（电气工程专业论文）电视广播中重影消除技术运用与研究.pdf

电视广播中重影消除技术运用与研究 摘要 几十年来，电视广播中的重影问题是烦人的问题之一，电视重影现象可视为回波干 扰或者信道弥散现象，对模拟和数字广播、通信的质量产生很大的损伤。近年来消重影 技术己发展到采用均衡技术进行滤波和补偿阶段，它将消重影技术与均衡改善画质技术 结合进行图像处理。 本文主要围绕电视广播中的重影消除与自适应均衡这一主题，遵循低压低功耗设计 的基本原则，研制了视频重影消除均衡s o c 芯片。本论文的主要工作体现在以下三个方 面： 1 设计了一种基于小波预处理g c r 的重影消除系统。在进行信道估算前，先对参考 信号进行小波去噪，再确定滤波器各抽头系数，数字化的信号然后被i 瓜和f r 滤波器进 行去重影处理。采用该方法可以降低滤波器的抽头数，缩减重影消除系统的硬件要求， 芯片的功耗也大大降低。采用该方法后，不但缩小了滤波器的训练时间，而且可以快速 跟踪时变信道，大幅度降低了系统对硬件资源的要求，有着独特的优越性，在数字移动 通信中具有重要的意义。 2 研究了均衡器的结构设计，设计了一种分组活动抽头均衡器。在此基础上，设计 了一款用于视频均衡的数字滤波器芯片，可完成信号的自适应均衡功能，采用c h a n e d3 3 伏电压、o 3 5 岬c m o s 工艺生产制造，滤波器的有效面积为5 6m m 2 ，该滤波器可消除重影 ( 回波) 的范围是一6 1 5 s + 4 1 6 u s 。 3 详细的研究了重影消除s o c 芯片的功能设计与结构设计，芯片集成了d s p 控制器、 存储器、同步检测器、d a 、d 及用户编程。整个s o c 芯片采用3 3 v 电源电压、o 3 5 u m c m o s 工艺生产制造；在典型工作频率下最大功耗为1 3 w ，采用8 0 p i n 的m q f p ( m e t c q u a df l a tp a c k a g e ) 封装，封装前的裸芯片( 包括p a d 在内) 的尺寸为1 4 m mx 2 0m m 。 详细设计了以下几个芯片模块： ( 1 ) 设计了一种l o 位1 5 0 m h z 流水线型a d c ，其有效面积为2 8 m m 2 ，通过采用动 态比较器，大大降低了电路的功耗。在采样保持电路中使用一种新颖的自举( b 0 0 t s t r a p ) 开关，减小了失真，使得电路在输入信号频率很高时仍具有很好的动态性能测试结果 表明，积分非线性误差和微分非线性误差分别为1 1 5 l s b 和o 7 5 l s b ，在1 5 0 删s 采 样频率下，对8 0 m h z 信号转换的无杂散动态范围为5 2 4 d b ，功耗为9 7 m w 。 l i 博士学位论文 ( 2 ) 设计了一种l o 位2 0 0 碉电嚷流舵d a c ，采鹰了“6 4 ”韵分段式结构帮薪型的开关策 略，d a c 的有效面积为0 9 lm m 2 。测试结果表明，最大积分非线性误差和微分非线性误差 分剐为o 2 l s b 器0 3l s 8 。在2 0 0 m h 蕊采样频率下，对1 0 0 m 信号转换的无杂散动态 范围( s f d r ) 为5 5 d b ：在3 3 v 工作电压，2 0 0 删s 采样频率下，芯片的功耗为8 2m w 。 ( 3 ) 设计了s o c 中的片上锁相环时钟产生器，在电源电压为2 5 3 3 v ，温度为o 7 5 间性能良好，锁定时间小于6 呻，可以在1 0 7 5 m h z 范围内稳定工作。 最后，对本论文的工作进李亍了总结。 关键词：蓬影消除器，自适应均衡，s ，数模转换器，模数转换器，相位锁相环 i 电视广播中重影消除技术运用与研究 a bs t r a c t o v e rt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e s ，曲o s t sa r eo n eo ft h e 锄n o y i n gp r o b l e m si 1 1t e l e v i s i o n b 珞醛c a 鲳。蕊。建sc 雒b e s e e 纛鑫se c 幻e s 甜c h 锄羲e l 式蹿e 珞i o 秘。嚣拶e 采d 嬲a g eo 曩l k q u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n i na n a l o ga n dd i g i t a lb r o a d c a s t i n g i nr e c e my e a r s ，t h et e c l l i l i q u eo f & 醴。鼓魏豁b e e 娃d e v e l 。p 醚嚣鑫l ( e s 甜垤嬲砭弦醴曲。蛙e 鞠l i 纛g 瑟纛q u 鑫l i z 撕。蕤。 n i sd i s s 叭撕o nf o c u so nt h et h e m ea b o u t 曲o s tc a n c e l l a t i o na n da d a p t i v ee q u a l i z a t i o no f 量震e 蛾s i o 蕤b r 。醚强虹略鞠d 南l l o w s 凌eb 鑫s i c 两鑫e l e so f l o wv o 廷零g e ，l o w p o w 锘纛e s 培曩。a v i d e o 曲o s tc a n c e l l e rs o c w a sd e v e l o p e d i ns h o r t ，t h em a i nw o r k s o ft h i sd i s s e r t a t i o na r e 躺 惫1 1 0 w s ： 1 d i s c l o s e di sag h o s tc a n c e l l a t i o ns y s t e mb a s e do na l le n h 锄c e dg h o s tc 姗c e l l a t i o n 糟螽鼬熊e es i g 懿鑫l 稻f i s ye 曩v i 辩娃攫e 毽s 。善kf e c 鼓v 醚鞠鑫l 嘴耄e l e v 主s i 。n 羹g 黼li s 曩域 s u b j e 咖e dt oad i g i t i z a t i o ns t e pf o rp r o c e s s i n gi nt h ed i g i t a ld o m a i n aw a v e l e td e n o i s i n g o p e 燃i q n 主s 婶p l i e d o 藏l 囊e 剜汝e n s i g 艇l 协凇瀚v eu 程d e s i r 醚鹳i s e sb e 南辩a c o m i h u n i c a t i o nc h a n n e l i se s t i m a t e ，a n dt h ef i l t e rc o e 硒c i e n t sa r eo p t i m a l l yd e t e r m i n e d t h e 纛i 醇i z e de o 哪o s i l es i 静a l s 鑫f e 专赫曲。鼗潮珏c eb y 至承麓砖f 承董主h e f s t p o w 嚣 c o n s u m p t i o na n dt r a i n i n gt i m eo f t h er e a l i z e ds y s t e ma r ed e c r e a s e d ，w h i c hi si d e a lf o rm o b i l e 蠲dp l a l f o 糯印p l i e a t b 懿。 2 t h er e s e a r c ho ne q u a l i z e rd e s i g nh a sb e e nd o n e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e e q u 龇e ro c c u 西e sl 枷e 董lh a f 如a r er e s o u r c e s ，l h i s 垂s s 蘸a t 确p f o p o s e st 鑫p d 积m a l e d e q u a l i z e rw h i c h 黟o u p st h et a p si n t od i f f i ；n ts e c t i o n s b a s e do nt h i s ad i g i t a lf i l t e rc h i p w 弱d e s 噜n e d 孙i s 曲i pp 酬融勰sl l l e 是n c 毫i o n sl i 明u i 戚岛r 甜a p 耄镧u a l i 矗n ga 赫l l a st 沁 c a i l c e l l a t i o no f 巧15 sp r e c u r s o r 曲。瓯st h r o u 曲+ 41 6p sp o s t c u r s o r 曲o s t s nw a s 汹r i c a l e di na0 3 5 岬c m o sp r o s sa n d 龇a c t i v ea 糟ai s5 。6m m 2 3 t h er e s e a r c ho ng h o s tc a n c e n a t i o ns o cd e s i g nh a sb e e nd o n e t h es o cc a np e r f o r m s 蠢ll h e 凫n c t i o n sr e q u i f e df o rg h o s le a n e e l l a t i o n ，獭p 蛀s e sd s p n 訇l l e r s 趱e m 。r y s y n d e t e 撕o n ， d ac o n v e r t e r s ，dc o n v e r t e r sa i l du s e rp r o g r a m m i n g t h ed e v i c ew a s e n c a p s u l a t e di n8 。p i nq f p a n dl h ea c t i v ea r e ap a d si n e l u d e d ) i s2 8 0 m m 2i nao 35 u m c m o s p r o c e s s ，o p e r a t i n gw i t h3 3 vp o w e rs u p p l i e sa n dd i s s i p a t i n g1 3 wa ta r a t eo f1 4 31 8 i v 博士学位论文 池( 4 f 嗡s e v e 嘲b l o c k so f t 量l i ss o ea f e 雕s e n t a s 岛l l o w s ： ( 1 ) a1 0 - b i t ，15 0 m s a m p l e s sp i p e l i n e da d cw a sp r e s e n t e d t h ep o w e ro f t h ea d ci s r 醯u 硎b yu s i n gd y n a m i cc o m p a r a t o r s t ka d ch a sl l i 曲d y 黻m i cp e 娲蕊a n w k nl 赫 i n p u t 舶q u e n c yi sh i g h e rt h 孤t h e 观m p l i n g 疗e q u e n c yb yu s i n gab o o t s t r a p 刚i t c hi nt h e s 锄p l e 雒d 酶l da m p l i f i e r ( s h a ) 。拍ea d cw a s 蠡b r i 饿酣i nao 。3 5 岬c m o sp 硒c e s sa n d t h ea c t i v ea r e ai s2 8m 秆t h e 雠a s u r e di l n q 酬a n dd i 脯r e n t i a ln o n l i n e 撕t y r so ft h e a d c 鑫tl h e 血材s a m p i i n gf a t ea 糟l e s s 斑黼1 1 5l s b 鞠do 7 5l s b ，r e s p e 舐v e l y 愈a 鼢m p l i n gr a t eo fl5 0m s a m p l e s i ta c h i e v e sap e a ks n d r o f5 2 。4d bf o r 柚i n p u t 弱e q u e n c y o f 8 0 瑚陇。t h ep 翻耐撬s s i p a t i 鳓i s9 7m w ， ( 2 ) al0 山i t2 0 0 m h zc m o sc u r r e n ts t e e m 塔d a cw a sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e dd a c i sc o 删o s e do fau n i td e d 甜m a t r i x 南1 6m s b sa 删ab i n a 哆w e i 曲l e d 觚r a y 螽r4l s b s an e w s w i t c h i n gs c h e m ef o ft h eu n i td e c o d e dm a t r i xi sd e v e l o p 耐t oi m p r o v el i n e a “t yf h r t h e f r h el n e a s u r e dd i f j f ；e r e n t j i dn o n l i n e a “l y ( d i l ，) a n di n t e g r 蠢n o n l i n e a l 蚵( i n i ，) a r eo 3l s b a i l do 2l s b ，r e s p e c t i v e l y 。t h ec o n v e r t e ra c h i e v e sas p u f i o u 鼬行e ed y n a m i c 踟g e ( s f d r ) a b o v e5 5d bo 州al o o 一b a n d w i d t h t h ec i r c u i t i sf a b r i c a t e di nao 3 5 岬c m o sp r o c e s s 觚do c c u p i e so 。9 lm m 2 w h e no p e r a t i n ga t2 0 0m s 嬲l p l “s i td i s s i p a t e s8 2m w 舶m a3 3 v p o w e rs u p p l y ( 3 ) t h el n p u tr 彘燃c ec l d c ka n dp l lo f t h es o cw e r ea l s od e s c r i b e d 。t h ep uw a si n g o o dp e r l 晒r m a n c ew h e nt h ep o w e l s u p p l yv o l t a g ew a sb 娟e e n2 5 va n d3 3v ，孤dt h e t e m p e f 捆】f ew a sb e t w e e no a n d7 5 t h el o c kt i m e sa f eb e l o w6 “s 。 t h ec l o e kl o c k r a n g es p a n s 矗o ml ot o7 5m h z ac o n e l u s i o na n dp r e 辩n lw o r ka r e 西v e 魏a tt h ee n c lo f t h ed i s s e f l a t i o n ， k e y w o r d s ：( m o s tc a i l c e l l e r a d a p t i v ee q u a l i z e r ， s o c ，d a c ，a d c ，p l l v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取雩寻的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：黄焱荚曰期：础年伊月f 胡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采甩影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：长敬类 导师签名： 躁期：辟霸7 阳 日期：删年，月，天曰 博 二学位论文 第1 章绪论 近年来，由于数字技术、计算机技术和超大规模集成电路制造技术 的发展并在电视广播领域中应用，将重影消除与自适应均衡技术提高到 一个新的阶段，并为重影消除的研究进入实用阶段提供了新的途径。本 文研究了电视广播中重影消除技术应用，设计出一款高度集成的重影消 除s o c 均衡芯片，旨在减轻接收模拟电视信号时的图像重影、即“鬼影 现象，广泛适应于液晶电视、p d p 电视、内置电视功能的电脑和d v d 录像 机等影像产品。 本课题的研究获得国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 7 0l0 ；n o 5 0 6 7 7 0 14 ) 及教育部新世纪优秀人才支持计划( n c e t 0 4 0 7 6 7 ) 等资助。 1 1 研究的背景和意义 几十年来，电视广播中的重影问题是烦人的问题之一，电视重影现 象可视为回波干扰或者信道弥散现象，对模拟和数字电视广播、通信的 质量产生很大的损伤。电视传输通道存在的多径效应是损伤电视接收图 像、影响电视质量的一个重要因素，尤其随着现代化城市建设的高速发 展，高层建筑群的不断增多，使得重影干扰日益严重。重影的存在使显 示在屏幕上的图像不清晰，屏幕越大其影响也越大，重影的存在对图文 电视和高清晰度、超高清晰度电视会造成信息误码，使传送的信息难以 正确复原。因此，无论是过去的广播电视系统、有线电视系统或现在的 高清、超高清晰度电视系统，重影干扰都是急待解决的重要课题【l 卜2 0 j 。 由于电视重影出现的多样性和随机性，使得表征重影特性的参数随着接 收地点、接收频道、环境、天气等因素变化而难以预测。因此，用于电 视重影消除的横向数字滤波器不同于数字信号处理中常规的一阶、二阶 滤波器，它是一个对信号参数进行实时估计检测，并实时调整抽头系数 进行自适应滤波的过程。该横向滤渡器是传输通道的反滤波，它的建立 和构成依赖于由传输通道形成的重影的特征参数，故对多径传输通道进 行估计、检测，从而获得重影的特征信息是保证重影消除效果的主要条 件。 多径传输形成的重影是原信号经不同的反射途径产生的，因此可看 成是原信号的延时、衰减和变形。不同的反射条件形成的重影也是多种 f 乜视厂播中蕈影消除技术运用j 研究 多样酶，如：有莳重影、盾重影、正重影、负重影等，骚普通的重影是 由靓则的平_ 西反射形成，这时的重影是主信号衰减和移位鑫的“复制”晶； 当不满足戳上条徉时焉不熊出现非“复制”最；在比较复杂薛厦射情嚣下 重影会因有相位失真并可伴随各种各样的撤曲和变形；有时还可能出现 难以溃除的菲线性失真。过去对重影攘除着眼于消除“复裁”重影，采用 将主信号延时、衰减后相减抵消的方法，因此对重影消除参考信号的要 求仅是反映重影的鼹个特征参数：强度帮延时。近年来消重影技术已发 展到采用均衡技术进行滤波和补偿的阶段【2 ，它将消重影技术与均衡改 善画质技米结合进行图像处理，经均衡处理后豹图像不毽消除了重影且 茴质褥到改善，这时对重影消除参考信号也键盘了更高的要求。 表1 。 抗重影千扰所要研究的课题 从原理上讲，消除重影可在嵩频或基带上进行，但黼蘸的数字技米， 浅无法工作在高频波段，只熊在圈像信号同步检波之后的视频基带上进 行。既然重影是由直射波和反射波延时叠加形成的，那么把直射波延迟 褶网的时间，并衰减到与反射波相同鳃幅度，再与反射波反捆榴舰就可 消除重影。瘦子反射波酶多少、延迟时阆、衰减系数是隧天线方岛和接 收机位置而变化的，因而，必须用多抽头延时线、可变增益乘法器和加 法器组成的横向滤波器来适应产生重影的各种环境。抽头间距越短，抽 头越多，电路的适应麓力就越强，但成本会越高。要使横向滤波器正常 工佟，必须精确逸测窭反射波酶延迟量帮幅囊的吾分魄，实时渭整楣 2 博卜学位论义 应的各个可变增益乘法器，其工作由基准产生器、重影检测器和增益控 制器完成，这种自动消除重影的电路口l l 做自适应横向滤波器，能有效地 消除多重反射引起的严重重影，达到人眼几乎觉察不出的程度。 在数字通信和数字电视中，数据被调制在射频上并在空中或者经电 缆传输。同在地面或在电缆中的模拟电视传输一样，同样的重影或回波 将污染数据流。这种重影、回波或者弥散具有确定的特性，并象在模拟 传输信道中一样( 回波延迟范围、回波相位和回波强度等的同样统计) 对 信号有损伤，该损伤将导致由符号间干扰( i s i ) 所产生的大量比特误码。 在数字数据流中的信道保护码能够减少由符号间干扰( i s l ) 所产生的 比特误码，但是，无论是技术理由或是系统原因，该信道保护码通常是 不能为了校正由于l s i 或回波所产生的误码而设计的。从系统角度来看， 信道码通常是用于抵制附加噪声污染而使用的，如果信道码的容量正好 使用到高于i s i 则信道便变得易受损伤。因此，对于i s i 去除的解决办法 是使用g c r 进行重影消除并在数字接收机中进行均衡。 1 2 研究的目的 多径干扰又称回波干扰，可导致符号间的干扰，引起误码，在模拟 电视中，则引起重影( g h o s t ) 【4 2 4 4 儿5 5 - 6 引。重影( 回波) 消除的基本思想是 估计多径路径的特征参数，产生一个模拟的多径路径j 得出模拟多径信 号，从接收信号减去该信号，实现重影消除。 多年来，许多电视工作者和科学工作者对消除或减轻重影干扰进行 着不懈的探索【5 儿1 2 儿1 5 】【1 6 】f l9 儿4 1 儿1 0 6 儿1 0 9 113 1 ，为研制出性能良好、价格便宜、 使用方便的重影消除系统而努力。随着数字技术、计算机技术和超大规 模集成电路制造技术的发展并在电视领域中应用，出现了采用横向数字 滤波器、c p u 、存储器及波形处理器等自适应重影消除系统 f 4 5 】1 5 5 5 9 儿6 1 6 4 】f 1 0 2 1 0 4 1 ，将重影消除技术提高到一个新的阶段，并为重影消 除的研究进入实用阶段提供了新的途径。 文献【5 6 】利用相关估计算法和多径拆分算法配制预滤波器参数的预 滤波式均衡器结构非常复杂，计算量大；文献【5 7 】提出了带删除抽头的分 层结构的均衡器，它能大幅度的压缩均衡器的硬件规模，但滤波系数无 法实时更新；文献【58 】采用小的数模混合i c 计算滤波系数，设计了仅适 合硬盘驱动的模拟自适应反馈判决均衡器：文献【5 9 】采用全数字工艺设计 的均衡器芯片，其分辨率最高只有8 位，无法满足视频系统高分辨率的 要求。 电视广插中蘑影消除技术运用一j 研究 本文的舀的是研究电视广播中重影消除技术应用，设计出一款旨在 减轻接收模拟电视信号时图像重影、即“鬼影现象的芯片，主要亟向 液晶电视、p d p 电视、内置电视功能的电脑和d v d 录像机等影像产品。 要求将一个重影抑制器系统所必需的所有功能( 如a d 转换器、d a 转 换器、微控制器、时钟发生器稆s r a m ) 集成在一个芯片上。芯片可与 t t l 兼容( 5 vt o l e 豫娃t ) ，能消除6 15 u s + 41 6 h s 的回波( 重影) ，具有 lo 位精度，电源电压3 3 v 。要求起动约1 2 秒之后减轻重影现象的功能 即开始发挥作用，能兼容所有g c r 信号标准。 1 3 本文的主要内容及结构安排 1 3 1 本文的主要内容 本文主要围绕电视广播中的重影消除与自适应均衡这一主题，遵循 低压低功耗设计的基本原则，研制了视频重影消除s o c 芯片。具体工作 如下； ( 1 ) 设计了一种基于小波预处理g e r 的重影消除系统。在进行信道估 算前，对参考信号先进行小波去嗓，再确定滤波器各抽头系数，数字他 的信号然后被i i r 和f i r 滤波器进行去重影处理。采用该方法可以降低 滤波器的抽头数，缩减重影消除系统的硬件要求，芯片的功耗也大大降 低。采用该方法后，不但缩小了滤波器的训练时间，而且可以快速跟踪 时变信道，大幅度降低了系统对硬 孛资源的要求，有着独特的优越性， 在数字移动通信中具有重要的理论和实际意义。 ( 2 ) 研究了均衡器的结构设计，设计了一种分组活动抽头均衡器。在 此基础上，设计了一款用于视频均衡的数字滤波器芯片，可完成信号的 自适应均衡功能，可消除凰波躺范困是6 15 箨s + 4 1 6 s 。 ( 3 ) 详细的研究了重影消除s o c 芯片的功能设计与结构设计，芯片集 成d s p 控制器、存储器、同步检测器、d a 、a d 及用户编程。重点研 究了lo 位l5 0 m h z 流水线型a d c 设计、lo 位2 0 0 m h z 电流舵d a c 设计 以及s o c 中的片上锁檑环时钟产生器设计。 l 。3 。2 本文的结构安排 文章结构拟安排如下： 第1 章绪论 介绍本文的研究背景以及研究的目的。 第2 章预备知识 4 博_ i ：学位论文 简要讨论重影消除和自适应均衡的关键技术。 第3 章基于小波处理的重影消除系统设计研究 本章首先简要讨论几种常用的小波去噪方法，然后提出了一种基于 小波预处理g c r 的重影消除系统设计，对降低滤波器的抽头数，缩减重 影消除系统的硬件要求以及降低芯片的功耗有着独特的优越性，具有重 要的理论和实际意义。 第4 章自适应均衡器设计研究 为了大幅度压缩硬件规模，节省芯片面积，本章设计了一种分组活动 抽头均衡器以及一种滤波器系数自适应更新方法。在此基础上，第二节 提出了一种用于视频均衡的数字滤波器设计，该芯片可消除重影( 回波) 的范围是6 15 斗s + 41 6 “s 。 第5 章视频重影消除s o c 芯片的设计研究 本章详细的研究了重影消除s o c 芯片的功能设计与结构设计，芯片 集成了d s p 控制器、存储器、同步检测器、d a 、a d 及用户编程。 结束语 全文总结和进一步的工作。 电视广播中重影消除技术运用。i 研究 第2 章预备知识 本章第一节简要讨论了重影消除的三个关键技术，分别为重影消除 滤波器的设计、重影消除基准信号的制定以及滤波器系数运算法的设计。 本章第二节简要讨论了自适应均衡技术。 2 1 重影消除关键技术简要概述 2 1 1 前言 几十年来，电视广播中的重影问题是烦入的问题之一，电视重影现 象可视为回波子扰或者信道弥散现象，对模拟和数字广播、逶信的质量 产生很大的损伤。随着信号处理和微电子学的发展，消除电视中的重影 或者校正弥散的信道已成为可能。重影消除不仅能消除或者减轻电视接 收中的重影，而且通常还能均衡整个信道以传输接近演播室质量的电视 图像。在数字通信中，原则上重影消除能消除或者能减轻信道的弥散， 有效地减少由于符号间干扰( i s i ) 所产生的误码并提高通信的可靠性。 过去对重影消除着眼于消除“复制”重影，采用将主信号延时、衰减 后相减抵消的方法，因此对重影消除参考信号的要求仅是反映重影的两 个特征参数：强度和延时。近年来满重影技术己发展到采用均衡技术进 行滤波和补偿阶段，它将消重影技术与均衡改善画质技术结合进行图像 处理，经均衡处理后的图像不但消除了重影且画质得到改善，这时对重影 消除参考信号也提出了更高的要求。 从技术角度看，重影消除器可被看成是在数据通信领域的信号传输通 道均衡技术的应用，但它又与数字信号的均衡不一样。它所需特有的技 术可归纳为如下三点：( 1 ) 重影消除滤波器的设计；( 2 ) 重影消除基准信 号( g h o s tc a n c e l l a 毫i o nr e r e n c e ：g c r ) 的制定；( 3 ) 滤波器系数运算法的 设计。本节重点围绕上述三点关键技术遴行简要讨论。 2 。1 2 重影消除原理 重影干扰是由于电视的广播波中叠加了忐建筑物等形成的反射电波 而产生的接收干扰。由于反射波一般都具有时间滞后性，故电视画面上 会出现多重图像( 重影) 。当接收点的直达波与反射波的入射角较小时，要 透过天线去除反射波很困难，必须采用重影消除器进行信号处理。 6 博t 字位论文 由于重影信号中混有正交成分，故解调后的视频信号的形状一般很 复杂。但是，重影是由于叠加了主信号延迟后的部分所产生的，且由于 地面广播中所采用的是残留边带振幅调制( v s b a m 传输) ，解调部分不存 在原理性的非线性要素( 实际上，问题在于检波器的非线性) 。因此，从原 理上说，即使在视频级，重影信号也可看作是线性失真。 假设现有聆个重影，那么解调视频信号x 俐可用同相成分p 俐以及正交 成分表示如下： l x o ) = p o ) + q 【p ( r 一靠) c o s 吮+ g o 一吒) s i i l 级】 ( 2 1 ) 七= l 其中，吼为重影的大小； 以为重影的延迟时间； 以为重影波与直达波的相位差。 将( 2 1 ) 式作傅里叶变换后，得到下式： y ( 缈) = p ( 缈) + p ( 国) 口七p 一7 胛+ q ( ) 瓯g 一7 钎 ( 2 2 ) 七= l七一l 在式( 2 2 ) 中：q = 吼c o s 纯，瓯= 吼s m 吮；正交成分q ( _ 国) 则是将同相成 分p ( 国) 作为通过v s b ( 残留边带) 滤波器矿( ，彩) 后的成分加以定义的，式 ( 2 2 ) 还可以变形成下式： y ( ，缈) = p ( j f 国) + 【( 吼+ 6 七矿( _ ，国) ) p 一胁】尸( 缈) = 【l + g ( _ ，缈) 】尸( ，缈) ( 2 3 ) 七= l 式( 2 3 ) 中的g ( 彩) 表示从基带看到的重影发生部分的频率特性因此， 只要求出g ( 歹缈) ，并拥有 日。( 缈) = 【l + g ( - ，) 】叫( 2 4 ) 这种特殊的滤波器，就可从解调视频信号x ( ，国) 获得需要的信号 p ( _ 国) ，式( 2 4 ) 中具有日( 歹缈) 特性的滤波器称为重影消除滤波器。 由于重影消除滤波器必须适应各种重影的形状，故需采用系数可调 的横向滤波器才能构成。此外，为使信号接收侧获得g u ) ，要在视频信号 的帧回扫线期间插入g c r 信号。 2 1 3 重影消除滤波器的结构 消除重影用的横向滤波器的一大特点是抽头数多。因重影的存在范 围一般为2 “s 至+ 4 0 s ，若要将此范围全部覆盖，需要上千个抽头，一般 由数字电路来实现【2 2 1 。 f i r 结构与i i r 结构 根据横向滤波器的不同连接方法，构成重影消除滤波器有f i r 和i i r 7 电视厂撩中审蟛消除技术运用研究 这蘸种结构。他们应具备的特性丑( 缈) 可由以下公式分别求出： f 歹炎：嚣( 歹国) = g ( 歹国) 一g ( 歹国) 2 + g u 国) 3 + ( 2 。5 ) 盯r ：日( 国) = g ( 歹缈)( 2 6 ) 从式( 2 5 ) 可知，f 豫结构对具有某种延迟量的重影g ( 彩) 来说，横向滤波 器搿( 歹国) 必须具备2 倍、3 倍于其延迟量的特性。当横向滤波器的长度不足 应付这些延迟量时，就会产生被称为次重影的2 倍、3 倍长度的派生重影。 而，他结构中，( 国) 与g ( 歹融) 相等，若配备与重影延迟长度相等的横向滤 波器，就不会产生次重影。因此，实际的重影消除器多采用r 结构。由于r 结构设置有反馈回路，故需注意已形成的滤波器特性的稳定性问题，具 体的说，前提是再名面的极点必须在左半平面。不过，目前已有人提出 采用下式作为简便的判别方法： y 虹i o 是尺度因子，f 反映位移，其值 可正可负，而吖o ) = 去 f ，l 等j 是基本小波的位移和尺度伸缩。若八口、 f 均为连续变量，则称式( 3 1 ) 为x ( f ) 的连续小波变换。 由定义可知，连续小波变换是一种积分变换，但是它又不同于f o u r i e r 积分变换。其中有许多的不同之处，最重要的是，小波基具有尺度a 、时 间位移f 两个参数，尺度因子a 越小，时闻窗越小，而在频域上相当于用 高频小波做细致观察，尺度因子a 越大，时间窗越大，丽在频域上相当 于用低频小波做概貌观察，因此将函数在小波基下展开，就意味着将一 个时间函数投影到二维的时间尺度相平面上，并且由于小波基本身所具 有的特点，将函数投影到小波变换域后，有利子提取函数的某些本质特 征。另外，与f o u r i e r 基不同的是，尺度和时移均连续变化的连续小波基 函数形成了一组非正交的过渡完全基，这就意味着其任意函数的小波展 开系数之闻有一个相关关系。 连续小波变换的系数具有很大的冗余量。从节约数据量来说，这是 它的缺点之，但是从另方面来说，我们可以利用连续小波变换的冗 余性实现去噪和数据恢复的目的。例如我们可以利用小波系数的一个子 集重构原信号，这样可避免噪声大的连续小波变换系数区域，对提高抗 噪声能力及进行数据恢复等十分有利，从这一方面看来，冗余性又成了 连续小波变换的一个优点。 任何小波都必须存在逆变换才有实际意义。对连续小波变换而言， 我们可以证明，若采用的小波满足允许条件，则其逆变换存在，也即根 据信号的小波变换系数就可以精确地恢复原信号。连续小波变换的逆变 换公式如下： 垧= 专f ”字胍q 帆必如= 专f ”亨e 暇g 力去( 等户f ( 3 2 ) l ，、1 2 i 沙协彩j i 其中，勺= f 。l = 妇 d 及麒次多项式p n 俐，使得 矿( x ) 一见 一而) l 4 k 一r ( 3 9 ) 对于x ( 一坑+ 万) 成立，则称在x 8 点是五咖的。 l s 博 ：学位论文 函数在某一点的l i p 指数表征了该点的奇异性大小。a 越大，该点的 光滑度越高，口越小，该点的奇异性越大。函数在某一点可导，它的口之，； 函数在某点不连续但其值有限，则d s 口5j 。对一般信号而言，它的口芝d ； 脉冲信号的口= 一j ；白噪声的口 o j 。 在尺度s 下，若坛瓯有 l 町( s ，x ) i i 町( s ，粕) i ( 3 1o ) 则称x 口为小波变换在尺度寥下的局部模极大值点。信号，月砂的三印 指数与小波变换模极大值满足 l 0 9 2 暖，厂( ，) i l 0 9 2 七+ 弘 ( 3 1 1 ) 由式( 3 11 ) 可知，对于一般信号，由于口芝d ，小波变换的模极大值将随着 的增大而增大，而对于白噪声，由于口 d ，其模极大值随着，的增大而减 小。因此，观察不同尺度间小波变换模极大值变化的规律，去除幅度随 尺度的增加而减小的点( 对应噪声的极值点) ，保留幅度随尺度增加而增大 的点( 对应于有用信号的极值点) ，然后再由保留的模极大值点用交替投影 法进行重建，即可以达到去噪的目的。 3 1 4 几种小波去噪方法的比较 小波分解与重构法去噪：本质上相当于一个具有多个通道的带通滤 波器，主要适用于有用信号和噪声的频带相互分离时的确定性噪声的情 况。在这种情况下。该方法能基本去除噪声，去噪效果很好。但对于有用 信号和噪声的频带相互重叠的情况( 如信号混有白噪声) ，效果就不甚理 想。这种方法的优点是算法简单明了，计算速度快。若为信号的长度， 则它的计算速度是d 例。其缺点是适用范围不是很广泛，它对于特定情 况下已知噪声的频率范围且信号和噪声的频带相互分离时非常有效。对 实际应用中广泛存在的白噪声，其去噪效果则较差。 非线性小波变换阈值法去噪：主要适用于信号中混有白噪声的情况， 用阈值法去噪的优点是噪声几乎完全得到抑制，且反映原始信号的特征 尖峰点得到很好的保留。文献【2 7 】证明了用软阈值的方法去噪能够使估计 信号实现最大均方误差最小化，即去噪后的估计信号是原始信号的近似 最优估计；且估计信号至少和原始信号同样光滑而不会产生附加振荡。 该方法还具有广泛的适应性，因而是众多小波去噪方法中应用最为广泛 的一种。阈值法的计算速度很快，为d 例，其中为信号长度。其缺点是 在有些情况下，如在信号的不连续点处，去噪后会出现伪吉布斯现象，且 用该方法去噪时，阈值的选择对去噪效果有着很重要的影响。阂值的选 1 9 电视广播中重影消除技术运用与研究 择方法有多种，实际应用时应根据具体的情况来选择合适的阈值。 平移不变量夸波法去噪：主要适用于信号中滢膏自噪声且含有若干 不连续点的情况，是在阈值法基础上的改进。其优点可以有效地去除阙 值法去噪中，在信号的不连续点处所产生的伪吉布斯现象，表现出比阈 值法更好的视觉效果。从范数误差的观点看，经该方法去嗓能够得到比 阈篷法更小麴均方根误差，信噪比也得到一定地提高；缺点是计算速度 没有阈值法快。当信号长度是时，计算速度是d 洲z 毋鬈m 。 模极大值法去噪：主簧适用于信号中混有自噪声，且信号中含有较 多奇异点的情况，该方法在去嗓的同时，有效地保留信号的奇异点信息， 去噪后的信号没有多余振荡，是原始信号的一个j 常好的估计，具有较 好的图面质量。用模极大值进行重构时采用的是交替投影法，为保证重 构信号的精度，提高信噪比，通常要进行几十次的迭代，每迭代一次的 速度是0 伽o g 明。因此，计算速度非常慢，通常要比前几种方法慢数十 倍，同时利用该方法去噪，小波分解尺度的选择j 常重要。小尺度下小 波系数受噪声影响非常大，产生许多伪极值点；大的尺度会使信号丢失 某些重要的局部奇异性，因此，去噪还需要选择合适的尺度。 3 1 5 结论 通过对几种小波去噪方法的分析比较，总结出如下几点，可以为小 波去嗓方法的选择提供参考依据。 ( 1 ) 对于信号和噪声的频带相互分离的确定性噪声的去噪处理，选用 方法简单、计算速度快的小波分解与重构去噪法最为合适。 ( 2 ) 对于高斯白噪声的去嗓处理，可以选用阈值法、平移不变量法以 及模极大值法，究竟选择哪种方法应根据实际信号的特点以及这几种方法 的优缺点再作决定。阈值法豳于具有能 | 导到原始信号的近似最优估计、 计算速度快以及具有广泛的适应性等优点，是小波去噪方法中应用最广 泛的一种。一般情况下，均可选用该方法去噪。平移不变量法适用于 信号中含有若干不连续点的情况，遥常去噪性能优子阈僮法，但以牺毪 计算速度为代价。小波变换摸极大值法当信号中含有较多奇异点时去 噪性能相当好，但其最大缺点就是计算速度太慢，在应用中需权衡去噪 效果和计算速度之间的关系。 3 ) 小波去噪方法和其它方法结合使用，可能会达到更好的效果。 博l j 学位论文 3 2 一种基于小波预处理g c r 的重影消除系统设计 3 2 1 引言 多径干扰也称回波( e c h o ) 干扰【37 1 ，能导致符号间的干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ：i s i ) ， 引起误码1 3 8 - 4 1 1 ，在模拟电视中，则引起重影 ( g h o s t ) 4 2 - 43 1 。重影( 回波) 消除的基本思想是估计多径路径的特征参数， 产生一个模拟的多径路径，得出模拟多径信号，从接收信号减去该信号， 实现重影消除。现代电视传输，回波或者重影是个主要问题【4 引。 为了去除多径，恢复原始信号，需要一个重影消除参考信号( g c r ) ， 有人提出用8 场序输出法解决此问题f 45 1 ，如图3 1 所示那样，交互进出带 有和不带g c r 的信号，电视接收机对这两种信号进行加减处理后，行同 步脉冲信号与彩色同步信号及它们的重影便被消除，只剩下g c r 信号。 在图3 1 中，s1 ( + ) ，s 2 ( - ) ，s 3 ( + ) ，s 4 ( - ) ，s 5 ( 一) ，s 6 ( + ) ，s 7 ( ) ，s8 ( + ) 。其中， “+ ”表示原始g c r 信号，“”表示g c r 信号具有负极性，相应的g c r 信号 可表达如下： 1 g c r = 【( s 1 一s 5 ) + ( s 6 一s 2 ) + ( s 3 一s 7 ) + ( s 8 一s 4 ) 】 ( 3 1 2 ) 场l i n eg c r 1 ( s 1 ) 2 ( s 2 ) 3 ( s 3 ) 4 ( s 4 ) 场 5 ( s 5 ) 6 ( s 6 ) 7 ( s 7 ) 8 ( s 8 ) 图3 18 场序g c r 2 l 电视广撩中蕈影消除技术运用研究 然丽，u s p 穰 。d 。5 j2 j2 j j l 钓j 指出：该g c r 信号在噪声环境中存 在着能量不够高等性能限制，因此，需要一些特殊处理。us 尸口，。 拍。彳多霉7 2 5 2 】运用f d 髹，i g r 交换，在频域内特征讫信道，主要用来消除附近 回波和标准回波。采用该方法可以避开g c r 信号在高噪声环境中，在时域 中熊量不够高的不是。然而，为了对付快速的信道变纯，这是以增加计 算复杂性和时间为代价的。 醴s 。夕搿。o 。多j 9 矗9 3