Вимірювання сигналшум

Вимірювання відношення сигнал / шум. 1. Введення. Розроблюване засіб вимірювання - модуль вимірювання відношення сигнал / шум (надалі модуль вимірювання ЗСШ) є стаціонарним, робочим засобом вимірювання, призначений для заміни морально застарілого і економічного модуля виміру відносини сигнал / шум ІСШ-4, методична база якого лягла в основу даного проекту . 2. Призначення і область застосування розроблюваного модуля виміру відносини сигнал / шум. Модуль вимірювання ЗСШ призначений для автоматичного цифрового виміру відносини розмаху відеосигналу до ефективного значенням перешкоди на деталях статичного телевізійного зображення, а також в інтервалі кадрового імпульсу, що гасить під час передачі телевізійної програми. Величина відношення сигнал / шум (ЗСШ) може бути виміряна щодо розмаху відеосигналу між рівнями: а) гасіння та білого, б) чорного і білого, в) гасіння та білого в інтервалі кадрового імпульсу, що гасить. Модуль вимірювання ЗСШ може бути використаний для вимірювання ЗСШ у сигналі монохромного телебачення на виході будь-якого джерела відеосигналу або будь-якої ділянки тракту зображення апаратно-студійного комплексу телевізійного центру або пересувної телевізійної станції; у первинних сигналах (R, G, B) кольорового телебачення на відповідних виходах камерного каналу або декодуючого пристрої; на виході телекінопроекціонной апаратури відеомагнітним запису; на виходах кінцевих і проміжних пунктів телевізійних ліній зв'язку в процесі передачі телевізійної програми і при передачі типових випробувальних сигналів. Крім того модуль вимірювання ЗСШ може бути використаний в лабораторіях і на заводах-виробниках при розробці і перевірці телевізійної передавальної апаратури. Призначення даної розробки полягає у модернізації знаходиться в експлуатації на теле-візіони центрах Україна модуля вимірювання ЗСШ - ІСШ-4, переклад блоків приладу на сучасну елементну базу з іншими схематичними рішеннями, зміну функціональних та принципових схем блоків істотно впливають на похибку вимірювання. 3. Аналіз методу визначення ставлення сигнал / шум. Відношення сигнал / шум в телебаченні визначають як відношення розмаху відеосигналу між рівнями білого та гасіння (або чорного) до ефективного значенням шуму. Відношення сигнал / шум висловлюють в децибелах відповідно до вираження (3.1): де Uc-розмах відеосигналу Uе.ш. -Ефективна величина шуму. Під ефективної величиною шуму мається на увазі середньо-квадратичне значення амплітуди шуму. Вираз (3.1) має в правій своєї частини дві змінні величини, в слідстві чого обчислення потребуватимуть великих витрат, ніж якщо б у правій вираження (3.1) була б одна змінна величина. Тому є сенс пронормувати одну з величин і таким чином полегшити процес обробки інформації. Так як відеосигнал є більш стаціонарним в порівнянні з шумом, є сенс нормувати саме його. Таким чином автоматична підтримка постійним розмаху відеосигналу замінює собою вимір розмаху відеосигналу. При цьому вимірювання відношення сигнал / шум зводиться до вимірювання величини шуму, і алгоритм (3.1) перетворюється в алгоритм: де По-константа. Обробка шуму з метою визначення ефективної величини шуму у формулі (3.2) здійснюється за допомогою стробоскопічного методу [1], суть якого полягає у вибірці миттєвих некорельованих значень шуму з частотою повторення сигналу і в запам'ятовуванні вибраних значень на час між вибірками. Таким чином, період вибірки повинен бути дорівнює періоду повторення кадрів, тривалість інтервалу вибірки повинна бути менше тривалості зображення. Можливість використання стробоскопічного методу заснована на тому, що шум приймається ергодичної стаціонарним випадковим процесом, а статистичні характеристики (середнє значення і дисперсія) такого випадкового процесу, отримані в результаті усереднення його в часі на відрізку реалізації, збігаються з отриманими в результаті усереднення за сукупністю його вибіркових миттєвих значень. Таким чином подальше вимір ефективної величини шуму проводиться відповідно до алгоритму (3.3): де Uk - амплітуда k вибірки k = 1 ... n, а n - число вибірок миттєвих некорельованих значень за цикл вимірювання. При використанні алгоритму (3.3) немає необхідності робити як проміжну операцію визначення середнього значення або центрування шуму. Алгоритм вимірювання ЗСШ (3.2) приймає з урахуванням алгоритму (3.3) вигляд: де R = 2В - константа. Потім отримані результати перетвориться в цифровий код і алгоритм (3.4) приймає вигляд: де F-константа, К - коефіцієнт перетворення аналог-код. Таким чином даний алгоритм обчислення відношення сигнал / шум є простим, ефективним, і зручним у реалізації апаратними засобами. Оскільки метою розробки є модернізація модуля вимірювання ЗСШ - ІСШ - 4 реалізують розглянутий метод, то в основу розробки лягає саме цей метод. 4. Огляд і аналіз аналогічних пристроїв. Розроблюване СІ є приладом з вузькою спеціалізацією, призначене, в основному, тільки для роботи в апаратних телевізійних центрів. Тому доповнення його функцій як вимірника відносини сигнал / шум якими-небудь додатковими функціями є недоцільним, оскільки необхідність цих функцій в умовах пересувних телестанцій не велика, а в стаціонарних умовах взагалі мала. Таким чином використання на телебаченні Україні вимірювача ЗСШ фірми "Роде і Шварц" ("Rohde & Schwarz"), що перевершує за своїми характеристиками розробляється модуль є недозволеною розкішшю через високу вартість, необхідність спеціальної підготовки оператора (знання німецької мови, обчислювальної техніки), спеціальної підготовки персоналу для технічного обслуговування на тлі більш високою, але не завжди необхідною, точності вимірювання і не завжди необхідної багатофункціональності. Таким чином можна прийти до висновку, що продукція таких відомих виробників вимірювальної техніки, як "TESLA" і "HEWLETT-PACKARD" не буде застосовуватися в АСБ телецентрів Україна поки не виникне гостра необхідність в приладах такої точності. Альтернативою методу описаного вище може бути метод який вирішує задачу вимірювання ЗСШ прямо. Під цим мається на увазі те, що для вимірювання ЗСШ проводиться вимірювання амплітуди відеосигналу, одночасно вимір величини середньоквадратичного значення амплітуди шуму, потім проводиться операція розподілу результатів вимірювання, після чого проводиться накопичення і результатом вимірювання ЗСШ приймається математичне сподівання сукупності результатів обчислення формули 3.1 для кожної вибірки. Недоліки цього методу в порівнянні з описом вище методом очевидні: необхідність двох вимірювальних каналів, що, природно небажано з точки зору надійності, схемотехніки і навіть економіки; наявність операції ділення в якій один операнд значно більше іншого (як мінімум в 10 разів), що призведе до збільшення похибки; також недоліком можна вважати відсутність преймущества перед описом вище методом. Вітчизняним аналогом розроблюваного модуля вимірювання ЗСШ є прилад ІСШ-4. Структурна схема вимірювача ІСШ-4 складається з аналогової вимірювальної частини (блоки посилення і модуляції), цифровий вимірювальної частини (блок автоматичного регулювання посилення, арифметичний блок, буферний лічильник, блок дешифраторів) і допоміжної частини (блок керування, блок виділення синхросигналу, блок синхронізації) . Структурна схема модуля вимірювання ЗСШ зображена на малюнку 4.1. Функціональна схема модуля вимірювання ЗСШ зображена на малюнку 4.2. Відеосигнал (рис. 4.3 а) з входу вимірника "Вхід відео" надходить на вхідні каскади 1, де посилюється до необхідного для подачі на блок фільтра 11 рівня. З виходу блоку фільтра 11 відеосигнал, відфільтрований в необхідній смузі частот надходить на вхід підсилювача з регульованим коефіцієнтом передачі 2, на виході якого розмаху відеосигналу підтримується постійним і рівним еталонної величиною Во. Імпульсний сигнал управління коефіцієнтом передачі підсилювача 2 "Сигнал АРУ" формується цифровим пристроєм АРУ 8 блоку автоматичного регулювання підсилення в результаті порівняння відеосигналу "Відео сравн." З виходу підсилювача 2 з еталонним напругою Во. Автоматичне підтримання постійним розмаху відеосигналу вході вимірювального тракту замінює собою вимір розмаху відеосигналу. При цьому вимірювання відношення сигнал / шум зводитися до вимірювання величини шуму, і алгоритм (3.1) перетворюється в алгоритм (3.2). Відеосигнал, розмах якого між рівнями гасіння та білого (або чорного і білого) дорівнює величині Во, надходить через потенціометр оперативної калібрування "Калібр" на один вхід строб-схеми 3. На іншій вод схеми 3 з виходу формувача надходять строб-імпульси (ріс.3г), частота повторення яких - 25Гц, а тривалість - приблизно 4 мкс. Розташування строб-імпульсів можна змінювати вручну в межах всього растру. Строб-імпульси подаються також на вхід схеми замішування мітки 25 селектора, де підсумовуються з відесігналом. З виходу схеми 25 відеосигнал надходить на коаксіальне гніздо "Відео СКУ", до якого підключається відеоконтрольний пристрій (СКУ). Замішаний у відеосигнал строб-імпульс відображається на екрані СКУ у вигляді яркостной мітки, за положенням якої на растрі визначають ділянку зображення, вибраний для вимірювання на ньому рівня шуму. Ця ділянка зображення повинен мати постійну яскравість на всьому протязі яркостной мітки, а відповідну ділянку відеосигналу - незмінний розмах у тимчасовому інтервалі строб-імпульсу. На виході схеми 3 в інтервалі строб-імпульсу виділяється сигнал, що представляє собою п'єдестал, розмах якого пропорційний розмаху відеосигналу в інтервалі стробування, з накладеним на нього шумом (ріс.4.3д). П'єдестал з накладеним на нього шумом подається на підсилювач 4, на вході якого відбувається автокомпенсація п'єдесталу. Стробування відеосигналу з подальшою автокомпенсація п'єдесталу, тобто з усуненням інформації про відеосигналі, дозволяє виділити шум з відеосигналу, а також використовувати лінійну частину динамічної характеристики каскадів 4 і 6 цілком для обробки шуму. Обробка пакета шуму на виході підсилювача 4 із метою визначення ефективної величини шуму у формулі (3.2) здійснюється за допомогою стробоскопічного методу, суть якого полягає у вибірці миттєвих некорельованих значень шуму з частотою повторення сигналу і в запам'ятовуванні вибраних значень на час між вибірками. Таким чином, період вибірки повинен бути дорівнює періоду повторення кадрів, тривалість інтервалу вибірки повинна бути менше тривалості елемента зображення. Можливість використання стробоскопічного методу заснована на тому, що шум є ергодичної стаціонарним випадковим процесом, а статичні характеристики (середнє значення і дисперсія) такого випадкового процесу, отримані в результаті усереднення його в часі на відрізку реалізації, збігаються з отриманими в результаті усереднення за сукупністю його вибіркових миттєвих значень. Вибірка миттєвих некорельованих значень шуму і запам'ятовування їх на час між вибірками проводиться таким чином. Пакети посиленого шуму (рис.4.3) з виходу каскаду 4 надходять на один вхід амплітудно-імпульсного модулятора (АІМ) 6, на іншій його вхід надходять імпульси вибірки з виходу формувача 5 (рис 4.3ж). Частота повторення імпульсів вибірки - 25Гц., А тривалість на рівні амплітуди - приблизно 20нс. Формувач 5 запускається строб-імпульсами з виходу формувача 7 і забезпечує положення імпульсу вибірки посередині тимчасового інтервалу строб-імпульсу. На виході АІМ утворюються імпульси, модульовані по амплітуді шумом (рис.3 з), тобто розмах кожного з цих імпульсів Uк пропорційний миттєвої величиною шуму в момент вибірки Модульовані шумом імпульси надходять на піковий детектор 7, який здійснює "запам'ятовування" розмаху кожного чергового імпульсу до приходу наступного, тобто у момент приходу k-го імпульсу на виході пікового детектора формується напруга Uk, а попереднє напруга примусово скидається (рис.4.3; ріс.4.4б). У момент приходу (до +1)-ого ​​імпульсу скидається напруга Uk і формується Uk +1. Таким чином, на виході детектора 7 формується перетворений шум - дискретний випадковий процес, име-ющій ті ж статистичні характеристики (середнє значення і дисперсію), що і шум на вході вимірювача. Подальше вимір ефективної величини шуму проводиться відповідно до алгоритму (3.3), при використанні якого немає необхідності робити, як проміжну операцію, визначення середнього значення, чи центрування, перетвореного шуму. Алгоритм вимірювання ЗСШ (3.2) приймається з урахуванням алгоритму (3.3) вид (3.4). Операція віднімання, зведення в квадрат, підсумовування і логарифмування в послідовності, визначеною алгоритмом (3.4), здійснюють цифрові блоки вимірювача. Попередню трансформацію перетвореного шуму в цифровий код виробляють широтно-імпульсний модулятор 10, розташований в блоці автоматичного регулювання посилення, і перетворювач тривалість-код 12, розташований на платі вичітателя і квадратора арифметичного блоку. Широтно-імпульсний модулятор запускається строб-імпульсами з виходу формувача 9. На виході модулятора 10 утворюється широтно-модульовані імпульси (ріс.4.4в), тривалість яких пропорційна розмаху перетвореного шуму в момент запуску модулятора 10. 5. Обгрунтування вибору структурної схеми модуля вимірювання ЗСШ. Так як метод вимірювання в розробляється приладі буде такий же як в приладі ІСШ-4, то принципово схема не змінюється. Структурна схема модуля вимірювання ЗСШ зображена на рисунку 5.1. Для забезпечення точості обробки сигналу і вимог, висунутих у ТЗ до вхідних параметрів розроблюваного приладу вхідний сигнал подається на елемент структурної схеми - вхідний підсилювач. Завданням яку повинен вирішити цей блок є посилення вхідного сигналу і його відбір для подальшої обробки по виділенню синхросигналов, а також забезпечення відповідності вхідного опору і ємності даними зазначеним у ТЗ. Для забезпечення роботи всієї схеми обробки алгоритму 3.5 вводиться блок виділення синхросигналов. Блок виконує завдання синхронізації всього процесу вимірювання або з зовнішнім джерелом синхронізації або внутрішньо від імпульсів синхронізації кадрів і малих синхроімпульсів входять до складу повного відеосигналу. У функції цього блоку входить також виведення на зовнішнє відеоконтрольний пристрій (СКУ) яркостной мітки, що б місце растра, де відбувається вимір величини ЗСШ. Вихідними сигналами блоку є синхроимпульс рядки в якій проводиться вимірювання величини ЗСШ і синхроимпульс за яким здійснюється стробирование сигналу. Після блоку вхідного підсилювача повний відеосигнал потрапляє на перший комутатор, завданням якого є виділення з повного відеосигналу сигналу рядки в якій проводиться вимірювання. Потім сигнал виділеної рядка подається на пристрій лінійного порівняння і компенсації (УЛСК) яке виробляє нормування у відповідності з формулою 3.2 і компенсацію величини Во у складі сигналу виділеної рядка. Після цього сигнал подається на другий комутатор, який повинен зробити стробирование при вступі синхронізуючого імпульсу від блоку виділення синхро-сигналів. Вихідний величиною блоку є Uk. Для забезпечення подальшої обробки вибірок шуму, яка є вже чисто математично-статистичної, виробляється перетворення аналог-код. Для цього вводиться блок аналого-цифрового перетворення (АЦП) результатом роботи якого є код відповідний Uk - Nk. Надалі Nk подається на блок цифрової обробки та управління (БЦОіУ). Функціями блоку є накопичення масиву Nk, обчислення ЗСШ за формулою 3.5 по сукупності вибірок Nk, управління УЛСК, видача результату вимірювання на відображає пристрій. І останнім блоком структурної схеми є пристрій відображення результату вимірювання (УОРІ). 7. Розробка функціональної схеми модуля вимірювання ЗСШ. Функціональна схема розробляється модуля вимірювання ЗСШ буде містити багато спільні з приладом ІСШ-4 деталі, але через зміну принципу обробки сигналу є необхідність повністю переглянути функціональну схему вимірювальної частини. До будь-якої обробки відеосигналу передбачається посилення його величини. Це необхідно для того, щоб подальша обробка здійснювалась з сигналом досить великого рівня, що забезпечить більшу точність при перетворенні сигналу іншими блоками. Для цього на вході схеми встановлено попередній підсилювач з фіксованим коефіцієнтом підсилення. Потім сигнал надходить на блок виділення синхросигналов і на пристрій лінійного порівняння і компенсації (Удско). Блок УЛСК складається з диференціального підсилювача, компаратора напруги (КН), заходи, генератора лінійно змінюється напруги (ГЛИН), пристрої вибірки та зберігання (ПВЗ). Всі ці елементи призначені виконати завдання прирівнювання величини відеосигналу до постійної величини Во. На цьому етапі ведеться обробка вже не повного відео сигналу, а тільки сигналу рядки в якій проводиться вимірювання ЗСШ. Тому перед входом диференційного підсилювача включається ключ, керований від блоку виділення синхросигналов і відкритий тільки на час проходження сигналу рядки в якій вимірюється ЗСШ. Автоматичне регулювання рівня сигналу рядки відбувається таким чином: у початковому стані ГЛИН скинутий в нуль і на один вхід диференціального підсилювача приходить нуль. Вихід підсилювача підключений до входу компаратора напруги, який порівнює отриманий сигнал з постійною величиною Во. Cигнал несе інформацію порівняння управляє глиною. У той момент коли сигнал рядка стане рівним Во, сигнал управління з компаратора пропаде і величина напруги на виході ГЛИНИ буде зберігатися в ПВЗ до кінця циклу вимірювання. Таким чином пронормовані сигнал надходить у вимірювальний блок. Вимірювальний блок складається з аналого-цифрового перетворювача (АЦП), генератора опорного напруги і генератора тактових імпульсів. Також для реалізації стробоскопічного методу перед АЦП варто ключ керований від схеми переміщення по рядку блоку виділення синхросигналов. Після перетворення аналог-код інформація про сигнал надходить у блок цифрової обробки сигналу складається з регістра зберігання даних, арифметико-логічного пристрою (АЛП), постійного запам'ятовуючого пристрою (ПЗП), оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП). У цьому блоці відбувається реалізація алгоритму (3.5) та обчислення результату вимірювання, який надалі виводитися на відображає пристрій.