Способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания

 

Способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания относится к области контрольно-измерительной техники, телевидения и радиовещания и может быть использован для измерения и контроля качественных показателей телевизионного тракта и канала передачи звука, в том числе канала радиовещания. Реализация способа базируется на совместном использовании устройства ввода в ПЭВМ и аналого-цифрового преобразования ТВ- и РВ-сигналов, ПЭВМ и программного комплекса. Применение способа обеспечивает быстродействие измерений до получения результатов в реальном масштабе времени, высокую точность измерений, расширение номенклатуры измеряемых параметров и возможность дальнейшего расширения этой номенклатуры путем наращивания комплекса программ, наглядность отображения измеряемых параметров с возможностью их индикации на экране диспелея вплоть до восстановления аналоговой формы измеряемого сигнала посредством цифроаналогового преобразования. Способ обладает всеми этими преимуществами благодаря осуществлению на ПЭВМ программной реализации процессов управления, измерения и контроля за счет отказа от аналоговой обработки измеряемого сигнала, замены ее цифровой обработки и использованием всех преимуществ, предоставляемых цифровой вычислительной техникой. 1 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники телевизионного и радиовещания и может быть использовано для измерения и контроля качественных показателей телевизионного тракта и канала передачи звука.

Известен способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания [1] . Этот способ включает в себя коммутацию измерительных телевизионных сигналов, фиксацию постоянного уровня телевизионного сигнала, частотную фильтрацию телевизионных сигналов с формированием сигнала яркости, сигнала цветности, с выделением цветовых поднесущих, запоминание уровня телевизионного сигнала в виде фиксации мгновенных значений. Далее в ходе аналого-цифровых преобразований измеряемый сигнал претерпевает стробоскопическую дискретизацию по времени и квантование по уровню, промежуточное запоминание в виде выборки мгновенных значений амплитуд в характерных точках выбираемого участка сигнала, фиксируемой из кадра в кадр при включении в измерительный цикл множества кадров. Запомненные замеры и заданные алгоритмы служат исходным материалом для вычисления оценок значений контролируемого измерительного сигнала с использованием статистических методов. Необходимость включения в измерительный цикл множества однотипных замеров вызвана неизбежными погрешностями, обусловленными нелинейностью и нестабильностью процессов в канале аналоговой обработки.

При вычислении параметров способ [1] предусматривает оценку и индикацию достоверности результатов, а также коррекцию результатов измерений по характеристикам результатов аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования сигналов. Способ [1] обладает вариабельностью как проводимых измерений, так и их цифровой индикации. Свойственные аналоговой обработке недостатки частично устраняются благодаря коррекции результатов измерений в указанных выше видах.

В способе [1] использован адаптивный алгоритм измерений, а функции логического анализа, управления и вычисления реализованы электронно-вычислительным комплексом на базе применения микропроцессорного контроллера, управляемого постоянным запоминающим устройством с соответствующей программой.

Тем не менее способ [1] не позволяет полностью устранить все недостатки, принципиально присущие измерениям с аналоговой обработкой исследуемого сигнала: не обеспечивает требуемую точность измерений параметров сигналов телевизионного вещания, а также не охватывает измерениями всего набора нормируемых параметров телевизионного тракта и не обеспечивает полноты и наглядности в индикации результатов измерений. Измерение параметров звуковых сигналов остается вне рамок способа. Низкая точность объясняется тем, что при стробоскопической дискретизации по времени и при использовании квантования по уровню неизбежно утрачивается часть относящейся к измеряемому сигналу информации, а также тем, что выбор количества усредняемых измерений не является достаточно обоснованным, как и метод выделения участков дискретизации и квантования. В итоге способ не обеспечивает требуемую точность измерений для всех условий функционирования телевизионных трактов, не обеспечивает измерения всего набора нормируемых параметров телевизионного тракта, а также полноты и наглядности в индикации результатов измерений. Стробоскопическая дискретизация по времени и многократность однотипных измерений не позволяют привязать получаемые результаты к реальному масштабу времени, по этим же причинам способ не обеспечивает необходимого практике быстродействия измерительного процесса. Способ не предусматривает осциллографического отображения аналоговой формы измеренного сигнала: число отсчетов мгновенных значений измеряемого сигнала в характерных точках и используемая для реализации способа вычислительная и информационно-индикационная база не позволяют восстановить аналоговую форму измеренного сигнала.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания [9]. Способ предусматривает измерение параметров как телевизионного сигнала, так и сигнала звукового сопровождения. Он включает в себя коммутацию измерительных телевизионных и звуковых сигналов, фиксацию постоянного уровня телевизионного сигнала, частотную фильтрацию телевизионных сигналов с формированием сигнала яркости, сигнала цветности, с выделением цветовых поднесущих, запоминание уровня телевизионного сигнала в виде фиксации мгновенных значений, аналого-цифровое преобразование телевизионного и звукового сигналов с дискретизацией по времени и квантованием по уровню, промежуточное запоминание цифровых значений, вычисление параметров по выборке мгновенных значений, причем вычисление параметров звукового сигнала перемежают по времени с вычислениями параметров телевизионного сигнала, промежуточное запоминание результатов измерений и их преобразование применительно к задаваемой информационно-индикационной модели для их отображения на табло дисплея. При этом как телевизионные, так и звуковые сигналы коммутируют по циклу, мгновенные значения измеряемого сигнала фиксируют лишь в характерной точке, эта фиксация имеет место до аналого-цифровой обработки. Зафиксированные в ходе промежуточного запоминания цифровые значения нескольких уровней сигнала, получаемые по ходу аналого-цифрового преобразования, и адаптивные алгоритмы, заложенные в постоянное запоминающее устройство, являются исходным материалом для вычисления значений параметров измеряемых сигналов и вслед за тем параметров телевизионного передатчика как по каналу изображения, так и по каналу звукового сопровождения. Эти данные подвергаются промежуточному запоминанию для индикации и формирования табличных данных, а затем подлежат преобразованию для формирования сигнала на дисплее. Равным образом на табло дисплея находят отображенные полученные и запомненные результаты сравнения измеренных параметров с соответствующими допусками, заложенными в постоянное запоминающее устройство одного из звеньев измерительного канала. Эти результаты также подвергаются преобразованию для индикации и формирования табличных данных по выбранной оператором информационно-индикационной модели.

Предшествующее аналого-цифровой обработке определение постоянного уровня телевизионного сигнала, использование низкочастотной фильтрации, выделение с помощью полосового фильтра цветовых поднесущих и их детектирование - эти и другие операции аналоговой обработки сигнала привносят в силу нелинейности и стабильности процессов фильтрации и детектирования погрешности, для снижение которых способом предусмотрено вычисление оценок значений контролируемых параметров измеряемых сигналов с использованием статистических методов с применением многоразовых измерений. Это относится и к измерениям в звуковом измерительном канале, поскольку каждый из измеряемых звуковых сигналов подвергается пиковому детектированию до его оцифровки аналого-цифровым преобразованием.

Многоразовость измерений параметров и временные характеристики звуковых сигналов приводят к заметному ограничению возможностей способа в части измерения в едином цикле и в едином измерительном канале параметров сигналов изображения и звука. Время измерения каждого параметра составляет порядка 0,5-2 с, так что суммарное время цикла измерения десяти параметров составляет около 10 с. По этой причине в цикл измерения параметров нельзя также включить измерения квазипикивого размаха входных динамических сигналов звукового сопровождения и максимальной девиации средней частоты радиосигнала звукового сопровождения [9, столбец 10]. Таким образом, в единый канал измерения параметров видео и звуковых сигналов от последних попадают лишь амплитуды радиосигнала звукового сопровождения [9, столбец 4] и его мощность [9, столбец 5].

Как и всякий другой способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания, основанный на аналоговой обработке измеряемого сигнала, способ [9] требует сравнительно емкой аппаратурной реализации, во-первых, для аналоговой обработки как таковой, и, во-вторых, для уменьшения влияния погрешностей по ходу аналоговой обработки.

Выборка мгновенных значений амплитуд измеряемого сигнала лишь в так называемых характерных точках не позволяет исследовать форму и спектральные характеристики измеряемого сигнала, значительная часть информации об измеряемом сигнале остается, таким образом, без охвата измерительным процессом, что не дает возможности получить весь набор нормируемых параметров, а также требуемую точность измерений.

Реализация способа не предусматривает отображения на табло дисплея аналоговой формы измеряемого сигнала, поскольку не включает в себя ни цифроаналогового преобразования, ни соответствующих приемов для реставрации аналоговой формы сигнала между его измеренными значениями.

Способ [9] не охватывает измерительным процессом сигналов радиовещания, а для измерения параметров сигнала звукового сопровождения предусматривает отдельный измерительный канал.

Для измерения параметров канала передачи звука в телевизионном тракте используется передаваемый эталонный звуковой сигнал в виде тока, а в радиовещательном канале - сигналы меток точного времени (МТВ). Эти сигналы состоят из шести прямоугольных радиоимпульсов, заполненных гармоническим сигналом частотой 1000 Гц. Длительность каждого радиоимпульса 100 мс при периоде повторения в 1 с. Начало шестого сигнала в серии МТВ соответствует началу каждого часа московского времени [2]. Известные методы контроля с использованием МТВ предполагают выделение тонального измерительного сигнала методами аналоговой обработки [3], [2], что требует сравнительно емкой аппаратуры и снижает точность самого измерения. Определение начала измерительного процесса в прототипе основано на коммутации по циклу, что не согласуется ни с временным ожиданием измерительного сигнала МТВ, ни с использованием аналитических возможностей электронно-вычислительного блока. Дискретизация звукового сигнала осуществляется по времени с заранее установленной неизменяемой частотой.

Способ [9] не содержит операционного задела для наращивания набора измеряемых и контролируемых параметров.

Целью изобретения являются повышение быстродействия и точность измерений, расширение номенклатуры измеряемых параметров и наглядность их отображения, расширение измерительных возможностей до измерения сигналов радиовещания. Наглядность отображения измеряемых параметров подразумевает расширение возможностей индикации на дисплее необходимых данных с задаваемой степенью детализации измерений.

Расширение измерительных возможностей заявляемого способа заключается также в применимости любых измерительных сигналов, используемых в телевизионных и радиовещательных измерениях, с охватом набора нормируемых параметров при одновременном повышении достоверности и точности проводимых измерений. Номенклатура измеряемых и контролируемых параметров, как и вариабельность измерительных сигналов, может наращиваться путем расширения комплексов программ.

Поставленная цель достигается применением ряда технических приемов, позволяющих осуществить на персональной ЭВМ (далее ПЭВМ) программную реализацию процессов управления, измерения и контроля, иными словами отказаться от аналоговой обработки измеряемого сигнала, заменив ее цифровой обработкой с использованием всех преимуществ, предоставленных цифровой вычислительной техникой.

Преобразование аналоговой формы измеряемого сигнала в цифровую без утрат всей полноты содержащейся в сигнале информации требует выполнения условия теоремы Котельникова, что позволяет получить полную информацию о сигнале на протяжении всей его длительности или на заранее задаваемом отрезке этой длительности.

Коммутацию измеряемого звукового сигнала по циклу переключают на коммутацию по времени.

Частоту дискретизации в канале измерений звукового сигнала подвергают переключению, поскольку для проведения измерений используют две различные частоты дискретизации: одну в режиме выявления начала измерительного сигнала и другую в режиме оцифровки измеряемого сигнала и его промежуточного запоминания.

Оба переключения производят в момент выявления звукового измерительного сигнала, а сам момент определяется по результатам вычислительной обработки запоминаемой последовательности цифровых значений звукового сигнала. Эта обработка заключается в последовательной фильтрации мгновенных значений сигнала с использованием реализованного на ПЭВМ полосового рекурсивного фильтра [5, с. 141 и 52], например фильтра Баттерворта [5, с. 253], характеристики которого рассчитываются по априорной информации о частоте измерительного сигнала [5, 141, 89, 235], и в итоге сводится к обнаружению измерительного сигнала по отфильтрованной последовательности мгновенных сигналов с использованием критерия отношения максимумов правдоподобия о наличии и отсутствии измерительных сигналов [6, с.31, 32].

Управление коммутацией, фиксацию постоянного уровня телевизионного сигнала, запоминание и вычисление, преобразование результатов измерений осуществляют на ПЭВМ с использованием программных средств (процедур и функций) стандартных библиотечных модулей для ПЭВМ [7, с.250, 256, 259, 266, 268] и программ преобразования данных, реализующих эти средства в каком-либо языке программирования, например в языке Турбо-Паскаля [7]. Измерение телевизионных и звуковых сигналов выполняют в одном измерительном цикле, промежуточное запоминание мгновенных значений производят исключительно в цифровом виде, причем запоминание всей последовательности цифровых значений телевизионного сигнала производят в один прием, а звукового сигнала - в несколько приемов с временными интервалами, используемыми для вычислений его параметров, частотную фильтрацию телевизионного сигнала полностью или частично осуществляют посредством вычислительной обработкой запомненной последовательности его цифровых значений, осуществляют цифроаналоговое преобразование результатов измерений с вычислением для аналоговой интерполяции промежуточных между измеренными мгновенных значений телевизионного или звукового сигнала с использованием ряда Котельникова [8, с.46-49] и осциллографическим отображением соответствующей аналоговой формы в виде квазинепрерывного сигнала.

Чертеж поясняет процесс измерения параметров сигналов звукового вещания согласно предлагаемому способу, где а) - пример принимаемого звукового сигнала, содержащего участок с измерительным сигналом - сигналом из серии МТВ; б) - временная схема процесса измерения параметров звукового сигнала (вариант).

Возможность осуществления заявляемого способа поясняется следующим образом. Управление процессом измерения сводится к управлению коммутацией, которую осуществляют путем ввода команд, определяющих программу измерений, которая, в свою очередь, определяется номером контролируемых каналов ТВ, звукового сопровождения и радиовещания, выбором режима измерений.

Для каждого контролируемого канала передачи изображения предусмотрены режимы - полный (по полному составу измерительных сигналов), оперативный (по сокращенному набору измерительных сигналов), функциональный (по полному набору измерительных сигналов, формируемому в пункте контроля).

Для каналов звукового вещания предусмотрены режимы контроля уровня сигнала, контроля параметров сигналов из серии сигналов МТВ, полного набора нормируемых параметров (так называемого периодического контроля), а также выбор состава измерительных сигналов для режимов оперативного контроля и время измерения параметров сигналов из серии сигналов МТВ.

В предлагаемом способе коммутацию измеряемого сигнала в телевизионном тракте проводят в два приема: выделение заданной испытательной строки и обнаружение испытательных сигналов в этой строке. Номер испытательной строки определяется установленным режимом контроля канала. Указанный номер строки используют для ее коммутации путем селекции и отсчета синхроимпульсов строк ТВ-кадра. Обнаружение измерительных сигналов в этой строке осуществляют после выборки мгновенных значений (оцифровки) сигналов и их цифровой обработки, сводящейся к обнаружению измерительного сигнала по критерию отношения максимумов правдоподобия гипотез о наличии и отсутствии измерительных сигналов [6, с.31, 32].

ТВ измерительные сигналы, к примеру B2, B1, F и D1, передаваемые в соответствующей строке телевизионного кадра, при прохождении через ТВ-тракт претерпевают искажения. Именно эти сигналы являются предметом измерения и сопоставления с исходными измерительными сигналами, а оценка качества ТВ-тракта сводится к определению параметров измеряемых сигналов [4].

Результаты измерений, получаемые вследствие вычислений, подвергают промежуточному запоминанию и образуют применительно к той или иной задаваемой индикационной модели для их отображения на табло дисплея.

Для измерения характеристик звуковых каналов в предлагаемом способе используют сигналы точного времени (МТВ) повышенной информативности.

На чертеже (a) приводится изображение принимаемого обычного сигнала звукового вещания, переходящего в сигнал точного времени повышенной информативности. По предлагаемому способу интересующий нас отрезок длительности определяют по последовательности пробных отсчетов, получаемых с временным интервалом (частотой дискретизации), обеспечивающим цифровую фильтрацию частоты испытательного сигнала, которую (фильтрацию) используют для обнаружения искомого измеряемого сигнала и для определения момента начала оцифровки сигнала и его промежуточного запоминания с переключением частоты дискретизации согласно условиям формирования выборки, то есть согласно теоремы Котельникова. Выбор этого варианта обусловлен идентичностью его содержания с основным измерительным процессом, заложенным в заявляемый способ.

Вычисление параметров измеряемого звукового сигнала производят во временных промежутках между вычислениями значений параметров измеряемого телевизионного сигнала.

Оцифровка измеряемого сигнала и его промежуточного запоминания позволяет вслед за этим запоминанием проводить измерение параметров как телевизионного, так и звукового измеряемого сигнала в едином измерительном канале.

Переход к измерению параметров сигналов путем проведения вычислительных операций осуществляют сразу же после промежуточного запоминания очередной выборки.

Коммутация звукового сигнала по циклу обеспечивает определение начального момента интервала задаваемой длительности промежуточного запоминания измеряемого сигнала.

Предлагаемый способ позволяет получить выигрыш по точности результатов измерений и в тех случаях, когда объектом исследования является не специальный измерительный, а любой передаваемый сигнал как теле-, так и радиовещания.

Рассмотрим процесс измерения параметров сигналов звукового вещания на примере сигнала программы радиовещания и следующего за ним сигнала МТВ.

На чертеже (a) изображен по оси времени звуковой сигнал в канале радиовещания, уровень которого в паузах падает до уровня шумов, а в момент передачи сигнала МТВ поднимается до максимально допустимого значения. Сигнал МТВ состоит из шести тональных посылок. Ось времени прерывается пунктиром на тех временных интервалах, где сущность процессов та же, что и на предыдущем. На чертеже (б) показана временная схема процесса измерения параметров звукового сигнала в канале радиовещания, где Т_з - время запоминания цифровых значений дискретизируемого сигнала; Т_изм - время вычисления параметров измеряемого сигнала по запомненной последовательности цифровых значений; Т_обн - время обнаружения очередной посылки сигнала меток точного времени (МТВ); Т_упр - время упреждения ожидаемого сигнала МТВ; t_тв - точный час ожидаемого начала сигнала МТВ; t_п - момент переключения шага дискретизации; i - порядок номер переключения шага дискретизации, причем t_п1 задается как t_п1 = t_тв - T_упр.

Проследим измерение шага дискретизации Δt , следуя по оси времени слева-направо и обозначив Δt₁ шаг дискретизации участка измеряемого сигнала и Δt₂ - на участке выжидания (обнаружения) измеряемого сигнала, причем Δt₁<<Δt₂ .

Итак, следуя слева направо по оси времени, отметим, что на участке T^I₃ происходит оцифровка и запоминание обычного вещательного сигнала,
на участке T^I_изм - вычисление параметров измеряемого сигнала (обычного вещательного) по запомненной последовательности дискретных цифровых значений, взятых с шагом дискретизации Δt,
на участке T^I_з^I - оцифровка и запоминание обычного вещательного сигнала, взятые с шагом дискретизации Δt
на участке T^II_изм - вычисление параметров измеряемого сигнала по запомненной последовательности дискретных цифровых значений, взятых с шагом дискретизации Δt,
на участке T^I_обн - получение отдельного цифрового значния сигнала, его фильтрация и выработка решения о наличии первой посылки сигнала МТВ в интервале времени Δt₂ , ожидание следующего цифрового значения,
на участке T^I_з^II - оцифровка и запоминание первой посылки сигнала МТВ с шагом дискретизации Δt₁
на участке T^III_изм - вычисление параметров измеряемого сигнала из первой посылки сигнала МТВ по последовательности цифровых значений, запомненных на участке T^I_з^II,
на участке T^II_обн - "прослушивание" прибором паузы до обнаружения второй посылки сигнала МТВ,
на участке T^I_з^V - оцифровка и запоминание конечного участка второй посылки сигнала МТВ,
на участке T^IV_изм - вычисление параметров измеряемого сигнала по последовательности цифровых значений, запомненных на участке T^I_з^V при шаге дискретизации Δt₁..

Аналогичные объяснения можно было бы дать в отношении участков T^IV_обн, T^V_з^III и T^VII_изм^I. .

Процесс измерения параметров сигнала МТВ на третьей, четвертой и пятой посылках на проводимой временной схеме не показан, соответственно чему сделан разрыв на оси времени между пятым (t_п5) и одиннадцатым (t_п11) моментами переключения шага дискретизации.

Используемые источники.

1. Авт.св. СССР N 1297260, кл. H 04 N 17/02.

2/ Радиовещание и электроакустика. М.: Радио и связь. 1989, с.416, 417.

3. М. Г. Иоффе. Автоматический контроль трактов звукового вещания. М.: Связь. 1980.

4. ГОСТ 18471-83. Тракт передачи изображения вещательного телевидения. Звенья тракта и измерительные сигналы.

5. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир. 1978.

6. Виленчик Л.С., Катулев А.Н., Михно Г.А. Основы теории алгоритмического контроля телевизионного канала. Научно-технический сборник "Техника средств связи", серия "Техника телевидения", вып.6, 1992, с.29-39.

7. Фаронов В.В. Основы Турбо-Паскаля. М.: Издательство МВТУ - "Фесто-дидактик". 1992.

8. Гутников В.Ф. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат. 1990.

9. Авт.св.СССР N 1584126, кл. H 04 N 17/00 (прототип).

Формула изобретения

Способ измерения параметров сигналов телевизионного вещания, включающий в себя коммутацию измерительных телевизионных и звуковых сигналов, фиксацию постоянного уровня телевизионного сигнала, частотную фильтрацию телевизионных сигналов с формированием сигнала яркости, сигнала цветности, с выделением цветовых поднесущих, запоминание уровня телевизионного сигнала в виде фиксации мгновенных значений, аналого-цифровое преобразование телевизионного и звукового сигналов с дискретизацией по времени и квантованием по уровню, промежуточное запоминание цифровых значений, вычисление параметров по выборке мгновенных значений, причем вычисление параметров звукового сигнала перемежают по времени с вычислениями параметров телевизионного сигнала, промежуточное запоминание результатов измерений и их преобразование применительно к задаваемой информационно-индикационной модели, отличающийся тем, что сигналы в звуковом канале подвергают низкочастотной фильтрации, а их аналогоцифровое преобразование попеременно переключают с одной частоты дискретизации на другую, причем оба переключения производят в момент выявления звукового измерительного сигнала, а сам момент определяют по результатам вычислительной обработки запоминаемой последовательности цифровых значений звукового сигнала, управление коммутацией, фиксацию постоянного уровня телевизионного сигнала, запоминание и вычисление, преобразование результатов измерений осуществляют на персональной электронно-вычислительной машине, измерение телевизионных и звуковых сигналов выполняют в одном измерительном цикле, промежуточное запоминание мгновенных значений производят в цифровом виде, причем запоминание всей последовательности цифровых значений телевизионного сигнала производят в один прием, а звукового сигнала - в несколько приемов с временными интервалами, используемыми для вычисления его параметров, частотную фильтрацию телевизионного сигнала полностью или частично осуществляют посредством вычислительной обработки запомненной последовательности его цировых значений, осуществляют цифроаналоговое преобразование результатов измерений с вычислением для аналоговой интерполяции промежуточных между измеренными мгновенных значений телевизионного или звукового сигнала и осциллографическим отображением его аналоговой формы в виде квазинепрерывного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1