Квантование телевизионного сигнала

Квантование сигнала –это замена мгновенных значений дискретного сиг­нала, ближайшими значениями из набора фиксированных уровней

(рис. 12.4).

Рис. 12.4. Квантование дискретного сигнала: - дискретные отсчеты сигнала; - квантованные отсчеты сигнала

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты сигнала, на­зываются уровнями квантования.

Расстояние между соседними уровнями называют шагом квантования.

Разница между дискретным отсчетом сигнала и соответствующим ему кван­тованным отсчетом называют ошибкой квантования.

Процесс квантования осуществляется следующим образом. Между уров­нями квантования располагают условные значения напряжения, называемые порогами квантования. Если истинное значение дискретного сигнала меньше порога соответствующего порога квантования, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если истинное значение сигнала выше рассматриваемого порога – значение сигнала округляется до ближайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположены пороги квантования между уровнями квантования, зависит максимальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантова­ния, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка квантования получается, если пороги квантова­ния располагаются по середине между уровнями квантования. Такие устройства дискретизации находят на практике широкое применение.

Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумами квантования. Шум квантования на изображении проявляется поразному и зависит от характера передаваемого сюжета.

В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме слу­чайной шумовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантователя проявляются в виде ложных контуров: плав­ные изменения яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных кон­туров уменьшается с увеличением числа уровней квантования. Ложные кон­туры, как показывают эксперименты, перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0,5-1% от размаха сигнала, что соответствует числу уровней квантования, лежащим в диапазоне 128 – 256 (2⁷ –2⁸). Поэтому количе­ство разрядов при квантовании ТВ сигнала в двоичном исчислении выбирают обычно равным 7-8.

Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Как из­вестно, приращение яркости L, замечаемое зрителем, зависит от величины на­чальной яркости L. Величина L возрастает с увеличением L, поэтому шкала квантования, в которой шаги квантования увеличиваются от нижней части к верхней, более соответствуют природе зрения. Экспериментальные исследова­ния подтверждают, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ущерба качества изображения.

Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стан­дартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюжетами размах сигналов изображений может оказаться довольно большим, значительно пре­вышающим динамический диапазон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нели­нейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически не­возможно.

Контрольные вопросы

1. Что называется квантованием дискретного сигнала?

2. Что такое шаг квантования?

3. Дайте определение ошибки квантования.

4. Почему возникают шумы квантования?

5. Из каких соображений выбирается количество разрядов при квантовании ТВ сигнала?

6. Какие достоинства присущи квантователям с нелинейной шкалой?