Другими словами, частота дискретизации

F_Д = 1 /T_Д = 2F_B

должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигнала имеет периодический характер: кроме низкочастотной части спектра, занимающей полосу частот от 0 до F_B, спектр имеет ещё и высокочастотные компоненты (рис.10.4).

Рис.10.4. 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.

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 будет меньше 2F_В, то произойдёт наложение друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис.10.3в). Это приводит к искажениям сигнала, устранить которые при последующей обработке невозможно. Поэтому частоту дискретизации необходимо 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 = kf_с,

где k – целое число; f_с – частота строк.

При таком выборе частоты дискретизации оказывается, что отсчёты сигнала занимают фиксированное положение относительно начала строки. Этим отсчётам соответствуют точки на экранах ТВ-преобразователей, координаты которых располагаются в углах прямоугольной решётки (рис.10.5). Таким образом, дискретная структура сигнала по времени оказывается жёстко связанной с пространственной дискретизацией изображения. Такая структура дискретизации называется ортогональной.

Рис.10.5. Пространственные структуры дискретизации изображения:

а – ортогональная структура дискретизации;

б – шахматная структура дискретизации.

Существуют и другие способы дискретизации ТВ-изображения (например, шахматная). На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискретизации ортогональная структура позволяет получить более высокое качество изображения. Поэтому этой структуре отдаётся предпочтение.

Из проведённых рассуждений следует, что частоту дискретизации цифровой ТВ-системы определяют параметры развёртки и видеосигнала.

В настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ-вещания и три системы цветного телевидения: NTSC, PAL и SECAM. Стандарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Американский стандарт развёрток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f = 15734, 26573 Гц. Все прочие стандарты ТВ-вещания по параметрам развёртки относят к европейскому стандарту: 625 / 50 с частотой полей 50Гц, числом строк в кадре 625 и частотой строк f = 15625 Гц. Верхняя граничная частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответствует

F_В = 4, 2 МГц, а верхняя граничная частота спектров европейского стандарта составляет F_В = 6, 0 МГц.

Фирмы, разрабатывающие современные системы цифрового телевидения, стремятся создавать такую аппаратуру, которая могла бы сопрягаться с различными стандартами ТВ-вещания. Это позволяет создать универсальную систему ТВ-вещания в международном масштабе.

Учитывая всё сказанное выше и руководствуясь требованиями, предъявляемыми к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы:

1. Искажения сигнала при его воспроизведении будут отсутствовать в любом стандарте ТВ-вещания, если частота дискретизации будет

F_Д ³ 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 гармонике частоты

строчной развёртки стандарта 625 / 50 и 858-й гармонике строчной

частоты стандарта 525 / 60.

Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, чтобы в ней укладывалось 720 отсчётов сигнала независимо от стандарта. Очевидно, что в стандартах SECAM и PAL расстояние по времени между дискретами будет равно 0, 074 мкс.

Квантование сигнала.

Квантование сигнала – это замена мгновенных значений дискретного сигнала ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис.10.6).

Рис. 10.6. Квантование дискретного сигнала:

· - дискретные отсчёты сигнала;

× - квантованные отсчёты сигнала.

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты сигнала, называются уровнями квантования. Расстояния между соседними уровнями называют шагом квантования. Разница между дискретным отсчётом сигнала и соответствующим ему квантованным отсчётом называют ошибкой квантования.

Процесс квантования осуществляется следующим образом. Между уровнями квантования располагают условные значения напряжения, называемые порогами квантования. Если истинное значение дискретного сигнала меньше соответствующего порога квантования, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если же истинное значение сигнала выше рассматриваемого порога, – значение сигнала округляется до ближайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположены пороги квантования между уровнями квантования, зависит максимальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка квантования получается, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования.

Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумами квантования. Шумы квантования на изображении проявляются по-разному и зависят от характера передаваемого сюжета. В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме случайной шумовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантования проявляются в виде ложных контуров: плавные изменения яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных контуров уменьшается с увеличением числа уровней квантования. Исследования показали, что ложные контуры перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0, 5 – 1% от размаха сигнала, что соответствует числу уровней квантования, лежащем в диапазоне 128 – 256 (2⁷ – 2⁸). Поэтому количество разрядов при квантовании ТВ-сигнала в двоичном исчислении выбирают обычно равным 7 – 8.

Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Экспериментальные исследования показали, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ухудшения качества изображения. Это объясняется особенностями восприятия изменений яркости сюжетов зрением человека.

Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стандартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюжетами размах сигналов изображения может оказаться довольно большим, значительно превышающим динамический диапазон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически невозможно.

Цифровое кодирование телевизионного сигнала.

Заключительной операцией по преобразованию аналогового сигнала в цифровой является операция, называемая кодированием. Цифровое кодирование (оцифровка) – это преобразование дискретного квантованного сигнала в кодовую комбинацию стандартных символов. Наиболее распространённый способ кодирования – представление квантованного отсчёта сигнала в двоичном коде. Группа элементарных символов «1» и «0», передающая значение одного отсчёта, называется кодовым словом.

В цифровых системах передачи информации в качестве элементарного символа «1» полагается импульсный сигнал длительностью, равной тактовому интервалу Т, а в качестве символа «0» – отсутствие сигнала в тактовом интервале. Такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Он стал классическим, универсальным и применяется при обработке и передаче информации.

Сигнал ИКМ можно представить либо последовательным, либо параллельным кодом.Последовательный код предполагает поочерёдную передачу разрядов каждого кодового слова по одной цепи или каналу связи, а параллельный – одновременную передачу всех двоичных символов кодового слова, причём, каждый разряд передаётся по своей, отдельной цепи.

Пример сигналов ИКМ в последовательном коде приведён на рис. 10.7.

Рис.10.7. Цифровое кодирование сигнала:

а – дискретный квантованный сигнал; б – цифровой сигнал (сигнал с ИКМ).

При передаче цифрового сигнала последовательным кодом первым передаётся младший разряд кодового слова. Время, затрачиваемое на передачу

кодового слова в последовательном коде, составляет N× T, где N – число разрядов кодового слова, Т – длительность тактового интервала.

Время передачи цифрового сигнала в параллельном коде равно длительности тактового интервала.

По каналам связи цифровые сигналы обычно передаются последовательным кодом, а обработка цифрового сигнала в аппаратно-студийном комплексе (АСК) и в цифровом ТВ-приёмнике осуществляется в параллельном коде.

Устройство цифрового кодирования.

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

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

· Системы с преобразованием ПЦТС в цифровую форму (системы с непосредственным кодированием);

· Системы с преобразованием составляющих ПЦТС в цифровую форму (системы с компонентным кодированием).

Системы первого вида привлекательны тем, что они позволяют перевести аппаратно-студийный комплекс (АСК) на цифровые принципы обработки. Однако при этом возникают определённые трудности при выполнении ряда специальных студийных операций (монтаж видеозаписи, реализация специальных видеоэффектов и т.п.).

В системах с компонентным кодированием осуществляется раздельное цифровое кодирование отдельных составляющих (компонент) ТВ-сигнала.

В качестве компонентных составляющих можно использовать сигналы основных цветов Е_R, Е_G, Е_B или сигнал яркости Е_Y и цветоразностные сигналы Е_R-Y, Е_B-Y. Системы этого вида позволяют получить высокое качество изображения (отсутствуют перекрёстные искажения между составляющими ТВ-сигнала, поскольку они обрабатываются раздельно); исключаются проблемы, связанные с преобразованием стандартов цветного телевидения; упрощается режиссёрская обработка сигнала в АСК и т.п.

В настоящее время используются системы с компонентным цифровым кодированием. Компонентное кодирование можно осуществить, подвергая цифровой обработке мультиплексированные (последовательно следующие друг за другом) аналоговые составляющие ТВ-сигнала. В этом случае требуется всего один АЦП, преобразующий поступающие на него компоненты Е_Y (t), E_{R -Y}(t), E_{B -Y} (t) в цифровую форму. Однако более прогрессивный способ компонентного кодирования основан на параллельной цифровой обработке сигналов основных цветов с последующим формированием мультиплексированного цифрового выходного сигнала Е^Ù _Y, Е^Ù _R-Y, Е^Ù _{B -Y}.

Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования второго вида показана на рис. 10.8.

Рис.10.8. Функциональная схема устройства компонентного цифрового

кодирования

КУ – кодирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

М – матрица; БЦО – блок цифровой обработки; К – коммутатор;

Мх – мультиплексор.

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 Е_R(t), Е_B(t), Е_G(t) из блока камерного канала. Каждый из входных сигналов в АЦП независимо от других преобразуется в цифровой сигнал (Е^Ù _R, Е^Ù _B, Е^Ù _G).

Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой обработки (БЦО). Цифровая реализация операций над сигналами в БЦО в своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых ТВ-системах. В этих же блоках устраняется информационная избыточность цифрового сигнала.

Матрица (М) служит для формирования цифрового сигнала яркости Е ^Ù _Y и двух цветоразностных цифровых сигналов Е ^Ù _{R -Y}, Е ^Ù _{B -Y}.

Коммутатор направляет эти сигналы либо в АСК для режиссёрской обработки и видеозаписи, либо в мультиплексор.