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

Результаты математического моделирования с использованием соотношения (2.14) показывают, что если не производить сжатие сигнала, то нелинейное квантование позволяет увеличить отношение сигнал/шум на 6…8 дБ для значений коэффициента сжатия 10...15 .

Этот метод обычно используется при небольшом количестве разрядов.

Для повышения эффективности действия устройств шумоподавления спектр звуковых частот разделяют на несколько сравнительно узкополосных участков и для каждой полосы частот выбирают оптимальное значение коэффициента сжатия. Это связано с тем, что большинство реальных спектров аудиосигналов имеет максимальную интенсивность в полосе частот от 200 до 2000 Гц и резкий спад вне указанной полосы частот. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, достаточно спектр исходного сигнала разделить на три или четыре частотные полосы. Для четырехполосной структуры принято следующее распределение частот: 0…1,5; 1,5…3,0; 3,0…6,0; 6,0…20 кГц. В применяемых в бытовой радиоаппаратуре многоканальных устройствах шумоподавления Dolbi-B(С) границы каждой частотной полосы адаптивно изменяются при изменении спектра входного сигнала. Общим признаком всех типов подавителей шума Dolbi является наличие в них основного канала передачи сигнала и дополнительных параллельных каналов. При этом уровень сигнала во вспомогательных каналах намного ниже, чем в основном. Многоканальные системы Dolbi широко используются в магнитной и оптической системах записи и воспроизведения информации, а также в ЧМ-ФМ радиовещании. Устройства данного типа выпускаются в виде интегральных микросхем и обеспечивают подавление шумов на 10…15 дБ.

Метод улучшения отношения сигнал/шум с помощью предыскажений заключается в следующем. Как известно, оптимальная фильтрация реальных аудио- и видеосигналов при воздействии шума осуществляется фильтром, имеющим следующую передаточную характеристику:

где WU ( ) – энергетический спектр аудиосигнала; WN ( ) – энергетический спектр шума.

51

Оптимальный фильтр с передаточной характеристикой (2.20) обеспечивает минимальную дисперсию сигнала ошибки на выходе:

где We – энергетический спектр сигнала ошибки e(t) U (t) Y (t) ; U (t) – сигнал на входе фильтра; Y (t) – сигнал на выходе фильтра.

Физический смысл соотношения (2.26) заключается в следующем. Модуль частотного коэффициента передачи оптимального фильтра, обеспечивающего минимум среднеквадратичной ошибки, в первом приближении должен быть пропорционален энергетическому спектру

входного сигнала WU ( ) . В области частот, где энергетический спектр шума WN ( ) возрастает, модуль частотного коэффициента передачи оптимального фильтра в соответствии с (2.26) должен уменьшаться.

В частном случае для белого шума ( WN const ) и для равномерного энергетического спектра сигнала WU оптимальный фильтр должен иметь прямоугольную форму частотной характеристики K j const . Однако реальные аудиосигналы имеют колоколь-

ную форму энергетического спектра. Поэтому, чтобы обеспечить равномерную форму энергетического спектра сигнала, применяют метод частотных предыскажений, идея которого заключается в следующем.

Передаточная частотная характеристика цепи предыскажений KP j должна удовлетворять условию

Для правильной передачи информации на приемной стороне должна быть установлена цепь компенсации предыскажений, которая явля-

Таким образом, с помощью цепей предыскажений и их компенсации одновременно выполняются условие минимизации ошибки, обусловленной влиянием шумов, и условие неискаженного прохождения сигналов. Заметим, что в выражениях (2.26)–(2.30) используется модуль частотного коэффициента передачи, поскольку реальные аудиосигналы являются случайными сигналами и для них понятие фазы не определено.

В качестве цепей предыскажений и компенсации предыскажений в

аудио- и видеотехнике применяют rRC-цепи, показанные соответственно на рис. 2.14, а и б, здесь же приведены амплитудно-частотные

характеристики rRC-цепей.

C

R

R

C

Рис. 2.14. Корректирующие цепи и их АЧХ:

а – цепь предыскажений; б – цепь компенсации предыскажений

Цепь предыскажений в цифровых системах включается на входе АЦП, а цепь компенсации предыскажений – на приемной или воспроизводящей стороне на выходе ЦАП. Как показывает моделирование, за счет цепей предыскажений отношение сигнал/шум увеличивается на 7…8 дБ. Поскольку для цепей, представленных на рис. 2.14, соотношения (2.29) и (2.30) выполняются приближенно, канал связи с прямоугольной формой частотной характеристики является квазиоптимальным.

53

Следует отметить, что увеличение отношения сигнал/шум повышает пропускную способность канала связи:

где f – полоса частот, передаваемая по каналу связи; PS – средняя мощность сигнала; PN – средняя мощность шумов; SN – отношение сигнал/шум в децибелах.

Из соотношения (2.31) следует два очевидных условия: C f и

f Fmax .

2.8. ПОДАВЛЕНИЕ ШУМОВ В АУДИОСИГНАЛАХ

Часто запись аудиосигналов подвергается воздействию шумов и помех. В основном это обусловлено следующими причинами:

1)наличием в месте записи акустических сигналов посторонних шумов (например, от работающей бытовой техники, лентопротяжных механизмов, движущегося транспорта);

2)различными помехами в каналах связи (в частности, атмосфер-

ными помехами, вызванными многолучевым приемом); 3) неисправностью передающей, приемной или регистрирующей

аппаратуры.

Воздействие на аудиосигнал чаще всего обусловлено одной или несколькими перечисленными выше причинами. Оно может приводить к тому, что слушатель будет терять смысл отдельных слов, фраз и даже целых фрагментов передаваемого речевого сообщения. Существующие в настоящее время методы очистки речи от шумов основаны на особенностях образования и восприятия речевого сигнала и на свойствах удаляемых помех.

Для описания речевого сигнала разработана следующая модель. Речь образуется путем возбуждения акустического резонатора (голосового тракта) потоками воздуха. На коротком интервале времени речь характеризуется набором резонансных частот, называемых формантами. Для глухих звуков на таком интервале времени речевой сигнал

54

имеет структуру, подобную шуму. Для звонких звуков речевой сигнал имеет гармоническую структуру. Период гармонического сигнала в этом случае называется периодом основного тона речи. Такая модель позволяет построить эффективные системы подавления шумов и помех в аудиосигналах. При этом важную роль играют следующие особенности восприятия речи человеком. Установлено, что согласные звуки хотя и маломощны, но весьма существенны для понимания смысла речи. Различный вклад в разборчивость речи вносит каждая из формант. Первая форманта, лежащая в диапазоне от 250 до 800 Гц, менее существенна для восприятия, чем вторая и последующие. Отметим, что амплитудный спектр аудиосигнала значительнее влияет на разборчивость речи, чем фазовый спектр. Важная особенность восприятия речи – маскировка речи. Так, например, после громких звуков некоторое время не воспринимаются тихие звуки. Рядом с интенсивными спектральными составляющими на слух не ощущаются спектральные составляющие с малой амплитудой.

Воздействие шумов чаще всего носит аддитивный характер, при этом шумы не коррелированы с аудиосигналом.

Простейшим способом повышения разборчивости речи является ее полосовая фильтрация. Фильтр верхних частот с частотой среза 200…300 Гц удаляет из аудиосигнала низкочастотные шумы. При этом уменьшение мощности первой форманты не приводит к заметному ухудшению разборчивости речи. Фильтр нижних частот с частотой среза порядка 3,5…4,0 кГц удаляет высокочастотные шумовые составляющие. Данный метод эффективен для ослабления шумов, лежащих вне диапазона частот, существенного для восприятия речи. В том случае, когда помеха занимает сравнительно узкий участок или участки спектра передаваемого аудиосигнала, применяют многополосную фильтрацию – эквалайзинг.

Метод, основанный на вычитании спектров, заключается в следующем. Обрабатываемый сигнал y(t) описывается следующим выра-

где (t) – шумовая компонента.

Сумме сигнала и шума будет соответствовать сумма энергетического спектра сигнала и спектра шума. Получить энергетический

55

спектр исходного сигнала можно путем вычитания спектра шума из энергетического спектра обрабатываемого сигнала. На практике спектры вычисляются на конечном интервале времени и коррекция производится с использованием следующего выражения:

где u( ) , y( ) и ( ) – оценки соответственно энергетических спек-

тров исходного сигнала, аддитивной смеси сигнала с шумом и усредненного спектра шума.

В данном методе y( ) определяется непосредственно по реализации обрабатываемого сигнала. Усредненный спектр шума ( ) нахо-

дится по известным свойствам помехи или путем измерения параметров шума в паузах речевого сигнала. Выходной аудиосигнал, очищенный от шума, формируется путем обратного преобразования отсчетов спектра u( ) в отсчеты сигнала u(t) .

В настоящее время разработаны различные модификации изложен-

где , – параметры, определяемые экспериментально.

Введение параметров и обеспечивает большую гибкость при реализации процедуры обработки аудиосигнала. Например, в случае широкополосного белого шума спектр u( ) можно оценить по методу максимального правдоподобия с использованием выражения

Высокой эффективностью подавления шумов обладают методы, основанные на винеровской фильтрации аудиосигнала. В данных методах первоначально по зашумленному речевому сигналу y(t) опреде-

ляется передаточная характеристика оптимального фильтра. Далее этот фильтр применяется во временной или частотной области. На вы-

56

ходе фильтра получают следующую оценку очищенного от шумов передаваемого аудиосигнала:

0, 25 выходной спектр аудиосигнала определяется, как и в методе компенсации широкополосного шума.

57

Глава 3

ЦИФРОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СТАНДАРТЫ

Требования к качеству изображения непрерывно повышаются. В 80-х годах XX века в качестве альтернативы существующим аналоговым стандартам передачи телевизионного сигнала PAL, SECAM и NTSC было впервые продемонстрировано цифровое телевидение (TV), которое имеет неоспоримые преимущества перед ними. Так, например, DTV (Digital TV) обладает улучшенным качеством изображения и звука, обеспечивает передачу большего количества каналов, кроме того, оно предоставляет и ряд других возможностей: платную передачу по требованию, интерактивное телевидение. Помимо сказанного освоение производства телевизоров с весьма большой диагональю и повышенной яркостью изображения выявило недостатки аналогового телевидения, связанные с технологическими ограничениями. На большом экране стали отчетливо заметны структура растра, межстрочные и межкадровые мелькания, а также неравномерность чересстрочной развертки.

При переходе на цифровое телевидение актуальной проблемой стала выработка общих принципов, которых бы придерживались все страны в своих стандартах.

3.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Компонентный телевизионный видеосигнал может быть представлен в цифровой форме в соответствии с рекомендацией ITU-R601, которая устанавливает правила раздельной дискретизации, квантования и кодирования сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов R–Y

( Сr ) и B–Y ( Сb ). Частота дискретизации Y устанавливается равной

13,5 МГц, для цветоразностных сигналов – 6,75 МГц. Таким образом, частота дискретизации яркостного сигнала оказывается в 2 раза боль-

58

ше частоты дискретизации цветоразностных сигналов. Если взять, как принято, в качестве условной (базовой) единицы частоты 3,375 МГц, то частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2, которое и дает название стандарта. При таких значениях частот дискретизации можно почти без искажений преобразовать в цифровую форму сигнал яркости в полосе частот до 5,75 МГц, а цветоразностные сигналы – в полосе частот до 2,75 МГц. Стандарт 4:2:2 используется как «базовый» при оценке других вариантов дискретизации. На значение 5,75 МГц часто ссылаются как на границу полной полосы частот телевизионного сигнала.

При длине кодового слова 10 бит передают 1024 уровня квантования. Числа 0…3 и 1020…1023 зарезервированы для сигналов синхронизации. Для квантования яркостного сигнала выделено 877 уровней (значение уровня черного в видеосигнале соответствует 64-му уровню квантования, а значение уровня белого соответствует 940-му уровню). Для квантования цветоразностных сигналов выделено 897 уровней, причем нулевому значению аналогового сигнала соответствует уровень квантования 512. Кодированию подлежат гамма-корректированные сигналы. Приведенные диапазоны уровней квантования часто используют для сравнения с другими вариантами квантования. В этом случае на них ссылаются как на показатели динамического диапазона или полного разрешения, поскольку число уровней квантования определяет шум квантования и, соответственно, динамический диапазон. В этом смысле иногда говорят о 10-битном разрешении.

Частоты дискретизации кратны гармоникам строчной частоты, что обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчетов телевизионного сигнала. Величинам 13,5 и 6,75 МГц кратна как частота строчной развертки стандарта телевизионного разложения 625/50, так и частота строчной развертки 525/60. Выбор в качестве базовой частоты именно 3,75 МГц связан с условием кратности с частотами строчной развертки двух международных стандартов разложения. Это позволило ввести единый международный стандарт кодирования компонентного видеосигнала, который в активной части строки предусматривает 720 отсчетов яркостного сигнала и по 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Полная скорость передачи компонентного видеосигнала составляет 10 13,5 10 6,75 10 6,75 275 Мбит/с . Для передачи цифрового видеосигнала используют его сжатие по стандарту MPEG.

59

В США цифровое телевидение впервые было представлено в 1981 году. Однако потребовалось почти два десятка лет, чтобы Федеральная комиссия по связи (FCC) определила новый стандарт цифрового вещания ATSC, включающий в себя 18 форматов TV, шесть из которых относятся к HDTV. Для того чтобы обеспечить плавный переход от аналогового к цифровому стандарту и не потерять телезрителей, разработчики стандарта ATSC предусмотрели совместимую передачу вместе с цифровым сигналом и аналогового стандарта NTSC. Помимо этого FCC прилагает определенные усилия, направленные на скорейшее распространение нового стандарта, обязывая несколько крупнейших телекомпаний США (ABC, CBS, NBC и Fox) вещать не менее 80 % своего объема в цифровом формате.

Япония не стала заимствовать разработанные европейцами и североамериканцами стандарты и создала свой – ISDB, который в отличие от вышеупомянутых охватывает сразу TV- и радиовещание, а также передачу телекоммуникационных данных.

В 2004 году Россия выразила свое намерение перейти на цифровое телевидение вслед за США, Японией и европейскими странами. Согласно «Концепции внедрения в России цифрового наземного телевизионного и радиовещания», принятой правительством РФ, к 2015 году все телевидение в стране должно стать цифровым. Отметим, что доступ к DTV в России есть и сегодня, правда, он является достаточно дорогим, и совсем малая группа людей готова оплачивать эту услугу.

Итак, если цифровое телевидение в России – это перспектива ближайшего будущего, то в европейских странах DTV стало уже реальностью. По этой причине все больший интерес проявляется к аппаратуре, которая поддерживает стандарты цифрового телевидения. Популярностью пользуются ресиверы (Set TopBox), которые преобразуют цифровой сигнал в аналоговый, а значит, позволяют использовать телевизор, который работает с PAL, SECAM и NTSC. Кроме того, появляются TV-тюнеры, поддерживающие стандарты DTV.

Как это часто бывает, одной из самых больших проблем в процессе внедрения новой технологии является выработка стандартов, которые приняли бы все участники рынка телевидения. Для решения данной задачи крупные компании пытаются объединиться в консорциумы, но это не так просто и не всегда реализуется практически. В результате на рынке конкурирует сразу несколько TV-стандартов, что приводит к росту цен на устройства, к появлению проблем совместимости. Такая картина может не меняться годами до тех пор, пока один из форматов

60