1. Введение.
Разрабатываемое средство измерения — модуль измерения отношения сигнал/шум (в дальнейшем модуль измерения ОСШ)является стационарным, рабочим средством измерения, предназначенное для заменыморально устаревшего и не экономичного модуля измерения отношениясигнал/шум ИСШ-4, методическая базакоторого легла в основу данного проекта.
2. Назначение и область примененияразрабатываемого модуля измерения отношения сигнал/шум.
Модуль измерения ОСШ предназначен дляавтоматического цифрового измерения отношения размаха видеосигнала кэффективному значению помехи на деталях статического телевизионногоизображения, а также в интервале кадрового гасящего импульса во время передачителевизионной программы. Величина отношения сигнал/шум (ОСШ) может быть измерена относительно размаха видеосигналамежду уровнями: а)гашения и белого; б)черного и белого; в)гашения и белого винтервале кадрового гасящего импульса. Модуль измерения ОСШ может бытьиспользован для измерения ОСШ в сигнале монохромного телевидения на выходелюбого источника видеосигнала или любого участка тракта изображенияаппаратно-студийного комплекса телевизионного центра или передвижнойтелевизионной станции; в первичных сигналах (R,G,B) цветного телевидения насоответствующих выходах камерного канала или декодирующего устройства; навыходе телекинопроекционной аппаратуры видеомагнитной записи; на выходахоконечных и промежуточных пунктов телевизионных линий связи в процессе передачителевизионной программы и при передаче типовых испытательных сигналов. Крометого модуль измерения ОСШ может быть использован в лабораториях и назаводах-изготовителях при разработке и проверке телевизионной передающейаппаратуры. Предназначение данной разработки состоит в модернизациинаходящегося в эксплуатации на теле-визионных центрах Украины модуля измеренияОСШ — ИСШ-4, перевод блоков прибора на современную элементную базу с другимисхематическими решениями, изменении функциональных и принципиальных схем блоковсущественно влияющих на погрешность измерения.
3. Анализ метода определения отношениясигнал/шум .
Отношение сигнал/шум в телевиденииопределяют как отношение размаха видеосигнала между уровнями белого и гашения(или черного) к эффективному значению шума .
Отношение сигнал/шум выражают в децибелах в соответствии свыражением (3.1):
(3.1)
где Uc -размах видеосигнала
Uэ.ш. -эффективнаявеличина шума.
Под эффективной величиной шума подразумеваетсясредне-квадратическое значение амплитуды шума.
Выражение (3.1) имеет в правой своейчасти две переменные величины, в следствии чего вычисления потребуют большихзатрат, чем если бы в правой выражения (3.1) была бы одна переменная величина.Поэтому есть смысл пронормировать одну из величин и таким образом облегчить процесс обработки информации. Так каквидеосигнал является более стационарным по сравнению с шумом, есть смыслнормировать именно его. Таким образом автоматическое поддержание постояннымразмаха видеосигнала заменяет собой измерение размаха видеосигнала. При этомизмерение отношения сигнал/шум сводится к измерению величины шума, и алгоритм(3.1) преобразуется в алгоритм :
(3.2)
где Во -константа.
Обработка шума с целью определенияэффективной величины шума в формуле (3.2) осуществляется с помощьюстробоскопического метода [ 1 ], суть которого состоит в выборке мгновенныхнекоррелированных значений шума с частотой повторения сигнала и в запоминаниивыбранных значений на время между выборками. Таким образом, период выборкидолжен быть равен периоду повторения кадров, длительность интервала выборкидолжна быть менее длительности изображения.
Возможность использованиястробоскопического метода основана на том, что шум принимается эргодическимстационарным случайным процессом, а статистические характеристики (среднеезначение и дисперсия) такого случайного процесса, полученные в результатеусреднения его во времени на отрезке реализации, совпадают с полученными врезультате усреднения по совокупности его выборочных мгновенных значений.
Таким образом дальнейшее измерениеэффективной величины шума производится в соответствии с алгоритмом (3.3):
Uэш=
(3.3)
где Uk — амплитуда k выборки
k = 1...n, а n — число выборок мгновенных некоррелированных значений за цикл измерения.
При использовании алгоритма (3.3) нетнеобходимости производить как промежуточную операцию определение среднегозначения или центрирование шума.
Алгоритм измерения ОСШ (3.2) принимаетс учетом алгоритма (3.3) вид :
(3.4)
где R=2В — константа.
Затем полученные результатыпреобразуется в цифровой код и алгоритм (3.4) принимает вид:
(3.5)
где F= К — коэффициент преобразования аналог-код.
Таким образом данный алгоритмвычисления отношения сигнал/шум является простым, эффективным, и удобным вреализации аппаратными средствами. Так как целью разработки являетсямодернизация модуля измерения ОСШ — ИСШ — 4 реализующего данный метод, то воснову разработки ложится именно этот метод.
4. Обзор и анализ аналогичныхустройств.
Разрабатываемое СИ является прибором сузкой специализацией, предназначенное, в основном, только для работы ваппаратных телевизионных центров. Поэтому дополнение его функций как измерителя отношения сигнал/шум какими-либо дополнительными функциямиявляется нецелесообразным, так как необходимость этих функций в условияхпередвижных телестанций не велика, а в стационарных условиях вообще мала. Такимобразом использование на телевидении Украины измерителя ОСШ фирмы “Роде иШварц” (“Rohde&Schwarz”), превосходящего по своим характеристикамразрабатываемый модуль является непозволительной роскошью ввиду высокойстоимости, необходимости специальной подготовки оператора (знание немецкого языка, вычислительнойтехники), специальной подготовки персонала для технического обслуживания нафоне более высокой, но не всегда необходимой, точности измерения и не всегданеобходимой многофункциональности. Таким образом можно прийти к выводу, что продукция таких известных производителейизмерительной техники, как “TESLA” и“HEWLETT-PACKARD” не будет применяться в АСБ телецентров Украины пока невозникнет острая необходимость в приборах такой точности.
Альтернативой метода описанного вышеможет быть метод который решает задачу измерения ОСШ прямо. Под этимподразумевается то, что для измерения ОСШ производится измерение амплитудывидеосигнала, одновременно измерение величины среднеквадратического значенияамплитуды шума, затем производится операция деления результатов измерения,после чего производится накапливание и результатом измерения ОСШ принимаетсяматематическое ожидание совокупности результатов вычисления формулы 3.1 длякаждой выборки.
Недостатки этого метода по сравнению сописаным выше методом очевидны:
* необходимостьдвух измерительных каналов, что, естественно нежелательно с точки зрениянадежности, схемотехники и даже экономики;
* наличиеоперации деления в которой один операнд значительно больше другого (как минимумв 10 раз), что приведет к увеличению погрешности;
* такженедостатком можно считать отсутствие преймуществ перед описаным выше методом.
Отечественным аналогом разрабатываемогомодуля измерения ОСШ является прибор ИСШ-4. Структурная схема измерителя ИСШ-4 состоит из аналоговой измерительнойчасти (блоки усиления и модуляции), цифровой измерительной части (блокавтоматической регулировки усиления, арифметический блок, буферный счетчик,блок дешифраторов) и вспомогательной части (блок управления, блок выделениясинхросигнала, блок синхронизации). Структурная схема модуля измерения ОСШизображена на рисунке 4.1.
Функциональная схема модуля измеренияОСШ изображена на рисунке 4.2.
Видеосигнал (рис. 4.3 а) со входаизмерителя “Вход видео” поступает навходные каскады 1, где усиливается до требуемого для подачи на блок фильтра 11уровня. С выхода блока фильтра 11 видеосигнал, отфильтрованный в требуемойполосе частот поступает на вход усилителя с регулируемым коэффициентом передачи2, на выходе которого размах видеосигнала поддерживается постоянным и равнымэталонной величине Во. Импульсный сигнал управления коэффициентомпередачи усилителя 2 “Сигнал АРУ” формируется цифровым устройством АРУ 8 блокаавтоматической регулировки усиления в результате сравнения видеосигнала “Видеосравн.” с выхода усилителя 2 с эталонным напряжением Во.Автоматическое поддержание постоянным размаха видеосигнала входе измерительноготракта заменяет собой измерение размаха видеосигнала. При этом измерениеотношения сигнал/шум сводиться к измерению величины шума, и алгоритм (3.1)преобразуется в алгоритм (3.2).
Видеосигнал, размах которого между уровнями гашения и белого (или черного ибелого) равен величине Во, поступает через потенциометр оперативнойкалибровки “Калибр” на один вход строб-схемы 3. На другой вод схемы 3 с выходаформирователя поступают строб-импульсы (рис.3г), частота повторения которых — 25Гц, а длительность — примерно 4 мкс. Местоположение строб-импульсов можноменять вручную в пределах всего растра. Строб-импульсы подаются также на входсхемы замешивания метки 25 селектора, где суммируются с видесигналом. С выходасхемы 25 видеосигнал поступает на коаксиальное гнездо “Видео ВКУ”, к которомуподключается видеоконтрольное устройство (ВКУ). Замешанный в видеосигналстроб-импульс индицируется на экране ВКУ в виде яркостной метки, по положениюкоторой на растре определяют участок изображения, выбранный для измерения нанем уровня шума. Этот участок изображения должен иметь постоянную яркость навсем протяжении яркостной метки, а соответствующий участок видеосигнала — неизменный размах во временном интервале строб-импульса. На выходе схемы 3 винтервале строб-импульса выделяется сигнал, представляющий собой пьедестал,размах которого пропорционален размаху видеосигнала в интервале стробирования,с наложенным на него шумом (рис.4.3д). Пьедестал с наложенным на него шумомподается на усилитель 4, на входе которого происходит автокомпенсацияпьедестала. Стробирование видеосигнала с последующей автокомпенсациейпьедестала, т.е. с устранением информации о видеосигнале, позволяет выделитьшум из видеосигнала, а также использовать линейную часть динамическойхарактеристики каскадов 4 и 6 целиком для обработки шума.
Обработка пакета шума на выходеусилителя 4 с целью определения эффективной величины шума в формуле (3.2) осуществляетсяс помощью стробоскопического метода, суть которого состоит в выборке мгновенныхнекоррелированных значений шума с частотой повторения сигнала и в запоминаниивыбранных значений на время между выборками. Таким образом, период выборкидолжен быть равен периоду повторения кадров, длительность интервала выборкидолжна быть менее длительности элемента изображения. Возможность использованиястробоскопического метода основана на том, что шум является эргодическимстационарным случайным процессом, а статические характеристики (среднеезначение и дисперсия) такого случайного процесса, полученные в результатеусреднения его во времени на отрезке реализации, совпадают с полученными врезультате усреднения по совокупности его выборочных мгновенных значений.
Выборка мгновенных некоррелированныхзначений шума и запоминание их на время между выборками производится следующимобразом. Пакеты усиленного шума (рис.4.3е) с выхода каскада 4 поступают на одинвход амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 6, на другой его вход поступаютимпульсы выборки с выхода формирователя 5 (рис 4.3ж). Частота повторенияимпульсов выборки — 25Гц., а длительность на уровне амплитуды — приблизительно20нс. Формирователь 5 запускается строб-импульсами с выхода формирователя 7 иобеспечивает положение импульса выборки посередине временного интерваластроб-импульса.
На выходе АИМ образуются импульсы,модулированные по амплитуде шумом (рис.3 з), т.е. размах каждого из этихимпульсов Uк пропорционален мгновенной величине шума в момент выборки
Ukш.р-р
где k=1....n, n — число выборокмгновенных значений некоррелированных значений за цикл измерения.
Модулированные шумом импульсы поступаютна пиковый детектор 7, который осуществляет “запоминание” размаха каждогоочередного импульса до прихода последующего, т.е. в момент прихода k-гоимпульса на выходе пикового детектора формируется напряжение Uk, а предыдущее напряжение принудительносбрасывается (рис.4.3и; рис.4.4б). В момент прихода (к+1)-ого импульсасбрасывается напряжение Uk и формируется Uk+1.
Таким образом, на выходе детектора 7формируется преобразованный шум — дискретный случайный процесс, име-ющий те жестатистические характеристики (среднее значение и дисперсию), что и шум навходе измерителя.
Дальнейшее измерение эффективнойвеличины шума производится в соответствии с алгоритмом (3.3), при использованиикоторого нет необходимости производить, как промежуточную операцию, определениесреднего значения, или центрирование, преобразованного шума. Алгоритм измеренияОСШ (3.2) принимается с учетом алгоритма (3.3) вид (3.4).
Операция вычитания, возведения вквадрат, суммирование и логарифмирование в последовательности, определеннойалгоритмом (3.4), осуществляют цифровые блоки измерителя. Предварительнуютрансформацию преобразованного шума в цифровой код производятширотно-импульсный модулятор 10, расположенный в блоке автоматическойрегулировки усиления, и преобразователь длительность-код 12, расположенный наплате вычитателя и квадратора арифметического блока.
Широтно-импульсный модуляторзапускается строб-импульсами с выхода формирователя 9. На выходе модулятора 10образуется широтно-модулированные импульсы (рис.4.4в), длительность которыхпропорциональна размаху преобразованного шума в момент запуска модулятора 10,т.е.
(4.1)
где к=1....n.
Широтно-модулированные импульсыпоступают на преобразователь длительность-код 12, на выходе которогоформируется число-импульсный код шума, представляющий со-
бой пачки (рис.4.4г), число импульсов в которых Nk пропорционально величинам, т.е.
с учетом (4.1)
где К — коэффициент преобразованияаналог-код.
После преобразования аналог-кодалгоритм (3.4) принимает вид :
На выходе вычитателя 13 формируетсячисло-импульсный код разности двух соседних кодов шума (рис.4.4д), т.е. пачки,число импульсов в которых Nk определяется в соответствии свыражением (4.2) :
(4.2)
где к=1....n.
Квадратор 14 производит возведение в квадратчисло-импульсных кодов разностей, поступающих на его вход с выхода вычитателя13. На входе квадратора 14 формируются пачки (рис.4.4е), число импульсов в которых Nk определяется всоответствии с выражением (4.3):
(4.3)
где к=1....n.
С выхода квадратора число-импульсныйкод подается на вход буферного счетчика 17 блока дешифраторов. Счетчик 17выполняет две операции: суммирование за цикл измерения (накопление) кодаквадратов разностей N и деление накопленного числа импульсов на n, т.е. навыходе счетчика образуются импульсы, число которых за весь цикл измерения Nопределяется в соответствии с выражением
Логарифмирование числа N в соответствиис алгоритмом производится блоком дешифраторов, а затем дешифрированный кодвыводится на индикатор. Не пригодность прибора ИСШ-4 заключается в егонедостаточной точности, неэкономичности и сложности схемотехники, чтозатрудняет техническое обслуживание и ремонт.
5. Обоснование выбора структурной схемымодуля измерения ОСШ.
Так как метод измерения вразрабатываемом приборе будет такой же как в приборе ИСШ-4, то принципиальносхема не изменяется. Структурная схема модуля измерения ОСШ изображена нарисунке 5.1.
Для обеспечения точости обработкисигнала и требований предъявляемых в ТЗ к входным параметрам разрабатываемогоприбора входной сигнал подается на элемент структурной схемы — входнойусилитель. Задачей которую должен решить этот блок является усиление входногосигнала и его отбор для дальнейшей обработки по выделению синхросигналов, атакже обеспечение соответствия входного сопротивления и емкости даннымуказанным в ТЗ.
Для обеспечения работы всей схемыобработки алгоритма 3.5 вводится блок выделения синхросигналов. Блок выполняетзадачу синхронизации всего процесса измерения либо с внешним источникомсинхронизации либо внутренне от импульсов синхронизации кадров и строчныхсинхроимпульсов входящих в состав полного видеосигнала. В функции этого блокавходит также вывод на внешнее видеоконтрольное устройство (ВКУ) яркостнойметки, указывающей место растра, где происходит измерение величины ОСШ.Выходными сигналами блока является синхроимпульс строки в которой производитсяизмерение величины ОСШ и синхроимпульс по которому производится стробированиесигнала.
После блока входного усилителя полныйвидеосигнал попадает на первый коммутатор, задачей которого является выделениеиз полного видеосигнала сигнала строки в которой производится измерение.
Затем сигнал выделенной строки подаетсяна устройство линейного сравнения и компенсации (УЛСК) которое производитнормировку в соответствии с формулой 3.2и компенсацию величины Во в составе сигнала выделенной строки.
После этого сигнал подается на второйкоммутатор, который должен произвести стробирование при поступлениисинхронизирующего импульса от блока выделения синхро-сигналов. Выходнойвеличиной блока является Uk.
Для обеспечения дальнейшей обработкивыборок шума, которая является уже чисто математически-статистической,производится преобразование аналог-код. Для этого вводится блоканалого-цифрового преобразования (АЦП) результатом работы которого является кодсоответствующий Uk — Nk.
В дальнейшем Nk подается наблок цифровой обработки и управления (БЦОиУ). Функциями блока являетсянакопление массива Nk, вычисление ОСШ по формуле 3.5 по совокупностивыборок Nk, управление УЛСК, выдача результата измерения наотображающее устройство.
И последним блоком структурной схемыявляется устройство отображения результата измерения (УОРИ).
6. Предварительный анализ погрешностей.
Упрощенная структурная схема модуляизмерения ОСШ для предварительного анализа погрешностей имеет вид:
где,
1 -
входной усилитель
2 -
коммутатор 1
3 -
УЛСК
4 -
коммутатор 2
5 -
АЦП
6 -
цифровой блок и блок индикации
аддитивные приведенные погрешности i — го блока.
Структурная схема является разомкнутой.
Уравнение преобразования дляприведенной выше схемы имеет вид:
где К1 — К6 коэффициентыпреобразования соответствующих блоков.
Таким образом суммарная мультипликативная погрешностьприбора равна:
где коэффициенты влияниясоответствующего блока на погрешность в целом.
Определим коэффициенты влияния первого блока намультипликативную погрешность
Аналогично
Для мультипликативных погрешностей
Суммарная систематическая погрешность
Суммарная случайная погрешность(предварительно предположив нормальный закон распределения погрешностейблоков):
По требованию ТЗ предел относительнойдопускаемой основной погрешности
где,
— результат измерения ОСШ.
Общая допустимая мультипликативнаяпогрешность
Распределим мультипликативную составляющуюпогрешности таким образом:
Тогда мультипликативная составляющаясистематической погрешности между блоками схемы распределена следующим образом:
Для аддитивной погрешности: (Uвх=0)
где — аддитивнаяпогрешность, действующая на вход i — го блока.
Приведенная ко входу устройства аддитивная погрешность:
Относительная приведенная ко входуаддитивная погрешность:
Номинальные коэффициенты предачи блоков2,4,5,6 равны 1.
Тогда уравнение для аддитивнойпогрешности упрощается:
Основное влияние на общую аддитивнуюпогрешность вносят так как в первом блокепроисходит умножение на К1. Следовательно, основное вниманиенеобходимо уделить уменьшению этой погрешности.
При номинальном значении Uвх (т.е. приК3=1 )
где аддитивная погрешностьi — го блока.
Случайную составляющюю аддитивнойпогрешности, предположив ее нормальный закон распре