CN101370146A - 基于相位展开和线性回归的色载波频差估计方法 - Google Patents

Abstract

基于相位展开和线性回归的色载波频差估计算法，(1)提取一场开始的黑电平信号中的色同步分量的起始相位；并且采用场起初处的黑电平信号；利用相位估计得到的相位的范围为[0，2π]，作频率估计用的相位选取5个；(2)使用相位展开算法将提取的相位进行展开；相位展开是：以第1行的相位为基准，将其它4行的相位调整到一个统一的线性范围内；(3)使用线性回归模型对展开相位进行拟合，对色同步频率进行提取；以最小二乘准则解超定方程组，(4)使用限幅器对所提取到的色同步频率进行限幅。当输入为非标准视频信号时，通过相位展开算法和线性回归模型对色载波的频率估计，以提高本地色载波的精度，进行数字高清解调。

Description

基于相位展开和线性回归的色载波频差估计方法

一、技术领域

本发明涉及使用相位展开和线性回归对色载波同步信号的频率进行提取的技术。尤其涉及数字视频解码系统中对色载波频差估计方法。

二、背景技术

视频解码的目的就是将全电视信号分解成R、G、B、行同步和场同步五种分量信号，以供电视机或监视器显示。为了获得彩色信号分量，需通过色同步信号来恢复出本地色载波。在恢复色载波时，通常的方法是使用模拟色载波锁相环路或者使用数字信号处理的方法。其中模拟锁相环路法由于部件复杂，体积较大等多个因素，已逐步被数字法取代。数字恢复系统具有结构简单、精度高等优点，实现思路主要有两种方案：基于自动控制论的闭环锁相环法和基于信号估计论的开环测相法。数字色载波锁相环的实现较为复杂，并且对采样频率有要求，需要采样频率接近色载波频率的整数倍，否则数字鉴相会出错，故对于非整数倍采样的信号，需要先重采样至整数倍采样的信号才能使用数字色载波锁相环，另外，当存在较大频差时，锁相环需要若干帧的时间才能跟踪上色载波的变化；开环法使用相关算法对每行的色同步进行精确鉴相，以恢复出同相的本地色载波，由于常规的电视信号的色载波频率比较稳定，与标称值很接近，故恢复时可以不对频率进行跟踪而直接采用标称值，但对于非标准信号，色载波频率会有较大偏移，开环法解调就会产生一定色调失真。

三、发明内容

本发明目的是：提供了一种在数字视频解码系统中，使用相位展开和线性回归来提取色载波同步信号的频率的方案。达到了在对视频信号进行开环彩色解码的情况下，使用相位展开算法和线性回归来估计色载波的频率变化，从而能够跟踪色载波频率的偏移，避免了常规开环式彩色解码方案，非标准电视信号带来的微小色调误差，以达到高清解调和适用面广的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：基于相位展开和线性回归的色载波频差估计方法：(1)、提取一场开始的黑电平信号中的色同步分量的起始相位，一共提取5行，并且采用场起初处的黑电平信号，以不影响正常图像信号的显示。利用相位估计得到的相位的范围为[0，2π]，作频率估计用的相位选取5个；(2)、使用相位展开算法将提取的相位进行展开；相位展开是：以第1行的相位为基准，将其它4行的相位调整到一个统一的线性范围内；设相位为 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i(1\≤i\≤8),$ 则可将第i行的相位看作是数控振荡器NCO以第1行的相位为振荡起始相位，上一帧的估计频率为累加步长，振荡到第i行的相位，即

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i\≈({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1+2\mathrm{\π}*3200*(i-1)*\widehat{f_c^{\left(n\right)}}{/f}_s)\mathrm{mod}\left(2\mathrm{\π}\right)$

其中为上一帧的色载波估计频率，3200是PAL制一行的采样点数(50MHz采样频率)，mod是取余函数，它的反函数是一个多值函数，相位展开就是要解相位模糊，确定反函数的值，展开相位

的计算公式为

其中INT是向下取整函数，取整是为了确定色载波从第1行到第i行经过的周期数，也就是确定了从第1行相位振荡成第i行相位所经过的2π个数；

展开相位之间的递推关系为

其中

是对上一帧频率估计值的误差的估计。

(3)、使用线性回归模型对展开相位进行拟合，对色同步频率进行提取；以最小二乘准则解超定方程组

Y＝AX+B

X＝i   (1≤i≤5)

其中A和B是未知数，解方程组后可得

$A=2\mathrm{\π}*3200*(\widehat{f_c^{\left(n\right)}}+\mathrm{\Δ}\widehat{f_c^{(n+1)}})/f_s$

于是当前帧的色载波频率估计值为

$\widehat{f_c^{(n+1)}=}{\hat{f}}_c^{\left(n\right)}+\mathrm{\Δ}\widehat{f_c^{(n+1)}}=A*f_s/6400\mathrm{\π}$

(4)、使用限幅器对所提取到的色同步频率进行限幅。

本发明的机理是：当输入信号为广播电视信号时，色载波起始相位估计已经可以保证色载波的恢复精度；但当输入为非标准信号时，频率会有漂移，若数控振荡器NCO仍以标准频率进行振荡，这样每行后半部分的本地色载波会具有较大的相位误差，有可能会超出所允许的误差限。频率偏移往往是由于温度等外部条件造成的，有缓慢变化的特点，故在一帧图像内可以认为色载波频率基本是稳定的。根据频率是相位变化梯度的原理，本发明提出了利用对展开相位建立线性回归模型求色载波频率的方法。在每帧图像的起始处结合上一帧的频率估计值作一次新的频率估计，所得到的值作为该帧的NCO振荡频率。另外，需要对估计频率进行限幅，以防某次估计中因为噪声等因素造成估计值偏离标称色载波频率太远。

展开相位的变化梯度就是对色载波频率的估计值。展开相位与真实值间存在误差，噪声源有色同步信号噪声、AD量化噪声和相位估计误差等；为了尽量抑制噪声，提高估计精度，采用了线性回归模拟来进行拟合，即以最小二乘准则解超定方程组，如上所述。

使用线性回归模型拟合求展开相位梯度的示意图如图1所示

在恢复出色载波后，就可以对色度信号进行解调，滤除高频分量的低通滤波器的截止频率可取为0.6MHz或1.3MHz。在得到YUV三分量后，送入矩阵变换器中，就可以得到可供显示的RGB三色信号。

本发明的有益效果是：本发明提出的方案可以在对色度信号进行开环解调的情况下，也能满足非标准视频信号高清解码的要求。根据频率是相位变化梯度的原理，利用相位展开算法将5行的色载波起始相位展开到统一的线性范围内，接着用线性回归模型拟合出梯度值，从而获得色载波频率的估计值，以配合开环相位估计最终恢复出高精度的本地色载波。

四、附图说明

图1为本发明中的使用线性回归模型拟合展开相位的示意图。

图2为本发明中的算法的应用框图。

五、具体实施方式

本发明中的算法在彩色数字视频解码系统中的应用框图如图2所示。

1、如图2所示，当场同步12到来时，将所得5行的色同步起始相位8进行相位展开到统一的线性范围内。

2、如图2所示，使用5行相位拟合模块13对展开相位进行线性回归拟合，即解上面所提到的超定方程，得到对该场视频信号色载波频率的估计，经过限幅器14限幅后，得到频率估计11，限幅范围为±500Hz。

3、如图2所示，起始相位8叠加上偏置相位9得到数控振荡器10的振荡起始相位，使用频率估计作为数控振荡器10的振荡频率，最终恢复出本地色载波。

数控震荡器的实现公式为：

$y_Q\left(n\right)=\sin \left(2\mathrm{\π}\widehat{f_c^{\left(n\right)}}n/f_s+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_0\right)$

$y_I\left(n\right)=\cos \left(2\mathrm{\π}\widehat{f_c^{\left(n\right)}}n/f_s+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_0\right)$

其中f_s，

分别为色同步的采样频率，开环估计初始相角，本帧的频率估计。

4、如图2所示，使用本地色载波对来自黑白解码部分1的色度信号3进行正交解调，经过低通滤波器16、17解调出U、V色度分量。

正交解调的过程为：

C＝V sin(wt)+U cos(wt)

C×2sin(wt)＝(V sin(wt)+U cos(wt))×2sin(wt)＝V-(V cos(2wt))+(U sin(2wt))

C×2cos(wt)＝(V sin(wt)+U cos(wt))×2cos(wt)＝V-(V cos(2wt))+(U sin(2wt))

将上式所得通过低通滤波器，即可得到U和V。

5、如图2所示，结合来自黑白解码部分1的亮度信号2，即Y分量，将YUV分量送入矩阵变换器7中，得到以供显示的RGB三分量。

Claims (4)

1.基于相位展开和线性回归的色载波频差估计算法，其特征是：(1)、提取一场开始的黑电平信号中的色同步分量的起始相位；一共提取5行，并且采用场起初处的黑电平信号，以不影响正常图像信号的显示。利用相位估计得到的相位的范围为[0，2π]，作频率估计用的相位选取5个；(2)、使用相位展开算法将提取的相位进行展开；相位展开是：以第1行的相位为基准，将其它4行的相位调整到一个统一的线性范围内；设相位为

则可将第i行的相位看作是数控振荡器NCO以第1行的相位为振荡起始相位，上一帧的估计频率为累加步长，振荡到第i行的相位，即

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i\≈({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1+2\mathrm{\π}*3200*(i-1)*\widehat{f_c^{\left(n\right)}}/f_s)\mathrm{mod}\left(2\mathrm{\π}\right)$

其中

为上一帧的色载波估计频率，3200是PAL制一行的采样点数(50MHz采样频率)，mod是取余函数，它的反函数是一个多值函数，相位展开就是要解相位模糊，确定反函数的值，展开相位

的计算公式为

其中INT是向下取整函数，取整是为了确定色载波从第1行到第i行经过的周期数，也就是确定了从第1行相位振荡成第i行相位所经过的2π个数；

展开相位之间的递推关系为

其中

是对上一帧频率估计值的误差的估计；

(3)、使用线性回归模型对展开相位进行拟合，对色同步频率进行提取；以最小二乘准则解超定方程组

Y＝AX+B

其中A和B是未知数，解方程组后可得

$A=2\mathrm{\π}*3200*(\widehat{f_c^{\left(n\right)}}+\mathrm{\Δ}\widehat{f_c^{(n+1)}})/f_s$

于是当前帧的色载波频率估计值为

$\widehat{f_c^{(n+1)}}=\widehat{f_c^{\left(n\right)}}+\mathrm{\Δ}\widehat{f_c^{(n+1)}}=A*f_s/6400\mathrm{\π}$

使用线性回归模型拟合求展开相位梯度；

(4)、使用限幅器对所提取到的色同步频率进行限幅。

2.由权利要求1所述的基于相位展开和线性回归的色载波频差估计算法，其特征是使用相位展开算法将提取的相位进行展开，以第一行的相位为基准，将其余4行的相位进行线性展开，以达到5个相位在统一的线性范围内。

3.由权利要求1所述的基于相位展开和线性回归的色载波频差估计算法，其特征是使用5阶线性回归模型对展开相位进行拟合，对色同步频率进行提取，使用5阶线性回归模型对展开相位的梯度进行拟合，从而得到色载波频率估计值。

4.由权利要求1所述的基于相位展开和线性回归的色载波频差估计算法，其特征是使用限幅器对所提取到的色同步频率进行限幅，限幅器的幅值为±500Hz，以保证当存在较大突发干扰噪声时，频率估计值不会偏移实际值太多。

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