УДК 621.397 (075.8)

ББК 32.94

Т 31

Рецензенты:

Авторы: В.Н. Безруков, В.А. Галочкин, А.В.Балобанов

В.Г. Балобанов

Т 31 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ В АППАРАТУРЕ СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ПОТОКА.

Учебное пособие для вузов . В.Н. Безруков, В.А. Галочкин , А.В. Балобанов , В.Г. Балобанов. / Под ред. проф. В.Н. Безрукова. 91 стр.: ил. - 74

ISBN 978-5-9912-0004-2.

В учебном пособии рассматриваются вопросы цифрового преобразования сигналов изображения в аппаратуре сжатия видеоинформации. Особое внимание уделяется принципам преобразования аналогового видеосигнала в цифровой, возникающим при этом искажениям в изображении, способам снижения их заметности. Рассматриваются различные типы АЦП и ЦАП, даются их краткие характеристики и рекомендации по применению.

Предназначено для студентов направления подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» профиля «Радиотехника» по дисциплинам «Системы цифрового вещательного и прикладного телевидения», «Основы телевидения и видеотехники»; профиля «Цифровое телерадиовещание» по дисциплинам «Телевидение», «Системы цифрового вещательного и прикладного телевидения», «Системы и сети цифрового телерадиовещания», «Информационные технологии в телевидении» и окажется полезным также при выполнении расчетов по курсовому и дипломному проектированию.

 В.Н. Безруков, В.А. Галочкин,, А.В. Балобанов, В.Г. Балобанов. 2014

ISBN 978-5-9912-0004-2

Оглавление

Введение 5

Глава 1 7

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО ВИДЕОСИГНАЛА 7

В ЦИФРОВОЙ 7

1.1. Общие положения 7

1.2. Импульсно-кодовая модуляция 9

1.3. Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения 16

Рис. 1.3. Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения 18

1.4. Дискретизация телевизионного сигнала 18

Если ( 1.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то получим 18

1.5. Квантование телевизионного сигнала 25

1.6. Цифровое кодирование телевизионного сигнала 27

Контрольные вопросы 34

Глава 2 35

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ В АППАРАТУРЕ СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ПОТОКА 35

2.1. Формирование цифрового телевизионного сигнала 35

2.2. Основные характеристики и параметры цифрового кодирования видеосигналов 35

Формирующий ФНЧ на входе АЦП упрощается с увеличением частоты дискретизации и, соответственно, величины параметра v = 37

Fд / F_c . При этом увеличивается линейность ФЧХ ФНЧ, снижается крутизна спада АЧХ и порядок ФНЧ. Упрощается реализация ограничения спектра входного аналогового ТВС с требуемой степенью подавления высокочастотных составляющих его спектра, проникающих в спектр сигнала, полученного в результате выполнения операций преобразования. Недостаточное подавление указанных составляющих, как уже отмечалось, увеличивает «шумы преобразования», проявляющиеся муаровыми помехами на высокочастотной структуре восстановленного ТВ изображения. 37

2.3. Основы схемотехники АЦП 40

2.4. Примеры практического применения схем АЦП 46

2.5. Классификация АЦП по методам 48

преобразования 48

Параллельные АЦП 49

Последовательно-параллельные АЦП 50

Многоступенчатые АЦП 52

Конвейерные АЦП 54

2.6. Структурная схема АЦП телевизионного канала 55

2.7. Типы микросхем АЦП 57

2.8. Формирование ТВС на входе ИС АЦП 61

2.9. Основные параметры и характеристики ЦАП 65

2.10. Основы схемотехники ЦАП 66

2.11. Примеры практического применения схем ЦАП 72

2.12. Типы ИС ЦАП 74

Контрольные вопросы 75

Глава 3 77

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛОКОВ АЦП-ЦАП 77

3.1. Составление принципиальной схемы АЦП-ЦАП 77

Глава 4 83

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СМОДЕЛИРОВАННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ПК 83

Контрольные вопросы 96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 97

Введение

Применение цифрового телевидения (ЦТВ) создает основу для качественного изменения принципов функционирования и обеспечивает резкое улучшение соответствующих характеристик отдельных элементов телевизионной (ТВ) аппаратуры и систем телевидения (СТ) в целом. Одним из вариантов такого изменения является разработка универсальных систем ЦТВ (СЦТВ), интегрирующих в своей структуре функциональные возможности одной, двух и более систем аналогового телевидения различного назначения.

На передающей стороне канала связи ТВ сигнал (ТВС) изображений в СЦТВ переводят в цифровой вид, подвергают обработке и преобразованиям и передают, чаще всего, в цифровой форме по каналу связи. Принятый цифровой ТВС (ЦТВС) на приемной стороне канала связи подвергают обработке и обратным преобразованиям. Восстановленный ЦТВС из цифровой переводят в аналоговую форму и воспроизводят в виде ТВ изображений.

Глава 1

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО ВИДЕОСИГНАЛА

В ЦИФРОВОЙ

1.1. Общие положения

В настоящее время традиционная аналоговая техника связи повсеместно заменяется более совершенной цифровой. Этот процесс охватил и телевидение. Важнейшее преимущество цифровой техники – возможность цифровой обработки, передачи и хранения информации.

Цифровая обработка ТВ изображений в процессе их передачи и приёма позволяет достичь высокого уровня качества и предоставляет пользователю массу новых возможностей и услуг.

Цифровые системы телевидения наряду с обработкой изображения широко используют процедуры сжатия и кодирования видеосигналов. Проблемы сжатия и кодирования сигналов стали основными не только в системах вещательного телевидения, но и при построении многих прикладных систем (архивирование видеоданных, передача изображений по каналам с низкой пропускной способностью и др.).

Создание новейших цифровых устройств обработки, передачи и хранения видеоизображений связано с радикальным изменением технологических возможностей новейших процессорных систем. Использование новейших процессоров с производительностью несколько миллиардов операций в секунду обеспечивает реализацию самых сложных вычислительно ёмких алгоритмов сжатия, что невозможно было осуществить ранее. В своём развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов.

Первый этап развития цифрового телевидения – использование цифровой техники в отдельных частях ТВ системы. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования.

Другое направление – использование цифровой техники, характерное для первого этапа – введение цифровых блоков в ТВ преемники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов. Широко известны также устройства для перехода от чересстрочной развёртки к квазипрогрессивной, реализации функции “стоп-кадр” и “кадр в кадре”, декодирование и воспроизведение на экране дополнительной информации, передаваемой по системе “Телетекст” и т.д.

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и принцип передачи ТВ сигнала по каналу связи.

Второй этап развития цифрового телевидения – создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения.

Примерами гибридных ТВ систем служит японская система телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские системы MAC. В передающей и приёмной частях этих систем сигналы обрабатываются цифровыми методами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается до 8 МГц.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых ТВ систем. В России этот переход планируется завершить к 2015 году.

Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах (JPEG, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7, Wavelet-преобразование).

Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем ТВ вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в 1994 году.

Главными особенностями нового поколения ТВ систем являются:

1.Сужение полосы частот цифрового ТВ сигнала, позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному ТВ каналу с шириной полосы 6…8 МГц.

2.Единый подход к кодированию и передаче ТВ сигналов с различной чёткостью изображения.

3.Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым системам связи.

4.Обеспечение защиты ТВ программ от несанкционированного доступа, что даёт возможность создавать системы платного ТВ вещания.

5.Выбор оптимального стандарта цифрового кодирования позволит создать общую систему для обмена сигналами в международных масштабах, а также устранить необходимость в преобразовании стандартов, то есть появляется возможность создание унифицированного видео оборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения – SECAM, PAL, NTSC.