В Европе уже в 1993 г., как только стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting – Цифровое Видео Вещание), в работах. В 1997 г. Через искусственные спутники Земли (ИЗС) на европейские страны передавалось 170 каналов цифрового ТВ, а к концу 1998 г. Число таких каналов превысило 1000. Одновременно распространяются цифровое телевизионное вещание по кабельным линиям, цифровая видеозапись, цифровые видеодиски.
В развитых странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии XXI века аналогового телевизионного вещания.
Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:
1. Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной чёткости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 МГц.
2. Единый подход к кодированию и передачи телевизионных сигналов с различной чёткостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной чёткостью, телевидение обычной чёткости, ТВЧ.
3. Интеграция с другими видами информации при передачи по цифровым сетям связи.
4. Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что даёт возможность создавать системы платного ТВ-вещания.
Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рис. 1.1 Кратко рассмотрим назначение основных частей системы.
|
|
|
|
Рис. 1.1. Структурная схема цифровой телевизионной системы
Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный сигнал Е’Y и цветоразностные сигналы Е’R-Y, E’B-Y , которые поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Как будет показано далее, эта операция является одной из наиболее важных, так как без эффективного кодирования невозможно обеспечить передачу сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам связи.
Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется ещё одно кодирование передаваемых данных, имеющие целью повышение помехоустойчивости. Полученным в результате цифровым сигналом модулируют несущую используемого канала связи.
В приёмной части системы осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится изображение. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.
2. Цифровой телевизионный сигнал
Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путём преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции:
1. Дискретизация во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени – отсчётов или выборок.
2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчёта до ближайшего уровня квантования.
3. Кодирование (оцифровку), в результате которого значение отсчёта представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.
Все три операции выполняются в одном узле – аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП реализуется в виде одной БИС. На входе АЦП подаются аналоговый сигнал и тактовые импульсы, синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы образуют параллельный n-разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого-цифрового преобразования число.
3. 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 ТВ экране осуществляются непосредственно преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передаётся в цифровой форме. В цифровых ТВ системах второго типа аналоговый ТВ 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 ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в ТВ приёмниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ 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 ТВ сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищённости мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищённости 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 кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала. Наиболее распространённой формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты) tn = nT, где n = 1,2,3,… - целые числа; Т – период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова: T≤ 0,5/fгр. Здесь
fгр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U(t). (Для отечественного вещательного ТВ стандарта верхняя граничная частота спектра ТВ сигнала fгр ≈ 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации fд , выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: fд = 2fгр.
Аналитическое выражение теоремы Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала U(t) последовательностью дискретных значений U(nT) имеет следующий вид:
∞
U(t) = ∑ U(nT) sin2πfгр (t – nT)
n=−∞ 2πfгр (t – nT)
