CN1317694A - 具有数字电视信号显示能力的通用示波器 - Google Patents

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Abstract

一种便携式通用示波器，具有接收串行数字视频信号并通过一个数模变换器将它变换成复合和分量模拟信号的电路。变换出的模拟信号加到示波器的信号输入端供监测和显示。可取地，示波器为数字荧光示波器(DPO)。示波器的控制菜单安排成可控制示波器所有通常的功能，又可控制串行数字视频电路。提供有用以存储数据和波形的装置。公开了从串行数字比特流的一种特定数字字中得出一个触发信号的电路。

Description

具有数字电视信号显示能力的通用示波器
本发明一般地涉及通用示波器领域，具体地，涉及一种能使此种通用示波器以有意义的方式显示数字视频信号的装置和方法。
通用示波器是以高输入阻抗来显示和测量波形的仪器，如其名词所意味的，它们不只是适合于观察某一种特定类别的电子信号，而是能同样地使用来观察和测量数字或模拟领域内的信号。对信号进行的测量通常可从直流延伸到高频范围。
与之不同，有一种专门类别的示波器，称之为波形监视器，它们专适合于观察和测量视频(也即电视)波形。波形监视器中包括有专门的硬件，诸如视频同步检测电路和其它的与电视信号相关联的功能，专长于电视信号的分析工作，但它们被如此专门化使得它们不再能应用于观察其它种类的信号。也就是，它们不打算与普通的示波器探头一起应用。而且，波形监视器不象示波器，它们不是高输入阻抗的测量仪器，而是限制于工作在75欧姆阻抗上的1Vp-p信号。
众所周知，电视信号在电视台内可以编码成一种标准格式，诸如NTSC、PAL或SECAM，然后调制到一个射频上进行传输。然而，现代的电视台需要在台内传输视频信号(也即在台内的各处之间传输信号)用于处理，选用的方式是将模拟视频信号变换成串行数字形式后进行这种内部传输。电视业界内为此目的最经常采用的串行数字标准是ITU-R601(此公称为601视频)。
当在一台通用示波器上观察一个601视频信号时，人们见到的波形是一种“眼图”。眼图表明了一个被观察的有效数字信号(因为人们能见到信号的电平状态发生的变化)，但眼图完全反映不出数字信息的内容。当在维修视频设备中采用探头进行检测时，能够认识清视频内容十分重要。另外，有一点很重要，即需要识别出一个具体的信号来自哪一个具体的视频源(诸如一台具体摄像机)的。最后，能认识清视频内容十分重要，即需要观看出数字视频信号在变换回模拟信号后将呈现怎样的模拟信号电平。为了说明这一点，考虑下面的情况。一位技术人员用探头测试一块包含有若干不同电缆的电路板。每条电缆连接至一个601视频信号源上。601视频数据流是一个270Mbps的编码比特流(有时，在视频技术中人们称之为“加扰的”比特流)。如上面所指出，在一台通用示波器上直接观察一个601视频波形时，呈现的仅仅是一种眼图，不会给出任何有用的信息使技术人员能识别出哪些电缆连接至哪些视频源上。
电视工程师已采用过多种方法来解决这类问题，但每种方法各有其自身的缺点。在第一种安排中，电视工程师在实际的电视台中将一台9英寸电视监视器、一台Tektronix 465模拟示波器、一个AJA数/模变换器单元和一台Tektronix 1760视频分析仪一起安放在一辆示波器推车上，用电缆将它们联结在一起，可提供出稍许的测量灵活性。
在第二种安排中，将Tektronix WFM90波形监视器连接至一个SDA601(从电路方面和实体方面)上，以观看601视频信号。
在第三种安排中，将一个AJA数/模变换器单元连接至一台WFM90波形监视器上。
这些安排都需要从交流插座上取得交流电源，而且都不能将这类组合设想成可称为“便携式”的装置，因为各设备的组合其体积和重量是可观的。此外，没有一种安排能作出一个视频图像的硬拷贝、矢量图显示的硬拷贝或视频波形的硬拷贝。并且，1760视频分析器和WFM90模拟波形监视器不能够存储波形数据供以后检查。
即使是更为专门化的波形监视器，诸如在上面给出的安排中进而采用Tektronix WFM601或者Tektronix VM700，仍没有一个仪器能对数字信号处理加工提供出数学运算能力，因为它们都不能够接收和存储波形(也即重放所记录的波形)。并且，它们依然没有硬拷贝能力。
还需指出，上面说明的实际安排没有一种能够从单一个菜单系统和遥控端口(GPIB、RS232或以太网)上控制所有的特性。
人们需求的是一种真正便携的、电池供电的示波器，有能力监视601视频(或者其它形式的数字视频，诸如HDTV和DVB)，可将信号变换成模拟形式，显示于示波器屏幕上，提供出硬拷贝，存储和调出数据和参数设定值，并对监视的视频信号实施数字信号处理。
一个便携式通用示波器使用了接收电路，它通过一个数/模变换器将串行数字视频信号变换成复合和分量模拟信号。变换出的模拟信号加到示波器的一个信号输入端上以供监视和显示。示波器最好是一台数字荧光示波器。示波器的控制菜单安排成可对示波器的所有通常功能作出控制，并可控制串行数字视频电路。装置中提供出数据和波形的存储能力。
本发明的第二个实施例中，给出了从串行数字比特流的一个特定数字字中得到一个触发信号的电路。将触发信号加到示波器的触发输入端，使示波器能按照数字字的规定，在出现一个独特事件的周围采集和显示电视波形信息。
本发明的一个优选实施例中，将串行数字-模拟信号变换器做成模块式，可插入至示波器上的一个插口中。
本发明的另一个实施例中，对于601视频、HDTV信号和DVB信号给出了各别的模块。
再一个实施例中，可以对NTSC、PAL和SECAM电视标准给出各别的模块。
图1以方框图形式示出用于实践本发明的有用装置。
图2示出适合应用于图1中数模变换器和解码器的电路。
图3示出按照本发明一种实施例从一个串行数字字中给出触发信号的电路。
图4上是按照本发明在示波器屏幕上显示视频波形和一个菜单的示例图。
图5上是按照本发明在示波器屏幕上显示视频图像和一个菜单的示例图。
图6上是按照本发明在示波器屏幕上显示矢量图和一个菜单的示例图。
图7上是按照本发明在示波器屏幕上显示视频波形和一个菜单的示例图。
到目前为止，在人们关心的电视工程领域内，对示波器的能力只能做到折衷。在一方面(并如上面所指出)，模拟示波器已经是电视工程师所选择的示波器类型，因为屏幕荧光粉的余辉可提供一种“随时间变化量值”的显示，而在数字存储示波器(DSO)中未予应用。另一方面，按照它们的真正特性，模拟示波器中没有在数字示波器上可见到的数字信号处理特性。最近，俄勒冈州Beaverton的Tektronix公司引入了数字荧光式示波器(DPO)，对采集得到的信号样本应用一种衰减功能，可产生出非常类似于模拟式的显示。应用DPO示波器，现在有可能在通用数字示波器上观察模拟电视信号，诸如观察在NTSC、PAL和SECAM电视广播系统中编码出的信号，显示出模拟式样的信号波形是电视工程师所熟悉的。优点在于，数字示波器方面专长的所有数字处理特性在DPO示波器上也能得到应用。
虽然，本发明的装置能用模拟示波器来实现，但最好结合一台DPO示波器来加以应用，这样，DPO的数字处理功能可以组合入本发明中进行应用。
参考图1，它以十分简化的方框图形式示出按照本发明的DPO示波器100的组成，它可以包含一台Tektronix TDS3000系列示波器及一个视频D/A变换器和解码器模块150。DPO示波器100中包含有采集部分110、信号处理部分120和显示器部分130，它们都受到控制器140的控制。视频D/A变换器和解码器模块150在一个输入端口上接收串行数字视频信号(它可以是601视频、HDTV、DVB或其它数字视频信号)，将串行比特流变换成并行格式，对信号信息进行解码，并将该信息按照一种具体的电视广播格式(也即NTSC、PAL、SECAM)编码成模拟信号。可取地，视频D/A变换器和解码器模块150是一种插入模块，适应于连接至在TDS3000系列DPO示波器上已存在的插口中。而且，可以想象到，模块150可通过插口从DPO示波器上得到工作电源。
为简单起见，图中从视频D/A变换器和解码器模块150到DPO100的连接为单一条信号线，事实上，取决于所选定的输出模式，如下面将说明地可想象它为多条信号线。可注意到，视频D/A变换器和解码器模块150还通过一条数据总线与控制器140进行通信。
图2上较详细地示出图1中的视频D/A变换器模块150。视频信号流程沿着图2的上部从左端出发到达右端。例如，在75欧姆的连接头上接收601视频，加到例如是器件GS9025的一个电缆均衡和再时钟器210上。然后，串行时钟(SC,’SC)和串行数据(SD,’SD)加到一个电视信号串-并变换器单元220上，它可以是器件GS9020。该单元将信号从SMPTE259中规定的串行标准变换至SMPTE125中规定的并行标准上。然后，10比特的并行数据(PD,’PD)和并行时钟(PC,'PC)信号加到一个FPGA(现场可编程的门陈列)230上，它例如可以是一个Xilinx XC4010。FPGA230的任务之一例如是在一个具体的行或字上于EAV(有效视频结束)、SAV(有效视频开始)或TRS(定时基准信号)处提供出触发信号。
FPGA230的输出信号加到NTSC/PAL编码器240的输入端上，编码器240例如是模拟器件AD7177。NTSC/PAL编码器240的设定又决定了输出模式。模式有复合Y/C、RGB、YPbPr、矢量图、图像或眼图等。这些模式是通过I2C总线建立的。在本具体模块的具体例子中，SECAM格式不能够应用。NTSC或PAL格式的选取可以在图1中控制器140的控制下通过I2C总线来选择。
NTSC/PAL编码器240的输出信号加到一个输出滤波器和直流恢复电路250的输入端上，以便在经由同轴电缆馈送至DPO100的信号测量输入端之前对信号先进行合适的滤波和恢复直流成分。输出滤波器和直流恢复电路250例如可以是EL4390或EL4581集成电路块。
控制信号和数字数据信号通过缓存器260和260’(例如是74LCX245缓存器)、解码单元270和I2C控制器280(可以是PCF8584控制器)在图2的模块与控制器140之间传输。解码单元270将信号送往FPGA230或I2C控制器280。
图3示出对本发明有用的一个触发信号发生器电路300。触发信号发生器300可以是图2中FPGA230的一部分。类似地，串-并变换器310可以是图2中的串-并变换器单元220，或者例如是GennumGS9000。为简单起见，图3的右侧示明由单一条数据线加到地址译码器315、触发行寄存器320和触发场寄存器330上，但实际上，这条线代表了多条并行的数据和地址线。通过这些地址和数据线，可以将一个具体的场和行的号数存储入寄存器320和330中。寄存器320将其存储的行号加到二进制比较单元340的B输入端，寄存器330将其存储的场号加到二进制比较单元350的B输入端。来自串-并变换器310的数字数据加到行终端检测单元360和场终端检测单元370上。每当出现行终端码或场终端码时，在有关检测器的输出端上产生一个脉冲。各个行脉冲的终端加到行计数单元380上，计数单元380将累加的计数加到二进制比较单元340的A输入端。各个场脉冲的终端加到场计数单元390上，计数单元390将累加的计数加到二进制比较单元350的A输入端。二进制比较单元340和350当其A输入端的值等于B输入端的值时产生一个输出。这些输出加到与门398上，对于特定的行和场的号数，由与门398产生一个触发信号输出。数字同步电路395对行和场计数器380和390提供出复位信号。
因此，关于图3说明了一个装置，用以从一个串行数字视频比特流中导出一个触发信号。尽管已经详细说明的是抽取出电视行和场触发信号的安排，但对于从一个具体的数字字中导出一个触发信号来说，可应用同样的基本原理，也就是，存储入所需的用于触发的字，将每一个接收到的字与存储的字进行比较。当所需的字与接收到的字达到匹配时，便产生一个触发脉冲。然后，该触发脉冲馈送至DPO100上，通过一条同轴电缆去到DPO100上通常的触发输入端。
图4的屏幕显示表明了采用本发明的一台示波器上之视频波形和菜单选择项。可注意到，在“菜单”项下“视频(Video)”有效，“子菜单”项下选定“ITU-R601”视频模式，在Autoset项下选定“行(Lines)”模式，显示的是按照本发明从ITU-R601数字视频信号中导出的75％IRE、模拟视频波形的YPbPr分量信号。Autoset特性的“Lines”模式可自动设定示波器的水平和垂直调整，使一个视频信号在合适的垂直显示范围内显示出一个完全的视频行。“OUTPUT”项下的其它菜单选择是RGB和YC形式的分量视频。可注意到，当显示波形时，“Picture on/off”选项选定为“off”。
图5示明视频图像显示模式的情况。横过图像的一条明亮水平线指明当用户使示波器回复到“波形”工作模式时，将显示出在该处选定的具体电视行(也即偶数行226)。可注意到，在此场合，“Pictureon/off”选项选定于“on”上。
图6示出按照本发明将一台示波器应用作为矢量图显示。矢量图模式中，将两个信道使用于X-Y工作模式，用以描画出从视频信号中导出的彩色相位信息。要十分地注意到，这种特性是预定在通用示波器中使用的。因此，在显示屏幕上不能够恒定地蚀刻出模格板和图符，而应是配合矢量图显示时它们才产生出来。
图7上是一个复合黑白电视信号的水平行波形显示图。可注意到，触发选择为“all lines”。应当指出，这个具体的信号是在黑白电视摄像机上给出的，但示波器系统也能处理彩色视频信号。
要十分地注意到，DPO100能够存储和调出参数设定值，并能够存储和调出数据。因此，需要有全部参数的单一种设定，用以从601视频信号中产生出一个NTSC信号，包括能够在特定的电视行和场上进行触发，又或显示出矢量图，并可以记录下来供将来调出和应用。而且，可以想象，通过应用DPO屏幕菜单能够实现DPO100特性和串行数字-NTSC/PAL变换模块150特性的全部控制。因此，不需要手动地对若干个不同的设备部分作调定，而能做到快速和方便地设定DPO100和模块150完成好任务，以一步方式存储下整个调定步骤。
应当指出，DPO100上能够控制波形和视频图像两者的屏幕显示打印。此种情况下，对于所实施的测试可以用文件形式给出一个具体系统的完整报告。
还有一个优点是能够存储好“金色记录”(理想的信号波形)，将被测试装置上得到的波形与它进行比较，产生出一个差值波形供分析应用，实现数据的取得和观察。前面叙述的各种波形监视器由于没有一个能存储和调出数据，所以没有一个能实施此种操作。
上面说明的图像模式参照了TDS3000系列示波器具有对监测的视频信号之图像实现显示的能力。当试图确定哪条电缆与哪个视频源相关联时，这种特性是非常有用的。这一特性详细地说明于共同待审批的美国专利申请No。09/293,048中，名称为“NON-LINEAR FILTER FOREXTRACTING LUMINANCE COMPONENT FROM A COMPOSITE VIDEO SIGNAL(从复合视频信号中提取亮度分量用的非线性滤波器)”(Gerlach和Tallman)，它转让给本发明的同一受让人，并将它引入于此作为参考。
矢量图模式中，使用了DPO100上的X-Y显示模式，使之以通常的方式显示出矢量图。借助于合适的软件此时可在DPO显示器面上“画出”正常的矢量图模格板。
因此，上面已经说明了一种真正的便携式、电池供电的DPO，它能够对视频串行数字比特流中得出模拟波形和图像给出有意义的显示。在一个特定有用的实施例中，本发明包括一个触发信号发生器电路，用于当具体的电视行和场出现时得出一个触发脉冲。
虽然，本发明已经针对601视频作出了说明，但可以认识到，对于任何的视频串行数字比特流诸如HDTV或DVB比特流来说有同样的情况。关于这些标准，这里说明的对各个问题的解决办法全都归在本发明的范畴之内。

Claims (9)

1．一种示波器，包含有
一个输入端，用于接收信号供测量和显示；
处理电路，用于处理所述信号；
显示装置，用于以一种形式显示所述信号；
一个控制器，控制所述处理电路和所述显示装置；以及
视频处理电路，用于接收串行数字视频数据信号，并从中提供出模拟视频信号，用于在所述示波器上进行显示，所述视频处理电路包括：
串-并变换器电路，用于接收所述串行数字信号，并在一个输出端上提供出相应的并行数据信号；
一种电路，用于接收所述并行数据信号，从多种工作模式中选择一种工作模式，以及在其输出端产生出变更后的并行信号数据，所述工作模式决定了所述模拟视频信号的特性，所述模式的所述选择是在所述控制器的控制下实现的；以及
一种电路，用于按照一种选定的电视广播格式对所述变更后的并行信号数据进行接收和编码，在其输出端产生出所述模拟视频信号，所述电视广播格式的所述选择是在所述控制器的控制下实现的；
其中，所述模拟信号馈送至所述示波器的所述输入端，用于处理和显示。
2．权利要求1的示波器，其中：
所述视频处理电路制造成模块形式，以及
所述示波器上包括有接受所述模块的插口，所述模块通过所述接受插口的连接从所述示波器上得到工作电源。
3．权利要求2的示波器，其中，所述模块是多种模块之一，所述多种模块之每一个解码出一种不同形式的所述数字视频信号。
4．权利要求3的示波器，其中，所述数字视频信号的所述形式是ITU-R601视频。
5．权利要求3的示波器，其中，所述视频信号的所述形式是HDTV信号。
6．权利要求1的示波器，其中，所述示波器视频处理电路从所述数字视频信号中导出一个模拟信号，该模拟信号适合于显示一种矢量图，它反映出所述模拟信号中彩色信号信息的相对相位，又，所述示波器能产生出那些供所述矢量显示用的菜单选择、模格板和图符。
7．权利要求1的示波器，还包括有装置，用于存储和调出视频波形供显示和处理应用。
8．权利要求6的示波器，还包括有装置，用于使得在连接至所述示波器的一台打印机上打印出所述矢量图、所述视频波形和所述视频图像。
9．一种便携式、电池供电的示波器，包含有：
一个输入端，用于接收信号供测量和显示；
处理电路，用于处理所述信号；
显示装置，用于以一种形式显示所述信号；
一个控制器，控制所述处理电路和所述显示装置，以及
一个视频信号处理模块，它适应于连接至所述示波器上，所述模块接收串行数字视频数据信号，从其中提供出模拟视频信号用于在所述示波器上显示，所述视频信号处理模块中包括：
串-并变换器电路，用于接收所述串行数字信号，并在一个输出端上提供出相应的并行数据信号；
一种电路，用于接收所述并行数据信号，从多种工作模式中选择一种工作模式，以及在其输出端产生出变更后的并行信号数据，所述工作模式决定了所述模拟视频信号的特性，所述模式的所述选择是在所述控制器的控制下实现的；以及
一种电路，用于按照一种选定的电视广播格式对所述变更后的并行信号数据进行接收和编码，在其输出端产生出所述模拟视频信号，所述电视广播格式的所述选择是在所述控制器的控制下实现的；
其中，所述模拟信号馈送至所述示波器的所述输入端，用于处理和显示，又其中，所述模块从所述便携式、电池供电的示波器上得到工作电源。
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