Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014
.pdf
40 |
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ |
вэвэвэвэвэ вэовэовэ вэовэовэ вэооовэ вэвэвэвэвэ вэовэовэ 00000 вэооовэ вэвэвэвэвэ вэовэовэ вэовэовэ вэооовэ вэвэвэвэвэ вэовэовэ 00000 вэооовэ вэвэвэвэвэ вэовэовэ вэовэовэ вэооовэ
4:4:4 |
4:2:2 |
4:2:0 |
4:1:1 |
Рис. 1.11. Графическое представление стандартов цифрового
кодирования телевизионного сигнала:
О - отсчет YD; - - отсчет CR; I - отсчет СВ
меньшая цветовая четкость по вертикали и большая по горизонтали, что и обеспечивает стандарт 4:2:0, в котором информация о цвете передается че рез одну строку. Скорость цифрового потока при этом аналогична стан дарту 4: 1:1, а в случае передачи только активной части строки составляет 124 Мбит/с для 8-битовых слов.
Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых стан дартов цифрового кодирования. Требование совместимости семейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом
переходе от одного стандарта к другому. Если учесть, что все стандарты базируются на ортогональной структуре дискретизации, то, например пе реход от стандарта 4:4:4 к 4:2:2 получается отбрасыванием каждого второ го отсчета цветоразностных сигналов, а переход от стандарта 4:2:2 к
осуществляется отбрасыванием каждых трех отсчетов (рис. 1.11). Анало
гично переход от стандарта 4: 1: 1 к стандартам 4:2:2 и 4:4:4 будет заклю
чаться в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов.
Предусмотрена возможность применения стандарта более низкого
уровня (например, для комплексов видеожурналистики) с условным обо значением 2:1:1 (частоты дискретизации соответственно равны 6,75 МГц и
3,375 МГц).
Также находят применение стандарт 3: 1:1 - скорость передачи дан
Hыx 135 Мбит/с при 8-битовом кодировании и формат CIF (Соттоп Interchange Format), содержащий 288 строк по 352 отсчета для яркостной ком
поненты и 144 строк по 176 отсчетов для цветоразностных компонентов [6]. Последний стандарт используется в низкоскоростных системах, таких как CD-ROM приложения, при передаче только активной части изображе
ния скорость цифрового потока составляет 30 Мбит/с при 8-битовых от
счетах.
Помимо цифрового представления компонентных видеосигналов, бы лo разработано кодирование композитного сигнала. Для точного преобра зования всех составляющих сложного сигнала систем РAL и NTSC было предложено дискретизировать его с частотой 4 fsc, то есть равной четвер-
1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала |
41 |
той гармонике цветовой поднесущей. В результате, в системе NTSC ско рость передачи цифрового сигнала составляет 143 Мбит/с, а в системе
PAL -177 Мбит/с.
Важнейшим параметром любого телевизионного устройства воспро изведения изображений является четкость, которая оценивается количе ством зрительно воспринимаемых мелких деталей. В свою очередь, чет
кость в основном зависит от числа воспроизводимых строк в каждом кадре
телевизионного изображения.
Кдостижению высокой четкости изображения на телевизионном эк ране всегда стремились инженеры-разработчики, как телевизионных сис тем, так и телевизионного оборудования.
Ксередине прошлого века были разработаны и внедрены форматы те
левидения так называемой стандартной четкости с числом строк разложе
ния 525 или 625. Эти форматы успешно функционируют и по сегодняшний день, так как представляют собой разумный баланс большого количества факторов. Основные из них - возможность передачи телевизионного сиг
нала большому количеству телезрителей через наземные радиоканалы,
возможность записи и хранения аудиовизуального контента относительно
простыми с технической точки зрения устройствами.
Тем не менее, для разработчиков телевизионного оборудования всегда основной целью было достижение гораздо б6льшей четкости телевизион ного изображения. Первые упоминания о телевидении высокой четкости относятся к 1969 году. Тогда специалистами японской телекомпании NНK
(Nippon Hoso Kyokai)
HD (High Definition), которая позволяла приблизить качество изображений
на экранах телевизионных приемников к качеству современного киноизо
бражения, полученного с помощью 35-мм кинопленки.
В конце 70-х годов прошлого столетия в результате совместной рабо ты сотрудников компаний Sony и NНK идея HD была представлена широ кому кругу специалистов в области телевидения в развернутом виде.
На основании проведенных исследований экспериментально было ус тановлено, что удвоение размеров телевизионного изображения практиче ски эквивалентно улучшению его качества на один балл по семибалльной шкале оценок [7]. При этом телевизионное изображение психологически воспринимается как более высокого качества, если оно рассматривается с более близкого расстояния.
Фактически было доказано, что оптимальное расстояние рассматри вания телевизионного изображения соответствует трем высотам экра на воспроизводящего устройства. Однако, в этом случае на телевизионных экранах с достаточно большими размерами и с повышенной яркостью изо
бражения становятся отчетливо заметными структура растра, межстрочные мелькания. Поэтому приближение телезрителей к экрану требует увеличе ния, как минимум, вдвое четкости телевизионного изображения по верти
кали и горизонтали в сравнении с действующими телевизионными систе-
42 |
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ |
мами стандартной четкости, то есть необходимо вдвое увеличить число
строк разложения.
Разрабатываемые телевизионные системы с увеличенной вдвое четко стью воспроизводимых изображений, как по вертикали, так и по горизонтали
по сравнению с вещательными телевизионными системами стандартной чет
кости получили названия систем телевидения высокой четкости (ТВЧ).
К настоящему времени для целей студийного производства (в АСК) и те левизионном вещании предложено два стандарта: 1125/60/2: 1 и 1250/50/2:1. Непосредственно для производства и международного обмена программа
ми ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1: 1, 1080/50/2: 1, 1080/60/2: 1. Кроме того, в последнее время пред
ложен стандарт 1080/24/1: 1, который использует частоту кадров 24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому благодаря этому стандарту электронная и киноверсия кинофильма совпадают, что облегчает между народный обмен кинопрограммами, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых технологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ вещания и массового электронного кинематографа.
Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом уни фицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16:9) изображения ТВЧ, предусматривающего 1080 ак
тивных строк в кадре с чересстрочным или прогрессивным разложением
при 1920 отсчетах в активной части строки для яркостного сигнала (для
цветоразностных сигналов число отсчетов в активной части строки уста
новлено равным 960). Предполагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в с при частоте полей 50/60 полей в с (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709-3, принятая в июне 1999 г. [8]). Формат 16:9 означает формиро
вание квадратной структуры отсчетов, что соответствует квадратным элементам изображения на экране, обычно используемым в компьютерной
технике.
Разработка Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой прак
тике позволяет создать единую линейку студийного цифрового оборудова
ния, удовлетворяющего требованиям видео и кинопроизводства, а также международного обмена передачами ТВЧ.
Основные параметры цифрового кодирования вещательных стандар
тов ТВЧ, согласованные в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.709-3, приведены в табл.1.4.
Таким образом, при реализации цифровых способов кодирования те
левизионных изображений, основанных на классической ИКМ, необходи
мо оперировать с высокой скоростью цифрового потока, достигающей не скольких сотен или даже полутора тысяч (в случае ТВЧ) Мбит/с. И это ро ждает много проблем как при передаче видеоданных по каналам связи, так
1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала |
43 |
Таблица 1.4
Параметры цифрового кодирования вещательных стандартов ТВЧ
Наименование параметра |
Значения основных параметров |
||
1125/60/2: 1 |
1250/50/2: 1 |
||
|
|||
Частота дискретизации сиг- |
74,25 |
72 |
|
нала яркости Еу, МГц |
(33 х 2,25) |
(32 х 2,25) |
|
Частота дискретизации цве- |
37,125 |
36 |
|
торазностных сигналов ER- y , |
|||
(33/2 Х 2,25) |
(33/2 х 2,25) |
||
Ев-у, МГц |
|||
|
|
||
Вид кодирования |
Линейное, 8 или 1О бит |
Линейное, 8 или 1О бит |
|
|
для каждого сигнала |
для каждого сигнала |
|
Скорость результирующего |
|
|
|
цифрового потока при 8-би- |
1188 |
1152 |
|
товом кодировании, Мбит/с |
|
|
|
Скорость результирующего |
|
|
|
цифрового потока при 10-би- |
1485 |
1440 |
|
товом кодировании, Мбит/с |
|
|
|
|
|
|
|
и при их обработке, например, консервации, то есть записи. Снизить ука
занные скорости цифрового потока позволяют методы эффективного со кращения объемов психофизиологической и статистической избыточности составляющих видеоинформации, например, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, являющиеся ключевыми процессами цифровых
технологий.
1.2. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму
Двухканальный и многоканальный звуковые сигналы
Способность человеческого слуха воспринимать пространственное положение звуковых объектов - бинауральный эффект - долгое время не использовалась в телевизионном вещании. Лишь немногие страны ведут
эфирное телевизионное вещание со стереозвуковым сопровождением. Пионерами здесь оказались звуковое вещание и кинематограф. Практика
прослушивания двухканального стереозвука показала, что при наличии
двух динамиков - правого и левого - стереоэффект ощущается только в небольшой центральной части помещения. Зрители же, сидящие ближе к
одному из динамиков, слышат звук преимущественно из этого динамика.
Такой перекос затрудняет восприятие диалогов, поэтому, например в ки
нематографе, было решено установить за экраном центральный динамик, на который подавался смикшированный сигнал, обеспечивавший «цент
ральное» восприятие диалогов для всей аудитории.
Дальнейшие исследования показали, что два микрофона с кардиоид ной диаграммой направленности, размещенные под углом 90°, дают зна-
1.2. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму |
45 |
Отличия в аналого-цифровом преобразовании звуковых сигналов и видеосигналов связаны с особенностями человеческого слуха. Если видео сигнал занимает полосу частот до 6,25 МГц, то ухо воспринимает звуки в диапазоне 20 Гц ... 20 кГц. Поэтому и частота дискретизации звуковых сигналов должна быть значительно ниже, чем для видеосигналов. Практи чески применяются три номинала частоты дискретизации: 32 кГц для бытовой аппаратуры с полосой воспроизводимых частот 30 Гц ... 15 кГц, 44,1 кГц для компакт-дисков (CD) и 48 кГц для профессиональной звуко вой аппаратуры высокого качества с полосой частот в 20 кГц и более. Для телевизионного применения наиболее удобна частота дискретизации 48 кГц, при которой длительность блока звукоданных составляет 4 мс. В этом случае частота следования блока звукоданных составляет 250 Гц, что
просто соотносится с частотой видеокадров и упрощает синхронизацию и
передачу цифрового сигнала изображения и звука по одной линии связи. Характерными особенностями слуха являются также огромный дина
мический диапазон слухового восприятия - более 100 ДБ - и чувствитель
ность к самым незначительным нелинейным искажениям.
Отношение сигнал/шум квантования для звуковых сигналов ЧJ зв, ДБ
можно оценить по следующему выражению:
ЧJ зв, ДБ = 6S - 201gP + 4,8,
где Р - значение пик-фактора звукового сигнала. Для сигнала звукового сопровождения телевизионных передач значение пик-фактора зависит от характера телевизионных программ и меняется в пределах от 7 до 25 дБ (в логарифмических единицах измерения). В среднем считается, что он равен
12 ... 15 дБ, поэтому для вещательного телевидения ЧJ зв, ДБ = 6S - 8,2 . Учитывая более высокую чувствительность слухового аппарата к шу
мам квантования по сравнению со зрительным аппаратом, в оборудовании
студийных аппаратных применяют равномерное квантование отсчетов с
числом разрядов не менее 16 и дискретизацию с частотой 48 кГц. В пуль тах звукорежиссера и устройствах шумоподавления применяется даже 24- битовое квантование звуковых сигналов.
В системах записи на оптические диски аналоговый звуковой сигнал дискретизируется с частотой 44,1 кГц, а число бит, приходящихся на один
отсчет дискретизации, равно 32, то есть по 16 бит (2 байта) соответственно
для правого и левого каналов стереозвука.
Цифровой звуковой сигнал AES/EBU
ДЛЯ цифровой передачи звукового сопровождения в телевидении применяются сигналы стандарта AES/EBU. Цифровой звуковой стандарт AES/EBU был разработан обществом аудиоинженеров (AES) и Европей ским Союзом Вещания (EBU) - документ AES 3 «Рекомендация AES по цифровой звукотехнике - Формат последовательной передачи двухканаль ных линейно-кодированных звукоданных» [10]. Под названием AES/EBU
данный стандарт получил статус международного.
46 |
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ |
||
|
|
|
|
|
(инхрослово I |
3вукоданные |
|
Рис. 1.13. Субкадр одного звукового отсчета
I ~ I ~ I ~ I ~ I ~ I ~ I
Рис. 1.14. Состав блока звукоданных
Стандарт AES/EBU использует ИКМ с линейной шкалой квантова
ния, а длина кодовых слов может в зависимости от применения меняться
от 16 до 24 бит с целью обеспечения необходимого динамического диапа зона и отношения сигнал/шум. В стандарте AES/EBU один звуковой от
счет передается в составе субкадра из 32 бит, состоящего из слова зву ковых данных длиной от 16 до 24 бит; 4 бит данных: корректности отсчета У, состояния канала С, данных пользователя U, четного паритета Р; 4 бит
синхрослова и в зависимости от выбранной разрядности отсчетов звуковых
сигналов О, 4 или 8 бит вспомогательных данных (рис. 1.13).
Два субкадра левого и правого или двух монофонических каналов об
разуют один кадр, а 192 последовательных кадра группируются в блок
данных (рис. 1.14).
Таким образом, стандартом AES/EBU предполагается передача с
мультиплексированием во времени двух потоков звукоданных, соответст
вующих правому и левому каналам одного стереосигнала или двум неза
висимым моноканалам. Объединение звукоданных в блоки позволяет ор
ганизовать передачу сравнительно медленных потоков вспомогательных
данных (по 1 биту в субкадре), несущих информацию, например, о харак тере сигнала (моно или стерео) и внесенных предыскажениях.
Скорость цифрового потока двух каналов звуковых данных рассчиты BaeTcя по формуле
Сзв =2хSхfДзв,
где S - число разрядов на одни отсчет; f Дзв - частота дискретизации зву
ковых сигналов.
Для стандарта AES/EBU скорость цифрового потока составляет 3,072 Мбит/с при частоте дискретизации 48 кГц и 2,048 Мбит/с при часто
те 32 кГц.
Таким образом, AES/EBU представляет собой цифровой стандарт, предназначенный для передачи по одному кабелю цифровых двухканаль ных данных и вспомогательной информации. Для передачи сигналов AES/EBU используются два типа соединительных кабелей: симметричные 110-0мные инесимметричные 75-0мные коаксиальные кабели. В профес
сиональных применениях всегда используется симметричная линия в виде
витой пары с трехконтактными соединителями XLR, использовавшимися
1.2. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму |
|
|
|
|
47 |
|||||||||
Данные |
|
О |
1 |
о |
1 |
1 |
1 |
о |
о |
1 |
о |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Бифазный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
КОД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.15. Структура бифазного кода |
|
|
|
|
|||||||
еще в технике аналогового звука. Передача по специальному 110-омному симметричному кабелю возможна на 500 м без коррекции и до 1000 м с коррекцией, по обычному кабелю - на 70 м без коррекции и до 250 м с
коррекцией. Допускается передача звукоданных по высококачественному
коаксиальному кабелю на расстояние до 1 км, при этом выходное напря жение передатчика должно составлять 1 ± 0,1 В на нагрузке 75 Ом, что по зволяет использовать имеющиеся видеотракты [11]. Для согласования цифрового потока с линией связи используется бифазный код, предпола гающий наличие перепадов в каждом такте (рис. 1.15).
Такой код обладает свойством самосинхронизуемости и нечувствите
лен к смене полярности сигнала.
Контрольные вопросы
1.1. Поясните основные принципы построения систем цифрового телевидения. 1.2. Как производится дискретизация телевизионных сигналов?
1.3. Какая фиксированная структура дискретизации изображения используется в цифровом телевидении?
1.4. Приведите частотную характеристику пространственного фильтра, эквива
лентного зрительной системе человека.
1.5.Из каких соображений выбирается частота дискретизации телевизионного сигнала?
1.6.Каким образом осуществляется квантование телевизионных сигналов?
1.7.Какое число уровней квантования дискретизированных отсчетов использу
ется в системах цифрового телевидения?
1.8.Дайте краткую характеристику международным стандартам цифрового
представления сигналов в телевизионных системах стандартной четкости.
1.9.Охарактеризуйте основные параметры цифрового представления телевизи
онных сигналов в системах ТВЧ.
1.10.В чем заключаются особенности аналого-цифрового преобразования зву ковых сигналов?
1.11.Дайте качественную оценку цифровому звуковому сигналу стандарта AES.
2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
2.1. Формирователи цифровых телевизионных сигналов
Рассмотрим два варианта структурной схемы формирователя цифро
вого телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией ITU-R
ВТ.601-5 [4]. В устройстве, показанном на рис. 2.1 а, сигналы основных цветов ЕR, E G , Ев с источника телевизионных сигналов (телекамеры) вначале поступают на гамма-корректоры (ГК). Сформированные сигналы
Ek, ЕСз, Е'в в кодирующей матрице (КМ) преобразуются в сигнал яркости Е'у и цветоразностные сигналы Ek-y и Е'в-у. Далее эти сигналы преобра зуются АЦП в цифровые сигналы УD, СR И Св, соответственно. На вхо
дах АЦП имеются дополнительные аналоговые устройства, выполняющие масштабирование и сдвиг сигналов в соответствии с соотношениями
(1.3) ... (1.4). Число разрядов каждого АЦП в большинстве случаев равно 8.
Синхроимпульсы с устройства развертки источника телевизионных
сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, син
хроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых им
пульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и
6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства. ГТИ содержит схему
фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с помощью которой обеспечи
вается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной
развертки источника телевизионных сигналов.
ЦТС |
ЦТС |
|
Рис. 2.1. Варианты структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала
2.1. Формирователи цифровых телевизионных сигналов |
49 |
Мультиплексор (MS) в заданной последовательности передает на вы
ход цифровые сигналы УD, СR И Св и цифровые синхросигналы. В ре
зультате на выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).
В другом варианте устройства формирования (рис. 2.1 б) сигналы ос
новных цветов ЕR, ЕG, Ев сразу преобразуются в цифровые сигналы R d ,
Gd, Вd. При этом каждый АЦП должен иметь по меньшей мере 1О, а луч шe 12 двоичных разрядов. Далее цифровые сигналы R d , G d , B d поступа ют на цифровые гамма-корректоры (ЦГК), в которых выполняются нели нейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма
коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем сигналы R d,Gd,Bd в циф
ровой кодирующей матрице (ЦКМ) преобразуются в цифровой сигнал яр
кости УD И цифровые цветоразностные сигналы СR И Св .
Формирование синхросигналов и тактовых импульсов и работа муль
типлексора осуществляются аналогично первому варианту устройства.
Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает бо лее точное задание требуемой функции преобразования, но при этом тре
буются имеющие больше двоичных разрядов и, следовательно, более до рогие АЦП.
Одним из явлений, неблагоприятно сказывающемся на процессе дис
кретизации, является дрожание (jitter - джиттер), которое заключается в
неточности следования дискретных отсчетов по времени. При быстро ме няющихся сигналах дрожание может привести к ошибкам в квантован ных значениях, что, в свою очередь, приводит к шуму. При заданном дина
мическом диапазоне допустимый уровень дрожания (расстояние между максимальными отклонениями вперед-назад, выраженное в секундах) оп
ределяется как
где I'1То - размах «дрожания»; То - интервал между временнь'rми отсчета
ми; n - размерность квантования (число бит) [12]. Например, восьмибито
вый видеосигнал с частотой дискретизации 13,5 МГц требует, чтобы ам
плитуда «дрожания» задающего генератора была бы не больше, чем 92 пи
косекунды (1 пикосекунда = 10-12 секунды). 16-битовый сигнал с частотой
дискретизации 48 кГц требует уровня «дрожания» не более 200 пикосекунд.
2.2. Особенности передачи цифровых сигналов
по линиям связи
В процессе функционирования цифровых телевизионных и радиоком- плексов периодически возникает необходимость передачи цифровых сиг налов по линиям связи, например кабельным, между отдельными аппарат ными, студиями. Цифровые сигналы могут передаваться и на более даль
ние расстояния - между отдельными зданиями комплексов.