Цифровое представление компонентных сигналов яркости и цветоразностных

 

В цифровом ТВ вещании исходными сигналами для цифрового представления могут быть сигналы основных цветов U^*_R, U^*_G, U^*_B или сигнал яркости  и два цветоразностных сигнала  и . Рассмотрим процесс формирования цифровых сигналов из аналоговых СЯ и ЦРС по обобщенной структурной схеме (рисунок 1.6). Для того, чтобы эти сигналы имели одинаковые размахи в относительных единицах, их уровни нормализуются в масштабных усилителях А1.1…А1.3. В А1.2 и А1.3 по выражениям (1.23) формируются ЦРС P_r и P_b. Уровни всех сигналов были приведены в таблице 1.6, а их форма – на рисунке 1.5.

Как было обосновано в подразделе 1.4, в системах ЦТВ, как и в аналоговых системах цветного телевидения, учитываются свойства зрения для сокращения полосы частот ЦРС. Но если в NTSC, PAL и SECAM она сокращается до 1,3 МГц (более чем в 4 раза по сравнению с полосой частот СЯ 0..6 МГц для стандартов D, K, K 1, L), в ЦТВ предусмотрено четыре варианта (режима или формата), которые условно обозначают 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1 для ТСЧ, в ТВЧ используются только первый и второй.

С одной стороны, эти режимы указывают на соотношение частот дискретизации СЯ и ЦРС. При формате ТВ изображения 4:3 частота дискретизации СЯ в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-6 [30] принята равной 13,5 МГц для всех стандартов разложения изображений на 625 и 525 строк, описанных в подразделе 1.2.

Рисунок 1.6 – Обобщенная структурная схема формирования цифровых ТВ сигналов

Тогда в четвертом режиме f _{Д. Y} = 13,5 МГц, а f _Д.ЦРС = f _{Д. Y} /4 = 3,375 МГц, во втором и третьем f _Д.ЦРС = f _{Д. Y} /2 = 6,75 МГц, а в первом f _Д одинакова для трех сигналов и равна 13,5 МГц. С другой – условные обозначения указывают на соотношение значений полос частот аналоговых сигналов СЯ и ЦРС (таблица 1.7).

Как следует из таблицы 1.7 и рисунка 1.7, в формате 4:2:2 происходит снижение цветовой чёткости по горизонтали в 2 раза по сравнению с эталонным форматом 4:4:4, а в 4:1:1 – в 4 раза. Учитывая свойства зрения, для большинства сюжетов это не очень заметно.

 

Таблица 1.7 – Основные параметры сигналов ЦТВ при различных форматах

Форматы	4:4:4	4:2:2	4:2:0	4:1:1
Δ FY, МГц	5,75	5,75	5,75	5,75
Δ F ЦРС, МГц	5,75	2,75(3)	2,75(3)	1,375(1,5)
f Д. Y, МГц	13,5	13,5	13,5	13,5
f Д.ЦРС, МГц	13,5	6,75	6,75	3,375
В ∑, Мбит/с, m = 10	405	270	202,5	202,5

 

В формате 4:2:0 отсчёты ЦРС прорежены в 2 раза не только по горизонтали, но и по вертикали. Этот формат предпочтительнее для систем с 625 строками и полосой частот СЯ 5,0; 5,5 или 6 МГц, а 4:1:1 – для систем с 525 строками и ∆ F_Y = 4.2 МГц [5].

Структура расположения отсчётов в пространстве кадра (рисунок 1.7) наглядно поясняет принятое обозначение форматов.

 

 

Рисунок 1.7 – Пространственная структура расположения отсчётов – СЯ «» и двух ЦРС «     »

 

В учебном пособии авторов [5] были детально проанализированы процессы, связанные с аналого-цифровым преобразованием ТВ сигнала: выбор численного значения частоты дискретизации, количества уровней квантования, защищённости от шумов квантования, требования к отношению сигнал/шум квантования в зависимости от отношения сигнал/шум датчика ТВ сигнала. Поэтому здесь эти вопросы не рассматриваются.

С помощью ФНЧ Z 1.1 ...Z 1.3 сигналы ограничиваются на полосе (рисунки 1.8 и 1.9) и подаются на три АЦП U 1.1 ...U 1.3.

 

а

 

 

б

 

 

 

в

 

Примечание – Наименьшая частота в (б) и (в) равна 1 кГц (вместо 0 МГц)

а – характеристика затухания; б – характеристика неравномерности АЧХ в полосе пропускания; в – ГВЗ для сигналов , ,  или Y, U _Cr, U _Cb в режиме 4:4:4

Рисунок 1.8 – Требования к характеристикам пред- и постфильтров нижних частот

Примечание – Наименьшая частота в (б) и (в) равна 1 кГц (вместо 0 МГц)

а – характеристика затухания; б – характеристика неравномерности АЧХ в полосе пропускания; в – ГВЗ для цветоразностных сигналов в режиме 4:2:2 и 4:2:0

Рисунок 1.9 – Требования к характеристикам пред-и постфильтров нижних частот

 

Предфильтры устанавливаются на входе АЦП, а постфильтры – на выходе ЦАП. С целью упрощения ФНЧ спад его АЧХ (рисунок 1.8, а) начинается на частоте 5,75 МГц (в отличие от 6 МГц в аналоговой системе). Допуски на неравномерность АЧХ и характеристики группового времени задержки (ГВЗ) в полосе пропускания приведены на рисунке 1.8, б; в (с учетом фазового корректора, включенного на выходе ФНЧ).

Три АЦП могут работать с одинаковыми параметрами (частотой дискретизации f _Д и разностью двоичного кодирования m). Поскольку полоса частот ЦРС в 2 (форматы 4:2:2 и 4:2:0) или 4 (формат 4:1:1) раза меньше полосы частот СЯ, для них выполняется операция прореживания (децимация, субдискретизация, т. е. передискретизация с уменьшением числа отсчетов в единицу времени) в 2 (или 4) раза соответственно в блоках U 2.1и U 2.2. Назначение цифровых фильтров Z 2.1 и Z 2.2 (рисунок 1.10) аналогично Z 1.2 и Z 1.3. Прореживание сокращает суммарную скорость (см. таблицу 1.7) потока данных в 1,5 – 2 раза соответственно по сравнению с форматом 4:4:4.

 

а

 

 

 

 

б

 

Примечание – В цифровом фильтре АЧХ (в линейном масштабе) должна иметь наклон, симметричный относительно точки половинной амплитуды, как показано на рисунке 1.10.

а –характеристика затухания; б – характеристика неравномерности АЧХ в полосе пропускания; в –характеристики цифрового фильтра для преобразователя частоты дискретизации цветоразностных сигналов из 4:4:4 в 4:2:2

Рисунок 1.10 – Требования к характеристикам