Лаб.практикум по дисцип."
реклама
![](http://s1.studylib.ru/store/data/000875251_1-c8d365b84be11a22527cb280fa8b8f2f-768x994.png "Лаб.практикум по дисцип."")
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР) Кафедра телевидения и управления (ТУ) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ТУ, профессор _________________И.Н. Пустынский «______»___________________2012 г. ИССЛЕДОВАНИЕ КОДЕРОВ И ДЕКОДЕРОВ СОВМЕСТИМЫХ СИСТЕМ ЦТВ SECAM-3B И PAL Лабораторный практикум РАЗРАБОТАЛИ _________________М. И. Курячий _________________А. Г. Костевич _________________И. В. Гальчук «______»________________2012 г. 2012 2 Гальчук И.В., Костевич А.Г., Курячий М.И. Исследование кодеров и декодеров совместимых систем ЦТВ SECAM-3B и PAL: Лабораторный практикум. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 122 с. © Гальчук И.В., Костевич А.Г., Курячий М.И., 2012 © Кафедра телевидения и управления, ТУСУР, 2012 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОДЕРА И ДЕКОДЕРА СИСТЕМЫ SECAM-3B 1.1 Описание системы SECAM-3B 1.2 Описание кодера 1.3 Описание декодера 1.4. Классификация искажений телевизионного сигнала в системе SECAM-3B 1.5. Телевизионный стандарт и чёткость изображения 1.6. Чёткость в насыщенных цветах 1.6.1. Чёткость по горизонтали 1.6.2. Чёткость по вертикали 1.7. Допуски на весь вещательный тракт совместимой системы ЦТВ SECAM-3B 1.7.1. Допуски на кодер и его звенья 1.7.2 Допуск на декодер и его звенья 2 ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ 3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОДЕРА И ДЕКОДЕРА СИСТЕМЫ PAL 1.1. Описание системы ЦТВ PAL 1.2. Работа кодера по функциональной схеме 1.3. Работа декодера по функциональной схеме 1.4. Характерные искажения сигналов, возникающие в системе PAL 1.4.1. Общая классификация искажений 1.4.2. Отбор типов искажений для программного моделирования 4 1.5. Цифровая реализация декодера PAL 1.5.1. Блок повышения качества изображения 1.5.2. Видеопроцессор 1.5.3. Процессор PAL 2. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ 2.1. Программный модуль "FNC.mcd" 2.2. Программный модуль "POL_F.mcd" 2.3. Программный модуль "REJ_F.mcd" 2.4. Программный модуль "PAL1.mcd" 2.5. Программный модуль "PAL2.mcd" 2.6. Программный модуль "PAL3.mcd" 2.7. Программный модуль "PAL4.mcd" 2.8. Программный модуль "PAL5.mcd" 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 5 ВВЕДЕНИЕ Практикум состоит из двух лабораторных работ: – Работа №1: "Исследование кодера и декодера совместимой системы ЦТВ SECAM3B". – Работа №2: "Исследование кодера и декодера совместимой системы ЦТВ PAL". Обе работы выполняются в интерактивной среде математического моделирования MathCAD. Для их выполнения необходим компьютер, удовлетворяющий следующим минимальным требованиям: – процессор Intel Pentium с частотой 200 МГц; – объём оперативной памяти 32 Мб; – среда математического моделирования MathCAD версии 6.0 PLUS (необходима версия, "понимающая" программные инструкции, т.е. версия с приставкой PLUS или PRO – professional). – для просмотра в электронном виде данного описания лабораторных работ необходим текстовый редактор MS Word версии 8(97). Каждая работа имеет теоретическую часть, описывающую основные понятия. Однако перед её прочтением следует прочитать дополнительную литературу по теме выполняемой работы. Полученные таким образом знания необходимо будет применить как при выполнении практической части работы, так и при составлении выводов. Кроме теоретической части каждая работа имеет описание программного обеспечения и правил его использования. Есть и практическая часть, описывающая задания, а также порядок и методы их выполнения. Перед выполнение практической части следует внимательно и полностью её прочесть и прояснить для себя все непонятные моменты. 6 1 ИССЛЕДОВАНИЕ КОДЕРА И ДЕКОДЕРА СИСТЕМЫ SECAM-3B Целью данной работы является изучение процессов кодирования – декодирования телевизионного сигнала в совместимой системе цветного телевидения (ЦТВ) SECAM-3B, изучение основных параметров совместимой системы SECAM-3B, изучение характерных искажений телевизионного сигнала, возникающих в системе. 1.1 Описание системы SECAM-3B Система SECAM-3B (от французского Séquentiel couleurs á mémoire – последовательная передача цветов с запоминанием) совместима с чернобелой системой, то есть чёрно-белые телевизоры будут принимать и воспроизводить в чёрно-белом виде передачи цветного телевидения, а цветные телевизоры будут принимать и воспроизводить в чёрно-белом виде передачи чёрно-белого телевидения. Отличительной особенностью SECAM-3B от других систем является поочередная передача через строку двух цветоразностных сигналов (красного ER-Y и синего EB-Y) на частоте модуляции (ЧМ) поднесущей при непрерывной передаче сигнала яркости. Так как полоса пропускания телевизионного канала составляет 8 МГц, а ширина спектра сигнала яркости EY составляет 6 МГц, то при этом возникает проблема передачи цветоразностных сигналов ER-Y и EB-Y, ширина спектра которых составляет 1,5 МГц. При исследовании спектра яркостного сигнала было обнаружено, что спектр дискретный, а основная энергия спектра сосредоточена в низкочастотной области (до 2,5 МГц). Исходя из этого, было предложено передавать цветоразностные сигналы в спектре яркостного сигнала на вспомогательных цветовых поднесущих методом частотной модуляции (см. рис. 1.1). 7 Поскольку модулировать по частоте одну поднесущую одновременно двумя цветоразностными сигналами невозможно, то было предложено передавать сигналы поочередно через строку. При этом каждый сигнал модулирует по частоте свою поднесущую, а сами поднесущие частоты отличаются между собой на десять значений строчной частоты: F0R = 282Fстр = 4,40625 МГц ; F0B = 272Fстр = 4,25 МГц . Кроме того, для повышения помехоустойчивости в передающую часть системы введены блоки предыскажений цветоразностных сигналов до и после модуляции по частоте, а в приемную часть, соответственно, блоки коррекции предыскажений. S(f) Спектр яркостного сигнала Спектры сигналов цветности 1,5 МГц 1,5 МГц f, МГц fOB fOR fзв 8 МГц Рис. 1.1 – Спектр телевизионного сигнала в системе SECAM, fиз f0R = fИЗ + F0R, f0B = fИЗ + F0B В отличие от системы NTSC система SECAM практически исключает фазовые искажения за счет применения частотной модуляции, а также перекрестные искажения между сигналами цветности и связанные с ними 8 искажения цветового тона, так как сигналы цветности передаются в разные моменты времени. 1.2 Описание кодера Структурная схема передающей части системы SECAM показана на рис. 1.2. Сигналы основных цветов Er, Eg, Eb с выхода камерного канала поступают на матрицу, формирующую яркостный ЕY и цветоразностные ЕR-Y и ЕB-Y сигналы. Для модуляции в системе SECAM-3B используют сигналы DR и DB, линейно связанные с цветоразностными сигналами ER-Y и EB-Y следующими соотношениями: DR = – kRER-Y = – 1,9ER-Y; DB = kBEB-Y = 1,5EB-Y (1.1) Необходимость такого преобразования объясняется тем, что при передаче телевизионного сигнала с 75% яркостью и 100% насыщенностью экстремальные значения сигналов ER-Y и EB-Y разные, и поэтому, чтобы сигналы были равные (создавали номинальные величины девиации частоты), вводят сигналы DR и DB. Перед коэффициентом kR вводится знак минус, что означает изменение полярности сигнала ER-Y на противоположную. Статистические исследования показывают, что в большинстве сюжетов преобладают положительные значения сигнала ER-Y и отрицательные значения сигнала EB-Y. Смена полярности сигнала ER-Y при частотной модуляции приводит к отклонению поднесущей от номинального значения в сторону уменьшения частоты, тем самым повышается устойчивость системы к ограничению верхней боковой полосы передаваемых частот, которое иногда возникает в канале связи. ЭК 9 10 Спектр частот цветоразностных сигналов [6] должен быть ограничен фильтром нижних частот с затуханием не более 3 дБ на частоте 1.3 МГц, не менее 30 дБ на частотах 3 МГц и выше и не менее 40 дБ на частотах 3.8 МГц и выше. При этом отклонение АЧХ и ФЧХ от номинального значения не должно превышать ±0.5 дБ в диапазоне частот от 0.1 МГц до 0.5 МГц и ±1дБ в диапазоне частот до 1.3 МГц. Ограниченные по полосе (0 – 1,5) МГц в фильтрах низких частот (ФНЧ), сигналы подвергаются аналогово-цифровому преобразованию (АЦП). АЦП цветоразностных сигналов формирует восьмиразрядную последовательность при частоте дискретизации 6,75 МГц. Для кодирования сигналов цветности отводятся уровни с 16 по 240, причем нулевой сигнал передается уровнем 128. После АЦП сигналы DR и DB, поступают на электронный коммутатор (ЭК), который управляется сигналом с частотой, равной половине строчной частоты. Электронный коммутатор формирует последовательную передачу сигналов DR и DB от строки к строке. Оба сигнала до модуляции ими поднесущей частоты должны быть подвергнуты предварительной низкочастотной коррекции путем пропускания через цепь низкочастотных предыскажений. Поэтому с коммутатора каждый из сигналов поступает на цифровую цепь низкочастотных предыскажений (НПИ), где происходит увеличение амплитуды высокочастотной составляющей модулирующего сигнала (см. рис. 1.3). Необходимость предыскажений сигналов в данном случае можно объяснить следующим образом. При частотной модуляции (ЧМ) высокая помехоустойчивость может быть достигнута только при достаточно больших значениях индекса ЧМ. 11 AНПИ(f), дБ 10 85 кГц 8 6 4 2 0 0 -2 -4 10 103 100 104 f, кГц Рис. 1.3 – АЧХ цепи низкочастотных предыскажений Индекс частотной модуляции m определяется следующим образом: m f дев , F где fдев – девиация частоты поднесущей; F – максимальная частота спектра модулирующего колебания. В системе SECAM, если не принять специальных мер, помехоустойчивость при приеме цветоразностных сигналов будет не достаточно высокой, т.е. при приеме сигналов шумовые помехи, проникающие на экран приёмного устройства (телевизора) через канал цветности, будут сильно искажать изображение. Можно повысить помехоустойчивость при приеме цветоразностных сигналов, не прибегая к увеличению индекса ЧМ и не расширяя спектр. Это связано с применением частотных предыскажений передаваемых сигналов и последующей их коррекцией в приёмном устройстве. Принцип действия частотных предыскажений основан на особенностях воздействия помех на ЧМ сигнал. 12 Если измерить спектральное распределение энергии флуктуационных помех на выходе частотного детектора, то они при графическом изображении будет иметь вид треугольника, т.е. спектральные составляющие шумовой помехи, частота которых близка к частоте несущей, вызывают малую помеху на выходе частотного детектора, а спектральные составляющие, приходящиеся на границы полосы пропускания, оказывают наиболее мешающее действие. Треугольное распределение энергии помехи в спектре сигналов цветности системы СЕКАМ позволяет следующим образом повысить помехоустойчивость – цветоразностные сигналы в кодирующем устройстве подвергаются предварительной частотной коррекции (предыскажениям). Таким образом, увеличивается отношение сигнал-помеха на верхних модулируемых частотах за счет увеличения глубины модуляции, так как энергия высокочастотных составляющих спектра сигнала значительно меньше энергии низкочастотных составляющих. Значения номинальной АЧХ цепи НПИ приведены в таблице 1.1, при этом математический закон низкочастотных предыскажений цветоразностных сигналов выражается следующей зависимостью (выражение для комплексного относительного коэффициента передачи напряжения устройства предыскажений сигналов цветности): F F1 , Aнпи(f) = F 1 j K F1 1 j где F – текущая частота в кГц; F1 = 85 кГц; K = 3 – коэффициент передачи напряжения на ВЧ. (1.2) 13 Таблица 1.1 – Значения АЧХ цепи НПИ. Частота, Амплитуда, Частота, Амплитуда, Частота, Амплитуда, кГц дБ кГц дБ кГц дБ 10 0.1 200 6.1 1200 8.3 20 0.2 250 6.9 1300 7.8 30 0.5 300 7.5 1400 7.2 40 0.8 400 8.3 1500 6.2 50 1.1 500 8.7 1600 4.9 60 1.5 600 8.9 1700 3.1 70 1.9 700 9.1 1800 0.5 80 2.4 800 9.1 1850 –3.0 90 2.8 900 9.0 3500 –20.5 100 3.2 1000 – – – 150 4.9 1100 – – – Передаточная функция цифровой цепи НПИ имеет вид [1]: Н НПИ ( z ) 2,887952 1 0,961202 z 1 1 0,887952 z 1 (1.3) Сигнал на выходе цифрового фильтра определяется при помощи разностного уравнения, которое имеет вид: U вых n A0 U вх n a1 U вх т1 b1 U вых n 1 Поскольку предыскажениям подвергается (1.4) немодулированный (низкочастотный) сигнал цветности, данный вид предыскажений называется 14 низкочастотным. Цветоразностные сигналы на выходе цифровой цепи низкочастотных предыскажений представлены на рис. 1.4. 4 3 2 DR DB 1 0 1 2 3 4 0 52 104мкс Рис. 1.4 – Цветоразностные сигналы после низкочастотных ограничений После предыскажений выигрыш на высокой частоте составляет 9 дБ, что приводит к расширению динамического диапазона сигнала в 3 раза (в цифровом сигнале это приведет к увеличению количества уровней квантования до 326 и 268, т.е. к увеличению разрядности с 9 до 11), а это недопустимо, так как девиация поднесущей частоты также увеличится в три раза. Поэтому, чтобы не было превышения величины предельной девиации, амплитудные выбросы, обусловленные предыскажениями сигналов цветности, частично срезаются ограничителем амплитуды (ОГР). Из-за ограничения амплитуды высокочастотных на составляющих передающей сигналов стороне DR и теряется DB, часть которые не восстанавливаются в приемной части (см. рис. 1.5). Девиация частот при передаче телевизионного сигнала с 75% яркостью и 100% насыщенностью для красного сигнала цветности DR составляет 280 кГц, для синего DB 230 кГц. Девиация частоты для сигнала DR 15 выбрана большей, чем для сигнала DB, что приводит к некоторому снижению шумов при воспроизведении красного цвета, где восприятие шума, по сравнению с шумом в синем цвете больше. Экстремальные значения девиации, достигаемые на выбросах в сигналах DR и DB должны быть равны: FR = –506 ... +350 кГц; (1.5) FB = –350 ... +506 кГц В результате, изменение поднесущей частоты как для сигнала DR так и для DB происходит в пределах диапазона от 3,9 МГц до 4,756 МГц. 3 3 DR 2 DB 1 2,2 0 1,5 1 2 0 52мкс 104мкс Рис. 1.5 – Цветоразностные сигналы после ограничения уровней Следует учесть, что уровни ограничения красного и синего сигналов разные. Кроме того, сигналы DR и DB должны модулировать разные поднесущие FOR = 4,40625 МГц и FOВ = 4,25 МГц соответственно. Поэтому необходимо изменять от строки к строке уровни ограничения ограничителя и опорную частоту ЧМГ. Относительные уровни ограничения определяются отношением экстремальных значений девиации частоты к номинальным значениям: 16 f max R 350 / 280 1,25 0,06 506 / 280 1,81 0,08 f R f max B 506 / 230 2,2 0,09 350 / 230 1,52 0,07 f B Необходимость периодического изменения уровней ограничения сигналов и крутизны модуляционной характеристики модулятора отпадает, если обоим сигналам формально приписать одинаковые значения номинальных девиаций частоты, например f0 = fR = fB = 230 кГц. Их различие, определяемое соотношением fR/fB = 1,22 , можно компенсировать соответствующим изменением соотношения между номинальными размахами цветоразностных сигналов DR и DB, например увеличением коэффициента компрессии kR = –1,9 1,22 = –2,3 при сохранении kB = 1,5. При этом в сигнал необходимо ввести прямоугольный импульс с относительным размахом: D f 0 R f 0 B 156,25 0,68 f 0 230 Полученное значение соответствует разности номинальных значений частот цветовых поднесущих. В этом случае относительные уровни ограничения сигналов DR совпадают с соответствующими уровнями сигналов DB: f max R 1,25 1,22 0,68 2,2 1,811,22 0,68 1,52 f R После ограничения сигнал поступает на частотно-модулируемый генератор (ЧМГ). Генератор представляет собой цифровое устройство 17 прямого синтеза поднесущих частот. Частота выходного сигнала генератора определяется уровнем входного цветоразностного сигнала DR или DB. Однако дискретизация сигналов DR и DB осуществляется на частоте 6,75 МГц, но эта частота не пригодна для формирования цифровой поднесущей. Поэтому перед подачей цветоразностные на цифровой сигналы должны частотно-модулируемый быть подвергнуты генератор интерполяции, повышающей частоту дискретизации модулирующего сигнала цифрового ЧМГ до 13,5 МГц. На выходе частотно-модулируемого генератора формируется девятиразрядный двоичный код синусоидального частотномодулируемого сигнала. Частота поднесущей и фаза выходного сигнала ЧМГ изменяются в соответствии с законом, принятым в системе SECAM. После частотной модуляции сигналы подвергаются высокочастотным предыскажениям (ВПИ). Цель ВПИ повысить помехоустойчивость и ослабить влияние поднесущей на черно-белое изображение. Действие высокочастотных предыскажений заключается в увеличении амплитуд боковых колебаний поднесущей по мере роста ее девиации относительно своего центрального значения. Математически закон высокочастотных предыскажений сигнала цветности выражается зависимостью: АВПИ ( f ) 1 j K1 F , 1 j K 2 F (1.6) где АВПИ(f) – комплексный относительный коэффициент передачи напряжения устройства предыскажений сигналов цветности; К1 =16; К2 =1,26; F f f 0 – относительная расстройка; f0 f f0 = 4,286 МГц. Передаточная функция 18 цифровой цепи высокочастотных предыскажений имеет вид: 1 0,771392 z 1 0,201594 z 2 Н ВПИ ( z ) 1 0,199882 z 1 0,201594 z 2 (1.7) Значения номинальной АЧХ цепи высокочастотных предыскажений приведены в таблице 1.2. Следует отметить, что отклонения от номинальной кривой, не должны превышать ±0,5 дБ, а отклонения частоты настройки цепи f0 от номинального значения 4,286 МГц не должны превышать ±20 кГц. Размах цветовой поднесущей на частоте минимума коэффициента передачи цепи ВПИ должен составлять 23±2,5 % размаха сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого. A впи(f), дБ 16 14 12 10 8 6 4 2 0 3,5 3,9 4,3 4,7 Рис. 1.6 – АЧХ цепи высокочастотных предыскажений 5,1 f, МГц 19 Таблица 1.2 – Значения АЧХ цепи высокочастотных предыскажений. Частота, Амплитуда, Частота, Амплитуда, Частота, Амплитуда, кГц дБ кГц дБ кГц дБ 3800 11.63 4270 0.06 4406 2.49 3900 9.82 4286 0 4452 3.90 4000 7.57 4300 0.05 4480 4.73 4020 7.06 4320 0.27 4500 5.29 4098 4.80 4328 0.4 4600 7.74 4100 4.74 4340 0.64 4640 8.56 4126 3.91 4360 1.13 4686 9.41 4172 2.40 4380 1.69 4700 9.65 4200 1.51 4400 2.30 4756 10.55 4250 0.30 4402 2.36 4800 11.18 В итоге получается сигнал, модулированный по частоте и амплитуде (см. рис. 1.7). Цифровая цепь ВПИ также увеличивает разрядность выходного сигнала до 11. Полученный цифровой сигнал цветности можно сложить с цифровым сигналом яркости, однако, при этом необходимо уменьшить разрядность сигнала цветности до 8, что может вызвать потерю информации и привести к искажениям типа "дифференциальная фаза", поэтому выполняют отдельное цифро-аналоговое преобразование сигнала яркости и цветности и сложение их в аналоговом виде. 20 1 DR 0 DB 1 0 104 мкс Рис. 1.7 – Цветоразностные сигналы на выходе цепи ВПИ В канале яркости после аналого-цифрового преобразования (частота дискретизации равна 13,5 МГц) обработка сигнала яркости сводится к его задержке с помощью цифровой линии задержки (уравнивание во времени с сигналом цветности, так как последний подвергается большему числу операций и задерживается в канале цветности) и частотной режекции, осуществляемой в корректоре (К), для подавления перекрестных искажений типа "яркость – цветность". При малых сигналах работает только линия задержки (ЛЗ), сигнал передается без искажений. Когда сигнал превышает порог ограничения, происходит его режекция, которая благодаря линейности фазовой характеристики полосопропускающего фильтра (ППФ) не вызывает искажений сигнала яркости. ППФ реализован в виде фильтра седьмого порядка с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Формирование полного цветового видеосигнала (ПЦТВС) SECAM происходит в аналоговой форме на выходном сумматоре, здесь же происходит смешивание с синхросмесью СИ и полученный сигнал поступает на амплитудный модулятор передатчика. На рис. 1.8. показаны обе строки (красная и синяя) ПЦТВС. 21 1.5 1 Uполн R Uполн B 0 1 0 Рис. 1.8 – Полный цветовой телевизионный сигнал 1.3 Описание декодера В приемном устройстве (см. рис. 1.9) полный цветовой видеосигнал после видеоусилителя разделяется на два канала: яркостной и цветовой информации. В видеосигналах, прошедших большие расстояния, качество цветного изображения значительно падает (амплитуда цветовой поднесущей может значительно уменьшаться, в цифровом канале это приводит к росту шумов квантования), поэтому был разработан алгоритм построения цифрового декодера, исключающего этот недостаток. Сущность алгоритма состоит в использовании раздельных АЦП для сигналов яркости и цветности, что позволяет при помощи специальной автоматической регулировки усиления (АРУ) поддерживать размах сигнала цветности, близким к номинальному. Полный цветовой видеосигнал от видеодетектора поступает в две параллельные цепи, одна из которых содержит восьмиразрядный АЦП1 для сигнала яркости, вторая – шестиразрядный АЦП2 для сигнала цветности. Оба АЦП работают на тактовой частоте 20,25 МГц. В канале яркости после аналого-цифрового преобразования сигнал проходит через линию задержки (ЛЗ) на 64 мкс с точностью задержки не более ±30 нс, аналогичную линии 22 задержки в кодере, и режекторный фильтр (РФ), подавляющий в сигнале яркости частотно-модулированный сигнал цветности. При этом расхождение во времени сигналов каналов яркости и цветности не должно превышать ±150 нс. АЧХ режекторного фильтра обеспечивает наибольшее подавление поднесущих на частотах передачи желтого цвета (f = 4,02 МГц) и голубого цвета (f = 4,686 МГц), на которых после высокочастотных предыскажений сигналы цветности достигают наибольшего размаха. При этом ослабление сигнала цветности не должно превышать –(9 ± 3) дБ. В литературе [1] приведен вариант цифрового одноконтурного режекторного фильтра, передаточная функция которого описывается выражением: H ( z ) (1 0,5 K ) K z 1 (1 0,5 K ) z 2 (1.8) Коэффициент K в выражении (1.8) определяется как 2 π f реж 2 cos Fд K , 2 π f реж 1 cos Fд (1.9) где fреж – частота режекции: в строке DR: fреж = 4,686 МГц и K = 0,7285; в строке DB: fреж = 4,02 МГц и K = 0,4564. При таких коэффициентах АЧХ режекторного фильтра имеет вид представленный на рис. 1.10. Изменение коэффициента K осуществляется в цифровом декодере прямоугольным синхронизации. сигналом полустрочной частоты от блока цветовой 23 24 А реж(f), дБ 20 0 20 f, МГц -40 1 2 3 4 5 6 Рис. 1.10 – АЧХ цифрового режекторного фильтра На рис. 1.11 представлен яркостный сигнал обеих строк. Можно заметить, что сигнал цветности полностью не подавляется и приводит к характерным искажениям изображения. Для уменьшения заметности этих искажений (которые проявляются в виде соответствующих цветных полос), в кодере, как уже упоминалось выше, производится коммутация фазы поднесущей. 25 EY 1 0 t, мкс 52 104 Рис. 1.11 – Яркостный сигнал на выходе режекторного фильтра В канале цветности ТВ сигнал поступает на нерекурсивный полосопропускающий фильтр (ППФ), который служит для выделения сигналов цветности из полного телевизионного сигнала и подавления сигналов звукового сопровождения. ППФ, предложенный в [1], состоит из четырех звеньев с передаточными функциями вида: H i ( z ) ki z n ki z 2n , (1.10) где i = 1,...,4. Параметры звеньев фильтра: n = 3, k1 = – 0,25; n = 3, k2 = 0,53125; n = 1, k3 = – 0,5; n = 1, k4 = 0,25. Основным достоинством фильтра предложенного в [1], является то, что он обеспечивает не только выделение сигнала цветности, но и подавление сигнала звукового сопровождения (см. рис. 1.12). 26 Апф(f), 5дБ 2,75 5,906 -3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 f, МГц 0 2 1 3 4 5 6 6,5 7 Рис. 1.12 – АЧХ цифрового полосопропускающего фильтра Сигнал цветности с выхода ППФ поступает на цепь коррекции высокочастотных предыскажений (КВП). Коррекция в приемнике должна производиться достаточно точно, поэтому к цепи ВПИ и цепи КВП предъявляются высокие требования. Но на самом деле характеристики цепей ВПИ и КВП компенсируются не точно, в результате чего имеет место остаточная неравномерность, как по амплитуде, так и по групповому времени запаздывания (ГВЗ). Неравномерность сквозной характеристики ГВЗ вызывает паразитное изменение задержки сигнала цветности. Так как сама по себе остаточная АМ не опасна - она срезается ограничителем, то неравномерность ГВЗ сквозной характеристики значительно существеннее. Она вызывает дополнительную задержку (или опережение) сигнала цветности относительно сигнала яркости, зависящую от передаваемого цветового перехода. Снижение неравномерности ГВЗ может быть достигнуто только путем повышения стабильности параметров цепей ВПИ и КВП, но в аналоговых цепях точную настройку обеспечить сложно. Введение цифровых методов 27 обработки при выполнении операции кодирования и декодирования делает возможным получение абсолютной повторяемости и стабильности характеристик. АЧХ цепи КВП является обратной функцией выражения (1.6) и передаточная функция цепи КВП имеет вид: H КВП 1 0.199882 z 1 0.201594 z 2 1 0.771392 z 1 0.882737 z 2 (1.11) После КВП в звене частотного детектора (ЧД) производится демодуляция сигнала цветности. Нелинейность АЧХ частотного детектора для сигнала DB: в диапазоне девиаций частоты ±230 кГц составляет не более ±5 %; в диапазоне девиаций частоты ±280 кГц составляет не более ±25 %. Нелинейность АЧХ частотного детектора для сигнала DR: в диапазоне девиаций частоты ±230 кГц составляет не более ±5 %; в диапазоне девиаций частоты ±280 кГц составляет не более ±25 %. В ЧД для демодуляции сигнала цветности используется алгоритм вычитания логарифмов сигналов, что упрощает аппаратурную и программную реализацию устройства. Так для трёх следующих друг за другом отчетов ЧМ сигнала Y0 A0 sin[ 2 ( f 0 f ) (t T )]; Y1 A0 sin[ 2 ( f 0 f ) t ]; Y2 A0 sin[ 2 ( f 0 f ) (t T )]; справедливо соотношение: k Y1 (Y0 Y2 ) Y1 (k cos[2 ( f 0 f ) (t T )])... 28 Тогда для n следующих друг за другом триад таких отсчетов можно сформировать функции: Z1 (k cos[ 2 ( f 0 f ) T ]) ( Y11 Y12 ... Y1N ), Z 2 (k cos[ 2 ( f 0 f ) T ]) ( Y11 Y12 ... Y1N ). При k > 2 эти функции всегда больше нуля, поэтому может быть сделано следующее преобразование: U ВЫХ ln Z1 ln Z 2 ln k cos[ 2 ( f 0 f ) T k cos[ 2 ( f 0 f ) T (1.12) При Fд = 4f0 (здесь f0 = 4,286 МГц) и k = 2,8 , демодуляционная характеристика детектора (см. рис. 1.13) является линейной в широком диапазоне частот. Если рассматриваемый детектор работает со стандартной частотой дискретизации равной 13,5 МГц, то при f = 0 разность логарифмов в выражении (1.12) не равна нулю, в результате чего нулевая точка демодуляционной характеристики получает приращение (U1на рис. 1.13), превышающее амплитуду сигнала при номинальной девиации. Для уменьшения искажений при Fд = 13,5 МГц в состав ЧД вводят три дополнительных умножителя на коэффициенты K1, K2 и K3 (см. рис. 1.14). Сигналы на входы сумматора С2 и вычитателя В1 поступают через три умножителя на коэффициенты К1 – К3. Сигналы U 2 K1 Y 1 (Y 2 Y 0) K 3 и U 3 K 2 Y 1 (Y 2 Y 0) с выходов В1 и С2 подаются в блок вычисления девиации, в состав которого входят выделители модулей ВМ, схемы усреднения СУ, вычислители натуральных логарифмов (ln) и вычитатель В2, на выходе которого выделяется сигнал пропорциональный девиации частоты. 29 U +U -U U1 +U Fo -U Рис. 1.13 – Демодуляционная характеристика ЧД K1 K2 Y2 Uвх Y0 z-1 z + C1 + U1 -1 Y1 K3 - B1 U2 BM CУ ln В2 - C2 U3 BM ln CУ Uвых Рис. 1.14 – Схема цифрового частотного детектора Коэффициент пропорциональности является демодуляционной характеристики частотного детектора: крутизной 30 S 4 T (1 K 3) K1 K 2 K1 K 2 1 K 3 1 K 3 K1 K 2 K 3 2 2 Для Fд = 13,5 МГц и f = 300 кГц оптимальные значения коэффициентов составляют: К1 = 1,289; К2 = 2,5625; К3 = 0,5625. При использовании таких значений коэффициентов обеспечивается симметрия АЧХ частотного детектора, отсутствие постоянной составляющей в выходном сигнале и малые нелинейные искажения. С выхода частотного детектора полученные сигналы цветности подвергаются коррекции низкочастотных предыскажений (КНП), которая устраняет высокочастотные выбросы сигналов. Математический закон КНП имеет функцию, обратную выражению (1.2), а сигнал на выходе цепи коррекции имеет вид представленный на рис. 1.15. DR, DB 1 0 t, мкс 1 52 104 Рис. 1.15 – Цветоразностные сигналы на выходе цепи КНП На выходе цепи КНП существует последовательность сигналов DR и DB, чередующихся от строки к строке. Указанные сигналы поступают в блок 31 выравнивания уровней черного (ВУЧ). Выравнивание производится сдвигом сигнала на каждой второй строке на интервал, соответствующий разности частот немодулированных поднесущих (156,25 кГц). Необходимым условием получения в приемном устройстве цветоразностного сигнала EG-Y, является одновременное наличие двух других цветоразностных сигналов. Условие это может быть выполнено, если создать вторую последовательность цветоразностных сигналов, сдвинутых относительно первой на длительность одной строки (64 мкс), для чего в декодер вводится цифровая линия задержки. Поэтому в декодере SECAM-3B реализовано два канала прохождения сигнала цветности – кроме канала прямого сигнала, имеющего на выходе последовательность DR, DB, DR, DB, …, есть канал задержанного сигнала, на выходе которого последовательность DB, DR, DB, DR, … . Так на выходах каждого канала (прямого и задержаного) имеются оба цветоразностных сигнала DR и DB, чередующихся от строки к строке, для дальнейшей обработки (вычисление цветоделенных сигналов Еr, Eg и Eb) эти сигналы должны быть разделены по своим цветовым каналам R и B. Функцию разделения цветоразностных сигналов выполняет электронный коммутатор (ЭК), переключающий с полустрочной частотой каналы прямого и задержанного сигналов на входы аналого-цифровых преобразователей, а затем на матрицу М, где вычисляются цветоделенные сигналы Еr, Eg, Eb. 1.4. Классификация искажений телевизионного сигнала в системе SECAM-3B Цветное вещание по своей природе более подвержено воздействию искажений, чем черно-белое, а существующие системы цветного телевидения (NTSC, PAL, SECAM) по принципу действия вносят определенные ограничения качества. 32 Качество изображения в вещательном телевидении, как и в других системах воспроизводящих изображение, определяет степень соответствия изображения оригиналу (если объект трехмерный, то под оригиналом понимают его плоское отображение). Отличия изображения от оригинала называют искажениями, и, таким образом, понятие качества и понятие искажений однозначно связываются, причем количественные закономерности этой связи являются предметом серьезного изучения. Ниже, в таблице 1.3 приведена классификация искажений, которые возникают в системе SECAM-3B, а в таблице 1.4 ориентировочно показана связь искажений телевизионного изображения, наблюдаемых зрителем, с вызывающими их искажениями сигналов. 33 Таблица 1.3 – Классификация искажений. Искажения в ТВ Причины возникновения искажений тракте Общие телевизионные (А1). А1.1 Дискретность передачи кадров и полей. А1.2 Чересстрочность развертки. А1.3 Ограничение полосы частот видеосигналов. А1.4 Частичное подавление боковой полосы несущей изображения. В композитных А2.1 системах (А2). "цветность – яркость". А2.2 Спектральные Спектральные перекрестные искажения перекрестные искажения "яркость - цветность". А2.3 Режекция в канале яркости. А2.4 Чересстрочная передача сигналов DR и DB. А2.5 Ограничение выбросов при НЧ предыскажениях. Аппаратурные искажения в кодеках (А3). А3.1 Неточность задержки на строку. А3.2 Перекрестные искажения цветоразностных сигналов. А3.3 Неточность предыскажений и коррекции предыскажений и коррекции сигналов DR и DB. А3.4 Неточность сигналов цветности. А3.5 Сдвиг нулевых частот дискриминаторов. А3.6 Установочное РВ. А3.7 Неполная режекция поднесущей. 34 Зависимость одного наблюдаемого искажения качества изображения от нескольких видов искажений сигналов существенно усложняет задачу нормирования параметров сквозного ТВ тракта. Для решения этой задачи параметры оконечных устройств и кодеков нормируют и контролируют отдельно, что позволяет свести нормирование сквозного тракта к нормированию тракта передачи композитных сигналов. Таблица 1.4 – Связь между видами искажений телевизионного изображения и искажениями в тракте вещательного телевидения. Искажения ТВ изображения Искажения в ТВ тракте (номера из таблицы 1.3) Искажения цвета крупных деталей А3.2, А3.5 Размытие границ, потеря четкости А1.2, А2.3 Горизонтальное размытие границ А1.2, А2.5, А3.1, А3.3 Вертикальное размытие границ А2.4 Окантовки вертикальных и наклонных границ А3.4, А3.6 Мерцания на горизонтальных структурах А1.2, А2.4 Муары на вертикальных структурах А2.1, А2.2 Муары по всему полю А2.1, А3.7 Разная яркость строк А1.4 1.5. Телевизионный стандарт и чёткость изображения Потенциально достижимое качество ТВ изображения определяется параметрами ТВ стандарта – в первую очередь числом строк , частотой кадров, кратностью развертки, полосой частот сигналов изображения, а также способом кодирования цветовых сигналов, структурой 35 воспроизводящего экрана и его цветовым охватом. К параметрам чёткости относятся: разрешающая способность, определяемая числом различимых линий черно–белых и цветовых мир (вертикальных, наклонных и горизонтальных) или глубиной модуляции сигнала этих мир на определенной пространственной частоте; резкость, определяемая размытием резких границ крупных деталей разных цветов; чистота переходов, определяемая по заметности выбросов, эхо сигналов, а также мешающих структур, т. е. остатков поднесущей на вертикальных границах и мерцающих муаров на горизонтальных границах; граница "трехцветности", определяемая минимальными размерами деталей, информация о которых проходит через канал цветности. Чёткость по горизонтали (вдоль строк) пропорциональна отношению полосы частот сигнала изображения к частоте строк, т. е. Числу строчных гармоник в видеоспекре. Верхнюю граничную частоту видеоспектра FВ определяют из условия, что один период сигнала этой частоты воспроизводит два элемента изображения (например, белый и черный): Fв δ вертик k n Z 2 1 θ khnZ , 2 (1 α) гориз гориз 2 1 α где вертик – шаг развертки по вертикали; гориз – размер горизонтального элемента; – относительное значение пассивной части строки; – относительное значение пассивной части кадра; n – число кадров в секунду; 36 Z – число строк в кадре. Исходя из этого соотношения, были приняты следующие стандарты развертки, приведённые в таблице 1.5. Таблица 1.5 – стандарты разложения ТВ изображения по строкам. Сандарт развертки 625/25 625/25 525/30 6 5 4.2 1.23 1.49 1.47 Верхняя граничная частота видеоспектра, FВ, МГц гориз/вертик В России принят стандарт разложения 625/25 с полосой 6 МГц. Однако следует ожидать , что в дальнейшем развитии ТВ техники параметр гориз/вертик будет жестко закреплен в качестве формата элемента разложения. Это обусловлено внедрением цифровой обработки видеосигналов и первым шагом в этом направлении явилось принятие стандарта на цифровое кодирование, определившего частоту дискретизации яркостного сигнала 13,5 МГц. При такой частоте в активной части строки (52s) укладывается NСТР = 13.5*52 = 702 яркостных элемента. Формат растрового элемента kэл связан с форматом полного растра соотношением: 702 k эл 4 , откуда kэл = 1,092. 575 3 Таким образом, для реализации четкости, предусмотренной стандартами, воспроизводящий экран должен иметь 702 на 575 дискретных элементов формата 1,092. 37 1.6. Чёткость в насыщенных цветах 1.6.1. Чёткость по горизонтали В отличие от яркостного сигнала цветоразностные передаются в полосе 3 МГц. Возможность поочередной передачи цветоразностных сигналов, основывается на особенностях зрительного аппарата человека, позволяющего воспринимать полосу частот сигналов цветности приблизительно до 1,5 МГц. Так как наименьший размер детали передается сигналом яркости с граничной частотой спектра 6 МГц, то окрашенные детали будут иметь размер вдоль строки (6 МГц/1.5 МГц), в четыре раза больше, чем самые мелкие черно-белые детали. Аналогично можно считать допустимым увеличение в 3-4 раза размера окрашенных мелких деталей в вертикальном направлении. Таким образом, цветопередача мелких деталей подчиняется следующему правилу: их цвет «размывается» и усредняется; детали насыщенных цветов на неокрашенном (в том числе черном) фоне теряют насыщенность, но сохраняют цветовой тон, а разноцветные детали теряют как насыщенность, так и различия в цветности и приобретают усредненный цветовой тон. 1.6.2. Чёткость по вертикали Четкость по вертикали для малонасыщенных цветов определяется как и в черно-белом ТВ, параметрами разложения. Для цветов средней и высокой насыщенности необходимо учитывать также особенности передачи цветоразностных сигналов, приводящие к искажениям горизонтальных цветных границ. На рисунке 1.16 показана резкая граница, разделяющая цвета В 38 отсутствие искажений цветовой переход имел бы протяженность – один шаг строчной развертки. В системе SECAM первая строка после границы в каждом поле имеет искаженный цвет Ц3, так как в ней используется сигнал DR или DB из строки до границыЦ1 и Ц2. Следовательно, искажаются две строки растра, и протяженность цветового перехода увеличивается до 3. Трехкратное снижение четкости по вертикали сигнала цветности можно считать вполне допустимым исходя из того, что принято допустимым аналогичное снижение четкости по горизонтали в 3-4 раза. Ц ве т о ригинала Ц ве т изо б раж е ния Ц1 Ц1 С тро ка n Г раница цве то в С тро ка n+ 3 1 3 R (B ) B (R ) Ц1 Ц1 Ц2 Ц3 Ц2 Ц2 Ц2 Ц2 R (B ) B (R ) 3 R (B ) Рис. 1.16 – Искажения горизонтальной цветной границы. Однако дискретность вертикального разложения делает этот вид искажений наиболее опасным, приводя к появлению муаров и мельканий на горизонтальных полосах насыщенных цветов, в особенности на узорах типа «тельняшка». 39 1.7. Допуски на весь вещательный тракт совместимой системы ЦТВ SECAM-3B 1.7.1. Допуски на кодер и его звенья Основные параметры каналов изображения аппаратно - студийного комплекса цветного телевидения (АСК ЦТ) должны соответствовать нижеприведенным значениям. Переходная характеристика должна иметь следующие параметры: – время установления – не более 100 нс; – выброс – не более 5%. Трафарет для допуска переходной характеристики АСК ЦТ приведен на рис. 1.17. Координаты точек перегиба трафарета поля допуска переходной характеристики АСК ЦТ приведены в таблице 1.6. Искажения переходной характеристики (ПХ) могут рассматриваться как результат действия близких эхо-сигналов – положительное эхо приводит к увеличению длительности фронта tФ, отрицательное, запаздывающее эхо создает выброс справа, а опережающее – выброс слева от перехода. 40 А,% 100 80 60 40 20 0 -20 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 t, мкс Рис. 1.17 – Трафарет поля допуска переходной характеристики АСК ЦТ. Симметричная переходная характеристика дает оптимальное качество телевизионного изображения благодаря равномерному «оконтуриванию» границ. Близкое положительное эхо снижает четкость изображения, а близкое отрицательное, подчеркивает границы, делает изображение «жестким». Наряду с ПХ широко используется импульсная характеристика (ИХ), которая непосредственно нормирует эхо-сигналы. В телевизионной технике, в отличие от теории цепей, под импульсной характеристикой принято понимать отклик цепи не на единичный импульс, а на sin2-импульс длительностью Т или 2Т, где Т=1/2*FB – полупериод верхней граничной частоты (интервал Котельникова). Таблица 1.6 – Координаты точек перегиба ПХ Время, мкс Нижняя огибающая, % Верхняя огибающаяя, % -0.6 -2 +2 41 -0.4 -2 +2 -0.05 -5 +5; +105 +0.05 -5; +95 +105 +0.4 +98 +102 +0.6 +98 +102 При номинальной полосе частот 6 МГц значение T равно 83 нс. Номинальная форма sin2-импульса определяется выражением: A(t ) sin 2 ( 2 ), 2 0 если 0 t 2 если 0 t 2 где - номинальная длительность импульса. Если 2T-импульс, то равна 2Т. Если T-импульс, то равна Т. Импульсная характеристика должна иметь следующие параметры: – длительность на уровне 0,5 – не более 172 нс; – выброс – не более 6 %; – отношение размаха синусквадратичного импульса к размаху импульса белого – от 94 % до 106 %. Трафарет поля допуска импульсной характеристики АСК ЦТ приведен на рисунке 1.18. 42 А,% 100 80 60 40 20 0 -20 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 t, мкс Рис. 1.18 – Трафарет поля допуска импульсной характеристики. Координаты точек перегиба трафарета поля допуска импульсной характеристики АСК ЦТ приведены в таблице 1.7. Удобство трафарета поля допуска ИХ в том, что его параметры полностью можно определить одним числом – К-фактором. К-фактор есть мера искажения формы испытательного сигнала, учитывающая свойства субъективного восприятия. Он определяет значение удаленного эхо-сигнала, отнесенное к исходному испытательному импульсу. Чем больше задержка эхо-сигнала, тем сильнее его заметность на изображении и тем меньше его допустимые значения. Трафарет на поле допуска ИХ, измеряемой по sin2импульсу 2Т, задается в форме показанной на рис. 1.19. Таблица 1.7. – Координаты точек перегиба ИХ Время, мкс Нижняя огибающая, % Верхняя огибающая, % -0.8 43 -1.5 +1.5 -0.4 -3 +3 -0.2 -6 +6 -0.086 -6 +50; +100 +0.086 -6 +100; +50 +0.2 -6 +6 +0.4 -3 +3 +0.6 -1.5 +1.5 А,% 1 0.8 0 0.6 0.4 0.2 0 0 -0.2 -8Т -6Т -4Т -2Т 0 2Т 4Т 6Т t, мкс Рис. 1.19 – Трафарет поля допуска импульсной характеристики. Различие усиления сигналов яркости и цветности – в пределах 0,5 дБ. Расхождение во времени сигналов яркости и цветности – не более 50 нс. 44 Тянущиеся продолжения – в пределах 1 %. Спектр частот цветоразностных сигналов должен быть ограничен фильтром нижних частот с затуханием не более 3 дБ на частоте 1,3 МГц, не менее 30 дБ на частотах 3 МГц и выше и не менее 40 дБ на частотах 3,8 МГц и выше. Отклонение АЧХ и ФЧХ от номинального значения не должно превышать 0,5 дБ в диапазоне частот от 0,1 МГц до 0,5 МГц и 1 дБ в диапазоне частот до 1,3 МГц. Требования по допуску на прочие блоки кодера были описаны в предыдущих пунктах. 1.7.2 Допуск на декодер и его звенья Нелинейные искажения: сигнала в канале яркости – не более 10 %; сигнала в канале цветности – не более 10 %. Канал яркости. К-фактор 2Т-импульса – не более 7 %. Трафарет поля допуска переходной характеристики приведен на рис. 1.20. Координаты точек перегиба трафарета поля допуска переходной характеристики приведены в таблице 1.8. Поле допуска приведено для приемников 1 и 2 класса. Трафарет поля допуска импульсной характеристики приведен на рис. 1.21. Координаты точек перегиба трафарета поля допуска импульсной характеристики приведены в таблице 1.9. 45 А, % 120 80 40 20 0 -20 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 t, мкс Рис. 1.20 – Трафарет для допуска переходной характеристики. Таблица 1.8 – Координаты точек перегиба ПХ Время, мкс Нижняя огибающая, % Верхняя огибающая, % -0.5 -5 +5 -0.3 -10 - -0.15 -25 - -0.06 -25 +15; +120 +0.06 -25; +80 +120 +0.2 - +120 +0.5 +95 +105 46 А, % 100 60 20 0 -20 -40 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 t, мкс Рис. 1.21. – Трафарет для допуска импульсной характеристики. Расхождение во времени сигналов каналов яркости и цветности – не более 150 нс. Канал цветности. Переходная характеристика канала цветности: а) при подаче сигнала цветных полос номенклатуры 100/0/25/0: длительность фронта: – для сигнала R-Y – не более 0,8 мкс; – для сигнала B-Y – не более 0,8 мкс; выброс – не более10 %. 47 б) при подаче сигнала цветных полос номенклатуры 100/0/75/0: длительность фронта: – для сигнала R-Y – не более 1,8 мкс; – для сигнала B-Y – не более 1,5 мкс; выброс – не более 10 %. 48 Таблица 1.9 – Координаты точек перегиба ИХ Время, мкс Нижняя огибающая, % Верхняя огибающая, % -0.664 -7 +7 -0.332 -14 +14 -0.166 -28 +28 -0.116 -28 - -0.112 -28 +50; +100 +0.112 -28 +100; +50 +0.116 -28 - +0.166 -28 +28 +0.332 -14 +14 +0.664 -7 +7 Перекрестные искажения по поднесущим цветности – не хуже 36 дБ. Остаточная амплитудная модуляция (точность настройки цепи высокочастотных предыскажений сигнала цветности с видеовхода до первого ограничителя) – не более 10 %. Характеристики цепей коррекции высокочастотных предыскажений и низкочастотных высокочастотных предыскажений предыскажений обратные и характеристикам низкочастотных цепей предыскажений, соответственно. Допуски характеристик идентичны. Коэффициент подавления амплитудным ограничителем амплитудной модуляции – не менее 20 дБ. 49 Линия задержки в канале цветности: – время задержки 64 мкс; – точность задержки – не более 30 нс; – ослабление сигнала цветности (93) дБ. Частотный детектор: Расстройка частотных детекторов сигналов цветности от номинальных значений: – приемники 1 и 2 класса – в пределах 10 кГц; – приемники 3 класса – в пределах 12 кГц. Нелинейность АЧХ частотного детектора для сигнала D B: – в диапазоне девиаций частоты 230 кГц – не более 5 %; – в диапазоне девиаций частоты 280 кГц – не более 25 %. Нелинейность АЧХ частотного детектора для сигнала D R, %, не более: в диапазоне девиаций частоты 230 кГц - 5; в диапазоне девиаций частоты 280 кГц - 25. Крутизна АЧХ частотных детекторов сигналов цветности – от 3 В/МГц до 5 В/МГц. Подавление несущей частоты звука: – приемники 1 и 2 класса – не менее 34 дБ; – приемники 3 класса – не менее 28 дБ. Изменение размаха цветоразностных сигналов д. б. в пределах при изменении амплитуды поднесущей в пределах частоты на входе канала цветности. 10 дБ 10 %, от номинальной 50 Подавление сигнала цветности в канале яркости: на частоте 4,02 МГц – не менее 15 дБ; на частоте 4,68 МГц – не менее 15 дБ; на частоте 4,286 МГц – не менее 7 дБ; на частоте 3,3 МГц – не менее 3 дБ; на частоте 5,3 МГц – не менее 3 дБ. Полосовой фильтр в канале цветности должен иметь затухание: – не более 0,25 дБ в диапазоне от 4,02 МГц до 4,686 МГц; – не более 3 дБ на частотах 2,75 МГц и 5,906 МГц; – не менее 34 дБ на частоте 6,5 МГц и выше. Требования по допуску на прочие блоки декодера были описаны в предыдущих пунктах. 51 2 ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств с помощью вычислительных машин является прогрессивным и весьма экономичным способом их исследования и проектирования. Оно позволяет существенно ускорить и в значительной степени автоматизировать процесс разработки радиосистем и повысить их качество. Математическим моделированием называется исследование объекта или явления с помощью математической модели, которая воспроизводит наиболее важные черты оригинала. Математическое моделирование с помощью вычислительных машин (например, персональных компьютеров) состоит из следующих основных этапов: 1. Формулировка задачи моделирования, включающая: – совокупность новых сведений, которые необходимо получить в результате моделирования; – определение границ подлежащего моделированию объекта; – Первый этап также включает в себя сбор и оценку априорной информации об объекте исследования, необходимой для построения математической модели. 2. Программирование математической модели для ее реализации на вычислительной машине и отладка моделирующей программы. Здесь же производится оценка адекватности модели оригиналу. 3. Проведение моделирования радиосистемы для заданных ситуаций ее использования и оформление результатов моделирования. 4. Интерпретация результатов моделирования, позволяющая получить новую информацию об объекте исследования. 52 Программное обеспечение для данного лабораторного практикума представляет собой набор программных модулей, предназначенных для выполнения в интерактивной среде математического моделирования MathCAD версии 6.0 и выше. Для запуска конкретного программного модуля выполните следующие действия: запустите среду MathCAD либо через главное меню операционной системы, либо двойным щелчком мыши на соответствующей иконке (ярлыке) на рабочем столе системы; войдя в среду MathCAD, выберите пункт Open Document из меню File, в появившемся диалоговом окне найдите и выделите нужный программный модуль (например, codec.mcd) в указанном преподавателем месте, и нажмите кнопку Open (или OK); если в открывшемся документе не происходит автоматическое выполнение вычислений и построение графиков, то нажмите на главной панели среды MathCAD 6.0 кнопку с изображением светящейся электрической лампочки либо выберите пункт Automatic Mode в меню Math (в более поздних версиях среды кнопка может отсутствовать, а указанный пункт может быть расположен в меню Tools и дополнительном меню Calculate). По окончании работы с модулем выберите пункт Close Document из меню File. 53 Программный модуль Codec.mcd В модуле реализована математическая модель кодера и декодера системы SECAM–3B. Наглядно представлены процессы кодирования и декодирования сигналов на графиках. В самом начале модуля производится задание основных констант. К ним относятся: относительная длительность обратного хода строчной развертки , период строки Tz, длительность прямого хода развертки Тпх, частота дискретизации Fд и период дискретизации Тд, уровень яркости L. Для формирования цветоразностных сигналов используется испытательный сигнал цветных полос ГЦП. Формирование цветоделенных сигналов Er(L,t), Eg(L,t), Eb(L,t) производится с помощью функции MEANDER(T,t), где T определяет период повторения прямоугольных импульсов. Размах цветоделенных сигналов зависит от значения уровня яркости L. Испытательный сигнал цветных полос создает на телевизионном экране 8 основных и дополнительных к ним цветов в последовательности: белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, черный. Коэффициентами R, G, B задается последовательность цветов генератора вертикальных цветных полос (при R = G = B = 1 формируется стандартная последовательность цветов, при 0 – инверсная последовательность). Задание коэффициентов производится в конце модуля. Формирование цветоразностных сигналов Er_y(L,t), Eg_y(L,t), Eb_y(L,t) и яркостного сигнала Ey(L,t) происходит по правилам кодирования ТВ сигнала в системе SECAM-3B. Процесс формирования цветоделенных сигналов, яркостного и цветоразностного сигнала можно наблюдать на графиках, приведенных в данном модуле. По правилам кодирования ТВ сигналов в системе СЕКАМ цветоразностные сигналы Er_y(L,t), Eb_y(L,t) преобразуются в сигналы Dr и Db. При формировании сигналов Dr и Db 54 используются цветоразностные сигналы Er_y(L,t), Eb_y(L,t) с яркостью 75 % (L=0,75). С помощью цепи Ннч(z) осуществляется ограничение полосы частот сигналов Dr и Db. Диапазон частот, занимаемый сигналами Drогр и Dbогр, составляет (0 – 1,5) МГц. После НПИ, которые осуществляются цепью Ннпи(z), на фронтах цветоразностных сигналов Drнпи и Dbнпи появляются выбросы, которые обусловлены повышением коэффициента передачи на высоких частотах. Для ограничения выбросов, возникающих на фронтах цветоразностных сигналов вследствие низкочастотных предыскажений и, следовательно, для ограничения девиации сигналов после модуляции, используется амплитудный ограничитель по уровням -1,5 ... 2,2. Амплитудный ограничитель реализован при помощи функции lim(x), при этом параметрами X1 и X2 задаются верхний и нижний уровни ограничения сигналов соответственно. После введения в сигнал Drнпи импульса пьедестала с относительным размахом D=0.68 и изменении коэффициента компрессии k, уровни ограничения сигналов Drогр и Dbогр совпадают. В качестве частотного модулятора используется графический модулятор, в котором мгновенная фаза за такт определяется путем графического интегрирования: F 2 Tд ( Fob Fob Dn Dn1 ), 2 где Fob = 4250 кГц – частота поднесущей для синей строки; Fob = 230 кГц – девиация поднесущей; Dn и Dn-1 – текущий и предыдущий отчеты сигнала. Далее цветности. в блоке «Декодер» происходит декодирование сигнала 55 Высокочастотные предыскажения осуществляются при помощи цепи Нвпи(z). При детектировании сигнала цветности используется цифровой частотный детектор на основе разности логарифмов. Изменяя нулевые частоты дискриминаторов Fob = 4250 кГц и For = 4406,25 кГц можно пронаблюдать изменения в декодере на приведенных эпюрах сигналов, а также на изображении (рекомендуемые значения изменений обеих частот лежат в пределах (150 – 200) кГц). При уменьшении частоты Fob в синем декодированном цветоразностном сигнале появляется положительная постоянная составляющая, изображение приобретает синий оттенок, при увеличении Fob в синем появляется отрицательная декодированном постоянная цветоразностном составляющая, сигнале изображение приобретает зеленый оттенок. При уменьшении частоты For в красном декодированном цветоразностном сигнале появляется отрицательная постоянная составляющая, на изображении исчезает красный цвет, при увеличении For в красном декодированном цветоразностном сигнале появляется положительная постоянная составляющая, изображение приобретает красный оттенок. Коррекция низкочастотных предыскажений осуществляется цепью Нкнп(z). Коммутатор позволяет посмотреть искажения в декодере при неправильной коммутации сигналов. Параметром КМ задается (в конце модуля) работа коммутатора: при КМ = 1 – нормальный режим, при КМ = 0 – сбой, то есть в красный канал поступает синяя строка, а в синий канал – красная. Полный цикл кодирования и декодирования можно посмотреть на графике «Преобразование сигналов в кодере-декодере» в конце модуля. Там же представлены изображения исходного и декодированного сигналов (8 цветовых полос). 56 Программный модуль Codec1.mcd Программный модуль аналогичен модулю Codec.mcd, только в модуль добавлен канал с помехами. В модуле можно просмотреть сигналы с шумами, а также визуально оценить влияние шумов на качество изображения. Шум аддитивно добавляется к полному цветовому сигналу на выходе кодера и имеет изменяемые параметры: – среднее значение шума (по умолчанию ноль); – среднеквадратическое отклонение шума (по умолчанию 0,1). Полный цикл кодирования и декодирования с учётом влияния шумов и без них можно посмотреть на графике «Преобразование сигналов в кодередекодере» в конце модуля. Программный модуль Noise.mcd Данный модуль является расширенной версией модуля Codec.mcd. В этом модуле к полному телевизионному сигналу на выходе кодирующего блока аддитивно добавляется шум с нормальным распределением. А также определяется зависимость отношения сигнал-шум на выходе декодера от отношения сигнал-шум на его входе (точнее на выходе кодера, но т.к. модели среды распространения телевизионного сигнала не предусмотрено, то подобной точностью утверждений можно пренебречь). Параметры добавляемого шума можно менять посредством задания следующих величин: – среднее значение шума, аддитивно добавляемого к полному цветовому телевизионному сигналу на выходе кодера (по умолчанию ноль); 57 0 – среднеквадратическое отклонение того же шума (рекомендуется изменять в пределах от 0,01 до 0,5). В конце модуля можно определить величины 1 и 1 – соответственно среднее значение и среднеквадратическое отклонение шума на выходе декодера. Также в конце модуля можно определить величины Шум1 и Шум2 – значения сигнал-шум на входе и выходе декодера, соответственно. Программный модуль Color.mcd В данном длительности программном фронтов модуле видеосигналов производится от исследование насыщенности цветного изображения. С помощью программного модуля Codec.mcd можно убедиться, что за счет применения ограничения уровней цветоразностных сигналов в кодирующем устройстве, фронты цветоразностных сигналов на выходе декодера искажаются. При этом в зависимости от передаваемого цветового перехода и в зависимости от относительного уровня яркости этого перехода длительность фронта цветоразностного сигнала после преобразований оказывается разной. Исследуемый цветовой переход задается при помощи переменных color1 и color2, например, для измерения длительности перехода "зелёный – пурпурный", переменной color1 присваивается значение зеленого цвета, переменной color2 пурпурного цвета. Возможные значения для переменных color1 и color2 приведены ниже в таблице 2.1. 58 Таблица 2.1 – Числовые представления цветов в модуле Color.mcd. Название цвета Числовое представление цвета Белый 0 Жёлтый 1 Голубой 2 Зелёный 3 Пурпурный 4 Красный 5 Синий 6 Чёрный 7 На основании color1 и color2 формируются переменные r,g и b, которые определяют характер распределения уровней цветоделенных сигналов Er, Eg и Eb в пределах одной строки. Длительность строки определяется переменной t. Формирование цветоделенных сигналов Er(t), Eg(t) и Eb(t) осуществляется с помощью функции MEANDER(t). Длительность фронта определяется следующим образом (см. рис. 2.1): определяются минимум Emin и максимум Еmax амплитуды сигнала; определяется размах сигнала Еразм = Еmax – Emin; определяются величины Е1 и Е2 (Е1 соответствует уровню 0.9, а Е2 соответствует уровню 0.1); производится линейная интерполяция сигнала Е(t); вычисляются сигналы Е1(t) = Е(t) – Е1 и Е2(t) = E(t) – Е2; определяются точки пересечения сигналов Е1(t) и Е2(t) с нулем (t1 и t2); определяется длительность фронта = t1 – t2. Длительность цветовых переходов выводится микросекундах и длительностях элемента изображения. на экран в 59 Е (t) Emax E1 Eраз м t E2 Emin Е1(t) Е2(t) t Рис. 2.1 – Измерение длительности фронта цветоразностного сигнала Изменяя яркость сигналов при помощи коэффициента L от 0,05 до 1, снимается зависимость длительности цветового перехода от яркости. Программный модуль Exper.mcd В программном модуле производится измерение рассогласования сигналов в канале яркости и цветности. Измерение производится следующим образом: времени 60 1. Задается длительность цветоделенных сигналов (в конце модуля задаётся значение переменной τu.) 2. Задается канал измерения (канал красного или синего сигналов). При измерении в канале красного сигнала задается голубой цвет (в конце модуля задать значение переменной color равное 2), а при измерении в канале синего задается желтый цвет (переменную color задать равной 1). 3. Подбирая параметр d (в конце модуля значение данной переменной) по минимуму остаточного сигнала, определяем время расхождения во времени сигналов яркости и цветности. Программный модуль Delay.mcd В программном модуле производится измерение длительности фронта и задержки фронта после фильтра нижних частот, ограничивающего цветоразностные сигналы DR и DB полосой (0 – 1,5) МГц. В начале модуля можно изменить параметры ФНЧ, задавая значения коэффициентов в выражении для его передаточной функции. В конце модуля можно с помощью графиков и в численном виде (переменные Δф и Δз) длительность и задержку фронта видеосигнала в секундах. Величина длительности фронта видеосигнала определяется по уровням 0,1 и 0,9. А величина задержки фронта видеосигнала определяется по уровню 0,5. Программный модуль Rej_Filt.mcd Данный модуль является реализацией модели цифрового режекторного фильтра, который используется в канале яркости исследуемого 61 в данной лабораторной работе декодера SECAM-3B для подавления сигналов цветности. В этом модуле производится вычисление частоты режекции (в мегагерцах) режекторного фильтра при заданном значении коэффициента k фильтра. При этом при значении k равном 0,4564 частота режекции равна 4,02 МГц (соответствует режекции сигнала голубого цвета), а при значении k равном 0,7285 частота режекции равна 4,686 МГц (соответствует режекции сигнала жёлтого цвета) – так и должно быть в рассматриваемой совместимой системе цветного телевидения SECAM-3B. Также в конце модуля выполняется построение графика амплитудночастотной характеристики режекторного фильтра. При этом поведение графика меняется при изменении коэффициента k. Кроме данного выше описания программных модулей, в каждом из них содержатся подробные комментарии на русском языке. Тем не менее перед выполнением данной лабораторной работы (то есть перед тем как перейти к разделу 3) следует получить хотя бы базовые навыки работы с интерактивной средой математического моделирования MathCAD. 62 3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 3.1. Ознакомится с основными принципами построения системы SECAM-3B. Изучить структуру кодирующей и декодирующей частей системы, разобраться с назначением и принципом действия основных блоков по структурной схеме кодера и декодера. 3.2. Ознакомится с описанием программных модулей. 3.3. Исследование работы кодера 3.3.1. Запустить модуль Codec.mcd. Изучить принципы матрицирования (получение совместных сигналов яркости и цветоразностных сигналов) цветоделенных сигналов, зарисовать эпюры яркостного и цветоразностных сигналов для заданной последовательности цветовых полос (см. таблицу 3.1). Таблица 3.1 – Варианты последовательности цветовых полос No варианта R G B 1 0 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 4 0 1 1 5 1 0 0 6 1 0 1 7 1 1 0 8 1 1 1 63 Последовательность полос, определяемая коэффициентами R, G, B, задается преподавателем (задание значений коэффициентов производится в конце модуля). 3.3.2. Зарисовать цветоразностные сигналы после прохождения фильтра ФНЧ и сравнить с входным сигналом, полученным по пункту 3.3.1. Запустить модуль Delay.mcd, определить длительность фронтов и время задержки сигналов после ФНЧ. 3.3.3. Переключиться (либо снова запустить и внести нужные изменения) на модуль Codec.mcd посредством пунктов меню Window. Снять эпюры сигналов после цепи низкочастотных предыскажений и сравнить с сигналами, снятыми в п.3.3.2. Объяснить назначение низкочастотных и высокочастотных предыскажений. 3.3.4. Зарисовать эпюры сигналов после ограничителя амплитуды, объяснить необходимость ограничения сигналов. 3.3.5. Изучить процесс модуляции в системе SECAM-3B. Пояснить выбор цветовых поднесущих FOR = 4,25 МГц и FOB = 4,40625 МГц (с этой целью изменить указанные значения поднесущих частот и определить результаты от проведённых изменений). 3.3.6. Изучить формирование полного телевизионного сигнала. Зарисовать две строки полного ТВ сигнала (красную и синюю). 3.4. Исследование работы декодера 3.4.1. Изучить работу режекторного фильтра в канале яркости. Запустить модуль Rej_Filt.mcd. Построить график зависимости частоты 64 режекции фильтра от коэффициента фильтра. Значение коэффициента изменять от 0,3 до 0,8. Переключиться на модуль Codec.mcd и в блоке режекторного фильтра изменять коэффициент K в тех же пределах сначала для первой строки (красной), а затем (вернув значение коэффициента для первой строки к исходному значению) для второй строки (синей). По эпюрам визуально оценить произошедшие изменения видеосигнала и объяснить их. 3.4.2. Снова запустить модуль (или переключиться на него) Codec.mcd. Изучить работу цепи коррекции высокочастотных предыскажений. Зарисовать эпюры сигналов после полосового фильтра и после цепи коррекции высокочастотных предыскажений. Сравнить зарисованные эпюры и объяснить причины различий между ними. 3.4.3. Используя модуль Codec.mcd, исследовать демодулятор сигнала цветности (частотный детектор) и зарисовать соответствующие эпюры сигналов. В процессе исследования частотного детектора изменять его нулевые частоты (Fb = 4,25 МГц и Fr = 4,40625 МГц) в пределах (150 – 200) кГц. Объяснить изменения телевизионного сигнала при изменении указанных нулевых частот. 3.4.4. Используя модуль Codec.mcd, снять эпюры телевизионного сигнала после цепи коррекции низкочастотных предыскажений. Полученные эпюры сравнить с эпюрами, снятыми в п.3.3.2, объяснить причину искажений телевизионного сигнала (то есть различия между указанными эпюрами). 3.4.5. Используя модуль Codec.mcd, зарисовать цветоделенные сигналы после матрицирования, сравнить с цветоделенными сигналами, сформированными в кодере. Сравнить изображения исходных и декодированных сигналов, объяснить причину возникновения искажений (то есть различий между ними). 65 3.5. Исследовать изменения и искажения сигналов в декодере 3.5.1. Используя модуль Codec.mcd, при сдвиге нулевых частот дискриминаторов (150 – 200) кГц снять эпюры цветоделенных сигналов на выходе декодера и сравнить с сигналами, зарисованными в п.3.4.5. Оценить искажение телевизионного сигнала для четырех случаев: при отрицательном уходе нулевой частоты дискриминатора для строки красного цвета; при положительном уходе нулевой частоты дискриминатора для строки красного цвета; при отрицательном уходе нулевой частоты дискриминатора для строки синего цвета; при положительном уходе нулевой частоты дискриминатора для строки синего цвета. 3.5.2. Используя модуль Codec.mcd, вернуть нулевые частоты дискриминаторов в исходное положение (Fr = 4,40625 МГц и Fb = 4,25 МГц). В конце модуля установить "сбойный" режим работы электронного коммутатора (то есть установить значение КМ = 0). Снять эпюры телевизионного сигнала на выходе декодера и сравнить их с эпюрами, снятыми в п.3.4.5. Объяснить причины различий между ними. 3.5.3. Используя модуль Color.mcd, снять зависимости длительности цветовых переходов от яркости сигналов (цветовой переход задается преподавателем по таблице 3.2). Построить графики и объяснить их поведение. Значение яркости задаётся параметром L в начале модуля, а цветовой переход переменными color1 и color2 в конце модуля. 66 Таблица 3.2 – Варианты цветовых переходов № варианта Наименование цветового перехода 1 Красный-голубой 2 Голубой-красный 3 Синий-желтый 4 Желтый-синий 5 Зеленый-пурпурный 6 Пурпурный-зеленый 7 Зеленый-красный 8 Красный-зеленый 3.6. Исследование кодирования и декодирования с шумами Запустить модуль Noise.mcd. Снять зависимость отношения сигнал-шум на выходе декодера при различном отношении сигнал-шум на входе декодера. Изменение отношения сигнал-шум на входе декодера обеспечить изменением среднего квадратического отклонения шума (параметр 0 изменяется в пределах от 0,01 до 0,5). Для проведения исследований на качественном уровне необходимо выполнить не менее 10 изменений параметра 0. Отношения сигнал-шум на входе и выходе декодера представлены переменными Шум1 и Шум2 соответственно. 67 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Структурные схемы кодирующей и декодирующей частей системы SECAM-3B. 2. Эпюры сигналов с выходов соответствующих основных блоков кодера и декодера. 3. График зависимости длительности цветовых переходов от яркости видеосигнала. 4. График зависимости частоты режекции режекторного фильтра от его коэффициента. 5. График зависимости отношения сигнал-шум на выходе декодера от отношения сигнал-шум на его входе. 6. Выводы о проделанной работе – по каждому выполненному пункту и по всей работе вцелом. 68 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1992. – 368 с. 2. Самойлов В.Ф. Хромой Б.П. Основы цветного телевидения. – М.: Радио и связь, 1992. – Массовая библиотека радиолюбителей. Вып. 1047. – 160 с. 3. Хохлов Б.Н. Цифровой декодер цветного телевизора. – Техника средств связи, серия техника телевидения, 1991. – Вып. 4. – С. 11 – 22. 4. Певзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображений. – М.: Радио и связь, 1988. – 224 с. 5. Бродский М.А. Цветное телевидение. 2-е изд. – Мн.: Выш. шк., 1994. – 142 с.: ил. 6. ГОСТ 19432-74. Телевидение цветное. Основные параметры, системы телевизионного вещания. 7. MathCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. Издание второе стереотипное Информационно-издательский дом «Филинъ», 1997 г. – 712с. – М: 69 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОДЕРА И ДЕКОДЕРА СИСТЕМЫ PAL Цель работы: освоение процессов кодирования и декодирования в совместимой системе цветного телевидения (ЦТВ) PAL; изучение основных параметров совместимой системы ЦТВ PAL; изучение характерных для данной системы ЦТВ искажений. 1.1. Описание системы ЦТВ PAL Система PAL принята в качестве стандарта в 1966 году в ряде стран Западной Европы (Англия, Германия, Швеция, Дания, Австрия, Бельгия, Норвегия, Финляндия, Голландия и др.). Эта система является дальнейшим усовершенствованием системы NTSC и отличается от последней тем, что фаза сигнала UR-Y изменяется на 180° в начале каждой строки растра. В связи с этим некоторые изменения по сравнению с системой NTSC введены в частоту цветовой поднесущей f0; в сигнал, передаваемый во время кадрового гасящего импульса; в сигнал цветовой синхронизации. В приемнике в канале сигнала цветности обычно применяют ультразвуковую линию задержки на одну строку, как и в системе SECAM. Эти изменения введены с целью снизить чувствительность сигнала цветности к фазовым искажениям. В настоящее время система PAL обеспечивает высокое качество воспроизведения цветного изображения при передаче сигнала по линиям связи, при записи сигнала на магнитную ленту, когда тракт передачи вносит значительные фазовые искажения в сигнал цветности и сигнал цветовой вспышки, а также при многолучевом радиоприеме сигнала и при несимметричных искажениях боковых полос. В. Брухом (ФРГ) в 1962 г. были начаты работы по применению метода СРА (Color Phase Alternation) с изменением фазы поднесущего колебания на 70 180° с частотой строк для одной из квадратурных составляющих сигнала цветности Uц для системы цветного телевидения на 625 строк по типу системы NTSC. При этом в полный передаваемый сигнал Е'n были введены сигналы опознавания (идентификации) строк для управления коммутацией на 180° фазы местных колебаний поднесущей на соответствующем синхронном детекторе приемника. Приемник, подобный приемнику для системы NTSC, но с добавлением такой коммутации (добавленный электронный коммутатор и схема управления им), был назван простым приемником типа PALS. Сигналы опознавания строк в ранних вариантах системы PAL передавались во время кадрового обратного хода; цветовая вспышка передавалась так же, как в системе NTSC. Изображение в приемнике PALS имело те же недостатки, которые были обнаружены в США при исследовании метода СРА (мерцания яркости с частотой 1/4 частоты полей). Для устранения этих недостатков было предложено применить в приемнике ультразвуковую линию задержки на одну строку (64 мкс). Такой приемник получил название стандартного приемника по системе PAL и обозначился PALD. В дальнейшем В. Брухом была разработана теория системы PAL и было предложено в целях упрощения приемника исключить из передаваемого сигнала импульсы идентификации строк. Согласно его теории вместо исключённых импульсов следовало передавать колебания цветовой вспышки с фазами +135° при передаче сигнала +UR-Y и -135° при передаче сигнала -URY и эту модуляцию фазы цветовых вспышек использовать для опознавания строк в приемнике (для управления электронным коммутатором). Указанная система получила обозначение PAL-AB (где AB обозначает Alternating Bursts – вспышки с переменной фазой). Как уже было сказано выше, в системе PAL, как и в системе NTSC, применена квадратурная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. В качестве модулирующих сигналов используются сигналы 71 E'u = U'u = 0,493E'B-Y и E'v = U'v = 0,877E'R-Y. На рис. 1.1 показана векторная структура сигнала PAL. Фаза составляющей Uu одинакова в каждой строке. Составляющая Uv, например, в четных строках положительна (+Uv), а в нечетных отрицательна (-Uv). Ось R-Y A +Uv + Uu Ось B-Y - -Uv A* Рис. 1.1 – Структура сигнала PAL Геометрическая сумма векторов Uu и Uv образует сигнал цветности. Как и в системе NTSC, амплитуда суммарного вектора А (А*) соответствует насыщенности передаваемого участка изображения, а угол между этим вектором и осью B-Y определяет цветовой тон. Если в системе в системе NTSC при передаче одного цветового тона угол постоянен, то в системе PAL знак меняется каждую строку. Отсюда название системы "Перемена фазы по строкам" (Phase Alternation Line). 72 Для восстановления в приемнике подавленной поднесущей цветности, как и в системе NTSC, предусмотрена передача вспышки поднесущей на обратном ходу по строкам. Вспышка состоит из 10 периодов цветовой поднесущей. В отличие от NTSC фаза вспышки не совпадает с отрицательным направлением оси B-Y, а сдвинута относительно него на угол 45. Знак этого угла изменяется от строки к строке одновременно с инвертированием знака составляющей Uv. Изменение фазы вспышки является информацией о знаке составляющей Uv. Необходимость эффективного использования каналов связи требует передачи сигнала цветности в стандартной полосе частот, отведенной для черно-белого телевидения. Выбор значения поднесущей частоты оказывает большое влияние на возможность качественного приема программ цветного телевидения в черно-белом виде всеми типами черно-белых телевизоров (условие прямой совместимости системы цветного телевидения), а также на качество цветного изображения, так как во многом определяет степень взаимных помех между сигналами яркости и цветности. Точное значение цветовой поднесущей выбирается с учетом того свойства черно-белого (яркостного) сигнала, что его энергия, благодаря развертке, распределяется в спектре не непрерывно, а в виде ряда дискретных энергетических зон, группирующихся вокруг гармоник частоты строк (fс = fстр = 15625 Гц) и частоты кадров (fк = fкадр = 25 Гц). Тот факт, что спектры цветоразностных сигналов имеют такой же дискретный характер, что и яркостный сигнал, дает возможность "переплести" их, расположив спектр сигнала цветности точно посередине между гармоническими составляющими спектра сигнала яркости. Именно для этого и применяется так называемая цветовая поднесущая частота, значение которой должно соответствовать нечетной гармонике половины строчной частоты, т. е.: 73 f стр 1 , f ц n f стр 2 n 1 2 2 где n – любое целое число. Так как низкочастотная часть спектра (примерно до 2 МГц) сигнала яркости несет основную информацию об изображении, то с точки зрения качества изображения, принимаемого черно-белыми телевизорами, полосу сигнала цветности располагают в высокочастотной области яркостного сигнала. С учетом реальных возможностей получения цветовой поднесущей делителями синхрогенератора для выбора поднесущей в стандарте 625 строк / 25 кадров имеются только две нечетные гармоники: 567 = 779 и 539 = 7711, допускающие простое деление. Такой же принцип уплотнения спектра сигнала цветного телевидения применен в системе NTSC. В системе PAL на цветовой поднесущей в соседних строках передаются неодинаковые сигналы, поэтому на определенных цветах возможна перемена полярности сигнала от строки к строке. В сочетании с полустрочным сдвигом это привело бы к повторению одной и той же фазы поднесущей во всех строках и кадрах и на изображении возникли бы сильно заметные вертикальные полосы, резко ухудшающие совместимость. По этой причине, в системе PAL значение цветовой поднесущей выбирается по принципу четвертьволнового сдвига (офсета) с дополнительным смещением на 25 Гц: 1 1 f ц n f стр f п , 4 2 где fп – частота полей. В системе PAL частота цветовой поднесущей выбирается равной 567ой гармонике полустрочной частоты: 74 1 1 1 f стр 1 f ц 284 f стр f п 568 fп 4 2 2 2 2 1 f стр 1 1 15625 1 567 f п 567 50 2 2 2 2 2 2 4,43361875 МГц. На рис. 1.2 показано расположение поднесущей цветности PAL в спектре сигнала яркости. 1.2. Работа кодера по функциональной схеме На рис. 1.3 приведена упрощенная функциональная схема кодера PAL. 283fстр fц 284fстр 6,25 Гц 25 Гц 25 Гц fстр /4 fстр. = 62525 Гц Рис. 1.2 – Четвертьволновый сдвиг поднесущей с дополнительным смещением на 25 Гц f, Гц 75 0,4 s E'R E'G E'Y ФНЧ 5,0 МГц E'v ФНЧ 1,3 МГц М ЛЗY E'Y БМv 1 E'B E'u ФНЧ 1,3 МГц = 180 ГП fп Uц 2 ФНЧ fп+f Uпцтс БМu ЭК = 90 fстр /2 СГ строб СЦС ФВ ССП Рис. 1.3 Функциональная схема кодирующего устройства PAL Цветоделённые сигналы от датчика, например телевизионной камеры, поступают на кодирующую матрицу М, где из них формируются сигнал яркости E'Y и сигналы цветности E'u и E'v. Кроме того, в матрице М к сигналу E'Y добавляются синхроимпульсы, а к E'u и E'v – строчные стробирующие импульсы, соответствующие огибающей вспышки поднесущей. Фильтры нижних частот ФНЧ ограничивают полосу сигнала E'Y значением 5,0 МГц и полосы сигналов E'u и E'v значениями 1,3 МГц. В балансных модуляторах БМu и БМv эти сигналы модулируют по амплитуде цветовую поднесущую, вырабатываемую генератором ГП. На модулятор БМ u эта поднесущая поступает непосредственно, а на модулятор БМ v – через фазовращательное устройство, состоящее из фазовращателя на 90, инвертора и электронного коммутатора ЭК, управляемого меандром напряжения полустрочной частоты. В одном положении коммутатора фазовый сдвиг составляет 90, а во втором 90 + 180 = 270. Таким образом, в кодере коммутируется не сам модулирующий сигнал, а фаза поднесущей, что не 76 меняет конечного результата. Математически сигналы на выходах балансных модуляторов могут быть описаны следующим образом: U ' u E ' u sin( пt ), U ' v E ' v cos(пt ). Сигналы от модуляторов складываются в первом сумматоре, на выходе которого формируется сигнал с квадратурной модуляцией; его векторная диаграмма приведена на рисунке 1.1. Его математическая запись: U Ц EЦ sin( пt ) , где EЦ E' u 2 E' v2 – длина результирующего вектора цветности; E' v – фазовый угол результирующего вектора цветности. E' u arctg Во втором сумматоре складываются сигналы цветности и яркости, а также сигнал синхронизации приемников и сигнал цветовой синхронизации (вспышки). Линия задержки ЛЗY обеспечивает совмещение во времени фронтов узкополосного сигнала цветности и широкополосного сигнала яркости. Выходной фильтр низких частот (ФНЧ) задает ширину полосы fп + f результирующего полного сигнала Uпцтс и ослабляет его внеполосные составляющие. Значение полосы частот f определяется стандартами разных стран: Германия – 0,57 МГц (стандарт телевидения G); Англия – 1,07 МГц (стандарт I); Франция – 1,57 МГц (стандарт L). На рисунке 1.4 а показана форма полного цветового телевизионного сигнала (ПЦТС) PAL при передаче сигнала цветных полос, на рис. 1.4 б – 77 форма сигнала цветности на выходе первого сумматора (см. рис. 1.3), а на рис. 1.4 в – сигнал яркости на выходе кодирующей матрицы М. Благодаря применению балансной модуляции поднесущая отсутствует на неокрашенных участках изображения. Б Ж Г З П К С Ч Уровень белого Б Ж Г З П К С Ч Уровень черного 0,41 б) 0,3 0,11 0,0 1,0 0,89 0,7 0,59 а) в) а – полный цветовой видеосигнал; б – сигнал цветности; в – сигнал яркости. Рис. 1.4 – Сигнал цветных полос PAL Как видно из рис. 1.4 а, уровни полного сигнала UПЦТС совпадают на желтом и голубом, а также на красном и синем цветах. Это совпадение обеспечивается при выборе коэффициентов компрессии kR и kB такими, чтобы размах полного сигнала превышал уровень "белого" и был ниже уровня "черного" не более чем на 33% от размаха яркостного сигнала E'Y. Таким образом, 78 достигается наиболее полное использование допустимого динамического диапазона модуляционной характеристики передатчика. Коэффициенты компрессии легко определяются из следующего условия: E'Y U Ц E'Y (kR E'R Y )2 (kB E'BY )2 1,33 которое должно одновременно выполняться при передаче желтого и голубого (либо красного и синего) цветов. Подставив численные значения сигнала яркости и цветоразностных сигналов, получим: на жёлтом цвете на голубом цвете 0,866 (k R 0,114) 2 (k B 0,866) 2 1,33 , 0,701 (k R 0,701) 2 (k B 0,3) 2 1,33 . Из приведённых выше выражений находим значения коэффициентов компрессии: kR 1 0,877 ; 1,14 kB 1 0,493 . 2,03 Коэффициенты компрессии применяются в кодере сразу после получения цветоразностных сигналов E'R-Y и E'B-Y. Каждый из указанных сигналов в кодирующей матрице домножается на соответствующий коэффициент, и, таким образом, получаются сигналы E'v и E'u. 1.3. Работа декодера по функциональной схеме Рассмотрим упрощенную функциональную схему декодера PALD (рис. 1.5). Полный сигнал PAL с выхода видеодетектора поступает на полосовой фильтр ПФ, выделяющий участок спектра, где передается цветовая 79 поднесущая, и, затем, поступает на вход ультразвуковой линии задержки (УЛЗ) на время одной строки и на ключ К, выделяющий вспышку поднесущей. ЛЗY E'Y РФ E'R U0-U1 + 1 E'R-Y СДv - U0 ПФ УЛЗ РЛЗЦ U1 + U0+U1 + 2 E'B-Y СДu Декодирующая матрица Eп Видеодетектор Канал связи з=0,4 s Uп E'G E'B ЭК строб К =90 Uцв ФД ГП СО 0 fстр/2 =1800 ГКИ fстр Рис. 1.5 – Функциональная схема декодера PALD Задержанный линией сигнал цветности складывается с прямым сигналом и вычитается из него. Суммарный и разностный сигналы поступают на первые входы синхронных детекторов СД v и СДu, на вторые входы которых поданы опорные сигналы от генератора поднесущей ГП. Фазовый детектор ФД, управляемый сигналом вспышки, задает фазу опорной поднесущей, вырабатываемой ГП. В установившемся режиме фаза опорной поднесущей совпадает с осью R-Y. На синхронный детектор СДu опорная поднесущая поступает через фазовращатель на угол 90, а на синхронный детектор СДv опорная поднесущая проходит через инвертор и электронный коммутатор ЭК, управляемый меандром напряжения 80 полустрочной частоты, вырабатываемым генератором коммутирующих импульсов ГКИ. Правильная последовательность коммутации задается схемой опознавания (CO). В результате действия ЭК опорная поднесущая на синхронный детектор СДv подается со сдвигом по фазе, значения которой меняются от строки к строке (на 180º). Математически процесс работы синхронных детекторов описывается следующим образом: U1 U Ц cos(пt ) EЦ sin( пt ) cos(пt ) EЦ E sin( ) sin( 2пt ) Ц sin( ) f1 (2пt ) 2 2 E 'R Y f1 (2пt ) , 2 U 2 U Ц sin( пt ) EЦ sin( пt ) sin( пt ) EЦ E cos( ) cos(2пt ) Ц cos( ) f 2 (2пt ) 2 2 E 'B Y f 2 (2пt ) , 2 где U1 – сигнал на выходе БМv, а U2 – сигнал на выходе БМu; f1(2ωпt) и f2(2ωпt) – высокочастотные функции, которые отфильтровываются в ФНЧ. На рис. 1.6 условно в виде векторограмм показаны сигналы в блоке задержки. Во входном сигнале U0 (рис. 1.6 а) составляющая Uv инвертируется от строки к строке. При сложении прямого сигнала с задержанным U1 (рис. 1.6 б) подавляются составляющие Uu, а амплитуды составляющих Uv удваиваются и их знаки инвертируются каждую строку (рис. 1.6 в). При вычитании задержанного сигнала из прямого составляющие Uv подавляются, а амплитуды составляющих Uu удваиваются (рис. 1.6 г). 81 Поэтому уже на выходе блока задержки PAL составляющие Uu и Uv полностью разделяются. Uv а) Uu U0 Uu t -Uv Uv б) U1 -Uu -Uu t -Uv 2Uv в) U0+U1 г) U0-U1 t -2Uv 2Uu 2Uu t Рис. 1.6 – Работа блока задержки PAL Эта особенность является важнейшим преимуществом системы PAL по сравнению с системой NTSC. Блок задержки PAL иногда называют демодулятором с линией задержки. Важно отметить, что сигнал цветности инвертируется, проходя через блок задержки. Это объясняется тем, что время задержки сигнала в блоке задержки кратно нечетному числу полупериодов поднесущей частоты (см. ниже). В основе механизма компенсации фазовых искажений в приемнике PALD предполагается, что информация в телевизионном сигнале от строки к строке изменяется незначительно, т. е. сигнал яркости имеет почти одну и ту же амплитуду, и дифференциально-фазовые искажения за это время также практически не изменяются, что достаточно точно отражает действительность. На рис. 1.7 изображены векторные диаграммы сигнала цветности в двух соседних строках для момента передачи элементов изображения пурпурного цвета. 82 Если в результате неравномерности фазовой характеристики канала связи вектор цветности Е'рез., например 5-ой строки, отстал на угол (рис. 1.7 а), то это приведет к тому, что цвет передаваемого изображения станет более синим. Вектор цветности Е''рез. сигнала 6-ой строки, в свою очередь, после дополнительной смены фазы составляющей E'R-Y на 180, займет другое положение и его отставание вызовет уже покраснение цвета передаваемого элемента (рис. 1.7 б). Изменение фазы вектора красной цветоразностной составляющей от строки к строке на 180 приводит к тому, что фазовые ошибки, одинаковые по величине, имеют разные знаки. 83 Ось R-Y Ось R-Y Ось B-Y E'рез. Ось B-Y E''рез. а) б) Ось R-Y 2E'рез. E''рез. E'рез. Ось B-Y в) а – векторная диаграмма 5-ой строки передаваемого изображения; б – то же, но для 6-ой строки; в – суммарный вектор после компенсации фазовых искажений в приемном устройстве. Рис. 1.7 Компенсация фазовых искажений в системе PAL Если производить в приемном устройстве от строки к строке дополнительную смену фазы сигнала E'R-Y на 180 и обеспечить задержку сигнала предыдущей строки на время передачи следующей строки, а затем скложить оба результирующих вектора, то их фазовые сдвиги взаимно компенсируются. Образованный в результате сложения вектор 2E'рез. будет иметь правильный фазовый угол (рис. 1.7 в). 84 В синхронных детекторах происходит деление пополам амплитуды получаемых векторов цветоразностных сигналов для сохранения насыщенности передаваемого изображения. При этом потеря насыщенности составляет cos() раз, где – угол отклонения вектора цветности в результате искажений сигнала в канале связи. Таким образом, дифференциально-фазовые искажения не вызывают в канале цветности PAL с линией задержки искажений демодулированных сигналов, соответствующих нарушению цветового фона, а лишь уменьшают насыщенность в cos() раз. Аналогичные искажения получаются, если опорная поднесущая восстанавливается в генераторе с неправильной фазой. При допуске уменьшения размахов демодулируемых сигналов до 0,9 номинального значения, то допуск на фазу опорного сигнала составляет arccos(0,9) = 26. Компенсация дифференциально-фазовых искажений в канале цветности системы PAL достигается в том случае, если совмещение прямого и задержанного сигналов обеспечивается с точностью до фазы поднесущей. Для выбранного значения поднесущей частоты длительность периода ее колебаний составляет T = 1/f = 225,5494 нс. На интервале строки (Тс = 64 мкс) укладывается Тс/Т = 283,75159 периода поднесущей частоты. Поэтому если время задержки выбрать равным 64 мкс, то задержанный сигнал окажется сдвинутым относительно прямого на 0,75159 периода поднесущей, т.е. 3600,75159 = 27034'. В результате компоненты Uv прямого сигнала совпадут с Uu задержанного сигнала, и канал цветности не будет работать. Чтобы обеспечить функционирование канала, время задержки УЛЗ должно быть кратно полупериоду поднесущей. Возможны два допустимых значения задержки, максимально близких к длительности строки: = 284Т и = 283,5Т. В системе PAL принято второе значение задержки, которое составляет = 283,5/4,43361875 МГц = 63,94325 мкс. Для обеспечения 85 точного значения времени задержки , последовательно с основным блоком задержки УЛЗ включена регулируемая линия задержки РЛЗ Ц (рис. 1.5). В приемнике PALS (без линии задержки) происходит коммутация фазы цветоразностного сигнала U'v без устранения фазовых искажений сложением сигналов двух строк, поэтому частичная компенсация (или полная при малых ) искажений цветового тона осуществляется визуально за счет интегрирующих свойств зрения. Уменьшению заметности искажений цветового тона способствует также временное усреднение, так как благодаря нечетному количеству строк в кадре фазовые сдвиги оказываются противоположно направленными и приблизительно равными по абсолютной величине в одних и тех строках смежных кадров. Изменение знака угла ошибки в соседних строках приводит к искажениям, получившим название "Жалюзи". Несмотря на то, что в приемнике PALS ошибки фазы примерно до 26 не вызывают заметных изменений цветового тона, из-за возникающей при этом разной яркости строк величина допустимых фазовых сдвигов снижена до (12 – 15). Таким образом, приемник PALS не изменяет насыщенности переданного изображения, но и не устраняет искажений цветового тона. Для всех видов приемников PAL используется кодирующее устройство, построенное по одной и той же функциональной схеме. 1.4. Характерные искажения сигналов, возникающие в системе PAL Многие узлы телевизионной аппаратуры имеют нелинейную амплитудную характеристику Uвых = f(Uвх). Нелинейность амплитудной характеристики видеоканала приводит к изменению соотношений между 86 размахами выходного и входного сигналов яркости и цветности. Такой тип искажений в черно-белом телевидении вносит некоторую ошибку градации тона. При передаче цветного телевизионного сигнала это приводит к нежелательному изменению амплитуды поднесущей. Явление, когда амплитуда сигнала цветности является функцией мгновенного значения сигнала яркости, носит название дифференциального усиления. Допуск на искажения типа дифференциальное усиление в системе PAL равен 20…40%. Так как входные и выходные реактивные сопротивления активных элементов (ламп или транзисторов) несколько изменяются в зависимости от места положения рабочей точки на динамической характеристике, то возникает некоторый паразитный сдвиг фазы, определяемый местом нахождения рабочей точки. Сигнал яркости выступает как "пьедестал", на который накладывается сигнал цветности, т.е. сигнал яркости "выносит" сигнал цветности на разные участки характеристики. При этом сигнал цветовой синхронизации (вспышка) передается всегда на одном и том же уровне, а сигнал цветности – на разных. В результате разность между фазами сигнала цветности и сигнала цветовой вспышки не сохраняются, а изменяются в зависимости от уровня яркостного сигнала. Допуск на искажения типа дифференциальная фаза в системе PAL равен ± 60…70º. В случае если генератор опорной поднесущей работает правильно и его выходной сигнал совпадает по фазе с осью R-Y, то из-за неточности фазовращателя опорный сигнал, поступающий на синхронный детектор, например, сигнала Е'B-Y, не совпадает с осью B-Y. Подобные ошибки называются неточностью квадратуры или квадратурными искажениями. Так как в блоке задержки PAL составляющие Uu и Uv полностью разделяются, то квадратурные искажения вызывают лишь уменьшение размаха демодулированного сигнала в cos() раз, где – ошибка квадратуры. Допустимое значение составляет 26. 87 1.4.1. Общая классификация искажений Качество изображений в телевидении определяют степенью соответствия изображения оригиналу. Отличия изображения от оригинала называют искажениями, и, таким образом понятия качества и искажений однозначно связаны. Рассматривая конкретную воспроизводящую систему, следует отметить, что не все отличия изображения от оригинала можно трактовать как искажения. Если эти отличия вызваны принципом действия системы, то они классифицируются как ограничения системы. В телевидении к таким ограничениям относятся, например, дискретность передачи полей, строчная структура и другие. В любой совместимой системе цветного телевидения неизбежны ограничения, связанные с уплотнением спектров и ограничением полосы частот сигналов. Не всегда легко разграничиваются искажения и ограничения: например, такие, уже установившиеся понятия, как перекрестные искажения "цветность – яркость" и "яркость – цветность", хотя эти явления предопределены построением вещательных ТВ систем. Поэтому необходимо говорить как об ограничениях системы, так и о вносимых ею искажениях. Проводя классификацию искажений в телевидении, необходимо учитывать, что в общей структуре тракта передачи есть три принципиально разные части: оконечные устройства (передающая камера и воспроизводящее устройство), в которых осуществляется преобразование "свет – сигнал" и "сигнал – свет", образуются ТВ растры и действуют раздельные видеосигналы трех основных цветов; тракт передачи и видеозаписи, в котором действуют кодированные тем или иным способом цветовые телевизионные сигналы; 88 кодирующие и декодирующие устройства (кодер и декодер) в которых преобразуются раздельные видеосигналы в кодированный цветовой телевизионный сигнал и обратно. В соответствии с этим искажения разделяются на три основные группы: искажения оконечных устройств (растровые, сигнальные и светотехнические); ограничения и искажения системы, вносимые как принятым способом построения ТВ системы, так и характерными неточностями работы кодера и декодера; искажения тракта передачи и записи, различаемые по их физической природе. Выпишем типы искажений в соответствии с описанной классификацией. А. Искажения, вносимые оконечными устройствами А1. Растровые А1.1. Координатные А1.1.1. Нелинейные А1.1.2. Геометрические А1.1.3. Фоновые А1.2. Рассовмещение растров А1.3. Дискретность структуры сигнала А2. Сигнальные А2.1. Апертурные А2.2. Градационные А2.2.1. Яркостные А2.2.2. Цветовые А2.2.3. "Заплывание" А2.3. Неравномерность сигнала по полю А2.3.1. Неравномерность по уровню черного А2.3.2. Неравномерность по уровню белого А2.4. Флуктуационные помехи 89 А2.5. Локальные искажения А2.6. Различие инерционности передающих трубок или послесвечения люминофоров А3. Светотехнические А3.1. Неточность спектральных характеристик камеры А3.2. Неточность цветностей люминофоров А3.3. Неточность опорного белого (статический дисбаланс) А3.4. Искажения чистоты поля А3.5. Локальные искажения А3.6. Различие инерционности передающих трубок или послесвечения люминофоров Б. Ограничения и искажения, вносимые ТВ системами Б1. Общие телевизионные Б1.1. Дискретность передачи кадров и полей Б1.2. Строчная структура Б1.3. Чересстрочность развертки Б1.4. Ограничение полосы частот видеосигналов Б1.5. Частичное подавление боковой полосы несущей изображения Б2. Искажения в композитных системах Б2.1. Спектральные перекрестные искажения "цветность – яркость" Б2.2. Спектральные перекрестные искажения "яркость – цветность " Б2.3. Режекция в канале яркости Б2.4. Усреднение сигналов цветности соседних строк Б3. Искажения в компонентных системах 90 Б3.1. Чересстрочная передача цветоразностных сигналов Б3.2. Искажения дискретизации Б3.3. Помехи квантования Б4. Аппаратурные искажения в кодеках Б4.1. Неточность задержки на строку Б4.2. Перекрестные искажения цветоразностных сигналов Б4.3. Неточность квадратуры в кодере и декодере Б4.4. Неточность восстановления фазы поднесущей Б4.5. Установочное расхождение во времени сигналов яркости и цветности Б4.6. Неполная режекция поднесущей Б4.7. Установочное расхождение во времени Б4.8. Неполная режекция поднесущей В. Искажения в аналоговых трактах передачи В1а. Линейные искажения, измеряемые во временной области В1.1. Искажения сигнала яркости В1.1.1. В области малых времен В1.1.2. В области средних времен В1.1.3. В области больших времен В1.1.4. Ближние эхо-сигналы В1.2. Искажения формы сигнала цветности В1.3. Искажения композитного сигнала В1.3.1. Различие усилений сигнала яркости и цветности В1.3.2. Трактовое расхождение во времени В1б. Линейные искажения, измеряемые в частотной области В1.4. Искажения формы АЧХ В1.5. Искажения частотной характеристики ГВЗ 91 В2. Нелинейные искажения В2.1. Искажения сигнала яркости В2.1.1. Нелинейность В2.1.2. Перекрестные искажения “цветность - яркость” В2.2. Искажения сигнала цветности В2.2.1. Нелинейность В2.2.2. Дифференциальное усиление В2.2.3. Дифференциальная фаза В2.2.4. Зависимость фазы от амплитуды сигнала цветности В3. Помехи В3.1. Флуктуационные помехи В3.2. Низкочастотные помехи В3.3. Гармонические помехи В3.4. Сетевые фоновые помехи В3.5. Импульсные помехи В3.6. Помехи из других ТВ каналов В3.7. Помехи от звукового сопровождения В3.8. Дальние эхо-сигналы Приведенная классификация искажений не учитывает искажений в цепях синхронизации, искажений, специфичных для каких-то отдельных устройств, например стандартов и т.п. телекинопроекторов или преобразователей ТВ 92 1.4.2. Отбор типов искажений для программного моделирования Большинство видов искажений сигналов, приведенных выше, не являются прямыми причинами ухудшения ТВ изображения. Только некоторые искажения проявляются визуально на изображении так же, как они определены при классификации. Однако большинство визуально наблюдаемых зрителем видов искажений изображения вызываются несколькими разными искажениями сигналов. Например, на искажения цветопередачи изображения влияют светотехнические характеристики камеры и кинескопа, градационные и нелинейные искажения, неточность кодирования и декодирования сигналов и др. В таблице 1.1 ориентировочно показана связь искажений изображения, наблюдаемых зрителем, с вызывающими искажениями сигналов. Из перечисленных в таблице искажений сигналов в телевизионном тракте выберем те, которые можно будет описать либо имитировать программно. Градационные искажения яркости заключаются в изменениях амплитуды цветоделенных, цветоразностных и яркостного сигналов в оконечных сигналов устройствах. в кодере следовательно, введением этот параметра При описание вид программном их искажений яркости задании амплитуды можно будет цветоразностных обязательным, имитировать, цветоразностных сигналов. например, Так как цветоразностные и яркостный сигналы находятся из цветоделенных сигналов, то их амплитуда так же будет меняться в зависимости от яркостной переменной. 93 Таблица 1.1 – Связь между видами искажений ТВ изображения и искажениями в тракте передачи. Искажения ТВ изображения Искажения в ТВ тракте в соответствии с приведенной классификацией Искажения градации яркости Искажения цвета крупных деталей Размытие границ, потеря четкости А2.2.1, А2.2.3, В1.1.3, В2.1.1 А2.2, А2.3, А3.1 - А3.4, Б4.2, Б4.5, Б4.6, В1.2, В1.3.1, В2.2 А2.1, Б1.4, Б2.3, В1.1.1, В1.1.5, В1.4, В1.5 Разная яркость строк Б1.5, В1.1.4 Ложные контуры Б3.3 Зашумленность изображения А2.4, В3.1 “Заплыванием” называют сплошное ограничение сигналов на светлых участках из-за пересветки передающих трубок, иногда – с переходом в негативное изображение. Искажение типа “заплывание” имитировать программно возможно, но очень сложно. Аппаратурные искажения, такие как перекрестные искажения цветоразностных сигналов, неточность квадратуры в кодере и декодере, неточность восстановления фазы поднесущей, смоделировать программно однозначно можно. Так как принцип этих искажений схож с принципами процессов кодирования – декодирования системы PAL. Искажения “Дифференциальное усиление”, “Дифференциальная фаза”, зависимость фазы от амплитуды сигнала цветности, относящихся к классу нелинейных искажений сигнала цветности, так же возможно имитировать программно, так как их описания имеют много общего с описанием сигнала цветности. 94 1.5. Цифровая реализация декодера PAL В большинстве серийно выпускаемых за рубежом цветных телевизоров используется аналоговая обработка сигнала и цифровое управление. При этом сохраняются недостатки обычных аналоговых приёмников: сложность настройки, нестабильность и плохая повторяемость параметров. Однако не так давно фирмами ITT и PHILIPS были разработаны комплекты цифровых микросхем, позволяющие применять цифровую обработку сигналов. Концепции этих фирм предусматривают преобразование в цифровую форму полного цветового видеосигнала с последующим разделением составляющих яркости и цветности с помощью линейно-фазовых нерекурсивных фильтров. В видеозаписях и программах, прошедших по линиям дальней связи, амплитуда цветовой поднесущей может существенно уменьшаться. В цифровом видеоканале это приводит к росту шумов квантования, а значит, и к ухудшению качества цветного изображения. Была предложена концепция построения цифрового видеоканала, исключающая этот недостаток. Сущность концепции состоит в использовании раздельных АЦП для сигналов яркости и цветности, что позволяет с помощью специальной АРУ поддерживать размах сигнала цветности, близким к номинальному значению. На базе принятой концепции были разработаны алгоритмы и схемные решения основных узлов цифрового декодера. Функциональная схема декодирующей части системы PAL представлена на рисунке 1.8. 95 Видеопроцессор БПК E'Y АЦП1 РФ АК ЗУ ЛЗ E'Y UЕХ ПФ1 АРУ ЦАП Интерфейс UТ1 АЦП2 Аналоговый видеопроцес- E'R сор Ин- E'R-Y терЦАП фейс E'B-Y ПФ2 E'G E'B ЦАП E'R-Y Процессор PAL E'B-Y I2C fт1 = 13,5 МГц Рис. 1.8 Функциональная схема цифрового декодера совместимой системы ЦТВ PAL Цифровая часть декодера содержит следующие основные устройства: видеопроцессор, процессор PAL и блок повышения качества изображения. 1.5.1. Блок повышения качества изображения Блок повышения качества изображения (БПК) содержит память на поле и обеспечивает дополнительную обработку сигналов – преобразование стандарта развёртки, уменьшающее мерцание яркости, подавление шумов или уменьшение перекрёстных искажений яркость-цветность. После этого сигналы проходят цифроаналоговые преобразователи и поступают на стандартный аналоговый видеопроцессор, например TDA4680, где обеспечиваются оперативные регулировки по цифровой шине (контрастность, яркость, насыщенность), матрицирование сигнала RGB, 96 подключение сигналов от внешних источников, а так же автоматический баланс токов запирания и ограничение токов лучей кинескопа. Полный цветовой видеосигнал от видеодетектора (на схеме не показан) поступает в две параллельные цепи, одна из которых содержит 8-разрядный АЦП1 для сигнала яркости, а вторая – 6-разрядный АЦП2 для сигнала цветности. Различие в разрядности аналого-цифровых преобразователей объясняется тем, что полоса яркостного сигнала шире полосы сигнала цветности. Для требуемого качества представления сигнала яркости в цифровом виде достаточно восьмиразрядного преобразования, а для сигнала цветности – шестиразрядного. Аналоговый полосовой фильтр ПФ1 служит для ослабления низкочастотных составляющих сигнала яркости. После этого фильтра включена исполнительная схема АРУ цветности. Оба последующие АЦП работают на тактовой частоте fт1 = 4fц = 44,433618 МГц = 17,734475 МГц (сигнал Uт1 на рис. 1.8). На выходе АЦП частота дискретизации уменьшается до стандартного значения 13,5 МГц (сигнал Uт2) с помощью интерполяторов И1 и И2. Это снижает потерю разрядности на высоких частотах сигналов. 1.5.2. Видеопроцессор Цифровые сигналы яркости и цветности поступают в видеопроцессор, который обеспечивает декодирование сигнала в любом из стандартов – NTSC, PAL или SECAM. Переключение режимов работы производится управляющими напряжениями от процессора цветности. По цифровой шине I2C осуществляются оперативные регулировки (контрастность, яркость, насыщенность). Для компенсации задержки сигнала процессором цветности в канале яркости предусмотрена линия задержки в виде регистров Р1-Р3. Количество 97 используемых регистров определяется стандартом принимаемого сигнала и изменяется с помощью логического блока. Сигнал яркости проходит нерекурсивный режекторный фильтр РФ, системная функция которого описывается выражением: AРФ(z) = (1 – 0.5·K1) + K1·z-1 + (1 – 0.5·K1)·z-2 Значения коэффициента K1 разные для различных систем цветного телевидения, изменяются управляющими напряжениями от процессоров цветности, производимыми через логический блок (ЛБ). На рис. 1.9 приведена АЧХ описанного здесь цифрового нерекурсивного режекторного фильтра. |AРФ(f)|, дБ 0 4,43 -20 -40 0 1,6 3,2 4,8 6,4 8 f, МГц Рис. 1.9 АЧХ режекторного фильтра Апертурный корректор АК позволяет регулировать форму АЧХ канала яркости в области верхних частот для коррекции четкости изображения. Передаточная функция АК имеет вид: AАК(z) = (1 + K2)·z -2 – 0,5·K2·z-4 – 0,5·K2. 98 Коэффициент K2 регулируется по цифровой шине от встроенного в видеопроцессор интерфейса (K2 = 0…0,25) На рис. 1.10 показана АЧХ апертурного корректора при значениях коэффициента K2 = 0 и K2 = 0,25. Для компенсации задержки сигнала процессором цветности в канале яркости предусмотрена линия задержки в виде регистров Р1-Р3. Количество используемых регистров определяется стандартом принимаемого сигнала и изменяется с помощью логического блока. В состав видеопроцессора входит также нерекурсивный полосовой фильтр ПФ2. |AАК(f)|, дБ 5 К = 0,25 0 К=0 4,43 -5 0 1,6 3,2 4,8 6,4 8 f, МГц Рис. 1.10 АЧХ апертурного корректора Цифровой нерекурсивный полосовой фильтр ПФ2 состоит из четырёх звеньев с передаточными функциями вида: Aпф(z) = z-n + Ki·z -2n + Ki, где i = 1...4. Амплитудно-частотная характеристика звена представляет собою косинусоиду с амплитудой 2Ki, сдвинутую вверх по оси частот на 99 постоянное значение. При изменении знака и значения Ki, варьируется фаза и амплитуда косинусоиды. При изменении номинала n секций задержки меняется период косинусоиды. Фильтр обеспечивает не только выделение сигнала цветности, но и подавление сигнала звукового сопровождения. АЧХ цифрового полосового фильтра представлена на рис. 1.11. При изменении системы цветного телевидения перестройка фильтра осуществляется с помощью логического блока. Кроме того, предусмотрена регулировка полосы пропускания фильтра, осуществляемая по цифровой шине. Все звенья видеопроцессора имеют линейные фазочастотные характеристики и не вносят искажения в обрабатываемый сигнал. |AПФ(f)|, дБ 0 -50 0 2 4 6 8 f, МГц Рис. 1.11 АЧХ полосового фильтра 1.5.3. Процессор PAL Полный видеосигнал проходит АЦП и цифровой фильтр, разделяющий сигнал на яркостную EY и цветовую Uц составляющие (рис. 1.12). Аналоговый сигнал цветности на входе АЦП можно представить как сумму квадратурных составляющих Uu и Uv (рис. 2.3, а, б). Генератор опорного сигнала Г вырабатывает тактовые импульсы Uт1 (рис. 2.3, в), имеющие частоту в 4 раза выше, чем 100 частота цветовой поднесущей, и синхронизированные по фазе с помощью ФАПЧ сигналами вспышек. Дискретизация аналогового сигнала в АЦП происходит в начале тактовых импульсов (моменты t1, t2, t3 на рис. 1.13, а). Полученное значение дискретного сигнала на выходе АЦП поддерживается до начала следующего тактового импульса. В результате того, что поднесущая синфазна с тактовыми импульсами, а составляющие Uu и Uv квадратурны, получается разделение во времени дискретных компонент Uu и Uv. Так, в момент t1 составляющая Uu проходит через нуль и на выходе АЦП формируется дискретная составляющая сигнала Uv (рис. 1.13, г). В момент t2 аналоговая компонента Uv всегда равна нулю, поэтому на интервале t2 – t3 выделяется только дискретная составляющая Uu. Так как фаза аналогового сигнала Uv меняется от строки к строке на 180, меняется и знак дискретной компоненты Uv. На рис. 1.13, з в виде дробей показаны значения цифровых сигналов цветности для двух смежных строк: n и n+1. Uвх АЦП Uт1 Uт2 Г Uт3 Ф EY ER-Y U0 В Uц Р АЛУ U1 ЛЗ EB-Y С Рис. 1.12. – Функциональная схема процессора PAL. В генераторе кроме основного тактового сигнала Uт1 путем логических преобразований формируются еще два типа тактовых сигналов (Uт2, и Uт3), 101 форма которых показана на рис. 1.13, е, ж. Тактовый сигнал Uт3 подан на счетный вход регистра-защелки P (рис. 1.12), на сигнальный вход которого подан дискретный сигнал цветности (рис. 1.13, з). Сигнал записывается в момент прохождения фронта тактового импульса и поддерживается на выходе до прихода следующего тактового импульса. Получается последовательность дискретных сигналов U0, приведенная на рис. 2.3, и. Эта последовательность U0 подается на вход линии задержки ЛЗ, выполненной в виде сдвигового регистра. На выходе ЛЗ формируется последовательность U1 (рис. 1.13, к). Сложением в сумматоре С и вычитанием в блоке В дискретных сигналов U0 и U1 обеспечивается, как и в аналоговом канале цветности PAL, разделение составляющих Uu и Uv на два сигнала, как это показано на рис. 1.13, л, м. В пределах каждого периода поднесущей присутствуют как компонента Uu, так и Uv, хотя каждая из них занимает лишь часть периода. Составляющая Uv меняет знак каждую вторую строку. Чтобы устранить инвертирование сигнала Uv, используется арифметико-логическое устройство АЛУ, управляемое от Г тактовыми импульсами Uт2 (рис. 1.13, е). На выходе АЛУ выделяется дискретный сигнал ЕR-Y с постоянным знаком (рис. 1.13, н). Таким образом, цифровой сигнал цветности PAL может демодулироваться относительно простыми средствами, что обусловлено равенством частоты дискретизации четырем значениям частот поднесущей цветности и синфазностью вспышек с тактовым сигналом. По существу, в рассмотренном устройстве функции демодулятора PAL выполняет АЦП, на выходе которого выделяются чередующиеся с тактовой частотой цифровые сигналы ER-Y и EB-Y. 102 t1 а) Uu б) Uv в) Uт t2 t3 t t t 1 г) t д) t Uт е) t 2 Uт ж) 3 з) и) Строка n Строка n+1 U t + u+ + -vv -u -u u 0 + u+ + -vv u U1 к) v u + -vv + u+ -u -u -v + + u+ v u + -vv u + -vv + u+ -v + + u+ u v 0 0 u v 0 0 u + u+ u 0 0 + -vv м) U0-U1 2 u 0 0 н) ER- 0 0 + -vv + v+ v 0 0 + v+ v Рис. 1.13. – Эпюры сигналов в схеме на рис. 1.12. t + u+ u -v + + u+ Y + u+ + u+ U0+U1 2 л) -v + t t + u+ u 0 0 0 0 t t t 103 2. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ Программное обеспечение для данного лабораторного практикума представляет собой набор программных модулей, предназначенных для выполнения в интерактивной среде математического моделирования MathCAD версии 6.0 и выше. При моделировании процессов кодирования-декодирования во всех модулях, вошедших в лабораторную работу, используется изображение тестового сигнала генератора цветных полос (ГЦП). Используемый в практикуме набор спроектированных программных модулей построен по принципу последовательного усложнения, т.е. каждый предыдущий модуль может быть частью следующего, поэтому описание сходных разделов дается только один раз, при их первом использовании. Все программные модули написаны с помощью интерактивной среды математического моделирования MathCAD PLUS версии 6.0. Для запуска конкретного программного модуля выполните следующие действия: запустите среду MathCAD либо через главное меню операционной системы, либо двойным щелчком мыши на соответствующей иконке (ярлыке) на рабочем столе системы; войдя в среду MathCAD, выберите пункт Open Document из меню File, в появившемся диалоговом окне найдите и выделите нужный программный модуль (например, codec.mcd) в указанном преподавателем месте, и нажмите кнопку Open (или OK); если в открывшемся документе не происходит автоматическое выполнение вычислений и построение графиков, то нажмите на главной панели среды MathCAD 6.0 кнопку с изображением светящейся электрической лампочки либо выберите пункт Automatic Mode в меню Math (в более поздних версиях среды кнопка может отсутствовать, а указанный пункт может 104 быть расположен в меню Tools и дополнительном меню Calculate). По окончании работы с модулем выберите пункт Close Document из меню File. 2.1. Программный модуль "FNC.mcd" Для программного моделирования фильтров низких частот при ограничении полосы частот яркостного и цветоразностных сигналов используется билинейное преобразование полиномиального выражения передаточной функции фильтра. Расчет производится по методике Рабинера и Гоулда. В данном программном модуле "Синтез фильтра Баттерворта для ограничения полосы частот яркостного и цветоразностных сигналов в системе PAL", определение коэффициентов цифрового нерекурсивного фильтра на заданной частоте среза и затухания в полосе задерживания производится полуавтоматически. По полученной системной функции фильтра строятся его АЧХ, ФЧХ и характеристика ГВЗ. Дискретный фильтр НЧ имеет линейную ФЧХ и не вносит искажений в обрабатываемый сигнал. Модуль состоит из следующих частей. В разделе "Начальные данные" задаются необходимые параметры системы PAL: частота дискретизации fd и период дискретизации Td, частоты среза f0, f1 и f2. Также дается определение децибела db (единицы измерения). В следующей части модуля приводятся соотношения, необходимые для определения порядка фильтра Баттерворта и его полюсов. Меняя коэффициент ослабления K, можно определять порядок фильтра n, необходимый для обеспечения заданного уровня ослабления. Определив полюса polk, можно с помощью символьного процессора определить свернутые выражения для комплексно-сопряженных полюсов. Для этого 105 используется пункт "Expand expression" из меню "Symbolic" (в более поздних версиях этот пункт называется "Expand"). На основании этих выражений записывается передаточная функция для фильтра Баттерворта H(p). Далее следует билинейное преобразование, которое осуществляет переход от описания аналогового фильтра Баттерворта H(p) к описанию цифрового Hbut(z). В следующей части модуля приведена системная функция цифрового фильтра Баттерворта Hbut(z), которая была синтезирована выше с помощью средств символьного процессора на основании подстановки, определяемой билинейным преобразованием. Алгоритм синтеза состоит из нескольких этапов: а) Подстановка в H(p) вместо p выражения, определяемого билинейным преобразованием; б) Выделение преобразуемого выражения синей рамкой (в более поздних версиях среды вместо рамки может быть "уголок", цвет которого может быть также другим); в) Загрузка символьного процессора с помощью пункта "Load Symbolic Processor" из меню "Symbolic" (в версии MathCAD 13 этого делать не нужно – такого пункта даже нет в меню; возможно и в других версиях также, т.е. нужно смотреть в каждом конкретном случае); г) Осуществляем преобразование выделенного выражения с помощью пунктов из меню "Symbolic": – "Factor Expression" – разложение на множители (либо просто "Factor"); – "Expand Expression" – развертывание выражений (либо "Expand"); – "Complex Evaluation" – вычисление выражений в комплексном виде (в версии MathCAD 13 пункт "Complex" в меню "Symbolic" и дополнительном меню "Evaluate"); 106 – "Floating Point Evaluation" – вычисление числового значения (в версии MathCAD 13 пункт "Floating Point…" в меню "Symbolic" и дополнительном меню "Evaluate"). д) Окончив преобразования, записываем окончательное выражение для системной функции. После вывода системной функции цифрового фильтра, выполняется построение графиков основных характеристик синтезированного фильтра (АЧХ, ФЧХ, ГВЗ), по которым можно судить о выполнении заданных условий. 2.2. Программный модуль "POL_F.mcd" Данный программный модуль нужен для изучения структуры полосового фильтра и исследования формирования его сквозной АЧХ. Для выделения сигнала цветности используется рассматриваемый в модуле дискретный полосовой фильтр, структурная схема которого показана на рис. 2.1. Каждое звено состоит из сумматоров С1, С2 и двух секций задержки n·τ на один период тактовой частоты каждая. Передаточная функция каждого звена имеет вид: A(z) = z-n + K·z-2n + K. Амплитудно-частотная характеристика звена представляет собой косинусоиду с амплитудой 2·K, сдвинутую вверх по отношению к оси частот на постоянное значение. Варьируя знак и значение K, меняют фазу и амплитуду косинусоиды. При изменении номинала n секций задержки меняется период косинусоиды. Включая последовательно два звена с одинаковыми n, но разными по знаку и значению K, можно увеличить коэффициент прямоугольности АЧХ. 107 1 Uв х n1 + С1 + n1 + С2 + К1 2 3 4 К2 К3 К4 Uвых Рис. 2.1 – Функциональная схема дискретного полосового фильтра Для системы PAL значения коэффициентов К1 – К4 следующие: K1 = -0,25; K2 = 0,515; K3 = -0,5; K4 равен 0,25 либо 0. Модуль "Моделирование цифрового полосового фильтра для совместимой системы ЦТВ PAL" состоит из следующих частей. В разделе "Начальные данные" задаются: частота дискретизации fd и период дискретизации Td, частота сигнала fc, коэффициенты K1 – K4. На основании коэффициентов K1 – K4 записываются системные функции H1(z)...H4(z) звеньев полосового фильтра. Результирующая передаточная функция полосового фильтра находится путем перемножения системных функций звеньев полосового фильтра. Все звенья дискретного полосового фильтра имеют линейные ФЧХ и не вносят искажений в обрабатываемый сигнал. Далее в модуле выполняется построение графиков АЧХ звеньев полосового фильтра, АЧХ всего фильтра при K4 = 0 и K4 = 0,25 и ФЧХ всего фильтра при K4 = 0. 108 2.3. Программный модуль "REJ_F.mcd" В программном модуле "REJ_F.mcd" необходимо изучить назначение и принцип выделения яркостного сигнала из ПЦТС. Устройство простейшего дискретного режекторного фильтра показано на рисунке 2.2. Uв х Uвых + С + Рис. 2.2 – Функциональная схема простейшего режекторного фильтра Коэффициент передачи фильтра в z – плоскости записывается следующим образом: A(z) = 1 + z-2. АЧХ режекторного фильтра имеет гребенчатую форму в виде модуля косинусоиды. Практически используется только низкочастотная ветвь с первым нулем. Нулевая точка лежит на частоте fт/4, где fт – тактовая частота. Режекторный фильтр будет подавлять цветовую поднесущую частоту fп лишь в том случае, если fт = 4fп. В многостандартных телевизорах для каждого стандарта цветного телевидения использовать свое значение частоты неудобно. Существует разработка дискретного режекторного фильтра, в котором частоту режекции можно регулировать. Однако при усложнении схемы фильтра при разных частотах режекции меняется коэффициент передачи режекторного фильтра по постоянному току, что также неудобно. Данный недостаток устраняется еще большим усложнением схемы. Так как в проектируемой лабораторной работе исследуется только система цветного телевидения PAL, то для применения подойдет уже описанная схема. 109 Так как рассматриваемый в модуле дискретный режекторный фильтр имеет линейную ФЧХ, то он не вносит искажений в обрабатываемый сигнал. Программный модуль "Моделирование цифрового режекторного фильтра для совместимой системы ЦТВ PAL" состоит из следующих частей. В начале ПМ задаются все необходимые константы: частота дискретизации fd и период дискретизации Td, частота сигнала fc. Далее задаётся выражение для системной функции режекторного фильтра и выражение для расчета АЧХ режекторного фильтра. Ниже задаваемых выражений выполняется построение графика АЧХ исследуемого режекторного фильтра. В конце модуля задается выражение для расчета переходных характеристик исследуемого режекторного фильтра Uin и Uout. Переходные характеристики рассчитываются для двух вариантов: а) на выходе ЦАП стоит интерполятор первого порядка; б) на выходе ЦАП стоит интерполятор нулевого порядка. Построение графиков рассчитанных переходных характеристик режекторного фильтра для двух вариантов интерполятора выполняется также в конце модуля. 2.4. Программный модуль "PAL1.mcd" Целью работы с этим модулем является освоение процесса матрицирования цветоделеных сигналов; изучение сути ограничения полосы частот яркостного и цветоразностных сигналов; разъяснение принципа задержки сигналов в ФНЧ и определения времени задержки; усвоение принципа восстановления цветоразностного сигнала "зеленого" и получение цветоделеных сигналов на приемной стороне; сравнение и анализ визуализации тестового сигнала ГЦП не прошедшего никакой обработки и полученного после ограничения цветоразностных сигналов в ФНЧ. полосы частот яркостного и Программный модуль 110 начинается с описания необходимых параметров, вспомогательных коэффициентов и функций, таких как число строк разложения растра изображения, частота кадров и полей, частота строк и других. Далее происходит формирование цветоделеных сигналов изображения. Описание построено таким образом, что яркость изображения регулируется параметром L (Luminance – яркость): от минимального значения (L = 0) до максимального (L = 1). Однако яркость первой половины крайней левой полосы остается максимальной независимо от L. Это сделано для удобства наблюдения и сравнения изображений при разных значениях яркости. Эта особенность программы сохранена и в остальных программных модулях, используемых в данной лабораторной работе. Для возможности многовариантного проведения лабораторной работы в выражения цветоделённых сигналов введены параметры r, g, b, каждый из которых может принимать значение либо 0, либо 1. При нулевом значении параметра соответствующий цветоразностный сигнал инвертируется, а при единичном значении параметра – сохраняет нормальную ориентацию. Таким образом, каждый из трех цветоразностных сигналов может быть описан двумя различными выражениями, т.е. возможно выполнение 23 = 8 вариантов данной лабораторной работы. После описания выражений цветоделённых сигналов, задаются выражения яркостного и цветоразностных сигналов в соответствие с правилами матрицирования в системе PAL. На следующем шаге полученные выражения сигналов подвергаются обработке в цифровых ФНЧ с помощью коэффициентов, найденных во вспомогательном модуле "Синтез фильтра Баттерворта для ограничения полосы частот цветоразностных сигналов в PAL". Далее определяется время рассогласования между полученными яркостным сигналом и цветоразностными сигналами. Задержка определяется с точностью до 111 периода частоты дискретизации. Время задержки должно быть целым чётным числом. При этом задержка сигнала яркости принимается равной нулю. В заключительной части программного модуля производятся операции получения цветоделенных сигналов, а именно вычисление цветоразностного сигнала "зеленого", задержка сигнала яркости для выравнивания с фронтами цветоразностных сигналов и получение трех цветоделенных сигналов. Перед разделом визуализации (построения графиков) из описания цветоделенных сигналов "вырезаются": участок, отведенный под строчный гасящий импульс, и последовательность нулевых значений, необходимых для стыковки данной строки со следующей строкой. Для описания функций визуализации используются элементы программирования среды "MathCAD PLUS 6.0". В функции Viz1(R, G, B, d, e) производится ограничение по уровню и масштабирование цветоделенных сигналов под стандарт, используемый в MathCAD. Результатом функции является вектор-строка, состоящая из дискретных значений трех цветоделенных сигналов, составленных последовательно друг за другом. Функции VizR(A), VizG(A) и VizB(A) идентичны. В них происходит выделение последовательности значений, соответствующей одному из трех основных цветов, из вектора-строки, полученной в функции Viz1(R, G, B, d, e). Результатом каждой функции является массив, полученный размножением полученной ранее строки. Визуализация необходимых сигналов заключается в подстановке полученных массивов R, G, B в стандартное поле визуализации (построения графика) редактора MathCAD. Прямо под окнами визуализации сигналов располагается строка задания параметров, влияющих на выводимое изображение. Сюда входит параметр яркости L и коэффициенты r, g и b , определяющие последовательность расположения цветных полос. 112 Все разделы программного модуля сопровождаются необходимыми графическими пояснениями. 2.5. Программный модуль "PAL2.mcd" В данном программном модуле изучаются и исследуются (помимо всего того, что исследуется в модуле PAL1.mcd и описано выше): – особенности процесса кодирования в системе; – принцип выделения сигнала цветности из полного цветного телевизионного сигнала; – декодирование сигнала цветности в стандартах PALd и PALs (без учёта фазовых искажений); – принцип выделения сигнала яркости из полного цветного телевизионного сигнала (с помощью режекторного фильтра); – влияние особенностей декодирования PALd и PALs на возможность получения точной копии переданного изображения (на основе построения векторограмм). Отличительными частями этого программного модуля являются разделы "КОДЕР PAL" и "ДЕКОДЕР PAL". Ниже приводится их описание. Раздел "КОДЕР PAL" начинается с описания амплитуд и местоположения строчного синхронизирующего импульса (ССИ) и сигнала "вспышки" в полном сигнале ЦТВ. Далее формируется сигнал "вспышки" в трех последовательных строках, изменяющий фазу 180° 45 (135° и 225) в каждой последующей строке. Так как в сигнале PAL в каждой последующей строке происходит инвертирование цветоразностного сигнала "красного", то для возможности рассмотрения достоинств и недостатков этого факта, в декодере необходимо иметь описание двух соседних строк. В системе PALd сигнал одной строки формируется из двух – принятого сигнала и задержанного сигнала. Поэтому для получения сигналов двух строк в кодере описывается три строки. После 113 этого в трёх смежных строках описываются яркостный и, в соответствие с правилами кодирования в PAL, два модулирующих сигнала. Далее происходит ограничение полосы частот яркостного сигнала в ФНЧ и его задержка на найденное в модуле PAL1.MCD число тактов частоты дискретизации. За этим следует ограничение полосы частот модулирующих сигналов и формирование сигнала цветности в квадратурном балансном модуляторе. Полный сигнал ЦТВ образуется путем сложения сигналов яркости, цветности и строчных синхронизирующих импульсов. На этом заканчивается кодирование. В разделе "ДЕКОДЕР PAL" в первую очередь выделяется сигнал цветности. Процесс программного выделения сигнала цветности заключается в последовательном пропускании ПЦТС через звенья полосового фильтра. Первое и второе звенья содержат секции задержки с номиналом 4 (n1 = n2 = 4), что дает уплощенную АЧХ с центральной частотой fт/4 = 4,43 МГц. В третьем звене n3 = 1. Это звено глубоко подавляет низкочастотный участок спектра, что уменьшает помехи от сигнала яркости. В четвертом звене, как и в третьем, n4 = 1. С помощью этого звена регулируется подъем высших частот спектра. Роль секций задержки в программной реализации дискретного фильтра играет функция bnd(n – з). Здесь n – текущий отсчет дискретного сигнала, з – число тактов частоты дискретизации, на которое необходимо задержать сигнал. Выделенный сигнал цветности подвергается декодированию PALd и PALs. Программное получение цветоразностных сигналов из сигнала цветности основано на том факте, что поднесущая частота цветности синфазна с тактовыми импульсами, а модулирующие сигналы, составляющие сигнал цветности, квадратурные. Иначе говоря, цифровые компоненты модулирующих сигналов в сигнале цветности разделены во времени, а если 114 говорить точнее, то они чередуются с частотой fт/2 = 8,867 МГц, т.е. каждый второй период тактовой частоты. На первом шаге демодулирования PALd цветоразностным сигналам "красного" и "синего" присваиваются, соответственно, полусумма и полуразность сигналов цветности в двух соседних cтроках, умноженные на коэффициенты, обратные компрессии. Далее в цифровом сигнале "красного" дискретные значения, относящиеся к цветоразностному сигналу "синего" заменяются соседними, относящимися к цветоразностному сигналу "красного". С цветоразностным сигналом "синего" проводятся такие же операции. Процесс декодирования PALs аналогичен, только цветоразностным сигналам "красного" и "синего" первоначально присваиваются значения сигнала цветности, умноженные на коэффициенты, обратные компрессии. Далее происходит режекция яркостного сигнала из полного цветного телевизионного сигнала. В разделе "Подготовка сигналов для построения векторограмм" производится нахождение амплитуд и фаз суммарного вектора сигнала цветности в моменты передачи шести основных и дополнительных цветов в стандартах декодирования PALd и PALs. Сигнал цветности представляется в комплексном виде в шести местах длины строки, соответствующих расположениям желтого, голубого, зеленого, пурпурного, красного и синего цветов. Амплитуда соответствующего вектора находится как модуль комплексного представления сигнала цветности, а фаза – как его аргумент. По построенным векторограммам можно определять и сравнивать амплитуды и фазы сигнала цветности для того или иного цвета в стандартах PALd и PALs. Учитывая, что амплитуда суммарного вектора соответствует насыщенности передаваемого участка изображения, а угол между этим вектором и нулевым направлением определяет цветовой тон, можно судить о достоинствах и недостатках каждой из систем декодирования. 115 В конце ПМ приводятся исходное и декодированное изображения цветных полос, по которым также можно о достоинствах и недостатках систем PALd и PALs. 2.6. Программный модуль "PAL3.mcd" С помощью данного программного модуля можно провести следующие исследования: – определить устойчивость систем декодирования PALd и PALs к фазовым искажениям на основе векторограмм; – визуально пронаблюдать изображение сигнала цветных полос, подвергшегося фазовым искажениям, и сравнить его с исходным (неискаженным) изображением. Программный модуль "PAL3.MCD" построен по структуре модуля "PAL2.MCD". Однако в начале раздела "ДЕКОДЕР PAL" производится имитация фазовых искажений, дискретный полный цветной телевизионный сигнал обрабатывается неминимально-фазовым звеном с постоянными параметрами – в этом заключается качественное отличие модуля. В этом модуле полный цветовой телевизионный сигнал перед декодированием подвергается обработке в неминимально-фазовой цепи, при этом отклонение фазы сигнала является функцией коэффициента k. Имитация фазовых и дифференциально-фазовых искажений выполняется посредством использования модели неминимально-фазовой цифровой цепи с переменными параметрами, передаточная функция которой имеет вид: H ( z) Далее, в k z 1 , 1 k z 1 стандартной где k = 0,625. последовательности, декодирование полного телевизионного видеосигнала. производится 116 Данный модуль также сопровождается необходимым графическим материалом. По векторограммам, построение которых выполняется в разделе "Подготовка сигналов для построения векторограмм", хорошо заметны различия между сигналами, декодированными по стандартам PALd и PALs, что объясняется различной реакцией этих двух систем на введенные фазовые искажения. По построенным векторограммам видно, что при K = 0,625 ( = 26) при декодировании по стандарту PALd уменьшается амплитуда векторов цветов, вследствие чего снижается насыщенность цветов. При декодировании по стандарту PALs, в строке "+R-Y" вектора цветов смещаются вправо на 26 (т.е. красный цвет переходит в пурпурный, желтый переходит в оранжевый и т.д.), а в строке "-R-Y" вектора цветов смещаются влево (т.е. из желтого цвета в зеленый цвет и т.д.). В конце данного программного модуля приводятся исходное и декодированное изображения цветных полос. 2.7. Программный модуль "PAL4.mcd" С помощью данного программного модуля PAL4.mcd можно провести следующие исследования: – изучить влияние искажений типа "Дифференциальная фаза" при декодировании PALd и PALs на основе векторограмм; – визуально пронаблюдать изображение цветных полос, подвергшегося искажению типа "Дифференциальная фаза", и сравнить его с исходным изображением. По структуре данный программный модуль "PAL4.MCD" аналогичен предыдущим модулям (PAL1…3.MCD). В начале раздела "ДЕКОДЕР PAL" проводится имитация дифференциально-фазовых искажений, дискретный полный цветной телевизионный сигнал проходит через неминимальнофазовую цепь с переменными параметрами – в этом качественное отличие 117 данного программного модуля от предыдущих модулей. В этом модуле отклонение фазы является функцией мгновенного значения амплитуды яркостного сигнала, что соответствует дифференциально-фазовым искажениям. Имитация фазовых и дифференциально-фазовых искажений выполняется посредством использования модели неминимально-фазовой цифровой цепи с переменными параметрами, передаточная функция которой имеет вид: H ( z) kn z 1 , 1 kn z 1 где kn 1 0.56 Yn . По построенным векторограммам можно видеть, что при K = 0,625 ( = 26) при декодировании по стандарту PALd уменьшается амплитуда векторов цветов, вследствие чего снижается насыщенность цветов. При декодировании по стандарту PALs, в строке "+R-Y" вектора цветов смещаются вправо на 26 (т.е. красный цвет переходит в пурпурный, желтый цвет переходит в оранжевый цвет и т.д.), а в строке "-R-Y" вектора цветов смещаются влево (т.е. из желтого цвета в зеленый цвет и т.д.). 2.8. Программный модуль "PAL5.mcd" С помощью данного программного модуля PAL5.mcd можно провести следующие исследования: – изучить влияние шумов канала связи на декодирование ПЦТС в стандартах PALd и PALs; – пронаблюдать изображение сигнала цветных полос, подвергшегося зашумлению, и сравнить его с переданным изображением. В отличие от предыдущих программных модулей здесь происходит описание большего числа строк, которое задается параметром Nl в пункте "Основные определения". Это объясняется необходимостью отдельного 118 описания функции шума в каждой строке визуализации. В программных модулях "PAL2.MCD", "PAL3.MCD" и "PAL4.MCD" визуализация тестового изображения цветных полос происходит по двум строкам, потому что остальные строки являются их копиями. В модуле "PAL5.MCD" это привело бы к заметной повторяемости изображения. Описание функции шума Noise осуществляется с помощью стандартного оператора среды MathCAD "Rnorm(m, , )", возвращающего m – вектор случайных чисел, имеющих нормальное распределение математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением . с 119 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 3.1. Изучить работу кодера – декодера совместимой системы ЦТВ PAL по функциональной схеме. Выяснить назначение основных блоков, которые реализованы программно и изучаются в работе. Выявить особенности построения декодера в цифровом виде. 3.2. Запустить ПМ "FNC.mcd". Проследить процесс получения системной функции фильтра. Описать поведение графиков АЧХ, ФЧХ и ГВЗ, их физический смысл. 3.3. Изучить принципы матрицирования (получение совместимого сигнала яркости, цветоразностных сигналов, связь между цветоразностными, цветоделеными и яркостным сигналами). Запустить ПМ "PAL1.mcd". Зарисовать эпюры получаемых цветоделеных, цветоразностных и яркостного сигналов. Последовательность полос задавать коэффициентами r1, g1 и b1 (см. таблицу 3.1) в конце программных модулей. Вариант последовательности задается преподавателем и распространяется на все программные модули, используемые в работе. Таблица 3.1 – Вариант последовательности полос № варианта r1 g1 b1 1 0 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 4 0 1 1 5 1 0 0 6 1 0 1 7 1 1 0 8 1 1 1 120 Зарисовать цветоразностные сигналы после прохождения фильтра НЧ и сравнить с входным сигналом, полученным ранее. Изменить значение параметра яркости L (в пределах 0…1), проследить за изменениями сигналов. Объяснить причины искажения получаемых цветоделеных сигналов, проследить связь с искажением соответствующего им изображения. 3.4. Изучить процесс модуляции в совместимой системе ЦТВ PAL. Пояснить выбор значений цветовой поднесущей и коэффициентов компрессии. 3.5. Запустить ПМ "POL_F.mcd". Провести соответствие между системными функциями звеньев и их АЧХ. Объяснить принцип формирования сквозной АЧХ из АЧХ звеньев. 3.6. Запустить ПМ "REJ_F.mcd". Пояснить получение яркостного сигнала в цифровом режекторном фильтре. 3.7. Запустить ПМ "PAL2.mcd". Изучить формирование полного сигнала ЦТВ. Выровнять время распространения яркостного сигнала и сигнала цветности в кодере. Зарисовать две строки полного видеосигнала (красную и синюю). Проследить процесс декодирования ПЦТС в системах PALd и PALs. Отметить особенности декодированных цветоразностных сигналов в этих двух стандартах. Разъяснить суть представления сигналов в виде векторограмм, указать на их основе особенности декодирования PALd и PALs. 3.8. Запустить ПМ "PAL3.mcd". Разобраться в описании фазовых искажений. Указать и объяснить изменения декодированных цветоразностных сигналов при различных значениях коэффициента К. Пояснить особенности декодирования сигнала цветности в стандартах PALd и PALs по векторограммам, провести связь с получаемыми изображениями цветных полос. возникновения. Дать понятие эффекта "Жалюзи" и причины его 121 3.9. Запустить ПМ "PAL4.mcd". Описать суть дифференциальнофазовых искажений. Пронаблюдать изменения сигналов на графиках при различных значениях коэффициента К, объяснить их. На основе векторограмм указать последствия дифференциально-фазовых искажений при декодировании сигнала цветности, провести связь с получаемыми изображениями. 3.10. Запустить ПМ "PAL5.mcd". Разобраться в формировании функции шумов. Описать сигналы на приведенных графиках. Пронаблюдать изменения сигналов и изображений при различных значениях яркости (0…1) и среднеквадратического отклонения (СКО) (0…1). 3.11. Назвать основные достоинства и недостатки систем PALd и PALs. Пояснить их на основе результаты проделанной работы. 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 4.1. Функциональные схемы кодера и декодера. 4.2. АЧХ основных звеньев кодера и декодера; эпюры сигналов на выходах этих звеньев. 4.3. Результаты измерений виде таблиц и графиков. 4.4. Выводы по проделанной работе. 122 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1992. – 368 с. 2. Хохлов Б.Н. Цифровой декодер цветного телевизора. – Техника средств связи, 1991. – 248 с. 3. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. – М.: Радио и связь, 1988. – 224 с. 4. Новаковский С. В. Стандартные системы цветного телевидения. – М.: Связь, 1976. – 367 с. 5. Пясецкий В. В. Цветное телевидение в вопросах и ответах. – 2-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Полымя, 1994. – 380 с. 6. Самойлов В. Ф., Хромой Б. П. Основы цветного телевидения. – М.: Радио и связь, 1982. – 199 с. 7. Казанцев Г. Д., Курячий М. И., Пустынский И. Н. Измерительное телевидение. – М.: Высшая школа, 1994. – 288 с. 8. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 592 с. 9. Ткаченко А. П. Цветное телевидение. – Мн.: Беларусь, 1981. – 255 с. 10. Бродский М.А. Цветное телевидение. 2-е изд. – Мн.: Выш. шк., 1994. – 142 с.: ил.
