(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

2.1. Статические и динамические эталонные изображения

Рис. 2.1. Изображение градационного клина и форма сигнала в строчном интервале

Таблица 2.1. Стандарты аналогового ТВ-вещания

Для телевизионного стандарта, используемого в России, fгр = 6 МГц и I = 8×2× 6 = 96 Мбит/сек. При цифровой обработке сигналов весьма важными являются сведения об объеме передаваемой информации или требуемой скорости передачи цифрового потока, получаемого первоначально при переводе сигнала в цифровой вид (еще до цифровой обработки), т. к. эти сведения служат отправной точкой для всех дальнейших рассуждений.

Глава 2. Системы формирования и передачи видеоинформации

Рис. 2.2. Форма гасящих и синхронизирующих импульсов строк и полей

Стандарты M и N , нормирующие граничную частоту спектра сигнала яркости, равной fгр = 4,2 МГц, используются в странах Северной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и ряде стран Юго-Восточной Азии.

Граничная частота 5 МГц (стандарты B/G/H) используется в системах телевидения, применяемых в большинстве стран Западной и Северной Европы, Северной и Восточной Африки, Юго-Западной и Южной Азии, в Австралии.

Стандарт I, используемый в Великобритании и странах Южной Африки, нормирует граничную частоту сигнала яркости в 5,5 МГц.

И, наконец, Франция, страны Восточной Европы, Россия, страны СНГ, Китай и ряд стран Центральной Африки используют стандарты D/K/K1/L, нормирующие частоту сигнала яркости в 6 МГц.

Учитывая, что сигнал яркости передается лишь в активных интервалах полного ТВ-сигнала, на самом деле объем информации может быть несколько уменьшен. Его величина может быть рассчитана следующим образом:

I0 = I × Vакт × Hакт = I × (V − Vпас) × (H − Hпас) ,

V H V H

где V , H — длительности кадра и строки, Vакт и Hакт — длительности активных частей кадра и строки, Vпас и Hпас — длительности пассивных частей кадра и строки. В таком случае, учитывая, что V = 625H, Vпас = 50H, можно рассчитать:

I = 96 × (575/625) × (64 − 12)/64 = 72 Мбит/с.

2.2. Цветное телевидение

На рис. 2.2 приведена форма гасящего импульса и последовательности синхронизирующих импульсов полей, а также форма пассивного строчного интервала для используемых в России стандартов D, K.

Стандартные системы цветного телевидения NTSC, PAL и SECAM [1.8, 1.42– 1.44] различаются в основном принципами формирования сигналов цветности, передаваемых на поднесущих путем уплотнения спектра полного телевизионного сигнала монохромного телевидения, так что на участке спектра, занимаемом сигналами цветности, располагаются также и спектральные составляющие сигнала яркости.

В табл. 2.2 приведен перечень государств, использующих различные системы цветного телевидения.

Таблица 2.2. Использование различных систем цветного ТВ

Глава 2. Системы формирования и передачи видеоинформации

Система NTSC используется в Северной и Центральной Америке, в ряде стран восточной части Южной Америки, а также в Японии, Южной Корее и в ряде стран Юго-Восточной Азии.

Система SECAM применяется в России, в странах Восточной Европы и СНГ, во Франции, в большинстве стран Северной Африки и Юго-Западной Азии.

Система PAL применяется в большинстве стран Западной и Северной Европы, в Индии, Китае, Австралии, Бразилии, Аргентине и ряде других стран.

Телевизионные системы, как следует из правил колориметрии, должны воспроизводить все цветности, лежащие в пределах треугольника основных цветов на диаграмме международной комиссии по освещению МКО [1.24–1.27, 1.45].

На графике цветностей МКО (в обычной системе координат xy) основные цвета R1, G1 и B1, а также белый цвет C, или исходная цветность системы приемника стандарта NTSC, имеют следующие координаты [1.40]:

Различным сочетанием (линейной комбинацией) этих трех основных цветов можно получить любую цветность в пределах треугольника основных цветов на диаграмме МКО.

При стандартизации систем PAL и SECAM были приняты измененные основные цвета (R2, G2, B2) и исходная цветность D65, которые соответствовали созданным ко времени стандартизации люминофорам с повышенной яркостью, но с уменьшенной насыщенностью зеленого и красного цветов. Основные цвета и исходная цветность системы приемника имеют следующие координаты [1.40]:

Цветовые треугольники изображения на фоне цветового локуса диаграммы цветностей МКО даны на рис. 1.7.

При формировании полного цветового телевизионного сигнала во всех системах цветного телевидения используются сигнал яркости (EY ) и два цветоразностных сигнала (ER−Y и EB−Y ), формируемые из гамма-скорректированных сигналов основных цветов (ER, EG и EB ) [1.8, 1.9]:

EY = 0,299ER + 0,587EG + 0,114EB;

ER−Y = ER − EY ;

EB−Y = EB − EY .

Для оценки качества передачи и воспроизведения полного цветового ТВ-сиг- нала обычно в качестве тестовых используют сигналы цветных полос, содержащих три полосы основных цветов (красную, зеленую и синюю), три полосы главных дополнительных цветов (желтую, голубую, пурпурную), а также белую и черную полосы [1.46].

2.2. Цветное телевидение

Рис. 2.3. Цветные полосы и диаграммы их видеосигналов

Наиболее часто применяют сигналы вертикальных цветных полос, соответствующих 100% яркости белой полосы, 75% яркости и 100% насыщенности цветных полос. Иногда первая полоса разбивается на два участка: 100% яркости (белая полоса) и 75% яркости (серая полоса).

На рис. 2.3 приведено стилизованное изображение и диаграммы сигналов при передаче указанных вертикальных цветных полос. Верхняя часть диаграммы характеризует формы сигналов основных цветов ER, EG и EB , а нижняя — формы сигнала яркости EY (черная линия) и цветоразностных сигналов ER−Y и EB−Y .

2.2.1.Система NTSC

Всистеме NTSC используются не непосредственно цветоразностные сигналы, а их линейная комбинация [1.8, 1.43]:

EI = −0,27EB−Y + 0,74ER−Y ;

EQ = 0,41EB−Y + 0,48ER−Y .

Коэффициенты здесь выбраны экспериментально с таким расчетом, чтобы минимизировать ширину спектра одного из сигналов, а именно EQ. Полосу, занимае-

Глава 2. Системы формирования и передачи видеоинформации

мую этим сигналом, удалось таким образом уменьшить примерно до 0,6 МГц. Оба сигнала EI и EQ передаются путем квадратурной модуляции одной поднесущей, частота которой жестко связана с частотой строчной развертки fH и равна:

455

fS = 2 × fH = 3,579545 МГц, fH = 15734,264 Гц.

Система NTSC применяется только в странах (см. табл. 2.2), в которых используется телевизионный стандарт M (граничная частота спектра сигнала яркости — 4,2 МГц).

В соответствии с требованиями на систему NTSC ограничение спектра сигнала EI должно осуществляться ФНЧ, имеющим затухание менее 3 дБ на частоте 1,3 МГц и более 20 дБ на частоте 3,6 МГц. Фильтр, обеспечивающий ограничение спектра сигнала EQ, должен иметь затухание менее 2 дБ на частоте 0,4 МГц, менее 6 дБ на частоте 0,5 МГц и более 6 дБ на частоте 0,6 МГц.

Сигнал цветности NTSC на поднесущей можно представить в виде:

ES = EI cos(ωS t + 33◦) + EQ sin(ωS t + 33◦) = ES0 cos(ωS t + 33◦ − ϕ),

где ES0 = (EI )2 + (EQ)2, ϕ = Arctg(EQ/EI ), ωS = 2π·fS , fS — частота цветовой поднесущей.

Стилизованное изображение и форма сигналов EI , EQ, ES и полного цветового ТВ-сигнала при передаче цветных полос 75% яркости и 100% насыщенности приведены на рис. 2.4.

Для восстановления фазы цветовой поднесущей в приемном устройстве в составе полного цветового ТВ-сигнала NTSC передается вспышка цветовой поднесущей с длительностью, равной не менее 8 периодов частоты fS . Фаза поднесущей во вспышке повернута на 180◦ относительно оси B–Y.

Стилизованная векторная диаграмма сигналов цветных полос изображена на рис. 2.5, а параметры этих сигналов даны в табл. 2.3.

На рис. 2.5 вектор серого цвета характеризует вспышку цветовой поднесущей. Ввиду того, что частота цветовой поднесущей в системе NTSC кратна нечетной гармонике половины строчной частоты, полный цикл изменения фазы равен двум кадрам (табл. 2.4).

Теоретически перевод полного цветового ТВ-сигнала NTSC в цифровой вид может быть осуществлен, как было указано выше, при частоте дискретизации, равной частоте Котельникова–Найквиста, т. е. 8,4 МГц.

Однако на практике при такой частоте требуется чрезвычайно точное квантование сигнала по уровню (более 10 разрядов), а также очень точные и труднореализуемые фильтры на передаче и приеме.

Только таким образом при этом можно избежать искажений цветовой поднесущей, приводящих к возникновению ложных движущихся деталей в составе воспроизводимого на приеме изображения.

Указанные дефекты можно также устранить путем повышения частоты дискретизации и привязки ее к частоте цветовой поднесущей [1.37, 1.47].

При использовании 9-разрядного кодирования, необходимого для обеспечения малых погрешностей восстановления фазы поднесущей, объем информации

2.2. Цветное телевидение

Рис. 2.4. Изображение цветных полос и форма соответствующих сигналов системы NTSC

преобразованного сигнала составит:

I0 = 9 × fД = 128,7 Мбит/с.

2.2.2.Система PAL

Всистеме PAL [1.9, 1.37, 1.43, 1.44], широкое применение которой иллюстрируется табл. 2.2, используются два компрессированных цветоразностных сигнала:

EU = 0, 493EB−Y ;

EV = 0, 877ER−Y .

Сигнал цветности формируется путем квадратурной модуляции этими сигналами одной цветовой поднесущей, причем модуляция осуществляется таким образом, что полярность одного из цветоразностных сигналов на поднесущих коммутируется от строки к строке:

ES = EU cos ωS t + EV sin ωS t = ES0 cos(ωS t − ϕ),

E S = EU cos ωS t − EV sin ωS t = ES0 cos(ωS t − ϕ),

где ES0 = (EU )2 + (EV )2, ϕ = arctg(EV /EU ), ωS = 2π · fS , fS — частота цветовой поднесущей.