Sulla base delle richieste inoltrateci dai lettori e comunque per una più accurata valutazione tecnica dei prodotti video, abbiamo deciso di approntare un set di misure per la verifica della qualità dei DVD player utilizzati, per ora, con un collegamento in videocomposito. Man mano che si renderanno disponibili nuovi supporti contenenti segnali test attendibili, amplieremo il numero di misure per analizzare ancora meglio il comportamento degli apparecchi.
Il desiderio di misurare le sorgenti video, e in particolare quelle digitali come i DVD player e le videocamere, ci ha sempre pervasi, fin dalle prime prove, parallelamente alla verifica di quelle che sono le performance dei display. Premesso che un test set per misurare un quadripolo video ha dei costi più che doppi rispetto ad uno equivalente per l’audio e che siamo in un periodo di veloce transizione fra analogico e digitale, non solo a livello di registrazione e trasmissione ma anche a livello di interfacciamento, abbiamo dovuto valutare con attenzione gli investimenti. La cosa ci ha portati ad un leggero ritardo, ma nel frattempo abbiamo avuto modo di capire quali strumenti sarebbero stati più idonei e, ancor di più, quali sarebbero state le misure più sensate per un certo tipo di applicazione.
Con il set di misure che pubblicheremo per i DVD player a partire da questo numero, non intendiamo stabilire un livello assoluto di qualità del segnale video digitale relativo allo standard MPEG-2 ML@MP utilizzato dai lettori DVD (pesatura dell’artefatto di compressione), né i segnali test che utilizziamo sarebbero adatti a ciò, in quanto per lo più di natura statica. Il nostro fine è quello di valutare la qualità dei convertitori D/A video e relativi filtri, del codificatore PAL e dello stadio di uscita. La precisa valutazione di un segnale video composito comporta spesso l’esecuzione di numerose misure effettuate con svariati segnali test. Va anche detto che il lettore DVD per sua natura di funzionamento e trattamento dei segnali è più simile ad un codificatore PAL da studio che ad un’apparecchiatura di ricezione o di lettura (VHS o laserdisc) domestica. Questo perché il segnale inciso sul disco è codificato in componenti Y,R-Y,B-Y (segnale di luminanza, differenza colore rosso meno luminanza, differenza colore blu meno luminanza) e il più delle volte è ancora disponibile all’uscita analogica del lettore in questo formato oppure in RGB dopo una semplice operazione di matricizzazione. Quindi tutti i tipi di distorsioni che affliggono il trasporto di segnali compositi nel nostro caso non si verificano e gli unici segnali test che andremo a verificare saranno quelli relativi alla caratterizzazione dell’encoder, per di più implementato in digitale prima della conversione, del convertitore con i suoi filtri e del buffer a 75 ohm.
Misura dell’ampiezza di un segnale barre colore mediante l’utilizzo dei cursori. In questo caso il segnale è perfettamente calibrato a 1 Vp-p su 75 ohm.
Gli strumenti di base per misurare il segnale video sono il Waveform monitor e il Vettorscopio. Con questi due elementi e una serie di segnali test riusciamo a caratterizzare la qualità di un segnale video composito. Il Waveform è una specie di oscilloscopio ottimizzato per agganciare i segnali video e con delle maschere di riferimento che facilitano l’interpretazione delle misure. Si può utilizzare nelle modalità line, 2 lines, field e frame e permette di vedere a colpo d’occhio diversi parametri riguardanti l’ampiezza e la temporizzazione del segnale, ma anche di determinare se esistono problemi di distorsione. A questo proposito vengono utilizzate delle maschere sovraincise sullo schermo con le quali, utilizzando particolari segnali che analizzeremo più avanti, si possono determinare i diversi tipi di distorsione e il loro ammontare. Il Vector monitor o Vettorscopio serve per analizzare solamente l’informazione relativa al colore; lo strumento si aggancia alla sottoportante colore e scompone i vettori secondo i due assi U (B-Y) e V (R-Y), rappresentandoli su un diagramma polare utile per determinare ampiezza e fase dei vettori stessi. Sullo schermo sono disposti dei marker che aiutano a trovare la giusta collocazione normalizzata dei vettori per i tre colori primari (rosso-verde-blu) e dei loro complementari (ciano-magenta-giallo). Sono presenti anche altri riferimenti per le misure di fase e guadagno differenziale e per il rapporto Sc/H (relazione fra sottoportante colore e sincronismo orizzontale che si ripete ogni 8 field), importantissimo per il corretto aggancio del croma.
Per le nostre misure utilizzeremo uno strumento della Rhode & Schwarz, il VSA, che unisce nello stesso apparecchio un Waveform monitor, un Vettorscopio, un analizzatore di spettro a un analizzatore di rumore, il tutto gestito da un potente software di automazione delle misure e coronato dalla possibilità di salvare le misure come file PCX o di stamparle direttamente su stampante a colori.
Prima di procedere alla descrizione del set di misure che abbiamo ritenuto adatto ai DVD player, vorrei fare un brevissimo ripasso sul segnale video. Il segnale video composito è un segnale che può essere trasmesso mediante un unico cavo e incorpora al suo interno un insieme di segnali differenti fra di loro, utili per trasmettere al dispositivo di input le varie informazioni relative a:
- sincronizzazione di linea (orizzontale)
- sincronizzazione di quadro (verticale)
- sincronizzazione colore (burst)
- ampiezza e frequenza della luminanza (Y)
- ampiezza e fase della crominanza (C).
Figura 1 – Temporizzazioni e ampiezze dei segnali relativi ad una riga del sistema PAL.
Chiaramente ci sono voluti dei compromessi per riuscire a impacchettare tutte queste informazioni, e, mentre i segnali di sincronismo sono trasmessi quando non c’è informazione relativa al video, i segnali di crominanza e di luminanza sono trasmessi nello stesso istante con un’operazione di codifica; in fase di decodifica, migliori saranno i filtri di separazione luma-croma, migliore sarà la pulizia generale dell’immagine. La figura 1 mostra la struttura di una linea di bianco al 100%, con particolare attenzione ai livelli e alla temporizzazione dell’intera struttura. Da questa si deduce che una riga completa dura 64 microS, al sync spettano circa 4,7 microS e al burst (sincronismo colore composto da dodici cicli sinusoidali a 4,43 MHz) 2,25 microS. Tutto il periodo che serve a trasmettere questi due segnali di sincronismo più due porzioni di riga dette front e back porch, viene chiamato blanking di linea e consente al pennello elettronico di posizionarsi all’inizio della riga successiva senza creare interferenze col segnale video utile. Analogamente esiste un periodo di oscuramento detto blanking verticale, che serve al pennello elettronico per posizionarsi all’inizio del field successivo; nelle linee presenti in questo intervallo vengono a volte inseriti dei segnali test utili alla valutazione del segnale complessivo chiamati VITS – Vertical Interval Test Signal (fig. 2).
Figura 2 – Sincronizzazione verticale con presenza di segnali VITS utili per la misura dei sistemi durante la normale operatività in presenza di segnali di programma (in questo caso il segnale trasmesso è barre colore e gli ITS sono composti da due righe, la prima con un 2T/20T e una rampa, la seconda con un multiburst).
È interessante notare che i sistemi digitali come il DVD o il DV non trasportano le informazioni di tipo VITS, perché ammettono solo 576 linee orizzontali, pari cioè alle sole linee attive del PAL. Dunque al segnale che trasporta l’informazione video vera e propria restano 52 microS, all’interno dei quali l’ampiezza di tale segnale dovrà essere compresa fra 0 e 700 mV, che corrispondono al nero e al bianco al 100%. Il livello del nero è appoggiato al livello del blanking, e in casi molto particolari (segnali di chiave e test per la taratura dei monitor) può addirittura diventare negativo; in tal caso viene detto supernero. È chiaro che tutti i livelli intermedi fra 0 e 700 mV producono diverse sfumature di grigio.
Figura 3 – Segnale ideale barre colore EBU con luminanza al 100% e crominanza al 75%.
Per facilitare le cose sono stati costruiti dei segnali detti di test atti alla valutazione dei dispositivi che trattano il video. Il segnale più utilizzato per le misure di ampiezza è quello di barre colore (fig. 3) e appare sugli strumenti come in figura 4; al suo interno troviamo una rampa decrescente a sette gradini che parte da 700 mV (barra del bianco) per arrivare a 0 V (livello del nero). A questo segnale di luminanza viene sommato quello di crominanza che trasporta, per convenzione, i tre colori primari e i loro complementari ad un determinato livello di saturazione. Sul Vettorscopio otterremo un’indicazione di fase (tinta) e di ampiezza (saturazione) per i vettori dei sei colori, oltre a due vettori più piccoli relativi al burst, che servono a dare il giusto riferimento alla misura. La schermata relativa a questa misura, generata dal nostro strumento, apparirà come in figura 4a dove, oltre alla rappresentazione grafica del segnale, avremo anche l’espressione numerica dei vari parametri, come l’ampiezza dei vettori colore e i livelli di luminanza.
Figura 4 – Un segnale barre colore corretto rappresentato su un Waveform e su un Vector monitor.
Il segnale in figura 5 è utile per valutare le distorsioni lineari, ovvero l’incapacità del sistema di mantenere uniformi le caratteristiche di fase e ampiezza al variare della frequenza. Il segnale viene chiamato 2T/20T riferendosi ai due spilli centrali, dei quali uno modulato con il vettore di crominanza magenta, e, in questo caso, completato da una barra del bianco per misure di tilt (risposta alle bassissime frequenze) e da una rampa a 5 step utile per determinare le non linearità di luminanza.
Figura 4a – Con questa schermata possiamo vedere a colpo d’occhio se ci sono evidenti deviazioni relative ai livelli di luminanza, crominanza e fase colore; si possono anche valutare gli errori di fase differenziale e guadagno differenziale oltre al valore medio del contenuto di bianco dell’immagine.
Figura 5 – Segnale test di tipo 2T/20T ideale e visualizzazione dello stesso su Waveform monitor.
Gli errori di guadagno della crominanza verso la luminanza hanno come effetto sull’immagine dei picchi o delle attenuazioni dell’informazione di crominanza, che risultano in una saturazione colore incorretta. D’altro canto gli errori di fase (anticipo o ritardo della crominanza rispetto alla luminanza) si manifestano come una sbordatura laterale del colore degli oggetti, specialmente visibile in prossimità delle transizioni, che riduce la sensazione di dettaglio. Più in generale gli errori di fase danno luogo al ritardo di gruppo definito dalla derivata della fase rispetto alla derivata della frequenza. Normalmente si possono verificare errori di ampiezza relativa ed errori temporali e non è inusuale trovare un segnale afflitto da entrambe le distorsioni.
Figura 6 – Esempi di distorsione dovuti a variazioni di livello di luminanza e crominanza, ritardo o anticipo delle due componenti e somma di tutti i fattori.
In figura 6 troviamo una tabella riassuntiva di quelle che sono le varie possibilità di distorsione. La durata dell’impulso sinusoidale T è pari a 100 nS (al 50% dell’ampiezza) ed è stata scelta per le misure sui sistemi PAL con banda limitata a 5 MHz, ma è ugualmente valida in caso di estensioni di banda fino a 5,5 – 6 MHz. La condizione ideale è avere l’ampiezza degli impulsi 2T/20T pari a 700 mV e riscontrare un andamento piatto alla base dell’impulso 20T. Eventuali errori in ampiezza si possono risolvere con una adeguata equalizzazione, mentre è più difficile porre rimedio a errori di fase.
Un’altra misura di fondamentale importanza è la risposta in frequenza di un sistema. Per misurare la risposta in frequenza ci sono fondamentalmente tre possibilità:
- la misura con un segnale di tipo multiburst (fig. 7)
- l’utilizzo di un segnale chiamato sweep (fig. 8)
- l’analisi di spettro applicando uno stimolo di tipo Senx/x (fig. 9).
Figura 7 – Questo segnale, detto Multiburst, è caratterizzato da sei pacchetti di frequenze variabili da 500 kHz a circa 6 MHz ed è utile per calcolare la risposta in frequenza riferendosi alla prima onda quadra che si incontra, corrispondente ad una barra verticale di bianco al 100%; l’ultimo pacchetto è attenuato di circa 3,7 dB.
Figura 8 – Il segnale di tipo Sweep è utile per misure di linearità e risposta quando non sia possibile utilizzare un analizzatore di spettro.
Figura 9 – Un segnale di tipo Senx/x assume questo aspetto se visualizzato nel tempo.
Il primo tipo di segnale è costituito in genere da sei pacchetti di frequenze centrate a 0,5 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5,5 MHz e fornisce un’indicazione piuttosto grossolana della risposta dell’apparecchiatura in esame.
Lo sweep è un segnale continuo e si presenta come una “spazzolata” in frequenza che arriva fino a 6 MHz; fornisce indicazioni più precise del multiburst.
La misura più accurata è quella dell’analisi di spettro in presenza del segnale Senx/x, un segnale caratterizzato da un’uguale energia a tutte le armoniche della frequenza di scansione orizzontale fino a circa 6 MHz. Noi, a partire da questo numero, utilizzeremo questo metodo e le schermate prodotte avranno l’aspetto della figura 10. Sul grafico inferiore avremo anche l’andamento del ritardo di gruppo, espresso in nanosecondi, al variare della frequenza.
Figura 10 – Questo è l’aspetto dei grafici di risposta in frequenza e ritardo di gruppo che pubblicheremo a partire da questo numero. La forma d’onda del segnale test è visibile in figura 9.
Un’altra misura frequentemente usata per l’analisi delle distorsioni lineari è il Fattore K, espresso in percentuale. Il Fattore K, non fatevi intimorire dal nome, non è altro che un metro di valutazione di quello che succede subito prima e subito dopo un impulso 2T e di verifica del tilt della barra del bianco da 10 o 25 microS. In figura 11 troviamo un impulso 2T, collocato all’interno della maschera di rilevamento del Fattore K, che esibisce una distorsione leggermente superiore al 5%. Il rettangolino visibile in alto a sinistra, subito sotto all’indicazione della base dei tempi, serve a misurare il tilt della barra del bianco; anche qui la maschera è riferita ad una distorsione del 5%. Il Fattore K è espresso come la peggiore delle performance riscontrate nelle due misure (K2T + KBar).
Figura 11 – Fattore K relativo all’intervallo 2T misurabile tramite le maschere predefinite con livelli di distorsione del 5% o del 2%. Il segnale misurato rivela una distorsione del fattore K leggermente superiore al 5%.
Questa misura è molto interessante, perché permette una valutazione percentuale delle distorsioni di un sistema e quindi permette un veloce paragone.
Passiamo ora ad analizzare le distorsioni non lineari, ovvero quelle distorsioni che dipendono dall’ampiezza del segnale, indotte da variazioni di APL nonché Average Picture Level (livello medio del bianco) e da variazioni repentine del livello del segnale. Dal momento che gli amplificatori e gli altri stadi analogici di un’apparecchiatura sono lineari entro un intervallo limitato, essi possono comprimere o addirittura clippare un segnale piuttosto ampio; tali effetti rientrano nelle distorsioni non lineari e danno luogo a errori di fase e guadagno differenziale, a non linearità della luminanza e della crominanza, a variazioni indesiderate del livello del sincronismo e a intermodulazioni fra crominanza e luminanza. Per le misure di fase e guadagno differenziale si utilizza un segnale a rampa modulato che produce un segnale come in figura 12 e 13. È importante notare che un errore di fase differenziale si traduce in uno spostamento del vettore sull’asse V (R-Y), mentre l’errore di guadagno differenziale si ripercuote sull’asse U (B-Y), rispettivamente variazione di tinta e di saturazione individuabili sull’immagine. In figura 12 l’errore di fase differenziale è di circa 7 gradi, mentre in figura 13 l’errore di guadagno differenziale ammonta al 10% picco-picco. La non linearità di luminanza, o luminanza differenziale, descrive la relazione fra le ampiezze del segnale in ingresso rispetto all’uscita di uno stadio video. Se ci troviamo di fronte ad un errore di linearità di luminanza vuol dire che il guadagno di luminanza è correlato al livello della luminanza stessa.
Figura 12 – Un errore di fase differenziale produce una variazione indesiderata nell’ampiezza del vettore V (R-Y); in questo caso l’errore di fase è di circa 7°.
Figura 13 – Un errore di guadagno differenziale produce una variazione indesiderata nell’ampiezza del vettore U (B-Y); in questo caso del 10% p-p.
Potrebbe quindi verificarsi una compressione del segnale visibile sull’ultimo gradino della scala a 5 livelli di figura 14, che sull’immagine porta ad una diminuzione della dinamica dei bianchi.
Un’ultima considerazione sulla misura del rumore: a partire dai prossimi numeri introdurremo la misura del rumore video. Saranno disponibili un valore numerico di S/N ottenuto con la misura del bianco al 100% e del rosso al 100% e un grafico di analisi spettrale simile a quello in figura 15.
Figura 14 – In questa figura è raffigurato un segnale di tipo scala dei grigi a 5 livelli. Gli incrementi dovrebbero essere della stessa entità per tutti i gradini; al contrario l’ultimo denota una certa compressione dovuta al clipping dello stadio video in presenza di segnali prossimi al 100%.
Figura 15 – A partire dai prossimi numeri pubblicheremo anche le misure di analisi spettrale e di rapporto S/N.
Non sarà difficile trovare lettori che si spingeranno ai 75 dB sulla barra di luminanza al 100% misurata con filtro notch a 4.43 MHz inserito, un bel salto rispetto ai 42 dB di un buon VHS. Va comunque sottolineato che i DVD player in quanto macchine digitali a 8 bit (i più ormai riscalano gli 8 bit incisi su disco a 10 e raddoppiano addirittura i campioni di crominanza) presentano un rumore estremamente basso e raggiungono risultati insperabili per macchine analogiche anche di livello broadcast e di costo superiore di due ordini di grandezza. Come potrete notare analizzando le misure relative al video presenti già da questo numero, i dati di distorsione non lineare e di rumore non sono pubblicati, a causa della mancanza di un disco test con i segnali adatti a questo tipo di rilevamenti. Nel frattempo, ci stiamo dando da fare per avere tutte le informazioni possibili sui dischi test disponibili.
Struttura dell’intervallo verticale definito dalla CCIR e allocazione dei segnali test di tipo VITS nelle linee oscurate dal blanking verticale.
In questa misura è evidenziato un ritardo di gruppo che provoca uno sfasamento luminanza-crominanza di 122 nS.
di Giorgio Foschi
da Digital Video n. 8 dicembre 1999
