Функциональная схема устройства цифрового кодирования

Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирова­ния второго вида изображена на рис. 12.11. В состав этого устройства входят кодирующее устройство сигнала изображения (КУ) и мультиплексор (Мх).

Кодирующее устройство имеет три входа, на которые поступают аналого­вые сигналы основных цветов E_R(t), E_B(t), E_G(t) из блока камерного ка­нала. Каждый из входных сигналов независимо от других преобразуется в циф­ровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) (Ê_R, Ê_B, Ê_G).

Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой об­ра­ботки (БЦО). Цифровая реализация операций над сигналами в БЦОв своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых телевизионных системах (гамма-коррекция, апертурная коррекция, цветовая коррекция, фильт­рация сигнала, формирование площадок обратного хода). В этих же блоках уст­раняется избыточность цифрового сигнала.

В матрице (М) формируются сигнал яркости Ê_Y и два цветоразностных сигнала Ê_R-Y и Ê_B-Y.

Коммутатор (К) направляет эти сигналы либо в аппаратно-студийный комплекс (АСК) для режиссерской обработки и видеозаписи, либо в мультип­лексор (Мх).

АСК - комплекс оборудования для производства ТВ передач с использо­ванием сигналов от собственных и внешних источников. Оборудование АСК выполняет следующие функции:

-формирование сигналов текстовой и графической информации от устройств ТВ буквопечати, заставок, испытательных таблиц и т.п. (так называемая дополни­тельная информация);

-обработка видеосигналов от собственных передающих камер средствами элек­тронной рирпроекции (ЭРП), когда объекты переднего плана размещаются пе­ред выбранным изображением заднего плана;

-создание управляемого режиссером готового комбинированного изображения из разнообразных источников (видеозапись, телекинопроекторы, собственные ТВ камеры, внестудийные средства ТВ вещания) с применением разнообразных художественных эффектов и средств перехода от одного изображения к дру­гому;

-контроль изображений и сигналов;

-формирование звукового сопровождения телепередач;

-синхронизация различных источников ТВ изображения и приемно-передающей аппаратуры.

При оптимальном решении обработки сигналов в АСК все операции должны осуществляться в цифровой форме без промежуточных аналого-цифро­вых и цифроаналоговых преобразователей.

Рис.12.11. Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования: КУ – кодирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; М – матрица; БЦО – блок цифровой обработки; К – коммутатор; Мх – мультиплексор; " " - параллельный цифровой код (шина из 8 проводов); " " – сигналы (три шины, 8 прово­дов в каждой)

Мультиплексор (Мх) – объединяет сигналы изображения, звука, допол­нительной информации и синхронизации в объединенный (мультиплексирован­ный) ТВ сигнал в параллельном коде.

12.4.1.2. Некоторые вопросы формирования, преобразования и обработки цифровых сигналов в устройстве компонентного цифрового кодирования

Аналого-цифровой преобразователь. Примером простого АЦП может служить структура, изображенная на рис. 12.12.

Рис.12.12. Аналого-цифровой преобразователь: СВ – схема выборки; К1…Кn – компараторы; Г – генератор тактовых импульсов; КД – кодер

Схема работает следующим образом. Аналоговый сигнал U(t) дискрети­зируется схемой выборки (СВ). Частота дискретизации равна частоте сигнала, вырабатываемого генератором (Г). Дискретизированный сигнал поступает на входы параллельно соединенных амплитудных компараторов К1…Кn, где вели­чина дискретного сигнала сравнивается с формируемыми на резисторах R по­стоянными напряжениями U, 2U, 3U... nU. На выходах компараторов, у которых входной сигнал превышает напряжение сравнения, генерируется стандартный сигнал, соответствующий логической "1". На выходах других компараторов вы­ходной сигнал соответствует сигналу логический "0". Сигналы с выходов ком­параторов подаются в кодер (КД), на выходе которого имеем в параллельном коде цифровой сигнал в форме ИКМ.

Фильтрация цифрового сигнала. Цифровые фильтры (ЦФ), подобно аналоговым фильтрам, выполняют операцию частотной фильтрации. Фильтра­ция сводится к преобразованию последовательности отсчетов входного сигнала x₀,x₁,x_2,…x_m в последовательность отсчетов выходного сигнала y₀,y₁,y₂,… y_n в со­ответствии с программой преобразования. При этом изменяется спектр вход­ного сигнала требуемым образом.

Для формирования выходного сигнала уi в i -дискретный момент времени в цифровом фильтре могут использоваться настоящий и m предыдущих отсчетов входного сигнала, а также n предшествующих отсчетов выходного сигнала. ЦФ осуществляет взвешенное суммирование этих отсчетов входного и выходного сигналов таким образом:

где - постоянные коэффициенты, определяющие требуемые харак­теристики фильтра; - отсчеты входного сигнала; - отсчеты выходного сигнала.

Обобщенная структурная схема ЦФ, соответствующая описанному алго­ритму его работы, представлена на рис. 12.13.

Рис.12.13. Структурная схема цифрового фильтра: ЛЗ – линия задержки на интервал дискретизации Т

Обычно операции умножения, сложения и запоминания сигналов выпол­няются на микроконтроллерах, однако ЦФ могут быть реализованы и на специ­альных устройствах сложения, вычитания и задержки дискретных сигналов.

На практике часто встречаются фильтры, в которых . Та­кие фильтры называются рекурсивными. Существуют фильтры, у которых . Эти фильтры называются нерекурсивными.

ЦФ находят широкое применение в технике обработки сигналов. Напри­мер, с помощью ЦФ можно разделить два и более цифровых сигналов с непере­крывающимися спектрами; можно осуществить коррекцию частотного спектра сигнала; можно увеличить соотношение сигнал/шум (так называемые гребенча­тые ЦФ) и т.д. Все эти свойства ЦФ реализуются путем синтеза определенной формы амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, сводящемуся к подбору величин и выбору количества коэффициентов и .Цифровые фильтры обладают рядом существенных преимуществ, по сравнению с аналого­выми. Сюда, например, относятся: высокая стабильность параметров, возмож­ность получить самые разнообразные формы амплитудно-частотной и фазо-час­тотной характеристик, ЦФ не требуют настройки и легко реализуются про­граммными методами.

Одной из разновидностей цифровых фильтров является гребенчатый фильтр. Он представляет собой устройство, позволяющее с помощью частотной фильтрации изменить степень заметности шума в воспроизводимом изображе­нии.

Основная идея, положенная в основу гребенчатого фильтра заключается в следующем. При неподвижном изображении спектр ТВ сигнала является дис­кретным и линейчатым. Спектральные линии отстоят друг от друга на частоту кадров. В то же время спектр шума является непрерывным во всей полосе час­тот сигнала. Спектральные компоненты шума, лежащие между составляющими сигнала, могут быть подавлены гребенчатым фильтром, пропускающим лишь частоты, кратные частоте кадров, т.е. спектральные линии ТВ сигнала. При этом полная мощность спектра шума будет уменьшена и отношение сигнал/шум воз­растет. Реализация гребенчатого фильтра аналоговыми средствами довольно сложна.

Простейший гребенчатый фильтр изображен на рис. 12.14. Фильтр (Ф) со­стоит из устройства задержки (ЛЗ) на время равное t_з и сумматора.

x(n) T₀ x(n) T₀

ЛЗ на tз

+

t t

		а

x1(n) x1(n)

t

t

=2Т₀ =1,5Т₀

б

в

Рис.12.14. Цифровой гребенчатый фильтр: а – структура фильтра; б – прохождение дискретной синусоиды через фильтр при разных временах задержки t _з; в – амплитудно-час­тотная характеристика фильтра

Рассмотрим прохождение дискретной синусоиды через этот фильтр (рис.12.14,б).

Как следует из рис.12.14,б, дискретные синусоиды, для которых время за­держки t_з кратно их периоду Т₀ (t_з = n Т₀, где n =1,2,3,4…), на входе сумматора оказываются в фазе, и уровень их на выходе фильтра удваивается. В тоже время дискретные синусоиды, для которых t_з = n Т₀+Т₀/2 оказываются в противофазе на входах сумматора и поэтому компенсируются на выходе фильтра. Таким обра­зом, амплитудно-частотная характеристика фильтра имеет максимумы на частотах и нулевую величину на частотах (рис. 12.14,в).

Для того чтобы ТВ сигнал "прошел" через гребенчатый фильтр, его состав­ляющие должны располагаться на частотах, соответствующих максиму­мам . Откуда следует, что время задержки должно выбираться из условия 1/ t_з =F_к=1/Т_к; где F_к и Т_к – частота период кадровой развертки соответственно. Для европейского стандарта t_з =1/25(с). Задержка в гребенчатых фильтрах реа­лизуется на оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

Апертурная коррекция. Апертурные искажения изображения возникают в ТВ датчиках из-за конечных размеров поперечного сечения электронного луча-апертуры. Такие искажения приводят к размытию резких границ изобра­жения крупных деталей и уменьшению контраста мелких деталей (рис.1.7). Это происходит потому, что в поперечном сечении луча оказывается не только один элемент изображения, на который он направлен, но и соседние элементы, рас­положенные "слева", "справа", "вверху", "внизу". Сигнал на выходе трубки ока­зывается пропорциональным яркости всех этих элементов.

Для формирования сигнала, пропорционального яркости только одного i элемента изображения, на который направлен луч, необходимо из суммарного сигнала вычесть взвешенные сигналы, пропорциональные яркости соседних элементов. Однако этих сигналов также в "чистом" виде не существует. В пер­вом приближении вместо них можно использовать сигналы, которые формиру­ются во время прохождения луча через соседние элементы, т.е. другие, сосед­ние, отсчеты того же сигнала. На выходе простейшего горизонтального коррек­тора сигнал Е ^/(n Т) может быть представлен в виде

Е ^/(n Т)= Е (n Т)- а₁Е (n T -k Т)- a₂E (n T+ k T)

где Е (n Т) отсчет входного сигнала, сделанный в момент времени n T; k T– время прохождения луча от рассматриваемого до соседнего элементов изображения; a₁,а₂ - весовые коэффициенты; Т – интервалы дискретизации.

Аналогичным образом осуществляется коррекция по вертикали. При этом в случае чересстрочной развертки, сигналы, подлежащие "взвешенному" вычи­танию, берутся из отсчетов сигнала предыдущего поля.

Практическая реализация рассмотренных алгоритмов апертурной коррек­ции осуществляется в арифметическом устройстве. Отсчеты сигнала берутся из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), в которое записаны цифровые сигналы предыдущего кадра.

Цветокоррекция. Цветокоррекция – это сопряжение спектральных ха­рактеристик передающих трубок с характеристиками цветовоспроизведения ки­нескопа, называемых кривыми смешения.

Под кривыми смешения понимается зависимость координат цвета моно­хроматического светового излучения от длины волны l при мощности свето­вого излучения 1Вт:` r<sub>R</sub> (l),` r_B (l),` r_G (l). При осуществлении цветокоррекции эти зависимости рассчитываются, когда в качестве основных цветов берутся излучения красного, синего и зеленого люминофоров кинескопа. (Следует пом­нить, что эти цвета отличаются от основных цветов, используемых в колори­метрии.)

С другой стороны, под спектральной характеристикой передающей трубки понимается зависимость величины выходного сигнала от длины волны l при подаче на экран монохроматического светового потока мощностью 1Вт. Выходные сигналы передающих ТВ трубок E_R, E_B, E_G пропорциональны коор­динатам цвета светового потока, падающего на экраны.

Очевидно, что для неискаженной цветопередачи необходимо, чтобы спек­тральные характеристики передающих трубок были подобны вышеупомянутым кривым смешения.

E_R (l)= k`r<sub>R</sub> (l); E<sub>B</sub> (l)= k`r_B (l); E_G (l)= k`r_G (l);

где k – коэффициент пропорциональности.

Иными словами, для неискаженной цветопередачи необходимо, чтобы ко­ординаты цвета светового потока, излучаемого кинескопом, были пропорцио­нальны координатам цвета светового потока, падающего на экраны передающих трубок.

Ошибки цветопередачи, вызванные отклонением спектральных характе­ристик передающих трубок от кривых смешения, корректируются с помощью электронной матрицы.

Коррекция осуществляется в устройстве, называемом матричным цвето­корректором. На вход цветокорректора поступают цифровые сигналы основных цветов Ê_R, Ê_B, Ê_G. Эти сигналы умножаются на определенные коэффициенты a_ji и складываются. На выходе цветокорректора сигналы имеют вид:

(Ê_R)^/= а₁₁ Ê_R + а₁₂ Ê_B + а₁₃ Ê_G

(Ê_B)^/= а₂₁ Ê_R + а₂₂ Ê_B + а₂₃ Ê_G

(Ê_G)^/= а₃₁ Ê_R + а₃₂ Ê_B + а₃₃ Ê_G.

Реализовать цветокорректор можно в виде 3х-канального устройства. Структура одного из каналов изображена на рис. 12.15.

Регулировка уровней яркости ТВ системы. Для качественного воспро­изведения цветового ТВ изображения требуется правильно сформировать ха­рактеристику передачи уровней яркости ТВ системы L_из=f (L₀); где L₀ - яркость оригинала; L_из - яркость его ТВ изображения.

Ê_R

Ê_B (Ê_R)^/

Ê_G

Рис.12.15. Структура одного из каналов цветокорректора

Зависимость L_из=f (L₀) носит нелинейный характер. Это объясняется огра­ниченным диапазоном изменения яркости ТВ экрана и особенностями воспри­ятия градаций яркости человеком (раздел 1.4 настоящего пособия). При форми­ровании требуемой характеристики L_из=f (L₀) необходимо учитывать нелиней­ность световых характеристик передающей трубки, кинескопа и тракта пере­дачи ТВ сигнала.

Требуемая характеристика передачи уровней яркости формируется с по­мощью устройства, называемого - корректором (рис.12.16.).

			Требуемая характеристика

Û

D

(n T) _вх Û

D

+

ПЗУ

(n T) _вых

		а
			б

Рис.12.16. Цифровой - корректор: а – структура; б – характеристика корректора

Обычно при формировании характеристики - корректора пренебрегают нелинейностями тракта передачи ТВ сигнала, поскольку при правильном проек­тировании системы они оказываются незначительными. Тогда можно считать, что на вход - корректора поступает сигнал, пропорциональный выходному сиг­налу передающей трубки. Уровень этого сигнала U_вх зависит от яркости пе­редаваемого изображения L₀ и определяется световой характеристикой пере­дающей трубки U_вх (L₀).

Уровень сигнала на выходе - корректора U_вых определяет яркость изобра­жения на экране кинескопа L_из, световая характеристика которого L_из (U_вых).

Задаваясь требуемой характеристикой L_из=f (L₀), располагая световыми ха­рактеристиками передающей трубки и кинескопа, можно определить требуемую характеристику - корректора: U_вых (U_вх). Пример такой характеристики приве­ден на рис. 12.16,б.

Цифровой - корректор может быть реализован на основе постоянного за­поминающего устройства (ПЗУ). Каждому квантованному уровню входного сигнала соответствует строго определенная ячейка ПЗУ. В эту ячейку записыва­ется разность между входными значениями сигнала U_вх и заданным U_вых. Вы­ходной сигнал - корректора формируется как сумма уровня входного сигнала и величины . Таким образом, получается требуемая градационная характери­стика.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте функциональную схему передающего тракта цифровой ТВ системы. Поясните назначение функциональных блоков этого тракта.

2. Нарисуйте функциональную схему устройства компонентного цифрового кодирования. Поясните операции, выполняемые функциональными узлами этого устройства.

3. Нарисуйте структуру простейшего АЦП. Расскажите, как он работает.

4. Что такое цифровой фильтр? Какова его обобщенная функциональная схема?

5. Нарисуйте функциональную схему гребенчатого фильтра. Поясните принцип этой схемы. Изобразите амплитудно-частотную характеристику фильтра.

6. Что такое апертурная коррекция ТВ изображения. Как она осуществляется?

7. Что такое цветокоррекция ТВ изображения? Нарисуйте функциональную схему цветокор­ректора.

8. Объясните назначение - корректора и нарисуйте его упрощенную функциональную схему.

12.4.2. Формирование полного цифрового ТВ сигнала

Формирование полного цифрового ТВ сигнала осуществляется в мульти­плексоре (Мх) (рис.12.11). Этот сигнал формируется в параллельном коде из сигнала яркости Ê_Y; двух цветоразностных сигналов Ê_R-Y и Ê_B-Y; цифрового сиг­нала звукового сопровождения Ê_З; сигналов дополнительной информации Ê_ДИ; и сигналов синхронизации Ê_СС.

Каждая составная часть полного цифрового ТВ сигнала передается к мультиплексору по восьми проводам за тактовый интервал Т из соответствую­щих регистров. Мультиплексор в определенные моменты времени подключает к своему выходу ту или иную составляющую сигнала, тем самым объединяя их в единый цифровой поток. По 9-му проводу выходной шины передаются сигналы тактовой синхронизации.

Сигналы синхронизации синхронизируют процессы передачи и обработки информации. Эти сигналы имеют вид меандра (рис.12.17). Передние фронты синхросигналов соответствуют середине тактового интервала. К этому моменту времени заканчиваются переходные процессы при передаче сигналов ИКМ, и передаваемые сигналы готовы к последующей обработке.

Рис.12.17. Информационный сигнал и сигнал тактовой синхронизации

На выходе мультиплексора, в интервале времени, равном активной части строки, содержатся только сигналы изображения. Всякого рода другая инфор­мация в это время отсутствует. Длительность активной части строки при ком­понентном кодировании составляет 1440 тактовых интервалов. При компонент­ном цифровом кодировании, поскольку ширина спектра цветоразностного сиг­нала может быть выбрана меньше ширины спектра сигнала яркости, появляется возможность уменьшить частоту дискретизации цветоразностного сигнала по сравнению с частотой дискретизации яркостного сигнала.

В зависимости от соотношения частоты дискретизации яркостного сиг­нала F_Д и частоты дискретизации цветоразностного сигнала F_ДС, говорят о сле­дующих трех классах цифровых ТВ систем.

Первый класс систем, где F_Д:F_ДС=4:4, обеспечивает высокое качество цветного изображения и применяется для выполнения операций над сигналами при производстве ТВ программ в аппаратно-студийном комплексе (АСК). Ши­рина спектра сигналов яркости и цветоразностных сигналов в этом классе сис­тем выбирается одинаковой.

Второй класс систем. В этом классе F_Д:F_ДС=4:2. Такие ТВ системы явля­ются базовыми и используются при передаче и распределении программ веща­ния.

Третий класс, в котором F_Д:F_ДС=4:1, используется для репортерских целей и бытовой видеозаписи.

При компонентном цифровом кодировании составляющие сигнала изо­бражения последовательно следуют одно за другим. Передаваемый цифровой поток систем второго класса имеет вид:

(Ê_B-Y, Ê_Y, Ê_R-Y)₁; (Ê_Y)₂; (Ê_B-Y, Ê_Y, Ê_R-Y)₃; (Ê_Y)₄….(Ê_B-Y, Ê_Y, Ê_R-Y)_К; (Ê_Y)_К+1….

Здесь (Ê_B-Y, Ê_Y, Ê_R-Y)_К - группа, состоящая из трех отсчетов: синего цвето­разностного сигнала (Ê_B-Y)_К; сигнала яркости (Ê_Y)_К; красного цветоразностного сигнала(Ê_R-Y)_К, взятых в к - точке пространственной дискретизации передавае­мой строки. Следующий за этой группой отсчет (Ê_Y)_К+1 берется в к+ 1 точке.

Из рассмотрения последовательности цифровых сигналов, передаваемых в течение строки, следует, что отсчеты сигнала Ê_Y передаются через такт. По­скольку частота дискретизации сигнала Ê_Y составляет F_Д=13,5 МГц, то частота следования сигналов синхронизации оказывается равной 27 МГц. При этом ко­личество отсчетов сигнала Ê_Y в одной строке оказывается равным 720, количе­ство отсчетов сигнала Ê_R-Y =360, количество отсчетов сигнала Ê_B-Y =360.

В начале и конце активной части строки передаются сигналы цифровой синхронизации строк. Эти сигналы бывают двух видов: начала активной части цифровой строки (НАС) и конца активной части цифровой строки (КАС). Каж­дый из сигналов цифровой синхронизации строки состоит из четырех 8-разряд­ных кодовых слов, передаваемых параллельным кодом. Структура кодового слова такова, что она не встречается при передаче других цифровых сигналов, поэтому такие слова легко распознаются в общем потоке цифровых сигналов. Сигналы цифровой синхронизации строк обеспечивают строчную синхрониза­цию устройств ТВ системы; несут информацию о четности поля, которому при­надлежит данная строка; осуществляют обнаружение и коррекцию ошибок в коде сигналов цифровой синхронизации строк, возникающие при воздействии на сигналы КАС и НАС импульсных помех.

Число активных строк в обоих цифровых полях выбрано одинаковым и равно 288. Это сделано для того, чтобы в передаваемом массиве не было актив­ных строк, в которых передаваемая информация занимала бы только половину строки. (Напомним, что в аналоговых ТВ системах в 23 и 623 строках инфор­мация об изображении передается только в половине строки).

Цифровые сигналы звукового сопровождения, а также сигналы дополни­тельной информации передаются в общем цифровом потоке с сигналами изо­бражения.

С учетом психофизиологических факторов восприятия звуковой инфор­мации для передачи звукового сопровождения требуется 16-разрядный АЦП с частотой дискретизации 48 кГц. При этом динамический диапазон преобразо­вания звукового сигнала (отношение максимального уровня к минимальному) составляет 106-110дБ, а полоса частот передаваемого сигнала не менее 20 кГц.

Поскольку при передаче цифровой информации используются 8-ми раз­рядные кодовые слова, то один отсчет звукового сигнала передается двумя ко­довыми словами (передается в двух тактах).

При передаче звуковой сигнал разбивают на фрагменты, которые разме­щают в строчном интервале гашения (в пассивной части строки). Строчный ин­тервал гашения содержит 280 тактовых интервалов для стандарта 625/50 и 268 интервалов для стандарта 525/60.

Разбиение звукового сигнала на фрагменты осуществляется следующим образом. С выхода АЦП звукового сигнала цифровой сигнал непрерывно запи­сывается в ОЗУ с частотой записи F_з = 48 кГц 2=96 кГц. (Частота записи в два раза превышает частоту дискретизации, поскольку за интервал дискретизации отсчет звукового сигнала необходимо разместить в двух ячейках памяти). В мо­мент времени, соответствующий строчному интервалу гашения, записанный сигнал из ОЗУ считывается с частотой 27 МГц. В освободившиеся при этом ячейки ОЗУ записываются новые текущие отсчеты звукового сигнала.

Контрольные вопросы

1. В каком устройстве осуществляется формирование полного цифрового ТВ сигнала?

2. Какие классы цифровых систем (с точки зрения соотношения частот дискретизации сиг­нала яркости и цветоразностных сигналов) Вы знаете?

3. Какова последовательность следования отсчетов сигнала изображения в системах второго класса?

4. Охарактеризуйте сигналы цифровой синхронизации.

5. Что представляют собой цифровые сигналы звукового сопровождения и как они переда­ются?

12.4.3. Кодер помехоустойчивого кодирования

Перед рассмотрением помехоустойчивого кодирования заметим, что не вся передаваемая информация подлежит помехоустойчивому кодированию. На­пример, нецелесообразно подвергать помехоустойчивому кодированию допол­нительную информацию в виде испытательных таблиц, поскольку такая инфор­мация статична и ее можно неоднократно передавать по каналу связи. Струк­тура сигналов цифровой синхронизации строк также заранее оговорена, и в ней предусмотрена простейшая защита от ошибок. Поэтому, как правило, помехо­устойчивому кодированию подвергаются лишь цифровые сигналы изображе­ния, звука и некоторые виды дополнительной информации.

Сигналы, подлежащие помехоустойчивому кодированию, записываются со входа кодера в ОЗУ. Процессор кодера последовательно выбирает из ОЗУ N кодовых слов и вычисляет по ним проверочные символы, которые также запи­сываются в ОЗУ.

Из ОЗУ кодера, данные в виде помехозащищенных кодовых слов посту­пают на преобразователь формата данных (рис. 12.10).

Зачастую при считывании символов из ОЗУ кодера в преобразователь формата с целью дополнительного повышения помехоустойчивости выполня­ется операция перемежения. Эта операция позволяет пакетные ошибки, вызван­ные воздействием длительных помех, преобразовать в одиночные.

Одиночные ошибки – это искажение одного символа кодового слова. Пакетные ошибки – искажение нескольких соседних символов. Пакетные ошибки могут достигать длины нескольких тысяч бит. Помехоустойчивые коды эффективно исправляют одиночные ошибки и менее успешно – пакетные. Для борьбы с пакетными ошибкам и необходимо существенно увеличивать объем провероч­ных символов, что оказывается зачастую нецелесообразным. Поэтому прибе­гают к другому способу защиты от пакетных ошибок – введению операций пе­ремежения – деперемежения.

Перемежение – это перемешивание в определенной последовательности символов одной кодовой комбинации с символами других комбинаций. Депере­межение – обратная операция. Перемежение осуществляется в передающем устройстве, деперемежение – в приемном.

Преобразование пакетных ошибок в одиночные с помощью операций пе­ремежение – деперемежение иллюстрируется на рис.12.18.

Рис.12.18. Иллюстрация операций перемежения: - ошибочные символы

При считывании информации из ОЗУ стремятся максимально разнести по времени четные и нечетные отсчеты каждого из сигналов (E_Y, E_R-Y, E_B-Y, E_зв). На­пример, четные отсчеты первого и второго полукадров меняются местами: на месте четных отсчетов второго полукадра размещаются четные отсчеты первого полукадра и наоборот. Такой способ перемежения сигналов используется для исправления (маскировки) ошибочных отсчетов, которые не смогло исправить декодирующее устройство.

Декодирующее устройство во время работы помечает флагами принятые недостоверные слова, которые оно не смогло исправить. В схеме интерполяцииошибочные отсчеты заменяются средним значением двух правильных со­седних отсчетов сигнала. Такая операция называется линейной интерполяцией (рис.12.19).

Рис.12.19. Маскировка ошибочных отсчетов сигнала с помощью интерполяции:

- отсчеты сигналов без ошибок; - отсчет, вычисленный схемой интерполяции; u₂=(u₁+u₃)/2

Рассмотренное перемежение сигналов позволяет с помощью интерполя­ции восстановить сигнал даже при полном поражении помехой одного полу­кадра. Например, при поражении помехой первого ТВ полукадра, изображение может быть восстановлено с помощью интерполятора по сигналам второго по­лукадра, где размещены четные отсчеты сигналов первого полукадра и нечет­ные отсчеты второго полукадра.

В преобразователе формата данных (ПФД) цифровые сигналы преобра­зуются из параллельного кода в последовательный, который поступает в радио­передающее устройство (рис.12.10). ПФД строится на базе приемных регистров данных и сдвигового регистра.

В приемные регистры данных записываются цифровые сигналы, подле­жащие передаче в последовательном коде. Обычно используются три приемных регистра: регистр основных данных, куда записываются 8-разрядные помехоза­щищенные кодовые слова; регистр дополнительных данных, содержащий ин­формацию по обеспечению сервисных функций ТВ приемника; регистр слу­жебных сигналов – сигналов разметки зон последовательного кода, адресов фрагментов передаваемой информации и указателей вида этих фрагментов.

По готовности данных в приемных регистрах их содержимое передается в сдвиговый регистр, с которого записанная информация выдается в последова­тельном формате в радиопередающее устройство.

Вся информация на выходе преобразователя формата разбивается на зоны, содержащие основную, дополнительную и служебную информацию.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип работы кодера помехоустойчивого кодирования?

2. Что такое операции перемежения – деперемежения символов кодового слова и для чего они выполняются?

3. Что такое одиночные и пакетные ошибки кодового слова?

4. Что называется линейной интерполяцией отсчетов сигнала, и для чего она применяется?

13.4.4. Радиопередающее устройство

Радиопередающее устройство формирует ТВ радиосигнл. Оно состоит из устройства скремблирования (УС), модулятора (М), генератора высокой час­тоты (Г) и усилителя высокой частоты (УВЧ) (рис.12.20).

Рис. 12.20. Функциональная схема радиопередающего устройства: УС – устройство скремблирования; М – модулятор; Г – генератор высокой частоты; УВЧ – усилитель высокой частоты

Устройство скремблирования.Для эффективного использования полосы частот радиоканала необходимо, чтобы мощность передаваемого ТВ радиосиг­нала была распределена как можно более равномерно в отведенной для пере­дачи полосе частот. В ряде случаев цифровой сигнал представляет собой повто­рение кодовой комбинации (например, при передаче изображения крупных де­талей, соседние отсчеты сигнала практически долго не отличаются друг от друга) может возникнуть ситуация, когда энергия сигнала сосредотачивается в узкой полосе частот. Это может привести к искажениям передаваемой инфор­мации при приеме и обработке таких сигналов.

Решить подобные проблемы позволяет так называемое скремблирование цифрового сигнала. Процесс скремблирования заключается в формировании из последовательности символов входной кодовой комбинации новых кодовых комбинаций (псевдошумового сигнала), с постоянной спектральной плотностью мощности. (Спектральная плотность мощности – это мощность сигнала в еди­ничной полосе частот).

Принцип работы устройства скремблирования иллюстрируется на рис.12.21.

Входной сигнал U_вх (n) представляет собой последовательность символов а₁, а₂, а₃, а₄…. Эта последовательность суммируется по модулю два с двумя за­держанными выходными последовательностями. Задержанные входные после­довательности формируются в сдвиговом регистре (СР), который сдвигает свое содержимое на один разряд вправо в моменты прихода тактовых импульсов.

Выходной сигнал передающего устройства скремблирования U_вых (n) через канал связи поступает на вход приемного устройства. Поскольку структура де­кодера скремблирования приемного устройства обратна структуре передающего устройства, очевидно, что выходная последовательность декодирующего уст­ройства U^/_вых (n) равна входной последовательности формирователя псевдошу­мового сигнала U_вх (n).

		а
		б

Рис. 12.21. Принцип скремблирования цифрового сигнала: а – передающее устройство (формирователь псевдошумового сигнала); б – приемное устройство (декодирующее устрой­ство); С – сумматор по модулю два; СР – сдвиговый регистр

Модулятор. В соответствии со входным сигналом модулятор изменяет параметры гармонического сигнала, вырабатываемого генератором. Важное значение имеет способ модуляции генератора (вид изменяемого параметра ко­лебания). В цифровом телевидении широко применяется фазовая манипуляция (ФМ). Это объясняется тем, что такой вид манипуляции обладает высокой ус­тойчивостью к помехам, действующим в канале связи.

В самом простом случае ФМ, двухпозиционной ФМ, символам входного сигнала "0" и "1" ставятся в соответствие начальные фазы колебания генератора и (рис.12.22).

Рис. 12.22. Двухпозиционная фазовая манипуляция сигнала генератора

Один из способов осуществления ФМ – инвертирование сигнала генератора (Г) при поступлении символа "1" на вход модулятора (рис.12.23).

Рис.12.23. Пример осуществления фазовой манипуляции сигнала генератора: И – инвертор, Г – генератор

Для увеличения скорости передачи информации по радиоканалу применяют многопозиционнцю фазовую манипуляцию. Например, при четырехпозиционной ФМ входная последовательность символов в порядке их поступления разбивается на пары и записывается в запоминающее устройство (ЗУ). Пары последовательно анализируются. В соответствии с результатами анализа изменяется начальная фаза генератора (Г). Пример такого соответствия приведен в табл. 12.3.

Таблица 12.3

Пары входных символов
Начальная фаза высокочастотного сигнала

Если длительность посылки четырехпозиционного ФМ сигнала равна длительности одного символа входящей последовательности, то время передачи в эфир всей информации, записанной в ЗУ, сокращается в два раза по сравнению с временем ее записи в ЗУ.

Можно создать системы с ФМ сигнала и с большим количеством позиций, что достигается разделением фазового интервала на более мелкие сегменты одинакового размера. С ростом количества этих сегментов увеличивается скорость передачи информации по радиоканалу, однако при этом возрастает вероятность появления ошибок при передаче информации. (Уменьшаются фазовые расстояния между соседними сегментами и при помехах эти сегменты можно принять один за другой).

Демодуляция ФМ сгнала осуществляется в демодуляторе приемника ТВ. Функциональная схема одного из демодуляторов двухпозиционной ФМ изображена на рис.12.24.

Демодулятор работает следующим образом. Фазоманипулированный сигнал U (t) поступает на первый вход перемножителя и на схему удвоения несущей частоты сигнала (УЧ). С выхода схемы УЧ снимается гармонический сигнал с удвоенной частотой, в котором отсутствует манипуляция фазы. (Скачек фазы на π при удвоении частоты становится равным 2π). Делитель частоты (ДЧ) понижает несущую частоту сигнала в два раза и подает его на второй вход перемножителя.

Рис.12.24. Функциональная схема демодуляттора двухпозиционного ФМ сигнала: УЧ – удвлитель частоты; ДЧ – делитель частоты

При передаче "0" на первом входе перемножителя напряжение U (t)= U₁sin ω₀t при 0 Т. На втором входе U_оп (t)= U₂sin ω₀t. На выходе перемножителя напряжение равно

U = U (t) U_оп (t)= U₁sin ω₀t * U₂sin ω₀t=U₁U₂/2+ U₁U₂/2 cos ω₀t, при 0 T.

Вторая составляющая выходного напряжения отфильтровывается фильтром Ф. В результате напряжение на выходе демодулятора при передаче "0" оказывается равным U_вых=U₁U₂/2, при 0 T.

При передаче "1" на первом входе перемножителя напряжение равно U (t)= U₁sin (ω₀t+π), а на втором U_оп (t)= U₂sin ω₀t при 0 T. Повторяя ранее сделанные выкладки, имеем U_вых=-U₁U₂/2, при 0 T. Таким образом, посылкам "0" и "1" соответствует разная полярность напряжения на выходе демодулятора.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте функциональную схему радиопередающего устройства и поясните назначение функциональных блоков этой схемы.

2. Что такое скремблирование цифрового сигнала и для чего оно применяется?

3. Нарисуйте функциональную схему модулятора двухпозиционной ФМ и объясните ее работу.

4. Нарисуйте функциональную схему демодулятора двухпозиционной ФМ и объясните ее работу.

12.5. ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ ТВ СИСТЕМЫ

Это устройство осуществляет преобразование принятого цифрового ТВ радиосигнала в аналоговые сигналы изображения и звука, сгналы телетекста и сигналы других телевизионных служб.

Функциональная схема цифровой части приемного устройства изображена на рис.12.25. Она состоит из радиоприемного устройства (РпрУ), декодирующего канального устройства (ДКУ), цифро-аналогового преобразователя компонентного цифрового сигнала (ЦАП) и устройства синхронизации (СИН).

Рис.12.25. Функциональная схема цифровой части приемного ТВ-устройства: РпрУ – радиоприемное устройство; ДКУ – декодирующее канальное устройство; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь компонентного цифрового сигнала; СИН – устройство синхронизации; ДМх – демультиплексоры; ДКУ, ДКУ, ДКУ – декодирующие устройства сигналов изображения, звука и дополнительной информации

Радиоприемное устройство осуществляет преобразование принятого цифрового ТВ радиосигнала в видеосигнал с ИКМ. При отсутствии помех в канале кодовые комбинации на выходе РпрУ идентичны кодовым комбинациям, подаваемым в радиопередающее устройство ТВ системы.

Декодирующее канальное устройство выделяет из принятой кодовой последовательности в последовательном формате сигналы основной, дополнительной и служебной информации; осуществляет декодирование помехоустойчивых кодов. Сигналы на выходе ДКУ представляются в параллельном коде и при отсутствии канальных помех должны быть аналогичны сигналам на выходе мультиплексора устройства компонентного цифрового кодирования.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует: компонентный цифровой сигнал изображения в аналоговые сигналы (E_Y, E_R-Y, E_B-Y), цифровые сигналы звука и телетекста в соответствующие аналоговые сигналы.

Устройство синхронизации (СИН) предназначено для формирования сигналов посимвольной синхронизации для обработки цифровых сигналов в последовательном коде. Оно построено на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и состоит из дифференцирующей цепочки (ДЦ), одновибратора (ОВ), фазового детектора (ФД), фильтра (Ф) и генератора импульсов синхронизации (Г) (рис.12.26).

Г

Ф

ФД

ОВ

ДЦ

U_вх U_ДЦ U_ОВ U_вых

U_Г

Рис.12.26. Устройство синхронизации: ФД – фазовый детектор; Ф – фильтр; Г – генератор; ДЦ – диференцирующая цепь; ОВ – одновибратор

Устройство синхронизации работает следующим образом (рис.12.27). На вход устройства поступает последовательность принятых кодовых комбинаций.

U_вх

Т

Т