Grundlagen zur Videosignalmessung und -erzeugung

Überblick

Dieses Tutorium ist Teil der Reihe zu Signalgeneratoren und Hochgeschwindigkeits-Digitizern. Jedes Dokument dieser Reihe vermittelt Ihnen theoretisches Hintergrundwissen und praktische Beispiele zu einer spezifischen Messanwendung. Dieses Tutorium behandelt die Grundlagen der Videosignalmessung und -erzeugung.

Weitere Signalerzeugungskonzepte finden Sie auf der Seite Grundlagen zu Signalgeneratoren
. Zusätzliche Informationen zu Hochgeschwindigkeits-Digitizern entnehmen Sie der Seite Grundlagen zu Hochgeschwindigkeits-Digitizern

Inhalt

Überblick zu Composite-Videosignalen

Ein Composite-Videosignal ist ein Signal, bei dem alle zur Videosignalerzeugung notwendigen Komponenten in einem Signal integriert sind. Ein Composite-Signal besteht aus drei Hauptbestandteilen:

  • Luma-Signal (auch Luminanz): Enthält Informationen (Helligkeit bzw. Dunkelheit) zur Intensität des Videosignals.
  • Chroma-Signal (Chrominanz): Enthält die Farbinformationen des Videosignals.
  • Synchronisationssignal: Steuert die Abtastung des Signals auf einem Bildschirm, z. B. einem Fernseher.

Ein monochromes Composite-Signal besteht aus zwei Komponenten: dem Luma- und dem Synchronisationssignal. Dieses Signal, welches in der Regel als Y-Signal bezeichnet wird, ist in Abbildung 1 dargestellt.


Abb. 1: Monochromes Composite-Videosignal (Luminanz geht von Weiß zu Schwarz)


Das Chroma-Signal an sich wird in der Regel als C-Signal bezeichnet und ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abb. 2: Farbartsignal für einen Farbbalken (einschließlich Burst-Signal)


Das Composite-Farbvideosignal wird häufig als FBAS-Signal (Farb-Bild-Austastung-Synchronisation) bezeichnet und ist die Summe aus Y und C (siehe Abbildung 3).

FBAS = Y + C

Abb. 3: FBAS-Signal für einen Farbbalken


Die beiden Bestandteile Y und C können auch einzeln als zwei unabhängige Signale übertragen werden. Beide Signale zusammen werden als S-Video- oder Y/C-Videosignal bezeichnet.

Bestandteile des Videosignals

Das Signal für eine einzelne horizontale Zeile besteht aus einem horizontalen Synchronisationssignal, vorderer und hinterer Schwarzschulter sowie dem aktiven Pixelbereich (siehe Abbildung 4).


Abb. 4: Bestandteile eines Videosignals

Die horizontalen Synchronisationssignale (HSYNC) signalisieren den Anfang jeder neuen Videozeile. Nach dem Signal folgt eine vordere Schwarzschulter, die als Bezugspegel für die Entfernung aller Gleichspannungsanteile aus dem Videosignal dient. Dies wird bei monochromen Signalen während des sogenannten Klemmimpulses auf der hinteren Schwarzschulter durchgeführt. Bei Composite-Farbsignalen findet das Klemmen während des horizontalen Synchronisationsimpulses statt, da der größte Teil der hinteren Schwarzschulter für das Burst-Signal genutzt wird. Die Farberkennung bietet Informationen zur Dekodierung des Farbinhalts des Signals. Die Hilfe des Measurement & Automation Explorers bietet eine gute Beschreibung aller erweiterten Einstellungsparameter eines Videosignals.

Es können auch Farbinformationen zusammen mit dem monochromen Videosignal weitergegeben werden. Ein Composite-Farbsignal besteht aus dem monochromen Signal (RS-170 oder CCIR) plus folgende Komponenten:
  • Burst-Signal: Hochfrequenter Bereich auf der hinteren Schwarzschulter, der einen Phasen- und Amplitudenbezug für nachfolgende Farbinformationen bereit stellt.
  • Chroma-Signal: Enthält die eigentlichen Farbinformationen. Das Signal besteht aus zwei Quadraturkomponenten, die mit der Burst-Signalfrequenz auf ein Trägersignal moduliert wurden. Die Phase und Amplitude der beiden Komponenten bestimmt den Farbinhalt jedes Pixels.

Ein weiterer Teil des Videosignals ist der vertikale Synchronisationsimpuls (VSYNC). Es handelt sich hierbei eigentlich um eine Impulsfolge, die zwischen Feldern auftritt und dem Monitor signalisiert, dass er eine vertikale Austastlücke durchführen und sich auf die Abtastung des nächsten Feldes vorbereiten soll. Es gibt eine Reihe an Zeilen zwischen jedem Feld, die keine aktiven Videoinformationen enthalten. Einige enthalten nur HSYNC-Impulse, während andere eine Reihe an Equalizer- und VSYNC-Impulsen beinhalten. Diese Impulse wurden zu Beginn des Fernsehbetriebs festgelegt und gehören immer noch zum Standard, obwohl neuere Hardwaretechnologien diese Extraimpulse häufig nicht mehr benötigen. Abbildung 5 zeigt ein überlagertes Composite-Signal (RS-170) mit dem vertikalen Synchronisationsimpuls. Zum besseren Verständnis wird ein 6-Zeilen-Frame gezeigt.


Abb. 5: VSYNC-Impuls

Es ist wichtig zu beachten, dass die horizontale Größe (in Pixeln) eines mit einer Analogkamera aufgenommenen Bildes von der Rate bestimmt wird, mit welcher der Framegrabber jede horizontale Videozeile abgetastet hat. Die Framegrabber-Rate wird wiederum von der vertikalen Zeilenrate und der Architektur der Kamera bestimmt. Die Struktur des CCD-Arrays (Charge-Coupled Device) legt die Größe jedes einzelnen Pixels fest. Um eine Bildverzerrung zu vermeiden, sollten horizontale Zeilen mit einer Rate abgetastet werden, die den aktiven horizontalen Videobereich in die korrekte Pixelanzahl zerlegt. Es folgt ein Beispiel mit Zahlen des RS-170-Standards:

Eingesetzte Parameter:

  • Anzahl der Zeilen/Frames: 525 (485 Zeilen pro Anzeige, restliche Zeilen sind VSYNC-Zeilen für beide Felder)
  • Zeilenfrequenz: 15,734 kHz
  • Zeilendauer: 63,556 Mikrosekunden
  • Aktive horizontale Dauer: 52,66 Mikrosekunden
  • Anzahl aktiver Pixel/Zeilen: 640

Mit diesen Angaben können nun einige Berechnungen durchgeführt werden:

  • Pixeltaktfrequenz (Frequenz, mit der jeder Pixel vom Framegrabber aufgenommen wird):
    640 Pixel/Zeilen / 52,66 e-6 s/Zeile = 12,15 e6 Pixel/s (12,15 MHz)
  • Gesamtzeilenlänge des aktiven Videosignals in Pixeln + Timing-Informationen (genannt HCOUNT):
    63,556 e-6 s x 12.15 e6 Pixel/s = 772 Pixel/Zeile
  • Frame-Rate:
    15,734 e3 Zeilen/s / 525 Zeilen/Frames = 30 Frames/s

Verschiedene Videoformate

In der nachfolgenden Tabelle werden einige Merkmale von Standardanalog-Videoformaten aufgezählt:

NTSC: National Television Systems Committee
PAL: Phase Alternating Line
SECAM: Séquentiel Couleur à Mémoire

Format
Region
Modus
Signalname
Frame-Rate, Abtastgeschwindigkeit (Frames/s)
Auflösung der vertikalen Zeile
Zeilenrate (Zeilen/s)
Bildgröße (WxH) in Pixeln
NTSC Nord- und Mittelamerika, Japan Mono RS-170 30 525 15750 640x480
Farbe NTSC Color 29,97 525 15734
PAL Europa (außer Frankreich), Australien, Teile von Afrika und Südamerika Mono CCIR 25 405 10125 768x576
Farbe PAL Color 25 625 15625
SECAM Frankreich, Osteuropa, Russland, Teile des Nahen Ostens und Afrika Mono 25 819 20475 -
Farbe 25 625 15625

Farbkodierung

Für alle PAL- und NTSC-Formate basiert die Farbkodierung auf dem QAM-Konzept (Quadraturamplitudenmodulation), bei dem zwei voneinander unabhängige Signale per Amplitudenmodulation auf einen Träger gleicher Frequenz jedoch mit verschobener Phase (90°) moduliert und anschließend zusammengeführt werden. Um die Modulation und somit die Farbinformationen zu dekodieren, wird ein Bezugssignal – das Burst-Signal – am Anfang jeder Zeile, direkt hinter dem horizontalen Synchronisationsimpuls eingefügt (siehe Abbildungen 3 und 4).

Beim SECAM-Format werden die zwei Farbsignale auf zwei Träger mit verschiedenen Frequenzen moduliert und anschließend auf verschiedene Videozeilen übertragen. Beim SECAM-Format ist kein Burst-Signal erforderlich.

Videopegel


Die Videopegel legen die Pegel und Bereiche der verschiedenen Teile eines Videosignals fest. Die Einheit für Videopegel ist IRE (Institute of Radio Engineers). Der Austastwert entspricht 0 IRE, während der Weißpegel +100 IRE beträgt. Der Austastwert ist der Bezugspegel für das Videosignal (normalerweise 0 V) und unterscheidet sich vom Schwarzpegel, wenn es sich um einen Signalaufbau wie in Abbildung 6 handelt.


Abb. 6: Videopegel


Für NTSC gilt in der Regel ein Austastwert von 7,5 IRE, wodurch der Schwarzpegel bei +7,5 IRE liegt. Bei PAL und SECAM entspricht der Schwarzpegel dem Austastwert von 0 IRE.

In der nachfolgenden Tabelle werden die Videopegel für die verschiedenen Videoformate angegeben.

Videoformat
Synchronisationspegel
Austastwert
Schwarzpegel
Weißpegel
Spitzenpegel
Burst-Amplitude
NTSC
-40 IRE
0 IRE
+7,5 IRE
+100 IRE
+120 IRE
20,0 IRE
PAL
-43 IRE
0 IRE
0 IRE
+100 IRE
+133 IRE
21,5 IRE
SECAM
-43 IRE
0 IRE
0 IRE
+100 IRE
+130 IRE
-

Ein analoges Composite-Videosignal ist eine Spannungsquelle mit einer Ausgangsimpedanz von 75 Ω. Der Sync-to-White-Pegel liegt normalerweise bei 1 Vpk-pk bei einem Widerstand von 75 Ω. Das bedeutet, dass das Signal ohne Widerstand einen nominalen Pegel von 2 Vpk-pk hat.

Überlagerte Abtastung

Alle Composite-Videosignalsysteme verwenden für die Anzeige eines Videobilds auf einem TV-Bildschirm überlagerte Abtastung. In Abbildung 7 wird dieses Konzept dargestellt.


Abb. 7: Überlagerte Abtastung auf einem TV-Bildschirm


Das Analogvideosignal beinhaltet Synchronisationsimpulse, welche die zeilenweise Abtastung von links nach rechts und die feldweise Abtastung von oben nach unten steuern. Die Impulse, welche die zeilenweise Abtastung steuern, werden horizontale Synchronisationsimpulse (HSYNC) genannt, während die Impulse zur feldweisen Abtastung als vertikale Synchronisationsimpulse (VSYNC) bezeichnet werden.

Zwei überlagerte Felder bilden einen vollständigen Frame. Das erste Feld – ungerades Feld genannt – tastet die ungeraden Zeilen des Videobilds ab, während das zweite Feld – gerades Feld genannt – die geraden Zeilen des Videobilds liest. Dieser Prozess wird für jeden einzelnen Frame wiederholt.

Weitere Informationen:
Welches Feld wird bei der Erfassung eines überlagerten Bilds zuerst abgetastet?
Wie unterscheidet man bei einem überlagerten Videosignal zwischen geraden und ungeraden Feldern?

Aktives Bild


Ein aktives Videobild verfügt unabhängig vom Videoformat immer über ein Bildformat (horizontal/vertikal) von 4:3. Am Composite-Farbvideosignal lässt sich erkennen, dass für den Abtastprozess zusätzlicher Platz links und rechts neben jeder Zeile sowie am oberen und unteren Rand des aktiven Videobildbereichs notwendig ist. In diesem Extrabereich befinden sich die Synchronisations- und Burst-Signale sowie weitere formatspezifische Informationen, wie z. B. Prüfzeilen, die nicht Teil des aktiven Videobildes sind. Circa 90 % aller Zeilen und 80 % jeder Zeile können aktive Bildinformationen übertragen. Die exakten Werte hängen vom Videoformat ab und sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.

 

Videoformat
Zeilen/Frames
Aktive Zeilen
Frame-Rate
Zeilendauer
Aktive Zeilendauer
NTSC 525 480/486 29,97 Frames/s 63,55 µs 52,2 µs
PAL/SECAM 625 576 25,00 Frames/s 64,00 µs 52,0 µs

Aktive Zeilen sind die Zeilen, die tatsächlich für die Übertragung von Bildinformationen genutzt werden. Bei NTSC sind es beispielsweise nur 480 von 525 Zeilen pro Frame, die Bildinformationen übertragen. Genauso werden auf jeder Zeile nur dann Bildinformationen übertragen, wenn die Zeile aktiv ist. Bei NTSC beträgt die aktive Zeit einer Zeile beispielsweise nur 52,2 µs von 63,55 µs. Die Frame-Rate entspricht hierbei der Abtastgeschwindigkeit.

Graustufenbilder und extrahierte Zeilenprofile


Das komplette NTSC-Frame-Abtastungsbild des nachfolgenden Abschnitts simuliert eine Videoanzeige, die unter den folgenden Bedingungen auf einem TV-Bildschirm angezeigt werden würde:

  • Der Fernseher ist in der Lage, die gesamte Zeile anstelle nur des aktiven Bildteils anzuzeigen.
  • Der Fernseher hat die zwei Felder nicht überlagert, um einen vollständigen Bild-Frame zu bilden, sondern zeigt stattdessen die zeilenweise Abtastung des gesamten Frames an.

Die Abtastung (zeilenweise von oben nach unten) beginnt mit den Zeilen, die das vertikale Synchronisationsmuster des ungeraden Feldes darstellen. Unmittelbar nach dem vertikalen Synchronisationsmuster können Prüfzeilen (Insertion Test Signals) eingefügt werden. Anschließend wird das aktive Bild des ungeraden Felds angezeigt.

Der Prozess wird genauso auch für das gerade Feld durchgeführt, so dass das gesamte aktive Bild angezeigt wird.

 

Hinweis   Die meisten Zeilen beginnen mit einem horizontalen Synchronisationsimpuls gefolgt vom Burst-Signalmuster. Dabei wird das aktive Bild in verschiedenen Farbintensitäten angezeigt, wobei ein höherer Signalpegel einer höheren Helligkeit entspricht.

Das Beispiel für ein extrahiertes Zeilenprofil am unteren Rand von Abbildung 8 und 9 zeigt eine tatsächliche Videosignalzeile, die aus dem geraden Feld extrahiert wurde. Informationen zu Videopegeln entnehmen Sie bitte dem entsprechenden Abschnitt in diesem Dokument.

Bei horizontalen Synchronisationsimpulsen handelt es sich im Wesentlichen um einfache negative Impulse – Impulse, die unter dem Luma-Signalpegel liegen. Vertikale Synchronisationsimpulse bestehen aus Impulsfolgen, die auf verschiedene Zeilen verteilt sind. Sie unterscheiden sich für gerade und ungerade Felder. Abbildung 8 und 9 zeigen die vertikalen Synchronisationsmuster für beide Felder für die drei Hauptvideoformate.


Abb. 8: Vertikale Austast- und Synchronisationssignale für NTSC



Abb. 9: Vertikale Austast- und Synchronisationssignale für PAL und SECAM

Vollständige NTSC-Frame-Abtastung

Abbildung 10 zeigt das Ergebnis der Abtastung aller 525 Zeilen eines NTSC-Frames.


Abb. 10: Vollständige NTSC-Frame-Abtastung


Abbildung 10 ist ein Graustufenbild, da es die Intensitätsstufen des NTSC-Videosignalverlaufs anzeigt. Die Farbinformationen des Signals sind noch nicht dekodiert worden.

Auf der linken Seite sind die Burst-Signale des Bildes zu sehen. Das Punktmuster stellt die Intensitätsstufen des Sinusverlaufs des Burst-Signals dar. Nach der Dekodierung würde das Burst-Signal (wenn es auf dem TV-Bildschirm sichtbar wäre) als durchgehende Farboberfläche zu sehen sein.

Relevante NI-Produkte