Передача цифровых телевизионных сигналов по каналам связи

План (логика) изложения материала

3.2.4 Передача цифровых телевизионных сигналов по каналам связи.

Задача сжатия видеоинформации

3.2.5 Цифровая фильтрация телевизионного сигнала

Задача сжатия видеоинформации

Цифровой телевизионный сигнал в последовательной форме может непосредственно передаваться по каналам связи, предна­значенным специально для передачи дискретных сигналов, напри­мер, по широкополосным многоканальным линиям телеграфной связи с временным разделением каналов. В последние годы все шире используются широкополосные цифровые линии связи. Для цифрового телевизионного вещания могут использоваться и кана­лы связи с модуляцией несущего колебания.

Возможность точной передачи цифрового сигнала в первую очередь определяется отношением Сигнал/Помеха (С/П) в канале связи. Возникновение ошибок иллюстрируется на рисунок 3.65

Рисунок 3.65 - Возникновение ошибок в цифровом канале связи

Импульсы тактовой частоты (рисунок 3,65,а) не передаются показаны, чтобы можно было судить о положении отдельных битов в передаваемом сигнале

(рисунок 3,65). В первом варианте ка­нала связи отношение С/П равно 6 (рисунок 3,65,в). В приемнике об­работка сигнала выполняется пороговым устройством с порогом, расположенным посередине между верхним и нижним уровня принятого сигнала. В результате обеспечивается безошибочный прием (рисунок 3,65,г).

Во втором варианте канала связи отношение С/П равно 3 (рисунок 3,65,д). В этом случае после пороговой обработки в принятом сигнале имеется много ошибок, имеющих вид ложных переходов с верхнего уровня на нижний и обратно. Из-за этого невозможно обеспечить правильное выделение тактовой частоты из принятого сигнала и правильное определение значений передаваемых двоич­ных символов.

Оценим ширину полосы частот цифрового сигнала в после­довательной форме и требуемую для его передачи ширину полосы частот канала связи. Рассмотрим периодическую последователь­ность прямоугольных импульсов, имеющих период Т=2Т_И. Спектр такого сигнала содержит постоянную составляющую, основную гармонику частоты 1/Т и постепенно убывающие нечет­ные гармоники этой частоты. Следовательно, спектр идеального импульсного сигнала неограничен.

Если ограничить полосу частот такого сигнала с помощью
ФНЧ с достаточно крутым срезом АЧХ, форма импульсов будет
искажена (рисунок 3.66), так как часть частотных составляющих спек­тра окажется подавленной. Искажения проявятся в виде увеличе­ния длительности нарастания и спада импульса и возникновения колебательного переходного процесса. Это будет причиной огра­ничения допустимой частоты передаваемого импульсного сигнала, т. е. ограничения скорости передачи двоичных символов по каналу
связи.

Рисунок 3.66 - Искажение формы импульсов в канале связи

Длительность нарастания импульса t_H связана с верхней гра­ничной частотой ФНЧ f_в соотношением

h = 1 / (2f_в).

Если длительность входного импульса меньше t_B, амплитуда импульса на выходе ФНЧ станет уменьшаться. Этот случай пока­зан на рисунок 3 штриховой линией. При достаточно малой дли­тельности импульсов, их амплитуда на выходе канала связи станет сравнимой с уровнем помех, что приведет к ошибкам работы при­емного устройства.

Выбросы и колебательные переходные процессы, возни­кающие при передаче импульсов, также ограничивают частоту пе­редаваемых по каналу связи

импульсов. Если эта частота слишком велика, колебательный переходный

процесс, созданный одним импульсом, будет накладываться на следующий импульс. Возни­кает помеха, называемая интерференционной, которая может

при­вести к ошибкам приема. Изложенные причины приводят к известному еще с ранних работ по теории связи условию: по каналу связи с шириной

поло­сы пропускания ∆f можно передавать в виде двухуровневых им­
пульсов бит информации за 1 с. То есть эффективность ис­пользования полосы частот канала связи составляет 2 (бит/с)/Гц .
Следовательно, для передачи в последовательной форме цифрово­го телевизионного сигнала со скоростью передачи двоичных сим­волов 243 Мбит/с необходим канал связи с шириной полосы час­тот 121,5 МГц. Ясно, что ни стандартный канал наземного телеви­зионного вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутнико­вый канал связи, имеющий ширину полосы 27 МГц, непригодны для передачи цифрового телевизионного сигнала. Это относится и
к цифровым телевизионным сигналам стандартов, применяемых в
видеосвязи даже при пониженной частоте кадров.
А для передачи телевизионных сигналов высокой четкости необ­ходима еще более широкая полосачастот.

Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового те­левидения была задача сокращения скорости передачи двоичных символов и, соответственно, требуемой полосы частот канала свя­зи. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточно­сти информации, передаваемой в телевизионном сигнале. Умень­шение избыточности обеспечивает также уменьшение требуемого объема ЗУ при записи телевизионных программ или отдельных изображений. В соответствии с установившейся в технической ли­тературе терминологией уменьшение объема передаваемой ин­формации в ряде случаев будем называть сжатием видеоинформа­ции, а также сжатием изображений, сжатием звуковых сигналов, сжатием речи и т.д. Обратную операцию будем называть расшире­нием, хотя это звучит не привычно. В англоязычной литературе используется термин compression, а для обратной операции -decompression. Русское произношение, этих терминов компрессия и декомпрессия также используется в ряде случаев в этой книге.

Избыточность телевизионного сигнала разделяется на струк­турную, статистическую и психофизиологическую.

Структурная избыточность связана с наличием в обычном телевизионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображения не передается. Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов какой-либо полезной информа­цией, например - звукового сопровождения, однако большого вы­игрыша это не дает.

Статистическая избыточность вызывается наличием кор­реляционных связей между значениями сигнала в соседних эле­ментах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Со­кращение статистической избыточности достигается путем

устра­нения указанных корреляционных связей. Одним из наиболее из­вестных методов сокращения статистической избыточности явля­ется кодирование с предсказанием или дифференциальная импульсно - кодовая модуляция (ДИКМ), основанная на передаче

приращений значений сигнала.

Психофизиологическая избыточность телевизионного сиг­нала определяется той информацией в нем, которая не восприни­мается человеком и, следовательно, могла бы и

не передаваться. Психофизиологическая избыточность сокращается за счет удале­ния из передаваемого сигнала информации, отсутствие которой не влияет существенно на восприятие изображения человеком.

Примером метода сокращения психофизиологической избы­точности может служить способ кодирования Кретцмера, в соот­ветствии с которым при передаче крупных деталей изображения количество градаций яркости увеличивается, а при передаче мел­ких деталей - уменьшается. Этот способ основан на использовании обратно пропорциональной зависимости между геометрическим и градационным разрешением зрительного аппарата человека. При восприятии мелких деталей ухудшается различие градаций ярко­сти. В других методах используется ухудшение геометрического и традационного разрешения зрения при наблюдении движущихся объектов. Общая основа всех этих методов - ограниченность про­пускной способности зрения как системы передачи и обработки информации.

Применение различных способов сжатия информации, за­ключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой телевизионный сигнал обычной четкости по стандартным каналам телевизионного вещания, но и добиться возможности передачи по этим каналам одновременно нескольких программ телевидения обычной четкости, сигналов новых систем телевидения высокой четкости, а также передачи цифровых теле­визионных сигналов по каналам связи с более узкой полосой частот, чем стандартные вещательные каналы. Соотношение потоков информации и требуемых значений ширины полосы пропускания каналов связи иллюстрируемся рисунок 3.67.

Рисунок 3.67 - Требования к каналам связи в системе цифрового телевидения

Методы сжатия изображений можно разделить на два клас­са: методы сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей информации. При сжатии без потерь после декодирования получается изображение, идентичное исходному. Примерами таких методов могут служить различные алгоритмы архивирования изображений, применяемые в вычислительной тех­нике и основанные на уменьшении статистической избыточности. Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно-белых изображений без потерь весьма ограничены. Так путем пре­образования записанного в компьютере изображения в формат GIF, являющийся одним из наиболее компактных и эффективных, объем

информации сокращается в среднем в 2-3 раза, что явно недостаточно для решения задач, стоящих в области цифрового телевидения.

Гораздо большего эффекта позволяют достичь методы сжа­тия с частичной потерей информации. Как будет показано далее, с помощью метода JPEG можно

уменьшить объем информации ре­ального неподвижного изображения в 5-10 раз без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества декодированных изображений. Возможно и еще большее сжатие, но при этом уже начинают наблюдаться заметные искажения изображения. Полу­чение минимального объема передаваемой или запоминаемой ин­формации при сохранении достаточно высокого качества изобра­жения является одной из главных задач при поиске новых алго­ритмов сжатия.

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), представляющая собой еще один из методов эффективного кодирова­ния цифрового телевизионного сигнала, в основном применяется при сокращении его временной избыточности. Как известно, в большин­стве случаев содержание двух соседних во времени телевизионных кадров мало отличается друг от друга. Отличие заключается толь­ко в положении отдельных подвижных фрагментов изображения. В основном же в этих кадрах содержится очень много одинаковых обла­стей, информацию о которых многократно передавать нецелесообраз­но. Можно ограничиться передачей значений только одного кадра, а содержание последующих, используя статистические законы, пред­сказать, т.е. вычислить на приемном конце системы.

Однако как бы ни были близки по содержанию соседние кадры, как бы ни был совершенен их статистический анализ, предсказание может нести в себе ошибку

а) б)

а — кодер; б— декодер; а_п— текущее значение сигнала: â_п— предсказанное

значение сигнала; (a_n — â_п ) —сигнал ошибки

Рисунок 3.68 - Структура системы ДИКМ

Эта ошибка для каждого элемента изо­бражения обязательно учитывается и корректируется. Только при этом условии на приемном конце системы воссоздается изображение, соответствующее оригиналу. Отсюда вытекает следующий принцип кодирования предсказанием: передача в каждом отсчете

272

кодированной разности между текущим истинным значением сигнала и предсказанным. Эту разность называют ошибкой предсказания. Чем точнее сделано пред­сказание, тем меньший объем данных будет содержаться в подлежа­щем передаче разностном сигнале. Логично ожидать, что этот объем будет меньше, чем в полном отсчете.

Чтобы сформировать необходимый для передачи сигнал ошиб­ки

предсказания, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания и вычитающий каскад (рисунок 3.68). На при­емном конце системы исходный сигнал восстанавливается сложением предсказанного и принятого сигнала ошибки предсказания. Устрой­ства предсказания на обоих концах системы для правильного вос­становления в приемнике исходных значений сигнала должны быть одинаковыми.

Предсказание, применяемое в системе, может быть организова­но различными способами и с разной степенью сложности. Однако вполне хорошие результаты по глубине достигаемой компрессии ре­ализуются весьма простым способом, когда в качестве сигнала пред­сказания используются значения предыдущего кадра.

Статистические исследования показали, что свойства телевизи­онного изображения, обусловленные меж кадровыми связями, в це­лом аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изо­бражении. А коэффициенты корреляции в соседних кадрах получа­ются зачастую даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре. Отсюда следует вывод о целесообразности обработки раз­ностного сигнала ДИКМ.

Дата добавления: 2015-05-09