Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов.

Дискретизация - представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U t последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.

Самая распространенная форма дискретизации – равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста–Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U t , имеющий ограниченный спектр частот (рис. 1.1, а), может быть представлен значениями этого сигнала n U t , взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты) tn = nT рис. 1.1, б), где n = 1, 2, 3, … – целые числа; T – период, или интервал, дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста–Котельникова: Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №1 - открытая онлайн библиотека fгр.

Здесь fгр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U t , для отечественного вещательного телевизионного стандарта верхняя граничная частота спектра телевизионного сигнала fгр = 6,25 МГц. Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации. Частота дискретизации fд, выбранная в соответствии с теоремой Найквиста–Котельникова, равна fд = 2 fгр.

Аналитическое выражение теоремы Найквиста–Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала Ut последовательностью дискретных значений U nT , имеет следующий вид:

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №2 - открытая онлайн библиотека

Предполагается, что отсчеты являются U nT Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №3 - открытая онлайн библиотека -импульсами (бесконечно короткими). Следовательно, исходный сигнал U t после дискретизации можно представить в виде суммы

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №4 - открытая онлайн библиотека (1.1)

где Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №3 - открытая онлайн библиотека t– дельта-функция; Т – период дискретизации.

Если выражение (1.1) подвергнуть преобразованию Фурье, то получим

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №6 - открытая онлайн библиотека (1.2)

где Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №7 - открытая онлайн библиотека и Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №8 - открытая онлайн библиотека – спектры исходной и дискретизированной функций соответственно.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №9 - открытая онлайн библиотека

а

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №10 - открытая онлайн библиотека

б

Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала fд во многом зависит от вида структуры отсчетов (т.е. от относительного их положения на телевизионном экране),

Понятие цвета. Принципы получения цветного изображения. Цветовые модели, используемые в цифровых и аналоговых системах телевидения. Модель цвета RBG. Баланс белого.

Ощущение белого цвета соответствует раздражению сетчатки глаза потоком имеющим непрерывный спектр в видимом диапазоне

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №11 - открытая онлайн библиотека

При раздражении сетчатки с неполным спектром возникает ощущение цвета

RGB – аддитивная цветовая модель. Цвета получаются смешение цветов.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №12 - открытая онлайн библиотека ; Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №13 - открытая онлайн библиотека

Для передачи сигналы R, Gи B преобразуют:

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №14 - открытая онлайн библиотека

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №15 - открытая онлайн библиотека ; Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №16 - открытая онлайн библиотека ; Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №17 - открытая онлайн библиотека

Баланс белого:

Кч-б = Yмах − Yмин

Кgr = G − R

Кbrg = B − R − G

где Кч-б, Кgr, Кbrg - функции коэффициентов баланса белого для любого освещения.

Принцип получения яркостного и цветоразностного сигналов. Спектральные и статические свойства яркостного и цветоразностного сигналов. Причины использования цветоразностных сигналов в аналоговых и цифровых системах телевидения.

Принцип получения яркостного и цветоразностного сигналов.

Для обеспечения совместимости в системах цветного телевидения из трех первичных сигналов R, G, B формируется четвертый - сигнал яркости Y, соответствующий черно-белому изображению. Сигнал яркости может быть получен из сигналов основных цветов сложением в определенной пропорции. Относительное содержание R, G и B в яркостном сигнале: R - 30%, G - 59% и B - 11%. Такое соотношение яркостей основных цветов было установлено с учетом спектральной чувствительности зрения человека. Таким образом, получение сигнала яркости выражается следующим уравнением:

Y = 0.3R + 0.11B + 0.59G

Полученный сигнал является общим яркостным сигналом совместимых систем. Он позволяет воспроизвести на экране черно-белого телевизора нормальное изображение. Сигнал яркости занимает полосу частот до 6 МГц.

Из уравнения, определяющего состав яркостного сигнала, вытекает, что при наличии сигнала Y не обязательно передавать сигналы всех трех цветов, достаточно передать любые два из них. В системах цветного телевидения исключается зеленый, поскольку в яркостном сигнале его содержится 59%. Сигналы красного и синего цветов, кроме информации о цветовом тоне и насыщенности, несут информацию о яркости данного участка изображения. Однако, она уже содержится в яркостном сигнале. Поэтому вместо цветовых сигналов R и B передаются так называемые цветоразностные сигналы R-Y и B-Y, не несущие информации о яркости. Особенностью цветоразностных сигналов является то, что на белых и серых участках изображения они равны нулю.

Спектральные и статические свойства яркостного и цветоразностного сигналов.

Человеческий глаз плохо воспринимает цвета мелких деталей. Связь между размерами детали и требующейся для ее передачи верхней границей полосы частоты, показана на рис. Многочисленные опыты показали, что с уменьшением размеров деталей их видимая цветовая насыщенность становится меньше, причем для разных цветов эти размеры различны. Подобное явление потери цветового зрения связано с различной спектральной чувствительностью глаза (наибольшая для зеленого цвета, средняя для красного и малая для синего). Зависимость этой потери приведена на рис. 5.5.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №18 - открытая онлайн библиотека

Рис.5.5. Зависимости цветовой чувствительности глаза от размеров деталей изображения

Из рисунка видно, что зеленые мелкие детали сохраняют различимость цвета почти до верхней границы ТВ спектра, в то время как для красных различимость падает около 1,4-1,6 МГЦ, а для синихвообще на 0,6-0,8 МГц. Это позволяет передавать цветовую информацию о двух основных цветах не в полном спектре. Кроме того, т.к. яркостной сигнал несет полную информацию о яркостных соотношениях передаваемых элементов изображения, ее можно исключить из сигналов основных цветов. Т.е. по каналу связи можно передавать ЕУ, ЕВ-У и ЕR-У.

Связь параметров (полоса пропускания тракта, скорость цифрового потока, степень компрессии и помехоустойчивого кодирования) аналоговых и цифровых телевизионных систем с качественными показателями телевизионного изображения.

Аналоговый тракт

Разрешающая способность характеризуется Полосой Пропускания:

· Чем больше ПП,тем лучше

· Если уменьшить ПП-ия, то в области высоких частот, не будет отображаться мелких деталей

Цифровой тракт: разрешающая способность и количество кадров влияют на скорость цифр потока

· Если большое количество кадров, то увеличивается скорость цифрового потока

· Если большая компрессия (информацию сжимаем), то увеличивается скорость цифрового потока, но снижается качество

· Также, если сжимаем (увеличиваем компрессию), то уменьшается ПП и появляются различные искажения изображения (блочные и тд)

· Помехоустойчивое кодирование, с одной стороны, улучшает качество, тк снижаются помехи. Но с другой стороны, для помех кодирования мы добавляем больше проверочной информации( для улучшения декодирования и качества). Но эта проверочная информация съедает часть полезной информации, поэтому необходимо увеличивать степень компрессии.-->ухудшение качества

12.Принципы построения систем наземного аналогового и цифрового телевизионного вещания. Особенности частотного планирования при аналоговом и цифровом вещании.

Основным назначением телевизионных ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории в отдельных регионах страны телевизионным вещанием. Телевизионные ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, где по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема. В РФ для организации телевизионного и звукового радиовещания с частотной модуляцией (ЧМ) были выделены определенные полосы частот. С целью классификации выделенная для телевизионного вещания в стране область частот электромагнитных колебаний условно разбита на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 73 радиоканала:

Диапазон Частота, МГц Радиоканалы Следует заметить, что между вторым и третьим радиоканалами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ вещания (звуковое вещание в области очень высоких частот, что соответствует метровому диапазону волн, с частотной модуляцией), равная 7 МГц (66…73 МГц).  
I 48,5…66 1,2
II 76…100 3-5
III 174…230 6-12
IV 470…582 21-34
V 582…958 35-81

Выбор нижней границы I диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции телевизионных приемников и снижения частотных искажений при выделении полного телевизионного сигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего телевизионного сигнала. Кроме этого, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб. Верхняя граница V частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние ее неоднородностей – дождя, тумана и т.д. Каждый радиоканал предназначается для передачи сигналов изображения и звукового сопровождения одной телевизионной программы. Ширина полосы частот радиоканала определяется используемым телевизионным стандартом, т.е. соответствует 8 МГц.

Перевод наземной телевизионной передающей сети в цифровой стандарт вещания потребует внесения ряда поправок в методику планирования передающей сети телевизионного вещания. В первую очередь это касается размеров зон обслуживания. Установлено, что качественные показатели воспроизводимых телевизионных изображений при одних и тех же размерах зон обслуживания в значительной степени зависят от стандарта вещания (аналоговый или цифровой). Фактически зоны обслуживания телевизионным вещанием будут различными при приеме аналогового сигнала или цифрового. Цифровые сигналы более защищены от помех, чем аналоговые. Поэтому для приема телевизионного сигнала в цифровом стандарте требуются более низкие значения напряженности электромагнитного поля, чем для приема аналогового. Однако прием сигналов аналогового телевещания возможен на значительных расстояниях за пределами зон гарантированного обслуживания, тогда как одна из особенностей работы цифровой телевизионной системы – так называемый пороговый характер приема. Это означает, что даже при незначительном уменьшении напряженности электромагнитного поля ниже определенного порога прием телевизионных программ в цифровом ТВ быстро прекращается. На рис. 6.3 схематично отражена ситуация, при которой границы зоны обслуживания телевизионными передатчиками аналогового и цифрового вещания одинаковы. Как видно из рис. 6.3, до границы зоны обслуживания

13. Основные преимущества и недостатки цифровых систем телевизионного вещания по сравнению с аналоговыми.
(Качество изображения, эффективность использования частотного ресурса, экология, доступность услуг, прием в

Движении.)

Применение цифрового телевидения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

– повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов
– уменьшение мощности передатчиков на30-40%
– существенное увеличение числа ТВ программ, передаваемых в том же частотном диапазоне- частотное использование более эффективно( в 8МГц можно разместить до 10 цифровых каналов вместо 1 аналогового)
– повышение качества изображения и звука в ТВ приёмных устройствах
– создание ТВ систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой четкости)

– передача в ТВ сигнале различной дополнительной информации
- Эффективное использование спектра- имеет шумоподобный, равномерный вид:

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №19 - открытая онлайн библиотека Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №20 - открытая онлайн библиотека Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №21 - открытая онлайн библиотека

– создание интерактивных ТВ систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу (например, видео по запросу).

Главные преимущества цифрового телевидения - это высокое качество изображения и звука.

Аналоговое ТВ Цифровое ТВ

 
  Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №22 - открытая онлайн библиотека

К основным недостаткам аналогового телевидения можно отнести мерцание экрана, "двойное" изображение и "смазывание" картинки. В цифровых телевизорах данные недостатки отсутствуют, так как сигналы принимаются в цифровом виде, то есть, в виде нулей и единиц.
В цифровой системе возможно создание одночастотной сети- несколько соседних передатчиков, работающих на одной частоте. В аналоговом такое невозможно.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №23 - открытая онлайн библиотека

Аудио и видеоданных.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №24 - открытая онлайн библиотека Рис.1 Структурная схема передатчика DVB-T

DVB-T – европейский стандарт наземного ТВ вещания. Кодировка пакетов в виде транспортного потока MPEG-2. DVB-T описывает контейнер, приспособленный для доставки пакетированных данных в условиях наземного ТВ. Данная система удачно сочетает в себе кодирование (внутреннее и внешнее) и способ модуляции OFDM. Система поддерживание воспроизведение видео низкого, стандартного, расширенного и высокого разрешения. Звуковое сопровождение монофоническое или стереофоническое. Т.к. перенос инфы в контейнерах, а значит можно обеспечить работу разных служб одновременно. Сеть оптимизированная к аналоговым и максимально приближается к ним во избежание интерференционных помех(отраж-е сигнала, доп. гармоники и т.д.)

Принцип действия: данные на вых. Мультиплексора транспортного потока расщепляются на 2 независимыхтрансп-ых потока MPEG-2, которым присваиваются различные приоритеты. Поток в высшим приоритетом-выс. помехозащищенность, огранич-я четкость, поток с низшим приоритетом (на схеме показан пунктиром)- низкая помехозащ-ть, выс. четкость. Далее идет система рандомизации, ее цель

15. Компрессия аудиоданных по стандарту MPEG-2. Эффекты маскирования во временной и частотной области.
Критические полосы слуха. Принципы работы психоакустических моделей. Полосное кодирование. Квантование и
распределение битов.

Эффект маскирования и психоакустическая модель слуха.Как и во всякой системе с преобразованием из временно´й в частотную область, в слуховой системе имеется некоторая неопределенность в разделении отдельных частотных составляющих. Несовершенное разделение по частоте приводит к тому, что ухо не в состоянии различить звуки с близкими частотами, этот эффект называется частотным маскированием. Граница восприятия вблизи маскирующего тона называется порогом маскирования. В результате длительных исследований удалось измерить ширину и расположение частотных полос, в пределах которых действует маскирование. Эти полосы получили название критических, в полосе слухового восприятия их насчитывается 25. В области низких слышимых частот ширина критической полосы менее 100 Гц, в районе 2 кГц она равна 300 Гц и возрастает до 4 кГц в области высших воспринимаемых частот (рис. 2.9).

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №25 - открытая онлайн библиотека

Кроме частотного (статического), имеет место и временное (динамическое) маскирование, т. е. эффект, при котором звук достаточной амплитуды маскирует другие звуки, непосредственно предшествующие ему или следующие за ним по времени (рис. 2.10). Когда звук маскируется следующим за ним по времени сигналом, такое маскирование называется маскированием назад. Типичный промежуток времени, в пределах которого действует маскирование назад, составляет 5…50 мс. Если звук маскируется предшествующим ему сигналом, то такое маскирование называется маскированием вперед, характерные интервалы времени для которого составляют от 50 до 200 мс в зависимости от уровней маскирующего и маскируемого сигналов. Несовершенство временно´го разделения связано с резонансным характером восприятия.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №26 - открытая онлайн библиотека

Использование эффекта маскирования позволяет существенно сократить объем звукоданных, сохраняя приемлемое качество звучания. Принцип здесь достаточно простой: «Если какая-то составляющая не слышна, то и передавать ее не следует». На практике это означает, что в области маскирования можно снизить число битов на отсчет до такой степени, чтобы шум квантования все еще оставался ниже порога маскирования. Таким образом, для работы звукового кодера необходимо знать пороги маскирования при различных комбинациях воздействующих сигналов. Вычислением этих порогов занимается

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов.

Дискретизация - представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U t последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.

Самая распространенная форма дискретизации – равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста–Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U t , имеющий ограниченный спектр частот (рис. 1.1, а), может быть представлен значениями этого сигнала n U t , взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты) tn = nT рис. 1.1, б), где n = 1, 2, 3, … – целые числа; T – период, или интервал, дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста–Котельникова: Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №1 - открытая онлайн библиотека fгр.

Здесь fгр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U t , для отечественного вещательного телевизионного стандарта верхняя граничная частота спектра телевизионного сигнала fгр = 6,25 МГц. Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации. Частота дискретизации fд, выбранная в соответствии с теоремой Найквиста–Котельникова, равна fд = 2 fгр.

Аналитическое выражение теоремы Найквиста–Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала Ut последовательностью дискретных значений U nT , имеет следующий вид:

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №2 - открытая онлайн библиотека

Предполагается, что отсчеты являются U nT Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №3 - открытая онлайн библиотека -импульсами (бесконечно короткими). Следовательно, исходный сигнал U t после дискретизации можно представить в виде суммы

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №4 - открытая онлайн библиотека (1.1)

где Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №3 - открытая онлайн библиотека t– дельта-функция; Т – период дискретизации.

Если выражение (1.1) подвергнуть преобразованию Фурье, то получим

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №6 - открытая онлайн библиотека (1.2)

где Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №7 - открытая онлайн библиотека и Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №8 - открытая онлайн библиотека – спектры исходной и дискретизированной функций соответственно.

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №9 - открытая онлайн библиотека

а

Дискретизация сигналов в системах цифрового телевидения. Выбор частоты дискретизации и числа уровней квантования при кодировке видео и аудио сигналов - №10 - открытая онлайн библиотека

б

Выбор частоты дискретизации телевизионного сигнала fд во многом зависит от вида структуры отсчетов (т.е. от относительного их положения на телевизионном экране),