автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка методов и устройств ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ МЕТОДОВ ВВОДА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ.

2.1. Предпосылки создания и принцип функционирования систем ввода дополнительной информации.

2.2*. Основные требования к устройству ввода дополнительной информации и реализуемые варианты таких устройств.

2.3. Ввод дополнительной информации в телевизионный радиосигнал.

2.4. Выводы.

3. АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КОМБИНИРОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.1. Спектры обрабатываемых сигналов.

3.2. Ввод дополнительной информации в радиосигнал цветного телевидения.

3.2.1. Общие принципы.

3.2.2. Демодуляция телевизионного радиосигнала.

3.2.3. Восстановление несущей частоты.

3.2.4. Выделение сигнала яркости.

3.2.5. Формирование компенсирующего радиосигнала.

3.2.6. Искажения при вводе дополнительной информации.

3.3. Выводы.

4. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВВОДА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

4.1. Общая постановка задачи.

4.2". Основные требования к параметрам автоматических систем.

4.3. Адаптивный ввод дополнительной информации.

4.3.1. Принципы построения адаптивных систем и оценка качества комбинированных изображений.

4.3.2. Структура и алгоритм работы устройства.

4.3.3. Методы минимизации рабочей функции.

4.3.4. Моделирование работы устройства.

4.3.5. Выбор метода минимизация рабочей функции.

4.4. Выводы.

5. ВВОД ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В

РАДИОСИГНАЛ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ.

5.1. Общие принципы.

5.2. Особенности формирования компенсирующего сигнала.

5.3. Выводы.

Современное телевидение немыслимо без применения различного рода спецэффектов и комбинированных телевизионных изображений, создаваемых методом электронной рирпроекции. Это и всевозможные компьютерные трехмерные изображения, нелинейный монтаж, титры и многое другое. Их рождение в первую очередь связано с существенным увеличением художественных возможностей телевидения. Кроме того, в телевидении, которое является ведущим средством массовой информации, можно применять различные средства воздействия на зрителей. В связи с этим очень важным следует признать ввод в телевизионное изображение дополнительной информации, не связанной с содержанием основной программы. Основным видом дополнительной информации являются текстовые рекламно-информационные сообщения в виде титров.

Известные методы ввода дополнительной информации и устройства построенные на их основе (знакогенераторы, титровальные машины) предназначены для работы с телевизионным видеосигналом. В их основе лежат методы электронной рирпроекции и коммутации видеосигналов. Однако при создании устройств ввода дополнительной информации для систем распределения телевизионных радиосигналов, например, локальных кабельных сетей, такие методы и устройства практически неприменимы. В первую очередь это связано со структурой телевизионного радиосигнала, который представляет собой сложную совокупность несущих, модулированных полным видеосигнала и сигналом звукового сопровождения. Использование известных методов ввода дополнительной информации требует обязательной демодуляции телевизионного радиосигнала и решения ряда сложных технических проблем. Подобные решения характеризуются существенным снижением качественных показателей телевизионного сигнала и поэтому практически не применяются на практике. По этой причине не существует законченных устройств, способных вводить дополнительную информацию прямо в телевизионный радиосигнал, распространяемый, например, по сети кабельного телевидения.

Разработка и исследование новых методов ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал, а также создание устройств на их основе является весьма актуальной задачей. С применением таких устройств появляется возможность организовывать локальные информационные системы. Подобные системы могут использоваться для информирования в интерактивных сетях кабельного телевидения, оповещения населения при чрезвычайных ситуациях и в других целях.

Цель работы и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена вопросам исследования и разработки методов и устройств ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал без ухудшения его качественных показателей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие методы ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал.

2. Составить математическую модель метода ввода дополнительной информации, основанного на применении компенсирующего сигнала.

3. На основе предложенной модели разработать структурную схему устройства ввода дополнительной информации в сигнал промежуточной частоты конвертора головной станции системы кабельного телевидения.

4. С помощью разработанной модели устройства ввода дополнительной информации исследовать специфические искажения, присущие анализируемому методу, и предложить меры по их устранению.

5. Исследовать зависимость качественных характеристик изображения введенной дополнительной информации от основных параметров компенсирующего сигнала.

6. Разработать структурную схему и алгоритм работы автоматического устройства ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал, распределяемый по сети кабельного телевидения.

7. Рассмотреть вопросы ввода дополнительной информации в радиосигнал вещательного телевидения.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрической связи, численные методы, элементы теории оптимизации, теории систем автоматического управления и методы программирования. Применяются современные программы моделирования и поддержки математических вычислений: МАТ1АВ и Ма^САО.

Содержание работы.

В первой, вводной главе, кратко рассмотрено состояние проблемы ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал, сформулированы цели и задачи исследования. Перечислены главы диссертации и дана их краткая аннотация. .

Во второй главе рассмотрены предпосылки создания и принцип функционирования систем ввода дополнительной информации. Выдвинуты основные требования к устройству ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал и рассмотрены реализуемые варианты таких устройств. Представлен метод ввода дополнительной информации, основанный на применении компенсирующего радиосигнала и приведено его математическое описание. Рассмотрена структурная схема устройства ввода дополнительной информации в сигнал промежуточной частоты конвертора головной станции системы кабельного телевидения.

В третьей главе произведен анализ качества комбинированных изображений, получаемых в результате использования метода ввода дополнительный информации с применением компенсирующего сигнала. Рассмотрены основные искажения и предложены меры борьбы с ними.

В четвертой главе рассмотрена проблема автоматической настройки параметров компенсирующего сигнала. Разработана структурная схема и алгоритм работы микропроцессорной экстремальной адаптивной системы управления настройкой с обратным каналом. С помощью составленной модели функционирования устройства ввода дополнительной информации определена зависимость функции среднеквадратической ошибки от параметров компенсирующего сигнала. Рассмотрены методы минимизации функции среднеквадратической ошибки и выбран метод настройки автоматического устройства ввода дополнительной информации. Определены условия окончания процесса поиска.

В пятой главе рассмотрен ввод дополнительной информации в радиосигнал вещательного телевидения. На основе однолучевой модели распространения радиосигнала определена область, где происходит не искаженный ввод дополнительной информации.

Научная новизна состоит в том, что:

1. Предложена математическая модель метода ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал с использованием компенсирующего сигнала.

2. Исследованы специфические искажения, присущие данному методу, и предложены меры по их устранению.

3. Предложена структурная схема устройства ввода дополнительной информации в сигнал промежуточной частоты конвертора головной станции кабельного телевидения.

4. Введен критерий качества установки параметров компенсирующего сигнала.

5. Предложен способ автоматической настройки устройства ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал, использующий введенный критерий настройки.

6. Исследована зависимость отношения сигнала к флуктуационной помехе в области введенной дополнительной информации на экране телевизора от основных параметров компенсирующего сигнала.

7. Исследована возможность введения дополнительной информации в сигнал вещательного телевидения.

Практическая ценность:

1. Разработано устройство ввода дополнительной информации для конверторов головных станций кабельного телевидения.

2. Разработана программа моделирования работы устройства ввода дополнительной информации.

3. Разработана программа моделирования настройки автоматического устройства ввода дополнительной информации.

4. Разработан алгоритм настройки автоматического устройства ввода дополнительной информации.

5. Определена область допустимых значений основных параметров компенсирующего сигнала для получения отношения сигнала к флуктуационной помехе при вводе дополнительной информации не хуже заданного.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: на 7-ой и 8-ой научно-технических конференциях НТОРЭС имени А. С. Попова «Современное телевидение» (Москва, 1999, 2000 г.), на научно-технической конференции Международной Академии Информатизации (Москва, 1999 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 1998, 1999, 2000 г.).

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке опытного образца устройства ввода дополнительной информации для конверторов головных станций системы кабельного телевидения. Устройство было изготовлено 8 по заказу ГАО «Мостелеком» в лаборатории НИЛ-10 МТУСИ при непосредственном участии автора и демонстрировалось на выставках «Связь-Экспокомм 98», «Связь

Экспокомм 99» и «Т1ЧВЕ 99».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 печатных работах [3-15, 52]. .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для ввода дополнительной информации в телевизионный радиосигнал без ухудшения его качественных показателей следует применять компенсирующий сигнал, рассчитываемый на основе исходного сигнала яркости и сигнала дополнительной информации.

2. Критерием качества установки параметров компенсирующего сигнала должно являться значение среднеквадратической ошибки между демодулированным радиосигналом, содержащим введенный опорный сигнал, и самим опорным сигналом.

3. Для получения отношения сигнала к флуктуационной помехе более 40 дБ требуется, чтобы отклонение амплитуды компенсирующего сигнала от номинального не превышало +2.5%, а фазы ±20°.

4. При автоматической настройке устройства ввода дополнительной информации производится минимизация выбранного критерия качества, осуществляемая изменением параметров компенсирующего радиосигнала по определенному алгоритму. В качестве метода минимизации следует использовать метод координатного спуска Гаусса-Зейделя.

5. Устройство ввода дополнительной информации, построенное на основе предложенного метода, является мультисистемным и многостандартным.