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

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)

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