16) Основные положения цифрового представления тв сигнала

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на телевизионном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В цифровых телевизионных системах второго типа аналоговый телевизионный сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых телевизионных сигналов и преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового телевизионного сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(t_n), взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты) t_n = nT (рисунок 1.1 б), где n = 1,2,3, целые числа; Т - период или интервал дискретизации, выбранный из усло-вия теоремы Найквиста-Котельникова: T≤0,5fгр. Здесь fгр — верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U( t). (Для отечественного вещательного телевизионного стандарта верхняя граничная частота спектра телевизионного сигнала fгр = 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации. Частота дискретизации fд, выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: fд = 2fгр. fд>12,5 МГц.

Рис 1.1 - Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую

Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала.

Следует учитывать, что в телевизионном вещании еще долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требова­ние: f_д должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наи­меньшее кратное двум значениям строчной развертки f ₆₂₅=625*25=15625 Гц и f₅₂₅ = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. По­этому для дискретизации телевизионных сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно дает возможность по­лучить 864 отсчета в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525 строк.

Квантование телевизионного сигнала. В результате ограниченной чувствительности зрительный анализатор различает только конечное чис­ло градаций яркости в изображениях. Данное свойство зрения обусловлено различными факторами, как физическими-флуктуационной характери­стикой светового потока, так и психофизиологическими, существованием флуктуаций внутри нервных каналов зрительного анализатора. Все это по­зволяет осуществлять квантование сигнала по амплитуде, которое следует за процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму. Квантование заключается в округлении полученных по­сле дискретизации мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дис­кретизацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала U(t) Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, назы­вают уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала уровнями квантования на отдельные области значений, на­зываемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Следствием этого становится появление в сигнале специфических шумов, называемых шумами квантования, которые обусловлены различием между исходными квантованными сигналами и имеют характер нелинейных искажений.

Ошибки квантования или шумы квантования на изображении могут прояв­ляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала.

Обычно используется линейная шкала квантования, при которой раз­меры зон одинаковы.

Число уровней квантования, необходимое для высококачественного раздельного кодирования составляющих цветового телевизионного сигна­ла, определяется экспериментально. Очевидно, что с ростом этого числа точность передачи уровневой информации возрастает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информационный поток и расширяется не­обходимая для передачи полоса частот. С другой стороны, при занижен­ном числе уровней квантования ухудшается качество изображения из-за появления на нем ложных контуров. Кроме того, слишком велики, а пото­му и заметны шумы квантования.

В современных системах цифрового телевидения, как правило, при­меняется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигна­лов с числом двоичных разрядов АЦП п = 8, что дает число уровней кван­тования Nкв = 256. При этих условиях шумы квантования на изображении незаметны.

На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, т.е. кодируется (оцифровывается). Обычно исполь­зуется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 111 111 11 в порядке нарастания их величины.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный телевизионный сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «О» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового телевизионного сигнала в цифровой, называемая операцией кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Для примера на рисунке 1.1 г показан результат преобразования фрагмента исходного аналогового телевизионного сигнала U (t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.