浅谈帧同步机原理及在电视播出中的应用

浅谈帧同步机原理及在电视播出中的应用

    在电视播出中，就视频而言全电视信号的形成，在不同制式的电视，虽然形成视频全电视信号的编码器的结构不同，但它基本上都包括矩阵电路、亮度信号通道、色度信号通道、同步信号电路和混合电路等几部分。电视台通常设置有两台同步机（其中一台备用），产生各种所需的同步信号。比如：PAL制彩色电视同步机产生七种同步信号：行推动信号H、场推动信号V、复合同步信号S、复合稍隐信号A、副载波F、色同步旗形脉冲K和PAL识别脉冲P。这些信号在频率和相位方面有着严格的关系，可由一个标准的定时信号通过一定的处理和变换来产生。

    统一的同步基准由电视台的总控系统发送。

    电视台在切换台输入接收的外地信号或转播车信号时，都须保证本台的同步与外来的同步一致，否则将会造成图像翻滚，甚至丢失图像。解决这些问题有三种办法，分别是帧同步器法、台从锁相法和台主锁相。本文着重论述帧同步机工作原理及在电视播出中的应用。

    一 帧同步机原理简述

    帧同步机也称帧同步器（Frame Synchronizier），简称FS。它是一种可将某一路与系统不同步的电视信号使之能与系统同步工作的数字设备，通俗讲，是一种同步变换设备。

    1. 帧同步机工作原理

    这是一种基于数字处理的开环锁相法。它是将外来视频信号变为数字信号后存储延时。读出时钟的基准用本台信号同步，从而达到外来信号与本台信号同步锁相的目的，如图1所示。

    


    2. 帧同步机工作原理分析

    其原理如图1可见，它利用存储器将外来信号进行模数转换以数字信号写入帧存储器，然后以中心机房同步信号为基准，逐步从存储器内读出，然后再进行数模转换，变成模拟的视频信号输出。

    帧同步机由A/D变换和D/A变换，写入时钟发生器，读出时钟发生器以及存储部分几部分组成。未校正的重放视频信号经输入处理和A/D变换后，成为数字信号，在写入时钟控制下被依次读出，经D/Ａ变换后成为模拟信号。在写入时钟控制下，数据存入存储器的节拍和输入时基的节拍一致。

    由于写入时钟相对于每行写入信号的相位，即取样点的相对相位是不变的。在读出端，读出时间锁定于基准信号，因此从存储器中读出的数据是稳定的、周期均匀的，不再有时基抖动。相当于给含有时基误差不同的信号以不同的延时，时基超前的信号多延时一些，时基滞后的信号少延时一些，使最后得到的信号与基准信号的时基一致。

    3. 帧同步机的核心

    存储系统包括存储器和存储控制两部分，是帧同步机的核心。

    帧同步机中采用的存储器通常为移位寄存器（SAM）和随机存取存储器（RAM）。

    存储器用来存储数据，存储控制为数据按一定规律写入和读出提供逻辑选择控制。存储控制包括写入、读出和过载控制。

    写入和读出电路的作用是使数据按正确的地址写入和读出。其中，写入时钟发生器的作用是为时基校正器提供写入定时信号，包括A/D转换用的取样脉冲和存储器用的写入时钟、写入开始脉冲等。写入时钟必须与重放信号严格同步，即必须精确跟踪重放信号的时基变化，跟踪的精度越高，它的校正精度也越高。

    存储器工作时，先由写入时钟将数字视频信号顺序存入存储器，经过一段时间后，再由读时钟读出。由于时基误差，所以写和读的时钟速度不一样，这种现象会破坏帧同步机的正常工作，称为过载现象。过载，造成图像的闪烁或撕裂现象，这是不允许的，因此由过载电路来对其进行检测和控制。

    同时，失落补偿也在帧同步机中使用，它利用电视信号的行间相关性进行工作。

    二 帧同步机典型应用方式

    帧同步机的应用根据使用场合和投入可以采用不同的形式。如：在播出系统中的应用。

    


    采用如图2的两级切换应用方式，所有外来的信号源都送到一个小型矩阵上，在矩阵的输出端接入两台帧同步机一主一备，将需要送往切换台的信号预先在矩阵上切换到接入了帧同步机的目标端，经帧同步机后送到切换台，由于存在前后连续使用不同的外来信号源的可能性，所以一般采用这种应用方式，至少需两台的帧同步机。同样的，在这种应用场合下，帧同步机与本地信号源都锁定于本地同步机。

    帧同步机能处理多种信号，如S-Video，模拟分量、复合信号、AES/EBU DIGITAL I/O和SDI信号等，可以模拟输入、数字输出，它是向数字化过渡的理想产品。高级一点的帧同步机还能处理音频信号，解决声音的时延问题。

    就扬州电视台城市频道现场直播为例，节目安排在台外的其他地点，比如润扬大桥开通仪式，扬州烟花三月经贸旅游节开幕。转播车与演播室相结合，采用两级切换的方式（如图2），将转播车的输出信号作为后方主演播室的一路外来信号，使用帧同步机和视音频隔离变压器等设备。通过光纤传输手段，将电视信号从现场传送回台内的中心机房。

    城市频道采用英国Pro-bell自动播控系统，其控制核心是24×12切换矩阵，接受来自总控系统经帧同步机处理的现场直播信号，调度播出。如图3，总控系统装备了DPS575和TB2000等型号的帧同步机。

    


    三 帧同步机的技术特点

    由于现在大多数应用场合是处于数模混合的环境下，所以许多帧同步机都具有多种输入/输出格式的接口，适应面广。如DPS575多功能数字/模拟音频/视频帧同步装置就具有4种输入端子，5种输出端子由于DPS-575集中反映了当今帧同步机的技术水平和发展趋势，下面就以该机型为蓝本，论述帧同步机的技术应用。

    1. DPS575多功能数字/模拟音频/视频帧同步装置的功能

    * 12-Bit视频编码器/解码器；

    * 多模式自适应梳妆滤波解码器；

    * Digiduplex　支持双向处理；

    * 视频帧存储器带线性键控器；

    * 数字图形发生器；

    * 内置音频测试信号发生器；

    * 可选的空间和时域数字降噪加数字带宽滤波。

    具有SDI输入/输出、模拟分量（CAV）输入/输出、S-Video输入/输出、复合输入/输出和RGS-S输出。输入信号源由前面板选择，应用上，类似于4种格式的4选1切换开关。

    任何一种输入格式，在其所有的输出端子上都有对应信号的输出。比如，当输入选择模拟复合信号时，在其SDI和模拟输出端均有相应的信号输出，反之，当输入选择SDI信号时也是如此。所以在应用上，该帧同步机还具备了A/D和D/A的功能。

    具有独到的“DigiDuplex”功能。当打开帧同步机的“DigiDuplex”后，该机所有模拟输入端的信号，从数字输出端输出；同时，接在其数字输入端的信号，则从模拟输出端输出。 但值得一提的是，在“DigiDuplex”工作方式时，只有模拟输入信号才经过机内的帧同步处理电路（即图中的“Synchronizer”）处理，而SDI信号则直接经D/A转换后输出。而在正常工作方式（即关闭“DigiDuplex”功能）时，选择任何一路格式的信号都要经过帧同步电路处理。当“DigiDuplex”功能打开时，音频通路也具有视频这样的相似特性。 Audio指的就是SDI嵌入音频。同样的，当在正常工作方式（即关闭“DigiDuplex”功能）时，选择任何一路格式时，其音频信号都要经过帧同步电路处理。

    四 终述

    随着数字技术和电视技术的飞速发展，数字器件和数字存储器价格的大幅度下降，在新型帧同步机还附加了许多的功能如，可输出多种测试信号。另外，也可以根据需要延时音频信号，以与视频同步；再者，除了带有传统的RS232控制接口，也多带有以太网络接口，可以方便地通过计算机更新固件，监测和控制。总之，在处于模数混合的环境下，帧同步机正朝着多功能更实用方向发展，是向数字化过渡的理想产品。

    

    参考文献

    [1]方德葵 主编 《电视数字播控技术》 中国广播电视出版社 2005.3

    [2]姜秀华 主编 《数字电视原理与应用》人民邮电出版社2003.9

    摘自《现代电子技术》