AV端子-訊號解析-Composite Video訊號原來長這樣

各種影音產品一般都會有AV端子,分別有紅白黃三種顏色,其中黃色的AV端子是類比視頻訊號,裡面的電子訊號格式稱為Composite video baseband signal(CVBS),這種訊號格式由於還沒經過RF射頻調變,也稱為基頻訊號Base band signal。把color bar訊號的黃色AV端子接上電視之後,可以看到如下畫面。

AV端子-電視畫面-測試訊號
AV端子的電視畫面-測試訊號

AV端子-畫面格式

實際上類比電視畫面是由映像管內的電子槍,射出一條電子束打在螢幕上發光而來,並且是由左到右、由上到下,一條條掃描出來湊成一個畫面,每一條線就稱作一個Scan Line,雖然現在使用映像管的電視已經很少見了,但是解讀composite訊號的方式都是相同的。這些Scan Line除了看得到的畫面訊號之外還包含了螢幕上看不見的水平同步(H sync)與垂直同步訊號(V Sync),其中V Sync是包含在VBI(Vertical Blanking Interval)之內,這些同步訊號是用來讓電視機辨認哪裡是掃描線的開頭,電視才能準確地把畫面掃描在映像管上,這樣畫面才會穩定,否則畫面會歪掉。

下面這張圖代表一個電視畫面,是由每條掃描線疊起來形成的,每條scan line都是從左邊的H sync開始,讓電視知道該準備畫線了,右邊接續的波形是表示畫面內容,這段波形會顯示在螢幕上稱為active video,直到畫面右方結束。

下圖的上方有一條VBI的區間,這裡是屬於Line1~Line21的範圍,它的功用是告訴電視該準備畫第一條線了,所以是用來做垂直同步(V Sync),此區間的波形不會顯示在螢幕上。

NTSC畫面組成格式
NTSC畫面組成格式

交錯掃描Interlaced scanning

早期的電視系統採用的顯示方式是交錯掃描,也就是在掃描畫面時,會先顯示整張畫面frame的1,3,5,…條線,再顯示2,4,6,…條線,明明是一張畫面為何要分兩次掃描? 因為這樣比較省頻寬。以NTSC為例,一張frame規定有525條線,若每次只送262.5條線,也就節省了一半的畫面資訊,當然就節省了頻寬, 在當時沒有數位技術的情況下,要在有限頻寬內塞進畫面訊號、顏色訊號、聲音等資訊,將資訊減少確實是一種方式。

這個262.5條線的畫面,就稱為圖場Field,兩個圖場會構成一個畫面Frame。以台灣採用美規NTSC格式為例,1 sec會傳送29.97個 frames,也可以稱為每秒傳送59.94個Fields。

上圖中的整個方塊表示1個frame,紅色的線表示frame的奇數線,構成Field 1 (Odd Field),共有262.5條線,有半條在畫面的最下方。藍色的線表示frame的偶數線,構成field 2 (Even Field),共有262.5條線,有半條在畫面的最上方。

掃描線與同步訊號

以NTSC為例,每一條掃描線都包含了同步訊號與畫面訊號,電視螢幕上只會看到畫面部分的掃描線,稱為Active video。把CVBS接入示波器之後,你就可以看到一條條的掃描線,下方#21條掃描線的前端有個往下脈波,那個就是Line21的H sync。

每個Field的前面9條線的寬度內,有一群很特殊的波形,它們的H sync時間是正常Scan line的一半,有些正相有些反相,這群訊號就是V Sync,你會發現每個Field只有在Line 10才開始有Color burst出現。

AV端子-NTSC的波形
AV端子內NTSC的波形

以NTSC來說,前21條線都屬於VBI,不會顯示在螢幕上,螢幕只會出現第22條以後的掃描線。若我們把單一掃描線放大來看(如下圖),其實整條線也只有active video的部分會顯示而已,其他部分就是水平同步(H Sync)與Color Burst。

當然,眼尖的你一定發現上面的波形在Line 21為何會有Active video的波形? 啊~ 這個問題嗎… 我暫時也不知道,我是接Pattern generator來觀察的,也許裡面有些功能我該關掉,只是一時半刻我找不到,各位就先將就一下吧。

單條掃描線波形的結構
單條掃描線波形的結構

各位注意看左邊的刻度單位,這是NTSC專有的刻度IRE。它規範NTSC video的最高最低之間的差距必須為1Vpp,NTSC把Sync劃分了40格,稱為40個IRE,往上劃分了100格稱為100個IRE,所以總共有140IRE。另外歐洲的類比PAL系統,則沒有規範IRE,而是直接定義H sync=0.3V, White level=0.7V。

字幕與廣播

既然Line1~Line9拿來做V Sync,Line 22才開始顯示在畫面上,那第10~21要做甚麼? 設計這套系統的人當然也沒讓它們閒著,這些Scan line有些有特殊用途喔,我簡單舉個例子:

  • Line 10~18: Teletext用來收純文字的新聞與消息,歐洲國家很常用
  • Line 20: CGMS,用來做防拷貝的功能
  • Line 21: Close Caption(CC),字幕功能,英語系的國家常用這個功能,螢幕下方會出現字幕

彩色訊號

光看波形大家都知道波形高表示越亮,波形低表示越暗,那…顏色呢? 顏色訊號講來有點複雜,我先簡單講一下,所有的顏色訊號都是調變在3.579545MHz這個載波上面再加上亮度訊號,不同顏色會有不同的相位,所以色相環上\(360^{^{\circ}}\)轉一圈就是所有的顏色了,顏色振福越大色彩就越飽和,若完全沒有振福就是黑白畫面了。

為了避免顏色的載波訊號變成畫面的一部份,在顯示畫面之前,需要先把3.579545MHz的頻率濾掉,才能正確顯示畫面。上圖的color bar波形中間看起來之所以會一塊塊的方塊,是因為顏色載波頻率很高,所以波形都擠在一起了。

聰明的你一定也想過,那萬一畫面本身剛好亮暗間格的頻率就是3.58MHz怎麼辦,沒錯! 這個時候電視就會以為那是彩色訊號,畫面就會產生色偏。所以若劇中人穿的衣服是細的直條紋,那麼在類比電視看來她的衣服就會時不時地換顏色。

錯誤的訊號準位導致畫面歪斜

前面提到VBI內的V sync與H sync等同步訊號是用來穩定畫面用的,如果CVBS訊號被衰減導致Sync Level不足,就會讓電視難以判斷哪裡才是掃描線的開頭,於是就容易誤判active video的範圍。下面我故意把CVBS訊號,從White level 100IRE調整為只有10IRE。

cvbs_low_level

接上映像管的類比電視之後,果然看到歪歪斜斜的畫面,連原本不該出現的Sync訊號也都被當成畫面顯示了,由於電視無法與訊號源同步,因此這樣的畫面其實是一直不斷捲動的,這張照片只是我挑了一個比較穩定的時刻來呈現。由於訊號振福很小,連顏色也都失準了。

Sync不準的電視畫面
Sync不準的電視畫面

參考資料

關於世界上各種類比電視訊號的格式,我剛好看到這個網站有敘述,而且還滿詳細的,若有想自行研究的可以來這裡參考: World Analogue Television Standards and Waveforms。它敘述的非常詳細喔,從訊號Standard的演進,到各種測試patern的用意都有說明,相信能帶給大家很大的收穫。

 

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