电视机画中画功能是指在正常显示电视节目的画面上再插入一个或几个经过处理（压缩取样）的子画面，用以显示另一路电视图像信号。另外根据子画面的视频信号源的不同而将画中画彩电分为两类：即视频画中画和射频画中画。这里介绍的射频画中画模拟电视机属于后者，即主子画面分别拥有自己的高中放通道，可以同时显示不同的广播电视节目。
八十年代初画中画彩电就已经研制成功，但始终因成本过高而未能广泛应用。近几年随着微电子技术的发展，集成电路价格急速下降，各种用于画中画信号处理的（高集成度、处理功能多样、价格低廉的）成套专用电路纷纷登场，成为增加彩电功能品种的一种方式，受到广大消费者的注目。已使这些产品商品化的外国公司有日本电器（NEC）、三菱、日立、东芝及德国ITT、西门子等。目前国内一些彩电生产厂家及科研单位、高等院校也相继开展了这方面的工作，并取得了很大的进展。
Z664—3A型射频画中画彩色电视机是上海广播器材厂为了增加电视机功能，提高其档次和性能价格比而研制成功的新产品。它主要是在本厂优选机型Z664—2A型25英寸多制式全遥控彩电的基础上利用国外先进的数字电视技术开发而成。
电路性能及功能
本机主画面电路性能及功能同Z664—2A型彩色电视接收机。
子画面系统的电路性能：1．子画面量化位数：Y为5bit，R—Y、B—Y为6bit；2．抽样时钟频率：17.7MHz；3．抽样顺序：全电视信号；4．每场存储量：224点／行×71行／场；5．存储器容量：4场；6．子画面尺寸：1／9；7．输出方式：R、G、B； 8．边框颜色：8种；9．多画面个数：3个；10．适用制式：PAL／NTSC（3.58MHz）。
子画面系统功能（仅用主机遥控器进行控制）：1． 子画面显示：开／关、四角移位、放大／还原、一静一动（两个子画面）、二静一动（三个子画面）、冻结／解冻。2．子画面独立选台：直接频道选择、自动搜索、同 时显示三个频道的电视节目。3．子画面为多制式显示：PAL／NTSC（3.58MHz）。4．子画面模拟量调整／存储：对比度、色饱和度、亮度。5．子画面电视信号输入选择：TV1（主通道／黄边框）／TV2（子通道／白边框）／AV（蓝边框）。6．子画面服务功能：VCO控制、可变延迟调整，白平衡调整等。
电路总框图及工作原理
图1是Z664—3A型射频画中画彩色电视接收机 的电路总框图。虚线以内部分为增加的画中画功能板之电路框图，主要由频率合成电子调谐器、中放盒、视 频编／解码器（VCU2133）、视频同步处理器（VSP2860）、画中画处理器（PIP2250）、动态RAM（D41464C）、EEPROM（MDA2062）、MCS－48单片机及电子开关（CD4053）等集成电路组成。从图1中可以看出，除了必需的视频输入／输出信号、同步信号、红外遥控信号及电源等连接线以外，原机主机心几乎不作改动。
本机主机心工作原理同原机Z664—2A型彩电，不再赘述。射频画中画处理部分之电路原理如下：
首先PIP功能板自身高中放输出的视频信号TV2与来自主机心板的视频信号TV1经电子开关选择其一后，同AV端输入的视频信号一起加到VCU2133中，两个不同的输入端经箝位放大后，由软件控制的视频开关选择其中一路由A／D变换器转换成用格雷（Gray）码编的7bit数字信号，经过噪声倒相器去除大幅度脉冲干扰后，送到VSP2860的码型变换器中，然后将送往亮度通道的信号变换成自然二进制码（natural binary code），而将送往色度通道的信号变换成偏置二进制码（offset binary code）。
在VSP2860的亮度通道中，信号首先通过线性相位滤波器（色度陷波电路）除去色度信号，然后经过峰化电路对亮度信号进行高频（3MHz）提升，以提高图像的清晰度。陷波峰化后，对亮度信号进行±4个取样时钟周期的可调延时，再送到对比度乘法器进行放大。该乘法器同时又是个限幅器，当信号超过工作范围时能自动限幅，经对比度乘法器放大的亮度信号，以6bit并行送至PIP2250。在色度通道中数字视频信号首先经一个具有线性相位的数字带通滤波器，将色度信号从复合视频信号中取出。经带通滤波器后的色度信号，在解码之前先进入ACC电路、ACK电路以获得相对稳定的色度信号及当彩色信号太弱或接收黑白信号时自动消色。解码器对色度信号进行解码，得到C—Y两个色差信号，送到色饱和度乘法器中进行放大。由于色差信号相对于主时钟频率而言带宽较小，因此利用时分多路复用器即多工器，则只需要一个饱和度乘法器即可，包饱和度放大时，可通过旋转色差信号R—Y和B—Y的轴来进行色度校正。和对比度乘法器一样，色饱和度乘法器亦具有自动限幅特性。经饱和度调整后的色差信号（6bit）由数据多工器以3bit并行送至PIP2250。
画中画处理器PIP2250的输入图像处理部分以其所谓YUV总线的形式接收从VSP2860送来的数字化子画面信号以及相关的时钟信号、相位差信号、行场消隐信号。而经过滤波和压缩取样的YUV及同步信号，经由DRAM接口进入DRAM（D41464C）存储直至需要插到主画面为止。在插入子画面时，存储在DRAM中的内容被读出，并在输出图像处理部分得到处理。这部分同时接收子画面所需的时钟、相位差与消隐信号。输出图像处理部分以输出YUV总线的形式提供子画面的内容。
由PIP2250送来的子画面亮度信号送至VCU2133进行D／A转换，变成模拟信号后送入RGB矩阵；色差信号由数据多工器送到VCU2133，经去多工操作后分离出R—Y和B—Y，分别进行D／A变换后送往RGB矩阵。VCU2133中的RGB矩阵是个模拟矩阵，Y、R—Y、B—Y信号经过矩阵运算后，得到三基色信号R、G、B，再经三个独立的R、G、B放大电路放大后输出子画面的R、G、B信号，经由电子开关CD4053与主画面的R、G、B信号合并后送往视放电路进一步放大以激励显像管的三个阴极，到此完成彩电的画中画图像的显示。
MCS—48单片机通过IM总线对VSP2860、PIP2250及电子调谐器进行控制和数据传送，同时作为整机的主控器决定红外遥控器是控制主画面还是子画面。
电路单元介绍
1．画中画信号处理电路
画中画信号处理电路主要是由德国ITT公司的Digit2000系列数字电视专用集成电路组成的，包括PIP2250、VSP2860、VCU2133。两片DPAM（64k×4bit）用于存储子画面图像信号。EEPROM可擦可编程只读存储器主要用于存储调谐信息以及几个模拟调节参数。
（1）VCU2133是用来进行视频信号的A／D和D／A转换的高速编码／解码器，该电路以4倍副载频（4fsc）对输入的全电视信号进行抽样，由127个并行比较器进行快速A／D变换，得到7bit的数字化的全电视信号，主要功能见图2。
（2）VSP2860是视频同步处理器，包括数字处理、编程处理及时钟产生电路，它在画中画系统中输出的6bit亮度信号和6bit色度信号由PIP2250画中画处理器进行信号处理，主要功能见图3。
（3）PIP2250是一个以1.5微米CMOS技术制成的超大规模集成电路画中画处理器，见图4，其内部包括：输入图像处理、输出图像处理、存储器读／写操作定时电路及IM总线接口电路四大部分。输入图像处理电路是对亮度及色度信号进行滤波和抽选，抽取后的子画面的像素数为224点／行，71行／场。由于色度信号是时分复用信号，因此在滤波、抽取处理前必须进行相应的数据格式变换。为了提高图像质量，亮度和色度通道都采用了垂直滤波器。输出图像处理电路是将从存储器读出的亮度、色度信号与子画面的（由PIP2250中的边框发生器提供的）边框信号混合，再经数据格式变换后将亮度及色度信号输出，由VCU2133中的D／A转换电路转换成模拟信号。
与本机PIP2250配用的存储器是两片容量为64k×4bit的通用DRAM。它可存储4场图像，在多画面显示时可同时显示两个静止图像和一个活动图像。
PIP2250内部还包含几十个寄存器，用于确定各部分电路的工作模式及参数。
2．控制电路
由于ITT公司的DIG－IT2000系列集成电路中的原中央控制器（CCU2070）属于专用CPU，对于我们的开发工作来讲极为不便，每次掩膜都必须到ITT集成电路厂去做，费用又高。因此，我们采用MCS－48单片机作为射频画中画功能块乃至整机的主中央控制器。这样，就可以在开发产品过程中方便地更改软件、增加功能。
单片机通过IM总线控制视频处理器、画中画处理器等电路。IM总线包括三条线：识别（I）、时钟（C）、数据（D），其中数据线是双向的。单片机经由总线接口电路来设置各种控制参数以满足各种功能的设计要求。例如：通过调整参数可以改变子画面的尺寸、显示位置、边框颜色及VCO等等。
3．接口及视频切换电路
上面提及子画面图像的输出处理是根据主画面的行、场同步定时信号，从DRAM读出数据送到VCU2133进行D／A变换，产生子画面R、G、B信号，从而使子画面正确插到主画面。我们从主机心中引出H、V信号经整形后供其使用。子画面插到生画面中去是通过让子画面的R、G、B与主画面的R、G、B在电子开关（CD4053）中合并而实现的。
4．红外遥控系统
这方面我们共考虑了两种方案。
第一种：将画中画功能板的受控端直接连到主心机的遥控接收端，然后让红外遥控器经（开关）切换能发出两组不同系统码的遥控信号，两套遥控接收系统只认各自的系统码，从而达到一只遥控器控制主、子画面的目的。
第二种：把MSC—48单片机作整机主控制器。由红外遥控器发出的遥控信号经接收电路加到单片机，由它识别指令码。根据不同指令码，决定是控制主画面还是子画面。如果是控制子画面，则通过IM总线控制画中画功能板；如果是控制主画面，则由单片机输出主机心遥控系统编码送给主机心，以控制主画面。
前一种是在遥控器上采用按键复用的方法由一状态切换键改变一些按键的控制对象，需对遥控器电路作一些改动。后一种则是利用遥控器上多余的按键设置两个键。例如键A和键B：按键A为控制主画面，按键B为控制子画面。我们选择了第二种方案，因为它能让用户更方便地使用红外遥控器。
5．电源
本机增加的画中画功能板因高中放部分功耗不大，其电源只需从主机心板中引出即可。画中画处理部分的电源为5V／600mA。由于原主机心电源功率不够，改动其电源部分又很不方便，与设计思想有悖，因此我们增加一个副电源变压器供电。
软件设计
我们选择MCS—48单片机作为画中画处理部分乃至整机的CPU主控制器，软件用相应的汇编语言编制。在编写过程中，我们根据程序中不同的功能，采用模块化的程序结构，整个程序由各种不同功能的程序模块组成，各模块之间的独立性较强但又不无相关。这样做的目的是有利于程序的修改及今后扩展软件功能。例如只要改变红外遥控接收部分的程序，就能使画中画功能板适用于其它的遥控系统的彩电。我们结合硬件电路的设计，对IM总线、红外遥控接收等都用软件编程的办法代替了ITT的CCU2070内的硬件电路，使系统具有灵活性。软件实现了对子画面各种功能的控制。图5是我们编写程序流程总框图，主要包括以下部分：（1）初始化程序：主要完成对PIP2250处理器的初始化工作。（2）循环程序：完成查询红外指令状态、亮度控制、制式转换等功能。（3）PIP2250读写程序：完成对PIP2250的读写操作功能。（4）子画面移动程序：对子画面的垂直位置和水平位置进行控制。（5）子画面开／关和冻结／解冻程序：取消或显示子画面，设置或取消子画面的静止状态。（6）画中画控制程序：实现子画面直接频道选择及自动频道搜索，多画面频道搜索。（7）多画面控制程序：实现控制子画面的个数（3个），不同小画面分别显示不同电视频道的节目。
经过实际运行，我们编制的程序可以很好地实现前面提及的画中画功能，取得了很好的效果。（肖果奇）