Файл: Ответы на воппросы.docx

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 25.01.2025

Просмотров: 65

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ВВЕДЕНИЕ

)

Вторая часть учебного пособия «Цифровое телевидение» посвящена методам преобразования аналоговых видеосигналов в цифровые, характе­ристикам получаемых цифровых сигналов и цифровых форматов, пара­метрам параллельных и последовательных интерфейсов, мультиплексиро­ванию сигналов, введению в них цифровых синхросигналов.

Материал рассчитан на руководителей, инженерно- технических ра­ботников, молодых специалистов телекомпаний.

Тема З.ФОРМИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ ИЗ

АНАЛОГОВЫХ

3.1. Дискретизация аналоговых видеосигналов по времени

Процесс формирования цифровых сигналов из аналоговых включает в себя три вида преобразований:

- дискретизацию сигнала по времени;

  • дискретизацию сигнала по уровню (квантование);

  • кодирование, т.е. цифровое представление отобранных уровней.

Дискретизация сигнала по времени позволяет заменить непрерывную

передачу всех значений сигнала на передачу отдельных значений (отсче­тов), взятых через равные интервалы времени - Тд, Тд - это период дис­кретизации, а 1\Тд=fд- частота дискретизации.

На рис. 3.1, показан фрагмент видеосигнала и его дискретизированная копия. Чем меньше период дискретизации (выше частота дискретиза­ции), тем меньше различие между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступеньчатую структуру дискретизированного сигнала можно сгладить, пропустив его через фильтр нижних частот (ФНЧ). Имен­но так восстанавливают аналоговый видеосигнал из дискретизированного в Цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). Это восстановление будет

достаточно точным, если соблюдается правило, вытекающее из теоремы Котельникова, которая регламентирует форму спектра дискретизированного сигнала.

Спектр дискретизированного видеосигнала показан на рис. 3.2. Ши­рина этого спектра теоретически стремится к бесконечности и содержит гармоники частоты fд, а вокруг каждой гармоники mfд расположена ниж­няя и верхняя полосы частот спектра исходного (до дискретизации) видео­сигнала шириной fв. В теореме Котельникова утверждается: спектральные составляющие двух соседних гармоник £ц не переплетаются и не создают неустранимые искажения только в том случае, когда верхняя граничная частота исходного аналогового видеосигнала (fв) меньше, чем половина частоты fд : fв < 0.5fд. Отсутствие наложений спектральных состав­ляющих в спектре дискретизированного сигнала позволяет получить без искажений исходный видеосигнал с помощью включения ФНЧ с полосой частот фильтрации О....fв. Нарушение теоремы Котельникова показано на


I

рис.3.3, где fв > 0.5fд. Неустранимые частотные искажения будут на выхо­де ФНЧ и при идеальной (прямоугольной) характеристике фильтра и при реальной характеристике с плавным спадом. Спад характеристики фильтра - необходим, в противном случае будет внесена в сигнал большая величи­на задержки.

Учитывая реальную (со спадом) характеристику ФНЧ, для получения исходного видеосигнала из дискретизированного. нужно выбирать частоту дискретизации fд более чем в два раза выше верхней граничной частоты спектра видеосигнала fв.

В цифровом телевидении для яркостного канала установлены часто­ты: fву =5.75 МГц -верхняя граничная частота спектра яркостного канала, fду = 13.5МГц - частота дискретизации видеосигнала яркостного канала.

Выбранная частота 13.5МГц обеспечивает защитный интервал 1МГц для ФНЧ, выделяющего аналоговый сигнал из дискретного, а также имеет

очень важное свойство: она кратна частотам строк (fстр) двух основных (в Европе) телевизионных стандартов разложения:

625\50 fду =864fстр

525\60 fду =858 fстр

Когда частота дискретизации кратна частоте строк, отсчеты дискрет­ного сигнала располагаются на равном расстоянии вдоль строк и всегда один под другим во всех строках кадра (по линиям, перпендикулярным

строкам).Такая стабильная повторяющаяся во всех кадрах структура от-

счетов называется ортогональной, она стандартизована в цифровом теле­видении.

В стандарте цифрового телевидения (ТВ) выбрана также частота дискретизации для цветоразностных сигналов: .fд цв = 6.75 МГц. Эта час­тота в два раза меньше, чем в канале яркости, но также кратна частотам строк двух стандартов разложения:

625\50 fд цв = 432fстр

525\60 fд цв = 429fстр

Верхняя граничная частота спектра цветоразностных сигналов - fв цв должна, в соответствии с теоремой Котельникова, удовлетворять ус­ловию:

fв цв < 0.5fд цв

В цифровом ТВ принято значение верхней граничной частоты спек­тра цветоразностных ситналов - 2. 75 МГц. Защитный интервал для ФНЧ в этом случае составляет 0.625МГц. По сравнению с системой аналоговою ГВ спектр цветоразностных сигналов расширен на 1.25МГц, что позволяет в два раза повысить четкость изображения в цвете (по горизонтали) и улучшает работу схемы электронной рир-проекции.

Следует отметить, что структура отсчетов для цветоразностных сиг­налов ортогональна так же, как для яркостных сигналов.



3.2. Дискретизация отсчетов по уровню

Динамический диапазон, внутри которого уровни сигнала принима­ют любые произвольные значения от минимальных до максимальных, раз­деляют на определенное (большое) число разрешенных уровней, а отсчеты сигнала, не совпадающие с выбранными значениями, «округляют» (кван­туют) до ближайшего разрешенного уровня. Уровни нумеруют по поряд­ку, каждый уровень имеет свой номер.

Чем больше брать число разрешенных уровней, тем меньше будет интервал между соседними уровнями, т.е. меньше шаг и порог квантова­ния (см. рис.3.4, рис.3.5 ). Ошибки квантования, шум квантования тем не­заметнее, чем меньше порог квантования. Таким образом, качество восста­новленного на приеме сигнала будет расти по мере роста числа разрешен­ных уровней квантования.

Если интервалы между уровнями квантования постоянны, такое квантование называют равномерным или линейным. Но возможно и не­равномерное, нелинейное квантование. В цифровом ТВ аналого-цифровое преобразование - всегда линейно, но в телевизионных цифровых кодерах сжатия применяется и нелинейное квантование.

Было экспериментально найдено: для передачи изображения с хоро­шим качеством необходимо не менее 256 дискретных уровней квантова­ния. При таком количестве уровней переменная ошибка квантования не заметна из-за конечной контрастной чувствительности глаза. Однако в этом случае наблюдатели часто отмечают появление ложных контуров на участках изображения с плавно меняющейся яркостью, где особенно за­метны ошибки квантования. Лучшие результаты дает увеличение числа дискретных уровней до 1024, когда шум квантования уменьшается в 4 раза ( на 12 дБ).

3.3. Кодирование

13 цифровом 'I'D для передачи информации о численном значении уровня в каждый момент дискретизации сигнала эту информацию коди­руют. Процесс кодирования начинается с преобразования номера уровня из десятичной системы счисления в двоичную. Двоичная система более выгодна, экономична для физической реализации процесса передачи и бы­ла принята в цифровой технике, где двум числам двоичной системы со­поставлено:


«О» - отсутствие импульса в течение известного интервала времени;

«1» - появление импульса определенного размаха в течение того лее

интервала времени.

В десятичной и двоичной системах счисления есть понятие «разряд». Например, в десятичной системе единицы - это младший разряд, десятки - первый, сотни - второй и т. д. Для записи любого числа N в двоичной сис­теме понадобится п - разрядов: N =2". Это соотношение показывает, что для записи нумерации 256 уровней требуется восемь разрядов двоичной системы счисления, а для записи нумерации 1024 уровней - нужно десять разрядов. Передача отсчетов от 0 до 2.55 происходит с помощью комбина­ции из восьми сочетаний нулей и единиц, а передача отсчетов от 0 до 1023 производится с помощью комбинации из десяти сочетаний нулей и еди­ниц. Каждая такая комбинация, указывающая помер уровня для данного интервала дискретизации видеосигнала, называется восьмиразрядной (де­сяти разрядной) посылкой или кодовым словом.

На рис.3.6 показана процедура перехода от десятичных значений уровней - к двоичным. В двоичном четырехразрядном коде каждый уро­вень записан в виде комбинации из четырех нулей и единиц. Такую мате­матическую запись можно преобразовать в цифровой сигнал двух видов (рис.3.6):

-- параллельный цифровой сигнал;

  • последовательный цифровой сигнал.

Параллельная форма цифрового сигнала требует использования чис­ла линий связи, равного числу разрядов (на рис.3.6 показаны четыре линии связи для разрядов DO, Dl, D2 , D3). Последовательная форма цифрового сигнала может быть передана по одной линии связи, но частота передавае­мых импульсов повышается в число разрядов раз. Формируя последова­тельный цифровой сигнал, интервал дискретизации Тд делят на число раз­рядов и и получают тактовый период Тт и тактовую частоту fr:

Тт = Тд/n fт= 1/Тт = nГд

Параллельная и последовательная форма цифрового сигнала в любом случае является последовательностью кодовых слов (восьмиразрядных или десяти разрядных), формируемых в каждом интервале дискретизации.

В цифровом телевидении для формирования сигналов, образующих кодовые слова, принят код «Без возвращения к нулю» - БВН или «Not re­turn to zero» - NRZ-см. рис. 3.6.

.В соответствии с международно принятыми рекомендациями (ITU - R601) для упрощения совместимости различных систем цветного ТВ нуж­но производить раздельную дискретизацию, квантование и кодирование трехкомпонентных видеосигналов: Еу', Er-y', Eb-y'- Кодированию подлежат гамма - корректированные сигналы. Цифровые компонентные сигналы обозначаются: Y, Cr, Св.