6.3. Цифровое кодирование телевизионного сигнала

6.3.1. Общие принципы построения системы цифрового телевидения

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на телевизионном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме. В цифровых телевизионных системах второго типа аналоговый телевизионный сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых телевизионных сигналов и преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового телевизионного сигнала в цифровой, называемая операцией кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

6.3.2. Дискретизация телевизионного сигнала

Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового телевизионного сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Частота дискретизации f_д, выбранная в соответствии с этой теоремой, равна: f_д = 2f_B, где f_B - верхняя частота спектра телевизионного сигнала. (Для отечественного вещательного телевизионного стандарта f_B ≈ 6,25 МГц.)

В системах цифрового телевидения с ИКМ частоту дискретизации f_д выбирают несколько выше минимально допустимой, определяемой теоремой Найквиста-Котельникова. Связано это с условием отсутствия перекрытия побочных спектров в спектре дискретизированного сигнала, обеспечивающего гарантированное исходное качество сигнала при его обратном преобразовании в аналоговую форму с помощью низкочастотной фильтрации. Поэтому при верхней граничной частоте f_B = 6,25 МГц f_д должна выбираться не менее 12,5 МГц.

Выбор частоты дискретизации f_д во многом зависит от вида структуры отсчетов, т.е. от их относительного положения на телевизионном экране, которая может быть фиксированной (отсчеты располагаются на одних и тех же позициях в соседних кадрах) или подвижной (отсчеты меняют свое положение). Искажения, возникающие в процессе дискретизации, менее заметны в фиксированных структурах дискретизации. Различают следующие виды фиксированных структур дискретизации: строчно-шахматную, кадрово-шахматную и ортогональную. В строчно-шахматной структуре используется строчное чередование точек, образованное в результате сдвига на половину интервала дискретизации отсчетов соседних строк данного поля. Кадрово-шахматная структура образуется путем сдвига отсчетов соседних полей на половину интервала дискретизации. Практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчеты которой расположены на телевизионном экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройствах сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования [12].

Ортогональная структура отсчетов получается при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в телевизионном вещании еще долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. Заметим, что в большинстве стран мира применяется развертка телевизионного изображения на 625 строк при частоте полей в 50 Гц. Однако в телевизионных системах США, Канады и Японии принят другой стандарт разложения: число строк - 525 при частоте полей в 60 Гц. В связи с этим параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения. Последнее обусловливает следующее требование: f_д должна быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк. С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наименьшее кратное двум значениям строчной развертки f_z(625) = 15625 Гц и f_z(525) = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации телевизионных сигналов подходят частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно дает возможность получить 864 отсчета в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525 строк.