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淺談 SSTV

No.43   1996 Aug.   p70~75,   by 郭允晟 BA1GYS (ex XU2YS), 北京 6111 信箱



Fig 00

    慢速掃描電視 SSTV 以其窄的帶寬、低廉的設備、在相當大的 QRN 情況下,仍可傳送相隔千里外友人的彩色圖像,難怪它有那麼大的的魅力,吸引著千千萬萬的 HAM 們……


概述

    慢速掃描電視 SSTV (Slow Scan TeleVision) 技術誕生於 1958 年,在其後的漫長 30 年中,只是徘徊於一套套複雜的模擬電子電路,即使是價格昂貴的專用設備,也只能傳遞低質量的黑白圖像。

    隨著個人計算機 (PC 個人電腦) 的飛速發展,SSTV 和其他技術一樣有了質的變化;它不再需要複雜的設備,PC 幾乎承擔了全部有圖像轉換、製作、顯示、編解碼、容錯處理以及存檔拷貝等。通過使用 PC 技術,使本來就有巨大魅力的圖像傳送領域又增添了更加誘人的色彩:無需多少投資、便於個人製作、空中資源豐富、接收質量高以及尚有許多有趣的技術改進課題待人開發……。當你在原有通訊設備的基礎上沒花多少力氣就接收到了未曾「謀面」的遠方同好的彩色玉照,你除了感到從傳統的技術向前邁了一大步之外,還會感到我們的地球村何其之小!

    也許有人會說:『一分多鐘才傳來一幅靜止圖像,太慢了!』是的,確實是慢,另有一種較快速的 FSTV (Fast Scan TeleVision,或叫 ATV),對一個現代 Ham 來講,也是應該涉足一下的,但是兩者皆有各自的優缺點。ATV 佔用頻帶極寬,如果工作在 2 米波段,則全部業餘頻段只勉強夠一個電台工作,因此一般僅工作於 1.2GHz 以上的頻帶。另外的問題是通訊距離有限、空中資源少、成本高、要事先約好通訊伙伴才能工作。而 SSTV 「慢」的代價換來了下列收益:

  • 帶寬極窄。僅佔用 1000-2300Hz 的頻帶,很適合用短波的 SSB 工作。
  • 不同的顏色及亮度的信息是多次分時發送的,因此在某瞬間的干擾對圖形形狀影響很少。
  • 不同的顏色和亮度是用不同的音頻頻率表示的,因此對衰落及波形失真等不敏感。
  • 相對低的成本。
  • 可利用軟件進行容錯及圖像的後期處理。

    因此,SSTV 可以在信號相當微弱和件有一些干擾下,進行數千公里的圖像傳送,這正是 SSTV 可貴之處。

    實現 SSTV,基本上有兩種方法:一種是使用極簡單的接口,其餘工作全部由 PC 完成。另一種是使用商品設備,例如一種稱為掃描變換器的設備 (Scan Convener),它能把 SSTV 信號與某種制式的電視信號相互變換,通常可以不連接微機即可獨立的收發和存儲,也可以連接微機調用微機中的資源。常見的型號有:DFM 1200C、TSC-100、Robot 1200C、TSC-70 等等,其中 Robot 1200C 曾風靡一時,但 1992 年已停產。當前最新的一種為 Super scan 2001,可存儲 4 個彩色圖像,支持鼠標 (滑鼠),可以不需 PC 即可在畫面上書寫標題 等。還有一種介於上述兩者之間的方式,那就是與 PC 一起使用的裝置,例如帶有 SSTV 功能的 TNC,以及 PASOKANTV、SSTV Explorer、Viewport VGA 和 PC SSTV5 等商品部件,這些都脫離不開 PC 及相應的軟件。高級的設備帶來了多功能的滿足,但是最簡單、經濟的自製系統,帶給無線電業餘家更多的樂趣。

    當前 SSTV 的新動向是多媒體技術與無線電通訊的結合以及數字式 SSTV 技術。總之,在圖像傳送這塊領域中,著實還有不少未被開墾的處女地,有待 Ham 們努力。


SSTV 的工作模式

    SSTV 在自由及漫長的發展過程中,產生了多種傳送模式,和世界上許多事物一樣,已難於統一為單一的協議,所以在收發 SSTV 時必須和通聯的對象採用同一模式,表 1 列出了 5 種 25 類模式供參考。

    有經驗的無線愛好者可能會發現,表 1 中並未列 SSTV 出圖像的幀寬,即每行像素的數目,這是因為 SSTV 是以模擬方式工作的,為減少空中的干擾,SSTV 的發送方會自動在信號中不斷地加入樣本幀寬,供接收方校準。圖像的幀寬可以是 256、 320、512、640 等,並因圖片大小和收發軟件的不同而有所不同。不過插入的校驗樣本越多,圖像傳送的效果越好。

    在美國,80% 以上的 SSTV 業餘愛好者都使用 Scottie S1 方式。偶爾也能聽到 S2、Martin M1、Robot 36 和 72。其餘模式則極為少見。在歐洲則 95% 以上都使用 Martin M1。亞太地區則多用 Scottie 1 方式。

    使用掃描變換器時皆能通過接收圖像前部的引導區,自動識別對方發送的模式,但對於用軟件實現接收的系統,必須事前確認對方的模式。

模式名稱 模式類別 顏色類型 時間(秒) 掃描線 備註
AVT 24 RBG 24 120 d
90 RBG 90 240 d
94 RBG 94 200 d
188 RBG 188 400 d
125 BW 125 400 d
Martin M1 RBG 114 240 b
M2 RBG 58 240 b
M3 RBG 57 120 c
M4 RBG 29 120 c
Robot 8 BW 8 120 a, e
12 BW 12 120 e
24 BW 24 240 e
36 BW 36 240 e
12 YC 12 120  
24 YC 24 120  
36 YC 36 240  
72 YC 72 240  
Scottie S1 RBG 110 240 b
S2 RBG 71 240 b
S3 RBG 55 120 c
S4 RBG 36 120 c
DX RBG 269 240 b
Wraase SC-1 24 RBG 24 120 c
48 RBG 48 240 b
96 RBG 96 240 b
表 1:SSTV 傳送模式歸納。
說明:(1) 顏色類型:RGB - 紅綠藍分別發送;YC - 按亮度 (Y) 和彩色信號 (R-Y 和 B-Y) 發送;BW - 黑白。(2) 備註:a - 類似於 8 秒黑白標準;b - 前 16 行是灰度級差,240 行可用;c - 前 8 行是灰度級差,120 行可用;d - AYT 模式有 5 秒數字化引導區,無水平同步;e - Robot 1200C 實際上並沒有黑白模式,但可以分別發送紅綠藍的組合,過去主要是靠發送接近綠的元素來代表黑白圖像。



基於 PC 的 SSTV 系統

    對於一個新的 SSTV 愛好者來說,以下的設備是必須的:

  • 收發信機 (HF 或 VHF)。
  • 滿足以下配置的 IBM PC 或兼容機:386 或更好的 CPU、不少於 4MB 的內存 (RAM)、彩色 VGA 顯示器、一個空閒的串行通訊口 (COM1 或 COM2)。
  • 一個用於將音頻信號輸入 PC 的接口,常用的接口是一種借用 HAMCOM 軟件所使用的電路。

    常用的軟件目前已有好多種,使用類似於 HAMCOM 簡單接口的軟件有:JVVFAX、EZSSTV、PROSKAN、 MSCAN、VFSTER、GSHPC 等,其他還有 SSCPCHF (傳真卡)、AEA 傳真卡、Sound Blaster Adapter (聲霸卡)、FAXCAP 等組合方式。

    這些軟件都可以通過國際互聯網路 (Internet) 的以下 FTP 地址,免費獲得:

  • dtp.ultrant.com/pub/sstv
  • oak.oakland.edu/pub/hamradio/pc/digital/atv
  • ftp.cs.buffalo.edu/pub/hamradio
  • ftp.ucsd.edu/hamradio/sstv
  • ftp.cciw.ca/pub/u124/sstv

    當你有了其中任何一種軟件,就可以知道了如何製作相應的接口。

    利用聲霸卡實現 SSTV 收發,不需再籌備任何其他東西了,只需將聲霸卡上的 Mic 及 Speaker 與收發信機的 Speaker 及 Mic 端口相接通即可 (在發送時當然要手動按一下收發信機上的 SEND 鍵)。

    有些軟件是要付些費用的,用以支持相鼓勵軟件作者繼續改進軟件,例如在付足費用之後,作者才會將功能齊全的 PROSKAN 寄給你,同時並將你的呼號寫入軟件中,否則你只是一個 "Unregistered" 操作者,並且不能享受全部功能。

    德國 DK8JV 寫出的功能很強的 JVFAX,不知世界上有多少愛好者受惠於這一軟件。此軟件重點是氣象圖傳真,厚厚的技術說明書只提了一句可以用於 SSTV 的收發,因此,熟練的 SSTV 操作都是靠愛好者悟出來的。JVFAX 的使用經驗已有同好在本刊寫過文章,筆者僅就個人心得談一些體會。

    JVFAX 最新版為 7.1,與 7.0 版相比並無多少變更,只是增加了收發真彩色 (TGA) 的能力;去消了用微機的喇叭信號推動發射機比用串行口的 TXD 分辨力要高的論述,以及修改了接口電路圖。電路圖如圖 1 所示,圖中取消了兩支整流二極管。以前的電路是用 DTR 及 RTS 進行「全波」整流。其實,當初是一種誤解,筆者曾詳細分析過此電路,在接收狀態時, DTR 線及 RTS 線恰好分別是正及負電平,無需進行整流,只要有各自的防反二極管,並加以退耦即可。還有一處修改就是 741 的輸入改為差動輸入,這一改動似乎意義不大。

Fig 01
圖 1:JVFAX 7.0 版接口電路圖。

    以前的版本中作者認為由喇叭驅動發射機可以達到灰度分解率 64 級,而用 TXD 驅動時只能達到 13 級。在 7.1 版中不再強調這一點,但依我之見,用喇叭驅動雖然麻煩些,要打開機箱引出此線,但其好處是在發射時可以聽到聲音,而用 TXD 發射時是無聲的。筆者建議不要輕易更改圖中的低通 RC 濾波器的數值,此濾波器是為了使 TXD 矩形信號高於 2500Hz 以上的多餘成份被濾除,使信號接近正弦波。

    為了進一步了解這個接口的原理,我們來分析一下 DTR、RTS 及 TXD 這三條線的狀態 (+ 為 +12V, - 為 -12V 左右)

  DTR 線 RTS 線 TXD 線
(1) 剛打開微機進入 DOS 時 (運行過鼠標驅動程序後) + + -
(2) HAMCOM 或 JVFAX 運行後,處於接收狀態時 + - -
(3) SSTV 發射狀態時 - + -
(4) HAMCOM 程序處於發送 CW 電報時
SPACE 時
MARK 時
 
-
+
 
+
+
 
(5) 從 HAMCOM 或 JVFAX 退回到 DOS 時 + - -
表 2:DTR、RTS 及 TXD 真值表。

    由表2可以得到如下結果:

  • 剛打開微機,未運行程序時,串行口的所有輸出線皆為負。當運行了鼠標驅動程序之後,電平為表上所示,這時由於 RTS 變正而使 PTT 有效,如收發信機已打開,則將會誤入發射狀態,必須及時處理或採用運行程序後,再打開收發信機電源。

  • 運行 HAMCOM 或 JVFAX 後,系統進入接收狀態,

  • SSTV 為發射狀態時,RTS 為止,使 PTT 有效。

  • 當運行 HAMCOM 的 CW 發報狀態時,DTR 與 TXD 同步動作,DTR 為開關信號 (Mark 時為止),而 TXD 為音頻電報信號,由此可看出 HAMCOM 的正常使用時,只能用 SSB 發射音頻電報。如欲驅動鍵控電報,則可使用 DTR 線控制發射機的電鍵端口,

  • 運行過 HAMCOM 或 JVFAX 後退回到 DOS 時,RTS 線為負,就不會再出現 PTT 有效的狀態了,PROSKAN 程序也是一個很好的程序,它有很漂亮的屏幕顯示,在屏上同時出現收和發的兩個圖面區,可以用鼠標進行各種選擇。這一程序仍在充實改善中,是一個很有前途的軟件。該程序雖也可使用 HAMCOM 的接口電路,但該作者也提出了自己的接口電路,他認為保證比較器的精確平衡狀態,對接收質量關係很大。現介紹其電路如圖 2,供製做時參考。

Fig 02
圖 2:PROSKAN 的接口電路。

    圖 2 中用用來調整精確的過零點。所有的 SSTV 都是通過測量兩過零點之間的週期來讀出發射過來的信息,因此,比較器能否準確地複現圖像信息,決定其圖像的重建質量。本圖的負壓電源是由 TXD 在接收狀態時為負來供給的。筆者認為 RTS 端與 R6 之間應串接一個隔斷負輸出電壓的二極管才好,因為一般晶體管的 E B 極間承受反向電壓的能力很低,RTS 端為負電壓時,有可能達到 -12V。

    說起接口電路來,筆者有如下幾點建議供同好們參考:

  • 軟件作者所介紹的電路都是最基本的電路。但是在不追求小體積的情況下,何不模仿其他台式 MODEM 或 TNC,也將這一接口做複雜些呢? 比如增加 RTS、DTR, TXD 的監視用 LED,工作時,紅綠相映,除顯出工作狀態,並增加了不少趣味。

  • 在接口盒內加設發射時兩種激勵方式的選擇開關,以便試驗到底用哪種信號效果更好?

  • 增加一個 TXD 信號的監聽喇叭,因為在用 TXD 激勵發射時,微機的喇叭是啞巴,這只要花 TXD 線與地之間接上一個壓電陶瓷發聲器即可。

  • 增加一個可以鍵控 CW 發射機的端口,因為有些發射機並不都是可以接受音頻碼的 (比如自製的 QRP 發射機)。其實這很簡單,有兩個方案可以選用:一個是利用 RTS 線,此線在發報時 MARK 為正, SPACE 為負,通過驅動一支 NPN 三極管,即可模仿按鍵動作,此三極管的集電極應接至發射機電鍵接口。還有一種方法就是仍使用 PTT 線,通過 PTT 按電碼的規律通斷,達到鍵控的目的,我們由前述表 1 的真值表可以看到,只要使 RTS 線與 DTR 相「與」 (AND) 之後,再來控制 PTT 即可,

  • 接口盒應具有 SSTV 與通話的快速轉換功能,通常在雙方互相交換圖像的間隙,常常要聊上幾句,不應該耗費時間用來插拔收發信機的多芯插口來改變狀態,對於有些收發信機可能並不困難,比如與 SSTV 接口盒相接的各條線路皆可用收發信機上的輔助接口提供,而不必改動 MIC 插口。而對某些機器則比較麻煩,最有效的辦法可能是在自製的接口盒中另設 MIC 和 SPEAKER。

  • 一個最有趣的試驗,就是使 SSTV 利用電話機線傳送而不使用噪聲及干擾很大的無線電介質,這時你就具有了一套用電話線傳送高質量彩色圖片的傳真機了。我們都知道當 JVFAX 工作在 FAX 狀態時可以傳送高質量的圖像,而且是彩色的,其方法極為簡單,只需一支隔離變壓器即可。讓我們共同來開發這一舉措的潛在效益吧!

    圖 3 為筆者的建議電路圖,供同好們參考。圖中的虛線部分可根據手頭的器件設計;並應注意其阻抗匹配要求。電話 SSTV 僅提供一個參考試驗電路。KEY 控制端僅當運行 HAMCOM 的電報發送時才有用,這時 TXD 紅色 LED 依電報節奏閃亮。

Fig 03
圖 3:電話 SSTV 參考電路。



SSTV 的一些問題 (FAQ)

有哪些頻率用於 SSTV
有些國家對於 SSTV 頻段有嚴格規定,但在美國則是只要允許傳送語音的頻率皆可使用。約定俗成的幾個頻點如下:3.845、3.857、7.171、14.230、 14.233、21.340、28.680、145.5MHz。
SSTV 有無通訊網路
每週六的 15:00 和 18:00 (UTC) 在 14.230MHz。
有無 SSTV 競賽 (Contest)
像傳統的業餘無線電通訊活動一樣,世界各地的 SSTV 愛好者們也經常進行各種競賽,主題多與臨近的節日有關,按競收、競發數目和比賽圖畫製作質量等規則,確定優勝者。
如何製作畫片
基本上有四種方法:用攝像機攝取;用 PC 捕捉 CD 中的優秀畫面;用 SCANNER 掃描相片及用繪圖軟件自行繪製。作為一個經常活動於 SSTV 中的愛好者,應該必備一些與自己有關的圖片,如自己的天線陣、實驗室 (台)、工作環境、家屬照片、寵物等等。因此應配備多媒體計算機、攝像機及掃描儀等。



培養繪畫修養與技能

    除了有必要設備之外,還應努力培養自己的繪畫方面的修養與技能,因為有了好的畫片不等於有了理想的、可供發射的圖像,還應利用計算機中的繪畫軟件進行必要的後期製作,如填入呼號、剪裁、配色等。備用的畫面應大致分為幾種,例如適合於呼叫 CQ 用的、適合於節日問候用的、適合於介紹自己情況用的以及適合於進行報告收看效果,報告 QTH 及 bye-bye 用的等等。

    我是一個酷愛美術的發燒友,熱衷於 SSTV 有相當一部原因是因為可以欣賞到來自世界各地的異國風光。製作 SSTV 畫片的最重要的體會是簡單清楚、色彩明快;細節過多的畫面是會事與願違的。隨本文奉上數幅試著用鼠標畫的 SSTV 拙作,借貴刊一角送給海外朋友;讓我們努力開墾 SSTV 這塊園地,使 Bravo Ham 的活動更加豐富多彩。 END



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