Телевизионные системы с уплотнением во времени

Рассмотренные выше системы передачи цветного ТВ изображения NTSC, PAL, SECAM имеют общий признак – они изначально должны были удовлетворять требованиям совместимости с системой черно-белого телевидения. Вместе с тем, попытки избавить их от некоторых характерных недостатков привели к использованию принципа последовательной во времени передачи сигналов цветного ТВ изображения. Проводимые в этом направлении исследования имели целью улучшить цветопередачу, в особенности, в условиях плохого приема, улучшить качество передачи многоканального звукового сопровождения, снизить уровень перекрестных искажений между сигналами яркости и цветности.

В 1980 г. способ передачи ТВ сигнала под названием MAC (Multiplexed Analogue Components) был представлен в Великобритании фирмой IBA (Independent Broadcasting Authority). Идея тогда заключалась в разработке единой для всей Европы системы спутникового ТВ вещания. Стандарт MAC позволяет получить улучшенное изображение на экране телевизора по сравнению с системами PAL, SECAM, NTSC, но требует несколько большей полосы частот — она определяется спектром сжатой яркостной компоненты и достигает значения 8,4 МГц. А с учетом высокочастотных предыскажений, вводимых на передающей стороне, полоса пропускания радиоканала для приема сигнала D2-MAC без потери четкости должна составлять не менее 10 МГц.

В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, D-MAC, D2-MAC, Е-МАС для телевидения повышенного качества и HD-MAC и HDB-MAC для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Остановимся подробнее на стандарте D2-MAC, получившем в свое время широкое распространение.

Система D2-MAC заняла достойное промежуточное место на пути к внедрению цифрового ТВ вещания. По сравнению с традиционными аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC для системы D2-MAC характерны следующие признаки:

• отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цветности;

• значительно снижены шумы от ЧМ канала в сигнале цветности благодаря его переводу в область низких частот;

• сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой слу­жебной и дополнительной информации передаются в цифровой форме;

• повышена четкость изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.

Осциллограмму строки ТВ сигнала в системе D2-MAC (рис. 7.8) можно разделить на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течение активной части строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала (звук, синхронизация, телетекст и др.) объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода по строке и по кадру. Рассмотрим структуру сигналов, передаваемых на одной ТВ строке в системе D2-MAC, показанную на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Осциллограмма строки ТВ сигнала в системе D2-MAC

Начальную часть строки, составляющую около 17,2 мкс, занимает один из цветоразностных сигналов, которые передаются поочередно через строку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая занимает около 34,4 мкс. Эти аналоговые сигналы имеют одну особенность по сравнению с обычными – они передаются в сжатом во времени виде: цветоразностные сигналы сжимаются в 3 раза, а сигнал яркости – в 1,5 раза.

Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием с некоторой тактовой частотой (6,75 МГц для цветоразностных компонент и 13,5 МГц для яркостной составляющей). Полученные сигналы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего происходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой (20,25 МГц). Цифровые данные передаются в так называемом дуобинарном (трехуровневом) коде. В отличие от бинарного (двухуровневого), в нем логической единице соответствует импульс положительной или отрицательной полярности. Логическому нулю соответствует импульс нулевой амплитуды. Применение такого кодирования в два раза снижает требуемую ширину полосы пропускания для данной скорости передачи данных, которая составляет 10,125 Мбит/с. Обратный ход, в течение которого передаются цифровые данные, занимает интервал порядка 10 мкс. Тактовая частота также составляет 20,25 МГц. Между цифровыми данными и цветоразностным сигналом передается аналоговая площадка для фиксации уровня длительностью около 0,7 мкс и со значением сигнала, равным 0,5 максимального размаха яркостного и цветоразностного сигналов.

Следует отметить, что в стандарте D2-MAC поддерживаются два формата экрана: 4:3 и 16:9. Также предусмотрено три вида звукового сопровождения:

1) высококачественный стереофонический звук: 40...15000 Гц (два канала, частота дискретизации 32 кГц);

2) высококачественный монофонический звук: 40...15000 Гц (четыре канала, частота дискретизации 32 кГц);

3) монофонический звук среднего качества: 40...7000 Гц (восемь каналов, частота дискретизации 16 кГц).

Поэтому телезритель при приеме в системе D2-MAC может выбрать один из нескольких вариантов звукового сопровождения: стерео или моно, на том или ином языке.

Рис. 7.9. Схема кодирования сигнала в системе HD-MAC

В начале 90-х годов была предложена другая система ТВ вещания из семейства MAC – система HD-MAC, ориентированная на стандарт телевидения высокой четкости, со следующими основными характеристиками: 1125 строк разложения, частота полей 50 Гц при чересстрочной развертке. Формат кадра 16:9.

Особенность системы заключается в том, что она использует свойство зрения хуже замечать мелкие детали в быстро движущихся изображениях. На этом и основано сокращение количества информации, передаваемой на приемную сторону.

Чтобы сигнал мог быть передан по обычным спутниковым ТВ каналам, как это возможно для других систем, 1250-строчное изображение должно быть преобразовано в 625-строчное. Кодер выполняет это преобразование, но делает его адаптивным к движению. При этом ТВ кадр разделяется на отдельные фрагменты, которые после выполненной «оценки» движения передаются в приемное устройство с различной дискретностью во времени. Это позволяет уменьшить передаваемую информацию и ограничить полосу частот сигнала изображения.

Структурная схема кодера в системе HD-MAC показана на рис. 7.9. Кодирование изображения осуществляется по трем «каналам»: Малоподвижные части изображения кодируются так, что передаются с частотой полей 12,5 Гц (длительность поля 80 мс), однако с полной вертикальной четкостью 1250 строк. В областях с более быстрым движением объектов в кадре частота полей выбирается 25 Гц (40 мс) и в областях кадра, где движение оказывается интенсивным, частота полей равна 50 Гц (20 мс) и вертикальная четкость – 625 строк.

Детектор движения, имеющийся в кодирующем устройстве, анализирует изображение, разделяет его на фрагменты и выбирает необходимый режим кодирования. Эта дополнительная информация передается в приемное устройство во время кадрового гасящего импульса в виде специального вспомогательного сигнала DATV (Digital Assisted Television) со скоростью 20,25 Мбит/с с помощью дуобинарного кода. Приемник декодирует принятые сигналы и после обратной обработки восстанавливает исходный сигнал, соответствующий вертикальной четкости 1250 строк. Информация об изображении передается как последовательность отсчетов изображения, следующих с частотой дискретизации 20,25 МГц. Минимально необходимая полоса частот составляет, таким образом, 10,125 МГц. При передаче такого сигнала по спутниковому каналу полосой в 27 МГц требуется определенная нелинейная предкоррекция, позволяющая поднять уровень высокочастотных составляющих при передаче.

Упрощенный декодер системы HD-MAC не выделяет сигнал DATV из гасящего импульса, поэтому расшифровывает передаваемый сигнал исходя из существующего стандартного 625-строчного растра, т.е. в данном случае может воспроизводиться 625-строчный «аналог» передаваемого многострочного изображения. Передача звука и дополнительной цифровой информации в системе HD-MAC не отличается от остальных систем семейства MAC.