行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
單晶片封裝系統數位電視多重標準接收器設計與實作—
子計畫五:
多重標準數位電視接收機之基頻子系統設計與實作
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91－2218－E－110－006－
執行期間：九十一年 八 月 一 日至 九十二年 七 月 三十一日
計畫主持人：陳儒雅
共同主持人：邱日清
計畫參與人員： 蔡宏杰、謝孟宏、吳達成、郭翰瑜
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管
計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立中山大學通訊工程研究所
中 華 民 國 九十二 年 七 月 三十一 日
摘 要
自從西元 1953 年美國採用 NTSC 為電視系統標準，電視的歷史正式從黑白進 入彩色。而在西元 2006 年美國將全面從類比電視時代走入數位電視時代。本計畫 之目的是以三年的時間完成數位電視接收機的基頻子系統，在第一年中是以完成類 比的顯像系統為主。在本報告中將先介紹 NTSC 系統之訊號產生與解調的方法，然 後針對 NTSC 系統接收機的功能方塊作適當的探討，包含水平同步器、亮度色差訊 號分離器、繫色訊號頻率估測器與相位追蹤器。我們利用電腦模擬來分析各個功能 方塊之性能，同時設計相關之參數，所得之參數值可提供子計畫三之電路設計使用。Abstract
Ever since the NTSC television system was adopted for the analog television standard in North America in 1953, the color televisions have taken the place of the black-and-white televisions. From 2006, ATSC will entirely become the only standard of terrestrial television broadcasting in the Unite States and the era of digital television will soon arrive. The objective of this project is to complete a baseband receiver for terrestrial digital television broadcasting system in three years. In the first year, we focus on the design of analog NTSC system for compatible display. In this report, we introduce the concepts about the NTSC system and then investigate the functional blocks of the NTSC receiver which include horizontal time synchronization, separator of chroma and luminance, as well as frequency estimator and phase tracker for color burst signals. Performance analysis of these functions is carried out by computer simulation and associated parameters are thus designed. The parameters will be provided for circuit design in sub-project three.
目 錄
摘 要 ...i
Abstract ...ii
目 錄 ...iii
圖 索 引 ...v
第一章 前 言...1
第二章 NTSC 發射機系統架構...3
2-1 NTSC 系統簡介 ...3 2-2 NTSC 訊號 ...4 2-3 水平同步訊號 ...6 2-4 繫色訊號 ...7 2-5 影像訊號 ...8 2-6 垂直遮沒指標 ...10 2-7 產生 NTSC 複合影像訊號之步驟...11第三章 NTSC 接收機系統架構...15
3-1 同步訊號偵測 ...15 3-1-1 水平同步 ...16 3-1-2 垂直同步 ...17 3-2 繫色訊號偵測 ...183-3-1 頻率估測 ...19 3-3-2 相位追蹤 ...21 3-4 亮度與色差訊號分離 ...22 3-5 IQ 解調...25
第四章 NTSC 系統模擬 ...27
4-1 水平同步器 ...27 4-2 亮度色差分離器...45 4-3 頻率估測器 ...53 4-4 相位追蹤器 ...59第五章 結 論...74
參考文獻 ...75
圖 索 引
【圖 2- 1】NTSC 訊號準位...5 【圖 2- 2】NTSC 訊號產生方塊圖 ...6 【圖 2- 3】水平掃描線掃描軌跡示意圖...6 【圖 2- 4】水平同步訊號、繫色訊號示意圖...7 【圖 2- 5】影像訊號產生方塊圖 ...8 【圖 2- 6】IQ 調變方塊圖 ...8 【圖 2- 7】色差訊號示意圖...9 【圖 2- 8】亮度訊號示意圖...9 【圖 2- 9】影像訊號示意圖...10 【圖 2- 10】垂直遮沒指標示意圖 ...11 【圖 2- 11】奇 偶圖場間之垂直遮沒指標示意圖 ...13 【圖 2- 12】偶 奇圖場間之垂直遮沒指標示意圖 ...13 【圖 2- 13】NTSC 模擬訊號示意圖 ...14 【圖 2- 14】NTSC 模擬訊號示意圖 ...14 【圖 3- 1】NTSC 訊號解調系統圖 ...15 【圖 3- 2】水平同步偵測方塊圖 ...16 【圖 3- 3】位移修正示意圖...17 【圖 3- 4】垂直同步及奇、偶圖場偵測方塊圖 ...18 【圖 3- 5】垂直同步及奇、偶圖場判斷示意圖 ...18 【圖 3- 6】繫色訊號偵測方塊圖 ...19 【圖 3- 7】w 在 N=10，N=20，N=30 的分佈圖形 ...21 t 【圖 3- 8】數位鎖相迴路...22【圖 3- 10】2D 三線梳形濾波器 ...23 【圖 3- 11】N=6 時之梳形濾波器 ( 6 ( ) 1 H z z )...24 【圖 3- 12】N=6 時之梳形濾波器 ( 6 ( ) 1 H z z ) ...24 【圖 3- 13】亮度(Y)/色差(C)頻譜分佈示意圖...25 【圖 3- 14】梳形濾波器和亮度(Y)/色差(C)頻譜分佈示意圖...25 【圖 3- 15】色差訊號解調方塊圖 ...26 【圖 3- 16】有限脈衝響應低通濾波器運算示意圖 ...26 【圖 4- 1】比較器位準為-9，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...29 【圖 4- 2】比較器位準為-19，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...30 【圖 4- 3】比較器位準為-29，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...30 【圖 4- 4】比較器位準為-39，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...31 【圖 4- 5】比較器位準為-9，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...31 【圖 4- 6】比較器位準為-19，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...32 【圖 4- 7】比較器位準為-29，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...32 【圖 4- 8】比較器位準為-39，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...33 【圖 4- 9】暫存器大小為 5，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值...33 【圖 4- 10】暫存器大小為 15，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值 ...34 【圖 4- 11】暫存器大小為 25，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值 ...34 【圖 4- 12】暫存器大小為 35，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值 ...35 【圖 4- 13】暫存器大小為 5，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量...35 【圖 4- 14】暫存器大小為 15，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量 ...36 【圖 4- 15】暫存器大小為 25，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量 ...36 【圖 4- 16】暫存器大小為 35，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量 ...37 【圖 4- 17】比較器位準為-36，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...39 【圖 4- 18】比較器位準為-37，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...39 【圖 4- 19】比較器位準為-38，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值 ...40 【圖 4- 20】比較器位準為-36，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...40 【圖 4- 21】比較器位準為-37，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...41
【圖 4- 22】比較器位準為-38，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量 ...41 【圖 4- 23】暫存器大小為 7，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值...42 【圖 4- 24】暫存器大小為 8，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值...42 【圖 4- 25】暫存器大小為 9，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值...43 【圖 4- 26】暫存器大小為 7，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量...43 【圖 4- 27】暫存器大小為 8，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量...44 【圖 4- 28】暫存器大小為 9，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量...44 【圖 4- 29】傳送機傳送之原始圖片 ...45 【圖 4- 30】YC 分離器輸出之亮度訊號 MSE ...46 【圖 4- 31】YC 分離器輸出之色差訊號 MSE ...46 【圖 4- 32】無頻率及相位偏移時 IQ 差異量...47 【圖 4- 33】經三線梳型濾波器在無頻率及相位偏移時的還原圖像 ...48 【圖 4- 34】無頻率偏移及相位偏移 45時 IQ 差異量...49 【圖 4- 35】經三線梳型濾波器在無頻率偏移及相位偏移 45時的還原圖像...49 【圖 4- 36】無頻率偏移及相位偏移 90時 IQ 差異量 ...50 【圖 4- 37】經三線梳型濾波器在無頻率偏移及相位偏移 90時的還原圖像...50 【圖 4- 38】頻率偏移 100 kHz、無相位差異時 IQ 差異量...51 【圖 4- 39】頻率偏移 200 kHz、無相位差異時 IQ 差異量...51 【圖 4- 40】頻率偏移 400 kHz、無相位差異時 IQ 差異量...52 【圖 4- 41】頻率偏移 100 kHz、相位差異 45時 IQ 差異量...52 【圖 4- 42】經三線梳型濾波器在頻率偏移 100 kHz、相位差異 45時的還原圖像53 【圖 4- 43】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值 ...55 【圖 4- 44】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值局部放大圖 ....55 【圖 4- 45】均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值 ...56 【圖 4- 46】不同頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值 ...56 【圖 4- 47】均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值局部放大圖 ....57 【圖 4- 48】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量標準差 ...58 【圖 4- 49】均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量標準差 ...58
【圖 4- 51】鎖相迴路架構圖...59 【圖 4- 52】相平面圖 ...61 【圖 4- 53】總迴路增益為 90，初始頻率誤差設定為 30、50、85 以及 105（Hz）的 相位平面圖。 ...63 【圖 4- 54】總迴路增益為 100，初始頻率誤差設定為 30、50、85 以及 105（Hz） 的相位平面圖。 ...63 【圖 4- 55】總迴路增益為 110，初始頻率誤差設定為 30、50、85 以及 105（Hz） 的相位平面圖。 ...64 【圖 4- 56】總迴路增益為 3000，初始頻率誤差設定為 1000、2000、3500 以及 4500 （Hz）的相位平面圖。 ...65 【圖 4- 57】總迴路增益為 5000，初始頻率誤差設定為 1000、2000、3500 以及 4500 （Hz）的相位平面圖。 ...66 【圖 4- 58】總迴路增益為 5000，初始頻率誤差設定為 1000、2000、3500 以及 4500 （Hz）的相位平面圖。 ...66 【圖 4- 59】線性 PLL 模型...67 【圖 4- 60】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 100Hz，自然頻率設定 為 10 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器頻 率的關係圖。 ...69 【圖 4- 61】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 100Hz，自然頻率設定 為 20 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器頻 率的關係圖。 ...69 【圖 4- 62】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 100Hz，自然頻率設定 為 30 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器頻 率的關係圖。 ...70 【圖 4- 63】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 1000Hz，自然頻率設 定為 100 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...70 【圖 4- 64】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 1000Hz，自然頻率設 定為 150 Hz 的二階鎖相迴路，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器 頻率的關係圖。 ...70 【圖 4- 65】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 1000Hz，自然頻率設 定為 200 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...71
【圖 4- 66】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 2000Hz，自然頻率設 定為 100 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...71 【圖 4- 67】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 2000Hz，自然頻率設 定為 150 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...71 【圖 4- 68】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 2000Hz，自然頻率設 定 為 200 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器 頻率的關係圖。 ...72 【圖 4- 69】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 4000Hz，自然頻率設 定為 100 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...72 【圖 4- 70】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 4000Hz，自然頻率設 定為 150 Hz 的二階鎖相迴路裡，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪 器頻率的關係圖。...72 【圖 4- 71】在阻尼因子設定為 0.707，初始頻率偏移設定為 4000Hz，自然頻率設 定為 200 Hz 的二階鎖相迴路，左為相平面關係圖，右為時間與壓控震盪器 頻率的關係圖。 ...73
第一章 前 言
所謂 NTSC (National Television System Committee)系統是由美國國家電視系統委員 會於西元 1953 年所提出的彩色電視播送標準。NTSC 系統是一種能與黑白電視系統並 存的視訊播送標準，其使用技術主要是由 RCA 所研發出來，此系統之主要目的在於解 決彩色電視和黑白電視相容的問題。NTSC 電視系統已經存在於世界半個世紀之久，而 現行的電視系統也逐漸由類比系統轉往數位系統。目前在世界上有三大數位電視傳送標 準：ATSC、DVB 與 ISDB。 本計畫的提案是以完成地面數位電視廣播(DVB-T)之接收機為主，原先規劃的時程 是三年的時間。因為數位電視的顯像系統可以分成數位式與類比式兩種，而目前顯像系 統處於過渡時期，台灣在類比顯像方面又以 NTSC 系統為主，所以在第一年中我們將 以完成 NTSC 系統的影像解調為主，第二、第三年將致力於 DVB-T 基頻系統的研究。 在完整的 NTSC 電視解調系統[1][4]中，包含了同步偵測、YC 分離、頻率估測 [5][6]、相位追蹤和 IQ 解調等功能。同步偵測主要是採用位準的判斷法[1]。在 YC 分離 的演進中[3]，最早是使用低通濾波器和高通濾波器來分離亮度和色差訊號，而此方法 在實現上比較簡單容易，但是由於在分離亮度時使用低通濾波器將使得在截止頻率之後 的高頻訊號被剔除，而在色差訊號中則是較低頻的成分會被高通濾波器所剔除，這些效 應反映在圖形上是造成影像邊界處的高頻成分消失，使得影像在邊界處變的模糊，而且 在色彩飽和度上也有所降低。因此為了改善影像品質，有人便提出使用帶拒濾波器 (notch filter)和帶通濾波器(band-pass filter)的方法，其原理為用帶拒濾波器取出亮度訊號 和用帶通濾波器取出色差訊號。帶拒濾波器以繫色載波頻率為中心頻率，用來濾除 2.5 MHz ~ 4.5 MHz 處的色差訊號，而帶通濾波器則是取出這段頻率間的色差訊號以及剔除 其餘頻帶的亮度訊號，這樣可以保留高頻成分使得邊界處變的比較清晰，但是在色差訊 號中心頻率處的亮度訊號依然是被濾除的。爾後梳形濾波器被用來分離在整個頻帶內的 亮度和色差訊號，其可以使失真降到最低，所採用的原理是利用掃描線之間的相位差異
來分離亮度與色差訊號[2][4]。在頻率估測部分，Kay[5]利用鄰近的離散弦波訊號值， 藉由互相關運算取出其相位差值，再乘上適當的權重值來估測出弦波頻率。在[6]中則 提出另一種架構在 Kay 上的改進方法，與[5]主要差別是在其先將訊號做自相關運算 (autocorrelation)藉以降低雜訊的影響，再利用鄰近的訊號值取出相位差值，且其權重值 是乘在雜訊部份用來使雜訊的影響效應降到最低。這二種頻率估測法在運算量的比較 上，由於第二種有使用自相關運算所以導致整體運算量增加，但是也因為自相關的運 算，使雜訊的影響降低，因此在相同的信號雜訊比下可以提供比較好的性能。 在本報告中的第二章中，我們介紹了 NTSC 系統與其傳送訊號的規格，其中包括 同步訊號、繫色訊號、影像訊號和垂直遮沒指標等的產生方法。在第三章中我們針對 NTSC 系統的接收機方塊討論相關的演算法，包括水平同步訊號偵測、垂直同步訊號偵 測、頻率追蹤、相位估測、YC 分離和 IQ 解調等。而在第四章中則是利用電腦模擬方 式來探討同步準位的估測、頻率估測、梳型濾波器對 Y/C 分離、頻率和相位偏移對色 差訊號解調的影響，最後一章則是結論。
第二章 NTSC 發射機系統架構
2-1 NTSC 系統簡介
NTSC 電視系統在傳送影像訊號時，並不是以循序的方式來傳送紅綠藍的訊號，而 是將訊號分成亮度(Luminance)與色差(Chrominance)兩部分，並以頻率多工的方式傳 送。其主要原因是亮度訊號即是原先黑白電視系統的影像訊號，加入色差訊號後就能攜 帶色彩資訊。NTSC 系統的通道頻寬為 6 MHz，其中亮度訊號頻寬佔了 4.2 MHz 左右， 而色差訊號以 I、Q 表示時分別佔用 1.6 MHz、0.5 MHz 的頻寬。NTSC 系統是台灣現行 採用的電視廣播標準，其掃描線為近乎水平之直線，由左至右以掃描等速移動。對電視 系統來說，掃描線是指影像管之電子束由螢光幕之左邊橫掃至右邊所構成的線條，掃描 線的亮暗即為電子束的強弱。電子束弱則螢光幕上所見到的便是暗點，而電子束強則可 看到亮點，攝影機所送出之電壓信號即攸關電子束的強弱，而在掃描線到達每一條線之 終端時，水平遮沒信號掃描線迅速移至次一掃描線之開始位置，掃描線以等速水平移動 外，同時亦以極小幅度垂直等速移動，其移動方向為由上而下，當掃描線到達畫面最下 方中間位置時，垂直遮沒信號時回到頂部準備開始次一畫面掃描過程。NTSC 系統的每 一個圖像都以圖框表示，每一秒鐘之內則能顯示近 30 個(29.97)圖框的圖像，由於平均 作用人眼能將每秒鐘 24 個畫面看成連續，因此每秒鐘顯示 30 個圖框，其閃爍現象已經 能為肉眼所接受。至於每一個圖像則使用 525 條掃描線，因此第一個圖場佔用前 262.5 條，第二個圖場佔用後 262.5 條掃描線。在顯像時，掃描線會成交互重疊，而 NTSC 系 統的每一個圖像掃描線，在顯像時其兩個圖場掃描線會互相平行，每一個掃描畫面是由 倆個分開的圖場所組成。NTSC 系統中每秒提供 30 個掃描畫面，而每個圖場的顯示頻 率為每秒 60 個圖場，每一個圖場的顯示時間為 16.7ms (60Hz)。NTSC 系統每一個圖像 掃描線，在顯像時其兩個圖場的掃描線互相交錯(interlaced)，第一個圖場掃描線的位置順序為奇數位置，而第二個圖場掃描線的位置順序為偶數位置，此即間線掃描，而電子 束由左至右需 63.5μs 的時間則是根據水平同步信號為基準週期的水平鋸齒波而定的。 至於電子束由右邊返回到左邊的時間，影像訊號沒有讓螢光幕顯示任何影像，此稱之為 水平歸線反馳時間。水平歸線反馳時間約佔整條水平掃描時間(63.5μs)的 16.5%左右， 其餘部分為影像顯示時間，稱之為有效水平掃描期間，所以其掃描時間為 53μsec。電 子束在螢幕上由上往下的掃描時間為 16.7ms，由垂直同步信號所控制的垂直波決定。 當電子束由下回到上邊的這段掃描期間內，螢光幕上無影像出現，稱之為垂直歸線反馳 時間，大約佔整個圖場掃描期間 6%。其有效垂直歸線掃描期間約為 15.7ms，因此可知 一個圖場有效的掃描線條約 247 條，整個圖框的有效掃描線數為247 2 494條。
2-2 NTSC 訊號
NTSC 系統的傳送訊號主要是由同步訊號、繫色訊號(color burst)、影像訊號(video signal)所構成，由這三種訊號所形成的稱為複合影像訊號(composite video signal)。而影 像訊號是由亮度訊號與色差訊號所組成。【圖 2- 1】是 NTSC 電視系統的複合影像訊號 的電壓位準圖，由此可以看到在 NTSC 訊號起始處是一1.5 s 的前廊(front porch)，隨後 是 4.7 s 的水平同步訊號、 4.7 s 的後廊(back porch)和52.6 s 的影像訊號。同步訊號的 位準為-40 IRE (約-286mV)，影像訊號的位準從 0~100 IRE (約 0~714mV)，對亮度而言 IRE 數值越高表示約接近白色，反之越低則是越接近黑色，一般大約取 75 IRE 作為白 色的亮度值，這是為了將亮度訊號跟色差訊號合成之後使得訊號能被規範在 0-100 IRE 之中。在後廊中還包括了 2.5 s 的繫色訊號，繫色訊號為一 8 ~ 10 個週期的弦波信號且 其峰對峰振幅大小為 40 IRE (+20 IRE ~ -20 IRE)；由這些部分組合成一完整 NTSC 訊號 中的一條掃描線( 63.5 s )。利 用 一 定 的 比 例 混 合 組 成 (Y=0.3R+0.59G+0.11B 、 I=0.6R-0.28G-0.32B 、 Q=0.21R-0.52G+0.31B)。由於電子束掃描圖像時是將奇偶掃描線分開掃描，所以需在格 式轉換之後分開奇偶掃描線的資料，將各掃描線的 IQ 訊號送入 IQ 調變器以產生色差 訊號。色差訊號為三原色訊號與亮度訊號之間的差異量，通常用 IQ 或 UV 兩種方式來 表示，其中 U=0.492(B-Y)、V=0.877(R-Y)，而 I=Vcos33 -Usin33 、Q=Vsin33 +Ucos33 。
色差訊號是採用正交調變(quadrature modulation)的方式來傳送，其載波頻率由繫色訊號 產生器所提供。繫色訊號產生器則是負責產生 IQ 調變器所需的載波頻率 3.579545 MHz。水平同步產生器輸出水平同步訊號，其功用在於使發射端與接收端之間的掃描 時序能夠配合。而在 NTSC 系統中，一個影像畫面是由奇、偶圖場(odd field、even field) 所組成。連接奇、偶圖場的訊號稱為“垂直遮沒區間” (Vertical Blanking Interval，VBI) 訊號，這是由垂直遮沒指標產生器所產生，其為一段能讓掃描線從畫面底部回到頂端下 一條掃描線的延遲時間。之後的幾個小節裡將對同步訊號、繫色訊號、影像訊號的產生 做更進一步的介紹。
【圖 2- 2】NTSC 訊號產生方塊圖
2-3 水平同步訊號
水平同步訊號為一準位-40 IRE 的訊號，準位維持時間為 4.7μs，位於前廊和後廊之 間，其主要作用為使接收端的掃描時序能夠和發射端相同，此外也可以藉由水平同步訊 號去偵測出垂直同步訊號。而電子束由左至右掃描 (如【圖 2- 3】中實線部分)需 63.5μs 的時間則是根據依水平同步信號為基準週期的水平鋸齒波而定的。至於電子束由右邊返 回到左邊的時間，影像訊號沒有讓螢光幕顯示任何影像，稱之為水平歸線反馳時間 (如 【圖 2- 3】中虛線之部分)。水平歸線反馳時間約佔整條水平掃描時間 63.5μs 的 16.5% 左右，也就是大約 10.5~10.9μs，其餘部分為影像顯示時間，稱之為有效水平掃描期間。2-4 繫色訊號
由於 3.579545MHz 的彩色副載波會對影像產生嚴重的干擾，實際上 3.579545MHz 彩色副載波並不會送出，而為了在接收機產生具有與彩色副載波相同頻率、相位之參考 訊號，於是在發射端加入了繫色訊號，繫色訊號是在水平遮沒期間介於水平同步訊號與 後廊之間的週期弦波，如【圖 2- 4】右方的弦波所示。繫色訊號位於水平同步訊號上升 邊緣之後，其包含了 8~10 個弦波，但是只有 4~5 個週期的穩定波形會用來送入之後的 數位鎖相迴路做頻率估測和相位追蹤。繫色訊號的載波頻率 (FSUB)決定如下： 29.97000 525 15734.25 H F Hz 455 / 2 3.579545 SUB H F F MHz 其中 29.97 為 NTSC 每秒畫面數，一個畫面的掃描線數為 525 條。 由於FSUB的頻率為F 的 227.5 倍，所以相鄰的二條掃描線間的繫色訊號相位會相H 差π。而且每條掃描線之影像訊號的調變載波起始相位就是繫色訊號的相位。 【圖 2- 4】水平同步訊號、繫色訊號示意圖2-5 影像訊號
影像訊號的產生方塊圖如【圖 2- 5】所示，產生的方法是將傳送畫面的 RGB 三原 色訊號轉為 Y、I、Q，其中 Y 表示亮度訊號如【圖 2- 8】所示。將 I、Q 訊號送入 IQ 調變器中做載波調變以產生色差訊號。IQ 調變器中包含副載波產生器、90相位移、乘 法器以及加法器。副載波產生器會先產生一組和繫色訊號頻率與起始相位相同的正弦波 訊號，另外將其通過 90相位移產生餘弦訊號後和送入的 I、Q 訊號做混波的動作產生 雙邊帶訊號(DSB signal)，再將二路的訊號相加合成為色差訊號後輸出（色差訊號產生 方塊圖如【圖 2- 6】所示）。【圖 2- 7】為 3 條掃描線的色差訊號，每條掃描線的點數為 1270 點（在 20MHz 的取樣率下）。【圖 2- 8】為亮度訊號，且每一取樣點所對應到的位 置均和色差訊號相同。在【圖 2- 7】、【圖 2- 8】中所顯示 3 條掃描線的波形看起來大同 小異，這是因為畫面中色彩變化不大的緣故，若是在色彩變化劇烈的圖像上，各條掃描 線的波形就會有劇烈的變化。最後，將各條掃描線的亮度訊號和色差訊號在相對的位置 上疊加起來合成為各條掃描線的影像訊號如【圖 2- 9】所示。 【圖 2- 5】影像訊號產生方塊圖【圖 2- 7】色差訊號示意圖
【圖 2- 9】影像訊號示意圖
2-6 垂直遮沒指標
而偶數圖場則是在最後一條掃描線掃完後才開始進入垂直反馳，所以不會有像奇數 圖場那樣只有一半影像訊號輸出的情況發生，而下一個圖框也是依照此流程掃描垂直遮 沒指標發生在圖場掃描到畫面底部時，掃描線從畫面底部返回到左上角的這個時間區 段。當電子束由下回到上邊的這段掃描期間，螢光幕上無影像出現，稱之為垂直歸線反 馳時間，大約佔整個圖場掃描期間的 8.6%，其有效垂直歸線掃描期間約為 15.4 ms。因 此可知一個圖場有效的掃描線條約 242.5 條，整個圖框的有效掃描線數為 485 (242.5 2 ) 條。由【圖 2- 10】，可以清楚看到垂直遮沒指標區段佔了 21 個週期波，且從第 10 個週 期波開始的繫色訊號起始相位以二個圖場 (Field1、Field2)為一組和另一組 (Field3、 Field4)相互反相，且圖場一和圖場二的相位也是反向的。由於一張畫面分為二個圖場， 分別為奇數掃描線所組成的奇圖場和由偶數掃描線所組成的偶圖場，而垂直遮沒指標就場在垂直遮沒指標開始時的掃描線之影像訊號只有一半的訊號長度，電子束經由垂直遮 沒指標返回畫面上方再開始掃描偶數圖場，之後再經由垂直遮沒指標回到頂端掃描下一 個畫面的奇數圖場，而偶數圖場則是在最後一條掃描線掃完後才開始進入垂直反馳，所 以不會有像奇數圖場那樣只有一半影像訊號輸出的情況發生，而下一個圖框也是依照此 流程掃描。 【圖 2- 10】垂直遮沒指標示意圖
2-7產生 NTSC 複合影像訊號之步驟
考慮以 20 MHz 的取樣率將一圖形轉為 NTSC 複合影像訊號，依照【圖 2- 1】中各 部分區塊的信號時間換算取樣點數如下： 前 廊: 1.5 s 20MHz30 (samples) 水平同步: 4.7 s 20MHz94 (samples) 後 廊: 4.7 s 20MHz94 (samples) 繫色訊號: 2.5 s 20MHz50 (samples) 影像訊號: 52.6 s 20MHz1052 (samples) 其中繫色訊號包含在後廊之中。經由 2-3 節所述的方法產生出影像訊號後，與前廊、水平同步訊號、後廊、繫色訊 號加以組合且在奇、偶圖場後加上 VBI 區段完成 NTSC 的訊號產生。產生流程圖如【圖 2- 2】所示，先將影像由 R、G、B 轉為 Y、I、Q 輸出，接著將奇數掃描線和偶數掃描 線分開，再依序排列組合後將 I、Q 送入 IQ 調變器產生色差訊號，其中調變所需的弦 波訊號頻率以及相位是由繫色訊號產生器所控制。繫色訊號產生器負責產生相對於各掃 描線間相位 0和180且頻率為 3.579545MHz 的正弦波，並將此正弦波訊號插入後廊間 和送入 IQ 調變器做為調變載波。產生之水平同步訊號和繫色訊號如【圖 2- 4】所示， 其中包含了前廊、水平同步訊號以及後廊，繫色訊號則是包含在後廊中，為九個週期波。 【圖 2- 11】為奇數圖場連接偶數圖場的垂直遮沒指標，可以看到在圖中垂直遮沒指標 起始的位置是在影像訊號一半的位置上，這是由於電子束掃到畫面最後一條掃描線的中 央部份，而在最後是回到畫面頂端中間位置開始掃描偶數掃描線，所以在掃描線的開始 處為第一條偶數掃描線的中間位置。【圖 2- 12】為偶數圖場連接奇數圖場的垂直遮沒指 標，跟【圖 2- 11】的差別在於偶數掃描線是在掃完最後一條掃描線後才進入垂直遮沒 指標區段，而回歸處是在奇數掃描線的起始位置，也就是畫面的左上角，所以在垂直遮 沒區段的起始跟結束位置均是在影像掃描線的頭尾部分，而【圖 2- 11】中則是呈現垂 直遮沒區段的結尾處在上方中間的半掃描線位置上。【圖 2- 13】為完整的 NTSC 掃描線 訊號，包含前廊、水平同步訊號、後廊、繫色訊號和影像訊號，同樣也是 3 條掃描線， 且每條掃描線為 1270 點的示意圖。【圖 2- 14】則包含奇數掃描線圖場、偶圖場的垂直 遮沒指標區段，以及偶數掃描線圖場和奇圖場的垂直遮沒指標區段，組成一個完整的 NTSC 影像畫面。
【圖 2- 11】奇 偶圖場間之垂直遮沒指標示意圖
【圖 2- 13】NTSC 模擬訊號示意圖
第三章 NTSC 接收機系統架構
在前一章節中我們介紹了 NTSC 電視系統的訊號傳送與產生方式。在本章節中將 介紹如何把 NTSC 電視系統的訊號還原成原始圖形。NTSC 影像訊號解調方塊圖如【圖 3- 1】所示，在訊號偵測及解調中包含了水平同步偵測、垂直同步偵測、繫色訊號頻率 估測、繫色訊號相位追蹤、YC 分離與 IQ 解調等。同步偵測器負責偵測出輸入訊號中 的同步訊號成分，此方法採用平均器和比較器來達成。YC 分離器負責分離亮度(Y)與 色差訊號(C)，其係採用梳形濾波器來達成分離的動作。編碼以及偵測電路負責將每條 掃描線長度作編碼動作，並從碼中的變化觸發垂直同步訊號。繫色訊號暫存器負責儲存 繫色訊號，且繫色訊號是由同步偵測器所觸發。頻率估測器負責估測繫色訊號中的載波 頻率，估算出繫色訊號的載波頻率後，再將繫色訊號和其載波頻率送入數位鎖相迴路 (Digital Phase Locked Loop, DPLL)追蹤其起始相位。IQ 解調器負責解調 YC 分離器輸出 的色差訊號(C)。分離出 I、Q 訊號，解調時所需要的頻率及相位則是由頻率估測器和數 位所相迴路提供。【圖 3- 1】NTSC 訊號解調系統圖
3-1 同步訊號偵測
再利用水平同步訊號觸發垂直同步訊號。同步訊號對於訊號的解調來說十分重要，如果 同步訊號抓取錯誤會使得之後解調出影像發生扭曲偏移，造成解調的錯誤。而且同步訊 號也可以提供一些相關的訊息，例如繫色訊號的偵測就是在同步訊號之後。再者像是垂 直同步訊號也可以藉由對兩個水平同步訊號間的掃描線長度做編碼後判斷，所以在一開 始我們所必須處理的就是如何去偵測出水平同步訊號。
3-1-1 水平同步
水平同步偵測方塊如【圖 3- 2】所示，輸入的訊號經由暫存器儲存後取平均，將平 均出來的數值與比較器中的位準做比較，由於同步訊號為一低位準訊號，所以比較器中 的數值為負值。若暫存器的平均值低於比較器的位準，則判斷偵測到一個水平同步訊號 並且觸發位移修正器。位移修正示意圖如【圖 3- 3】所示，圖中的時間點 (t1 ~t )是由4 計數器所提供，暫存器由左至右將輸入的訊號儲存且取平均，當平均值小於比較器的位 準時，令其時間點為t ，但水平同步訊號的真實時間點為2 t ，所以位移修正器須藉由暫1 存器的大小值和t 時間點的平均值大小來求出時間點2 t 和時間點1 t 的偏移量，且將由計2 數器計數出的時間點t 值扣除偏移量，進而得到正確的水平同步訊號起始點。 2 【圖 3- 2】水平同步偵測方塊圖【圖 3- 3】位移修正示意圖
3-1-2 垂直同步
垂直同步訊號的偵測方塊圖如【圖 3- 4】所示，在偵測垂直同步訊號時必須先將水 平同步訊號做正確的偵測，而在偵測到水平同步訊號後，開始用計數器計數到下一個水 平同步訊號被偵測到為止。將計數器內的數值 (也就是一條掃描線的資料長度)做編 碼，編碼方法如下： 先決定一比較臨界點 L。L 是依照取樣頻率來決定，以 20 MHz 的取樣頻率來說在 一條掃描線的時間 63.5μs 中會有 1270 個取樣值，而 L 大約就是取樣值的 0.8 倍左右。 所以在 20 MHz 的取樣頻率下 L 值為 1016。 _ code as "1" _ code as "0" line length L line length L 將所編碼的值存入 8bits 的暫存器中並且觀察，當偵測到暫存器中出現唯一一組“0 1 0”時就是偵測到一個垂直同步訊號，而在偵測到垂直同步訊號後去計算暫存器中“0”的 數量，若是為 6 個則是奇數圖場，若是為 7 個則是偶數圖場；或是觀察 8bits 暫存器最 左邊的值，若為“1”表示為奇數圖場，若為“0”表示為偶數圖場。示意圖如【圖 3- 5】， 方框處則是表示偵測到垂直同步訊號時 8bits 暫存器內的數值，且由最左邊的 bit 可以 判斷是奇數或是偶數圖場，而最右邊的 3 個 bits“0 1 0”就是垂直同步訊號的判斷點。 【圖 3- 4】垂直同步及奇、偶圖場偵測方塊圖 【圖 3- 5】垂直同步及奇、偶圖場判斷示意圖
3-2 繫色訊號偵測
繫色訊號中包含二種訊息，一是載波頻率而另一則是載波相位。由於影像訊號內調 變的載波頻率跟起始相位就是繫色訊號的頻率與相位，所以很明顯地要能順利解調出影 像訊號內的訊息就必須抓出繫色訊號內的載波頻率與起始相位。繫色訊號的偵測方塊圖始抓取，由【圖 2- 1】中可以估計繫色訊號的起始大約在水平同步訊號起始後約 5.8 s 開 始，藉由已知的系統取樣速率可以估測出所需延遲等候的取樣點數，並用延遲計數器計 數直到延遲完後觸發繫色訊號暫存器開始抓取繫色訊號。此時會儲存一段固定大小的繫 色訊號，而在繫色訊號暫存器儲存到最後一筆資料後，會將暫存器內的值送入頻率估測 以及相位偵測器，並將之後估測出的頻率與相位送入 IQ 解調器做 IQ 解調。 【圖 3- 6】繫色訊號偵測方塊圖
3-3 繫色訊號解調
從分離出來的繫色訊號中，我們所需知道的訊息是繫色訊號的頻率及其起始相位， 在一般的解調電路中必須先估測出所收到的載波頻率進而再求得其相位。因此，首先要 從繫色訊號中抓出其載波頻率，再將繫色訊號和所估測到的載波頻率送入數位鎖相迴路 去追蹤其起始相位。而所估測出來的載波頻率和相位則是關係到之後的色差訊號解調中 副載波產生器能否正確的產生解調所需的弦波訊號，進而將 I、Q 訊號從色差訊號中分 離開來。接下來介紹頻率估測以及相位偵測的方法。3-3-1 頻率估測
假設輸入的繫色訊號為x 且 t0 ( ) 0 , 0,1, 2,..., 1 t j t u t t t x Ae x t u t N 其中 A 為信號振幅大小， 為xt x 的角度值，t u 平均值為零的白色高斯訊，且變t 異數為 2 2 / 2 z A 。 定義相位差異 ： t 1 0 1 for 0,1,...., 2 t t t t t t x x t N u u 而由 MLE 我們要估測的頻率 和其變異數為 0 1 0 1 ˆ TT 1 C 1 C 1 0 1 ˆ var( ) T 1 1 C 1 其中 [ 0 1 ... N2]T，1 [1 1 & .. 1] T ，C 為 的共變異數矩陣 (covariance)t 且大小為 (N 1) (N 。 1) 經由一些運算後可以求得： 2 2 1 2 2 2 2 1 2 0 ( 1) 6 ( 1) 6 T z N T t t t z N N A N N A w
1 C 1 1 C 所以 2 * 0 1 1 0 2 * 0 1 0 ˆ ( - ) ˆ N t t t t t t t t N t t t t w x x x x w x x
其中2 2 3 1 2 2 1 1 2 t N t N w N N N 為信號長度 (繫色訊號暫存器大小)，w 的總合需為 1，t w 在不同 N 之下的圖形分佈t 如【圖 3- 7】所示。此估測器利用相鄰的 2 個訊號取樣值的相角差乘上一權重值來做估 測，對於有限的弦波訊號可以很快的估測出其載波頻率。 【圖 3- 7】w 在 N=10，N=20，N=30 的分佈圖形 t
3-3-2 相位追蹤
相 位 追 蹤 器 是 利 用 數 位 鎖 相 迴 路 (DPLL) 來 達 成 ， 包 含 了 相 位 偵 測 器 (phase detector)、迴路濾波器(loop filter)和數值控制震盪器(Numerically Controlled Oscillator, NCO)。數值控制震盪器主要是將輸入的數值對應成弦波值的輸出，相位偵測器則是將 數值控制震盪器的輸出和輸入訊號做相乘的運算產生相角差，經由後級的迴路濾波器去 除高頻項，再將相角差送入數值控制震盪器，如【圖 3- 8】所示。【圖 3- 8】數位鎖相迴路
3-4 亮度與色差訊號分離
亮度與色差訊號分離主要是針對影像訊號部分做處理，將原本混合在一起的亮度訊 號跟色差訊號分離開來。主要的方法是使用梳形濾波器(comb filter)來做分離的動作， 由【圖 3- 13】中可以發現亮度(Y)和色差(C)的頻譜分佈為一叢一叢且相互交叉排列， 所以可以使用梳形濾波器將之分離開來。梳形濾波器以及 YC 頻譜的相對位置分佈如 【圖 3- 14】所示，由圖中可以發現針對色差訊號的梳形濾波器是以繫色訊號頻率(F )SC 和以繫色訊號頻率相差整數倍掃描線頻率(F )作為其通帶中心頻率且以中心頻率左右H 一半掃描線頻率(FH / 2)作為通帶截止點；而針對亮度訊號的梳形濾波器則是剛好相 反。利用梳形濾波器的頻率選擇性可以有效的分離出在各頻段的亮度訊號和色差訊號， 在此我們使用 2D 二線梳形濾波器(2D two-line comb filter)和 2D 三線梳形濾波器(2D three-line comb filter)來做 YC 分離。2D 二線梳形濾波器是利用鄰近兩條掃描線相位相 差π 的特性來作 YC 分離，方塊圖如【圖 3- 9】所示。而 2D 三線梳形濾波器其原理則 是利用鄰近三條掃描線來做 YC 之分離，方塊圖如【圖 3- 10】所示。在 2D 二線梳形濾 波器中，我們必須先儲存一條掃描線的訊號於暫存器中，再和之後進入的掃描線資料作 相加相減的動作分離出 YC 訊號(由於相位相差 π 的性質使此法可行，但是要特別注意 相位的偏差會使失真增大)，同時新進入之掃描線資料將會取代先前暫存器中上一條掃 描線的資料以便和下一條掃描線作 YC 分離之動作。在 2D 三線梳形濾波器中我們必須 先儲存二條掃描線的資料之後再跟第三條進入的掃描線做 YC 分離動作，同時第三條掃描線也儲存在暫存器中以便和接下來的掃描線做 YC 分離的動作。 一條掃描 線延遲
Y
C
+
+
-+
+
+
【圖 3- 9】2D 二線梳形濾波器 基本的梳形濾波器方程式為： ( ) 1 N H z z 其中 N 為一條掃描線資料的長度，也就是說第一筆資料經過 N 個延遲後和第 N+1 筆資 料做相加? 的運算，而所謂的 N 個延遲也就是指一條掃描線的延遲。【圖 3- 11】與【圖 3- 12】中，例舉了 N=6 時的梳形濾波器頻譜圖，從兩張圖中可以發現到其通帶頻率中 心處均為另一張的截止頻率處，而頻率截止處則對應另一張圖的通帶頻率中心，至於頻 譜圖的對照可以參考【圖 3- 14】。 【圖 3- 10】2D 三線梳形濾波器【圖 3- 11】N=6 時之梳形濾波器 ( 6 ( ) 1 H z z ) 【圖 3- 12】N=6 時之梳形濾波器 ( 6 ( ) 1 H z z )
【圖 3- 13】亮度(Y)/色差(C)頻譜分佈示意圖
【圖 3- 14】梳形濾波器和亮度(Y)/色差(C)頻譜分佈示意圖
3-5 IQ 解調
【圖 3- 15】為一般調幅解調器的方塊圖，副載波產生器部分是採用數值控制震盪 器來完成，如此便可以由繫色訊號估算出的頻率數值直接校正頻率偏移。低通濾波器採
用有限脈衝響應濾波器(FIR low-pass filter)來完成，其頻寬為 0.5 MHz。在此調幅解調 器中要特別注意的部分為數值控制震盪器的精準度問題，這關係到彩色訊號解調出的飽 和與色調。低通濾波器部分可利用如【圖 3- 16】所示的分接延遲線(tapped delay line) 的方式實現，其中X 是色差訊號乘上解調載波後所輸入的低通濾波器的值，in 1
Z 為一個
取樣點的延遲，a1 ~a 為低通濾波器之係數，4 Y 則為濾波器的輸出。 out
【圖 3- 15】色差訊號解調方塊圖
第四章 NTSC 系統模擬
在前面章節中，我們針對 NTSC 類比電視系統的信號生成與接收機做一完整敘 述。在本章節將以電腦模擬方式來分析 NTSC 類比電視系統接收機中各個主要功能方 塊的特性，並由此決定系統參數，以提供電路設計之參考依據。我們所考慮的功能方塊 包含水平同步器、亮度色差分離器、頻率估計器與相位追蹤器。4-1 水平同步器
水平同步訊號其主要功能是為了使接收端的掃描時序能夠和發射端相同，此外也可 以藉由水平同步訊號去偵測出垂直同步訊號。我們模擬水平同步偵測的方法已於 3-1-1 節中有詳細的敘述，使用此方法有兩個主要的因素會影響到水平同步訊號起始點的偵 測，一是暫存器(buffer)的大小，另一是比較器位準(threshold)的高低。因此我們在這一 節將針對這兩項因素做相關的模擬與探討，並觀察這兩項因素對水平同步訊號作的影 響，藉由模擬結果來找出較佳的選擇。 我們假設 NTSC 系統信號是傳送在加成性白色高斯雜訊(AWGN)通道下。首先我們 固定特定比較器位準下，改變暫存器大小，觀察同步時間估測的結果；接下來再固定暫 存器大小，觀察不同的比較器位準對同步時間估測的影響。為了判斷估測器的性能好 壞，我們對估測出來的結果與參考點做相減，相減後的值稱為誤差值，接著對誤差值取 平均(mean)和變異數(variance)，其可表示為E[s-s] 與ˆ Var[s-s]，其中ˆ sˆ 是估測出來的水平 同步訊號點，s 是水平同步訊號的參考點，E[‧]表示取平均，Var[‧]表示取變異量。我們為了要得到暫存器與比較器位準對估測的影響，先對暫存器與比較器位準取大 間格的數據，來先取得暫存器與比較器位準粗略得參考值。在水平同步訊號的準位為 -40、水平同步訊號取樣點數為 94 點、模擬點數 1000 點的情況下，【圖 4- 1】至【圖 4-
4】是在暫存器大小為{5, 15, 25, 35}與比較器位準分別為-9、-19、-29 與-39 的情況下的 估計誤差平均曲線圖。比較【圖 4- 1】-【圖 4- 4】這四張圖，不管比較器位準的大小如 何，每一條曲線都會隨著訊雜比的增加而收斂，且可以發現每張圖中的四個暫存器曲 線，較小的暫存器曲線最後收斂的值會較接近 0，這表示使用較小的暫存器所估測出來 的值會較接近於同步訊號的參考點。 【圖 4- 5】是比較器位準為-9 條件下，暫存器大小為{5, 15, 25, 35}的誤差變異量曲 線圖。從【圖 4- 5】中可以發現較小的暫存器的誤差變異數較大，但是另外可以發現暫 存器為 5 的曲線，一開始的走向是往上，大概到 SNR=10 dB 時才開始往下收斂。【圖 4- 6】是比較器位準為-19 的條件下，暫存器大小為{5, 15, 25, 35}的誤差變異量曲線圖。 從【圖 4- 6】中可以發現較小的暫存器的誤差變異數在較小的 SNR 時較大，但是暫存 器為 15 在收斂的過程中，大概在 SNR=4 dB 時快速收斂，最後的收斂值比暫存器為 25 和 35 還小，另外一樣可以發現暫存器為 5 的曲線，一開始的走向是往上，大概到 SNR=3 dB 時才開始往下收斂。【圖 4- 7】是比較器位準為-29 條件下，暫存器為{5, 15, 25, 35} 的誤差變異量曲線圖。從【圖 4- 7】中可以發現較小的暫存器的誤差變異數較小，另外 可以發現暫存器為 5 的曲線，一開始的誤差變異量是最大的，但是會快速的收斂，大概 到 SNR=6 dB 時就比其他的暫存器曲線還要低。【圖 4- 8】是比較器位準為-39 條件下， 暫存器大小為{5, 15, 25, 35}的誤差變異量曲線圖。從【圖 4- 8】中可以發現小的暫存器 的誤差變異數曲線比大的暫存器的誤差變異數曲線還要小。從【圖 4- 5】-【圖 4- 37】 比較發現，隨著比較器位準越來越低，小暫存器的誤差變異數會越來越小。 【圖 4- 9】至【圖 4- 12】是在比較器位準為{-9, -19, -29, -39}與暫存器大小分別為 5、15、25、35 的情況下的誤差平均曲線圖。比較【圖 4- 9】-【圖 4- 12】這四張圖， 不管暫存器的大小如何，每一條曲線也是都會隨著訊雜比的增加而收斂，且可以發現每 張圖中的四條曲線，較小的比較器準位曲線最後收斂的值會較接近 0，這表示使用較小 的比較器位準所估測出來的值會較接近於同步訊號的參考點。
勢從好的排到差的，大約可以排成比較器位準-39、比較器位準-29、比較器位準-19、比 較器位準-9，其中比較器位準-9 的曲線會先往上，在 SNR=10 dB 時，才開始往下收斂。 【圖 4- 14】是暫存器大小為 15，不同比較器位準的誤差變異量曲線圖。曲線的走勢從 好的排到差的，可以排成比較器位準-29、比較器位準-19、比較器位準-9、比較器位準 -39，這時可以發現比較器位準-39 這一條曲線的誤差變異數會比其他曲線大。【圖 4- 15】 是暫存器大小為 25，不同比較器位準的誤差變異量曲線圖。曲線的走勢從好的排到差 的，可以排成比較器位準-19、比較器位準-29、比較器位準-9、比較器位準-39，但是比 較器位準-19、比較器位準-29 和比較器位準-9 這三條曲線很接近。【圖 4- 16】是暫存器 大小為 35，不同比較器位準的誤差變異量曲線圖。曲線的走勢從好的排到差的，可以 排成比較器位準-9、比較器位準-19、比較器位準-29、比較器位準-39，但是比較器位準 -9、比較器位準-19 和比較器位準-29 這三條曲線很接近。從【圖 4- 13】-【圖 4- 16】比 較發現，隨著暫存器大小越來越大，比較器位準大的誤差變異數會越來越小。 對於應用於估測訊號的估計器而言，誤差平均值小會比誤差變異數小還來的重要， 也就是不偏(unbiased)是估測器首要的要求。從上面的電腦模結果，我們可以發現使用 較小的暫存器及訂定較小的比較器位準會有較佳誤差平均曲線和誤差變異數曲線。 【圖 4- 1】比較器位準為-9，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 2】比較器位準為-19，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 4】比較器位準為-39，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 6】比較器位準為-19，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量
【圖 4- 8】比較器位準為-39，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量
【圖 4- 10】暫存器大小為 15，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 12】暫存器大小為 35，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 14】暫存器大小為 15，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量
【圖 4- 16】暫存器大小為 35，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量 由前面的電腦模擬結果，我們可以歸納出較佳的暫存器大小大概在 5 到 15 之間， 而比較器位準的大小大概在 29 到 39 之間。因此我們可以在這一區間，經由模擬來取得 較佳的暫存器與比較器位準大小值。【圖 4- 17】是比較器位準為-36 條件下，暫存器大 小為{7, 8, 9}的誤差平均曲線圖。從【圖 4- 17】可以看出每一條曲線都會隨著訊雜比的 增加而收斂，如果從接近 0 的程度來區分好與差，可以排成暫存器大小為 7 好於暫存器 大小為 8 再好於暫存器大小為 9。【圖 4- 18】是比較器位準為-37 條件下，暫存器為{7, 8, 9}的誤差平均曲線圖。從【圖 4- 18】可以看出每一條曲線都會隨著訊雜比的增加而收 斂，也可以看到三條曲線相當接近，如果精細的來區分好壞，可以排成暫存器大小為 8 好於暫存器大小為 7 再好於暫存器大小為 9。【圖 4- 19】是比較器位準為-38 條件下， 暫存器為{7, 8, 9}的誤差平均曲線圖。從【圖 4- 19】一樣可以看出每一條曲線都會隨著 訊雜比的增加而收斂，在這所看到三條曲線在收斂過程中，曲線走勢相當接近。 【圖 4- 20】是比較器位準為-36 條件下，暫存器為{7, 8, 9}的誤差變異量曲線圖。【圖 4- 21】是比較器位準為-37 條件下，暫存器為{7, 8, 9}的誤差變異量曲線圖。從【圖 4- 20】 和【圖 4- 21】可以看出每一條曲線都會隨著訊雜比的增加而收斂，也可以看到三條曲
線相當接近。【圖 4- 21】是比較器位準為-38 條件下，暫存器為{7, 8, 9}的誤差變異量曲 線圖。可以看出每一條曲線都會隨著訊雜比的增加而收斂，也可以看到三條曲線相當接 近，如果精細的來區分好壞，可以排成暫存器大小為 7 好於暫存器大小為 8 再好於暫存 器大小為 9。 【圖 4- 23】至【圖 4- 25】是在比較器位準為{-36, -37, -38}與暫存器大小分別為 7、 8、9 的情況下誤差平均曲線圖。這三張圖不管暫存器的大小如何，每一條曲線都會隨 著訊雜比的增加而收斂，且可以發現每張圖中的三條曲線，比較器準位的曲線最後收斂 的值會較接近 0，這表示使用比較器位準-37 所估測出來的值不管在任何暫存器大小 下，均接近於同步訊號的參考點。 【圖 4- 26】至【圖 4- 28】是在不同比較器位準為{-36, -37, -38}與暫存器大小分別 為 7、8、9 的情況下誤差變異量曲線圖。綜合比較這三張圖，圖中三條曲線的走勢都隨 著 SNR 增加而收斂，但從接近 0 的程度來看，比較器準位-36 優於比較器準位-37 優於 比較器準位-38。 第一部份固定比較器準位模擬不同暫存器，從結果可以發現，當比較器準位為-36 時，搭配暫存器大小為 7 有較佳的性能；當比較器準位為-37 時，搭配暫存器大小為 8 有較佳的性能；當比較器準位為-38 時，搭配任何暫存器性能都差不多。第二部份是固 定暫存器大小模擬不同比較器準位，從結果可以發現，不管暫存器的大小為何，比較器 準位以-37 都呈現較佳的性能。因此總和第一部份與第二部分的結果，在選擇暫存器時 選擇 8，比較器準位選擇-37，會有較佳的估測性能。
【圖 4- 17】比較器位準為-36，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 19】比較器位準為-38，不同暫存器的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 21】比較器位準為-37，不同暫存器的同步時間估計誤差變異量
【圖 4- 23】暫存器大小為 7，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 25】暫存器大小為 9，不同比較器位準的同步時間估計誤差平均值
【圖 4- 27】暫存器大小為 8，不同比較器位準的同步時間估計誤差變異量
4-2亮度色差分離器
現今的 NTSC 彩色電視係架構在舊有的黑白電視系統上，其改良的方式是將色差 訊號（C）加到原有的黑白（亮度，Y）訊號上。而一般要解調彩色電視影像訊號必須 先將色差與亮度訊號分離，所採用的方式是利用在錯誤! 找不到參照來源。節中敘述的 梳形濾波器。而本節將針對兩種梳型濾波器的性能作比較，同時分析色差訊號解調受載 波頻率偏移與相位偏移的影響。 在比較二線梳型濾波器與三線梳型濾波器的性能時，我們以由梳型濾波器所分離出 的色差、亮度訊號與原先傳送之色差、亮度訊號的平均方誤差（Mean square error, MSE） 為性能指標。色差、亮度訊號的 MSE 可分別表示為 ˆ 2 [( source) ] E YY 與 ˆ 2 [( source) ] E CC ， 其中 ˆY 為梳形濾波器輸出之亮度訊號，Ysource為測試圖形之亮度訊號， ˆC 為梳形濾波器 輸出之色差訊號，Csource為測試圖形之色差訊號，E 代表統計平均運算。【圖 4- 1】為我 們的設定傳送機所傳送之原始圖形，下面的系統模擬將針對此圖形的解調做探討。 【圖 4- 29】傳送機傳送之原始圖片 【圖 4- 30】為在不同的信號雜訊比下兩種不同的梳型濾波器所輸出的亮度訊號 MSE 的比較圖。在信號雜訊比較小的情況下，三線梳型濾波器的性能比二線梳型濾波 器的性能要好，而在信號雜訊高的時候，兩種梳型濾波器的性能則相去不遠。【圖 4- 31】 則為兩種不同的梳型濾波器在不同的信號雜訊比下所分離出之色差訊號 MSE 之性能比較。與分離的亮度訊號有相似的性能趨勢，三線梳形濾波器的性能依舊比二線梳型濾波 器的性能好，其主要原因在於三線梳型濾波器多考慮一條掃瞄線的資訊，而利用越多的 資訊來處理可以得到較佳的性能表現。
接下來我們將針對頻率估測器所造成的繫色訊號頻率偏移與相位追蹤器所引入的 相位偏移對梳型濾波器分離出的色差訊號的影響作探討。【圖 4- 32】是色差訊號解調成 IQ 訊號後在沒有頻率以及相位偏移時和原 IQ 訊號之間的差異。IQ 訊號的偏差量我們 以亮度訊號的標準規格來做對應，越接近 1 的亮度值越亮反之越接近 0 的亮度值就越 暗，所以偏差量越大的圖像點所呈現的顏色較黑，偏差量越小的圖像點則是越接近白 色。由二線梳型濾波器所分離出之色差訊號解調成 IQ 訊號後之性能依然比由三線梳型 濾波器分離的色差訊號解調成 IQ 訊號來的差，因為【圖 4- 32】中二線梳型濾波器得到 的 IQ 訊號偏差量圖形很明顯的比由三線梳型濾波器得到的 IQ 訊號偏差量圖形來的 暗，尤其是狒狒鼻梁邊緣的部分特別明顯。此部分所得到的結果與【圖 4- 31】所得到 的結果是相通的。而【圖 4- 33】是在沒有頻率和相位偏移的情況下，由三線梳型濾波 器分離出之色差、亮度訊號再還原成的影像，其與原始影像的差別由肉眼並不容易區別 出。又因為三線梳型濾波器較二線梳型濾波器的輸出性能好，所以後續關於頻率、相位 偏差的探討皆以三線梳型濾波器為主。 【圖 4- 32】無頻率及相位偏移時 IQ 差異量
【圖 4- 33】經三線梳型濾波器在無頻率及相位偏移時的還原圖像 【圖 4- 34】為在沒有頻率偏移但是具有相位偏差 45時的 IQ 訊號偏差量圖形，當 與【圖 4- 32】比較時，可以明顯的發現【圖 4- 34】中的黑點圖素增加，尤其是在鼻子 的部分。【圖 4- 34】的變化也相對的表現在【圖 4- 35】之上，【圖 4- 35】由三線梳型濾 波器分離出之色差、亮度訊號再還原成的影像，由於相位的偏差使得輸出圖形色彩產生 偏移。因為 NTSC 彩色電視的色彩資訊是由色差訊號所攜帶，而相對的顏色是由色差 訊號的相位角決定，因此在相位追蹤所造成的相位誤差將會使顏色變調，就如同 45o的 相位旋轉讓【圖 4- 33】中狒狒紅色的鼻子轉成【圖 4- 35】中粉紅色的鼻子。當相位旋 轉更多到達 90o時，【圖 4- 36】所顯示的 IQ 偏移量會更大，而且在【圖 4- 37】中狒狒 的鼻子顏色也變成靛色，整個圖形的色調也因相位角的轉移而改變。 接下來考慮因頻率估測器所造成的頻率偏移對 IQ 訊號解調的影響，此時先假設相 位追蹤器能將相位準確的追蹤到。【圖 4- 38】~【圖 4- 40】分別表示在頻率偏移量分別 為 100 kHz、200 kHz 與 400 kHz 下，二線與三線梳型濾波器所輸出之色差中 IQ 訊號的 誤差量。由圖形中可以看到當頻率發生偏移時，IQ 圖像上會出現垂直波紋，這是由於 頻率偏移後會產生一頻率差項在 IQ 訊號當中，由於頻率差項為一弦波函數，其振幅具 振盪性質使得經由對應後會產生明暗明暗的垂直交錯線條。且當頻率的偏差值越高時， 畫面中的波紋密度也隨之增加，這是由於頻率偏差增加造成殘留頻率高，振盪週期快速 所致。【圖 4- 41】表示當頻率偏差為 100 kHz 及相位差為 45時色差解調器所輸出之 IQ
我們可以明顯看到類似彩虹的現象，其主要是由頻率偏差所造成，而相位偏差則造成色 調的偏移。要減少這類現象必須提高頻率估測器所估測的載波頻率精準度以及數位鎖相 迴路鎖相的能力。
【圖 4- 34】無頻率偏移及相位偏移 45時 IQ 差異量
【圖 4- 36】無頻率偏移及相位偏移 90時 IQ 差異量
【圖 4- 38】頻率偏移 100 kHz、無相位差異時 IQ 差異量
【圖 4- 40】頻率偏移 400 kHz、無相位差異時 IQ 差異量
【圖 4- 42】經三線梳型濾波器在頻率偏移 100 kHz、相位差異 45時的還原圖像
4-3 頻率估測器
在 NTSC 彩色電視系統中的色差訊號是以 IQ 調變方式加在亮度信號中，而 IQ 調 變需要有一參考載波。如果由傳送機傳送此載波會造成功率的浪費，所以 NTSC 系統 利用繫色訊號來攜帶載波的資訊，而此繫色訊號其實相當於一 8 至 9 個週期的弦波訊 號。本節中我們將根據在 3-3-1 節中所提的弦波頻率估測演算法來評估在均等或非等權 重函數下，不同的暫存器長度(buffer size)對估測器效能的影響。 我們假設原始弦波信號的頻率為 3.579545 MHz、振幅為 1 伏特。弦波經過 20 MHz 的類比數位轉換器後，每個週期約有 5 至 6 個取樣點，在一條掃瞄線中總共取得的取樣 點為 50 個點數，亦即約 8 個弦波週期左右，接下來將這些資料會送到頻率估測器中去 估計傳送端所傳送之繫色訊號頻率。此估測器數學式子如下 2 * 0 1 1 0 2 * 0 1 0 ( - ) N t t t t t t t t N t t t t w x x x x w x x
也就是訊號彼此之間做互相關運算後乘上一個非等權重函數2 2 3 1 2 2 1 1 2 t N t N w N N 如果在 wt=1/N 的情況下，表示所有不同時間的資料所受的權重是一樣的，也就是均等 權重的意思。我們會考慮在不同 SNR 情況下取 1000 個估測器的輸出結果來作統計分 析。我們用來評量估計器的性能是用正規化(normalized) 頻率偏移誤差量平均值與標準 差(standard deviation)。正規化頻率偏移誤差量平均值表示為 m mean m f f f
其中 1 0 1 N mean i i f f N
是估計器所估計到的頻率平均值、f 是原始繫色訊號之頻率，也就m 是 3.579545 MHz、N 是估計器所使用的取樣點總數。也就是說我們將所得到的頻率估 測值與原來弦波頻率值相減，再把其差值針對原始弦波頻率做正規化(normalized)動 作，於是便會得到此頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值 。而正規化頻率偏移 誤差量標準差我們定義為
2
2 mean m E f f dev f 也就是說將估測器估計的頻率值取標準差後再對原始弦波頻率做正規化動作。 【圖 4- 43】是利用非等權重頻率估測器在不同的取樣點數下估計繫色訊號所得之 正規化頻率偏移誤差量平均值，八個週期的弦波信號表示估計的取樣點數是由一條掃瞄 線中所取出，十六個週期的弦波信號表示估計的取樣點數是累積兩條掃瞄線的繫色訊號 所取出，同理，八十與一百六十個週期分別表示累積十條與二十條掃瞄線的繫色訊號來 做頻率的估計。由【圖 4- 43】中發現取樣的點數多寡對於平均值的影響很小，在信號 雜訊比 6dB 以下的正規化平均值已經趨近於零，我們針對信號雜訊比 6dB 以上的正規對正規化平均值有些微的影響；取樣點數越多時，其正規化平均值誤差偏移量起伏程度 越小，也就是其變異量或標準差會比較小。另一方面若在信號雜訊比越大的環境下，正 規化偏移量也會越小且趨近於零。 【圖 4- 43】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值 【圖 4- 44】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值局部放大圖 至於【圖 4- 45】則是針對均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值做
比較，其非等權重與均等權重頻率估計器在正規化平均值的表現幾乎相同，由【圖 4- 46】 的比較可以更明顯看到這個現象。而【圖 4- 47】是【圖 4- 45】中信號雜訊比大於 6 dB 的局部放大圖，均等權重函數的估測器其頻率偏移量的變動程度比非等權重函數的估測 器還大一點，所以兩者雖然正規化平均值幾乎一樣，但是均等權重估計器的表現有些微 的遜色。 【圖 4- 45】均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值
【圖 4- 47】均等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量平均值局部放大圖 【圖 4- 48】是非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量標準差的比較，當取 樣點數增多時，正規化標準差隨之下降，當取樣點數很大的時候可以預期標準差會趨近 於零，因此這個頻率估計器是一近似有效率(efficient)之估計器。當取樣點數只考慮由一 條掃瞄線來提供時，所估計到的頻率的標準差在 36 kHz 以下需要讓接收信號雜訊比高 於 7dB 以上，而要達到相同的要求，採用二十條掃瞄線的取樣點數的情況下只需要接 收信號雜訊比高於 3dB。因此在固定的信號傳送環境下，要提升頻率估計的準確度與性 能，最有效的方式是不斷的累積接收到的繫色訊號所估計的頻率值。而【圖 4- 49】所 呈現的是均等權重頻率估測器的正規化頻率偏移誤差量標準差。將【圖 4- 48】與【圖 4- 49】合併及可以得到【圖 4- 50】，也就是非等權重與均等權重頻率估計器在正規化標 準差的性能比較。我們可以很明顯的看到兩種頻率估計器在取樣點數很多的情況下的正 規化標準差幾乎相同，但是在取樣點數較少的情況下，非等權重的估計器的正規化標準 差有較好的表現。在本計畫中的頻率估計可以利用 20 條掃瞄線累積繫色訊號，並採用 均等權重頻率估計的方式來得到繫色訊號的頻率。
【圖 4- 48】非等權重頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量標準差
【圖 4- 50】不同頻率估測器之正規化頻率偏移誤差量標準差
