12.3.3. Цифровое кодирование телевизионного сигнала

Третьей, заключительной операцией по преобразованию аналого­вого сигнала в цифровой является операция, называемая кодировка

Цифровое кодирование ТВ-сигнала – это преобразование дискрет­ного квантового сигнала в кодовую комбинацию стандартных симво­лов. Наиболее распространенный способ кодирования – представле­ние квантового отсчета сигнала в двоичном коде. Группа элементар­ных символов "1" и «0», передающая значение одного отсчета, называется кодовым словом.

В цифровых системах передачи информации в качестве элемен­тарного символа «1» полагается импульсный сигнал длительностью, равной тактовому интервалу Т, а в качестве символа «0» — отсутствие сигнала в тактовом интервале. Такой метод кодирования получил на­звание импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Он стал классиче­ским, универсальным и применяется при обработке и передаче ин­формации.

Сигнал ИКМ можно представить либо последовательным, либо па­раллельным кодом. Последовательный код предполагает поочередную передачу разрядов каждого кодового слова по одной цепи или каналу, а параллельный – одновременную передачу всех двоичных символов кодового слова, при этом каждый разряд передается по своей цепи. Пример сигналов ИКМ в последовательном коде приведен на рис. 12.5.

При передаче цифрового сигнала последовательным кодом при­нято первым передавать младший разряд кодового слова.

Время, затрачиваемое на передачу кодового слова, в последовате­льном коде составляет N- Т, где N – число разрядов кодового слова, Т – длительность тактового интервала.

Время передачи цифрового сигнала в параллельном коде равно длительности тактового интервала.

Рис. 12.5. К вопросу о цифровом кодировании сигнала;

а – дискретный квантованный сигнал; б – цифровой сигнал (сигнал с ИКМ)

По каналам связи цифровые сигналы обычно передаются после­довательным кодом, а обработка цифрового сигнала в аппаратно-студийном комплексе и цифровом телевизионном приемнике осуществ­ляется в параллельном коде.

12.3.4. Способы сокращения избыточности цифрового сигнала

При использовании параллельного кода количество разрядов пе­редаваемого слова N определяет число проводов, по которым переда­ется цифровой сигнал. При последовательном коде большое количе­ство разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи ин­формации (скорость передачи информации определяется количеством элементарных символов, передаваемых за 1 секунду). Поэтому в циф­ровом телевидении стремятся по возможности уменьшить разряд­ность передаваемых слов. Простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению ве­личины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называ­емой кодированием цифрового сигнала.

Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с определенными правилами с целью решения ряда ин­женерных задач. Например, таких как сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности передачи, повышение помехозащищенности передачи и т. п.

Кодирование с предсказанием с целью сокращения избыточности цифрового сигнала (разрядности). Наличие сильных корреляционных связей между близко расположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную инфор­мацию о каждом элементе. Можно ограничиться передачей ряда эле­ментов, а остальные соседние элементы предсказать, т. е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предска­зание сигнала по предыдущим отсчетам всегда будет нести ошибку е(пТ). На рис. 12.6 изображена функциональная схема системы пере­дачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис. 12.6. Система передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказании. ПС-1, ПС-2 – предсказатели

Чтобы сформировать сигнал ошибки, на передающем конце сис­темы устанавливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего ис­пользуются линейные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчета (пТ) определяется как

где а_к — постоянные коэффициенты, величина которых определяется особенностями сигнала U(пТ), поступающего на вход преобразовате­ля; U[(n-k)T] — предыдущие отсчеты сигнала, по которым осущест­вляется предсказание; L — количество отсчетов, используемых для предсказания.

Чтобы сформировать сигнал ошибки е(пТ), из сигнала U(nT) вы­читается предсказанный сигнал (пТ).

На приемной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказателю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на прием­ной и передающей сторонах идентичны, предсказанные отсчеты сиг­нала (пТ) могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчетам U(пТ) добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

В рассмотренной системе предсказания передается сигнал ошиб­ки е(пТ), который изменяется в меньшем диапазоне значений, по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необ­ходимое для передачи этого сигнала оказывается меньшим.

Кодирование с преобразованием.Этот способ сокращения избы­точности основывается на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

Из теории сигналов известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис. 12.7) (ТВ-сигнал в первом приближении может рассматриваться как квази­периодический с периодом, равным длительности строки T_C).

Между отсчетами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(kf) существует взаимно-однозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэто­му вместо отсчетов сигнала по каналу связи можно передать отсчеты дискретных составляющих спектра. Но передавать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляющим спектра, примыкающим к нулевой частоте, можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передать только эти составляющие.

Рис. 12.7. а - дискретный периодический сигнал; б — спектр дискретного перио­дического сигнала; Т_C — период следования сигнала; F_Д — частота дискретизации

Функциональная схема системы передачи цифрового сигнала, ис­пользующая этот принцип, изображена на рис. 12.8.

Преобразователь 1 — осуществляет вычисление спектральных составляющих S(kf) дискретного сигнала U(nT).

Селектор 2 — отбирает спектральные составляющие S(kf), зна­чимые для рассматриваемого класса изображения.

Квантователь и кодер 3 — осуществляет квантование и кодирова­ние отобранных спектральных составляющих.

На приемной стороне после декодирования и обратного преобра­зования восстанавливается дискретный сигнал U(пТ).

Описанная система кодирования позволяет уменьшить число ко­довых слов, передаваемых по каналу, и одновременно с этим умень­шить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра пе­риодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре коли­чество спектральных составляющих на интервале частот от 0 до F_Д равно количеству отсчетов сигнала на интервале времени Е_С. А так как составляющие спектра в диапазоне от F_Д/2 до F_Д могут быть вос­становлены по составляющим спектра интервала частот 0—F_Д/2, то количество спектральных составляющих, подлежащих передаче, ока­зывается в 2 раза меньше, чем количество отсчетов сигнала на интер­вале времени Т_с. Во-вторых, наибольшим по уровню оказываются со­ставляющие спектра S(kf), расположенные в окрестности нулевой частоты.

Рис. 12.8. Функциональная схема передачи цифрового сигнала, использующая метод преобразования: 1 — преобразователь; 2 — селектор; 3 — квантователь и кодер; 4 — канал связи; 5 — декодер; 6 — блок обратного преобразования

Эти составляющие в основном определяют дискретный сиг­нал U(nT). Составляющие малого уровня, поэтому могут быть отбро­шены. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантования мо­жет быть увеличен, т. к. уровень их достаточно велик и, следователь­но, разрядность кодового слова уменьшена.

В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразо­вателя используются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки. На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преоб­разования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположенным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и ее размеров за­висит от назначения ТВ-системы и характера передаваемого изображения.