Устройство и способ определения фазового угла

 

Изобретение относится к технике обработки видеосигналов, в частности к демодуляции цветоразностных сигналов. Устройство для определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов содержит распознающее средство для распознавания полярной зоны сигнала, отображающее средство для преобразования значений U и V в полярную зону минимальной ошибки квантования и вычислительное средство для вычисления истинного фазового угла. Техническим результатом изобретения является снижение ошибок импульсной модуляции и улучшение средств определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

Настоящее изобретение относится к обработке видеосигналов и, в частности, к модуляции цветоразностных сигналов.

В цветоразностных системах, таких как система цветного телевидения СЕКАМ, цветоразностные сигналы кодируют с использованием частотно-уплотняющей (ЧМ) модуляции. Квадратурная демодуляция такого цветоразностного сигнала дает результат в декартовых координатах, которые нужно преобразовать в полярные координаты для определения фазового угла, а значит - и частоты. Если декартовы координаты - это U и V, то фазовый угол, который необходимо вычислить, составляет Θ = arctg(V/U).

В цифровой системе эта функция может быть выполнена, например, с помощью таблицы преобразования по закону арктангенса, принимающей выходной сигнал с умножителя, имеющего V в качестве одного входного сигнала, а в качестве другого входного сигнала - выходной сигнал таблицы преобразования, получающей обратную величину U. Расчет, как в любой цифровой системе, будет включать ошибки квантования. Если эти ошибки недопустимы в конкретном приложении, то стандартное решение - увеличить количество битов в цифровой области. Однако это, вообще говоря, значительно дороже.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить улучшенные средства для определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов, что дает общее уменьшение ошибок квантования без увеличения количества битов.

Соответственно, настоящее изобретение заключается в одном аспекте в устройстве для определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов U и V, которое содержит распознающее средство для распознавания полярной зоны минимальной ошибки квантования, отображающее средство для преобразования значений U и V в указанную полярную зону и вычислительное средство для вычисления истинного угла по преобразованным значениям U и V.

Теперь изобретение будет описано на примере со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - блок-схема, иллюстрирующая подход из известного уровня техники, фиг. 2 - фазовая диаграмма в координатах UV, на которой идентифицированы полярные зоны, фиг. 3 - блок-схема средств обработки видеосигналов, соответствующих настоящему изобретению, фиг. 4 - блок-схема, иллюстрирующая альтернативный конкретный вариант осуществления настоящего изобретения, фиг. 5 - блок-схема, иллюстрирующая модификацию к устройству, показанному на фиг. 4, и фиг. 6 - блок-схема, иллюстрирующая еще один конкретный вариант осуществления настоящего изобретения.

Обращаясь сначала к фиг. 1, отмечается, что здесь показан подход к аппаратному обеспечению для реализации функции Θ = arctg(V/U).

Первая таблица 10 преобразования настроена на получение обратной величины U. Затем умножитель 12 формирует частное V/U, причем функция арктангенса формируется в дополнительной таблице 14 преобразования, обеспечивающей выходной сигнал Θ.

При конкретном уровне квантования можно моделировать отклик этого аппаратного обеспечения и исходя из него получать значение ошибки между "действительным" и "расчетным" значениями Θ. Установлено, что ошибка остается в пределах относительно узкой полосы для фазового угла менее 45^o. Если рассматривается полный диапазон фазового угла, то диапазон, на котором эта малая ошибка квантовая обнаруживается, составляет -45^o < Θ< +45^o. Вне этого квадранта ошибка квантования может быть значительно больше.

Обращаясь к фиг. 2, отмечается, что здесь представлена диаграмма в координатах UV, на которой квадрант минимальной ошибки квантования показан как Q₀, а три других квадранта или полярных зоны - Q₁, Q₂ и Q₃ могут быть распознаны.

Согласно настоящему изобретению, входные значения U и V сначала обрабатываются для определения того, в каком квадранте лежит результирующий вектор. Если этот вектор лежит в квадранте Q₀, осуществляется непосредственное вычисление Θ с помощью, например, подхода, показанного на фиг. 1. Если вектор лежит в любом другом квадранте, сначала проводят преобразование для того, чтобы перевести этот вектор в квадрант Q₀. Затем осуществляется вычисление Θ, по существу, с помощью подхода, показанного на фиг. 1, но с результатом, модифицированным с учетом преобразования, которое уже сделано.

Обращаясь теперь к фиг. 3, можно увидеть, что составляющие U и V сначала подаются в блок 20, который определяет, какая из четырех полярных зон содержит результирующий вектор. Результат этой оценки вместе со значениями U и V подается в преобразующий блок 22, который выдает преобразованные значения U и V. Сущность этого преобразования представлена в таблице 1, где U_i и V_i представляют входные значения, a U₀ и V₀ представляют преобразованные выходные значения (см. табл. 1).

Таблица 24 преобразования осуществляет инверсию, а умножитель 26 выдает частное V₀/U₀. Таблица 28 преобразования по закону арктангенса осуществляет две отдельные функции. Во-первых, вычисляется угол Θ_t с использованием прямой функции арктангенса на этом частном. Во вторых, проводится компенсация для преобразования. Для этого таблица 28 преобразования принимает в качестве второй адресной линии результат оценки, проведенной в блоке 20. Таким образом, например, если оценено, что вектор лежит в зоне Q₁, истинный угол Θ должен быть получен путем прибавления 90^o (в подходящих блоках) к углу, непосредственно вычисленному с помощью функции арктангенса.

В этом изобретении можно указать дополнительное преимущество. Два этапа определения квадранта, в котором лежит вектор, и последующего вычисления промежуточного угла внутри этой зоны обеспечивают соответственно грубое и точное приближение к правильному значению Θ. При точном приближении можно полностью использовать количество имеющихся битов цифровой обработки. Соответственно, результат достигается с точностью, для которой в противном случае потребовались бы два дополнительных бита цифровой обработки.

Теперь будет описан дополнительный конкретный вариант осуществления изобретения со ссылками на фиг. 4. Этот конкретный вариант осуществления предназначен для обеспечения угла между последующими векторами UV. В других отношениях его функция аналогична функции конкретного варианта осуществления, показанного на фиг. 3, хотя проиллюстрированы минимальные изменения.

Значения U и V подаются в блок 40 квадранта, который служит для распознавания квадранта, в котором лежит вектор. Как и прежде, квадрант Q₀ определяется как от +45 до -45^o. Идентификатор квадранта вместе со значениями U и V, задержанными на соответствующее время в согласующих задержку блоках 42 и 44 соответственно, подаются в отображающий блок 46. Он выполняет ту же функцию, что и блок 20 на фиг. 3, и поэтому не требует дальнейшего описания.

Выходной сигнал U из отображающего блока 46 подается через таблицу 48 преобразования 1/U в умножитель 50, который также принимает выходной сигнал V из отображающего блока 46, подаваемый через согласующий задержку блок 52. Выходной сигнал умножителя 50 служит входным сигналом в таблицу 54 преобразования по закону арктангенса. Выходной сигнал этой таблицы преобразования суммируется в сумматоре 56 с угловым смещением, создаваемым в генераторе 58 смещения по информации квадранта, выдаваемой блоком 40 квадранта. Как только что описывалось, это устройство отличается от показанного на фиг. 3 тем, что угол смещения суммируется с выходным сигналом таблицы преобразования по закону арктангенса (чтобы избежать использования таблицы преобразования со сдвоенными входами), и тем, что четко показаны согласующие задержку блоки.

Для того, чтобы вычислить угол между двумя последовательными векторами, вычитающий блок 60 принимает текущее значение угла из сумматора 56 и предыдущее значение угла через блок задержки 62. Таким образом, угол между векторами обеспечивается в качестве выходного сигнала.

Авторы настоящего изобретения признали, что устройство, показанное на фиг. 4, можно упростить - с последующим снижением затрат на аппаратное обеспечение - при тех обстоятельствах, когда имеется корреляция между последующими векторами. Таким образом, если можно допустить, что угол, разделяющий любые два последующие вектора, будет по величине меньше или равен 45^o, то можно достичь такой же точности с меньшим количеством битов.

Чтобы проиллюстрировать эту точку зрения, приводится пример (см. табл. 2).

Можно увидеть, что при отображающей операции требуется смещение 90^o, чтобы отобразить вектор 1 в квадрант Q₀, а смещение для вектора 2 составляет 180^o. Следуя подходу, показанному на фиг. 4, можно вывести угол между векторами следующим образом: (Отображенный угол 2 + Смещение 2) - (Отображенный угол 1 + Смещение 1), или
(-32^o + 180^o)- (+43^o + 90^o) = 15^o.

Значения отображенного угла, находящиеся между +45^o и -45^o, можно представить в 10 битах; значения смещения 90^o, 180^o или 270^o потребуют, однако, 13 бит. Поэтому последующая обработка должна потребовать разрешения в 13 бит с вытекающими отсюда более жесткими требованиями к аппаратному обеспечению.

Согласно предпочтительному признаку этого изобретения, если можно сделать допущение относительно максимальной амплитуды угла между последовательными векторами, информация об угле смещения отбрасывается. Таким образом, если взять предыдущий пример, угол выводится так:
(Отображенный угол 2)-(Отображенный угол 1), или
(-32^o)-(+43^o) = -75^o,
Это значит, что согласно сделанному допущению получен неверный результат, и поэтому применяется поправка на 90^o.

Если гарантируется, что выходной сигнал таблицы преобразования по закону арктангенса полностью использует числовой диапазон 10 бит (при -45^o, представленных как -512, и +45^o, представленных как +512), то этот результат может быть достигнут простым усечением. Таким образом, продолжая тот же пример, -75^o, представленные как 512^* - 75/45= -853 или OxFCAB в шестикратном усечении до 10 бит дает OxAB = 171 или 45^o · 171/512 = 15^o.

Поэтому при требуемом разрешении не более 10 бит можно применять упрощенную структуру программного обеспечения, такую, как показанная на фиг. 5. Выходной сигнал из таблицы 56 преобразования по закону арктангенса проходит непосредственно в вычитающий блок 60 и далее через блок задержки 62. Блок 58 смещения угла и сумматор 56 исключаются.

В дополнительном конкретном примере осуществления изобретения векторы отображаются не в соответствии с четырьмя квадрантами, а в соответствии с восемью секторами. Преимущество этого устройства, как станет ясно, состоит в том, что обработка ограничена положительными значениями U и V. Один избыточный бит разрешения усиливается без необходимости оперировать двузначными дополнительными числами.

Обращаясь теперь к фиг. 6, отмечается, что значения U и V подаются в секторный блок 70, который служит для распознавания сектора, в котором лежит вектор. Сектор S₁ определяется как от 0 до 45^o; сектор S₂ определяется как от 0 до 90^o, и так далее. Идентификатор вектора вместе со значениями U и V, задержанными на подходящее время в согласующих задержку блоках 72 и 74 соответственно, подаются в отображающий блок 76. Он выполняет такую функцию (где выражение "велич. U" относится к величине U и т.п.) (см. табл. 3).

Следует признать, что в то время, как предыдущая схема для отображения в квадрант Q₀ приводила к положительным или отрицательным значениям V и только положительным значениями U, это отображение в сектор S будет давать только положительные значения U и V. Этими значениями можно оперировать с более высоким разрешением, чем в случае, если бы пришлось приспосабливать и отрицательные числа.

Выходной сигнал U из отображающего блока 76 подается через таблицу 78 преобразования 1/U в умножитель 80, который также принимает выходной сигнал V из отображающего блока 76, подаваемый через согласующий задержку блок 82. Выходной сигнал умножителя 80 служит входным сигналом в таблицу 84 преобразования по закону арктангенса. Эта таблица принимает в качестве дополнительного одного входного бита знак величины из секторного блока 70. Чтобы вычислить угол между последующими векторами, вычитающий блок 88 принимает текущее значение угла из таблицы 84 преобразования и значение предыдущего угла через блок задержки 86. Таким образом, угол между векторами выдается в качестве выходного сигнала.

Следует понять, что это изобретение описано только на примерах, и возможны многие дополнительные модификации в рамках объема притязаний. В той степени, в какой описанные конкретные варианты осуществления включают в себя различные предпочтительные признаки, будут возможны приложения, в которых будут приемлемы другие совокупности этих признаков.

Надписи на чертежах
10 - ТП (таблица преобразования) 1/U; 14 - ТП по закону арктангенса
Фиг. 3:
20 - оценка полярной зоны (0, 1, 2 или 3); 22 - преобразование цветоразностных сигналов при необходимости; 24 - ТП 1/U; 28 - ТП по закону арктангенса
Фиг. 4:
40 - распознавание квадранта; 42 - задержка данных; 44 - задержка данных; 46 - отображение U+V; 48 - ТП 1/U; 52 - задержка данных; 54 - ТП по закону арктангенса; 58 - выбор смещения угла; 62 - задержка данных
Фиг. 6:
70 - распознавание сектора; 72 - задержка данных; 74 - задержка данных; 76 - отображение U + V; 78 - ТП 1/U; 82 - задержка данных; 84 - ТП по закону арктангенса; 86 - задержка данных

Формула изобретения

1. Устройство для определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов U и V видеосигнала, отличающееся тем, что содержит распознающее средство для распознавания полярной зоны сигнала, отображающее средство для преобразования значений U и V в полярную зону минимальной ошибки квантования, и вычислительное средство для вычисления истинного фазового угла по преобразованным значениям U и V.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная полярная зона минимальной ошибки квантования представляет собой квадрант от -45 до 45^oC.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная полярная зона минимальной ошибки квантования представляет собой сектор от 0 до 45^oC.

4. Устройство по любому из предыдущих пп.1 - 3, отличающееся тем, что указанное вычислительное средство обеспечивает функцию:
Θ = arctg (V/U).

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что указанное вычислительное средство включает в себя таблицу преобразования по закону арктангенса.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что распознающее средство для распознавания полярной зоны сигнала служит для выдачи значения смещения в указанную таблицу преобразования.

7. Устройство по любому из предыдущих пп.1 - 6, отличающееся тем, что распознающее средство служит для выдачи угла смещения в указанное вычислительное средство и для прибавления его к фазовому углу, вычисленному по преобразованным значениям U и V.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что для определения фазового угла вектора UV по отношению к предыдущему вектору, угол смещения отбрасывают, а фазовый угол вычисляют по отношению к заранее заданному максимальному углу между последующими векторами.

9. Способ определения фазового угла при демодуляции цветоразностных сигналов U и V полного видеосигнала, отличающийся тем, что распознают полярную зону сигнала, преобразуют значения U и V в полярную зону минимальной ошибки квантования и вычисляют фазовый угол по преобразованным значениям U и V.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что этап вычисления обеспечивает функцию
Θ = arctg (V/U).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9