电视测试系统视频失真简介及分析
江苏省电子产品监督检验所 屈仁超
1． 概述
电视测试系统主要由视频信号发生器、音频信号发生器、中频调制器和射频变换器等部分组成，用来给电视提供标准的测试信号，其性能好坏直接影响电视检测结果，而视频技术指标是衡量电视测试系统性能的重要因素。视频技术指标主要反映在视频信号的失真，这里包括视频信号发生器输出失真和经过中频调制器及射频变换器产生的视频失真。视频信号发生器输出失真可以直接用视频分析仪（如：VM700A ）进行校准，中频调制器及射频变换器产生的视频失真是用标准电视测试解调器解调出视频信号，再用视频分析仪进行校准。 2． 视频失真的分类
视频失真分为线性失真和非线性失真。 2．1 线性失真 2．1．1 定义
由于系统特性而产生的失真，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系：U o =KUi （U i 输入信号，U o 输出信号，K 传输函数——频率或时间的函数）。 2．1．2 原因
系统幅频特性和相频特性不均匀，是由于电路中存在电抗性元件及各种分布参量引起。 2．1．3 分析方法 2．1．3．1 频域法
失真表现为传输系统的幅频特性和相频特性（群延时频率特性）。
特点与局性：组成系统内线路的电抗元件都表现为频率的函数，分析系统较直接，但对图像质量和损伤程度联系不紧，直接估计对图像质量影响程度比较困难。 2．1．3．2 时域法
失真表现为脉冲过渡特性的失真，即信号波形的失真。
特点：与图像质量和损伤程度有比较紧密的对应关系（电视信号直接形成图像，波形失真立即反映为图像失真，更为直观）。 2．1．3．3 两者关系
复频域函数：F (ω)=
•
∫
∞
−∞
f (t ) e −j ωt dt
1
时域函数： f (t ) =
2π
∫
∞•
−∞
F (ω) e j ωt d ω
国际上规定：两种方法都是线性失真研究手段，互相补充，但当测量结果发生矛盾时，以时域法为准。
2．1．3．4 线性失真的分类
幅频特性失真
频率域
相频特性失真 （群延时特性）
短时间波形失真
亮度信号
行时间波形失真 场时间波形失真 长时间波形失真
色度信号
幅度失真 相位失真 增益差（△κ） 时延差（△τ）
K 系数
时间域
色度—亮度
2．2 非线性失真 2．2．1 定义
信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时，这种失真称为非线性失真，输出输入信号之间已经不是简单的线性关系。U o =K（U i ）U i （U i 输入信号，U o 输出信号，K （U i ）传输函数不仅是频率或时间的函数，而且是输入信号幅度的函数）。 2．2．2 原因
由非线性元件（如：三极管的非线性放大区域、二极管等）引起，他们的参数随作用于他们的信号电平而变化。 2．2．3 分析方法
时域法：用有代表性的特定波形产生的失真情况来分析，而不采用测量谐波幅度来表征非线性失真系数。
2．2．4 非线性失真的分类
亮度信号非线性失真
色度增益非线性失真
色度信号非线性失真
图像信号非线性失真
色度相位非线性失真
微分增益（DG ） 微分相位（DP ） 色度亮度交调失真
同步脉冲非线性失真
同步信号静态非线性失真
同步信号非线性失真
同步信号动态非线性失真
色同步非线性失真
2．3 线性失真与非线性失真的主要差别
色同步非线性失真 同步脉冲非线性失真
是否产生新的频谱成分是区别线性失真与非线性失真的标志。
失真类型
与输入信号输出与输入幅度的关系 信号的关系
传输函数
新的频率成
分
失真产生的原因 电抗元件 分布参数 非线性元器
件
线性失真 无 呈线性
为频率或时间的函数 为输入信号幅度的函数
不产生
非线性失真 有 呈非线性 产生
3． 视频失真主要技术指标的校准与分析 3．1 K 系数 3．1．1 定义
把各种波形失真按人眼视觉特性给与不同评价的基础上来度量图像损伤的一套系统方法。K 系数包括行时间波形失真K b 、2T 正弦平方波与条脉冲的幅度比K pb 、2T 正弦平方波失真K p 。
K 系数中，取K b 、K pb 、K p 中绝对值最大者，作为K 系数指标。 3．1．2 测试信号波形
测试信号为2T 脉冲与条脉冲，波形如图1所示：
条脉冲
图1
3．1．3 2T 正弦平方波失真K p
放大2T 波形如图2所示
，p 为2T 脉冲峰值，a 1为第一振铃峰值，a 2为第二振铃峰值，a 4为第四振铃峰值。计算： K p 1=
a 1
×100% 4p
振铃处
振铃处
K p 2
a
=
2×100% 2p a
=4×100% p
图2
K p 4
振铃处
取K p1、K p2和K p4中最大值作为K p 。
意义：2T 正弦平方波底部两侧产生的回波失真反映被测系统的相频特性失真。 影响：导致图像出现多重轮廓，造成重影，使清晰度下降。
3．1．4 2T 正弦平方波与条脉冲幅度比K pb
如图3所示，P 为2T 脉冲峰值，L 为条脉冲幅度。
条脉冲
图3
计算： K pb =
L −P
×100% 4P
（由于人眼对图像细节、边缘轮廓的单纯加深或变淡不够敏感，规定分母乘4）
意义：反映被测系统的幅频特性失真（因为条脉冲较宽，变化缓慢，反映低频，而2T 脉冲很窄，反映高频）。
影响：图像清晰度的变化。理想情况P=L（即K pb =0%），表明图像清晰；当P ＜L 时表明带宽不够或高频下降，表现为图像细节变淡、边缘轮廓不清；当P ＞L 时表明高频抬高，使图像细节和轮廓加深，并出现明显镶边、重影现象。 3．1．5 行时间波形失真K b
放大条脉冲波形，如图4所示， L 为条脉冲中心点电平值，A 和B 分别为
条脉冲前后沿1μs 处的电平值（前后沿
留1μs 是为了避免过冲及振铃引起的
测量误差）。计算：
K b =
A −B
×100% 2L
（由于条脉冲信号平顶部分持续 意义：
时间较长）反映被测系统行频至500kHz 的
图4
中频失真，代表图像中较大尺寸内容在水平 方向的亮度变化。
影响：图像沿水平方向界限不清，严重时造成水平方向拖尾。 3．2 色度—亮度增益差Δκ 3．2．1 定义
被测系统输出信号中色度分量增益与亮度分量增益之差，称为色亮增益差。 3．2．2. 测试
测试信号为20T 正弦平方波与条脉冲，20T 正弦平方波为色副载波的调制包络，波形如图5所示，P 为20T 脉冲峰值，L 为条脉冲幅度。计算： ∆κ=
P −L
×100% L
意义：反映系统幅频特性不好，对色度分量和亮度分量的放大不一致。
影响：色饱和度失真，类似色饱和度调节不当，Δκ为负，图象色彩变淡、人物神色不佳；Δκ为正，颜色过浓、轮廓不分明，类似儿童填色画，缺乏真实感。
20T 脉冲 条脉冲
图
5
3．3 色度—亮度时延差Δτ 3．3．1 定义
被测系统输出信号中亮度分量与色度分量的调制包络波形的相应部分在时间关系上出现的差值，称为色度-亮度时延差Δτ。 3．3．2 测试
波形如 测试信号为20T 正弦平方波与条脉冲，20T 正弦平方波为色副载波的调制包络，
图5所示，计算（略）。Δτ以纳秒ns 为单位，规定色度分量时延大于亮度分量时延为正。 意义：反映系统群延时频率特性不平坦，中频滤波器特性变化，中频带宽不够等。 影响：色度信号与亮度信号不能同时到达显示端，彩色套色不准，在水平方向出现彩色镶边。
3．4 幅频特性 3．4．1 定义
从场频至系统标称截止频率的频带范围内，相对于基准点频率（250kHz ）的增益变化，以dB 为单位。 3．4．2 测试
测试信号为多波群与250kHz 方波，多波群频率的取定尽量避免彼此间的整倍数关系，以减少彼此的谐波互相影响。对于PAL 制，考虑把色副载波4.43M 夹在中间，以便减少对测试的影响，多波群频率分别为0.5MHz 、1.5MHz 、2.5MHz 、4.0MHz 、4.8MHz 和5.8MHz ，波形如图6所示：
图6
幅频响应为： 20lg
V n
（dB ） V 0
其中：V 0为250kHz 方波幅度，V n 为多波群信号的峰峰值（V 1、V 2、V 3、V 4、V 5和V 6）。 意义：反映系统的幅频特性。 影响：图象清晰度 3．5 亮度非线性 3．5．1 定义
亮度信号在不同的电平上产生的增益变化。
测试信号为五阶梯（或十阶梯），波形如图7所示。
图7
其中，U 0为消隐电平，U 1、U 2、U 3、U 4和U 5分别为各阶梯电平，△U 1、△U 2、△U 3、△U 4和△U 5分别为各阶梯电平差（即：△U 1=U1－U 0、△U 2=U2－U 1、……）。
亮度非线性为：
∆U max −∆U min
×100%（△U max 和△U min 分别为△U 1、△U 2、△U 3、
∆U max
△U 4和△U 5中的最大值和最小值）
现象：图象失去灰度，层次减少，分辨率降低，产生色饱和度失真（由于色度信号是迭加在亮度信号上）。
原因：元器件的非线性造成，工作点不对。 3．6 微分增益失真（DG ） 3．6．1 定义
由于图象亮度信号幅度变化引起色度信号幅度的失真。 3．6．2 测试
测试信号为五阶梯（或十阶梯）上叠加幅度和相位都相同的色副载波，波形如图8所示。
图8
其中，C 0为消隐电平上色副载波幅度（峰峰值），C 1、C 2、C 3、C 4和C 5分别为各阶梯电平上色副载波幅度（峰峰值）。
计算：DG n =
C n −C 0
×100%（n 为1、2、3、4和5） C 0
微分增益（DG ）= DGmax －DG min （DG max 和DG min 分别为DG n 的最大值和最小值） 影响：不同亮度背景下的色饱和度失真，影响彩色效果（如穿鲜红衣服从暗处走向亮处，鲜红衣服变浓或变淡）。 3．7 微分相位失真（DP ） 3．7．1 定义
由于图象亮度信号幅度变化引起色度信号相位的失真。
测试信号与微分增益失真（DG ）测试信号相同，以消隐电平上副载波信号的相位角为基准，其他亮度电平上副载波的相位角超前于基准电平相位角时为正。
图
9
其中，P 0为消隐电平上色副载波相位，P 1、P 2、P 3、P 4和P 5分别为各阶梯电平上色副载波相位。
计算：DP n =Pn －P 0（n 为1、2、3、4和5）
微分相位（DP ）= DPmax －DP min （DP max 和DP min 分别为DP n 的最大值和最小值） 影响：在不同亮度背景下，色调产生失真，由某种颜色变成其他颜色（如穿鲜红衣服从暗处走到明处，鲜红衣服就偏黄或偏紫）。 3．8 色度－亮度交调失真 3．8．1 定义
亮度信号上由于叠加色度信号幅度的变化而引起亮度信号电平的变化。 3．8．2 测试
测试信号为亮度电平上叠加三条不同幅度的色度信号，如图10所示。U L 为无色度信号时的亮度电平，U C 为叠加色度信号时的亮度电平最小值。
U
C U L
图10
色度－亮度交调失真为：
U L −U C
×100%
U L
原因：在彩色信号中，色度信号是叠加在亮度信号上的。由于系统非线性存在，会使色度信号的正负半周失去对称性，相当于产生了一个直流分量ΔY （轴移）。它使亮度信号出现非线性幅度失真，失真大小随副载波幅度变化，是微分增益（DG ）的逆过程。
影响：图象出现彩色字幕时，失真较明显，彩色字幕相对应的背景亮度上的对比度产生失真。
电视测试系统视频失真简介及分析
江苏省电子产品监督检验所 屈仁超
1． 概述
电视测试系统主要由视频信号发生器、音频信号发生器、中频调制器和射频变换器等部分组成，用来给电视提供标准的测试信号，其性能好坏直接影响电视检测结果，而视频技术指标是衡量电视测试系统性能的重要因素。视频技术指标主要反映在视频信号的失真，这里包括视频信号发生器输出失真和经过中频调制器及射频变换器产生的视频失真。视频信号发生器输出失真可以直接用视频分析仪（如：VM700A ）进行校准，中频调制器及射频变换器产生的视频失真是用标准电视测试解调器解调出视频信号，再用视频分析仪进行校准。 2． 视频失真的分类
视频失真分为线性失真和非线性失真。 2．1 线性失真 2．1．1 定义
由于系统特性而产生的失真，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系：U o =KUi （U i 输入信号，U o 输出信号，K 传输函数——频率或时间的函数）。 2．1．2 原因
系统幅频特性和相频特性不均匀，是由于电路中存在电抗性元件及各种分布参量引起。 2．1．3 分析方法 2．1．3．1 频域法
失真表现为传输系统的幅频特性和相频特性（群延时频率特性）。
特点与局性：组成系统内线路的电抗元件都表现为频率的函数，分析系统较直接，但对图像质量和损伤程度联系不紧，直接估计对图像质量影响程度比较困难。 2．1．3．2 时域法
失真表现为脉冲过渡特性的失真，即信号波形的失真。
特点：与图像质量和损伤程度有比较紧密的对应关系（电视信号直接形成图像，波形失真立即反映为图像失真，更为直观）。 2．1．3．3 两者关系
复频域函数：F (ω)=
•
∫
∞
−∞
f (t ) e −j ωt dt
1
时域函数： f (t ) =
2π
∫
∞•
−∞
F (ω) e j ωt d ω
国际上规定：两种方法都是线性失真研究手段，互相补充，但当测量结果发生矛盾时，以时域法为准。
2．1．3．4 线性失真的分类
幅频特性失真
频率域
相频特性失真 （群延时特性）
短时间波形失真
亮度信号
行时间波形失真 场时间波形失真 长时间波形失真
色度信号
幅度失真 相位失真 增益差（△κ） 时延差（△τ）
K 系数
时间域
色度—亮度
2．2 非线性失真 2．2．1 定义
信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时，这种失真称为非线性失真，输出输入信号之间已经不是简单的线性关系。U o =K（U i ）U i （U i 输入信号，U o 输出信号，K （U i ）传输函数不仅是频率或时间的函数，而且是输入信号幅度的函数）。 2．2．2 原因
由非线性元件（如：三极管的非线性放大区域、二极管等）引起，他们的参数随作用于他们的信号电平而变化。 2．2．3 分析方法
时域法：用有代表性的特定波形产生的失真情况来分析，而不采用测量谐波幅度来表征非线性失真系数。
2．2．4 非线性失真的分类
亮度信号非线性失真
色度增益非线性失真
色度信号非线性失真
图像信号非线性失真
色度相位非线性失真
微分增益（DG ） 微分相位（DP ） 色度亮度交调失真
同步脉冲非线性失真
同步信号静态非线性失真
同步信号非线性失真
同步信号动态非线性失真
色同步非线性失真
2．3 线性失真与非线性失真的主要差别
色同步非线性失真 同步脉冲非线性失真
是否产生新的频谱成分是区别线性失真与非线性失真的标志。
失真类型
与输入信号输出与输入幅度的关系 信号的关系
传输函数
新的频率成
分
失真产生的原因 电抗元件 分布参数 非线性元器
件
线性失真 无 呈线性
为频率或时间的函数 为输入信号幅度的函数
不产生
非线性失真 有 呈非线性 产生
3． 视频失真主要技术指标的校准与分析 3．1 K 系数 3．1．1 定义
把各种波形失真按人眼视觉特性给与不同评价的基础上来度量图像损伤的一套系统方法。K 系数包括行时间波形失真K b 、2T 正弦平方波与条脉冲的幅度比K pb 、2T 正弦平方波失真K p 。
K 系数中，取K b 、K pb 、K p 中绝对值最大者，作为K 系数指标。 3．1．2 测试信号波形
测试信号为2T 脉冲与条脉冲，波形如图1所示：
条脉冲
图1
3．1．3 2T 正弦平方波失真K p
放大2T 波形如图2所示
，p 为2T 脉冲峰值，a 1为第一振铃峰值，a 2为第二振铃峰值，a 4为第四振铃峰值。计算： K p 1=
a 1
×100% 4p
振铃处
振铃处
K p 2
a
=
2×100% 2p a
=4×100% p
图2
K p 4
振铃处
取K p1、K p2和K p4中最大值作为K p 。
意义：2T 正弦平方波底部两侧产生的回波失真反映被测系统的相频特性失真。 影响：导致图像出现多重轮廓，造成重影，使清晰度下降。
3．1．4 2T 正弦平方波与条脉冲幅度比K pb
如图3所示，P 为2T 脉冲峰值，L 为条脉冲幅度。
条脉冲
图3
计算： K pb =
L −P
×100% 4P
（由于人眼对图像细节、边缘轮廓的单纯加深或变淡不够敏感，规定分母乘4）
意义：反映被测系统的幅频特性失真（因为条脉冲较宽，变化缓慢，反映低频，而2T 脉冲很窄，反映高频）。
影响：图像清晰度的变化。理想情况P=L（即K pb =0%），表明图像清晰；当P ＜L 时表明带宽不够或高频下降，表现为图像细节变淡、边缘轮廓不清；当P ＞L 时表明高频抬高，使图像细节和轮廓加深，并出现明显镶边、重影现象。 3．1．5 行时间波形失真K b
放大条脉冲波形，如图4所示， L 为条脉冲中心点电平值，A 和B 分别为
条脉冲前后沿1μs 处的电平值（前后沿
留1μs 是为了避免过冲及振铃引起的
测量误差）。计算：
K b =
A −B
×100% 2L
（由于条脉冲信号平顶部分持续 意义：
时间较长）反映被测系统行频至500kHz 的
图4
中频失真，代表图像中较大尺寸内容在水平 方向的亮度变化。
影响：图像沿水平方向界限不清，严重时造成水平方向拖尾。 3．2 色度—亮度增益差Δκ 3．2．1 定义
被测系统输出信号中色度分量增益与亮度分量增益之差，称为色亮增益差。 3．2．2. 测试
测试信号为20T 正弦平方波与条脉冲，20T 正弦平方波为色副载波的调制包络，波形如图5所示，P 为20T 脉冲峰值，L 为条脉冲幅度。计算： ∆κ=
P −L
×100% L
意义：反映系统幅频特性不好，对色度分量和亮度分量的放大不一致。
影响：色饱和度失真，类似色饱和度调节不当，Δκ为负，图象色彩变淡、人物神色不佳；Δκ为正，颜色过浓、轮廓不分明，类似儿童填色画，缺乏真实感。
20T 脉冲 条脉冲
图
5
3．3 色度—亮度时延差Δτ 3．3．1 定义
被测系统输出信号中亮度分量与色度分量的调制包络波形的相应部分在时间关系上出现的差值，称为色度-亮度时延差Δτ。 3．3．2 测试
波形如 测试信号为20T 正弦平方波与条脉冲，20T 正弦平方波为色副载波的调制包络，
图5所示，计算（略）。Δτ以纳秒ns 为单位，规定色度分量时延大于亮度分量时延为正。 意义：反映系统群延时频率特性不平坦，中频滤波器特性变化，中频带宽不够等。 影响：色度信号与亮度信号不能同时到达显示端，彩色套色不准，在水平方向出现彩色镶边。
3．4 幅频特性 3．4．1 定义
从场频至系统标称截止频率的频带范围内，相对于基准点频率（250kHz ）的增益变化，以dB 为单位。 3．4．2 测试
测试信号为多波群与250kHz 方波，多波群频率的取定尽量避免彼此间的整倍数关系，以减少彼此的谐波互相影响。对于PAL 制，考虑把色副载波4.43M 夹在中间，以便减少对测试的影响，多波群频率分别为0.5MHz 、1.5MHz 、2.5MHz 、4.0MHz 、4.8MHz 和5.8MHz ，波形如图6所示：
图6
幅频响应为： 20lg
V n
（dB ） V 0
其中：V 0为250kHz 方波幅度，V n 为多波群信号的峰峰值（V 1、V 2、V 3、V 4、V 5和V 6）。 意义：反映系统的幅频特性。 影响：图象清晰度 3．5 亮度非线性 3．5．1 定义
亮度信号在不同的电平上产生的增益变化。
测试信号为五阶梯（或十阶梯），波形如图7所示。
图7
其中，U 0为消隐电平，U 1、U 2、U 3、U 4和U 5分别为各阶梯电平，△U 1、△U 2、△U 3、△U 4和△U 5分别为各阶梯电平差（即：△U 1=U1－U 0、△U 2=U2－U 1、……）。
亮度非线性为：
∆U max −∆U min
×100%（△U max 和△U min 分别为△U 1、△U 2、△U 3、
∆U max
△U 4和△U 5中的最大值和最小值）
现象：图象失去灰度，层次减少，分辨率降低，产生色饱和度失真（由于色度信号是迭加在亮度信号上）。
原因：元器件的非线性造成，工作点不对。 3．6 微分增益失真（DG ） 3．6．1 定义
由于图象亮度信号幅度变化引起色度信号幅度的失真。 3．6．2 测试
测试信号为五阶梯（或十阶梯）上叠加幅度和相位都相同的色副载波，波形如图8所示。
图8
其中，C 0为消隐电平上色副载波幅度（峰峰值），C 1、C 2、C 3、C 4和C 5分别为各阶梯电平上色副载波幅度（峰峰值）。
计算：DG n =
C n −C 0
×100%（n 为1、2、3、4和5） C 0
微分增益（DG ）= DGmax －DG min （DG max 和DG min 分别为DG n 的最大值和最小值） 影响：不同亮度背景下的色饱和度失真，影响彩色效果（如穿鲜红衣服从暗处走向亮处，鲜红衣服变浓或变淡）。 3．7 微分相位失真（DP ） 3．7．1 定义
由于图象亮度信号幅度变化引起色度信号相位的失真。
测试信号与微分增益失真（DG ）测试信号相同，以消隐电平上副载波信号的相位角为基准，其他亮度电平上副载波的相位角超前于基准电平相位角时为正。
图
9
其中，P 0为消隐电平上色副载波相位，P 1、P 2、P 3、P 4和P 5分别为各阶梯电平上色副载波相位。
计算：DP n =Pn －P 0（n 为1、2、3、4和5）
微分相位（DP ）= DPmax －DP min （DP max 和DP min 分别为DP n 的最大值和最小值） 影响：在不同亮度背景下，色调产生失真，由某种颜色变成其他颜色（如穿鲜红衣服从暗处走到明处，鲜红衣服就偏黄或偏紫）。 3．8 色度－亮度交调失真 3．8．1 定义
亮度信号上由于叠加色度信号幅度的变化而引起亮度信号电平的变化。 3．8．2 测试
测试信号为亮度电平上叠加三条不同幅度的色度信号，如图10所示。U L 为无色度信号时的亮度电平，U C 为叠加色度信号时的亮度电平最小值。
U
C U L
图10
色度－亮度交调失真为：
U L −U C
×100%
U L
原因：在彩色信号中，色度信号是叠加在亮度信号上的。由于系统非线性存在，会使色度信号的正负半周失去对称性，相当于产生了一个直流分量ΔY （轴移）。它使亮度信号出现非线性幅度失真，失真大小随副载波幅度变化，是微分增益（DG ）的逆过程。
影响：图象出现彩色字幕时，失真较明显，彩色字幕相对应的背景亮度上的对比度产生失真。