數位電視的色彩解調的製作方法
2023-04-24 16:48:26
專利名稱：數位電視的色彩解調的製作方法
技術領域：
本發明涉及接收複合電視信號的數字式電視接收機，特別是涉及由電視信號得到色分離像素數據。
在許多電視廣播信號，特別是那些基於NTSC和PAL制式的信號中，水平行掃描頻率(Fh)與色彩副載波頻率(Fsc)之間有著確定的關係。例如，在NTSC信號中，用3.58MHz的色度副載波在一個信道內傳送亮度和色度，這一色度副載波等於15734.25Hz的行掃描頻率乘以455/2。在電視接收機中，色度副載波提供一參考信號，用於使色度與亮度分離(色分離)和使色度分量分離(解調)。
在遵循NTSC制式的數位電視系統中，典型的數字色分離算法要求取樣速率為3.58MHz副載波頻率的數倍。常用的取樣速率約為14.318MHz。稱為「4fsc」速率。這一取樣速率提供正交分開的樣本。對解調而言，要做的其餘事情是把奇偶樣本分成兩路，對其進行低通濾波。偶數樣本是一種色分量的像素值，奇數樣本是另一種的像素值。
4fsc取樣速率的一個問題是並不總是與所需數量的每行像素(水平解析度)的取樣速率相一致。例如，對以4∶3縱橫比顯示的480行顯示要求每行640個像素。可是，4fsc取樣速率得到約每行747活動樣本。對於取樣速率為一對一像素的矩形像素顯示，扭曲率為16.7％。
一些已有的系統首先按4fsc對輸入的複合信號取樣，隨後將樣本調整到所需的每行樣本數，由此得到所需的每行樣本數。但是，調整比例的一個問題是會出現一種人為造成的視覺，而且，這也增加了這類系統的複雜程度和製造成本。
題為「數位電視系統的色分離器」的美國專利No.5,347,321，已轉讓給德克薩斯儀器公司，敘述了色分離和取樣的一種解決方案。色度信號與亮度信號在取樣前已被分離。按照對水平解析度來說合適的速率對亮度信號取樣，由此無需調整亮度數據比例。色度信號按4fsc取樣，這樣可易於分離色彩分量，然後決定樣本比例。
本發明的一個方面是一種數字取樣和色彩分離單元，用於模擬視頻信號的接收機，這種信號具有正交調製的色彩副載波信號，熟知的例子是遵循NTSC或PAL制式的電視信號。模-數轉換器均按取樣頻率對視頻信號取樣，取樣頻率使得在等於一整數加或減0.25再乘以所述副載波信號的周期時間內得到整數個樣本。取樣得到的視頻數據送到亮度-色度分離器，後者把取樣的視頻數據分成亮度數據和色度數據。在取樣過程中，一數字振蕩器以取樣頻率工作，對每一色度樣本提供相位參考值。每一相位參考值代表色度樣本與副截波信號之間的一種相位關係。一存儲器，例如由相位參考值尋址的查找表，存儲正弦和餘弦值，並使相位參考值與正弦和餘弦值匹配。一數字解調器接收正弦和餘弦值以及色度樣本，將每一色度樣本乘以一正弦值或餘弦值。由此提供色彩數據取樣和色分離單元的最終輸出是在三個信道中的像素數據，其中一個信道是高度數據，兩個信道是色彩數據。
本發明的優點在於用一種簡單而直接的方法從複合視頻信號中得到色分離像素數據。同時，可改變取樣頻率以滿足各種顯示制式對水平解析度的要求。任何滿足上述要求的取樣頻率都是合適的。對給定水平解析度，通過計算合格的取樣頻率來選出取樣頻率，合格的取樣頻率最接近產生所需的每行樣本數的目標頻率。
圖1是一數位電視接收機中與視頻有關的部分的方框圖，具有按照本發明的取樣和分離單元。
圖2是圖1中取樣和分離單元的方框圖。
圖2A是圖1中取樣的分離單元的另一實施例。
圖3表示如何按照本發明選擇取樣頻率。
圖4表示按本發明得到的樣本，以及與色彩副載波信號的相位關係。
圖5更詳細地表示圖2的數字振蕩器，查找表和解調器。
圖1表示一數字顯示系統10的數字數據通道部分，應明白僅表示出用於得到和顯示像素數據的部件，用於例如同步和音頻信號處理等任務的部件未畫出。最後，儘管下列描述針對著用於廣播電視信號的顯示系統10，應理解顯示系統10可以是用於接收模擬複合視頻信號和顯示或存儲該信號代表的圖象的任何類型的設備。
顯示系統10使用空間光調製器，更具體地，一種數字微鏡器件19來產生顯示。下面詳細敘述這一器件，但可以用其它像素陣列器件來代替它。本發明針對取樣和色分離單元12，它按易於色分離的方式對複合視頻信號取樣，包括將色度數據解調或色差數據。儘管在圖1中未畫出，取樣和分離單元12也可以與一有著陰極射線管(CRT)顯示器的數字顯示系統聯用，而不用SLM19。對這種系統，則數據轉換成模擬形式並掃描到CRT，而不送到SLM19。
下述顯示系統10各部件的概況提供了對理解本發明有幫助的細節，關於DMD圖象顯示系統的進一步情況已有題為「標準獨立數位化視頻系統「的美國專利No.5,079,544、題為「數位電視系統」的美國專利申請No.08/147,249和題為「DMD顯示系統」的美國專利申請No.08/146.385中提出。所有這些專利或申請已轉讓給德克薩斯儀器公司，結合在這裡作為參考。
視頻輸入可以是任何有色度和亮度成分的模擬複合信號。亮度成分這裡稱為「y」分量，色度分量稱為「c」分量。例如，c分量包括CR和CB兩個色差信號。例如在用於NTSC信號的3.58MHz副載波的色彩副載波上對色度信號進行幅度和相位調製。
為便於敘述起見，假定傳統數字色分離的取樣頻率不一定與提供所需的每行樣本數的取樣頻率相同。例如，如發明背景部分所述，在NTSC制式中，4fsc取樣頻率不一定提供4∶3縱橫比所需的每行樣本數。
信號接口11提供傳統的信號接口功能，如調諧、濾波和同步信號去除。對本發明而言，接口11的主要功能是對取樣和分離單元12提供複合的Y/C信號。
結合圖2～5詳細討論取樣和分離單元12。如下所述，按照本發明確定的取樣頻率對模擬信號取樣。這一取樣頻率與色彩副載波參考短脈衝頻率有著特定關係，這樣可計算色差值。取樣和分離單元12提供的樣本在三個信道中，一個亮度數據信道和兩個色差數據信道。
像素數據處理器13執行各種處理任務，為顯示準備數據。處理器13包括在處理期間存儲像素數據的處理存儲器。處理13執行的任務可以包括線性化、色隙、轉換和前掃描。線性化消除圖象亮度校正影響，這是對廣播信號進行的以補償CTR顯示的非線性作用。色隙轉換把數據轉換成RGB數據。前掃描通過產生新數據填入奇偶行數將數據的隔行掃描場轉換成幀。執行這些任務的次序可以改變。
幀存儲器14從處理器13接收處理過的像素數據。幀存儲器14在輸入或輸出時數據格式化，使其成為「位平面」格式，並將該平面送到SLM19。位平面格式對SLM19的每一像素一次提供一位，並允許按照這一位的權接通或關閉每一像素。例如，當每一像素對三種顏色中每一種用n位來表示時，每幀有3n個位平面。低有效位的位平面的顯示時間比高有效位的位平面的顯示時間短。像素值為0(黑)使得在該幀中對這種顏色的該像素關閉。對每一顏色，SLM19的每一微鏡單元可在從1 LSB(最低有效位)到2n-1 LSB的期間內「通」，換句話說，每一顏色有2n-1時間段，在此期間任一像素的接通時間長短可為0至2n-1之間的任何數目。
在一典型的顯示系統器10中，幀存儲器14是雙緩衝存儲器，這意味著其容量至少為兩個顯示幀。一顯示幀緩衝區可對SLM19讀出，而另一顯示幀的緩衝區作寫入。兩緩衝區以「桌球」方式控制，SLM19可連續得到數據。
如上所述，這裡的說明是按照SLM19為數字微鏡器件(DMD)的顯示系統來進行，的特點在於可獨立尋址各象素單元，其能同時接通或切斷。對在一圖象幀期間要接通的像素尋址並控制每一像素單元接通的每幀時間長度來形成圖象。SLM的一個例子是數字微鏡器件(DMD)，由德克薩斯儀器公司製造。為說明起見，假定SLM19的垂直解析度為480線。SLM19的微鏡元件是矩形，這樣對給定的垂直解析度(V4R)和所希望的縱橫比(AR)，水平解析度(HR)確定為AR＝HR/VR對480線顯示和4∶3的縱橫比，每線像素數為4/3＝HR/480HR＝640入射到SLM19的光線由光源16提供，經旋轉色輪15傳送。透鏡17a以光源光束的形式將光源的發光聚焦為色輪15平面上的「斑點」。透鏡17b將光線投到SLM19上。
在圖1的實施例中，色輪15有三個濾色扇區，各有不同的基色。這裡為舉例起見，這些顏色是RGB顏色紅、綠和蘭，在不同的實施例中，可採用其它顏色，可以用少於或多於三種顏色。而且，每一顏色也可以有一個以上扇區。扇區大小不必相同，由所需的色平衡而定，每一顏色的數據按順序排列，數據的顯示同時發生，這樣色輪15部分對應於被顯示的數據，而光線經其傳送到SLM19。在本說明書的例子中，每像素由紅綠蘭數據代表，這表示每一像素有一紅值、一綠值和一蘭值。當顯示一幀中所有像素的每一顏色值時，色輪15旋轉，這樣線經相應的紅、蘭或綠濾色器傳送。對每一像素，這三個值的結合構成了所需的顏色。
色輪15安裝在軸15b上，後者由馬達15a驅動，使色輪15轉動，馬達控制單元15c控制色輪15的速度和相位，一幀數據顯示T秒的一幀期間，色輪15有一T秒的旋轉周期。例如，對應於每秒顯示速率60幀，所需的速度為每秒60轉。
主定時單元18提供各種系統控制功能。主定時單元18提供的一個定時信號是對像素值的每一位權確定顯示時間的一種信號。它也可以提供取樣時鐘信號，頻率按本發明確定。
儘管在圖1中未畫出，但系統10也包括一個投射鏡和各種其它光學元件，用於從SLM19匯集和投射圖象到圖象平面(屏幕)。
圖2更詳細地表示取樣和分離單元12。在圖2實施例中，A/D轉換器21在數字式Y/C分離器22將Y(亮度)與C(色度)數據分離之前對數據取樣。但是，如另一變化的實施例圖2A中所示，可用模擬Y/C分離器210代替數字式Y/C分離器22，同時兩個A/D轉換器211用來對Y和C信號取樣。
A/D轉換器21(圖2)和A/D轉換器211(圖2A)按本發明的取樣速率工作。參見圖2，A/D轉換器21接收複合視頻信號，它以按本發明確定的速率對這一信號取樣，這樣，在取樣時鐘頻率下，樣本的整數n在時間上等於在fsc下周期的整數m加上或減去0.25。數學式如下nTpc＝(m+/-0.25)Tsc這裡Tpc是像素(取樣)時鐘的周期，Tsc是色彩副載波的周期。對NTSC視頻，副載波周期Tsc約為0.28微秒。
為選擇取樣速率，計算目標取樣速率Tpc，並確定m和n的適當值，在本說明書的例子中，目標取樣速率為12.27MHz，這是提供每行480個樣本的取樣速率。按照工作的行周期和每行像素數目來計算目標取樣速率。
圖3表示代入上述式子的n和m值的陣列，以及對不同值的1Tpc=fpc]]>解出的方程。找出計算得到的最接近目標fpc的fpc值。若目標fpc為12.27MHz，最接近的取樣速率為12.17MHz，它對應於m＝5和n＝18。這樣，A/D轉換器21在取樣頻率12.27MHz下工作，為說明方便起見，對數字作了四捨五入。
參見圖2。Y/C分離器22接收取樣數據，將Y(高度)樣本與C(色度)樣本分離開來，Y/C分離器22可以是任何數字式的分離器，以便把亮度數據與色度數據分離開。可採用傳統的數字式色分離方法，例如帶通或梳形濾波。
此時，Y數據準備作進一步處理。但C數據必須首先解調成兩個信道的色差樣本。A/D轉換器21的取樣速率允許用數字振蕩器23、查找表24和解調器25進行正交同步解調。
圖4說明由12.27MHz取樣速率得到的色度樣本與3.58MHz副載波信號之間的相位關係。每5.25次循環有18個樣本，這些樣本與3.58MHz信號的正弦和餘弦值有確定的和重複的相位關係。如指出的那樣，每24個取樣周期重複相位關係。
參見圖2，數字振蕩器23對存儲器24提供相位參考值，隨後得到要與取樣值相乘的正弦和餘弦值。在本例中，存儲器24是查找表(LUT)，由相位參考值尋址。數字振蕩器23累加每一樣周期的相位增加，以適應取樣時鐘和fsc之間的相位差，每一相位增加pi以度數計算為
在本例中，每一相位增加為
在每一取樣時鐘信號，按360度周期該增量加到當前相位。振蕩器23可設計為2k＝360，這裡K是位數，這樣111…1＝360。提供一初始值以在fpc與fsc之間建立初始相位關係，這可由比較參考和取樣信號在0點的相位差來實現，可由測量到的色彩短脈衝信號的相位和幅度來略微改變相位增量，以把振蕩器23相位鎖定到色彩短脈衝。
再次參見圖2，數字振蕩器23的輸出驅動查找表存儲器24，其對解調過程提供正弦和餘弦參考信號，由存儲器24把正弦和餘弦值送到數字式解調器25，後者解調色度數據。
圖5是數字振蕩器23、WT24和解調器25的一個實施例的方框圖。數字振蕩器23由加法器51和累加器52組成。加法器51將上述算出的相位增量加到每一當前相位值，其和由累加器52累加，累加器52的輸出驅動LUT24。用乘法器25將來自LUT24的正弦和餘弦值乘以C數據。每一C數據的樣本乘以一餘弦值和一正弦值，得到CB和CR值。
作為解調器25的工作原理的一種例子，參見圖4，樣本4的相位差為60度(105度×4樣本＝420度，420度-360度＝60度)。若樣本4的值為x，樣本4的色差值為x(cos60)和x(sin60)。這些值用低通濾波器54濾波，得到輸出色度數據。
儘管已參照特定實施例敘述了本發明，這種敘述並不意味著構成限制意義。對所述實施例的各種修改，以及不同的實施例，對技術人員來說是顯然的。所以，權利要求書應包括本發明真實範圍內的所有變化。
權利要求
1.一種數據取樣和色分離單元，用於複合視頻信號接收機，該複合視頻信號具有正交調製的色彩副載波信號。包括模數轉換器，以某一取樣頻率對所述視頻信號取樣，使得在一整數加或減0.25再乘以所述副載波信號周期的時間內取得整數個樣本，由此提供取樣的視頻數據；數字式亮度-色度分離器，接收所述取樣的視頻數據，並將所述取樣的視頻數據分離為亮度數據和色度數據；數字振蕩器，以所述取樣頻率提供相位參考值，每一相位參考值代表所述色度數據的一個樣本與所述副載波信號之間的一個相位關係，這樣每一色度樣本有一相關的相位參考值；存儲器，由所述數字振蕩器驅動，存儲正弦和餘弦值，使所述相位參考值與所述正弦和餘弦值匹配，以及解調器，接收所述正弦和餘弦值，以及所述色度數據，將每一色度樣本乘以與該樣本相關的相位參考值匹配的正弦或餘弦值，對乘積進行低通濾波，由此提供色差數據。
2.如權利要求1的取樣和色彩分離單元，其中所述存儲器是一查找表，由所述相位參考值尋址。
3.如權利要求1的取樣和色彩分離單元，其中所述數字振蕩器包括一加法器和一累加器。
4.如權利要求1的取樣和色彩色離單元，其中所述數字振蕩器接收一相位增量值，以360度周期對每一色度樣本累加所述相位增量值。
5.如權利要求1的取樣和色彩分離單元，其中所述解調器包括在第一數據通道提供第一色差信號的乘法器和低通濾波器，以及在第二數據通道提供第二色差信號的乘法器和低通濾波器。
6.如權利要求1的取樣和色彩分離單元，其中所述複合視頻信號為NTSC信號，所述副載波信號周期約為0.28微秒。
7.一種色度取樣和解調單元，用於複合視頻信號接收機，該視頻信號具有正交調製的色彩副載波信號，包括模數轉換器，按某一取樣頻率對所述副載波信號取樣，使得在一整數加或減0.25再乘以所述副載波信號周期的時間內取得整數個樣本，由此提供色度數據；數字振蕩器，以所述取樣頻率提供相位參考值，所述相位參考值各表示所述色度數據的樣本與所述副載波信號之間的相位關係，這樣每一色度樣本有一相關的相位參考值；存儲器，存儲正弦和餘弦函數值，並使所述相位參考值與所述正弦和餘弦值匹配；解調器，接收所述正弦和餘弦值，以及所述色度數據，將每一色度樣本乘以與該樣本相關的相位參考值匹配的正弦或餘弦值，並對乘積作低通濾波，由此提供所述色差數據。
8.如權利要求7的取樣和色分離單元，其中所述存儲器是查找表，由所述相位參考值尋址。
9.如權利要求7的取樣和色分離單元，其中所述數字振蕩器包括加法器和累加器。
10.如權利要求7的取樣和色分離單元，其中，所述數字振蕩器接收相位增量值，以360度周期對每一色度樣本累加相位增量值。
11.如權利要求7的取樣和色分離單元，其中所述解調器包括在第一數據通道提供第一色差信號的乘法器和低通濾波器，以及在第二數據通道提供第二色差信號的乘法器和低通濾波器。
12.如權利要求7的取樣和色分離單元，其中所述複合視頻信號為NTSC信號，這樣所述副載波信號的所述周期約為0.28微秒。
13.一種在視頻信號接收機中提供色差數據的方法，該視頻信號具有正交調製的色彩副載波信號，該方法包括下列步驟以某一取樣頻率對所述副載波信號取樣，使得在一整數加或減0.25再乘以所述副載波信號周期的時間內得到整數個樣本，由此提供色度數據；以所述取樣頻率提供相位參考值，所述相位參考值各表示所述色度數據樣本與所述副載波信號之間的相位關係，這樣每一色度樣本具有相關的相位參考值；使所述相位參考值與正弦和餘弦值匹配；將每一色度樣本乘以與該樣本相關的相位參考值匹配的正弦或餘弦值；以及對所述乘法步驟的結果進行低通濾波，由此提出所述色差信號。
14.如權利要求13的方法，其中所述取樣步驟是選擇所述取樣頻率的步驟，這樣取樣頻率接近會產生所需的每行樣本數的目標取樣頻率。
15.如權利要求13的方法，其中所述匹配步驟執行將每一所述色度樣本乘以一正弦值和一餘弦值，由此每一色度樣本提供兩個色差值。
16.如權利要求13的方法，其中所述提供相位參考值的步驟是以360度周期累加一恆定的相位增量。
17.一種視頻信號的數位電視接收機，該視頻信號具有用於色差信息的正交調製副載波信號，該接收機包括信號接口，接收和調諧所述視頻信號；取樣和色分離單元，具有模數轉換器，以某一取樣頻率對所述視頻信號取樣，這樣在一整數加或減0.25再乘以所述副載波信號周期的時間內得到整數個樣本，由此提供取樣的視頻數據；數字亮度-色度分離器，接收所述取樣視頻數據，並將所述取樣的視頻數據分成亮度數據和色度數據；數字振蕩器，以所述取樣頻率提供相位參考值，所述相位參考值各表示色度樣本與所述副載波信號之間的相位關係，這樣每一所述色度數據的樣本具有相關的相位參考值；存儲器，存儲正弦和餘弦值，使所述相位參考值與所述正弦和餘弦值匹配；以及解調器，接收所述正弦和餘弦值，以及所述色度數據，將每一色度樣本乘以正弦或餘弦值，對乘積進行低通濾波，由此提供色差數據；像素處理器，接收所述亮度數據和所述色度數據，對所述數據進行像素處理；以及幀存儲器，將所述數據提供給顯示器；
18.如權利要求17的接收機，進一步包括顯示所述數據的空間光調製器。
19.如權利要求17的接收機，其中所述取樣和色分離單元的存儲器是查找表，由所述相位參考值尋址。
20.如權利要求17的接收機，其中所述數字振蕩器包括加法器和累加器。
全文摘要
一種數字式取樣和分離單元器，用於複合視頻信號如NTSC信號的電視接收機，該信號有一色彩副載波，按本發明選定的頻率對視頻信號取樣，該頻率提供與副載波信號有一定和重複的相位關係的樣本(圖4)。結果，相位參考值可用於把樣本轉換成正確的色差值。
文檔編號H04N9/12GK1160966SQ9611250
公開日1997年10月1日 申請日期1996年9月2日 優先權日1996年9月2日
發明者史蒂芬·W·馬歇爾 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司