淺談病態碼測試在數字電視傳輸系統中的重要性

崔志明

（大連廣播電視臺，遼寧 大連 116000）

隨著現代電視技術的快速發展，電視信號格式已從模擬標清轉變為數字標清并正向數字高清過渡，信號傳輸模式也從以電纜傳輸為主逐步轉變為以光纖傳輸為主。但在這種過渡過程中，會伴隨一些隱性的問題，如在系統使用過程中會丟失圖像，圖像會抖動或者圖像閃爍、黑屏一兩秒鐘后再恢復圖像，嚴重的時候圖像要很久才能恢復。但用測試儀器去檢測時，又都符合廣電的測試標準。為了保證系統的安全播出，同時提高整體播出的質量，必須通過一些特殊的測試方法把這些隱性的問題給予排除，所以在系統測試時引入病態測試碼的測試方式。

1 SDI數字視頻和病態碼測試的基本原理

A/D轉換器把模擬視頻信號轉化為數字視頻信號，信道編碼器將A/D轉換器的位并行數字信號輸出轉換成適合于所選的介質（如同軸電纜）進行傳送的位串行信號。但該信號在傳輸過程時會因熱噪聲而惡化。信道譯碼器對接收到的位串行信號進行解串行化，并恢復成并行的位數字視頻信號。過多的熱噪聲會影響到信號譯碼器，最終會導致位錯誤或位丟失。D/A轉換器是A/D轉換器的反過程，就是把數字視頻信號轉化為模擬視頻信號，恢復成原始信號，如圖1所示。簡單地說在信道編碼器環節后輸出的就是高標清SDI信號。

圖1 模擬視頻信號傳輸過程

高標清SDI的信號構成，在ITU-R601數字電視標準中，確定以亮度分量信號Y和兩個色差分量信號RY、B-Y為基礎進行編碼，考慮到抽樣的樣點結構應滿足正交結構的要求，兩個色差信號的抽樣頻率均為亮度信號抽樣頻率的一半，Y，R-Y，B-Y三分量的抽樣頻率分別為13.5 MHz，6.75 MHz，6.75 MHz，采用10 bit量化，產生1 024級量化，位串行速率為270 Mbit/s。而對于高清數字信號HD-SDI，在SMPTE 274M數字電視標準中，Y，R-Y，B-Y三分量的抽樣頻率分別為74.25 MHz，37.125 MHz，37.125 MHz，10 bit量化，產生1 024級量化，位串行速率為1.45 Gbit/s。在高標清SDI信號中，除了有效的視頻信號之外，還有其他附加的信號，如有效視頻的結束（EAV）信號、有效視頻的開始（SAV）信號、線數信息（LN）、循環冗余校驗碼（CRC）、輔助數據信息（ANC）等等，同時輔助數據信息包含數字音頻、時間代碼、錯誤檢測和處理（EDH）以及未來用戶和控制數據，這些數據與視頻信號相同都采用10 bit量化。

高標清信號信道編碼格式如圖2所示，擾頻器及碼轉換器如圖3所示。

圖2 信道編碼格式

圖3 擾頻器及碼轉換器框圖

在傳輸時，為了避免系統在傳輸過程中，因數據錯誤過于集中而給圖像或者音頻帶來影響，采用了擾頻器生成為偽隨機二進制序列（G1(X)=X9+X4+1），生成NRZ（不歸零碼）信號，但NRZ在運用過程中，可能導致1的連續長串或者0的連續長串，從而導致在圖像恢復時遭到破壞，也就是在接收端不利于從接收數據信號中恢復時鐘信號。為了處理這個問題，利用生成多項式G2(X)=X+1對NRZ信號作轉換，從而得到NRZI（倒相不歸零）信號，再并行轉換成串行，形成SDI信號，這樣可以增加電平的變化頻率，有利于恢復數據時鐘信號（如圖2所示）。但它僅僅減少的是出現連續1和連續0的概率，它不能取消連續1和連續0的可能。理論上分析高標清SDI信道編碼后最極端情況可能出現的是1個1和連續19個0，因此要確保高標清SDI信號在這樣一個特殊信道編碼的情況下傳輸，并在傳輸中不出現誤碼即經系統傳輸的信號在顯示屏上不出現閃屏、黑屏等現象，那么必須用最壞可能出現的情況來設計并測試電路。為了測試高標清SDI信號傳輸系統的優劣，國際專業組織（SMPTE）高度重視，為此提供了專用的SDI查驗場信號（SMPTE-RP178標準）進行增強性測試，同時建議采用SMPTE-RP184對SDI信號系統進行性能檢測，以確保傳輸系統的安全可靠，此測試信號一般將它稱為“病態碼”。

2 病態碼在測試時的使用

眾所周知，模擬視頻傳輸系統若信噪比好、圖像質量好、分辨率高，則圖像清晰，信噪比下降時會在圖像上出現噪點，信噪比越低噪點越多，非常直觀。

SDI數字系統和以往的模擬復合視頻系統不同，在正常的傳輸狀態下由于SDI系統的數字信號通過傳輸后進行判決再生，信號幾乎無任何損傷，隨著傳輸信道信噪比下降，在崩潰點之前，數字系統仍能正常運行，在圖像上幾乎無法分辨有任何劣變。由于設備輸出的信號一般均進行了判決再生，因此測試儀器也很難發現問題，但在崩潰點之后，數字系統幾乎完全無法運行。在圖像上表現為不定時隨機地出現圖像馬賽克或停幀。從泰克的綜合測試儀上特別是眼圖這一指標能發現一般信號傳輸后眼圖開口沒有問題，但傳輸“病態碼”信號連續觀察一段時間會發現眼圖抖動頻繁，出現從0.2UI以內突變到1UI以上甚至10UI以上。具體測試變化圖4、圖5所示。

圖4 即將信號惡化的眼圖（截圖）

圖5 眼圖抖動厲害，甚至模糊（截圖）

對此，需要知道運行中的數字系統還有多少裕量，也就是說，需要了解系統離崩潰點有多遠。因此國際上就采用增強測試的方法即病態碼測試來測量系統的裕量，以確保系統運行在安全狀態。其原理就是人為地將一組如19個0和1個1的特殊病態碼信號輸入系統，觀察系統是否會崩潰或指標劣變，從而確定系統的狀況。

從抖動指標上就可以看出國際上對這一檢測的重視：他們將抖動0.2UI系統指標要求定義為對病理信號的測試要求。因為對一個病理信號抖動測試為0.2UI的系統，它在對彩條信號的抖動測試時約為0.07UI；若僅僅將自己的系統要求在對彩條信號的傳輸定為0.2UI（國標要求），則傳輸時幾乎不用時基回復功能（即消抖動）就可實現，不過使用這樣的系統在實際工作中因為沒有任何裕量很可能會出現偶然的崩潰，在圖像上表現為不定時隨機出現的圖像馬賽克或停幀、黑屏或者閃頻等現象。

那么對一個彩條信號的傳輸定為0.07UI系統，是否就安全了呢？答案是否定的，因為SDI的信道編碼方式采用擾頻NRZI，這樣做的目的是減少信號傳輸中的直流成分（連續的1或者0）。但是，對于某些特殊的數據排列還是會發生連續的1或者0的情形。這樣對系統傳輸帶寬有更高的要求，若系統對帶寬、信號均衡、穩定的鎖相等問題處理不當，均會對傳輸信號產生劣化，結果可能造成信號接收端產生誤碼。

國際上為此制定了SMPTE RP178中規定有這樣的檢測信號，通過故意加重直流成分，以對其影響進行評價，這樣的信號稱之為檢查過濾信號或者病態（Path?ological）信號。這種負擔有兩種形式：一種是電纜均衡器試驗用的1個“1”后面連續跟著19個“0”；另一種是20個“1”后面連續跟著20個“0”。信號的變化點很少，時鐘信號難以提取，故用作鎖相環路（PLL）性能的檢測。這樣的狀態發生一次以后至下一個EAV之前會連續發生，成為強大的疲勞信號，在EAV肯定要進行重新設定，所以最長連續1行，從概率來看，系統的加擾次數為9次，發生率為1行/512行。如圖6所示，左側上半部分是電纜均衡器試驗用的疲勞波形發生的信號畫面，左側下半部分是數據變化點少的時鐘恢復器試驗用的疲勞波形發生的信號畫面。這是對信號的均衡和場性能的檢測。通過這樣檢測，就能檢測出對整個傳輸系統離崩潰點有多遠，從而避免系統的崩潰，保證系統傳輸的穩定安全。

圖6 SDI查驗場即“病理測試信號”

簡而言之，病理信號檢測內容如下：

1）對均衡器好壞的檢測，即EQ CHECK；

2）對場信號的檢測，即checkfield；

3）對鎖相信號的檢測，即PLL check。

其實，隨著高標清系統在各個領域的迅猛發展，病理信號檢測是安全播出必須考慮的一環，并非是可有可無的。

下文中圖7～圖12是“病理信號測試”的實測圖示，圖13～圖14是75%Bars彩條信號的實測圖示。

圖7 檢測EQ check的信號源（截圖）

圖8 在系統中正常通過EQ check檢測的眼圖（截圖）

圖9 檢測checkfield的信號源（截圖）

圖10 在系統中正常通過checkfield檢測的眼圖（截圖）

圖11 檢測PLL check的信號源（截圖）

圖12 在系統中正常通過PLL check檢測的眼圖（截圖）

圖13 檢測75%Bars的信號源（截圖）

圖14 在系統中正常通過75%Bars檢測的眼圖（截圖）

3 小結

隨著科技的發展，模擬電視系統必然被高標清數字電視系統所取代，數字視頻系統比以往模擬視頻系統要復雜得多，特別是在圖像的畫質、伴音的音像效果、抗干擾等性能上，數字視頻系統有模擬視頻系統所無法比擬的優越性。在模擬視頻的世界里難以實現的制式變換、節目資源的共享、節目制作的特技合成、藝術效果的追求、節目資源的網絡管理等功能，在數字視頻系統的世界里都可得以實現。但是同時系統也比以往更加龐大、復雜，設備種類繁多，為了保證系統運行的安全、穩定、可靠，采用病態碼測試逐步成為高標清系統測試必不可少的環節。

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[1]MICHAEL R，MICHEL P.數字電視基礎[M].2版.北京超品技術有限公司，譯.北京：人民郵電出版社，2003.

[2]武暾，趙宗印，曹彥軍，等.數字衛星電視傳輸系統抖動特性模擬與實現[J].電視技術，2013，37（S1）：64-69.

[3]王勁濤，潘長勇，楊抒文.中國地面數字電視廣播信道編碼調制芯片介紹[J].電視技術，2009，33（7）：22-23.