杜 劍

內(nèi)蒙古廣播電視臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

對高清基帶系統(tǒng)視音頻通道測試的認(rèn)識

杜 劍

內(nèi)蒙古廣播電視臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，電視進(jìn)入了高清時(shí)代，受眾對圖像質(zhì)量的要求越來越高，高清系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)也日趨復(fù)雜，套用標(biāo)清電視的測試方法已經(jīng)不能適應(yīng)高清系統(tǒng)。為此，有必要全面、系統(tǒng)的總結(jié)出一套測試方法，以便于開展技術(shù)系統(tǒng)測試工作。本文根據(jù)筆者工作實(shí)際，就高清基帶系統(tǒng)視音頻通道測試進(jìn)行論述。

高清 通道特性 指標(biāo)測試

引 言

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化高清制播平臺技術(shù)的發(fā)展，高清制播系統(tǒng)建設(shè)日趨復(fù)雜，建成的系統(tǒng)是否滿足要求？信號在制作和播出域經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換后，畫面及聲音質(zhì)量是否下降？這需要一套科學(xué)的檢測方法確定。目前，行業(yè)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)還不夠全面和細(xì)致，本文緊扣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)測試經(jīng)驗(yàn)，便于相關(guān)人員了解如何檢測高清系統(tǒng)通道指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)問題，有效保障播出安全。

1 測試方法及實(shí)踐

1.1 測試準(zhǔn)備工作

1.1.1 確定系統(tǒng)通道

（1）視頻系統(tǒng)通道

數(shù)字系統(tǒng)通道分為A、B兩類。A類通道沒有視頻信號變換環(huán)節(jié)，通道輸出端與輸入端的圖像有效數(shù)據(jù)完全一致，圖像質(zhì)量不會出現(xiàn)損傷。B類通道通常為網(wǎng)絡(luò)制作、網(wǎng)絡(luò)播出和硬盤播出通道，該通道有比特變換、壓縮編解碼和色域變換環(huán)節(jié)，會影響圖像質(zhì)量。

A類通道為演播室、播控系統(tǒng)中，不含視頻服務(wù)器、上下變換器、延時(shí)器、采集錄制等設(shè)備的通道。A類通道只測輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式和音視頻相對延時(shí)的技術(shù)指標(biāo)。如圖1所示。

圖1 A類通道示意

B類通道除測試輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式和音視頻相對延時(shí)外，還需主觀評價(jià)圖像質(zhì)量和測試通道視頻特性。如圖2所示。

圖2 B類通道示意

（2）音頻系統(tǒng)通道

調(diào)音臺、音頻工作站等設(shè)備，對音頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及DSP處理，會影響信號質(zhì)量，數(shù)字通道采用AES/EBU接口，模擬通道采用XLR接口。如圖3、4所示。

圖3 演播室音頻通道

圖4 音頻工作站通道

1.1.2 確定測試點(diǎn)

在系統(tǒng)主、備路通道的始端輸入標(biāo)準(zhǔn)測試信號，選取系統(tǒng)通道末端及關(guān)鍵設(shè)備出口作為測試點(diǎn)，通過設(shè)備分析信號指標(biāo)。

在測試音頻工作站時(shí)，測試信號經(jīng)音頻接口進(jìn)入，通過音頻工作站及工作站控制臺建立音頻直通通道，在音頻接口輸出信號送分析儀分析。

2 選擇設(shè)備和測試信號

2.1 測試設(shè)備

2.1.1 視頻測試設(shè)備

TG700信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生視頻測試標(biāo)準(zhǔn)信號。WFM7120波形監(jiān)視器，用于分析HD-SDI信號指標(biāo)。PQA600A圖像質(zhì)量分析儀，用于客觀化主觀評價(jià)圖像質(zhì)量，分析儀可以作為信號源輸出圖像序列，同時(shí)采集圖像后與原圖像序列進(jìn)行對比分析。

2.1.2 音頻測試設(shè)備

SYS-2722音頻分析儀，用于測試和分析音頻信號質(zhì)量，可以輸出音頻測試信號的同時(shí)，分析音頻信號技術(shù)指標(biāo)。

2.2 測試信號

2.2.1 高清視頻測試信號

100%彩條信號用于測試系統(tǒng)的輸出接口特性、輸出接口數(shù)據(jù)格式，測試通道視頻特性中閃電和矢量的技術(shù)指標(biāo)。如圖5所示。

圖5 100%彩條信號

五階梯信號用于測試通道視頻特性中的亮度非線性失真。如圖6所示。

圖6 五階梯信號

多波群信號用于測試通道視頻特性中的亮度幅頻特性。如圖7所示。

圖7 多波群信號

2.2.2 高清音視頻相對延時(shí)信號

用于測試系統(tǒng)音頻相對視頻的延時(shí)情況，該信號視頻由黑場向彩條、音頻由靜音向千周進(jìn)行同步跳變，100%彩條視頻和千周音頻信號持續(xù)0.5秒，黑場和靜音信號持續(xù)4.5秒。

2.2.3 高清視頻圖像序列

圖像序列為30秒左右時(shí)長的視頻，選擇10個(gè)不同場景的圖像序列考察圖像的亮度色度細(xì)節(jié)、清晰度、色彩還原、色飽和度、運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果等內(nèi)容，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

旋轉(zhuǎn)鳥籠，用于考察色鍵處理效果、亮度細(xì)節(jié)、運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果。如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)鳥籠

女士膚色，用于考察膚色還原、色彩還原和質(zhì)感。如圖9所示。

圖9 女士膚色

玫瑰，用于考察色彩還原、清晰度和塊效應(yīng)。如圖10所示。

圖10 玫瑰

豐收麥田，用于考察清晰度。如圖11所示。

圖11 豐收麥田

花壇，用于考察色度細(xì)節(jié)。如圖12所示。

圖12 花壇

秋葉，用于考察運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果。如圖13所示。

圖13 秋葉

大地花海，用于考察清晰度和彩色飽和度。如圖14所示。

圖14 大地花海

籃球，用于考察運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果、亮度細(xì)節(jié)。如圖15所示。

圖15 籃球

滑雪，用于考察運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果、亮度層次。如圖16所示。

圖16 滑雪

演播室訪談，用于考察亮度細(xì)節(jié)、色度細(xì)節(jié)。如圖17所示。

圖17 演播室訪談

2.2.4 音頻測試信號

模擬音頻測試信號的電平幅度為+4dBu，千周信號用于測試模擬音頻通道信噪比；20Hz～20KHz掃頻信號用于測試模擬音頻通道的幅頻特性、總諧波失真加噪聲。數(shù)字音頻測試信號的電平幅度為-20dBFS，千周信號用于測試數(shù)字音頻通道信噪比；20Hz～20KHz掃頻信號用于測試數(shù)字音頻通道的幅頻特性和總諧波失真加噪聲。

3 測試內(nèi)容及數(shù)值

3.1 視頻測試項(xiàng)目

3.1.1 輸出接口特性

輸出接口測試數(shù)據(jù)，如表1。

檢測項(xiàng)目信號幅度上升時(shí)間下降時(shí)間上升下降時(shí)間差上沖下沖直流電平偏移單位mV ps ps ps%%m V抖動10Hz高通濾波100KHz高通濾波UI UI CRC誤碼秒數(shù)技術(shù)要求800±80〈270〈270〈100〈5〈5±500〈1〈0.2 0

眼圖特性，直流電平偏移，誤碼秒，如圖18、19、20所示。

圖18 眼圖特性測試數(shù)據(jù)

圖19 直流電平偏移數(shù)據(jù)

圖20 誤碼秒數(shù)據(jù)

3.1.2 輸出接口數(shù)據(jù)格式

（1）高清節(jié)目制作圖像特性

高清節(jié)目制作圖像特性，檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表2。

表2 高清節(jié)目制作圖像特性檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

（2）高清節(jié)目制作圖像掃描特性

高清節(jié)目制作圖像掃描特性，檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表3。

表3 高清節(jié)目制作圖像掃描特性檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

（3）高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時(shí)規(guī)范

高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時(shí)規(guī)范，檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表4。

表4 高清隔行掃描系統(tǒng)場周期定時(shí)規(guī)范檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

（4）HD-SDI定時(shí)參考信號

HD-SDI定時(shí)參考信號，檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表5。

表5 HD-SDI定時(shí)參考信號檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

3.1.3 通道視頻特性

通道視頻特性檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表6。

表6 通道視頻特性檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

（1）幅頻特性

幅頻特性是在視頻通道頻帶范圍內(nèi)，通道輸入與輸出之間相對于基準(zhǔn)頻率的增益變化。如圖21所示。

圖21 幅頻特性示意

通過測量基準(zhǔn)頻率的幅度以及被衰減頻率的幅度，利用公式可以算出幅頻特性值。

（2）亮度非線性失真

亮度信號經(jīng)通道傳輸后，因通道非線性導(dǎo)致對信號不同電平有不同增益而造成失真。如圖22所示。

圖22 亮度信號非線性失真示意

測量五階梯波的每一級臺階幅度，再通過公式算出亮度非線性失真的百分比值。

（3）通道間時(shí)延差及閃電顯示

輸入彩條信號，通過閃電顯示了解通道間的時(shí)延差情況，閃電顯示上半部測量Pb與Y的定時(shí)，下半部測量Pr與Y的定時(shí)。如果色差信號與亮度信號存在時(shí)延差，則綠／紫過渡線出現(xiàn)彎曲，朝垂直中心（黑色區(qū)）彎曲，色差信號滯后亮度信號；朝外（白色區(qū)）彎曲，色差信號超前于亮度信號；通道間定時(shí)正確，過渡線會通過7個(gè)刻度點(diǎn)的中心點(diǎn)，第1個(gè)標(biāo)記距中心點(diǎn)為2ns。如圖23所示。

圖23 通道間時(shí)延差及閃電顯示示意

（4）矢量顯示

通過矢量顯示，了解彩色相位是否存在偏差。如圖24所示。

圖24 矢量顯示示意

3.1.4 高清音視頻相對延時(shí)

高清音視頻相對延時(shí)，檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求，如表7。

表7 高清音視頻相對延時(shí)檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求

3.1.5 高清圖像質(zhì)量

在制作域，將高清圖像序列按照MPEG-2 IBP格式、100Mbps碼率采集到工作站，工作站播放圖像序列經(jīng)圖像質(zhì)量分析儀采集后與原圖像比較，得出PQR值。在播出域，將高清圖像序列按照MPEG-2 IBP格式、50Mbps碼率采集到視頻服務(wù)器，經(jīng)圖像質(zhì)量分析儀采集后與原圖像比較，得出PQR值。PQR值=1，圖像質(zhì)量基本沒有損傷；PQR值=3，圖像質(zhì)量損傷可察覺但不明顯；PQR值=10，圖像質(zhì)量損傷明顯。

3.2 音頻測試項(xiàng)目

3.2.1 模擬輸入輸出的接口

模擬輸入輸出的接口檢測項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)等級，如表8。

表8 模擬輸入輸出的接口檢測項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)等級

（1）模擬信噪比

模擬發(fā)生器輸出+4dBu的千周信號，通過模擬分析儀測得輸出信號的幅度值U1，撤除發(fā)生器信號后再測得輸出幅度值U2，用U1減去U2的值為該模擬系統(tǒng)的信噪比。如圖25、26所示。

圖25 輸出信號的幅度值U1

圖26 輸出信號的幅度值U2

（2）模擬幅頻特性

系統(tǒng)輸入+4dBu電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，測得1KHz的信號幅度U1，分別測得從20KHz到20Hz的信號幅度U2，用U2依次減U1，得出的dB值范圍為該系統(tǒng)的幅頻特性值。如圖27所示。

圖27 幅頻特性值

（3）模擬總諧波失真加噪聲

系統(tǒng)輸入+4dBu電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，直接測得各頻點(diǎn)總諧波失真加噪聲值。如圖28所示。

圖28 總諧波失真加噪聲值

3.2.2 數(shù)字輸入輸出的接口

數(shù)字輸入輸出的接口，檢測項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)，如表9。

表9 數(shù)字輸入輸出的接口檢測項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)

（1）數(shù)字信噪比

數(shù)字發(fā)生器輸出-20dBFS的千周信號，通過數(shù)字分析儀測得輸出信號的幅度值U1，撤除發(fā)生器信號后再測得輸出幅度值U2，用U1減去U2的值為該數(shù)字系統(tǒng)的信噪比。如圖29所示。

圖29 數(shù)字信噪比值

（2）數(shù)字幅頻特性

系統(tǒng)輸入-20dBFS電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，測得1KHz的信號幅度U1，分別測得從20KHz到20Hz的信號幅度U2，用U2依次減U1，得出的dB值范圍為該系統(tǒng)的幅頻特性值。

（3）數(shù)字總諧波失真加噪聲

系統(tǒng)輸入-20dBFS電平幅度的20Hz～20KHz掃頻信號，直接測得各頻點(diǎn)總諧波失真加噪聲值。

3.3 測試常見問題

3.3.1 視頻測試問題

（1）抖動超標(biāo)。抖動是數(shù)字信號在形成、編碼、處理、傳送和變換中，造成的數(shù)據(jù)跳變位置與理想位置在時(shí)間上的偏移。抖動是數(shù)字系統(tǒng)性能中最重要的特性參數(shù)之一，抖動造成恢復(fù)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)在時(shí)間上出現(xiàn)瞬間偏差，當(dāng)這種偏差變得足夠大時(shí)，數(shù)據(jù)被錯(cuò)譯而產(chǎn)生誤碼。抖動主要測量兩個(gè)指標(biāo)，定時(shí)抖動（高于10Hz的所有抖動）和校準(zhǔn)抖動（高于100KHz的所有抖動）。定時(shí)抖動用于表征整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，校準(zhǔn)抖動能夠直接給出影響正確恢復(fù)數(shù)據(jù)的信息，設(shè)備鎖相環(huán)不能跟蹤輸入信號的定時(shí)變化。

校準(zhǔn)抖動超標(biāo)，提示設(shè)備鎖相環(huán)電路性能不良。如圖30所示。

圖30 校準(zhǔn)抖動數(shù)據(jù)和超標(biāo)示意

（2）圖像損傷。主觀評價(jià)圖像質(zhì)量對于視頻壓縮系統(tǒng)來說是比較有效的檢測方法，通過基于人類視覺系統(tǒng)模型的客觀圖像質(zhì)量評價(jià)設(shè)備，可以快速、可重復(fù)的進(jìn)行客觀圖像質(zhì)量測量。

演播室圖像序列的PQR值為6.254，圖像質(zhì)量損傷可察覺，圖像背景色塊和玫瑰花出現(xiàn)亮度細(xì)節(jié)和色度細(xì)節(jié)損失。如圖31所示。

圖31 圖像亮度細(xì)節(jié)和色度細(xì)節(jié)損失示意

秋葉圖像序列PQR值為5.247，圖像質(zhì)量損傷可察覺，秋葉出現(xiàn)塊效應(yīng)現(xiàn)象，圖像在壓縮編碼中運(yùn)動預(yù)測與補(bǔ)償效果不佳。如圖32所示。

圖32 圖像塊效應(yīng)示意

鳥籠序列PQR值為4.367，圖像質(zhì)量損傷可察覺，鳥和鳥籠欄桿出現(xiàn)細(xì)節(jié)損失和塊效應(yīng)現(xiàn)象。如圖33所示。

圖33 圖像細(xì)節(jié)損失和塊效應(yīng)現(xiàn)象

大地花海圖像序列PQR值為4.525，圖像質(zhì)量損傷可察覺，紅花和綠草出現(xiàn)細(xì)節(jié)損失。如圖34所示。

圖34 圖像細(xì)節(jié)損失示意

（3）通道視頻特性不良

亮度非線性失真，是系統(tǒng)中非線性元器件產(chǎn)生的，這些元器件參數(shù)隨著作用于它的信號電平而改變造成失真。

五階梯波的每一級幅度增益不均等，提示設(shè)備非線性性能不良。如圖35所示。

圖35 五階梯波示意

亮度幅頻特性不良，常見高頻頻段幅度下降，幅頻特性不平坦產(chǎn)生失真。如圖36、37所示。

圖36 頻率信號幅度增強(qiáng)

圖37 頻率信號幅度衰減

3.3.2 音頻測試問題

音頻系統(tǒng)測試常見總諧波失真加噪聲超標(biāo)問題，這是系統(tǒng)不是完全線性造成的，輸出信號比輸入信號多了諧波和噪聲成分。如圖38所示。

圖38 音頻系統(tǒng)測試常見總諧波失真加噪聲超標(biāo)示意

在63.25Hz以下的低頻出現(xiàn)諧波失真加噪聲百分比值偏高，低頻信號通過設(shè)備后產(chǎn)生新的諧波或低頻信號混有干擾噪聲。

結(jié)束語

系統(tǒng)測試是把控節(jié)目質(zhì)量的重要一關(guān)，加快高清系統(tǒng)測試方法的研究和實(shí)踐已經(jīng)刻不容緩，除本文介紹的測試方法外，還有其他測試?yán)碚撔枰M(jìn)一步實(shí)踐和檢驗(yàn)，這將是今后的工作目標(biāo)和方向。

TP37

B

2096-0751（2017）08-0014-11

杜劍 內(nèi)蒙古廣播電視臺 工程師

審稿人：杜中 內(nèi)蒙古廣播電視臺 正高級工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏