Разработка схем кодера PAL

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время в эксплуатации находятся три основные совместимые системы цветного телевидения - SECAM, NTSC и PAL. Независимо от типа системы датчики сигналов (телевизионные датчики, телекинопроекторы и т.п.) формируют сигналы трёх основных цветов: красного ЕR, зелёного ЕG и синего ЕB. Эти же сигналы управляют токами лучей в электронных прожекторах цветного кинескопа в телевизоре. Изменяя соотношение сигналов на катодах кинескопа, можно получить любой цветовой тон в пределах цветового треугольника, определяемого цветовыми координатами применяемых люминофоров /1/ (принципы колориметрии подробно рассмотрены в /2, 3/.

Различия между системами цветного телевидения состоят в методах получения из сигналов основных цветов так называемого полного видео сигнала, которым модулируется несущая частота в телевизионном передатчике. Такое преобразование необходимо для того, чтобы поместить информацию о цветном изображении в полосе частот черно-белого сигнала. В основе такого уплотнения спектров сигналов лежит особенность зрительного аппарата человека, состоящая в том, что мелкие детали изображения воспринимаются как неокрашенные.

Сигналы основных цветов преобразуются в широкополосный сигнал яркости ЕY, соответствующий сигналу яркости черно-белого телевидения, и три узкополосных сигнала, несущих информацию о цвете. Это так называемые цветоразностные сигналы. Они получаются вычитанием из соответствующего сигнала основного цвета сигнала яркости, например «красный» цветоразностный сигнал ЕR-Y = ЕR-ЕY. Сигнал яркости получают сложением в определенной пропорции трех сигналов основных цветов

EY = rER + gEG + bEB.

Выбор коэффициентов r, g и b определяет цвет получаемого белого. Аппаратура цветного телевидения рассчитана на использование так называемого белого С. Это цвет облачного неба. Он соответствует цвету свечения абсолютно черного тела при температуре 6500С. Люминофоры черно-белых кинескопов имеют более ''холодный'' (голубоватый) цвет свечения. Для белого С формула сигнала яркости имеет вид

EY = 0.299ER + 0.587EG + 0.114EB.

Штрихи означают, что сигналы прошли цепи -коррекции, компенсирующие искажения, вызванные нелинейной зависимостью яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала. Цветоразностные сигналы могут быть получены непосредственно из сигналов основных цветов, например

ER -Y = ER - EY = 0.701ER - 0.587EG- 0.114EB;

EB -Y = EB - EY = - 0.299ER - 0.587EG+ 0.886EB;

Рассмотренные преобразования осуществляются с помощью матричных схем, выполненных из резисторов и инверторов.

Если известны два цветоразностных сигнала, то третий может быть получен из следующего соотношения

EG -Y = - (0.299/0.587) ER -Y - (0.114/0.587) EB -Y = 0.509ER -Y - 0.194EB -Y.

кодер схема pal

Поэтому во всех цветных телевизионных системах передаются только сигналы яркости EY и два сигнала, несущие информацию о цвете, например EB -Y и ER -Y. Сигнал EG восстанавливается в приемнике.

Для передачи цветоразностных сигналов используется цветовая поднесущая частота, лежащая в пределах спектра сигнала яркости. Различия между системами цветного телевидения состоят в способах модуляции поднесущей и в тех мерах, которые приняты для уменьшения взаимных помех между цветовой поднесущей и сигналом яркости.

Первой, нашедшей практическое применение, системой цветного телевидения стала система NTSC /1/. В этой системе полный цветовой телевизионный сигнал содержит в каждой строке составляющую яркости EY и сигнал цветности, передаваемый с помощью поднесущей, частота которой соответствует 455-й гармонике полустрочной частоты и составляет 3,579545 МГц. Такое соотношение поднесущей и полустрочной частот обеспечивает снижение до минимума заметности помехи от поднесущей на окрашенных участках цветного изображения. Цветовая поднесущая модулируется в каждой строке двумя сигналами цветности. Чтобы сигналы цветности не создавали взаимных помех, в системе NTSC применена квадратурная балансная модуляция. Сигналами цветности, которые модулируют цветовую поднесущую, выбраны (в соответствии с особенностями зрительного аппарата человека и отведенной полосой частот) следующие сигналы

EI = 0.877 ER-Y cos33 - 0.493 EB-Ysin33 = 0.737 ER-Y - 0.286EB-Y;

EQ = 0.877 ER-Y sin33 + 0.493 EB-Ycos33 = 0.478 ER-Y + 0.413EB-Y.

Ширина спектра сигнала EI составляет 1,3МГц, а сигнала EQ - 0,5МГц.

Система NTSC имеет ряд достоинств. Использование осей I и Q позволяет уплотнить передаваемую информацию и обеспечить высокую цветовую четкость при относительно узкополосном канале передачи. Структура спектров сигналов яркости и цветности NTSC позволяет эффективно разделять информацию с помощью гребенчатого фильтра. Вместе с тем, системе NTSC присущи и недостатки, главным из которых является её высокая чувствительность к искажениям сигнала в канале передачи. Так как цветовая поднесущая передается в виде синусоидальной насадки на сигнале яркости EY, нелинейность в канале передачи приводит к тому, что поднесущая оказывается промодулированной по амплитуде и фазе сигналом яркости.

Искажения сигнала в виде амплитудной модуляции называются дифференциальным усилением. В результате таких искажений цветовая насыщенность ярких и тёмных участков изображения получается разной.

Искажения в виде фазовой модуляции цветовой поднесущей сигналом яркости называются дифференциально-фазовыми искажениями. Они вызывают изменения цветового тона в зависимости от яркости данного участка изображения.

Основной целью при разработке систем цветного телевидения PAL и SECAM было устранение недостатков системы NTSC.

Система SECAM в первоначальном виде была предложена в 1954 году. Основная особенность системы - поочередная, через строку передача цветоразностных сигналов с дальнейшим восстановлением в приемнике недостающего сигнала с помощью линии задержки на время строчного интервала.

Информация о цвете в системе SECAM передается с помощью частотной модуляции цветовой поднесущей. Для модуляции используются сигналы DR и DB, линейно связанные с цветоразностными сигналами

DR = -1,9ER-Y; и DB = 1,5EB-Y.

Частоты покоя цветовой поднесущей в строках B и R различны и составляют

f0B = 4250 2 кГц = 272fc;

f0R = 4406.25 2 кГц = 282 fc.

Сигналы EY, DR и DB в кодирующем устройстве формируются из сигналов основных цветов с помощью матрицы. Как и в любой системе с частотной модуляцией, для уменьшения влияния шумов модулирующие сигналы подвергаются низкочастотным предыскажениям, кроме того, модулированная поднесущая проходит цепь высокочастотных предыскажений, которая уменьшает амплитуду поднесущей при отсутствии модуляции, что снижает помехи от поднесущей на экране телевизора.

Так как в системе SECAM сигналы цветности передаются поочередно через строку, а в приемнике недостающий сигнал восстанавливается с помощью линии задержки, то цветовая четкость по вертикали снижается вдвое. Применение частотной модуляции и амплитудных ограничителей в канале цветности приемника обуславливает малую чувствительность данной системы к действию искажений типа ''дифференциальное усиление''.

Невелика чувствительность и к дифференциально-фазовым искажениям. На цветовых полях, где яркость постоянна, дифференциально-фазовые искажения в системе SECAM никак не проявляются.

Совершенно иной результат получается на цветовых переходах, где сигнал яркости меняется скачком или плавно. В этом случае в области цветового перехода возникает паразитное приращение частоты поднесущей. Так как знаки девиации частоты в сигналах UR и UB различны, искажения демодулированных цветоразностных сигналов имеют разную полярность. Чем больше скорость изменения сигнала EY, тем большими получаются искажения цветоразностных сигналов на переходах. На экране телевизора эти искажения проявляются как цветные окантовки или тянущиеся продолжения на переходах. Допуск на искажения типа ''дифференциальная фаза'' в канале SECAM составляет около 30, т.е. в 6 раз шире, чем в системе NTSC /1/.

Система PAL /1/. разработана фирмой " Телефункен " в 1963 году. Целью создания системы PAL было устранить основной недостаток системы NTSC - чувствительность к дифференциально - фазовым искажениям. В дальнейшем выяснилось, что система PAL имеет ряд преимуществ, которые первоначально не казались очевидными.

В системе PAL применена квадратурная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. В качестве модулирующих сигналов использованы E'V = 0,877 . E'R-Y и E'U = 0,493 . E'B-Y. Фаза составляющей UU одинакова в каждой строке. Составляющая UV, например, на четных строках положительна, а на нечетных - отрицательна. Геометрическая сумма векторов Uu и Uv образует сигнал цветности. Как и в системе NTSC, амплитуда суммарного вектора соответствует насыщенности передаваемого участка изображения, а его фаза (угол между этим вектором и осью B-Y) определяет цветовой тон. Если в системе NTSC при передаче цветового поля угол постоянен, то в системе PAL его знак меняется каждую строку. Отсюда и название системы ''Строки с переменной фазой'' (Phase alternation line). Для восстановления в приемнике подавленной цветовой поднесущей предусмотрена передача в интервале гашения по строке вспышки поднесущей. Вспышка состоит из десяти периодов цветовой поднесущей. В отличие от NTSC фаза вспышки не совпадает с осью B-Y, а сдвинута относительно нее на угол 45. Знак этого угла инвертируется от строки к строке одновременно с инвертированием знака составляющей UV. Изменение знака фазы вспышки является информацией о знаке составляющей UV.

Наиболее часто используемый вариант декодера сигнала цветности PAL - с линией задержки. Задержанный сигнал цветности складывается с прямым сигналом и вычитается из него. При сложении составляющие UV подавляются (т.к. эта составляющая инвертируется от строки к строке), а амплитуды составляющих UU удваиваются. При вычитании - подавляются составляющие UU, а удваиваются амплитуды составляющих UV. Поэтому уже на выходе блока задержки, составляющие UU и UV полностью разделяются, что исключает возможность появления перекрестных искажений в последующих цепях. Эта особенность является важнейшим преимуществом системы PAL по сравнению с системой NTSC.

Таким образом, дифференциально-фазовые искажения не вызывают в канале цветности PAL искажений демодулированных сигналов, соответствующих нарушению цветового тона, а лишь уменьшают насыщенность изображения. Аналогичные искажения получаются, если опорная поднесущая восстанавливается в генераторе с неправильной фазой. Если считать допустимым уменьшение размахов демодулируемых сигналов до 0,9 от номинального значения, то допуск на фазу опорного сигнала составит arccos0.9 = 26. В системе NTSC фазовая ошибка генератора опорной поднесущей не должна превышать 10.

Не проводя подробного анализа, отметим /4/, что система PAL малочувствительна к асимметрии полосы пропускания канала цветности. Поэтому нет необходимости прибегать к использованию осей I и Q, как в системе NTSC.

Система PAL имеет преимущества по отношению к системе NTSC и в части влияния шумов. Как уже было показано, на выходах блока задержки выделяются удвоенные амплитуды составляющих. Эти искажения зависят от выбора частоты цветовой поднесущей. Если, как в системе NTSC, принять частоту поднесущей равной нечетной кратной полустрочной частоты, то мешающий рисунок от нее будет наименее заметным для составляющей UU, которая не коммутируется. Для составляющей UV из-за ее инвертирования этот выбор частоты оказывается неоптимальным, и наименьшие помехи на изображении получаются, когда частота поднесущей кратна строчной частоте. В системе PAL пошли на компромисс между двумя этими условиями и выбрали частоту поднесущей равной сумме нечетной кратной четвертьстрочной частоты и частоты кадров

fpal =1135fстр/4 + f к = 4,43361875 МГц.



Слагаемое fк учитывает чересстрочность развертки и обеспечивает чередование на соседних полях в одном и том же месте растра темных и светлых точек, составляющих помеху от поднесущей, что уменьшает ее заметность.

Для выбранного значения частоты поднесущей длительность периода ее колебания составляет Тpal=225,5494 нс.

Рассмотрим еще один вид искажений, которые могут возникать в канале цветности PAL. Если генератор опорной поднесущей работает правильно и его выходной сигнал совпадает по фазе с осью R-Y, из-за неточности фазовращателя опорный сигнал, поступающий на синхронный детектор сигнала EB-Y, не будет совпадать с осью B-Y. Эта ошибка называется неточностью квадратуры. В приемнике NTSC такая ошибка создает перекрестные искажения между двумя сигналами цветности. В блоке задержки PAL составляющие UV и UU полностью разделяются. Поэтому неточность квадратуры вызовет лишь уменьшение размаха демодулированного сигнала в cos раз. Допустимое значение составляет 26.

Таким образом, в системе PAL благодаря коммутации на передающей стороне фазы составляющей UV и использованию в приемнике блока задержки фазовые погрешности в большинстве цепей канала цветности могут быть существенно увеличены по сравнению с каналом NTSC. Уменьшение чувствительности к фазовым погрешностям достигается за счет усреднения сигналов цветности в двух последующих строках, что приводит к понижению вертикальной четкости в два раза по сравнению с NTSC. Эта особенность является недостатком системы PAL.

Вид полного цветового телевизионного сигнала, а также его спектр для трех рассмотренных систем цветного телевидения приведены в Приложении А.

Ознакомимся с параметрами цифровых телевизионных сигналов на основании рассмотрения ряда общих принципов построения систем и устройств цифрового телевидения и процессов, происходящих в цифровом телевизионном тракте /5/.

Непрерывный аналоговый телевизионный сигнал несет информацию об отдельных элементах изображения и может принимать любое значение, например, от 0 до 1 В. При формировании цифрового ТВ сигнала каждому отсчету соответствует группа импульсов, которые могут иметь только два значения: 0 или 1. Из этого вытекает главное преимущество цифровой формы представления - высокая помехозащищенность, объясняющаяся тем, что на приемной стороне не столь существенны искажения формы отдельных импульсов, а важно только обнаружить, передавался в заданный момент времени импульс или нет. Решить такую задачу легче, чем обеспечить неискаженную передачу формы аналогового сигнала.

Первым шагом на пути унификации и стандартизации параметров вещательных систем цифрового телевидения можно считать разработку в МККР. Рек. 601 /6, 7, 8/, в которой приводятся значения основных параметров цифрового кодирования ТВ сигнала для аппаратно-студийных комплексов (АСК) телецентров, работающих со стандартом развертки как 625 (50 полей в секунду), так и 525 строк (60 полей в секунду).

В АСК предусматривается раздельное кодирование сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов. Исходя из того, что для получения телевизионных изображений высокого качества нужно иметь полосу частот сигнала яркости около 6 МГц, частота дискретизации должна несколько превышать 12 МГц, а ее номинальное значение нужно выбирать с учетом необходимости получения ортогональной структуры отсчетов на ТВ изображении. Последнее выдвигает требование, чтобы частота дискретизации была кратна строчным частотам систем с разверткой на 525 и 625 строк.

Наименьшее кратное строчных частот fстр(625) =15625 Гц и fстр(525)= 15734,26573 Гц соответствует 2,25 МГц = 143fстр(525) = =144fстр(625). Для дискретизации сигнала яркости выбрана частота 13,5МГц = 2,256 МГц. Унифицирована длительность цифровой активной части строк в двух системах развертки - на нее приходится одинаковое число отсчетов. Для сигнала яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигналов по 360.

С учетом необходимости образования фиксированной структуры отсчетов выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яркости, то есть 6,75 МГц. Поэтому рассмотренный стандарт цифрового кодирования условно обозначают 4 : 2 : 2, что отражает двоичное соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. Для передачи цветового ТВ сигнала с высоким качеством необходимо примерно 256 уровней квантования. Используют линейное восьмиразрядное кодирование сигнала яркости и каждого цветоразностного сигнала.

1. Анализ технического задания и зазработка структурной схемы кодера PAL

1.1 Анализ технического задания

В соответствии с техническим заданием необходимо разработать цифровой кодер PAL - устройство, формирующее полный цветовой телевизионный сигнал системы цветного телевидения PAL. В качестве входных сигналов заданы следующие

- цифровые, восьмиразрядные, дискретизированные с частотой 6,75 МГц первичные RGB - сигналы, подвергнутые гамма коррекции;

- строчный синхронизирующий сигнал;

- сигнал яркости ЕY;

- полный телевизионный синхронизирующий сигнал.

Так как сигналы основных цветов представлены в цифровой форме - нет необходимости рассматривать этап их аналого-цифрового преобразования, то есть дискретизацию и квантование, что существенно облегчает задачу. Кроме того, формирование сигнала строчной синхронизации, кадровой синхронизации, а так же строчных и кадровых гасящих импульсов, в связи с их присутствием во входных сигналах, в разрабатываемом устройстве производиться не будет. Сигнал яркости ЕY , как и предыдущие, формировать, в соответствии с техническим заданием, нет необходимости. Этот факт предполагает упрощение матрицирующего устройства, по сравнению с аналогичными устройствами.

Таким образом, задачей является формирование следующих сигналов

- сигналов цветности ЕU и ЕV , которыми в последствии будет модулироваться цветовая поднесущая;

- сигнала опознавания цветности: вспышка из десяти периодов цветовой поднесущей, расположенная в интервале строчного гашения, через 5,6 мкс после фронта строчного синхронизирующего сигнала.

Кроме того, необходимо сформировать колебание с частотой, равной частоте поднесущей цветности PAL, которая составляет

fpal = 4.43361875МГц.

Модуляция цветовой поднесущей - квадратурная, с изменением фазы сигнала V через строку на 180. Следовательно, понадобится сигнал с частотой в два раза меньшей частоты строк для управления инверсией фазы.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что устройство, которое в соответствии с техническим заданием предстоит разработать, корректней было бы назвать формирователем сигнала цветности по стандарту PAL, так как оно фактически таковым и является.

При анализе литературы были найдены два устройства, которые можно считать аналогами разрабатываемого цифрового кодера PAL, это формирователь сигнала цветности, входящий в состав генератора телевизионных испытательных сигналов ''ЛАСПИ ТТ-03''/9/, и кодер PAL для генератора ''Видеотест - 2М'' /10/. Проведем сравнительный анализ этих устройств.

Недостатком, присущим обоим аналогам, является малая разрядность (всего лишь один разряд на отсчет) первичных сигналов. Это ограничивает количество возможных комбинаций сигналов (их кодов) на входе матрицирующего устройства до восьми, что в свою очередь приводит к такому же количеству возможных кодовых комбинаций сигнала цветности PAL, иными словами, количество цветов, которые можно получить, используя данные устройства равно 8. В то время как разрабатываемое устройство должно обеспечить возможность формирования (224) 16777216-ти цветов.

Рассмотрим теперь способы, используемые в данных устройствах для формирования сигнала опознавания цветности. В кодере PAL генератора ''Видеотест - 2М'' для формирования импульса заданной длительности (2,26мкс), задержанного относительно строчного синхронизирующего импульса на 5,6мкс используются два одновибратора, таким образом, необходимые временные интервалы в рассматриваемой схеме формируются с помощью RC-цепочек - их постоянной времени, которая обладает довольно высокой нестабильностью (из-за зависимости величин сопротивления и емкости от многих факторов: частоты сигнала, температуры и влажности воздуха, и т.п.), что нельзя отнести к достоинствам этого устройства. Эти же временные интервалы в разрабатываемом устройстве формируются с помощью счетчиков импульсов с заданным коэффициентом пересчета, таким образом, точность выдержки временных интервалов повышается до половины периода повторения счетных импульсов, что составляет, в данном конкретном случае, 0,05 мкс и вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа, в котором допуск на точность формирования этих временных интервалов составляет 0,2 мкс /11/.

Еще одним недостатком, присущим обоим аналогам, являются используемые в них цифро-аналоговые преобразователи и сумматоры на резистивных матрицах. При таком схемном решении, взаимное влияние различных разрядов кодовой комбинации подлежащей преобразованию цифра - континуальный сигнал довольно велико. Что касается разрабатываемого цифрового кодера PAL - АЦП будет выполнен на ИМС (К1118ПА3), а наличие цифровых сумматоров и перемножителей не предполагается, ввиду реализации алгоритма квадратурного формирования сигнала цветности PAL мультиплексированием /12 /.

Итак, после проведенного сравнительного анализа, можно сделать вывод о превосходстве разрабатываемого устройства по многим, влияющим на качество изображения, параметрам над аналогами, а, следовательно, и о целесообразности проекта.

Разработка структурной схемы цифрового кодера PAL

Рассмотрим структурную схему стандартного кодирующего устройства PAL /5/.

Cигнал цветности в системе PAL передается путем квадратурной модуляции поднесущей (балансные модуляторы БМ1 и БМ2), однако фаза одного из модулированных сигналов поочередно изменяется от строки к строке на 1800 (коммутатор «К»). При этом в смежных строках передаются два комплексно_сопряженных сигнала.

Структурная схема разрабатываемого цифрового кодера PAL приведена на рисунке 1.2 /12/. На вход цифрового матрицирующего устройства подаются, подвергнутые - коррекции, оцифрованные сигналы трех основных цветов: красного, зелёного и синего (RGB). На выходе матрицирующего устройства формируются цветоразностные сигналы, которые поступают на мультиплексоры. Мультиплексоры фактически выполняют функцию сумматоров, с помощью которых в сигнал, который в последствии будет модулировать цветовую поднесущую, замешиваются сигналы опознавания цветности, необходимые для восстановления цветовой поднесущей телевизионным приемником. Сигнал опознавания цветности представляет собой определенный цифровой код, который с помощью схемы формирования сигнала опознавания цветности в нужный момент (на задней площадке строчного гасящего импульса) поступает на цифровой квадратурный модулятор. Работа цифрового квадратурного модулятора описана в /12/ и будет более подробно рассмотрена при разработке функциональной схемы цифрового кодера PAL, а сейчас лишь отметим, что для его работы необходимо сформировать сигналы управления, которые должны изменяться с частотой равной 4.fpal. Меандр данной частоты в уровнях ТТЛ формируется опорным генератором (ОГ) с кварцевой стабилизацией. Результатом работы цифрового квадратурного модулятора является сигнал цветности PAL, который после цифро-аналогового преобразования и фильтрации суммируется с сигналом яркости Ey и синхронизирующим телевизионным сигналом.

Формирование сигналов яркости и синхронизирующего сигнала, в соответствии с техническим заданием, не рассматривается. То есть формируется сигнала цветности PAL, а не полный цветовой телевизионный сигнал системы PAL.

2. Разработка функциональной схемы кодера PAL

Функциональная схема кодера приведена на рисунке 2.1. Входные регистры служат для снижения частоты дискретизации первичных сигналов трех основных цветов с 6.75 МГц до 4.44 МГц, что соответствует частоте цветовой поднесущей fpal. Такое понижение частоты необходимо для того, чтобы квадратурное формирование сигналов цветности можно было осуществить мультиплексированием, которое, для получения сигнала на выходе с частотой fpal, должно производиться с учетверенной частотой /12/.

Далее пять старших разрядов каждого из 8-ми разрядных RGB-сигналов поступают на матрицирующее устройство, которое выполнено на двух ППЗУ. Обнуление трех младших разрядов каждого из входных сигналов, безусловно, влечет за собой, появление некоторой погрешности. Но если использовать все восемь разрядов, то необходимо применять очень дорогостоящие ППЗУ, емкость каждого из которых должна составлять (224) 16384 кБ. Правда, можно обойтись одним ППЗУ в два раза большей емкостью, но в этом случае его быстродействие должно быть таким, что в качестве тактовой можно было бы использовать частоту 17,734 МГц, что не делает этот вариант более доступным с точки зрения элементной базы, чем предыдущий. Итак, такое усечение динамического диапазона входных сигналов значительно упрощает практическую реализацию разрабатываемого устройства, и именно поэтому имеет место быть. В каждом ППЗУ хранятся двухбайтные слова, соответствующие цветоразностным сигналам Е'U и Е'V. Адрес ячейки ППЗУ, из которой необходимо прочитать слово в данный момент задается входными RGB-сигналами. Численные значения цветоразностных сигналов в десятичной системе счисления рассчитываются по следующим формулам

EV = 0.71. 0.877 . (0.701 . ER - 0.587 . EG - 0.114 . EB)8 + 128 ,

EU = 0.71. 0.493 . (-0.299 . ER - 0.587 . EG +0.886 . EB)8 + 128 .

Вывод этих формул будет приведен при расчете принципиальной схемы матрицирующего устройства.

Формирование цветоразностных сигналов с помощью, например, дискретных ИМС, а не ППЗУ, значительно затрудняет задачу и приводит к увеличению числа элементов (корпусов) более чем в два раза.

Сигналы с выхода ППЗУ поступают на входы регистров, в которых они ''защелкиваются'' для предотвращения их ''дрожания''. Далее сигналы цветности Е'u и Е'v поступают на мультиплексоры, в которых к ним, в нужное время (на задней площадке строчного гасящего импульса) добавляется двоичный код, соответствующий огибающей вспышки цветовой поднесущей. Этот код заранее рассчитывается из параметров аналоговых телевизионных синхронизирующих сигналов и задается статически. Временной интервал, в течение которого этот код поступает на выход мультиплексора, формируется в схеме формирования сигнала опознавания цветности, в которую входят формирователь импульсов (ФИ), RS-триггер и формирователь кода огибающей вспышки цветовой поднесущей (ФК). ФИ представляет собой счетчик импульсов и несколько элементов логического умножения. Логические элементы выполняют роль ключа, который замыкается и размыкается в те моменты времени, когда на выходе счетчика появляются коды, соответствующие определенному числу импульсов, пришедших на его вход (т.е. по истечении определенных интервалов времени ). Таким образом, ФИ и D-триггер формируют ''временные ворота'' с длительностью равной десяти периодам цветовой поднесущей, расположенные на задней площадке строчного гасящего импульса, для чего на ФИ подается последовательность ССИ, от которых ведется отсчет времени. Итак, на выходе мультиплексоров формируются сигналы, которые можно использовать для модуляции цветовой поднесущей.

Для пояснения принципа работы цифрового квадратурного модулятора рассмотрим алгоритм квадратурного формирования сигнала цветности PAL /12/.

Процесс кодирования по системе PAL описывается выражением

Е'pal = Е'u cos pal t Е'v sin pal t ,

Е'u , Е'v - сигналы цветности PAL ;

pal - круговая частота поднесущей цветности PAL.

Частота поднесущего колебания постоянна, поэтому его фаза = palt растет линейно. Благодаря тому, что тригонометрические функции имеют период 2, можно ограничиться использованием фазы поднесущего колебания в диапазоне 0 - 2. Это позволяет реализовать формирователь фазы поднесущего колебания в виде генератора тактовой частоты (ОГ).

Далее рассмотрим следующие допущения

- колебание поднесущей частоты pal формируется по четырем отсчетам за период сигнала;

- фазы отсчётов поднесущей частоты имеют значения 0, /2, , 3/2 (начальная фаза при взятии выборок равна нулю).

Эти допущения корректны, так как частота дискретизации удовлетворяет теореме Котельникова, а начальная фаза поднесущего колебания не оговаривается в стандартах.

Рассмотрим дискретный сигнал на выходе формирователя сигнала цветности PAL. При тактовой частоте 4pal период дискретизации составляет

= 2/4pal = /2pal.

Следовательно дискретная фаза равна

n = pal n = n /2



n = 0 ... 3 - номер отсчета.

Таким образом получаем

Е'pal = Е'u (n) cos (n /2) Е'v (n) sin (n /2).

Это выражение можно интерпретировать следующим образом. При указанных выше условиях cos и sin принимают фиксированный набор значений: 1, 0, -1, 0 и 0, 1, 0, -1 соответственно. Следовательно, нет необходимости формировать (обычно с помощью ПЗУ) sin, cos, и производить операцию умножения - эти функции могут выполнить два инвертора, а с учетом того, что одно из значений cos или sin для каждого конкретного отсчета равно нулю, схема упрощается до одного мультиплексора, на вход которого подаются прямые и инверсные отсчеты (частота переключения мультиплексора равна 4 pal).

Таким образом, структура цифрового квадратурного модулятора принимает вид, показанный на рисунке 2.2.

В данной структуре мультиплексирование производится с частотой 4fPAL. Сигналы управления мультиплексором, представляют собой двоичный код, задающий один из входов мультиплексора, сигнал с которого должен быть пропущен на выход.

Эти сигналы (управления) формируются в схеме управления, которая состоит из D-триггера и реверсивного счетчика импульсов. D-триггер в этой схеме используется как делитель частоты на 2. На его вход подается последовательность строчных синхроимпульсов, а с его выхода снимается меандр полустрочной частоты, который поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика. Таким образом, в течение одной строки изменение кода на выходе реверсивного счетчика (т.е. последовательность мультиплексирования) происходит в одной последовательности, а в течение следующей строки - в другой. За счет этого реализуется инверсия фазы сигнала цветности UV от строки к строке.

Таким образом, по сравнению со стандартным методом формирования сигналов цветности, кодированных по системе PAL, структура стала значительно проще. Нет необходимости в применении сумматора и аналоговых балансных модуляторов, требующих тщательной настройки для обеспечения достаточного подавления поднесущей. Кроме того, за счет реализации алгоритма квадратурного формирования сигналов цветности мультиплексированием прямых и инверсных сигналов цветности /12/, удалось уйти от использования сумматоров и перемножителей, которые, в случае их использования, должны обладать достаточно высоким быстродействием.

3. Разработка принципиальной схемы кодера

3.1 Расчет схемы электрической принципиальной цифрового матрицирующего устройства.

Рассмотрим систему обозначений сигналов, принятую в цифровом телевидении /5/. Вначале отметим, что сигнал яркости E'Y и оба цветоразностных сигнала E'R-Y и E'B-Y, как и в аналоговом ТВ получают матрицированием сигналов датчиков основных цветов.

Рассмотрим значения ТВ сигналов, получаемых при передаче черного, белого, основных и дополнительных цветов единичной насыщенности и яркости. Диапазон изменения сигнала яркости E'Y = 0...1 Цветоразностные сигналы E'R-Y и E'B-Y изменяются в диапазоне от -0,701 (голубой) до 0,701 (красный) и от -0,886 (желтый) до 0,886 (синий).

При разработке функциональной схемы было принято решение использовать в качестве матрицирующего устройства - ППЗУ, на адресные входы которого поступают входные RGB-сигналы. Таким образом, встает задача расчета кодовых слов, которые необходимо '' зашить '' в ППЗУ.

Известно /13/

При линейном восьмиразрядном кодировании имеется 28 (т.е. 256) равномерно размещенных уровней квантования, что соответствует эквивалентным десятичным числам 0 - 255 включительно. Уровни 0 и 255 зарезервированы для сигналов синхронизации, а уровни 1 - 254 выделены для сигналов изображения. При цифровом кодировании обычно не используют полный динамический диапазон АЦП, если существует опасность его превышения в процессе эксплуатации. Ограничение диапазона цифровых значений сигнала эквивалентно амплитудному ограничению входного аналогового входного сигнала или его искажению /5/.

Поэтому для сигнала яркости выделено 220 уровней. Уровню черного и номинальному уровню белого соответствуют уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается рабочий запас в 16 уровней снизу и 20 уровней сверху. Это различие учитывает неодинаковость восприятия на черном и белом, которая может проявиться при ограничении диапазона цифровых значений сигнала.

Для каждого цветоразностного сигнала выделяется 225 уровней в центральной части шкалы (16 - 240), причем нулевому уровню сигнала соответствует 128, т.е. используется двоичное кодирование со смещением.

Символ «int» обозначает целую часть числа. Так как, на адресные входы ППЗУ подаются только пять старших разрядов каждого 8-ми разрядного сигнала основного цвета, то в формуле эти сигналы (их значения) умножаются на 8, что аналогично сдвигу на 3 разряда влево в двоичной системе счисления.

Для проведения расчетов по полученным формулам была разработана программа. Программирование осуществлялось в среде Turbo Pascal 7.0. Программа приведена в Приложении Б. Результатом выполнения этой программы являются два файла (EU.txt и EV.txt по 32кБ каждый) в которых хранятся соответствующие двухбайтные слова.

После проведения анализа доступной элементной базы /14, 15, 16, 17, 18/ было принято решение использовать две (по одной для каждого из цифровых цветоразностных сигналов) микросхемы M27C256B фирмы SGS-THOMSON MICROELECTRONICS. Эта микросхема обладает достаточной разрядностью адресного входа (15 разрядов) и вполне приемлемым для нормальной работы кодера временем доступа.

Приведем основные параметры

- емкость: 32 кБ;

- время доступа: 45 нс.;

- напряжение питания: 5 В;

- ток потребления: 30 мА.



Разработка принципиальной схемы

С целью формирования учетверенной частоты поднесущей сигнала цветности PAL использован генератор (DD4.1, DD4.2, DD4.3, R1, R2, R3, ZQ1) /15/ на 17,734 МГц. Частота поднесущей цветности формируется путем деления частоты уже сформированного колебания на четыре. Делитель выполнен на двух D-триггерах DD12.1 и DD12.2, каждый из которых включен по схеме делителя на два /15/. Так как, используется микросхема типа К555ТМ2, имеющая инверсные установочные вход, эти входы через резистор сопротивлением 1кОм подключены к плюсовому проводу источника напряжения 5В.

Схема электрическая принципиальная цифрового кодера PAL приведена в приложении В.

Входные регистры DD1, DD2 и DD3 служат, как уже говорилось при разработке функциональной схемы, для снижения частоты дискретизации входных сигналов до 4.43 МГц (именно с такой частотой поступают импульсы на тактовые входы этих регистров). Назначение регистров DD10 и DD11 так же описано в главе 2, поэтому, скажем лишь то, что были применены микросхемы КР1533ИР23 и перейдем к рассмотрению схемы формирования сигнала опознавания цветности.

Схема формирования сигнала опознавания цветности включает в себя два RS-триггера (DD5 - К555ТМ2), схему совпадения (DD6 -К155ЛИ1), два счетчика (DD9 и DD1793 - КМ155ИЕ5) и два трехвходовых элемента (DD14 - К155ЛА4).

На установочный вход, для которого активный уровень низкий, RS-триггера (DD5.1) через инвертор (DD4.4) поступает строчный синхроимульс. В результате этого, на одном входе схемы совпадения (DD6.1) устанавливается «1» и импульсы с частотой fPAL , поступающие на второй вход схемы совпадения проходят на счетный вход счетчика импульсов (DD9). С помощью схемы совпадения (DD6.2) коэффициент пересчета счетчика устанавливается равным 5. Таким образом, каждый пятый импульс, приходящий на счетчик DD9 поступает на счетный вход счетчика DD13. Когда количество этих импульсов равно пяти (двоичный код пятерки: 101), на выходе трехвходового элемента (DD14.1) устанавливается уровень нуля, что приводит к появлению уровня, соответствующего единице, на выходе RS-триггера (DD5.2). Коэффициент пересчета счетчика (DD13) устанавливается с помощью трехвходового элемента (DD14.2) и инвертора (DD4.6) равным семи (двоичный код: 111). Таким образом, после прихода седьмого импульса на счетчик (DD13), на выходе RS-триггера (DD5.2) устанавливается уровень нуля. Кроме того, этим импульсом «переварачивается» RS-триггер (DD5.1), закрывая поступление импульсов на счетный вход счетчика (DD9) до прихода следующего строчного синхронизирующего импульса. Таким образом, на выходе RS-триггера (DD5.2) формируется импульс длительностью

5(7-5)ТPAL=10ТPAL=2,26 мкс,

отстоящий от строчного синхронизирующего импульса на

55ТPAL=25ТPAL=5,65 мкс.

Точность формирования составляет при этом 0,05 мкс, в то время как ГОСТом допускается 0,2 мкс /11/.

Этот импульс переключает мультиплексоры DD15 - DD18 (микросхемы К555КП11) так, что на их выходах появляется код огибающей вспышки поднесущей. Этот код задается статически с помощью резисторов R4 - R9 и общего провода. Таким образом, на выходе мультиплексоров DD15 - DD18 сформирован сигнал, который можно подавать на цифровой квадратурный модулятор.

Рассмотрим реализацию схемы управления цифровым квадратурным модулятором, в состав которой входят RS и D-триггер (DD23.1 и DD23.2 - микросхема К555ТМ2), четыре элемента (DD24 - микросхема К155ЛА3) и реверсивный счетчик DD28 (микросхема К155ИЕ7).

Сигналы подаются на квадратурный модулятор таким образом, что последовательность сигналов (кодов) управления в течение одного периода поднесущей частоты в двух соседних строк должны изменяться периодически следующим образом:

00, 01, 10, 11, и 10, 01, 00, 11.

Как видно, первая последовательность может быть получена на выходе суммирующего счетчика импульсов, при подаче на его вход меандра частотой 4fPAL. Вторую последовательность можно получить на выходе вычитающего счетчика. Применение реверсивного счетчика, смена направления счета которого производится по приходу строчного синхронизирующего импульса, позволяет сформировать обе необходимые последовательности кодов управления модулятором. Реализуется это следующим образом.

На вход С D-триггера, включенного по схеме делителя на два, подается последовательность строчных синхронизирующих импульсов, а с его выхода Q снимается меандр с периодом 2Н (128 мкс) управляющий впоследствии направлением счета реверсивного счетчика. Элементы (DD24.1 и DD24.1) вместе с RS-триггером (DD23.2) выполняют роль ключа, который «разрешает» производить изменение направлением счета только при наличии единицы в младшем разряде выходного кода реверсивного счетчика, иначе формируемые последовательности могут отличаться от заданных. В тоже время, RS-триггер (DD23.2) в совокупности с двумя элементами (DD24.3 и DD24.4) представляет собой схему управления направлением счета реверсивного счетчика (DD28), который имеет два счетных входа: суммирующий и вычитающий. На вторые входы элементов (DD24.3 и DD24.4) подается сигнал частотой 4fPAL с выхода генератора. Последовательности, получаемые на двух младших разрядах выходного кода реверсивного счетчика, используются для управления квадратурным модулятором.

Переходя к рассмотрению реализации цифрового квадратурного модулятора, отметим, что формирование инверсного кода цветоразностных сигналов производится не с помощью инверторов, как это показано на функциональной схеме, а с использованием управляемых инверторов (сумматоров по модулю два). Это позволяет подавать на мультиплексоры (в составе модулятора) прямые и инверсные последовательности по одному «каналу». Таким образом, достаточно двух мультиплексоров, в то время как было необходимо - четыре.

Сам алгоритм квадратурного формирования сигнала цветности PAL мультиплексированием был подробно рассмотрен при разработке функциональной схемы кодера. Отметим, что на управляемые инверторы (DD19 - DD22, микросхемы К555ЛП5), имеющие по два входа, подаются поразрядно сигналы цветности, в которые «замешаны» сигналы опознавания цветности, а на вторые входы управляемых инверторов поступает последовательность импульсов, сформированная в схеме управления квадратурным модулятором (выход Q1 счетчика DD28).

Последовательностью переключения мультиплексоров DD25 и DD26 (К555КП11) управляет младший разряд счетчика DD28 (выход Q0). Таким образом, на входе цифро-аналогового преобразователя DD27 (К1118ПА3) сформирован цифровой сигнал цветности PAL.

После преобразования код - континуальный сигнал производится ограничение спектра полученного колебания. Для этого используется фильтр нижних частот с частотой среза 6 МГц, и «фильтр-пробка» на частоту 17,734 МГц, что соответствует частоте дискретизации сигнала, подвергнутого цифро-аналоговому преобразованию /12 /.

Сигнал цветности, далее, складывается с сигналом яркости и полным телевизионным синхронизирующим сигналом (сумматор выполнен на транзисторе VT1 /14,19/), которые заданы как входные.

Таким образом, на коллекторе транзистора VT1 сформирован полный цветовой телевизионный сигнал, кодированный по стандарту PAL, следовательно, задачу, поставленную в техническом задании, можно считать решенной.

4. Экспериментальное исследование характеристик устройства

Целью проведения экспериментального исследование было снятие временных характеристик следующих функциональных узлов цифрового кодера PAL: генератора опорного колебания, схемы формирования сигнала опознавания цветности и схемы управления цифровым квадратурным модулятором.

Для исследования эти функциональные блоки были выбраны в связи с тем, что именно от правильности их работы зависит и правильность работы всех остальных блоков разработанного устройства и, как следствие, вообще работоспособность кодера.

Как сказано выше, проводились измерения только временных соотношений. Обосновывается это тем, что исследуемое устройство является цифровым и собрано на элементной базе, работающей в уровнях ТТЛ, таким образом, снятие разного рода амплитудных характеристик устройства в целом или его отдельных функциональных блоков не представляет интереса. Главное - чтобы уровни формируемых сигналов правильно воспринимались самим кодером, а об этом, то есть о работоспособности устройства в целом, можно судить по временным соотношениям, которые и исследовались в рамках экспериментальной части данного дипломного проекта.

Приведем схему экспериментальной установки, на которой проводились исследования.

В ходе проведения эксперимента использовались следующие приборы и устройства

- генератор импульсов Г5-54;

- источник напряжения питания ИПС-1;

- осциллограф С1-81;

- цифровой кодер PAL.

Источник напряжения ИПС-1 применялся для подачи на кодер напряжения питания, которое должно составлять (для ТТЛ) 5В. Диапазон возможных выходных напряжений этого источника напряжения можно изменять от 0 до 15 В (пульсации выходного напряжения эффективное: не более 5 мВ), таким образом, применение данного источника напряжения в качестве источника питания вполне обоснованно.

Генератор импульсов Г5-54 использовался для формирования последовательности импульсов длительностью 4,7 мкс, с периодом следования 64 мкс, что соответствует последовательности строчных синхронизирующих импульсов, которая, в соответствии с техническим заданием, была определена как входной сигнал кодера. Кроме того, эта же последовательность подавалась на вход внешней синхронизации осциллографа, для проведения измерений в этом режиме.

Оговоримся, что измерение всех временных интервалов, в том числе и параметров формируемой генератором Г5-54 последовательности импульсов, проводилось с помощью осциллографа, именно по этому погрешность формирования данной последовательности (то есть погрешность генератора) сейчас не рассматривается, а будет оценена позже - при оценке погрешностей полученных результатов.

Сигналы на осциллограф подавались при использовании выносного делителя напряжения 1:10, с погрешностью 3%.

Первым проводилось измерение частоты вырабатываемого опорным цифровым генератором (с кварцевой стабилизацией) сигнала (осциллограмма 1: DD4.3 н.6). Кварцевый резонатор был настроен на частоту 17,734 МГц, которой соответствует период 56,4 нс.

Нужно сказать, что результат этого измерения имеет наибольшую погрешность , в связи с тем, что наименьший множитель развертки по горизонтали используемого осциллографа составляет 0,1 мкс/деление (см). То есть, «растянуть» измеряемый период, который по предварительной оценке должен составлять порядка 0,05 мкс, до размеров, при которых возможно более-менее точное снятие результата, не представлялось возможным.

Приведем некоторые паспортные данные на осциллограф С1-81

- геометрические искажения в рабочей части экрана: 1,5%;

- погрешность калиброванных коэффициентов развертки на её рабочей части, измеренная по горизонтальной оси экрана на превышает

а) основная в нормальных условиях 4%;

б) в рабочих условиях 8%.

Осциллограмма 2 (DD28 н.3) представляет собой один из сигналов управления цифровым квадратурным модулятором, и является фактически результатом деления частоты выходного колебания цифрового опорного генератора (осциллограмма 1) на два. Период повторения импульсов составляет 112 нс, что вполне совпадает с расчетным значением 2/17,734106=112,8 нс.

Осциллограмма 3 (DD28 н.2) представляет собой второй сигнал управления цифровым квадратурным модулятором, и является фактически результатом деления частоты выходного колебания цифрового опорного генератора (осциллограмма 1) на четыре, с той лишь разницей, что в момент прихода строчного синхроимпульса, когда производится смена направления счета реверсивного счетчика разрядом Q1 выходного кода которого и является исследуемая последовательность, появляется один интервал длительностью 0,75Т (Т = 4/17,734106 = 225,6 нс), а не 0,5Т в течение которого присутствует уровень единицы. Отследить этот участок на экране осциллографа не удается, так как для этого необходимо засинхронизировать опорный генератор в составе кодера, с генератором строчных синхронизирующих импульсов, что не представляется возможным.

Подводя итог рассмотрения первой группы проведенных измерений, отметим, что они проводились в ждущем режиме синхронизации осциллографа, множитель развертки осциллографа оставался в одном и том же положении, таким образом, полученные осциллограммы согласованы между собой по времени, и описанные выше временные соотношения легко оценить визуально.

Переходя ко второй группе измерений, отметим, что они проводились в режиме внешней синхронизации осциллографа, которая осуществлялась сигналом строчной синхронизации (выход генератора Г5-54). Измерения проводились именно в этом режиме, так как интерес представляют не только временные характеристики формируемых последовательностей, но и их положение на временной оси относительно строчного синхронизирующего импульса.

На осциллограмме 4 (DD4.4 н.9) приведена собственно последовательность строчных синхроимпульсов, длительность которых составляет 4,7 мкс, а период повторения - 64 мкс.

Осциллограмма 5 (DD23.1 н.5) представляет собой результат, получаемый на выходе делителя частоты на два (Т-триггера), при подаче на его вход последовательности строчных синхроимпульсов. Полученный меандр используется для управления направлением счета реверсивного счетчика. Этот процесс хорошо виден на следующих двух осциллограммах (6 и 7) на которых представлены сигналы, имеющие место на счетных входах реверсивного счетчика DD28 ножки 5 и 4 (суммирующий вход - осциллограмма 6, вычитающий - 7). Как видно, в течение одной строки счетные импульсы (с выхода опорного цифрового генератора) поступают на суммирующий вход счетчика, а в течение следующей - на вычитающий. Выходные сигналы счетчика представлены на осциллограммах 2 и 3 и были описаны выше.

Оставшиеся пять осциллограмм (8 - 12) поясняют работу схемы формирования сигнала опознавания цветности.

8-я осциллограмма (DD4.4 н.8) - проинвертированная последовательность строчных синхроимпульсов - в комментариях не нуждается. Необходимость ее формирования связана с используемой элементной базой и описана при разработке схемы электрической принципиальной цифрового кодера PAL (глава 3).

На 12-й осциллограмме изображены пачки импульсов, которые периодически поступают на счетный вход счетчика DD9 (14-я ножка), коэффициент пересчета которого равен пяти.

Импульсы, изображенные на 9-й осциллограмме (DD5.2 н.10), появляются в моменты, когда выходной код счетчика DD13 имеет вид 101, что соответствует десятичному числу 5, и «опрокидывают» RS-триггер (DD5.2). Когда выходной код счетчика импульсов принимает вид 111 (число 7), на 13-й ножке микросхемы DD5.2 появляется импульс, который можно наблюдать на 10-й осциллограмме. Этот импульс «переварачивает» сразу два RS-триггера: DD5.2 - обуславливая переход 10 на его выходе Q, и DD5.1 - запрещая поступление счетных импульсов на счетчик до прихода следующего строчного синхроимпульса.

Результатом работы схемы формирования сигнала опознавания цветности, является последовательность импульсов, представленная на 11-й осциллограмме (DD5.2 н.9). период следования этих импульсов составляет 64 мкс, их длительность - 2,3 мкс, а задержка относительно строчного синхроимпульса - 5,7 мкс, что вполне сопоставимо с расчетными временными соотношениями

- период 64 мкс,

- длительность 2,26 мкс,

- задержка 5,65 мкс.

Таким образом, измеренные в ходе экспериментального исследования временные соотношения в целом не противоречат рассчитанным теоретически. Этот факт позволяет сделать вывод о работоспособности разработанного устройства, которая подтверждается практическими результатами.

5. Экономический анализ проекта

5.1 Обоснование выбора аналога для сравнения

Стандарт ИСО в качестве метода оценки качества нового изделия рекомендует сравнение его характеристик с соответствующими характеристиками аналога. Естественно, обоснованность оценки зависит от правильности выбора аналога. Прежде всего, следует выбрать аналог, наиболее близкий по функциональному назначению, присутствующий на рынке сбыта с устойчивой рыночной ценой и известными технико-экономическими характеристиками. Если проектируемое изделие по своему функциональному назначению заменяет несколько существующих изделий, то в качестве аналога используется их совокупность. Так как, разрабатываемое устройство является цифровым, то аналог желательно найти в области цифровой техники, иначе провести достаточно объективный сравнительный анализ будет затруднительно, ввиду превосходства по многим параметрам цифровой техники - над аналоговой.

После проведения анализа отечественного рынка, были найдены два устройства, которые можно считать аналогами разработанного устройства. Несмотря на то, что в отечественном промышленном производстве аналогов подобного изделия не много, все же оценку проведем, опираясь именно на отечественный аналог, так как конкурировать разработанному устройству придется на отечественном рынке. В качестве аналога для сравнения выберем формирователь телевизионных испытательных сигналов '' ЛАСПИ ТТ-03.''