Другими словами, частота дискретизации

Цифровое телевидение

Лекция 1

Общие сведения.

В течение длительного времени в радиоэлектронике и технике связи использовались преимущественно аналоговые сигналы. С их помощью удавалось решать достаточно сложные проблемы, имеющие место в радиосвязи, радиолокации, телевидении и т.д. Аналоговые сигналы сравнительно просто можно генерировать, усиливать, преобразовывать и обрабатывать с помощью электронных устройств непрерывного действия – ламповых и транзисторных приборов.

 Аналоговый (непрерывный) сигнал U(t) определён для любого значения времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапазона U_C min ÷ U_C max. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса и, как правило, представляется в виде напряжения. Например, напряжение электрического сигнала на выходе преобразователя «свет-сигнал» (передающей телевизионной трубки) пропорционально яркости развёртываемых элементов изображения.

В начале 60-х годов 20 века стали разрабатываться радиотехнические системы, основанные на обработке дискретных сигналов. Эти системы позволяют располагать в интервалах времени между отсчётами одних дискретных сигналов отсчёты других дискретных сигналов. В результате появилась возможность по одному каналу связи передавать несколько сообщений, осуществляя многоканальную связь с разделением каналов по времени. Такие системы получили название каналов связи с временным уплотнением.

Дальнейшим развитием техники получения и обработки дискретных сигналов являются цифровые радиотехнические системы. Наиболее существенное влияние на разработку цифровых систем оказало развитие микросхемотехники. Широкое внедрение цифровой обработки сигналов в радиотехнике было обусловлено увеличением дальности связи и требованием высокой её помехоустойчивости. Цифровые методы приобрели также первостепенное значение в обработке, преобразовании и хранении телевизионных сигналов изображения, аудиосигналов и пр.

Цифровое телевидение – это область телевизионной техники, в которой операции формирования, обработки, консервации и передачи ТВ-сигнала осуществляются при преобразовании его в цифровую форму.

Цифровой сигнал может быть получен в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) «свет-сигнал» или с выхода аналоговых ТВ-датчиков. В последнем случае преобразование аналогового ТВ-сигнала в цифровой осуществляется в кодирующем устройстве ТВ-системы.

По сравнению с аналоговым телевидением, цифровое телевидение представляет собой более высокую ступень развития ТВ-техники.

Преимущества цифровых методов обработки и передачи ТВ-изображения заключаются в следующем:

1. высокая стабильность параметров ТВ-систем;

2. значительное увеличение надёжности и технологичности ТВ-систем;

3. возможность применения методов электронно-вычислительной техники при обработке, преобразовании и анализе ТВ-изображения;

4. расширение номенклатуры преобразований сигнала с целью создания видеоэффектов, геометрических преобразований изображения и т.п.;

5. возможность практически неограниченного числа перезаписей фрагментов изображения при формировании программ;

6. возможность хранения видеоинформации длительное время без ухудшения его качества;

7. реализация сложных сервисных программ по управлению ТВ-устройствами;

8. возможность осуществления достаточно сложных процедур анализа изображений (например, в системах распознавания образов);

9. высокая экономичность цифровых устройств и решение ряда задач, практически невыполнимых на базе аналоговой техники, например, простоты перестройки (перепрограммирования) цифровых устройств на реализацию других функций;

10. принципиальная возможность устранения накопления шумов путём восстановления формы импульсов в каскадных системах, например, связных, ретрансляционных, спутниковых и других.

Одной из основных причин внедрения цифрового вещания является тот факт, что аналоговый сигнал по мере его распространения в любой среде претерпевает существенные искажения, не компенсируемые на приёмной стороне. Одним из таких значимых значений, характеризующих качество сигнала, является отношение сигнал/шум (C/N).

Рис.10.1. Зависимость соотношения сигнал/шум в зависимости от расстояния для цифрового и аналогового сигнала.

Для цифрового сигнала характерна та особенность, что его качество остаётся неизменным при снижении уровня входного сигнала (что эквивалентно снижению C/N) до некоторого минимального значения, именуемого порогом (пороговым значением по тому или иному критерию).

Однако следует заметить, что сам исходный сигнал в аналоговом виде более высокого качества в сравнении с цифровым, что понятно из самого его физического смысла. Но это различие невелико как по объективным, так и по субъективным показателям. Однако при всех перечисленных достоинствах цифровое телевидение имеет один главный недостаток: необходимость значительного расширения полосы частот, занимаемых информационными сигналами, по сравнению с аналоговым телевидением.

Цифровые методы обработки и передачи ТВ-сигналов могут применяться во всём ТВ-тракте, начиная от преобразователя «свет-сигнал» и заканчивая преобразователем «сигнал-свет», или только в его отдельных звеньях, например, в аппаратно-студийном комплексе (АСК) или в отдельных узлах приёмных устройств. Применение аналого-цифровых методов обработки ТВ-сигналов в АСК позволяет осуществить высококачественное преобразование и анализ видеоизображения, реализовать эффективное управление ТВ-устройствами, которое практически невозможно достигнуть в аналоговых АСК.

Применение цифровых методов обработки при передаче ТВ-сигналов по магистральным линиям значительно повышает помехозащищённость этих линий и улучшает качество передачи информации на большие расстояния.

Выбор соответствующего стандарта кодирования цифрового сигнала позволяет создать общую систему для обмена ТВ-программами в международном масштабе и устранить необходимость преобразования (транскодирования) ТВ-стандартов.

2. Цифровое представление электрических сигналов.

В тракте ТВ-системы аналоговый сигнал подвергается обработке: усилению, кодированию, передаче по каналу связи, декодированию и т.п. В результате этого к исходному сигналу добавляются помехи различного происхождения, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Всё это приводит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку и сам сигнал, и помехи носят случайный характер, то восстановить исходную форму аналогового сигнала можно только с погрешностями.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы принимают строго определённые значения. Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сигнал» или «нет сигнала» на определённом интервале времени Т (тактовом интервале). Для их обозначения используются две цифры: наличие сигнала обозначается цифрой «1», а отсутствие – «0» (рис.10.2).

Рис.10.2. Виды сигналов: а) аналоговый; б) цифровой.

Для неискажённого приёма сообщений надо безошибочно восстановить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от аналогового, цифровой сигнал, искажённый помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или её отсутствии.

При переходе от аналогового сигнала к цифровому осуществляется три специфических преобразования (рис.10.3).

1. дискретизация сигнала по времени;

2. квантование сигнала по уровню амплитуд;

3. кодирование (оцифровка).

Подобное представление сигналов называется аналого-цифровым преобразованием.

 

 Рис.10.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала: а) аналоговый; б) дискретизированный; в) квантованный; г) цифровой.

Рассмотрим подробнее эти преобразования.

Дискретизация сигнала.

Под дискретизацией понимают процесс представления (замену) во времени непрерывного сигнала дискретной последовательностью отсчётов (выборок), следующих с некоторым временным интервалом t = T_Д, и по которым с заданной степенью точности можно вновь восстановить исходный сигнал. Наиболее распространённой является равномерная дискретизация, когда соседние отсчёты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал времени Т_Д (рис.9.1), называемый периодом дискретизации (интервалом дискретизации). Число отсчётов сигнала в секунду называется частотой дискретизации:

 F_Д = 1 / T_Д

Для того чтобы восстановить исходный непрерывный сигнал из дискретизированного с малыми искажениями (погрешностями), необходимо рационально выбрать шаг (интервал) дискретизации. Поэтому при преобразовании аналогового сигнала в дискретный обязательно возникает вопрос о величине шага дискретизации. Совершенно очевидно, что точность восстановления аналогового сигнала по последовательности его отсчётов зависит от величины интервала дискретизации Т_Д. Чем он короче, тем меньше будет отличаться функция u(t) от плавной кривой, проходящей через точки отсчётов. Однако с уменьшением интервала дискретизации ТД возрастает сложность и объём обрабатывающей аппаратуры. С другой стороны, при большом интервале дискретизации возрастает вероятность искажения или потери информации при восстановлении аналогового сигнала.

Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов).

Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произвольный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой FВ, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени

Т_Д = 1 / 2F_B.

Лекция 2

Сжатие видеосигналов

Первичная видеоинформация всегда избыточна. Поэтому преобразование её в цифровой формат приводит к необходимости передачи по каналам связи очень большого объёма информации. Для решения этой задачи требуются каналы связи с очень широкой полосой пропускания. Поэтому при разработке цифровых систем перед специалистами стояла задача сокращения объёма передаваемой информации. Это задача получила название «сжатие» («компрессия») информации.

Самое высокое качество у некомпрессированного цифрового видеосигнала, но для этого необходимо передавать очень большое количество данных (десятки Мб/сек). Эффективное сжатие видеоинформации основано на двух основных идеях:

1.  подавление несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров;

2. устранение временной избыточности в последовательности этих кадров.

Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии.

 Способы сокращения избыточности цифрового сигнала.

При использовании параллельного кода количество разрядов передаваемого слова N определяет число проводов, по которым передаётся цифровой сигнал. При последовательном коде большое количество разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи информации. Скорость передачи информации определяется количеством элементарных символов (бит), передаваемых за 1 секунду. При первоначальной обработке сигнала в АСК используется параллельное кодирование. При этом кодируется вся информация без исключения. Передача информации в таком первоначальном виде, как уже говорилось, требует очень высокой скорости обработки и, кроме того, весьма широкополосного канала связи. Поэтому в цифровом телевидении стремятся по возможности сократить разрядность передаваемых слов. Эта операция носит название «сжатие информации». Однако простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ-изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению величины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называемой кодированием цифрового сигнала. Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с определёнными правилами с целью решения ряда инженерных задач: сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности и помехозащищённости передачи и т. п.

Одним из способов сокращения избыточности (разрядности) цифрового сигнала является кодирование с предсказанием. Наличие сильных корреляционных* связей между близко расположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную информацию о каждом элементе.

 (* Корреляция – статистическая зависимость между явлениями или процессами. Корреляционная зависимость отличается от функциональной тем, что в ней возможные последствия каких-либо событий могут быть измерены лишь приблизительно. Таким образом, при корреляционной зависимости переменная величина соответствует изменениям другой величины лишь с определённой степенью вероятности, называемой коэффициентом корреляции. Корреляционный анализ применяется в радиоастрономии, радиолокации, гидроакустике, сейсмологии и т.д. при решении задач обнаружения слабых, замаскированных шумами сигналов. Он используется также для определения спектральных характеристик сигналов и выявления их идентичности, что необходимо в ряде исследований, связанных с измерением очень слабых сигналов.)

 Можно ограничиться передачей ряда элементов, а остальные элементы предсказать, т.е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предсказание сигнала по предыдущим отсчётам всегда будет нести некоторую ошибку е(nТ). На рис.10.9 показана структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис.10.9. Структурная схема передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания: ПС-1, ПС-2 – предсказатели

Чтобы сформировать сигнал ошибки, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего используются линейные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчёта U'(nT) определяется как L

U'(nT) = Σ ak ·U{(n – k)T},

 k=1

где ak – постоянные коэффициенты, величина которых определяется особенностями сигнала U(nT), поступающего на вход преобразователя;

U{(n – k)T} – предыдущие отсчёты сигнала, по которым осуществляется предсказание;

L – количество отсчётов, используемых для предсказания.

Чтобы сформировать сигнал ошибки e(nT), из сигнала U(nT) вычитается предсказанный сигнал U'(nT).

На приёмной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказателю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на приёмной и передающей сторонах идентичны, предсказанные отсчёты сигнала U''(nT) могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчётам U''(nT) добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

В рассмотренной системе предсказания по каналу связи передаётся сигнал ошибки e(nT), который изменяется в значительно меньшем диапазоне по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необходимое для передачи этого сигнала, оказывается меньшим.

При кодировании с предсказанием вычисляется разность между истинным и предсказанным значением отсчёта. Затем эта разность квантуется по уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, необходимых для передачи разностной информации. Предсказание может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют «предсказанием вперёд») по предшествующим значениям отсчётов ТВ-сигнала оцениваются последующие отсчёты. Интерполяционное (двунаправленное) предсказание означает, что оценка среднего по положению отсчёта ТВ-сигнала выполняется по известным значениям предшествующих и последующих отсчётов. Такое предсказание наиболее точно оценивает текущие отсчёты. Однако стремление к точности приводит к возрастанию объёма вычислений и, соответственно, памяти, необходимой для реализации этой точности.

Другой способ предсказания – межкадровое «предсказание вперёд». В этом случае текущий отсчёт оценивается по отсчёту с теми же координатами, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предсказания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда изображение содержит движущиеся объекты или изменяется в целом. В этом случае отсчёты, принадлежащие однотипным элементам изображения, от кадра к кадру будут смещаться. Возникает разностная информация, даже если в остальном никаких изменений не происходит. Этот эффект можно ослабить, если ввести компенсацию движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения движущихся частей изображения при последовательном переходе от кадра к кадру. Векторы движения позволяют определить положение кодируемого отсчёта в новом кадре (скомпенсировать его перемещение) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания.

Известен ещё один способ сокращения избыточности информации, который носит название кодирования с преобразованием. Он основан на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

Известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис.10.10).

Рис.10.10. Спектр периодического сигнала

а – дискретный периодический сигнал; б – спектр дискретного периодического сигнала;

ТС – период следования сигнала;

FД – частота дискретизации.

Телевизионный сигнал может рассматриваться как квазипериодический с периодом, равным длительности строки ТС.

Между отсчётами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(k∆ f) существует взаимно-однозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэтому вместо отсчётов сигнала по каналу связи можно передать отсчёты дискретных составляющих спектра. Но передавать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляющим спектра, примыкающим к нулевой частоте, практически можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передавать только эти составляющие.

Структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующей этот принцип, изображена на рис.10.11.

Рис.10.11. Структурная схема передачи цифрового сигнала, использующая метод кодирования с преобразованием:

 1 – преобразователь;

2 – селектор;

3 – квантователь и кодер;

4 – канал связи; 5 – декодер;

6 – блок обратного преобразования.

Преобразователь (1) – осуществляет вычисление спектральных составляющих S(k∆ f) дискретного сигнала U(nT).

Селектор (2) – производит фильтрацию спектральных составляющих S(k∆ f), значимых для рассматриваемого класса изображения.

Квантователь и кодер (3) – осуществляют квантование и кодирование отфильтрованных спектральных составляющих. На приёмной стороне после декодирования и обратного преобразования восстанавливается дискретный сигнал U(nT).

Описанная система кодирования позволяет уменьшить число кодовых слов, передаваемых по каналу связи и одновременно с этим уменьшить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра периодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре количество спектральных составляющих на интервале частот 0 ÷ F_Д равно количеству отсчётов сигнала на интервале времени ТС. А так как составляющие спектра в диапазоне от F_Д / 2 до F_Д могут быть восстановлены по составляющим спектра интервала частот 0 ÷ F_Д / 2, то количество спектральных составляющих, подлежащих передаче, оказывается в два раза меньше, чем количество отсчётов сигнала на интервале времени ТС. Во-вторых, наибольшими по уровню оказываются составляющие спектра S(k∆ f), расположенные в окрестности нулевой частоты. Эти составляющие в основном определяют дискретный сигнал U(nT). Поэтому составляющие малого уровня могут не передаваться. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантования может быть увеличен, т.к. уровень их достаточно велик и, следовательно, разрядность кодового слова можно уменьшить.

В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразователя используются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки (рис.10.5). На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преобразования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположенным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и её размеров зависят от назначения ТВ-системы и характера передаваемого изображения.

 

Лекция 3

Список литературы

1. В.Ф.Самойлов, Б.П.Хромой Телевидение, «Связь», М.1975.

2. В.Ф.Самойлов, Б.П.Хромой Основы цветного телевидения, «Радио и связь», М., 1982.

3. К.Т.Колин, Ю.В.Аксентов, Е.Ю.Колпенская Телевидение, «Радио и связь», М., 1987.

4. С.А.Седов Индивидуальные видеосредства, Справочное пособие, «Наукова думка», Киев, 1990.

5. В.А.Виноградов Устройство и ремонт современных цветных телевизоров, «КОРОНА принт», СПб, 1999.

6. В.И.Лузин, Н.П.Никитин, А.А.Шестаков, Ю.Г.Стефанович, В.Г.Исаков Основы телевизионной техники, «СОЛОН-Пресс», М., 2003.

7. Р.Е.Быков, В.М.Сигалов, Г.А.Эйссенгардт Телевидение, «Высшая школа», М., 1988.

8. В.И.Нефёдов Основы радиоэлектроники и связи, «Высшая школа», М., 2002.

9. Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев. И.Н.Красносельский Цифровое телевизионное вещание. Основы. Методы. Системы. М., НИИР, 2001.

Источник: http: //reftrend.ru/819164.html

 

 

Цифровое телевидение

Лекция 1

Общие сведения.

В течение длительного времени в радиоэлектронике и технике связи использовались преимущественно аналоговые сигналы. С их помощью удавалось решать достаточно сложные проблемы, имеющие место в радиосвязи, радиолокации, телевидении и т.д. Аналоговые сигналы сравнительно просто можно генерировать, усиливать, преобразовывать и обрабатывать с помощью электронных устройств непрерывного действия – ламповых и транзисторных приборов.

 Аналоговый (непрерывный) сигнал U(t) определён для любого значения времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапазона U_C min ÷ U_C max. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса и, как правило, представляется в виде напряжения. Например, напряжение электрического сигнала на выходе преобразователя «свет-сигнал» (передающей телевизионной трубки) пропорционально яркости развёртываемых элементов изображения.

В начале 60-х годов 20 века стали разрабатываться радиотехнические системы, основанные на обработке дискретных сигналов. Эти системы позволяют располагать в интервалах времени между отсчётами одних дискретных сигналов отсчёты других дискретных сигналов. В результате появилась возможность по одному каналу связи передавать несколько сообщений, осуществляя многоканальную связь с разделением каналов по времени. Такие системы получили название каналов связи с временным уплотнением.

Дальнейшим развитием техники получения и обработки дискретных сигналов являются цифровые радиотехнические системы. Наиболее существенное влияние на разработку цифровых систем оказало развитие микросхемотехники. Широкое внедрение цифровой обработки сигналов в радиотехнике было обусловлено увеличением дальности связи и требованием высокой её помехоустойчивости. Цифровые методы приобрели также первостепенное значение в обработке, преобразовании и хранении телевизионных сигналов изображения, аудиосигналов и пр.

Цифровое телевидение – это область телевизионной техники, в которой операции формирования, обработки, консервации и передачи ТВ-сигнала осуществляются при преобразовании его в цифровую форму.

Цифровой сигнал может быть получен в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) «свет-сигнал» или с выхода аналоговых ТВ-датчиков. В последнем случае преобразование аналогового ТВ-сигнала в цифровой осуществляется в кодирующем устройстве ТВ-системы.

По сравнению с аналоговым телевидением, цифровое телевидение представляет собой более высокую ступень развития ТВ-техники.

Преимущества цифровых методов обработки и передачи ТВ-изображения заключаются в следующем:

1. высокая стабильность параметров ТВ-систем;

2. значительное увеличение надёжности и технологичности ТВ-систем;

3. возможность применения методов электронно-вычислительной техники при обработке, преобразовании и анализе ТВ-изображения;

4. расширение номенклатуры преобразований сигнала с целью создания видеоэффектов, геометрических преобразований изображения и т.п.;

5. возможность практически неограниченного числа перезаписей фрагментов изображения при формировании программ;

6. возможность хранения видеоинформации длительное время без ухудшения его качества;

7. реализация сложных сервисных программ по управлению ТВ-устройствами;

8. возможность осуществления достаточно сложных процедур анализа изображений (например, в системах распознавания образов);

9. высокая экономичность цифровых устройств и решение ряда задач, практически невыполнимых на базе аналоговой техники, например, простоты перестройки (перепрограммирования) цифровых устройств на реализацию других функций;

10. принципиальная возможность устранения накопления шумов путём восстановления формы импульсов в каскадных системах, например, связных, ретрансляционных, спутниковых и других.

Одной из основных причин внедрения цифрового вещания является тот факт, что аналоговый сигнал по мере его распространения в любой среде претерпевает существенные искажения, не компенсируемые на приёмной стороне. Одним из таких значимых значений, характеризующих качество сигнала, является отношение сигнал/шум (C/N).

Рис.10.1. Зависимость соотношения сигнал/шум в зависимости от расстояния для цифрового и аналогового сигнала.

Для цифрового сигнала характерна та особенность, что его качество остаётся неизменным при снижении уровня входного сигнала (что эквивалентно снижению C/N) до некоторого минимального значения, именуемого порогом (пороговым значением по тому или иному критерию).

Однако следует заметить, что сам исходный сигнал в аналоговом виде более высокого качества в сравнении с цифровым, что понятно из самого его физического смысла. Но это различие невелико как по объективным, так и по субъективным показателям. Однако при всех перечисленных достоинствах цифровое телевидение имеет один главный недостаток: необходимость значительного расширения полосы частот, занимаемых информационными сигналами, по сравнению с аналоговым телевидением.

Цифровые методы обработки и передачи ТВ-сигналов могут применяться во всём ТВ-тракте, начиная от преобразователя «свет-сигнал» и заканчивая преобразователем «сигнал-свет», или только в его отдельных звеньях, например, в аппаратно-студийном комплексе (АСК) или в отдельных узлах приёмных устройств. Применение аналого-цифровых методов обработки ТВ-сигналов в АСК позволяет осуществить высококачественное преобразование и анализ видеоизображения, реализовать эффективное управление ТВ-устройствами, которое практически невозможно достигнуть в аналоговых АСК.

Применение цифровых методов обработки при передаче ТВ-сигналов по магистральным линиям значительно повышает помехозащищённость этих линий и улучшает качество передачи информации на большие расстояния.

Выбор соответствующего стандарта кодирования цифрового сигнала позволяет создать общую систему для обмена ТВ-программами в международном масштабе и устранить необходимость преобразования (транскодирования) ТВ-стандартов.

2. Цифровое представление электрических сигналов.

В тракте ТВ-системы аналоговый сигнал подвергается обработке: усилению, кодированию, передаче по каналу связи, декодированию и т.п. В результате этого к исходному сигналу добавляются помехи различного происхождения, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Всё это приводит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку и сам сигнал, и помехи носят случайный характер, то восстановить исходную форму аналогового сигнала можно только с погрешностями.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы принимают строго определённые значения. Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сигнал» или «нет сигнала» на определённом интервале времени Т (тактовом интервале). Для их обозначения используются две цифры: наличие сигнала обозначается цифрой «1», а отсутствие – «0» (рис.10.2).

Рис.10.2. Виды сигналов: а) аналоговый; б) цифровой.

Для неискажённого приёма сообщений надо безошибочно восстановить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от аналогового, цифровой сигнал, искажённый помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или её отсутствии.

При переходе от аналогового сигнала к цифровому осуществляется три специфических преобразования (рис.10.3).

1. дискретизация сигнала по времени;

2. квантование сигнала по уровню амплитуд;

3. кодирование (оцифровка).

Подобное представление сигналов называется аналого-цифровым преобразованием.

 

 Рис.10.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала: а) аналоговый; б) дискретизированный; в) квантованный; г) цифровой.

Рассмотрим подробнее эти преобразования.

Дискретизация сигнала.

Под дискретизацией понимают процесс представления (замену) во времени непрерывного сигнала дискретной последовательностью отсчётов (выборок), следующих с некоторым временным интервалом t = T_Д, и по которым с заданной степенью точности можно вновь восстановить исходный сигнал. Наиболее распространённой является равномерная дискретизация, когда соседние отсчёты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал времени Т_Д (рис.9.1), называемый периодом дискретизации (интервалом дискретизации). Число отсчётов сигнала в секунду называется частотой дискретизации:

 F_Д = 1 / T_Д

Для того чтобы восстановить исходный непрерывный сигнал из дискретизированного с малыми искажениями (погрешностями), необходимо рационально выбрать шаг (интервал) дискретизации. Поэтому при преобразовании аналогового сигнала в дискретный обязательно возникает вопрос о величине шага дискретизации. Совершенно очевидно, что точность восстановления аналогового сигнала по последовательности его отсчётов зависит от величины интервала дискретизации Т_Д. Чем он короче, тем меньше будет отличаться функция u(t) от плавной кривой, проходящей через точки отсчётов. Однако с уменьшением интервала дискретизации ТД возрастает сложность и объём обрабатывающей аппаратуры. С другой стороны, при большом интервале дискретизации возрастает вероятность искажения или потери информации при восстановлении аналогового сигнала.

Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов).

Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произвольный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой FВ, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени

Т_Д = 1 / 2F_B.

Другими словами, частота дискретизации

 F_Д = 1 /T_Д = 2F_B

должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигнала имеет периодический характер: кроме низкочастотной части спектра, занимающей полосу частот от 0 до F_B, спектр имеет ещё и высокочастотные компоненты (рис.10.4).

Рис.10.4. Спектры сигналов:

а) спектр аналогового сигнала; б) спектр сигнала после дискретизации при FД > 2FВ; в) спектр сигнала после дискретизации при FД < 2FВ.

Низкочастотная часть спектра полностью идентична спектру исходного аналогового сигнала. Каждая высокочастотная компонента состоит из двух боковых полос: верхней (ВБП) и нижней (НБП). Форма ВБП подобна форме низкочастотной части спектра сигнала, сдвинутой по оси частот на одну из частот ряда F_Д, 2F_Д, 3F_Д, …. Форма НБП – зеркальное отображение соответствующей ВБП относительно частоты сдвига рассматриваемой высокочастотной компоненты.

Если частота дискретизации будет меньше 2F_В, то произойдёт наложение друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис.10.3в). Это приводит к искажениям сигнала, устранить которые при последующей обработке невозможно. Поэтому частоту дискретизации необходимо выбирать из условия F_Д > 2F_В.

 Кроме этого условия, в цифровом телевидении частоту дискретизации сигнала стремятся выбрать кратной частоте строк, т.е.

FД = kfс,

 где k – целое число; fс – частота строк.

При таком выборе частоты дискретизации оказывается, что отсчёты сигнала занимают фиксированное положение относительно начала строки. Этим отсчётам соответствуют точки на экранах ТВ-преобразователей, координаты которых располагаются в углах прямоугольной решётки (рис.10.5). Таким образом, дискретная структура сигнала по времени оказывается жёстко связанной с пространственной дискретизацией изображения. Такая структура дискретизации называется ортогональной.

а)                                                                   б)

Рис.10.5. Пространственные структуры дискретизации изображения:

а – ортогональная структура дискретизации; б – шахматная структура дискретизации.

Существуют и другие способы дискретизации ТВ-изображения (например, шахматная). На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискретизации ортогональная структура позволяет получить более высокое качество изображения. Поэтому этой структуре отдаётся предпочтение.

Из проведённых рассуждений следует, что частоту дискретизации цифровой ТВ-системы определяют параметры развёртки и видеосигнала.

В настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ-вещания и три системы цветного телевидения: NTSC, PAL и SECAM. Стандарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Американский стандарт развёрток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f = 15734, 26573 Гц. Все прочие стандарты ТВ-вещания по параметрам развёртки относят к европейскому стандарту: 625/50 с частотой полей 50Гц, числом строк в кадре 625 и частотой строк f = 15625 Гц. Верхняя граничная частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответствует F_В = 4, 2 МГц, а верхняя граничная частота спектров европейского стандарта составляет F_В = 6, 0 МГц.

Фирмы, разрабатывающие современные системы цифрового телевидения, стремятся создавать такую аппаратуру, которая могла бы сопрягаться с различными стандартами ТВ-вещания. Это позволяет создать универсальную систему ТВ-вещания в международном масштабе.

Учитывая всё сказанное выше и руководствуясь требованиями, предъявляемыми к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы:

1. Искажения сигнала при его воспроизведении будут отсутствовать в любом стандарте ТВ-вещания, если частота дискретизации будет F_Д 12 МГц;

2. Условие ортогональности структуры дискретизации будет выполнено независимо от стандарта ТВ, если частота дискретизации составит FД = 13, 5 МГц. Эта частота соответствует 864-й гармонике частоты строчной развёртки стандарта 625/50 и 858-й гармонике строчной частоты стандарта 525/60.

Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, чтобы в ней укладывалось 720 отсчётов сигнала независимо от стандарта. Очевидно, что в стандартах SECAM и PAL расстояние по времени между дискретами будет равно 0, 074 мкс.

Квантование сигнала.

Квантование сигнала – это замена мгновенных значений дискретного сигнала ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис.10.6).

Рис. 10.6. Квантование дискретного сигнала:

 - дискретные отсчёты сигнала;

× - квантованные отсчёты сигнала.

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты сигнала, называются уровнями квантования. Расстояния между соседними уровнями называют шагом квантования. Разница между дискретным отсчётом сигнала и соответствующим ему квантованным отсчётом называют ошибкой квантования.

Процесс квантования осуществляется следующим образом. Между уровнями квантования располагают условные значения напряжения, называемые порогами квантования. Если истинное значение дискретного сигнала меньше соответствующего порога квантования, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если же истинное значение сигнала выше рассматриваемого порога, – значение сигнала округляется до ближайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположены пороги квантования между уровнями квантования, зависит максимальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка квантования получается, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования.

Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумами квантования. Шумы квантования на изображении проявляются по-разному и зависят от характера передаваемого сюжета. В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме случайной шумовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантования проявляются в виде ложных контуров: плавные изменения яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных контуров уменьшается с увеличением числа уровней квантования. Исследования показали, что ложные контуры перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0, 5 – 1% от размаха сигнала, что соответствует числу уровней квантования, лежащем в диапазоне 128 – 256 (2⁷ – 2⁸). Поэтому количество разрядов при квантовании ТВ-сигнала в двоичном исчислении выбирают обычно равным 7 – 8.

Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Экспериментальные исследования показали, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ухудшения качества изображения. Это объясняется особенностями восприятия изменений яркости сюжетов зрением человека.

Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стандартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюжетами размах сигналов изображения может оказаться довольно большим, значительно превышающим динамический диапазон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически невозможно.

Лекция 2

123456Следующая ⇒

Поделиться: