- История вопроса.
- Реализация.
- Анализ полученных результатов.
Человеку свойственно искать ответы. Философы познают, что первично – материя или сознание. Гамлет размышлял: “быть иль не быть …”. Инженеров телерадиокомпаний и передающих центров круглосуточно беспокоит вопрос “Какая у транскодера полоса пропускания?”.
Что касается первого вопроса – я материалист. В случае с Гамлетом – придерживаюсь оптимистического мировоззрения. А на вопросе о “полосе пропускания”, или, более корректно, семействе амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) канала яркости кодера SECAM хотелось бы остановиться.
Действительно, без вопроса “какая у транскодера полоса пропускания?” не обходится ни один телефонный звонок, ни одна встреча на выставке. Дать короткий и полный ответ на этот вопрос непросто. Если отрапортовать, что АЧХ канала яркости отвечает требованиям ГОСТ 7845-92 п.1.2.8. и п.1.2.21 и ОСТ 58-18-96 Таб. Л.3 и Таб. Л.4.1 - значит не объяснить ничего. Если признать, что АЧХ, измеренная по уровню 0dB, имеет плоскую часть до частоты 3,5 MHz (а именно этого требуют вышеупомянутые ГОСТ и ОСТ ) - значит первой же фразой раз и навсегда отпугнуть потенциального покупателя. Дать тот ответ, которого от тебя ждут, - что до частоты 6 MHz АЧХ гладкая, как донышко сковородки TEFAL с антидеформационным диском - значит обмануть.
Именно поэтому я решил написать эту статью и дать подробный ответ на вопросы о том, какие особые требования предъявляются к АЧХ канала яркости кодера SECAM, в каких документах эти требования сформулированы, как мы формировали АЧХ своих приборов - транскодеров семейства XDR - и что получилось в результате.
Специфическими особенностями передачи цветности в системе телевидения SECAM, определяющими требования к АЧХ канала яркости, являются:
- амплитудно-частотная коррекция цветоразностных сигналов (ГОСТ 7845-92 п.1.2.15);
- амплитудно-частотная коррекция сигнала (поднесущей) цветности (ГОСТ 7845-92 п.1.2.18);
- наличие поднесущей цветности на неокрашенных участках изображения.
Другими словами, поднесущая цветности присутствует в полном цветовом сигнале ВСЕГДА, ее частота меняется от строки к строке, зависит от цвета фрагмента изображения и от изменения цвета фрагмента вдоль ТВ строки, а амплитуда зависит от частоты (в конечном итоге опять же от характера окраски ТВ строки ). Согласно ГОСТ для поднесущей цветности предусмотрен диапазон частот от 3900KHz до 4756KHz. Зависимость амплитуды поднесущей от частоты представлена на рис. 1:
(На всех графиках по горизонтальной оси – частота в MHz от 0 до 6 MHz, линейная шкала; по вертикальной оси – амплитуда в mV, линейная шкала, за 0 dB принят уровень, соответствующий 1/2 максимальной амплитуды, т.е. 350 mV).
Каждому цвету соответствует точка (вернее пара точек, последовательно передаваемых в соседних строках) на кривой рис.1. Насыщенные цвета и резкие цветовые переходы передаются краями кривой, где поднесущая цветности имеет большую амплитуду, большую энергию, и , соответственно, лучшее отношение сигнал/шум. Ненасыщенные цвета, для которых ухудшение отношения сигнал/шум менее заметно, передаются средней частью кривой с меньшей амплитудой поднесущей. Кривая (часто называемая “колокол”) разделяет пространство амплитуд на две области: ниже и выше кривой. Каждая точка, лежащая в нижней области будет представлять сигнал, амплитуда (и энергия) которого всегда меньше амплитуды (и энергии) поднесущей цветности. Помеха от такого сигнала будет меньше полезного сигнала поднесущей цветности. Напротив, точки, лежащие выше кривой, соответствуют большей энергии, которая будет вносить помеху большую, чем полезный сигнал. Для того, чтобы “отсеять” сигнал помехи достаточно, чтобы его амплитуда не превышала 1/2 амплитуды полезного сигнала (или имела уровень -6dB, что то же самое), т.е. лежала в нижней, разрешенной области: (рис. 2)
Согласно ГОСТ 7845-92 п.1.2.7 сигнал яркости формируется из сигналов основных цветов RGB согласно выражению Ey=0,299Er+0,587Eg+0,114Eb, которое не предусматривает зависимость между частотой и амплитудой. Спектр сигнала яркости зависит только от сюжета, его амплитуда может принимать любые значения от 0 до 700 mV на любой частоте от 0 до 6 MHz. При этом частота несет информацию о размерах деталей изображения, а амплитуда - об их яркости.
Частотный диапазон полного цветового видеосигнала 0-6,0 MHz можно разбить на три интервала: A (0-3,8MHz) ; B(3,8-4,8MHz) и C(4,8-6,0MHz), см рис. 2. Интервалы : A; и C полностью "предоставлены" сигналу яркости, а в интервале B яркость и цветность находятся в "тесном соседстве". Так, изображение вертикальных штрихов с периодом 3 мм (на экране 21”) передается частотным пакетом 3,3 MHz, лежащим в интервале A, а штрихов с периодом 2 мм. – пакетом 5,0 MHz (интервал C). Даже при максимально возможной амплитуде пакетов они не повлияют на передачу цветности, т.к. не попадают в запрещенную область. Таким образом, частотные интервалы A и C не представляют интереса для анализа. Но в интервале B нужно ограничить амплитуду яркостного сигнала таким образом, чтобы она нигде не вышла из разрешенной области (рис.2).
Наиболее простым средством формирования АЧХ сигнала яркости является частотно-избирательный режекторный фильтр (рис 3, различные исходные амплитуды сигнала яркости), настроенный на центральную частоту “колокола” SECAM 4,286 MHz., и обеспечивающий полное подавление на этой частоте. Недостатком такого фильтра является именно полное подавление сигнала яркости на центральной частоте, или, другими словами, "неполное" использование разрешенной области. В результате такой фильтрации чрезмерно ухудшится разрешающая способность по горизонтали, т.е. детали "неудачного" размера могут полностью исчезнуть с экрана.
Можно усовершенствовать фильтр и задать глубину подавления такой, чтобы исходный сигнал яркости с уровнем 0 dB ослаблялся до разрешенных амплитуд. Тогда мы наверняка избежим риска нарушить запрещенную область, а семейство амплитудно-частотных характеристик будет выглядеть следующим образом ( рис. 4).
Действительно, применение такого закона режекции к верхней кривой -с уровнем 0 dB- вполне обосновано (кривая проходит вплотную к границе запрещенной области). Однако меньшие уровни оказываются чрезмерно ослабленными, что также приведет к ухудшению разрешающей способности . Целесообразно применить такой закон ослабления, зависящий от амплитуды, чтобы все кривые проходили возможно ближе к границе запрещенной области. Это, с одной стороны, гарантирует отсутствие перекрестных искажений, а с другой – позволит передать мелкие детали изображения с большей энергией, и, соответственно, с лучшей разрешающей способностью.
Такой частотно- и амплитуднозависимый фильтр получил название “нелинейный режектор кодера SECAM”. Его идеализированные характеристики приведены на рис. 5:
Нелинейный режектор ослабляет кривые с разными исходными уровнями таким образом, что все они проходят предельно близко к границе запрещенной области, и , таким образом, сохраняют максимальную разрешенную энергию для передачи мелких деталей изображения. Характерно, что нелинейный режектор не оказывает влияния на “нижнюю” кривую с амплитудой, “безопасной” для сигнала цветности во всем частотном диапазоне.
Безусловно, АЧХ на приведенном выше рисунке нереализуема - она не может быть абсолютно плоской в полосе пропускания и иметь изломы на ее границе. Практически реализуемым будет поведение АЧХ, представленное на рис. 6. При этом отклонение передаточной функции от единицы в полосе пропускания является основным показателем качества фильтра (и профессионализма конструктора - разработчика).
На этом можно завершить изучение физики явления и сделать следующий вывод: наряду со сложной обработкой сигнала в канале цветности система SECAM требует не менее сложной нелинейной по амплитуде обработки сигнала яркости. Именно нелинейная обработка позволит получить наилучшую разрешающую способность при отсутствии перекрестных искажений яркость-цветность.
Для конструирования нелинейного режектора SECAM недостаточно одних только качественных оценок. Нужны количественные величины, определяющие поведение кривых АЧХ во всем пространстве частот и амплитуд. Ответ на этот вопрос можно найти в нормативных документах ГОСТ 7845 и ОСТ 58-18-96. Интересен тот факт, что требования к АЧХ канала яркости изменялись в разных редакциях ГОСТ 7845 следующим образом: в редакции от 1979г. (с Изменением N1, утвержденным в апреле 1982г.) п.1.2.21 гласит "При формировании цветового сигнала для уменьшения перекрестных искажений "яркость-цветность" может быть осуществлено ослабление спектральных составляющих сигнала яркости в зависимости от их амплитуды в полосе частот сигнала цветности". В ГОСТ 7845-79 формулировка изменилась на " должно быть ". Однако, ни в том, ни в другом ГОСТ 'е не содержится конкретных требований по характеристикам нелинейного режектора.
Нормативный "вакуум" был заполнен в 1996г. разработанным АО ВНИИТР ОСТ 58-18-96. В упомянутом документе приведена таблица "Неравномерность амплитудно-частотной характеристики канала яркости с учетом действия нелинейного режектора кодера SECAM", содержащая допуски на неравномерность АЧХ входного сигнала для уровней 700, 420 и 70 mV, нормированные на частотах 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 3,5; 4,0; 4,286; 4,8 и 5,8 MHz. Следует особо подчеркнуть, что в наборе измерительных частот присутствуют частотные пакеты 3,0; 3,5 и 4,286 MHz. не предусмотренные в испытательных строках (по ГОСТ 18471-83). Пристальное внимание к этому частотному диапазону легко объяснимо - именно в нем должна быть сформирована специфическая особенность в поведении АЧХ канала яркости.
Полученная нами ранее качественная зависимость хорошо согласуется с графическим представлением требований ОСТ 58-18-96.
На рисунках представлены (выделены серым) поля допусков для АЧХ режектора, соответственно:
- рис. 7 - для размаха входного сигнала 700 mV (0 dB, максимальный допустимый размах сигнала яркости);
- рис. 8 - для размаха 420 mV (стандартный размах частотных пакетов в испытательной строке II), и, ,
- рис. 9 - для размаха 70 mV (размах сигнала яркости, "безопасный" для поднесущей цветности, и поэтому не "подлежащий" ослаблению).
Мы получили наиболее полный и наглядный ответ на вопрос, какой должна быть результирующая АЧХ кодера SECAM (транскодера PAL-SECAM). Вне зависимости от назначения и функциональных особенностей любого прибора - будь то просто транскодер, транскодирующий микшер, коммутатор рекламной врезки и т.д., если прибор на выходе формирует стандарт SECAM, его канал цветности должен соответствовать сформулированным выше требованиям. Для того, чтобы определить, отвечает ли тот или иной транскодер требованиям национальных и отраслевых стандартов с точки зрения полосы пропускания (читай ГОСТ 7845 и ОСТ 58-18-96) необходимо провести измерение АЧХ канала яркости с тремя амплитудами входного сигнала и проверить, лежат ли полученные графики в нормированных полях допусков (закрашено серым) рис. 7,8,9.
Вернемся к вопросу, с которого мы начали нашу статью: “какая у транскодера полоса пропускания?”, и сначала изучим полосу пропускания у транскодера XDR3000, который по прежнему находится в эксплуатации на многих телецентрах.
Первые экземпляры XDR3000 были изготовлены в 1995г., когда требования к режекторному фильтру не были определены, и имели плоскую АЧХ до частоты 5,5 MHz. После принятия ОСТ 58-18-96 для XDR3000 был разработан аналоговый нелинейный режектор, и все транскодеры стали производиться только с режектором. Для доработки выпущенных ранее транскодеров был разработан отдельный субмодуль-режектор. Сформированная режектором АЧХ транскодера XDR3000 (снимок с экрана осциллографа с наложенным затем трафаретом поля допусков) представлена на рис. 10. На вход транскодера в режиме S-Video - SECAM поданы пакеты 0,0 - 6,0 MHz с шагом 0,2 MHz, амплитуда 0 dB.
Очевидно, что АЧХ канала яркости укладывается в поле допусков, определяемое ОСТ 58-18-96. Таким образом, транскодер XDR3000 в режиме S-Video - SECAM отвечает требованиям отечественных стандартов. Следует еще раз подчеркнуть, что и нелинейный режектор и собственно кодер SECAM в транскодере XDR3000 являются аналоговыми.
Временная и температурная нестабильность характеристик аналоговых узлов (в нашем случае кодера SECAM), необходимость индивидуальной настройки и регулировки каждого изделия подталкивали конструкторов радиоэлектронной аппаратуры к поискам решения в цифровой обработке сигнала. Это стало возможным в результате технологического прогресса, который произошел за последние 5-7 лет в микроэлектронике. Появилась конкурентоспособная по цене возможность создать транскодер всего с двумя аналоговыми узлами - аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на входе и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) на выходе. Все функции фильтрации (разделения) сигналов яркости и цветности, декодирования, формирования АЧХ, шумоподавления - выполнялись в цифровом виде. Цифровая технология позволила получить недоступную ранее повторяемость и стабильность характеристик изделий и обоснованно вытеснила традиционную аналоговую обработку видеосигнала. Специально для обработки видеосигнала различными фирмами были разработаны комплекты цифровых и цифроаналоговых микросхем - декодеров, кодеров, микросхем кадровой памяти и контроллеров для них и т.д.
Как показал анализ рынка видеообудования, подавляющее большинство изготовителей цифровых транскодеров для кодирования системы SECAM используют (и вполне оправданно ) микросхемы SAA7182A/7183A производства PHILIPS:. Эти микросхемы, представляющие собой мультистандартный цифровой кодер с десятиразрядным выходным ЦАП, отличаются высокими функциональными характеристиками, надежностью и отказоустойчивостью. Для формирования АЧХ канала яркости (с целью уменьшения перекрестных искажений ) микросхема имеет программируемый цифровой режекторный фильтр, оптимизированный для работы в стандарте PAL. Неслучайно микросхемы PHILIPS привлекли и наше внимание.
Для исследования характеристик цифрового режекторного фильтра цифровoго кодера (а вернее, возможности его применения в стандарте SECAM ) была использована та же методика, что и для исследования нелинейного режектора в XDR3000, с той лишь разницей, что в качестве входного сигнала использовался таблично - заданный цифровой поток ITU656 со значениями от "16" до "235", что соответствует уровням аналогового сигнала от 0 до 700 mV., и частотами 0,0 - 6,0 MHz с шагом 0,2 MHz
Полученные результаты приведены на рис. 11
Измерения показали, что в случае включения фильтра результирующая АЧХ остается в поле допусков только до частоты 2,0 MHz. На частотах выше 2,0 MHz коэффициент передачи меньше минимально допустимого. Кроме того, центральная частота фильтра выше предусмотренной для SECAM'а 4,286 MHz и равна 4,43 MHz (как и следует в системе PAL). Приняв во внимание все вышесказанное можно сделать вывод, что ИМС SAA7182A/7183A (и выполненные на ее основе транскодеры) не позволяют получить стандартный видеосигнал SECAM без дополнительного формирователя АЧХ в канале яркости.
В этой связи для транскодера XDR-ES был разработан нелинейный цифровой режектор, реализованный на программируемой матрице фирмы ALTERA. Кроме формирования АЧХ в области 4,286 MHz фильтр обеспечивает цифровую sin(x)/x коррекцию для компенсации ВЧ потерь при цифро-аналоговом преобразовании (рис. 12)
Фильтр обеспечивает практически плоскую амплитудную характеристику до частоты 3,0 MHz., спад до частоты 4,286 MHz.. (подавление на центральной частоте -16dB) и подъем до частоты 5,8 MHz. На восходящем участке (4,286 - 5,8 MHz) АЧХ фильтра "прижимается" к верхней границе допустимой области. Такое поведение фильтра было выбрано преднамеренно и предназначено для компенсации ВЧ потерь, вызванных реальными волновыми свойствами соединительных кабелей.
Все измерения были проведены на оборудовании, обеспечивающем достаточную точность, и выполнены в строгом соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ 7845-92 и ОСТ 58-18-96, и мы были в них уверены. Однако придать полученным результатам статус обьективных можно лишь одним способом - подтвердив их достоверность в независимой компетентной организации. Именно поэтому мы обратились в дочернюю организацию ВНИИТР - учреждение "Телерадиотест" с просьбой провести сертификацию транскодера XDR-ES. В результате был получен протокол, подтверждающий результаты наших измерений, и сертификат соответствия в системе "Телерадио", являющийся "пропуском" для транскодера XDR-ES в мир профессионального телевизионного оборудования.
За помощь в постановке и решении задачи конструирования нелинейного режектора SECAM я хочу выразить особую благодарность ведущим специалистам в области телевидения, содействие, поддержка, а иногда и жесткая критика которых помогала идти к поставленной цели. Огромное спасибо (в алфавитном порядке) Николаю Кирилловичу Миленину, эксперту Учреждения "Телерадиотест", кандидату технических наук, Евгению Зиновьевичу Сороке, начальнику лаборатории МНИТИ, кандидату технических наук и Валерию Андреевичу Хлебородову, научному обозревателю журнала "ТКТ", кандидату технических наук.
На этом можно завершить анализ теоретических, "неосязаемых" аспектов транскодеростроения и приступить к следующей части: