Теоретическое обоснование параметров исходных телевизионных сигналов для их цифрового представления

Источниками телевизионных сигналов при передаче из студий программных телецентров являются ТВ передающие камеры. В них формируются три аналоговых сигнала основных цветов U^*_R, U^*_G, U^*_B, хотя уже выпускаются камеры с выходами указанных (или других) сигналов в цифровом виде.

Будем исходить из того, что первичная обработка аналоговых сигналов осуществляется в аппаратной. Как известно [3, 4, 8, 9], спектральные характеристики чувствительности S_R (λ), S_G (λ), S_B (λ) трех датчиков (например, ПЗС-матриц), включая светоделительную оптику камеры, должны соответствовать кривым смешения в системе основных цветов приемника. Для этого в камере требуется восемь датчиков. Чтобы ее не усложнять в характеристиках S (λ), реализуют только основные положительные участки, а нереализуемые побочные положительные и отрицательные частично компенсируются в цветокорректирующей матрице, в которой формируются сигналы , , . Последние (после гамма-коррекции с показателем γ) обеспечивают наилучшее воспроизведение эталонных тестовых изображений.

Затем в кодирующей матрице с целью обеспечения совместимости с системой чёрно-белого телевидения образуются три сигнала , , . Один из них – сигнал яркости (СЯ) передаёт информацию только о яркости. Он формируется из гамма-корректированных сигналов основных цветов , , по принятому для ТСЧ выражению

(1.16)

а два других – цветоразностных сигнала (ЦРС) U'_R_-_Y и U'_B_-_Y передают информацию о цветности (цветовом тоне и насыщенности):

(1.17)

(1.18)

Каждый из них на выходе кодирующей матрицы занимает ширину полосы частот 0…6 МГц в соответствии с межгосударственным стандартом (РФ и РБ) на систему ТВ вещания [6]¹⁾. По этому же стандарту и рекомендациям МСЭ на цифровое ТСЧ и ТВЧ значение γ = 0,45.

¹⁾С целью упрощения записи в дальнейшем показатель гамма-коррекции в сигналах основных цветов будет обозначаться U',и только там где это принципиально важно – .

Формирование СЯ по выражению (1.16) указывает на его отличие от . Очевидно, что U'_Y ≠ . Это одна из причин того, что принцип постоянной яркости выполняется не полностью [8]. Представление информации о цвете с помощью (СЯ) и двух ЦРС оказалось настолько продуктивным и оптимальным решением, что оно используется не только в аналоговых системах цветного ТВ вещания (NTSС, PAL, SECAM), но и в цифровых системах как ТСЧ, так и ТВЧ.

Во-первых, разрешающая способность зрения человека к цветным деталям в 3 – 4 раза меньше (зависит от цвета), чем к чёрно-белым. Поэтому полосу частот ЦРС можно во столько же раз сократить (до 1,3 МГц в NTSC, PAL, SECAM).

Во-вторых, зрение более чувствительно к искажению яркости, менее – к искажению цветового тона и ещё менее – насыщенности. Поэтому информация о яркости передаётся только одним сигналом – , в отличие от варианта передачи сигналов основных цветов , и , каждый из которых передаёт информацию о яркости своего цвета. Вариант передачи сигналов , и также уступает выбранному.

В-третьих, три ЦРС по сравнению с сигналами основных цветов являются линейно зависимыми друг от друга. Поэтому третий ЦРС не передаётся и формируется непосредственно в приёмнике (телевизоре) из двух принятых:

(1.19)

Преимущество ЦРС состоит и в том, что при чёрно-белых сюжетах они обращаются в ноль.

Полученные сигналы в телевизоре подвергаются обратному матрицированию – каждый ЦРС суммируется с СЯ. Образуются три сигнала основных цветов , и , пригодные для подачи на кинескоп или другое воспроизводящее устройство.

Полученные сигналы основных цветов не полностью идентичны тем, которые были на выходе ТВ передающей камеры (см. на рисунке 1.1). Объясняется это не только тем, что сигналы при передаче искажаются под действием помех и неидеальности характеристик. Здесь речь идет о так называемых системных ограничениях, которые сознательно закладываются в систему при ее проектировании и разработке. Одним из них является сокращение полосы частот ЦРС с 6 МГц до 1,3 МГц. Поэтому сигналы , и получаются следующими:

(1.20)

где индексами НЧ и ВЧ обозначены низкочастотные (0…1,3 МГц) и высокочастотные (1,3…6 МГц) компоненты сигналов.

Следовательно, в кодирующем устройстве сигналы основных цветов занимают полосу частот от 0 до 6 МГц, т. е. и крупные и мелкие детали представлены в цвете, а на приемной стороне мелкие детали, соответствующие как следует из выражения (1.20) ВЧ компонентам 1, 3…6 МГц, воспроизводятся черно-белыми.

В цифровом телевидении также учитываются особенности цветового зрения для сокращения полосы частот ЦРС, но, как будет показано в п. 1.5, здесь предусмотрены четыре режима (или формата).

Таким образом, СЯ и ЦРС (называемые еще компонентными сигналами) согласованы со свойствами зрения, с простотой формирования сигналов основных цветов в телевизоре и поэтому их можно считать исходными для формирования канального сигнала с целью его передачи по открытому пространству (радиоканалу) или по какой-нибудь направляющей среде (металлическому или волоконно-оптическому кабелю).

Системы цифрового ТВ вещания независимо от вида канала являются компонентными и обеспечивают одновременную передачу нескольких цифровых ТВ программ и дополнительных данных путем временного уплотнения (ВРК) компрессированных цифровых сигналов СЯ и ЦРС, а также стереофонического звукового сопровождения и звукового вещания.

В аналоговых системах ТВ вещания принципиально нет другой возможности передавать ЦРС кроме как в пределах полосы частот СЯ (примерно от 3 до 6 МГц для стандартов D/K и L).Для этого путем модуляции цветовой поднесущей одновременно двумя ЦРС (NTSC и PAL) или поочередно через строку одним (SECAM) формируют сигнал цветности (СЦ) и суммируют его с СЯ так, чтобы их дискретные спектры перемежались (нестандартное частотное разделение каналов). Образующийся полный цветовой ТВ сигнал (СЦС – сигнал цветовой синхронизации) называется композитным (composite), как и сами системы цветного телевидения.

В этом и состоит одно из многих различий компонентных цифровых и композитных аналоговых систем ТВ вещания. Практически все виды искажений, присущие совместной передаче в общей полосе частот СЯ и СЦ и проанализированные в [8, 9, 14, 15], отсутствуют в цифровых системах ТВ вещания.

В цифровом телевидении возможны и другие варианты обработки сигналов, например в цифровой вид преобразуют аналоговые сигналы U^*_R, U^*_G и U^*_B, а все остальные операции осуществляют над цифровыми сигналами [21, 24]. Качество воспроизводимого изображения при этом самое высокое, но полосы частот трех сигналов должны быть одинаковыми и их нельзя сокращать. А это требует большей скорости цифрового потока (по сравнению с вариантом , , ) и, как следствие, усложняется обработка сигналов и увеличивается объем памяти для хранения информации. Этот вариант рекомендуется для международного обмена ТВ программами.

Относительные значения аналоговых сигналов основных цветов, СЯ и ЦРС при передаче вертикальных цветных полос с номенклатурой 100/0/100/0, рассчитанных по выражениям (1.16)…(1.18), приведены в таблице 1.6, а временные диаграммы – на рисунке 1.5 (см. тж. рисунок 1Ц1 и 1Ц2 на цветной вклейке). Из нее следует, что сигналы , , и (без синхроимпульсов) принимают значения от 0 до 1. Во всех странах, использующих стандарт разложения на 625 строк, принято, что указанные сигналы на нагрузке 75 Ом создают напряжение 700 мВ, а вместе с синхросигналом (в одном из сигналов, например ) – 1 В (1000 мВ). Здесь учтено отношение уровней синхросигнала и видеосигнала, равное 3:7 [3, 4, 6, 9, 10].

В США (и других странах, использующих стандарт на 525 строк) отношение этих уровней составляет 4:10. Это различие стало причиной того, что при том же размахе полного сигнала в 1 В, расстояние между уровнями гашения и белого составляет не 700 мВ, а 1000 × 10/14 = 714,285714 мВ. Это число не только трудно для запоминания, но и неудобно для практического применения. Поэтому институт радиоинженеров США (IRE) ввел специальную единицу измерения, которую так и назвали – единица IRE.

Одна единица IRE равна 7,14 мВ, разница уровней белого и гашения составляет 100 IRE, а размах полного сигнала равен 140 IRE. Защитный интервал между уровнями черного и гашения составляет 7,5 IRE (53,6 мВ).

Из таблицы 1.6 также следует, что относительные значения находятся в пределах от минус 0,701 до +0,701, а – от минус 0,886 до +0,866. Поскольку сигналы и являются двуполярными, их значения необходимо нормализовать так, чтобы размах каждого равнялся размаху СЯ (1,0 отн. ед., т. е. 700 мВ). Для этого они должны изменяться от минус 0,5 (350мВ) до + 0,5 (+350 мВ), т. е

(1.21)

Таблица 1.6 – Относительные значения сигналов основных цветов, СЯ и нормированных ЦРС

Цвет	U^'_R	U^'_G	U^'_B	U^'_Y	U^'_R-Y	U^'_B-Y	P_r	P_b
Белый	1,0	1,0	1,0	1,0	0	0	0	0
Желтый	1,0	1,0	0	0,886	0,114	–0,886	0,081	–0,5
Голубой	0	1,0	1,0	0,701	–0,701	0,229	–0,5	0,168
Зеленый	0	1,0	0	0,587	–0,587	–0,587	–0,418	–0,33
Пурпурный	1,0	0	1,0	0,413	0,587	0,587	0,418	0,33
Красный	1,0	0	0	0,229	0,701	–0,229	0,5	–0,168
Синий	0	0	1,0	0,114	–0,114	0,886	–0,081	0,5
Черный	0	0	0	0	0	0	0	0

а – СЯ; б – нормированные ЦРС P_r; в – P_b

Рисунок 1.5 – Временные диаграммы

Учитывая (1.21) и данные таблицы 1.6, определим численные значения коэффициентов k_r и k_b:

(1.22)

Учитывая (1.17, 1.18) и (1.22), находим формулы, устанавливающие взаимосвязь между сигналами основных цветов , , и и нормированными ЦРС P_r и P_b:

(1.23)

Аналогично (1.20) в телевизоре из СЯ и ЦРС P_r и P_b образуют сигналы основных цветов (для подачи на кинескоп или другое воспроизводящее устройство) по выражениям:

(1.24)

Необходимо отметить, что в цифровом ТВ исходные аналоговые ЦРС , , а следовательно, и P_r, P_b в зависимости от формата их цифрового представления (см. п. 1.5) могут иметь ширину полосы, равную 5,75; 2,375 или 1,375 МГц.