Цифровое кодирование

Квантованный сигнал,в отличие отисходного (аналогового), может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одногоинтервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код.

Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах (рис. 4). Для передачи в параллельной форме надо использовать n линий связи (в примере, показанном на рисунке n = 4). Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала дискретизации.

Рис. 4. Аналого-цифровое преобразование

3.2. Цифровое представление компонентного видеосигнала

Компонентный телевизионный видеосигнал может быть представлен в цифровой форме в соответствии с Рекомендацией ITU-R 601. Эта рекомендация устанавливает правила раздельной дискретизации, квантования и кодирования сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов R-Y (Сr) и B-Y (Сb). Частота дискретизации для яркостного сигнала Y установлена равной 13,5 МГц, для цветоразностных сигналов – 6,75 МГц, то есть частота дискретизации яркостного сигнала в 2 раза больше частоты дискретизации цветоразностных сигналов. Если взять, как принято, в качестве условной (базовой для иерархии цифровых стандартов) единицы частоту 3,375 МГц, то частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2, которое и дает часто используемое название стандарта.

Существуют и другие форматы представления компонентного сигнала в цифровом виде. Кодирование по стандарту 4:4:4 предполагает использование частоты 13,5 МГц для всех трех компонентов: R, G, В илиY, Сr, Сb (рис. 5).

Рис. 5. Кодирование компонентного видеосигнала (4:4:4)

Формат 4:4:4:4 описывает кодирование четырех сигналов (рис. 6), три из которых являются компонентами видеосигнала (R, G, В или Y, Сr, Сb), а четвертый (альфа-канал) несет информацию об обработке сигнала, например, о прозрачности изображения переднего плана при наложении нескольких изображений. Дополнительным четвертым сигналом может также быть сигнал яркости Y. Частота дискретизации всех сигналов – 13,5 МГц, т.е. все сигналы передаются в полной полосе частот.

Рис. 6. Кодирование компонентного видеосигнала (4:4:4:4)

3.3. Цифровое представление композитного видеосигнала

Композитный сигнал по системам PAL и NTSC дискретизируется с частотой 4fsc¹, равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. Рис. 7 иллюстрирует дискретизацию и квантование композитного телевизионного видеосигнала (в качестве сигнала показан сигнал цветных полос). В системе NTSC строка содержит 910 отсчетов, из которых 768 образуют активную часть цифровой строки. В системе PAL на интервал аналоговой строки приходится нецелое число отсчетов с частотой 4fsc. Это обусловлено тем, что в системе PAL помимо четвертьстрочного сдвига используется дополнительный сдвиг частоты поднесущей на частоту кадров (25 Гц).

Рис. 7. Кодирование композитного видеосигнала

Для сохранения непрерывного цифрового потока отсчетов, следующих с постоянной частотой 4fsc, в системе PAL длительность цифровой строки принята неравной длительности аналоговой строки. Все строки поля (за исключением двух) содержат по 1135 отсчетов, а две – по 1137. Скорость передачи данных для цифрового сигнала в системе NTSC составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL – 177 Мбит/с.

Контрольные вопросы

1. С чем связано появление разноликих стандартов — сначала черно-белого, а затем уже цветного телевидения?

2. Откуда родом 3 основные телевизионные системы?

3. Объясните принцип действия телевизионной системы SECAM.

4. Насколько PAL и SECAM снижают цветовую четкость по сравнению с NTSC?

5. Почему Россия не собирается уходить от SECAMа, несмотря на его недостатки?

6. На какой стандарт сейчас переходят телестудии США?

7. Дайте характеристику композитного видеосигнала.

8. Какие видеосигналы используются в видеомагнитофонах и камерах классов VHS (Video Home System) и Video-8?

9. В какой аппаратуре используется компонентный сигнал YUV и какое разрешение он обеспечивает?

10. Идет ли внедрение цифровых технологий в нашей стране?

11. Что можно сказать о потере качества перезаписи в аналоговых и цифровых системах? Приведите примеры.

12. Какие 3 основные операции надо выполнить для преобразования любого аналогового сигнала (звука, изображения) в цифровую форму?

13. Дайте определение дискретизации. Что такое частота дискретизации?

14. Что такое квантование?

15. Какая операция называется кодированием?

16. Как может быть представлен в цифровой форме компонентный телевизионный видеосигнал?

17. В каком соотношении находятся частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов?

18. Какие существуют разновидности формата представления компонентного сигнала в цифровом виде?

19. С какой частотой дискретизируется композитный сигнал по системам PAL и NTSC?

¹ Частота дискретизации композитного видеосигнала, равная учетверенной частоте цветовой поднесущей*. В PAL 4Fsc близко к 17,73 МГц, в NTSC к 14,31 МГц.