§ 6.3. Временное преобразование несинхронных телевизионных сигналов в синхронные

Достижения в области цифровой техники открыли возможность управления частотой следования, фазой, и в случае необходимости - и порядком следования компонентов телевизионного сигнала путем временных преобразований. Это позволило эффективно решить задачу получения синхронных сигналов от разобщенных источников видеоинформации.

Временные преобразования сигнала осуществляются с помощью цифровых запоминающих устройств (ЗУ). В большинстве случаев запись исходного сигнала в ЗУ производится непрерывно. Если ЗУ содержит ячеек, то после заполнения всей его памяти отсчетами сигнала отсчет записывается снова в первую ячейку, и процесс продолжается с обращением к каждой ячейке с периодом где х — интервал дискретизации сигнала. Порядок считывания зависит от выбранного алгоритма преобразования. Очевидно, что алгоритм преобразования определяет и минимально необходимую емкость памяти. Различие скоростей непрерывных процессов записи и считывания приводит либо к пропуску, либо к: повторению части информации. Действительно, если скорость считывания меньше скорости записи, то выравнивание потока информации, вводимого в ЗУ, со считываемым может быть осуществлено

только за счет потери части информации. При скорости считывания, превышающей скорость записи, часть информации должна быть считана неоднократно. И в том, и в другом случае считываемый сигнал искажается. Причиной искажения структуры считываемого сигнала является также изменение вида полей (преобразование четных полей в нечетные, и наоборот) и вида цветоразностных сигналов в нечетных (четных) строках.

Рассмотрим временные преобразования и связанные с этими процессами нарушения структуры сигнала и потери информации в синхронизаторе вещательной телевизионной системы с емкостью памяти, равной двум полям изображения. Синхронизатором (или синхронизатором кадров) называют устройство преобразования телевизионных сигналов автономных внешних источников в сигналы, синхронные с сигналом местного опорного источника.

Рис. 6.4. Функциональная схема синхронизатора

Функциональная схема синхронизатора приведена на рис. 6.4. На вход I поступает сигнал внешнего источника, а на вход III — местный опорный сигнал. С выхода II снимается телевизионный сигнал, синхронный с местным опорным источником. В схеме синхронизатора можно выделить четыре узла. В тракт преобразования телевизиоииого сигнала (узел 1) входят: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), осуществляющий кодирование телевизионного сигнала; демультиплексор (ДМ), согласующий высокую скорость поступления информации с АЦП со сравнительно низким быстродействием ЗУ; запоминающее устройство ЗУ; мультиплексор (М), цифровая схема регенерации сигнала синхронизации в считанном телевизионном сигнале и цифроаиалоговый преобразователь (ЦАП), восстанавливающий аналоговый телевизионный сигнал.

Аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор, а в режима записи и запоминающее устройство осуществляют все операции синхронно с внешним сигналом.

ЗУ в режиме считывания, мультиплексор, схема регенерации и ЦАП работают синхронно с местным опорным сигналом. Синхронные с внешним телевизионным сигналом импульсы частоты дискретизации (импульсы высокой тактовой частоты), импульсы низкой тактовой частоты для цифрового сигнала на выходах демультиплексора строчные синхронизирующие импульсы, импульсы частоты полей, частоты кадров (импульсы нечетных полей) и полустрочной частоты, несущие информацию о следовании

цветоразностных сигналов, формирует схема Ф] узла 2. Такие же импульсы, но синхронные с местным опорным сигналом формирует схема узла 4.

В качестве местного опорного сигнала принято использовать либо полный телевизионный сигнал местного источника, либо поступающие с местного синхрогенератора сигнал синхронизации, приемников и импульсы полустрочной частоты. В коммутаторе со схемой управления объединенных в узле 3, измеряется разность фаз внешнего и местного сигналов и осуществляется коммутация цепей записи и считывания при чередовании этих режимов в секциях ЗУ.

Рис. 6.5. Канал запоминающего устройства синхронизатора

Каждый из К разрядов параллельного равномерного двоичного кода, поступающего с АЦП, преобразуется демультиплексором, в кодовых последовательностей с тактовой частотой — частота дискретизации телевизионного сигнала). ЗУ содержит одинаковых каналов, так как за счет выравнивания задержки сигналов в демультиплексоре запись происходит синхронно во всех каналах. В дальнейшем, рассматривая процессы в первом: канале первого разряда ЗУ, следует иметь в виду, что строкой, полем, кадром называют соответственно часть информации строки, поля, кадра телевизионного сигнала. Канал ЗУ состоит секций. Предположим, что секцией является одна микросхема памяти и исключена возможность одновременного выполнения операций записи и считывания сигнала. Тогда возникает необходимость предотвратить в секции памяти перекрытие во времени процессов записи и считывания. Рассмотрим решение этой задачи для: наиболее широко используемых синхронизаторов с емкостью памяти, равной двум полям изображения при параметрах МГц; МГц; и емкости одной секции: памяти с матричной организацией 16 Кбит ( строк столбцов)

Один канал ЗУ показан на рис. 6.5, где ДМ — демультиплексор, П — секци» памяти, М — мультиплексор, восстанавливающий цифровой сигнал одного разряда, формирователи сигналов, управляющих работой запоминающего устройства в режимах записи и считывания. Код одного разряда цифрового ТВС поступает на вход I, Синхронизирующие импульсы, выделенные из внешнего сигнала и синхронизирующие импульсы опорного источника, подаются на входы и IV. Преобразованный сигнал снимается с выхода III.

Рис. 6.6. Последовательность записи сигнала: 1 — нмпульсы частоты полей: 2—6 — коммутирующие импульсы

Запись телевизионной строки производится последовательно в ячейки одного столбца секции. При принятом значении тактовой частоты сигнал телевизионной строки заполняет весь столбец секции памяти. В каждой секции запоминается 125, а во всем канале памяти — 625 последовательно передаваемых строк, т. е. кадр изображения, что поясняется рис. 6.6. Три столбца матрицы памяти каждой секции не используются.

Сигнал вводят в память так, что начало первой строки нечетного поля записывается в первую ячейку первого столбца матрицы памяти. Тогда номер строки в кадре однозначно определяет ее положение в матрице памяти. Нумерация строк указана на рис. 6.7, где знак обозначает начало строки, знак К указывает строку с сигналом — строку с сигналом После заполнения ячеек всех 625 столбцов памяти начало первой строки следующего нечетного поля опять записывается в первую ячейку первого столбца, и цикл записи повторяется.

Чтобы разделить во времени процессы записи и считывания в одной секции при временном смещении кадров внешнего и местного телевизионных сигналов, не превышающем 125 строк (время заполнения одной секции), нечетное поле сигнала, считанного из памяти, получают, считывая видеоинформацию записанного в память четного поля, и далее в четном поле — видеоинформацию нечетного поля.

Рассмотрим особенности процесса считывания более подробно. Для этого выделим из множества значений временных сдвигов кадров внешнего и местного сигналов четыре области, характеризующиеся различными требованиями к начальной фазе процесса считывания (см. табл. 6.1). За начало процесса считывания

примем начало первой строки нечетного поля местного телевизионного сигнала. Данные таблицы показывают, что перенос начала считывания при емкости памяти, равной двум полям, осуществляется по двум причинам: во-первых, из-за невозможности одновременного выполнения операций записи и считывания сигнала в одной секции памяти, во-вторых, с целью цветовой синхронизации, обеспечивающей идентичность вида цветоразностных составляющих в считанном синхронном внешнем телевизионном сигнале и в сигнале местного источника. Если, например, в нечетных строках памяти записан сигнал с поднесущей, модулированной сигналом а для синхронизации с местным сигналом должен считываться сигнал считывание начинают с четной, т. е. со строки

Рис. 6.7. Сигналы синхронизации: гасящие, синхронизирующие и уравнивающие импульсы (а, б), сигнал цветовой синхронизации (в-е)

Только в одном из четырех случаев, указанных в таблице, считанный кадровый гасящий импульс совпадает с кадровым гасящнм импульсом местного сигнала, когда считывание начнется со строки 1 телевизионного кадра при цветоразностном сигнале в этой строке, совпадающем с цветоразностиым сигналом местного источника. В остальных случаях кадровый гасящий импульс считанного

Таблица 6.1. (см. скан)

сигнала сдвинут относительно кадрового гасящего импульса местного сигнала. После введения в считанный сигнал местных гасящнх импульсов и местного сигнала синхронизации временной сдвиг между кадровыми гасящими импульсами проявляется как. потеря информации на половине либо на целой строке поля сверху или снизу растра (табл. 6.1).

Следствием смещения начала считывания со строки 1 является также изменение временного положения считанного сигнала опознавания цвета относительно кадрового синхронизирующего импульса местного сигнала Если указанное изменение не нарушает работу цепей селекции сигналов опознавания, то цветовая синхронизация сохраняется, так как вместе с сигналом опознавания смещается и сигнал изображения. Однако необходимо учитывать, что передача сигнала опознавания с началом в строках 6, 8 и 319 является отклонением от требований ГОСТ 7845-79 и может вызвать отказ селекторов, спроектированных без учета таких нарушений формы телевизионного сигнала. Поэтому либо в считанный из памяти сигнал вводят импульсы опознавания местного сигнала, либо путем соответствующего воздействия на адреса считывания корректируют временной сдвнг между синхронизирующими импульсами частоты полей и импульсами опознавания.

После восстановления необходимого временного положения сигнала опознавания считанный телевизионный сигнал по всем компонентам сигнала синхронизации соответствует требованиям ГОСТ 7845-79. Потери информации, не превышающие одной строки в поле изображения на краю растра, несущественны и практически не ограничивают возможности синхронизатора. При изменении последовательности считанных полей (в зависимости от соотношения частот кадров внешнего и местного сигналов) одно поле пропускается либо считывается повторно. Информационные потерн за счет редких пропусков одного поля изображения в вещательных телевизионных системах допустимы, а синхронность выходного сигнала синхронизатора с местным не нарушается, так как в считанном сигнале производится замена синхросигнала.

Изложенное не характеризует работу синхронизатора при переходе через лредельные значения временных сдвигов тк в приведенных в таблице неравенствах и изменении условий цветовой синхронизации. При изменении тк и переходе через значения номер строки, с которой начинается считывание, изменяется; в соответствии с данными таблицы должен изменяться и временной сдвиг считанного сигнала относительно местного кадрового синхронизирующего импульса. Этот процесс не вызывает срыва синхронизации и также происходит достаточно редко, поэтому зритель не замечает на экране приемника каких-либо возмущений.

В случае флуктуации временного сдвига тк относительно медленно изменяющегося среднего значения в области значений тк, близких к нулю, первое же значение тк, попадающее в область приведет к переносу начала считывания на строку 313 или 314. Поэтому флуктуации фазы внешнего сигнала относительно медленно изменяющегося среднего значения не нарушают работу -синхронизатора. Это важно при использовании в качестве источника внешнего сигнала телевизионных установок с видеомагнитофоном и выполнении синхронизатором функции корректора временных искажений.

Обязательным для синхронизатора является режим «стоп-кадра», т. е. режим, обеспечивающий длительное наблюдение отдельных кадров изображения. В этом случае прерывается процесс записи и длительное время считывается либо одно из полей, либо оба поля, хранящиеся в памяти.

Однополевой стоп-кадр исключает «дрожание» деталей, заметно изменяющих свое положение на растре в смежных полях. В вещательном телевидении в основном используют однополевой стоп-кадр. К двухполевому стоп-кадру обращаются только при просмотре медленно изменяющихся изображений с целью сохранения разрешающей способности по вертикали.

Поскольку полный цикл передачи строк цветоразностных сигналов в системе SECAM состоит из четырех полей, при обоих видах стоп-кадра нарушается цветовая синхронизация. Это означает, что при синхронности по строкам и полям сигналы и считываемые из памяти, не совпадают во времени с аналогичными сигналами местного источника. Синхронность цветоразностных сигналов внешнего и местного сигналов обеспечивается разделением и последующим объединением сигналов яркости и цветности, причем тракты разделения и объединения сигналов включают только в режиме стоп-кадра для того, чтобы при основном режиме работы избежать снижения качества изображения из-за дополнительной обработки телевизионного сигнала.

Проведенное рассмотрение позволяет выявить характерные особенности синхронизации телевизионных сигналов путем временного преобразования. ЗУ в этом случае рассматривается как пространственная структура, подобная телевизионному растру, поскольку координаты каждого элемента кадра изображения однозначно определяют его адрес в матрице памяти. Считывание информации, введенной в ЗУ, производится во время и в последовательности, соответствующих заданному алгоритму преобразования. Обычно в синхронизаторах запись сигнала производят непрерывно, а все коммутации, необходимые для преобразования сигнала, относят к процессу считывания. Это условие не является

обязательным, и в ряде случаев преобразование сигнала начинают уже при заполнении матрицы памяти.

Рассмотрим процедуру преобразования телевизионного сигнала с изменением параметров разложения — преобразование стандарта. Необходимость в таком преобразовании возникает при международном обмене программами. Пусть в исходном сигнале число строк в кадре 525 и частота следования полей 60 Гц. Для получения телевизионного сигнала, соответствующего требованиям вещательной системы с числом строк в кадре 625 и частотой полей 50 Гц, могут быть использованы матрица памяти на 625 строк и схемы формирования тактовых колебаний, обеспечивающие одинаковое число выборок в строках записываемого и считываемого сигнала. В этом случае при записи первых 250 строк каждого поля каждую пятую строку вводят в два смежных столбца памяти. В последних 12,5 строках поля эта операция не производится. Тогда при записи 525 строк внешнего сигнала будут заполнены 625 столбцов матрицы памяти и в считанном сигнале число строк в кадре достигнет 625. Для выравнивания частоты полей считывание производят синхронно с местными полями частоты 50 Гц, учитывая несинхронность с полями внешнего сигнала. Естественно, что при этом «лишние» поля пропускаются. Переход от 625 строк в кадре и 50 полей в секунду к 525 строкам в кадре и 60 полям в секунду может быть осуществлен за счет пропуска «лишних» строк и повторения ряда полей в режиме считывания. В преобразователях стандартов осуществляют запись и считывание декодированного сигнала, т. е. сигналов и Для этого применяют две идентичных по емкости матрицы памяти, в одной из которых запоминают сигнал У, в другой — два цветоразностных сигнала, кодированных с более низкой тактовой частотой и объединенных в одну последовательность с тактовой частотой, принятой для яркостного сигнала. Так, при тактовой частоте яркостного сигнала

13,5 МГц цветоразностные сигналы кодируются с тактовой частотой 6,75 МГц и объединяются для записи в ЗУ в одну последовательность с тактовой частотой 13,5 МГц.

Чтобы уменьшить искажения изображения при повторении строк, сигнал дополнительной строки получают с помощью предыдущих и последующих строк. Если повторяется строка то простейший вариант интерполяции заключается в усреднении сигналов строк и . К интерполяции прибегают и при пропуске строк. Интерполяция становится необходимой и при изменении частоты полей. В этом случае обрабатываются сигналы смежных полей и кадров. Все операции по интерполяции выполняются раздельно для сигналов яркости и цветоразностных сигналов.

Развитие техники временного преобразования телевизионных сигналов привело к построению новых телекинопроекторов с однострочными преобразователями свет — сигнал и непрерывной протяжкой пленки. В телекинопроекторах за время перемещения

пленки относительно однострочного считывающего устройства на высоту кадра заполняются 575 столбцов матрицы, в которые записываются 575 строк изображения (активная часть кадра). Телевизионный сигнал формируется путем считывания сначала 287,5 нечетных, затем 287,5 четных столбцов памяти с введением гасящих импульсов длительностью 25 строк. Выходной сигнал имеет стандартную форму, соответствующую чересстрочному разложению с

312,5 строками в поле и 625 строками в кадре

Одним из существенных преимуществ телекинопроекторов такого типа является возможность оперативного выбора фрагментов кинофильма и просмотра как фрагментов, так и отдельных кадров фильма при составлении программ цветокоррекции. Возможна как замедленная, так и ускоренная протяжка пленки. Э случае замедления протяжки пленка перемещается относительно считывающей строки на высоту кадра за время, превышающее 575 периодов номинального значения строк. Чтобы сохранить возможность наблюдать изображение с замедленным развитием сюжета, необходимо размещать информацию, считанную с каждого кадра пленки, в 575 столбцах матрицы памяти. Эта задача решается исключением лишних строк при равномерном распределении пропусков по высоте кадра. Например, при замедлении протяжки вдвое достаточно записывать в ЗУ каждую вторую строку. Естественно, что в этом случае должна быть учтена разница в скоростях заполнения памяти и считывания сигнала так же, как это делается в синхронизаторах. В предельном случае замедления протяжки — при полной остановке пленки из ЗУ считывается последний из записанных кадров (режим стоп-кадра). Ускорение протяжки приводит к считыванию с пленки кадра изображения с меньшим числом строк. Необходимые условия для записи в ЗУ сигнала с номинальным числом строк в кадре достигаются путем записи каждой строки сигнала в несколько столбцов ЗУ либо увеличением частоты строк в преобразователе свет — сигнал. Первый вариант реализуется проще, но приводит к большим искажениям изображения, во втором— преобразователь свет — сигнал должен работать при более высоких значениях частоты строк.