Преобразование аналогового телевизионного сигнала в цифровой

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путем преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции:

1. Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени – отсчетов или выборок.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округление значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования.

3. Кодирование, в результате которого значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле – аналого–цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП, как правило, реализуется в виде одной БИС. На входы АЦП (рис.4.1) подаются аналоговый сигнал u (t)и тактовые импульсы C_Т , синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы d ₁... d_n образуют параллельный n –разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого–цифрового преобразования число. Для определенности предполагается, что в схеме, показанной на рис.1.1, преобразование очередного отсчета начинается по фронту тактового импульса, а результат появляется на выходах АЦП по срезу тактового импульса. Поэтому сигналы d ₁... d_n изменяются в моменты перехода сигнала C_Ò из высокого состояния в низкое.

Параметры аналого–цифрового преобразования. Первым из них является частота дискретизации f_Д. В соответствии с теоремой Котельникова должно выполняться условие f_{Д >}2 f_В, где f_В – верхняя граничная частота преобразуемого в цифровую форму сигнала.

АЦП

)

(

t

U

Т

C

Т

C

d

d

d

t

d

)

(

t

U

t

t

t

t

t

Рис. 4.1. Входные и выходные сигналы АЦП

 

Отсюда следует, что частота дискретизации телевизионного сигнала, используемого в нашей стране f_В = 6 МГц, должна быть не менее 12 МГц. Для дискретизации используется ортогональная структура расположения отсчетов на передаваемом изображении (рис.4.2,а).

а) б)

 

Рис.4.2. Расположение отсчетов при дискретизации изображения:

а – ортогональная структура; б – шахматная структура

Следует отметить, что в некоторых экспериментальных разработках систем цифрового телевидения используется шахматная структура расположения отсчетов (рис.4.2,б), лучше согласующаяся с особенностями зрительного восприятия. Искажения, возникающие при нарушении требований теоремы Котельникова. На рис.4.3,а показан спектр дискретизированного сигнала в случае, если f_Д >2 f_В. Спектр исходного сигнала занимает полосу частот от 0 до f_В (огибающая этого спектра показана более жирной линией). Влево от f ₌ 0 показано симметричное продолжение спектра. В результате дискретизации в спектре возникают новые составляющие, огибающие которых совпадают по форме с огибающей исходного спектра, а точки, соответствующие точке f ₌ 0 в исходном спектре, находятся на частотах f_Д,2 f_Д....

В

f

)

(

f

S

Д

f

Д

f

Д

f

Д

f

В

f

Д

f

Д

f

Д

f

f

f

а

)

б

)

)

(

f

S

Рис.4.3. Спектры сигнала после дискретизации в случаях выполнения

(а) и нарушения (б) условия теоремы Котельникова

Если условие теоремы Котельникова выполнено, и f_В < f_Д 2, новые составляющие спектра не перекрываются с исходным спектром. Поэтому с помощью идеального ФНЧ, имеющего частоту среза, равную f_В, можно выделить частотные составляющие исходного сигнала, полностью подавив составляющие, возникшие в результате дискредитации. Это означает, что исходный сигнал, передаваемый с использованием дискретизации, может быть восстановлен без искажений. На рис.4.3,б показан спектр дискретизированного сигнала в случае, когда требования теоремы Котельникова не выполняются, т. е. f_Д <2 f_В. При этом спектр исходного сигнала и спектр составляющих, возникших при дискретизации, перекрываются. Если пытаться выделить исходный сигнал с помощь идеального ФНЧ с частотой среза f_В, то на выходе ФНЧ помимо исходного сигнала окажутся дополнительные составляющие, т. е. возникнут искажения исходного сигнала. Заметность этих искажений на экране телевизионного приемника во многом зависит от характера передаваемого изображения. Наиболее заметные искажения в виде муара возникают на периодических структурах в изображении, имеющих достаточно малый пространственный период. Следующий важнейший параметр аналого–цифрового преобразования

– количество уровней квантования N_кв, определяемое числом двоичных разрядов АЦП n в соответствии с соотношением

N_кв ⁼ 2 ⁿ . (4.l)

 

Рис.4.4. Ошибка квантования: а – зависимость от величины сигнала; б – график плотности вероятности

 

Выбор значения N_кв осуществляется таким образом, чтобы влияние квантования на изображение не было заметно для получателя информация. На рис.4.4,а показана зависимость величины ошибки _∆ u, вносимой в сигнал квантованием, от величины сигнала и в случае равномерного квантования, т.е. когда уровни квантования отстоят друг от друга на одну и ту же величину h, называемую шагом квантования. При этом предполагается, что квантование осуществляется путем округления значения сигнала до ближайшего уровня квантования. Интервал значений сигнала, округляемых до одного и того же уровня квантования, называется интервалом квантования. Величина ошибки квантования _∆ u изменяется в пределах от – h /2 до h /2. На рис.4.4,б показан график плотности вероятности ошибки квантования в случае равномерного распределения вероятностей значений сигнала. Ошибка квантования является случайной величиной. Поэтому ее обычно называют шумом квантования. Дисперсия шума квантования при равномерном квантовании и равновероятных значениях сигнала равна (σ_ш.кв.) ² = h² /12, где σ_ш.кв. – среднеквадратическая величина напряжения шума квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям их яркости или цвета. На участках изображения с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Равномерное квантование телевизионного сигнала, вообще говоря, не является наилучшим. Это обусловлено в первую очередь свойствами зрительного аппарата человека. Как известно, пороговое превышение яркости Δ B_пор объекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, подчиняется в первом приближении законуВебера–ФехнераΔ B _пор/ B ₀ = k, (4.2) где k = 0,015..0,020; B₀ – яркость фона. Таким образом, с ростом яркости фона растет и порог ΔB _пор. Отсюда следует, что в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого. Однако техническая реализация неравномерного квантования существенно сложнее, чем равномерного. Вместо использования переменного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала (компандирование). Примерный вид передаточной характеристики такого преобразования показан на рис.4.5. Как правило, компандирование совмещают с гамма–коррекцией телевизионного сигнала.

Uвх

Uвых

Рис.4.5. Передаточная характеристика нелинейного преобразования телевизионного сигнала

 

В современном телевидении повсеместно применяется равномерное квантование прошедшего нелинейное преобразование сигнала сколичеством двоичных разрядов АЦП n = 8, что дает количество уровней квантования. При этих условиях N_{кв =} 256шум квантования на изображении практически незаметен. На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, т. е. кодируется. Обычно используется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины. Рассмотрим требования Рекомендации 601 МККР (Международного комитета по радио), определяющие единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. В этом стандарте предусмотрено раздельное кодирование сигналов яркости и цветности. Установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13,5МГц для обоих стандартов развертки – 25 Гц/625 строк и 30 Гц/525 строк. Каждый цветоразностный сигнал дискретизируется с вдвое меньшей частотой. При этом за время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Количество разрядов квантования n = 8. Таким образом, количество уровней квантования N_кв = 256. При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Особое назначение имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации. При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Чтобы выполнялось это условие, на АЦП должны поступать не сами цветоразностные сигналы E_R ^′₋ Y, E_B ^′_{− Y} (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигналы прошли гаммакоррекцию), а сигналы C_{R ,} C_B, формируемые в соответствии с соотношениями:

C_R = 0,713⋅ E_R ′_{− Y} + 0,5, C_B = 0,564⋅ E_B ′_{− Y} + 0,5, (4.3)

причем предполагается, что сигналы ER ′− Y, EB ′− Y изменяются в диапазоне (–0,5, 0,5).

На рис.4.6 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.

Произведение частоты дискретизации f_Д и числа разрядов квантования n называется скоростью передачи двоичных символов цифрового сигнала – Q [бит/с]. Для цифровой студийной аппаратуры, удовлетворяющей требованиям Международного стандарта, получаются следующие значения этого параметра:

–для яркостного сигнала: Q_Y =13,5·8=108Мбит/с; – для цветоразностного сигнала: Q_C = 6,75·8 = 54 Мбит/с.

Суммарная скорость передачи двоичных символов преобразованного в цифровую форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) равна: Q_S = Q_Y + 2Q_C = 216 Мбит/с. В соответствии с принятыми обозначениями данный стандарт – цифрового кодирования телевизионных сигналов – обозначается 4:2:2.

Рис.4.6. Соответствие между уровнями аналоговых сигналов (8 цветных полос)и уровнями квантования по Рекомендации 601 МККР

Это означает, что частота дискретизации цветоразностных сигналов в два раза меньше, чем частота дискретизации яркостного сигнала, определенная на основании теоремы Котельникова, причем в каждой строке присутствуют оба цветоразностных сигнала. В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Начало активной строки — НАС» (SAV — Start Active Video), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Конец активной строки — КАС» (EAV — End Active Video) (рисунок 4.7). Каждый из сигналов содержит 4 символа, в том числе один символ единиц, два символа нулей (уровни квантования соответственно 1024 и 0, не используемые для видеоданных) и информационный символ, указывающий на тип сигнала и перемежение. Распознавание синхросигналов производится по 8 старшим битам. При выбранной частоте дискретизации 13,5 МГц и стандарте разложения 625 строк на периоде строки укладываются 864 периода, из которых для передачи полезных данных используются только 720, называемые активной частью строки. Начало цифровой строки совпадает с серединой переднего фронта строчного синхроимпульса. Чтобы передать 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов С_R и С_B, тактовая частота выбирается равной 27 МГц (для формата сигнала 16:9 частота дискретизации 18 МГц и тактовая частота 36 МГц). В стандарте 525 строк число циклов несколько меньше, но активная часть строки содержит те же 720 периодов, и формат передачи данных одинаков.

Рис.4.7 — Структура цифровой строки стандарта 625/50/2:1

Встречаются и другие варианты преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. Например, запись 4:2:0 означает, что в каждой строке присутствует один цветоразностный сигнал, частота дискретизации которого в два раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала, а запись 4:4:4 означает, что оба цветоразностных сигнала дискретизируются с той же частотой, что и яркостный. При переходе к новым стандартам разложения количество отсчетов в строке и, соответственно, частота дискретизации увеличиваются. В японском стандарте MUSE (1125 строк в кадре, частота кадров 30 Гц) сигнал яркости имеет верхнюю граничную частоту около 20 МГц и дискретизируется с частотой 48,6 МГц. В западноевропейском стандарте HD–MAC (количество строк 1250, частота кадров 25 Гц) частота дискретизации 54 МГц. Скорость передачи двоичных символов в таких телевизионных системах оказывается существенно больше. Рассмотренный метод кодирования цветного телевизионного сигнала называется компонентным (или раздельным), так как яркостный и цветоразностные сигналы преобразуются в цифровую форму раздельно, а затем полученные цифровые сигналы объединяются в единый цифровой поток данных. Компонентное кодирование хорошо приспособлено для студийной аппаратуры, в которой сигнал цветного телевидения разделен на компоненты. В то же время в некоторых применениях необходимо преобразовывать в цифровую форму полный сигнал одной из систем цветного телевидения (NTSC, PAL или SECAM). Такой вариант кодирования применяется в системах цифровой записи телевизионных сигналов на магнитный носитель и в цифровых преобразователях телевизионных стандартов. В таблице 4.1 приведены основные параметры преобразования в цифровую форму полных телевизионных сигналов стандартов NTSC и PAL.

Табл.4.1

Система	NTSC (525 строк)	PAL (625 строк)
Отсчетов в строке
Отсчетов в активной части строки
Структура отсчетов на изображении	Ортогональная	Ортогональная
Частота дискретизации, МГц	14,31818	17,734475
Скорость передачи двоичных символов, Мбит/c
Уровень гашения
Уровень белого
Уровень черного

 

Квантование сигналов осуществляется на 256 уровнях. Для обоих стандартов частота дискретизации берется равной

f_Д = 4 f ⋅ подн,

где 4^⋅ f_подн – частота цветовой поднесущей в данном стандарте.

Уровни гашения, белого и черного в таблице записаны в виде номеров соответствующих уровней квантования.

После преобразования полного сигнала системы цветного телевидения в цифровую форму, средствами цифровой техники могут быть выполнены такие операции, как разделение яркостного и цветоразностных сигналов, преобразование в другой стандарт, ослабление шума и др.