【實作實驗室】AV 端子訊號解析，原來 Composite Video 訊號長這樣

Posted By StrongPiLab on 11 月 18, 2020 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

作者：實作派

影音產品一般都會有 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，（這邊我先給各位基本概念，詳細介紹請參考影音訊號-大解密-AV端子/色差端子/S 端子/VGA/HDMI）。

本篇要講的是黃色 RCA connector 裡的視訊訊號，它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，因此稱為基頻訊號 Base band signal。

把 color bar 訊號的黃色 AV 端子接上電視後，可以看到如下畫面：

AV 端子的電視畫面—測試訊號（圖片來源：實作派提供）

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的，並且是由左到右、由上到下，一條條掃描出來湊成一個畫面，每一條線稱為一個 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 訊號的方式是相同的）。

這些 Scan Line 並不是每一條都是畫面的內容，有少部分是拿來當作同步用的，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 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畫面的開頭，電視才能準確地把畫面從左上角開始掃描在映像管上，如此一來，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，右邊接續的紅線與藍線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。

畫面上方有一條 VBI 的區間，這是屬於 Line 1~Line 21 的範圍，螢幕上看不到，因為它的功用是告訴電視該準備畫第一條線了，主要用來做垂直同步（V Sync），所以不會顯示在畫面上。

NTSC 畫面組成格式（圖片來源：實作派提供）

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，明明是一張畫面為什麼要分兩次掃描？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 後，就變成一秒 60 個 field，雖然掃描線數變少，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，你就能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，那就是 Line 21 的 H sync。

每個 field 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 端子內 NTSC 的波形（圖片來源：實作派提供）

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。如果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，眼尖的你一定發現為什麼上面的波形在 Line 21 有 Active video 的波形，這個問題我暫時也不知道，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（圖片來源：實作派提供）

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 1 Vpp，NTSC 把 Sync 劃分了 40 格，稱為 40 個 IRE，往上劃分了 100 格就稱為 100 個 IRE，所以總共有 140 IRE；另外歐洲的類比 PAL 系統沒有規範 IRE，而是直接定義 H sync=0.3 V，White level=0.7 V。

字幕與廣播

既然 Line 1~Line 9 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，簡單來說，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 3.579545 MHz 這個載波上，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，如果要得到亮度訊號，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∘轉一圈就是所有的顏色了，顏色振福越大，色彩就越飽和，如果完全沒有振福就是黑白畫面。

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 3.579545 MHz 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有一塊塊的方塊，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 3.58 MHz 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，所以如果劇中人穿的衣服是細的直條紋，在類比電視看來他的衣服就會時不時在換顏色。

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，這樣就容易誤判 active video 的範圍。下面我故意把 CVBS 訊號從 White level 100 IRE 調整到只有 10 IRE。

（圖片來源：實作派提供）

接上映像管的類比電視後，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（圖片來源：實作派提供）

關於世界上各種類比電視訊號的格式，我剛好看到 World Analogue Television Standards and Waveforms 這個網站的敘述還滿詳細的，從訊號 Standard 的演進，到各種測試 pattern 的用意都有說明，若有想自行研究的可以參考，相信能帶給大家很大的收穫。

（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）