§ 6.5. Селекция и обработка сложных сигналов синхронизации

Используемые в вещательном телевидении форма синхронизирующих посылок и способ их передачи ниже уровня черного за счет сокращения динамического диапазона сигнала изображения сложились на раннем этапе развития телевизионной техники. В дальнейшем громадный парк телевизионных приемников и просмотровых устройств, рассчитанный на работу со стандартным сигналом, практически полностью исключил возможность совершенствования структуры сигнала синхронизации. Поэтому областью применения новых предложений по форме и способу передачи синхронизирующих посылок стали прикладные телевизионные системы, звенья вещательной телевизионной системы, рассчитанные на работу с регенерацией синхронизирующих посылок перед вещанием и вновь разрабатываемые системы с новыми принципами построения телевизионного сигнала, такие, как система высококачественного телевидения с увеличенным числом строк в кадре и временным уплотнением сигналов яркости и цветности.

Одной из основных задач при совершенствовании синхронизирующих посылок в аналоговых телевизионных системах является использование всего динамического диапазона канала связи для передачи сигналов изображения. Работы в этом направлении привели к размещению синхронизирующих посылок в диапазоне изменения размаха телевизионного сигнала, ограниченном уровнями; черного и белого. Форму синхронизирующих посылок при этом усложнили и выбирают такой, чтобы вероятность появления сигналов изображения такой формы была минимальной.

При передаче сигналов синхронизации в одном динамическом диапазоне с сигналом изображения на 25—30% увеличивается размах сигнала изображения, в 3—4 раза возрастает размах синхронизирующих посылок. Первые предложения по совмещению динамического диапазона сигнала изображения и синхронизирующих посылок в виде радиоимпульсов, со стабильной частотой колебаний, близкой верхней граничной частоте полосы пропускания видеотракта, дали хороший результат и используются и в настоящее время. Позднее получили применение радиоимпульсы с частотно-модулированными колебаниями и кодовые последовательности, относящиеся к сложным сигналам, т. е. сигналам с большой базой. Базой сигнала принято называть произведение , где — ширина спектра сигнала; Т — длительность сигнала. Селекцию сложных сигналов осуществляют с помощью фильтров, оптимизирующих отношение сигнал-шум. Выходной сигнал таких фильтров описывает корреляционная функция входного сигнала. Корреляционные функции простых синхронизирующих сигналов с малой базой имеют вид импульсов с малой крутизной фронтов и большой длительностью, превышающей длительность посылок. Так, прямоугольный импульс превращается оптимальным фильтром в импульс

треугольной формы, максимальное значение которого совпадает по времени с задним фронтом, а длительность фронтов — с длительностью входного импульса.

Такой же сигнал получают после детектирования выходного сигнала оптимального фильтра при синхронизирующих посылках в виде пакетов колебаний постоянной частоты. Корреляционные функции и, следовательно, отклик оптимального фильтра на сложные сигналы имеют вид узких импульсов с длительностью, близкой На выходе оптимального фильтра в каждом гаком импульсе концентрируется вся энергия синхронизирующей посылки. Сложные сигналы называют также широкополосными или шумоподобными. Последнее название обусловлено широким непрерывным спектром одиночных посылок, напоминающим спектр шума. Примером могут служить частотно-модулированные посылки, формируемые неминимально-фазовыми цепями. Спектр этих сигналов в полосе пропускания телевизионного канала близок к равномерному и имеет сходство со спектром «белого» шума.

Передаточная функция оптимального фильтра является функцией, комплексно-сопряженной со спектром сигнала. Имея в виду такое согласование передаточной функции фильтра со спектром сигнала, оптимальные фильтры называют также согласованными фильтрами.

Амплитудно-частотная характеристика оптимального фильтра и спектр сигнала описываются одинаковыми функциями, а фазы гармонических составляющих смещаются фильтром так, что их максимумы совпадают в конце посылки.

Так как спектр входного сигнала передаточную функцию согласованного фильтра определяет выражение

где Т — длительность входного сигнала.

Импульсная характеристика согласованного фильтра является зеркальным отображением входного сигнала: Если имеются два фильтра с импульсными характеристиками соответственно (рис. 6.11), то при использовании первого фильтра в качестве цепи, формирующей синхронизирующую посылку как отклик на узкий импульс (имитация -импульса), второй фильтр может служить оптимальным селектирующим устройством, и, наоборот, при формировании посылок вторым фильтром для их селекции следует применить первый фильтр. Такая пара фильтров позволяет осуществить формирование четырех видов синхронизирующих посылок: радиоимпульсов положительной и отрицательной полярности с убывающей частотой колебаний,

(кликните для просмотра скана)

формируемых фильтром селектируемых фильтром и с возрастающей частотой колебаний, формируемых фильтром селектируемых фильтром

Согласованный фильтр по значению отношения сигнал-помеха выходном сигнале является оптимальным, если синхронизирующие посылки селектируются на фоне «белого шума». Эффективность обработки сигнала согласованным фильтром существенно уменьшается в реальной ситуации при воздействии сигнала изображения, воспринимаемого в тракте синхронизации как помеха.

Рис. 6.12. Кодовые синхронизирующие сигналы на входе селектора (а) и на выходе фильтра верхних частот (б)

Для сохранения преимуществ согласованной фильтрации в состав селектора должен быть введен режекторный фильтр, который, во-первых, разрушив корреляционные связи сигнала изображения, приблизил бы мешающие компоненты на входе согласованного фильтра к «белому шуму» и, во-вторых, не внес бы существенных искажений в форму синхронизирующих посылок, обрабатываемых согласованным фильтром. При спектральной плотности мощности видеосигнала режекторный фильтр выполняет такие функции, если его амплитудно-частотная характеристика описывается выражением где С — постоянная величина Спектр сигнала на выходе режекторного фильтра с характеристикой равномерный.

В большинстве случаев на стадии проектирования новой телевизионный системы разработчик не располагает статистическими данными, позволяющими определить спектральную плотность мощности сигнала изображения. Поэтому амплитудно-частотную характеристику режекторного фильтра выбирают исходя из правдоподобного предложения о том, что спадает в области верхних частот. Обычно в качестве режекторного выбирают фильтр верхних частот, реализацией которого при цифровой форме сигнала является короткозамкнутый эквивалент длинной линии.

Необходимо отметить, что обработка входного сигнала фильтром верхних частот позволяет наряду с подавлением мешающего

сигнала создать условия для другого, очень важного процесса — фиксации синхронизирующих посылок на входе согласованного фильтра. Фиксирующая цепь подавляет низкочастотные компоненты спектра сигнала изображения, поэтому независимо от содержания передаваемого изображения уровень вершин синхронизирующих импульсов сохраняется постоянным.

Включение в состав селектора фильтра верхних частот предъявляет особые требования к форме синхронизирующих посылок, так как селектирующий фильтр должен быть в этом случае согласован не с входным сигналом селектора, а с выходным сигналом режекторного фильтра.

Из изложенного вытекает целесообразность формирования и передачи по каналу связи предыскаженных синхронизирующих посылок. Предыскажения заключаются в придании синхронизирующим посылкам такой формы, при которой после деформации в режекторном входном фильтре они получают вид, необходимый для согласованной фильтрации.

Рис. 6.13. Сигналы в корреляторе (а) и на его выходе (б)

При предыскажениях на вход согласованного фильтра поступит смесь синхронизирующих посылок, с которыми согласован фильтр, и мешающего сигнала, близкого к «белому шуму». Примеры предыскаженных кодовых посылок приведены на рис. 6.12.

Эти кодовые сигналы в результате прохождения через фильтр верхних частот преобразуются в сигналы, компонентом которых являются 3-, 7- и 11-элементные коды Баркера (элементы кодов отмечены на рисунке).

Рис. 6.13 иллюстрирует процесс согласованной фильтрации синхронизирующего импульса на примере сигнала, компонентом которого является 7-элементный код Баркера. Остальные компоненты этого сигнала создают при фильтрации паразитные импульсы, не мешающие амплитудной селекции основного. Дискретность задержек в согласованном фильтре определяется тактами в образовавшемся коде Баркера.

Для практического использования предыскаженных синхронизирующих посылок необходимы сведения об их спектре и

корреляционных функциях. Информация о спектре позволяет согласовать синхронизирующие посылки с каналом связи и построить согласованные фильтры. Корреляционная функция описывает отклик согласованного фильтра на входные синхронизирующие посылки и позволяет оценить размах селектированных импульсов.

При вычислении спектров и корреляционных функций каждый из кодов, приведенных на рис. 6.12, можно рассматривать как сумму одиночных прямоугольных импульсов длительностью сдвинутых относительно начала отсчета времени на интервал, кратный . Спектр прямоугольного импульса длительностью

Соответственно спектр кодовой группы

где — номер отсчета временного интервала в пределах последовательности; — размах импульса (1 или 0) на интервале от до

Перепишем выражение в тригонометрической форме, используя формулу Эйлера:

Выражение (6.8) можно представить в виде

где

Амплитудный спектр и спектральную плотность мощности определяют соотношениями

а корреляционные функции выражением

где — число дискретных отсчетов времени.

Рис. 6.14. Амплитудные спектры сигналов на входе селектора (а) и на выходе фильтра верхних частот (в)

Рис. 6.15. Корреляционные функции сигналов на входе селектора (ао) и на выходе фильтра верхних частот (б)

Для синхронизирующих посылок, показанных на рис. 6.12, амплитудные спектры и корреляционные функции приведены на рис. 6.14 и 6.15. Нумерация кривых соответствуют нумерации сигналов. В качестве согласованного фильтра используют коррелятор, состоящий из многозвенной линии задержки и сумматора.

Аналоговые линии задержки имеют большие объем и массу. Для применения компактных цифровых схем задержки (регистров сдвига) необходимы тактовые колебания, связанные по фазе с синхронизирующими посылками.

Покажем возможность получения колебаний тактовой частоты

в результате обработки синхронизирующих посылок в дополнительной короткозамкнутой линии, введенной в схему селектора.

Во входной цепи селектора с помощью короткозамкнутой линии задержки подавляются низкочастотные компоненты спектра сигнала. В результате потенциальный код, в котором символам «1» и «0» соответствуют два потенциальных уровня, преобразуется в импульсный код, в котором положительным импульсам соответствует «1» и отрицательным — (рис. 6.16). Повторная обработка сигнала в короткозамкнутой длинной линии позволяет получить последовательность импульсов тактовой частоты для управления цифровой схемой задержки коррелятора. Несмотря на наличие тракта селекции тактовых колебаний, размеры и масса селектора оказываются значительно меньшими, чем при аналоговой длинной линии с задержкой, равной длительности кодовой посылки.

Рис. 6.16. Селекция тактовых импульсов: а — исходная посылка: б, в — первая и вторая стадии обработки; г — тактовые импульсы

Рис. 6.17. Функциональная схема селектора с цифровым коррелятором

В схеме селектора с цифровым коррелятором (рис. 6.17) импульсный код с входного эквивалента длинной линии поступает на цепь выделения тактовой частоты и два регистра осуществляющих задержку сигналов «1» и Сумматор выделяет селектированные импульсы. Завершает процесс пороговая схема отделяющая селектированные импульсы от мешающих сигналов.

Уже была обоснована необходимость в двух звеньях селектора—фильтре верхних частот и согласованном фильтре. Продолжим рассмотрение процесса селекции с целью определения его полной функциональной схемы. Фиксация сигнала в результате подавления низкочастотных составляющих входным фильтром

позволяет включить перед трактом согласованной фильтрации двусторонний ограничитель с характеристикой

где — выходной сигнал; — уровни ограничения; — входной сигнал; с — коэффициент. Ограничитель нормирует динамический диапазон сигнала и исключает возможность перегрузки последующих цепей селектора.

Фазочастотная характеристика согласованного фильтра связана с фазовым спектром синхронизирующей посылки соотношением , где — текущее значение частоты; Т — длительность посылки. При такой фазочастотной характеристике согласованный фильтр компенсирует фазовые сдвиги гармонических составляющих посылки таким образом, что в момент Т составляющие совмещаются по фазе и в результате суммирования выходной сигнал принимает максимальное значение. Естественно, что искажения фазочастотной характеристики тракта передачи приведут к изменению фазового спектра синхронизирующих посылок и нарушат расчетное согласование с ними селектирующего фильтра. Следствием рассогласования явятся искажение формы и уменьшение размаха импульсов на выходе согласованного фильтра, приводящие к потерям точности и помехозащищенности синхронизации.

В тракте передачи телевизионного сигнала источниками искажений могут быть устройства, в которых нелинейность фазочастотной характеристики сопутствует резкому спаду амплитудно-частотной характеристики. К таким устройствам относятся видеомагнитофоны, цифровые преобразователи аналогового сигнала изображения, цепи задержки сигнала и т. п. К возможным источникам искажений следует также отнести устройства формирования и селекции синхронизирующих посылок. Задача сохранения точности и помехозащищенности синхронизации при возникающих в процессе эксплуатации монотонных изменениях фазового спектра синхронизирующих посылок может быть решена путем включения в состав селектора перестраиваемого фазового корректора.

В большинстве практических случаев изменения зависимости группового времени задержки от частоты носят монотонный характер и проявляются в области верхних частот. В достаточной степени эти искажения могут быть скомпенсированы несколькими дополнительными фазовыми контурами. На рис. 6.18 показаны искажения селектированных импульсов при уменьшении (а) и увеличении группового времени запаздывания в области высоких частот (б). На рис. 6.18, в показана форма импульса после коррекции.

Чтобы повысить работоспособность селектора с аналоговым согласованным фильтром при значительных колебаниях размаха

синхронизирующих посылок, целесообразно на выходе оконечной схемы изменить фиксированный уровень, связав его с вершинами синхроимпульсов. Для фиксации кадровых синхроимпульсов напряжение смещения на вход ограничителя может быть подано со схемы фиксации строчных импульсов.

Рис. 6.18. Влияние фазовых искажений на форму селектированных импульсов

Рис. 6.19. Функциональная схема селектора строчных и кадровых импульсов

Изложенное позволяет составить полную функциональную схему селектора для выделения синхронизирующих посылок, передаваемых в одном динамическом диапазоне с сигналом изображения (рис. 6.19). Функции звеньев селектора широкополосных синхронизирующих посылок состоят в следующем: фильтры верхних частот с фазовыми корректорами ФВЧ, и ФВЧ подавляют низкочастотную часть спектра телевизионного сигнала и, разрушая корреляционные связи сигнала изображения, приближают структуру помех синхронизации на входе согласованного фильтра к «белому» шуму; ограничители нормируют динамический диапазон сигнала; согласованные фильтры и выделяют синхронизирующие импульсы частоты строк (верхняя часть схемы) и частоты полей (нижняя часть); схема фиксации (ФЦ) и цепь, управляющая смещением на входе ограничителя (УЦ), обеспечивают фиксации вершин селектированных импульсов. Пороговые схемы

отделяют синхронизирующие импульсы от мешающих компонентов меньшего размаха.

В схеме селектора (рис. 6.19) предусмотрено выполнение всех операций, необходимых для безынерционной синхронизации, требующей независимого точного определения временного положения каждой синхронизирующей посылки.

Преимущества сложных синхронизирующих сигналов перед синхронизирующими посылками с малой базой проявляются в основном при безынерционной синхронизации, требующей точного определения временных отсчетов, отмеченных синхронизирующими посылками. Необходимость в безынерционной синхронизации возникает в условиях временных искажений при нестабильных частотах строк и полей.

В случае стабильной частоты строк и полей используют инерционную синхронизацию, при которой в месте приема получают колебания, совпадающие по частоте с принимаемым сигналом. Отметим, что требования к точности селекции синхронизирующих импульсов при безынерционной синхронизации и к точности фазирования по строкам при инерционной синхронизации существенно отличаются. Ошибка фазирования на два-три элемента изображения, приводящая к смещению изображения на эту же величину на всех строках, не замечается зрителем. Такая же ошибка в положении смежных строк вызывает значительные и недопустимые искажения.

При инерционной синхронизации точность взаимного расположения строк достигается при синхронизирующих посылках простой формы в результате отказа от обработки каждой отдельной синхронизирующей посылки и использования информации о восстанавливаемой частоте, содержащейся во всем принимаемом сигнале синхронизации.

Высокую точность взаимного положения всех строк растра обеспечивают системы с синхронизирующими посылками в виде пакетов колебаний стабильной частоты. В месте приема высокочастотный опорный сигнал восстанавливают с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты, фазовый детектор которой сравнивает принимаемые и местные высокочастотные колебания. Отклонения фазы опорных колебаний и их временные смещения связаны соотношением

где — период опорных колебаний.

При делении частоты опорных колебаний до частоты строк временная нестабильность сохранится, поэтому изменение фазы строчных импульсов определяется соотношением

Из (6.9) и (6.10) следует, что нестабильность фазы строк в раз меньше нестабильности фазы высокочастотных

колебаннй. Так, при частоте опорных колебаний 5 МГц и частоте строк 15 625 Гц нестабильность строчных синхронизирующих импульсов, вызванная изменениями фазы опорных колебаний в пределах ±10°, не превышает нс).

Прн синхронизации на высокой частоте строчные синхронизирующие импульсы фазируют, устанавливая в исходное состояние делитель частоты в начале сеанса связи и используя дополнительный безынерционный канал селектора, к выходным импульсам которого не предъявляют высоких требований по временной стабильности. Чтобы флуктуации фазы фазирующих импульсов не влияли на работу делителя частоты, в состав селектора вводят также схему, отключающую тракт фазирования от делителя частоты сразу же после установки заданной фазы строчных синхронизирующих импульсов. Основными элементами этой схемы являются дешифратор, подключенный к делителю частоты и выдающий импульсы, опережающие выходные импульсы делителя; формирователь, синхронизируемый импульсами дешифратора, и коммутатор. Длительность импульсов формирователи определяет зону запрета, т. е. временной интервал, в пределах которого фазирующие импульсы не [воздействуют на делитель частоты. Если зона запрета не менее чем на два раза превышает диапазон флуктуаций фазирующих импульсов, то после воздействия на делитель первого фазирующего импульса коммутатор отключает тракт фазирования от делителя частоты и подключает его вновь только после нарушения связи и выхода фазирующих импульсов из зоны запрета.