Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. Цифровое телевидение

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Цифровое телевидение

Часть I

Методическая разработка для самостоятельной работы студентов

очной и заочной форм обучения

по специальности 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение»

Владивосток

2005

Одобрено научно-методическим советом университета

УДК 621. 375

Ц75

Цифровое телевидение: метод. разработка/сост. Ю.В. Беляев,

Ю.И. Галочкин. Ч.1 - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005. – 91 с.

Приведены основные теоретические сведения о передаче и приеме

цифрового телевизионного сигнала, схемах передающих и приемных

устройств, кодировании видеоинформации, а также сведения о модуляциях,

используемых в цифровом телевизионном вещании. Многочисленные примеры

практических схем современных ТВ-приемников познакомят студентов с

решениями цифровой телевизионной схемотехники.

Методическая разработка предназначена для студентов

радиотехнических специальностей вузов.

Печатается с оригинал-макета, подготовленного авторами.

 Ю.В. Беляев,

Ю.И. Галочкин, 2005

 ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2005

1. ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ

Цифровая телевизионная передача включает передачу движущегося

изображения и стереофонического звука. Точно так же обстоит дело и с

цифровыми видеосигналами. Используются достаточно сложные способы,

обеспечивающие доступность соответствующих полос видеосигналов. В

Европе для цифрового телевизионного вещания приняты спецификации

сжатия MPEG-2 (Motion picture expert group — группа экспертов по

движущимся изображениям ).

Стандарт MPEG-2 устанавливает 4 уровня (Levels) разрешения кадра (LL

- низкий уровень с разрешением 352 х 288, ML - основной уровень - 720 х 576,

HL-1440 - высокий уровень - 1440 х 1152 и HL-1920 - высокий уровень - 1920 х

1152) и 5 базовых профилей (Profiles) кодирования сигналов яркости и

цветности (SP - простой, МР - основной, 2 масштабируемых профиля и HP -

высокий).

По сравнению с традиционной аналоговой системой цифровое

телевизионное вещание имеет следующие преимущества:

• очень высокое качество изображения;

• большее число программ;

• пониженные требования к мощности передаваемого сигнала;

• пониженные требования по отношению сигнала к шуму;

• отсутствие повторных изображений.

Пониженные требования к мощности передаваемого сигнала означают

меньшее взаимное влияние соседних каналов.

1.1. Преобразование телевизионного изображения в цифровую форму

Преобразование в цифровую форму содержит как элемент сканирование

изображения или кадра строка за строкой и выборку значений содержимого

строки. Для сохранения качества изображения число выбранных значений в

строке должно равняться числу пикселов; каждое выбранное значение (отсчет)

представляет один пиксел. Общее число пикселов в телевизионном изо-

бражении представляет один кадр. Число пикселов в телевизионном изо-

бражении определяется числом строк в изображении и форматом изображения.

Система SECAM использует 625 строк, 576 из которых являются «активными»

в том смысле, что их можно использовать для передачи видеоинформации .

Формат изображения выбирается равным 5:4, это соотношение наиболее

приемлемо для операции декодирования видеосигнала, которая включает

организацию элементов изображения в блоки и микроблоки.

Рис.1.1. Дискретизация изображения

Разрешающие способности по вертикали и по горизонтали должны быть

одинаковыми; число пикселов в строке можно вычислить следующим образом:

720

576

⋅

Таким образом, каждая строка будет представлена 720 отсчетами, причем

каждый отсчет будет представлять один пиксел: отсчет 1 - пиксел 1, отсчет 2 -

пиксел 2 и т. д. (рис. 1.1).

Процесс повторяется для второй, третьей и т. д. строки до конца кадра, а

затем снова для следующего кадра и т. д. Чтобы отсчеты осуществлялись точно

в одних и тех же точках строки в пределах каждого кадра, частота выборки

должна быть синхронна с частотой строк. Поэтому частота выборки должна

быть в точности кратна частоте строк.

Если каждый отсчет или группа отсчетов идентифицируется как пиксел

или группа пикселов, то отсчеты можно реструктурировать , перегруппиро-

вывать или манипулировать ими по своему усмотрению, а потом обрабатывать

и вновь собирать в исходном порядке.

Полный период одной строки полного видеосигнала составляет 64 мкс.

Из них 12 мкс используются для импульса синхронизации, его передней и

задней площадок; для передачи видеоинформации остаются 52 мкс. Для 720

пикселов в строке частота выборки составляет:

8,13

720

===

мациивидеоинфорпередачивремя

строкевпикселовчисло

f МГц.

Однако, поскольку частота выборки должна быть целым кратным часто-

ты строк , Международный консультативный комитет по радиосвязи

(МККР) рекомендует частоту выборки 13,5 МГц (864-строчная частота).

Частота выборки должна быть не менее чем вдвое больше максимальной

частоты в спектре аналогового входного сигнала во избежания наложения

спектров и других искажений,. Для видеосигнала, имеющего в своем спектре

максимальную частоту 6 МГц, необходима частота выборки не менее

МГц

⋅

. Следовательно , выбранная частота 13,5 МГц достаточна.

1.2. Требования к полосе

Цветное телевизионное вещание связано с передачей трех сигналов:

сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов Y—R (обозначается C

) и

Y—В ( С

). В системе аналогового телевидения эти сигналы передаются

непосредственно с использованием амплитудной модуляции ( наземное

вещание) или частотной модуляции ( спутниковое вещание). В цифровом

телевизионном вещании эти три сигнала сначала преобразуются в потоки

цифровых данных, а затем модулируются и передаются (рис. 1.2). Для сигнала

яркости, который содержит наибольшие видеочастоты, используется

максимальная частота выборки 13,5 МГц. Для сигналов цветности C

И С

которые содержат меньшие частоты, можно использовать и меньшую частоту

выборки. МККР рекомендует применять половину частоты, используемой для

сигнала яркости, т. е.

⋅

МГц. Таким образом, для

составляющих цветности выборке подвергается только половина пикселов

(каждый второй пиксел).

Рис.1.2. Цифровое ТВ-вещание (одна программа)

Общее число отсчетов в секунду составляет

102775,675,65,13 ⋅=++ . За

узлом выборки следует узел квантования , в котором каждый отсчет

преобразуется в многобитовый код. Кодом минимального размера для

адекватного представления изображения считается 8- битовый код, который

дает

256

дискретных уровней сигнала.

Скорость передачи битов при таком кодировании составит

216

⋅

бит/с.

Для столь высокой битовой скорости нужна очень широкая полоса. Точ-

ная ширина полосы зависит от типа модуляции, используемой в передатчике.

Например, в случае импульсно-кодовой модуляции ( ИКМ) требуется полоса

108

216

⋅

∆

МГц. Ширину полосы можно уменьшить, применяя сложные

способы модуляции, в частности, квадратурную фазовую манипуляцию

(КФМн) и квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ). Тем не менее по-

лоса остается ограничивающим фактором для всех типов вещания: наземного,

спутникового и кабельного. Поэтому необходимо применять средства сжатия

данных и уменьшения числа битов. Эти средства позволяют уменьшить число

битов, необходимое для кодирования изображения при сохранении его

качества.

1.3. Качество изображения

Качество изображения при цифровом телевизионном вещании

ограничивают два фактора: полоса видеосигнала (или число пикселов на один

кадр) и битовая скорость. При 720 пикселах на строку и 576 активных строках

на кадр общее число пикселов на кадр составит

720

414

576

720

⋅

Для каждой пары пикселов требуется один период полного

видеосигнала, поэтому максимальная частота аналогового видеосигнала

составляет

18,5

720414

max

=⋅=f МГц.

При такой частоте сохраняется то же качество изображения, что и в

традиционном аналоговом вещании.

Вторым ограничением на качество изображения является битовая ско-

рость. При сжатии данных в соответствии со стандартом MPEG-2 для цифро-

вого телевизионного вещания хорошего качества требуется битовая скорость на

входе модулятора 15 Мбит/с. Меньшая битовая скорость приведет к ухуд-

шению качества изображения. Для телевизионного вещания высокой четкости,

использующего 1152 строки, требуется битовая скорость 60 Мбит/с для 1440

пикселов на строку и 80 Мбит/с для 1920 пикселов на строку.

1.4. Общая характеристика системы

На рис. 1.3 представлены основные компоненты системы цифрового

телевидения, осуществляющей вещание четырех программ по одному ВЧ -

каналу. Программы, содержащие сжатую видеоинформацию и звук, вместе с

пакетами служебных данных мультиплексируются ( уплотняются) в один би-

товый поток, называемый элементарным программным потоком (program

elementary stream - PES).

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 поз-

Рис. 1.3. Цифровое ТВ-вещание: мультиплексирование

воляют 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 частотой 8

МГц.

1.5. Кодирование программ

Основные компоненты системы кодирования программ показаны на

рис. 1.4.

Сначала аналоговые видео- и звуковые сигналы подвергаются дис-

кретизации на соответствующей частоте (13,5 МГц для Y и 6,75 МГц для C

), а затем передаются на свои кодирующие устройства. Кодирующие ус-

тройства 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 (рис. 1.5). Затем элементарные

программные потоки объединяются в мультиплексоре и поступают в

модулятор для передачи. Тип применяемой модуляции определяется типом

вещания (наземное, спутниковое или кабельное).

Рис. 1.4. Кодирование программ:

А — кодирование видеосигналов по стандарту MPEG-2;

Б — кодирование звуковых сигналов по стандарту MPEG-2

Рис. 1.5. Структура элементарного программного потока

1.6. Кодирование видеоинформации

Кодирование видеоинформации состоит из трех основных этапов:

подготовка видеоданных, их сжатие и квантование ( рис. 1.6). 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