Основы цифровой аудио- и видеотехники. Часть 1. Учебное пособие

УДК 621.397.4(075.8) Р 173

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев, канд. техн. наук, доц. В.М. Меренков

Работа подготовлена на кафедре ТОР для студентов факультета радиотехники и электроники

Разинкин В.П.

Р 173 Основы цифровой аудио- и видеотехники : учеб. пособие / В.П. Разинкин, В.Н. Удалов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ,

2010. – Ч. 1. – 95 с.

ISBN 978-5-7782-1356-2

Настоящее пособие входит в состав учебно-методического комплекса по курсу «Основы цифровой аудио- и видеотехники», разработанного для студентов НГТУ, обучающихся по специальностям 210302 – Радиотехника и 210402 – Средства связи с подвижными объектами.

Рассмотрены принципы работы и схемотехнические решения для цифровых устройств, используемых для обработки аудио- и видеосигналов. Описаны цифровые стандарты для передачи аудиосигналов, а также характеристики и параметры цифровых телевизионных стандартов. Изложены методы модуляции, применяемые в цифровом телевидении.

Пособие может быть использовано при мультимедийной форме чтения лекций, при выполнении расчетно-графических заданий и подготовке к лабораторным работам.

ВВЕДЕНИЕ

В аналоговых системах информация передается и обрабатывается в виде непрерывно меняющихся во времени сигналов, в качестве которых обычно используется напряжение. В аналоговом телевидении значение сигнала в каждый момент времени соответствует значению передаваемой физической величине – яркости и цвету изображения. В аналоговой аудиосистеме значение сигнала соответствует уровню звукового давления. Аналоговые аудио- и видеосистемы обеспечивают высокое качество передачи информации при условии высокого уровня отношения сигнал/шум и при малых нелинейных искажениях в передающих и приемных устройствах.

В цифровых системах информация передается и обрабатывается в виде последовательности двоичных чисел, каждый разряд которых может принимать одно из двух значений: «0» или «1». Для передачи отрицательных чисел используется дополнительный код, при этом старший разряд несет информацию о знаке числа. Существует параллельная и последовательная форма представления двоичных чисел. Очевидно, что при использовании последовательной формы требуется всего один сигнальный провод. При параллельной форме представления двоичных чисел необходимо n проводов, не считая общего, где n – число разрядов. Отметим, что в последовательной форме требуе-

мая скорость передачи сигналов в n раз больше. Это означает, что параллельная форма передачи многоразрядных цифровых сигналов соответствует операции мультиплексирования. Передаваемые в последовательной форме числа обычно разделяют на отдельные блоки, или пакеты.

Для использования цифровой формы представления сигналов необходимо выполнить следующие два действия:

1) дискретизацию во времени, т. е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени в виде отсчетов;

3

2) квантование по уровню, заключающееся в описании каждого отсчета двоичным числом с заданным числом разрядов.

Оба эти действия выполняются в одном устройстве – аналогоцифровом преобразователе (АЦП). Следует отметить, что выбор дискретных моментов времени осуществляется в соответствии с требованиями теоремы Котельникова.

Основными параметрами цифровых сигналов являются динамический диапазон и скорость цифрового потока. Цифровое телевидение и цифровые аудиосистемы обеспечивают существенное улучшение качества изображения и звука, увеличение числа программ и повышение помехоустойчивости. Как известно, возможность неискаженной передачи информации определяется отношением сигнал/шум. Например, для обеспечения высокого качества изображения при приеме аналогового телевизионного сигнала отношение сигнал/шум на входе телевизионного приемника должно быть более 40 дБ. В цифровых телевизионных стандартах в полосе рабочих частот 8 МГц за счет использования пороговой обработки двоичных сигналов и помехоустойчивого кодирования это отношение может быть уменьшено до 10 дБ без ухудшения качества изображения. Высокой помехоустойчивостью обладают также цифровые системы записи, воспроизведения и передачи аудиосигналов. Существенными достоинствами цифровых систем являются технологичность и функциональность методов обработки двоичных сигналов. При этом появляется возможность реализации различных спецэффектов и многократной перезаписи сигналов без накопления искажений. Операции преобразования, обработки и передачи сигналов по каналам связи осуществляются в цифровой форме. Это обеспечивает стабильность параметров, хорошую помехозащищенность и высокое качество выходного сигнала. Основной недостаток цифровых систем – необходимость значительного расширения полосы частот канала. Для преодоления этой трудности применяют различные методы сокращения избыточности аудио- и видеосигналов.

4

Как видно из рис. 1.1, последовательный S-регистр представляет собой двоичный счетчик на основе JK триггеров, на синхронизирующий вход которых подаются импульсы тактовой частоты, соответствующей скорости передаваемого по каналу связи цифрового потока.

На неинвертирующих выходах триггеров за n тактов определяется n разрядов параллельного кода, для передачи которых от одного устрой-

ства к другому требуются n сигнальных проводников и шина нулевого потенциала. Отметим, что устройства данного типа выполняются в виде интегральных микросхем и обладают достаточно высоким быстродействием. Тактовая частота работы S-регистров может достигать сотен мегагерц.

1.2. КОМПАРАТОР

Компаратор является пороговым устройством и входит в состав как аналого-цифровых преобразователей, так и цифроаналоговых преобразователей. Компаратор выполняется на основе операционного усилителя с большим коэффициентом усиления. Упрощенная схема компаратора показана на рис. 1.2.

R

Вых

R

UB

E

Рис. 1.2. Компаратор

За счет гистерезисных явлений, которые проявляются на амплитудной характеристике операционного усилителя при значении коэф-

фициента усиления K 104...105 , в схеме, приведенной на рис. 1.2, выполняются следующие условия:

1) U A UB Uвых Uст «1»;

6

Таким образом, выполнение первого условия в (1.1) соответствует логической единице, а выполнение второго условия – логическому нулю. Компаратор, показанный на рис. 1.2, является быстродействующим устройством и входит в состав АЦП и ЦАП.

1.3. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Коммутационное устройство (ключ) осуществляет операцию логического умножения. Для построения коммутационных устройств применяют быстродействующие электронные ключи на полевых транзисторах. Типовая схема ключа на полевом транзисторе показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Коммутационное устройство на полевом транзисторе с фильтром нижних частот в цепи затвора

Быстродействие полевого транзистора в режиме переключения определяется его входной емкостью, которая с учетом эффекта Миллера может достигать значительной величины (до десятков пикофарад). Для подведения управляющего сигнала в цепь затвора используется фильтр нижних частот третьего порядка.

Рассмотрим симметричный режим, когда выполняется условие R1 R2 R . Данные сопротивления являются нагрузками фильтра. В соответствии с теорией фильтров на сосредоточенных элементах при

фиксированной, т. е. заданной, величине входной емкости Cвх умень-

7

шение сопротивления нагрузки R приводит к увеличению граничной частоты фильтра:

где g3 – третий элемент низкочастотного нормированного фильтрапрототипа; c – частота среза фильтра.

Из соотношения (1.2) следует, что использование малых значений сопротивлений нагрузки R (например, порядка 50 Ом) приводит к необходимости увеличивать мощность источника управляющего сигнала E(t) . Таким образом, более высокое быстродействие обусловливает

более высокую мощность управляющего сигнала.

Для определения переходной характеристики схемы, приведенной на рис. 1.3, по цепи управляющего сигнала воспользуемся следующей формой обратного интегрального преобразования Фурье:

где j 1 ; S21( j ) – коэффициент передачи фильтра нижних частот, имеющего на входе и выходе нагрузки R ; 2 f – круговая час-

тота, измеряемая в радианах в секунду.

Отметим, что соотношение (1.3) является приближенным, поскольку при строгом подходе верхний предел в данном интеграле должен быть бесконечным. Численные эксперименты показывают, что для цепей вида фильтра нижних частот достаточно установить верхний пре-

дел интегрирования не более 10 с . Производительность современных компьютеров позволяет достаточно быстро рассчитывать переходные характеристики и при значении верхнего предела 100 с .

Расчет коэффициента передачи фильтра нижних частот S21( j ) осуществляется матричным методом. Для этого с помощью Ai ( j ) -матриц каждого элемента фильтра определяем результирующую A( j ) -мат- рицу:

n

A( j ) Ai ( j ) , (1.4)

i 1

где n – порядок фильтра.

8

Для емкостного элемента фильтра нижних частот Ai ( j ) -матрица имеет вид

С помощью соотношений (1.4)–(1.7) и численного интегрирования (1.3) были рассчитаны переходные характеристики для различных типов фильтров третьего порядка. Значения элементов нормированного

товского нормированного низкочастотного прототипа значения эле-

ментов равны: g1 1,00; g2 2,00; g3 1,00 .

Переходные характеристики для различных типов фильтров нижних частот приведены на рис. 1.4, где для сравнения приведена также переходная характеристика для фильтра первого порядка, содержащего одну входную емкость (кривая 1). Анализ графиков показывает, что практически монотонную переходную характеристику (без выбросов) имеет гауссовский фильтр (кривая 2). Баттервортовский (кривая 3) и чебышевский (кривая 4) фильтры имеют выбросы до 10 %. Отметим, что форма переходной характеристики с таким большим выбросом не позволяет получить удовлетворительные результаты при использовании коммутатора в быстродействующих АЦП и ЦАП.

Как видно из графиков, применение гауссовсого фильтра позволяет примерно в 1,5 раза уменьшить длительность фронта сигнала в цепи

9

h(t)

1,2

3

2

1,0

4

0,8

1

0,6

затвора. Приемлемая форма переходной характеристики гуссовского фильтра с физической точки зрения объясняется тем, что его фазочастотная характеристика близка к линейной зависимости. Это свойство положительно сказывается на уменьшении уровня межсимвольных искажений при использовании рассматриваемых коммутаторов в устройствах обработки цифровых сигналов.

Для практики важно то, что нормированный низкочастотный прототип гауссовского фильтра третьего порядка имеет самую большую нормированную емкость, равную 2,196, прототип баттервортовского фильтра – 1,0. Сопоставление этих значений позволяет сделать вывод о том, что при использовании гауссовского фильтра длительность фронта управляющего сигнала в цепи затвора коммутатора будет в два раза меньше, чем при использовании баттервортовского фильтра.

10