Цифров телевизионен сигнал. Аналогово-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване на телевизионния сигнал.
В съобщителната техника под аналогов сигнал се разбира електрически сигнал (ток, напрежение), който съответства на физическо събитие. Звук, издаден пред микрофон формира нискочестотно електрическо напрежение (ток), наречено сигнал, чиято честота и амплитуда еднозначно съответстват на измененията на въздушното налягане (предизвикано от звука) върху мембраната на микрофона. Така формираният нискочестотен сигнал за разлика от звука може да бъде пренасян по канал за връзка, който е от електрическо или електро-магнитно физическо естество. За радиопредаване, нискочестотният електрически сигнал се модулира и усилва (честотата му се увеличава многократно, а амплитудата му се увеличава значително). Модулираният високочестотен сигнал се излъчва от предавателна антена. В радиоприемника се осъществява обратния процес на демодулация, нискочестотния сигнал се разпознава и възпроизвежда отново под формата на звук във високоговорител.
При развивката на телевизионното изображение, яркостта на отделните елементи от картината се преобразува в съответен (аналогов) електрически сигнал, наречен видеосигнал. Недостатъците на аналоговия сигнал са:
- необходимост от линейна амплитудна характеристика на канала за връзка;
- висока чувствителност към смущаващи сигнали, които са налични във всички звена на телевизионната система и се наслагват върху полезния сигнал;
- необходимост от достатъчно широка честотна лента, за да пропуска и максималната честота във видеосигнала.
Аналоговите сигнали се описват с функция от вида: `y=x_a(t)`, където аргументът `t` и самата функция `x_а` са непрекъснати (
фиг.1.4а).
В съвременните съобщителни системи при обработването, пренасянето и приемането сигналите са в цифров вид. Преобразуването на аналоговите сигнали в цифрови преминава през няколко етапа (
фиг.1.4). В първият етап аналоговият сигнал се преобразува в
дискретен.
Дискретните (импулсните) сигнали се описват с решетъчна функция `y=x(nT)`, където независимата променлива `x` приема дискретните стойности `x(nT)`, където 'n=1, 2, ... Стойностите на функцията `y` в моментите `nT` се наричат отчети (дискрети). Дискретният сигнал на пратика представлява редица от отчети (
фиг.1.4б).
Във втория етап на преобразуването от дискретния сигнал `x(nT)`, се формира цифров сигнал `x_ц(nT)`. Цифровите сигнали се описват с решетъчна функция с дискретизирани (квантувани) отчети: `y=x_ц(nT)`.
Отчетите на цифровия сигнал приемат само дискретни стойности - нивата на квантуване: `h_1, h_2, ... ,h_n, Всяко едно от нивата на квантуване се кодира с число (
фиг.1.4в). За разлика от аналоговите сигнали, които могат да приемат всички възможни стойности между минималното и максималното ниво, цифровите сигнали приемат точно определени нива, като на всяко ниво съответства определено число. Показаният на
фиг.1.4 процес се нарича аналого-цифрово преобразуване, в резултат на което се формира цифрово съобщение, съдържащо информация за видеосигнала и за звуковия сигнал.
Цифров сигнал.
Цифровото съобщение представлява последователност от N символа, всеки един от които може да приема M различни стойности на амплитудата. Всеки символ от цифровото съобщение носи `m=log_2M` бита информация.
В най-често срещания случай амплитудата на символа приема две стойности (`M=2`), условно наречени
логическа нула и
логическа единица (
фиг.1.3д). Това е двоичен цифров сигнал носещ 1 бит информация (най-използван). Много по-рядко се използват цифрови сигнали с четири или осем нива (носещи съответно 2 и бита информация).
Формата на импулса на двоичния цифров сигнал може да има не само правоъгълна форма, същественото е, че всеки импулс на двоичния сигнал приема само две нива и е определен в ограничен времеви интервал с продължителност `T_s`,
наречен символен интервал. Поради това, че двоичните сигнали са най-разпространени, под понятието
цифров сигнал се подразбира
двоичен цифров сигнал.
В двоичните цифрови системи логическите нула и единица, могат да имат различни стойности - и положителни, и отрицателни. Обикновено логическата единица е с по-висока стойност от логическата нула (т.нар.
положителна логика). В цифровите интегрални схеми, с които се изграждат цифровите системи най-често логическата нула отговаря на напрежение около `0 V`, а логическата единица отговаря на напрежение около `+5V`.
Едно от предимствата на цифровия сигнал е устойчивостта му на шумови влияния (
фиг.1.3е). След преминаване на двоичния цифров сигнал през канала за връзка, върху двете нива на цифровия сигнал се наслагва шум, но при пропускане на изходния сигнал през ограничител, може напълно да бъде отстранено влиянието на шума. Възстановяването на двоичните цифрови сигнали може да става във всички точки на цифровата система, благодарение на което на практика няма загуба на информацията, пренасяна от цифровия поток. Това занижава изискванията към канала за допустимото ниво на отношението сигнал/шум и за линейност на амплитудната характеристика. Очевидно, преносът на цифров сигнал е много по-ефективен - много малки загуби на информация при по-ниски изисквания към канала, което значително подобрява технико-икономическите показатели на комуникационната система.
В аналоговата техника обработката на сигналите става посредством няколко рутинни операции - усилване, филтриране, ограничаване, модулация, демодулация и т.н. Обработката на цифровите сигнали представлява изпълняване на математически операции над числата, образуващи цифровия сигнал. Цифровата обработка дава качествено нови възможности, недостъпни за аналоговата техника. Най-съществените видове обработка на цифровия сигнал в цифровата телевизия са:
- кодиране на източника на сигнала - това позволява значително да се съкрати скоростта на цифровия поток;
- кодиране на телевизионните сигнали с цел намаляване влиянието на шумовете при пренасянето им в каналите за връзка;
- цифрова филтрация на сигналите за намаляване влиянието на шумовите сигнали, за подтискане на отразените сигнали, за разделяне на сигнала за яркост от сигнала за цветност;
- преобразуване стандартите на телевизионната развивка за реализиране на новата функция "кадър в кадър";
- създаване на нови телевизионни системи, позволяващи преноса на голям брой телевизионни програми в съществуващите наземни, кабелни спътникови канали, и да се реализира HD телевизия;
- многократно презаписване на сигналите без нарушаване на качеството на оптични носители на запис (DVD).
Предимството на цифровия сигнал пред аналоговия по отношение на коефициента сигнал/шум е показано на
фиг.1.5.
Цифровият сигнал приема стойностите логическа нула и логическа единица на определени интервали от време, наречени тактови (символни) интервали. В тактовия интервал, сигналът може да приеме едно от двете нива - логическа единица или логическа нула. Цифровият сигнал показан на
фиг.1.6г се нарича
код с връщане към нула (RZ-return to zero). По-често се използва
NRZ код (non return to zero) - код без връщане към нулата (
фиг.1.6б). Предимството на този код е двойно по-тясната честотна лента, необходима за пренасянето му. Съществуват и други кодове - бифазен код, код на Милър, AMI-код.
Във всеки тактов сигнал се предава една двоична единица наречена
бит (bit - binary digit). Един бит информация може да предаде `2^1=2` две различни състояния - логическа единица или логическа нула.
Цифровият поток представлява последователност от битове, групирани в думи. Състоянията N, които може да приеме думата в зависимост от броя на битовете n са `N=2^n`
Дума от 8 бита се нарича байт (Byte): `1 Byte = 8 bit =2^8=256` различни състояния.
Скоростта на цифровия поток се дефинира като брой предадени битове за една секунда и се измерва в `{bit}/s` или `{Mbit}/s`:
`R= {брой предадени битове} /{1s} [{bit}/s]`
Аналого-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване.
Източникът на звуков сигнал в радиосистемите и източникът на видеосигнал в телевизионните системи е аналогов. Възпроизвеждането на звуковите сигнали (високоговорител) и видеосигналите (телевизионен екран) става в аналогов вид. Поради това е необходимо след източника на сигнал да има аналого-цифров преобразувател, а непосредствено преди възпроизвеждащото устройство - цифрово-аналогов преобразувател (
фиг.1.9). За да се пренесе през канала за връзка, цифровият сигнал трябва предварително да бъде модулиран с подходяща модулация, а в приемната страна да се демодулира.
Задачата на аналого-цифровото преобразуване е да се преобразува аналоговият сигнал (звуков или видеосигнал) в цифров поток, а аналого-цифровият преобразувател изпълнява следните три функции:
- дискретизиране (квантуване по време);
- квантуване по стойност;
- кодиране.
Тези процеси са показани на
фиг.1.10 на дискретизирането на синусоидален сигнал (
фиг.1.10а). Дискретизирането става през
равни интервали от време `Deltat`. Колкото по-кратки са тези интервали, толкова повече дискретизираният сигнал се доближава до аналоговия. На изхода на дискретизатора се получава редица от отчети.
При квантуването обикновено се използва постоянна стъпка `DeltaU` (
фиг.1.10в) - линейно квантуване. Възможно е и понякога се прилага и нелинейно квантуване (с променлива по определен нелинен закон стъпка).
При преобразуването на непрекъснатия аналогов сигнал в цифрова форма неизбежно се губи част от информацията:
- при квантуването по време (дискретизацията) се губят част от честотите на сигнала по-високи от `f=1/{Deltat}`;
- при квантуването по стойност се губят малките промени в нивото на сигнала по-малки от стъпката на квантуване `DeltaU`.
На
фиг.1.11 е показана грешката от квантуването в рамкита на една дискрета.
Грешката от квантуване се нарича още
шум от квантуване, тя има случаен характер и е разпределена в границите на стъпката на квантуване `+- DeltaU` (
фиг.1.12). Грешката от квантуване е по-забележима при ниски нива на сигналите и намалява с увеличаване нивото на сигнала. Тя се намалява и при избиране на по-малки стойности на стъпката на квантуване `DeltaU` (т.е. увеличаване броя на стъпките на квантуване спрямо броя на нивата квантуване).
Броят на нивата на квантуване определят динамичния обхват на цифровата система, който се измерва в `[dB]` и приблизително е равен на броя на стъпките, умножени по 6.
След аналого-цифровото преобразуване, изображението е с намалено качество. В телевизията грешката от квантуването се проявява като части от изображението са с еднаква яркост с ясно изразена граница. Такъв случай е показан на
фиг.1.12 при дискретизиране и квантуване на синусоидален сигнал за отчетите 3,4 и 9,10.
След квантуването, редицата от дискретни отчети се кодира в двоичен цифров код и цифровият сигнал се трансформира в
двоичен цифров сигнал, (
фиг.1.10г).
На
фиг.1.15 е показана функционалната схема на аналого-цифров преобразувател. Ролята на дискретизатор се изпълнява от бърз електронен ключ, който се превключва с честота на дискретизиране `f_T`. Кондензатор, свързан паралелно след ключа "запомня" моментната стойност на сигнала. Запомненото напрежение се подава на схема за квантуване, образувана от `N=2^n` компаратори. N е броят на нивата, на които се квантува сигналът.
Сигналът, подлежащ на квантуване се подава едновременно на един от входовете на всеки от компараторите. На вторите входове се подава напрежение от резисторен делител. Съпротивленията на резисторите са така подбрани, че между два съседни компаратора разликата в напрежението винаги да е равна на стъпката на квантуване `DeltaU`. Напрежението `U_r=N.DeltaU=2^n . DeltaU` определя максималното входно напрежение, което се подава на аналого-цифровия преобразувател. При напрежение на входа `u_вх` ще се превключат компараторите с номера от 1 до i, където `i=u_вх /DeltaU`.'
Свързаната след компараторите логическа схема (приоритетен шифратор) формира паралелен двоичен код, който съотвества на десетичното число i. С помощта на мултиплексор, паралелният код се преобразува в последователен двоичен код.
При цифрово-аналоговото преобразуване последователният код на цифровия сигнал се преобразува в паралелен, като отделните разряди управляват `N` електронни ключа, които превключват резисторната матрица от типа R-2R (
фиг.1.16). В зависимост от кодовата комбинация ключовете на резисторната матрица застават в съответно положение, което формира изходното напрежение. Ако напрежението `U_r` се избере същото както и напрежението `U_r` в аналого-цифровия преобразувател, то `U_изх=U_вх`. Ако напрежението `U_r` в цифрово-аналоговия преобразувател се се различава от напрежението `U_r` в аналого-цифровия преобразувател, то `U_изх` и `U_вх` ще се различават, но ще бъдат пропорционални по стойност.
За да се постигне максимално съответствие между `U_вх` преди АЦП и `U_изх` след ЦАП е необходимо да бъдат изпълнени условията:
- стъпката на дискретизация `Deltat` да бъде възможно най-малка, което значи честотата на дискретизация `f_T` да бъде максимално висока;
- стъпката на квантуване `DeltaU` да бъде минимална,
Стъпката на квантуване `DeltaU` определя разрешаващата способност на аналого-цифровия преобразувател и зависи от броя на разрядите n в двоичния код на отчетите.
Стъпката на квантуване `DeltaU` и стъпката на дискретизация `Deltat` не могат да се намалят безкрайно, тъй като това води до увеличаване броя на разрядите, което увеличава скоростта на цифровия поток. Обикновено всеки отчет на видеосигнала се кодира с 8-разрядна дума, т.е. видеосигналът се квантува на 256 нива. Отчетите на звуковия съпровод се кодира с 16-разрядни думи, т.е. се квантува с 65536 нива.
Честотата на дискретизиране `f_T` се избира двойно по-висока от максималната честота на аналоговия сигнал. Това следва от теоремата на Шенон за дискретизацията, която гласи: "Честотата на дискретизиране (честотата на отчетите) `f_T` трябва да е най-малко двойно по висока от максималната честота в аналоговия сигнал, т.е. `f_T>=2f_{max}`.
При така избрана честота на дискретизация се гарантират минимум два отчета по времето на един период на най-високата честота в аналоговия сигнал, което позволява правилното възстановяване на сигнала след ЦАП.
Преди АЦП е необходимо да се включи филтър (предфилтър), който ограничава честотата на входния аналогов сигнал до честотата `f_max`. Аналогичен филтър (постфилтър) се включва и след ЦАП (
фиг.1.9). Невключването на предфилтър довежда до появата на нови честоти, несъществуващи във входния аналогов сигнал. Те предизвикват смущения от дискретизацията. В телевизията при дискретизиране на синусоидален сигнал с честота 9 MHz с честота на отчетите 13.5 MHz след ЦАП се получава синусоиден сигнал с честота 4.5 MHz, който попада в лентата на пропускане с ширина 6 MHz на постфилтъра след ЦАП и образува нехармонично смущение от дискретизацията. Отстраняването на сигнали с честота над 6 MHz преди АЦП не допуска появяването на смущаващи сигнали след ЦАП.
В телевизията смущенията от дискретизацията се проявяват като муари при предаването на периодични фини структури или като назъбване на правите наклонени граници на изображението.
Дискретизиране на телевизионни сигнали - процедури и структура на отчетите.
В цифровата телевизия е възможно съвместно или разделно кодиране на сигнала за цветна телевизия. При
съвместно кодиране на аналого-цифрово преобразуване (АЦП) се подлага пълният телевизионен сигнал
PAL,
SECAM или
NTSC, а при
разделно кодиране - на АЦП се подлагат по отделно сигналът за яркост и сигналите за цветовите разлики, след което се мултиплексират в общ поток цифровите потоци на отделните сигнали. Разделното кодиране се предпочита, понеже позволява цифровият сигнал да бъде допълнително обработен при производството, компановката и предаването на телевизионните програми.
Изборът на честотата на дискретизиране на сигналите за яркост и цветност се определя от необходимата честотна лента на видеосигналите, допустимите нива на смущенията от дискретизацията (появяване на лъжливи честоти) и сложността на реализирането на съответните аналогови и цифрови филтри и аналого-цифрови и цифрово-аналогови преобразуватели. Този избор зависи и от вида, и структурата на отчетите като практическо приложение са намерили структурите, показани на
фиг.1.17 - правоъгълна; шахматна и сдвоена шахматна.
При правоъгълната (ортогонална) структура отчетите са разположени във вертикални линии, перпендикулярни на растъра и са периодични по редове, кадри и полукадри. Това позволява съседните полукадри да се сумират при презредова развивка без загуба на разделителна способност по хоризонтали и вертикали. Ортогоналната дискретизация е подходяща за изпълнение на различни интерполации в апаратурите за преобразуване на стандартите, във видеоефектите и при намаляване на излишната информация в сигнала. Изборът на ортогонална структура на отчетите изисква честотата на дискретизация да бъде кратна на редовата честота. В препоръка 601 е избрана честота на отчетите за сигнала за яркост 13.5 MHz, която е кратна на 2.25 MHz. Тази честота е компромисна, понеже от една страна е достатъчно ниска и позволява да се използва сравнително евтина цифрова апаратура, а от друга страна е достатъчна, за да позволи осъществяване на по-сложна обработка на телевизионното изображение. Освен това тя е кратна и на редовата честота при стандартите с 625 и 525 редови развивки.
В цифровата телевизия от значение е и изборът на честотата на отчетите на сигналите на цветовите разлики R-Y и B-Y. Експерименталните изследвания са показали, че честотата на дискретизиране на тези сигнали в обхвата от 6 до 7 MHz е напълно достатъчна както за доброто субективно качество на изображението, така и за ефективното реализиране на аналого-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване. В Препоръка 601 за честотата на отчетите на сигналите на цветовите разлики се регламентира честота 6.75 MHz, която е половината от честотата 13.5 MHz на дискретизация на сигнала за яркост. На този стандарт е дадено условно означение 4:2:2, което символично отчита двоичното отношение на честотата на дискретизация на сигнала за яркост и сигналите за цветност и едновременното предаване на два цветноразликови сигнала. На четири отчета на сигнала за яркост Y има по два отчета за двата сигнала на цветовите разлики R-Y и B-Y.
Като стандарт с високо качество може да се използва дискретизация 4:4:4, при която честотата на дискретизация е 13.5 MHz както на сигнала за яркост, така и за двата сигнала на цветовите разлики. При тази дискретизация при всеки отчет на сигнала за яркост, съществуват отчети и на двата сигнала на цветовите разлики.
При структура на отчетите 4:2:2 двата цветоразликови сигнала се дискретизират с двойно по-ниска честота - 6.75 MHz, като на два отчета на сигнала за яркост в хоризонтална посока, съществува по един отчет на двата цветноразликови сигнала (
фиг.1.18а).
При структура на отчетите 4:1:1, дискретизацията на сигналите за цветност е с честота 3.375 MHz, като един отчет на двата цветноразликови сигнала има на всеки четири отчета на яркостния сигнал (
фиг.1.18б).
При структура на отчетите 4:2:0, дискретизацията на сигналите за цветност е с честота 6.75 MHz, като един отчет на двата цветноразликови сигнала има на всеки два отчета на яркостния сигнал, а във вертикална посока отчетите на сигнала за цветност са през ред (
фиг.1.18в).
Скоростта на цифровия поток на дискретизирания сигнал за яркост и цветност е:
`F_{bit}=(n_Y+2n_C).Z.F_K.n`, където `Z=625` е броят на редовете в развивката; `F_K=25 Hz` е честотата на кадрите; `n=8` е броят на разрядите в цифровия код на отчета.
След заместване на тези стойности във формулата, за скоростта на цифровия поток се получава `F_{bit}=216 {Mbit}/s`
На фиг.1.20 е показана времедиаграма, поясняваща разположението на отчетите на сигнала за яркост и на сигналите за цветност повреме на един ред от развивката. В активната част на реда с продължителност `52 mus` има
702 отчета на сигнала за яркост. За телевизията с висока разделителна способност (HDTV) в Европа е приет стандарт с
1250 редова развивка, честота на кадрите
50 Hz и формат на изображението
16:9. (
табл.1.3). Този стандарт предвижда два варианта - с
презредова развивка и с
прогресивна развивка.
Цифров мултиплексен сигнал.
На фиг.1.21 е показана функционална схема за дискретизация и формиране на цифров поток на телевизионния поток съгласно Препоръка 601 и Препоръка 656. Цифровият код на сигнала за яркост и на сигналите за цветност се предават за всеки отчет последователно в реда от развивката по следния начин:
`C_B, Y, C_R, C_B, Y, C_R` и т.н.
На фиг.1.21 е показана функционалната схема за дискретизиране и формиране на цифров поток на телевизионния поток според Препоръка 601 и Препоръка 656. Три АЦП преобразуват яркостния сигнал `Y` и двата сигнала на цветовите разлики `C_B` и `C_R` в цифрови сигнали с n-разряден код. Периодът на отчетите е `74.08 ns` за яркостния сигнал и `148 ns` при сигналите на цветовите разлики. Мултиплексор, превключван с тактова честота
27 MHz формира цифровата последователност, като в период от `148 ns` се предават два отчета на яркостния сигнал и по един отчет на двата сигнала на цветовите разлики. В цифровата поредица, отчетите се предават с периодичност `37 ns`.
На фиг.1.22 е показано формирането на последователен цифров поток от трите паралелни потока `Y`, `C_B` и `C_R` (за 10-битова дума).
След мултиплексора 8-битовата паралелна дума на цифровия сигнал е със скорост 27000 думи/s, а паралелно-последователния преобразувател (P-S преобразувател) формира последователен код на телевизионния цифров сигнал със скорост
216 Mbit/s.
Препоръка 656 предвижда използването на 10 битова дума за отчет, тъй като практиката показва, че при 8-битово кодиране, при по-светли части на изображението се формира шум от квантуването. При телевизионни изображения с формат 16:9 се допуска и използването на честота 18 MHz. на отчетите ппри дискретизиране на видеосигналите.
Във формирания цифров поток по времето на кадровите и редовите гасящи импулси се предават цифровите кодове на сигнала назвуковия съпровод и и други цифрови данни. Съгласно Препоръка 656, цифровият поток на изхода на телевизионното студио трябва да има размах `800 mV +-10%` от връх до връх на товар `75 Omega`. Предвижда се паралелно и последователно пренасяне на цифровата информация в рамките на студиото. Паралелният интерфейс е предназначен за пренос на информация на разстояния не по-големи от 10 метра. За връзка се използва мрежов кабел тип 12 усукани двойки. По десет от тях се предават 10-те бита видеоинформация, а по една двойка се предават тактовите сигнали, последната двойка служат за заземяване на системата.
Формата на сигнала (данни + тактови импулси) е показана на
фиг.1.23. Продължителността на времената, характеризиращи сигнала са:
- период на тактовите импулси: `T=1/{1728.f_z} = 37.037 ns`, където `f_z=15625 Hz` е честотата на редовите синхронизиращи импулси при развивка с 625 реда;
- честота на предаване на цифровите данни: `F=1/T=1/37 ns = 27 MHz`;
- продължителност на тактовия импулс: `t=18,52+-3ns`;
- период от момента на тактуване на данните до края на техния импулс: `t_d=18,52 +-3ns`.
Понастоящем синхронният паралелен интерфейс намира ограничено приложение.
