通过“均衡器”使眼图恢复正常。可见,用“眼图”指标衡量传输质量、进行信号监测(含检测)是不行的,要设法找出一种客观参数,实时反映情况,并能够提前发现问题才好。

    LEADER电子株式会社开发的LV 5700A及LV 5750型数字波形监视器 推出了“等效电缆长度计”的功能(高、标清兼容)。具体原理是:将已知特性及长度的电缆电参数存储在仪器里,用它与被测电缆相比较,一致时的长度值便以字符显示出来。

    加载实验是:先将与被测系统同等型号的电缆20米,接到正常运转的系统中(等于增加了20米电缆的信号损耗),确认错误(误码)是否增加。如无变化,继续加长,直至开始出现误码(暂以2分钟内出现一个误码为准)。此时的电缆长度作为临界值(含20米)即为“余量”。例如:通过“等效电缆长度计”功能,测得原系统电缆总和(包括设备加起来)的“等效电缆长度”为70米,额外增加到50米时出现临界值,则此50米即为“余量”。仪器还可按此实验长度设定字符颜色:如70米以下用“蓝色”;70~90米用“橙色”(安全预警);90米以上用“红色”(报警)直至120米处(达到余量极限,也即“崩溃前兆”)。日常不出意外时均指示70米,有意外损耗时,等效长度的“米数”会增加,通过监视等效长度的变化即可预知系统故障的前兆。

    关于电缆加载实验周期,一个系统只需在新建之后验收时或大修之后做一次。日后,只要注意观察仪器上已经设定好的预警信息(蓝、橙、红)字符的颜色及数值即可。加载实验用电缆截取的长度可考虑结合日常应用,如:1米、2米、5米、10米、30米和50米等长度备用(可足够保证实验时变换长度所需的灵活性)。尽量避免随意乱截造成浪费。电缆型号自始至终最好一致。截断的电缆均安装BNC接头,以便用“直通头”将不同长度的电缆串联起来,易于变换。接头之间的损耗暂且忽略不记。当必须精确认定时,可再按试验总长度,截取一根完整的电缆进行测量(注意电缆型号!非标准电缆,或型号未知、型号差异较大的电缆,仪器上所指示出的等效长度会与实际长度差别很大)。原因是仪器内部存储的电缆等效长度数据只包括世界上有限的几种名牌厂家资料。非品牌电缆只能给出“相当于”某品牌、型号的长度。
 
四. 电缆与连接器的损耗不容忽视
    电缆损耗问题其实一直存在,只不过是到了数字、外加“高清”阶段,数据传输速率猛增,显得比较敏感和突出了。模拟时代视频信号的频带最高也就是6~8MHz;数字时代开始的SDTV基带传输速率为270Mb/s(相当于135MHz工作频率);HDTV(1080i)的传输速率提高到1485Mb/s(相当于742.5MHz工作频率);而如今,用于电影的4:4:4高清晰度数字信号;或者1080P扫描格式所需的传输速率又增加了一倍,工作频率也相应地提高到1.485GHz。这一点,从BELDEN公司最新公布的资料也可看到:电缆的测试扫频带宽已相随提高到4.5GHz(三倍工作频率)。同一厂家的不同型号的物理结构、电气参数等毕竟差异较大,传输距离也会相差很多。如BELDEN cable(百通电缆)照片中用于HDTV的5根型号不同的电缆上方都标出了可以传输的最大距离(50~250米不等)(参见图1);型号不同还体现在线径上,从不同截面图上可见(参见图2);相应的表格里都有详细的参数可供查询。图3为“以不同速率传输串行数字信号的最大传输距离/Maximum Transmission Distance at Serial Digital Data Rates”表。从中不难看出:所谓“高清”、数字电缆只是商品宣传上的便利称呼,也较明确。如,能用于“高清”的电缆,意味着高频衰耗小于一般电缆。同样,所谓的数字电缆较之“模

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