数字电视传输技术原理

上网时间: 2015年02月11日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:力求减少元件提高性能?

由于数字电视接收技术兼为制造厂及用户提供许多独特的好处,因而其概念日益为 人们所接受。从制造厂角度看,数字化电路的采用能取代数以百计的元器件,因而 使电视机的调试大为简化,只需在生产线上配备一个机器人,便可完成调试工作。 从用户的角度看,数字电视机独具性能特点,诸如重影补偿、图象套图象等,这在 标准电视机都是前所未闻的。本文介绍国际电话电报公司(ITH半导体部的数字化集 成电路的研制过程,指出数字集成电路技术的主要特点及其简便性。(本文由ITT半 导体的特约经销商,香港的Dek Mow Fung Trading Company Ltd.(德茂丰)提供)

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ITT半导体部的董事总经理Lubo Micic 数字电视技术的先驱

何者可以数字化?

若要分析电视机哪些部份的数据处理可 以数字化,首先必须解决两个问题:带 宽和分辨率。尼奎斯特(Nyquist)取样 定理为给定带宽规定了最低取样频率。 如果取样频率小于信号带宽的二倍,高 频便会折回M取样频率点附近,并在频 带的低频区重新出现——这即所谓混淆 现象。

动态范围决定了信号必须分解成的 位数。用n位代表一个数字值,则动态 范围为2n或6n分贝。由于分辨率为1/2n, 所以总有残余误差:±1/2n+1或±1/2 MLSB (least significant bit即最小有效位)。

这可用系统的固有噪声(即所谓的 量化噪声)来解释。所以,我们系统的 信噪比约为6 (n - 1 )分贝。

图1示出电视机的框图和互连数据 通道。各信号的带宽为已知,即视频小 于5兆赫,音频大于15千赫。所以,第 一步是为音频信号、视频信号和同步信号决定所要求的分辨率。

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我们已得知,对变化缓慢的视频信 号必须提供8位,但对变化较快的信号 则可能使用较少的位数。进一步的分析 表明,6位便足以满足彩色处理的全部 要求,包括改变调制电平所引起的变化在内。

高保真音响的数字处理需要14位, 而人们可接受的电视伴音所要求的最低 位数为12位。就偏转而论,极限分辨能 力约为0.1毫米的水平位移,在26英寸 电视机中,这相当于10毫微秒。由于每次 水平扫描要64微秒,所以分辨率为13位。

进入调谐器的发射机信号的频率范 围为40兆赫到1,000兆赫——明显超出 经济的模/数转换所能达到的频率范围。

接收信号频率与本振频率混频, 生成中频。所产生的中频约为40兆赫, 目前这类中频信号数字化的8位单片集 成模/数转换器已有出售。但生产成本 较高,还不能降到消费性产品的价格水 平。所以,只好将此模/数转换器置于 视频解调器之后。

这里的归一化信号(一 2伏)带宽较 窄(小于6兆赫),该信号携载着视频信 号和同步信号(复合视频信号)以及伴音 中频信号。伴音载波差拍频率是5.5兆 赫(PAL制)或4.5兆赫(NTSC制),都 采用频率调制。

曾经试图将调制的伴音中频数字化, 并进行数字化解调。然而,在这样的频 率下进行12位转换是十分困难的,因此 只好采用其它方法,将音频模/数转换 器置于伴音鉴频器之后。在SECAM制 彩色电视机中,彩色信号是作频率调制 的,可用数字电路进行频率解调。

经过数字化信号处理之后,其结果 必须转换成模拟信号,并加以放大,以 推动扬声器(1瓦到10瓦)、显像管的电 子Qiang、带有超高压变压器的水平放大级(20瓦到40瓦)以及垂直偏转线圈(4瓦)。 在这方面,最彻底的“数字化”处理 方法是采用脉宽调制,並配用D类(开 关式)放大器。在这里同样受到带宽和 分辨率的限制。对音频和偏转我 们采用脉宽调制(PWM),但对视频信 号,则需要采用单片集成的R-2R梯形 网络。

视频部份

图2示出新型数字电视机的视频部份。 由图可见,三块集成电路和分立的功 放级,用来推动电视机显像管的RQiang、

GQiang和BQiang。

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宽带转换器集成在-块 体芯片上,构成了视频编码/解码器。

模/数转换器是一种瞬时转换器,即采 用2n个比较器并联的接线方式。

如果位数增加-位,其所用的比较 器个数则须増加?倍。所以.减少位数 已成了电路设计中孜孜以求的lit 'Ti:要目 !标。

仅利用7位分辨率.的投数转换器. 以取得8位分辨率的图象的方法业已提 出。即每隔--次水平扫描,便给模/数 转换器的基准加t相当1'十2坫小效位 的电压。

这样,两步7位转换之间的灰值在 第一次扫描期间转换成低值,第- 次扫 描期间转换成高值。然后,藉人的视觉 平均’在电视屏幕1:就能得到灰度色调 分解到8位的感受。

比较器的输出是以葛莱编码,以便 消除因各比较器速度不同或编码器本身 所造成的低频干扰:数据送入视频处ffl 电路的途径,如图3所示。

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数据首先通过舄珉- 进制代码转 换器,接着,亮度滤波器和色度滤波器 将信号所含的亮度信息和色度E分別 分离出来。

亮度滤波器具冇叶变频响特性.它 提供的高频补偿为+ 6分W到一3分贝。 高频补偿增大(或减小> /兑度丨,’i幅度 中高频分量的幅度,致使图像更沽晰(或 更平淡)。亮度信号的幅度由对比度倍增 器控制,倍增器的输出妗过削波限te. 然后送入数/模转换器。

视频电路的数'滤波器的时钟频率可高达18兆赫。这种数字滤波器由延时 电路、加法电路和乘法电路组成。利用 MOS工艺,可以很方便地制作延时电路, 加法电路也可以作得很小。然而,乘法 电路却结构庞大。

设计师的奋斗目标就是不用这类乘 法电路。滤波器结构使用的因数只有一 位,置定为 1,诸如1,0.5,0.25,0.125, 0.0625等等。利用“线移位”和加法便可 轻而易举地实现因数倍乘。

由于彩色副载波的调制复杂,所以, 色度处理比亮度处理也更复杂。经色度 滤波器分离之后,色度信号的幅度即由 自动色彩控制电路(ACC)控制。

自动色彩控制电路将同步信号幅度 保持在预置电平,从而能实现稳定的色 饱和,不受中频滤波器或微调变化的影 响。自动色彩控制电路还启动消色器和 (PAL电视机中的)PAL识别器,然后, 将数据送入彩色解码器。

在NTSC和PAL制式中,彩色副载 波以相位差为90°的(B-Y)信号和(R-Y) 信号进行幅度调制。而在SECAM制式 中,彩色副载波在相继两次水平扫描中 以(B-Y)信号和(R-Y)信号交替进行 频率调制。

图4示出三种制式的彩色信号解码 器。在PAL和SECAM制式中,一般需 用昂贵的玻璃延迟线,但这里用RAM阵 列取代玻璃延迟线。RAM阵列只是一块 3平方毫米的芯片而已。

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PAL和NTSC彩色信号解码器制作 在同一块半导体芯片上,根据所收到的 信号进行切换。延迟线用于执行NTSC 制式中梳状滤波器的功能。这样的梳状 滤波器是十分理想的,因为NTSC所提 供的带宽比PAL或SECAM的窄1兆赫。

PAL和NTSC制式要求对副载波进 行相位同步解调。相位误差会导致色调 误差(对NTSC制式)或降低色饱和度 (对PAL制式)。对取样时钟(即系统的时 钟)和色同步信号(即发射机的相位基 准)进行锁相,便可实现相位同步解调。

比较色同步信号的(B-Y)取样和 (R-Y)取样。从(B-Y)减去(R-Y)所得 之差即直接表征了色同步信号与取样时 钟的相对相位。该差值用来调整频率为 彩色付载波四倍的压控振荡器。在比较 (B-Y)信号与(R-Y)信号时,加上偏压, 就可实现色调控制。

Y信¥、(B-Y)信号和(R-Y)信号 都送入视频编码/解码器的数/模转换 器。这些数/模转换器采用R-2R梯形 网络。模拟信号经过矩阵解调处理,分 解成R、G和B三色信号。

缓冲放大器驱动视频输出级,视频 输出级再驱动显像管的电子Qiang。改变缓 冲放大器的增益就可以调整白电平。同 样地,给缓冲放大器加上偏压,即可置 定黑电平。

感测电子束电流的模拟反馈通路示 于图2。该数据通路对于束电流限制和黑 电平调节是至关紧要的。

该通路必须是测量实际电流的模拟 数据通道,因为束电流受显像管电子Qiang 漂移的影响。这类影响是缓慢的,但需要 进行一定量的计算。所以,为方便起见, 应当使用音频模/数转换器和处理器的“剩余”转换和计算能力。

电子束电流的取样是连续进行的, 并且,当视频处理器输出测试信号时, 在倾回扫期间对黑电平进行测试。这样, 便可以将电视机的各个电流指标值保持 在机器出厂前预置的电平上。换言之, 可长保新机的性能,而不受模拟元件老 化的影响。

偏转

视频模/数转换器的输出信号是数字化 的组合视频信号,其中含有亮度、色度、 水平同步和垂直同步等信息。偏转处理 器从中取出定时信息,并控制用来驱动 显像管偏转线圈的振荡器的频率和相位。

由于噪声(噪声使分离信号的相位 抖动)和信号源振荡器漂移(有时还有 跳动)的缘故,使上述任务变得十分艰巨。

图5示出偏转处理器及其与电视机 其余部分的关系。输入信号首先经过一 级电路的处理,以确定视频信号的黑电 平。

该级电路的输出用来将视频放大器 的黑电平,箝位于一固定电压值。这点十分重要,因为电压固定之后,才能充分 利用模/数转换器的转换范围。

同步脉冲的分离电平位于同步脉冲 峰值电平与黑电平之中位。为了消除噪 声和低频干扰,必须对几种同步脉冲进 行相关处理。然后,取上升斜率与下降 斜率的平均值作为水平振荡器的基准点。

对已分离的同步脉冲进行数字积分, 即可得出垂直同步脉冲。

数字相位比较器,用来检测水平回 扫与水平同步之间的相对相位。比较器 控制着一个分频器,分频器将主钟频率 (4倍彩色副载波频率)分频到接近行频 (PAL制为15.625千赫,NTSC制为 15.75 千赫)。

分频处理的分辨率为彩色副载波周 期的四分之一,(PAL制为56毫微秒, NTSC制为70毫微秒),显然,这样的 分辨率是不够高的,因为它相当于大屏 幕上2.5毫米的步距。为了取得所要求的 分辨率,采用了门电路链,即通过改变 延迟的门电路的数目来控制同步脉冲延 迟时间。

利用这种方法可将分辨率提高到56毫微秒的十六分之一。在此精度下,相 位与频率的测量可取诸测量值的平均数。

为了降低电视机对噪声的敏感性, 必须限制相位最高变化率。限幅器的时 间常数可调,以便于采用快速漂移振荡 器的信号源,例如录象机或电子游戏机 用振荡器。

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另一方面,大型电视网往往用固定 的fcs : fhor : fver (fcs,彩色副载波频 率;fhor,行频;fVer,i|i贞频)比值来发送 信号。当得到此信号时,偏转处理器即 转入锁定工作态。

在锁定工作态,行频和帧频是通 过对彩色副载波频率进行脉冲分频而获 得的,与电视台发送的实际同步信号无 关。这使得偏转系统基本上不受偶发事汽车引起的信号抖动等),不受其他电气 用具的干扰,甚至不受因信号太弱而形 成的过强噪声背景的影响。

相位比较电路和频率比较电路可以 发挥积极作用,不断检查原先对信号源 的判定是否仍然有效,或者偏转处理器 是否需要返回非锁定态。

垂直振荡器是一个可复位的计数器。 复位脉冲是垂直同步脉冲。该脉冲由三 种不同的操作方式控制。

电子束的偏转角与流过偏转线圈的 电流成比例。在平面屏幕上的投射所引 起的误差必须校正(S校正或正切校 正)。这包含在脉宽调制算法中。相应的 电路也计算东一西调制器的校正信号。

垂直功率级是用双极型工艺制成的 常规电路。

音频部份

在音频部份,对数字处理器和模/数转 换器的要求,明显地不同于视频或偏转 部份的有关要求。音频部份只需用窄得 多的带宽,但是需要很高的分辨率,例 如12至14位的分辨率。

图6示出音频模/数转换器的四个 输入端:音频r,音频n,导频和视频。 这种电路设计能容纳立体声信号,因为 立体声伴音已在日本和其他一些国家中 采用,并将迅速推广到全世界。

并联工作的四个单独的模/数转换 器分别向四个通道提供数据。这里所 用的转换器是所谓的西格玛一德尔塔 (2:-A )类型。转换器由脉冲密度调制 器(PDM)和转换滤波器(CF)两部份 构成。

在每次取样期间应对脉冲密度调制 器的输出进行计数。转换滤波器则取计 数器的滑动平均值。若一次取样期间有 n个时钟脉冲,则所求n个不同的计数 值应取其平均值。

设计转换滤波器的要点在于用同一 滤波器达到双重目的:既提高输出分辨 率,又滤除了脉冲密度调制器产生的特 性噪声。利用这种设计原理,音频部份 可以获得14位的分辨率。

导频音调载有单声道/立体声/双 语声道信息。导频信号很弱,带宽极窄, 需要使用Q值很高的滤波器,显然,使 用模拟技术难于制作出这样的滤波器, 但利用数字技术,则简便易行,这是因 为数字滤波器不需进行调谐的原故。数 字式滤波器的谐振频率取决于由晶体控 制的时钟,而模拟滤波器的谐振频率随 组成它的所有元器件值的变化而漂移。 视频输入用于对视频处理器提供的电子 束流进行数字化处理。

所形成的数字化信息馈入音频处理 器。在视频处理器中,用“线移位器”和 加法器取代乘法器,从而解决了需用多 个高速乘法器的问题。

如果滤波器使用固定系数,即只有 一位,置定为“1”,其余位都置定为“0”, 则需用的芯片面积最小。这样的相乘是 在一次移位加法运算中求积。

但是,这种办法不适用于音频处理 器。在音频处理器中,数据字很长,滤 波器系数也十分复杂(系数随用户控制 器的置定值的变化而变化)。所以,不可 避免地必须使用乘法电路硬件。

在这种情况下,设计的奥妙在于只 使用一个高速的16位X 8位的乘法器, 通过时间划分,让系统中的所有滤波器 都可以共用。加上必要的寄存器(即RAM) 和数据通路,並将集成电路定序器设计 成ROM结构,这样,便制成了一个特殊 的通用型信号处理器。这种信号处理器 还有一个优点即只改变只读存贮器掩模 便可改变算法。

图6.示出音频处理器和模/数转换 器。向音频处理器传输数据的速度与系 统时钟相比是比较慢的,所以,数据传输全部是串行的。图6中各'电路框的主要特点如下:

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音频处理器的输出送入两个脉宽调 制器中。两个脉宽调制器依次输出两个 相位相反的非重叠信号,适于直接驱动 D类音频功率放大器的推挽输出晶体管。

母线接口是串行的,控制计算机可 以执行所有的控制功能,诸如改变滤波 特性,从生理响度转入平坦响应,从单 声道转入立体声或双语声道,等等。剩 下的输入端和输出端则用于与视频处理 器通信和同步工作。

控制计算机

在数字信号处理式电视机中,一切模拟 控制,都是通过将数字馈入相应的信号 处理级中实现的。这正是微型计算机可 以用武之地。

另一方面,微型计算机需要附加电 路来控制调谐器(例如锁相环路)和接 收遥控器发出的红外信号。但是,要将键盘扫描和显示多路传输包含在计算机 的例行工作程序中,有时却是十分困难 的。于是,我们选用图7所示的特殊电路。

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控制计算机通过串行母线与信号处理器通信。母线是双向性的,但它只受 控制计算机的指挥,母线上的所有其它 器件都是从动的。

母线的速度比较慢,传输一个字节 的地址和一个字节的数据要花100微秒 以上。电视机用户可利用8X4键盘或遥 控器输入控制信号。

有关频道的信息显示在二位数的发光二极管显示器上(如用户需要,还可选配四位数的显示器)。调谐系统是锁相 环路式频率合成器。最小频率步长为 62.5千赫。

一批可编程的输入/输出端口为用 户提供了一些附加的输入端和/或输出 端,以增添电视机的特点,诸如频道自 动搜索,或不用七段显示器而直接使用 指示灯等等。

非易失性存贮器EAROM (electri?cally alterable read only memory 可 改写只读存贮器)。是新型调试程序的关 键器件。生产装配线上的计算机可以进 行调整,并将最佳值存贮在此种可改写 只读存贮器内。

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