影音訊號-大解密-AV端子/色差端子/S端子/VGA/HDMI

打從電視問世以來，如何讓影像更完美就一直是人類努力的方向，因此在視訊訊號的格式上，也一直不斷的進步中。每當有新的Video格式出現，就會相應產生不同的端子接頭，也讓我們消費者追個不停，這次就來聊聊這些不同Video端子裡面到底放了甚麼東西吧。

類比影像訊號

幅Frame/圖場Field/掃描線ScanLine

在介紹各種影像端子接頭之前，我需要先介紹一下傳統的影像訊號是怎麼組成的，所以我要先拿類比電視訊號來做例子，至於數位訊號的HD/4K/8K，基本上非常類似，只是改為數位串流而已。

如下圖是美規NTSC影像訊號的一個Frame，是由一條條的掃描線組成的，共有525條線，每秒會有30個frame，每個frame由兩個圖場組成，分別稱為Field1與Field2，有時也稱為基圖場Odd Field與偶圖場Even Field。

所以若你拿示波器測量掃描線之間的頻率，它就會是525*30=15.75KHz，但說到Frame與Field，你有沒有覺得很莫名其妙? 1個frame還要分2個field，真麻煩。這有個歷史背景，因為電視訊號調變之後在空氣中傳播時每個頻道的頻寬是6MHz(NTSC)或8MHz(PAL)，頻寬有限，為了讓觀看體驗是順暢的，工程師們情願降低一些解析度，但畫面會順暢2倍。大家也就這樣看電視看了幾十年，好像也沒甚麼問題。

水平同步H Sync

每條掃描線並非全部都拿來顯示畫面內容，掃描線前面會有一部分拿來做為同步用，用來告訴電視機掃描線的開頭在哪裡，電視才能從那裡開始畫線，下圖就是某一條掃描線的波形，掃描線左邊有個負向的方波稱為H sync，就是該條掃描線的水平同步訊號，後面Active Video的地方才是真正顯示於電視畫面的訊號。

composite-cvbs-video-rca — NTSC Scan Line Waveform

垂直同步V Sync

光有H sync還不夠，還要讓電視機知道哪條掃描線是第一條，電視才能從螢幕的最上方開始往下畫線。這種用來通知第一條掃描線的訊號稱為V sync，如下圖它是由每個Field的前9條掃描線所組成的結構，有這些訊號TV才知道這是一個Field的開頭，並開始畫線。

彩色訊號Chroma/複合訊號Composite

大家都知道光的三原色是RGB，但各位應該也知道早期的電視是黑白畫面，所以問題來了，當彩色電視系統要導入既有黑白電視市場的時候，它的彩色訊號必須要能讓黑白電視接收，也就是要相容大家才會買單，才能無痛升級。

彩色訊號為了要能相容黑白電視系統，無法以RGB三條線分開傳送，因為黑白電視只有Y一條線，也就是亮度，所以至少要將RGB轉換為包含Y的color space才行。把RGB三種資料的訊號要轉換到只有一種資料的傳輸通道上，需要一點技巧，簡單說就是把畫面分成亮度Luma與彩度Chroma來傳送，因為黑白電視可以分辨亮度訊號，而彩度訊號可以被後期的黑白電視濾掉，若是早期的黑白電視則會受到彩度訊號的干擾，畫面上會出現類似網格的東西。

RGB轉換分為兩種，如果是歐洲的PAL系統，他們採用YUV轉換，若是美國的NTSC系統，他們則採用YIQ轉換，請看下圖。

UV是色差訊號，之所以稱色差是因為它們分別代表(B-Y)、(R-Y)，也就是藍色紅色與亮度Y的差異。為何要這樣拐彎，直接傳送RGB不是很省事? 別忘了剛剛提到的，當年還需要考量黑白電視的相容性，所以一些看似多此一舉的東西都有它當時的用意與目的。

至於IQ也是色差訊號，他是將UV訊號在相量圖上轉了\(-33^{\circ}\)之後再將xy座標對調，就成為了IQ。轉那-33度據說是為了攜帶人眼能感知顏色的最重要資訊，其他顏色細節則會用濾波器濾掉，細節我會另外撰文說明。

把顏色細節濾掉除了人眼對於顏色並沒有想像中敏感之外，主要是用來節省頻寬，由於將來這些訊號是要拿來做電視廣播的，因此頻寬有限，只能把大部分頻寬留給Y’，因為人眼對亮度最敏感，小部分頻寬才留給色差的UV或IQ，反正一般人也看不太出來。

接著色差訊號再利用QAM的調變方式調到較高的SubCarrier頻率，最後再與Y’相加，產生複合訊號Composite Video。以NTSC來說Sub Carrier這個頻率規定是3.579545MHz，看來是個很怪的頻率，但是沒錯! 不要懷疑，它就是要準在這個頻率，不然顏色會怪怪的。

最後有人可能會好奇為何只寫Y’UV而不是寫YUV? 因為上圖的RGB有經過Gamma Correction，所以用Y’來表示它是從R’G’B’運算而來，用來與從RGB算出來的Y作區別。

這種把亮度與彩度合併在一起的訊號就稱為複合訊號Composite Video，有時也稱為Composite Video Baseband Signal簡稱CVBS，為何要特別稱為Baseband? 因為它是尚未調變的原始訊號，如果是已經調變到RF頻段例如409.25MHz，這時它就不是Baseband了，我們會稱呼它RF composite signal。

有了CVBS的基本認識之後，我們現在可以開始來講各種Video端子了。

AV端子-Composite Video

RCA Connector

AV端子是最基本的影音訊號接頭，它有三條線分別是

黃色的複合訊號 Composite Video
白色的左聲道訊號 Left Audio
紅色的右聲道訊號 Right Audio

這三個訊號都是類比訊號，所以聲音訊號在TV內部是將波形放大後，直接用來驅動喇叭；而影像訊號在電視機內則是透過電路還原為YUV訊號顯示於螢幕上。由於是類比訊號，傳輸過程中若遭遇任何干擾，就會直接反映在螢幕輸出上，例如會出現隱約的條紋或是班點。

優點

Composite Video最大的好處就是方便拿來廣播，找一個頻率就能把包含Luma/Chroma的畫面都送出去，真的是太方便。如果用RGB三原色來傳送，你可能要找三個頻率才能把RGB送出去，我想電視台應該不會想花這種錢，那可是三倍的資本支出。

在消費性電子產品上，如電視遊樂器、DVD player等等，都會選擇AV端子作為介面，因為只需要黃白紅3條RCA線，就能開始享受影音樂趣，真是太方便了，但方便是要付出代價的，請繼續看下去。

缺點

由於CVBS的Chroma彩度訊號是調變在SubCarrier的頻率上，所以CVBS它有一個天生的問題，就是Luma的亮度訊號若變化頻率太高則會被誤認為Chroma訊號，也就是crosstalk的問題。如下圖是個測試訊號畫面，它本身沒有任何彩色訊號，但左邊的圖卻產生了彩虹般的雜訊Rainbow Noise。

這種現象的成因是，如果輝度Luma的亮暗變化太頻繁，如上圖由左到右頻率越來越高，直到逼近Chroma的載波頻率(以PAL為例是4.43361875MHz)，電視會將Luma的訊號變化誤認為是色彩訊號，因而產生了彩虹般的效果。

這種現象無可避免，因為CVBS內的Luma與Chroma是相加在一起的，不可能切得一乾二淨。原本直條紋的襯衫，近拍也許很正常，當鏡頭慢慢拉遠時，總會有機會讓粗條紋變成細條紋，於是在Luma亮度波形上剛好形成Chroma的載波頻率，彩虹雜訊就出現了。

S端子-S Video

在追求高畫質的驅動之下，業界開始出現一種S端子，它不再使用Composite Video，而是將Luma(Y)/Chroma(C)分開傳送，所以S端子使用兩組訊號線傳送，完全不會有互相干擾的問題，而且各自有自己的GND，避免因為共用GND產生串音干擾。

其實S端子在顏色上的呈現已經很接近完整的Color Space，它唯一的問題是，Chroma訊號無法超過2.5MHz頻寬，主要是因為SubCarrier也就就在4MHz上下，由於訊號頻率不能比載波還高，才有這個限制。

由於頻寬的限制，Svideo在較細緻的彩色畫面上，顏色無法明確表達出來，即便如此Svideo在顏色方便仍然完勝AV端子，因為AV端子在顏色表現上超級差。下方是利用Test Pattern輸入到PAL電視所呈現出來的畫面，顏色交替的頻率大於1.5MHz時，顏色會漸漸無法呈現(理論上是到2.5MHz實際上會表現差一些)。

Chroma is limited by bandwidth, quote from http://web.comhem.se/zacabeb/whims/tvtech/videoquality/

這種顏色的差異，以往在只有262.5條掃描線的NTSC畫面中，其實不太容易觀察得出來，但隨著螢幕尺寸與解析度的增加，以前看不到的瑕疵現在都會看到了，表示我們需要對顏色訊號有更精細的描述。

YPbPr色差端子-Component Analog Video

為了突破顏色被頻寬限制的問題，加上電視尺寸也越來越大，對顏色細緻度的要求越來越高，因此繼S端子之後，業界便把Chroma內的兩個色差訊號分開，產生了現在流行的色差端子YPbPr，Pb與Pr也是由(B-Y)、(R-Y)演變過來的訊號，所以YPbPr的運算很類似YUV，但兩者還是不同的Color Space，只有色差常數不同而已。

既然顏色訊號已經被分為兩個色差訊號獨立傳送，顏色的呈現就不會有干擾與頻寬的問題。

Component-YPbPr-Connector — YPbPr Component Connector

YCbCr色差訊號-Component Digital Video

很多人常搞不清楚YPbPr與YCbCr的關係，這兩者概念上是完全一樣的東西，對於輝度Y來說兩者完全相同。但是對於色差訊號來說，它的值被刻意設計在[-0.5~+0.5]之間，由於PbPr是類比訊號，正負電壓對PbPr來說並不是問題。

但若要在數位領域紀錄PbPr的數值，那會有些問題。以8bit的資料為例，它的範圍從0~255，它只有正值，若要紀錄PbPr，那勢必要以128為中心，上下的空間做為PbPr跳動的紀錄範圍，想當然爾這樣的改變會對原本YPbPr的色差公式有所影響，因此產生了YCbCr的色差公式。

YCbCr的數字在正規化之後，全部會落在0~1之間，CbCr的中心是0.5，若以8bit的資料格式來記錄，Y最大值是255，CbCr的中心值則是128，這麼一來CPU就能很方便的處理顏色訊號，這也是為何在電腦領域大家比較常見到YCbCr的原因。

VGA接頭-RGBHV

接下來這個接頭大家一定不陌生，就是電腦或投影機經常用到的VGA接頭，雖然它也已經處於末代了，它裡面的訊號使用的就是RGB三原色，所以共佔用了其中3條線，另外VGA接頭的H sync、V sync是分開傳送的，所以光是傳送影像訊號就得使用5條線。

而類比影像訊號最怕干擾，所以這麼多孔位有些就拿來做為RGB個別的GND使用，這個概念與Svideo的孔位是一樣的，多一些GND比較不容易受干擾。

由於VGA的Sync同步訊號是分開傳送，因此這種訊號格式也稱為RGBHV，另外有些時候你可能會看到RGsB，這個意思是說Sync on Green，也就它會把Sync合併在Green這個腳位上，Sync訊號到底會放在哪裡，完全看產品來決定。

電腦螢幕初期只有很少的解析度可以選擇，通常在PC端以預設值都可以讓螢幕輸出畫面，但後來螢幕解析度越來越多種，有時候會發生不管你怎麼設定，都無法符合螢幕的顯示能力，造成無畫面輸出的窘境。於是後來在VGA的pin12/15加上了DDC訊號，用來讓PC與螢幕自行先溝通好，到底螢幕的顯示能力在哪裡，PC再輸出相對應的訊號。

HDMI

到了數位時代，終於開始有全數位的影音訊號格式，HDMI因而誕生，HDMI共有19根腳位，其中影像用了4組差分訊號，所以佔了8根腳。4組訊號通道分別是3組資料與1組時脈，三組通道可以設定為傳送RGB或是YCbCr，同步訊號與聲音也穿插其中，因此HDMI能同時有影像與聲音。

HDMI的其他腳位還有其他功能，例如顯示器溝通的DDC、熱插拔Hot Plug偵測線，以及將網路與聲音回傳合併的HEAC，這些功能因為與影像無關我先不談。基本上到了HDMI這個階段，已經是把數位與色彩學組合到一個相當的程度了，下一個挑戰我想應該是頻寬，因為越來越高的解析度，隨之而來的就是需要更大的頻寬。

關於HDMI的細節，規格書在這裡High-Definition Multimedia Interface，有興趣的人可以自行翻閱。