專利名稱：基于dft插值的色載波起始相位恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用DFT(離散傅立葉變換)插值的方法對色載波同步信號起始相位進(jìn)行提取的技術(shù)。
背景技術(shù)：
視頻解碼的目的就是將全電視信號分解成R、G、B、行同步和場同步五種分量信號，以供電視機(jī)或監(jiān)視器顯示。為了獲得彩色信號分量，需通過色同步信號來恢復(fù)出本地色載波。在恢復(fù)色載波時，通常的方法是使用模擬色載波鎖相環(huán)路或者使用數(shù)字信號處理的方法。其中模擬鎖相環(huán)路法由于部件復(fù)雜，體積較大等多個因素，已逐步被數(shù)字法取代。數(shù)字恢復(fù)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)思路主要有兩種方案基于自動控制論的閉環(huán)鎖相環(huán)法和基于信號估計論的開環(huán)測相法。數(shù)字色載波鎖相環(huán)的實現(xiàn)較為復(fù)雜，并且對采樣頻率有要求，需要采樣頻率接近色載波頻率的整數(shù)倍，否則數(shù)字鑒相會出錯，故對于非整數(shù)倍采樣的信號，需要先重采樣至整數(shù)倍采樣的信號才能使用數(shù)字色載波鎖相環(huán)；開環(huán)法使用最小均方擬合算法對每行的色同步進(jìn)行精確鑒相，以恢復(fù)出同相的本地色載波，由于廣播電視信號的色載波頻率比較穩(wěn)定，與標(biāo)稱值很接近，故恢復(fù)時可以不對頻率進(jìn)行跟蹤而直接采用標(biāo)稱值。開環(huán)法的實現(xiàn)很簡單，但由于最小均方擬合算法采用的是最小二乘法的思想，需要解超定方程，故需要進(jìn)行矩陣運(yùn)算，不適宜硬件實現(xiàn)，并且軟件實現(xiàn)也比較費(fèi)時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供了一種在數(shù)字視頻解碼系統(tǒng)中，使用DFT(離散傅立葉變換)插值算法來提取色載波起始相位的方案。通過對色同步信號作DFT變換和對變換系數(shù)作線性插值來提取色載波起始相位，以恢復(fù)出高精度的本地色載波，達(dá)到了無需使用負(fù)責(zé)的數(shù)字鎖相環(huán)的目的，同時也避免了費(fèi)時的矩陣運(yùn)算。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，使用基于DFT插值的頻譜校正算法用來恢復(fù)本地色載波信號的起始相位 (1)、提取沒有波形畸變的色同步信號共64個采樣點(diǎn)； (2)、使用DFT變換計算第6和第7個離散頻點(diǎn)的DFT系數(shù)；設(shè)經(jīng)采樣后的色同步信號的表達(dá)式為 x(n)＝asin(2π(fc+Δfc)n/fs+θ0) n＝1～N 其中a，fc，Δfc，fs，θ0，N分別為色同步的幅度，標(biāo)稱頻率，偏移頻率，采樣頻率，初始相角，采樣點(diǎn)數(shù)。這是一個簡諧信號，為了得到色載波的起始相位，可以對其作快速傅立葉變換，根據(jù)頻譜即可得到相關(guān)信息。但在進(jìn)行離散頻譜分析時有兩個主要誤差 1)能量泄漏由于只能取有限長度的信號作分析，這就相當(dāng)于在原始信號上乘以一個矩形窗信號。矩形窗的頻譜與辛克函數(shù)相似，無限長的簡諧信號的頻譜為一沖激函數(shù)，截斷后的信號的頻譜為兩者的卷積，如圖1所示，其能量發(fā)生泄露，頻譜被展寬。
2)柵欄效應(yīng)由DFT或FFT得到的是離散譜，是以fs/N的頻率分辨率對頻域采樣的結(jié)果，經(jīng)過這種采樣所能顯示出來的頻譜僅在采樣點(diǎn)上，而不在采樣點(diǎn)的頻譜則顯示不出來。當(dāng)fs/(fc+Δfc)為整數(shù)時，為同步采樣，頻譜峰值處即為色載波的頻率，如圖1左所示；當(dāng)fs/(fc+Δfc)不為整數(shù)時，為非同步采樣，色載波的頻率將在兩個峰值之中，如圖1右(色載波非同步采樣頻譜示意圖，圖1左為色載波非同步采樣頻譜示意圖，)所示。事實上由于各種噪聲的影響，實際應(yīng)用中很難達(dá)到同步采樣。
由數(shù)字信號處理的知識可知，x(n)的DFT變換X(eiω)為 從上式可以看出，其頻譜具有線性相位。為了計算方便，色同步采樣點(diǎn)個數(shù)應(yīng)為2的整數(shù)次方，64為最優(yōu)值。
所需DFT變換點(diǎn)的序數(shù)是這樣計算的因采樣率為50MHz，所以頻譜分辨率為0.78125MHz，而色載波頻率為4.43361875MH，所以頻譜的真實譜峰在第6個和第7個離散頻點(diǎn)之間，并更接近第7個離散頻點(diǎn)。設(shè)其與第6個頻點(diǎn)的歸一化間隔為δ，顯然0<δ<1?？傻玫?和第7個譜點(diǎn)的幅度為 接著利用這兩個系數(shù)進(jìn)行進(jìn)行線性插值計算。
對分母進(jìn)行泰勒展開得到近似表達(dá)式 兩者相除可得 其中 于是使用DFT插值法得到的起始相位估計值為 由于只需得到指定頻率位置的相位，所以只需計算兩個DFT系數(shù)，故沒有必要采用快速FFT算法，而直接采用DFT算法。在硬件實現(xiàn)時只需要用四個乘累加器。
在進(jìn)行相位估計時，為了盡量提高精度，需要對作DFT變換的色同步數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，首先選擇色同步脈沖串中間的數(shù)據(jù)，避免上升沿和下降沿引起的幅度畸變造成估計失真；其次使用幅度為最大值一半左右的采樣點(diǎn)作為估計起始點(diǎn)，這樣就可以保證起始相位處在可高精度估計的范圍之內(nèi)。
得到本地色載波的起始相位后，即可恢復(fù)出本地色載波，接著可以對色度信號進(jìn)行解調(diào)，濾除高頻分量的低通濾波器的截止頻率可取為0.6MHz或1.3MHz。在得到Y(jié)UV三分量后，送入矩陣變換器中，就可以得到可供顯示的RGB三色信號。
本發(fā)明的有益效果是由于沒有使用色載波恢復(fù)鎖相環(huán)路，故對采樣頻率沒有要求，并且無需進(jìn)行矩陣運(yùn)算，能夠進(jìn)行高清解調(diào)；具有結(jié)構(gòu)簡單、適用面廣、運(yùn)算方便、易于軟硬件實現(xiàn)、解調(diào)精度相對較高、能夠迅速跟蹤信號變化等優(yōu)點(diǎn)。
四

圖1為本發(fā)明中的色載波同步和非同步采樣后的離散頻譜比較示意圖。
圖2為本發(fā)明中的算法的應(yīng)用框圖。
五具體實施例方式 本發(fā)明中的算法在彩色數(shù)字視頻解碼系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖如圖2所示。
1、如圖2所示，根據(jù)視頻信號的時序，得到每行色同步門脈沖作為色同步提取模塊5的使能信號4，使能信號4的起始位置應(yīng)距色同步起始位置一個周期以上，共提取色同步64個采樣點(diǎn)。
2、如圖2所示，對色同步信號作2輸出DFT計算6，即用四個乘累加器計并行計算第6和第7個DFT系數(shù)。
3、如圖2所示，接著通過線性插值計算模塊7對得到的系數(shù)進(jìn)行插值計算得到每行色同步的起始相位8，計算過程如第三部分所示。
4、如圖2所示，使用起始相位8通過逐行倒相開關(guān)恢復(fù)模塊13恢復(fù)出每行的偏置相位9，計算過程如下所示 恢復(fù)PAL制逐行倒相開關(guān)信號palsw的方法是當(dāng)?shù)趎行是NTSC行時，色同步起始相位為

則第n+1行為PAL行，色同步起始相位為

根據(jù)PAL制原理可知，所以偏置相位為0；當(dāng)?shù)趎行是PAL行時，同理偏置相位為π。
5、如圖2所示，起始相位8疊加上偏執(zhí)相位9得到數(shù)控振蕩器10的振蕩起始相位，使用標(biāo)準(zhǔn)頻率作為數(shù)控振蕩器10的振蕩頻率，最終恢復(fù)出本地色載波。
數(shù)控震蕩器的實現(xiàn)公式為 其中fc，fs，

分別為色同步的標(biāo)稱頻率，采樣頻率，估計初始相角。
6、如圖2所示，使用本地色載波對來自黑白解碼部分1的色度信號3進(jìn)行正交解調(diào)，經(jīng)過低通濾波器9、11解調(diào)出U、V色度分量。正交解調(diào)的過程為 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)) 將上式所得通過低通濾波器，即可得到U和V。
7、如圖2所示，結(jié)合來自黑白解碼部分1的亮度信號2，即Y分量，將YUV分量送入矩陣變換器12中，得到以供顯示的RGB三分量。
權(quán)利要求
1.基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，其特征是(1)、提取沒有波形畸變的色同步信號共64個采樣點(diǎn)；
(2)、使用DFT變換計算第6和第7個離散頻點(diǎn)的DFT系數(shù)；設(shè)經(jīng)采樣后的色同步信號的表達(dá)式為
x(n)＝asin(2π(fc+Δfc)n/fs+θ0) n＝1～N
其中a，fc，Δfc，fs，θ0，N，n分別為色同步的幅度，標(biāo)稱頻率，偏移頻率，采樣頻率，初始相角，采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)的序數(shù)。為了得到色載波的起始相位，對其作傅立葉變換，根據(jù)頻譜即可得到相關(guān)信息，但在進(jìn)行離散頻譜分析時存在兩個主要誤差。
x(n)的DFT變換X(eiω)
(3)、使用線性插值計算起始相位上述頻譜具有線性相位，色同步采樣點(diǎn)個數(shù)應(yīng)為2的整數(shù)次方，64為最優(yōu)值；當(dāng)采樣率為50MHz，頻譜分辨率為0.78125MHz，而色載波頻率為4.43361875MH，所以頻譜的真實譜峰在第6個和第7個離散頻點(diǎn)之間，并更接近第7個離散頻點(diǎn)，設(shè)其與第6個頻點(diǎn)的歸一化間隔為δ，顯然0<δ<1；得第6和第7個譜點(diǎn)的幅度為
對分母進(jìn)行泰勒展開得到近似表達(dá)式
和
兩者相除得
其中
于是線性插值得到的起始相位估計值為
只需得到指定頻率位置的相位，故只計算兩個DFT系數(shù)，直接采用DFT變換。
2.由權(quán)利要求1所述的基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，其特征是在硬件實現(xiàn)時只需要用四個乘累加器。
3.由權(quán)利要求1所述的基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，其特征是在進(jìn)行相位估計時，對作DFT變換的色同步數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，首先選擇色同步脈沖串中間的數(shù)據(jù)，避免上升沿和下降沿引起的幅度畸變造成估計失真；其次使用幅度為最大值一半左右的采樣點(diǎn)作為估計起始點(diǎn)，這樣就可以保證起始相位處在可高精度估計的范圍之內(nèi)。
4.由權(quán)利要求1所述的基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，其特征是得到本地色載波的起始相位后，可恢復(fù)出本地色載波，接以對色度信號進(jìn)行正交解調(diào)，濾除高頻分量的低通濾波器的截止頻率可取為0.6MHz或1.3MHz。在得到Y(jié)UV三分量后，送入矩陣變換器中，就得到可供顯示的RGB三色信號。
全文摘要
基于DFT插值的色載波起始相位恢復(fù)方法，(1)提取沒有波形畸變的色同步信號共64個采樣點(diǎn)；(2)使用DFT變換計算第6和第7個離散頻點(diǎn)的DFT系數(shù)；(3)使用線性插值計算起始相位上述頻譜具有線性相位，色同步采樣點(diǎn)個數(shù)應(yīng)為2的整數(shù)次方，64為最優(yōu)值；計算兩個DFT系數(shù)，直接采用DFT變換。本發(fā)明應(yīng)用于對視頻信號進(jìn)行數(shù)字彩色解碼的情況，無需使用色載波恢復(fù)鎖相環(huán)路或者矩陣運(yùn)算，使用乘累加器計算所需的兩個DFT系數(shù)，接著通過線性插值恢復(fù)出本地色載波信號的起始相位，以進(jìn)行高精度的色調(diào)解調(diào)，具有結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，運(yùn)算快速，適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04N9/44GK101370147SQ20081015655
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者沈慶宏, 波 肖, 都思丹, 濤 韓, 黃勇才 申請人:南京大學(xué)