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基于MATLAB的TFT-LCD解码电路的仿真设计
4.1 产生彩色全电视信号
自定义 M函数videos.m 本身相当于一个电视的行信号发生器，它调用若干 M 函数来对PAL制式的彩色电视信号进行仿真。其主要功能是生成各种标准测试信号，显示信号的波形和频谱。对电视信号进行解码后，分别显示三基色信号，同时显示该信号的电视图像。
彩色全电视信号由亮度信号、色差信号（色度信号）、色同步信号、行同步信号、行消隐信号组成。由于PAL 制的场频为50HZ，扫描一场的时间为20ms，因此要仿真一场的电视信号所需的数据量太大，故难实现，所幸的是大多数的测试信号均为行信号。即在一场中各行的信号是完全相同的，因此我只需对行信号进行仿真就可以了。常用的行测试信号有：2 T正弦平方波信号B1和条脉冲信号B3，多波群信号C，阶梯波信号D1，阶梯波叠加副载波信号D2，250kHz方波信号E，副载波填充的10T信号F和副载波填充的条脉冲信号G，10T调制的副载波信号F1和条脉冲调制的副载波信号G1，三电平色度信号G2等等，这些在videos.m函数中均有体现。
在PAL制中，行频为15625Hz，扫描一行的时间为64µs，其中行正程为52µs，行同步信号宽度为4.7µs，行同步电平为-0.3V，行消隐电平为0V，白电平为0.7V 。
实现与黑白电视机的兼容，彩色电视广播并不是直接传送红绿蓝三基色信号，而是传送所谓的传输三基色：一个亮度信号和两个色差信号。彩色摄像机输出三基色信号ER ， EG ，EB它们都是电压，为了补充光电转换过程中的非线性，要进行γ校正，校正后就成为E R ’，ER’，EB’信号。
亮度信号Y可由亮度方程来表示，表示成电压后为：
EY’=0.299 ER ’+0.587EG’+0.114EB’
色差信号就是基色信号与亮度信号之差，这样一共有三个色差信号：R-Y，B-Y，G-Y。彩色电视广播中需要传输两个色差信号R-Y和B-Y。
ER-Y’=0.7 E R’-0.59 EG’-0.11 EB’
EB-Y ’= -0.3 E R’-0.59 EG’+0.89EB’
而G-Y信号可以从另外两个色差信号求出，
EG-Y’= -0.51ER-Y’-0.19EG-Y ’
PAL制传送的两个色差信号称为U信号和V信号，它们的带宽均为1.3MHz。
EU’=0.493 ER-Y’
EV’=0.877 ER-Y’
两个色差信号采用正交平衡调幅的方式调制在彩色副载波上，为了近可能减少对亮度信号的干扰，彩色副载波的频率选择在视频带宽的高端，同时彩色副载波是与行频锁定的。在PAL 制式中，彩色副载波的频率为：
fsc=(283*3/4+1/625)*fh=4.43361875MHz
色差信号对彩色副载波调制之后形成的色度信号为：
ec(t)= EU’*sinwsct+ EV’*coswsct (N)
ec(t)= EU’*sinwsct- EV’*coswsct (P)
从上式可以看出逐行倒相的过程。一行不倒相，称为N行，N行与NTSC制非常相近；另一行倒相，称为P行。
PAL制色同步信号的表达式为：
e b(t)=0.3sin(wsct+135º) (N)
e b (t)=0.3sin(wsc+225º) (P)
色同步信号位于行同步信号的后面，持续时间为2.26µs。亮度信号、色度信号、色同步信号、同步信号和消隐信号加在一起就构成了完整的PAL制彩色全电视信号。
我用 MATLAB 语言自定义M函数videos.m来产生PAL制彩色全电视信号。在运行中videos.m函数直接调用videos1.m函数，videos1.m 函数用来建立一个用户控制窗并生成各种行测试信号。videos1.m函数在运行过程中还要调用vdpal.m函数、cdemod.m函数、和ydemod.m函数。vdpal.m函数的功能是根据RGB三基色来生成亮度和色度信号，cdemod.m函数用来完成彩色信号的解调，而ydemod.函数则用来完成黑白信号的解调。
它们的程序清单见附录A的程序一：
4.2 亮色分离电路
彩色全电视信号要先经过色度信号陷波电路和带通滤波电路分离出亮度信号和色度信号，此电路是一种频率分离电路。这两个电路的幅频特性如图(E)和图(F)所示，图(E)为陷波电路幅频特性，陷波带宽为4.43MHz+1.3MHz，主要是从全电视信号中滤去色度信号；图(F)是带通电路幅频特性，频带宽度为4.43MHz+1.3MHz，用来从全电视信号中选出色度信号。
图(E)陷波电路幅频特性 图(F) 带通电路幅频特性
这一部分电路可用Simulink中的滤波器模块直接仿真。仿真分离出的亮度和色度信号输出波形为下图所示：
亮度和色度信号输出波形示意图
4.3 恢复同频同相的副载波信号
锁相环是电视解码电路的重要组成部分,1947年锁相环第一次应用于电视接收机水平和垂直扫描的同步。从此，锁相环路开始得到了应用。由于技术上的复杂性以及较高的成本，应用锁相环路的领域主要在航天方面，包括轨道卫星的测速定轨和深空探测等。性能要求较高的精密测量仪器和通信设备也用到它。到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环路逐渐变成了一个成本低、使用简便的多功能组件，这就为锁相技术在更广泛的领域应用提供了条件。至今，普遍应用锁相技术的主要有调制解调、频率合成、电视机彩色副载波提取、FM立体声解码等等。随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环路，它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。锁相环路所以能得到如此广泛的应用，是由其独特的优良性能所决定的。它具有载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可作为提供一系列频率高稳定的频率源；可进行高精度的相位与频率测量等等。它具有调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。由于锁相环具有窄带、跟踪和稳定等性能，因此锁相技术在电子系统中得到了广泛的使用，如在卫星接受机和电视接收机就普遍地采用了锁相环（PLL）。而在彩色电视接收机中，色处理电路中需要恢复一个与电视台发射端同频、同相位的彩色副载波信号。所以必须用到锁相环路来恢复此副载波。
具体方框图如下：
fsc(cb)
fsc(vco)
鉴相器用模拟乘法器来完成。它接收到的色同步副载波和本机振荡器产生的副载波进行相位比较，产生误差电压，经低通滤波器去控制VCO电路。通过锁相环路自动改变 fs（vco），最终把本机副载波相位锁定在色同步信号的基准相上。
从整体上讲，锁相环由三个基本单元组成，它们是：鉴相器、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO），从原理上来说，锁相环本身是一个相位反馈系统或频率反馈系统。我自定义M函数pll.m采用求解微分方程的方法对模拟的锁相环进行仿真，其中使用的滤波器为一阶的RC低通滤波器，仿真过程结束之后，屏幕上显示出压控振荡器的输入电压、压控振荡器输出信号的波形和相位、压控振荡器输出的瞬时频率及频谱、锁相环的输入信号等参数，从中可以看出锁相环大致的工作过程。输入信号vi(t)和输出信号vo(t)同时输入鉴相器，在鉴相器中对两路信号的相位进行比较，然后生成相位误差电压vc(t)，鉴相器比较简单的模型就是乘法器。锁相环路内的低通滤波器用于滤除相位误差电压的高频成分和噪声。压控振荡器的振荡频率受相位误差电压的控制，当输入的电压为零时，其振荡频率为压控振荡器的固有频率fo，当输入的电压为正电压时，压控振荡器的振荡频率高于其固有频率，而输入的电压为负电压时，压控振荡器的振荡频率则低于其固有频率；另外，振荡频率的变化是正比于误差电压的。再使用宽带滤波器的情况下，当压控振荡器的输出频率能够跟踪上输入信号的平均频率时，也称为锁定状态。
为了对锁相环进行仿真，设输入信号为：vi(t)=sinwit，其中wi为输入信号的角频率，并且设输入信号的初相角为零；Kd为鉴相器的增益常数；设压控振荡器的输出为vo(t)=cos[wot+θ(t)]，其中wo为压控振荡器的固有振荡角频率，而压控振荡器输出信号的瞬时相位与其输入电压vc(t)之间的关系为：
其中Kv称为压控振荡器的增益常数。设滤波器的脉冲响应为h(t)，于是锁相环满足以下方程：
为了便于仿真，不妨采用一阶的RC低通滤波器，于是锁相环满足以下的二阶微分方程：
用MATLAB对常微分方程进行数值解是很容易的。求出压控振荡器输出信号的瞬时相位后，便可以得到压控振荡器的输入电压vc(t)和压控振荡器输出的瞬时频率f(t)：
锁相环的模型如下图：
Vi(t)
Kd Vo(t)
Vc(t)
输入参数：
fi输入信号频率（KHz）， fo压控振荡器的固有振荡频率(KHz)
Kd鉴相器的增益常数， T时间区间 (s)
dt时间间隔 (s)， th0=[θ(0) θ’(0)]微分方程的初始条件
Pll.m的程序清单见附录A的程序二：
此锁相环PLL我用Simulink进行动态仿真,其中我利用了通信模块中的PLL子模块对信号进行同步原理仿真，通过示波器可以观察到所需要的结果。具体仿真得到的信号波形如下图所示：
锁相环PLL进行同步原理仿真波形图
梳状滤波器要分离出Fu= (B-Y)SINωt和Fv=(R-Y)COSωt两个信号，并在示波器上表现出来。
Fu+Fv 2Fu
Fu-Fv
Fu+Fv +2Fv
此梳状滤波器我用Simulink进行动态仿真，只需一个延时模块和两个相加模块便可组成。也可再用一示波器观察波形。延时(Delay)模块可在连续系统 (Continuous)模块库中找到，时间参数设置为63.943μs。相加(Sum)模块可在数学运算(Math)模块库中找到。接上示波器便可观察波形。在具体设置时要注意，加法器中的符号默认值为++，要对下一个加法器中的符号进行修改，使之变为减法器。具体做法是，先双击加法器图标获得一对话框，在List of sign的文本框中输入“+ -”，这时新的加法器的两个输入信号将为一正一负。在具体的动态仿真时要设置好仿真时间和仿真步长模式仿真步长模式一般选择变步长模式。对于变步长仿真，Simulink允许用户定义最大步长和起始步长。一般最大步长系统的默认值为“仿真时间/50”，即整个仿真过程中至少取50个取样点，但这样的取样法对于仿真时间较长的系统可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真。因此最大步长的选取直接关系到系统仿真结果的准确性，一般我们对于仿真时间不超过15秒的采用默认值即可；对于超过15秒的，每秒至少保证5个取样点；对于超过100秒的，每秒至少保证3个取样点。具体仿真分离出的Fu和Fv信号波形如下图所示：
Fu和Fv信号波形图
4.4同步解调电路
同步解调器要解调出B-Y和R-Y两个信号并在频谱上表现出来。
在PAL解码器中，色度信号经过梳状滤波器分离成两个已调色度分量Fu和+Fv。Fu、+Fv是平衡调幅波，因为平衡调幅波的包络线并不反映调制信号（B-Y、R-Y）的变化规律，所以平衡调幅波不能用二极管来解调，必须用同步检波器解调。同步检波器除了需要输入被解调的色度信号外，还需要输入一个接收机恢复的，与电视信号同频率、同相位的彩色副载波信号。同步解调器方框图如下：
被解调信号Fu （B-Y）
fsc
基准副载波
被解调信号Fv （R-Y）
fsc
基准副载波
在PAL解码器中，有两个同步解调器分别对Fu和Fv两个色度信号进行同步解调。两个电路一样，所不同的是输入已调信号和基准副载波相位不同而已。注意在编码时，两个色差信号分别经过了压缩处理，因此在解码时要相应进行去压缩处理。此解调器也可用Simulink进行动态仿真。同步检波器就是一乘法器，在数学运算(Math)模块库中可找到。低通滤波器也可在滤波器模块中找到。主要是设置好模块的参数，这是仿真成功与否的关键。仿真解调出的R-Y和B-Y色差信号结果波形如下：
R-Y和B-Y色差信号结果波形
4.5 三基色恢复电路
由三个色差信号和亮度信号转换为三基色信号的电路称为解码基色矩阵，一般解码基色矩阵电路兼作末级视频放大电路。在同步解调电路解调出R-Y、B-Y色差信号，在解码电路利用G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y) 运算放大器恢复出G-Y信号，然后用R-Y 、B-Y 、G-Y及由亮度通道输出-Y信号，分别送入基色解码矩阵解出-R、-G、-B三个基色信号。这三个R、G、B视频基色信号分别送到各自的放大器、分相器和输出级。放大器和分相器分别设置对比度和亮度调整。分相器输出的基色信号是两个波形相同、但极性逐场相反的交流信号，且其平均直流成份为零，以适应液晶显示器件对驱动信号的要求，避免液晶材料受直流电压作用而产生电化学分解影响液晶显示器件的寿命。原理框图如下：
此电路可用Simulink进行动态仿真，要用到相加(Sum)模块，此模块可在数学运算(Math)模块库中找到。接上示波器便可观察波形。在具体设置时的注意点和梳状滤波器设置时的注意点类似。
把以上各电路的仿真模块连接起来，再加上一些细节电路的仿真，便可仿真出TFT-LCD解码电路的全过程。
