В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Алексей Зотов
Доцент Тамбовского ГТУ
Александр Сидоренко
Директор Тамбовского ОРТПЦ
Среди вопросов, касающихся эфирного цифрового телевидения, активно обсуждается и такой: сохранится ли у нашей промышленности шанс занять свою нишу в международном разделении труда в области телерадиовещательного оборудования?
Одним из путей обеспечения готовности к приходу новых технологий, а значит, и участия в международном телевизионном процессе является интенсивная подготовка кадров, отвечающих следующим исходным требованиям:
Цифровое телевидение развивается быстрыми темпами, и подготовка соответствующих специалистов должна не только не отставать от этого процесса, но и опережать его.
Модель цифровой системы - основа учебного пункта
Переход телевизионного вещания от аналоговых к цифровым методам формирования и передачи сигналов стал наиболее радикальным способом слияния средств вещания, телекоммуникаций и компьютерных технологий в целях интеграции служб в глобальном информационном пространстве. Из всего множества моделей цифровых систем передачи информации по обеспечению путей решения столь многогранной проблемы оптимальной является модель, включающая три функциональных процесса:
Такое достаточно обобщенное представление сводит все виды информационных сообщений к следующим преобразованиям:
В первичном виде такая структурная схема представлена на рис. 1.
Кодирование источника предусматривает аналогово-цифровое преобразование и сокращение объема передаваемой информации за счет уменьшения времени передачи, полосы пропускания, объема памяти при обработке, хранении и собственно сжатии данных.
Кодирование канала обеспечивает исправление ошибок при приеме цифрового сигнала, возникающих из-за различных помех и искажений. Кодирование в любом случае приводит к увеличению объема передаваемых данных вследствие добавления специальных служебных символов для алгоритмов обнаружения и исправления ошибок, а также увеличения времени на повторы перезаписываемых блоков.
Модулятор является частью дискретного канала и используется для преобразования сигналов основной полосы (исходной) в радиосигналы заданной полосы, что обеспечивает их передачу по конкретному физическому каналу. В демодуляторе происходит обратный процесс - преобразование радиосигналов заданной полосы в исходную, тем самым образуется канал передачи данных.
Эффективность цифровой системы передачи (ЦСП) в целом задается выбором методов организации указанных фундаментальных процессов и определяется степенью использования пропускной способности канала в соответствии с теоремой Шеннона.
В теории передачи информации и цифровой связи используется формула Шеннона:
где С - максимальная скорость передачи информации; w - полоса частот канала; P/N - отношение сигнал/шум.
При поиске оптимального варианта метода модуляции, то есть наилучшего согласования сигнала с характеристиками канала, используется один из критериев:
При выборе критерия высокой спектральной эффективности используются малоизбыточные коды, исправляющие ошибки. При выборе критерия высокой энергетической эффективности используется ортогональная фазовая модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM) совместно с малоизбыточными кодами. Учитывая реальные ограничения на допустимую полосу канала и допустимое отношение сигнал/шум, возможен необходимый компромисс между спектральной и энергетической эффективностью.
Если предположить, что информативности данной структурной схемы обобщенной модели ЦСП достаточно, то можно принять ее за начало схемотехники учебного пункта.
Кодирование - декодирование источника
Отличительной особенностью учебного ситуационного пункта является упорядоченная структура с ее внутренней связью и способностью к внешним контактам. В этом свете, с присущей ей математической логикой, обобщенная модель пункта может быть представлена в виде кортежа:
К = <Кu, Кk, М>, который включает:
Упорядоченная тройка как множество предметов, данных в определенной последовательности, может быть представлена в терминах упорядоченных пар:
{Кu <Кk, М>}, где первой координатой является Кu, то есть кодирование источника, тем самым определяется исходная точка анализа всей упорядоченной тройки; вторая координата выражена упорядоченной парой <Kk, M> (кодирование канала - модуляция).
Процесс кодирования источника предусматривает, во-первых, аналого-цифровое преобразование сигналов, во-вторых, сжатие данных. Аналого-цифровое преобразование включает в себя операции:
Дискретизация
Применение всех видов импульсной модуляции связано с необходимостью дискретизации непрерывного сигнала во времени. Непрерывным называется сигнал, принимающий все возможные значения на некотором отрезке времени Т и в диапазоне его максимального и минимального значений. В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста, дискретизации) любой сигнал S(t), спектр которого не содержит составляющих с частотами выше некоторого значения ωв = 2Πfв, может без потерь информации быть представлен своими дискретными отсчетами {S(kT)}, взятыми с интервалами Т.
Из соотношения (1) следует, что функция с ограниченным спектром имеет бесконечную протяженность во времени и состоит из суммы бесконечно большого числа составляющих. Каждая из этих составляющих представляет собой одну и ту же функцию отсчетов S(y)=sin у/у с различными постоянными коэффициентами, определяющими значения функции S(t) в моменты отсчета (рис. 2).
Наиболее эффективным способом дискретизации аналогового сигнала S(t) с ограниченной полосой частот является умножение его на серию импульсов, так называемый коммутирующий сигнал X(t) - рис. 3.
Каждый импульс серии X(t) представляется как включение и выключение коммутатора. Время между выборками TS, частота дискретизации fs=1/TS, получаемая последовательность дискретных данных XS(t) определяется соотношением:
XS(t)=X(t)S(t).
Такой способ называется естественной дискретизацией.
Телевизионное изображение является двумерным, но по вертикали оно уже дискретно в силу разложения по строкам, и для формирования ТВ-сигнала выполняется одномерная дискретизация во времени (рис. 4).
Суть такой структуры заключается в следующем. При ширине полосы ТВ-сигнала 6 МГц для обеспечения высокого качества кодирования необходимо передавать не менее 12 млн отсчетов в секунду. Каждый отсчет передается восемью импульсами. Значит, по каналу необходимо передавать около 100 млн импульсов в секунду (100 Мбит/с). Требуемая ширина полосы канала при этом составляет не менее 100 МГц. Практически скорость передачи устанавливают 100...200 Мбит/с. Таким образом, для получения изображения высокого качества при полосе частот сигнала яркости 6 МГц частота дискретизации должна превышать 12 МГц. Однако номинальное значение выбирается с учетом ортогональности структуры отсчетов ТВ-изображения, то есть частота дискретизации должна быть кратна частоте строк 625 (525). Кроме того, частота дискретизации должна быть по возможности более низкой во избежание увеличения скорости цифрового потока.
Частоты дискретизации рассчитываются с учетом раздельного кодирования яркостного и цветоразностных сигналов. При полосе частот сигнала яркости Δfярк = 6 МГц частота дискретизации должна быть Δfдискр ≈ 2fярк = 12 МГц.
Для получения ортогональной структуры отсчетов частота дискретизации должна быть кратна частотам строк 625 и 525. Для дискретизации выбирается частота 13,5 МГц, при которой на строку при Z=625 приходится 864 отсчета, из которых для сигналов яркости 720 отсчетов; при Z=525 приходится отсчетов 858, для сигналов яркости также 720 отсчетов. Для каждого цветораз-ностного сигнала приходится 360 отсчетов на строку.
При выбранной частоте 13,5 МГц яр-костного сигнала частота дискретизации цветоразностных сигналов равна 6,75 МГц, то есть половине частоты дискретизации сигнала яркости. Условно пропорция 4:2:2 отражает двоичное соотношение частоты дискретизации яркости и двух цветоразностных сигналов. На рис. 4 (а) изображен сигнал 4:2:2, на рис. 4 (б) - сигнал 4:2:0.
Квантование
Исходное изображение f(x,y), подлежащее преобразованию в цифровую форму, непрерывно по координатам х и у и изменяется по амплитуде. Для преобразования этой функции в цифровую форму необходимо представить ее отсчетами по обеим координатам и по амплитуде. Представление координат в виде конечного множества отсчетов называется дискретизацией, представление амплитуды значениями из конечного множества называется квантованием.
Важнейшим параметром аналого-цифрового преобразования является число уровней квантования NKB, определяемое числом двоичных разрядов п в соответствии с соотношением NKB=2n.
Выбор Nкв осуществляется с учетом того, чтобы не было заметно влияния квантования на изображение. В рекомендации ITU-R BT 601 (International Telecommunication Union - Международный союз электросвязи по радио и телевидению) предусмотрено число разрядов квантования n=8, а число уровней квантования Nкв=236. Уровню черного соответствует 16-й уровень, номинальному уровню белого - 235-й. Начиная с 16-го и выше 20-го уровней образуются резервные зоны на случай выхода аналогового сигнала за установленные пределы. Уровни 0-й и 255-й обеспечивают передачу сигналов синхронизации. Сигнал яркости Y выражается соотношением Y=219 Еу + 16, где Y занимает диапазон уровней 16...235; Еy - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне 0...1 В. При Еy = 0 передается 16-й уровень (черного), при Еy =1 передается 235-й уровень белого.
Квантование яркостного и цветораз-ностных сигналов осуществляется 10-разрядными анало-гово-цифровыми преобразователями (АЦП), что дает 1024 уровня квантования (рис. 5). Рис. 5 (а) отражает изменение сигнала яркости Y от уровня 16 до уровня 235 (значение 0,63...0,922, то есть занимает 219 уровней (прямой ход строчной развертки). В резервную зону входят 20 уровней сверху и 16 уровней снизу. Аналого-цифровые преобразования цветоразност-ных сигналов CR И CB получаются из соотношений:
CR ≈ 160ER-Y + 128,
CB ≈ 126EB-Y +128,
то есть при ER-Y = 0 и EB-Y = 0 цвето-разностные сигналы CR и CB равны 128 (рис. 5, б, в). Цветоразностные сигналы двуполярные, поэтому уровень квантования соответствует нулевому значению цветных сигналов.
Синхросигналы передаются во время обратного хода строчной развертки: перед началом активного участка передается сигнал начала активного участка строки, после окончания активного участка передается сигнал окончания активной строки.
Кодирование источника
В настоящее время имеется целый ряд различных стандартов кодирования, большинство из которых основано на использовании схожих методов сжатия. Сжатие представляет собой уменьшение или устранение избыточных и несущественных данных. При кодировании сигнала яркости видеокадр разбивается на макроблоки размером 16x16 пикселей, каждый из которых состоит из четырех блоков размером 8x8 пикселей.
Стоит напомнить, что пиксель (элемент изображения) - это участок изображения с минимально различимой площадью.
Макроблоком называется фрагмент изображения размером 16x16 элементов (пикселей).
Макроблок содержит информацию как о яркости (Y), так и о цветности CR , CB. В случае формата изображения 4:2:2 каждый макроблок содержит четыре блока 8x8 элементов сигнала яркости Y и по одному блоку 8x8 элементов сигналов цветности CR и CB. При формате 4:2:0 каждый макроблок содержит четыре блока яркости 8x8 и по два блока CR И CB. При формате 4:4:4 - четыре блока яркости и по четыре блока CR И CB. Группа следующих друг за другом макроблоков образует слайс (slice - доля, часть, квант), совокупность слайсов составляет кадр. Каждый кадр снабжается заголовком, последовательность I-, Р-, В- кадров переупорядочивается в результате кодирования и объединяется в группу видеокадров со своим заголовком. Группы видеокадров образуют последовательность, в заголовок которой передается общая информация о потоке: скорость, разрешающая способность, формат кадра, формат цветности, частота кадров и т.д. (рис. 6).
Структурная схема операций кодирования со сжатием (см. рис. 7, а) включает в себя:
Результат декодирования - исходное
данное изображение, преобразованное в сжатые видеоданные и записанное в файл (рис. 7, а).
При кодировании последовательность операций сводится к следующему (рис. 7, б):
Декодирование энтропийного кода и деквантование осуществляется с использованием соответствующих таблиц коэффициентов, содержащихся в том же файле, что и сжатое изображение.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #5, 2007
Посещений: 13370
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
