Способы сокращения избыточности цифрового сигнала

При использовании параллельного кода количество разрядов передавае­мого слова N определяет число проводов, по которым передается цифровой сигнал. При последовательном коде большое количество разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи информации (скорость передачи ин­формации определяется количеством элементарных символов, передаваемых за 1 секунду). Поэтому в цифровом телевидении стремятся по возможности уменьшить разрядность передаваемых слов. Простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению величины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называемой кодированием цифрового сигнала.

Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с опре­деленными правилами с целью решения ряда инженерных задач. Например, та­ких как сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности передачи, повышение помехозащищенности передачи и т.п.

Кодирование с предсказанием с целью сокращения избыточности циф­рового сигнала (разрядности). Наличие сильных корреляционных связей между близкорасположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную информацию о каждом элементе. Можно ограничиться передачей ряда элементов, а остальные соседние элементы предсказать, т.е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предсказание сигнала по предыдущим отсчетам всегда будет нести ошибку е(nT). На рис. 12.6 изображена функциональная схема системы пере­дачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис. 12.6. Система передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания: ПС-1, ПС-2 – предсказатели

Чтобы сформировать сигнал ошибки на передающем конце системы уста­навливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего используются линей­ные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчета опреде­ляется как ; где а_к – постоянные коэффициенты, вели­чина которых определяется особенностями сигнала U(nT), поступающего на вход преобразователя; U[(n-k)T] – предыдущие отсчеты сигнала, по которым осуществляется предсказание; L – количество отсчетов, используемых для предсказания.

Чтобы сформировать сигнал ошибки е(nT), из сигнала U(nT) вычитается предсказанный сигнал .

На приемной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказа­телю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на приемной и пере­дающей сторонах идентичны, предсказанные отсчеты сигнала могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчетам добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

В рассмотренной системе предсказания передается сигнал ошибки е(nT), который изменяется в меньшем диапазоне значений, по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необходимое для передачи этого сиг­нала оказывается меньшим.

Кодирование с преобразованием. Этот способ сокращения избыточно­сти основывается на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

Из теории сигналов известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис. 12.7) (ТВ сигнал в пер­вом приближении может рассматриваться, как квазипериодический с периодом равным длительности строки Т_с).

	U(nT)

Рис. 12.7. а – дискретный периодический сигнал; б – спектр дискретного периодиче­ского сигнала; Т_с – период следования сигнала; F_д – частота дискретизации

Между отсчетами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(kΔf) сущест­вует взаимнооднозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэтому вместо отсчетов сигнала по каналу связи можно передать отсчеты дискретных составляющих спектра. Но переда­вать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляю­щим спектра, примыкающим к нулевой частоте, можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передать только эти состав­ляющие.

Функциональная схема системы передачи цифрового сигнала, исполь­зующая этот принцип, изображена на рис. 12.8.

Рис. 12.8. Функциональная схема передачи цифрового сигнала, использующая метод преобразования: 1 – преобразователь; 2 – селектор; 3 – квантователь и кодер; 4 – канал связи; 5 – декодер; 6 – блок обратного преобразования

Преобразователь 1 – осуществляет вычисление спектральных составляю­щих S(kΔf) дискретного сигнала U(nT).

Селектор 2 – отбирает спектральные составляющие S^/(kΔf), значимые для рассматриваемого класса изображения.

Квантователь и кодер 3 – осуществляет квантование и кодирование отобран­ных спектральных составляющих.

На приемной стороне после декодирования и обратного преобразования восстанавливается дискретный сигнал Û(nT).

Описанная система кодирования позволяет уменьшить число кодовых слов, передаваемых по каналу, и одновременно с этим уменьшить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра периодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре количество спектральных составляющих на интервале частот от 0 до F_Д равно количеству отсчетов сигнала на интервале времени Т_с. А так как составляющие спектра в диапазоне от F_Д/2 до F_Д могут быть восстановлены по составляющим спектра интервала частот 0-F_Д/2, то ко­личество спектральных составляющих, подлежащих передаче, оказывается в 2 раза меньше, чем количество отсчетов сигнала на интервале времени Т_с. Во-вторых, наибольшим по уровню оказываются составляющие спектра S(kΔf), расположенные в окрестности нулевой частоты. Эти составляющие в основном определяют дискретный сигнал U(nT). Составляющие малого уровня, поэтому могут быть отброшены. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантова­ния может быть увеличен, т.к. уровень их достаточно велик, и следовательно, разрядность кодового слова уменьшена.

В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразователя ис­пользуются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки. На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преобразования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположен­ным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и её размеров зависит от назначения ТВ системы и характера передаваемого изображения.

Контрольные вопросы

1. Что называется цифровым кодированием телевизионного сигнала?

2. Какие достоинства и недостатки параллельного и последовательного кода сигналов ИКМ вы знаете?

3. Нарисуйте структурную схему передачи цифрового сигнала при использовании метода предсказания отсчетов сигнала. Поясните ее работу.

4. Нарисуйте структурную схему передачи информации при использовании метода преобра­зования цифрового сигнала. Поясните ее работу.

12.3.5. Помехоустойчивое кодирование

При передаче цифровых сигналов по каналам связи возможно искажение кодовых слов из-за воздействия помех. Чтобы свести к минимуму воздействие помех на передаваемую информацию применяется помехоустойчивое кодиро­вание цифрового сигнала.

Помехоустойчивое кодирование осуществляется в устройстве, называе­мом кодером. На вход этого устройства поступает последовательность кодовых слов.

Кодовое слово – это k -разрядная кодовая комбинация, несущая информа­ция о величине одного из отсчетов аналогового сигнала, поступающего на вход цифровой системы. В кодере кодовое слово преобразуется в помехозащищенное кодовое слово. Помехозащищенное кодовое слово представляет собой новую кодовую комбинацию из «0» и «1», отличную от входного кодового слова. Эта кодовая комбинация содержит n-разрядов: k-разрядов информационных и r=n-k дополнительных (проверочных) разрядов. Местоположение информаци­онных и проверочных разрядов внутри кодового слова заранее оговаривается. В информационных разрядах помещаются символы исходного кодового слова. Каждый проверочный символ формируется по определенным правилам из ин­формационных символов. С ростом числа проверочных разрядов повышается помехоустойчивость кода.

В декодере приемного устройства ТВ системы осуществляется декодиро­вание помехозащищенных кодовых слов – преобразование их в исход­ное кодовое слово.

Помехоустойчивые коды бывают разных видов. Одни только указывают, что в кодовом слове есть ошибка; другие не только обнаруживают ошибку, но и исправляют ее. Исправляющая способность кода определяется числом ошибок в кодовом слове, которые могут быть исправлены.

Рассмотрим принципы кодирования и декодирования при использовании простейшего помехоустойчивого кода – паритетного кода (в литературе такое кодирование часто называют проверкой на четность). При этом способе кодиро­вания в кодовое слово вводится дополнительный разряд, в котором размещается «1» или «0» в зависимости от символов этого слова. Вводимый символ назы­вают проверочным. Пример такого кодирования приведен в табл. 12.2 для 3-разрядных слов.

Для того, чтобы определить, какой из проверочных символов в этом при­мере следует добавить, поступают следующим образом. Кодовая помехозащи­щенная комбинация должна состоять из 4 символов: С₁С₂С₃С₄ (здесь С₁;С₂;С₃ – информационные символы, составляющие исходного слова; С₄ – это искомый проверочный символ).

Первый этап кодирования – формулировка условия, которому должны удов­летворять символы кодовой комбинации

С₁ Å С₂ Å С₃ Å С₄= 0. (12.1)

Здесь знак Å обозначает суммирование по модулю два, которое произво­дится в соответствии с табл. 12.1.

Таблица 12.1

Сj
Сi
Сj Å Ci

Из условия (12.1) следует, что проверочный символ определяется как

С₄= С₁ Å С₂ Å С₃. (12.2)

Пример. Пусть кодовое слово записывается в виде С₁С₂С₃= 101, тогда

С₄= 1 Å 0 Å 1=0. Следовательно, помехозащищенное кодовое слово представ­ляет собой С₁С₂С₃С₄= 1010.

Таблица 12.2

Исходное кодовое слово
Помехозащищенное кодовое слово

При декодировании принятой комбинации в декодере осуществляется рас­чет символа “S”, называемого синдромом. Расчет синдрома осуществляется по такому же правилу, как и вычисление проверочного символа. Только при этом в качестве определяющих символов используют символы принятой кодовой ком­бинации С^*₁С^*₂С^*₃С^*₄ (символ С^*_i – может быть отличен от передаваемого С_i из-за воздействия помех в канале связи).

S= С^*₁ Å С^*₂ Å С^*₃. (12.3)

Вычисленный синдром S сопоставляется с принятым проверочным симво­лом C^*₄, если оказывается что S=C^* ₄, то принимается решение о правильной пе­редаче кодового слова. Если же S≠C^*₄ – принятая комбинация ошибочна. Итак, в соответствии с вышеизложенным, кодирующее устройство осуществляет сле­дующие операции:

- вычисляет проверочные символы в соответствии с принятым алгоритмом (проверочным условием);

- формирует новые кодовые комбинации, дополняя кодовое слово провероч­ными символами.

Декодирующее устройство выполняет такие функции:

- вычисляет символы синдрома принятой кодовой комбинации;

- сопоставляет вычисленные синдромы с принятыми проверочными символами;

- при совпадении проверочных символов и синдромов выносится решение о правильном приеме кодовой комбинации, в противном случае считается, что кодовая комбинация искажена помехой;

- из правильно принятых кодовых комбинаций формируются кодовые слова;

- при неправильно принятой кодовой комбинации все символы принятой ком­бинации помечаются флагами, указывающими на ненадежность данных.

		Группа из N кодовых слов

j

Рис. 12.9. К формированию и декодированию сложного кода: - проверочные символы; - кодовое слово

В рассмотренном примере проверочные символы формируются в рамках одного кодового слова. На практике применяются значительно более сложные коды, которые позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить иска­женные биты в кодовых комбинациях. В таких кодах для формирования прове­рочных символов используется N кодовых слов, объединенных в одну группу. При декодировании слово формируется на основе передаваемых информаци-онных символов кодовой комбинации и проверочных бит всей группы слов (рис. 12.9). Набор N кодовых слов, используемых для формирования провероч­ных бит, называется длиной кодового ограничения.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение кодового слова.

2. Каков принцип формирования помехозащищенных кодовых слов?

3. Расскажите о простейшем помехоустойчивом коде – кодировании с проверкой на четность.

4. Какие операции выполняет кодирующее устройство?

5. Какие операции выполняет декодирующие устройства?

12.4. ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАЮЩЕГО ТРАКТА ЦИФРОВОЙ ТВ СИСТЕМЫ

Функциональная схема передающего тракта изображена на рис. 12.10.

Рис. 12.10. Обобщенная функциональная схема передающего тракта цифровой ТВ сис­темы: УЦК – устройство цифрового кодирования; КПК – кодер помехоустойчивого кодиро­вания; ПДФ – преобразователь формата данных; РпУ – радиопередающее устройство; А – ан­тенна; - параллельный цифровой код; - E_Y, E_R-Y, E_B-Y компонентные цифровые сиг­налы (три шины, в каждой шине 8 проводов); - последовательный цифровой код; И, З, ДИ, СС – аналоговые сигналы изображения, звука, дополнительной информации, синхрони­зации

Устройство цифрового кодирования преобразует аналоговые сигналы изображения, звукового сопровождения, синхросигналы и сигналы дополни­тельной информации в цифровой ТВ сигнал. К дополнительным сигналам

относят сигналы испытательных строк, используемые для настройки ТВ сис­темы; сигналы различных информационных служб, например, телетекста. При преобразовании используется принцип временного уплотнения перечисленных выше сигналов, при котором в рамках допустимой скорости передачи все сиг­налы объединяются в единый цифровой ТВ сигнал.

Кодер помехоустойчивого кодирования предназначен для повышения помехоустойчивости передаваемой цифровой информации. Это устройство из поступающих кодовых слов формирует помехозащищенные кодовые слова.

Преобразователь формата данных переводит цифровые сигналы из па­раллельного формата в последовательный. При формировании последователь­ного кода сигналы ТВ изображения, звука объединяются со служебными и сер­висными сигналами, образуя единый канальный сигнал. К служебным сигналам относят маркеры разметки зон последовательного кода, адреса фрагментов пе­редаваемой информации, указатели вида этих фрагментов. Сервисные сигналы определяют режим работы радиоприемного устройства (РпрУ) и обеспечивают функционирование его систем авторегулирования.

В радиопередающем устройстве осуществляется скремблирование цифро­вого канального сигнала, временное уплотнение его и преобразование в радиосигнал.

Скремблирование – это формирование из входной последовательности кодо­вых комбинаций псевдошумового сигнала. Псевдошумовой сигнал харак­теризуется тем, что его мощность равномерно распределена по полосе частот, занимаемой этим сигналом. Такие сигналы обладают повышенной помехо­устойчивостью и малыми искажениями при передаче и приеме.

Временное уплотнение цифрового сигнала – передача его за более корот­кий промежуток времени. При временном уплотнении передаваемые сигналы записываются в виде блоков в запоминающие устройства (ЗУ), затем блоки счи­тываются из ЗУ с большей тактовой частотой, чем при записи.

Из передающего устройства радиосигналы подводятся к антенне (А) и излу­чаются в эфир.

12.4.1. Устройство цифрового кодирования

В связи с тем, что в области вещательного телевидения до сих пор еще не существует таких источников ТВ сигнала, которые формировали бы сигнал в непосредственно цифровой форме, необходимо преобразовывать аналоговые ТВ сигналы в цифровой вид.

Цифровые ТВ системы в зависимости от вида преобразования аналоговых сигналов в цифровые бывают двух видов.

1. Системы с преобразованием полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) в цифровую форму (системы с непосредственным кодированием).

2. Системы с преобразованием составляющих сигнала цветного изображения в цифровую форму (системы с компонентным кодированием).

Системы первого вида привлекательны тем, что они позволяют перевести аппаратно-студийный комплекс (АСК) на цифровые принципы, базируясь на ныне существующей аналоговой аппаратуре этого комплекса. Однако при этом определенные трудности возникают для выполнения ряда специальных студий­ных операций (например, монтаж видеозаписи; реализация специальных видео­эффектов и т.п.).

В системах с компонентным кодированием осуществляется раздельное циф­ровое кодирование отдельных составляющих ТВ сигнала (компонент). В ка­честве компонентных составляющих можно использовать сигналы основных цветов Е_R, E_B, E_G или сигнал яркости и цветоразностные E_Y, E_R-Y, E_B-Y. Системы этого вида позволяют получить высокое качество ТВ изображения (отсутствуют перекрестные искажения между составляющими ТВ сигнала, поскольку они об­рабатываются раздельно); исключаются проблемы, связанные с преобразова­нием стандартов цветного телевидения; упрощается режиссерская обработка сигналов в АСК и т.п.

В соответствии с рекомендациями Международных Консультативных коми­тетов по радио (МККР) полагается перспективным использование в ТВ вещании систем с компонентным цифровым кодированием.

Компонентное кодирование можно осуществить, подвергая цифровому преобразованию мультиплексированные (последовательно следующие друг за другом) аналоговые составляющие ТВ сигнала. В этом случае требуется всего один аналого-цифровой преобразователь, преобразующий поступающие на него компоненты E_Y(t), E_R-Y(t), E_B-Y(t) в цифровую форму. Однако более прогрессив­ная концепция компонентного кодирования основана на параллельной цифро­вой обработке сигналов основных цветов с последующим формированием мультиплексированного цифрового выходного сигнала Ê_Y, Ê_R-Y, Ê_B-Y.