СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H04N11/18 

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в аппаратуре телецентров при существующем парке телевизоров, в телевизорах СЕКАМ повышенного качества, в студийной аппаратуре и приемниках СЕКАМ-плюс.

В России действует телевизионный стандарт D/K, предусматривающий разнос несущих изображений и звука 6,5 МГц, ширину спектра видеосигнала около 6 МГц и относительно высокую четкость изображения на экранах черно-белых телевизоров. Однако параметры системы СЕКАМ, принятой в нашей стране (см. например, Б.М. Певзнер. Системы цветного телевидения. "Энергия", 1969, с. 100-115), не согласованы должным образом со стандартом D/K, в результате чего теряются его преимущества. Система СЕКАМ была разработана французскими специалистами, исходя из задачи использовать ее в западно-европейских странах, где принят телевизионный стандарт B/G с разносом несущих изображения и звука 5,5 МГц. Поэтому частоты цветовых поднесущих были выбраны так (4,25 и 4,40625 МГц), чтобы цветовая информация передавалась в высокочастотной части спектра телевизионного канала B/G. С учетом действия режекторных фильтров в приемнике это дает полосу сигнала яркости около 3,5 МГц, что можно считать удовлетворительным для стандарта B/G.

Система СЕКАМ была механически, без всякой коррекции перенесена в наш стандарт. Участок спектра сигнала яркости 3,5 5,5 МГц, соответствующий границе разрешающей способности масочного кинескопа, подавляется в приемнике режекторным фильтром. В результате на выходе канала яркости приемника выделяется сигнал со спектром, состоящим из двух участков: 0-3,5 МГц и 5,5-6,5 МГц. Первый участок дает четкость телевизионного изображения около 270 телевизионных линий (как в стандарте СЕКАМ B/G). Второй участок лежит выше границ разрешающей способности масочных кинескопов наиболее распространенных габаритов (вплоть до кинескопов с диагональю экрана 63 см) и практически не оказывает влияния на качество изображения. Таким образом, имея широкополосный телевизионный стандарт, мы полностью теряем его преимущества при передаче сигнала СЕКАМ. Вместе с тем существующему стандарту СЕКАМ присущ ряд недостатков, заметных на цветном изображении и вызванных главным образом перекрестными искажениями яркость-цветность и цветность-яркость. Чтобы уменьшить искажения, в кодере СЕКАМ предусмотрен режекторный фильтр, ослабляющий составляющие сигнала яркости на частоте 4,3 МГц примерно на 20 дБ. Наличие такого фильтра делает практически бессмысленным применение в приемнике СЕКАМ разделительных гребенчатых фильтров.

Задачей настоящего изобретения является совершенствование системы СЕКАМ для отечественного телевизионного стандарта D/K, которое, с одной стороны, уменьшит рассмотренные выше недостатки при сохранении совместимости с имеющимся парком цветных телевизоров, а с другой стороны, при выполнении приемника в соответствии с настоящим изобретением повысит четкость цветного изображения по крайней мере до уровня стандарта S-VHS. В качестве прототипа предполагаемого изобретения может быть принята стандартная система СЕКАМ, подробно рассмотренная, например, в книге С.В. Новаковский. Стандартные системы цветного телевидения. М. Связь, 1976, c. 44-161.

Функциональные схемы кодера и декодера этой системы описаны в книге Техника цветного телевидения. / Под редакцией С.В. Новаковского. М. Связь, 1976, с. 138-154 и 355-379.

Сущность предполагаемого изобретения состоит в том, что при кодировании СЕКАМ выделяют высокочастотный участок спектра сигнала яркости, нижняя граница которого соответствует нижней границе спектра сигнала цветности, а верхняя граница в простейшем случае лежит в полосе частот сигнала цветности, и переносят его с уплотнением или без уплотнения в диапазон частот 5,5-6,5 МГц. При использовании уплотнения информации можно переносить всю высокочастотную часть спектра сигнала яркости, вплоть до частоты 6,5 МГц. Далее складывают полученный сигнал с сигналом яркости, в котором с помощью линейно-фазового фильтра нижних частот сохранена лишь низкочастотная часть спектра 0-3,5 МГц. Формируют стандартным методом сигнал цветности и складывают его с модифицированным сигналом яркости и необходимыми импульсами, что дает полный цветовой телевизионный сигнал предлагаемой системы.

В модернизированном телевизоре согласно изобретению разделяют полный цветовой телевизионный сигнал на три компоненты: сигнал яркости со спектром 0-3,5 МГц (точные значения частот не входят в предмет заявки и могут уточняться), преобразованный сигнал со спектром 5,5-6,5 МГц и сигнал цветности. Последний декодируется стандартным методом. Преобразованный сигнал проходит блок переноса спектра, где он переносится на участок частот выше частоты 3,5 МГц и складывается с низкочастотной частью сигнала, образуя широкополосный сигнал яркости, полоса частот которого определяется способом преобразования спектров.

В результате обеспечивается повышение четкости цветного изображения и полностью исключаются искажения яркость-цветность и цветность-яркость, поскольку спектры этих компонентов в передаваемом сигнале не пересекаются.

Предлагаемый способ кодирования и декодирования сигнала цветного телевидения сводится к тому, что при кодировании из трех сигналов основных цветов формируют сигнал яркости и цветоразностные сигналы, которые модулируют по частоте цветовые поднесущие в соответствии со стандартом системы СЕКАМ; полученный сигнал цветности суммируют с задержанным сигналом яркости для формирования полного цветового телевизионного сигнала, а при декодировании разделяют сигналы яркости и цветности путем частотной фильтрации, демодулируют сигнал цветности и с помощью матрицирования формируют из яркостного и двух цветоразностных сигналов три сигнала основных цветов, при этом в процессе кодирования сигнал яркости разделяют методом частотной фильтрации на низкочастотную составляющую, лежащую ниже спектра сигнала цветности, и высокочастотную составляющую, низкочастотная граница спектра которого соответствует низкочастотной границе спектра сигнала цветности, затем осуществляют перенос высокочастотной составляющей вверх по частоте за пределы спектра сигнала цветности, после чего суммируют низкочастотную и перенесенную высокочастотную составляющие, а при декодировании выделяют низкочастотную и высокочастотную составляющие сигнала яркости, последнюю переносят по частоте вниз на исходное место, после чего суммируют упомянутые низкочастотную и высокочастотную составляющие, восстанавливая исходный сигнал яркости.

Перенос высокочастотной составляющей сигнала яркости при кодировании и декодировании может осуществляться путем умножения ее на опорный синусоидальный сигнал постоянной частоты и последующей фильтрации, причем при кодировании модулируют по амплитуде опорным сигналом цветности в период передачи по крайней мере одного кадрового сигнала цветовой синхронизации, а при декодировании производят восстановление опорного сигнала с помощью "вспышек", полученных путем амплитудного детектирования сигнала цветности в интервале сигналов кадровой цветовой синхронизации.

На фиг. 1 представлена упрощенная функциональная схема кодера согласно изобретению; на фиг.2 пример выполнения переноса спектра в кодере; фиг.3 поясняет процесс переноса и преобразования спектров в кодере; на фиг.4 дана упрощенная схема декодера согласно изобретению; на фиг.5 дан пример выполнения блока переноса спектров в декодере; на фиг.6 поясняется процесс преобразования сигналов в декодере.

Кодирующее устройство (фиг.1), выполненное согласно изобретению, содержит матрицу 1 (М), на входы которой поступают сигналы R, G и B датчика сигнала. Первый выход матрицы соединен с выходом кодера цепью, содержащей последовательно соединенные устройство 2 задержки (УЗ), фильтр 3 нижних частот (ФНЧ), первый 4 и второй 5 сумматоры. Положение устройства задержки 2 в канале яркости некритично и это устройство может быть, например, перенесено на выход сумматора 4 без изменения параметров устройства и существа изобретения. Выход устройства задержки 2 соединен с вторым входом сумматора 4 через последовательно соединенные полосовой фильтр 6 (ПФ) И блок 7 переноса спектра (БПС). Второй и третий выходы матрицы 1, на которых выделяются цветоразностные сигналы, соединены с входами блока 8 формирования сигнала цветности (БФСЦ), выход которого соединен с вторым входом сумматора 5. Блок 9 это формирователь импульсов, необходимых для работы устройства (ФИ). Цепь 10, соединяющая блок 7 переноса спектра и формирователь 8 сигнала цветности, изображена штриховой линией и может использоваться в одном из вариантов выполнения блока 7.

На фиг. 2 дан пример выполнения функциональной схемы блока 7 переноса спектра. В простейшем случае этот блок содержит последовательно соединенные умножитель 11 и полосовой фильтр 12. Второй вход умножителя 11 соединен с выходом генератора 13, управляемого напряжением (ГУН). Выход генератора 13 соединен через делитель частоты 14 (ДЕЛ), фазовый детектор 15 (ФД) и фильтр 16 нижних частот (ФНЧ) с входом управления ГУН 13 и, кроме того, через ключ 17 и цепь 10 с блоком 8 формирования сигнала цветности. В рассматриваемом примере выполнения блока 7 в состав блока 8 вводится амплитудный модулятор 18.

На фиг. 3 приведены спектры сигналов в устройстве фиг.1. Фиг.3а соответствует сигналу яркости на выходе устройства задержки 2. Фиг.3б спектр сигнала на выходе фильтра 3 нижних частот. Фиг.3в это спектр сигнала на выходе полосового фильтра 6. На фиг.3г приведена форма спектра сигнала на выходе блока 7 переноса спектра. Спектр сигнала яркости на выходе сумматора 4 показан на фиг.3д. Наконец, на фиг.3е показан спектр полного цветового сигнала на выходе сумматора 5.

На фиг. 4 представлена упрощенная функциональная схема декодера согласно изобретению. Декодер содержит последовательно соединенные устройство задержки 19, фильтр нижних частот 20, сумматор 21 и матрицу RGB 22. Выход устройства задержки 19 соединен через полосовой фильтр 23 и блок 24 переноса спектра с вторым входом сумматора 21. Вход устройства через полосовой фильтр 25 и канал цветности 26 соединен с вторым и третьим входами матрицы 22. Блок 27 это формирователь импульсов, необходимых для работы устройства. Цепь 28 соединяет канал цветности 26 с блоком 24 переноса спектра.

На фиг. 5 дан пример выполнения блока 24 переноса спектров в декодере, соответствующий примеру выполнения блока 7, представленному на фиг.2. Блок 24 содержит последовательно соединенные умножитель 29 и полосовой фильтр 30. К второму входу умножителя 29 подключен выход генератора 31, управляемого напряжением. Вход генератора 31 соединен через фильтр нижних частот 32 с выходом фазового детектора 33, первый вход которого соединен с выходом генератора 31, а второй вход с выходом амплитудного детектора 34, вход которого через ключ 35 и связь 28 соединен с каналом цветности.

На фиг. 6 показаны формы спектров в контрольных точках декодера фиг. 4. Фиг. 6а соответствует спектру сигнала на входе декодера. На фигурах соответственно 6б, 6в и 6г показаны спектры сигналов на выходах блоков 20, 23 и 25. Фиг. 6д соответствует спектру сигнала на выходе блока 24 переноса спектра. Наконец, фиг.6е дает форму спектра сигнала яркости на выходе сумматора 21.

Рассмотрим работу устройства. В соответствии с фиг. 1 на первом выходе матрицы 1 выделяется сигнал яркости, поступающий на вход устройства 2 задержки, а на втором и третьим выходах -цветоразностные сигналы R-Y и B-Y, проходящие в блок 8 формирования сигнала цветности СЕКАМ. Фильтр нижних частот 3 выделяет из сигнала яркости низкочастотный спектр, показанный на фиг. 3б. Полосовой фильтр 6 выделяет из сигнала яркости участок спектра, начинающийся от частоты среза фильтра 3 до частоты, определяемой выполнением блока 7 переноса спектра. В простейшем случае, когда не применяется уплотнение переносимого спектра, блок 7 может быть выполнен в соответствии с фиг. 2, а верхняя частота фильтра 6 может составлять примерно 4,5 МГц (фиг.3в). Выделенный фильтром 6 сигнал поступает в блок 7 переноса спектра. Этот блок может быть выполнен в соответствии с фиг.2. При этом сигнал проходит на вход умножителя 11. На второй вход умножителя подан синусоидальный сигнал с частотой f₀ от генератора 13, управляемого напряжением. Эта частота должна быть больше полосы сигнала цветности. В рассматриваемом примере f₀ > 2 МГц. Удобно выбирать эту частоту соответствующей гармонике строчной частоты. Если выбрать, например, 129-ю гармонику, то f₀ 129 • 15,625 2015,625 КГц. Коэффициент деления делителя частоты 14 выполняется равным выбранному номеру гармоники. Поэтому на выходе делителя 14 выделяется сигнал строчной частоты. Он сравнивается фазовым детектором 15 со строчными импульсами, а сигнал ошибки подается через фильтр нижних частот 16 на вход управления ГУН 13. Получается система ФАПЧ, которая поддерживает заданную частоту сигнала, вырабатываемого ГУН 13. В результате действия умножителя 11 каждая гармоника сигнала, поступающего на блок 7, оказывается промодулированной опорным сигналом с частотой f₀. Для гармоники с частотой f₁ получаем

Полосовой фильтр 12 выделяет составляющую спектра с частотой (ω₁+ ω_o). В результате спектр сигнала, выделенного фильтром 6, смещается на выходе блока 7 без искажений вверх на f₀, как это показано на фиг.3г.

Чтобы можно было в приемнике выполнить обратное преобразование спектра, в предлагаемой системе предусмотрена передача в полном сигнале информации о частоте и фазе сигнала f₀. В рассматриваемом примере на выходе блока 8 формирования сигнала цветности вводится амплитудный модулятор 18, на вход управления которого подан сигнал от ГУН 13 через ключ 17 и цепь 10. Ключ 17 открывается импульсом от блока 9 во время передачи одного из сигналов кадровой синхронизации. В результате пакет цветовой поднесущей, соответствующий этому сигналу, оказывается промодулированным по амплитуде синусоидальным сигналом частоты f₀. На работе стандартного приемника это не скажется, поскольку модуляция будет срезана амплитудным ограничителем в декодере.

Смещенный по частоте участок сигнала яркости складывается в сумматоре 4 с низкочастотной частью спектра. Получается спектр, показанный на фиг.3д. Перенесенный участок спектра лежит выше границы разрешающей способности масочного кинескопа и не даст искажений на экране приемника. Чтобы полностью исключить возможность таких искажений, амплитуды перенесенных составляющих могут быть дополнительно ослаблены, как это показано на фиг.3д. В сумматоре 5 в сигнал яркости вводится сигнал цветности СЕКАМ, сформированный стандартным методом в блоке 8. Получается сигнал, спектр которого показан на фиг. 3е. Спектры составляющих яркости и цветности в этом сигнале не пересекаются. Синхроимпульсы вводятся в полный сигнал обычным методом. Для упрощения изложения эти цепи на фигурах не показаны.

В приемнике, выполненном в соответствии с предлагаемым способом, выделенный видеодетектором сигнал поступает на вход декодера, выполненного в соответствии с фиг. 4. Спектр этого сигнала имеет вид, показанный на фиг.6а. Устройство задержки 19 компенсирует задержку сигнала яркости в канале цветности 26. Фильтр 20 выделяет низкочастотную часть спектра (фиг.6б). Полосовой фильтр 23 выделяет участок спектра (фиг.6в), сформированный блоком 7 кодера. Наконец, полосовой фильтр 25 выделяет из полного сигнала сигнал цветности СЕКАМ (фиг.6г). Сигнал цветности демодулирован в канале цветности 26. Полученные при этом цветоразностные сигналы поступают на матрицу 22. Высокочастотные составляющие сигнала яркости проходят в блок 24 преобразования спектра. Пример выполнения этого блока показан на фиг.5. Пример соответствует выполнению блока 7 кодера, показанному на фиг.2. В блоке 24 сигнал подводится к умножителю 29. На второй вход умножителя подан от генератора 31, управляемого напряжением, синусоидальный сигнал, частота (f₀) и фаза которого соответствуют частоте и фазе опорного синусоидального сигнала, вырабатываемого в блоке 13 кодера. Синхронность и синфазность этих сигналов обеспечивается системой ФАПЧ, включающей в себя кроме генератора 31 фильтр нижних частот 32 и фазовый детектор 33. В качестве опорного сигнала на второй вход фазового детектора 33 поданы пакеты синусоидальных колебаний, полученные в результате амплитудного детектирования в блоке 34 цветовой поднесущей в интервале одного из сигналов кадровой цветовой синхронизации, в котором блоком 18 кодера сформирован АМ-сигнал. Ключ 35, открываемый импульсами от формирователя 27, обеспечивает выделение требуемого участка сигнала.

В результате перемножения высокочастотных компонент сигнала цветности и опорного сигнала с частотой f₀ получаем

Полосовой фильтр 30 выделяет компоненту sinω₁t. Тем самым высокочастотные составляющие сигнала яркости смещаются по частоте вниз на f₀ и возвращаются на свои исходные по частоте места (фиг.6д). В сумматоре 21 эта часть спектра совмещается с низкочастотной с выхода фильтра нижних частот 20. Получается сплошной спектр, показанный на фиг.6е. При этом обеспечивается сквозная полоса пропускания канала яркости 4,5 МГц, как в стандарте Super-VHS. Четкость изображения по горизонтали увеличивается с 270 твл в прототипе до 350 твл. Это соответствует предельно возможной разрешающей способности масочного кинескопа с диагональю 63 см и шагом маски 0,7 мм.

При использовании предлагаемого способа обработки сигналов в составе системы СЕКАМ-плюс, рассчитанной на кинескопы большего формата, в блоках 7 кодера и 24 декодера целесообразно применить уплотнение переносимого участка спектра, что позволяет передать весь спектр этого сигнала, вплоть до частоты 6,5 МГц.

Если сигнал предлагаемой системы принимается на стандартный телевизор СЕКАМ, то качество изображения будет выше, чем при приеме стандартного сигнала. Улучшение обусловлено тем, что в предлагаемой системе спектры сигналов яркости и цветности не пересекаются. Благодаря этому исключаются перекрестные искажения яркость цветность, которые в стандартной системе СЕКАМ вызывают на участках изображения с мелкой яркостной структурой мешающие цветные муары. Кроме того, использование линейно-фазового фильтра нижних частот 3 в кодере исключает искажения на вертикальных границах сигнала яркости в виде повторов и колебаний.

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в аппаратуре телецентров при существующем парке телевизоров, в телевизорах СЕКАМ повышенного качества, в студийной аппаратуре и приемниках СЕКАМ-плюс, обеспечивающих для принятого в России телевизионного стандарта повышение четкости и уменьшение перекрестных искажений яркость - цветность. Сущность способа состоит в том, что на передающей стороне полный цветовой сигнал формируют так, что он содержит три непересекающихся спектра - низкочастотную часть спектра сигнала яркости, спектр сигнала цветности и высокочастотную часть спектра сигнала яркости. Последняя составляющая получается путем переноса вверх по частоте участка спектра, находящегося в полосе частот сигнала цветности. В приемнике производится обратное преобразование. В результате получается расширенный непрерывный спектр сигнала яркости, что повышает четкость изображения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ кодирования и декодирования сигнала цветного телевидения, в котором при кодировании из трех сигналов основных цветов формируют сигнал яркости и цветоразностные сигналы, которыми модулируют по частоте цветовые поднесущие в соответствии со стандартом СЕКАМ, полученный таким образом сигнал цветности суммируют с задержанным сигналом яркости для формирования полного сигнала, а при декодировании разделяют сигналы яркости и цветности путем частотной модуляции, демодулируют сигнал цветности, в результате чего выделяют два цветоразностных сигнала, затем осуществляют матрицирование сигнала яркости и цветоразностных сигналов, обеспечивающее восстановление трех сигналов основных цветов, отличающийся тем, что при кодировании сигнал яркости разделяют на низкочастотную и высокочастотную составляющие методом частотной фильтрации, причем верхняя граница спектра низкочастотной составляющей соответствует низкочастотной границе сигнала цветности, а спектр высокочастотной составляющей находится в полосе частот, лежащей выше нижней границы спектра сигнала цветности, затем осуществляют перенос высокочастотной составляющей вверх по частоте за пределы спектра сигнала цветности, после чего суммируют упомянутые низкочастотную и высокочастотную составляющие, формируя сигнал яркости, а при декодировании выделяют низкочастотную и высокочастотную составляющие сигнала яркости путем частотной фильтрации, затем осуществляют обратное преобразование высокочастотной составляющей сигнала яркости путем переноса вниз по частоте, после чего суммируют упомянутые низкочастотную и высокочастотную составляющие, восстанавливая сигнал яркости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перенос высокочастотной составляющей сигнала яркости при кодировании и декодировании осуществляют путем ее умножения на опорный синусоидальный сигнал постоянной частоты и последующей фильтрации, причем при кодировании опорным сигналом модулируют по амплитуде сигнал цветности в период передачи по крайней мере одного кадрового сигнала цветовой синхронизации, а при декодировании производят восстановление опорного сигнала с помощью "вспышек", полученных путем амплитудного детектирования сигнала цветности в интервале сигналов кадровой цветовой синхронизации. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при переносе спектра высокочастотной составляющей сигнала яркости используют уплотнение информации.