Цифровое представление телевизионного сигнала. По своей массе и производственным мощностям аналоговая вещательная аппаратура все еще преобладает, но очень быстро сдает одну позицию за другой

По своей массе и производственным мощностям аналоговая вещательная аппаратура все еще преобладает, но очень быстро сдает одну позицию за другой. Как и ожидалось, переход к цифровым вещательным комплексам осуществляется, главным образом, за счет поэтапноговстраивания цифрового оборудования в аналоговое окружение. Процесс этот идет повсеместно, но в разных странах темпы перехода различны. В наиболее развитых странах уже сейчас можно говорить о преобладании цифровой аппаратуры, в некоторых она просто отсутствует. Россию в этом плане, пожалуй, следует отнести к слаборазвитым странам. Тем не менее, дело сдвинуто с мертвой точки и идет с впечатляющим ускорением.

Появление цифровой видеозаписи означало не просто значительное улучшение параметров. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, например, ограничивает предельно допустимое число перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом магнитофоне. Так, например, перезапись на магнитофонах формата VHS, без потери качества в пределах нормы, не допускается вообще, формат S-VHS допускает одну-две перезаписи, aBetacamSP три-четыре. А вот цифровые системы практически свободны от эффекта накопления искажений. А это уже не просто количественное улучшение. Можно сказать, что предельно допустимое количество перезаписей уже практически не ограничивает возможности создателей телевизионных программ.

Появление цифровой видеозаписи ознаменовало начало кардинальных изменений в технологии производства телевизионных программ. Но цифровая техника порождает и проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно шире полосы их аналоговых предшественников. Например, полоса частот, занимаемая телевизионным видеосигналом в цифровой форме, составляет сотни мегагерц.

При плотностях записи информации, которые приходится использовать, например, в цифровых видеомагнитофонах, ошибки при воспроизведении просто неизбежны. Поэтому сам факт преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму не гарантирует высокого качества.

Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности был обоснован Шенноном. Он заключается в кодировании сигнала. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому на практике кодирование всегда выполняется в несколько приемов.

Принято выделять следующие основные виды кодирования:

− кодирования источника информации с целью преобразования сигнала в цифровую форму и его экономное представление путем сжатия или, как часто говорят, компрессии;

− кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок;

− канального кодирования с целью согласования параметров цифрового сигнала со свойствами канала связи и обеспечения самосинхронизации.

3.1. Аналого-цифровое преобразование видеосигналов

Итак, для преобразования любого аналогового сигнала (звука, изображения) в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация – представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, который называется интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации.

На рис. 2. показаны исходный аналоговый сигнал и его дискретизированная версия. Картинки, приведенные под временными диаграммами, получены в предположении , что сигналы являются видеосигналами одной строки, одинаковыми для всего телевизионного растра.

Рис. 2. Процесс дискретизации аналогового сигнала

Понятно, что чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот. Таким образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Но восстановление будет точным только в том случае, если частота дискретизации по крайней мере в2разапревышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала(это условие определяется известной теоремой Котельникова). Если это условие не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями.

Квантование

представляет собой замену текущей величиныотсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин– уровней квантования. Другими словами, квантование – это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов – шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы.

На рис. 3 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения.

Рис. 3. Процесс квантования

Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При аппаратной оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом и его квантованной копией , а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. Временная диаграмма и изображение шума квантования также показаны на рис. 3 (изображение шума квантования показано на сером фоне). В отличие от флуктуационных шумов шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующейфильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования.