Учебное пособие елец 2008 удк ббк з
 Скачать 1.64 Mb.
|
Цифровое представление электрическихсигналов.В тракте ТВ-системы аналоговый сигнал подвергается обработке: усиле- нию, кодированию, передаче по каналу связи, декодированию и т.п. В резуль- тате этого к исходному сигналу добавляются помехи различного происхожде- ния, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Всё это приводит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку и сам сигнал, и помехи но- сят случайный характер, то восстановить исходную форму аналогового сиг- нала можно только с погрешностями. В отличие от аналоговых, цифровые сигналы принимают строго опреде- лённые значения. Чаще всего используются цифровые сигналы, принимаю- щие всего два значения: «есть сигнал» или «нет сигнала» на определённом интервале времени Т (тактовом интервале). Для их обозначения используются две цифры: наличие сигнала обозначается цифрой «1», а отсутствие – «0» (рис.10.2).  Рис.10.2. Виды сигналов: а) аналоговый; б) цифровой. Для неискажённого приёма сообщений надо безошибочно восстановить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от аналогового, цифровой сигнал, искажённый помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или её отсутствии. При переходе от аналогового сигнала к цифровому осуществляется три специфических преобразования (рис.10.3).
Подобное представление сигналов называется аналого-цифровымпре- образованием.  Рис.10.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала: а) аналоговый; б) дискретизированный; в) квантованный; г) цифровой. Рассмотрим подробнее эти преобразования. Дискретизация сигнала.Под дискретизацией понимают процесс представления (замену) во време- ни непрерывного сигнала дискретной последовательностью отсчётов (выбо- рок), следующих с некоторым временным интервалом t = TД, и по которым с заданной степенью точности можно вновь восстановить исходный сигнал. Наиболее распространённой является равномерная дискретизация, когда со- седние отсчёты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал време- ни ТД (рис.9.1), называемый периодом дискретизации (интервалом дискрети- зации). Число отсчётов сигнала в секунду называется частотой дискретиза- ции: FД = 1 / TД Для того чтобы восстановить исходный непрерывный сигнал из дискрети- зированного с малыми искажениями (погрешностями), необходимо рацио- нально выбрать шаг (интервал) дискретизации. Поэтому при преобразовании аналогового сигнала в дискретный обязательно возникает вопрос о величине шага дискретизации. Совершенно очевидно, что точность восстановления аналогового сигнала по последовательности его отсчётов зависит от величины интервала дискретизации ТД. Чем он короче, тем меньше будет отличаться функция u(t) от плавной кривой, проходящей через точки отсчётов. Однако с уменьшением интервала дискретизации ТД возрастает сложность и объём об- рабатывающей аппаратуры. С другой стороны, при большом интервале дис- кретизации возрастает вероятность искажения или потери информации при восстановлении аналогового сигнала. Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов). Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произволь- ный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой FВ, мо- жет быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени ТД = 1 / 2FB. Другими словами, частота дискретизации FД = 1 /TД = 2FB должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра анало- гового сигнала. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигна- ла имеет периодический характер: кроме низкочастотной части спектра, за- нимающей полосу частот от 0 до FB, спектр имеет ещё и высокочастотные компоненты (рис.10.4). а) б) в) Рис.10.4. Спектры сигналов: а) спектр аналогового сигнала; б) спектр сигнала после дискретизации при FД > 2FВ; в) спектр сигнала после дискретизации при FД < 2FВ. Низкочастотная часть спектра полностью идентична спектру исходного аналогового сигнала. Каждая высокочастотная компонента состоит из двух боковых полос: верхней (ВБП) и нижней (НБП). Форма ВБП подобна форме низкочастотной части спектра сигнала, сдвинутой по оси частот на одну из частот ряда FД, 2FД, 3FД, …. Форма НБП – зеркальное отображение соответ- ствующей ВБП относительно частоты сдвига рассматриваемой высокочастот- ной компоненты. Если частота дискретизации будет меньше 2FВ, то произойдёт наложение друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис.10.3в). Это приводит к искажениям сигнала, устранить которые при последующей обра- ботке невозможно. Поэтому частоту дискретизации необходимо выбирать из условия FД > 2FВ. Кроме этого условия, в цифровом телевидении частоту дискретизации сиг- нала стремятся выбрать кратной частоте строк, т.е. FД = kfс , где k – целое число; fс – частота строк. При таком выборе частоты дискретизации оказывается, что отсчёты сигна- ла занимают фиксированное положение относительно начала строки. Этим отсчётам соответствуют точки на экранах ТВ-преобразователей, координаты которых располагаются в углах прямоугольной решётки (рис.10.5). Таким об- разом, дискретная структура сигнала по времени оказывается жёстко связан- ной с пространственной дискретизацией изображения. Такая структура дис- кретизации называется ортогональной. а) б) Рис.10.5. Пространственные структуры дискретизации изображения: а – ортогональная структура дискретизации; б – шахматная структура дискретизации. Существуют и другие способы дискретизации ТВ-изображения (например, шахматная). На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискретизации ортогональная структура позволяет получить более высокое качество изображения. Поэтому этой структуре отдаётся предпочтение. Из проведённых рассуждений следует, что частоту дискретизации цифро- вой ТВ-системы определяют параметры развёртки и видеосигнала. В настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ-вещания и три системы цветного телевидения: NTSC, PAL и SECAM. Стандарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Американский стандарт развёрток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f = 15734,26573 Гц. Все прочие стандарты ТВ-вещания по параметрам развёртки относят к европейскому стандарту: 625/50 с частотой полей 50Гц, числом строк в кадре 625 и частотой строк f = 15625 Гц. Верхняя граничная частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответствует FВ = 4,2 МГц, а верхняя граничная частота спектров европейского стандарта составляет FВ = 6,0 МГц. Фирмы, разрабатывающие современные системы цифрового телевидения, стремятся создавать такую аппаратуру, которая могла бы сопрягаться с раз- личными стандартами ТВ-вещания. Это позволяет создать универсальную систему ТВ-вещания в международном масштабе. Учитывая всё сказанное выше и руководствуясь требованиями, предъяв- ляемыми к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы:
FД 12 МГц;
Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, чтобы в ней укладывалось 720 отсчётов сигнала независимо от стандарта. Очевидно, что в стандартах SECAM и PAL расстояние по времени между дискретами будет равно 0,074 мкс. Квантование сигнала.Квантование сигнала – это замена мгновенных значений дискретного сиг- нала ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис.10.6).  Рис. 10.6. Квантование дискретного сигнала:
× - квантованные отсчёты сигнала. Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты сигнала, на- зываются уровнями квантования. Расстояния между соседними уровнями называют шагомквантования.Разница между дискретным отсчётом сигнала и соответствующим ему квантованным отсчётом называют ошибкойкванто- вания. Процесс квантования осуществляется следующим образом. Между уров- нями квантования располагают условные значения напряжения, называемые порогами квантования. Если истинное значение дискретного сигнала мень- ше соответствующего порога квантования, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если же истинное значение сигна- ла выше рассматриваемого порога, – значение сигнала округляется до бли- жайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположены пороги квантования между уровнями квантования, зависит мак- симальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровня- ми квантования, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка квантования получается, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования. Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумамиквантования.Шумы квантования на изображении прояв- ляются по-разному и зависят от характера передаваемого сюжета. В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме случайной шу- мовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантования проявляются в виде ложных контуров: плавные измене- ния яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных контуров уменьшается с увеличением числа уровней квантования. Исследования пока- зали, что ложные контуры перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0,5 – 1% от размаха сигнала, что соответствует числу уровней квантования, лежащем в диапазоне 128 – 256 (27 – 28). Поэтому количество разрядов при квантовании ТВ-сигнала в двоичном исчислении выбирают обычно равным 7 – 8. Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Экспе- риментальные исследования показали, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с ли- нейной шкалой без ухудшения качества изображения. Это объясняется осо- бенностями восприятия изменений яркости сюжетов зрением человека. Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стан- дартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Ком- прессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюже- тами размах сигналов изображения может оказаться довольно большим, зна- чительно превышающим динамический диапазон работы квантователя. Пре- вышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазо- на приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в даль- нейшем практически невозможно. Цифровое кодирование телевизионного сигнала.Заключительной операцией по преобразованию аналогового сигнала в цифровой является операция, называемая кодированием. Цифровоекодиро- вание(оцифровка)– это преобразование дискретного квантованного сигна- ла в кодовую комбинацию стандартных символов. Наиболее распространён- ный способ кодирования – представление квантованного отсчёта сигнала в двоичном коде. Группа элементарных символов «1» и «0», передающая зна- чение одного отсчёта, называется кодовымсловом. В цифровых системах передачи информации в качестве элементарного символа «1» полагается импульсный сигнал длительностью, равной тактово- му интервалу Т, а в качестве символа «0» – отсутствие сигнала в тактовом ин- тервале. Такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции(ИКМ).Он стал классическим, универсальным и применяется при обработке и передаче информации. Сигнал ИКМ можно представить либо последовательным, либо параллель- ным кодом. Последовательный код предполагает поочерёдную передачу раз- рядов каждого кодового слова по одной цепи или каналу связи, а параллель- ный – одновременную передачу всех двоичных символов кодового слова, причём, каждый разряд передаётся по своей, отдельной цепи. Пример сигналов ИКМ в последовательном коде приведён на рис. 10.7. а) б) Рис.10.7. Цифровое кодирование сигнала: а – дискретный квантованный сигнал; б – цифровой сигнал (сигнал с ИКМ). При передаче цифрового сигнала последовательным кодом первым пере- даётся младший разряд кодового слова. Время, затрачиваемое на передачу кодового слова в последовательном коде, составляет NT , где N – число раз- рядов кодового слова, Т – длительность тактового интервала. Время передачи цифрового сигнала в параллельном коде равно длительно- сти тактового интервала. По каналам связи цифровые сигналы обычно передаются последователь- ным кодом, а обработка цифрового сигнала в аппаратно-студийном комплексе (АСК) и в цифровом ТВ-приёмнике осуществляется в параллельном коде. Устройство цифрового кодирования.В связи с тем, что в области вещательного телевидения до сих пор ещё не существует таких источников ТВ-сигнала, которые формировали бы сигнал в непосредственно цифровой форме, необходимо преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую форму. Цифровые системы в зависимости от вида преобразования аналоговых сиг- налов в цифровые бывают двух видов:
(системы с компонентным кодированием). Системы первого вида привлекательны тем, что они позволяют перевести аппаратно-студийный комплекс (АСК) на цифровые принципы обработки. Однако при этом возникают определённые трудности при выполнении ряда специальных студийных операций (монтаж видеозаписи, реализация специ- альных видеоэффектов и т.п.). В системах с компонентным кодированием осуществляется раздельное цифровое кодирование отдельных составляющих (компонент) ТВ-сигнала. В качестве компонентных составляющих можно использовать сигналы ос- новных цветов ЕR, ЕG, ЕB или сигнал яркости ЕY и цветоразностные сигналы ЕRY, ЕBY. Системы этого вида позволяют получить высокое качество изо- бражения (отсутствуют перекрёстные искажения между составляющими ТВ- сигнала, поскольку они обрабатываются раздельно); исключаются проблемы, связанные с преобразованием стандартов цветного телевидения; упрощается режиссёрская обработка сигнала в АСК и т.п. В настоящее время используются системы с компонентным цифровым ко- дированием. Компонентное кодирование можно осуществить, подвергая циф- ровой обработке мультиплексированные (последовательно следующие друг за другом) аналоговые составляющие ТВ-сигнала. В этом случае требуется всего один АЦП, преобразующий поступающие на него компоненты ЕY (t), ER Y(t), EB Y (t) в цифровую форму. Однако более прогрессивный способ компонент- ного кодирования основан на параллельной цифровой обработке сигналов ос- новных цветов с последующим формированием мультиплексированного циф- рового выходного сигнала ЕY, ЕRY, ЕB Y. Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования второго вида показана на рис. 10.8.  Рис.10.8. Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования КУ – кодирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; М – матрица; БЦО – блок цифровой обработки; К – коммутатор; Мх – мультиплексор. В состав этого устройства входят кодирующее устройство сигнала изобра- жения (КУ) и мультиплексор (Мх). Кодирующее устройство имеет три входа, на которые поступают аналого- вые сигналы основных цветов ЕR(t), ЕB(t), ЕG(t) из блока камерного канала. Каждый из входных сигналов в АЦП независимо от других преобразуется в цифровой сигнал (ЕR, ЕB, ЕG). Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой обработки (БЦО). Цифровая реализация операций над сигналами в БЦО в своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых ТВ- системах. В этих же блоках устраняется информационная избыточность циф- рового сигнала. Матрица (М) служит для формирования цифрового сигнала яркости ЕY и двух цветоразностных цифровых сигналов ЕR Y , ЕB Y. Коммутатор направляет эти сигналы либо в АСК для режиссёрской об- работки и видеозаписи, либо в мультиплексор. АСК (аппаратно-студийный комплекс) – комплекс оборудования для про- изводства ТВ-передач с использованием сигналов от собственных и внешних источников. Оборудование АСК выполняет следующие функции:
применением разнообразных художественных эффектов и средств пе- рехода от одного изображения к другому;
Все операции по обработке сигналов в АСК должны решаться в цифровой форме, без промежуточных АЦП и ЦАП. Мультиплексор (Мх) объединяет сигналы изображения, звука, дополнитель- ной информации и синхронизации в объединённый (мультиплексированный) ТВ-сигнал в параллельном коде. |