ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.01.2025
Просмотров: 65
Скачиваний: 0
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.