Ricevitore televisivo numerico.

x PREFAZIONE
Secondo: e` migliore
L’architettura digitale permette operazioni di filtraggio piu` complesse e pre-
cise rispetto a quelle realizzabili in campo analogico. Queste caratteristiche
permettono di ottenere dei miglioramenti evidenti proprio dove maggiore e`
la difficolta`: la separazione del segnale di crominanza da quello di
luminanza. Le caratteristiche del nuovo filtro sono:
• adattarsi dinamicamente ed in tempo reale alle caratteristiche del
segnale in ingresso.
• sfruttare la memoria digitale per un filtraggio multi-dimensionale, che
utilizza campioni correlati spazialmente e temporalmente.
• utilizzare la compensazione del moto1 per creare correlazione tempo-
rale dove non e` presente.
Terzo: e` economico
Queste caratteristiche richiedono una potenza di calcolo e una capacita`
di memorizzazione proporzionate alla quantita` di informazioni del segnale
composito (cioe` alla sua banda).
Le risorse necessarie sono notevoli2, e` vero, ma l’evoluzione tecnologica
rende disponibile una potenza di calcolo maggiore a costi decrescenti. E`
ragionevole quindi sperare che il ricevitore digitale risulti economico.
Il confronto con la tecnologia analogica esistente
La tecnologia analogica permette di ottenere prestazioni di buon livello a
costi molto bassi. Il sistema di trasmissione e` stato infatti studiato tenendo
presente le caratteristiche (e i limiti) di questa tecnologia e la necessita` di
poter poi costruire ricevitori economici.
Tuttavia la maturita` raggiunta in questo campo, nel corso degli anni, ren-
de difficile trovare nuove idee per migliorare i ricevitori analogici. La tecno-
logia digitale, al contrario, offre soluzioni ancora da esplorare e, soprattutto,
promette miglioramenti sostanziali.
Il confronto con le tecnologie digitali future
Da anni si sperimentano soluzioni per la trasmissione interamente digita-
le delle immagini televisive. Le nuove tecnologie permettono di ottenere
sostanziali miglioramenti:
1Questa e`, per ora, solo una speranza. L’integrazione dell’architettura qui progettata
con un decodificatore MPEG potrebbe rendere percorribile anche questa strada.
2A questo proposito, si veda nel glossario il calcolo della capacita` necessaria per
effettuare l’elaborazione in tempo reale delle immagini televisive (ben 21 Mbytes/s).
xi
• la trasmissione digitale occupa all’incirca un quarto della banda richie-
sta da una trasmissione analogica;
• la trasmissione risulta resistente all’auto-interferenza dovuta a percorsi
multipli del segnale;
• la qualita` visiva e` maggiore essendo l’immagine piu` definita e libera
da rumore gaussiano3;
Alla luce di queste considerazioni e` facile prevedere che le trasmissioni
analogiche andranno via via scomparendo a favore di quelle digitali. La
trasformazione sara` comunque lenta per il fatto che ci sono centinaia di
milioni di televisori analogici in uso e la loro sostituzione richiedera` diverso
tempo. Il ricevitore qui progettato puo` essere utilizzato come componente
di un set-top box per rendere possibile a questi televisori la ricezione di tutti
i tipi di segnale.
3Se il rumore e` al di sotto di una certa soglia l’immagine si vede in modo perfetto,
altrimenti non si vede per nulla.
xii PREFAZIONE
Riassunto
I capitoli sono cinque. I primi due descrivono i segnali in ingresso e in uscita
dal ricevitore numerico. E` la parte di studio.
Nei successivi tre si presenta il progetto del ricevitore con i suoi blocchi
funzionali (ricezione ed elaborazione) e si commentano i risultati ottenuti
con le simulazioni. E` la parte di progettazione e simulazione.
Il primo capitolo: il segnale in ingresso
Il ricevitore digitale deve essere progettato per ricevere diversi tipi di se-
gnali in ingresso. Risulta essenziale conoscere i metodi di costruzione e
trasmissione del segnale televisivo [5] [7] [20].
Come filo logico si e` scelto l’ordine cronologico della nascita dei vari
sistemi di trasmissione: prima il bianco e nero [28] [29], poi il colore [9](PAL
e NTSC). Particolamente importante e` la definizione degli spazi colore e delle
coordinate cromatiche utilizzate nelle trasmissioni televisive4 [6] [23] [33] [34]
[35].
Si discutono in dettaglio gli standard PAL e NTSC: e` spiegata la com-
posizione spettrale delle trasmissioni televisive a colori in vista del filtraggio
a pettine multidimensionale [4] [17].
Il capitolo si conclude con la descrizione dell’evoluzione degli standard
presentati e un accenno alle trasmissioni via satellite e via cavo che utilizzano
un tipo di modulazione differente rispetto alle trasmissioni via antenna (FM
invece di AM-VSB) [11] [21] [28] [29].
Il secondo capitolo: il segnale in uscita
Si trattano i formati digitali per il segnale audio e video in uscita. Particolare
attenzione e` stata dedicata all’effetto del numero di bit utilizzati per la
quantizzazione sul rapporto segnale/rumore per luma e chroma. Si fa cenno
ai problemi di conversione tra i vari formati: diversi spazi colore e diversi
reticoli di campionamento.
4Ad esempio si definiscono con precisione le seguenti grandezze: intensita` luminosa,
luminosita`, luminanza e luma, cos`ı come crominanza e chroma.
xiii
xiv RIASSUNTO
Segue l’esposizione dettagliata delle raccomandazioni contenute negli
standard pertinenti al formato video digitale scelto per l’uscita (4:2:2): ITU-
R BT.601 e ITU-R BT.656.
Il terzo capitolo: il blocco di ricezione
Si presentano le alternative analizzate: campionamento in banda base, a
frequenza intermedia e campionamento complesso per la ricezione diretta. Il
campionamento del segnale a frequenza intermedia e` l’alternativa sviluppata
nella presente tesi.
Il convertitore A/D e il rapporto segnale/rumore
Si discute la scelta della frequenza di campionamento in rapporto al segnale
in ingresso e in uscita: multiplo della portante colore, della frequenza di
riga, della frequenza intermedia o frequenza qualsiasi. La scelta e` caduta su
un multiplo della frequenza di riga: 27 MHz. Si indicano quindi le caratte-
ristiche rilassate del filtro da anteporre al convertitore A/D per sopprimere
i canali televisivi adiacenti a radiofrequenza.
Si deriva in modo teorico l’effetto del numero di bit per il convertitore
sul rapporto segnale/rumore per luma, chroma e audio in uscita dopo la
demodulazione. Vengono presi in considerazione la dinamica dei segnali
(caso per caso, a seconda dello standard), il rumore di calcolo, il rumore
entrante nel convertitore (dovuto alla parte analogica che precede), il rumore
dei dispositivi digitali che seguono [7] [19] [27]. Tenendo conto della banda
dei segnali e della frequenza di campionamento si e` trovato che 12 bit sono
sufficienti in ogni caso.
Demodulazione diretta e indiretta
A questo punto inizia la progettazione della catena di demodulazione. In
base alla frequenza intermedia e allo standard utilizzato si calcolano le
caratteristiche di trasferimento dei filtri necessari per rigettare lo spettro
interferente (prima della demodulazione) e lo spettro immagine (dopo la
demodulazione) nei casi di demodulazione diretta e indiretta [7].
Per la demodulazione indiretta il segnale viene portato a Fs/4,
tale soluzione e` stata brevettata.
Dopo aver discusso la scelta dei filtri (FIR o IIR), viene calcolato il
numero di coefficienti di ogni filtro ed il numero di bit necessari per la loro
quantizzazione [13].
xv
Rigenerazione della portante
Comincia quindi la parte di realizzazione: si descrivono in generale i vari tipi
di demodulatori5. Si illustra quindi il funzionamento del PLL per rigenerare
la portante video.
La struttura del PLL, nella variante che fa uso dell’algoritmo
CORDIC, e` stata brevettata.
Si discute quindi la realizzazione dei filtri passa-basso senza moltipli-
catori e con decimatori (filtri CIC) [37] [39] [44]. Si discutono anche la
particolare interpolazione non lineare necessaria per rigenerare la portante
e la realizzazione dell’inerzia del PLL.
Il quarto capitolo: il blocco di elaborazione
Il capitolo inizia con il controllo del guadagno effettuato pilotando la parte
analogica che precede il convertitore oppure scalando digitalmente i campio-
ni. Si passa poi al controllo della frequenza di campionamento del converti-
tore A/D. Di particolare importanza, per la qualita` dell’immagine prodotta,
e` l’allineamento con precisione subpixel delle righe e l’eventuale ricampio-
namento a 27 MHz [40].
Si prosegue con l’estrazione dei segnali di sincronismo orizzontale e ver-
ticale. La struttura presentata e` resistente al rumore impulsivo e gaussiano.
Segue la demodulazione del segnale audio, sia modulato AM che FM. Da
notare che i campioni in uscita hanno 16 bit per i motivi spiegati nel capitolo
precedente. Un breve paragrafo illustra il trattamento delle trasmissioni
stereo e duali.
Si passa alla struttura per la separazione luma/chroma [24]. Si discutono
i filtri monodimensionali, bidimensionali [31] e tridimensionali [41], questi
ultimi nella loro versione adattativa [15] [16] [22] [42] [43]. Si indica il modo
di aumentare il rapporto segnale/rumore sfruttando la correlazione rilevata
dall’algoritmo adattativo [27].
L’ultimo argomento consiste nella demodulazione del colore. Si descrive
la sintesi della portante colore ed il numero di bit da utilizzare per l’incre-
mento elementare di fase. Si descrive la rilevazione del livello del nero e
dell’ampiezza del burst. Quest’ultimo valore viene utilizzato dal PLL del
colore, dal color killer per le trasmissioni in bianco e nero e, opzionalmente,
dal blocco di scalatura dei segnali chroma.
5
Il segnale televisivo fa uso praticamente di tutti i tipi di modulazione: AM-VSB per
la luma, QAM per la chroma, FM per l’audio.
xvi RIASSUNTO
Il quinto capitolo: osservazioni e conclusioni
Nelle osservazioni si effettua il confronto con le due precedenti tesi che hanno
sviluppato la decodifica digitale del segnale video [3] [36].
Si puntualizza l’importanza delle prove sperimentali e si presenta la breve
storia delle prove che sono state necessarie per progettare e verificare il
ricevitore digitale qui illustrato [1] [18].
Segue quindi un riassunto dei risultati raggiunti. Infine si presentano i
possibili sviluppi, divisi per argomento: decodifica teletext [10], elaborazione
dell’immagine (post-processing) [12] [38], elaborazione dell’audio [45] deco-
difica e ricezione di altri standard (PAL+, SECAM, MAC. . . e trasmissioni
via cavo e satellite), ricezione diretta [2] e altro ancora.
Capitolo 1
Il segnale in ingresso
Introduzione
Il ricevitore progettato deve accettare un segnale analogico da anten-
na secondo gli standard PAL o NTSC. Questo tipo di segnale viene
analizzato in dettaglio in questo capitolo [5] [7] [9] [20] [28] [29].
L’esposizione segue l’ordine cronologico dello sviluppo dei veri sistemi di
trasmissione: dalla televisione in bianco e nero all’introduzione del colore.
Seguono quindi la televisione migliorata (alta definizione) e la televisione via
cavo e via satellite. Infine si fara` un accenno alla televisione digitale.
1.1 Breve storia della televisione
La televisione e`, insieme al telefono, una delle tecnologie di maggior successo.
Il numero di sistemi sviluppati per le trasmissioni televisive e` cos`ı grande
che e` necessario fare una breve riassunto storico per avere un’idea chiara di
dove si colloca il progetto svolto in questa tesi.
Possiamo effettuare una classificazione secondo tre criteri:
• tecnologia: analogica o digitale. Il ricevitore qui progettato e` digitale,
ma riceve un segnale analogico.
• mezzo trasmissivo: antenna, cavo o satellite. In questa tesi il pro-
getto riguarda un segnale da antenna, ma e` facile estendere il progetto
alle trasmissioni analogiche via cavo e satellite.
• standard: e` l’insieme delle convenzioni usate per costruire il segnale
televisivo. Ne esistono parecchi. Per i segnali analogici abbiamo i
seguenti:
– B/G, D/K, H, I, K1, L, M, N: per la televisione in bianco e nero.
Sono la base di quelli per la televisione a colori.
1
2 CAPITOLO 1. IL SEGNALE IN INGRESSO
– NTSC, PAL e SECAM: per la televisione a colori compatibile con
il bianco e nero.
– MAC-C, MAC-D2: per la televisione a colori non compatibile con
il bianco e nero.
– MAC-HD e PAL+: evoluzione dei precedenti.
Tralasciamo gli standard sviluppati per la televisione digitale. Qui ci
occuperemo dei seguenti: NTSC, PAL e PAL+.
1.1.1 La televisione analogica
Cominciamo dalla televisione analogica: campo in cui la tecnologia e` ormai
matura. Successivamente si fara` qualche accenno alla televisione digitale.
La televisione analogica in bianco e nero
Il primo sistema ad essere utilizzato fu quello americano: NTSC (1948). La
televisione ebbe subito un enorme successo, a tal punto che l’industria cine-
matografica si trovo` costretta ad affrontare il problema della concorrenza:
sempre piu` film a colori vennero prodotti per riconquistare gli spettatori
sottratti dalla televisione in bianco e nero.
La televisione analogica a colori
Il sistema di trasmissione televisivo si adeguo` quasi subito e pochi anni
piu` tardi (1953) iniziarono le prime trasmissioni a colori. Per non rendere
obsoleti i ricevitori gia` venduti si decise di mantenere la compatibilita` totale:
le trasmissioni a colori possono infatti essere ricevute da un ricevitore in
bianco e nero e viceversa.
In Europa gli studi sulla televisione cominciarono verso la fine degli anni
’50. I difetti del sistema americano, che nel frattempo erano emersi, furono
corretti: la trasmissione del colore divenne piu` stabile. In Francia fu adot-
tato il sistema SECAM (1957), nel resto dell’Europa venne adottato il PAL
(1961).
La televisione analogica via cavo e via satellite
Lo sviluppo della televisione via cavo avvenne quasi in contemporanea. L’u-
nica differenza e` il sistema di modulazione usato che tiene conto delle diverse
caratteristiche del mezzo trasmissivo. Le trasmissioni terrestri utilizzano la
modulazione di ampiezza con banda vestigiale. Per le trasmissioni via cavo
si decise invece di utilizzare la modulazione di frequenza.
Nel 1977 si raggiunse un’accordo per l’utilizzo delle frequenze SHF (men-
tre per le trasmissioni via antenna si usano le bande VHF e UHF) e iniziarono
1.2. LA TELEVISIONE ANALOGICA IN BIANCO E NERO 3
le prime trasmissioni da satellite decidendo, ancora una volta, di utilizzare
la modulazione di frequenza.
La televisione analogica migliorata
Negli anni ’80 iniziarono le ricerche per migliorare i sistemi di trasmissione.
Gli obbiettivi erano: una risoluzione maggiore unita ad un rapporto altez-
za/larghezza piu` adeguato alle caratteristiche percettive dell’occhio (16:9)
ed una trasmissione del colore esente da interferenze con il segnale in bianco
e nero. Vennero sviluppati i sistemi MAC1: C, D2 e HD.
Questi sistemi non hanno incontrato il successo sperato. Al contrario e`
stato ulteriormente migliorato il sistema PAL, che ha cos`ı dato origine al
PAL+.
1.1.2 La televisione digitale
L’attuale frontiera dello sviluppo riguarda le trasmissioni televisive digitali.
Questo tipo di trasmissioni utilizza al meglio la banda disponibile ed e` piu`
versatile, permettendo di trasmettere qualsiasi tipo di informazione (non
solo audio e video2).
La trasmissioni via cavo e via satellite fanno uso della modulazione an-
golare. Le trasmissioni digitali via antenna sono invece ancora oggetto di ri-
cerca3: utilizzeranno una versione modificata della modulazione di ampiezza
con banda vestigiale (VSB digitale).
1.2 La televisione analogica in bianco e nero
1.2.1 Il segnale video
L’immagine in bianco e nero viene divisa in punti e l’intensita` luminosa di
ciascun punto viene convertita in un segnale elettrico [5] [7] [20].
Il segnale viene modulato su una portante a radiofrequenza e trasmes-
so. Le immagini vengono trasmesse in successione per dare l’illusione del
movimento continuo, proprio come avviene per i fotogrammi di una pellicola.
Scansione di immagini fisse
In realta` l’immagine da trasmettere non e` divisa in punti, ma in righe. Ogni
riga viene percorsa da sinistra verso destra e l’intensita` luminosa dei punti
che la compongono viene convertita in un segnale elettrico continuo. La
scansione comincia in alto a sinistra e termina in basso a destra.
1Questi sistemi sono in parte digitali: la compressione delle componenti analogiche
trasmesse e` fatta digitalmente. Inoltre i segnali audio e di sincronia sono digitali.
2Nei sistemi analogici esiste qualcosa di simile, ma piu` semplice: il teletext o televideo.
3Questo tipo di trasmissioni sara` adottato in Inghilterra entro il 2000.