Цифровое кодирование телевизионных сигналов (стр. 3 )

. (2.15)

С учетом (2.15) выражения (2.13) и (2.14) принимают вид:

; (2.16)

. (2.17)

На основании данных расчета по формулам (2.11)–(2.17) (табл. 2.3), можно сделать следующие выводы:

Таблица 2.3

К расчёту шумов квантования

К			Выбор	Разрядность цифрового кода
100	0,05	92	128	7	443	52,94
100	0,02	232	256	8	886	58,94

- число уровней квантования, выбранное в соответствии с контрастной чувствительностью зрения (), составляет 128-256;

- это соответствует 7- или 8-битовому цифровому коду;

- отношение сигнал/шум , обусловленное влиянием шумов квантования, составляет при этом 443-886 (или в децибелах 53-59);

- флуктуационные шумы в телевизионном тракте существенно больше (), что означает пренебрежимо малое влияние шумов квантования на результирующее отношение сигнал/шум в цифровом телевизионном канале.

После квантования производится заключительная операция аналого-цифрового преобразования сигнала – цифровое кодирование. Следует отметить, что цифровому кодированию подвергается не сам квантованный сигнал Uк(t), соответствующий выражению (2.8), а его безразмерная версия i(t), представляющая собой последовательность порядковых номеров уровней квантования, присваиваемых квантованному сигналу в каждом такте дискретизации. Такая форма представления цифрового сигнала является наиболее общей и позволяет при цифро-аналоговом преобразовании (ЦАП) в соответствии с формулой (2.8) обеспечить любую требуемую амплитуду и полярность восстановленного аналогового сигнала.

Для кодирования телевизионных сигналов используются различные цифровые коды. На рис. 2.6 поясняется процесс цифрового кодирования дискретизированного и квантованного сигнала с помощью 4-разрядного (n = 4) двоичного кода, причем рассмотрена передача как в параллельной, так и в последовательной формах. Для передачи в параллельной форме необходимо использовать n линий связи, при этом по каждой из линий в пределах интервала дискретизации передается 1 бит n-разрядного слова. В последовательном потоке интервал дискретизации делится на n тактов, в которых последовательно передаются (начиная со старшего) биты n-разрядного слова.

Рис.2.6. Цифровое кодирование ( - интервал дискретизации; СР – старший разряд; МР – младший разряд цифрового кода)

Важным показателем, характеризующим цифровой поток, является скорость передачи данных С. Если длина кодового слова равна n, а частота дискретизации , то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных символов в единицу времени (бит/с), находится как произведение длины слова на частоту дискретизации:

. (2.18)

2.2.2. Устройство и принципы работ АЦП и ЦАП

По принципу действия АЦп подразделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные, которые имеют несколько большее быстродействие по сравнению с последовательными АЦП, а по сравнению с параллельными АЦП обладают меньшим количеством схемных элементов. На рис. 2.7 приведена схема АЦП параллельного типа. Устройство содержит (m-1)-компараторов – по одному для каждого уровня квантования (кроме нуля). Входной сигнал подается на первые входы всех компараторов одновременно. На вторые входы компараторов подается опорное напряжение, сформированное с помощью эталонного источника и резисторного делителя напряжения таким образом, что с увеличением номера (по схеме) компаратора на 1, опорный уровень также увеличивается на шаг квантования. Компаратор изменяет свое выходное напряжение, переходя от логического 0 к логической единице, если напряжение на сигнальном входе превышает опорный уровень.

Таким образом, совокупность компараторов позволяет сравнить мгновенное значение входного сигнала с (m-1) опорными уровнями напряжения и зафиксировать результат сравнения в виде совокупности логических 0 и 1 на выходах компараторов. Эта информация с частотой дискретизации записывается на время такта в запоминающие триггеры (число триггеров также равно m-1). При этом номер уровня квантования, присвоенный квантованному сигналу в текущем такте, равен числу триггеров, находящихся в логическом состоянии 1. Фактически в цепочке триггеров записано (m-1)-разрядное число, причем вес всех разрядов одинаков и равен 1. Для преобразования этого числа в более удобную (например, двоичную или двоично-десятичную) форму на выходе АЦП устанавливается преобразователь кода ПК.

Рис. 2.7. Функциональная схема параллельного АЦП (К – компаратор; Т – триггер; ПК – преобразователь кода)

Таким образом, совокупность компараторов позволяет сравнить мгновенное значение входного сигнала с (m-1) опорными уровнями напряжения и зафиксировать результат сравнения в виде совокупности логических 0 и 1 на выходах компараторов. Эта информация с частотой дискретизации записывается на время такта в запоминающие триггеры (число триггеров также равно m-1). При этом номер уровня квантования, присвоенный квантованному сигналу в текущем такте, равен числу триггеров, находящихся в логическом состоянии 1. Фактически в цепочке триггеров записано (m-1)-разрядное число, причем вес всех разрядов одинаков и равен 1. Для преобразования этого числа в более удобную (например, двоичную или двоично-десятичную) форму на выходе АЦП устанавливается преобразователь кода ПК.

Декодирование цифрового сигнала, т. е. превращение его в непрерывный аналоговый сигнал, осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Из достаточно широкого многообразия схем Цап в телевидении наибольшее распространение получили схемы с взвешенным суммированием токов. Принцип их действия основан на формировании токов, пропорциональных весам каждого из разрядов преобразуемого числа, и сложения этих токов в нагрузке ЦАП (рис. 2.8).

В этом Цап использована резисторная цепочечная R-2R-схема, включенная таким образом, чтобы ток, протекающий через токовые ключи К0÷К3, был пропорционален весу соответствующего разряда. Например, ток, протекающий через резистор 2R и ключ К0 в 8 раз меньше тока, протекающего через ключ К3.

Ключи в цепях 2R-резисторов управляются входным кодом с помощью триггеров Т0, Т1, Т2, Т3. Если на входе соответствующего разряда присутствует логическая единица, то ключ в такой цепи подключается к узлу суммирования токов (точка А); если же на вход поступает нуль, то ключ замыкает соответствующий резистор с общей нулевой точкой Б. Токи суммируются на входном сопротивлении усилителя постоянного тока, охваченного глубокой отрицательной ОС, что позволяет за счет малого входного сопротивления усилителя в точке А практически исключить взаимное влияние составляющих токов при суммировании. В результате на выходе ЦАП образуется напряжение , пропорциональное входному коду.

Рис. 2.8. Четырехразрядный ЦАП

Замыкание ключей в сторону общей нулевой точки выполняется для обеспечения постоянства нагрузки для источника Е независимо от входного кода.

2.2.3. Цифровые коды для представления телевизионных сигналов

При преобразовании аналоговой величины в цифровую форму необходимо использовать один из нескольких возможных кодов. В табл. 2.4 приведены три варианта представления десятичных чисел от 0 до 15 двоичным 4-разрядным (или 4-битовым) числом (или словом). 4-битовое слово называется полубайтом; 8-битовое – байтом.

Натуральный двоичный код легко декодируется. Симметричный двоичный код удобно использовать при кодировании биполярных сигналов, когда старший бит (СБ) кодового слова определяет полярность сигнала относительного некоторого среднего уровня, а остальные биты – модуль отклонения от этого уровня. Достоинство кода Грея: при кодировании соседних уровней квантования изменяется содержимое только в одном бите. Это свойство обеспечивает кодам Грея ряд преимуществ перед другими кодами при: