細說S端子 (12千字)
發信人:Ahai
時 間:2002-3-14 19:52:11
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一般來說，在高價位的電視機、錄放影機、影碟機、投影電視系統上面，我們常常會發現它們的影像輸出及輸入端子，除了一般通用的RCA同軸端子之外，另外還具有一組或多組S端子。S端子對於AV玩家而言，它可能代表使用之後可以獲得較高品質的影像訊號，就如同音響玩家對於平衡式線路的認知一般，大家僅知道S端子以及平衡式線路可以得到較好的影像及聲音品質，至於S端子以及平衡式線路的原理為何，可能真的沒幾個人搞的清楚。到底為什麼要使用S端子？S端子的原理是什麼？您知道妥善利用S端子還可以改善不少AV器材的視訊品質嗎？本期的「康年談電視」就讓我們一起來好好的認識S端子。在正式介紹S端子之前，我們必須先厘清幾個Video名詞以及Video訊號的基本觀念，這些名詞在一般AV器材上都會常常見到，想必大家也是耳熟能詳的，在瞭解這幾個名詞之後我們再進一步的來解說S端子，如果您實在對這些Video的基本概念沒什麼興趣，您也可以直接跳到後面有關S端子以及Y/C分離的部份。
NTSC
大部分的AV玩家都知道NTSC（美國國家電視系統委員會）代表了一種目前世界上廣為採用的電視系統標準，事實上，NTSC是由EIA（美國電子工業協會）所發起及創辦的。NTSC也曾經訂定了單色（黑白）電視標準，並且於1941年經FCC（美國聯邦通信委員會）通過並認可了這個標準。其實在1949年左右，彩色電視廣播仍在實驗階段，那時候有兩個強有力的競爭者RCA與CBS正在競標美國彩色電視機的標準，最後，NTSC採用了RCA的標準並予以修改，FCC也認可了NTSC的標準，使得NTSC為包括美、加、日本、我國及許多西半球國家所共通的彩色電視標準。CBS為什麼會失敗呢？其中一個主要的關鍵則是因為CBS彩色電視系統和原有的黑白單色電視系統並不相容，今日NTSC電視系統的相關產品：錄影機、影碟機、攝錄機……都可以和黑白單色電視完全相容，這些都在當年即定下了奠基，RCA採用了令人頗為驚異的技術在原有黑白單色電視有限的頻寬內達到傳送彩色影像的目的，即使以今日的科技看起來，NTSC彩色電視系統的發明仍是相當不可思議，後來的電視身歷聲、MTS雙語功能其實早在1949年就已經奠定了技術基礎。
Video訊號的頻寬
在音響器材的標示上我們常常可以看到頻率響應這個名詞，Audio的頻率回應可以用空氣震動的速度來表示，震動的越快頻率越高，震動的越慢頻率越低，當然了，人的耳朵只有一定的聆聽頻率，一般音響高傳真器材所要求的20∼20,000Hz代表著音響器材所追求的一個通範標準。至於Video訊號我們可不可以用頻率回應來表示呢？事實上Video訊號通常也用頻率回應來表示，不過此處的頻率回應和Audio訊號的頻率響應是有差別的，如果我們將頻率響應換成頻寬，可能比較容易厘清Audio與Video訊號之間的差異。
我們都知道電視機的影像訊號是靠著電視攝影機不斷掃描所重現的畫面，每個畫面共有525條掃描線，掃描的速度是每秒三十個圖框（NTSC制），為了避免電視畫面的閃爍，電視畫面的掃描實際上是採用奇偶兩個圖場交織掃描而成，所以一個圖框實際是包括了兩個圖場交錯而成。換算起來，每秒鐘電視機實際上共掃描了262.5×60=15750條水平掃描線，NTSC系統的水平掃描頻率15.75KHz就是這麼算出來的。為了要能傳送電視攝影機掃描下來的影像訊號，Video訊號大約需要4.2MHz的頻寬來記載影像資訊，遠比Audio訊號所需要的頻寬要來的高。
RF訊號
這兩年來AV玩家對於RF可說是相當注目，其原因倒是蠻有意思的，那是因為具有AC-3輸出的影碟機採用的正是RF輸出，這個RF輸出到底代表著什麼意義呢 ？其實RF的原理非常的簡單，就好象三家電視臺所拍攝的電視節目其頻寬都是4.5MHz，拍好的電視節目在把它發射之前，都要先把它加上一個固定頻率的載波，此時的訊號即稱之為RF訊號，以較高頻率發射對電視臺而言是比較有效率的，再加上不同的電視臺可以加上不同的載波，如此一來電視調諧器只要針對不同的載波頻率，即可檢測不同的RF信號，以恢復原來的影像訊號。如此一來，您該瞭解RF到底代表著什麼意義了吧！對了，Audio訊號也可以加上載波以變成RF訊號，從廣播電臺所發射出來的訊號即是RF訊號，收音機的原理和電視機的原理可說是大同小異，只不過電視調諧器除了要接收聲音之外還要接收影像畫面。這下子朋友們應該可以明白到底錄影機、電視機上面的AV端子和RF端子彼此之間的差異了吧！總而言之，只要我們能把包含聲音及影像的RF訊號利用調諧器將載波去掉，再從訊號中分離出影像及聲音訊號，就可以從AV端子輸出不含載波的標準影像及聲音訊號了。
至於AC-3影碟機為什麼使用RF來輸出AC-3訊號，實在是一種折衷的方法，因為AC-3的5+1聲道Audio訊號都是數字訊號，在現有的影碟片上面實在已經找不到地方可以記錄AC-3數位訊號了，為了想辦法能在影碟片當中記錄AC-3訊號，只得從影碟片當中通常都不使用的類比音軌下手了，但是AC-3都是數位訊號啊，怎麼把它記錄在類比音軌呢？於是杜比工程師們將AC-3的串列數位訊號加上一個2.8MHz的載波（2.8MHz正是影碟片上用來記錄類比右聲道的頻段），以便順利的將AC-3訊號記錄在影碟片之上了。對了，由於AC-3影碟機的RF輸出其載波高達2.8MHz，玩家們在連接AC-3影碟機到AC-3處理器時千萬別忽略了訊號線的接頭以及訊號線本身的品質。
Video訊號是怎麼組成的
前面我們曾經談過，NTSC彩色電視系統和原有的NTSC黑白電視系統是完全相容的，單純的黑白（單色）影像即需要大約4.2MHz左右的頻寬才能傳送黑白Video訊號，彩色影像的信息量高於黑白電視，它是怎麼將彩色訊號擠在這4.2MHz左右的頻段呢？
事實上彩色影像訊號是由R、G、B三種色訊號組合而成的，經由其中不同比例的搭配以組合成各式各樣的顏色，這三種訊號我們稱之為色度信號（C信號）。除了色度信號之外，彩色影像訊號還包括了亮度信號（Y信號），亮度信號代表了影像的亮度變化，亦即相當於黑白影像的亮度細節。所以我們可以這樣來定義黑白影像訊號、彩色影像訊號、彩色電視機、黑白電視機之間的關係。
黑白電視機：它可以接收黑白影像訊號以及彩色影像訊號；當它在接收彩色訊號時，僅接收Y訊號而不接收C訊號。
彩色電視機：它可以接收黑白影像訊號以及彩色影像訊號；當它在接收黑白廣播電視節目時，由於RGB都是定比例，可以利用RGB三色影像管重現黑色及白色。
黑白影像訊號：不包含C訊號的影像訊號。
彩色影像訊號：包含Y以及C訊號，但是包含C訊號的彩色影像訊號仍可藉由RGB三色組合而成黑白的影像。
彩色視頻訊號雖然包括了R、G、B以及亮度訊號，但是彩色訊號在實際傳送時，並不是將電視攝影機所拍攝下來的R、G、B訊號像黑白攝影機一般直接送出，因為這樣一來需要高達18MHz的頻寬才能承載得了這麼多的影像資訊，如此一來不僅非常浪費頻道，也會使得彩色電視和黑白電視彼此擁有不同的頻寬，彼此的節目不能互通。為了解決上述問題，NTSC採用多工通信的技術以及人眼對色彩的特殊性質，加以巧妙的運用。因此，前面我們所提到的亮度信號（Y信號），實際是由30％的紅色加上59％的綠色再加上11％的藍色所混合而成的，因為人眼對於紅、藍、綠三原色擁有不同的感受程度，這個經由不同比例所組合而成的Y信號恰好可以重現黑白影像的真實灰階感（在黑白電視系統中，並沒有Y、C訊號這兩個名詞，這裏的Y信號僅是和黑白電視系統的影視訊號擁有相同的特性，並非完全相同）。
彩色電視訊號中的C訊號是怎麼產生的呢？我們先來算算R-Y及B-Y兩項。
因為Y=0.3R+0.59G+0.11B
所以R-Y=R-0.3R-0.59R-0.11B=0.7R-0.59G-0.11B
同理可得B-Y=-0.3R-0.59G+0.89B
NTSC當初在發展彩色電視機時真的是相當厲害，由於C訊號是由RGB三色組成的，有了R-Y以及B-Y之後只要再經過一個矩陣運算電路即可獲得G-Y訊號了。其方法如下：
因為Y=0.3R+0.59G+0.11B
所以0.3R+0.59G+0.11B-Y=0
亦即0.3R+0.59G+0.11B-(0.3Y+0.59Y+0.11Y)=0
0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0
所以G-Y=-(0.3/0.59)(R-Y)-(0.11/0.59)(B-Y)=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)
怎麼樣！如此一來，只有具有Y、R-Y、B-Y三個信號即可發射出彩色影像訊號了，NTSC夠厲害了吧！R-Y、B-Y的C訊號表示方式雖然已經讓我們歎為觀止，但是NTSC電視系統中電視臺發射的訊號並不是採用R-Y、B-Y的色度訊號，而是採用另一種I、Q解調法。I、Q解調法是利用色彩的三個特性：色相、彩度、亮度之間的關係所繪製的析色圖所演算出來類似R-Y、B-Y的色度表示法。在I、Q信號系統中，其色度信號與R-Y、B-Y所合成的信號完全相同，只是I、Q信號的矩陣類比電路較為複雜，電視臺在發射節目時大都採用I 、Q信號調變的方式。
那麼彩色NTSC電視系統到底是怎麼把Y訊號以及C訊號放在相容於黑白電視系統的4.5MHz的頻寬帶之內呢？其實NTSC是利用了副載波的原理巧妙的將C訊號間置記錄在Y信號的高頻端3.579545MHz之上，以避免干擾了Y訊號，這就是我們一般常聽到的3.58MHz彩色信號。把這個觀念轉換為傳統黑白電視系統時，Y信號就好比原有黑白系統的影像資料，C訊號則是附加在Y信號的高頻段之中，C信號安插在Y信號的間置方法有點像一把梳子，Y訊號以及C訊號就像是兩把梳子交互齒合一般，如此一來，不僅NTSC彩色電視可以和原有的黑白電視相容，又不須佔用多餘的頻道，實在很難想像它是在1949年左右即發展出來的技術。
電視臺是如何發射電視節目的
從電視臺發射的電視節目訊號除了大約4.5MHz頻寬的影像訊號之外，尚包括了0.25MHz頻寬的聲音訊號。我們以電視頻道的第三頻道為例（圖一）：該頻道是利用60MHz到66MHz之間的6MHz頻道內進行廣播，為了避免各頻道之間彼此受到干擾，每個頻道僅使用了4.5MHz（影像）+0.25MHz（聲音）的頻寬，剩下來的1.2&127;5MHz空白頻寬是用來幹什麼的呢？就是為了維持上下頻道彼此之間的淨空。想想目前FM地下電臺為什麼常常會彼此干擾呢？就是因為地下電臺沒有保持每個FM電臺頻道之間的空白頻段，甚至想在各合法電臺之間的空白頻道之中插隊擠入地下電臺的節目，這也是大部分地下電臺收訊品質不佳的主要原因。
電視機是如何重播影像的
電視臺發射的電視節目經過天線接收、調諧器調變為聲音及影像訊號之後，影像訊號第一件要做的處理工作即是將影像訊號的Y信號以及C信號分離出來，由於彩色電視機映射管必須採用RGB三色同時輸入訊號，因此如何將Y、C混合的影像訊號分離為獨立的Y、C訊號即成為電視機非常重要的工作之一。
重點來了，除了電視臺發射的節目之外，無論是錄放影機、影碟機抑或是其他標準NTSC Video器材所記錄的影像資料，都是和NTSC電視的標準影像完全相容的，既然是標準的NTSC影像，影像成份中的Y信號以及C信號都是混合在4.5MHz的頻寬之內的。一般的電視機都內建有Y/C分離電路，但是隨著電視機的訴求、價位，對影像品質有絕對重要性影響的Y/C分離電路也擁有數種不同的分離方式，經過分離之後的Y信號以及C信號還要經過調變之後，才可以轉換為電視映射管可以接受的RGB信號。有關Y/C分離的幾種方法，留待下一段再做說明，讓我們先來看看電視機是如何將C訊號還原成R、G、B信號的。
前面曾經提到，電視臺發射的標準NTSC的C信號採用的是I、Q調變，但是一般的電視機為了節省成本通常都直接將I、Q視為R-Y、B-Y信號予以調變，雖然它不符合高傳真的原則，但是因為成本低廉而且家用電視機並不需要太高的畫面品質，絕大部份的電視機都是採用此種方法調變。除了上述的調變方法之外，比較高級的電視調諧器大都兩個調解器直接檢測出I、Q信號然後經過矩陣電路取得R-Y、G-Y以及B-Y信號。另外也有一些接收器使用三個調解器直接得到R-Y、G-Y以及B-Y信號，其成本更為昂貴，不過影像效果也更上一層樓。
Y/C分離電路的三種方法 1.單純的Y/C分離 參考圖二的NTSC影像訊號頻譜，我們可以看到Y信號以及C信號是從3.58MHz的位置開始交錯，就好象兩個梳子彼此囓合一般的存在於NTSC的影像訊號之中，最簡單的Y/C分離方法，就是利用濾波器將Y信號以及C信號分離（請參考圖三），我們可以發現用這種方法分離的C信號中間含有了部份未被濾乾淨的Y信號，Y信號也有部份的頻段被切掉，由於Y信號對於畫面的解析度有決定性的影響，不乾淨的C信號也會對畫面產生點狀的干擾，目前的電視機幾乎已經完全不採用此種Y/C分離方式，這種最簡單的Y/C分離方式也稱為一次元Y/C分離。
2.二次元Y/C分離
所謂二次元Y/C分離，就是利用相鄰的兩條掃描線彼此影像資訊的關連性，經過訊號相加相減運算電路來進行Y/C分離。因為在NTSC信號當中，C訊號的相位是隨著次一條掃描線隨時在做180度反相的，因此第n條掃描線的Y信號加上第n+1條掃描線的Y信號其結果等於2Y，第n條掃描線的C信號加上第n+1條掃描線的C信號其結果應該為0，同理我們再將第n條及第n+1條掃描線的Y信號以及C信號做相減的運算，就可以得到0以及2C兩個結果，再分別將2Y以及2C除以2，就可以得到非常乾淨的Y信號以及C信號了。這種方法即稱之為梳形濾波器分離法，亦稱為二次元Y/C分離法。
為了進一步提升Y/C分離的準確度，除了利用兩條相鄰掃描線訊號的演算方法之外，另外還有一種利用相鄰三條掃描線進行Y/C分離的方法，不過從原理上來看，仍然屬於二次元Y/C分離的一種。
3.三次元Y/C分離
二次元Y/C分離看起來已經很理想了啊，為什麼還有三次元Y/C分離的方式呢？其實二次元Y/C分離法如果碰到相鄰兩條掃描線彼此沒什麼關聯性的時候，二次元Y/C分離即已經派不上用場，於是更進步的三次元Y/C分離也就應運而生了。
三次元Y/C分離的原理和二次元Y/C分離頗為相似，只不過三次元Y/C分離比較的是前後兩幅畫面（Frame）的影像資訊，或許前後兩幅畫面之間不完全相似的情況仍然很多，至少，前後兩幅畫面彼此之間的關聯性要比前後兩條掃描線彼此之間的關聯性要來的高，所以了，在具有三次元Y/C分離的AV器材上，一定可以發現用來記錄前後Frame資訊的記憶電路，其效果更要比二次元Y/C分離更進一步。至於不同廠家所生產的AV器材如果都採用了三次元Y/C分離線路，其影像效果是否會一樣好呢？這個答案是否定的，因為在三次元Y/C分離電路當中遇到前後兩幅畫面無相關性的機率仍然很高，各廠商為了因應此一狀況設計出各種不同狀況的動態分離法，同為三次元Y/C分離，其畫質表現仍有差異，最大的原因就在於此。
S端子的應用
使用S端子的主要目的，就是為了要傳送已經經過Y/C分離的影像訊號，在S端子訊號線之內，我們可以發現其Y信號與C信號是分開傳送的，而一般同軸Video信號線傳送的則是Y、C混合的影像信號。如何善用S端子改善您目前的AV效果，其實是一門很大的學問，因為並不是所有的Video器材使用了S端子之後就能得到最好的視訊效果。在使用S端子的同時，首先要確定器材本身所具備的Y/C分離電路是否夠水準，如果您的電視機內部已經具備了相當高級的Y/C分離線路，而您影碟機內部的Y/C分離線路效果甚至還比不上電視機本身的線路，如果直接用S端子連接影碟機到電視機，其畫質表現可能還比不過使用一般的同軸訊號線呢！
當然了，目前市面上的電視機內部的Y/C分離線路大都比不上影碟機或是錄放影機的Y/C分離電路，上述的問題您暫時可以不用擔心，如果您使用的是很高級的Monitor，您不妨試試直接使用同軸訊號線，搞不好同軸的效果還要比S線來的好呢！有一個地方比較值得玩家們加以注意的，那就是環繞處理器或是AV控制中心上面的影像輸入輸出端子。有的環繞處理器、AV控制中心內部即具有Y/C分離線路，其效果可能比影碟機的Y/C分離要來得好，但可能也比不上影碟機的Y/C分離線路，玩家們不妨親自實驗一下熟優熟劣，再確定何處該使用同軸線，何處該用S線。
總而言之，並不是所有的視訊器材使用了S線之後其效果都要比同軸線來的好，其中最重要的因素乃是在於Y/C分離的品質，想辦法找出您的Video器材當中擁有最佳Y/C分離線路的環節，之前的訊號線使用同軸線，之後的均使用S線，這是筆者給大家的建議。當然了，還是得勞駕您身體力行親自實驗一番，或許您又有新的發現哩！最後，再提醒您一件事，S線本身的品質與視訊品質有著很大的關聯，也是不可忽略的地方