復合視頻信號

??? 20世紀40年代，美國國家電視系統委員會(NTSC)推出黑白復合視頻標準，該標準可對定時（水平與垂直同步）和光度（亮度）信息進行編碼，并將編碼后的信息輸入一個通道。10年之后，該委員會重新開發出“NTSC”彩色電視標準。這種全新的彩色標準采用了相同的視頻信號和帶寬，兼容以往的黑白電視機。為此，彩色（色度）副載波和基準脈沖(如基準彩色副載波群)都被嵌入原始的黑白視頻信號。首先，色度和亮度頻率實現交叉存取，以便色彩與亮度信息能夠占用同等的可用帶寬。這種交叉頻譜主要集中于3.58MHz(色度副載波頻率)左右。為了降低副載波的可視性，色度副載波頻率專門選擇為水平同步速率一半（15.75kHz/2）的奇數倍。其次，由副載波信號9個周期構成的基準彩色副載波群被置于水平消隱信號期的后沿。該脈沖可以使電視機的3.58MHz彩色震蕩器或接收器實現同步。與NTSC相對的歐洲視頻標準是相位交替線式掃描（PAL）視頻標準。這兩種標準的主要區別是：PAL的副載波頻率為4.43MHz，并且其視頻振幅比的同步性略有不同。
??? 色度信息可分為兩部分：色彩飽和度" title="飽和度">飽和度與色調。飽和度由載波的振幅決定，而色調則由彩色基準同步信號的載波的相位決定。飽和度代表色彩的強度，而色調則代表基色的精確度。例如，如果振幅較低的紅色載波采用基準彩色副載波群的相位，則呈現粉色，屬于低飽和度紅色。另一方面，如果載波與基準彩色副載波群超過241°，達到283°，則綠色會變成青綠色。
??? NTSC復合視頻的色條電平、振幅和相位如表1所示。值得注意的是，視頻信號以IRE為單位描述電平和振幅，而不采用直流電壓。基于-286mV(同步脈沖頂部)到+714mV (峰值視頻)之間的標準1VPP NTSC復合視頻信號，確定140IRE峰峰常規。1個NTSC IRE單位為7.14mV，據此推算，-40IRE等于286mV，+100IRE等于+714mV，0IRE等于0V。在這方面，PAL 視頻信號與NTSC視頻信號稍有不同，它介于-300mV～+700mV之間。這樣1個PAL IRE 單元為7mV，據此推算，在同步脈沖頂部條件下，-43IRE等于-300mV，而在峰值視頻電平條件下，+100IRE等于+700mV。在下文的論述過程中，將主要采用IRE單位，而不采用V或mV為單位。

差分增益（DG）與差分相位（DP）

??? 色度副載波的平均值或中值代表亮度電平。該副載波可以看成是正弦曲線信號的振幅，該亮度可以看成是該信號的直流偏置電平。亮度電平變化導致色度副載波的振幅變化，產生差分增益誤差。因此，當畫面光度發生變化時，差分增益誤差就是色彩副載波的振幅變化。如果直流偏置電平變化，則由視頻放大器產生的正弦曲線振幅就會隨之變化。因此在白天呈現紅色的汽車，在夜幕降臨時會呈現粉色。亮度電平變化還會導致色度副載波的相位發生變化，從而產生差分相位誤差。當畫面亮度發生變化時，差分相位誤差就是色彩副載波的相位變化。如果直流偏置電平變化，則由視頻放大器產生的正弦曲線相位就會隨之變化。這使在室內為藍色的襯衫，到室外就變成了紫色。比較理想的情況是，無論亮度或直流偏置電平如何變化，顏色飽和度（振幅）和色調（相位）都應保持不變。紅色的汽車無論在什么樣的照明條件下，都應呈現紅色，藍色的襯衫無論是在室內還是室外，都應為藍色。
??? 通常情況下，如果DG與DP誤差分別達到1%和1°，人的肉眼是無法感知的。因此，可以將這些數值作為整個視頻信號鏈的總誤差值。在誤差能為人眼所感知之前，可以存在多個誤差塊。一個典型的通道可包括攝像機、記錄裝置、發射器、接收器和監視器。根據要求，信號鏈內的所有處理器或放大器的DG/DP需遠低于1%/1°，至于低出多少，需由信號鏈內的裝置數量決定。例如，在設計視頻傳輸系統時，需要在輸入端和輸出端之間安裝5個運算放大器。假設每個運算放大器的DG和DP分別為0.01%和0.01°，其誤差總和就分別為0.05%和0.05°。如果設計者希望視頻傳輸電路板的整體系統規格為0.05% DG和0.05°DP，則這5個運算放大器就可滿足其需要。由于演播室廣播信號鏈連續安裝多個裝置，因此演播室級的IC和放大器與消費者使用的IC與放大器相比，需要更低的DG/DP。其中一些視頻系統" title="視頻系統">視頻系統甚至要求所有的運算放大器的DG/DP值低于0.01%/0.01°。
DG/DP測量基礎
??? 測量DG和DP的關鍵是在直流偏置電平發生變化時，測量正弦曲線信號的振幅和相位誤差。因此，該測試信號通常為直流偏移量在0 IRE～100IRE之間的3.58MHz(NTSC)或 4.43MHz（PAL）正弦波。產生這種信號的一種方法是采用視頻測試模式產生器，由它產生“色條”波形。DG誤差可表示為最低階副載波的峰峰振幅測量值與最高階相應測量值的百分比變量。DP 可采用類似于副載波相位的方法進行測量和計算。不過，這種端點測量方法也可能會導致錯誤結果，原因在于DG和DP始終不可能隨著亮度或直流電平的變化而變化。此外，要想僅僅測量兩個端點，可采用更為簡便的方法，即手動改變帶直流電壓的正弦波偏移量。因此，最佳的方法是測量所有階梯上的所有副載波的振幅，然后確定振幅之間的最大增量。采用色條或經過調制的具備多個梯級的階梯波形，能夠增大測量點數量，提供更高的分辨率，幫助確定最大的DG/DP誤差。因此，經過調制的鋸齒形波形可能比受較少梯級所限的梯形波形更為理想。
??? 在整個亮度范圍內，對多個增益和相位誤差點進行手動測量是非常枯燥的工作。另一種可選的方法是，采用專用的視頻測試設備" title="測試設備">測試設備（如矢量顯示器和波形監視器）測量DG/DP。這些儀器具備內置的DG/DP測試功能，能夠在整個持續亮度范圍內，報告最大的峰峰增量。不過，這些設備不能單獨測量從0.01%/0.01°到0.001%/0.001°范圍內運算放大器的DG/DP，實際上它們更適合測量整個視頻系統。因此，目前測量DG/DP的最有效的方法之一是采用網絡分析器。

采用網絡分析器測量DG/DP

??? 在直流偏壓范圍內, 網絡分析器可同時測量增益和相位誤差，并且具備很高的分辨率，能夠解析低于0.01%/0.01°的DG/DP誤差。圖1為采用HP4195網絡分析器測試DG/DP的設置。

?

?

??? HP4195擁有0.001dB/division和 0.01°/division的分辨率，并且還具備內置的直流電源，用于提供直流偏移量或亮度電平。該電源經過編程，在亮度范圍內，可以每梯級10mV的增量提高直流電平。它采用了500kHz的低通濾波器，濾除可能會影響測量結果的噪聲。此外，還采用了HP4195震蕩器輸出裝置（輸出頻率為3.58MHz或4.43MHz）。這是通過采用增量配置電路，維持線路阻抗，防止任何其他的DG或DP進入測試信息。在測試設備的輸出端，將8dB衰減器與輸出電阻器并聯。該衰減器可確保信號振幅低至可防止網絡分析器的前端出現過載或失真現象。該分析器接口與測試設置組件的阻抗為50Ω，包括分離器、合成器和衰減器。
??? 正確設定振蕩器振幅和直流掃描范圍，并通過安裝在測試設備輸入端的示波器測量。該振蕩器經過調整，可以產生286mVPP（40IRE）的信號，這是NTSC標準的測試信號振幅。該網絡分析器經過校準和設置，可完成“S21”測量。要想獲得所需的分辨率，需要對多次測試掃描結果取平均值。如果測量超低DG/DP設備，則需對50次或更多次測量結果取平均值。圖2顯示由網絡分析器提供的運算放大器的典型增益誤差和相圖。一般增益誤差是以dB為單位，采用以下的等式計算并以百分數的形式表示：
??? %誤差=[10(|增益誤差(dB)|/ 20)-1]×100%

?

??? 這只是利用網絡分析器進行測量的一種方法。當然也可以采用其他不同型號的網絡分析器和略微不同的方法測量DG/DP。一些網絡分析器也許不具備內置的直流電源，可能需要采用外部直流掃描電源。其他分析器可能安裝了直流偏壓輸入端，在這種情況下，由信號發生器產生的鋸齒形波形將進入該輸入端。這就無需在測試設備的輸入端安裝組合電路。

數據表中的DG/DP測量條件

??? 就DG/DP測量而言，數據表介紹了一些有關測量方法和測試條件的注意事項。盡管DG/DP幾乎已經成為數據表中的標準指標，但其測量方法仍無需實現標準化。因此，一些DG/DP指標也許不能完全代表運算放大器在實際應用中的運行情況。以下的測試方法和條件是十分重要的。
??? 端點測試方法的測試效果并不理想。因為只獲得最低和最高直流電平之間的增益增量，除非DG/DP誤差與直流偏移量完全成線性關系。然而，DG/DP曲線有時呈現平方甚至立方的關系。在這種情況下，只測量端點值與對整個掃描范圍進行測量相比，獲得的數據更好。
??? 該數據表公布的DG/DP也必須是基于采用正確的色度和亮度參數進行的測試。該色度或正弦曲線測試信號必須具備286mVPP(40IRE)的振幅，這是NTSC標準的標準化測試信號振幅（就PAL標準而言，該振幅為43IRE）。該信號的頻率也應為3.58MHz或4.43MHz。就PAL標準而言，頻率為4.43MHz通常是最壞情況。應當在這兩種頻率條件下，或者至少在最壞的情況下，對DG/DP進行測試并公布結果。降低色度振幅或頻率進行測試，可獲得更出色的結果，但卻不能正確體現NTSC/PAL規范介紹的本部分的特色。因此，基于1MHz和100mVPP正弦波進行的測試得出的DG/DP值也許能給人以深刻的印象，但卻很少有視頻設計者采用這種方法。亮度或直流掃描范圍也非常重要。在上文的論述中，根據NTSC亮度規范的規定將此范圍設定為0IRE～+100IRE。因此NTSC信號具備高于0V的正向視頻和低于0V的負向同步脈沖。假設該運算放大器始終接收到正向視頻，則直流掃描范圍在0～+100IRE之間時為佳。然而，現在的視頻系統設計者已懂得如何在為實現各種目的（例如伽瑪處理）封閉系統的中間期，轉化視頻信號。這些設計者也許需要知道適用于轉化亮度范圍的運算放大器的DG/DP。換言之，-100IRE～+100IRE就是DG/DP測試所需的更完整直流掃描范圍。圖3舉例說明正向與負向視頻范圍內的最大DG/DP誤差。

?

?

??? 測試運算放大器的負載條件是需要考慮的另一問題。盡管視頻系統安裝的連續級一般可實現交流耦合，但仍應根據直流負載具體說明視頻運算放大器的負載條件。它應該是標準的視頻終端，雙端接75Ω 或 150Ω負載。需要注意，在圖1中，50Ω衰減器與100Ω系列輸出電阻器在測試設備上形成150Ω直流負載，同時保持50Ω的整體測試環境。基于任何高于150Ω負載的DG/DP值都會起到誤導作用，這是因為差分增益與差分相位都易受到放大器負載的影響。與150Ω的輸出端負載相比，運算放大器在輸出端的負載為1kΩ時，具備更加出色的DG/DP。另一方面，低于150Ω負載的DG/DP更為實用，原因是運算放大器也許需要驅動多個視頻線路。面向2、3和4個視頻負載的等效負載總電阻分別為75Ω、50Ω和37.5Ω。不過，有些數據表將不提供多個視頻負載的DG/DP誤差值。圖4顯示了美國國家半導體運算放大器數據表中的DG/DP與視頻負載數量的對比情況。

?

?