数字高清串行流的测试－襄樊电视台戴延龄

关键词：高清　SDI　测试
视频串行流即SDI流。与模拟信号相比，SDI流的传输测试有两个不同的特点：(1)模拟信号的劣化是逐渐衰变的，数字信号的劣化则是突变性的；(2)SDI流的测试项目要少得多。这是由模拟信号和数字信号各自的特性所决定的。模拟信号是基于信号波形的，可以这样认为，波形就是图像，在传输过程中波形的任何畸变均会导致图像失真，因此模拟测试项目众多，操作繁琐。数字信号则不然，只要传输过程中信号波形的畸变不足以造成接收端对码元电平的误判，就可以认为它对传输的数据没有影响。
在数字测试中，我们关心的是信号波形应当符合什么要求，就能避免码元电平的误判。在常规维护和运行测试中，我们仅通过眼图和抖动测量及误码测试，就能够判断数字信号传输质量。而所有这些测量项目都可以在线进行。一般说来，如果接收端的眼图和抖动测试符合要求，那么在接收设备良好的情况下，接收端应该与发送端具有相同的视频质量。
样值数据字的显示
 
数字高清信号是由视频数据、音频数据和各种辅助数据(如定时基准码、CRC字、行序指示字、附属数据标识字等)组成的，如果我们能够查看这些数据字，就进入了数字高清信号的最底层，这对于处理一些深层次问题很有帮助。图1是用WFM700观察到的高清数据HEX(十六进制)显示。被测数字高清信号的格式为1080i/59.94，即场频为59.94Hz，隔行扫描方式，每帧为1080有效行，与我国采用的1080i/50格式略有差别。
图1中给出的是一个亮度/色差行的样值数据字显示。横向按(CBi Yi)(CRi Yi＋1)自左向右的顺序排列，此处i表示样点序号，即由左数第一列给出的读数。注意i是偶数。以图中样值数据的第一行为例，第3列的Y样值是1914号，第5列的Y‘样值是1915号，而位于第2列的Cb样值和位于第4列的Cr样值均为1914号，没有1915号的色差样值。

 
图1中样点序号1914～1919位于行正程，1920～1936号位于行消隐区。图1中1920号Cb字至1923号Y‘字分别是3FFh、3FFh、000h、000h、000h、000h、274h、274h，这8个字属于定时基准码，根据其样点序号可判断是EAV而不是SAV。其实，根据1923号Y‘字的数值是274h，也可以判断出它是EAV字(因274h的bit 6即H位是“1”)。
在第1行至第3行绿色数据字中，色差字为200h和亮度字为40h，它们分别是色差信号和亮度信号的消隐电平。
在EAV之后应是亮度(或色差)的两个行序号指示字，它们是240h和208h，二进制分别为1001000000和1000001000，行序号为100010000，即第272行。这与仪器显示的“Line”数是一致的。
行序号字后红框内是亮度行及色差行的CRC校验字。
现在可以观察嵌入音频中的数据字了，注意音频数据包只插入色差行的消隐区，因此可不必理会亮度字。实际上，图1中CRC字之后的亮度字均为40h，表示亮度电平为消隐电平，即没有插入任何数据。色差CRC字后有3个ADF字，即000h、3FFh、3FFh，说明已插入了附属数据包。这3个字之后是DID字，图1中为2E7h，该附属数据包为第一音频组的音频数据包。DID字之后是DBN，其值为164h，它给出了该音频数据包的序号为100(取164h的bit0～7)，但因块序号是循环计数，并不能据此断定它前面只有99个同类型的音频数据包。接着是DC字，音频数据包的DC字固定为218h。
DC字之后是用户数据字部分。首先是CLK两个字：253h和104h，换算后得知CK12为0，CK0～CK11的十进制数值为1107，说明载入这个音频数据包中的音频样点在到达格式化器输入端时，距上一行EAV的时间间隔为1107个视频时钟。从1936号Cb字(数值为230h)开始，此后的色差字就是音频样值数据了。
 
眼图测试
 
眼图测试是观测数字基带信号的基本测试方法。它是使用宽带示波器来观测数字信号的脉冲波形。尽管SDI信号中的脉冲波形是随机变化的，但这种比特流有着确定的码元周期，当示波器的水平扫描周期与码元周期同步时，大量的随机脉冲波形会按码元周期叠加，加之荧光屏的余辉效应，这时示波器就能显示出稳定的像眼睛一样的图形，如图2所示。

在眼图中，我们关心的是垂直眼开度(眼孔中的最大垂直间距)和水平眼开度(眼孔中最大水平间距)的大小。垂直方向的变化反映了信号幅度和噪声的大小，当幅度降低或噪声增大时，垂直眼开度变小，会导致接收端码元电平的判决失误。水平方向的变化反映了时钟的抖动，抖动过大使水平眼开度变窄，同样会造成误码，甚至无法恢复原始数据。图2说明了如何用眼图来测试SDI信号的幅度、抖动、上升时间和过冲等参数。图中UI即单位时间间隔(码元周期)，对于数字高清SDI信号，码元周期T=1/(1.485×109)=673.4ps。利用WFM700M的游标和标尺，可以很方便地检测上述参数，这些参数以定量的形式表征了眼开度的大小。
通过眼图测量我们可以直观地发现传输通道中的问题。图3给出了终端匹配状况的比较。左图是匹配正确的眼图图示，没有明显的过冲发生；右图中，由于线路失配，脉冲波形发生了畸变，导致眼图的顶部产生过冲。

抖动测试
 
所谓抖动，按照SMPTE RP 184的定义，是指数字信号的脉冲跳变沿相对其理想位置在时间轴上的偏移。在理想情况下时钟信号均以相等的时间间隔发生跳变，但在实际系统中受各种因素如噪声、脉冲失真等的影响产生抖动。抖动会造成接收端恢复的时钟和数据在时间上的瞬间偏差，使眼图在时间轴(图2的水平方向)上趋于闭合，从而导致数据误判。一般而言，高频抖动会影响数据的恢复，而低频抖动则会对信号复用和D/A转换带来影响，因为它们对时间精度的要求十分严格。
抖动可分为定时抖动和校准抖动，二者区别在于用于比较的参考时钟不同和抖动的频率范围不同。在测试时要使用不同的滤波器，其幅频特性参见图4。定时抖动是数字信号跳变沿位置相对基准时钟的偏移，其下限频率为10Hz；校准抖动则是数字信号跳变沿位置相对于取自该信号的时钟的偏移，其下限频率对数字高清为100kHz。测量定时抖动应选择10Hz的高通滤波器，要求抖动峰峰值小于1UI，即673ps。在测量校准抖动时，对于数字标准清晰度使用1kHz的高通滤波器，对于数字高清则使用100kHz的高通滤波器，要求抖动小于0.2UI。测量时可使用彩条测试信号，也可以在线测试。须要注意的是，如果使用10分频的串行时钟作为抖动测量设备的触发信号，有可能掩盖10比特字的相关抖动分量。

利用WFM700M测量抖动十分方便，可以使用两种方法。
眼图测量法
第一种方法是眼图测量法，它是用游标对抖动进行测量，如图5(a)所示，图中给出定时抖动(BW=10Hz)的测试值为134ps。眼图测量法的优点是简便、直观，并可结合眼图的其它参数一起进行测量，特别适合于监测和维护。

抖动显示模式
第二种方法为抖动显示模式，它是利用峰值检波器对抖动进行精确测量，测量结果以读数形式直接显示在“Measured jitter(p-p)”小盒中，如图5(b)所示，小盒中给出校准抖动的峰峰值为78.9ps(0.117UI)。这种方法能够避免人眼的视觉误差，并可排除噪声或眼图开口变小等其它因素带来的影响。图中水平线条的粗细代表了抖动的峰峰值幅度。
WFM700M在进行抖动测量时，既可以启用选行模式，从而可以测量任一行的抖动大小；也可以关闭选行模式，这时测量的是全场抖动的最大值。
 
SDI检测场测试
 
这是一种加载测试，要在停播后进行。目的在于给被测设备人为地制造一个“恶劣的”数字环境，以检查其承受能力。这种测试具有实际意义，原因在于：(1)数据流中可能存在丰富的直流或低频分量，这给接收端均衡器的正常工作带来了挑战；(2)数据流中也可能有长串的“0”或“1”，锁相环可能因长时间无跳变沿而失去时间基准。为模拟这两种状态，特别设计了“病理检查信号”即SDI检测场信号，它由各占半场的两种信号组成，均按C/Y样值的顺序在有效图像行中连续传送。
视频信号串行流要通过加扰和NRZ/NRZI编码后输出，扰码器由9级反馈移位寄存器组成，因此可能产生29= 512种不同的随机状态。当扰码器输入端出现特定的数据字时，如果扰码器处于一种特定的状态，那么在NRZ/NRZI编码器的输出端会出现长串的连零数据。SDI检测场信号就是这样的特定字序列，如果在有效行中连续传送这种特殊的序列，在大约半场的连续行中，有一行或几行会使扰码器处于特定的起始条件，使输出端出现长串的零值。
第一种信号在上半场传送，它由样值电平分别为300h和/198h的C/Y数据序列所组成，即将300h、198h、300h、198h…的数据序列依次连续传送，这种连续数据流在接收端的图像监视器中呈紫色。如果某有效行样点数据的最低位到达扰码器的输入端时，扰码器中9个移位寄存器的状态正好处于某一起始条件下，其输出端会产生连续18个“0”和随后两个“1”的周期序列，而经过NRZ/NRZI编码器后又变换为19个连“0”和随后的一个“1”，具有最多的连零个数，直流成分大，因此可用于均衡器测试，见图6上半部分。
第二种信号在下半场传送，它是由样值电平分别为200h和110h的C/Y数据序列所组成(在接收端的图像监视器中呈灰色)，如果某有效行样点数据的最低位到达扰码器的输入端时，扰码器的状态正好处于起始条件下，其输出端会产生连续19个“0”和随后一个“1”的周期序列，经NRZ/NRZI编码器后成为20个连“