Цифровое представление сигналов

В чем разница между аналоговыми и цифровыми сигналами?

Аналоговый или непрерывный сигнал U_c(t) определен для любого значе­ния времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапа­зона U_{c min} – U_{c max}. Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса. Например, сигнал на выходе преобразователя свет-сигнал пропорцио­нален яркости развертываемых элементов изображения.

В тракте ТВ системы сигнал претерпевает многочисленные преобразова­ния: кодирование, усиление, передача по каналу связи, декодирование и т.п. при этом к исходному сигналу добавляются помехи, а сам сигнал претерпевает раз­нообразные искажения. Все это приводит к изменению формы исходного сиг­нала. Поскольку сам сигнал и помехи заранее неизвестны, то восстановить ис­ходную форму аналогового сигнала удается только с погрешностями.

0 0 0 1 1 0 1 1 0 1

Рис. 12.1.Виды сигналов: а – аналоговый сигнал; б – цифровой сигнал.

Иначе обстоит дело с цифровым сигналом. В отличие от аналоговых, цифро­вые сигналы принимают лишь строго определенные значения. Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сиг­нал», «нет сигнала» на определенном интервале времени Т (тактовом интер­вале). Для их обозначения используются две цифры: наличие сигнала можно обозначить цифрой «1», отсутствие – «0» (рис. 12.1,б).

Для неискаженного приема сообщений надо безошибочно восстановить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от аналогового циф­ровой сигнал, искаженный помехами, можно восстановить с большей точно­стью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о нали­чии «1» или ее отсутствии.

12.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ

Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Преоб­разование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и кодирование.

12.3.1. Дискретизация сигнала

Дискретизация – это замена непрерывного ТВ сигнала последова­тельными во времени отсчетами этого сигнала. Наиболее распространенной является равномерная дискретизация, когда соседние отсчеты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал времени Т_д (рис. 12.1), называемым пе­риодом дискретизации (интервалом дискретизации). Число отсчетов сигнала в секунду называется частотой дискретизации:

F_Д=1/T_д

Рис. 12.2. Спектры сигналов: а – спектр аналогового сигнала; б – спектр сигнала по­сле дискретизации при F_д >2F_в; в – спектр сигнала после дискретизации при F_д^’ < 2F_в

Для того, чтобы при преобразовании аналогового сигнала не возникали искажения, минимальная частота дискретизации (F_{Д min}) должна быть, по край­ней мере в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала [16]. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигнала имеет периоди­ческий характер: кроме низкочастотной части спектра, занимающей полосу час­тот от 0 до F_в, спектр имеет еще и высокочастотные компоненты (рис. 12.2).

Низкочастотная часть спектра полностью идентична спектру исходного аналогового сигнала.

Каждая высокочастотная компонента состоит из двух боковых полос: верхней (ВБП) и нижней (НБП). Форма ВБП подобна форме низкочастотной части спектра сигнала, сдвинутой по оси частот на одну из частот ряда F_Д,, 2F_Д,, 3F_Д… Форма НБП – зеркальное отображение соответствующей ВБП относи­тельно частоты сдвига рассматриваемой высокочастотной компоненты.

Если частота дискретизации оказывается меньше 2F_в, произойдет наложе­ние друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис.12.2,в). Это приводит к искажениям сигнала, которые не удается устранить при последую­щей обработке, поэтому при дискретизации сигнала необходимо частоту дис­кретизации сигнала выбирать из условия F_Д>2F_в.

Кроме этого условия в цифровом телевидении частоту дискретизации сигнала стремятся выбрать кратной частоте строк, т.е.

F_Д =К f_c,

где К– это целое число, f _c – частота строк.

При таком выборе F_д оказывается, что отсчеты сигнала занимают фиксиро­ванное положение относительно начала строки. Этим отсчетам соот­ветствуют точки на экранах ТВ преобразователей, координаты которых распо­лагаются в углах прямоугольной решетки (рис. 12.3,а). Таким образом, дискрет­ная структура сигнала по времени оказывается жестко связанной с пространст­венной дискретизацией изображения. Описанная структура дискретизации на­зывается ортогональной.

Существуют и другие способы дискретизации ТВ сигнала, образующие на экранах преобразователей неподвижные точечные структуры, например, шах­матные. При строчной шахматной структуре пространственные отсчеты изо­бражения располагаются таким образом, что в соседних строках они смещаются относительно друг друга на половину шага пространственной дискретизации (рис. 12.3,б). Такая структура дискретизации образуется, если в строке уклады­вается нечетное количество полупериодов дискретизации.

На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискретиза­ции ортогональная структура позволяет получить более высокое ка­чество изображения по сравнению с другими структурами. Поэтому этой струк­туре отдается предпочтение [16].

Из проведенных рассуждений следует, что частоту дискретизации цифро­вой ТВ системы определяют параметры развертки и видеосигнала.

Напомним, что в настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ вещания и три системы цветного телевидения (NTSC, PAL, SECAM). Стан­дарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Американский стандарт разверток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f_c=15 734,26 Гц. Все прочие стандарты ТВ вещания по пара­метрам развертки относят к европейскому стандарту 625/50, с частотой строк 15 625 Гц.

Рис. 12.3.Пространственные структуры дискретизации изображения: а – ортогональ­ная структура дискретизации; б – шахматная структура дискретизации.

Верхняя частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответст­вует F_в=4,2 МГц, а максимальная верхняя частота спектров в европей­ских стандартов составляет F_в=6 МГц.

Разработчики цифрового телевидения стремятся создать такую аппара­туру, чтобы она могла сопрягаться с различными стандартами ТВ вещания. Это позволяет создать общую систему ТВ программ в международном масштабе.

Учитывая приведенные выше замечания и руководствуясь требованиями, предъявленными к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы.

1. Искажения сигнала будут отсутствовать во всех стандартах ТВ вещания, если частота дискретизации F_Д≥12 МГц.

2. Условие ортогональности структуры дискретизации будет выполнено незави­симо от стандарта ТВ, если частота дискретизации составит F_Д=13,5 МГц (эта частота соответствует 864-й гармоники частоты строчной развертки стандарта 625/50 и 858-й гармоники строчной частоты стандарта 525/60).

Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, что в ней укладывается 720 отсчетов сигнала независимо от стандарта.

Контрольные вопросы

1. Каковы достоинства методов передачи и обработки ТВ изображений?

2. Какие операции осуществляются над сигналом при преобразовании его из аналоговой в цифровую форму?

3. Что понимается под дискретизацией аналогового сигнала?

4. Что называется периодом дискретизации?

5. Изобразите и сопоставьте спектры аналогового и соответствующего ему дискретного сиг­нала.

6. Как следует выбирать частоту дискретизации, исходя из требования отсутствия искажений сигнала?

7. Что такое ортогональная система дискретизации ТВ сигнала?

8. Какие факторы учитываются при выборе частоты дискретизации сигнала в системах ТВ вещания?

9. Чему равна дискретизация сигнала в системах ТВ вещания?