Лекция № 5 Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ

ЛИТЕРАТУРА

Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ.

Общие характеристики форматов сжатия MPEG

В настоящее время разработаны высокоэффективные алгоритмы сжатия ТВ изображений использующиеся в форматах представления данных MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4.

MPEG-1 разработан в 1991 году специальной рабочей "группе экспертов по подвижным изображениям" MPEG ( Moving Picture Experts Group), созданной Международным союзом телекоммуникаций ITU для разработки алгоритмов кодирования видеосигналов, удалось найти очень удачный и эффективный алгоритм MPEG-1. Первоначально он предназначался только для записи подвижного видеоизображения на компьютерные CD-ROM, но затем область применения стандарта была значительна расширена. К примеру, на основе этого алгоритма фирмой Philips был создан интерактивный носитель CD-i, получивший, в свою очередь, дальнейшее развитие в дисках формата Video-CD. С помощью MPEG-1 цветная картинка с уровнем качества VHS (разрешением 320х240 элементов да еще и со стереозвуковым сопровождением "качества компакт-диска") удавалось ужать до скоростей порядка 1,5 Мбит/с. Однако в ТВ вещании он не находит применения, поскольку не поддерживает через сточную развертку и в настоящее время из-за низкого качества практически не используется.

MPEG-2 разработан в 1094 г. и дает возможность более эффективно "упаковывать" высококачественное цветное изображение вещательного стандарта с разрешением 768х576 элементов (в цифровой поток со средней скоростью 3 Мбит/с. В принципе, MPEG-2 позволяет передавать телевизионные сигналы как с большими (до 15 Мбит/с), так и с меньшими скоростями (начиная с 1,5 Мбит/с) цифрового потока, при этом качество изображения напрямую связано с величиной скорости передачи данных. Благодаря более совершенному алгоритму обработки видеоизображения даже при самой низкой скорости потока картинка MPEG-2 все равно получается значительно лучшей, чем может обеспечить MPEG-1

В настоящее время декодер MPEG-2 является основным компонентом ("сердцем") любого DVD-проигрывателя или ресивера DVB. -T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), обеспечивая высокое качество изображений и звука спутникового и наземного цифрового ТВ вещания.

MPEG-4 разработан в 1998 г. для передачи видео и аудио данных по сетям Интернет.

Рис.14.2. Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ

Схема работает следующим образом. Аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы. Этот сигнал уже подвергнут определенной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, цветной ТВС разделяется на яркостной и цветоразностные, чтобы цифровые преобразования производились над каждым сигналом отдельно, вводятся необходимые предыскажения и т.п. Далее сигнал поступает на АЦП, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется (например, ИКМ). Для устранения большой избыточности полученного сигнала в блоке цифровой обработки осуществляется дополнительное, более эффективное кодирование. Потом сигнал поступает в кодер канала, предназначенный для защиты цифрового сигнала от возможных помех путем применения специальных более помехозащищенных кодов. Далее сигнал поступает на модулятор передающего устройства - выходной преобразователь, после которого сигнал подается в канал связи. Под каналом связи понимаются линии связи, устройства консервации и коррекции ТВ сигнала, в которых происходит его обработка.

На приемном конце принятый сигнал демодулируется, подвергается обратному преобразованию в декодере канала и поступает в блок цифровой обработки декодирующего устройства. В нем принятый сигнал приобретает первоначальную форму (возвращается избыточность), затем в ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал, который подвергается при необходимости дополнительным обработкам. Эта схема обобщенная. В зависимости от назначения системы, в ней могут отсутствовать некоторые звенья (блоки аналоговой обработки, или кодер и декодер канала, если канал не длинный и не требуется дополнительное кодирование, и т.п.).

1. Телевидение. Под ред. Джаконии В.Е. – М.: Радио и связь, 2002.

2. Самойлов В.Ф. Хромой Б.П. Телевидение. – М.: Связь, 1975.

3. Ельяшкевич С.А., Пескин А.Е. Телевизоры 3УСЦТ, 4УСЦТ, 5УСЦТ. Устройство, регулировка, ремонт.М. Символ 1993г. 224с

4. История car video, Формула звука № 3, 2005 https://www.forz.com.ua/? section_id=2&action=list&topic_id=19

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ, их характеристики и параметры

Учебные вопросы

1. Понятие волнового процесса.

2. Плоские электромагнитные волны.

3. Ортогональность векторов е и н.

4. Цилиндрические и сферические волны.

5. Параметры распространения ЭМВ.

6. Поляризация электромагнитных волн.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему моменту рассмотрено электромагнитное поле, методы его описания и анализа. Это является основой для эффективного усвоения и понимания вопросов сегодняшней лекции, посвященной волнам и волновым процессам. Средства РТО являются информационными системами, в которых материальная основа переноса информации – электромагнитная волна.

1. ПОНЯТИЕ ВОЛНОВОГО ПРОЦЕССА

Слова "волна" и "волновой процесс", употребляемые в радиотехнике, получили широкое распространение ввиду наглядности их прообраза - всем знакомых волн на поверхности воды. Под распространением волны понимается постепенное вовлечение среды в некоторый физический процесс, приводящее к передаче энергии в пространстве.

Предположим, что в пространстве существует некоторый физический процесс, и для простоты рассмотрим зависимость его только от одной координаты z. Функция, описывающая процесс:

(1)

где v - скорость распространения процесса в среде (построена на рис.1).

Говорят, что функция (1) описывает волну.

В общем случае электромагнитное поле и удовлетворяющее уравнениям Максвелла, называется волной, если и можно представить как функцию времени t и некоторого пространственного аргумента

Если положить

,

то уравнение

определит в пространстве некоторую поверхность, которая применительно к электромагнитному полю может быть названа поверхностью равных фаз. Если эта поверхность представляет собой в пространстве плоскость, то такая электромагнитная волна называется плоской. Если поверхность представляет собой сферу или цилиндр, то волны могут быть названы сферическими или цилиндрическими.

2. ПЛОСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Фазовый фронт ЭМВ различных излучающих устройств (систем) в зависимости от конструкции антенных систем может иметь различные формы. На расстояниях от источника, значительно больших длины волны излучаемых колебаний и линейных размеров источника, считают сферическим, а сам источник - точечным. В этом случае на приемной стороне, в пределах линейных размеров приемных устройств (антенн) фронт волны будет плоским (см. рис.2).Электромагнитная волна с плоским фазовым фронтом называется плоской ЭМВ.

Рассмотрим свойства плоской ЭМВ. Введем прямоугольную систему координат и рассмотрим в ней участок плоской поверхности фазового фронта ЭМВ (рис.3).

Уравнение плоскости имеет вид:

. (1)

Если учесть, что

, (2)

то

. (3)

Известно, что нормаль к фазовому фронту определяет направление распространения ЭМВ, поэтому вектор нормали совпадает с направлением распространения плоской волны. Проекции вектора удовлетворяют условию .

Источником плоской ЭМВ может быть излучатель с параллельными лучами, излучающий гармонические колебания

. (4)

Для точки М неограниченного однородного пространства должно быть справедливо однородное волновое уравнение

, (5)

где .

Уравнение (5) предполагает, что . В нашем случае .

Определим однородное волновое уравнение, которому удовлетворяет

плоская ЭМВ

. (6)

Рассматривая аналогично другие слагаемые равенства (6) и учитывая,

что модуль единичного вектора нормали , получим

. (7)

Уравнение (7) - однородное волновое уравнение, и его решение, с учетом отсутствия отраженных волн, имеет вид

. (8)

Итак, для плоской электромагнитной волны получено решение волнового уравнения, имеющее огромное практическое значение для всех областей радиотехники, занимающихся распространением радиоволн в различных средах.

3. ОРТОГОНАЛЬНОСТЬ ВЕКТОРОВ Е И Н

Определим пространственную ориентацию векторов ,, для плоской волны. Для этого установим связь между векторами векторного произведения

. (9)

1. Найдем связь между векторами Е и Н. Обратимся к 2-му уравнению Максвелла для плоской ЭМВ и используем общее выражение решения волнового уравнения для плоской ЭМВ

. (10)

Раскроем левую часть этого равенства, используя справочные формулы для преобразований векторной алгебры

, поэтому первое слагаемое обращается в ноль.

.

Тогда

.

Откуда

(11)

Это равенство справедливо и для комплексных амплитуд, для мгновенных значений и говорит о взаимной перпендикулярности векторов Е и Н.

Амплитудная связь имеет вид

, (12)

где - волновое сопротивление, которое для свободного пространства равно .

Волновое (характеристическое) сопротивление – коэффициент, связывающий амплитуды напряженности электрического и магнитного полей через электрические параметры сред.

2. Определим векторное произведение (9)

Выясним, чему равно скалярное произведение , для чего определим дивергенцию вектора в точке, свободной от источников электромагнитного поля:

Это соотношение будет выполняться, если

, (14)

т.е. эти вектора перпендикулярны. С учетом (14) выражение (13) запишется

, (15)

т.е. вектор Умова-Пойнтинга совпадает с направлением вектора распространения ЭМВ n, а вектора Е и Н лежат в фазовой плоскости и взаимно перпендикулярны (рис.4).

Таким образом, вектора Е и Н взаимно перпендикулярны и лежат в фазовой (картинной) плоскости ЭМВ.

Т.к. вектора и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, то говорят, что волна - поперечная.

4. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ И СФЕРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

Наряду с плоской ЭМВ в теории антенн рассматриваются цилиндрические волны, созданные некоторыми типами излучателей (например, бесконечно тонкой нитью, то есть проводом тока) (рис.5).

В этом случае однородное волновое уравнение

аналогично уравнению (5), но используя оператор «набла квадрат» в цилиндрических координатах.

Раскрывая его, можно получить дифференциальное уравнение 2-го порядка - так называемое цилиндрическое уравнение Бесселя, решение которого при отсутствии отраженной волны записывается в виде

,

где цилиндрическая функция Бесселя 1-го рода n-го порядка.

В некоторых радионавигационных системах используются фазовые методы определения координат объектов. При этом в состав таких систем должны входить антенны, имеющие так называемый фазовый центр. Установлено, что для этого ЭМВ, излучаемая такой антенной, должна быть сферической. Примером такой антенны является симметричный вибратор, или зеркальная сферическая антенна (рис.6) с точечным облучателем.

В этом случае однородное волновое уравнение будет иметь вид:

также аналогичный уравнению (5), но используя оператор в сферических координатах. Раскрывая его, можно получить дифференциальное уравнение 2-го порядка, так называемое сферическое уравнение Бесселя, решение которого при отсутствии отраженной волны записывается в виде

,

где - сферическая функция Бесселя 1-го рода -го порядка.

Она выражается через так называемую сферическую присоединительную функцию Лежандра.

5. Параметры распространения ЭМВ

1. Вид ЭМВ.

2. Скорость распространения ЭМВ.

3. Поляризация ЭМВ.

4. Дисперсия ЭМВ.

6. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Электромагнитные волны, как и любой колебательный процесс, характеризуется амплитудой, фазой и частотой. Однако, для полного описания этих трех параметров оказывается недостаточно. Существенным параметром для волнового процесса является поляризация электромагнитных волн.

Под поляризацией понимают закон изменения направления и величины вектора Е за период колебаний.

Рассмотрим виды поляризации, для чего введем понятие плоскости поляризации.

Плоскостью поляризации называется плоскость, проведенная через вектор Е и направление распространения волны (вектор П) (рис.7).

Если при распространении плоской волны изменение во времени вектора Е по величине и направлению не приводит к изменению ориентации плоскости поляризации в пространстве, то волна называется линейно-поляризованной. При этом поляризация называется вертикальной, если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости XOY. Поляризация называется горизонтальной, если плоскость поляризации параллельна плоскости XOY. Другие случаи линейной поляризации описывают наклонную поляризацию. Она характеризуется углом наклона относительно плоскости XOY (рис.8.а).

В тех случаях, когда пространственное положение плоскости поляризации изменяется, поляризация называется вращающейся.

Если вектор Е остается постоянным по величине, но вращается с угловой скоростью в картинной плоскости (перпендикулярной направлению распространения волны), то поляризация называется круговой. При этом волна считается правого вращения, если, смотря по направлению распространения волны вектор Е поворачивается по часовой стрелке. В другом случае (вращение против часовой стрелки), волна левой поляризации (рис.8.б).

Если вектор Е за период изменяет свою амплитуду совместно с поворотом плоскости поляризации, волна называется эллиптически поляризованной (рис.8.в).

На рис.8 показаны также и годографы вектора Е.

Для создания волн с вращающейся поляризацией часто используют сумму двух ортогональных линейно поляризованных волн с одинаковыми частотами:

,

.

Обозначим j=j_x-j_y, тогда суммируя эти два колебания, возведя в квадрат левую и правую части, получим

а б в

Рис.8

Это уравнение кривой второго порядка.

При этом, если сдвиг фаз j=j_x-j_y=p/2 и амплитуды колебаний равны между собой E_mx=E_my=E_m, то получим уравнение окружности

,

то есть, для создания волны с круговой поляризацией можно использовать сумму двух линейно поляризованных колебаний равных амплитуд со сдвигом фаз p/2.

Если взять два колебания с разными амплитудами и фазовым сдвигом p/2, получим уравнение эллипса. Аналогично уравнение эллипса получается, если суммировать два линейно поляризованных колебания с одинаковыми амплитудами и фазовым сдвигом 0<j<p/2.

Поляризационная обработка сигналов широко используется в радиолокации (ПРЛ-6М2 и ПРЛ-10МН) для устранения отражений от метеообразований. В посадочном радиолокаторе ПРЛ-6М2 применяется поляризационная решетка с электрическим приводом перед облучателем, а в ПРЛ-10 МН – с ручным поворотом. В радиосвязи – для устранения поляризационных замираний в тропосферной и космической связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате изучения материала настоящей лекции получено представление о волнах, волновом процессе и плоских ЭМВ. Изучили структуру поля волны, различные виды фазовых фронтов. Следующее занятие будет посвящено изучению параметров распространения ЭМВ в различных неограниченных средах. Поляризационные свойства радиоволн широко применяются в радиотехнике.