Цифровое кодирование телевизионных сигналов (стр. 1 )

2. Цифровое кодирование телевизионных сигналов

2.1. Структурная модель цифровой телевизионной (ТВ) системы

Современная цифровая ТВ система является сложнейшим продуктом инженерного искусства, обеспечивающим в ближайшие годы революционный переход от аналогового телевидения к телевидению цифровому. Внедрение цифрового телевидения позволяет многократно увеличить число ТВ программ, улучшить качество телевизионных передач, уменьшить мощность передатчиков при сохранении высокой помехоустойчивости, реализовать передачу программ телевидения высокой чёткости (ТВЧ) и решить ряд других задач по информатизации общества.

Столь впечатляющие результаты получены на основе использования цифровых кодов, несущих информацию об исходном информационном сигнале. Цифровые коды, их структура и параметры отличаются большим разнообразием в соответствии с разнообразием информационных сигналов и процедур, выполняемых над цифровыми кодами в процессе сбора, формирования, хранения и передачи цифровых сигналов по каналу связи. Поясним это на примере обобщённой модели цифровой ТВ системы, которая приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Модель цифровой ТВ системы

Прежде всего отметим, что представленная на рис. 2.1 модель типична для цифровых систем связи [2.1, 2.2]. Специфика телевидения заключается в том, что ТВ датчик является источником совокупности аудио - и видеосигналов, которые существенно отличаются друг от друга по природе и техническим характеристикам. Количество этих сигналов может быть различным: от двух (композитный видеосигнал и монозвук) до пяти (3-х компонентный видеосигнал и стереозвук). Аналоговые сигналы ТВ датчика оцифровываются (форматируются) с помощью соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП). На выходах АЦП формируются, таким образом, цифровые аудио - и видеосигналы, каждый из которых обычно представляет собой последовательность n-разрядных двоичных кодовых слов, следующих друг за другом с частотой дискретизации fд. Преобразование аналоговых сигналов в последовательности кодовых слов называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Импульсно-кодовая модуляция является базовым методом цифрового кодирования, с помощью которого разнообразным по природе и параметрам информационные сигналы описываются стандартными цифровыми кодами. Перечислим достоинства метода ИКМ, существенные для дальнейшего обсуждения:

- для ИКМ сигналов становится доступной точная количественная оценка передаваемых данных путем вычисления таких величин, как, например, объём данных V (бит) или скорость передачи данных (скорость цифрового потока, битовая скорость) c (бит/с);

- путём оптимизации параметров (n и fд) АЦП можно адаптировать цифрой код к любому информационному сигналу (аудио-, видео- и т. д.), ограничивая на приемлемом уровне скорость передачи данных и величину искажений информационных сигналов, восстанавливаемых на выходе цифровой ТВ системы;

- восстановление аналоговой формы (форматирование) информационных сигналов на выходе цифровой ТВ системы осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Применение термина «форматирование» оправдано тем, что при одинаковых форматах ИКМ сигналов на выходах АЦП и входах соответствующих ЦАП (что, как правило, соблюдается) форматы восстановленных аналоговых сигналов и сигналов ТВ датчика также совпадают. Эти сигналы отвечают принципу соответствия, согласно которому в придельном случае (n → ∞, fд → ∞, отсутствие потерь информации при кодировании источника, отсутствие шумов и потерь в канале связи) сигналы ТВД воспроизводятся со сколь угодно высокой точностью;

- очевидно, реализация такой «предельной» цифровой системы невозможна (и бессмысленна) из-за бесконечного возрастания полосы частот и скорости передачи цифрового потока данных. Система вырождается в аналоговую, в рамках которой легче получить высокую точность воспроизведения информационных сигналов ценой потери всех преимуществ цифровых технологий их обработки, в том числе, возможности многопрограммного вещания. Согласно принципу соответствия, рассмотренное соотношение между цифровой и аналоговой системами позволяет классифицировать цифровую ТВ систему как имеющую более высокий статус по сравнению с аналоговой и, следовательно, более широкую область применения при условии ограничения точности воспроизведения информационных сигналов на некотором оптимизированном уровне.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

- переход к ИКМ сигналам приводит к неустранимым искажениям информационных аудио - и видеосигналов на выходе цифровой ТВ системы;

- величина этих искажений зависит от параметров (n и fд аналого-цифрового преобразования сигналов и может быть установлена на уровне, приемлемом для потребителя информации;

- фиксация значений параметров АЦП (т. е. n и fд) на уровне допустимых искажений определяет минимальную скорость c цифрового потока данных от источника ТВ сообщений.

Для примера в табл. 2.1 приведены [2.3] основные параметры цифрового видеосигнала для некоторых распространённых форматов цифрового кодирования, обеспечивающих достаточную точность передачи формы аналогового видеосигнала. Из табл. 2.1 следует, что полоса частот ИКМ видеосигнала по сравнению с аналоговым увеличивается приблизительно в 20 раз (точнее: 16 раз для композитного и в 24,5 раза – для компонентного кодирования). Переход к цифровому телевещанию предполагает передачу цифровых сигналов по стандартным радиоканалам наземного и кабельного телевидения с номинальным значением полосы частот 6, 7 и 8 МГц, установленными МККР. Очевидно, передача ИКМ сигналов по стандартным радиоканалам невозможна без предварительного сжатия (компрессии) цифровых видео - и аудиосигналов.

Таблица 2.1

Параметры цифрового видеосигнала от ТВ датчика (z = 625; fk = 25 Гц)

Формат кодирования	Композитный, PAL	Компонентный, 4:2:2	Компонентный, 4:2:2
Длина кода, n	10	10	10
Формат кадра	4:3	4:3	16:9
Частота дискретизации fд (МГц)	17,7	13,5:6,75:6,75	18:9:9
Битовая скорость c (бит/с)	177·106	270·106	360·106
Полоса частот Δf (МГц)	88,5	135	180

Компрессия данных осуществляется в кодере источника (рис. 2.1). Возможность компрессии обусловлена наличием следующих ресурсов (для сжатия):

- избыточность сигналов на выходе источника;

- избыточность кодов на выходах АЦП;

- допустимость в процессе сжатия потери некоторой части информации, несущественной или малозаметной для потребителя.

Первые два пункта характерны для сжатия без потерь. Коэффициент сжатия при этом невелик (в несколько раз). При сжатии с потерями коэффициент компрессии может изменяться в широких пределах за счёт изменения уровня допускаемых информационных потерь. В частности, для видео коэффициент компрессии достигает значения 30-40 при незаметном для зрителя снижении качества изображения.

Процедура компрессии реализуется путём замены простейших цифровых кодов с выхода АЦП более эффективными кодами (например, кодами переменной длины), обеспечивающими в среднем уменьшение количества битов, приходящихся на один пиксель изображения. Обычно этой процедуре предшествует процесс декорреляции цифрового изображения (например, путём перехода в спектральную область), что приводит к уменьшению энтропии источника и повышению степени сжатия данных.

Симметричную процедуру декомпрессии данных в приёмном устройстве обеспечивает декодер источника, который восстанавливает естественную структуру и исходный (соответствующий выходу АЦП) формат ИКМ сигнала на входе АЦП.

Сжатый сигнал с выхода кодера источника поступает (рис. 2.1) на кодер канала, который предназначен для защиты передаваемых цифровых данных от флуктуационных шумов и другого рода помех канала связи. Структура кодера канала может быть различной в зависимости от свойств канала связи. При отсутствии помех в канале связи кодер канала может быть исключен из схемы рис. 2.1.

Защита компрессированных данных от помех канала связи осуществляется с помощью помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивый код формируется путем введения в передаваемый сигнал некоторых избыточных данных, которые позволяют в приёмном устройстве обнаружить и исправить бóльшую часть ошибок, вызванных каналом связи. При этом вероятность битовой ошибки на выходе декодера канала снижена до величины порядка 10-11, что приблизительно соответствует появлению одной битовой ошибки за час работы цифрового канала передачи данных. Системы связи со столь низким уровнем ошибок называется квазибезошибочным. Отметим, что в цифровом телевидении квазиошибочный приём достигается при одновременном снижении требований к мощности передатчиков и увеличении в 4-6 раз числа ТВ программ, передаваемых в полосе частот стандартного радиоканала (6, 7 или 8 МГц).

Таблица 2.2

Методы модуляции в системах цифрового ТВ вещания

Тип канала Система	Наземное ТВ	Спутниковое ТВ	Кабельное ТВ
DVB (Европа)	OFDM (при QPSK, 16-QAM, 64-QAM)	QPSK	M-QAM (при M = 16, 32, 64, 128, 256)
ATSC (США)	8-VSB	–	16-VSB
ISDB (Япония)	OFDM (при DQPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM)	BPSK, QPSK, TC8PSK	–

Канал связи, служащий для транспортировки сигнала в место приёма, обычно содержит передатчик с модулятором, среду (трассу) распространения радиосигнала и приёмник с демодулятором. Модуляция является заключительной процедурой, которая совместно с канальным кодером обеспечивает сопряжение сигнала цифрового ТВ вещания с характеристиками канала связи. В табл. 2.2 перечислены методы модуляции, используемые мировыми системами цифрового ТВ вещания в каналах разного типа [2.4]. Из таблицы следует, что в наземном телевидении системы DVB и ISDB используют многочастотную модуляцию OFDM с первичной модуляцией разделённых несущих по методу QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Во всех других случаях используются одночастотные методы модуляции: фазовые BPSK, QPSK, 8PSK; многопозиционной квадратурной амплитудной M-QAM; многоуровневой балансной с частотным подавлением нижней боковой полосы M-VSB. Подробно методы модуляции будут рассмотрены в главе 7.