41

ЛЕКЦИЯ 13

Тема: Принципы цифровой передачи ТВ изображения

ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ: Показать особенности формирования цифрового телевизионного сигнала с учетом требований “Рекомендации ITU BT 601”, обосновать применение алгоритмов сжатия и рассмотреть некоторые методы цифровой обработки и кодирования телевизионных сигналов.

Учебные вопросы:

1. Общие сведения.

2. Цифровой телевизионный сигнал.

3. Формирователи цифровых телевизионных сигналов.

Вопрос №1.

Цифровое телевидение – это новая отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в цифровой форме. Применение методов и средств цифрового телевидения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

- повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

- уменьшение мощности передатчиков ТВ – вещания;

- существенное увеличение числа телевизионных программ, передаваемых в том же частотном диапазоне;

- повышение качества изображения и звука в телевизионных приемниках с обычным стандартом разложения;

- создание телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой четкости ТВЧ);

- расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при подготовке и проведении телевизионных передач;

- передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приемника в многофункциональную информационную систему;

- создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу.

Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.

Как всякая отрасль человеческого знания и практической деятельности цифровое телевидение развивалось поэтапно: постановка задачи, НИР, ОКР, создание экспериментальных образцов и, наконец, промышленных стандартов, которые должны выполняться всеми участниками программы “Цифровое телевидение”. Принятие стандартов – важнейшая составляющая развития любой отрасли, в том числе и телевидения.

Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standartization), созданной в 1947 г. Для разработки стандартов в какой – либо отрасли техники ISO создает рабочие группы. Пример – MPEG (Motion Picture Expert Group), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения.

Другая организация, играющая важную роль в стандартизации – Международный Союз Электросвязи (ITU – International Communikation Union). Документы, принимаемые ITU, называются Рекомендациями и могут быть преобразованы в международные стандарты решениями ISO или в национальные решениями национальных органов стандартизации.

В своем развитии цифровое телевидение прошло несколько этапов. Первый этап – использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования. Сигналы с передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в пределах телецентра осуществляется в цифровой форме. Это позволяет в значительной степени реализовать преимущества цифрового телевидения, описанные выше.На выходе студийного оборудования сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по обычным каналам связи.

Другое направление – введение цифровых блоков в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения (цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, уменьшения влияния шумов и т. п., декодирование и воспроизведение на экране дополнительной информации, передаваемой по системе “Телетест”).

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и принципы передачи телевизионного сигнала по каналу связи.

Второй этап – создание гибридных аналого – цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых обычных стандартах телевидения. На этом этапе изменения развивались по двум направлениям:

- переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче;

- увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке.

Реализация второго направления возможна лишь при условии применения алгоритмов сжатия для обеспечения возможности передачи телевизионного сигнала по каналам связи с приемлемой полосой частот. Примеры гибридных телевизионных систем: японская система телевидения высокой четкости MUSE и западноевропейские системы семейства MAC. В передающей и приемной частях этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи передаются в аналоговой форме. Системы имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 соответственно. С помощью статистического кодирования полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается примерно до 8 МГц, что позволяет передавать эти сигналы по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время наземная сеть не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала 6…8 МГц.

Третий этап – создание полностью цифровых телевизионных систем. После появления в Японии и Европе MUSE и HD-MAC в США в 1987 г. был объявлен конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения. Главное ограничение – полоса канала передачи телевизионного сигнала должна быть 6 Мгц, т. к. около 1400 компаний в США используют эту полосу и не желают перестраиваться. Рассматривались проекты аналоговых систем. Первые проекты полностью цифровых систем появились в 1990 г. В основе всех этих проектов лежали достижения в области техники эффективного кодирования и сжатия изображений. В начале 1993 г. проекты аналоговых систем были сняты с рассмотрения. В мае 1993 г. четыре группы компаний и исследовательских организаций объединились в “Большой альянс” и в дальнейшем представляли единый проект, ставший основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы США. В числе создателей Массачусетский Технологический Институт, корпорации Zenith, General Instruments, американское отделение Philips и Thomson и другие. Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах: JPEG для сжатия неподвижных изображений, MPEG – 1 для записи видео и аудио на компакт - диски ( утвержден в декабре 1993 г.), MPEG – 2 для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (утвержден в ноябре 1994 г.). В Европе в 1993 гю принят проект DVB (Digital Video Broadcasting - цифровое видео вещание, в котором приняло участие более 130 фирм и научно – исследовательских организаций. К концу 1998 г. число спутниковых каналов цифрового телевидения в европейских странах превысило 1000. Развитые страны приняли программы прекращения аналогового телевещания до 2010 г. В настоящее время разработаны, экспериментально исследованы и введены в эксплуатацию европейская система цифрового телевидения DVB, американская ATSC и японская ISDB

Национальным стандартом для цифрового телевидения в России станет европейская система DVB. Такое решение было принято 2 декабря 2003 г.. На основании проведенного анализа находящихся в эксплуатации и прошедших международную стандартизацию систем цифрового телевидения, результатов экспериментальных исследований и отечественного опыта цифрового наземного и спутникового телевизионного вещания разработчики российских национальных стандартов цифрового вещания отдали предпочтение европейской системе DVB.

Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются;

1. Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и возможность передавать 4 и более программ телевидения обычной четкости или 1 – 2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 Мгц.

2. Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различной четкостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной четкостью, телевидение обычной четкости.

3. Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям.

4. Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ – вещания.

На рис. 1 показана структурная схема цифровой телевизионной системы.

Система симметрична относительно канала связи. На входе два независимых (статистически) источника информации в процессе преобразования и обработки образуют два потока цифровых данных, объединяемых мультиплексором в единый поток для кодирования, модуляции и передачи по каналу связи, а на выходе канала связи после демодуляции и декодирования этот единый поток демультиплексором разделяется на два для последующей обработки и преобразования. Рассмотрим кратко назначение основных частей системы.

Рис. 1 Структурная схема цифровой телевизионной системы.

Вопрос №2

Цифровой телевизионный сигнал.

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового путем уже известных нам следующих преобразований:

- дискретизацией по времени;

- квантованием по уровню;

- кодированием.

Дискретизация.

Считая условие выбора частоты дискретизации (теоремы отсчетов f_д≥2f_в) выполненным, рассмотрим особенности дискретизации телевизионного изображения, представляющего собой двумерный сигнал. Телевизионное изображение по вертикальной координате уже является дискретным вследствие разложения на строки. Поэтому для получения двумерной дискретизации достаточно выполнить одномерную дискретизацию телевизионного сигнала во времени. При дискретизации отсчеты образуют определенную структуру в его плоскости. Наиболее широко применяется прямоугольная структура отсчетов. Процесс дискретизации изображения и его последующего воспроизведения можно проиллюстрировать трехмерными графиками, где Х и У соответствуют пространственным координатам в плоскости изображения, а вертикальная координата Z показывает величину яркости в каждой точке изображения. При воспроизведении дискретизированного изображения с использованием двумерной ступенчатой интерполяции на экране получим изображение в виде элементов, называемых пикселами (pixel – picture element). Яркость в пределах любого пиксела приблизительно постоянна и равна яркости исходного изображения в соответствующей точке дискретизации или, в общем случае, средней яркости по некоторой площади в пределах пиксела. Размеры пикселов должны быть настолько малы, чтобы зритель воспринимал воспроизводимое изображение как непрерывное. Рассмотрим дискретизацию со спектральной точки зрения. Введем понятия пространственных частот и пространственного спектра для непрерывного изображения.

По аналогии с периодом одномерного периодического сигнала, являющегося функцией времени, назовем пространственным периодом Т_х по координате Х пространственный интервал, через который значения двумерного сигнала b(x,y) повторяются. Тогда пространственной частотой этого сигнала по координате Х будет величина, обратная пространственному периоду f = 1/T_х. Аналогично вводятся пространственный период и пространственная частота по координате У.

Преобразование пространственного спектра изображения при двумерной дискретизации показано на рис. 1. Пространственный спектр исходного изображения предполагается ограниченным в плоскости пространственных частот, т. е. вне некоторой замкнутой кривой все частотные составляющие можно считать равными нулю. Как и в случае дискретизации одномерных сигналов, при двумерной дискретизации появляются побочные спектры, сдвинутые относительно исходного спектра по горизонтали и по вертикали на величины пространственных частот дискретизации f_ду и f_дх соответственно. На рис. 2.а) показан случай, когда в результате дискретизации побочные спектры не перекрываются с основным. Такой результат достигается при достаточно больших пространственных частотах дискретизации по обеим координатам.

В этом случае возможно восстановление исходного изображения по дискретизированному с применением пространственного фильтра, выделяющего спектр исходного изображения из спектра дискретизированного изображения.

Сказанное является обобщением теоремы Котельникова на двумерные сигналы.

Рис. 2 Пространственные спектры дискретизированных изображений в случаях выполнения а) и нарушения б) условий аналога теоремы Котельникова для двумерных сигналов.

На рис. 2б) показан случай, когда побочные спектры перекрываются со спектром исходного изображения, что является следствием недостаточно больших частот дискретизации по пространственным координатам. В этом случае восстановление исходного изображения по дискретизированному без искажений невозможно. Конкретный вид искажений в изображении зависит от форм составляющих его объектов и особенностей его пространственного спектра.

Чтобы искажений не возникало, необходимо выбирать достаточно большие пространственные частоты дискретизации по обеим координатам. Однако в телевидении эти пространственные частоты фактически предопределены параметрами, задаваемыми в используемом стандарте разложения: количеством строк и количеством элементов в каждой строке. Для согласования пространственного спектра изображения с указанными параметрами во многих случаях приходится ограничивать верхние граничные пространственные частоты изображения перед дискретизацией. Эта операция выполняется с помощью специальных оптических рассеивающих элементов, располагаемых перед матрицей ПЗС или просто путем небольшой расфокусировки объектива в телевизионной камере.

Верхняя граничная частота видеосигнала (аналоговое ТВ) определяется по формуле

где k – формат изображения на экране – отношение ширины изоюражения к его высоте;

z – полное число строк в кадре;

n – частота кадров;

α и β – коэффициенты, показывающие доли неактивных участков в периодах, соответственно, строчной и кадровой разверток;

р – экспериментально определяемый коэффициент, равный 0,75…0,85.

Данная формула получена, исходя из условия одинаковой разрешающей способности телевизионной системы по горизонтали и по вертикали, что соответствует квадратной форме наименьших передаваемых элементов изображения. Поэтому при задании частоты дискретизации телевизионного сигнала по его верхней граничной частоте (обычной, а не пространственной) в соответствии с одномерным критерием, задаваемым теоремой Котельникова, будет удовлетворяться и двумерное условие отсутствия искажений изображения из-за перекрытия пространственных спектров при дискретизации.

Квантование.

Не рассматривая процедуру квантования, отметим, что число уровней квантования N является важнейшим параметром при обработке телевизионного сигнала. Известно (см. лекцию 8), что квантование сопровождается ошибками (шумами) квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям яркости или цвета. На участках с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Заметность ложных контуров существенно уменьшается при случайных смещениях значений яркости элементов изображения или положений уровней квантования. Поэтому в некоторых случаях перед квантованием в изображение вводится аддитивный шум.

Равномерное квантование телевизионного сигнала не является наилучшим с точки зрения восприятия квантованного таким образом изображения зрительной системой человека. Выделение объекта на фоне происходит при превышении порога яркости. С ростом яркости фона растет и порог. Следовательно, в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области значений, близкой к уровню белого. Однако техническая реализация неравномерного квантования достаточно сложна. Вместо использования неравномерного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала – гамма – коррекцию. При этом решается две задачи. Во-первых, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы “от света до света”. Во-вторых, уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения. В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП равным 8. При этих условиях шум квантования на изображении практически не заметен.

Рекомендация ITU-R BT 601

Требования рекомендации ITU – R BT 601 определяют единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. Стандарт применяется в современных цифровых телевизионных системах при цифровом представлении телевизионных сигналов обычной четкости. В стандарте предусмотрено раздельное кодирование яркостного и двух цветоразностных сигналов.

Дискретизация.

Установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13.5 МГц для обоих стандартов развертки: 25 Гц, 625 строк, 30 Гц, 525 строк. Каждый из цветоразностных сигналов дискретизируется с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц. В соответствии с принятыми правилами данный стандарт цифрового кодирования телевизионных сигналов обозначается 4 : 2 : 2. Помимо сказанного выше это означает, что оба цветоразностных сигнала присутствуют в каждой строке. Полное число отсчетов яркости в строке равно 864, число отсчетов цветоразностного сигнала 432. За время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Эти количества отсчетов являются промежуточными между значениями, необходимыми для получения квадратных пикселов в указанных стандартах развертки. Рекомендация предоставляет компромисс. Число активных строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576.Полное число передаваемых в каждом кадре элементов 414720. Предусмотрены другие форматы преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. При использовании формата 4 : 2 : 0 каждый цветоразностный сигнал имеет частоту дискретизации в 2 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала и передается в каждой второй строке. Отсчеты цветоразностных сигналов в этом формате расположены между строками отсчетов яркостных сигналов и для каждого из этих сигналов образуют матрицу 360х288 элементов.

В формате 4 : 1 : 1 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке, но их частоты дискретизации в 4 раза меньше частоты дискретизации сигнала яркости (3,375 МГц). Число элементов каждого цветоразностного сигнала 360х288.

При формате 4 : 4 : 4 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке и дискретизируются с той же частотой, что и яркостный сигнал.

Квантование.

Для всех трех сигналов предусмотрено 256 уровней квантования (число разрядов n = 8). При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 сверху образуют резервные зоны на случай выхода аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Нулевым и 255-м уровнями передаются сигналы синхронизации. Аналого – цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

У = 219 Е^!_у +16,

где Е^!_У - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 (штрих означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию);

У – цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.

При квантовании цветоразностных сигналов предусматриваются резервные зоны по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е^!_{R-- Y} и E^!_{B –Y} , а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

Е_СR = 0,713E^!_R-Y E_СB = 0,564E^!_B-Y

Причем значения сигналов Е_CR Е_CB изменяются в диапазоне от - 0,5 В до 0,5 В.

АЦП цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы С_R и С_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями

С_R = 224E^!_R-Y + 128 = 159,712E_R-Y^! + 128 = 160E^!_R-Y +128,

С_B = 224E^!_B-Y + 128 = 126,336E^!_B-Y + 128 = 126E^!_B-Y + 128

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов.

На рисунке 1 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования обычного тестового сигнала в виде восьми цветных полос.

В настоящее время все шире применяется квантование яркостного и цветоразностных сигналов 10 – разрядным АЦП.

В состав телевизионного сигнала согласно рекомендации ITU-R BT 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал начала активной строки (НАС), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал конца активной строки (КАС). Каждый из синхросигналов содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255. Следующие два байта содержат нули. Последний четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле (четное или нечетное), какой именно это синхросигнал, а также обеспечивает защиту от ошибок. При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Большая часть длительности строчного гасящего импульса между НАС и КАС остается свободной, и во время ее можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Рисунок 1

Вопрос №3

Формирователи цифровых телевизионных сигналов.

Рассмотрим два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с рекомендацией ITU-R BT 601, представленных на рис.3 и 4.

В устройстве рис. 3 сигналы основных цветов Е_К , Е_{G ,} Е _B с источника телевизионных сигналов (телекамеры) поступают на гамма-корректоры (ГК) и после коррекции нелинейности – в кодирующую матрицу (КМ). В КМ эти сигналы по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Далее сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы, пройдя масштабирование и сдвиг на входе АЦП.

Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства.

Рис. 3 Структурная схема формирователя цифрового ТВ – сигнала, выполняющего АЦП сигналов яркости и цветоразностных.

ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов.

Мультиплексор в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы У, С_R и С_B и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства получаем сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

На рис. 4 приведена структурная схема иного варианта формирователя ЦТС. По данной схеме сигналы основных цветов Е_R, , E_G и Е_В преобразуются в цифровые сигналы R_d , G_d, B_d . При этом каждый АЦП должен иметь 10, а лучше 12 разрядов. Далее цифровые сигналы поступают на цифровые гамма-корректоры, в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем в кодирующей матрице сигналы преобразуются в цифровой сигнал яркости и два цветоразностных сигнала

Рис. 4 Вариант структурной схемы формирователя ЦТС.

Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом необходимы более точные ( и, следовательно, более дорогие) АЦП. Формирование синхросигналов и тактовых импульсов осуществляется аналогично первому варианту устройства.

Передача цифрового телевизионного сигнала.

Рекомендацией ITU –R BT 656 предусмотрены два варианта интерфейса: параллельный видеостык и последовательный видеостык.

Параллельный видеостык.

Стандарт на параллельный видеостык предусматривает передачу ЦТС в виде параллельного цифрового кода. Для этого требуется 8 (10) линий и еще одна для передачи тактовых импульсов. Линии выполняются в виде витых пар проводов. Из-за больших потерь и наводок дальность передачи ограничивается масимум 50 метрами. Передача значений отсчетов яркостного и цветоразностных сигналов выполняется одними и теми же линиями в следующем порядке: Y, C_R, Y, C_B,… Частота тактовых импульсов при этом равна f = 13,5 + 6,75 + 6,75 = 27 МГц . Сигналы синхронизации телевизионной развертки 00000000 и 11111111 передаются в общем потоке данных. Произведение частоты дискретизации f_d и числа разрядов квантования n называется скоростью передачи двоичных символов Q (Q = f_d x n)

- для яркостного сигнала Q_Y =13,5x8 = 108 Мбит/с

- для цветоразностного сигнала Q_C = 6,75x8 = 54 Мбит/с.

Суммарная скорость передачи двоичных символов преобразованного в цифровую форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) для параллельного видеостыка составляет 216 Мбит/с.

Последовательный видеостык.

Передача цифрового телевизионного сигнала на большие расстояния осуществляется в последовательной форме. При этом тактовая частота восстанавливается в приемном устройстве по самому передаваемому сигналу.

О

Синхроимп.

дин из простейших способов синхронизации при приеме цифрового сигнала, передаваемого по последовательному каналу, показан блок – схемой на рис. 5.

Кодовая последов.

Рис. 5 Блок – схема устройства формирования синхроимпульсов.

Принимаемый цифровой сигнал, состоящий из последовательности “единичных” и “нулевых” уровней поступает на формирователь импульсов, вырабатывающий

Рис. 6 Временные диаграммы формирования синхроимпульсов.

короткие импульсы на каждый положительный и отрицательный перепад напряжений в сигнале (рис.6).

Расширитель импульсов преобразует короткие импульсы в импульсы, длительность которых равна половине периода тактовой частоты. Эти импульсы поступают на узкополосный фильтр, настроенный на тактовую частоту. На выходе фильтра выделяется синусоидальный сигнал тактовой частоты, который затем преобразуется в прямоугольные импульсы, используемые для тактирования принимаемого сигнала. Из временных диаграмм видно, что, если в принимаемом цифровом сигнале подряд идут несколько битов одного значения (0 или 1), на выходе формирователя коротких импульсов часть импульсов отсутствует. В этом случае выходные тактовые импульсы продолжают формироваться за счет наличия затухающего гармонического колебания на выходе узкополосного фильтра. Это обстоятельство накладывает ограничения на передаваемый сигнал, так как передача достаточно больших последовательностей нулей или единиц может привести к прекращению формирования тактовых импульсов. Кроме того, в начале передачи цифрового сигнала амплитуда колебаний на выходе узкополосного фильтра нарастает постепенно, поэтому имеет место задержка появления тактовых импульсов на выходе устройства синхронизации.

Для преодоления недостатков системы формирования синхроимпульсов применяется дополнительное преобразование передаваемых данных, в результате которого число передаваемых подряд нулей или единиц ограничивается.

Рассмотрим построение последовательного видеостыка, структурная схема которого представлена на рис. 7.

Рис. 7 Последовательный видеостык.

В таком видеостыке предусмотрена передача каждого 8 – разрядного кода с помощью 9 – битовой посылки. В результате получается скорость передачи двоичных символов 243 Мбит/с. Таким образом, для передачи используется избыточный код. Это позволяет надежно осуществлять синхронизацию и избегать накопления ошибок передачи. В передающей части из 8 – разрядного параллельного кода формируется 9 – разрядный параллельный код, который затем преобразуется в последовательный код. Тактовая частота 243 МГц формируется с помощью ФАПЧ из тактовой частоты 27 МГц параллельного видеостыка. В приемной части по принятому сигналу осуществляется восстановление тактовой частоты 243 МГц (рис.5). Блок синхронизации кодовых слов по синхрослову, содержащемуся в каждой телевизионной строке, определяет начальные моменты параллельных кодовых слов. Преобразователь последовательного кода в параллельный формирует 9 – разрядные слова, выдача которых синхронизируется блоком фазирования тактовой частотой 27 МГц. В декодере параллельный 9 – разрядный код преобразуется в 8 – разрядный.

Существуют также другие стандарты цифровых телевизионных сигналов.

Так параметры цифровых телевизионных сигналов для систем компьютерной

видеосвязи установлены в рекомендации ITU-T H.263. В таблице 1 приведены данные о количестве элементов изображения в кадре для формата CIF (Common Interchange Format) и производных от него форматов QCIF (Quarter Interchange Format), SQCIF (sub – Quarter Interchange Format), 4CIF, 16CIF.

Таблица 1

Формат	Сигнал яркости	Цветоразностные сигналы	Максимальная скорость передачи, Мбит/с
SQCIF	128 x 96	64 x 48	2,9
QCIF	176 x 144	88 x 72	8,7
CIF	352 x 288	176 x 144	34,8
4CIF	704 x 576	352 x 288	139
16CIF	1408 x 1152	704 x 576	557

В последнем столбце таблицы даны значения максимальной скорости передачи двоичных символов для каждого формата. Частота передачи кадров равна 30 Гц. Следует отметить, что в цифровых системах видеосвязи частота передачи кадров по каналу связи может быть менее 30 Гц и, в зависимости от передаваемого сюжета может составлять от 5 до 15 Гц. В то же время частота кадров на экране монитора будет существенно выше (обычно не менее 60 Гц), так как в приемной и декодирующей аппаратуре выполняется запоминание принятых и декодированных кадров и их многократное воспроизведение. Понижение частоты кадров в канале связи дает пропорциональное уменьшение скорости передачи двоичных символов.

Из теории связи известно, что по каналу связи с шириной полосы пропускания ΔF можно передать в виде двухуровневых импульсов 2ΔF бит информации в секунду. То есть эффективность использования полосы частот канала связи составляет 2 (бит/с) Гц. Следовательно, для передачи в последовательной форме цифрового телевизионного сигнала со скоростью передачи двоичных символов 243 Мбит/с необходим канал связи с шириной полосы частот 121,5 МГц. Ни один стандартный канал наземного телевизионного вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутниковый канал, имеющий полосу 27 МГц, непригодны для передачи цифрового телевизионного сигнала обоих стандартов. Для передачи телевизионных сигналов высокой четкости необходима еще более широкая полоса.

Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового телевидения была и остается задача сокращения скорости передачи двоичных символов в канал связи с ограниченной полосой. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале. Уменьшение избыточности обеспечивает также уменьшение объема ЗУ при записи телевизионных программ. Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую. Структурная избыточность – наличие в сигнале гасящих импульсов. Статистическая избыточность предопределена корреляционными свойствами телевизионного изображения. Психофизиологическая избыточность связана со свойствами человеческого зрения.

Устранение избыточности, обусловленной перечисленными факторами, производится применением алгоритмов обработки телевизионного сигнала, его преобразования и сжатия данных, полученных в результате преобразования. Применение различных способов сжатия информации, заключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой телевизионный сигнал обычной четкости по стандартным каналам телевизионного вещания, но и добиться возможности передачи по этим каналам одновременно нескольких программ телевидения обычной четкости, сигналов новых систем телевидения высокой четкости, а также передачи цифровых телевизионных сигналов по каналам связи с более узкой полосой частот, чем стандартные вещательные каналы.

Методы сжатия изображений разделяются на два класса: методы сжатия без потери информации и методы сжатия с потерей информации. Последние позволяют достичь значительно большего эффекта, чем первые. Часто применяется комбинация тех и других для получения требуемого результата обработки.

Таким образом, цифровое телевидение представляет собой область применения передовых методов обработки изображений и звука и предоставляет широкое поле деятельности по исследованию и разработке более совершенных методов, программных и аппаратных средств в интересах техники телевидения.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения. М.: “Горячая линия – Телеком” стр. 5 – 47.

2. Брайс Р. Руководство по цифровому телевидению. М.: ”ДМК- пресс” 2002 г. Стр. 20 – 45, 56 – 68.

Доцент кафедры «Радиоэлектроники» Ктн доцент А. Елисеев

Дополнительный материал к лекции №13

Цифровое телевидение

12.1. Общие сведения

Цифровое телевидение – это область телевизионной техники, в которой операции формирования, обработки, консервации и переда­чи телевизионного сигнала осуществляются при преобразовании его в цифровую форму.

Цифровой сигнал может быть получен в цифровых преобразова­телях свет–сигнал или с выхода аналоговых ТВ-датчиков. В последнем случае преобразование аналогового ТВ-сигнала в цифровой осуществ­ляется в кодирующем устройстве ТВ-системы.

По сравнению с аналоговым телевидением, цифровое ТВ пред­ставляет собой более высокую ступень развития ТВ-техники. Преиму­щества цифровых методов обработки и передачи ТВ-изображения за­ключаются и следующем:

• высокая стабильность параметров ТВ-систем;

• значительное увеличение надежности и технологичности ТВ-систем;

• возможность применения методов электронно-вычислительной техники при обработке, преобразовании и анализе ТВ-изобра­жения;

• расширение номенклатуры преобразований сигнала с целью со­здания видеоэффектов, геометрических преобразований изоб­ражения и т. п.;

• возможность практически неограниченного числа перезаписей фрагментов изображения при формировании программ;

• возможность хранения видеоинформации длительное время без ухудшения ее качества;

• реализация сложных сервисных программ по управлению ТВ-устройствами;

• возможность осуществления достаточно сложных процедур анализа изображений (например, в системах распознавания об­разов).

При всем этом недостатками систем ТВ с цифровым сигналом яв­ляются, необходимость значительного расширения полосы пропускания канала связи, по сравнению с аналоговым телевидением и приме­нение быстродействующих устройств обработки сигналов.

Цифровые методы передачи и обработки ТВ-сигналов могут при­меняться во всем ТВ-тракте, начиная от преобразователя свет-сигнал И заканчивая преобразователем сигнал-свет, или только в его отдель­ных звеньях. Например, в аппаратно-студийном комплексе (АСК) или отдельных узлах приемных устройств. Применение аналого-цифровых методов в АСК позволяет осуществить высококачественное преобразование и анализ видеоизображения, реализовать эффектив­ное управление ТВ-устройствами, которое практически невозможно было достигнуть в аналоговых АСК.

Применение аналого-цифровых методов при передаче ТВ-сигна­лов по магистральным линиям значительно повышает помехозащи­щенность этих линий и улучшает качество передачи информации набольшие расстояния.

Выбор соответствующего стандарта кодирования цифрового сиг­нала позволяет создать общую систему для обмена ТВ-программами в международном масштабе и устранить необходимость преобразования ТВ-стандартов.

Цифровые сигналы позволяют реализовать в бытовых телевизорах сложные системы обработки сигналов, которые применяются в насто­ящее время в АСК, и тем самым улучшить качество ТВ-изображения.

12.2. Цифровое представление сигналов

В чем разница между аналоговыми и цифровыми сигналами? Аналоговый или непрерывный сигнал U_C(t) определен для любого значения времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапазона U_Cmin – U_{C max}. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса. Например, сигнал на выходе пре­образователя свет-сигнал пропорционален яркости развертываемых элементов изображения,

В тракте ТВ-системы сигнал претерпевает многочисленные пре­образования: кодирование, усиление, передача по каналу связи, деко­дирование и т. п. При этом к исходному сигналу добавляются помехи, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Все это приво­дит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку сам сигнал и помехи заранее неизвестны, то восстановит!) исходную форму анало­гового сигнала удается только с погрешностями.

Иначе обстоит дело с цифровым сигналом. В отличие от аналого­вых, цифровые сигналы принимают лишь строго определенные Значения.

Рис. 12.1. Виды сигналов: а – ана­логовый; б – цифровой

Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сигнал», «нет сигнала» на определенном ин­тервале времени Т (тактовом интер­вале). Для их обозначения использу­ются две цифры: наличие сигнала можно обозначить цифрой «1», от­сутствие – «0» (рис. 12.1, б).

Для неискаженного приема сооб­щений надо безошибочно восстано­вить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от анало­гового, цифровой сигнал, искажен­ный помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или ее отсутствии.