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。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。

NTSC掃描線格式

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。

cvbs-sync-vbi-ntsc-field
NTSC的垂直同步訊號

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。

Composite Video Diagram
Composite Video Diagram

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
RCA形式的AV端子
RCA形式的AV端子

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。

Luma Chroma Crosstalk
Luma Chroma Crosstalk

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。

S-video Female Connector
S-video Female Connector

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
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,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。

VGA Connector
VGA Connector

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 connector
HDMI connector

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。

SCART Connector

最後還有一種接頭稱為SCART,這在台灣基本上不會看到,因為這種接頭是在歐洲使用的。這種又粗又大的接頭(如下圖)共有21根腳,裡面包含了RGB三原色、Composite複合訊號、以及Y/C分離的S video訊號,而且還包含了R/L聲音訊號,把幾乎所有的影音訊號都囊擴進去了。

SCART connector
SCART connector

我想當時SCART一定是時代的表徵,不過以現在影音設備往高畫質的趨勢來看,我推測AV端子與SCART應該就快窮途末路了,到時候我猜應該就是HDMI獨大了。

 

 

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