Ke kompenzaci disperze diskrétního vedení

[Lojza1]

Ukážu zde, že je možno konstruovat diskrétní vedení s kompenzovanou disperzí využitím vzájemných indukčností použitých induktorů. Takové vedení je pak možno použít například jako zpožďovací vedení a poměrně ostrou dolní propust pro jasovou složku TV signálu nebo jako součást filtru pro chrominanční složku kompozitního signálu. Taková vedení jsem zkonstruoval jako součást kodéru PAL a předkládám výsledky. Nemohu ale poskytnout návod k výpočtu a asi by i byl prakticky nepoužitelný. Moje řešení vychází z množství pokusů. Zajímavé by mohlo být kompenzovat disperzi u vedení ve vf širokopásmovém distribuovaném zesilovači. Například u koncového vertikálního zesilovače k osciloskopické obrazovce s dělenými vychylovacími destičkami by to mohlo mít smysl. Zabýval jsem se konstrukcí kodéru PAL v roce 2012 a nevím, jestli vzájemnou indukčnost využil ke kompenzaci disperze diskrétního vedení i někdo jiný, nebo je to originální nápad. Každopádně zde zveřejňuji k volnému užívání.

Doplněno: Podle mých nových poznatků se v distribuovaných zesilovačích vzájemných indukčností využívá, jak se popisuje v publikaci Tektronixu viz níže. Řešení je trochu odlišné a připadá mi pro zesilovače možná vhodnější, pro filtry naopak méně vhodné.

[Lojza1]

Zpožďovací a filtrující vedení pro jasovou složku má následující odezvy na velmi krátký impuls, impuls přiměřený k obrazovému signálu a na obdélníkový průběh. Hrany na vstupu vedení lze v oscilogramech vytušit podle rušivého zvlnění.

[Lojza1]

Na druhém zpožďovacím vedení, na plošném spoji vlevo, je navinuta struktura chrominančního filtru. Vedení je zakončeno zkratem. Vlna se tedy v protifázi odrazí a tím vytvoří časově symetrickou impulzní odezvu. Na oscilogramu je vidět, jak se postupně projeví dolnofrekvenční filtrace ostrého budícího impulsu a velmi mírný útlum vedení.

[Lojza1]

Jen doplním, že realizovaný chrominanční filtr má koeficienty -1, 2, -3, 3, -2, 1 a frekvenční charakteristika byla zobrazena na počítači Sinclair ZX81. Zde je i schéma kodéru. Opravil jsem v něm teď chybně zakreslené orientace struktur vinutí na vedení.

[Lojza1]

Ještě několik oscilogramů kompozitního signálu a obrázek z běžné CRT TV, u kterého je ale vidět špatně řešitelný problém v interferenci se strukturou CCD fotoaparátu. Obrazový signál je z výstupu RGB počítače Sinclair QL.

[Lojza1]

Ještě jsem našel fotky prvního úspěšnějšího pokusu s kompenzací disperze.

[Bernard]

Tak je vidět, že jsi hodně pokročil, máš to zmáknuté. Jen bych rád věděl, k jakému parametru se vztahuje ten termín disperze, Google to uvádí jen v souvislosti s optickými vlákny. U metalických vedení se kdysi hovořilo o distorzi a místo diskrétního vedení bylo kvazihomogenní. Ovšem využití cívek se vzájemnou indukčností má víc jak stoletou historii, telegrafní nebo telefonní vedení s těmito cívkami bylo tzv. pupinované.

[Bernard]

Tak je vidět, že jsi hodně pokročil, máš to zmáknuté. Jen bych rád věděl, k jakému parametru se vztahuje ten termín disperze, Google to uvádí jen v souvislosti s optickými vlákny. U metalických vedení se kdysi hovořilo o distorzi a místo diskrétního vedení bylo kvazihomogenní. Ovšem využití cívek se vzájemnou indukčností má víc jak stoletou historii, telegrafní nebo telefonní vedení s těmito cívkami bylo tzv. pupinované.

[Lojza1]

Bernard:
Byl bych samozřejmě vděčný za upřesnění terminologie od odborníka na tuto oblast nebo třeba i za odkazy na jiné autory.
Pojem disperze tenkrát jistě správně a logicky, nejspíš i konvenčně použil odborník z FEL ČVUT, se kterým jsem po dokončení vývoje konzultoval případnou novost využití vzájemných indukčností k potlačení frekvenční závislosti fázového zpoždění u vedení. Ano, analogie s optikou je jasná, jde ve výsledku o shodný jev. Pojem distorze jsem v tomto významu použít neviděl a ani bych ho neočekával.
Je možné, že se pro vedení z diskrétních prvků opravdu nehodí použít pojem diskrétní vedení. Paměť je vrtkavá, od školy daleko, stará skripta někde hluboko. Má na to někdo další nějaký názor?
Pokud se disperze vedení nepotlačí, nelze ho takto použít až do jeho mezní frekvence a využít tím i jeho filtrační schopnost, protože cestou po vedení roste fázové zkreslení signálu. Potlačení disperze ještě nepostačuje ke snadnému impedančnímu přizpůsobení v blízkosti mezní frekvence. Vedení je třeba navíc i vhodně zatlumit, třeba s pomocí struktury vinutí.
Jestli jsem správně pochopil podstatu rozsáhlého odkazu, tam jde o něco docela jiného. Možná by se tam i hodily pojmy jako distorze a pupinace; k tomu se neumím vyjádřit. Mnou použitá vedení jsou nesymetrická a symetrizací jsem se nezabýval ani využitím vzájemných indukčností, ani jinak.

[Lojza1]

Za deset let od mých pokusů se zlepšila dostupnost literatury online. Díval jsem se teď do publikace Tektronixu o vertikálních zesilovačích z roku 1969. Píše se tam na několika stranách o T-coil networks. I tam jde o využití vzájemné indukčnosti k omezení fázového zkreslení, i když konstrukčně trochu jinak. Moje řešení je tedy dost blízké k oblasti "m-derived filters", na které se publikace odkazuje. Snad je znají ze školy absolventi nějakého oboru bližšího k této oblasti. Já jsem to neznal a tak, jako se mi vlastní řešení přes určitou náročnost na pečlivou konstrukci osvědčilo, může inspirovat i jiné.

Doplnění: Výkladu m-derived filters dle Wiki ve vztahu k publikaci Tektronixu jsem na první pohled nerozuměl. Teď jsem se podíval pozorněji a je tam rozpor. Výklad Wiki opravdu nepočítá se vzájemnou indukčností a konstantu m uvádí jako volitelnou v rozsahu 0 < m < 1 (pro m = 1 by šlo o obyčejnější k-type filter). Pokud by se ale dosadilo m > 1, vyšla by indukčnost v sérii s kapacitorem v náhradním schématu záporná. A to je právě to potřebné, co vzájemná indukčnost u T-coil networks dovede a co může potlačit disperzi. V publikaci Tektronixu vidím na obr. 4-8 uváděno m = 1,27. To už mi dává smysl. Texty tedy ale nejsou úplně v jednotném souladu a přísně podle Wiki by se filtr s kompenzovanou disperzí sestrojit nedal, resp. dal až podle výkladu hesla "Bridged T delay equaliser". Dál se tím teď nebudu zabývat. Teorie m-derived filters se už historicky primárně zabývá lepší impedanční přizpůsobitelností oproti k-type filters a i Tektronix různými prostředky řeší impedanci vedení. Moje řešení předpokládá úzkopásmové tlumení kmitů především prostřední části vedení, u kterého se s hodně dobrým přizpůsobením blízko mezní frekvence nepočítá. Naopak moje řešení umožňuje navinout na induktorech vedení strukturu vinutí, která může realizovat filtr se zadanou impulsní odezvou a/nebo vedení vhodně tlumit. V mé realizaci jsem u vedení jasové složky použil efektivní tlumicí vinutí, u chrominančního vedení strukturu filtru se slabšími tlumícími účinky.
Na můj způsob tlumení kolem mezní frekvence vedení lze pohlížet i tak, že příliš nízký přizpůsobovací odpor na koncích vedení se transformuje doprostřed vedení jako naopak příliš velký přizpůsobovací odpor. K němu je možno připojit paralelně další odpor a tím přizpůsobení opravit. Struktura vazebního vinutí a kondenzátor v sérii zajistí, aby vazba přidaného rezistoru byla vhodně frekvenčně závislá. Nejspíš. Je to už dlouho, co jsem se tím zabýval. Záleží to i na hodnotách prvků na koncích vedení. Celé je to na výklad trochu složité.

[ZdenekHQ]

Já jsem to třeba tak pochopil, že jde o rozptylovou (disperzní) indukčnost a následnou vzájemnou vazbu cívek. Zajímavý...

[ZdenekHQ]

Já jsem to třeba tak pochopil, že jde o rozptylovou (disperzní) indukčnost a následnou vzájemnou vazbu cívek. Zajímavý...

[Lojza1]

Zdeněk: Ano, ten způsob chápání má logiku, jen jsem to myslel jinak a nebylo to původně tak označeno ode mne.
Ono mi to označení celkově přišlo normální a už vím, proč asi. O disperzi se píše i u vlnovodů. To jsou sice objekty s rozprostřenými parametry, ale disperzi mají. Míněno disperzi ve stejném smyslu, jako u obyčejného diskrétního vedení, u optického vlákna, na optickém hranolu, v reálné optické čočce atd.

[Crifodo]

V dobách, kdy měl uživatel k dispozici jen CRT zobrazovače s kompozitním signálem, by ti za tak krásně fungující separaci barvové složky ruce utrhali, minimálně majitelé ZX Specter a Tesla Colorek.

[Lojza1]

Crifodo:
V Sinclair QL je pro kompozitní výstup osazená stejná Motorola MC1377, jaké jsem před deseti lety náhodě sehnal za pár korun. Tam je to zapojeno extra ošizeně a se zarušenými zeměmi, výsledek je hlavně u QL verze 6 špatný. I u verze 5 je při trochu menším rušení barevná složka posunutá a rozmazaná směrem doprava a s odlišnými barvami na hranách. Chtěl jsem to zkusit lépe využitím RGB, který je formou výstupu obrazového signálu ze zákaznického obvodu v QL a takto je vyveden i na konektor k monitoru. Ke spokojenosti by ještě bylo třeba RGB navzorkovat (jsou to logické signály) a poslat do modulátoru s rychlejším taktováním, aby se celá aktivní šířka obrazu vešla na obrazovku běžné TV. I drobný posun vertikální synchronizace by byl třeba. Koncepce MC1377 nepočítá s vysokým rozlišením a samotný systém PAL má rozlišení u barevné složky nutně omezené. Pokusil jsem se dosáhnout maxima možného. Na nápisech QL je vidět, že u jemnějších struktur jsou smysluplné jen dvojice barev, které k sobě nejsou nijak komplementární a přiměřeně se liší jasem. Dá se vybrat 16 dvojic, které má pro PAL smysl kódovat jako atribut ve smyslu třeba jako u ZX Spectrum. Tedy 4 bity doplňující malý bodový rastr jako tip pro každého, kdo by si chtěl sám navrhnout úsporný osmibitový počítač. Plnohodnotné zobrazení u Sinclair QL bohužel uměl jen speciální barevný monitor připojovaný na výstup RGB. Asi se jich moc nevyrobilo.
V Sinclair ZX Spectrum a ZX Spectrum+ by se aspoň časový souběh v kompozitním signálu dal udělat dobře a zadarmo už v ULA, kdyby se výstup jasové složky ještě před převodem na analogový signál zpozdil o několik taktů. Taková ULA bohužel nevznikla. Aspoň se pozdější verze doplnily o možnost klíčovat úroveň černé a ze Specter byly vypuštěny dva neoblíbené trimry. U ZX Spectrum 128K+ je to s PAL ještě mizernější. Nejenže je barevná složka opět (zbytečně) rozmazaná doprava, ale nejspíš se s trochu jiným taktováním počítače celý PAL kóduje už v ULA. To je tedy synchronní s rozkladem a nijak se neposunuje modulační rastr chrominanční složky, který by se mezi snímky (dle TV normy dvojicemi půlsnímků) posouvat měl, aby v čase potlačil nedokonalé oddělení jasové a barevné složky signálu. U těchto počítačů je na barevných strukturách zobrazena nehybná duha, takže spektrum není jen na ikonickém barevném štítku vedle klávesnice. Třeba mohli zkusit přidat 1 neaktivní řádek. Taková duha se u Specter 16K a 48K objevovala jen přechodně, jak se frekvence dvou krystalových oscilátorů vzájemně měnily s teplotou atd. Nevím, jak to bylo u dalších ZX Specter od Amstradu.
Pokud se u dobových počítačů používal sudý počet řádků na snímek, bylo by v kodéru (i v dekodéru) PAL podstatné správně nastavit fázový posuv 90 st. mezi barevnými složkami. Pokud byl navíc počet řádků dělitelný 4, což také býval, bylo by dobré použít pro PAL oddělený oscilátor ideálně s fázovým závěsem. Sudý počet řádků tím u dobových počítačů úplně nezatracuji, protože u lichého se zase moire vzniklá jako průnik z barevné do jasové složky a naopak viditelně posouvají doprava a/nebo doleva podle barevného tónu. Ubíhají sice dvakrát rychleji, než u správného půlsnímkového rozkladu, ale na analogové CRT je oko stíhá sledovat a tím mizí efekt vzájemného vyrušení v jejich časové posloupnosti. Kdo sledoval barevné vysílání na starém černobílém televizoru ještě po přechodu ze SECAM na PAL jako já, možná si na ty sunoucí se rastry také vzpomene. Barvy si podle nich mohl domyslet. U barevných CRT bylo odfiltrování barevné složky z jasové na souvislých plochách dobré, problémy s blikajícími falešnými barvami dělaly látky s jemným vzorkem atd.
Zde nafocený kodér ukazuje obrázek s 312-ti řádky. Při horším nastavení fáze 90 st. trimrem se vertikálně střídá odchylka barevného tónu vodorovných barevných řádků zobrazených s periodou 3 řádky rozkladu (levá strana barevného obdélníku vlevo dole). Při nevhodných poměrech frekvencí oscilátorů rozkladu a PAL se objevují různě se pohybující rastry.
U jemných barevných struktur vznikají efekty proměnného barevného kontrastu v prostoru a čase jako interference kvadraturní modulace s barevným obsahem překračujícím odpovídající frekvenční rozsah. Koncepce MC1377 neumožňuje rozdílové signály mezi maticovým obvodem a kvadraturním modulátorem omezit dolnofrekvenčním filtrem, je to uvnitř čipu.
Domácí počítače byly zezačátku velice drahé i při ošizení mnoha "okrajových detailů". Technicky je to zajímavá a stále inspirující oblast techniky (přinejmenším pro někoho) i tím, že tenkrát nebylo možné s dobovými součástkami vše domyslet, dotáhnout, udělat pořádně a ještě s tím uspět na trhu. Colorky dělaly co uměly, byly přiměřené době a místu výroby. Já jsem si nedávno dost vyhrál s renovací Aleše Colora a ve výsledku mi přijde velice dobrý. Přestože má sovětskou obrazovku, která byla před regenerací katod a konečně slušnějším seřízením konvergencí a čistoty barev ve stavu na vyhození.
Analogová TV se vyvíjela dost dlouho a PAL je perfektně promyšlený systém, i v reálných přijímačích většinou solidně implementovaný.

[Hill]

[Hill]

[Lojza1]

Já na PAL obdivuji právě ten perfektně promyšlený systém kompromisů, který černobílé televizi přidal barvy a vše přenesl původním kanálem při zachování dobré funkce černobílých televizorů. Pokud by chtěl PALu někdo něco vytknout, tak snad jen se subjektivním pocitem, že nějaký kompromis mohl být posunutý trochu tak či onak, a nejspíš by to neuměl dobře obhájit.
Netvrdím, že první domácí počítače byly odfláknuté, i když Sinclair s vývojem a uvedením na trh obvykle hodně spěchal a doplácela na to pověst jeho firem i samotní uživatelé. Na druhé straně se tak dopracoval k bohatství a ke šlechtickému titulu. Zrovna to zpoždění jasové složky v ULA by asi opravdu nic nestálo a bylo by smysluplným zlepšením.
Je jasné, že moje řešení kodéru nemá nic společného s realitou průmyslové výroby spotřební elektroniky ani tehdy, ani dnes.