Импульсно-кодовая модуляция

ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Общие положения.

В настоящее время традиционная аналоговая техника связи повсеместно заменяется более совершенной цифровой. Этот процесс охватил и телевидение. Важнейшее преимущество цифровой техники – возможность цифровой обработки, передачи и хранения информации.

Цифровая обработка ТВ изображений в процессе их передачи и приёма позволяет достичь высокого уровня качества и предоставляет пользователю массу новых возможностей и услуг.

Цифровые системы телевидения наряду с обработкой изображения широко используют процедуры сжатия и кодирования видеосигналов. Проблемы сжатия и кодирования сигналов стали основными не только в системах вещательного телевидения, но и при построении многих прикладных систем (архивирование видеоданных, передача изображений по каналам с низкой пропускной способностью и др.).

Создание новейших цифровых устройств обработки, передачи и хранения видеоизображений связанно с радикальным изменением технологических возможностей новейших процессорных систем. Использование новейших процессоров с производительностью несколько миллиардов операций в секунду обеспечивает реализацию самых сложных вычислительно ёмких алгоритмов сжатия, что невозможно было осуществить ранее. В своём развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов.

Первый этап развития цифрового телевидения – использование цифровой техники в отдельных частях ТВ системы. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования.

Другое направление – использование цифровой техники, характерное для первого этапа – введение цифровых блоков в ТВ преемники с целью повышения качества изображения или расширение функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов. Широко известны также устройства для перехода от чересстрочной развёртки к квазипрогрессивной, реализации функции “стоп-кадр” и “кадр в кадре”, декодирование и воспроизведение на экране дополнительной информации, передаваемой по системе “Телетекст” и т.д.

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и принцип передачи ТВ сигнала по каналу связи.

Второй этап развития цифрового телевидения – создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения.

Примерами гибридных ТВ систем служит японская система телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские системы MAC. В передающей и приёмной частях этих систем сигналы обрабатываются цифровыми методами, а в канале связи сигналы передаются аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается до 8 МГц.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых ТВ систем. В России этот переход планируется завершить к 2015 году.

Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах (JPEG, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7, Wavelet-преобразование).

Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем ТВ вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в 1994 году.

Главными особенностями нового поколения ТВ систем являются:

1.Сужение полосы частот цифрового ТВ сигнала, позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному ТВ каналу с шириной полосы 6…8 МГц.

2.Единый подход к кодированию и передаче ТВ сигналов с различной чёткостью изображения.

3.Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым системам связи.

4.Обеспечение защиты ТВ программ от несанкционированного доступа, что даёт возможность создавать системы платного ТВ вещания.

5.Выбор оптимального стандарта цифрового кодирования позволит создать общую систему для обмена сигналами в международных масштабах, а также устранить необходимость в преобразовании стандартов, то есть появляется возможность создание унифицированного видео оборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения – SECAM, PAL, NTSC.

Импульсно-кодовая модуляция

Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму представляет собой комплекс операций, наиболее важными из них являются дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация – замена непрерывного аналогового ТВ сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала.

При использование в телевидении преобразователей “свет-сигнал” ПЗС видеосигнал является дискретным во времени как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, то есть передаётся не каждое значение видеосигнала, а только некоторые, следующие друг за другом через определённые промежутки времени Δ t. При этом видеосигнал принимает любые значения из промежутка значений U c. min - U c. max. При использовании видиконов (вакуумных трубок) видеосигнал в горизонтальном направлении является аналоговым, т.е. каждому значению яркости В соответствует определённое значение тока (напряжения) сигнала i c ( U c).

Преобразование аналогового сигнала в дискретный поясняется рис.5.1. Здесь аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и передаётся по каналу связи в двоичном коде с использованием ИКМ. Для сохранения формы аналогового сигнала на приёмной стороне желательно временной интервал Δ t при дискретизации брать как можно меньше, а число уровней сигнала брать как можно больше.

Временной интервал Δ t определяется теоремой Котельникова-Найквиста:

F дискр 2 f гр. (5.1)

Или

Δ t T гр./2, T гр. 2Δ t,

где f гр. – граничная частота сигнала.

Согласно этой теореме непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты)

tn = nT (рис. 5.1,б),

где n =1,2,3….,

Т – период или интервал дискретизации ().

Формула (5.1) говорит, что для сохранения формы сигнала число отсчётов за один период максимальной частоты колебаний должно быть равно не меньше 2 (рис.5.1.1).

Из рисунка 5.1.1 видно, что для неискажённой передачи изображения шахматного поля шаг дискретизации должен быть равен

Δ t =τэ= T гр./2,

где τэ – время передачи одного элемента изображения,

T гр. – период граничной частоты видеосигнала.

Аналитическое выражение теоремы Котельникова-Найквиста имеет вид

()

Предполагается, что отсчёты U (nT) является δ-импульсами (бесконечно короткими).

Рис.5.1.1 Дискретизация изображения шахматного поля с размерами клеток равными одному элементу (пикселю):

Рис 5.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.

Для восстановления исходного аналогового сигнала U(t) из последовательности отсчётов U (nT) последнее необходимо в соответствии с () пропустить через идеальный фильтр (ФНЧ) со срезом по частоте f гр.

Из теоремы следует, что для точного восстановления исходного сигнала необходимо передать наличие бесконечно большого числа отсчётов. На практике же сигнал описывается конечным числом отсчётов.

Далее за процессом дискретизации следует квантование, которое заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчётов ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис. 5.1, б). Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала по уровню сигнала U(t).

Фиксированные уровни, к которым привязываются отсчёты, называют уровнями квантования. Области значений сигнала U(t), заключённые между двумя уровнями квантования, называются шагами квантования (рис.5.1,в), образуя шкалу квантования. Округление отсчёта до одного из ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования (5.1,б ).

Пороги квантования располагаются по середине между уровнями квантования.

Пример 1. Значение аналогового сигнала в момент времени , , то есть превышает порог квантования (рис 5.1,в).Квантованный сигнал принимает значение 1: (рис. 5.1,в).

Пример 2. Значение аналогового сигнала в момент заключено в пределах: ,то

квантованный сигнал .

Если непрерывный сигнал 0.5 или 1.5 или 2.5 и.т.д. то квантованный сигнал принимает значение 1 или 2 или 3 и.т.д., то есть верхнее значение квантованнго уровня.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал и_кв (пТ)уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала и (пТ)может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u (t),то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т – число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (рис.5.1, г). В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u (t)в цифровой и (пТ), называемая операцией кодирования. Кодирование, таким образом, есть преобразование квантованного значения отсчета и_кв (пТ)в соответствующую ему кодовую комбинацию символов и_ц (пТ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала – представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис.5.1, г показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u (t)в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.

Часто всю совокупность перечисленных операций – дискретизации, квантования и кодирования - для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством – аналого-цифро­вым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи – непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.

Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно, первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого перспективного для телевидения принципа обработки и передачи информации объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по каналу связи.

При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации f _д. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).

Скоростью передачи цифровой информации называется число передаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит/с. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме будет равна произведению частоты дискретизации f _д и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:

с = f _д k. (5.2)

Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то минимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения с ИКМ частоту f _д вы­бирают выше минимально допустимой, определяемой теоремой Котель­никова. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования рекомендована для всех стран частота дискретизации f _д =13,5 МГц.

Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета свя­­зано с числом уровней квантования m исходного сигнала соотношением

k = log₂ m» 3,3 1g m. (5.3)

Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом, которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах 100...200.

Отсюда k = 3,3 1g m = 3,3 1g(100...200)» 6,6...7,6.

Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть только целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограничится числом k = 7 или 8. В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128-возможных уровнях сигнала (градациях яркости). Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в передаче градаций) m = 2⁸ = 256. Если принять k = 8, из (5.2) и (5.3) следует, что скорость передачи цифровой информации с = f _д k = 13,5 × 8 = 108 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования ТВ сигнала, так и каналы связи. Тем не менее, нельзя считать экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономичных ТВ систем является «сжатие» ТВ сообщения.

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резервы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет устранить избыточность в ТВ сигнале, не передавать многократно одну и ту же информацию, сократить цифровой поток.

Второй тип – физиологическая избыточность ТВ сигнала обусловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата. Использовать физиологическую избыточность – значит, не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением.

Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения избыточности в ТВ изображении осуществляется в цифровом телевидении путем применения более эффективных методов кодирования по сравнению с ИКМ. Так же как и процессы дискретизации и квантования, эти методы представляют предмет самостоятельного рассмотрения в данной главе.