Цифровое телевидение

Введение

 

Тема реферата "Цифровое телевидение" по дисциплине "Основы электроники".

Эпоха аналогового телевидения  неуклонно близится к концу. Недаром  Еврокомиссия обязала все страны, входящие в Европейский Союз, закончить  полный переход к цифровому телевещанию  уже к 2015 г. Причин такой тотальной "нелюбви" к аналоговому вещанию  очень много. Не последнюю роль сыграло  отсутствие единого телевизионного стандарта. На сегодняшний день их три: NTSC, PAL и SECAM. Они несовместимы: получить цветное изображение на телевизоре другого стандарта практически невозможно.

Но самая большая беда аналогового  телевидения — его неудовлетворительное качество. Принцип частотного разделения видеосоставляющей сигнала не позволяет достаточно четко разграничить компоненты цвета и яркости в пересекающихся областях спектра. А уж отсортировать сигнал от помех позволяет только цифровое кодирование.

Цифровое телевидение

1. Общие сведения

е Системы цифрового телевидения бывают двух типов.

В системе первого типа (полностью цифровой) преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал (видеокамерах) и сигнал-свет (экранах телевизоров). Во всех звеньях тракта передачи изображения и звука информация передается в цифровой форме. Такие системы пока только разрабатываются.

В цифровых ТВ-системах второго типа (рис.1) аналоговый сигнал, получаемый с датчиков (видеокамер), преобразуется в цифровую форму, передается, а затем в приемнике снова приобретает аналоговую форму, в которой подается на видеомонитор. При этом используются имеющиеся датчики аналоговых ТВ-сигналов и преобразователи сигнал-свет в телевизионных приемниках.

 

Рис. 1

 

Сейчас существуют три стандарта  цифрового телевидения:

- ATSC (Advanced Television Systems Committee) — американский;

- ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) — японский (планируется использование этого стандарта в Бразилии);

- DVB (Digital Video Broadcasting) — европейский.

Основываясь на способах доставки сигнала потребителю, цифровое телевидение разделяется на четыре вида: спутниковое, эфирное, кабельное и через Интернет (по ІР-сетям). Они, в той или иной степени, распространены во многих странах, и у каждого вида есть свои преимущества и недостатки.

Спутниковое телевещание имеет обширную зону покрытия, доступность в самых отдаленных уголках и большую пропускную способность (один спутник может обслуживать множество каналов вещания и, вдобавок к этому, выполнять еще и другие полезные функции). Из недостатков можно назвать высокую стоимость реализации.

Эфирное вещание требует меньших затрат на оборудование. Сигнал на окружающую территорию передают специальные ретрансляционные станции (башни). Исходный сигнал они получают с тех же спутников. Недостатком эфирного вещания является низкая помехозащищенность сигнала. К тому же, большинство ретрансляционного оборудования предназначено для аналогового вещания и не способно передавать цифровой сигнал.

Кабельное телевидение обеспечивает высокое качество передачи сигнала, нетребовательно к формату (его тип зависит от передающего оборудования, а не от самого кабеля), но также дорого.

Телевещание через Интернет (по IP-сетям) появилось не так давно (по сравнению с другими форматами). Оно с самого начала предназначено для цифрового вещания, но высокие требования к оборудованию и пропускной способности сети пока еще не позволяют работать с трансляцией в должном качестве.

В европейском стандарте эти  виды учтены, поэтому выделяются наземное DVB-T (Terrestrial), спутниковое DVB-S (Satellite) и кабельное DVB-C (Cable) вещание, а также вещание для портативных устройств DVB-H (Handheld). Американский ATSC и японский ISDB стандарты — сугубо наземные и не подразделяются на виды.

Трансляция цифрового сигнала  требует определенной подготовки. Во-первых, это стандартизация принципов вещания. Во-вторых, установка нового оборудования, которое будет передавать цифровой сигнал в эфир. И в-третьих, необходимость  убедить население сменить обычные  телеприемники на новые, способные  принимать цифровой сигнал, или, в  крайнем случае, докупить специальные  устройства для приема и декодирования  сигнала. Это стоит денег, и не все потребители готовы их заплатить. Но есть преимущества, которые однозначно способны "склонить чашу весов" в пользу цифрового телевидения. Это — более высокое качество аудио- и видеосигнала, высокая помехозащищенность трансляции и, наконец, возможность сделать телевидение интерактивным. "Цифра" позволит смотрящему программу участвовать в голосованиях, выбирать лучшие моменты, записывать желаемые передачи и, более того, смотреть только те передачи, которые хочется.

Но, самое главное, цифровое телевидение  способно решить проблему "перенаселенности" телеэфира. Вместо одного аналогового  телеканала в той же частотной  полосе можно транслировать четыре цифровых. Еще одна проблема, которую  решает цифровое телевидение, — прием  в движущемся автомобиле. Пользователям  портативных телевизоров хорошо известен эффект многолучевого приема, когда изображение двоится и  нужно подбирать наилучшее положение  антенны в пространстве. В движущемся автомобиле такое положение найти, по понятным причинам, невозможно. Для  цифрового телевидения эффект многолучевого  приема практически не оказывает  влияния на качество изображения.

2. "Оцифровка" сигналов

 

Преобразование аналогового сигнала  в цифровую форму представляет собой  комплекс трех операций: дискретизацию, квантование и кодирование.

Дискретизация – замена непрерывного аналогового ТВ-сигнала S(t) последовательностью выборок (отсчетов) этого сигнала (Рис. 2). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом Т, который называется интервалом дискретизации. Величина, обратная интервалу дискретизации, называется частотой дискретизации. Наиболее распространена равномерная дискретизация с постоянным периодом, основанная на теореме Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал S(t), имеющий ограниченный спектр частот (0...f_гp), может быть без потерь информации представлен значениями этого сигнала S_di. взятыми в дискретные моменты времени t_n=nT (п=1,2,3,... — целые числа) при условии, что T≤0,5/t_rp (Т — период, или интервал дискретизации). Минимально допустимая частота дискретизации по Котельнику t_д.мин=2f_гp .

 

Рис.2

Понятно, чем меньше интервал дискретизации (выше частота дискретизации), тем  меньше различия между исходным сигналом и его дис-кретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного  сигнала может быть сглажена с  помощью фильтра нижних частот. Таким  образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного.

За дискретизацией при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования, который заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов S_di ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней (рис.3). Квантование также представляет собой дискретизацию сигнала S_q, но не во времени, а по уровню. Фиксированные уровни, к которым "привязываются" отсчеты, называются уровнями квантования. Динамический диапазон изменения сигнала S(t), разбитый уровнями квантования на отдельные области значений (шаги квантования), образует шкалу квантования.

 

Рис.3

 

Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости  от условий преобразования. Округление отсчета до ближайшего уровня (верхнего или нижнего) определяется положением порога квантования внутри шага квантования.

Дискретизированный и квантованный сигнал S_dq уже является цифровым. Действительно, если амплитуда импульсов дискретизированного сигнала S_d может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала S(t), то операция квантования привела к замене возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, квантованная выборка сигнала выражается некоторым числом, определяемым числом уровней квантования.

Для передачи такого сигнала по каналам  связи его лучше всего преобразовать  в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) преобразуется в кодовую комбинацию символов "0" или "1" (рис.4). В этом состоит третья, заключительная oneрация по преобразованию аналогового сигнала S(t) в цифровой S_dq, называемая кодированием.

Все эти три операции выполняются  одним техническим устройством  — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового  сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи — непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки информации.

При непосредственном кодировании  телевизионного сигнала кодовые  комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов (частоте  дискретизации f_д). Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число m двоичных символов (битов). Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах. Для передачи в параллельной форме надо использовать к линий связи (на рис.4 к=4).

Рис.4

 

Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала  дискретизации. Для передачи в последовательной форме интервал дискретизации надо разделить на подинтервалы-такты. В этом случае символы слова передаются последовательно по одной линии, причем на передачу одного символа слова отводится один такт.

При передаче цифровой информации по каналам связи скоростью передачи называется число передаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу  скорости принимается 1 бит/с. Скорость передачи сигнала в цифровой форме  будет равна произведению частоты  дискретизации ?_д и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете m:

 

V_n= f_д∙m.

 

Если верхняя граничная частота  ТВ-сигнала равна 6 МГц, то минимальная  частота дискретизации, по теореме  Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения  частоту f_д выбирают немного выше минимально допустимой. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ-сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования рекомендована частота дискретизации 13,5 МГц.

Число уровней квантования сигнала  должно быть выбрано не меньше максимального  числа градаций яркости, различимых глазом, которое, в зависимости от условий наблюдения, колеблется в  пределах 100...200. Отсюда m=6,6...7,6.

Очевидно, число символов в кодовой  комбинации может быть только целым, а значит, разрядность кодовой  комбинации m=7 (или 8). В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128 возможных уровнях сигнала (градациях яркости), во втором случае — 256. Если принять m =8, то скорость передачи цифровой информации

 

V_n=13,5∙8=108 (Мбит/с).

 

Если учесть, что, кроме сигнала  яркости, должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток  удвоится и будет равен 216 Мбит/с. Столь высоким быстродействием  должны обладать как устройства преобразования ТВ-сигнала, так и каналы связи.

Передавать такой большой цифровой поток по каналам связи экономически нецелесообразно, поэтому следующей  задачей является "сжатие" цифрового  ТВ-сигнала. Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба для  качества воспроизводимого изображения  существуют. Эти резервы заключены  в специфике ТВ-сигнала, обладающего  значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую.

Статистическая избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно велика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет не передавать многократно одну и ту же информацию и сократить цифровой поток.

Второй тип — физиологическая избыточность — обусловливается ограниченностью зрительного аппарата человека. Учет физиологической избыточности позволяет не передавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята нашим зрением.

Аналогично, несовершенство слухового  аппарата человека позволяет "избавиться" от избыточной аудиоинформации в  сигнале.

 

3. Стандарты сжатия MPEG

 

Уменьшение цифрового потока видеосигнала за счет сокращения избыточности в  изображении осуществляется в цифровом телевидении применением специальных  эффективных методов кодирования. Для этого используются стандарты  сжатия, разработанные Экспертной группой  по движущимся изображениям в кинематографии (Moving Picture Experts Group — MPEG).

MPEG — это стандарты, определяющие параметры сжатия аудио- и видеофайлов и преобразования их в форматы, более удобные для пересылки. MPEG состоит из трех частей: Audio, Video, System (синхронизация двух других).