Общие принципы построения системы цифрового телевидения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие принципы построения системы цифрового телевидения (Основные понятия)

Основные понятия. Форма ТВ сигнала в соответствии с его природой и характером повторяет распределение яркости на пути, по которому производится развертка изображения, т.е. он является электрическим аналогом изображения. Поэтому системы телевидения, в которых используется для передачи, консервации или каких-либо других задач обработки аналоговый сигнал, называются системами аналогового телевидения. На протяжении нескольких десятилетий телевидение было аналоговым, и только в 80-х годах разработчикам ТВ систем пришлось столкнуться с ограничениями аналоговых методов, серьезно сужающих возможности дальнейшего развития телевидения.

Одной из главных причин этих ограничений следует считать слабую помехозащищенность аналогового сигнала, который подвергается в каждом из многочисленных устройств телевизионного тракта воздействию шумов и других помех. А ведь современная вещательная ТВ система представляет собой весьма длинную цепь устройств для преобразования и передачи сигналов, число звеньев которой с развитием телевидения сильно увеличивается.

В каждом звене этой сложной цепи возникает неизбежная потеря качества изображения. Связано это с тем, что в любом устройстве, при любом из преобразований, которому подвергается сигнал, на него воздействуют помехи. При аналоговых методах усиления и обработки ТВ сигнала эти помехи накапливаются от звена к звену и, естественно, тем сильнее, чем больше в ТВ системе процессов обработки и переприема сигнала. Пока этих преобразований немного, суммарные искажения еще могут быть незаметны. Но с развитием телевидения число преобразований очень быстро возрастает. Увеличиваются расстояния между передающим и приемным пунктами, растут номенклатура и число различных видеоэффектов, разнообразящих передачу, но требующих дополнительного преобразования, усложняется технология монтажа ТВ программ. В таких системах проблема обеспечения необходимой помехоустойчивости становится главенствующей.

Существенно уменьшить искажения от помех при формировании и передаче ТВ сигналов, а также решить ряд других задач, о которых будет сказано ниже, позволяют цифровые методы, уже известные в технике связи. Именно поэтому в последние годы все большее внимание уделяется так называемому цифровому телевидению. Цифровое телевидение -- область телевизионной техники, в которой операции обработки, консервации и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму.

Типы систем цифрового телевидения

Можно представить системы цифрового телевидения двух типов. В системе первого типа, полностью цифровой, преобразование пере даваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на приемном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В перспективе создание таких преобразователей вполне реально. Однако в настоящее время их еще не существует, а поэтому целесообразно рассматривать цифровые ТВ системы второго типа, в которых аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей не обходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. Именно системам второго типа будет уделено основное внимание в данной статье. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Дискретизация -- замена непрерывного аналогового ТВ сигнала u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.

За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантование (термин этот заимствован из атомной физики) заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней (рис.1,в). Квантование также представляет собой дискретизацию ТВ сигнала, но осуществляющуюся не во времени, а по уровню сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и введена разная терминология.

Фиксированные уровни, к которым "привязываются" отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до одного или двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования.

Возможность восстановления в зрительном аппарате человека исходного изображения по его квантованному приближению (в теореме Котельникова эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы, рассмотренной в предыдущих статьях.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал uкв(nТ) уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала u(nТ) может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u(t), то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т -- число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления.

Типы систем цифрового телевидения

В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u(t) в цифровой uц(nТ), называемая операцией кодирования. Кодирование, таким образом, есть преобразование квантованного значения отсчета uкв(nТ) в соответствующую ему кодовую комбинацию символов uц(nТ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала -- представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Часто всю совокупность перечисленных операций -- дискретизации, квантования и кодирования -- для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством -- аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи - непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.

Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно, первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого перспективного для телевидения принципа обработки и передачи информации объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по каналу связи.

При непосредственном кодировании телевизионного сигнала ме тодом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации fд . Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).

Скоростью передачи цифровой информации называется число передаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит/с.

Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то минимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения с ИКМ частоту fд выбирают выше минимально допустимой, определяемой теоремой Котельникова. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования рекомендована для всех стран частота дискретизации f д = 13,5 МГц.

Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотношением/

Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом, которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах 100...200.

Отсюда k = 3,31 gm = 3,31 g (100...200) ? 6,6...7,6.

Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть толь ко целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограни чится числом k = 7 или 8. В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128 возможных уровнях сигнала (градациях яр кости).

Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в пере даче градаций) m =2*8=256. Если принять k =8, из (2) и (3) следует, что скорость передачи цифровой информации c = f , k =13,5*8=108 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования ТВ сигнала, так и каналы, связи. Тем не менее нельзя считать, экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономичных ТВ систем является "сжатие" ТВ сообщения.

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резервы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно ве лика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет устранить избыточность в ТВ сигнале, не передавать многократно одну и ту же информацию, сократить цифровой поток.

Типы систем цифрового телевидения

Второй тип - физиологическая избыточность ТВ сигнала обусловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата. Использовать физиологическую избыточность - значит не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением.

Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения избыточности в ТВ изображении осуществляется в цифровом телеви дении путем применения более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ. Так же как и процессы дискретизации и квантования, эти методы представляют предмет самостоятельного рассмотрения в данной статье.

Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы. Этот сигнал подвергается предварительной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал разделяется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования производились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести в аналоговый сигнал определенные пред искажения для улучшения субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на то, что многие из этих предварительных операций по обработке могут быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее подготовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на АЦП, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется (например, по методу ИКМ). Как указывалось, в полученном таким образом сигнале содержится значительная избыточность, которая может быть в определенной степени сокращена путем дополнительного, более эффективного кодирования в блоке цифровой обработки сигнала. Далее сигнал поступает в кодирующее устройство канала. Под каналом здесь понимаются линия связи, устройство консервации ТВ сигнала, устройства коррекции ТВ сигнала и другие звенья, в которых сигнал обрабатывается. Кодирующее устройство канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала от возможных помех в канале путем применения специальных, более помехозащищенных кодов. Наконец, сигнал в цифровой форме поступает на выходной преобразователь (например, на модулятор передающего устройства) и далее в канал. Принятый приемным устройством сигнал демодулируется, подвергается обратному преобразованию в декодирующем устройстве канала и поступает в блок цифровой обработки декодирующего устройства цифрового сигнала. В нем лишенный избыточной информации на передающем конце сигнал приобретает исходную форму, затем в ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Если на передающем конце тракта использовалась предварительная аналоговая обработка сигнала, то на приемном конце может производиться обратная операция.

В зависимости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может видоизменяться. Например, система вообще не будет содержать аналоговых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и сигнал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом виде. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии протяженных линий связи, и в частности при цифровой обработке сигнала внутри одного телецентра. В этом же случае нет необходимости и в устройствах, устраняющих в ТВ сигнале избыточность и сокращающих цифровой поток.

сигнал аналоговый цифровой зрительный

Дискретизация телевизионного сигнала Общие сведения

К настоящему времени разработаны такие методы дискретизации ТВ сигнала, которые позволяют в случае восстановления исходного сигнала избавиться от побочных продуктов. Значимость этих методов сегодня очень велика, поскольку возможное снижение частоты дискретизации позволяет пропорционально уменьшить цифровой поток, т.е. сделать систему цифрового телевидения более экономичной.

Прежде чем рассмотреть эти методы, следует указать на то, что при кодировании телевизионного сигнала чаще всего применяется дискретизация с постоянной частотой. В свою очередь, частота дискретизации может быть связана или не связана с частотой строчной и кадровой разверток. При жесткой связи получается постоянное число отсчетов в строке, соответствующих одним и тем же элементам изображения. На изображении при этом образуется фиксированная структура отсчетов (структура дискретизации).

Размещено на Allbest.ru