Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Цифровое телевидение

цифровой радиоавтоматический вычислительный

Применение методов и средств цифрового телевидения (ЦТ) обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с аналоговым ТВ:

повышение помехоустойчивости;

снижение мощности передатчиков ТВ;

увеличение числа ТВ программ в том же частотном диапазоне;

повышение качества изображения и звука;

создание ТВ систем с новыми стандартами разложения (повышенной четкости - ТВЧ) и др.

Первый этап развития ЦТ (стандарт был принят в 1982г.) использование цифровой техники в отдельных частях системы при сохранении стандарта разложения, что позволило разработать полностью цифровое студийное оборудование. Другое направление использования цифровой техники введение цифровых блоков в телевизионные приемники (функции «стоп-кадр», «кадр в кадре», система «телетест» и др).

Второй этап создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличными от обычных стандартов. Два основных направления развития стандарта связаны с необходимостью сжатия спектра сигналов для передачи по каналам связи с приемлемой полосой переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностного сигналов к последовательной и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке.

Примерами таких систем служат: японская система высокой четкости MUSE и западноевропейская MAC. В электронных системах обработка производится в цифровом формате, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Формат изображений 16:9, число строк 1125 и 1250, частота кадров 30 и 25 Гц, соответственно. Цифровым кодированием исходная полоса более 20 МГц сжимается до 8 МГц, что позволило передавать сигналы с ЧМ по спутниковым каналам связи, имеющим полосы по 27 МГц (сети наземного вещания этого сделать не позволяют).

Третий этап создание полностью цифровых телевизионных систем. Первые предложения по созданию таких систем поступили в 1990 г. и были основаны на достижениях в области эффективного кодировании и сжатия изображения. В 1993 г. последние аналоговые системы были сняты с рассмотрения и четыре группы компаний, представивших на конкурс близкие проекты, объединились в «Grand Alliance» США. В числе создателей новой системы Массачусетский Технологический Институт, корпорация Zenith, ATT, General Instruments, Philips и Thomson и др.

В результате были приняты стандарты MPEG-1 (Motion Picture Expert Group) ориентированный на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные диски с воспроизведением на ЭВМ (1993 г.) и MPEG-2 для систем телевизионного вещания любого стандарта, включая ТВЧ (1994 г.).

В Европе в 1993 г. принят проект DVB (Digital Video Broadcasting Цифровое Видео Вещание) и уже в 1997 г. через ИСЗ 170 каналов ЦТ, а концу 1999 г. их число превысило 1000.

В развитых странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии этого века аналогового телевизионного вещания.

Главной особенностью нового поколения телевизионных систем являются:

1. Сужение полосы сигнала эффективным кодированием, т.е. сокращение избыточности (в обычной полосе 4 и более программ).

2. Единый подход к кодированию и передаче сигналов с различной четкостью изображения.

3. Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи.

4. Обеспечение защиты от несанкционированного доступа.

Структурная схема ЦТ системы приведена на рис.65.

Источник аналоговых сигналов формирует сигнал яркости и цветоразностные сигналы, которые поступают на ЦАП, где преобразуются в цифровую форму. Кодер осуществляет эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи (для передачи сигналов ЦТ по стандартному каналу).

Рис.65

Сигналы звукового сопровождения также преобразуются в цифровую форму и сжимается в кодере звука.

Кодированные данные изображения и звука, вместе с различной дополнительной информацией объединяются в мультиплексоре в единый поток. В кодере канала выполняется еще одно кодирование передаваемых данных с целью повышения помехоустойчивости.

В приемной части осуществляется демодуляция высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется по каналам, где производится окончательное декодирование и выделяются яркостный и цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые в ЦАП преобразуются а аналоговую форму и подаются на монитор. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму для последующего усиления УНЧ.

В конце 1998 г. был принят стандарт MPEG-4, в котором содержатся методы кодирования изображения и звука, обеспечивающие передачу видеоинформации со звуковым сопровождением по узкополосным каналам связи для видеотелефонов и видеоконференций.

Цифровой ТВ сигнал получается из аналогового путем его преобразования в АЦП. Процесс преобразования включает следующие три операции:

1. Дискретизацию во времени.

2. Квантование по уровню.

3. Кодирование (оцифровку) - значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Главным параметром АЦП является частота дискретизации f_д, которая в соответствии с теоремой Котельникова должна удовлетворять условию f_д > 2f_в, где f_в - верхняя граничная частота спектра преобразуемого в цифровую форму сигнала. Откуда для ТВ сигнала она должна быть не менее 12 МГц.

Следующим параметром АПЦ является число уровней квантования N_кв, определяемое числом двоичных разрядов n в соответствии с соотношением N_кв = 2ⁿ. Выбор N_кв осуществляется так, чтобы влияние квантования на изображение не было заметно для получателя информации. Вместе с тем, равномерное квантование ТВ сигнала не является наилучшим, поскольку пороговое превышение яркости В_пор объекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, подчиняется закону Вебера-Фехнера

В_пор/В₀ = k,

где k = 0,015…0,020; В₀ - яркость фона. Таким образом, с ростом яркости фона растет порог В_пор. Отсюда следует, что в области значений ТВ сигнала, близких к уроню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого. Однако реализация неравномерного квантования значительно сложнее, поэтому применяют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала - гамма-коррекцию. Передаточная характеристика гамма-корректора описывается соотношением

(U_вых/U_выхм) = (U_вх/U_вхм),

где U_вх и U_вых напряжения сигналов на входе и выходе гамма-корректора, соответственно; U_вхм и U_выхм - максимальные значения диапазонов напряжений сигналов на входе и на выходе гамма-корректора, соответственно; = 0,42…0,48 - показатель гамма-коррекции.

Исходя из определения параметров АЦП, в стандарте, применяемом в современных полностью цифровых ТВ системах обычной четкости, установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13,5 МГц, для обоих стандартов развертки - 25 Гц, 625 строк и 30 Гц, 525 строк. Каждый цветоразностный сигнал дискретизируется с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц. В соответствии с принятыми в стандарте обозначениями, данный стандарт цифрового кодирования ТВ сигналов обозначается 4:2:2, это означает, что частота дискретизации цветоразностных сигналов в два раза меньше, чем частота дискретизации яркостного сигнала, определенная на основании теоремы Котельникова, причем в каждой строке присутствуют оба цветоразностных сигнала.

Полное число отсчетов яркости в строке равно 864, а число отсчетов каждого цветоразностного сигнала - 432., при этом число активных строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576, а полное число передаваемых в каждом кадре элементов изображения равно 414720. Предусмотрены и другие форматы преобразования ТВ в цифровую форму.

В Рекомендации 601 для всех сигналов предусмотрено число разрядов квантования n = 8, что дает число уровней квантования N_кв = 256. При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого - 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантованитя сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации.

Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

Y = 219E_Y + 16,

где E_Y - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 В (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию), Y - цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.

При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны - по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы E_R-Y, E_B-Y, а компрессированные цветоразностные сигналы

E_CR = 0,713E_R-Y, E_CB = 0,564E_B-Y , (10)

причем значения E_CR и E_CB изменяются в диапазоне от -0,5 до +0,5 В.

Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы C_R и C_B, выполняются в соответствии со следующими соотношениями

C_R = 224E_CR + 128 = 159,712E_R-Y + 128 160E_R-Y + 128, (11)

C_B = 224E_CB + 128 = 126,336E_B-Y + 128 126E_B-Y + 128. (12)



Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов.

В последние годы все шире применяется квантование яркости и цветоразностных сигналов с помощью 10-разрядных АЦП, что дает 1024 уровня квантования.

В состав цифрового ТВ сигнала входят синхроимпульсы, которые передаются: перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса - сигнал начала активной строки

(НАС); после окончания активного участка в начале строчного гасящего импульса - синхросигнал конца активной строки (КАС).

Каждый из синхросигналов НАС и КАС содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255 (в шестнадцатиричной записи FF). Следующие два байта равны 0. Последний четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле (четное или нечетное), какой именно это сигнал, а также обеспечивает защиту от ошибок. При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023.

Большая часть длительности строчного гасящего импульса между НАС и КАС остается свободной, и во время ее можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

1.1 Формирователи цифровых ТВ сигналов

Рассмотрим один из вариантов структурных схем формирователя цифрового ТВ сигнал на примере рис.66.

Здесь сигналы основных цветов E_R, R_G, E_B с источников телесигналов (телекамер) поступают на гамма-корректоры (ГК), сигналы с которых E_R, R_G, E_B в кодирующей матрице (КМ) преобразуются в сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Затем эти сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы Y, C_R и C_B, соответственно. На входах АЦП имеются дополнительные аналоговые узлы, выполняющие масштабирование и сдвиг сигналов в соответствии с (10) - (12). Число разрядов каждого АЦП, как правило, равно 8.

Рис.66

Синхроимпульсы развертки источника ТВ сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того синхроимпульсы используются для синхронизации генераторов тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства. ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника ТВ сигналов.

Мультиплексор (МС) в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы Y, C_R и C_B и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства оказываются сформированным цифровой ТВ сигнал (ЦТС).



1.2 Передача ЦТС по каналам связи

ЦТВ в последовательной форме может непосредственно передаваться по каналам связи, предназначенным для передачи дискретных сигналов, например, по широкополосным многоканальным линиям телеграфной связи с временным разделением каналов. В последние годы все шире используются широкополосные цифровые линии связи. Для ЦТВ могут использоваться и каналы связи с модуляцией несущего колебания.

Возможность точной передачи цифрового сигнала в первую очередь определяется отношением сигнал/помеха в канале связи.

Оценим ширину полосы частот цифрового сигнала в последовательной форме и требуемую для его передачи ширину полосы частот канала. Рассмотрим периодическую последовательность прямоугольных импульсов, имеющих период Т = 2Т_и. Спектр такого сигнала содержит постоянную составляющую, основную гармонику частоты 1/Т и постепенно убывающие нечетные гармоники этой частоты. Следовательно, спектр идеального импульсного сигнала неограничен.

Если ограничить полосу частот такого сигнала с помощью ФНЧ с достаточно крутыми срезом АЧХ, форма импульсов будет искажена (рис.67), так как часть частотных составляющих спектра окажется подавленной. Искажения проявляются в виде увеличения длительности нарастания и спада импульса и возникновения колебательного переходного процесса. Это будет причиной ограничения допустимой частоты передаваемого импульсного сигнала, т.е. ограничения скорости передачи двоичных символов по каналу связи.

Длительность нарастания импульса t_н связана с верхней граничной частотой ФНЧ f_в соотношениемt_н = 1/(2f_в).

Если длительность входного импульса меньше t_н, амплитуда импульса на выходе станет уменьшаться (см.пунктирную линию на рис.67). При достаточно малой длительности импульсов, их амплитуда на выходе канала станет сравнимой с шумами или помехой, что приведет к ошибкам работы приемного устройства.

Выбросы и колебательные переходные процессы, возникающие при передаче импульсов, также ограничивают частоту передаваемых по каналу связи импульсов. Если эта частота слишком велика, колебательный переходной процесс, созданный одним импульсом, будет накладываться на следующий импульс. Возникает помеха, называемая интерференционной, которая может привести к ошибкам приема.

Рис.67

Изложенные причины приводят к известному еще с ранних работ по теории связи условию: по каналу связи с шириной полосы пропускания F можно передавать в виде двухуровневых импульсов 2F бит информации за 1 секунду. То есть эффективность использования полосы частот канала связи составляет 2 (бит/с)/Гц. Следовательно, для передачи в последовательной форме цифрового ТВ сигнала со скоростью передачи двоичных сигналов 243 Мбит/с необходим канал связи с шириной полосы частот 121,5 МГц. Ясно, что ни стандартный канал наземного ТВ вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутниковый канал с полосой 27 МГц, непригодны для передачи цифрового ТВ сигнала. Это относится и к цифровым телевизионным сигналам стандартов, применяемых в видеосвязи даже при пониженной частоте кадров, а для ТВ сигналов повышенной четкости необходима еще большая полоса.

Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового ТВ была задача сокращения скорости передачи двоичных сигналов и, соответственно, требуемой полосы частот канала связи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале.

Избыточность ТВ сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую.

Структурная - связана с наличием в обычном ТВ сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображении не передается. Такая избыточность может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов полезной информации, например, звукового сопровождения, однако существенного выигрыша это не дает.

Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигналов в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Сокращение такой избыточности достигается путем установления указанных корреляционных связей. Одним из наиболее известных методов сокращения статистической избыточности является кодирование с предсказанием или дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИМК), основанная на передаче приращений значений сигнала.

Психофизиологическая избыточность ТВ сигнала определяется той информацией в ней, которая не воспринимается человеком и, следовательно, могла бы и не передаваться. Такая избыточность сокращается за счет удаления из передаваемого сигнала информации, отсутствие которой не влияет существенно на восприятие изображения человеком. Примером может служить способ кодирования Крецмера, в соответствии с которым при передаче крупных деталей изображения количество градаций яркости увеличивается, а при передаче мелких - уменьшается. Этот способ основан на использовании обратно пропорциональной зависимости между геометрическим и градационным разрешением зрительного аппарата человека. При восприятии мелких деталей ухудшается различие градаций яркости. В других методах используется ухудшение геометрического и градационного разрешения зрения при наблюдении движущихся объектов. Общая основа всех этих методов - ограниченность пропускной способности зрения как системы передачи и обработки информации.

Применение различных способов сжатия информации, заключенной в ТВ изображении, позволяет не только передавать цифровой ТВ сигнал обычной четкости по стандартным каналам ТВ вещания, но и добиться возможности передачи по этим каналам одновременно нескольких программ ТВ обычной четкости, сигналов новых систем ТВ высокой четкости, а также передачи цифровых ТВ сигналов по каналам связи с более узкой полосой частот, чем стандартные вещательные каналы. Соотношение потоков информации и требуемых значений ширины полосы пропускания каналов связи иллюстрируется рис.68.

Рис.68

Методы сжатия изображений можно разделить на два класса: метод сжатия без потерь информации и метод сжатия с частичной потерей информации. Примером первого метода являются различные алгоритмы архивирования изображений в вычислительной технике, которые основаны на уменьшении статистической избыточности. Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых чернобелых изображений без потерь весьма ограничены. Таким путем преобразования записанного в компьютере изображения в формате GIF, являющихся одним из наиболее компактных и эффективных, объем информации сокращается в среднем в 2 - 3 раз, что явно недостаточно для решения задач, стоящих в области цифрового телевещания.

Эффективнее оказывается метод сжатия с частичной потерей информации, при котором объем информации реального неподвижного изображения может быть уменьшен в 5 - 10 раз. Возможны и еще большие сжатия, однако при этом наблюдается заметные искажения изображений. Получение минимального объема передаваемой или запоминаемой информации при сохранении достаточно высокого качества изображения является одной из главных задач при поиске новых алгоритмов компрессии.

1.3 Приемное устройство по стандарту DVB

Для приема сигналов цифрового ТВ необходимо особое устройство, получившее название «d-box» (от digital - цифровой) или «Set-Top-Box» (устанавливается на ТВ-приемник «сверху» по входу). Выпуск их, вместе с комплектацией освоен фирмами Европы, Япония и Корея. Структурная схема такого устройства на микросхемах фирмы Philips приведен на рис.69. Оно принимает сигналы цифрового ТВ по кабельной линии или от спутниковой антенны и преобразует их в аналоговые сигналы для подачи на обычный ТВ приемник.

Рис.69

ВЧ тюнер имеет два входа: для подключения линии кабельного ТВ (КТВ) с диапазоном частот от 50 до 850 МГц; - для сигнала с приемного устройства спутникового канала (СТВ) на несущей в диапазоне 1…2 ГГц, перенос на которую осуществляется в преобразователе, расположенном непосредственно у приемной антенны. При работе с любого из входов тюнер позволяет выбрать нужный ТВ канал и переносит сигнал с несущей частоты выбранного канала на промежуточную частоту.

При приеме КТВ сигнал ПЧ с выхода тюнера поступает на АЦП, в качестве которого могут использоваться микросхемы типа TDA8790 или TDA8761. Дальнейшая обработка сигнала производится в цифровой форме. В блоке ДМД КАМн выполняются демодуляция квадратурной амплитудной манипуляции и канальное декодирование. Микросхема TDA8046 позволяет декодировать КАМн, имеющую 4, 16, 32, 64 или 256 возможных состояний.

В случае приема СТВ с выхода тюнера сигнал поступает на блок ДМД КФМн, в котором выполняется демодуляция квадратурной фазовой манипуляции и канальное декодирование. Этот блок построен на микросхеме TDA8042, представляющей собой собственно демодулятор, и микросхеме TDF8043, которая выполняет функции управления демодулятором и канального декодирования (Упр ДМД).

В обоих режимах приема сигналы после демодуляции и канального декодирования поступают на декодер Рида-Соломона, (Кош - Корректор ошибок), в котором осуществляется коррекция ошибок в принятых данных. Этот блок выполняется на микросхеме SAA7207, на выходе которого формируется транспортный поток MPEG-2.

АЦП, декодер КАМн, канальный декодер и декодер кода Рида-Соломона могут быть реализованы на одной микросхеме канального приемника кабельного ТВ типа TDA10021. Функции демодуляции, канального декодирования и декодировании кода Рида-Соломона для приема спутникового ТВ могут выполняться одной микросхемой типа TDA10085.

Затем в блоке ДСкр выполняется дескремблирование сигнала (данные, перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке скремблируются, а в приемной части восстанавливается исходный порядок - дескремблируется), т.е. в соответствии с условиями доступа к конкретной ТВ программе выполняется расшифровка данных. Дескремблер выполняется на микросхеме SAA7206. Наконец в блоке ДМп осуществляется демультиплексирование транспортного потока данных, который преобразуется в элементарные потоки видеоданных и звукового сопровождения в соответствии со стандартом MPEG-2. Этот блок реализуется на микросхеме SAA7205. Дескремблирование и демультиплексирование могут выполняться одной микросхемой SAA7219.

Полученные элементарные потоки данных поступают на декодер MPEG-2 (ДКд MPEG), выполняемый на микросхеме SAA7201. Возможно также использование микросхемы SAA7215 или SAA7216. В этом блоке выполняются синхронизация по принятым меткам времени встроенного генератора тактовой частоты 27 МГц, полное декодирование данных изображения, звука и дополнительной текстовой и графической информации в соответствии с главным уровнем главного профилем MPEG-2 и формирование выходных цифровых сигналов изображения и звукового сопровождения. Данные изображения выводятся в виде цифровых сигналов Y и U, V в формате 4:2:2 по 8 бит на элемент изображения.

Поток данных на входе декодера до 20 Мбит/с. К декодеру подключается внешнее ОЗУ объемом 16 Мбит для временного хранения данных. Управление работой декодера по цифровой шине от внешнего блока управления. Напряжение питания 3,3 В. Корпус микросхемы имеет 160 выводов.

Цифровой сигнал изображения поступает на микросхему SAA7124 (блок Видео ЦАП), в которой преобразуется в аналоговые сигналы. Эта микросхема имеет режимы формирования полных сигналов систем HFL и NTSC, режим формирования сигналов S-видео, в соответствии с которым на одном выходе присутствует сигнал яркости, а на другом выходе - сигнал цветности на поднесущей, режим вывода сигналов основных цветов R, G, B и режим вывода сигнала яркости Y и цветоразностных сигналов U, V. Выбор одного из режимов производится в зависимости от наличия соответствующих входов у используемого ТВ приемника или монитора. Число разрядов ЦАП 10 или 9. Выполняется обработка сигналов субтитров. Управление работой микросхемы осуществляется по шине I²C.

Цифровые сигналы звукового сопровождения поступают на микросхему TDA1306Т (Аудио ЦАП). Эта микросхема содержит два канала обработки звуковых сигналов для воспроизведения стереофонического звукового сопровождения. Число разрядов ЦАП 16. Динамический диапазон звука 95 дБ. Отношение сигнал/шум не хуже 88 дБ. Управление по шине I²C.

Кроме того, устройство «Set-Top-Box» содержит блок управления (БУ) с микропроцессором и приемником сигналов дистанционного управления. Команды от БУ к другим блокам передаются по двухразрядной цифровой шине I²C.

Приставка для приема наземного цифрового ТВ-вещания по стандарту DVB-T имеет сходную структуру. В качестве демодулятора и канального декодера может использоваться микросхема фирмы Philips VES9600, на вход которой поступает радиосигнал на ПЧ, а цифровой сигнал с выхода подается на декодер Рида-Соломона (способного эффективно исправлять пакетные ошибки).

В системах цифрового ТВ должны мыть методы и средства контроля параметров сигналов в различных частях системы. Так как сигнал цифровой, то основным показателем качества становится частота ошибок. В таблице 2.4 приведены параметры, контролируемые в приставке для приема цифрового ТВ.

Таблица 2.4

Где измеряется	Что измеряется
Спутниковая антенна (12 ГГц)	Спектр сигнала
Вход тюнера (до 1 ГГц)	Мощность сигнала и шума
Вход демодулятора	Параметры квадратурных составляющих на ПЧ
Вход канального детектора	Частота ошибок
Вход декодера Рида-Соломона	Частота ошибок
Вход демультиплексора	Частота ошибок
Выход демультиплексора	Анализ данных в элементарных потоках
Выход декодера изображения и звука	Субъективная оценка качества изображения и звука

1.4 Прикладное телевидение

На базе достижений техники телевизионного вещания получили широкое распространение прикладные телевизионные системы, применяемые в различных областях деятельности человека, как новое средство наблюдения, контроля, обеспечение безопасности, управления и связи. Решающее значение сыграли телевизионные системы в освоении космоса.

Прикладное телевидение позволяет наблюдать и управлять процессами в местах, недоступных человеку (далекие планеты, океанские глубины, нефтяные буровые скважины), а также и там, где присутствие человека опасно для его жизни (химические цехи с ядовитыми испарениями, атомные установки с высокой радиацией, высокотемпературные производственные помещения и установки, аэродинамические трубы). Современная телевизионная техника позволяет вести передачу изображений не только при обычном естественном или искусственном освещении, но и при крайне низких освещенностях (например, при свете звезд), а также при освещении невидимыми лучами (инфракрасными и ультрафиолетовыми). Специальные медицинские телевизионные установки позволяют преобразовать изображение в невидимых рентгеновских лучах в видимое и передавать его в другое помещение и тем самым, избегать постоянного и очень вредного для рентгенологов облучения.

Главным отличием прикладного телевидения от систем ТВ-вещания является ограниченное количество получателей информации. Поэтому здесь отсутствует необходимость в жесткой стандартизации параметров разверток и сигналов, как в ТВ-вещании.

Цифровые технологии в прикладном ТВ используются в первую очередь для сжатия видео и аудиоинформации с целью передачи по узкополосным каналам связи и записи в ЗУ и для анализа изображений с целью автоматизации некоторых функций системы.

Все системы прикладного телевидения можно разделить на три класса: на визуальные системы, на системы с документальной записью принятых изображений и на системы телевизионной автоматики.

К визуальным системам относятся все телевизионные устройства, на выходе которых воспроизводится наблюдаемое глазом человека изображение передаваемого объекта.

К системам с документальной записью относятся телевизионные системы с регистрацией передаваемых изображений, например, запись изображений облачного покрова Земли, передаваемого с борта метеоспутников системы «Метеор».

В системах телевизионной автоматики на выходе выдается командный сигнал, который вырабатывается в результате автоматического анализа видеосигнала, получаемого в результате телевизионного контроля регулируемого объекта (например, непрерывный контроль в процессе протяжки проволоки).



Контрольные вопросы к разделу

1.Какие преимущества обеспечивает цифровое телевидение?

2.Каким образом формируется цифровой телевизионный сигнал?

3.Каковы назначения кодера источника и кодера канала в цифровой телевизионной системе?

4.Что такое дискретизация и квантование?

5.С какой целью перед квантованием выполняют гамма-коррекцию телевизионных сигналов?

6.Каким образом передаются синхроимпульсы в цифровом телевизионном сигнале?

7.Что такое психофизиологическая избыточность телевизионного изображения?

8.Какова должна быть оптимальная амплитуда цветовой поднесущей по сравнению с сигнала яркости?

9.Каким образом по каналу связи передается полный цифровой телевизионный сигнал?

10.Что такое предыскажения цветоразностных сигналов?

11.Поясните структурную схему устройства по стандарту DVB.

12.Какие задачи решают системы прикладного телевидения?



2. Радиоавтоматика и радиоавтоматические системы

Рассмотренные выше системы ТВ и перечисленные во введении электронные системы способны работать лишь при условии поддержания и формирования заданных направлений излучения и автоматической регулировки режимов, что не возможно при работе даже самых искусных операторов. Поэтому для управления такими системами необходимы системы, выполняющие указанные функции в радиоэлектронных системах автоматически.

Различные аппараты и системы, в которых осуществляется целенаправленные действия в соответствии с вводимой в них информацией без активного вмешательства со стороны оператора, называют автоматическими системами. (Управляющая информация содержится в управляющих воздействиях, поступающих на вход системы управления).

Автоматические системы делятся на:

системы без обратной связи (ОС);

системы с обратной связью.

В системах без ОС способ действия не зависит от результата действия, соответствует или нет выходной эффект желаемому.

В системах автоматического регулирования с ОС характер процессов зависит от выходного результата, информация о котором по цепи ОС подается по входу системы.

Среди разнообразных САР, применяемых в РТС, можно выделить класс систем, действие которых связано с использованием радиосигналов - системы радиоавтоматики.

К ним относятся:

системы автоматического слежения за частотой и фазой синусоидальных колебаний (в частности системы АПЧФ);

системы автоматического определения направления на источник радиоизлучения или отражающий объект (автоматические радиопеленгаторы);

системы автоматического слежения за временным положением импульсных сигналов или автоматического слежения по дальности (АСД).

Кроме указанных систем автоматики к САР относятся:

самонастраивающиеся и экстремальные системы («адаптивная» самонастраивающаяся САР функционирующая наилучшим образом, за счет соответствующего выбора параметров и структуры системы, при меняющихся во времени внешних возмущениях и внутренних параметрах; «экстремальные» САР, в которых осуществляется слежение за максимальным или минимальным значением функции);

САР слежение (в более широком плане первая из названных автоматических систем; предназначены для автоматического слежения за управляющим воздействием, которое может изменяться произвольно и может иметь любую природу). Этот класс САР, методы его анализа полностью применимы и к системам автоматической стабилизации;

системы программного регулирования - они функционируют как следящие, однако здесь заранее известно как будут изменяться управляющие воздействия (т.к. они заданы программой);

большой класс САР автоматической стабилизации, которые предназначены для поддержания заданного (чаще неизменного) значения одной или нескольких регулируемых величин.

2.1 Общая функциональная схема системы автоматического регулирования (САР)

Общая функциональная схема САР приведена на рис.70.

В измерительном устройстве (ИУ) сравнивается сигнал обратной связи (ОС) с управляющим воздействием и вырабатываются сигналы рассогласования. Эти сигналы усиливаются, преобразуются и управляют объектом регулирования (ОР) в результате которого изменяются выходные сигналы, т.е. величина сигнала ОС (ОС замыкается на ИУ - это определяющий признак САР).

Рис.70

В одном и том же объекте регулирования (ОР) может происходить регулирование нескольких параметров (например, при полете самолета (самолет ОР) может стоять задача поддержания высоты и курса и т.п.). Между отдельными САР могут возникать связи, которые в некоторых случаях являются вредными, мешающими правильному функционированию (и их стремятся ослабить или уничтожить), а иногда эти связи позволяют получить более благоприятные результаты.

Обратимся к системам радиоавтоматики, которые используются в различных устройствах (с помощью таких систем решаются разнообразные технические задачи, в частности определение координат целей, скорость движения объектов, осуществляется определение высоты полета самолетов, измерение магнитного поля Земли, создание эталонов частоты, времени и т.д.).

Общим для всех систем радиоавтоматики является использование радиосигналов, которые обычно предварительно усиливаются в радиоприемном устройстве, всегда имеющем систему АРУ. К системам АРУ приемника, являющегося элементом следящей системы РА, предъявляются жесткие требования по динамической характеристике. Это приводит к необходимости уделить внимание вопросам динамики систем регулирования усиления.

В общем виде функциональную схему радиотехнической следящей системы можно представить в виде замкнутой петли. В ее состав входят: ИУ (или дискриминационное устройство), промежуточные усилительные и преобразовательные элементы (ПУ) и объект регулирования - т.е. теже элементы, что и перечисленные для САР.

Входным элементом системы радиоавтоматики (РА) является радиоприемник или усилитель радиочастоты, куда поступают сигналы принятые антенной. В РА системах слежения само слежение обычно, осуществляется за каким-то параметром ВЧ колебания (который является управляющим воздействием у(t) системы автоматического управления).

При слежении за частотой на вход системы (смеситель, ВЧ усилитель) поступает сигнал

u_{вх =} U_{m вх} sin(_ct ₊ )_,

где _с параметр, а сам сигнал является нелинейной функцией частоты.

Аналогично при сопровождении цели по направлению управляющее воздействие - угловое смещение целей y(t) является параметром ВЧ колебаний принятых антенной системы.

Таким образом, управляющее воздействие y(t) и радиосигнал, поступающий на систему имеют различную физическую природу. Вследствие этого РТ следящие системы имеют важные особенности.

В отличие от обычной следящей системы в ИУ РТС осуществляется не простое сравнение двух величин y(t) и y_н(t), а происходит достаточно сложное преобразование входного ВЧ радиосигнала и сигнала ОС y_н(t) в выходное напряжение ИУ (в напряжение дискриминатора) u_д, зависящее от рассогласования Z(t) = y(t) - y_н(t), причем для малых рассогласований величина u_д пропорциональна Z.

Напряжение u_д после усиления и преобразования в ПУ воздействует на объект регулирования так, что выходная (регулируемая) величина y_н (или измеренное значение управляющего воздействия), поступающая по цепи ОС в измерительное устройство для нормального функционирования системы, мало отличается от y(t).

Таким образом, наиболее существенные специфические особенности РТ следящих систем связаны с работой ИУ.

Выходное напряжение ИУ является нелинейной функцией рассогласования Z, которая зависит так же от интенсивности ВЧ входных колебаний U_{m вх}

u_{иу =} (Z, U_{m вх})_,

причем при Z = 0 (0, U_{m вх}) = 0.

Эта зависимость называется дискриминационной характеристикой и имеет вид кривой, приведенной на рис.71.

При малых рассогласованиях Z в системе эта зависимость близка к линейной, так что

u_д = К_д(U_mвх)Z,

где К_д = (du_иу/dZ)_Z=0 крутизна дискриминационной характеристики и называется коэффициентом передачи ИУ.

Параметр К_Д зависит от амплитуды сигнала на входе радиоприемного устройства, которая в свою очередь, зависит от мощности излучения, дальности до точки приема случайных перемещений источников радиоволн, интенсивности радиопомех и т.п.

Рис.71

В общем случае К_д является величиной случайной и, следовательно, неконтролируемой, поскольку на следящую систему воздействуют внешние возмущения, радиопомехи, так что сигнал на входе является аддитивной смесью высокочастотного колебания, содержащего управляющее воздействие и помехи.

Поэтому в результате преобразования в ИУ выходное напряжение будет зависеть не только от рассогласования Z, но и от входного шумового напряжения U_{ш вх}. При этом ИУ как элемент следящей системы РА описывается нелинейной функцией рассогласования (дискриминационной характеристикой) Z, напряжений U_{m вх} и U_{ш вх}:

.

Флуктуационная составляющая u_ш в системах РА, как правило, является широкополосной (по сравнению с полосой последующих элементов системы) и приближенно может быть представлена -коррелированным (белым) шумом со спектральной плотностью S_ш. Тогда выходной сигнал можно представить как

,(13)

где (t) белый шум с единичной спектральной плотностью.

Такое преобразование можно отобразить эквивалентной схемой рис.72, которая представляет собой эквивалент ИУ системы радиоавтоматики.

Рис.72 Рис.73

При малых Z связью (а) можно пренебречь, а в случае, когда можно пренебречь и шумом, используют упрощенный эквивалентный элемент, в котором принимается, что процессы в ИУ описываются с помощью пропорционального звена с постоянным коэффициентом передачи К_д (вычисленном при U_{ш вх} = 0), а действие входного шума учитывается добавлением U_ш. Именно такой эквивалент ИУ используется в дальнейшем (рис.73).

Во многих случаях в радиоэлектронных следящих системах (РЭС) объект регулирования является почти безынерционным в результате чего можно достаточно просто и в широких пределах варьировать параметры системы, выбирая их так, чтобы условия воспроизведения управляющего воздействия были наилучшими.

Своеобразие следящих РЭС состоит также в том, что измерительные устройства (а иногда и некоторые другие элементы) имеют ограниченную апертуру. Поэтому предварительно система должна быть введена в режим слежения, т.е. должен быть произведен захват так, что рассогласование предварительно сводится к достаточно малому значению, при котором начинается нормальный режим слежения. Введение в режим слежения производится автоматически или вручную. При действии помех большого уровня, в случае редких и значительных по величине изменений входных управляющих воздействий, а также в некоторых других случаях рассогласование Z может стать весьма большим, выходящим за пределы дискриминационной характеристики. Выходное напряжение ИУ в этом случае становится равным нулю и цепь регулирования размыкается. Происходит срыв слежения. Захват и срыв - явления весьма характерные для РЭ следящих систем.

Измерительными элементами систем слежения за частотой являются частотные и фазовые различители (дискриминаторы, детекторы).

САР различного назначения имеют в своем составе, кроме названных выше дискриминаторов разнообразные по устройству и принципу действия элементы. Однако процессы во многих из них могут быть описаны одними и теми же дифференциальными уравнениями. Такие элементы будут одинаково реагировать на однотипные сигналы, т.е. обладать одинаковыми динамическими свойствами. По этому признаку в цепях регулирования принято выделять отдельные элементы, которые называются динамическими звеньями (ДЗ).

2.2 Динамические звенья

Входной и выходной сигналы в ДЗ могут иметь различную физическую природу, но все они обладают свойствами однонаправленности и независимости (эти свойства для ДЗ полагают всегда выполненными, причем пути достижения их не указываются).

Наибольшее распространение получили следующие ДЗ:

усилительное (пропорциональное) звено;

инерционное звено;

звено второго порядка (колебательное или апериодическое);

интегрирующее звено;

дифференцирующее звено;

форсирующее звено.

На структурных схемах приняты следующие обозначения ДЗ (рис.74 в символической, операторной и условной форме, где x(t), Х(Р) - входная величина и ее изображение; y(t), Y(р) выходная и ее изображение; W(р), W(D) передаточная функция (аргумент D и р в обозначениях может упускаться, при этом передаточная функция обозначается как W)

Рис.74

ДЗ разделяются на линейные и нелинейные (справедлив или нет принцип суперпозиции), а для описания свойств ДЗ используются:

передаточные переходные характеристики;

импульсные переходные (весовые) функции;

частотные характеристики.

Передаточной функцией ДЗ (или целой системы) называется соотношение, определяющее характер связи между выходным и входным сигналами выраженное с помощью некоторого линейного дифференциального оператора или изображений этих сигналов по Лапласу (т.о. передаточная функция представляет собой определенную форму записи дифференциального уравнения и является удобной, т.к. отражает все динамические свойства элемента САР или системы в целом).

То есть, если выходной сигнал y(t) со входным x(t) связаны с линейным дифференциальным уравнением вида:

,

то, обозначая оператор взятия производной d/dt символом D, можем записать



,(14)

причем с полиномами от D следует оперировать как с алгебраической величиной. Откуда

,

где дифференциальный оператор W(D) называется передаточной функцией в символической форме.

Если равенство (10) подвергнуть преобразованию Лапласа при нулевых начальных условиях, то получим

или ,

где изображения входной и выходной функций.

Итак, используются две формы записи передаточных функций:

для мгновенных значений (символическая запись);

для преобразованных по Лапласу значений (операторная форма записи).

Установившиеся значения выходного сигнала (после окончания переходного процесса) в операторной форме определяется как

либо в символической, аналогичная запись, которая при подаче на вход постоянного сигнала x = x₀ имеет вид:

(D 0 соответствует приравниванию нулю производных выходного сигнала в уравнении, описывающем процессы в звене).

Передаточная функция электрической цепи W(D) в символической форме (при отсутствии начальных запасов энергии) или в операторной форме может быть получена без составления дифференциального уравнения. Для этого необходимо заменить участки цепи, содержащие резисторы R, конденсаторы С и индуктивности L, сопротивлением R и символическими сопротивлениями X_C = 1/CD (или 1/pC) и X_L = LD (или pL) и составить соответствующие уравнения Кирхгофа.

Пример (рис.75). Последовательный колебательный контур и усилитель (с изображением схемы, как динамического звена) с коэффициентом K (с большим входным и малым выходным сопротивлением). В усилителе выполняются условия однонаправленности и независимости

Рис.75

Так как

;

то ток определяется как



и подставляя в уравнение цепи

т.к. , получаем

(15)

откуда передаточная функция:

или

, откуда

. (16)

Для получение результата в операторной форме проведем над (15) преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях

,

; , откуда

,

и следовательно передаточная функция

аналогична (16) или с учетом рекомендаций: .

.

Импульсная переходная функция g(t) является реакцией звена на -функцию приложенную к звену в момент t = 0. Так как изображение -функции равно 1, импульсная переходная характеристика находится как обратное преобразование Лапласа от передаточной функции

.(17)

Для определения g(t) используются либо таблицы оригиналов и изображений, либо представление W(p) в виде простейших дробей, для каждой из которых обратное преобразование Лапласа выражается экспоненциальной функцией. В этом случае требуется нахождение корней полинома знаменателя передаточной функции.

Для вычисления импульсных переходных характеристик могут быть использованы и формулы обращения Римана-Меллина.

Частотные характеристики АЧХ и ФЧХ:

АЧХ выражает зависимость отношения амплитуд выходной и входной синусоидальных величин от частоты К();

ФЧХ - зависимость фазового сдвига выходной синусоидальной величины по отношению ко входной от частоты (). (Опережение фазы соответствует () > 0, отставание () < 0). (Заметим, что здесь фазовый угол () у ФЧХ взят со знаком плюс, в то время, как в радиотехнике обычно принято перед обозначением фазы писать знак минус, т.е. записывать ).

Если передаточная функция W(p) не имеет нулей и полюсов в правой полуплоскости то между АЧХ и ФЧХ имеется однозначное соответствие, выражаемое определенным интегральным соотношением. Цепи, для которых указанное условие выполняется, называются минимальнофазовыми цепями. Большинство используемых в автоматике звеньев являются именно такими.

Рассмотрим основные ДЗ и их характеристики.

Усилительное (пропорциональное) звено

Такое ДЗ характеризуется постоянным (в общем случае размерным) коэффициентом передачи К = y/x. К этому классу относятся усилители и такие устройства, в котором одна физическая величина преобразуется в другую в постоянном отношении. В реальных условиях величина К постоянна только на некотором ограниченном участке (а б) изменения входной величины, где зависимость y = f(x) линейна (рис.71).

Пример Частотный дискриминатор в системе АПЧ телевизора (без учета инерционности сглаживающих RC-элементов) характеризуется зависимостью выходного напряжения U_д от расстройки частоты f относительно переходной частоты дискриминатора

.(18)

Отсюда передаточная функция (коэффициент передачи)

(19)

Аналогично управитель частоты в системе АПЧ f = К_уU_у.

Отношение выходной величины (f_г) ко входной величине (U_у) передаточная функция звена W = f_г/U_у. Это отношение является коэффициентом передачи К_у звена с размерностью Герц на вольт.



2.3 Инерционное звено

Такое звено имеет передаточную функцию

или (20)

и условно изображается на схемах в виде рис.76

Рис.76

где Т - постоянная времени, характеризующая инерционность звена (сек); К - коэффициент передачи звена (в общем случае размерная величина).

В установившемся режиме у_уст при постоянном входном сигнале х = Х₀ производная выходной величины равна нулю, следовательно, полагая р = 0, находим: у_уст = КХ₀.

Комплексный коэффициент передачи (получается из передаточной функции заменой р на jw):

.(21)

АФХ такого звена:

, (22)

где и представляет собой полуокружность, расположенную в четвертом квадрате, пересекающую ось u при = 0 (точка с абсциссой К) и стремится к нулю при рис.77

Рис.77

АЧХ имеет вид:

,(23)

при = 0 К() имеет максимальное значение, равное К, и убывает, cтремясь к нулю c увеличением . Чем больше Т, тем интенсивнее убывает К() с ростом частоты (рис.78,а).

аб

Рис.78

ФЧХ . (рис.78,б)

При = 0 фазовый сдвиг равен 0. С увеличением частоты сдвиг по фазе (U_вых) растет тем интенсивнее, чем больше Т, стремясь к /2 при .

На частоте фазовый сдвиг составляет .

Импульсная переходная характеристика (весовая функция)

(24)

представляет собой спадающую экспоненту (рис.79), которая при t < 0 имеет g(t) = 0, (h(t) переходная характеристика звена получается путем нахождения обратного преобразования Лапласа) выражения и является оригиналом этого изображения.

Рис.79

При подаче на вход ступенчатого сигнала величины Х₀ выходной сигнал

,(25)

т.е. переходная характеристика инерционного звена .

Пример. Фильтр RC нижних частот рис.92 является инерционным звеном



Рис.80

При синусоидальном входном сигнале с комплексной амплитудой U_вх

.

Но, т.е. .

Отсюда ,

и передаточная функция в комплексной форме

,(26)

где T = RC, т.е. это звено является инерционным.

Звено второго порядка

Звено второго порядка характеризуется передаточной функцией вида

,(27)

где К коэффициент передачи, т.е. отношение выходной величины ко входной в установившемся режиме (t = ); Т постоянная времени звена (сек); коэффициент затухания (безразмерная величина); при < 1 процессы носят колебательный характер, а при > 1 апериодический.

Комплексный коэффициент передачи

.(28)

Звено второго порядка описывается следующими характеристиками:

АФХ - (рис.81)

;

.

Частоту ₀ (см.рис.82) обычно называют (по аналогии с колебательным контуром) частотой собственных или свободных колебаний.

...