12.3. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму

Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму осущест­вляется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразовате­лем (АЦП). Преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, кван­тование и кодирование.

12.3.1. Дискретизация сигнала

Дискретизация – это замена непрерывного ТВ-сигнала последовате­льными во времени отсчетами этого сигнала. Наиболее распространен­ной является равномерная дискретизация, когда соседние отсчеты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал времени Т_Д (рис. 12.1), называемый периодом дискретизации (интервалом диск­ретизации). Число отсчетов сигнала в секунду называется частотой дискретизации:

Для того чтобы при преобразовании аналогового сигнала не воз­никали искажения, минимальная частота дискретизации (F_{Д min}) дол­жна быть по крайней мере в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала [16]. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигнала имеет периодический характер: кроме низкочас­тотной части спектра, занимающей полосу частот от 0 до F_B, спектр имеет еще и высокочастотные компоненты (рис. 12.2).

Низкочастотная часть спектра полностью идентична спектру исходного аналогового сигнала.

Каждая высокочастотная компонента состоит из двух боковых по­лос: верхней (ВВП) и нижней (НБП). Форма ВБП подобна форме низкочастотной части спектра сигнала, сдвинутой по оси частот на одну из частот ряда F_Д, 2F_Д, 3F_Д, ... Форма НБП – зеркальное отобра­жение соответствующей ВВП относительно частоты сдвига рассмат­риваемой высокочастотной компоненты.

Если частота дискретизации оказывается меньше 2F_В, произойдет наложение друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис. 12.2, в). Это приводит к искажениям сигнала, которые не удает­ся устранить при последующей обработке, поэтому при дискретиза­ции сигнала необходимо частоту дискретизации выбирать из условия

Кроме этого условия в цифровом телевидении частоту дискрети­зации сигнала стремятся выбрать кратной частоте строк, т. е.

где К – целое число; f_с – частота строк.

Рис. 12.2. Спектры сигналов: а – спектр аналогового сигнала;

б – спектр сигна­ла после дискретизации при F_Д >2F_В;

в – спектр сигнала после дискретизации при F_Д <2F_В

При таком выборе F_Д оказывается, что отсчеты сигнала занимают фиксированное положение относительно начала строки. Этим отсче­там соответствуют точки на экранах ТВ-преобразователей, координаты которых располагаются в углах прямоугольной решетки (рис. 12.3, а). Таким образом, дискретная структура сигнала по времени оказывается жестко связанной с пространственной дискретизацией изображения. Описанная структура дискретизации называется ортогональной.

Существуют и другие способы дискретизации ТВ-сигнала, об­разующие на экранах преобразователей неподвижные точечные структуры, например шахматные. При строчной шахматной струк­туре пространственные отсчеты изображения располагаются таким образом, что в соседних строках они смешаются относительно друг друга на половину шага пространст­венной дискретизации (рис. 12.3, б).

Рис. 12.3. Пространственные структуры дискретизации изобра­жения:

а – ортогональная струк­тура дискретизации;

б – шахмат­ная структура дискретизации

Такая структура дискретизации обра­зуется, если в строке укладывается нечетное количество полупериодов дискретизации.

На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискрети­зации ортогональная структура позво­ляет получить более высокое качество изображения по сравнению с другими структурами. Поэтому этой структуре отдается предпочтение [16].

Из проведенных рассуждений сле­дует, что частоту дискретизации циф­ровой ТВ-системы определяют пара­метры развертки и видеосигнала.

Напомним, что в настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ-вешания и три системы цветного телевидения (NTSC, PAL, SECAM). Стандарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Амери­канский стандарт разверток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f_C = 15 734,26 Гц. Все прочие стандарты ТВ-вешания по параметрам развертки относят к европейскому стандарту 625/50, с частотой строк 15 625 Гц.

Верхняя частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответствует F_B = 4,2 МГц, а максимальная верхняя частота спектров европейских стандартов составляет F_B = 6 МГц.

Разработчики цифрового телевидения стремятся создать такую аппаратуру, чтобы она могла сопрягаться с различными стандартами ТВ-вешания. Это позволяет создать общую систему ТВ-программ в международном масштабе.

Учитывая приведенные" выше замечания и руководствуясь требо­ваниями, предъявленными к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы.

1. Искажения сигнала будут отсутствовать во всех стандартах ТВ-вещания, если частота дискретизации F_Д > 12 МГц.

2. Условие ортогональности структуры дискретизации будет вы­полнено независимо от стандарта ТВ, если частота дискретизации со­ставит F_Д = 13,5 МГц (эта частота соответствует 864-й гармонике час­тоты строчной развертки стандарта 625/50 и 858-И гармонике строч­ной частоты стандарта 525/60).

Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, что в ней укладывается 720 отсчетов сигнала независимо от стандарта.