Параметры цифровых компонентных сигналов

Компонентные цифровые сигналы (т. е. после АЦП) принято обозначать Y, C_r, C_b. В рекомендации МСЭ-Р [30] для записи кодовых слов используется двоичная, десятеричная (d) и шестнадцатеричная (h) формы записи. Первоначально в ЦТВ применялось квантование на 256 (М = 0, 1,…, 255) уровней и восьмиразрядное кодирование (m = 8).Потом в связи с выпуском ТВ камер с отношением сигнал/шум 60 – 65 дБ возникла необходимость перехода на М = 1024 и соответственно на 10-разрядное кодирование. Чтобы избежать возможной путаницы между 8-разрядным и 10-разрядным представлением в Рекомендации МСЭ-Р [30] уровни квантования приведены в дробно-десятичном представлении (см. рисунок 1.5) и соответствуют 8- и 10-разрядному кодированию. При этом восемь старших разрядов (до десятичной точки) записываются как целая часть числа (при m = 8), а два дополнительных бита (цифры после десятичной точки), если они есть, записываются как его дробная часть, т. е. являются двумя младшими разрядами с шагом 0,25. Если дробная часть отсутствует, принимается, что её двоичное значение равно нулю.

m =10

Например, число 165,75 d = 10100101,11 ₂;

10100101,00 при m = 8 есть 165 уровень,

10100101,00 при m = 10 → 165×4 = 660 уровень,

10100101,11 при m = 8 → 165,75 уровень, что указывает на то, что при m = 8 этот уровень ближе к 166-му, таким он и будет в 8-разрядном АЦП.

10100101,11 при m = 10 → 165,75×4 = 663 уровень.

В рекомендации МСЭ-Р [30] уровни 0,00 d и 255,75 d зарезервированы для передачи данных синхронизации, уровни от 1,00 d до 254,75 d используются для видеосигнала. В соответствии с этой рекомендацией СЯ должен занимать только 220 8-разрядных (m = 8) или 877 10-разрядных (m = 10) уровней, а уровню чёрного соответствовать значение 16,00 d. При этом десятичные значения квантованного сигнала яркости Y вычисляются по выражению

Y = int{(219 U' _Y + 16) D }/ D, (1.25)

где D принимает значения 1 или 4 при m = 8 и m = 10 соответственно.

Оператор int() в выражении (1.23) присваивает значение 0 дробным частям в диапазоне от 0 до 0,4999 и +1 для дробных частей в диапазоне от 0,5 до 0,999, т. е. он округляет в большую сторону дробные части, превышающие 0,5.

Учитывая, что ЦРС должны занимать 255 8-разрядных или 897
10-разрядных уровней и что нулевым должен быть уровень 128,00 d (поскольку ЦРС двуполярны, см. рисунок 1.5), десятичные значения квантованных ЦРС C_R и C_B вычисляются по выражениям

C_R = int{( 224 U'_CR + 128) × D }/ D, (1.26)

C_B = int{( 224 U'_CB + 128) × D }/ D (1.27)

Чтобы от уровней в дробно-десятичном представлении (на рисунке 1.5 справа) перейти к разрешенным при m = 8, необходимо дробные значения, равные и превышающие 0,5, округлить до целого значения, а меньшие 0,5 – до нуля. Для перехода к разрешенным уровням при m = 10 необходимо дробно-десятичные значения уровней умножить на 4.

Значения основных параметров кодирования СЯ и ЦРС для ТСЧ в форматах 4:4:4 и 4:2:2 приведены в таблицах 1.8 и 1.9 соответственно. Значения основных параметров цифрового представления компонентных сигналов ТВЧ при различных видах развёртки приведены в таблице 1.10.

Временные соотношения между аналоговой и цифровой строками приведены на рисунке 1.11. В режиме 4:2:2 (рисунок 1.11) данные передаются в мультиплексированном виде со скоростью 270 Мбит/с: десятиразрядные кодовые слова следуют с периодом Т _кс = 1/(27∙10⁶) = 0,037… мкс, т. е. в интервале Т _Д. _Y нужно представить четыре кодовых слова. Частота дискретизации является 864-й (или 858-й) гармоникой частоты строк для стандартов 625/50 (или 525/59,94), поэтому в полной цифровой строке будет 864 (858) отсчётов сигнала яркости (таблицы 1.8 и 1.9). При этом в активной части строки обоих стандартов используется одинаковое число отсчётов 720 (0 – 719).

Активная часть цифровой строки образует блок из 1440 кодовых слов (720 Y + 360 C_b + 360 C_r) мультиплексированных видеоданных в следующей последовательности: C_b, Y, C_r, Y …. Группа C_b, Y, C_r представляет собой значения (в двоичном коде) сигнала яркости и цветоразностных сигналов одного пикселя (элемента изображения); для следующего за ним элемента передается только значение сигнала яркости (без ЦРС).

В течение цифровой строки передается два опорных синхросигнала TRS (Timing Reference Signals) (рисунки 1.11 и 1.12: один – перед началом каждой активной строки – НАС (Start of Active Video, SAV), т. е. в конце строчного гасящего интервала, а другой – после окончания каждой активной строки – конец активной строки – КАС (End of Active Video, EAV). Каждый из синхросигналов HAC и KAС состоит из последовательности четырех 10-разрядных (m = 10) кодовых слов (КС) длительностью 4 T _KC (рисунок 1.13). Первое состоит из 10 двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 1023 (при m = 8 будет 255).

а – аналоговая строка; б – цифровая строка; в – мультиплексированные

данные (в режиме 4:2:2)

Рисунок 1.11 – Временные соотношения для сигналов ТСЧ

Таблица 1.8 – Значения основных параметров кодирования для формата 4:4:4

Параметры

Системы с 625/50i

Системы с 525/60i

1. Кодированные сигналы: Y, C_r, C_r или R, G, B

Получены из гамма-корректированных сигналов: U’_Y, U’_R-Y, U’_B-Y или , , .

2. Число отсчетов в полной строке для каждого сигнала

864

858

3. Структура дискретизации

Ортогональная для строк, полей и кадров. Три структуры дискретизации должны быть совмещены друг с другом и со структурой дискретизации сигнала яркости.

4. Частота дискретизации для каждого сигнала

13,5 МГц

5. Вид кодирования

Равномерная ИКМ, 8 или 10 бит на отсчет

6. Число отсчетов в активной части строки

По 720 для каждого сигнала

7. Связь между аналоговой и цифровой синхронизацией строк

12 периодов синхронизации

16 периодов синхронизации

8. Соответствие между уровнями видеосигнала и квантования: – шкала; – R, G, B или Y; – каждого ЦРС

От 0,00 d до 255,75d

220 (8-разрядных) или 877 (10-разрядных) уровней квантования с уровнем черного, соответствующим уровню 16,00 d и пиком уровня белого, соответствующего уровню 235,00 d. Уровень сигнала может иногда превышать уровень 235,00 d или быть ниже уровня 16,00 d.

225 (8-разрядных) или 897 (10-разрядных) уровней квантования; в центральной части шкалы квантования нулевому сигналу соответствует уровень 128,00 d. Уровень сигнала может иногда превышать уровень 240,00 d или быть ниже уровня 16,00 d.

9. Используемые кодовые слова

Кодовые слова, соответствующие уровням квантования 0,00 d и 255,75 d, используются только для синхронизации. Уровни с 1,00 d по254,75 d используются для видеосигнала. Если 8-разрядные слова интерпретируются в 10-разрядные, к ним нужно добавить два младших, равных нулю, разряда.

Таблица 1.9 – Значения основных параметров кодирования для формата 4:2:2

Параметры	Системы с 625/50i	Системы с 525/60i
1. Кодированные сигналы: Y, C_r, C_b	Получены из гамма-корректированных сигналов: U’_Y, U’_R-Y, U’_B-Y.
2. Число отсчетов в полной строке: – сигнала яркости, Y; – каждого ЦРС (C_r, C_b)	864 423	858 429
3. Структура дискретизации	Ортогональная для строк, полей и кадров. Отсчеты C_r, C_b пространственно совмещены с нечетными отсчетами (1-й, 3-й, 5-й и т. д.) сигнала Y в каждой строке.
4. Частота дискретизации: – сигнала яркости; – каждого ЦРС	13,5 МГц 6,75 МГц
5. Вид кодирования	Равномерная ИКМ, 8 или 10 разрядов на отсчет для сигнала яркости и каждого ЦРС
6. Число отсчетов в активной строке: – сигнала яркости; – каждого ЦРС	720 360
7. Связь между аналоговой и цифровой синхронизацией строк от конца активной цифровой строки до момента О_Н	12 периодов синхронизации	16 периодов синхронизации
8. Соответствие между уровнями видеосигнала и квантования: – шкала; – сигнал яркости; – каждый ЦРС	От 0,00 d до 255,75 d 220 (8-разрядных) или 877 (10-разрядных) уровней квантования с уровнем черного, соответствующим уровню 16,00d и пиком уровня белого соответствующего уровню 235,00d. Уровень сигнала может иногда превышать уровень 235,00d или быть ниже уровня 16,00d. 225 (8-разрядных) или 897 (10-разрядных) уровней квантования; в центральной части шкалы квантования нулевому значению ЦРС соответствует уровень 128,00 d. Уровень сигнала может иногда превышать уровень 240,00 d или быть ниже уровня 16,00 d.
9. Используемые кодовые слова	Кодовые слова, соответствующие уровням квантования 0,00 d и 255,75 d используются только для синхронизации. Уровни с 1,00 d по254,75 d используются для видеосигнала. Если 8-разрядные слова интерпретируются в 10-разрядные, к ним нужно добавить два младших, равных нулю, разряда.

Таблица 1.10 – Значения основных параметров цифрового представления сигналов ТВЧ

Параметр

Значения, обозначающие системы

60 p

30 p

30 psf

60 i

50 p

25 p

25 psf

50 i

24 p

24 psf

1. Порядок представления отсчетов в системе с разверткой

Слева направо, сверху вниз

В чересстрочных системах и системах с сегментным кадром первая активная строка поля 1
расположена вверху изображения

2. Полное число строк

1125

3. Частота полей/ кадров/сегментных кадров, Гц

60 (60/1,001)

30 (30/1,001)

(60/1,001)

(24/1,001)

48 (48/1,001)

4. Коэффициент чересстрочности

1:1

2:1

1:1

2:1

1:1

5. Частота кадров, Гц

60 (60/1,001)

(30/1,001)

(24/1,001)

6. Частота строк ¹⁾, Гц

67500 (67500/1,001)

33750

(33750/1,001)

56250

28125

27000

(27000/1,001)

7. Число отсчетов на полную строку: – R, G, В, Y; – C_r, C_b

2200

1100

2640

1320

2750

1375

8. Номинальная полоса аналоговых сигналов ²⁾, МГц

9. Частота дискретизации – R, G, В, Y, МГц

148,5 (148,5/1,001)

74,25

(74,25/1,001)

148,5

74,25

(74,25/1,001)

10. Частота дискретизации ³⁾ – C_r, C_b, МГц

74,25 (74,25/1,001)

37,125

(37,125/1,001)

74,25

37,125

(37,125/1,001)

Примечания: ¹⁾ – допуск на частоты ± 0,001%. ²⁾ – полоса частот для всех компонентов. ³⁾ – частота дискретизации сигналов С_B, С_R равна половине частоты дискретизации сигнала яркости

Рисунок 1.12 – Состав сигналов Y, C_R, C_B и мультиплексированные данные в интервале СГИ

Проверочные биты

Рисунок 1.13 – Состав и значения опорных синхросигналов НАС и КАС

Следующие два КС равны нулю. Назначение двоичных разрядов последнего (четвертого) КС поясняется на рисунке 1.13 справа. Сигнал F идентифицирует номер поля. Его значение F = 0 соответствует первому полю (строка номер 1 по стандарту [6]), а F = 1 (строка 313) – второму полю. Сигнал V определяет начало и конец цифрового интервала гашения поля. В первом поле его значение V = 1 соответствует началу (строка 624), а V = 0 (строка 23) – концу интервала гашения; во втором поле V = 1 (строка 311) и V = 0 (строка 336). Сигнал H принимает значения H = 0 для НАС и H = 1 для КАС. В соответствии с [30] номер цифровой строки изменяется до момента 0 _H (см. рисунки 1.11, 1.12).

Для обеспечения совместимости с существующими 8-разрядными интерфейсами, значения разрядов D ₀ и D ₁ не определены. Значения проверочных битов P ₀… P ₃, зависящие от значения F, V и H, приведены в таблице 1.11. В последних двух столбцах этой таблицы даны десятичная и шестнадцатеричная записи числа, передаваемого в четвертом КС синхросигнала, которое может иметь восемь допустимых значений. Проверочные биты позволяют исправить в приемнике однобитовые ошибки и обнаруживать двубитовые.

В интервалах от КАС до НАС видеоинформация не передается. Эти интервалы заполняются либо последовательностью уровней гашения; 128,00, 16,00, 128,00, 16,00 и т. д., либо какими-то дополнительными данными произвольного типа (например, преобразованными в цифровую форму сигналами звукового сопровождения).

Таблица 1.11 – Значения проверочных битов

D9	F	V	H	P3	P2	P1	P0	Шестнадцатеричная запись	Десятичная запись
1	0	0	0	0	0	0	0	80	128
1	0	0	1	1	1	0	1	9D	157
1	0	1	0	1	0	1	1	AB	171
1	0	1	1	0	1	1	0	B6	182
1	1	0	0	0	1	1	1	C7	199
1	1	0	1	1	0	1	0	DA	218
1	1	1	0	1	1	0	0	EC	236
1	1	1	1	0	0	0	1	F1	241

Сформированные компонентные цифровые сигналы яркости Y и цветоразностные C_R и C_B подаются на блок U 3 предварительной обработки (БПО на рисунке 1.6), в котором осуществляются операции по временному уплотнению сигналов в форматах 4:2:2, 4:2:0 или 4:1:1.

В качестве примера рассмотрим процесс уплотнения в последовательный поток данных цифровых компонентных сигналов формата 4:2:2 (рисунок 1.14). На рисунке приведены несколько кодовых слов СЯ: Y 0, Y 1, Y 2, Y 3, ЦРС C_B 0, C_B 1 и ЦРС C_R 0, C_R 1, раздельно поступающих на блок БПО (рисунок 1.14, а, б, в). Длительность кодовых слов (КС) определяется частотой дискретизации и для формата 4:2:2 равна 74,(074) нс (Y) и 148,(148) нс (C_R, C_B). При их временном уплотнении кодовые слова должны иметь длительность 37,(037) нс (рисунок 1.14, г). Порядок следования КС определен рекомендацией МСЭ-Р [30]: C_B 0, Y 0, C_R 0, Y 1 и т. д. Следовательно, КС Y 0 сигнала яркости в БПО сжимается по времени в 2 раза и задерживается на 37 нс. Кодовое слово C_B 0 сжимается в 4 раза, во столько же раз сжимается кодовое слово C_R 0 и задерживается на 74,(074) нс. Длительность тактового интервала в уплотненном потоке равна 3,7(037) нс, что соответствует скорости 270 Мбит/с.

Аналогичным способом производится мультиплексирование и для формата 4:2:0 (рисунок 1.15), в котором последовательный цифровой поток SDI образуется в n -ойстроке путем временного уплотнения цифровых сигналов Y и C_B, а в n +1-ой – Y и C_R.

После MPEG кодирования в блоке U 4 образуется элементарный цифровой поток со скоростью от 1,5 до 15 Мбит/с (в зависимости от конкретного назначения системы ЦТВ), который подается на первый мультиплексор U 5. На него поступают также цифровые стереофонические сигналы звукового сопровождения, звукового вещания, дополнительных данных, а также синхросигналы НАС и КАС.

На выходе мультиплексора U 5 образуется программный поток, который уплотняется с другими программными потоками во втором мультиплексоре U 12, на который подаются данные таблиц сервисной информации (PSI) и условного доступа. Скорость транспортного потока (ТП) варьируется от 30 до 60 Мбит/с в зависимости от назначения системы (НЦТВ, МЦТВ, КЦТВ, СЦТВ) и допустимого числа уплотняемых программ. Полученный транспортный поток в соответствии со схемой на рисунке 1.1 подается на кодер канала, а затем на модулятор соответствующей системы ЦТВ.

В ТВЧ аналоговый ТВ сигнал приведен на рисунке 1.16, а. Отличительной особенностью этого сигнала является форма синхросигнала в виде трехуровнего биполярного импульса. Ниже показано расположение цифровых строк: сигнала Y (рисунок 1.16, б); точно таким же образом могут располагаться три параллельных потока цифровых R, G, B сигналов. Уплотненные во времени цифровые ЦРС C_B и C_R приведены на рисунке 1.16, в.

По аналогии с мультиплексированием цифровых сигналов ТСЧ осуществляется временное уплотнение цифровых сигналов ТВЧ. В качестве примера на рисунке 1.17 приведено временное уплотнение компонентных цифровых сигналов в формате 4:2:2.

а – сигнал яркости Y; б – цифровые ЦРС C_B, C_R; в – последовательный
поток данных

Рисунок 1.14 – Временное уплотнение компонентных цифровых сигналов в формате 4:2:2 (ТСЧ)

а – сигнал яркости Y; б – цифровые ЦРС C_B, C_R; в – SDI-поток

Рисунок 1.15 – Временное уплотнение компонентных цифровых сигналов в формате 4:2:0 (ТСЧ)

В системах ТВЧ в соответствии с Рекомендацией ITU-R BT.1361 [31] преобразование сигналов основных цветов , , в , , выполняется по следующим формулам:

(1.28)

Относительные значения аналоговых сигналов основных цветов, СЯ и ЦРС при передаче вертикальных цветных полос с номенклатурой 100/0/100/0, рассчитанных по выражению (1.21), приведены в таблице 1.7. Из нее следует, что сигналы U'_R, U'_G, U'_В и U'_Y (без синхроимпульсов) принимают значения от 0 до 1. Как было отмечено выше, указанные сигналы на нагрузке 75 Ом создают напряжение 700 мВ, а вместе с синхросигналом (в одном из сигналов, например U'_Y) – 1 В (1000 мВ).

Из таблицы 1.12 следует, что относительные значения U'_R_-_Y находятся в пределах от минус 0,7874 до +0,7874, а U ^' _B_-_Y – от минус 0,9278 до +0,9278. Поскольку сигналы U ^' _R_-_Y и U ^' _B_-_Y являются двуполярными, их значения необходимо нормализовать так, чтобы размах каждого равнялся размаху СЯ (1,0 отн. ед., т. е. 700 мВ).

Таблица 1.12 – Относительные значения сигналов основных цветов, СЯ и

ЦРС

Состояние
Белый Черный	1,0 0,0	1,0 0,0	1,0 0,0	1,000 0,000	0,000 0,000	0,0000 0,0000	0,0000 0,0000	0,0000 0,0000
Красный Зеленый Синий	1,0 0,0 0,0	0,0 1,0 0,0	0,0 0,0 1,0	0,2126 0,7152 0,0722	0,7874 −0,7152 −0,0722	−0,2126 −0,7152 0,9278	0,5000 −0,4541 −0,0458	0,1145 −0,3854 −0,5000
Голубой Пурпурный Желтый	0,0 1,0 1,0	1,0 0,0 1,0	1,0 1,0 0,0	0,7874 0,2848 0,9278	−0,7874 0,7152 0,0722	0,2126 0,7152 −0,9278	−0,5000 0,4541 0,0458	−0,1145 0,3854 0,5000