对高清基带系统视音频通道测试的认识

杜 剑

内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

对高清基带系统视音频通道测试的认识

杜 剑

内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

随着广播电视技术的发展，电视进入了高清时代，受众对图像质量的要求越来越高，高清系统的设计建设也日趋复杂，套用标清电视的测试方法已经不能适应高清系统。为此，有必要全面、系统的总结出一套测试方法，以便于开展技术系统测试工作。本文根据笔者工作实际，就高清基带系统视音频通道测试进行论述。

高清 通道特性 指标测试

引 言

随着数字化、网络化高清制播平台技术的发展，高清制播系统建设日趋复杂，建成的系统是否满足要求？信号在制作和播出域经过多次转换后，画面及声音质量是否下降？这需要一套科学的检测方法确定。目前，行业相关测试标准还不够全面和细致，本文紧扣行业标准，总结测试经验，便于相关人员了解如何检测高清系统通道指标，及时发现和解决系统问题，有效保障播出安全。

1 测试方法及实践

1.1 测试准备工作

1.1.1 确定系统通道

（1）视频系统通道

数字系统通道分为A、B两类。A类通道没有视频信号变换环节，通道输出端与输入端的图像有效数据完全一致，图像质量不会出现损伤。B类通道通常为网络制作、网络播出和硬盘播出通道，该通道有比特变换、压缩编解码和色域变换环节，会影响图像质量。

A类通道为演播室、播控系统中，不含视频服务器、上下变换器、延时器、采集录制等设备的通道。A类通道只测输出接口特性、输出接口数据格式和音视频相对延时的技术指标。如图1所示。

图1 A类通道示意

B类通道除测试输出接口特性、输出接口数据格式和音视频相对延时外，还需主观评价图像质量和测试通道视频特性。如图2所示。

图2 B类通道示意

（2）音频系统通道

调音台、音频工作站等设备，对音频信号进行模数转换及DSP处理，会影响信号质量，数字通道采用AES/EBU接口，模拟通道采用XLR接口。如图3、4所示。

图3 演播室音频通道

图4 音频工作站通道

1.1.2 确定测试点

在系统主、备路通道的始端输入标准测试信号，选取系统通道末端及关键设备出口作为测试点，通过设备分析信号指标。

在测试音频工作站时，测试信号经音频接口进入，通过音频工作站及工作站控制台建立音频直通通道，在音频接口输出信号送分析仪分析。

2 选择设备和测试信号

2.1 测试设备

2.1.1 视频测试设备

TG700信号发生器，用于产生视频测试标准信号。WFM7120波形监视器，用于分析HD-SDI信号指标。PQA600A图像质量分析仪，用于客观化主观评价图像质量，分析仪可以作为信号源输出图像序列，同时采集图像后与原图像序列进行对比分析。

2.1.2 音频测试设备

SYS-2722音频分析仪，用于测试和分析音频信号质量，可以输出音频测试信号的同时，分析音频信号技术指标。

2.2 测试信号

2.2.1 高清视频测试信号

100%彩条信号用于测试系统的输出接口特性、输出接口数据格式，测试通道视频特性中闪电和矢量的技术指标。如图5所示。

图5 100%彩条信号

五阶梯信号用于测试通道视频特性中的亮度非线性失真。如图6所示。

图6 五阶梯信号

多波群信号用于测试通道视频特性中的亮度幅频特性。如图7所示。

图7 多波群信号

2.2.2 高清音视频相对延时信号

用于测试系统音频相对视频的延时情况，该信号视频由黑场向彩条、音频由静音向千周进行同步跳变，100%彩条视频和千周音频信号持续0.5秒，黑场和静音信号持续4.5秒。

2.2.3 高清视频图像序列

图像序列为30秒左右时长的视频，选择10个不同场景的图像序列考察图像的亮度色度细节、清晰度、色彩还原、色饱和度、运动预测与补偿效果等内容，检验系统是否对图像质量产生影响。

旋转鸟笼，用于考察色键处理效果、亮度细节、运动预测与补偿效果。如图8所示。

图8 旋转鸟笼

女士肤色，用于考察肤色还原、色彩还原和质感。如图9所示。

图9 女士肤色

玫瑰，用于考察色彩还原、清晰度和块效应。如图10所示。

图10 玫瑰

丰收麦田，用于考察清晰度。如图11所示。

图11 丰收麦田

花坛，用于考察色度细节。如图12所示。

图12 花坛

秋叶，用于考察运动预测与补偿效果。如图13所示。

图13 秋叶

大地花海，用于考察清晰度和彩色饱和度。如图14所示。

图14 大地花海

篮球，用于考察运动预测与补偿效果、亮度细节。如图15所示。

图15 篮球

滑雪，用于考察运动预测与补偿效果、亮度层次。如图16所示。

图16 滑雪

演播室访谈，用于考察亮度细节、色度细节。如图17所示。

图17 演播室访谈

2.2.4 音频测试信号

模拟音频测试信号的电平幅度为+4dBu，千周信号用于测试模拟音频通道信噪比；20Hz～20KHz扫频信号用于测试模拟音频通道的幅频特性、总谐波失真加噪声。数字音频测试信号的电平幅度为-20dBFS，千周信号用于测试数字音频通道信噪比；20Hz～20KHz扫频信号用于测试数字音频通道的幅频特性和总谐波失真加噪声。

3 测试内容及数值

3.1 视频测试项目

3.1.1 输出接口特性

输出接口测试数据，如表1。

检测项目信号幅度上升时间下降时间上升下降时间差上冲下冲直流电平偏移单位mV ps ps ps%%m V抖动10Hz高通滤波100KHz高通滤波UI UI CRC误码秒数技术要求800±80〈270〈270〈100〈5〈5±500〈1〈0.2 0

眼图特性，直流电平偏移，误码秒，如图18、19、20所示。

图18 眼图特性测试数据

图19 直流电平偏移数据

图20 误码秒数据

3.1.2 输出接口数据格式

（1）高清节目制作图像特性

高清节目制作图像特性，检测项目及技术要求，如表2。

表2 高清节目制作图像特性检测项目及技术要求

（2）高清节目制作图像扫描特性

高清节目制作图像扫描特性，检测项目及技术要求，如表3。

表3 高清节目制作图像扫描特性检测项目及技术要求

（3）高清隔行扫描系统场周期定时规范

高清隔行扫描系统场周期定时规范，检测项目及技术要求，如表4。

表4 高清隔行扫描系统场周期定时规范检测项目及技术要求

（4）HD-SDI定时参考信号

HD-SDI定时参考信号，检测项目及技术要求，如表5。

表5 HD-SDI定时参考信号检测项目及技术要求

3.1.3 通道视频特性

通道视频特性检测项目及技术要求，如表6。

表6 通道视频特性检测项目及技术要求

（1）幅频特性

幅频特性是在视频通道频带范围内，通道输入与输出之间相对于基准频率的增益变化。如图21所示。

图21 幅频特性示意

通过测量基准频率的幅度以及被衰减频率的幅度，利用公式可以算出幅频特性值。

（2）亮度非线性失真

亮度信号经通道传输后，因通道非线性导致对信号不同电平有不同增益而造成失真。如图22所示。

图22 亮度信号非线性失真示意

测量五阶梯波的每一级台阶幅度，再通过公式算出亮度非线性失真的百分比值。

（3）通道间时延差及闪电显示

输入彩条信号，通过闪电显示了解通道间的时延差情况，闪电显示上半部测量Pb与Y的定时，下半部测量Pr与Y的定时。如果色差信号与亮度信号存在时延差，则绿／紫过渡线出现弯曲，朝垂直中心（黑色区）弯曲，色差信号滞后亮度信号；朝外（白色区）弯曲，色差信号超前于亮度信号；通道间定时正确，过渡线会通过7个刻度点的中心点，第1个标记距中心点为2ns。如图23所示。

图23 通道间时延差及闪电显示示意

（4）矢量显示

通过矢量显示，了解彩色相位是否存在偏差。如图24所示。

图24 矢量显示示意

3.1.4 高清音视频相对延时

高清音视频相对延时，检测项目及技术要求，如表7。

表7 高清音视频相对延时检测项目及技术要求

3.1.5 高清图像质量

在制作域，将高清图像序列按照MPEG-2 IBP格式、100Mbps码率采集到工作站，工作站播放图像序列经图像质量分析仪采集后与原图像比较，得出PQR值。在播出域，将高清图像序列按照MPEG-2 IBP格式、50Mbps码率采集到视频服务器，经图像质量分析仪采集后与原图像比较，得出PQR值。PQR值=1，图像质量基本没有损伤；PQR值=3，图像质量损伤可察觉但不明显；PQR值=10，图像质量损伤明显。

3.2 音频测试项目

3.2.1 模拟输入输出的接口

模拟输入输出的接口检测项目及技术指标等级，如表8。

表8 模拟输入输出的接口检测项目及技术指标等级

（1）模拟信噪比

模拟发生器输出+4dBu的千周信号，通过模拟分析仪测得输出信号的幅度值U1，撤除发生器信号后再测得输出幅度值U2，用U1减去U2的值为该模拟系统的信噪比。如图25、26所示。

图25 输出信号的幅度值U1

图26 输出信号的幅度值U2

（2）模拟幅频特性

系统输入+4dBu电平幅度的20Hz～20KHz扫频信号，测得1KHz的信号幅度U1，分别测得从20KHz到20Hz的信号幅度U2，用U2依次减U1，得出的dB值范围为该系统的幅频特性值。如图27所示。

图27 幅频特性值

（3）模拟总谐波失真加噪声

系统输入+4dBu电平幅度的20Hz～20KHz扫频信号，直接测得各频点总谐波失真加噪声值。如图28所示。

图28 总谐波失真加噪声值

3.2.2 数字输入输出的接口

数字输入输出的接口，检测项目及技术指标，如表9。

表9 数字输入输出的接口检测项目及技术指标

（1）数字信噪比

数字发生器输出-20dBFS的千周信号，通过数字分析仪测得输出信号的幅度值U1，撤除发生器信号后再测得输出幅度值U2，用U1减去U2的值为该数字系统的信噪比。如图29所示。

图29 数字信噪比值

（2）数字幅频特性

系统输入-20dBFS电平幅度的20Hz～20KHz扫频信号，测得1KHz的信号幅度U1，分别测得从20KHz到20Hz的信号幅度U2，用U2依次减U1，得出的dB值范围为该系统的幅频特性值。

（3）数字总谐波失真加噪声

系统输入-20dBFS电平幅度的20Hz～20KHz扫频信号，直接测得各频点总谐波失真加噪声值。

3.3 测试常见问题

3.3.1 视频测试问题

（1）抖动超标。抖动是数字信号在形成、编码、处理、传送和变换中，造成的数据跳变位置与理想位置在时间上的偏移。抖动是数字系统性能中最重要的特性参数之一，抖动造成恢复的时钟和数据在时间上出现瞬间偏差，当这种偏差变得足够大时，数据被错译而产生误码。抖动主要测量两个指标，定时抖动（高于10Hz的所有抖动）和校准抖动（高于100KHz的所有抖动）。定时抖动用于表征整个系统的运行状态，校准抖动能够直接给出影响正确恢复数据的信息，设备锁相环不能跟踪输入信号的定时变化。

校准抖动超标，提示设备锁相环电路性能不良。如图30所示。

图30 校准抖动数据和超标示意

（2）图像损伤。主观评价图像质量对于视频压缩系统来说是比较有效的检测方法，通过基于人类视觉系统模型的客观图像质量评价设备，可以快速、可重复的进行客观图像质量测量。

演播室图像序列的PQR值为6.254，图像质量损伤可察觉，图像背景色块和玫瑰花出现亮度细节和色度细节损失。如图31所示。

图31 图像亮度细节和色度细节损失示意

秋叶图像序列PQR值为5.247，图像质量损伤可察觉，秋叶出现块效应现象，图像在压缩编码中运动预测与补偿效果不佳。如图32所示。

图32 图像块效应示意

鸟笼序列PQR值为4.367，图像质量损伤可察觉，鸟和鸟笼栏杆出现细节损失和块效应现象。如图33所示。

图33 图像细节损失和块效应现象

大地花海图像序列PQR值为4.525，图像质量损伤可察觉，红花和绿草出现细节损失。如图34所示。

图34 图像细节损失示意

（3）通道视频特性不良

亮度非线性失真，是系统中非线性元器件产生的，这些元器件参数随着作用于它的信号电平而改变造成失真。

五阶梯波的每一级幅度增益不均等，提示设备非线性性能不良。如图35所示。

图35 五阶梯波示意

亮度幅频特性不良，常见高频频段幅度下降，幅频特性不平坦产生失真。如图36、37所示。

图36 频率信号幅度增强

图37 频率信号幅度衰减

3.3.2 音频测试问题

音频系统测试常见总谐波失真加噪声超标问题，这是系统不是完全线性造成的，输出信号比输入信号多了谐波和噪声成分。如图38所示。

图38 音频系统测试常见总谐波失真加噪声超标示意

在63.25Hz以下的低频出现谐波失真加噪声百分比值偏高，低频信号通过设备后产生新的谐波或低频信号混有干扰噪声。

结束语

系统测试是把控节目质量的重要一关，加快高清系统测试方法的研究和实践已经刻不容缓，除本文介绍的测试方法外，还有其他测试理论需要进一步实践和检验，这将是今后的工作目标和方向。

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2096-0751（2017）08-0014-11

杜剑 内蒙古广播电视台 工程师

审稿人：杜中 内蒙古广播电视台 正高级工程师

责任编辑：王学敏