CC BY
158
16 декабря 2011 r. 10:16
Т-Comm #9-2010
(Технология информационного общества)
Формирование и передача сигналов цифрового телевидения
Рассматриваются особенности формирования сигналов цифровом телевидения с селекцией и передачей сигналов отдельного уровня градации яркости изображения.
Сагдуллаев В.Ю..
магистрант кафедры телевидения МТУ С И
Переход от аналоговой формы передачи телевизионных (ТВ) сигналов к цифровой, требует чрезмерно более широкой полосы частот канала связи. Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование различных алгоритмов сжатия цифровых сигналов до их передачи по каналу связи. Общепринятым методом сжатия информации для целей вещательного телевидения в настоящее время является стандарт MPEG-2 (MPEG-4), позволяющий снизить скорость битов кодированного сигнала до 5-10 Мбит/с. Известно, что для получения студийного качества принятого изображения можно сжимать видеоинформацию до скорости передачи порядка 9-10 Мбит/с, а для получения качества изображения, сравнимого с обычным изображением по системе цветного телевидения PAL -до 4-5 Мбит/с [1].
Известен также ряд других стандартов и алгоритмов сжатия информации. Они находят применение в первую очередь в различных мультимедийных системах, например. H.264/MPEG-4 AVC, рекурсивные алюрит-мы и др.. и позволяют достигать большую степень сжатия информации и обеспечить на сегодня такое же качество принимаемого изображения, как и у MPEG-2, но при скорости передачи данных в 2-4 раза ниже.
В общем случае, при достаточно больших степенях сжатия информации, при любом его алгоритме, возникаю! характерные искажения изображений (заметность границ блоков, появление следов, плохая цветопередача, эффект ступенек и др.), которые ограничивают область их реального применения и практического использования. Это обуславливается принятым подходом к сжатию ТВ информации, базирующеюся на имеющейся пространственной, временной, энтропийной избыточности сигналов изображений, а также психовизуальной избыточности зрительного восприятия цветных изображений [2].
Одновременная передача большого числа таких цифровых ТВ сигналов, использующих вещательный стандарт (например, при параметрах разложения 625/50). или сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ) без сжатия информации или даже с использованием сжатия информации (в задачах вещания, мультимедийных системах, прикладных целях и др.) требует весьма широкой полосы и соответствующих каналов связи.
Известны принципы построения систем цифровою телевидения и обработки сигналов, например, компонентное цифровое кодирование на основе аналогового мультиплексирования сигналов, а также гибридного
мультиплексирования составляющих сигналов или компонентное цифровое кодирование на основе их цифрово! о мультиплексирования и т.д., однако указанные способы предполагают наличие широкополосного канала передачи.
В работе [1] представлен вариант структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией 1ТЬ’-Я ВТ 601. В гаком формирователе, сигналы основных цветов Е«, Е<„ Ев с источника телевизионных сигналов (цветной ТВ камеры) вначале поступают на гамма-корректоры, сформированные в которых сигналы Е'к, Е’<„ Е'в в кодирующей матрице ио извесгиым соотношениям преобразуются в сигнал яркости Е\ и цветоразностные сигналы Е'ц.у и Е’в-у* Далее эти сигналы преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в соответствующие цифровые сигналы. Число разрядов каждою АЦП, как правило, равно 8. Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов. Кроме гою, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГГИ), который выраба-тывае! импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц. поступающие на другие узлы устройства. 1ТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов. Мультиплексор в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы У, Сд и Сц , а также цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный сигнал в последовательном коде. В приемной части ТВ системы — осуществляются обратные операции преобразования сигналов с формированием исходных аналоговых ТВ си! налов Е«. Е<„ Ев и сигналов синхронизации.
Скорость передачи данных для конкретной ТВ системы определяется частотой дискретизации аналоговых сигналов и числом принятых разрядов при кодировании в аналогово-цифровом преобразовании исходных сигналов и используемых параметров разложения изображений. В данном случае, для примера, в системах цветною телевидения при вещательном формате передачи 4:2:2 для сигнала яркости Е\ в цифровой форме скорость передачи данных составляет С|= Гд к= 13.5x8=108 Мбит/с, а добавление необходимых двух цветоразностных цифровых сигналов Е'ц.\ и Е’вл при выборе для них частоты дискретизации равной Гу2 требует увеличения скорости передачи данных
Т-Comm ##9-2010
(Технологии информационного общества)
до 216 Мбит/с, что является одним из главных недостатков известного способа формирования исходных цифровых сигналов цветного телевидения для их последующей передачи по каналам связи.
Особенностью предлагаемого способа формирования цифровых сигналов является исключение операции преобразования двоичных символов ^-разрядного параллельного кода в А-разрядный последовательный код, что приводит к снижению скорости передачи ТВ сигналов в цифровой форме. Для достижения указанного результата рассмотрим вначале преобразование видеосигнала с использованием трехразрядного аналогоцифрового преобразователя (АЦП), когда число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета равно к~3. При этом число передаваемых градаций равно т-2; ~8, а амплитуда входного сигнала может принимать значения в интервале 0< С/с< 1. Тогда каждому уровню сигнала (каждой градации яркости) будет соответствовать определенная кодовая последовательность двоичных чисел на выходе АЦП (табл. 1).
Подавая сишалы с выходов АЦП на входы ш- дешифраторов импульсов можно осуществить селекцию сигнала заданной амплитуды (яркости). Далее, сигналы с выхода каждого дешифратора в виде значений логической “1” могут поступать на входы генераторов несущей частоты, значение которой может быть С), Гщ и таким образом осуществить передачу
сигнала отдельной градации яркости изображения на своей несущей частоте.
На рис.1 показана схема селекции и передачи сигналов яркости изображения на своей несущей частоте. Функции селекции сигнала определенной яркости выполняют дешифраторы (ДШ). настроенные на определенную кодовую последовательность импульсов (в зависимости от разрядности АЦП). В данной схеме, по сравнению с известной схемой [1] отсутствует преобразователь кода, который увеличивает скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме в к-раз.
В соответствии с известной формулой скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме на выходе дешифраторов составит величину С = // А =13.5 I = = 13,5 Мбит/с и необходимая полоса частот канала связи для передачи ТВ сигнала равна величине Л[ = С/2 = ~ 6,75 МГц. Разработанная структурная схема передающей н приемной части системы цифрового телеви-
дения с разделением сигнала по амплитуде показана на примере использования одного яркостного сигнала Uc (рис. 2).
«с
Рис.1. Схема селекции сигналов по яркости изображения и их передачи на своей несущей частоте
Аналоговый сигнал в передающей части системы (рис.2а) с выхода источника ТВ сигнала поступает в АЦП. где преобразуется в цифровую форму и представляется в параллельном к- разрядном двоичном коде. Поскольку в каждый момент времени At входной сигнал L\ будет характеризоваться своим значением амплитуды, на выходах АЦП будет своя кодовая последовательность цифровых импульсов. Блок дешифрации осуществляет селекцию поступающей кодовой последовательности цифровых сигналов и при совпадении вырабатывает сигтгал логической *‘Г' на одном из выходов блока. Число выходов блока дешифрации равно числу фадаций яркости сигнала т-2\
Выходы блока дешифрации группируются попарно и отображают сигиаты предыдущего и последующего уровня и поступают на входы квадратурных модуляторов КМ„ число которых равно величине т/2. Квадратурная амплитудная манипуляция осуществляется с иомощыо двух балансных модуляторов, на один вход которых подается передаваемый сигнал U| и U; а на второй вход подается несущая со смещенными фазами на 90". Как известно, при батансной модуляции в случае идентичности обеих плеч модулятора сигнал на выходе последнего возникает лишь при воздействии модулирующего сигнала. На выходе модулятора образуется результирующий сигнат вида:
Us = UI cos ojJ + U2 sin (»J
Таблица 1
Амплитуда входного сигнала иг Разряды аналого-цифрового преобразователя Значение несущей частоты
01 0: р,
0 0 0 0 I
0.142 1 0 0 г,
0.2X5 0 1 0 г.
0.427 1 1 0 fl
0.571 0 0 1
0.713 1 0 1 г.
0.857 0 1 1 г„
1.000 1 1 1 г.
64
