亮度包含關於明亮度(brightness)的資訊,色度則是有關顏色的資訊。色度又有兩項組成部份:飽和度和色調(hue)。飽和度(色彩強度)取決於視訊訊號次載波的振幅,而色調(色澤)則取決於次載波的相位。

視訊品質取決於視訊ADC轉換類比視訊訊號的精確度。從視訊源到顯示器的整個路徑較長,而系統必須確保在轉換視訊訊號的過程中,任何誤差均不得大到可能被觀眾覺察的程度。

視訊ADC有兩項重要指標:差分增益和差分相位,二者都會影響亮度和色度。雖然有多種方法可測量這兩項參數,但要在測試台上準確地進行測量,卻是一件頗具挑戰性的任務。

我們採用一種所謂的階梯法來測量這些參數。本文將描述該方法的原理,並說明在實踐中存在的一些局限性。

差分增益與相位

差分增益可以定義為色度訊號振幅中因亮度變化導致的誤差。可以把它想像成經由改變輸入訊號的直流(DC)偏置所導致的弦波訊號振幅變化。該誤差隨亮度改變色彩飽和度。例如,當夜晚降臨時,紅玫瑰會變粉色\。

差分相位可以定義為色度訊號相位中因亮度變化導致的誤差。在此,弦波訊號的相位隨DC偏置而變化。該誤差隨亮度而改變色彩的色調或色澤。圖1顯示了這些誤差。

20161021 NXP TA31P1 圖1:差分增益和差分相位示意圖

測量方法

針對差分相位和增益進行測量,並沒有一種預定義的方法。但可以使用多種方法,如傾斜正弦波法(Ramped-Sine)、階梯法(Staircase)等,還可透過在快速弦波訊號上疊加慢速正弦波的方法測量。每一種方法都在於檢驗緩慢變化的DC偏置條件下,視訊ADC可在多大程度上還原快速變化的弦波訊號。我們採用的是階梯法,因為它可在單一測試中使用相同的配置測量差分增益和差分相位。

在階梯法中,輸入ADC的是一個弦波訊號,該訊號疊加在覆蓋整個ADC範圍中的階梯訊號上的每一級。只需改變從波形產生器輸出弦波訊號的DC偏置,即可形成該訊號。圖2是當在其輸入存在正弦疊加階梯波形時的典型視訊ADC輸出。

20161021 NXP TA31P2 圖2:測試訊號由疊加階梯函數的正弦波構成

量測的細緻度和準確度隨著階梯級數的增加而提高。在決定階梯級數時,應該確保能在測量準確度與測試時間之間達到平衡。弦波訊號的振幅應為全輸入範圍的20%,階梯應覆蓋整個ADC範圍。針對階梯的每一梯級,則計算峰值-峰值振幅與相位。

有好幾種方法可以用來計算ADC輸出訊號的相位和振幅。雖然可以使用頻域技術,但其準確度會隨每一梯級採樣數的減少而下降。這就是測試時間與準確度之間存在折衷的原因所在。此外,還可以使用時域方法,如正交採樣法。

正交採樣技術

任何弦波訊號均可分為相位相隔90度的兩個振幅正弦波。這些正弦波稱為訊號的同相(In-phase)和正交組成。運用這兩種訊號,我們可以合成實際的訊號。這些組成部份的數學標記法如以下等式。它顯示了正弦波形的同相和正交組成。

20161021 NXP TA31F1

當訊號相位為零時,只會剩下同相組成,對應於訊號振幅。這也可以用極(polar)座標形式來描述,其中,同相組成(It)顯示的是振幅,而正交組成(qt)則與同相組成呈直角關係。如圖3所示,同相組成和正交組成可以在一個複合的平 面上描繪。圖3和圖4並以極座標形式描繪同相組成和正交組成。

20161021 NXP TA31P3 圖3:實際平面的同相組成

20161021 NXP TA31P4 圖4:複合平面的It和Qt組成

上述的原理可用於查找任何弦波訊號的振幅和相位,例如分別混合該訊號與相同頻率(但彼此延遲90度)的兩個訊號副本。結果形成的訊號稱為訊號的I(同相組成)和Q(正交組成)。

為了計算訊號的振幅和相位,可以使用三角法的概念。藉由上述的等式,只需使用畢達哥拉斯定理(The Pythagoras' theorem),即可計算各個弦波步階波形的振幅和相位。

計算差分增益和相位

藉由正交調變技術,我們能以更少的採樣數與更高準確度,計算各弦波步階波形的振幅和相位。由於我們並不使用任何視訊源,所以沒有任何參考訊號(如視訊訊號中的色系脈衝)可以用來比較振幅和相位。這就是我們運用相對機制來計算差分增益和差分相位的原因。

20161021 NXP TA31F2

在算出每一步階的振幅和相位之後,再利用上面的等式計算差分增益和差分相位。

限制與解決之道

要計算正弦波各步階的相位,必須具備一致性。這意味著正弦波的每個步階都要從同一時刻開始,每一步階都得涵蓋完整的週期數。在測試台上很難實現一致性,因為這必須使用一款高解析度的函數產生器,且必須達到10個數位的精確度。我們建議採用基於DDS(直接數位合成)的函數產生器,因為它們可以產生殘餘相位雜訊最低的訊號。

對於每一步階的正弦波,所測試的視訊ADC必須從相同點開始每次的轉換。這就要求在視訊ADC的開始轉換訊號與函數產生器的通道觸發器之間設置一些同步機制,以確保每個步階,正弦波都能從預設值開始,例如從零開始。

如果用更多的梯級來覆蓋ADC的整個範圍,差分增益和差分相位結果就會更加準確,因為這樣做可以提供最高精度的DC偏置值。當我們增加梯級數時,測試時間也會按比例增加。這就是測試時間與準確度之間始終存在折衷的原因。根據觀察,階梯法中約有256個步階就足以檢驗視訊ADC的實際性能。

結論

差分增益和差分相位是視訊ADC的兩項重要參數,它需要精確的測量,才能在轉換類比視訊訊號時無損於訊號品質。我們描述的階梯法是在測試台上測量這兩種參數的最佳方法。