Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Северо-Казахстанский государственный университет

имени академика М. Козыбаева

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

На тему: «Радиопередающие устройства: Передатчики телевизионного вещания»

по специальности 050719 - «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Выполнил:

Жамани А.

Научный руководитель

Абильмажинов Б.М.

Петропавловск 2016



Содержание

1. Основы цифрового телевидения

2. Структурные схемы передатчиков телевизионных станций

3. Квантования телевизионных систем

4. Цифровая кодирования телевизионных систем

5. Формирователи цифровых телевизионных сигналов

6. Кодирование программ

7. Кодирование видеоинформации

Заключение

Список литературы



1. Основы цифрового телевидения

Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения

В настоящее время традиционная аналоговая техника связи повсеместно заменяется более совершенной цифровой. Этот процесс охватил и телевидение. Важнейшее преимущество цифровой техники - возможность цифровой обработки, передачи и хранения информации.

Цифровая обработка ТВ изображений в процессе их передачи и приёма позволяет достичь высокого уровня качества и предоставляет пользователю массу новых возможностей и услуг.

Цифровые системы телевидения наряду с обработкой изображения широко используют процедуры сжатия и кодирования видеосигналов. Проблемы сжатия и кодирования сигналов стали основными не только в системах вещательного телевидения, но и при построении многих прикладных систем (архивирование видеоданных, передача изображений по каналам с низкой пропускной способностью и др.).

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и принцип передачи ТВ сигнала по каналу связи.

Второй этап развития цифрового телевидения - создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения.

Примерами гибридных ТВ систем служит японская система телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские системы MAC. В передающей и приёмной частях этих систем сигналы обрабатываются цифровыми методами, а в канале связи сигналы передаются аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается до 8 МГц.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых ТВ систем. В России этот переход планируется завершить к 2015 году.

Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах (JPEG, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7, Wavelet-преобразование).

Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем ТВ вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в 1994 году.

Главными особенностями нового поколения ТВ систем являются:

Сужение полосы частот цифрового ТВ сигнала, позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному ТВ каналу с шириной полосы 6…8 МГц.

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

Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым системам связи.

4.Обеспечение защиты ТВ программ от несанкционированного доступа, что даёт возможность создавать системы платного ТВ вещания.

Выбор оптимального стандарта цифрового кодирования позволит создать общую систему для обмена сигналами в международных масштабах, а также устранить необходимость в преобразовании стандартов, то есть появляется возможность создание унифицированного видео оборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения - SECAM, PAL, NTSC.

Импульсно-кодовая модуляция

Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму представляет собой комплекс операций, наиболее важными из них являются дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация-замена непрерывного аналогового ТВ сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала.

При использование в телевидении преобразователей “свет-сигнал” ПЗС видеосигнал является дискретным во времени как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, то есть передаётся не каждое значение видеосигнала, а только некоторые, следующие друг за другом через определённые промежутки времени Дt. При этом видеосигнал принимает любые значения из промежутка значений Uc.min-Uc.max. При использовании видиконов (вакуумных трубок) видеосигнал в горизонтальном направлении является аналоговым, т.е. каждому значению яркости Всоответствует определённое значение тока (напряжения) сигнала ic (Uc).

Преобразование аналогового сигнала в дискретный поясняется рис.5.1. Здесь аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму и передаётся по каналу связи в двоичном коде с использованием ИКМ. Для сохранения формы аналогового сигнала на приёмной стороне желательно временной интервал Дt при дискретизации брать как можно меньше, а число уровней сигнала брать как можно больше.

Временной интервал Дtопределяется теоремой Котельникова-Найквиста:

Fдискр ?2fгр.

t ? Tгр./2, Tгр. ? 2Дt ,

где fгр. - граничная частота сигнала.

Согласно этой теореме непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты)

tn=nT

где n=1,2,3….,

Т - период или интервал дискретизации ( ).

Формула (5.1) говорит, что для сохранения формы сигнала число отсчётов за один период максимальной частоты колебаний должно быть равно не меньше 2 (рис.5.1.1).

Из рисунка 1.1.1 видно, что для неискажённой передачи изображения шахматного поля шаг дискретизации должен быть равен

Дt=фэ=Tгр./2,

где фэ - время передачи одного элемента изображения,

гр. - период граничной частоты видеосигнала.

Аналитическое выражение теоремы Котельникова-Найквиста имеет вид

Предполагается, что отсчёты U(nT) является д-импульсами (бесконечно короткими).

Рис.1.1.1 Радиосигнал на входе передатчика изображения



Рис 1.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.

Для восстановления исходного аналогового сигнала U(t) из последовательности отсчётов U(nT) последнее необходимо в соответствии с ( ) пропустить через идеальный фильтр (ФНЧ) со срезом по частоте fгр.

Из теоремы следует, что для точного восстановления исходного сигнала необходимо передать наличие бесконечно большого числа отсчётов. На практике же сигнал описывается конечным числом отсчётов.

Далее за процессом дискретизации следует квантование, которое заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчётов ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис. 5.1, б). Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала по уровню сигнала U(t).

Фиксированные уровни, к которым привязываются отсчёты, называют уровнями квантования. Области значений сигнала U(t), заключённые между двумя уровнями квантования, называются шагами квантования (рис.5.1,в), образуя шкалу квантования. Округление отсчёта до одного из ближайших уровней (верхнего или нижнего) определяется положением порогов квантования(5.1,б

Рис.1.2. Общая АЧХ телевизионной РПС

Пример 1. Значение аналогового сигнала в момент времени , , то есть превышает порог квантования (рис 5.1,в).Квантованный сигнал принимает значение 1: (рис. 5.1,в).

Пример 2. Значение аналогового сигнала в момент заключено в пределах: ,то

Квантованный сигнал .

Если непрерывный сигнал 0.5 или 1.5 или 2.5 и.т.д. то квантованный сигнал принимает значение 1 или 2 или 3 и.т.д., то есть верхнее значение квантованнго уровня .

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал икв(пТ)уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала и(пТ)может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u(t),то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием т, где т - число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (рис.5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u(t)в цифровой и(пТ), называемая операцией кодирования.

Кодирование, таким образом, есть преобразование квантованного значения отсчета икв(пТ)в соответствующую ему кодовую комбинацию символов иц(пТ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала - представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис.5.1,г показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t)в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.

Часто всю совокупность перечисленных операций - дискретизации, квантования и кодирования - для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи - непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.

Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно, первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого перспективного для телевидения принципа обработки и передачи информации объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по каналу связи.

При непосредственном кодировании телевизионного сигнала методом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации fд. Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).

Скоростью передачи цифровой информации называется число передаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит/с. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме будет равна произведению частоты дискретизации fд и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете: с= fд k . (5.2)

Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то минимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения с ИКМ частоту fд выбирают выше минимально допустимой, определяемой теоремой Котельникова. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования рекомендована для всех стран частота дискретизации fд =13,5 МГц.

сло двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования m исходного сигнала соотношением

k = log2 m » 3,3 1g m.

Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом, которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах 100...200.

Отсюда k = 3,3 1g m = 3,3 1g(100...200) » 6,6...7,6.

Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть только целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограничится числом k = 7 или 8. В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128-возможных уровнях сигнала (градациях яркости). Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в передаче градаций) m = 28 = 256. Если принять k = 8, из (5.2) и (5.3) следует, что скорость передачи цифровой информации с = fд k = 13,5 Ч 8 = 108 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования ТВ сигнала, так и каналы связи. Тем не менее, нельзя считать экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономичных ТВ систем является «сжатие» ТВ сообщения.

Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резервы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет устранить избыточность в ТВ сигнале, не передавать многократно одну и ту же информацию, сократить цифровой поток. цифровой телевидение передатчик импульс

Рис 1.3. Радиосигнал красной строки на выходе передатчика изображения при передаче цветных полос.

2. Структурные схемы передатчиков телевизионных станций

Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы (рис.5.2). Этот сигнал подвергается предварительной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал разделяется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования производились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести в аналоговый сигнал определенные предыскажения для улучшения субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на то, что многие из этих предварительных операций по обработке могут быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее подготовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на АЦП, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется (например, по методу ИКМ). Как указывалось, в полученном таким образом сигнале содержится значительная избыточность, которая может быть в определенной степени сокращена путем дополнительного, более эффективного кодирования в блоке цифровой обработки сигнала. Далее сигнал поступает в кодирующее устройство канала. Под каналом здесь понимаются линия связи, устройство консервации ТВ сигнала, устройства коррекции ТВ сигнала и другие звенья, в которых сигнал обрабатывается. Кодирующее устройство канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала от возможных помех в канале путем применения специальных, более помехозащищенных кодов. Наконец, сигнал в цифровой форме поступает на выходной преобразователь (например, на модулятор передающего устройства) и далее в канал.

Рис.2.1. Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения

Принятый приемным устройством сигнал демодулируется, подвергается обратному преобразованию в декодирующем устройстве канала и поступает в блок цифровой обработки декодирующего устройства цифрового сигнала. В нем лишенный избыточной информации на передающем конце сигнал приобретает исходную форму, затем в ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал. Если на передающем конце тракта использовалась предварительная аналоговая обработка сигнала, то на приемном конце может производиться обратная операция.

Приведенная на рис.5.2 схема является обобщенной. В зависимости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может видоизменяться. Например, система вообще не будет содержать аналоговых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и сигнал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом виде. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии протяженных линий связи, и в частности при цифровой обработке сигнала внутри одного телецентра. В этом же случае нет необходимости и в устройствах, устраняющих в ТВ сигнале избыточность и сокращающих цифровой поток

Рис.2.3. Структурные схемы телевизионных РПС.

Рис 2.4. Структурная схема телевизионных РПС дециметрового диапазона с УКМ на пролетных клистронах

Рис.2.5. Схемы коммутации передатчиков на фазовращателях

3. Квантования телевизионных систем

Полученные после дискретизации исходного сигнала u(t)отсчеты и(пТ)могут принимать произвольные значения в пределах своего динамического диапазона. В результате операции квантования должна быть произведена замена всех возможных значений и(пТ)рядом разрешенных значений, названных уровняли квантования.

По своему смыслу операция квантования, таким образом, обязательно предполагает появление ошибки между истинным значением сигнала u(t)и его квантованным приближением икв(пТ). Эта ошибка D = и(пТ) - икв(пТ)называется ошибкой квантования. Ошибка D в существенной степени зависит от того, до какого из двух ближайших уровней квантования (верхнего или нижнего) округляется истинное значение сигнала. Устройство квантования сделает выбор между этими двумя уровнями путем сравнения истинного значения квантуемого сигнала с выбранными порогами квантования. Если истинное значение меньше некоторого уровня, называемого порогом квантования, то оно округляется до ближайшего уровня квантования, расположенного ниже данного порога (см. рис.5.1, в). Таким образом, от того, как расположены пороги квантования внутри шкалы квантования, образованной ее уровнями, будет зависеть максимальная ошибка квантования. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна разности между двумя этими уровнями, т.е. шагу квантования. Нетрудно доказать, что среднеквадратическая ошибка квантования будет минимальна, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования.

Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантования превышает 100...200, т.е. шум квантования не превышает 0,5... 1% размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения, рассмотренными в предыдущих главах, и выбором разрядности кодовой комбинации для передачи цифрового сигнала

При d=0,02-0,04, N=100, m=115-230). То есть при семи- или восьмиразрядном коде получаем 128 или 256 уровней, что превышает полученный экспериментальным путем необходимый минимум числа градаций, при котором отсутствуют ложные контуры в изображении.

4. Цифровая кодирования телевизионных систем

Общие сведения.Заключительной операцией в преобразовании аналогового сигнала в цифровой является кодирование квантованных отсчетов в виде последовательности импульсов. Чаще всего эта последовательность реализуется в двоичной форме, где m уровням квантования входной видеоинформации соответствует k = log 2 m кодовых импульсов. Как уже отмечалось, такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции. Он стал классическим и универсальным методом, применяемым при обработке и передаче видеоинформации. К достоинствам ИКМ следует отнести универсальность двоичной формы представления, используемой для всех операций над ТВ сигналами, низкую чувствительность к шумам, интерференционным помехам и искажениям, связанным с передачей и записью сигналов, а также простоту восстановления цифрового сигнала путем регенерации его формы.

Однако с точки зрения скорости передачи ИКМ недостаточно эффективна, так как ее практическое применение связано с необходимостью обеспечения высоких скоростей передачи. Объясняется это тем, что импульсно-кодовой модуляции в телевидении присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Ведь, несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) для одного элемента изображения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе. Статистический анализ телевизионного изображения устанавливает сильные корреляционные связи между соседними элементами. При поэлементной передаче яркостиили цветности изображения, присущей методу ИКМ, в канал, таким образом, посылается одна и та же или мало отличающаяся по содержанию информация.

В настоящее время существует много приемов по сокращению избыточности телевизионного сигнала. Эти приемы связаны с более эффективным кодированием по сравнению с ИКМ. Весьма условно их можно разделить на три класса: кодирование ТВ сигнала с предсказанием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное групповое кодирование. Рассмотрим все три принципа кодирования.

Кодирование с предсказанием.Как уже отмечалось, наличие сильных корреляционных связей между близко расположенными элементами изображения определяет нецелесообразность передачи полной информации о каждом элементе. Можно ограничиться передачей отсчета одного элемента, а остальные элементы, используя статистические законы, предсказать, т.е. вычислить с помощью специальных технических устройств на приемном конце системы.

Однако, как бы ни был совершенен аппарат, определяющий статистические связи в изображении, предсказание элементов по предыдущему отсчету или их совокупности всегда будет нести ошибку, обусловленную случайным характером распределения в изображения яркости и цветности. Эта ошибка должна быть для каждого элемента изображения учтена, скорректирована. Только при этом условии на приемном конце системы будет воссоздано изображение, соответствующее оригиналу.

Отсюда вытекает принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете не истинного значения элемента, а кодированной разности между истинным значением и предсказанным, называемой ошибкой предсказания. Логично ожидать, что в сигнале ошибки содержится меньший объем информации, чем в полном отсчете.

Рис. 4.1.Структурная схема системы с предсказанием

Чтобы сформировать сигнал ошибки е(пТ), на передающем конце системы устанавливаются устройство предсказания, такое же, как и на приемном конце, и вычитающий каскад. На рис.5.10 вместо последнего изображено суммирующее устройство, на входы которого подаются истинное значение отсчета и(пТ)и его приближенно предсказанное значение и(пТ)со знаком «минус». Сигнал ошибки е(пТ), содержащий в общем случае меньший объем информации по сравнению с сигналом и(пТ), будучи принят на другом конце системы, складывается в суммирующем устройстве с предсказываемым значением и(пТ). В результате на приемном конце восстанавливается истинное значение сигнала и(пТ).

После преобразования полученного сигнала ошибки ±d в двоичный код его можно передавать. На приемном конце системы двоичный код сначала превращается в биполярные отсчеты ±d, а в кодирующем устройстве, представляющем собой описанный выше интегратор, формируется сигнал u(t). Этот сигнал и используется в качестве восстановленного, хотя он заметно отличается от исходного сигнала.

На рис.5.11,б изображены сигналы, формируемые в системе с дельта-модуляцией. Участок А характеризуется передачей относительно резкого перепада яркости. Квантователь в этом случае выдает сигнала ошибки d только одного знака.

Рис. 4.2. Дельта-модуляция:

а - структурная схема системы; б - форма сигналов

Интегратор последовательно во времени их суммирует, образуя напряжение ступенчато-пилообразной формы. При этом последнее «не успевает» за изменением исходного сигнала, поскольку скорость нарастания сигнала предсказания не может превзойти некоторого значения, определяемого d и частотой дискретизации. В результате фронты в сигнале предсказания затягиваются по отношению к возможным быстрым перепадам в исходном сигнале. На участке Б, где исходный сигнал имеет сравнительно медленные изменения, сигнал предсказания достигает примерного равенства с ним. Однако при этом значение сигнала предсказания непрерывно колеблется вокруг значения исходного сигнала. Эти колебания происходят с амплитудой d и частотой дискретизации.

Искажения, характеризующие затягивание фронтов в сигнале предсказания, получили название перегрузки по крутизне. Второй вид искажений, обусловленный ступенчатостью формы сигнала, определяет гранулярный шум изображения. Для уменьшения этих искажений в системах с дельта-модуляцией приходится по сравнению с ИКМ значительно увеличивать частоту дискретизации, что снижает эффективность системы в целом. Поэтому дельта-модуляция применяется только в видеотелефонных системах.

Снижения частоты дискретизации по сравнению с рассмотренным случаем удается добиться в системах ДИКМ с многоуровневым квантованием сигнала ошибки (рис.5.12). На вход вычитающего устройства S1, поступают в аналоговой форме исходный сигнал u(t)иего предсказанное значение (t). Полученный сигнал ошибки e(t)квантуется на определенное число уровней (обычно не более 16) и преобразуется в двоичный код. Эти операции выполняются в АЦП, после чего передается закодированный сигнал ошибки e(t). Этот же сигнал в ЦАП подвергается обратному преобразованию в аналоговую форму и подается на сумматор S2, в котором складываются ошибка и сигнал предсказания. На выходе сумматора, таким образом, будет восстановлено исходное значение сигнала с погрешностью, определяемой ошибкой квантования (наличие ошибки квантования учтено в обозначениях e'(t)и и'(t) на рис.5.12). По этому значению (а чаще по совокупности предыдущих значений отсчетов) в предсказателе формируется сигнал предсказания (t) последующего отсчета, который подается на вычитающее устройство S1.

Рис. 4.5. Структурная схема системы с ДИКМ

На приемной стороне в декодирующем устройстве после цифроаналогового преобразования сигнал ошибки e'(t) поступает на декодирующее устройство, состоящее из аналогичных передающему концу системы сумматора и предсказателя.

В целом методами ДИКМ удается сократить число бит на один элемент до 3...5 по сравнению с 7...8 битами при использовании ИКМ. Устранение избыточности в системах с предсказанием не может не сказаться на их помехоустойчивости. Помеха, поразившая один из переданных отсчетов, явится причиной искажений не только этого отсчета, но и всех последующих, поскольку они вычислялись (предсказывались) по предыдущему значению. На изображении образуются характерные искажения - треки ошибок. Уменьшить эти искажения можно более частой передачей «опорных» отсчетов, т.е. самих значений элементов изображения, а не их ошибок. В этом случае действие помехи на изображении прекращается с появлением ближайшего истинного значения сигнала. Конечно, увеличение числа опорных значений в сигнале ДИКМ снижает эффективность кодирования.

Повышает помехоустойчивость системы с предсказанием двумерное кодирование, при котором предсказание производится как по совокупности предшествующих элементов в строке, так и по значениям соответствующих элементов в предыдущих строках. В этом случае улучшается также качество воспроизведения вертикальных яркостных переходов.

Статистические исследования показали, что свойства ТВ изображения, обусловленные межкадровыми связями, аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изображении (внутрикадровые связи: межэлементные и межстрочные связи). Коэффициенты корреляции в соседних кадрах получаются часто даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре. Отмеченные свойства ТВ изображений легли в основу стандарта сжатия цифрового потока в системе MPEG.

5. Формирователи цифровых телевизионных сигналов

Рассмотрим два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией ITU-R ВТ 601. В устройстве, показанном на рис. 5.13,а, сигналы основных цветов ЕR , ЕG , ЕB с источника телевизионных сигналов (телекамеры) вначале поступают на гамма-корректоры (ГК), сформированные в которых сигналы E'R , E'G , E'B в кодирующей матрице (КМ) по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости Е'Y и цветоразностные сигналы Е'R-Y и Е'B-Y. Далее эти сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы Y , СR и СB,соответственно. Число разрядов каждого АЦП, как правило, равно 8.

Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ). Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора 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 телевизионных сигналов.

В другом варианте устройства (рис. 5.13, б) сигналы основных цветов ER , ЕG , ЕB сразу преобразуются в цифровые сигналы R'd , G'd , B'd . При этом каждый АЦП должен иметь по меньшей мере 10,а лучше 12 двоичных разрядов. Далее цифровые сигналы Rd , Gd , Bd поступают на цифровые гамма-корректоры (ЦГК), в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов R'd , G'd , B'd равно 8. Затем сигналы R'd , G'd , B'd в цифровой кодирующей матрице (ЦКМ) преобразуются в цифровой сигнал яркости Y и цифровые цветоразностные сигналы СR и СB .

Формирование синхросигналов и тактовых импульсов и работа мультиплексора осуществляются аналогично первому варианту устройства. Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом требуются имеющие больше двоичных разрядов и, следовательно, более дорогие АЦП.

Рис. 5.1. Варианты структурной схемы формирователя цифрового елевизионного сигнала

Структурная схема цифровой телевизионной системы

В кодере видео осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи данных (дв. симв.) в канале связи. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные видео и звука объединяются в мультиплексоре Мп в единый поток данных. В кодере канала выполняется кодирование цифровых сигналов для повышения их помехоустойчивости. Далее цифровые сигналы модулируют несущую и передаются в канал связи.

Приёмной части системы осуществляется обратная операция - демодуляция принятого сигнала и преобразование их в аналоговую форму.

Рис. 5.2. Структурная схема цифровой ТВ системы

Для ТВ вещания хорошего качества требуется битовая скорость на входе модулятора 15 Мбит/сек.[12]. Для вещания высокой чёткости требуется скорость 60 Мбит/с для 1440 пикселов на строку и 80 Мбит/с для 1920 пикселов на строку.

Рассмотрим основные компоненты системы цифрового телевидения, осуществляющей вещание четырёх программ по одному ВЧ-каналу. Программы, содержащие сжатую видеоинформацию и звук, вместе с пакетами служебных данных мультиплексируются (уплотняются) в один битовый поток, называемый элементарным программным потоком (PES - programme elementary stream). Элементарный поток каждой программы мультиплексируется еще раз в общий битовый поток, называемый транспортным потоком. Элементарный программный поток содержит идентификационные данные, временную метку и специфическую программную информацию; эти составляющие потока позволяют распаковывать пакеты данных на стороне приемника по программам и кадрам для восстановления исходного изображения. Транспортный поток поступает в модулятор и затем передается по одному ВЧ-каналу 8 МГц.

Рис. 5.3. Цифровое ТВ-вещание: мультиплексирование

Рис. 5.4. Общая АЧХ телевизионной РПС (передатчиков сигналов изображения и звукового сопровождения)

6. Кодирование программ

Основные компоненты системы кодирования программ показаны на рис. 5.16. Сначала аналоговые видео- и звуковые сигналы подвергаются дискретизации на соответствующей частоте (13,5 МГц для Y и 6,75 МГц для СR и СВ), а затем передаются на свои кодирующие устройства. Кодирующие устройства удаляют несущественные или избыточные детали видео- и звуковых сигналов и выполняют операции уменьшения числа битов, формируя индивидуальные пакеты данных. Индивидуальные пакеты данных вместе со служебными пакетами данных передаются на мультиплексор, который формирует элементарный программный поток. Поскольку объем видеоинформации превышает объем звуковой или служебной информации, элементарный программный поток содержит больше пакетов видеоданных, чем пакетов звуковых или служебных данных. Затем элементарные программные потоки объединяются в мультиплексоре и поступают в модулятор для передачи. Тип применяемой модуляции определяется типом вещания: наземное, спутниковое или кабельное.

Рис. 6.1. Кодирование программ

А - кодирование видеосигналов по стандарту MPEG-2;

Кодирование звуковых сигналов по стандарту MPEG-2

7. Кодирование видеоинформации

Кодирование видеоинформации состоит из трех основных этапов: подготовка видеоданных, их сжатие и квантование (рис. 5.18). На этапе подготовки данных исходные кодированные данные кадров организуются так, чтобы их было удобно сжимать. Сжатие видеоданных осуществляется в соответствии с международными стандартами, установленными системой MPEG-2.



Рис. 7.1. Кодирование видеоданных по стандарту MPEG-2

А удаление пространственной избыточности на основе ДКП

По стандарту MPEG-2 выполняются две основные операции сжатия: удаление временной избыточности и удаление пространственной избыточности. Удаление временной избыточности представляет собой межкадровое сжатие данных, при котором происходит сравнение двух последовательных видеокадров, удаление одинаковых областей и формирование разностей кадров для обработки. Удаление пространственной избыточности, называемое также внутрикадровым сжатием, исключает ненужные повторения содержимого конкретного видеокадра.

Операции удаления выполняются на основе сложных математических выражений, называемых дискретным косинусным преобразованием (ДКП), отсюда происходит название этого способа: «сжатие данных на основе ДКП». За блоком сжатия данных стоит блок квантования, который обеспечивает дальнейшее битовое сжатие.

Заключение

В современных условиях важное значение приобрело изучение систем связи. Система связи - совокупность средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу некоторых сведений, или информации, от источника к потребителю. Если посмотреть прохождение сигнала по каналу связи, в который входит источник сигнала, АЦП, модулятор, линия связи, демодулятор, ЦАП, потребитель, то наиболее низкой помехозащищенностью обладает линия связи. Линия связи может представлять собой различные среды передачи сигнала, например, для передачи электрического сигнала используют проводную линию, для передачи радио сигнала используют радиосвязь (начиная с простейшего радиоприемника и заканчивая сложной спутниковой связью), для передачи светового сигнала используют волоконно-оптическую линию связи. Путями повышения помехоустойчивости являются: модуляция сигнала, кодирование сигнала с применением дополнительной проверки пришедшего сигнала с помощью проверочных символов, различные виды приема сигналов, повышение рабочей частоты канала

Для проверки правильности расчета требовалось найти пропускную способность канала, которая определяет предельные возможности скорости передачи информации по каналу. Сравнивая пропускную способность с производительностью источника сообщений, мы получили излишки пропускной способности канала связи, которые можно использовать либо путем ввода дополнительных корреспондентов, что выгодно с экономической точки зрения, либо использовать дополнительные проверочные коды. Однако это приведет к усложнению аппаратуры, а также к денежным затратам.



Список литературы

1. Радиопередающие устройства / В.В.Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А.Ляховкин и др., Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М. Радио и связь, 1990.-432с

2. Гоноровский И.С. “Радиотехнические цепи и сигналы. Примеры и задачи”, Москва “Радио и связь” 1978 г.

3. Жуков В.Ю., Карташов В.Г., Николаев А.Н. “Задачник по курсу радиотехнические цепи и сигналы”, Москва “Высшая школа” 1980 г.

4. Панфилов И.П., Дырда В.Е. Теория электрической связи. - М.: - Радио и связь, 1991. - 334 с.

5. Теория передачи сигналов / А.Г. Зюко и др. - М.: Радио и связь, 1986. - 304 с.

6. Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов. - М.: Связь, 1973. -376.

7. Пеннин П.И. Системы передачи цифровой информации. - М.: Советское радио, 1976. - 368 с.

8. Ю. М. Казаринов. Радиотехнические системы. Москва, Высшая школа, 1990г.

9. Пеннин П. И. -- Системы передачи цифровой информации - М.Связь 1976.

10. Клюев Л.Л. “Теория электрической связи». Минск, «Дизайн ПРО», 1998 г.

11. Шувалов Б.П., Захарченко Н.Б., Шварцман В.О. и др ”Передача дис- кретных сообщений”: Под ред. Шувалова -М.; Радио и связь 1990 г.

12. Кловский Д.Д.‚ Шилкин В.А. Теория электрической связи: Сборник задач и упражнений. - М.: Радио и связь‚ 1990 г.

13. У. Питерсон , Э. Уэлдон Коды, исправляющие ошибки. - М.: «Мир», 1976 г.

Размещено на Allbest.ru

...