AV端子-訊號解析-Composite Video訊號原來長這樣

在目前以HDMI為主流的影音設備市場裡，我們不能忘記曾經獨領風騷大約有60年的 AV端子 ，當時基本上各種影音產品一般都會有AV端子，即便到現在有些電視也可能會有AV端子，分別有紅白黃三種顏色的梅花端子(RCA connector)，其中黃色的AV端子是類比視頻訊號，紅色與白色的端子分別為右聲道與左聲道。

雖然AV端子已經要被HDMI給取代了，但是以通訊技術來說，AV端子可說是類比通訊技術的大集合，這裡我只先給各位基本的概念，詳細的介紹會寫在另一篇文章影音訊號-大解密-AV端子/色差端子/S端子/VGA/HDMI。

本篇要講的就是黃色RCA connector裡面的視訊信號，它的電子訊號格式稱為Composite video baseband signal(CVBS)，這種訊號格式由於尚未經過RF射頻調變，因此稱為基頻訊號Base band signal。把測試用的color bar訊號用AV端子接上電視之後，可以看到如下畫面。

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，映像管的電子束掃描原理可以參考這篇，示波器怎麼用-從原理談起-其實沒這麼難，縮然裡面只講了如何掃描一條線，但概念是相同的。

這些Scan Line並不是每一條都會呈現在螢幕上，有少部分是拿來當作同步用的，這些同步訊號是用來讓電視機辨認哪裡是畫面的開頭，電視才能準確地把畫面從左上角開始掃描繪製在映像管上，這樣畫面才會穩定，否則畫面會歪掉，所以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。

下面這張圖代表一個電視畫面，是把一個連續的CVBS訊號剪成好幾段疊起來，所以一個畫面是由每條掃描線疊加起來形成的，若先不管掃描線能否作為顯示畫面用，每條scan line都是固定從下圖左邊的H sync開始，讓電視知道該準備畫線了，右邊接續的紅線與藍線波形是實際顯示畫面內容，這段波形會顯示在螢幕上稱為active video，直到畫面右方結束。

畫面上方有一條VBI的區間，這裡是屬於Line1~Line21的範圍，螢幕上看不到它，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)，並不會顯示在畫面上。

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? 因為這樣看起來比較順。

以NTSC為例，一張frame規定有525條線，若每次只顯示262.5條線，也就節省了一半的畫面資訊，但可以多安插另外一組262.5條線，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。

拆解frame對於整體掃描線數並沒有改變， 在當時沒有數位技術的情況下，要在有限頻寬內做到最大更新率，這種拆frame的作法確實是一種方式。本來一秒30張Frame，拆成兩張Field之後，就變成一秒60個field，雖然掃描線數變少，解析度變低，但是一秒鐘的畫面更新率變高了，看起來當然比較順暢。

注意喔! 一個frame拆成2個field並不是說某時刻的frame變成兩個相同時刻的field，它實際上是兩個不同時刻的field，這也就是為何有些軟體嘗試把field還原為frame的時候，會出現橫向鬚鬚的原因。

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。對! 不要懷疑，真的就是會有半條的波形，示波器上就看得出來。

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。

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，我是接儀器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。

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，當年為了在黑白電視上放置彩色訊號的資訊，所有的顏色訊號都是調變在3.579545MHz這個載波上面，最後再和亮度訊號加總，到時候就認這個載波頻率做為色彩訊號，若要得到亮度訊號，只要把這些載波濾掉就行了。

這些顏色訊號在不同顏色會有不同的相位，所以在色相環上360度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出現彩虹般的顏色，而且會不斷地換顏色，因為劇中人可能站遠站近，對於CVBS來說頻率會不同，顏色就會改變。

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，那得要是電視機能辨認同步訊號的情況，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，把Sync訊號拿來當作畫面內容。下面我故意把CVBS訊號，從White level 100IRE調整為只有10IRE。

接上映像管的類比電視之後，果然看到歪歪斜斜的畫面如下圖，各位可以看到左邊的地方有黑色的直條紋，那就是原本不該出現的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。

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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