2.1 Цифро-аналоговый метод

В качестве компромисса между аналоговым и цифровым методами передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам стал цифро-аналоговый стандарт МАС (мультиплексирование аналоговых компонент). Данная система позволяет получить улучшенное изображение по сравнению в системами SECAM,NTSCиPAL, но требует несколько большей полосы частот. Различают стандарты В-МАС, С-МАС,D-МАС,D2-МАС, Е-МАС.

Наиболее распространенным стандартом стал D2-МАС, который и рассмотрим подробнее.

Достоинства стандарта по сравнению с аналоговыми:

1. отсутствие перекрестных искажений сигналов яркости и цветности;

2. значительно снижены шумы в канале цветности за счет перевода его в область низших частот;

3. сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой служебной информации передаются в цифровой форме;

4. повышена разрешающая способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.

Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течении активной части строки в сжатом во времени виде. Цифровая часть, соответствующая звуку и другим сигналам, объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода строки и кадра.

Сжатие осуществляется с помощью стробирования, при этом сначала передается сжатый цветоразностный сигнал, а затем – сжатый сигнал яркости.

Стандарт D2-МАС позволяет передавать изображение как в формате экрана 4:3, так и в формате 16:9. Кроме того, появляется возможность передачи высококачественного цифрового звука, телегида, цифрового телетекста, и т.д.

2.3 Цифровой метод

Во всем мире сейчас активно развивается цифровая передача информации. Качество цифровой передачи существенно выше, при этом цифровой канал позволяет предоставить массу дополнительных услуг.

В общем случае цифровой сигнал – это последовательность импульсов. Если условно принять факт наличия импульса за 1, а факт отсутствия – за 0, то импульсную последовательность можно представить как последовательность двух цифр: 0 и 1.

Отсюда появилось и название «цифровой сигнал». Число, которое принимает только два значения – 0 и 1 – называется двоичной цифрой. Эта двоичная цифра носит название «бит», что является сокращением английских слов «binarydigit». Восемь бит составляют байт.

При передаче цифровых сигналов естественным образом вводится понятие технической скорости передачи – количество бит, передаваемых в единицу времени.

Очевидно, что исходные сигналы изображения и звука, подлежащие передаче, являются аналоговыми.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой производится его дискретизация, или оцифровка.

Рассмотрим сначала процесс оцифровки произвольного сигнала.

Процесс дискретизации непрерывного сигнала заключается в следующем. Если, например, в цепь микрофона, где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ, и периодически на короткие интервалы времени замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид периодических узких импульсов, амплитуда которых соответствует амплитуде исходного аналогового сигнала в те же моменты времени.

Полученный таким образом сигнал является дискретным. Однако он остается аналоговым, так как амплитуда импульсов может принимать бесконечное множество значений из некоторого диапазона. Такой сигнал называется сигналом с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Интервал времени , через который отсчитывается значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная величинаназывается частотой дискретизации.

Если пропустить АИМ-сигнал через фильтр нижних частот, то получим исходный непрерывный сигнал. Однако на практике необходимо знать, насколько точно отфильтрованный сигнал соответствует исходному.

Ответ на этот вопрос дает теорема отсчетов (теорема Котельникова), которая формулируется следующим образом:

Сигнал с ограниченным спектром, не имеющий спектральных составляющих с частотами, выше , однозначно определяется своими значениями, выбранными через равные промежутки времени:

Подвергнем полученный АИМ-сигнал квантованию по уровню. Для этого диапазон возможных значений амплитуд поделим на отрезки, называемые шагами квантования . Границы этих отрезков являются разрешенными для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, амплитуды передаваемых импульсов будут равны не мгновенным значениям исходного сигнала, а ближайшим разрешенным уровням. Такое преобразование называется квантованной амплитудно-импульсной модуляцией (КАИМ).

Особенностью КАИМ-сигнала является то, что его уровни можно пронумеровать и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче номеров уровней, которые сигнал принимает в дискретные моменты времени.

Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня сигнала, то квантование называется равномерным. Если шаги квантования различны, квантование называется неравномерным.

В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от исходного. Эту ошибку обычно рассматривают как специфическую помеху, которая называется шумом квантования. Шум квантования не превышает половины шага квантования. Очевидно, что чем меньше шаг квантования, тем меньше шум квантования, но тем больше количество передаваемых уровней.

Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе КАИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием КАИМ-сигнала.

Для начала рассмотрим позиционность систем счисления.

Рассмотрим, например, число 777. В нем один и тот же знак 7 участвует 3 раза, но когда он стоит справа, то означает 7 единиц, в центре – 7 десятков, слева – 7 сотен. Таким образом, при записи числа цифра может иметь начертание одно и то же, а цифровые значения – разные, в зависимости от места, позиции, на которой она стоит. Такой принцип построения чисел называется поместным, или позиционным.

Каждая позиция, или разряд, числа имеет определенный «вес», поэтому число 777 можно расписать как

777= 7*10²+ 7*10 + 7,

т. е. как семь сотен плюс семь десятков плюс семь единиц. Если использовать алгебру, и вместо чисел записать буквы (переменные), то можно получить такую общую форму представления числа:

.

Можно записать сокращенно, только коэффициенты:

.

Число 10 в этом случае является основанием системы счисления. Коэффициенты при этом не могут превышать основания системы: от 0 до 9.

В 1665 г. Французский математик Паскаль показал, что за основание системы счисления можно принять любое число, следовательно, каждое число можно представить в виде комбинации степеней не числа 10, а любого другого целого числа.

Представим число 777 в семеричной системе счисления:

.

При сокращенной записи получим .

При представлении числа в системе счисления с основанием больше десяти (например, двенадцатеричная система) приходится вводить дополнительные символы, т. к. цифр всего десять. В качестве таких символов, как правило, используют латинские буквы.

Число 2 – это самое меньшее из чисел, которое можно взять за основание системы счисления. В такой системе всего две цифры: 0 и 1. Число в двоичной системе запишется так:

.

Если в десятичной системе «вес» каждой позиции равен числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используют число 2. «Веса» позиций двоичного числа имеют следующие значения:

2⁰=1, 2¹=2, 2²=4, 2³=8, 2⁴=16, 2⁵=32, 2⁶=64, 2⁷=128, …

Запишем число 777 в двоичной системе. Получим: 1100001001.

Как видим, уменьшение основания системы счисления приводит к увеличению разрядности числа.

В 18 веке математик Эйлер показал, что с помощью набора гирь 1, 2, 4 и 16 кг можно взвесить любой груз с точностью до 1 кг. Взвешиваемый груз (обозначим его массу через М) математически можно представить как:

При этом каждый коэффициент равен 1, если соответствующую гирю кладем на чашку весов, и равен 0, если этой гирей не пользуемся. Таким образом, процедура взвешивания сводится к представлению десятичного числа в двоичной системе счисления.

Приведем пример. Пусть М=21 кг. Сначала на чашу весов ставим самую тяжелую гирю 16 кг. Так как она не перетягивает груз, оставляем ее на чаше () и добавляем следующую гирю – 8 кг. Ясно, что в этом случае чаша с гирями перетянет чашу с грузом. Поэтому эту гирю убираем () и установим гирю массой 4 кг. Так как взвешиваемый груз при этом оказался тяжелее гирь (), добавим гирю массой 2 кг. При этом гири перевесят, следовательно, эта гиря убирается (), и добавляется гиря 1 кг. При этом чаши уравняются в весе, и коэффициент. Таким образом, на чаше останутся гири 16, 4 и 1 кг. Таким образом, мы представили число 21 в двоичном виде: 10101.

Механический груз мы взвешивали на механических весах. Считая отсчетное значение тока, появляющееся на выходе электронного ключа, своего рода «электрическим грузом», можно осуществить аналогичное взвешивание, но на этот раз электронным способом. Такие «электронные весы» получили название «кодер». Допустим, отсчетное значение тока равно 21 мА. Роль гирь в кодере выполняют токи величиной 16, 8, 4, 2 и 1 мА, которые вырабатываются специальным устройством. Каждая проба – подходит та или иная «гиря», либо нет – производится в строго установленные промежутки времени. Вся процедура «взвешивания» должна закончиться до прихода с ключа следующего отсчетного значения (например, что для речи это время составляет 125 мкс). Итак, сначала отсчетное значение тока сравнивается с эталоном, равным 16 мА, и, поскольку оно больше эталона, на выходе кодера появляется символ 1. Следующий символ – 0, и так далее, аналогично описанной выше процедуре с механическими весами.

Очевидно, что при «взвешивании» тока ,например, 21.7 мА, на выходе кодера мы получим то же двоичное число, что и при преобразовании тока 21 мА. Это обусловлено ошибкой квантования, о которой уже шла речь выше.

Для уменьшения ошибки квантования необходимо уменьшать вес самой малой «гири». Так как в нашем примере самая малая эталонная величина тока составляет 1 мА, то и преобразование производится с точностью до 1 мА. Если в качестве самой малой эталонной величины выбрать величину, например, 0.125 мА, то точность преобразования увеличится и ошибка составит 0.125 мА. Однако в этом случае число 21 представится не 5-разрядным двоичным кодом, а уже 8-разрядным. Таким образом, уменьшение шага (а, следовательно, и ошибки квантования) приводит к увеличению разрядности двоичного числа, появляющегося на выходе кодера.

Успехи в развитии интегральной схемотехники позволили объединить в корпусе одной микросхемы электронный ключ и кодер. Такая микросхема преобразует аналоговую электрическую величину в двоичный цифровой код и называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Выпускаются АЦП с 8-, 10- и 12-разрядными двоичными кодами.

Кодовая комбинация из 8 бит, образующая двоичное слово, называется байтом. Символы в каждой кодовой комбинации отделены друг от друга временным интервалом , то есть следуют с частотой, называемой тактовой частотой. Преобразование отсчетов непрерывного сигнала в двоичный код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время этот способ получения цифровых сигналов наиболее распространен. Системы передачи, использующие данное преобразование сигналов, называются ИКМ-системами. В иностранной литературе часто используется аббревиатура РСМ.

Перейдем теперь к процедуре оцифровки сигнала изображения. Рассмотрим сначала только сигнал яркости. Очевидно, что телевизионный сигнал яркости является двухмерным. При этом телевизионное изображение по вертикальной координате уже является дискретным вследствие разложения на строки. Поэтому для получения двухмерной дискретизации достаточно выполнить одномерную дискретизацию телевизионного сигнала по времени.

При дискретизации изображения отсчеты образуют определенную структуру в его плоскости. На рисунке 2.1 показана наиболее часто применяемая ортогональная (прямоугольная) структура, а на рисунке 2.2 – шахматная структура.

Таким образом, исходный непрерывный сигнал яркости в пределах одной строки заменяется набором отсчетов, то есть получим сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией. При этом верхняя граничная частота видеосигнала определяется по формуле:

,

где - формат изображения на экране, то есть отношение ширины изображения к его высоте;- полное число строк в кадре;- частота кадров;и- коэффициенты, показывающие доли неактивных участков в периодах, соответственно, строчной и кадровой разверток;- экспериментально определяемый коэффициент, равный.

Как указывалось выше, следующим шагом является квантование. Равномерное квантование телевизионного сигнала не является наилучшим. Это обусловлено в первую очередь свойствами зрительного аппарата человека. как известно, пороговое превышение яркости объекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, подчиняется в первом приближении закону Вебера-Фехнера:

,

где ;- яркость фона. Таким образом, с ростом яркости фона растет и порог. Отсюда следует, что в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого.

Однако техническая реализация неравномерного квантования существенно сложнее, чем равномерного. Поэтому вместо использования переменного шага квантования обычно применяют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала – гамма-коррекцию. При этом решается одновременно две задачи. Во-первых, уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения. Во-вторых, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы.

Передаточная характеристика гамма-корректора описывается соотношением:

,

где и- напряжения сигналов на входе и выходе гамма-корректора соответственно;и- максимальные значения диапазонов напряжений сигналов на входе и выходе гамма-корректора соответственно;- показатель гамма-коррекции (0,42 …0,48).

С учетом вышесказанного, в системах цифрового телевидения обычно применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП , что дает 256 уровней квантования. При таких условиях шум квантования на изображении практически незаметен.

На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, то есть кодируется. Обычно используется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 11111111 в порядке возрастания их величины.