解析音视频信号接口中的CVBS视频信号特征和视频信号测试

时间： 2023-12-07 来源：鼎阳硬件智库公众号

技术问答

CVBS，即：CompositeVideo Broadcast Signal，译为：复合电视广播信号，是一种出现时间较早的音视频信号接口，其包含1个视频通道和2个音频通道，在视频传输通道中复合了亮度、色度和同步信号，音频通道包含左、右声道。CVBS信号接口广泛应用在音视频传输场合，例如：电视机、DVD等设备，纵观音视频接口的技术更替，历经CVBS、S-Video、YPbPr、VGA等模拟信号接口之后，近些年数字信号接口发展迅速，如：DVI、HDMI、DP等，大有取代模拟信号接口之势。但CVBS作为最早出现的音视频信号接口之一，理解其显示原理以及信号特性仍然具有现实意义。

CVBS视频信号特征

电视的作用是重现景物的色彩效果。经过研究彩色光的三个基本参量：亮度、色调、饱和度。想要还原色彩，就是要在电视系统中对这三个参量进行传输接收、处理和显示，CVBS的视频信号通道在这个过程中担任着信号传输的角色。在视频信号中，电平的幅度包含了亮度信息，色度信号的相角包含了全部的色调信息和小部分饱和度信息，色度信号的振幅包含了另外的大部分饱和度信息。在DVD播放机应用CVBS接口输出视频画面时，使用示波器抓取一帧画面中一行图像的信号波形，注意图中信号和图像在时间轴上是对应的，这样我们可以看到画面上的黑白栅格以及彩色图像对应信号波形的具体情况。

对图中波形的各部分信号作出解释：

①行同步：实现水平方向一行的同步扫描；

②黑电平：最低亮度对应的电平，代表黑色，高于黑电平的亮度电平将被显示在屏幕上；

③白电平：最高亮度对应的电平，代表白色；

④灰电平：处于黑、白电平之间的电平幅度，在屏幕上显示为亮度介于黑与白之间的灰色；

⑤消隐电平：消隐电平不会高于黑电平，所以不会显示在电视屏幕上面。PAL制式的消隐电平和黑电平相同，NTSC制式的消隐电平低于黑电平；

⑥色同步：为了对色度信号进行正确的解调，接收端本机副载波的频率和基准相位必须与发射端用来调制色差信号的副载波频率和相位严格一致；

⑦行消隐期：在一行信号中，行消隐期提供一行图像扫描显示完成后，到开始下一行扫描之前的间隙，作用是在行扫描的逆程期间使显像管电子束截至，不在屏幕上显示多余的图像信息；

⑧完整一行信号。

观察这一行信号波形，因为亮度与电平幅度对应，图像中的前段是黑白栅格，所以波形上也对应的是电平高低起伏变化；位于末尾的三段是彩色图像，从信号波形上可以直观的看到色度载波的幅值由小增大，对应图像的饱和度也由小增大，也就是我们常说的“颜色加深”。CVBS信号将亮度和色度信息叠加在一起传输，色度信号由色差信号（R-Y）和（B-Y）对频率处于视频通带高端的副载波调制而形成，使亮度信号的主要能量分布在通带的低端，而色度信号的主要能量分布在高端。

了解一行图像的显示和波形后，再观察行与行以及场与场之间的衔接以及信号特征。下图中黑色线表示一行显示在屏幕上的图像，沿Y轴正方向从左至右的扫描称为行扫描正程；黄色虚线表示扫描正程后，电子枪需要返回到第二行其实扫描位置，这个沿Y轴负方向从右至左的扫描称为行扫描逆程，扫描逆程是不显示画面的，对应行消隐期；橙色虚线表示扫描至一场中最后一行的末尾之后，电子枪需要返回到第一行的起始扫描位置，这个过程称为场扫描逆程，同样这个过程中也是不显示画面的，对应场消隐期。

下图展示的是隔行扫描，红色线是偶场，蓝色线是奇场，两场先后扫描后嵌套成完整画面。

了解了一场扫描的过程之后，我们再看下面隔行扫描中奇、偶场消隐期的信号波形：

不论是奇场还是偶场都需要场逆程，因此都必然存在场消隐期给逆程提供时间，在消隐期中包括以下信号：前均衡脉冲、场同步脉冲、后均衡脉冲、行同步脉冲。同步脉冲存在的意义是使电视系统中的收、发端同步扫描，因为一旦扫描频率或相位不同，图像将无法正常显示，下图展示相位不同步造成的后果：

(a)带传送图像；

(b)收、发端扫描相位差半行时间造成图像左右分裂；

(c)收、发端扫描相位差半场时间造成图像上下分裂。

因此，同步在电视系统中具有重要意义。为了区分行、场同步脉冲，将场脉冲的宽度设定为行同步脉冲的2~3倍。观察奇、偶场的行同步信号相位，可以发现行同步脉冲相位上相差1/2个行周期，这是因为两场的扫描起点相差半行的原因，前后均衡脉冲的作用是使奇、偶场的场同步脉冲在时间上对齐，保证了两场的时间间隔相同，它的宽度是行周期的1/2，可以消除掉两场中行同步不对齐对场同步脉冲相位的影响。后均衡脉冲之后的行同步脉冲是在场消隐期间保持行同步，即使此时并不需要显示图像，但收、发端的相位仍然需要同步。

CVBS视频信号测试

对于输出设备，如：DVD或机顶盒，需要先播放制定的测试视频，然后在CVBS输出接口处使用示波器捕获波形并计算参数值，注意输出端的信号和地之间串联75Ω电阻。此处仅说明使用示波器测试几个应用：

例一：增益/频率特性

测试信号为250kHz方波与多波群，多波群频率从小到大分别为：0.5MHz、1.5MHz、2.5MHz、4.0MHz、4.8MHz和5.8MHz，计算公式：

其中：V0 为250kHz方波幅度，Vn为多波群信号V1~V6的峰峰值。

参数含义：该参数反映系统的幅度—频率特性，理想状态是幅度不受信号频率的影响，保持一致，如果该参数有问题，会导致在画面的不同位置上亮度重现出现错误，影响图象的清晰度。

例二：亮度非线性失真

阶梯波信号也常被称为“灰阶”，用于测试“亮度非线性失真”，从图像上可以看到有从黑到白共11个不同的亮度，对应到信号波形上有11个不同的电平，以U0 表示黑电平，U1~U10表示后面的各阶梯电平，△U1~△U10 分别为各阶梯电平差，即：△U1=U1－U0、△U2=U2－U1以此列推，计算公式：

其中：△Umax和△Umin分别为△U1~△U10中的最大值和最小值。

参数含义：亮度非线性失真的值越小越好，理想状态是各阶电平幅度相等，即从黑到白亮度均匀分布。如果信号中阶梯数量减少，则图象失去部分灰度，层次减少，分辨率降低，产生色饱和度失真（由于色度信号是叠加在亮度信号上）；如果信号中各阶梯幅度不等，则图像灰度变化不均匀，产生视觉上的亮度失真。出现以上问题的原因通常是元器件的非线性，以及工作点设置不对。

对于CVBS视频信号的测试，需要示波器具有“视频触发”功能，从而精确触发到某一行的信号，得到各参数的具体值，来评估CVBS的信号质量。鼎阳的SDS3000X系列示波器标配视频触发功能，在CVBS视频信号测试中显得得心应手。

结语

CVBS音视频接口出现时间很早，而且只支持到标清分辨率，但在高清接口大行其道的今天，音视频设备上仍然保留该接口，这也印证了它的应用范围非常广泛。CVBS接口奠定了模拟视频传输的基础，之后又演变到S-Video、YPbPr、VGA等，从标清发展到高清，但各个视频通讯接口之间有很多的共同点，例如：S-VIDEO是在CVBS的基础上，把亮度和色度信号分开传输，给予亮度信号更大的带宽，也解决了信号重叠的问题；而YPbPr是在S-Video的基础上，将色度信号再分解为两个色差分量进行传输，从而避免了色差信号在复合和分解过程中的引入的噪声；而VGA是将行、场同步以及红、绿、蓝分量全部独立传输，使视频分辨率达到更高的水平。现在的HDMI数字接口，则是将亮度、色度、同步信号数字化处理后传输，HDMI2.0版本已经支持到4K分辨率。虽然技术在不断迭代，但基本原理是通用的，因此通过学习CVBS视频接口，相信我们可以对视频技术的发展有整体性的认识。

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