Материал: Разработка устройства, выполняющего функцию усилителя-распределителя цифрового сигнала и цифро-аналогового преобразователя

Разработка устройства, выполняющего функцию усилителя-распределителя цифрового сигнала и цифро-аналогового преобразователя

АННОТАЦИЯ

В настоящем дипломном проекте освещены некоторые основные принципы цифрового телевидения, строение и использование, а так же применение цифровой техники в передвижных телевизионных станциях. Рассматривается цифровой стандарт SDI, его преобразование в аналоговый сигнал системы PAL.

Разрабатывается устройство, выполняющее функцию усилителя-распределителя цифрового сигнала и цифро-аналогового преобразователя.

Содержание

Введение

.        Обзор существующих ПТС

.        Обоснование основных технических характеристик

.1      Требования к декодеру

.2      Цифровой интерфейс

.3      Сигнал SDI. Основные параметры цифрового потока формата 4:2:2

.4 Сигнал PAL. Основные параметры

.        Разработка структурной схемы

.        Разработка принципиальной электрической схемы.

.1 Демультиплексор

.2 Цифро-аналоговый преобразователь

.3 Фильтр нижних частот

.4 Усилитель аналогового сигнала

.5 Выходной каскад

.6 Кодер системы PAL

.7 Принципиальная электрическая схема

.8 Спецификация

.        Разработка топологии печатной платы

.        Технико-экономическое обоснование проекта

.1      Организационные факторы экономической эффективности применения ЦАП на ПТС в городе Москве

.2      Расчет капитальных и эксплуатационных затрат связанных с внедрением и разработкой ЦАП

.3 Показатели надежности блоков операционного усилителя и эмиттерного повторителя

. Вопросы экологии и безопасности жизнедеятельности

. Заключение

. Список литературы

Введение

Вещательное телевидение, по определению, означает доставку движущихся изображений и звукового сопровождения большим массам зрителей. Оно выполняет три основные задачи: информировать, просвещать и развлекать. Эти социальные функции ТВ вещания реализуются через технологию создания и доставки ТВ программ. Технологические процессы состоят из отдельных операций, таких как кино- или видеосъемка, монтаж, озвучивание, и т.д. Основной частью телевизионного вещания является тракт формирования программ. Организационной формой тракта формирования программ служат телевизионные центры. В каждом телецентре имеются две крупные структуры - творческая (художественная) и техническая, тесно связанные между собой. В первую входят редакции и другие творческие объединения, специализированные по видам вещания, дикторская группа, группа звукорежиссеров, отдел выпуска, отдел координации и некоторые другие, во вторую, всевозможные технические службы. Творческие и технические подразделения предназначены для подготовки и исполнения частей, входящих в программы вещания, формирования, записи и передачи в последующие части тракта телевизионных сигналов, отображающих вещательные программы.

Телевизионный центр - мощная инфраструктура, которая обеспечивает внутренние связи между аппаратными и передачу сигналов на наземные сети и спутниковые каналы связи. Коммуникационные возможности телецентра делают его уникальным центром приема и передачи и распределения различных электронных видов информации.

Но возможности такого центра были бы неполными, если бы не существовали всевозможные передвижные средства формирования, передачи, приема и обеспечения программ. На телецентре, в Технической дирекции Комплекса телетехники существует множество таких отделов. Отделы, связанные с передвижной техникой находятся либо в самом ТВ центре, либо в отдельном гараже. Обычно это отделы: передвижных ТВ станций (ОПТС), передвижных радиорелейных станций (ОПРС), видеожурналистского комплекса (ОТЖК), мобильной группы (ОМГ), отделы обеспечения.

В ОПТС входит одна или несколько передвижек, обслуживаемых обычно сменным персоналом, состоящим из начальника смены, ведущего инженера, инженеров (их количество зависит от типа, размера ПТС), механиков и водителей - механиков.

В данном дипломном проекте будет подробно описана передвижная ТВ станция и рассчитан один из основных блоков ее видеотракта.

Передвижная телевизионная станция (ПТС) - смонтированный в автобусе комплекс аппаратуры для проведения внестудийных телевизионных передач. Высокая мобильность ПТС и возможность с её помощью вести передачу (или запись передачи) вне телевизионной студии определили широкий диапазон использования ПТС для прямой трансляции с мест крупных политических событий, спортивных мероприятий и соревнований, театральных и концертных представлений, для репортажных передач с различных массовых мероприятий, с выставок и из музеев и т.п.

ПТС делят на типовые и репортажные. В состав типовой ПТС обычно входят: телевизионная аппаратура, смонтированная в автобусе; выносные ТПК; усилительная аппаратура звукового сопровождения передачи, в том числе выносные микрофоны; аппаратура технологической связи (технической и режиссёрской) с телецентром и между несколькими ПТС; радиорелейное оборудование для передачи сигналов телевизионного изображения и звукового сопровождения от ПТС в радиоприёмную аппаратную телецентра; аппаратура электропитания от сети переменного тока или от автономного генератора. ПТС обычно имеют до 20 ТПК и 10-40 микрофонных входов. ТПК соединены с аппаратурой в автобусе камерным кабелем <#"864321.files/image001.jpg">

Рис 2.4.1. Кодер PAL.

Нужно заметить, что для работы сигнал PAL подходит как нельзя лучше, поэтому на ПТС, да и на всем телевидении в целом, давно уде работают именно с ним. Создание программ, конечно же, ведется в цифровом формате, как и запись, но такие вещи, как подсмотр на мониторах второго плана, технические записи, раздача видеосигнала на внешние воспроизводящие устройства в основном на всех ПТС ведется в системе PAL. Передача изображения от ПТС на ПРС тоже осуществляется в этом формате, хотя некоторые телевизионные компании полностью переходят на цифровой тракт.

3. Разработка структурной схемы

Входом декодера является входное согласующее устройство - интерфейс. Основная функция интерфейса обеспечивать быстрое и надежное соединение двух приборов при передаче данных, не требующее подстройки параметров. Интерфейс предусматривает спецификацию соединения между устройствами цифровой аппаратуры, включая при этом как тип (коаксиальный кабель), число и функции таких соединений, так и основные характеристики передаваемых по ним сигналов.

Следующим блоком является усилитель-распределитель цифрового сигнала. На его вход поступает цифровой поток SDI, затем сигнал повторяется и поступает на два цифровых выхода устройства, а один из сигналов поступает на демультиплексор.

Демультиплексор раскладывает цифровой поток на три составляющих, яркостной и два цветоразностных сигнала, и преобразует эти цифровые потоки из последовательной формы в параллельную. На выходе демультиплексора цифровой компонентный сигнал. Каждая из трех составляющих этого сигнала проходит цифро-аналоговый преобразователь, фильтр нижних частот, усилитель, выходной каскад.

ЦАП преобразует сигнал в аналоговую форму. На выходе цифро-аналогового преобразователя сигнал имеет ступенчатый вид. Сгладить сигнал позволяет фильтр нижних частот. Его назначение убрать из спектров сигналов тактовую частоту и фронты дискретизации. Усилитель усиливает сигнал в два раза. Выходной каскад согласует сигнал с коаксиальными кабелями, подключенными к выходам устройства, далее компонентный

Сигнал поступает на отдельную плату кодера PAL.

Более подробно назначение элементов структурной схемы будет рассмотрено далее.

Структурная схема студийного декодера приведена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема декодера.

4. Разработка принципиальной электрической схемы

4.1    Демультиплексор

На вход демультиплексора поступает цифровой поток SDI. Демультиплексор преобразует поток в отдельные яркостной и цветоразностные сигналы, представленные в параллельной форме.

В стыке 4:2:2 видеоданные обычно передаются в мультиплексированной форме со скоростью 27 Mбайт/с ( период тактовых импульсов равен 37 нс). Цифровые видеоданные состоят из трех независимых составляющих: отсчетов Y, поступающих с частотой 13.5 МГц, отсчетов Cb, поступающих с частотой 6.75 МГц, и отсчетов Cr с частотой 6.75 МГц. Мультиплексирование трех потоков данных с кратными скоростями передачи - довольно легкая задача. Ее выполняет четырехвходовый переключатель, поочередно подающий на выход данные Cb, Y, Cr, Y. Весь цикл занимает два периода тактовой частоты канала яркости. Группа (триада) Cb, Y, Cr начинается с передачи сигнала Cb и представляет собой значения сигнала яркости и цветоразностных сигналов для одного элемента изображения; для следующего за ним элемента передается только значение яркости (без цветоразностных сигналов).

Для надежного демультиплексирования получающегося потока данных на приемной стороне необходимо внедрить в поток данных какие-либо специальные "форматные метки", обозначающие начало (и/или окончание) цикла передачи. Их роль играют два синхросигнала (TRS - Timing Reference Signals): один в начале каждого блока видеоданных (SAV - Start of Active Video) и другой в конце каждого блока видеоданных (EAV - End of Active Video). В интервале времени между этими двумя сигналами передаются видеоданные цифровой активной строки, образующие блок из 1440 кодовых слов мультиплексированных видеоданных, разбитых на 360 групп по четыре отсчета: Cb, Y, Cr, Y, Cb, Y.... Границы групп Cb, Y, Cr, Y внутри этого блока никак не обозначены - они определяются демультиплексором путем счета тактов относительно SAV.

Рис. 4.2.1. Формат данных и синхросигналы

Поскольку на практике употребляются как 8-битные, так и 10-битные данные, стандартом предусмотрены особые правила преобразования 8-битных байтов видеоданных в 10-битные и обратно. В частности, двум зарезервированным кодовым словам 8-битной системы соответствуют восемь "запретных" кодовых комбинаций 10-битной системы. Таким образом, коды 000h-003h и 3FCh-3FFh должны считаться эквивалентами кодов 00h и FFh, соответственно.

В 10-битовом представлении принято обозначение старшего бита (MSB) бита - D9, а младшего бита данных (LSB) - D0. При передаче 8-битных видеоданных старший бит остается тем же самым (D9), но младшие 2 бита просто обнуляются.

Цифровые синхросигналы (TRS) состоят из четырех байтов, первые три из которых представляют собой простую последовательность зарезервированных кодов. Четвертый байт состоит из двух полубайтов, обозначаемых PQ или XY. В таблице показаны шестнадцатеричные значения этих байтов:

Примечание: XYZ - это данные PQ, сдвинутые на два бита влево с обнулением младших разрядов D1 и D0

Старший полубайт Q является управляющим, а младший полубайт P служит для обнаружения и коррекции ошибок передачи полубайта Q. Четыре бита полубайта Q обозначаются D7- D4 и имеют следующие функции:

·   D7 - всегда равен 1

·   D6 - бит четности поля (F):

·   F = 0 - нечетное поле, F = 1- четное поле

·   D5 - флаг активной части кадра (V):

·   V = 0 внутри цифровой активной части изображения, V = 1 внутри вертикального гасящего интервала

·   D4 - флаг цифровой активной части строки (H):

·   H = 0 - начало активной части (SAV), H = 1 - конец активной части (EAV)

Для формирования и проверки полубайта P используются определенные стандартом просмотровые таблицы (LUT) сравнительно небольшого объема. При этом обнаруживаются и исправляются одиночные ошибки передачи , а парные ошибки - только обнаруживаются.

Рассмотрим структура цифрового потока формата 4:2:2.

Рис. 4.2.2. Структура цифрового птока формата 4:2:2

Из 864 отсчетов яркости 720 отсчетов относятся к цифровой активной части строки, но только 702 из них входят в аналоговую активную часть. Полная строка начинается с отсчета Y0 и заканчивается отсчетом Y719. Отсчет Y732 должен совпадать с серединой фронта синхроимпульса аналогового сигнала (с моментом 0h). 10 отсчетов слева и 8 отсчетов справа от аналоговой активной части обеспечивают защитный интервал, предотвращающий проникновение нежелательных цифровых краевых эффектов в видимую зрителем часть строки. Восемнадцать крайних отсчетов не гасятся в цифровых трактах, но подлежат гашению при цифро-аналоговом преобразовании. В оптимальном варианте гашение происходит методом плавного двустороннего ограничения (dynamic clipping) с соблюдением предусмотренной стандартом длительности фронтов гашения, однако во многих реальных устройствах эта операция выполняется более грубыми методами.

Структура дискретизации - это двумерный или трехмерный узор, образуемый точками взятия отсчетов. Например в случае цифрового композитного сигнала PAL, дискретизируемого с частотой 4fsc, решетка дискретизации скошена (неортогональная дискретизация) из-за наличия 25-Гц офсета цветовой поднесущей PAL. Для компонентных видеосигналов 4:2:2 применяется прямая (ортогональная) решетка. Каждый второй отсчет сигнала яркости Y (четный, поскольку нумерация отсчетов начинается с нуля) совпадает в пространстве с отсчетами Cb и Cr.

По вертикали ТВ экрана цифровая активная часть кадра также несколько больше аналоговой активной части. Каждое цифровое поле содержит целое и одинаковое число активных строк - 288, в отличие от аналогового представления с 287.5 активными строками. Активными являются цифровые строки с 23-й по 310-ю и с 336-й по 623-ю. Нумерация цифровых строк изменяется синхронно с окончанием кода цифровой синхронизации, т.е. несколько ранее момента 0h, используемого для аналоговой нумерации строк.

Шкалы квантования сигналов выбирались в результате компромисса между относительном уровнем ошибок квантования (шума квантования) и величиной запаса по динамическому диапазону.

Рис. 4.2.3. Шкала квантования 4:2:2

Строго говоря, ошибки квантования не являются случайными, и к ним не применимы методы статического анализа. Тем не менее, для целей сравнения с другими источниками искажений можно считать, что среднеквадратическое значение уровня шума квантования составляет около 35% от величины шага квантования. Нетрудно вычислить, что 8-битовое кодирование 100% сигнала посредством 220 шагов квантования дает значение отношения сигнал/шум 56.8 дБ. Однако реальный мешающий эффект ошибок квантования намного больше из-за повышенной заметности ложных контуров, возникающих на плавных переходах яркости изображения.

Запас шкалы квантования в канале яркости относительно невелик - 19 уровней 8-битовой шкалы (8.6%) над уровнем белого и 14 уровней (6.4%) ниже уровня черного. Этого запаса достаточно для передачи точно отрегулированных студийных сигналов, однако во внестудийных условиях приходится надеяться только на защитное ограничение уровней аналогового сигнала перед подачей его на вход АЦП. Кроме того, малая величина запаса не позволяет передавать через стыки формата 4:2:2 некоторые испытательные сигналы, - например сигнал пилы с насадкой, традиционно применяемый для измерения нелинейных искажений. Запас в канале цветоразностных сигналов составляет по 14 уровней (6.3%) с каждой стороны, однако он практически ни на что не влияет, поскольку в реальных условиях сигналы с насыщенностью более 100% почти не встречаются.

10-битовое кодирование отсчетов существенно (в 4 раза, т.е. на 12 дБ) улучшает ситуацию с ошибками квантования, но никак не влияет на относительную величину запаса по динамическому диапазону.

Для обозначения уровней квантования применяются различные способы записи: