Цифровой телевизионный сигнал.

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового путем уже известных нам следующих преобразований:

- дискретизацией по времени;

- квантованием по уровню;

- кодированием.

Дискретизация.

Частота дискретизации по теореме Котельникова определяется условием f_д ≥ 2f_в. В телевидении эти частоты фактически предопределены параметрами, задаваемыми в используемом стандарте разложения: количеством строк и количеством элементов в каждой строке. Для согласования спектра изображения с указанными параметрами во многих случаях приходится ограничивать верхние граничные частоты изображения перед дискретизацией.

Верхняя граничная частота видеосигнала (аналоговое ТВ) определяется по формуле:

 

Где: k – формат изображения на экране – отношение ширины изображения к его высоте; (5 х 4 или 16 х 9)

z – полное число строк в кадре;

n – частота кадров;

α и β – коэффициенты, показывающие доли неактивных участков в периодах, соответственно, строчной и кадровой разверток;

р – экспериментально определяемый коэффициент, равный 0,75…0,85.

Установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13.5 МГц для обоих стандартов развертки: 25 Гц, 625 строк, 30 Гц, 525 строк. Каждый из цветоразностных сигналов дискретизируется с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц. В соответствии с принятыми правилами данный стандарт цифрового кодирования телевизионных сигналов обозначается 4 : 2 : 2. Помимо сказанного выше это означает, что оба цветоразностных сигнала присутствуют в каждой строке. Полное число отсчетов яркости в строке равно 864, число отсчетов цветоразностного сигнала 432. За время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Эти количества отсчетов являются промежуточными между значениями, необходимыми для получения квадратных пикселов в указанных стандартах развертки. Рекомендация предоставляет компромисс. Число активных строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576.Полное число передаваемых в каждом кадре элементов 414720. Предусмотрены другие форматы преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. При использовании формата 4 : 2 : 0 каждый цветоразностный сигнал имеет частоту дискретизации в 2 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала и передается в каждой второй строке. Отсчеты цветоразностных сигналов в этом формате расположены между строками отсчетов яркостных сигналов и для каждого из этих сигналов образуют матрицу 360х288 элементов.

В формате 4 : 1 : 1 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке, но их частоты дискретизации в 4 раза меньше частоты дискретизации сигнала яркости (3,375 МГц). Число элементов каждого цветоразностного сигнала 360х288.

При формате 4 : 4 : 4 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке и дискретизируются с той же частотой, что и яркостный сигнал.

 

Квантование.

Число уровней квантования N является важнейшим параметром при обработке телевизионного сигнала. Квантование сопровождается ошибками (шумами) квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям яркости или цвета. На участках с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Заметность ложных контуров существенно уменьшается при случайных смещениях

Рис. 12.4. Квантование дискретного сигнала: – дискретные отсчеты сигнала;

– квантованные отсчеты сигнала

 

Равномерное квантование телевизионного сигнала не является наилучшим с точки зрения восприятия квантованного таким образом изображения зрительной системой человека. Однако техническая реализация неравномерного квантования достаточно сложна. В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование

Для этого обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала – гамма – коррекцию.

При этом решается две задачи:

- корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы “от света до света”.

- уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения. прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП равным 8. При этих условиях шум квантования на изображении практически не заметен

Для всех трех сигналов предусмотрено 256 уровней квантования (число разрядов n = 8). При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 сверху образуют резервные зоны на случай выхода аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Нулевым и 255-м уровнями передаются сигналы синхронизации. Аналого – цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

У = 219 Е^!_у +16,

где Е^!_У - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 (штрих означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию);

У – цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.

При квантовании цветоразностных сигналов предусматриваются резервные зоны по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е^!_{R-- Y} и E^!_{B –Y} , а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

Е_СR = 0,713E^!_R-Y E_СB = 0,564E^!_B-Y

Причем значения сигналов Е_CR Е_CB изменяются в диапазоне от - 0,5 В до 0,5 В.

АЦП цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы С_R и С_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями

С _R = 224E^!_R-Y + 128 = 159,712E^!_R-Y + 128 = 160E^!_R-Y +128,

С _B = 224E^!_B-Y + 128 = 126,336E^!_B-Y + 128 = 126E^!_B-Y + 128

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов.

На рис.1 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования обычного тестового сигнала в виде восьми цветных полос.

В настоящее время все шире применяется квантование яркостного и цветоразностных сигналов 10 – разрядным АЦП.

В состав телевизионного сигнала согласно рекомендации ITU-R BT 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал начала активной строки (НАС), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал конца активной строки (КАС). Каждый из синхросигналов содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255. Следующие два байта содержат нули. Последний четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле (четное или нечетное), какой именно это синхросигнал, а также обеспечивает защиту от ошибок. При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Большая часть длительности строчного гасящего импульса между НАС и КАС остается свободной, и во время ее можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Рисунок 1

 

Рекомендация ITU-R BT 601

Требования рекомендации ITU – R BT 601 определяют единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. Стандарт применяется в современных цифровых телевизионных системах при цифровом представлении телевизионных сигналов обычной четкости. В стандарте предусмотрено раздельное кодирование яркостного и двух цветоразностных сигналов.

В соответствии с рекомендацией ITU-R BT 601, имеются два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала.

В устройстве рис.3 сигналы основных цветов Е_К , Е_{G ,} Е _B с источника телевизионных сигналов (телекамеры) поступают на гамма-корректоры (ГК) и после коррекции нелинейности – в кодирующую матрицу (КМ). В КМ эти сигналы по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Далее сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы, пройдя масштабирование и сдвиг на входе АЦП.

Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства.

ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов. Мультиплексор (МП) в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы У, С_R и С_B В результате на выходе устройства получаем сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

 

 

Рис.3 Структурная схема формирователя цифрового ТВ – сигнала, выполняющего АЦП сигналов яркости и цветоразностных.

 

На рис.4 приведена структурная схема иного варианта формирователя ЦТС. По данной схеме сигналы основных цветов Е_R, , E_G и Е_В преобразуются в цифровые сигналы R_d , G_d, B_d . При этом каждый АЦП должен иметь 10, а лучше 12 разрядов. Далее цифровые сигналы поступают на цифровые гамма-корректоры, в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем в кодирующей матрице сигналы преобразуются в цифровой сигнал яркости и два цветоразностных сигнала

Рис.4 Вариант структурной схемы формирователя ЦТС.

Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом необходимы более точные (и, следовательно, более дорогие) АЦП. Формирование синхросигналов и тактовых импульсов осуществляется аналогично первому варианту устройства.

 

 

 

 

 

 

⇐ Предыдущая16171819202122232425

Поделиться: