TV tunerele sunt niște dispozitive moderne, ce extind funcționalitatea PC-urilor, oferindu-le posibilitatea de a converti semnalul TV analogic (sau digital, mai nou, dar nu este în schemă) într-un flux digital de date ce poate fi asimilat unui semnal TV digital.

1. Schema de principiu a unui TV tuner și modul de funcționare

Pentru a vedea care este modul de funcționare al unui TV tuner, pornim de la schema de principiu pe care o vom comenta, astfel încât să ne facem o idee despre fluxul de informație dintr-un TV tuner. Evident, pentru aceasta vom folosi un model de TV tuner abstractizat.

Unde:

0. Sistemul de calcul în care este montat TV tunerul, sau la care este conectat TV tunerul.

1. Mufă RF (tată) cu semnal TV. Poate să fie, totuși, o intrare video compozită (mufa având culoarea galbenă). Important este că preluăm un semnal TV de o anumită formă.

2. Mufă RF (mamă). Mufa cablului purtător de semnal RF (1) intră în mufa echivalentă de pe placa TV tunerului. Este simbolizată în scop demonstrativ, ca să știți unde trebuie introdus semnalul de la antenă/ cablul TV.

3. Bloc de filtrare. Semnalul preluat de la mufa RF (2) trebuie filtrat măcar cu un filtru trece-bandă sau cu un sistem de filtre mai noi, întrucât este purtător de semnale parazite externe.

4. Selectorul de canale controlat digital este, vizibil, o cutiuță ecranată electro-magnetic, în care se realizează, conform unor calcule foarte complexe, selecția unei singure benzi de frecvență, dintr-un spectru de frecvențe. Selectorul de canale (4) este controlat de către microcontrollerul TV tunerului (8). În funcție de comenzile date de către microcontroller (8) o emisie purtătoare de semnal radio/ TV este trimisă spre demodulatorul audio – video (5).

5. Demodulatorul audio – video desparte, electric, semnalul de imagine și cel de sunet din unda singulară (purtătoare) și le reface la forma inițială (de la emisie). Demodulatorul audio – video (5) primește semnal de la selectorul de canale (4), este controlat de către microcontrollerul TV tunerului (8) și trimite semnal audio și video spre in bloc de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6).

Microcontrollerul (8) controlează demodulatorul audio – video (5) pentru că, în practică, există mai multe norme de recepție TV: PAL, SECAM, etc, astfel că din standarde diferite semnalul de ieșire din blocul de demodulare audio – video (5) va fi unul standard (intern al TV tunerului), invariabil în funcție de standardul de recepție folosit.

6. Blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL are rolul de a adapta electric semnalele de la ieșirea demodulatorului audio – video (5). Modelele avansate folosesc algoritmi foarte puternici pentru a amplifica/ repara semnalul. Oricum, toate modelele controlează acest bloc cu ajutorul microcontrollerului (8) pentru a realiza un optim de calitate a semnalului. La ieșirea din acest bloc se obține semnalul util.

Modelele științifice, folosite la cercetare, pot reface aici o parte din cadrele intermediare, de exemplu la filmările de mare viteză. Sau, alt exemplu, pot marca faptul că între două cadre lipsește încă un cadru, care cadru va fi refăcut de către microcontroller (8), eventual cu ajutorul sistemului de calcul (0).

7. Convertorul analog – digital pentru semnal audio și video primește semnal de la blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6). De fapt, aici se obține semnalul digital ce va intra în microcontrollerul (8) TV tunerului. Practic, aici imaginea este împărțită în cadre digitale.

În funcție de performanțele convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7), coroborat cu precizia și acuratețea  blocului de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6), a  demodulatorului audio – video (5) și a selectorului de canale controlat digital (4), vorbim despre performanțele TV tunerului: rezoluția imaginii, numărul de culori (rezultat din adâncimea digitală a imaginii: 10 biți, 12 biți, 15 biți, 16 biți, 24 de biți).

Exemple:

Dacă selectorul de canale controlat digital (4) are o slabă precizie în selectarea canalelor, mult semnal parazit va intra în demodulatorul audio – video (5), generând niște dungi enervante pe ecran.

Totuși, dacă blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6) este făcut cu cap, poate sesiza dungile alea enervante și, dacă nu le poate scoate complet, măcar le poate ameliora.

Dacă blocul de conversie analog – digitală pentru semnal audio și video (7) este făcut mai aiurea, numărul de culori va fi mic, iar culorile nu vor fi unele naturale.

Totuși, partea de procesare digitală a semnalului (Digital Signal Processing, DSP) din microcontrollerul (8) împreună cu  blocul de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6) și a  convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7) poate să facă mici retușuri care pot îmbunătăți sensibil calitatea. Asta pentru că împreună pot forma un rudimentar sistem de prelucrare digitală a semnalelor, dar cu efect mai mult mai mult decât nul.

8. Microcontrollerul TV tunerului. Este un circuit integrat analog – digital destul de complex, cu rol multiplu. De exemplu are o parte de:

a. Procesare digitală a semnalului, mai avansată sau, din contră, mai puțin avansată, folosită la ieșirea audio analogică (16) prin blocul de ieșire pentru sunet analogic (15), la ieșirea de audio digitală (9) sau la ieșirea video digitală (dacă are).

b. Controller funcțional și logic. Cred că este evident că un TV tuner nu este un dispozitiv simplist și că are nevoie de un dispozitiv care să sincronizeze, să orchestreze funcționarea diverselor subsisteme.

c. Conversie a fluxului digital (stream) într-un format mai mult sau mai puțin standard (de obicei e standard), formate precum MPEG1, MPEG2, MPEG4, etc.

c. Alte funcții despre care nu vom discuta (amplificare, atenuare, remixare, etc).

9. Ieșire audio de semnal digital (Digital Audio). Poate să lipsească. Dacă este prezentă, pe placă avem o mufă ce, printr-un cablu cu trei fire – mufa având patru pini, ca în imaginea din partea dreaptă – se conectează la intrarea de semnal audio digital de pe placa de sunet (mufa arată identic).

Practic, un fir identic merge de la unitatea optică la placa de sunet. Ba, mai mult, sunt două standarde chiar și la acest fir extrem de simplu.

10. Bloc de ieșire video pentru semnal analogic. Semnalul video digital rezultat în microcontrolerul (8) sau la ieșirea  convertorului analog – digital pentru semnal audio și video (7) poate fi convertit în alt fel de semnal video (S-video, video compozit, etc) și folosit în altă parte, sau redat pe un alt dispozitiv. Practic, blocul de ieșire video pentru semnal analogic (10) ne poate oferi câteva ieșiri comode.

De exemplu, dacă am vrea să înregistrăm imaginea pe un dispozitiv de înregistrare, de care fel o fi,  fără acest bloc care ne poate asigura ieșirea de video compozit  (11) (imaginea fiind pe mufa galbenă) sau de S-Video (13), am avea nevoie să folosim un dispozitiv de înregistrare cu intrare RF și să divizăm semnalul, pentru a-l împărți la ambele dispozitive. Evident, am folosi și mai multe fire. Or, cu acest dispozitiv, putem trage un singur fir (subțire) de la TV tuner la dispozitiv.

Ruta alternativă, pentru o mai bună calitate a semnalului video rezultat este: demodulator de semnal audio – video (5), bloc de preprocesare audio – video și pentru logică TTL (6), microcontroller (8) și bloc de ieșire video pentru semnal analogic (10). Aceasta pentru că nu avem neapărată nevoie de procesare digitală doar pentru a converti semnalul video dintr-un standard în altul.

11. Ieșirea de semnal video compozit. După cum îi spune numele, este un semnal rezultat din compoziția a trei semnale (YUV), unde Y înseamnă luminozitate (doar din acest semnal obținem imaginea monocromatică, sau alb-negru),  U reprezintă tonul de culoare al imagini (celebrul ROGVAIV) iar V reprezintă saturarea cu respectivul ton de culoare.

Deci UV reprezintă componentele de culoare ale imaginii. Acestea, în amestec (compoziție/ suprapunere) cu semnalul Y care poartă imaginea monocromatică, dau ca rezultat o imagine color.

A nu se confunda cu standardul RGB (Red, Green, Blue). Și acela este un semnal compozit, însă este pe culorile Roșu, Verde și Albastru.  Standardul RBG este folosit la ieșirile de imagine VGA pentru plăcile video.

12. Dispozitiv cu intrare AV. Ieșirea AV poate să funcționeze după mai multe standarde. Faptul că în practică acesta este video compozit ne ajută mult, dar nu ne oferă o garanție că vom putea conecta un anume dispozitiv la o anume ieșire. Desigur, pentru a ne lămuri citim manualul dispozitivului. Poate fi, de exemplu, un video recorder, sau un media player cu intrare SCART (intrarea SCART primind semnal de la ieșirea AV printr-un conector special). Sau, de asemenea, poate fi un alt TV tuner, cu intrare compozită.

13. Ieșirea S-Video. Unii îi spun în mod incorect SuperVideo. Chiar și din practică ne dăm seama că o calitate bună a imaginii nu prea se poate obține. De exemplu, la o rezoluție de 640 x 480 de puncte, imaginea este acceptabilă, dar pentru dispozitivele moderne este insuficientă. Adică, din practică, rezoluții de 720 x 576 de pixeli (e mult zis pixeli, imaginile analogice n-au pixeli, ele sunt puncte, dar e mai ușor de explicat) sunt considerate maximale pentru limitele tehnologice impuse de standardul respectiv.

14.  Dispozitiv cu intrare S-Video. De obicei sunt anumite modele de televizoare sau monitoare. În practică, acestea sunt intrări secundare de imagine, întrucât, după cum spuneam, rezoluția imaginii este destul de mică, după standardele moderne. La fel, poate fi chiar și un alt TV tuner, cu intrare S-Video.

15. Blocul de ieșire a sunetului analogic. Acesta realizează conversia dintr-un format digital într-unul analogic. De exemplu, sunetul procesat digital de către microcontrollerul principal (8) este trimis sub forma unul flux de biți (deci avem digital) la blocul de ieșire a sunetului analogic (15) care poate fi asimilabil unui convertor digital – analog pentru sunet. Sunetul obținut de la blocul de ieșire a sunetului analogic (15) iese din TV tuner prin mufa de Line Out (16) și intră în mufa de Line In (17) a PC-ului (0).

16. Mufa Line Out, adică de ieșire a sunetului analogic. Are culoarea verde deschis. Are rolul de a scoate, cu ajutorul unui cablu cu câte o mufă jack stereo la fiecare capăt, semnalul audio și de a-l introduce în PC (0), astfel încât acestea să redea sunetul, nu doar imaginea.

Foarte important! Când montați un TV tuner, asigurați-vă nu doar că ați introdus TV tunerul în slot și cablul de video RF (sau ce o fi) în mufa de intrare, ci și că ați conectat ieșirea de sunet din TV tuner (16) – Line Out – la intrarea de sunet (Line In) a plăcii de sunet din PC (0).

17. Mufa de Line In a plăcii de sunet. Are culoarea albastru deschis (standard). Semnalul audio generat în TV tuner de către blocul de ieșire a sunetului analogic (15) este scos din acesta prin mufa de ieșire a sunetului (16). Prin sistemul de operare și funcționalitatea plăcii, sunetul recepționat prin mufa de intrare a plăcii de sunet (17) este redat în difuzoare.

Cu mențiunea că la unele sisteme de operare setarea implicită este că linia de intrare a sunetului în placa de sunet (17) este amuțită (mute). Dacă ați montat totul corect, dar nu se aude, verificați setările plăcii de sunet.

18. Port serial pentru receptorul de semnal infraroșu. TV tunerele moderne au telecomandă. Telecomanda (21) emite semnal luminos în spectrul infra-roșu (adică are o lungime de undă mai mare decât culoarea roșie) care pulsează. Pâlpâitul acesta este recepționat de către un fotoreceptor (20), care convertește lumina infra-roșie în semnal electric. Semnalul electric este preluat prin mufa jack (19) și este introdus în portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

Comenzile trimise de către telecomandă (21) și convertite în semnale electrice de către receptorul de semnal infraroșu (20) sunt trimise către microcontrollerul principal (8) care, în funcție de comanda sosită, va comanda acțiunea celorlalte subsisteme (componente) ale TV tunerului.

Portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu este, de fapt, asemănător cu portul COM, numai că informația este purtată de lumină, nu prin fire. Conversia de la un port serial COM la un port serial pentru infraroșu este destul de simplă, dar nu face obiectul acestei prezentări. Oricum, se poate reține că informația de la telecomandă este serială, bit cu bit plus un bit de control  la fiecare număr de 6, 7 sau 8 biți, eventual și cu biți de start/ stop (mă rog, aici depinde strict de protocol).

19. Mufa jack la care este conectat receptorul de semnal infraroșu (20) ce primește comenzile de la telecomandă (21) și le transferă la portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

20. Receptorul de semnal infraroșu. Acesta convertește pulsurile de lumină infra-roșie emisă de telecomandă (21) în pulsuri electrice ce sunt interpretate de către portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

21. Telecomanda. Aceasta trimite comenzi sub forma unor șiruri de pulsuri de lumină infra-roșie care au codificate comenzi. Transmisia este serială, bit cu bit. Lumina infra-roșie este recepționată de către receptorul de semnal infraroșu (20) care, prin mufa jack a receptorului infraroșu (19), trimite pulsuri electrice rezultate din pulsurile luminoase la portul serial pentru receptorul de semnal infraroșu (18).

Ca și curiozitate, pulsurile telecomenzilor pot să varieze în frecvență, durată, etc. De aceea o telecomandă nu est neapărat compatibilă cu o alta.

22. Memoria tampon (buffer). Fluxul de biți video (stream) rezultat în microcontrollerul principal (8) trebuie împachetat și transmis către computer (0). Întrucât o transmisie continuă a unui flux de biți ar bloca magistrala și ar face-o accesibilă doar pentru TV tuner, restul componentelor nu vor mai avea acces la ea,  adică vor înceta să funcționeze. Nu se dorește asta, așa că s-a recurs la metoda prin care fluxul de date (biți) video este transmis intermitent, astfel că memoria tampon are rolul de a acumula datele până la capacitatea maximă de stocare (sau aproximativ până acolo, dar fără a o depăși).

23. Controllerul de magistrală are rolul de a negocia accesul la magistrala sistemului (26). De fiecare dată când microcontrollerul (8) îi cere să acceseze magistrala sistemului (26),  acesta îi va comunica cererea de acces la magistrala sistemului (26) la controllerul de magistrală (29) din cadrul PC-ului (0).

După ce memoria tampon (22) va fi reținut suficiente date, aceasta va înștiința microcontrollerul principal (8) că este aproape plină. Microcontrollerul (8) îi va cere controllerului de magistrală (23) să ceară accesul la magistrală de la celălalt controller de magistrală (29) din cadrul PC-ului (0) pentru a scrie datele din memoria tampon (22) pe magistrală (26), cu ajutorul blocului de intrare și ieșire pe magistrală (25).

24. Controllerul DMA (Direct Memory Access) din TV tuner are acces la magistrala sistemului (26) simultan cu momentul în care memoria tampon (22) scrie datele pe magistrala sistemului (26). Numai că acesta comunică direct cu controllerul DMA (30) din cadrul PC-ului (0), astfel încât datele vor fi scrise direct în memoria RAM (31) a PC-ului (0), fără intervenția microprocesorului (32).

25. Blocul de intrare și ieșire de pe magistrala sistemului (26). Are trei stări și este relevant doar pentru a evidenția faptul că niciun dispozitiv nu are acces permanent la magistrala sistemului (26).

Vizualizarea este aparent continua, pentru ca pauzele sunt foarte mici, insesizabile și, oricum, durata de vizionare a unui pachet din fluxul de biți video este mai mare decât durata necesară negocierii accesului la magistrala sistemului (26) și transmiterii acestuia.

26. Magistrala sistemului. Nu este doar un mănunchi de fire prin care se transmit semnalele electrice, ci are și protocoale de transmisie, reguli de negociere, adresare și scriere, adică are și o parte logico – administrativă.

Este relevantă, întrucât toate dispozitivele au nevoie de acces la ea. Cu cât aceasta este mai rapidă, cu atât mai multe date poate transmite pe secundă, îmbunătățind performanțele sistemului.

În ciuda aparențelor, este cel mai complicat subsistem din cadrul unui PC (0), întrucât trebuie să deservească toate componentele din cadrul PC-ului (0), să se sincronizeze cu acestea și, totodată, să decidă cine are nevoie de acces și pentru cât timp, în cazul cererilor multiple simultane, realizând o listă de ierarhizare ce se actualizează continuu.

Magistrala sistemului (26) poate să fie ISA, PCI, PCI eXpress și așa mai departe.

27. Blocul de intrare și ieșire de pe magistrala sistemului (26). Are trei stări și este relevant doar pentru a evidenția faptul că niciun dispozitiv nu are acces permanent la magistrala sistemului (26).

28. Memorie tampon. Are rolul de a stoca temporar o anumită cantitate de date de pe magistrală, atunci când accesul la memoria RAM (31) nu se poate face, întrucât aceasta este în uz de către o altă aplicație.

29. Controllerul de magistrală a sistemului (26) din cadrul PC-ului (0). În funcție de logica și funcționarea magistralei sistemului (26), acesta decide cine și pentru cât timp are acces de scriere la magistrală, precum și dacă restul dispozitivelor conectate la magistrala sistemului (26) au acces de citire la datele venite din TV tuner.

Controllerul de magistrală (29) poate fi asimilabil unui semafor ce comandă accesul pe autostradă, autostrada fiind asimilabilă magistralei sistemului (26).

30. Controllerul DMA al PC-ului (0). Are rolul de a transfer date direct în memoria RAM, fără intervenția microprocesorului. Acesta comunică cu controllerul DMA (24) din TV tuner și stochează datele din memoria tampon (22) în memoria RAM (31) a PC-ului (0).

Controllerul DMA (30) este o mare invenție. În trecut, microprocesorul (32) trebuia să facă tot, adică să citească și să scrie date în memorie, deși putea să facă lucruri mai importante, cum ar fi să proceseze informația. Pentru că s-a calculat că 30% din timpul microprocesorului era folosit pentru a citi sau scrie date în și din memorie, s-a ajuns la concluzia, logică dealtfel, că trebuie făcut ceva în privința asta.

Așa că s-au realizat niște circuite care citesc datele de la un dispozitiv conectat la o magistrală sau port, și scriu automat datele în memoria RAM (31) sau, dacă un dispozitiv, inclusiv microprocesorul (32), are nevoie de date, acesta anunță controllerul DMA (30) care i le va oferi de îndată ce acestea vor fi disponibile.

31. Memoria RAM a sistemului. Este destinația fluxului de biți (video) din TV tuner. Odată ajuns aici, fluxul de biți poate fi folosit într-o varietate de feluri: scris pe hard disk, înregistrat pe un alt mediu de stocate, transmis prin rețea, reprocesat, etc.

32. Microprocesorul sistemului (0). Odată ajuns în memoria RAM (31), microprocesorul (32) poate accesa fluxul de biți, atât prin intermediul controllerului DMA (30) cât și direct. Aceasta permite procesarea digitală a acestui flux. De exemplu microprocesorul (32) poate face decodarea fluxului de date codificat cu algoritmul (codec) MPEG2 și stocarea rezultatului în memorie.

Nu prea se mai practică decodarea de către microprocesor (32), ci de către placa video (33).

33. Placa video. Plăcile video cu accelerare grafică (în general mai noi de 1997) au încorporate în microcontrollerul grafic (Graphical Processing Unit, GPU) diverse funcții de decodificare hardware a unor algoritmi de compresie video (codecuri). Prezintă avantajul că, pe lângă faptul că degrevează microprocesorul (32) de o sarcină mare consumatoare de putere de calcul, acestea sunt și mult mai rapide.

Codecurile, fiind niște algoritmi mai de grabă ficși și previzibili, prezintă avantajul, spre deosebire de alte programe, că se pot scrie ca niște funcții codificate direct în hardware-ul unui cip, funcții ce pot fi implementate la un cost decent.

Să nu ne lăsăm păcăliți, totuși, partea de decodare hardware a unui codec are milioane de tranzistori, deci nu este nici simplu de implementat, nici ușor de proiectat.

Desigur, variațiile de la un codec la altul, prin drivere, folosesc o parte din hardware-ul deja implementat.

Teoretic.

2. Note privind schema de funcționare a unui TV tuner

1. Pentru a crește performanțele microprocesoarelor (32), atunci când trebuiau să se ocupe și de multimedia (adică de decodificarea fluxului de biți), s-au introdus o serie de instrucțiuni de microprocesor (MMX, SSE).
   • Nu sunt sigur cât este marketing și cât este realitate. Personal, n-am văzut nicio deosebire notabilă.
2. Dacă magistrala folosită de TV tuner este cea USB sau cea FireWire, evident că nu există acces simultan al oricăror două dispozitive la magistrală. Evident, accesul este aleator. Asta vizavi de controllerul DMA (24).
3. N-am văzut TV tuner pe portul ISA. Bănuiesc că pe vremea aceea se chemau plăci de captură video.
4. Controllerul de magistrală (29) poate decide că un dispozitiv conectat la magistrala sistemului (26) este stăpân (master) și poate controla și celelalte componente conectate la magistrală. Evident, atât timp cât controllerul de magistrală (29) consideră că este necesar.
   • Adică nu prea mult.
5. Porturile/ mufele de intrare și de ieșire variază de la TV tuner la TV tuner și de la model la model. În exemplul de mai sus, TV tunerul abstractizat folosit nu are, de exemplu, intrare radio.
   • Dacă ar fi avut, totuși, intrare radio, aceasta ar fi trimis semnalul direct în demodulatorul audio – video (5).