CN1160966A - 数字电视的色彩解调 - Google Patents

Abstract

一种数字式取样和分离单元器，用于复合视频信号如NTSC信号的电视接收机，该信号有一色彩副载波，按本发明选定的频率对视频信号取样，该频率提供与副载波信号有一定和重复的相位关系的样本(图4)。结果，相位参考值可用于把样本转换成正确的色差值。

Description

数字电视的色彩解调

本发明涉及接收复合电视信号的数字式电视接收机，特别是涉及由电视信号得到色分离像素数据。

在许多电视广播信号，特别是那些基于NTSC和PAL制式的信号中，水平行扫描频率(Fh)与色彩副载波频率(Fsc)之间有着确定的关系。例如，在NTSC信号中，用3.58MHz的色度副载波在一个信道内传送亮度和色度，这一色度副载波等于15734.25Hz的行扫描频率乘以455/2。在电视接收机中，色度副载波提供一参考信号，用于使色度与亮度分离(色分离)和使色度分量分离(解调)。

在遵循NTSC制式的数字电视系统中，典型的数字色分离算法要求取样速率为3.58MHz副载波频率的数倍。常用的取样速率约为14.318MHz。称为“4fsc”速率。这一取样速率提供正交分开的样本。对解调而言，要做的其余事情是把奇偶样本分成两路，对其进行低通滤波。偶数样本是一种色分量的像素值，奇数样本是另一种的像素值。

4fsc取样速率的一个问题是并不总是与所需数量的每行像素(水平分辨率)的取样速率相一致。例如，对以4∶3纵横比显示的480行显示要求每行640个像素。可是，4fsc取样速率得到约每行747活动样本。对于取样速率为一对一像素的矩形像素显示，扭曲率为16.7％。

一些已有的系统首先按4fsc对输入的复合信号取样，随后将样本调整到所需的每行样本数，由此得到所需的每行样本数。但是，调整比例的一个问题是会出现一种人为造成的视觉，而且，这也增加了这类系统的复杂程度和制造成本。

题为“数字电视系统的色分离器”的美国专利No.5,347,321，已转让给德克萨斯仪器公司，叙述了色分离和取样的一种解决方案。色度信号与亮度信号在取样前已被分离。按照对水平分辨率来说合适的速率对亮度信号取样，由此无需调整亮度数据比例。色度信号按4fsc取样，这样可易于分离色彩分量，然后决定样本比例。

本发明的一个方面是一种数字取样和色彩分离单元，用于模拟视频信号的接收机，这种信号具有正交调制的色彩副载波信号，熟知的例子是遵循NTSC或PAL制式的电视信号。模-数转换器均按取样频率对视频信号取样，取样频率使得在等于一整数加或减0.25再乘以所述副载波信号的周期时间内得到整数个样本。取样得到的视频数据送到亮度-色度分离器，后者把取样的视频数据分成亮度数据和色度数据。在取样过程中，一数字振荡器以取样频率工作，对每一色度样本提供相位参考值。每一相位参考值代表色度样本与副截波信号之间的一种相位关系。一存储器，例如由相位参考值寻址的查找表，存储正弦和余弦值，并使相位参考值与正弦和余弦值匹配。一数字解调器接收正弦和余弦值以及色度样本，将每一色度样本乘以一正弦值或余弦值。由此提供色彩数据取样和色分离单元的最终输出是在三个信道中的像素数据，其中一个信道是高度数据，两个信道是色彩数据。

本发明的优点在于用一种简单而直接的方法从复合视频信号中得到色分离像素数据。同时，可改变取样频率以满足各种显示制式对水平分辨率的要求。任何满足上述要求的取样频率都是合适的。对给定水平分辨率，通过计算合格的取样频率来选出取样频率，合格的取样频率最接近产生所需的每行样本数的目标频率。

图1是一数字电视接收机中与视频有关的部分的方框图，具有按照本发明的取样和分离单元。

图2是图1中取样和分离单元的方框图。

图2A是图1中取样的分离单元的另一实施例。

图3表示如何按照本发明选择取样频率。

图4表示按本发明得到的样本，以及与色彩副载波信号的相位关系。

图5更详细地表示图2的数字振荡器，查找表和解调器。

图1表示一数字显示系统10的数字数据通道部分，应明白仅表示出用于得到和显示像素数据的部件，用于例如同步和音频信号处理等任务的部件未画出。最后，尽管下列描述针对着用于广播电视信号的显示系统10，应理解显示系统10可以是用于接收模拟复合视频信号和显示或存储该信号代表的图象的任何类型的设备。

显示系统10使用空间光调制器，更具体地，一种数字微镜器件19来产生显示。下面详细叙述这一器件，但可以用其它像素阵列器件来代替它。本发明针对取样和色分离单元12，它按易于色分离的方式对复合视频信号取样，包括将色度数据解调或色差数据。尽管在图1中未画出，取样和分离单元12也可以与一有着阴极射线管(CRT)显示器的数字显示系统联用，而不用SLM19。对这种系统，则数据转换成模拟形式并扫描到CRT，而不送到SLM19。

下述显示系统10各部件的概况提供了对理解本发明有帮助的细节，关于DMD图象显示系统的进一步情况已有题为“标准独立数字化视频系统“的美国专利No.5,079,544、题为“数字电视系统”的美国专利申请No.08/147,249和题为“DMD显示系统”的美国专利申请No.08/146.385中提出。所有这些专利或申请已转让给德克萨斯仪器公司，结合在这里作为参考。

视频输入可以是任何有色度和亮度成分的模拟复合信号。亮度成分这里称为“y”分量，色度分量称为“c”分量。例如，c分量包括CR和CB两个色差信号。例如在用于NTSC信号的3.58MHz副载波的色彩副载波上对色度信号进行幅度和相位调制。

为便于叙述起见，假定传统数字色分离的取样频率不一定与提供所需的每行样本数的取样频率相同。例如，如发明背景部分所述，在NTSC制式中，4fsc取样频率不一定提供4∶3纵横比所需的每行样本数。

信号接口11提供传统的信号接口功能，如调谐、滤波和同步信号去除。对本发明而言，接口11的主要功能是对取样和分离单元12提供复合的Y/C信号。

结合图2～5详细讨论取样和分离单元12。如下所述，按照本发明确定的取样频率对模拟信号取样。这一取样频率与色彩副载波参考短脉冲频率有着特定关系，这样可计算色差值。取样和分离单元12提供的样本在三个信道中，一个亮度数据信道和两个色差数据信道。

像素数据处理器13执行各种处理任务，为显示准备数据。处理器13包括在处理期间存储像素数据的处理存储器。处理13执行的任务可以包括线性化、色隙、转换和前扫描。线性化消除图象亮度校正影响，这是对广播信号进行的以补偿CTR显示的非线性作用。色隙转换把数据转换成RGB数据。前扫描通过产生新数据填入奇偶行数将数据的隔行扫描场转换成帧。执行这些任务的次序可以改变。

帧存储器14从处理器13接收处理过的像素数据。帧存储器14在输入或输出时数据格式化，使其成为“位平面”格式，并将该平面送到SLM19。位平面格式对SLM19的每一像素一次提供一位，并允许按照这一位的权接通或关闭每一像素。例如，当每一像素对三种颜色中每一种用n位来表示时，每帧有3n个位平面。低有效位的位平面的显示时间比高有效位的位平面的显示时间短。像素值为0(黑)使得在该帧中对这种颜色的该像素关闭。对每一颜色，SLM19的每一微镜单元可在从1 LSB(最低有效位)到2ⁿ-1 LSB的期间内“通”，换句话说，每一颜色有2ⁿ-1时间段，在此期间任一像素的接通时间长短可为0至2ⁿ-1之间的任何数目。

在一典型的显示系统器10中，帧存储器14是双缓冲存储器，这意味着其容量至少为两个显示帧。一显示帧缓冲区可对SLM19读出，而另一显示帧的缓冲区作写入。两缓冲区以“乒乓”方式控制，SLM19可连续得到数据。

如上所述，这里的说明是按照SLM19为数字微镜器件(DMD)的显示系统来进行，的特点在于可独立寻址各象素单元，其能同时接通或切断。对在一图象帧期间要接通的像素寻址并控制每一像素单元接通的每帧时间长度来形成图象。SLM的一个例子是数字微镜器件(DMD)，由德克萨斯仪器公司制造。为说明起见，假定SLM19的垂直分辨率为480线。SLM19的微镜元件是矩形，这样对给定的垂直分辨率(V4R)和所希望的纵横比(AR)，水平分辨率(HR)确定为：

                 AR＝HR/VR对480线显示和4∶3的纵横比，每线像素数为：

                4/3＝HR/480

                  HR＝640

入射到SLM19的光线由光源16提供，经旋转色轮15传送。透镜17a以光源光束的形式将光源的发光聚焦为色轮15平面上的“斑点”。透镜17b将光线投到SLM19上。

在图1的实施例中，色轮15有三个滤色扇区，各有不同的基色。这里为举例起见，这些颜色是RGB颜色：红、绿和兰，在不同的实施例中，可采用其它颜色，可以用少于或多于三种颜色。而且，每一颜色也可以有一个以上扇区。扇区大小不必相同，由所需的色平衡而定，每一颜色的数据按顺序排列，数据的显示同时发生，这样色轮15部分对应于被显示的数据，而光线经其传送到SLM19。在本说明书的例子中，每像素由红绿兰数据代表，这表示每一像素有一红值、一绿值和一兰值。当显示一帧中所有像素的每一颜色值时，色轮15旋转，这样线经相应的红、兰或绿滤色器传送。对每一像素，这三个值的结合构成了所需的颜色。

色轮15安装在轴15b上，后者由马达15a驱动，使色轮15转动，马达控制单元15c控制色轮15的速度和相位，一帧数据显示T秒的一帧期间，色轮15有一T秒的旋转周期。例如，对应于每秒显示速率60帧，所需的速度为每秒60转。

主定时单元18提供各种系统控制功能。主定时单元18提供的一个定时信号是对像素值的每一位权确定显示时间的一种信号。它也可以提供取样时钟信号，频率按本发明确定。

尽管在图1中未画出，但系统10也包括一个投射镜和各种其它光学元件，用于从SLM19汇集和投射图象到图象平面(屏幕)。

图2更详细地表示取样和分离单元12。在图2实施例中，A/D转换器21在数字式Y/C分离器22将Y(亮度)与C(色度)数据分离之前对数据取样。但是，如另一变化的实施例图2A中所示，可用模拟Y/C分离器210代替数字式Y/C分离器22，同时两个A/D转换器211用来对Y和C信号取样。

A/D转换器21(图2)和A/D转换器211(图2A)按本发明的取样速率工作。参见图2，A/D转换器21接收复合视频信号，它以按本发明确定的速率对这一信号取样，这样，在取样时钟频率下，样本的整数n在时间上等于在fsc下周期的整数m加上或减去0.25。数学式如下：

           nT_pc＝(m+/-0.25)T_sc这里T_pc是像素(取样)时钟的周期，T_sc是色彩副载波的周期。对NTSC视频，副载波周期T_sc约为0.28微秒。

为选择取样速率，计算目标取样速率T_pc，并确定m和n的适当值，在本说明书的例子中，目标取样速率为12.27MHz，这是提供每行480个样本的取样速率。按照工作的行周期和每行像素数目来计算目标取样速率。

图3表示代入上述式子的n和m值的阵列，以及对不同值的 $\frac{1}{\mathrm{Tpc}}=f_{\mathrm{pc}}$ 解出的方程。找出计算得到的最接近目标f_pc的f_pc值。若目标f_pc为12.27MHz，最接近的取样速率为12.17MHz，它对应于m＝5和n＝18。这样，A/D转换器21在取样频率12.27MHz下工作，为说明方便起见，对数字作了四舍五入。

参见图2。Y/C分离器22接收取样数据，将Y(高度)样本与C(色度)样本分离开来，Y/C分离器22可以是任何数字式的分离器，以便把亮度数据与色度数据分离开。可采用传统的数字式色分离方法，例如带通或梳形滤波。

此时，Y数据准备作进一步处理。但C数据必须首先解调成两个信道的色差样本。A/D转换器21的取样速率允许用数字振荡器23、查找表24和解调器25进行正交同步解调。

图4说明由12.27MHz取样速率得到的色度样本与3.58MHz副载波信号之间的相位关系。每5.25次循环有18个样本，这些样本与3.58MHz信号的正弦和余弦值有确定的和重复的相位关系。如指出的那样，每24个取样周期重复相位关系。

参见图2，数字振荡器23对存储器24提供相位参考值，随后得到要与取样值相乘的正弦和余弦值。在本例中，存储器24是查找表(LUT)，由相位参考值寻址。数字振荡器23累加每一样周期的相位增加，以适应取样时钟和f_sc之间的相位差，每一相位增加pi以度数计算为：在本例中，每一相位增加为：

在每一取样时钟信号，按360度周期该增量加到当前相位。振荡器23可设计为2^k＝360，这里K是位数，这样111…1＝360。提供一初始值以在f_pc与f_sc之间建立初始相位关系，这可由比较参考和取样信号在0点的相位差来实现，可由测量到的色彩短脉冲信号的相位和幅度来略微改变相位增量，以把振荡器23相位锁定到色彩短脉冲。

再次参见图2，数字振荡器23的输出驱动查找表存储器24，其对解调过程提供正弦和余弦参考信号，由存储器24把正弦和余弦值送到数字式解调器25，后者解调色度数据。

图5是数字振荡器23、WT24和解调器25的一个实施例的方框图。数字振荡器23由加法器51和累加器52组成。加法器51将上述算出的相位增量加到每一当前相位值，其和由累加器52累加，累加器52的输出驱动LUT24。用乘法器25将来自LUT24的正弦和余弦值乘以C数据。每一C数据的样本乘以一余弦值和一正弦值，得到C_B和C_R值。

作为解调器25的工作原理的一种例子，参见图4，样本4的相位差为60度(105度×4样本＝420度，420度-360度＝60度)。若样本4的值为x，样本4的色差值为x(cos60)和x(sin60)。这些值用低通滤波器54滤波，得到输出色度数据。

尽管已参照特定实施例叙述了本发明，这种叙述并不意味着构成限制意义。对所述实施例的各种修改，以及不同的实施例，对技术人员来说是显然的。所以，权利要求书应包括本发明真实范围内的所有变化。

Claims (20)

1.一种数据取样和色分离单元，用于复合视频信号接收机，该复合视频信号具有正交调制的色彩副载波信号。包括：

模数转换器，以某一取样频率对所述视频信号取样，使得在一整数加或减0.25再乘以所述副载波信号周期的时间内取得整数个样本，由此提供取样的视频数据；

数字式亮度-色度分离器，接收所述取样的视频数据，并将所述取样的视频数据分离为亮度数据和色度数据；

数字振荡器，以所述取样频率提供相位参考值，每一相位参考值代表所述色度数据的一个样本与所述副载波信号之间的一个相位关系，这样每一色度样本有一相关的相位参考值；

存储器，由所述数字振荡器驱动，存储正弦和余弦值，使所述相位参考值与所述正弦和余弦值匹配，以及

解调器，接收所述正弦和余弦值，以及所述色度数据，将每一色度样本乘以与该样本相关的相位参考值匹配的正弦或余弦值，对乘积进行低通滤波，由此提供色差数据。

2.如权利要求1的取样和色彩分离单元，其中所述存储器是一查找表，由所述相位参考值寻址。

3.如权利要求1的取样和色彩分离单元，其中所述数字振荡器包括一加法器和一累加器。

4.如权利要求1的取样和色彩色离单元，其中所述数字振荡器接收一相位增量值，以360度周期对每一色度样本累加所述相位增量值。

5.如权利要求1的取样和色彩分离单元，其中所述解调器包括在第一数据通道提供第一色差信号的乘法器和低通滤波器，以及在第二数据通道提供第二色差信号的乘法器和低通滤波器。

6.如权利要求1的取样和色彩分离单元，其中所述复合视频信号为NTSC信号，所述副载波信号周期约为0.28微秒。

7.一种色度取样和解调单元，用于复合视频信号接收机，该视频信号具有正交调制的色彩副载波信号，包括：

模数转换器，按某一取样频率对所述副载波信号取样，使得在一整数加或减0.25再乘以所述副载波信号周期的时间内取得整数个样本，由此提供色度数据；

数字振荡器，以所述取样频率提供相位参考值，所述相位参考值各表示所述色度数据的样本与所述副载波信号之间的相位关系，这样每一色度样本有一相关的相位参考值；

存储器，存储正弦和余弦函数值，并使所述相位参考值与所述正弦和余弦值匹配；

解调器，接收所述正弦和余弦值，以及所述色度数据，将每一色度样本乘以与该样本相关的相位参考值匹配的正弦或余弦值，并对乘积作低通滤波，由此提供所述色差数据。

8.如权利要求7的取样和色分离单元，其中所述存储器是查找表，由所述相位参考值寻址。

9.如权利要求7的取样和色分离单元，其中所述数字振荡器包括加法器和累加器。

10.如权利要求7的取样和色分离单元，其中，所述数字振荡器接收相位增量值，以360度周期对每一色度样本累加相位增量值。

11.如权利要求7的取样和色分离单元，其中所述解调器包括在第一数据通道提供第一色差信号的乘法器和低通滤波器，以及在第二数据通道提供第二色差信号的乘法器和低通滤波器。

12.如权利要求7的取样和色分离单元，其中所述复合视频信号为NTSC信号，这样所述副载波信号的所述周期约为0.28微秒。

13.一种在视频信号接收机中提供色差数据的方法，该视频信号具有正交调制的色彩副载波信号，该方法包括下列步骤：

以某一取样频率对所述副载波信号取样，使得在一整数加或减0.25再乘以所述副载波信号周期的时间内得到整数个样本，由此提供色度数据；

以所述取样频率提供相位参考值，所述相位参考值各表示所述色度数据样本与所述副载波信号之间的相位关系，这样每一色度样本具有相关的相位参考值；

使所述相位参考值与正弦和余弦值匹配；

将每一色度样本乘以与该样本相关的相位参考值匹配的正弦或余弦值；以及

对所述乘法步骤的结果进行低通滤波，由此提出所述色差信号。

14.如权利要求13的方法，其中所述取样步骤是选择所述取样频率的步骤，这样取样频率接近会产生所需的每行样本数的目标取样频率。

15.如权利要求13的方法，其中所述匹配步骤执行将每一所述色度样本乘以一正弦值和一余弦值，由此每一色度样本提供两个色差值。

16.如权利要求13的方法，其中所述提供相位参考值的步骤是以360度周期累加一恒定的相位增量。

17.一种视频信号的数字电视接收机，该视频信号具有用于色差信息的正交调制副载波信号，该接收机包括：

信号接口，接收和调谐所述视频信号；

取样和色分离单元，具有：

模数转换器，以某一取样频率对所述视频信号取样，这样在一整数加或减0.25再乘以所述副载波信号周期的时间内得到整数个样本，由此提供取样的视频数据；

数字亮度-色度分离器，接收所述取样视频数据，并将所述取样的视频数据分成亮度数据和色度数据；

数字振荡器，以所述取样频率提供相位参考值，所述相位参考值各表示色度样本与所述副载波信号之间的相位关系，这样每一所述色度数据的样本具有相关的相位参考值；

存储器，存储正弦和余弦值，使所述相位参考值与所述正弦和余弦值匹配；以及

解调器，接收所述正弦和余弦值，以及所述色度数据，将每一色度样本乘以正弦或余弦值，对乘积进行低通滤波，由此提供色差数据；

像素处理器，接收所述亮度数据和所述色度数据，对所述数据进行像素处理；以及

帧存储器，将所述数据提供给显示器；

18.如权利要求17的接收机，进一步包括显示所述数据的空间光调制器。

19.如权利要求17的接收机，其中所述取样和色分离单元的存储器是查找表，由所述相位参考值寻址。

20.如权利要求17的接收机，其中所述数字振荡器包括加法器和累加器。

Images