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视频信号基础知识
1.1信号的基础知识
1.1.1模拟RGB信号（ARGB）
1.1.1.1定义
RGB模拟基色视频信号是具有相同带宽，经过伽马校正的红、绿、蓝原色信号。
信号中包含同步脉冲信号和行场消隐信号。
R、G、B信号同步产生并携带同时生成的图像信息。
1.1.1.2信号通道
RGB信号接口的三个分离通道用于传输特定的信号，如表1-1所示。
表1-1视频信号通道
通道
RGB信号集
符号表示
通道1
红色信号
R
通道2
绿色信号
G
通道3
蓝色信号
B
当使用复合RGB信号时，至少在绿通道上加载同步信号；也可以将同步信号与RGB信号分离传输。
1.1.1.3信号接口时序图
ARGB信号具有多种变种形式,RGB信号既可以与同步信号分离,又可以与同步信号复合。
前者是最简单的RGBHV信号，后者目前最常见的是在绿通道上加载同步信号，也称RGsB信号，同步信号加载于绿色数据通道上，有时G也称其为SoG信号，表示其加载上了同步信号。
1）RGB信号与同步信号分离时（RGBHV）
a）RGB信号：
700mVp-p,正极性，75；
b）行同步信号（HS）：
300mVp-p，TTL电平，负极性，高阻；
c）场同步信号（VS）：
300mVp-p，TTL电平，负极性，高阻。
图1.11280×720p,50Hz的时序参数，图中省略了R、G、B相关颜色信号。
1280表示水平方向上的有效像素值，720表示垂直高度上的有效扫描行数，p表示是逐行扫描信号，不需要进行去隔行处理了（i表示隔行扫描信号），50Hz表示的是场频。
在实际的信号时序格式中，除了有效的扫描值外，为了信号消隐和同步的需要，通常还附加有许多信号前肩（Frontporch）、后肩（backporch）、前（上）界（Front/TopBorder）、后（下）界（Back（Bottom）Border）以及行同步信号（HorBlankTime）、场同步信号（VerBlankTime）等。
图1.11280×720p,50Hz的时序参数（分离同步信号）图片来自参考文献1
2）RGB信号与同步信号复合时（通常在绿通道上加载同步信号）：
a）复合同步信号其波形见图1.2；
b）RGB信号：
700mVp-p，正极性，75；
c）复合同步信号：
±300mV。
图1.2复合同步信号（颜色通道加载上同步信号）图片来自参考文献1
图1.3是1280×720p，50Hz的时序参数（复合同步信号）。
图1.31280×720p，50Hz的时序参数（复合同步信号）图片来自参考文献1
1.1.1.4连接端子
1）75W的BNC类型的连接端子（包括插头和插座）
RGBHV信号的相关线缆颜色表示如下：
R（红色线缆）
G（绿色线缆）
B（蓝色线缆）
HS（黑色线缆）
VS（黄色线缆）
图1.4RGBHV线缆
2）小D形15针接口连接端子（包括插头和插座）
小D形15针孔座连接器的示意图与针脚分配如图1.5和表1-2所示。
图1.5小D形15针孔座连接器
表1-2小D形15针孔座连接器针脚分配
插孔编号
分配
插孔编号
分配
1
红色视频
9
保留
2
绿色视频
10
逻辑地线
3
蓝色视频
11
保留
4
保留
12
I2C数据（SDA、DDC1/2B）
5
DDC地线
13
行同步HS
6
红色视频地线
14
场同步VS
7
绿色视频地线
15
I2C时钟（SCL、DDC2B）
8
蓝色视频地线
1.1.1.5典型信号——VGA接口
计算机的VGA输出接口是典型的模拟RGB信号（analogRGB，简称ARGB）。
15针的VGA接口如图1.6所示
图1.615针VGA接口
其中1、2、3三针分别是R、G、B模拟视频信号的输出端口；13针是HSYNC（行同步信号）、14针是VSYNC（场同步信号），这两个是时钟信号，它们用来确定CRT显示器扫描点的周期性移动；5是地线，10是同步信号地线，12、15是串行总线通讯通道；常见的9针是空的，不过4、11有时也为空。
在实际使用中，4、5、6、7、8、10、11可以接在一起共同作为地线使用。
这15针中，最关键的是1、2、3针的R、G、B模拟视频信号、13针的HSYNC以及14针的VSYNC信号。
CRT显示器每一个时刻只有一个像素点发亮，屏幕扫描路径如图1.7所示：
图1.7屏幕扫描路线图
每一行从左向右、每一屏从上到下扫描。
其中在每一行扫到最右端后，电子枪需要返回屏幕最左端，这称为“水平回扫”；而进行回扫的期间内，必须保证电子枪不射出电子，称作“消隐期”。
同理，每一屏扫到最下方时，也有“垂直回扫”。
为了保证正常显示，消隐期要略大于回扫期，这也就是屏幕四周有黑色边缘的原因。
图1.8纯红下用示波器观测到的HSYNC和R通道波形
图1.8是在屏幕纯红下观测到的波形，可以看到HSYNC（经反相）和视频信号的时序关系。
HSYNC的脉冲区域是回扫区，R通道的低电平区域是消隐区。
如果将普通（非纯色）视频模拟信号的波形放大，可以观察到它随着点频时钟不断变化（图中的每一格代表一个像素点处的波形。
）：
图1.9视频模拟信号随着像素点的变化
1.1.2数字RGB信号（DRGB）
1.1.2.1定义
通过前面的介绍,我们知道ARGB图像信号由颜色信号R、G、B和同步信号HS、VS组成。
数字RGB信号与ARGB的不同之处在于，ARGB的颜色信号是模拟信号，其在后端需要经过A/D采样后才能进行数字化处理。
DRGB的颜色信号是采样后的数字信号，一般每种颜色数字位宽为颜色深度，一般为8bits，因此每个像素点的数据为24bits/pixes（包含RGB）。
在图像信号处理中，DRGB是信号处理的基础，所有其他信号格式的信号形式应转化为DRGB后再进行进一步处理。
1.1.2.2典型信号——DVI接口
DVI（DigitalVisualInterface）信号是一种特殊的DRGB信号，主要是为了传输的需要将DRGB进行相关信号形式（转换为高速串行数据）的转换，其本质依然是DRGB信号，在这里将DVI作DRGB处理，因为使用Sil1161、Sil160变换后就可以轻易实现了两者的相互转换。
目前常见的DVI接口有两种，分别是DVI-Digital（DVI-D）与DVI-Integrated（DVI-I），DVI-D仅支持数字信号，而DVI-I则可以支持模拟信号，也就是说DVI-I的兼容性更强。
通常我们在显卡的接口部分，看到的是DVI-I接口，而在显示器处，看到的则是DVI-D接口。
DVI-D是纯数字接口；DVI-I是数字、模拟混合接口，DVI-I接口旁边的4针是RAMDAC转出来的模拟信号，DVI-I接口，它同时可兼容模拟接口。
DVI-D是纯数字视频接口，它支持双TMDS连接，包含24个接触点，并以3行8未连接，如下图（图1.10）所示,其下的表格（表1-3）列出了引脚的定义：
图1.10DVI-D接口
表1-3DVI-D接口引脚定义
DVI-I是数字模拟视频兼容接口，它除了DVI-D包含的24个接触点外，还包含5个用于支持模拟视频的接触点，如下图（图1.11）所示，表1-4是其引脚定义。
图1.11DVI-I接口
表1-4DVI-I引脚定义
DVI-I（I=A+D=Integrated）含及上述两个接口，在管脚定义上有明显的区分，当DVI-I接VGA时，就是起到了DVI-A的作用；当DVI-I接DVI-D时，只起了DVI-D的作用。
1.1.3视频信号
视频信号的格式和种类很多，NTSC、PAL和SECAM是几种常见的标准电视视频信号格式，它们规定了显示图像的线数、色彩信息的定义和扫描线的速度（即刷新频率）。
NTSC制式，又称正交平衡调幅制式，基本上是传送亮度信号Y及两个色差信号R-Y（U），B-Y（V）的系统（之所以这样选择，是为了保证与黑白接收机的兼容）。
NTSC制式是将色差信号R-Y（U），B-Y（V）转换为I信号（宽通频带颜色信号）及Q信号（窄通频带颜色信号）进行传送的。
对于传输Y、U、V的NTSC制式，扫描行数为625行，场频为50Hz，色副载波频率为4.43MHz；对于传输Y、I、Q的NTSC制式，扫描行数为525行，场频为60Hz，色副载波频率为3.58MHz。
PAL制式，又称逐行倒相正交平衡调幅，我国目前采用的是这一制式。
PAL制式采用色差信号U、V作为色度信号的两个分量进行传送，并将色度信号的分量V逐行倒相，对色度信号因相位畸变而因此的失真有明显的改善作用，副载波采用场间交错（25Hz偏置）1/4行频间置，进一步减少色度与亮度信号之间的干扰，色同步信号逐行跳变（±135°），以提供副载波的基准相位和逐行倒相识别信号。
我国PAL制式基本参数是，扫描行数为625，行频15625Hz，场频为50Hz，色副载波频率为4.43MHz，图像载波与伴音载频的差为6.5MHz。
SECAM制式是1966年由法国研制成功的，是法文“顺序传送彩色与存储”的缩写词。
SECAM制式中对R-Y、B-Y两个色差信号采用逐行轮换调频制，在同一时间内，在传送通道中只存在一个色差信号，从而避免两个色差信号的串扰。
有关NTSC、PAL、SECAM的编解码原理，请详见相关参考书籍，在这里不做过多的描述。
1.1.3.1S-video/CVBS
连接器类型：
BNCx3
信号格式：
S-video、CVBS
信号制式：
PAL、NTSC、SECAM
信号幅度：
0.5Vpp~2.0Vpp
1）S-Video
S-Video具体英文全称叫SeparateVideo，也称二分量视频接口，有时也称YC信号，SeparateVideo的含义就是将Video信号分开传送，也就是在AV接口的基础上将色度信号C和亮度信号Y进行分离，再分别以不同的通道进行传输。
S-Video要将两路色差信号（CrCb）混合为一路色度信号C，进行传输然后再在显示设备内解码为Cb和Cr进行处理，这样多少仍会带来一定信号损失而产生失真（这种失真很小但在严格的广播级视频设备下进行测试时仍能发现），而且由于CrCb的混合导致色度信号的带宽也有一定的限制，所以S-Video虽然已经比较优秀但离完美还相去甚远，S-Video虽不是最好的，但考虑到目前的市场状况和综合成本等其它因素，它还是应用最普遍的视频接口。
在DVD播放设备中，带有的S端子就是S-video视频输出接口。
DVD将分量信号经编码电路及4.43MHz副载波进行复合调制，将三路色差信号变为亮度信号Y和复合色度信号C，经S端子送入DisplayPanel，在DisplayPanel中Y信号经视放电路送入矩阵，而C信号需要经彩色解码电路，将4.43MHz的色度信号进行U/V分离，再解码而得出R-Y、B-Y两个色差信号，再送入矩阵电路处理、显示。
显然这种接法信号传达室输路径长，反复处理多，信号损失和失真都会比色差分量方式大，图像质量不如前者，存在色度副载波干扰。
2）CVBS复合视频信号
复合视频信号（CompositeVideosignal）,复合视频信号定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。
复合视频信号（CVBS）就是将亮度,色度,同步信号放在一根线上传输的信号。
DVD机若将S视频中的Y和C信号再进行混合调幅，则成为单一的复合视频信号（CVBS），它是将色度信号的带宽限制后调幅在Y信号上，显然DVD将此信号接入DisplayPanel视频图像（Video）端子后，在DisplayPanel中还要经过亮色分离、色度解调、矩阵处理才能显示，不仅传输路径长且重复地混合、编码、解码，重复加工过多，图像质量比前二者更差，不仅有色度副载波网纹干扰，也存在亮度之间相互干扰，使彩色界面出现斑点干扰，色度波形前后沿也有失真，形成色彩界面混染等。
图1.12CVBS信号
1.1.3.2色差分量接口YCrCb/YPrPb
连接器类型：
BNCx3
信号格式：
YCrCb、YPrPb
分辨率：
480P、576P、720P、1080i
信号幅度：
0.5Vpp~1.0Vpp
色差分量接口，通常采用YPbPr和YCbCr两种标识，前者表示逐行扫描色差输出，后者表示隔行扫描色差输出。
色差分量信号是直接将图像信号以分量格式（Cr、Cb）经色差分量端子送入DisplayPanel。
这时DisplayPanel中仅需经过矩阵电路（宽带的电阻相加减网络）后，经末级视放送到DisplayPanel去显示。
这种接法信号传输路径短，加工少，电路带宽在10MHz以上，超过亮度和色度信号的带宽（6MHz），既无彩色制式差别，也没有高频副色度载波干扰辐射存在，故图像质量最好。
1.1.4信号间的基本转换
从上述讨论，我们知道RGB是目前最常用的一种显示方式，十分方便对图像的处理。
因而，一般图像的输出终端均采用RGB合成方式，比如CRT、LED、DLP等。
但在实际的信号输入源中由于压缩或传输的需要，有着各种各样的输入格式，因而需要对信号间进行转换。
1、矩阵转换
YUV到RGB的图像信号转换可通过集成电路（LT1399）实现，计算转换是基于前面介绍的转换公式:
Y=0.299R+0.587G+0.114B
通过矩阵变换，得到RGB信号。
2、复合同步信号分离
色差信号YUV的Y信号带有复合同步信号，由水平同步信号（HS）与垂直同步信号（VS）组成。
因而需要通过电路或器件将Y信号上的同步信号分离出来,产生HS、VS信号。
可以用业界通用的集成电路LM1881、GS1881等芯片完成同步信号分离的功能。
如果需要额外分离出水平同步信号，则可以选用GS4981。
3、同步信号消除
在某些情况，图像信号中叠加了同步信号，因而在转换为一般的RGB时需要在RGB中去掉同步信号，还原出HS、VS单独信号。
1）色度分离
将复合的色度信号U/V分离开来，得到独立的U、V信号。
2）亮色分离
将复合的亮度色度信号Y/C分离，得到独立的Y、C信号。
1.1.5信号转换
1、DVI信号到RGB信号转换
由于DVI信号的RGB信号复合了同步信号，故要采用消除同步信号。
可采用的集成器件有Sii161/1161、sii141、si151等。
2、YCrCb转换为RGB
去隔行变为逐行YPrPb，然后对Y进行复合同步分离（A/D9883）得Y、HS、VS，再采用矩阵转换得RGB。
3、YPrPb转换为RGB
对Y进行复合同步分离（A/D9883）得Y、HS、VS，再采用矩阵转换得RGB。
4、S-端子转换为RGB
对Y复合同步分离得Y、HS、VS，对U/V进行色度分离得U、V；再将Y、U、V矩阵转换得RGB。
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