【實作實驗室】影音訊號大解密!一次搞懂 AV 端子、色差端子、S 端子

作者:實作派

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,也一直不斷在進步。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/4 K/8 K,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 Field 1 與 Field 2,有時也稱為基圖場 Odd Field 與偶圖場 Even Field。

NTSC 掃描線格式(圖片來源:實作派提供)

所以如果你拿示波器測量掃描線之間的頻率,它就會是 525*30=15.75 KHz,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 6 MHz(NTSC)或 8 MHz(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。

NTSC Scan Line Waveform(圖片來源:實作派提供)

  • 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。

NTSC 的垂直同步訊號(圖片來源:實作派提供)

  • 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(圖片來源:實作派提供)

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,它是將 UV 訊號在相量圖上轉 −33 度後再將 XY 座標對調而成的;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 3.579545 MHz,看來是個很怪的頻率,但是不要懷疑,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是寫 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’ 運算而來的,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 409.25 MHz,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

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

RCA 形式的 AV 端子(圖片來源:實作派提供)

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;影像訊號在電視機內是透過電路還原為 YUV 訊號顯示在螢幕上。由於是類比訊號,傳輸過程中若遭遇任何干擾,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,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,如果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

這種現象的成因是,如果亮度 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 4.43361875 MHz),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,就像原本直條紋的襯衫,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(圖片來源:實作派提供)

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 2.5 MHz 頻寬,主要是因為 SubCarrier 也就就在 4 MHz 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,S video 在較細緻的彩色畫面上,顏色無法明確表達出來,即便如此 S video 在顏色方面仍然完勝 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1.5 MHz 時,顏色會漸漸無法呈現(理論上是到 2.5 MHz,實際上會表現差一些)。

Chroma is limited by bandwidth(圖片來源:comhem

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。

YPbPr Component Connector(圖片來源:實作派提供)

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。

但如果要在數位領域記錄 PbPr 的數值,那會有些問題。以 8 bit 的資料為例,它的範圍從 0~255,只有正值,若要記錄 PbPr,那勢必要以 128 為中心,上下的空間作為 PbPr 跳動的記錄範圍,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 8 bit 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 就能很方便地處理顏色訊號,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。

VGA Connector(圖片來源:實作派提供)

而類比影像訊號最怕干擾,所以這麼多孔位有些就拿來作為 RGB 個別的 GND 使用,這個概念與 S video 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的,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,也就是它會把 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 pin 12/15 加上了 DDC 訊號,用來讓 PC 與螢幕自行先溝通好「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(圖片來源:實作派提供)

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,幾乎把所有的影音訊號都囊括進去了。

SCART connector(圖片來源:實作派提供)

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。

(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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Author: StrongPiLab

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