Цифровое представление телевизионного сигнала

Существует два метода формирования цифрового сигнала:

1. Из компонентного аналогового сигнала (Y, R-Y и B-Y отдельно);

2. Из композитного аналогового сигнала (из ПЦТС).

Достоинство первого метода заключается в лучшем качестве, ведь в композитном сигнале уже присутствуют переходные помехи. Наиболее широко используется стандарт 4:2:2. Он разрабатывался как студийный стандарт цифрового телевидения.

Достоинство второго – меньшая скорость данных, т.к. необходимо передать только один сигнал, а не три, как в компонентном методе.

Стандарт цифрового кодирования 4:2:2

Центральной идеей является раздельное кодирование сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, причем для каждого из этих сигналов должна использоваться частота дискретизации в виде гармоники строчной частоты. Для цифровых сигналов Y, C_R и C_B (они соответствуют аналоговым сигналам яркостному и цветоразностным) выбраны частоты дискретизации F_Y=13,5 и F_C=6,75 МГц. При этом они удовлетворяют теореме Котельникова и являются гармониками частоты 2,25МГц, наименьшего общего кратного строчных частот в двух существующих стандартах разложения 625/50 и 525/60 (2,25=143*0,015734266=144*0,015625). Именно такой выбор частот дискретизации позволил принять единый мировой стандарт цифрового кодирования с неподвижной ортогональной структурой отсчетов. Ортогональная структура – отсчеты находятся в одном и том же месте в каждой строке. Неподвижная – во всех кадрах отсчеты находятся в одном и том же месте (см. рис. 10.1).

На рисунке показаны примеры часто используемых форматов дискретизации. Цифры в названиях форматов определяют соотношение яркостной и цветовой четкости по вертикали и горизонтали.

4:2:2 – на четыре отсчета яркостного сигнала приходится по два отсчета сигнала цветности в четных и нечетных строках.

4:2:0 – на четыре отсчета яркостного сигнала приходится по два отсчета сигнала цветности в нечетных строках и ни одного в четных.

Как видно из рисунков в форматах 4:2:2 и 4:2:0 цветовая четкость по горизонтали в два раза меньше, чем яркостная. В форматах 4:2:2 и 4:1:1 цветовая четкость по вертикали такая же, как и яркостная. В формате 4:2:0 цветовая четкость по вертикали, в два раза меньше, чем яркостная. Ясно, что в формате 4:4:4 яркостная и цветовая четкости равны в обоих направлениях, а формат 4:0:0 – черно-белое телевидение.

Рис. 10.1 Структуры отсчетов стандартов цифрового кодирования

Горизонтальная четкость определяется частотой дискретизации. В форматах 4:2:0 и 4:2:2 частота дискретизации сигналов цветности в два раза меньше, чем яркостная f_C=6.75МГц, в формате 4:1:1 в четыре раза меньше f_C=3,375МГц. В обоих стандартах разложения принято одно количество отсчетов сигнала яркости в активной части строки по 720. Количество отсчетов сигнала цветности зависит от формата дискретизации: в формате 4:2:2 – 720/2=360, в формате 4:1:1 – 720/4=180.

Используется линейная ИКМ с 8-ю или 10-ю разрядным кодированием. При 8-разрядном кодировании всего 256 разрешенных уровней квантования. Но не все из них используются для описания сигнала. Уровни 00 (0) и FF (255) отводятся для однозначной синхронизации. Для сигнала яркости отводится 220 уровней с 16 (уровень черного) по 235 (уровень белого). С 1 по 15 и с 236 по 250 – уровни, отведенные на эксплуатационный запас, позволяющий производить настройку аналоговой части оборудования в процессе эксплуатации. Для сигналов цветности отводится 225 уровней с 16 по 240. Уровни с 1 по15 и с 241 по250 – эксплуатационный запас.

При 10-разрядном кодировании из 1024 возможных для яркостного сигнала отводится 877 уровней квантования: от 64 (уровень черного) до 940 (уровень белого). Для сигналов цветности – 897 уровней квантования от 64 до 960.

Легко сосчитать скорость данных цифрового сигнала различных форматов дискретизации. При использовании последовательного интерфейса все три потока сигналов Y,C_R и C_B соединяются в один. Значит и скорость общего цифрового потока будет равна сумме трех отдельных:

S₁=(f_Y+f_CR+f_CB)*n,

где f_Y,f_CR и f_CB –частоты дискретизации соответствующих сигналов

n – разрядность кодирования.

Для формата 4:2:2 S₁=216 Мбит/с при 8-разрядном кодировании и S₁=270 Мбит/с при 10-разрядном кодировании.

В форматах 4:2:0 и 4:1:1 скорости одинаковые и равны S₁=162 Мбит/с при 8 разрядах и S₁=202,5 Мбит/с при 10 разрядах.

Формирование цифровых сигналов происходит в два этапа. Первый шаг – это операция масштабирование. Ее цель привести размахи аналоговых сигналов до единицы. Эта операция производится только с сигналами цветности, т.к. номинальный размах яркостного сигнала единице. Сигнал цветности R-Y лежит в пределах от -0.7 (в голубом) до 0,7 (при красном). B-Y лежит в пределах от -0,89 (в желтом) до 0,89 (в синем). Эти сигналы умножаются на соответствующие масштабирующие коэффициенты: К_R=0,5/0,7, К_B=0,5/0,89. Таким образом, после операции масштабирования размахи этих сигналов будут равны единице от-0,5 до 0,5.

Рис. 10.2 Значения сигналов яркости и цветности

и соответствующие им уровни квантования

Второй этап - расстановка уровней – придание отсчетам разрешенных уровней квантования. Согласно выше сказанному значения отсчетов яркостного сигнала в десятичной форме будут равны:

при 8-разрядном кодировании:

=219Y+16

при 10-разрядном кодировании:

=876Y+64

Значения отсчетов сигналов цветности в десятичной форме и равны при 8-разрядном кодировании:

= 224 Е_СR +128

= 224 E_CB +128

где Е_СR и E_CB – масштабированные сигналы цветности

при 10-разрядном кодировании:

= 896 Е_СR +512

= 896 E_CB +512

После квантования соответствующим номером уровня становится ближайшее целое число. На рисунке 10.2 показаны значения отсчетов сигналов яркости и цветности при передаче сигнала цветных полос при 8-разрядном кодировании (левый столбец) и при 10-разрядном кодировании (правый столбец).

Возможен вариант получения цифровых сигналов из аналоговых сигналов основных цветов. В этом случае значения цифровых сигналов Е_RD, Е_GD и E_BD определяются по тем же формулам, что и яркостный сигнал. А формирование цифровых сигналов , и при 8-разрядном кодировании ведется по формулам:

=

=

=

В этих выражениях подобраны коэффициенты, известные из аналогового телевидения, по основанию 256. Эти коэффициенты отличаются от теоретических, но их сумма равна единице. Для уменьшения погрешности необходимо увеличивать разрядность кодирования, например, при 10-разрядном кодировании будут коэффициенты по основанию 1024, что приведет к четырехкратному уменьшению шумов квантования. В современных цифровых телевизионных камерах минимальным необходимым считается 13-разрядное кодирование. При дальнейшем переходе на меньшее количество разрядов берется только необходимое количество старших разрядов.

Понятно, что для всех сигналов основных цветов частота дискретизации будет равна 13,5 МГц, и полученные отсчеты сигналов цветности тоже будут идти с такой же частотой (формат 4:4:4). Для получения формата 4:2:2 цифровые сигналы цветности подвергаются операции децимации (каждый второй отсчет пропускается).

Также как и в аналоговом сигнале, в цифровом есть интервалы активной части строки и интервалы гасящих импульсов. Цифровая активная часть строки начинается с синхрослова НАС (начало активной части строки) и заканчивается синхрословом КАС (конец активной части строки).

Рис. 10.3 Структура цифровой строки

На рисунке 10.3 все длительности указаны в периодах Т тактовой частоты 27 МГц, т.к. именно с этой частотой передаются отсчеты сигналов яркости и цветности 13,5МГц+6,75МГц+6,75МГц=27МГц. Синхрослова состоят из 4 байт и начинаются с неизменной преамбулы FF 00 00 (при 8-разрядном кодировании). Четвертый байт несет информацию о четности или нечетности поля, о том активная или пассивная строка, и о виде синхрослова (КАС или НАС). Синхросигнал КАС опережает начало аналоговой строки (точка 0_H середина фронта ССИ) на 24 тактовых периода. Активная часть строки состоит из 1440 отсчетов, из них 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов цветности (формат 4:2:2). Отчеты передаются в последовательности C_R,Y,C_B,Y со скоростью 27 Мслов в секунду. Есть возможность передачи дополнительной информации во время цифровых интервалов гашения с такой же скоростью. Вся строка – 1728 тактовых периода 64мкс*27МГц=1728.