CVBS(Composite Video Baseband Signal,复合视频基带信号)是一种常见的模拟视频接口,通常以黄色的RCA接口连接设备,用于传输复合视频信号。CVBS传输的信号包括亮度(Y)、色度(C)和同步信号,并将这些信号混合在一起,通过一根同轴电缆传输。
CVBS的主要特点:单线传输视频:CVBS通过一根电缆传输全部视频信息,简化了连接方式,但容易出现亮度和色度信号的串扰,导致信号质量较低。
适用于标清设备:CVBS通常用于标清(SD)设备,典型分辨率为480i(NTSC制)或576i(PAL制),无法支持高清视频。
简单易用的接口:通过黄色RCA接口传输视频信号,红色和白色RCA接口则传输左右声道的音频信号。
兼容性强:CVBS在老式电视、DVD播放器、摄像头等设备中应用广泛,尽管其信号质量相较于现代数字接口较差,但仍然在某些老式或特殊场景中有重要应用。
常见的CVBS应用:模拟电视:CVBS是早期模拟电视的主要视频输入接口。
DVD/VCD播放器:大多数早期的光盘播放器使用CVBS接口。
监控系统:老式监控摄像头常使用CVBS接口传输视频。
早期游戏机:许多老式游戏主机使用CVBS接口连接电视。
CVBS广泛用于传输标清视频信号,虽然信号质量受限,但其便捷性和兼容性使其在模拟信号传输时代占据了重要地位。在现代设备中,CVBS已经逐渐被高清数字接口(如HDMI)所取代,但在特定老式设备中仍有应用价值。
CVBS 是被广泛使用的标准,也叫做基带视频或RCA视频,是(美国)国家电视标准委员会(NTSC)电视信号的传统图像数据传输方法,它以模拟波形来传输数据。复合视频包含色差(色调和饱和度)和亮度(光亮)信息,并将它们同步在消隐脉冲中,用同一信号传输。
它是一个模拟电视节目(图像)信号在与声音信号结合,并调制到射频载波之前的一种格式。在快速扫描的NTSC电视中,甚高频(VHF)或超高频(UHF)载波是复合视频所使用的调制振幅,这时产生的信号大约有6MHz宽。一些闭路电视系统使用同轴电缆近距离传输复合视频,一些DVD播放器和视频磁带录像机(VCR)通过拾音插座提供复合视频输入和输出,这个插座也叫做RCA连接器。
复合视频中,色差和亮度信息的干涉是不可避免的,特别是在信号微弱的时候。这就是为何远距离的使用VHF或UHF的NTSC电视台用老旧的鞭形天线,“兔子耳朵”,或室外的“空中”经常包含假的或上下摇动的颜色。CVBS是一种比较老的显示方式,更准确的说是第一代视频显示输出方式(第二代是S-VIDEO,第三代是VGA,第四代是DVI,第五代是HDMI)。
AV 和 CVBS 之间的关系
1. CVBS (Composite Video Broadcast Signal)概念:CVBS是复合视频信号,是一种将亮度信号(Y)、色度信号(C)和同步信号混合在一起的模拟视频格式。
功能:仅传输视频信号,不包含音频。常见于老式的模拟电视、VCR和一些视频输出设备。
接口:通常通过黄色的RCA接口传输,连接到电视或显示器。
2. AV (Audio Video)概念:AV是指音频和视频信号的传输,涵盖了视频和音频部分的集合。
功能:AV接口传输视频和音频信号,通常包括复合视频(CVBS)和左右声道音频。
接口:典型的AV接口有三根RCA线:黄色(视频,即CVBS信号)、白色(左声道音频)、红色(右声道音频)。
电视的作用是重现景物的色彩效果。经过研究彩色光的三个基本参量:亮度、色调、饱和度。想要还原色彩,就是要在电视系统中对这三个参量进行传输接收、处理和显示,CVBS的视频信号通道在这个过程中担任着信号传输的角色。在视频信号中,电平的幅度包含了亮度信息,色度信号的相角包含了全部的色调信息和小部分饱和度信息,色度信号的振幅包含了另外的大部分饱和度信息。在DVD播放机应用CVBS接口输出视频画面时,使用示波器抓取一帧画面中一行图像的信号波形,注意图中信号和图像在时间轴上是对应的,这样我们可以看到画面上的黑白栅格以及彩色图像对应信号波形的具体情况。
对图中波形的各部分信号作出解释:
①行同步:实现水平方向一行的同步扫描;
②黑电平:最低亮度对应的电平,代表黑色,高于黑电平的亮度电平将被显示在屏幕上;
③白电平:最高亮度对应的电平,代表白色;
④灰电平:处于黑、白电平之间的电平幅度,在屏幕上显示为亮度介于黑与白之间的灰色;
⑤消隐电平:消隐电平不会高于黑电平,所以不会显示在电视屏幕上面。PAL制式的消隐电平和黑电平相同,NTSC制式的消隐电平低于黑电平;
⑥色同步:为了对色度信号进行正确的解调,接收端本机副载波的频率和基准相位必须与发射端用来调制色差信号副载波频率和相位严格一致;
⑦行消隐期:在一行信号中,行消隐期提供一行图像扫描显示完成后,到开始下一行扫描之前的间隙,作用是在行扫描的逆程期间使显像管电子束截至,不在屏幕上显示多余的图像信息;
⑧完整一行信号。
观察这一行信号波形,因为亮度与电平幅度对应,图像中的前段是黑白栅格,所以波形上也对应的是电平高低起伏变化;位于末尾的三段是彩色图像,从信号波形上可以直观的看到色度载波的幅值由小增大,对应图像的饱和度也由小增大,也就是我们常说的“颜色加深”。CVBS信号将亮度和色度信息叠加在一起传输,色度信号由色差信号(R-Y)和(B-Y)对频率处于视频通带高端的副载波调制而形成,使亮度信号的主要能量分布在通带的低端,而色度信号的主要能量分布在高端。
了解一行图像的显示和波形后,再观察行与行以及场与场之间的衔接以及信号特征。下图中黑色线表示一行显示在屏幕上的图像,沿Y轴正方向从左至右的扫描称为行扫描正程;黄色虚线表示扫描正程后,电子枪需要返回到第二行其实扫描位置,这个沿Y轴负方向从右至左的扫描称为行扫描逆程,扫描逆程是不显示画面的,对应行消隐期;橙色虚线表示扫描至一场中最后一行的末尾之后,电子枪需要返回到第一行的起始扫描位置,这个过程称为场扫描逆程,同样这个过程中也是不显示画面的,对应场消隐期。
下图展示的是隔行扫描,红色线是偶场,蓝色线是奇场,两场先后扫描后嵌套成完整画面。
了解了一场扫描的过程之后,我们再看下面隔行扫描中奇、偶场消隐期的信号波形:
不论是奇场还是偶场都需要场逆程,因此都必然存在场消隐期给逆程提供时间,在消隐期中包括以下信号:前均衡脉冲、场同步脉冲、后均衡脉冲、行同步脉冲。同步脉冲存在的意义是使电视系统中的收、发端同步扫描,因为一旦扫描频率或相位不同,图像将无法正常显示,下图展示相位不同步造成的后果:
带传送图像;
收、发端扫描相位差半行时间造成图像左右分裂;
收、发端扫描相位差半场时间造成图像上下分裂。
因此,同步在电视系统中具有重要意义。为了区分行、场同步脉冲,将场脉冲的宽度设定为行同步脉冲的2~3倍。观察奇、偶场的行同步信号相位,可以发现行同步脉冲相位上相差1/2个行周期,这是因为两场的扫描起点相差半行的原因,前后均衡脉冲的作用是使奇、偶场的场同步脉冲在时间上对齐,保证了两场的时间间隔相同,它的宽度是行周期的1/2,可以消除掉两场中行同步不对齐对场同步脉冲相位的影响。后均衡脉冲之后的行同步脉冲是在场消隐期间保持行同步,即使此时并不需要显示图像,但收、发端的相位仍然需要同步。
二、CVBS视频信号测试对于输出设备,如:DVD或机顶盒,需要先播放制定的测试视频,然后在CVBS输出接口处使用示波器捕获波形并计算参数值,注意输出端的信号和地之间串联75Ω电阻。此处仅说明使用示波器测试几个应用:
例一:增益/频率特性
测试信号为250kHz方波与多波群,多波群频率从小到大分别为:0.5MHz、1.5MHz、2.5MHz、4.0MHz、4.8MHz和5.8MHz,计算公式:
其中:V0 为250kHz方波幅度,Vn为多波群信号V1~V6的峰峰值。
参数含义:该参数反映系统的幅度—频率特性,理想状态是幅度不受信号频率的影响,保持一致,如果该参数有问题,会导致在画面的不同位置上亮度重现出现错误,影响图像的清晰度。
例二:亮度非线性失真
阶梯波信号也常被称为“灰阶”,用于测试“亮度非线性失真”,从图像上可以看到有从黑到白共11个不同的亮度,对应到信号波形上有11个不同的电平,以U0 表示黑电平,U1~U10表示后面的各阶梯电平,△U1~△U10 分别为各阶梯电平差,即:△U1=U1-U0、△U2=U2-U1以此列推,计算公式:
其中:△Umax和△Umin分别为△U1~△U10中的最大值和最小值。
参数含义:亮度非线性失真的值越小越好,理想状态是各阶电平幅度相等,即从黑到白亮度均匀分布。如果信号中阶梯数量减少,则图像失去部分灰度,层次减少,分辨率降低,产生色饱和度失真(由于色度信号是叠加在亮度信号上);如果信号中各阶梯幅度不等,则图像灰度变化不均匀,产生视觉上的亮度失真。出现以上问题的原因通常是元器件的非线性,以及工作点设置不对。
对于CVBS视频信号的测试,需要示波器具有“视频触发”功能,从而精确触发到某一行的信号,得到各参数的具体值,来评估CVBS的信号质量。
CVBS、S端子(S-Video)、YUV、RGB、色差分量等都是与视频信号传输相关的概念,但它们在信号处理方式、区域使用、以及传输质量上各不相同。让我们详细分析它们的关系以及欧洲和美国地区的应用差异:
1. CVBS (Composite Video Broadcast Signal)概念:CVBS 是复合视频信号,将亮度(Y)、色度(C)和同步信号混合在一起,通过一根线传输。
特点:传输的是模拟视频信号,由于亮度和色度混合传输,信号质量较差,容易产生干扰。
接口:通常通过黄色的 RCA 接口传输。
应用:在模拟电视时代广泛使用于欧洲和美国。
2. S-端子 (S-Video)概念:S-Video 是“Separate Video”的缩写,分离亮度(Y)和色度(C)信号进行传输。
特点:相比 CVBS,S-Video 提供了更好的视频质量,因为它将亮度和色度信号分离,减少了信号之间的干扰。
接口:常见的接口为 4 针 DIN 接口。
应用:广泛用于家用视频设备,如录像机、DVD 播放机等,特别在欧美市场使用。
3. YUV(Y, U, V) 和 色差分量概念:
YUV 是一种色彩编码格式,Y 表示亮度(Luma),U 和 V 表示色度(Chrominance)差异分量。色差信号分量是将原始 RGB 信号转换成 YUV 形式,并通过三条线传输。
色差分量视频(Component Video)是指将亮度(Y)与两个色度差分量(U 和 V 或 Pb 和 Pr)分离出来进行传输。
特点:色差分量传输可以提供高质量的模拟视频,几乎接近数字信号的质量。相比 CVBS 或 S-Video,它保留了更多的原始图像信息。
接口:典型的接口是三根 RCA 线,分别为绿色(Y)、蓝色(Pb/U)、红色(Pr/V)。
应用:色差分量接口在 DVD 播放器、高清电视等设备上很常见,在美国的家庭视频设备上广泛使用。
4. RGB(Red, Green, Blue)概念:RGB 是最基础的颜色模型,分别传输红色、绿色和蓝色三个独立的颜色分量。
特点:RGB 信号质量最高,因为它直接传输三原色,没有进行颜色空间转换。它是计算机显示器、某些高端电视和视频设备的首选。
接口:可以通过 VGA(计算机显示器使用)或 SCART(欧洲常见的多功能接口)传输。
应用:RGB 信号主要在计算机显示器、游戏机、专业视频设备上使用。在欧洲的 SCART 接口中可以传输 RGB 信号。
5. 欧洲 vs 美国的使用差异欧洲:
RGB 三原色传输:欧洲广泛使用 SCART 接口,它可以传输 RGB 信号,是一种多功能接口,可以同时传输音频和视频。RGB 信号质量非常高,常用于高清设备。
PAL 制式:欧洲普遍使用 PAL(Phase Alternating Line)视频标准,其每秒传输 25 帧画面,适合 50Hz 的电源频率。
美国:
色差分量(YUV)传输:美国则更普遍使用色差分量接口,通过三根 RCA 线传输 YUV 信号,这种方式在 DVD 播放器、电视和投影仪等设备上很常见。
NTSC 制式:美国使用 NTSC(National Television System Committee)标准,每秒传输 30 帧画面,适合 60Hz 的电源频率。
各信号的比较:CVBS:质量最差,视频信号混合在一起传输,容易受到干扰。
S-端子:质量稍好,亮度和色度信号分离,减少了干扰。
YUV(色差分量):亮度与色度完全分离,提供接近高清的画质,应用广泛。
RGB:最原始的三原色信号,信号质量最高。
总结:CVBS 是最基础的视频传输格式,逐渐被淘汰。
S-端子 提供稍好的视频质量,但仍是模拟信号。
YUV 色差分量 在美国广泛使用,通过 RCA 接口传输高质量视频信号。
RGB 是最高质量的视频传输方式,主要在欧洲通过 SCART 接口使用。
FPV模拟图传,CVBS第二春
本来模拟视频接口都要被淘汰了。但是随着FPV的模拟图传的需求,让CVBS恢复第二春。CVBS 在无人机图传系统中的输入有一些独特的优势,尽管它是较老的模拟视频接口。
以下是它在无人机图传应用中的几项优势:
低延迟传输:
CVBS 作为模拟信号,具有非常低的传输延迟。这在无人机的实时控制和监控中非常关键,尤其是在需要快速反应的场景,如竞速无人机(FPV racing)或实时任务监控。
与数字传输相比,模拟信号不需要复杂的编码和解码过程,这减少了延迟。
低带宽需求:
CVBS 的带宽需求相对较低,使其在长距离传输或信号传输质量较差的环境下依然能维持可靠性。这对于无线环境复杂、干扰较大的无人机通信特别有利。
相比于高清数字视频,CVBS信号对数据链路要求较低,可以使用现有的无线电系统,降低成本和复杂性。
抗干扰性和可靠性:
CVBS 信号在无线传输时具有较好的抗干扰性。尽管其图像质量较低,但传输的稳定性强,特别适合那些要求长距离、信号不稳定的场景。
在一些低信号或噪声环境下,CVBS信号比数字信号更容易恢复,从而提供稳定的图传效果。
广泛的设备兼容性:
许多现有的模拟摄像头、图传设备和显示器仍然支持CVBS接口,尤其在传统的FPV无人机市场。这种广泛的兼容性让使用者不需要额外采购或更换设备,降低了成本。
在某些预算有限或对视频质量要求不高的场景下,使用 CVBS 可以最大化设备的兼容性和使用寿命。
功耗低:
CVBS 传输的功耗相对较低,特别是在发射端和接收端的编码和解码需求较少的情况下。这对电池供电的无人机尤其重要,因为降低功耗有助于延长飞行时间。
简易布线:
CVBS 只需要一根信号线就能传输视频信号,且线材简单、轻便,非常适合无人机这种对重量和体积有严格要求的应用场景。
尽管 CVBS 在分辨率和图像质量上无法与 HDMI、SDI 等现代接口相比,但在需要低延迟、低带宽、抗干扰强的场景下,它仍然是无人机图传系统中一个可行且具备性价比的选择。