标准失真模拟分量视频信号源及其校准方法
陈赫1, 杨智君2, 吴昭春2, 冯志刚2, 赵科佳2, 李抵非2, 田地1
1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130061
2.中国计量科学研究院 信息与电子计量科学和测量技术研究所,北京 100029
通讯作者:田地(1958-),男,教授,博士生导师.研究方向:分析仪器测控技术及软件.E-mail:tiandi@jlu.edu.cn

作者简介:陈赫(1990-),男,博士研究生.研究方向:电子计量与视频信号测量技术.E-mail:1030432480@qq.com

摘要

标准模拟分量视频测试信号参数单一,应用其对视频信号分析仪器校准时得到的结果不具有多样性。为解决这一问题,分析了模拟分量视频信号的测量原理,基于SDP2000信号编辑软件和TG700视频信号发生器,开发带有失真参数的模拟分量视频测试信号,并建立失真模拟分量视频信号源标准装置,对该装置的幅度电平和上升时间进行校准,评定了校准过程的测量不确定度。结果表明:幅度电平扩展测量不确定度为0.60%;上升时间扩展测量不确定度为0.19%(包含因子 k=2)。该信号源可以发出带有失真量的标清和高清模拟分量视频测试信号,能够用于视频信号分析仪器的校准,得到多样化的结果,从而更加全面地评价仪器的测量准确性。

关键词: 仪器仪表技术; 失真模拟分量视频测试信号; 数字信号合成; 仪器校准; 测量不确定度
中图分类号:TN98 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)04-1159-06
Standard generator and its calibration method for analog component video signal with distortion
CHEN He1, YANG Zhi-jun2, WU Zhao-chun2, Feng Zhi-gang2, ZHAO Ke-jia2, LI Di-fei2, TIAN Di1
1.College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China;
2.Division of Electronics and Information Technology, National Institute of Metrology, China, Beijing 100029, China
Abstract

When standard analog component video test signal is employed to calibrate video signal analysis instrument, the measurement results are insufficient. To solve this problem, first, the measurement principle of analog component video signal was analyzed. Then, based on the SDP2000 signal editing software and TG700 video signal generator, analog component video test signal with distortion was developed. A standard video signal source was set up, whose voltage level and rise time were calibrated and the measurement uncertainty was analyzed. Results show that the expended uncertainty of voltage level is 0.60% and the expended uncertainty of rise time is 0.19% (coverage factor k=2). Such standard source is able to generate standard definition and high definition analog component video test signal with distortion, which can be used to calibrate video signal analysis instrument to obtain various results and evaluate the measurement accuracy of the instrument more comprehensively.

Keyword: instrument and meter technology; distortion analog component video test signals; digital signal synthesis; instrument calibration; uncertainty of measurement
0 引 言

模拟分量视频信号广泛应用于电视演播室系统, 该信号参数通过视频信号分析仪器的监视和测量来保证视频信号的质量[1]。为了确保视频信号分析仪器的测量准确性, 需要应用高精度视频信号源发出标准模拟分量视频测试信号对其校准。目前, 商用视频信号源发出的标准视频测试信号参数单一, 视频信号分析仪器测得的理论结果缺乏多样性, 无法全面评价仪器的测量准确性。因此, 利用可以发出带有失真参数测试信号的标准视频信号源来校准视频信号分析仪器是必要的。孙永生等[2, 3]针对串行数字分量视频信号分析仪格式监视功能的校准, 开发了带有失真参数的数字分量测试信号。杨智君等[4]对复合视频信号的微分增益和微分相位失真的校准方法进行了研究, 建立了视频失真信号源标准装置。刘蕾等[5]基于失真视频测试信号, 研究了VM700T视频分析仪的校准方法。现有对失真模拟视频测试信号的研究主要集中在复合信号。

因此, 本文基于SDP2000信号编辑软件和TG700视频信号发生器, 研究了标准失真模拟分量视频信号源及其校准方法。以625i、50 Hz、GBR格式的标清模拟分量视频信号非线性测试为例, 说明了失真模拟分量视频测试信号的开发, 信号源标准装置的建立和校准, 并且评定了校准过程的测量不确定度。

1 模拟分量视频信号测量原理

在对视频信号分析仪器校准的过程中, 用到的模拟分量视频测试信号包括彩条信号、阶梯波信号、多波群信号、平场信号、斜坡信号等[6]。这里以625i、50 Hz、GBR格式的标清模拟分量视频非线性测试信号为例, 描述模拟分量视频信号测量原理。

当系统不能对模拟分量视频信号的各幅度电平予以相同处理, 即系统的增益随模拟分量视频信号幅度的变化而变化, 此时该系统存在非线性失真[6]。非线性失真的测量方法是, 送入被测系统一个5阶梯波信号。标准5阶梯波信号各台阶的电平增量相同。该测试信号通过系统后, 测量并比较系统输出各台阶的电平增量。被测系统的非线性计算如式(1)所示, 每个台阶电平的非线性计算如式(2)[7]所示:

N=ΔVmax-ΔVminΔVmax×100%(1)

Ni=ΔVmax-ΔViΔVmax×100%(2)

式中:N表示系统非线性值; Ni表示每个台阶电平的非线性值; Δ Vmax表示最大电平增量; Δ Vi表示每个台阶电平增量; Δ Vmin表示最小电平增量; i取1到5的整数。

标准5阶梯波测试信号的参数和应用视频信号分析仪器得到的理论结果如表1所示。图1是根据表1参数得到的一个周期内的标准5阶梯波测试信号中G通道信号示意图。由表1可知, 标准5阶梯波测试信号的参数单一, 导致视频信号分析仪器的校准结果不具备多样性。对于其他的标准模拟分量视频测试信号仍然存在参数单一的问题, 如多波群信号各频率正弦波电压幅度相等, 平场信号的噪声为零等。由此, 需要开发带有失真的模拟分量视频测试信号对视频信号分析仪进行校准, 如:对多波群信号中不同的频段赋予不同的电压值; 在平场信号中加入噪声量; 在阶梯波信号中, 不同的幅度给予不同的增益等。

表1 标准5阶梯波测试信号参数和理论测量结果 Table 1 Parameters and theoretical measurement results of standard 5 step signal

图1 标准5阶梯波测试信号G通道示意图Fig.1 Schematic diagram of channel G for standard 5 step signal

2 本文方法
2.1 标准失真模拟分量视频信号源

在研究模拟分量视频信号测量原理基础上, 基于SDP2000软件平台, 采用数字合成方法开发出带有失真量的模拟分量视频测试信号。图2展示了一个周期内的带有失真量的5阶梯波测试信号中G通道信号。表2是该测试信号的参数和应用视频信号分析仪器得到的理论结果。对比表1表2的5阶梯波测试信号测量理论值可知, 如果改变各阶梯的电平增益, 可以使得测量理论值多样化, 能够更全面地评价视频信号分析仪器的测量准确性。

表2 失真5阶梯波测试信号参数和理论测量结果 Table 2 Parameters and theoretical measurement results of 5 step signal with distortion

图2 失真5阶梯波测试信号G通道示意图Fig.2 Schematic diagram of channel G for 5 step signal with distortion

图3展示了标准失真模拟分量视频信号源。该信号源由TG700视频信号源硬件平台和SDP2000软件平台构成, 可以对带有标清和高清模拟分量视频信号参数测量功能的仪器进行校准。

图3 标准失真模拟分量视频信号源Fig.3 Standard generator for analog component video signal with distortion

2.2 标准失真模拟分量视频信号源校准

基于图3中的标准失真模拟分量视频信号源, 对其频率成分、幅度电平、上升时间等参数进行分析, 采用直流信号和交流正弦信号对标准失真模拟分量视频信号源的幅度进行校准[4], 采用脉冲信号对标准失真模拟分量视频信号源的上升时间进行校准, 如图4所示。其中, 直流幅度校准信号、交流幅度校准信号、上升时间校准信号在SDP2000软件平台上开发, 脉冲波形测量系统采用经过校准的力科WaveRunner640Zi示波器。

图4 标准失真模拟分量视频信号源校准与应用Fig.4 Calibration and application of standard generator for analog component video signal with distortion

校准信号的参数设置如下:直流信号的幅度为-0.3~0.7 V, 包括:-0.3、-0.1、0.1、0.3、0.5、0.7 V; 交流正弦信号频率为1~6 MHz(标清模拟分量视频测试信号), 包括:1、2、3、5、6 MHz; 1~30 MHz(高清模拟分量视频测试信号), 包括:5、10、15、20、25、30 MHz, 交流正弦信号幅度为:0.1~0.7 V, 包括:0.1、0.3、0.5、0.7 V; 脉冲信号上升时间:通过实验测量, TG700视频信号发生器标清模拟分量视频信号模块最优上升时间为58 ns, 高清模拟分量视频信号模块最优上升时间为22 ns。在标清和高清模式下, 分别对上述两个上升时间进行校准。

3 测量不确定度评定

针对标准失真模拟分量视频信号源直流幅度、交流幅度、上升时间的校准过程进行测量不确定度评定[8, 9]

3.1 幅度电平测量不确定度评定

3.1.1 直流幅度测量不确定度评定

(1)重复性引入的相对标准不确定度分量ur1

在重复条件下, 对-0.3~0.7 V内的直流电压幅度进行多次独立测量, 采用平均值作为直流幅度的测量结果, 根据贝塞尔公式得到相对标准不确定度分量, ur1≈ 0.256%。

在该实验的不确定度评定过程中, 重复性引入的相对标准不确定度分量占主要因素。这里以信号源在标清625i、50 Hz、GBR格式输出情况下, 500 mV直流幅度测量过程的重复性引入的相对标准不确定度评定为例, 给出具体的计算过程。

贝塞尔计算公式如式(3)所示:

s(x-)=s(xk)n=k=1n(xk-x-)2n(n-1)3

式中:xk 是各次测量结果; s(xk)是单次测量的实验标准差; x-是测量结果的平均值; s( x-)是平均值的实验标准差; n是测量次数。

针对信号源发出的测试信号, 利用经过校准的示波器测量其直流部分幅度10次, 数据见表3。由式(4)求得重复性引入的相对标准不确定度分量uex≈ 0.0564%。

uex=s(x-)x-=1x-×k=110(xk-x-)210×(10-1)0.0564%(4)

表3 500 mV直流幅度测量值 Table 3 Measurement result of 500 mV direct voltage

(2)示波器垂直分辨率引入的不确定度分量ur2

所使用的力科WaveRunner640Zi示波器A/D转换器可达11位[10], 按均匀分布(k= 3), 则由示波器垂直分辨率引入的不确定度分量为:

ur2=1/(211×3)0.028%(5)

(3)终端匹配负载引入的相对标准不确定度分量ur3

实验中采用75 W终端负载, 最大允许误差为± 0.025%, 按均匀分布(k= 3), 则由75 W负载引入的相对标准不确定度分量为:

ur3=0.025%/30.014%(6)

(4)视频信号源D/A转换器量化误差引入的相对标准不确定度分量ur4

TG700视频信号源D/A转换器位数为12位[11], 按均匀分布(k= 3), 则由视频信号源D/A量化误差引入的相对标准不确定度分量为:

ur4=1/(212×3)0.014%(7)

(5)合成相对标准不确定度, 扩展相对标准不确定度

上述(1)~(4)中讨论的各不确定度分量独立不相关。由方差合成定理, 标准失真模拟分量视频信号源直流幅度的合成相对标准不确定度为:

uc=ur12+ur22+ur32+ur42=0.256%2+0.028%2+0.014%2+0.014%20.258%(8)

取包含因子k=2, 则扩展相对标准不确定度为:

Ur=uc×2=0.258%×2=0.516%0.52%(9)

3.1.2 交流幅度测量不确定度评定

(1)重复性引入的相对标准不确定度分量ur1

在重复条件下, 对各频率0.1~0.7 V内的正弦交流电压峰峰值幅度进行多次独立测量, 采用平均值作为交流幅度的测量结果, 根据贝塞尔公式得到相对标准不确定度分量ur1≈ 0.297%。

(2)示波器垂直分辨率引入的不确定度分量ur2

所使用的力科WaveRunner640Zi示波器A/D转换器可达11位[10], 按均匀分布(k= 3), 则由示波器垂直分辨率引入的不确定度分量为:

ur2=1/(211×3)0.028%(10)

(3)终端匹配负载引入的相对标准不确定度分量ur3

实验中采用75 W终端负载, 最大允许误差为± 0.025%, 按均匀分布(k= 3), 则由75 W负载引入的相对标准不确定度分量为:

ur3=0.025%/30.014%(11)

(4)视频信号源D/A转换器量化误差引入的相对标准不确定度分量ur4

TG700视频信号源D/A转换器位数为12位[11], 按均匀分布(k= 3), 则由视频信号源D/A量化误差引入的相对标准不确定度分量为:

ur4=1/(212×3)0.014%(12)

(5)合成相对标准不确定度, 扩展相对标准不确定度

上述(1)~(4)中讨论的各不确定度分量独立不相关。由方差合成定理, 标准失真模拟分量视频信号源交流幅度的合成相对标准不确定度为:

uc=ur12+ur22+ur32+ur42=0.297%2+0.028%2+0.014%2+0.014%20.299%(13)

取包含因子k=2, 则扩展相对标准不确定度为:

Ur=uc×2=0.299%×2=0.598%0.60%(14)

综上所述, 标准失真模拟分量视频信号源的幅度测量不确定度取直流幅度和交流幅度中较大的一个, 即合成相对标准不确定度为0.299%, 扩展相对标准不确定度为0.60%。

3.2 上升时间测量不确定度评定

(1)重复性引入的相对标准不确定度分量ur1

在重复条件下, 对各脉冲信号的上升时间进行多次独立测量, 采用平均值作为上升时间的测量结果, 根据贝塞尔公式得到相对标准不确定度分量ur1≈ 0.094%。

(2)示波器抖动引入的相对标准不确定度分量ur2

所使用的力科WaveRunner640Zi示波器触发和插入抖动有效值小于等于2 ps[10], 将示波器引入的抖动看作高斯随机抖动(k=3), 则由示波器抖动引入的相对标准不确定度分量为:

ur2=2×10-3/(22×3)3.0×10-515

(3)示波器时钟准确度引入的相对标准不确定度分量ur3

示波器时钟准确度引入的不确定度小于等于1.5× 1 0-610, 按均匀分布(k= 3), 则由示波器时钟准确度引入的相对标准不确定度分量为:

ur3=1.5×10-6/38.66×10-716

(4)合成相对标准不确定度, 扩展相对标准不确定度

上述(1)~(3)中讨论的各不确定度分量独立不相关。由方差合成定理, 标准失真模拟分量视频信号源上升时间的合成相对标准不确定度为:

uc=ur12+ur22+ur32=0.094%2+(3.0×10-5)2+(8.66×10-7)20.094%(17)

取包含因子k=2, 则扩展相对标准不确定度为:

Ur=uc×2=0.094%×2=0.188%0.19%(18)

4 结束语

本文建立的标准失真模拟分量视频信号源可以产生带有失真量的标清和高清模拟分量视频信号, 能够用于模拟分量视频信号分析仪器的校准, 使得校准结果多样化, 更加全面地评价模拟分量视频信号分析仪器的测量准确性。在对该信号源幅度电压和上升时间进行校准的测量不确定度评定过程中, 由信号源和示波器引入的不确定度分量占主要因素, 尤其是测量重复性引入的相对标准不确定度分量。因此, 需要高精度的视频信号源和经过校准的高性能示波器进行实验。

The authors have declared that no competing interests exist.

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