К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов. TFT мониторы. Часть 1.

Автор: Кондратьев А.В.

Специалисту в области специальных исследований необходимо очень хорошо представлять себе, что же именно он должен измерить и как рассчитать результат. Причём необходимо представлять себе как временное, так и частотное (спектральное) представление сигналов. Раздельно, в излучающих цепях и в виде ПЭМИН.

Ну, о расчётах в открытой публикации мы говорить не будем, а вот об остальном будет (надеюсь!) полезно. Попробуем сформулировать подходы к этим представлениям и ход рассуждений на базе простой модели сигнала ПЭМИН и классических основ радиотехники.

Итак, рассмотрим как начальную простейшую модель сигнала ПЭМИН, начав с самого распространённого до последнего времени – сигнала аналогового RGB интерфейса видеоподсистемы IBM-совместимого настольного компьютера. Сразу отметим, что конкретные параметры сигнала во временном его представлении будет заметно зависеть от применённого тест-режима и параметров видеоподсистемы ПЭВМ.

Например, используем стандартный тест типа «пиксель через пиксель». То есть с чередованием светлых точек изображения (пикселей) с чёрными (не подсвеченными) точками. В этом режиме «длина» светлого и тёмного пикселя равны, то есть равны длительности соответствующих импульсов и пауз между ними. Такой сигнал носит в радиотехнике наименование меандра, T_и/τ_и=2 (последние годы этот термин применяется редко).

Предположив, что модуляционная характеристика электронно-лучевой трубки (предполагаем, что имеем дело с CRT монитором) аппроксимирована наклонной прямой, то есть она линейна. Учтём, что значения уровней (яркостей) «красного», «зелёного» и «синего» составляют, соответственно (типовые значения х-координаты для RGB модели, таблица 1).

Таблица 1

Поскольку, фактически, это значения векторов, то модули их «длины» имеют значения, приведённые в последнем столбце, а амплитуды модулирующих импульсов должна быть пропорциональна этим значениям, если формируются пиксели «белого» цвета.

Следовательно, в трёх физических линиях (как правило – экранированных коаксиальных проводах) кабеля от видеокарты до монитора (а также в цепях видеоусилителя и модуляторов кинескопа) осциллограммы сигналов будут иметь вид, приведённый на рисунке 1.

Разумеется, форма импульсов достаточно произвольна, реальные длительности фронтов и спады плоской части будут зависеть от многих причин (схемотехники узлов, погонной ёмкости кабелей, других паразитных ёмкостей, качества и параметров пробника и осциллографа и т.д.). Тем не менее, понятно, что сигналы, а, следовательно, и ПЭМИН всех трёх линий, строго синхронны и, в силу этого, эквивалентны одному сигналу с амплитудой, условно принимаемому за «1». Строго говоря одинаковых линий не существует, но, для задачи перехвата индивидуальные особенности линий каждого цвета будем считать несущественными.

Отдельно отметим, что приведённые выше рассуждения относятся к потенциалам, поступающим на катоды электронных «пушек» кинескопа или, что то же самое – на входы видеоусилителей трёх цветовых каналов. Подача модулирующего сигнала на катод, а регулировка общей яркости «на модуляторе» - наследие телевизионной техники.

Видеоусилители размещаются на «цокольной плате», прямо на «хвосте» кинескопа. При этом на входе видеоусилителя сигналы имеют амплитуду порядка 1 В, а на выходе до 30 В (типовые значения, в конкретных моделях могут меняться). В силу весьма значительного уровня ПЭМИН именно их этого узла обычно значителен. Кстати, подача видеосигнала «на катод» требует его отрицательной полярности, когда «белый» пиксель соответствует уровню «0» В, а «чёрный» ‑Uмакс.

Сигналы в кабеле RGB интерфейса (системный блок – монитор), которые кодируются 256 уровнями, и, обычно, не превышают одного вольта, могут не подчиняться приведённым соотношениям амплитуд (см. таблицу цветовых векторов). Эта привязка осуществляется уже в видеоусилителях, заданием разного усиления по каналам. ПЭМИН кабеля часто тоже значителен, но уже за счёт большой длины линии и, порою, за счёт недостаточного их экранирования или ассиметрии.

Далее рассмотрим структуру полного видеосигнала на более длительных интервалах времени.

Построение изображения на экране CRT монитора, традиционно, повторяет построение классического ТВ изображения. То есть оно формируется из отдельных горизонтальных строк (на базе горизонтального растра). Значит и наш тест-режим, неизбежно, будет подчинён именно этим, заложенным в компьютерном «железе» законам.

Рассмотрим одну строку одного кадра. В зависимости от установленного видеоразрешения число строк в кадре и число пикселей в строке есть стандартные, типовые числа. Для DOS-режима зари ПЭВМ классикой был видеорежим 640х480 (первое число количество пикселей в строке, второе – число строк в кадре). Происхождение этого стандарта вполне понятно, даже сегодняшние телевизионные стандарты SEKAM и PAL (720×576), NTSC (720×480) весьма близки. Уже позже, с повышением возможностей мониторов, стали применяться стандарты более высокого разрешения (800×600; 1024×768; 1280×1024 и т.д.).

Предположим, что наш монитор работает в режиме 1280×1024х60. Это значит в одной строке формируется 640 «чёрных» и 640 «белых» пикселей, таких строк в кадре 1024 при 60 кадрах в секунду.

Из вышеприведённого следует, что в кабеле (и иных, упомянутых цепях) проходит сигнал в виде пакета из 640 импульсов (640 «белых» пикселей и 640 пауз между ними) – одна строка растра. Затем некая пауза на обратный ход луча кинескопа в начало строки и новая строка (пакет импульсов). И так 1024 строк. После чего следует более длительная пауза на обратный ход луча в начало следующего кадра (из правого нижнего угла экрана в верхний левый). И так 60 раз в секунду…

Для определения временны’х соотношений в сигнале будем отталкиваться от аналогичных соотношениях в ТВ сигнале 625 строк при 25 к/с(точнее – 25 «полукадров», но для рассмотрения это несущественно).

Для ТВ сигнала один кадр по длительности равен 625 строкам по 64 мкс (длительность строки растра, включая обратный ход луча «по строке» - 12 мкс). Нетрудно рассчитать, что это как раз и соответствует частоте 25 кадров в секунду. Обратный ход луча по кадру в данном случае просто не учитывается, хотя он и дольше строчного раза в 2,5. Базируясь на этих соотношениях, рассчитаем ориентировочные времена для выбранного видеоразрешения.

Поскольку видеоразрешение тест-режима составляет 1024 строки (в 1,6384 раза больше, чем ТВ) и кадровая частота 60 Гц (в 2,4 раза больше), то длительность строки составит порядка 16,27604 мкс с обратным ходом 3,051758 мкс. Исходя из полученного, проверяем 1/16,27604 мкс=61,4 , то есть частота порядка 60 Гц. Значит, расчёт верен.

Далее, за 16,27604-3,051758=13,22428 мкс проходит 1280/2=640 импульсов. Это соответствует частоте следования импульсов за время строки 1/(13·10^-6/640)≈48,4 МГц.

Таким образом, мы вычислили тактовую частоту тест-сигнала для выбранного тест-режима.

Пакеты с 640 импульсами (строки) следуют с периодом 1/16,27604 мкс= 61,44 кГц.

Вот здесь надо сделать некое «отступление» и вспомнить о радиотехнике, о законах модуляции.

Итак, временнóе представление сигнала сформировано (рисунок 2).

Рассмотрим, далее, как это должно выглядеть в частотном (спектральном) представлении.

Такой вид сигнала более всего совпадает по структуре с амплитудно-манипулированным радиосигналом. При этом тактовая частота следования импульсов в строчном пакете играет роль несущей частоты, а частота следования этих пакетов – роль частоты манипулирования.

В данном случае применён термин (ныне почти не применяемый) «манипулирование», чтобы подчеркнуть, что управление амплитудой «несущей» происходит по «телеграфному» принципу, от «0» до максимума и никак иначе (только в тест-режиме!). В периоды существования (прямого хода луча в кинескопе) строчного пакета импульсы («несущая») есть, в периоды «обратного хода луча» импульсов «несущей» нет.

В терминах классической амплитудной модуляции это означает, что коэффициент модуляции тождественно равен «1». Напомним, что при таких параметрах амплитудной модуляции в «боковых» частотах находится ровно 50% энергии радиосигнала.

В соответствии с преобразованием Фурье для такого сигнала его спектр представляет собою (считая, для первого приближения, несущую чисто синусоидальной!) несущую частоту и две «боковых частоты, «отстоящих» от несущей на ± модулирующую частоту (в данном случае на ± 61,44 кГц), представленный на рисунке 3.

Однако наш сигнал (RGB) отличается тем, что его «несущая» не синусоидальная, а, скорее, «трапецеидальная». Следовательно, его спектр будет содержать значительное число гармонических составляющих. Точнее наши узкополосные приборы должны будут зафиксировать эти составляющие. Как в самой линии, так и в пространстве. Еестественно, никаких гармонических составляющих у нашего сигнала не существует и существовать не может принципиально. Об этом - ниже.

Тогда график спектральной плотности нашего сигнала (график разложения Фурье) будет иметь вид, приведённый на рисунке 4.

Обратим внимание и на то, что обогащение спектра гармониками произошло не только за счёт гармоник «несущей», но и за счёт гармоник «частоты манипуляции». Количество «боковых частот» около каждой из гармоник несущей, в теории – бесконечно. А на практике зависит от множества причин. Обычно, существенные по амплитуде (не менее, чем -10 дБ от амплитуды «несущей») «боковухи» - первые 3-4. Но в практике автора был случай, когда эти самые «боковые» выглядели эдаким «забором» по 30 шт. с каждой стороны и их амплитуды падали крайне медленно…