電子回路の豆知識

平成14年1月3日朝刊

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第6章　画像信号の豆知識
6.1 NTSC信号のタイミング
6.2 ドットクロック
6.3 同期信号
6.4 電圧レベル
6.5 色変換のお話
6.6 用語集

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平成10年2月28日発行.第三種郵便物不認可

ドットクロック

　ビデオ信号をディジタル回路で扱うときには、1ドットを送り出すクロック周波数をいくらにすればよいか悩むことになります。一般的には14.31818MHzか、12.2727MHz、13.5MHzのどれかを使うことになります。これらの周波数と水平周波数(15.734kHz)が倍数関係になっているからです。

14.31818MHzの場合(色重視)

　14.31818MHzを使うのは最もポピュラーです。この周波数の場合、3.579545MHzのカラーサブキャリア周波数の4倍の周波数を使っていますので、色の面で様々な恩恵が受けられます。
CLOCK 14MHz

　ディジタル回路で作り出した映像をDAしてビデオ信号にするときには、カラーバーストをつくり出すのに最も都合がよい周波数です。逆にビデオ信号をキャプチャーするときには、カラーサブキャリア周波数の整数倍の周波数でサンプリングしないと色信号を正しく読み取れません。そのため、色を正しく扱いたいシステムではこの周波数でピクセルを送り出します。
　また、この周波数を使うと水平ラインには910ピクセル(14.31818MHz/15.734kHz)の解像度を持たせられることになりますが、ブランキング期間があるので、水平の有効画素は753ドット程度になります。
　ただしこの方式には重大な欠点もあります。テレビの画面は縦横比が3:4と決まっています。いま、テレビの画面の横の長さが40cmだとすると、ひとつの画素の横幅は0.531mmになります。このテレビでは縦の大きさ30cmの中に485本程度の走査線が入っているので、縦の長さは0.619mmになってしまいます。これでは画素の縦横比が違ってしまいます。この比は1.16で、縦長の画素になってしまいます。

12.272725MHzの場合(正方形ピクセル)

　14.31818MHzでピクセルを送り出した場合は、ピクセルが正方形にはなりませんでした。そこで、ピクセルが正方形になる周波数を考えます。
　テレビの画面は縦横比が3:4です。縦の解像度は走査線の本数なので483～485ラインあります。この3分の4倍の解像度が水平方向にあれば正方形のピクセルを作ることができるようになります。
　水平の周波数は15.735kHzなのでその期間は63.556μ秒ですが、映像を表示しないブランク期間10.9μ秒程度ありますので、映像期間は52.656μ秒になります。この期間に644(=483*4/3)ピクセル表示するならば12.23MHz、645.33(=484*4/3)ピクセル表示するならば12.26MHz、646.66(=485*4/3)ピクセル表示するならば12.2809MHzになります。
　ビデオ信号で12.2MHz付近のクロックが使われる場合は、ほぼ間違いなくピクセルを正方形にするためです。
　特に水平方向の見えない画素まで数えて横780ピクセルとすれば、12.2727MHz(=780/63.556μ秒)になります。この周波数を使うこともあります。この場合、水平方向の見える画素数は646.2ドットになりますので、VGAの画面を表示するには都合がよいことになります。実際にはその2倍の周波数の24.5454MHzのクロック発信機を使って分周して使います。

　この方式の最大の問題点は色信号を正しく再現できないことです。また、望みの周波数の水晶発信機が入手しにくいという欠点もあります。

13.5MHzの場合(デジタル・コンポーネント・ビデオ信号)

　デジタル信号で扱うときには、13.5MHzで輝度信号を送出します。デジタル・コンポーネント・ビデオ信号といいます。これは次世代(現世代？)のデジタルビデオ機器の標準となりつつある形式です。
　この方式では水平方向の解像度を858ピクセルとすると、水平走査線の周期が63.55555μ秒となってちょうど正確に規定された水平周期になります。(というのも858=286*3なので当然ですが・・)。
　また、このクロックは13.5MHzの2倍である27MHzを分周して作るのが慣例となっています。27MHzの水晶は比較的手に入りやすいかとおもいます。。
　デジタルコンポーネント信号では、13.5MHzで輝度信号を送り、その半分の6.75MHzでそれぞれの輝度信号を送ります。輝度信号はCr、Cb形式でおくりますので、Y:Cr:Cbが4:2:2であるともいいます。

結局どの周波数がよいか

　一概には言えませんが、14.31818MHzで色を綺麗にサンプリングするのがよいでしょう。パソコンなどに取り込むには縦横比を変換しなければなりませんが、それは回路で行うと大変ですが取り込んだあとにCPUで処理すれば簡単です。
　体力と気力に余裕がある人、もしくは従順なアルバイトを雇っている方は、14.31818MHzにサンプリングしてバッファメモリに溜めて、12.2727MHzでサンプリングしなおすFPGAを設計するのがよいでしょう。
　さらにお金に余裕のある人は、12.2727MHzでサンプリングしなおしてくれる不思議なビデオ専用ADコンバータを購入するのがよいでしょう。