Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие принципы измерений в системах аналогового, аналого- цифрового и цифрового вещания 15
1.1. Перечень параметров и качественных показателей каналов формирования и передачи аналогового телевидения и принципы их измерений 15
1.1.1. Аналоговые и цифровые генераторы телевизионных измерительных сигналов и устройства ввода телевизионных испытательных строк 21
1.1.2. Генераторы телевизионных электрических таблиц 21
1.1.3. Телевизионные осциллографы 22
1.1.4. Секамоскопы и вектороскопы 23
1.1.5. Анализаторы искажений телевизионных измерительных сигналов и испытательных строк 24
1.1.6. Анализаторы боковых полос телевизионных передатчиков и телевизионные измерительные демодуляторы и приемники 25
1.1.7. Приборы для контроля канала звукового сопровождения телевидения 26
1.1.8. Системы комплексного анализа параметров ТВ радиопередающих станций 27
1.2. Характерные искажения при цифровом кодировании видеоинформации 27
1.3. Специфика измерения в системах цифрового телевидения 33
1.3.1. Генераторы цифровых испытательных сигналов 33
1.3.2. Измерители основных параметров транспортных потоков цифрового сигнала 34
1.3.3. Измерители качества цифрового кодирования видеоинформации. 34
1.4. Особенности измерений в системах аналого-цифрового телевидения. 48
1.5. Согласование формы измерительных сигналов со спектром канала передачи 52
Выводы 58
Глава 2. Новые измерительные сигналы и таблицы для объективного и субъективного анализа систем формирования и передачи телевизионного сигнала 59
2.1. Разработка элементов измерительных сигналов и принципов их цифрового формирования 61
2.2. Синтез измерительных сигналов для оценки искажений в телевизионных системах, содержащих цифровые звенья 67
2.3. Синтез измерительных сигналов для оценки частотных свойств каналов телевидения 76
2.4. Синтез измерительных таблиц для объективной оценки качества передачи изображения в аналого-цифровых и цифровых, системах телевидения 80
2.5. Синтез измерительных таблиц для субъективной оценки качества передачи изображения в аналого-цифровых и цифровых системах телевидения 86
Выводы 94
Глава 3. Новые методы анализа искажений телевизионных измерительных сигналов 95
3.1. Оценка постоянных уровней телевизионных измерительных сигналов 95
3.2. Использование порядковых статистик для устранения влияния импульсных помех при цифровых измерениях 103
3.3. Анализ экстремальных значений сигналов непосредственно по дискретным отсчетам 104
3.4. Оценка эффективного напряжения флуктуационных помех и амплитуд синусоидальных помех непосредственно в процессе передачи 109
3.5. Анализ частотных свойств телевизионных видео- и радиосигналов на основе использования новых измерительных сигналов 111
3.6. Оценка цифрового сигнала 123
Выводы 126
Глава 4. Специфические особенности построения компьютерных систем телевизионных измерений и их метрологическое обеспечение 128
4.1. Структурная схема устройства ввода-вывода информации видеоанализатора компьютерного ВК-1 131
4.1.1. Блок ввода 133
4.1.2. Узел управления 135
4.1.3. Генератор видеосигнала 136
4.2. Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВК-2 137
4.2.1. Узел АЦП 139
4.2.2. Узел ЦАП 141
4.2.3. Узел синхронизации и тактирования 142
4.2.4. Узел управления 144
4.3. Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВКЦ 145
4.3.1. Состав модуля 146
4.3.2. Аналоговый входной тракт модуля 147
4.3.3. Аналоговый выходной тракт модуля 147
4.3.4. Узлы, выполненные в FPGA и мост PCI Express 148
4.3.5. Генератор тактовых частот 149
4.3.6. Узел АЦП 149
4.4. Методы метрологического обеспечения видеоанализаторов 151
4.4.1. Оценка и коррекция импульсной характеристики, АЧХ и ГВХ анализатора 151
4.4.2. Оценка и коррекция характеристики АЧХ и ГВЗ генератора 155
4.4.3. Коррекция основных характеристик генератора 155
4.4.4. Коррекция основных характеристик анализатора 159
4.4.5. Новые методы высокоточного измерения затухания несогласованности входов и выходов телевизионных устройств 162
Выводы 180
Глава 5. Практическая реализация результатов исследований 181
5.1. Видеоанализаторы компьютерные серии ВК 181
5.2. Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВ 189
5.3. Комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения ТЕСТЕР-Э 190
5.4. Видеоанализатор компьютерный ВКЦ 192
5.5. Мониторинг качественных показателей телевизионных радиоканалов 197
Выводы 207
Заключение 209
Библиографический список 212
Приложение
- Характерные искажения при цифровом кодировании видеоинформации
- Синтез измерительных сигналов для оценки искажений в телевизионных системах, содержащих цифровые звенья
- Анализ экстремальных значений сигналов непосредственно по дискретным отсчетам
- Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВК-2
Введение к работе
Актуальность научно-технической проблемы
В конце ноября 2007 года распоряжением Правительства РФ одобрена «Концепция развития телерадиовещания Российской Федерации на период с 2008 по 2015 годы». Наряду с совершенствованием технологии телерадиовещания и постепенным переходом на цифровые системы, в этой Концепции большое внимание уделено проблемам создания систем дистанционного контроля и мониторинга сетей формирования и передачи информации. В России сложилась крайне тяжелая ситуация, вызванная повсеместным недостатком, а часто и отсутствием измерительной аппаратуры, необходимой для разработки, настройки и поддержания требуемых технических характеристик систем передачи информации.
Особые проблемы возникают в связи с началом широкого внедрения систем и аппаратуры цифровой обработки и передачи компрессированных сигналов по каналам связи. С внедрением цифровых систем потребность в использовании измерительной аппаратуры будет возрастать, поскольку требуется создание принципиально новых способов и средств контроля и измерений. При этом необходимо, чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналоговыми системами.
В связи с низкими темпами разработки и производства отечественной измерительной аппаратуры возникает зависимость от дорогостоящих приборов зарубежных производителей, что, в свою очередь, затрудняет разработку и внедрение высококачественных систем, обеспечивающих переход на цифровую форму телерадиовещания.
Метрологическая безопасность России - залог создания высококачественной цифровой аппаратуры формирования и передачи различных видов информации и ее эффективного использования.
На современном этапе развития техники выполнение требований метрологии связано с созданием виртуальных измерительных систем на базе использования персональных компьютеров в качестве устройств анализа и организации структуры систем формирования и обработки измерительной информации.
При этом обеспечивается:
• реализация патентно чистых способов измерений с применением специально разработанных оптимальных измерительных сигналов и процедур их обработки, позволяющих резко повысить точность и быстродействие измерений;
• существенное увеличение функциональных возможностей создаваемых измерительных средств, а также их полностью цифровая реализация;
• снижение почти на порядок цены приборов, благодаря их созданию на базе общедоступных персональных компьютеров, дополнительно комплектуемых соответствующими блоками (платами) ввода и вывода измерительной информации и программными продуктами.
В настоящее время происходит быстрое развитие систем и средств распространения видеоинформации по различным каналам связи. Значительно расширяются сферы применения как вещательных методов распространения видео, так и интерактивных видеослужб.
В зависимости от требований потребителей и пропускной способности, имеющихся и перспективных каналов связи необходимо передавать видеоинформацию различного разрешения со скоростью цифрового потока от нескольких килобит до десятков мегабит в секунду. Скорость следования кадров можнт составлять от одного кадра в несколько секунд в системах видеонаблюдения до 25 (30) кадров/с в телевидении и более в системах специального назначения; диапазон разрешения кадра также огромен: от 88x72 пикселей в видеотелефоне до 1920x1080 пикселей в ТВЧ. Цифровая передача видеоинформации в вещательных и интерактивных системах позволяет гибко настраивать параметры передачи видео в зависимости от конкретных требований потребителей и возможностей каналов связи. Для оценки соответствия качества передаваемой видеоинформации требованиям, предъявляемым к ней в различных системах и условиях передачи, а также для сравнения эффективности работы различных устройств видеокодирования и передачи видеоинформации требуются методики и средства объективной и субъективной оценки качества видеоизображения, наблюдаемого потребителем. Эти методики должны учитывать характерные особенности и искажения причем как при аналоговой, так и при цифровой и смешанной системах обработки и передачи видеоинформации. Использование смешанных аналого-цифровых каналов передачи телевидения приводит к необходимости применения современных методов измерения, позволяющих объединить традиционные принципы контроля со специфическими особенностями оценки параметров цифровых каналов и соответствующей аппаратуры.
Преобразование сигналов из аналоговой в цифровую форму, специфические методы обработки видеоизображения при их кодировании с целью устранения как статистической, так и визуальной избыточности информации, приводит к появлению принципиально новых видов искажений передаваемых сигналов. Это, в свою очередь, заставляет создавать принципиально новые виды измерительных сигналов, статистические и динамические таблицы и методы их обработки в процессе выявления дефектов кодирования и передачи информации. Именно этим и определяется актуальность проблемы создания высокоэффективных методов и устройств формирования специальных измерительных сигналов и оценки изменения их формы в процессе их преобразования в системах формирования и трансляции по каналам передачи аналоговой, аналого-цифровой и цифровой информации. Цели и задачи диссертационной работы
Основными целями настоящей работы являются:
1. Разработка способов измерения систем формирования и передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания;
2. Синтез новых телевизионных измерительных сигналов и испытательных статических и динамических таблиц, пригодных для оценки качественных показателей аналоговых, аналого-цифровых и цифровых каналов;
3. Разработка способов анализа искажений и оценки параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания;
4. Создание систем компьютерного измерений сетей телевизионного вещания и их метрологического обеспечения.
Основными задачами диссертационной работы являются:
• анализ используемых методов оценки параметров и качественных показателей телевизионных систем и классификация системных искажений при аналоговом, аналого-цифровом и цифровом преобразовании и передаче видеоизображений;
• разработка новых измерительных сигналов и тестовых изображений для объективной и субъективной оценки качества систем аналоговой, аналого-цифровой и цифровой передачи видеоинформации;
• разработка методов оценки характеристик искажений видео и радиосистем телевидения;
• разработка принципов построения новой телевизионной контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающей необходимое быстродействие и высокую точность измерений параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
• создание измерительной аппаратуры, метрологического обеспечения ее производства и действенных систем контроля различных звеньев телевизионного канала.
Методы исследования
В качестве основного теоретического инструмента исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой обработки одномерных и многомерных сигналов, теории информации. В работе широко использовались методы компьютерного моделирования и численные методы по обработке реальных видеосигналов. Проведенные эксперименты обеспечили практическое подтверждение теоретических решений и эффективности разработанных методик.
Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории цифровой обработки сигналов, статистической радиотехнике, телевизионной метрологии. В процессе решения задач цифровой обработки и анализа изображений, были использованы труды выдающихся ученых: Котельникова В.А., Новаковского СВ., Игнатьева Н.К., Цукермана И.И., Антипина М.В., Кривошеева М.И., Зубарева Ю.Б., Дворковича В.П., Левина Б.Р., Певзнера Б.М., Netravali A.N., Haskell B.G., Т. Ooura и др.
Для создания и отладки программного и аппаратного обеспечения исследований и разработок при руководстве и активном участии автора использовались системы символьной математики «Mathematica», «Maxima», MATLAB®, язык программирования C++, среда разработки Microsoft Developer Studio. Научная новизна
Автором получены следующие результаты, обладающие научной новизной.
1. Разработаны и обоснованы новые измерительные сигналы и тестовые изображения для оценки качества каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения. Разработанные элементы измерительных сигналов согласованы по спектру с полосой пропускания канала связи.
2. Созданы новые тестовые динамические изображения, которые обеспечивают возможность объективной и субъективной оценки качества их воспроизведения при кодировании в соответствии со стандартами MPEG.
3. Разработаны новые алгоритмы обработки измерительных сигналов для автоматического анализа качественных показателей каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения. Эти алгоритмы позволили реализовать прецизионные измерения каналов связи при наличии значительных уровней флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех.
4. Разработаны новые принципы измерения частотных свойств радиотракта телевещания. Созданы специальные сигналы для анализа искажений этих характеристик и алгоритмы их обработки в измерительном устройстве.
5. Разработано и реализовано метрологическое программное обеспечение виртуальных измерительных систем, обеспечивающих цифровую коррекцию с высокой точностью методических погрешностей измерительного устройства и погрешностей аппаратуры.
6. Подготовлен и организован серийный выпуск измерительных систем измерений и контроля основных параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания.
Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы
Во всех разработках по теме диссертации автор являлся ответственным исполнителем. Большая часть результатов исследований получена автором диссертации лично. Ряд идей, поддержка разработок методик, проведение исследований алгоритмов высокоточных систем цифровых измерений измерительных сигналов и оценки их качества принадлежат проф. Дворковичу В.П.
На защиту диссертации выносятся следующие основные результаты:
1. Новые методы синтеза измерительных сигналов и изображений для анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
2. Новые принципы построения динамических таблиц для объективного и субъективного анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
3. Новые измерительные сигналы для измерения частотных свойств телевизионного радиотракта ТВ вещания и алгоритмы их обработки;
4. Алгоритмы обработки измерительных сигналов для автоматического анализа качественных показателей каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
5. Методы метрологии измерительных систем, обеспечивающих цифровую коррекцию методических погрешностей измерительного устройства и погрешностей аппаратуры.
6. Практическая реализация разработанных методик и алгоритмов: аппаратура для прецизионных измерений качества формирования и передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевизионного сигнала. Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы
Проведенные автором исследования позволяют синтезировать новые измерительные сигналы и эталонные изображения, создавать алгоритмы прецизионных измерений основных параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения.
Разработанные способы и устройства формирования измерительных сигналов и обработки их искажений легли в основу построения генераторов телевизионных измерительных сигналов, анализаторов их искажений, измерителей параметров видео- и радиосигналов изображения, систем контроля радиопередающих станций.
Исследования и разработки, проведенные в процессе выполнения диссертационной работы, явились научной основой создания действующих систем контроля и измерений различных звеньев ТВ канала, разработки ТВ. информационно-измерительных систем.
Реализация и внедрение результатов работы
На базе теоретических исследований и полученных методик и алгоритмов разработаны новые измерительные сигналы, тестовые изображения и алгоритмы их обработки, которые реализованы в целом ряде компьютерных измерительных приборов:
• видео анализаторы ВК-1, ВК-2;
• измерительный телевизионный комплекс КИ-ТВ;
• измерительный комплекс ТЕСТЕР-Э для телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения;
• видео анализатор ВКЦ цифровых сигналов,
• устройство ввода телевизионное УВ С-ТВ.
Разработанные приборы нашли применение:
• в аппаратуре цифрового телевидения в составе системы спутниковой
связи «Приморка» (внедрение отмечено премией Правительства РФ); • в региональных центрах «Управления Федеральной службы связи по надзору в сфере связи в Российской Федерации»;
• в ФГУП «ТТЦ Останкино»;
• в НТЦ «Космос» и др.
Достоверность материалов диссертационной работы
Достоверность подтверждена результатами компьютерного моделирования процессов обработки различных видов информации, созданием действующих систем и устройств и их эксплуатацией в телекоммуникационных системах.
Апробация работы
Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах во ФГУП НИИ Радио, на заседании кафедры РЛ-1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, на Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе:
• на Международных конгрессах HAT «Прогресс технологий телерадиовещания», 1997, 1999 гг.;
• на Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 1998 г.;
• на 1-й научно-практическом семинаре «Новое в телерадиовещании и радиосвязи », 1998 г.;
• на Международной конференции «Инновации-98», 1998 г.;
• на научно-технической конференции «Прогрессивные радиотехнологии для инфокоммуникаций России», 2004 г.;
• на V Международной научно-практической конференции «Цифровые технологии в телевизионном и звуковом вещании», 2005 г.;
• на 11-й конференций главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли "Связь". «Обеспечение единства и требуемой точности измерений параметров связи и услуг связи, Состояние дел и основные задачи», 2005 г.
Публикации
По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 12 статей, 9 докладов на научных конференциях, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК (ЦОС).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа содержит 227 страниц и состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов. Библиографический список содержит 173 наименования. Приведены копии 3 актов об использовании результатов диссертационной работы.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук профессору Дворковичу Виктору Павловичу за оказание помощи и поддержку в проведении исследований по тематике диссертационной работы, доктору технических наук Дворковичу Александру Викторовичу, а также своим коллегам за эффективную помощь в реализации результатов исследований.
Характерные искажения при цифровом кодировании видеоинформации
При цифровом кодировании видеоинформации с устранением визуальной избыточности возникают специфические характерные изменения изображений при их восстановлении. Эти изменения связаны со спецификой используемых алгоритмов обработки информации [87, 89]. В таблице 1.2 приведены виды искажений, определяемые внутрикадровым кодированием и обусловленные квантованием коэффициентов ДКП и, как следствие, неточным восстановлением уровней пикселов яркости и цветности, в основном в I-кадрах и блоках, которые кодируются без использования информации о движении объектов в кадре. Наиболее грубым типом искажений является блокинг-эффект, который обусловлен разбиением всего изображения на блоки размером 8»8 пикселов перед выполнением дискретного косинусного преобразования (ДКП). В таблице 1.3 приводятся виды искажений MPEG-2, обусловленные межкадровым кодированием - кодированием Р-кадров с предсказанием движения назад по времени (для их восстановления необходим I- или другой опорный Р-кадр) и В-кадров, анализ движения макроблоков (16 16 пикселов) в котором производится по двум кадрам в обе стороны по времени .
Особые проблемы возникают в связи с началом широкого внедрения систем и аппаратуры цифровой обработки и передачи компрессированных ТВ сигналов по цифровым каналам связи. При этом измерениям и контролю подлежат как качество кодирования видеоинформации, так и параметры цифррового потока. К генераторам цифровых испытательных сигналов относятся: Записывающий генератор потока MPEG-2 DVRG (ROHDE & SHWARZ, ФРГ) [43], Измерительный генератор потоков стандарта MPEG-2 DVG (ROHDE & SHWARZ, ФРГ) [43], Генератор цифровых испытательных ТВ сингалов Г-420 (Россия) [129] и др. К измерителям качества цифрового кодирования видеоинформации относятся: Анализатор качества цифрового видеопотока DVQ (ROHDE & SHWARZ, ФРГ) [43] и др. Транспортный поток (ТП) цифрового сигнала, кодируемого в соответствии со стандартом MPEG-2, является входным и выходным сигналом для всех базовых систем, то есть для систем спутникового и кабельного ТВ, SMATV, MMDS/MVDS и эфирного распределения, к настоящему времени определенных в мире DVB. Следовательно, эти интерфейсы доступны в цепочке передачи. Прямой доступ к ТП на стороне передатчика находится на входе соответствующей базовой системы. На других стыках, где сигнал возникает в модулированной форме, доступ возможен с помощью соответствующего демодулятора, который обеспечивает интерфейс ТП как выход для дальнейших измерений, определенных в EN 50083-9 [18, 92, 135, 147]. Цифровой ТП MPEG-2 представляет собой последовательность пакетов. До того, как над пакетом произведено кодирование Рида-Соломона и FEC помехоустойчивое кодирование, транспортный пакет имеет длину 188 байт. Он состоит из канального заголовка постоянной длины, транспортного заголовка, называемого полем адаптации, и полезных данных. Все эти составляющие транспортного пакета, кроме канального заголовка, могут отсутствовать в пакете и иметь переменную длину. На рис. 1.1 показаны поля транспортного пакета потока MPEG-2. Канальный заголовок пакета транспортного потока (ПТП) всегда включает в себя восемь полей, записанных в четыре байта. 1. Синхронизирующий байт - 8-разрядное поле в заголовке ПТП, имеющее бинарное значение 0100 01 IIі (в 16-ричном коде 0x47 ). Значение 0x47 -первый признак для его выделения; второй признак - период повторения в ТП равен 188 байт. Значение кода 0x47 не уникально, использование значения 0x47 при выборе значений для других, регулярно появляющихся с периодом 188 байт полей (например, идентификатор пакета ИП), следует избегать. 2. Индикатор ошибки транспортного пакета - одноразрядный флаг. При кодировании он устанавливается в состояние 0 . Переход этого индикатора в Г осуществляется внешним устройством, обнаруживающим ошибки. Состояние индикатора, равное Г указывает, что в передаваемом ПТП существует, по крайней мере, одна одноразрядная ошибка. Из Г этот бит не может быть установлен в 0 , если ошибка не была исправлена. 3. Индикатор начала блока полезных данных - одноразрядный флаг, имеющий установленные в 1 значения для ПТП. 4. Приоритет элементарного потока. Элементарный поток - общий термин для битового потока - кодированного видео, кодированного звука или других кодированных битовых потоков в пакетированных элементарных потоках — ПЭП пакетах. 5. Идентификатор пакета - 13-разрядное поле, указывающее на тип данных в поле блока полезных данных ПТП (поле блока данных транспортного пакета). Как уже говорилось ранее, в этом поле могут располагаться мультиплексированные ПЭП пакеты или таблицы системной информации. 6. Управление скремблированием — 2-разрядное поле, указывающее режим скремблирования полезных данных ПТП. Заголовок ПТП и поля адаптации, не должны скремблироваться. В случае нулевого ПТП значение этого поля должно быть установлено в состояние 00 . 7. Управление полем адаптации - 2-разрядное поле, указывающее, следуют ли за заголовком ПТП поле адаптации и/или полезные данные. 8. Счетчик непрерывности - 4-разрядное поле, увеличивающее свое значение в каждом последующем ПТП с одинаковыми идентификаторами пакета и принимающее значение 0x0 после значения OxF . Значение этого счетчика не должно быть увеличено, когда управление полем адаптации равняется 00 или 10 . Далее описаны основные параметры поля адаптации в заголовке транспортного пакета, которые требуются для измерения. Остальные поля несут дополнительную вспомогательную информацию для декодера. 1. Длина поля адаптации - 8-разрядное поле, определяющее число байт поля адаптации. Данные поля адаптации следуют в транспортном пакете непосредственно после этого поля. 2. Индикатор разрыва - 1-разрядное поле, единичное значение которого соответствует состоянию разрыва для текущего ПТП. 3. Индикатор произвольного доступа - 1-разрядное поле, указывающее на то, что текущий ТПа и, возможно, последующие ПТП с тем же самым идентификатором пакета, содержат некоторую информацию, обеспечивающую произвольный доступ в этом месте транспортного потока. 4. Индикатор приоритета элементарного потока - 1-разрядное поле, указывающее на приоритет элементарного потока, несущего полезные данные в пределах этого ПТП среди пакетов с тем же самым идентификатором пакета.
Синтез измерительных сигналов для оценки искажений в телевизионных системах, содержащих цифровые звенья
Следует еще раз подчеркнуть, что стандартные измерительные сигналы не всегда могут быть использованы для анализа искажений аналого-цифровых звеньев ТВ канала, в особенности когда в состав оборудования входят кодирующие/декодирующие устройства системы цветного телевидения SECAM [85, 99, 100, 134, 148]. Ниже приводится описание модифицированных измерительных сигналов, которые могут обеспечить анализ характеристик звеньев БЕСАМ-цифра-ЗЕСАМ и РАЬ-цифра-SECAM.
Для оценки переходных характеристик ТВ канала в области больших времен обычно используются прямоугольные импульсы частоты следования 50 Гц (элемент А), простробированные гасящими и сложенные с синхронизирующими импульсами (сигнал №1 по ГОСТ 18471). Для измерения звеньев БЕСАМ-цифра-БЕСАМ на этот сигнал должны быть наложены немодулированные цветовые поднесущие. Обозначим такой сигнал №1SS, его форма в области перехода сигнала яркости от уровня черного к уровню белого приведена на рис. 2.4, 2.5 и 2.6.
Измерительные сигналы №2SS и №2PS предназначены для оценки искажений импульсных и переходных характеристик канала яркости и измерения расхождения во времени (РВ) и различия усиления (РУ) сигналов яркости и цветности.
Сигнал №2SS, приведенный на рис. 2.7, в интервале каждой строки содержит элемент В1 (ЗТ-импульс), сигнал F1 для измерения РУ и РВ и прямоугольный импульс ВЗ с длительностью фронта, равной ЗТ. Сигнал F1 состоит из 20Т-импульса и цветовых поднесущих, промодулированных по частоте импульсами такой же формы, причем в строках DB используется сигнал положительной, а в строках DR - отрицательной полярности. Измерения РУ и РВ осуществляются по отфильтрованному сигналу яркости (рис. 2.8) и декодированному сигналу цветности (рис. 2.9). ЗТ-импульс предназначен для измерения переходной характеристики в области малых времен (в полосе частот до 3.6 МГц). импульса F по ГОСТ 18471 с фазами поднесущей ±54,55 в смежных строках (рис: 2.10). Измерительный сигнал №3SS содержит следующие составляющие (рис. 2.11, 2.12): сигналы двух строк для измерения нелинейности яркостной составляющей (НЯ), сигналы двух строк для измерения для измерения дифференциального усиления и дифференциальнй фазы (ДУ и ДФ), сигналы шести промежуточных строк между ними, в которых может передаваться либо уровень черного, либо уровень белого для изменения постоянной составляющей в полном цветовом ТВ сигнале. Сигналы в строках для измерения НЯ содержат элемент D4 (пилообразный сигнал) с насадкой частоты 1,2 МГц и наложенными на них немодулированными цветовыми поднесущими SECAM. Сигналы в строках для измерения ДУ и ДФ формируются следующим образом: в строке DR цветовая поднесущая промодулирована до f= 4.333 МГц (размах 170 мВ); в строке DB цветовая поднесущая промодулирована до f= 4.239 МГц (размах 170 мВ). Промежуточные строки содержат смодулированные цветовые поднесущие на уровне черного (сигнал №3.1 SS) или белого (сигнал №3.2SS) в зависимости от параметров генерации. Для измерения НЯ цветовые поднесущие устраняются режекторным фильтром и строки, в которых передается насадка 1.2 МГц, имеют вид, приведенный нарис. 2.13. Частоты цветовых поднесущих сигналов №3SS в строках, элементы которых используются для измерений ДУ и ДФ, выбраны таким образом, что эквивалентный сигнал цветовой поднесущей системы PAL также имеет размах 170 мВ. Фазы поднесущей в смежных строках при этом соответственно равны ±82,58.
Анализ экстремальных значений сигналов непосредственно по дискретным отсчетам
Для оценки характерных уровней ТВ измерительных сигналов и результатов измерений параметров ТВ каналов при наличии флуктуационньгх и импульсных помех весьма эффективным средством существенного уменьшения их влияния является использование порядковых статистик. При этом накапливающаяся последовательность результатов измерений одной и той же величины Хь Хг, , Хп преобразуется в порядковую статистику X(i) Хр) Х(П . Такое упорядочивание выборки не изменяет объема информации, однако часто позволяет выделить необходимую ее долю при сокращении вычислительных операций и уменьшении мешающих факторов за счет оптимального выбора данных при обработке выборочных значений. В алгоритм функционирования системы анализа данных видеоанализатора заложено использование уинсоризованного среднего [107]: При нормальном законе распределения результатов измерений и и эффективность такой оценки весьма высока (более 0,95). В некоторых случаях при больших объемах выборки другой удобной оценкой, робастной к аномальным результатам, используется медианная оценка: 2 асимптотически стремится к величине —«0.6366 . Основную информацию об энтропийном отклонении результатов измерений несут крайние порядковые статистики, и отбрасывание 103 экстремальных значений, обеспечивая устранение «загрязнения» выборки, снижает эффективность оценки энтропии. В этом плане при нормальном законе распределения особый интерес имеет оценка [106, 107]: Эта оценка весьма эффективна (более 0,9779) и в меньшей степени подвержена влиянию аномальных результатов изменений, чем стандартная оценка[106]. Поиск экстремальных значений и иных характерных точек измерительных сигналов и их местоположения осуществляется с использованием передискретизации - увеличения числа дискретных отсчетов на заданном интервале. С этой целью производится БПФ, спектральные компоненты в области F(N/2) дополняются нулевыми компонентами, так что общее их число iV,»iV , а затем выполняется операция ОБПФ, схема передискретизации приведена на рис. 3.4. Дальнейшее уточнение положений и значений уровней характерных точек производится путем соответствующих аппроксимаций непрерывной функции между близко расположенными дискретными ее отсчетами.
В ряде случаев удобно анализировать экстремальные значения сигналов непосредственно по дискретным его отсчетам. Этот вариант особенно эффективен при обработке синусоидальных сигналов с малым числом периодов, например, при обработке низкочастотной составляющей и огибающей высокочастотной составляющей 20Т- импульса. В общем случае измерительный сигнал можно представить в виде: где А и а о - соответственно амплитуда и круговая частота синусоидального сигнала, cp=ajQ0 - начальная фаза синусоидальных колебаний, определяемая начальной точкой отсчета t0 сигнала, В -постоянный уровень сигнала яркости. Если дискретизация сигнала осуществляется через интервал At, то при указанной синхронизации импульсов дискретизации от измерительного сигнала его дискретные отсчеты можно представить в виде где Ax=co0At, ln - дискретное значение помехи, определяющей изменение положения импульсов дискретизации за счет ее проникновения в канал синхронизации; 2п - дискретное значение аддитивной помехи в точке дискретизации. Величины дискретных значений помех 5]п и 2п могут содержать как флуктуационную, так и импульсную составляющие. Эффективные напряжения дискретных отсчетов помех in и 2п могут отличаться друг от друга в случае, если их частота много меньше частоты дискретизации. Алгоритм оценки размаха синусоидальных колебаний можно разделить на два этапа: поиск положений экстремальных значений синусоидального сигнала с одновременной оценкой его размаха; оценка разности экстремальных значений сигнала в характерных точках, определенных на первом этапе, с одновременной оценкой изменений измеряемого сигнала. Алгоритм поиска положений экстремальных значений сигнала с одновременной оценкой его размаха заключается в вычислении преобразованных значений сигнала: где а„ - коэффициенты взвешивания отсчетов, обеспечивающие максимальное подавление помехи при выполнении некоторых условий, характеризующих точную оценку экстремумов сигнала. В случае если дискретные отсчеты сигнала располагаются симметрично относительно экстремума, условиями безыскаженной его оценки являются: Первое из этих условий гарантирует безыскаженную оценку постоянной составляющей сигнала (В, см. (3.13)), а второе - экстремума синусоидальной составляющей. где коэффициенты сії и а2 определяются путем подстановки этих величин в равенство (3.15) и (3.16) и равны Очевидно, если эта точка совпадает с положением t максимума сигнала (3.12), то учитывая соотношения (3.15) и (3.16), при отсутствии помех XN=A+B . Если же эта точка совпадает с положением минимума, то XN=B-A.
Из соотношения (3.17) следует, что Важным вопросом является выбор величины шага дискретизации At, определяющего методическую погрешность оценки экстремума. Учитывая,, что максимальный сдвиг точки tu относительно экстремума составляет At , максимально возможная относительная погрешность оценки величины А составляет АА —— -100% . Задавшись величиной АА 0.25 , получим требуемое значение величины Ах = 0.2. Величины соотношением (3.19). В этой таблице дана также величина коэффициента подавления помехи /ли. Измерение эффективного напряжения флуктуационных помех и амплитуд синусоидальных помех производится также с помощью БПФ интервала одной из строк кадра, в которой измерительный сигнал либо отсутствует, либо плавно изменяется, занимая спектр в низкочастотной области (менее 50 кГц). При анализе флуктуационных помех и синусоидальных помех полоса частот ниже 50 кГц отфильтровывается. На рис.3.5 приведены примерный вид измерительного сигнала для анализа и спектр данного участка сигнала с выделенными помехами. Для анализа спектра помех при преобразовании используется весьма эффективная оконная функция [151]
Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВК-2
В процессе эксплуатации комплекса ВК-1, выявились следующие недостатки: малый объем SDRAM памяти для генерации измерительных сигналов, достаточный для статических изображений, но не позволяющий реализовать динамику в измерительном сигнале; недостатки в работе схемы привязки измерительного сигнала; малый объем вводимых данных; большие габариты модулей и др.
В результате следующая модификация видеоанализатора ВК-2 содержит большой блок памяти, нет аппаратной схемы привязки, а только программная, изменена схема ввода данных, расширен диапазон изменения уровня входного и выходного сигнала и др. Устройство платы ВК-2 и работа ВК-2 поясняется с использованием структурной схемы видеоанализатора ВК-2, приведенной на рис. 4.4. Измерительный прибор ВК-2 реализован на основе платы ВК-2, персонального компьютера, на котором установлено специализированное программное обеспечение «Видеоанализатор компьютерный ВК-2», позволяющее управлять электронными узлами платы ВК-2. Данное программное обеспечение позволяет: по выбору пользователя рассчитывать цифровые потоки ТВ сигнала, синхронизироваться по входному аналоговому ТВ сигналу и преобразовывать его в цифровой поток, обрабатывать цифровые потоки, получаемые с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП), обеспечивать коррекцию аппаратных погрешностей платы ВК-2 путем предкоррекции цифровых потоков, преобразуемых в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) генератора ВК-2 в аналоговый ТВ сигнал и коррекции данных с выхода АЦП и результатов измерений. Такая структура видеоанализатора компьютерного ВК-2 обеспечивает формирование прецизионных ТВ измерительных сигналов как стандартной [75], так и произвольной формы, и высокоточные измерения параметров этих сигналов. В частности, сквозные параметры АЧХ и ГВЗ (когда вход ВК-2 непосредственно соединен с его выходом) соответственно не превышают ±0,2 % и ±2 не в диапазоне частот 0,2 - 8 МГц. Плата ВК-2 содержит следующие укрупненные узлы: узел АЦП; узел ЦАП; узел управления на основе программируемой логической матрицы (ПЛИС); узел синхронизации по входному ТВ сигнала и тактирования; контроллер шины РСІ 32 (РСІ 32 - стандарт 32-разрядной компьютерной шины); идентификационное постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); SDRAM - синхронную динамическую память; буферы FIFO (First IN - First OUT - с использованием алгоритма очереди первый -пришел-первый-обслужен) АЦП и ЦАП. Узел АЦП осуществляет преобразование входных аналоговых сигналов в дискретный 14-битовый цифровой поток с частотой выборок 27 МГц с целью последующей цифровой обработки. Узел АЦП (рис. 4.2) включает в себя: 4 входа видео (IN0 - IN3); коммутатор входов (KB); фильтр нижних частот - ФНЧ; АЦП; диодные ограничители защиты входа от перенапряжения; буферные усилители; источник опорного напряжения для калибровки АЦП.
Измеряемые сигналы подаются на входы INI - IN3. Вход IN0 не выведен для непосредственного подключения видеосигнала, а предназначен для подключения к нему выхода коммутатора видео (для расширения числа измеряемых видеосигналов). Входы INI - IN3 имеют отключаемые съёмными перемычками нагрузочные резисторы номиналом 75 Ом. При снятой перемычке вход может быть использован как проходной, не нагружающий линию измеряемого сигнала. Нагрузка на входе IN0 - не отключается и равна 75 Ом. Все входы развязаны буферными быстродействующими широкополосными операционными усилителями с полевыми транзисторами на входе (типа ОРА655 фирмы Burr-Brown). Входы INI - IN3 имеют резистивно-диодную защиту от перенапряжений по входу. Выбор входа, сигнал с которого будет измеряться, осуществляется пользователем в программе «Видеоанализатор компьютерный ВК-2». По команде с персонального компьютера KB подключает выбранный сигнал через буферный усилитель на вход ФНЧ фирмы Mini-Circuits типа PLP-10.7-75 с полосой прозрачности 10,7 МГц и входным и выходным сопротивлениями 75 Ом. ФНЧ ограничивает спектр входного сигнала АЦП для корректной его дискретизации по времени. Искажения АЧХ и ГВЗ, вносимые фильтром ФНЧ в полосе частот видеосигнала, относительно невелики, стабильны по времени и температуре и корректируются при настройке ВК-2. По входу и выходу ФНЧ согласован буферными усилителями с входными и выходными сопротивлениями 75 Ом.
