А.В.СмuрновА.Е.Пвскuн
nрuнцuпыnocmpoвnuмспсmвмцпфрово2оmмввпgвпuмnmмввпзпоппыхnрuвмнпковgAImaкuxсuсmвм
мвmоgыCJКamuмmмввпзпоппыхcn2ШIADBпоcmaнgapmaмJPEG,MPEG-1,
MPEG-2,MPEG-4
помвхоgсmоiiчпвовкоguроваnпв
всuсmвмахцuфрово2оmвaввngcnnA
ori:JopПНШВ2раАЬПЫХMUIJIDCKBM
gunрпвмnuковцuфрово20mмввugвпп1
cmpgкmgpa,прuнцuпuаАЬпывсквмы
upaDomaognoeouзnаuDваввсоврвмвнnыхцuфровыкmваввпзоров
s.com
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Глава1.Чтотакоецифровоетелевидение? 4
Чтозначитссцифровое))? 4
Краткаяисторияцифровогоtелевидения 9
Глава2.Цифровыетелевизионныесигналы 13
.Дискретизациясигналовиизображений 13
Квантованиесигналовиизображений 21
РекомендацияITU-RВТ601 25
Другиестандартыцифровогопредставлениятелевизионныхсигналов 34
Цифровоепредставлениезвуковыхсигналов 37
АЦПиЦАП 40
Глава3.Цифроваяобработкателевизионныхсигналов 48
ДискретноепреобразованиеФурьеидискретноекосинусное
преобразование 48
Цифроваяфильтрация 51
Цифроваяфильтрацияодномерныхсигналов 57
Пространственнаяцифроваяфильтрация 62
Применениецифровойфильтрациидляуменьшения
заметностишумов 65
Применениецифровыхфильтроввдекодерахсигналовцветности 69
Подавлениеэхо-сигналов 80
Преобразованиеразвертки 82
Глава4.Сжатиетелевизионныхсигналов 90
Задачасжатияинформациииnутиеерешения 90
СтандартJPEG 93
СтандартыMPEG-1иMPEG-2 103
Кодированиеидекодированиедвижущихсяизображений 104
Кодированиеидекодированиезвуковогосопровождения
встандартахMPEG-1иMPEG-2 119
СистемныйуровеньMPEG-2 127
Другиестандартыиметодысжатиявидеоинформации 129
Другиестандартыиметодысжатиязвуковыхсигналов 137
Стандарткодированиявидео-извуковойинформацииMPEG-4 140
Глава5.Передачасигналовцифровоготелевиденияпоканаламсвязи 151
Требованияксистемампередачисигналовцифрового
телевиденияпоканаламсвязи 151
Перемежениеискремблирование 152
Коды,исправляющиеошибки 154
Методымодуляции,применяемыеприпередачесигналовцифровоготелевиденияпорадиоканалу 163
Глава6.СтандартцифровоготелевизионноговещанияDvb 170
6.1.ЧтотакоеDVB?............................................................................................, 170
ТранспортныйпотокDVB 171
СтандарткабельноготелевиденияDVB-C 172
СтандартспутниковоготелевиденияDVB-S 175
СтандартназемногоТВ-вещанияDVB-Т 177
Новыесистемытелевизионноговещания 182
УсловныйдоступкТВ-программам 183
ДополнительныеданныеисервисвDVB 185
Контрольиизмерениявцифровомтелевидении 186
Глава7.Приемныеустройствацифровоготелевизионноговещания 189
Основныеузлыиблокиприемныхустройствцифрового
телевизионноговещания 189
Элементнаябазаnриемныхустройствцифрового
телевизионноговещания 201
Глава8.Применениецифровойобработкисигналоввтелевизорах
c<PanasonicTX-25/29AD50F/S>)наwассиEUR0-3 238
Общиесведения 238
Радиоканаликаналобработкисигналовзвука 241
Устройствацифровойобработкисигналов 252
Выходныекаскадысигналовяркостиицветности.....................................•. 285
Устройстваразверток 288
Системауправления 295
Устройстваобработкисигналовтелетекста 303
Устройствообработкисигналовдополнительныхизображений
восновном(••кадрвкадре))-PIP) 306
8.9.Устройстваобработкисигналовзвука................................................................31О8.1О.Устройствакоммутациивходныхивыходныхсигналов
изображенияизвука 314
Источникпитания 320
Настройкаирегулировка 323
Некоторыерекомендацииnoремонту 328
Заключение 331
Словарьтерминовисокращений 333
Списоклитературы 347
Глава1 чтотакоецифровоетелевидение?
Чтозначит«цифровое»?
Термин«Цифровой»(ccdigital»)относитсякчислусамыхупотребляемыхвсовременнойрадиоэлектронике.Накаждомшагумыслышимичитаемоцифровыхлазерныхдисках,цифровыхвидеокамерах,цифровыхдиктофонах,цифровыхтелефонахит.п.Еслижезаглянутьвнаучно-техническуюлитературу,тотаммывстретимцифровуюобработкусигналов,цифровыефильтры,цифровыесистемыпередачиинформацииит.д.Чтожеозначаетслово«цифровой»?
Ваналоговых(тоестьнецифровых)радиоэлектронныхустройствахисис
темахинформацияпередается,обрабатывается,хранитсяввиденепрерывноизменяющихсяфизическихвеличин-аналоговыхсигналов.Самыйраспространенныйвидсигнала-этопеременнеенапряжение.Нарис.1.1показаныфрагментытелевизионногоизвуковогосигналов.
Рис.1.1.Аналоговыетелевизионныйсигнал(а)извуковойсигнал(б)
Вэтихпримерахзначениеаналоговогосигнала,т.е.переменнагонапряжениявкаждыймоментвременисоответствуетзначениюпередаваемойфизическойвеличины-яркостиизображениянаэкранетелевизораилизвуковомудавлению,создаваемомугромкоговорителем.Аналоговыйсигналможеттакжеиметьвидпеременнаготокавпроводниках,переменнойнамагниченностинамагнитнойленте,переменнойглубиныканавкинагрампластинке.Читательможетсампродолжитьэтотсписок.
Вцифровыхрадиоэлектронныхустройствахисистемахсигналытакжеимеютвидпеременныхвовременииливпространствефизическихвеличин-напряжений,токов,намагниченностейит.д.Передаваемая,обрабатываемаяилихранимаяинформацияимеетвидпоследовательностичисел,представляемыхзначениямииспользуемойдляпередачиилихраненияинформациифизическойвеличины.Условимсяназыватьцифровымсигналомименнопоследовательностьпередаваемых,обрабатываемыхилихранимыхчиселвидаx(k),гдеk-номерчиславпоследовательности,т.е.номерэлементаилиотсчетацифровогосигнала,помняприэтом,чтофизическаяформацифровогосигналаможетбытьразной.
Всовременнойтехникедляпередачиинформацииприменяютсядвоичныечисла,каждыйразрядкоторых(бит)можетприниматьодноиздвухзначений:ссО»илисс1».ЕслииспользуютсяЬдвоичныхразрядов,токаждоечисло(такжеупотребляюттермин<<СЛОВО»)можетприниматьодноиз2ьзначений.Например,В-разрядные(илиоднобайтовые)неотрицательныедвоичныечислапринимаютзначенияот00000000(десятичноечислоО)до11111111(десятичноечисло255).
Еслинужныиотрицательныечисла,тостаршийбитнесетинформациюознакечисла.Приэтомобычноиспользуюттакназываемыйдополнительныйкод,которыйпоясняетсяследующимпримером.ПустьчислобитовЬ=8.Дляположительныхчиселстаршийбитравен«0».Например,десятичноечисло54приметвид0011011О.Дополнительныйкодотрицательногочисла-54получаетсяследующимобразом:11111111-0011011О+00000001=1100101О.Минимальноеотрицательноечисло,представимое8битами,равно-128иимеетдополнительныйкод10000000.Максимальноеположительноечислоравно127иимеетдополнительныйкод01111111.
Врассмотренныхпримерахвстречалисьтолькоцелыедвоичныечисла.В
компьютерахиустройствахцифровойобработкисигналовиспользуютиразличныеформыпредставлениячисел,имеющихдробнуючасть:сфиксированнымположениемзапятой(илидесятичнойточки)исплавающейзапятой.
Нарис.1.2,апоказаныЬпеременныхнапряженийU1···Uь,каждоеизкоторых
соответствуетодномуразрядудвоичногочисла,начинаясмладшегоразряда,итактовыеимпульсыИс.передаваемыепоотдельномупроводнику.
Передачаочередногодвоичногочислаизпоследовательностичиселначинаетсясотрицательногофронтасоответствующеготактовогоимпульса,афиксацияочередногодвоичногочиславустройстве-приемникепроизводитсяпоположительномуфронтутактовогоимпульса.
Ис
!q q о
U!t !.....,-.;!
- i F·
! :
1'----i-----г t
ь L_lr-'-_---f---·t
и
1ппоп
а)
пппп п•t
б)
Рис.1.2.Цифровыесигналывпараллельной(а)ипоследовательнойформах(б)
Такаяформапредставленияцифровогосигналаназываетсяпараллельной.иприееиспользованиидляпередачиЬ-разрядныхдвоичныхчиселнеобходимоЬ+1проводов.несчитаяобщего.Нарис.1.2.6показанооднопеременнеенапряжениеИ,спомощьюкоторогоцифровойсигналпередаетсявпоследовательнойформе.Каждоечислопередаетсябитзабитом,например,начинаясостаршегоразряда.ЧастотаимпульсоввканалесвязивтакомвариантеувеличиваетсяпоменьшеймеревЬраз.Какправило,тактовыеимпульсыотдельнонепередаются,авосстанавливаютсяпопеременнемунапряжениюИвприемнамустройстве.Этопозволяетобойтисьбездополнительногопровода.ПриэтомтактоваячастотаобычноI(!ЗВестнасдостаточновысокойточностью,ивприемникенеобходимоправильноопределитьфазутактовыхимпульсов.
Передаваемаяпоследовательностьимпульсовможетбытьразделенанаuтдельныепосылкиилипакеты,как,например,вширокоизвестномстандартеRS-232передачиданныхчерезпоследовательныйпорткомпьютера.
Чтобыпреобразоватьаналоговыйсигналвцифровой,необходимовыполнитьследующиетриоперации:
дискретизациювовремени.т.е.заменунепрерывногоаналоговогосигна
лапоследовательностьюегозначенийвдискретныемоментывремени-отсчетовиливыборок;
квантованиепоуровню,заключающеесявнахождениидлякаждогоотсче
тасигналаближайшегокнемууровняквантованияизиспользуемогонаборауровнейквантования;
кодирование(оцифровку),врезультатекоторогономернайденногоуровня
квантованияпредставляетсяввидедвоичногочиславпараллельнойилипоследовательнойформе.
Всетриоперациивыполняютсяводномустройстве-аналого-цифровом
преобразователе(АЦП).Обратноепреобразованиецифровогосигналаваналоговыйосуществляетсяспомощьюцифро-аналоговогопреобразователя(ЦАП).Вследующейглавеобэтомбудетбудутрассказаноболееподробно.
Цифровыесигналы,какианалоговые,характеризуютсяопределеннымипараметрами,средикоторыхважнейшуюрольиграютдинамическийдиапазоничастота.Динамическийдиапазонцифровогосигналаопределяетсятем.какоеколичестводвоичныхразрядовилибитовсодержитсявкаждомчисле,иявляетсябезразмернойвеличиной.Какбылопоказановыше,приnбитахнаотсчет
диапазонзначенийцифровогосигналаот-2<Ь.1до2<Ь.1
-1.
) )
Частотацифровогосигналаопределяетсякаквеличина,обратнаяпериодуповторенияэтогосигнала,причемпериодизмеряетсявчислеотсчетовсигналат.е.вчислепериодовдискретизации.Частотацифровогосигнала,такимобразом,такжеявляетсябезразмернойвеличиной.Приэтоммаксимальнаячастотацифровогосигналаравнаединице,таккакминимальныйпериодравенодномупериодудискретизации(вследующейглавебудетпоказано,чтореальномаксимальнаячастотацифровогосигналаравна0,5).Например,последовательностьчисел1О,20,30,40,1О,20,30,40,1О,20,...являетсяцифровымсигналомсчастотой0,25,таккакпериодповторенияравен4nериодамдискретизации.
Почемужецифровыеметодыпередачи,обработкиихраненияинформациисталистольпопулярнывпоследниедесятилетия?Можноуказатьдвеглавныепричиныэтойтенденциивразвитиитехнологии.
Перваяпричина,пожалуйнаиболееважнаясточкизрениярадиотехники,-этоповышениепомехоустойчивости,достигаемоевцифровыхсистемахКакиз-
вестно,возможностьбезошибочной'передачиинформациивпервуюочередьопределяетсяотношениемсигнал/помеха(С/П)вканалесвязи.ДляполучениядостаточнохорошегокачестваизображенияприприемеаналоговоготелевизионногосигналаотношениеС/Пнавходетелевизорадолжносоставлятьпорядка50дБ,т.е.амплитудасигналадолжнабытьбольшесреднеквадратическогозначениянапряженияпомехипримернов300раз.ЕслиотношениеС/Пнедостаточновелико,качествоизображениязаметноухудшается,чтопроявляетсявпоявлениихорошоизвестныхтелезрителямпомехнаэкранетелевизора.
Рассмотримтеперьприемцифровогосигнала,передаваемоговпоследовательнойформе(рис.1.3).Импульсытактовойчастоты(рис.1.3,а)насамомделенепередаютсяипоказаны,чтобыможнобылосудитьоположенииотдельныхбитоввпередаваемомсигнале(рис.1.3,6).ВпервомвариантеканаласвязиотношениеС/Правно6или15,6дБ(рис.1.3,в).
u
а)
б)
u
в)
г)
д)
11 111111 IUJ 111111 111 111111111111111111
е)
Рис.1.3.Влияниеnомехнаприемцифровогосигнала
Вприемникеобработкасигналавыполняетсяпороговымустройствомспорогом,расположеннымпосерединемеждуверхниминижнимуровнямипринятогосигнала.Врезультатеобеспечиваетсябезошибочныйприем(рис.1.3,г).Такимобразом,переходкпередачецифровогосигналапозволяетполучитьвысокоекачествоизображенияпризначенияхС/Пвдесяткиразменьших,чемваналоговомтелевидении.Насамомделезаповышениепомехоустойчивостиприходитсяплатитьдорогуюценуввидезначительногоувеличениятребуемойшириныполосыпропусканияканаласвязи,нообэтомбудетподробносказанопозже.Возможностицифровойпередачисигналоввпланеповышенияпомехоустойчивостинебезграничны.Нарис.1.3,дпоказансигналвовторомвариантеканаласвязи,гдеотношениеС/Правно3или9,5дБ.Вэтомслучаепослепороговойобработкивпринятомсигналеимеетсямногоошибок,имеющихвидложныхпереходовс
верхнегоуровнянанижнийиобратно(рис.1.З,е).Из-заэтоговприемникене·возможнообеспечитьправильнуюсинхронизациютактовойчастотыи,следова·тельно,правильноеопределениезначенийпередаваемыхдвоичныхсимволов.
Другаяпричинапопулярностицифровыхтехнологий-получениефункциональ·ныхвозможностей,объединяемыхтермином«цифроваяобработкасигналоВ>>.
Ваналоговойтехникеизвестнымногиевидыобработкисигналов:усиление
фильтрация,ограничение,модуляция,демодуляцияит.д.Длявыполненияопе·рацийобработкииспользуютсяфизическиепроцессывэлементахэлектронны)lсхем.Простойпримерустройствааналоговойобработки-ФНЧпервогопорядке:(рис.1.4,а).СглаживаниебыстрыхизмененийвходногосигналаивхU)достигаетсs:засчеттого,чтотокзарядки·емкостиСограниченсопротивлениемR.
Цифроваяобработкавбольшинствеслучаевзаключаетсяввыполнениима·
-:-ематическихоперацийнадчислами,составляющимицифровойсигнал.Рассмотримпример.ВцифровомФНЧпервогопорядка(рис.1.4,6)выходнойцифровойсигналy(k)связансовходнымцифровымсигналомx(k)соотношениемy(k)=аx(k)+Ьy(k-1),гдеаиЬ-постоянныечисла,называемыекоэффициентамифильтра,значениеy(k-1)представляетсобойзапомненноевЗУпредыдущеезначениевыходногосигнала.Такимобразом,длявычислениякаждо·гозначениявыходногосигналаy(k)необходимыдвеоперацииумноженияиоперациясложения.
Цифроваяобработкасигналовдаетвозможностьрешатьзадачи,которыене
былидоступнываналоговойтехнике.Укажемнекоторыенаиболееважныеобластипримененияцифровойобработкисигналоввтелевидении:
x(k)
ь
а) б)
Рис.1.4.Аналоговый{а)ицифровой{б)фильтрыНЧ
цифроваяфильтрациясигналов,вчастности,дляуменьшениявлиянияпомехишумов,дляподавленияотраженныхсигналов,дляразделениясигналовяркостиицветностиит.д.
преобразование стандарта телевизионной развертки, например,для
уменьшениязаметностимерцаний,дляреализациифункциисскадрвкадре•>идр.
кодированиетелевизионныхсигналовдляуменьшениятребуемойдляихпередачипропускнойспособностиканаловсвязи(сжатиеиликомпрессиятелевизионныхсигналов).
кодированиетелевизионныхсигналовдляуменьшениявлиянияпомехна
телевизионныепередачи.
Теперьможнодатьопределение:цифровоетелевидение-этоотрасльтелевизионнойтехники,вкоторойпередача,обработкаихранениетелевизионногосигналаосуществляютсяхотябычастичновцифровойформе.
Цифровоетелевидение-этоноваяступеньразвитиятелевизионнойтехники,обеспечивающаямногиепреимуществапосравнениюсаналоговымтелевидением,втомчисле:
повышениепомехоустойчивостисистемтелевизионноговещания;
повышениекачестваизображениявтелевизионныхприемникахсобыч-нымстандартомразложения;
созданиеновыхтелевизионныхсистем,обеспечивающихсущественное
повышениекачестваизображениятелевизионныхизображения(телевидениевысокойчеткости-ТВЧ);
увеличениеколичествапередаваемыхтелевизионныхпрограмм,таккак
постандартномутелевизионномуканалусширинойполосычастот6...8МГцоказываетсявозможнымпередавать4иболеепрограммтелевиденияобычнойчеткостиили1-2программыТВЧ;
интеграциятелевизионноговещаниясИнтернет;
обеспечениезащитыпередаваемыхтелевизионныхпрограммидругойинформацииотнесанкционированногодоступа,чтодаетвозможностьсоздаватьсистемыплатногоТВ-вещания;
созданиеинтерактивныхтелевизионныхсистем,припользованиикоторыми
зрительполучаетвозможностьвоздействоватьнапередаваемуюпрограмму.