Обобщенная структурная схема цифровой системы передачи изображений

Тема 12. ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ЗВУКА

Преимущества цифровых ТВ систем

Аналоговый телевизионный сигнал в соответствии с его природой повторяет распределение яркости сигналов основных цветов (либо, после преобразований, несет информацию о яркости и цветности) изображения, т.е. является его электрическим аналогом. Главным недостатком телевизионных систем, использующих аналоговые сигналы, является слабая помехозащищенность – в каждом из звеньев ТВ тракта сигнал подвергается воздействию шумов, помех, искажений, в той или иной степени изменяющих его форму, что приводит к ухудшению качества изображения. Помехи и искажения накапливаются от звена к звену, в результате чего их суммарный уровень может стать неприемлемым.

Существенно уменьшить искажения и помехи при формировании ТВ программ, их консервации или передачи позволяют цифровые методы. Главным их преимуществом является то, что информация заложена в дискретных уровнях сигнала (в простейшем случае – двоичный сигнал – в двух: низком «0» и высоком «1») и не зависит от его формы, что существенно повышает помехоустойчивость. Цифровые сигналы, в отличие от аналоговых, могут быть восстановлены (регенерированы) на любом участке тракта передачи – т.е. отсутствует накопление искажений и помех.

Сфера применения цифровых методов в вещании постепенно расширяется, охватывая подготовку ТВ программ, передачу, распределение и прием сигналов. Применение специализированных компьютеров (графических станций и т.п.) и цифровой видеозаписи на диски и твердотельную электронную память позволяет переходить на автоматизированное безленточное производство ТВ программ.

Цифровые методы, помимо обеспечения высокого качества изображения в условиях воздействия помех, обладают и другими достоинствами. Так, при одинаковой занимаемой полосе частот радиоканала, они позволяют передавать большее число программ по сравнению с аналоговым телевидением. Намного легче в сравнении с аналоговой техникой достигается универсальность раболты цифровой аппаратуры различных стандартов ТВ вещания. Лучшая помехоустойчивость передачи цифровых сигналов позволяет уменьшить мощности радиопередатчиков.

Использование цифровых методов позволяет включить телевидение в единую мировую информационную систему через телевизионные интерактивные каналы, а также обеспечить возможность приема ТВ программ через сеть Интернет.

На настоящем этапе развития единственным аналоговым звеном в системах передачи изображений остаются преобразователи свет-сигнал и сигнал-свет. Преобразование в цифровую форму осуществляется в большинстве случаев непосредственно после датчика ТВ изображения - ПЗС или КМОП-матрицы, обратное преобразование выполняется перед видеоусилителем устройства отображения.

Обобщенная структурная схема цифровой системы передачи изображений

В общем случае цифровая система передачи изображений (ЦСПИ) должна реализовывать следующие операции:

- аналого-цифровое преобразование;

- выбор (установку) формата цифрового представления сигналов;

- кодирование источника (устранение избыточности, формирование транспортного потока данных;

- передачу транспортного потока данных по каналу связи (либо запись данных на устройство хранения);

- декодирование транспортного потока данных;

- восстановление цифровых сигналов основных цветов (R, G, B);

- цифро-аналоговое преобразование.

В дальнейшем будем рассматривать два типа ЦСПИ:

– с аналоговым формированием яркостного и цветоразностных сигналов (рисунок 12.1);

– полностью цифровую (рисунок 12.2).

Изменения касаются только передающих трактов, приемный тракт (рисунок 12.3) в обоих случаях одинаков.

Рисунок 12.1 – Обобщенная структурная схема передающего тракта ЦСПИ с аналоговым формированием яркостного и цветоразностных сигналов
Рисунок 12.2 – Обобщенная структурная схема передающего тракта ЦСПИ с цифровым формированием

яркостного и цветоразностных сигналов

Рисунок 12.3 – Обобщенная структурная схема приемного тракта ЦСПИ

Системы первого типа применяются в том случае, если уже имеется источник (ТВ-камера, видеомагнитофон и т.п.) компонентного видеосигнала и требуется обеспечить его передачу (хранение). Параметры АЦП в данном случае выбираются исходя из полосы частот передаваемого сигнала, допустимого ухудшения отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе системы за счет шумов квантования, а также с учетом особенностей работы модуля компрессии (при его наличии в составе ЦСПИ).

В состав передающей части входят масштабные усилители А1.1 – А1.3, задачей которых является нормализация уровней яркостного и цветоразностных сигналов, подаваемых на входы АЦП. Фильтры нижних частот (ФНЧ) Z1.1 – Z1.3 обеспечивают подавление спектральных составляющих входных сигналов с частотами, превышающими половину частоты дискретизации f_Д.

Для аналого-цифрового преобразования используются 3 АЦП, как правило, с одинаковыми параметрами (разрядностью квантования m и частотой дискретизации f_Д). Поскольку полоса частот ЦРС в два (форматы 4:2:2 и 4:2:0) либо в 4 (4:1:1) раза меньше полосы частот яркостного сигнала, то для них выполняется операция прореживания в два (либо 4) раза соответственно. Назначение фильтров Z2.1 – Z2.2 аналогично Z1.1 – Z1.3. Операция прореживания позволяет сократить суммарную скорость потока данных компонентного сигнала на 50…100 % без заметного субъективного ухудшения качества изображения.

Сформированные цифровые яркостный (Y) и ЦРС (C_R, C_B) подаются на модули сокращения избыточности U3 и формирования транспортного потока данных U4. В ряде случаев (использование ЦСПИ в пределах студии, повышенные требования к качеству изображения и т.п.) компрессия изображений не применяется и цифровые сигналы Y, C_R, C_B сразу мультиплексируются в транспортный поток, например, формата SDI или SDTI.

В ЦСПИ второго типа (см. рисунок 12.2) преобразование сигналов в цифровую форму осуществляется непосредственно на выходе источника (датчика) – преобразователя свет-сигнал В1.1 – В1.3 (ПЗС или КМОП-матрицы), генератора, иного устройства. Преобразованию подлежат первичные сигналы основных цветов U’_R, U’_G и U’_B, причем предполагается их дальнейшая обработка (цвето и гамма-коррекция, апертурная коррекция, формирование сигналов Y, C_R, C_B и т.п.). В данном случае параметры АЦП выбирают из условия минимизации вносимых в сигнал искажений, скорость полученного потока данных решающего значения здесь не имеет. Поскольку лучшие современные датчики ТВ сигналов на основе ПЗС и КМОП-матриц обеспечивают отношение сигнал/шум порядка 65 дБ для телевидения стандартной четкости (ТСЧ) и 60 дБ – для телевидения высокой четкости (ТВЧ), то нормой становится использование 12…14-разрядных АЦП. Частота дискретизации может выбираться стандартной (13,5 МГц для ТСЧ, 74,5 МГц – для ТВЧ), либо определяться параметрами блока предварительной обработки - БПО (U2, U3). Разрядность математической обработки сигналов в БПО выбирается еще более высокой (22…32 разряда, иногда выше) для минимизации искажений сигналов, вызванных конечной (ограниченной) точностью вычислений. После выполнения всех операций по обработке сигналов основных цветов и преобразованию в Y, C_R, C_B их разрядность приводится к стандартному значению (8 или 10 бит/отсчет, в зависимости от назначения системы). Такие же действия выполняются и для частоты дискретизации (тактовой частоты). Дальнейшая обработка аналогична описанной выше для ЦСПИ первого типа.

Приемный тракт строится по одинаковой схеме для ЦСПИ обоих типов и включает в себя (см. рисунок 12.3) демультиплексор транспортного потока данных U1, декодер компрессированного сигнала U2 (если компрессия используется), блоки экстраполяции (приведения к формату 4:4:4) цветоразностных сигналов U3.1 и U3.2, схему матрицирования U4, обеспечивающую преобразование яркостного и цветоразностных сигналов в сигналы основных цветов и модуль цифро-аналогового преобразования, состоящий из ЦАП U5.1 – U5.3 и восстанавливающих ФНЧ Z1.1 – Z1.3.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: