§ 7.2. Устройства цифровой обработки сигналов

Аналого-цифровой преобразователь осуществляет дискретизацию и квантование входного сигнала. На его входы поступают аналоговый сигнал, тактовые импульсы, задающие частоту дискретизации, и опорное напряжение, которое после деления на частей образует шкалу квантования. Перед АЦП включают фильтр нижних частот и устройства выборки и хранения. Фильтр нижних частот подавляет высокочастотные составляющие спектра входного сигнала, которые при попадании в спектр дискретизированного

сигнала могут вызвать комбинационные искажения. Устройство выборки и хранения с помощью усилительного каскада, коммутируемого тактовыми импульсами, осуществляет дискретизацию входного сигнала и хранит его отсчеты до конца интервала дискретизации. В каждом цикле работы устройства выборки и хранения можно выделить два этапа: выборку и хранение. В АЦП число шагов квантования представляется кодом. Код зависит от способа построения квантующего устройства, поэтому обычно в схему АЦП включают преобразователь, формирующий выходной сигнал в виде равномерного потенциального параллельного двоичного кода.

Рис. 7.3. Функциональная схема АЦП

В телевизионной технике используют параллельный и последовательно-параллельный АЦП. В функциональной схеме параллельного АЦП с числом уровней квантования используется компаратор К (рис. 7.3) Входной сигнал подается одновременно на все компараторы.

На другие входы компараторов подаются опорные напряжения. При срабатывании компаратора, когда входной сигнал достигает уровня опорного напряжения, состояние на его выходе сменяется состоянием Например, при входном сигнале срабатывают первый и второй компараторы и размах входного сигнала считается равным Если переключаются только компараторы то размах входного сигнала составляет

Благодаря синхронным триггерам можно исключить устройство выборки и хранения из входной цепи АЦП (16) При воздействии фронта тактового импульса все триггеры одновременно переключаются, запоминают состояние компараторов и хранят эту информацию до конца интервала дискретизации. Код, получаемый на выходах компараторов и фиксируемый синхронными триггерами, преобразуется в двоичный код логической схемой

Наряду с ошибками измерения отсчетов дискретного сигнала, проявляющимися как шум квантования, отметим еще одну погрешность, возникающую при преобразовании аналогового сигнала в цифровой.

Входной сигнал непрерывно изменяется, поэтому измерение выборок производится с ошибкой, зависящей от изменения сигнала во время измерения. Погрешность такого вида называется

апертурной, а отрезок времени, в течение которого нельзя точно определить, к какому моменту относится выборка, — апертурным временем. Если в схеме нет устройства выборки и хранения, то апертурное время равно интервалу от начала измерения до выдачи кода, соответствующего данной выборке. Устройство выборки и хранения, а также выполняющие его функции триггеры (см, рис. 7.3) уменьшают апертурное время АЦП и апертурную погрешность. На выходе устройства цифровой обработки апертурная погрешность, зависящая от скорости изменения аналогового входного сигнала, проявляется как шум, добавляющийся к шуму квантования.

Рис. 7.4. Эквивалентная схема ЦАП:

Параллельные -разрядные АЦП, выполненные в виде одной микросхемы и удовлетворяющие большинству требований, предъявляемых к устройствам этого типа, были созданы сравнительно недавно. Поэтому в цифровых телевизионных устройствах получили применение и последовательнопараллельные АЦП. Основой -разрядного последовательно-параллельного АЦП являются два -разрядных параллельных АЦП. С первого АЦП, осуществляющего дискретизацию входного сигнала и квантование его на уровней, двоичный код поступает на ЦАП. Выходной сигнал ЦАП вычитается из аналогового сигнала, задержанного эквивалентом длинной линии настолько, сколько сигнал с ЦАП запаздывает по отношению к входному сигналу. Разностный сигнал поступает на вход второго формирующего четыре младших разряда выходного кода.

Цифроаналоговый преобразователь служит для получения аналогового сигнала. Наиболее часто для построения ЦАП используют схемы с многозвенными цепями типа . В схеме рис 7.4 с такой цепью число ключей соответствует числу разрядов параллельного двоичного кода цифрового сигнала, подаваемого на ЦАП Числовое значение кодовых посылок где а, равно 0 или 1. При следовании «единиц» кода переключатель разряда находится в положении 2, при следовании «нулей» — в положении Разряды на рис. 7.4, а нумеруются от старшего младшему (старший — первый, младший — Коэффициент передачи выходного усилителя 3/2. Если в положении 2 находится только переключатель первого разряда

в точке напряжение так как сопротивление лчастков цепи слева и справа от а, равны (рис. 7.4, б). Выходное напряжение При

В случае поступления нескольких единиц напряжения суммируются и сигнал на выходе где — число разрядов кода; — номер разряда; а, — коэффициенты, равные О или 1. Например, при -разрядном коде

Каждый новый отсчет имеет вид скачка напряжения на входе поэтому восстановленный аналоговый сигнал содержит высокочастотные компоненты, для подавления которых после ЦАП включают фильтр нижних частот с полосой пропускания, соответствующей ширине спектра передаваемого сигнала.

Рис. 7.5. Демультиплексор (а), мультиплексор (б), сигналы на входе (в) и выходах (г) демультиплексора

Демультиплексор распределяет сигнал каждого разряда выходного параллельного кода АЦП по нескольким идентичным каналам, понижая таким образом тактовую частоту цифровой последовательности. Если число каналов то тактовая частота кода в каждом канале в раз ниже тактовой частоты входного кода Схема демультиплексора (рис. 7 5, а) содержит два регистра. Первый регистр выполняет роль дискретной линии задержки.

Предположим, что в момент времени элемент (рис. 7.5, в) входного кода поступил в первчю ячейку регистра. Каждый тактовый импульс частоты переносит сигнал в следующею ячейку

и записывает в освободившуюся ячейку очередной элемент кода, В регистре, состоящем из ячеек, через тактов элемент а, окажется в последней, а элемент в первой ячейке. Параллельные выходы регистра соединены с параллельными входами регистра объединяющего синхронных триггеров. Частота тактовых импульсов подаваемых на регистр раз ниже частоты момент поступления тактового импульса частоты элементы кода с регистра вводятся в ячейки регистра и хранятся там до момента когда их сменят элементы кода Последующие циклы подобны рассмотренному. С выходов регистра снимаются кодовые сигналы с тактовой частотой

Если с выхода АЦП поступает -разрядный код с тактовой частотой то устройство цифровой обработки включает демультиплексоров и число параллельных каналов становится равным при частоте следования элементов кода в каждом канале

Рис. 7.6. Сигналы на входах микросхемы памяти

Мультиплексор (рис. 7.5, б) объединяет в одну последовательность несколько кодовых сигналов, поступающих на его входы. После того как в устройствах со сравнительно низким быстродействием выполнены все необходимые преобразования, мультиплексор восстанавливает цифровой телевизионный сигнал, существовавший до демультиплексора. В качестве мультиплексора используют регистр со входами параллельного и выходами последовательного кода Предположим, что на входы -звенного мультиплексора поступают кодовых сигналов (рис 7.5, г) с тактовой частотой . В момент времени первые элементы этих сигналов вводятся а ячейки регистра и в дальнейшем появляются на выходе мультиплексора в виде группы элементов последовательного кода С момента этот код продолжается следующей группой элементов и На рис. 7.5 обозначено - — номер тактовых интервалов, отсчитываемых от момента — элементы кода на выводах демультиплексора. соответствующие элементам кода а, на его входе

Запоминающее устройство. Понижать частоту следования элементов кода в цифровом сигнале приходится при запоминании большого объема информации, содержащейся, например, в поле или ьадре изображения В этом случае используют динамические микросхемы памяти с МДП-структурой, обладающие сравнительно невысоким быстродействием Отличительной способностью этих микросхем является использование для запоминания двоичных

символов емкостей -переходов МДП-транзисторов При считывании информация, хранящаяся в виде заряда, разрушается и вновь записывается с помощью регистра и логических связен, специально предусмотренных в микросхеме памяти. При хранении потери информации из-за разряда емкостей исключаются благодаря периодическому обращению к режиму регенерации, в каждом цикле которого производится считывание информации, ее задержка и повторная запись.

Кажущаяся сложность процесса регенерации не ощущается потребителями устройств динамической памяти, поскольку все цепи, обеспечивающие режим регенерации, входят в состав микросхем памяти и для управления не требуется сложных внешних сигналов

Существенным недостатком этих микросхем является сравнительно низкое быстродействие из-за потерь времени на повторную запись информации, приводящее к многоканальным ЗУ Тактовая частота цифрового сигнала, вводимого в микросхему, обычно не превышает 2—3 МГц.

Рассмотрим особенности применения одной из наиболее распространенных микросхем памяти емкостью 16 384 бит. Записываемая информация размещается в ячейках, образующих матрицу, состоящую из 128 строк и 128 столбцов. Порядок обращения к ячейкам в режимах записи и считывания произвольный Координаты каждой ячейки определяются двумя адресами — номером строки и номером столбца, которые задаются двумя параллельными -разрядными кодами. Коды адреса строки и столбца поочередно подаются на семь входов микросхемы и разделяются в ней с помощью сигналов выборки адреса строки RAS и адреса столбца CAS (рис. 7 6). Выбор режима записи или считывания производится с помощью сигналов При снятии сигналов и сохранении всех остальных сигналов, показанных на рис. 7.6, микросхема переходит в режим считывания. Считываемый сигнал появляется на отдельном выходе.

Для регенерации информации при хранении на входах микросхемы сохраняются сигнал и код адресов строк. Минимальный интервал времени, в течение которого информация должна быть регенерирована, т. е. интервал между обращением к одной и той же строке матрицы памяти, не должен превышать . В режимах записи, считывания и регенерации микросхема имеет большое выходное сопротивление. Это позволяет при проектировании устройств памяти объединить выходы многих микросхем без дополнительных коммутаторов.

При запоминании телевизионного сигнала цифровой сигнал строк размещают в столбцах матрицы памяти, причем стараются начало строки сигнала совместить с началом столбца. Другими словами, выбирают способ заполнения памяти, обеспечивающий однозначное соответствие координат элементов изображения и

адресов ячеек памяти и, следовательно, наиболее простое отыскание любого элемента изображения.

Линейные цифровые фильтры. Цифровым фильтром (ЦФ) называют устройство, преобразующее последовательность отсчетов входного сигнала в последовательность отсчетов выходного сигнала Если в ТВС был получен цифровой сигнал, то его последующую обработку стараются пронести цифровыми методами, используя при этом широкие возможности цифровой техники и исключая характерное для аналогового тракта накопление искажений.

Рассмотрим особенности структуры линейных ЦФ на некоторых несложных примерах.

Фильтр считают линейным, если справедлив принцип суперпозиции и сумма любого числа входных сигналов преобразуется в. сумму откликов на отдельные слагаемые. Реакцию ЦФ на единичный импульс называют импульсной характеристикой ЦФ. Фильтр называют стационарным, если импульсная характеристика не зависит от времени. При смещении единичного импульса на определенное число интервалов дискретизаций на такое же число интервалов дискретизации смещается и отклик стационарного фильтра.

Из условий линейности и стационарности следует, что каждый выходной отсчет формируется в результате взвешенного суммирования всех предыдущих отсчетов входного сигнала и весовыми коэффициентами являются отсчеты импульсной переходной функции

Выражение (7.2) называют дискретной сверткой входного сигнала и импульсной характеристики фильтра. Определим с помощью соотношения (7.2) сигнал на выходе согласованного фильтра, предназначенного для селекции синхронизирующих посылок в виде трехэлементного кода Баркера (рис. 7.7, а). Предположим, что элемент кода задан двумя выборками, тогда последовательность отсчетов на входе фильтра (рис 7.7, 6). Известно, что импульсная характеристика согласованного фильтра является зеркальным отображением входного сигнала Это означает, что последовательность отсчетов импульсной характеристики Используя (7.2). можно записать отсчеты выходного сигнала: (Пример вычисления одного отсчетов Форма огибающей выходного сигнала и схема фильтра приведены на рис 7.7, в, г. Каскады с коэффициентами передачи —1 изменяют полярность отсчетов; узлы фильтра, обозначенные через осуществляют сдвиг сигнала на один интервал дискретизации.

Амплитудно-частотную характеристику ЦФ определяют, рассматривая его реакцию на дискретизированный гармонический сигнал

здесь фигурные скобки использованы для обозначения последовательности дискретных отсчетов.

Рис. 7.7. Трехэлементный код Баркера (а); сигналы на входе (б) и на выходе (в) цифрового фильтра; цифровой фильтр (г)

Используя дискретную свертку (7.2) входного сигнала (7.3) и импульсной характеристики фильтра, можно показать, что его передаточная функция

Из (7.4) видно, что является периодической функцией частоты с периодом, равным частоте дискретизации [31].

При расчете фильтров широко используют -преобразование. Если рассматривается последовательность отсчетов сигнала то -преобразованием этой последовательности называют сумму

где — комплексная переменная. Ряд (7.5) сходится при т. е. в области значений, расположенных вне круга радиусом Отметим важные свойства -преобразования.

-преобразование линейно, т. е. для последовательности отсчетов можно записать ; символ служит оператором задержки на интервалов дискретизации; если дискретная последовательность, -преобразование которой смешается на интервалов дискретизации, то -преобразование сдвинутой последовательности определяется выражением

отношение -преобразования выходного сигнала фильтра к -преобразованию входного воздействия является -преобразова-ииеч ею импульсной характеристики

и называется системной функцией.

Из (7.4) и (7.6) следует, что передаточная функция может быть получена из подстановкой

Рассмотрим гребенчатый фильтр для разделения гармонических составляющих частоты, которые связаны соотношением например спектров сигналов яркости и цветности системы (рис. 7-8, а).

Рис. 7.8. Гребенчатый фильтр и его характеристика (6)

Рис. 7.9. Функциональная схема днумерного апертурного корректора

Отсчеты импульсной характеристики определяются единичным сходным воздействием 100 и задержанным на V интервалов дискретизации входным сигналом Так как -преобразование первой последовательности равно единице, второй то

Форма амплитудно-частотной характеристики приведена на рис. 7.8, б.

Функции двумерного апертурного корректора выполняет ЦФ, показанный рис. 7 9. Две части фильтра, осуществляющие горизонтальную и вертикальную апертурные коррекции, могут быть рассмотрены раздельно. Схема горизонтальной коррекции содержит два звена задержки на время , связанные с ними усилители с коэффициентами передачи —1/4, —1/4, 1/2 и сумматор Знак минус перед коэффициентами означает изменение полярности отсчетов. Выходной сигнал формируется взвешенным суммированием отсчетов трех сигналов: незадержанного, задержанного на время и задержанного на время

Рис. 7.10 Частотная характеристика фильтра горизонтальной апертурной коррекции

Амплитудно-частотная характеристика этой части фильтра (рис. 7.10).

Из рис. 7.10 видно, что в сигнале изображения выделяется верхняя часть спектра. Высокочастотные компоненты, выделенные фильтром после взвешивающего усилителя с регулируемым коэффициентом добавляются к входному сигналу, задержанному на время , и корректируют апертурные искажения источника сигнала. Степень коррекции изменяется коэффициентом

Вторая часть фильтра подобна первой и отличается от нее задержкой и АЧХ. Составляющая вертикальной апертурной коррекции после взвешивания объединяется с корректируемым сигналом и составляющей горизонтальной коррекции сумматором (рис. 7.9).

Рассмотренные фильтры относят к нерекурсивным. В нерекурсивном фильтре выходной сигнал в любой момент времени определяется в результате суммирования взвешенных предшесгвуюпшх значений входного сигнала (рис. 7.11, а). Если отсчет ьыходного сигнала то

Более сложную структуру имеют рекурсивные цифровые фильтры. В рекурсивном фильтре выходной сигнал является функцией Нрсдшествующих значений как входного, так и выходного сигналов

(рис. 7.11, б). Отсчеты выходного сигнала рекурсивного фильтра определяет соотношение

Рекурсивные фильтры позволяют получить заданную АЧХ при меньшем числе звеньев и с более точным соответствием частотной характеристике аналогового прототипа. Однако проектирование рекурсивных фильтров вызывает больше трудностей и требует анализа устойчивости, так как эти фильтры откосятся к системам с обратной связью.