Что такое цифровое телевидение. Что такое цифровое телевидение и чем оно хорошо

DTV расшифровывается как Digital Television и представляет собой цифровое телевидение, которое обрабатывает и передает поступающий сигнал в цифре. Сам телевизионный сигнал представляет собой не только изображение, но и звук. Поступающий сигнал закодирован в цифровом формате MPEG, который представляет собой код в двоичной системе. То есть он состоит из 1 и 0. Благодаря такому формату, на передачу сигнала не влияют погодные условия либо другие внешние факторы, а это значит, что таких помех, как «снег», «черточки» и т.д. не будет.

Помимо устойчивости к помехам и перебоям в связи, ДТВ в режиме приема и передачи сигнала требует меньшего количества мощности в передатчике, который будет транслировать сигнал на то же расстояние, что и при подключении к аналоговому телевидению. Кроме того, имеется и еще одно преимущество цифрового телевидения, которое пользователи обычно не замечают. Данное достоинство больше интересует передающие центры. Спектр улавливаемого сигнала уменьшается, благодаря чему, находясь в определенном диапазоне, можно улавливать большее количество эфирных каналов.

Однако ДТВ обладает и определенными недостатками, основной из которых заключается в том, что, если сигнал слабеет, то изображение пропадает или начинает тормозить, раскладываясь на квадратики. При этом при обычном аналоговом телевидении просто появятся помехи и шумы.

Стандарты цифрового телевидения

С момента создания, ДТВ активно развивалось, в результате чего в 1993 году была создана система цифрового видео вещания – Digital Video Broadcasting или же DVB. Для его стандартизации международная организация приняла следующие стандарты цифрового телевидения, которые отличаются друг от друга принадлежностью к тому или иному материку. Так на сегодняшний день существует:

• DVB – европейское DTV;
• ISDB – японское DTV;
• ATSC- американское DTV.

Все вышеперечисленные стандарты в свою очередь делятся на определенные форматы, которые отличаются друг от друга тем, для какого именно телевидения передается телевизионный сигнал.

Для того чтоб человек мог получить те или иные интерактивные услуги, каналы могут требовать плату, до внесения которой они будут закодированы. Чтоб трансляция таких каналов стала возможной в ресивер или телевизионные Ci-слоты встраиваются специализированные CAM модули.

На территории нашей страны DVB стандарт цифрового телевидения делится на такие форматы:

• DVB-T или T2 – обычное эфирное цифровое телевидение;
• DVB-S или S2 – телевидение, принимаемое цифровой сигнал через спутниковую антенну;
• DVB-H или H2 – мобильное ТВ;
• DVB-C или C2 – наиболее популярное в больших городах кабельное цифровое телевидение.

Т2 или С2 отличается от Т или С только тем, какое поколение представляет данный стандарт передачи данных.

Эфирное DTV

Пожалуй многие слышали о таком стандарте ДТВ как Т2. Данный стандарт является стандартом второго поколения, что означает возможность приема большего количества телевизионных каналов при использовании того же оборудования, что и ранее. По сути, емкость сети вырастит на 30%. Для обычного пользователя такие изменения не являются заметными, однако из-за отличий этих стандартов их совмещение не является возможным.

При использовании DTV формата Т2, появляются следующие возможности:

• Передавать 3D изображение;
• Передавать многоканальный звук;
• Предавать сигналы UHDTV, HDTV, а также SDTV;
• Режим телетекста;
• Интерактивное ТВ;
• Отображение субтитров;
• Отображение запрашиваемого видео.

Это самые главные функции, однако, эфирное ДТВ может обладать и дополнительными функциями. Все зависит от модели вашего телевизора.

DTV каналы в России

На территории России ДТВ появилось изначально со стандартом DVB-T не смотря на то, что вся информацию уже передавалась по стандарту Т2. Из-за этого получилось так, что сигнал был закодирован в формате MPEG-4, а все устройства понимали только формат MPEG-2. В результате, для просмотра цифрового телевидения необходимо было использовать дополнительно подключаемый САМ-модуль. Это привело к тому, что стандарт Т2 был запущен в России на 3 года раньше, чем планировалось.

ДТВ обладает определенными группами телеканалов, каждая из которых называется мультиплекс. В каждом мультиплексе присутствует 10 телевизионных каналов. Все они отображаются на телевизоре, а разделением между ними занимается тюнер. В России существует несколько мультиплексов, однако далеко не все из них можно просматривать, находясь в том или ином регионе. Однако, где бы вы не находились, можете быть уверены в том, что смотреть бесплатные каналы из мультиплекса РТРС-1 и РТРС-2 вы сможете.

Чтобы подключить ДТВ в формате Т2 вам потребуется телевизор со встроенным ресивером или же внешний тюнер. Также вам понадобиться обычная телевизионная антенна, обладающая дециметровым диапазоном, на которую будет поступать сигнал.

Для того чтобы настроить цифровое телевидение на современной модели телевизора, то вам нужно будет войти в меню и перейти в режим настроек. Здесь в качестве источника сигнала понадобиться выбрать «Кабель». Далее нужно выбрать цифровые каналы и перейти в режим поиска. После этого вам потребуется выбрать определенные параметры частоты, модуляции и скорости передачи. Если ваш телевизор обладает режимом сетевого поиска, то никакие данные вводить не придется. Все доступные каналы настроятся самостоятельно.

Тема: Принципы цифровой передачи ТВ изображения

ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ: Показать особенности формирования цифрового телевизионного сигнала с учетом требований “Рекомендации ITU BT 601”, обосновать применение алгоритмов сжатия и рассмотреть некоторые методы цифровой обработки и кодирования телевизионных сигналов.

Учебные вопросы:

1. Общие сведения.

2. Цифровой телевизионный сигнал.

3. Формирователи цифровых телевизионных сигналов.

Вопрос №1.

Цифровое телевидение – это новая отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в цифровой форме. Применение методов и средств цифрового телевидения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

Повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

Уменьшение мощности передатчиков ТВ – вещания;

Существенное увеличение числа телевизионных программ, передаваемых в том же частотном диапазоне;

Повышение качества изображения и звука в телевизионных приемниках с обычным стандартом разложения;

Создание телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой четкости ТВЧ);

Расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при подготовке и проведении телевизионных передач;

Передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приемника в многофункциональную информационную систему;

Создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу.

Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.

Как всякая отрасль человеческого знания и практической деятельности цифровое телевидение развивалось поэтапно: постановка задачи, НИР, ОКР, создание экспериментальных образцов и, наконец, промышленных стандартов, которые должны выполняться всеми участниками программы “Цифровое телевидение”. Принятие стандартов – важнейшая составляющая развития любой отрасли, в том числе и телевидения.

Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standartization), созданной в 1947 г. Для разработки стандартов в какой – либо отрасли техники ISO создает рабочие группы. Пример – MPEG (Motion Picture Expert Group), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения.

Другая организация, играющая важную роль в стандартизации – Международный Союз Электросвязи (ITU – International Communikation Union). Документы, принимаемые ITU, называются Рекомендациями и могут быть преобразованы в международные стандарты решениями ISO или в национальные решениями национальных органов стандартизации.

В своем развитии цифровое телевидение прошло несколько этапов. Первый этап – использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования. Сигналы с передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в пределах телецентра осуществляется в цифровой форме. Это позволяет в значительной степени реализовать преимущества цифрового телевидения, описанные выше.На выходе студийного оборудования сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по обычным каналам связи.

Другое направление – введение цифровых блоков в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения (цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, уменьшения влияния шумов и т. п., декодирование и воспроизведение на экране дополнительной информации, передаваемой по системе “Телетест”).

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и принципы передачи телевизионного сигнала по каналу связи.

Второй этап – создание гибридных аналого – цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых обычных стандартах телевидения. На этом этапе изменения развивались по двум направлениям:

Переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче;

Увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке.

Реализация второго направления возможна лишь при условии применения алгоритмов сжатия для обеспечения возможности передачи телевизионного сигнала по каналам связи с приемлемой полосой частот. Примеры гибридных телевизионных систем: японская система телевидения высокой четкости MUSE и западноевропейские системы семейства MAC. В передающей и приемной частях этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи передаются в аналоговой форме. Системы имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 соответственно. С помощью статистического кодирования полоса частот сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается примерно до 8 МГц, что позволяет передавать эти сигналы по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время наземная сеть не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала 6…8 МГц.

Третий этап – создание полностью цифровых телевизионных систем. После появления в Японии и Европе MUSE и HD-MAC в США в 1987 г. был объявлен конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения. Главное ограничение – полоса канала передачи телевизионного сигнала должна быть 6 Мгц, т. к. около 1400 компаний в США используют эту полосу и не желают перестраиваться. Рассматривались проекты аналоговых систем. Первые проекты полностью цифровых систем появились в 1990 г. В основе всех этих проектов лежали достижения в области техники эффективного кодирования и сжатия изображений. В начале 1993 г. проекты аналоговых систем были сняты с рассмотрения. В мае 1993 г. четыре группы компаний и исследовательских организаций объединились в “Большой альянс” и в дальнейшем представляли единый проект, ставший основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы США. В числе создателей Массачусетский Технологический Институт, корпорации Zenith, General Instruments, американское отделение Philips и Thomson и другие. Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах: JPEG для сжатия неподвижных изображений, MPEG – 1 для записи видео и аудио на компакт - диски (утвержден в декабре 1993 г.), MPEG – 2 для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (утвержден в ноябре 1994 г.). В Европе в 1993 гю принят проект DVB (Digital Video Broadcasting - цифровое видео вещание, в котором приняло участие более 130 фирм и научно – исследовательских организаций. К концу 1998 г. число спутниковых каналов цифрового телевидения в европейских странах превысило 1000. Развитые страны приняли программы прекращения аналогового телевещания до 2010 г. В настоящее время разработаны, экспериментально исследованы и введены в эксплуатацию европейская система цифрового телевидения DVB, американская ATSC и японская ISDB

Национальным стандартом для цифрового телевидения в России станет европейская система DVB. Такое решение было принято 2 декабря 2003 г.. На основании проведенного анализа находящихся в эксплуатации и прошедших международную стандартизацию систем цифрового телевидения, результатов экспериментальных исследований и отечественного опыта цифрового наземного и спутникового телевизионного вещания разработчики российских национальных стандартов цифрового вещания отдали предпочтение европейской системе DVB.

Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются;

Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и возможность передавать 4 и более программ телевидения обычной четкости или 1 – 2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 Мгц.

Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различной четкостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной четкостью, телевидение обычной четкости.

Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям.

Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ – вещания.

На рис. 1 показана структурная схема цифровой телевизионной системы.

Система симметрична относительно канала связи. На входе два независимых (статистически) источника информации в процессе преобразования и обработки образуют два потока цифровых данных, объединяемых мультиплексором в единый поток для кодирования, модуляции и передачи по каналу связи, а на выходе канала связи после демодуляции и декодирования этот единый поток демультиплексором разделяется на два для последующей обработки и преобразования. Рассмотрим кратко назначение основных частей системы.

Рис. 1 Структурная схема цифровой телевизионной системы.

Вопрос №2

Цифровой телевизионный сигнал.

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового путем уже известных нам следующих преобразований:

Дискретизацией по времени;

Квантованием по уровню;

Кодированием.

Дискретизация .

Считая условие выбора частоты дискретизации (теоремы отсчетов f д ≥2 f в ) выполненным, рассмотрим особенности дискретизации телевизионного изображения, представляющего собой двумерный сигнал. Телевизионное изображение по вертикальной координате уже является дискретным вследствие разложения на строки. Поэтому для получения двумерной дискретизации достаточно выполнить одномерную дискретизацию телевизионного сигнала во времени. При дискретизации отсчеты образуют определенную структуру в его плоскости. Наиболее широко применяется прямоугольная структура отсчетов. Процесс дискретизации изображения и его последующего воспроизведения можно проиллюстрировать трехмерными графиками, где Х и У соответствуют пространственным координатам в плоскости изображения, а вертикальная координата Z показывает величину яркости в каждой точке изображения. При воспроизведении дискретизированного изображения с использованием двумерной ступенчатой интерполяции на экране получим изображение в виде элементов, называемых пикселами (pixel – picture element). Яркость в пределах любого пиксела приблизительно постоянна и равна яркости исходного изображения в соответствующей точке дискретизации или, в общем случае, средней яркости по некоторой площади в пределах пиксела. Размеры пикселов должны быть настолько малы, чтобы зритель воспринимал воспроизводимое изображение как непрерывное. Рассмотрим дискретизацию со спектральной точки зрения. Введем понятия пространственных частот и пространственного спектра для непрерывного изображения.

По аналогии с периодом одномерного периодического сигнала, являющегося функцией времени, назовем пространственным периодом Т х по координате Х пространственный интервал, через который значения двумерного сигнала b (x , y ) повторяются. Тогда пространственной частотой этого сигнала по координате Х будет величина, обратная пространственному периоду f = 1/ T х . Аналогично вводятся пространственный период и пространственная частота по координате У.

Преобразование пространственного спектра изображения при двумерной дискретизации показано на рис. 1. Пространственный спектр исходного изображения предполагается ограниченным в плоскости пространственных частот, т. е. вне некоторой замкнутой кривой все частотные составляющие можно считать равными нулю. Как и в случае дискретизации одномерных сигналов, при двумерной дискретизации появляются побочные спектры, сдвинутые относительно исходного спектра по горизонтали и по вертикали на величины пространственных частот дискретизации f ду и f дх соответственно. На рис. 2.а) показан случай, когда в результате дискретизации побочные спектры не перекрываются с основным. Такой результат достигается при достаточно больших пространственных частотах дискретизации по обеим координатам.

В этом случае возможно восстановление исходного изображения по дискретизированному с применением пространственного фильтра, выделяющего спектр исходного изображения из спектра дискретизированного изображения.

Сказанное является обобщением теоремы Котельникова на двумерные сигналы.

Рис. 2 Пространственные спектры дискретизированных изображений в случаях выполнения а) и нарушения б) условий аналога теоремы Котельникова для двумерных сигналов.

На рис. 2б) показан случай, когда побочные спектры перекрываются со спектром исходного изображения, что является следствием недостаточно больших частот дискретизации по пространственным координатам. В этом случае восстановление исходного изображения по дискретизированному без искажений невозможно. Конкретный вид искажений в изображении зависит от форм составляющих его объектов и особенностей его пространственного спектра.

Чтобы искажений не возникало, необходимо выбирать достаточно большие пространственные частоты дискретизации по обеим координатам. Однако в телевидении эти пространственные частоты фактически предопределены параметрами, задаваемыми в используемом стандарте разложения: количеством строк и количеством элементов в каждой строке. Для согласования пространственного спектра изображения с указанными параметрами во многих случаях приходится ограничивать верхние граничные пространственные частоты изображения перед дискретизацией. Эта операция выполняется с помощью специальных оптических рассеивающих элементов, располагаемых перед матрицей ПЗС или просто путем небольшой расфокусировки объектива в телевизионной камере.

Верхняя граничная частота видеосигнала (аналоговое ТВ) определяется по формуле

где k – формат изображения на экране – отношение ширины изоюражения к его высоте;

z – полное число строк в кадре;

n – частота кадров;

α и β – коэффициенты, показывающие доли неактивных участков в периодах, соответственно, строчной и кадровой разверток;

р – экспериментально определяемый коэффициент, равный 0,75…0,85.

Данная формула получена, исходя из условия одинаковой разрешающей способности телевизионной системы по горизонтали и по вертикали, что соответствует квадратной форме наименьших передаваемых элементов изображения. Поэтому при задании частоты дискретизации телевизионного сигнала по его верхней граничной частоте (обычной, а не пространственной) в соответствии с одномерным критерием, задаваемым теоремой Котельникова, будет удовлетворяться и двумерное условие отсутствия искажений изображения из-за перекрытия пространственных спектров при дискретизации.

Квантование .

Не рассматривая процедуру квантования, отметим, что число уровней квантования N является важнейшим параметром при обработке телевизионного сигнала. Известно (см. лекцию 8), что квантование сопровождается ошибками (шумами) квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям яркости или цвета. На участках с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Заметность ложных контуров существенно уменьшается при случайных смещениях значений яркости элементов изображения или положений уровней квантования. Поэтому в некоторых случаях перед квантованием в изображение вводится аддитивный шум.

Равномерное квантование телевизионного сигнала не является наилучшим с точки зрения восприятия квантованного таким образом изображения зрительной системой человека. Выделение объекта на фоне происходит при превышении порога яркости. С ростом яркости фона растет и порог. Следовательно, в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области значений, близкой к уровню белого. Однако техническая реализация неравномерного квантования достаточно сложна. Вместо использования неравномерного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала – гамма – коррекцию. При этом решается две задачи. Во-первых, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная форма передаточной характеристики всего тракта телевизионной системы “от света до света”. Во-вторых, уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости изображения. В системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП равным 8. При этих условиях шум квантования на изображении практически не заметен.

Требования рекомендации ITU – R BT 601 определяют единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. Стандарт применяется в современных цифровых телевизионных системах при цифровом представлении телевизионных сигналов обычной четкости. В стандарте предусмотрено раздельное кодирование яркостного и двух цветоразностных сигналов.

Дискретизация.

Установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13.5 МГц для обоих стандартов развертки: 25 Гц, 625 строк, 30 Гц, 525 строк. Каждый из цветоразностных сигналов дискретизируется с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц. В соответствии с принятыми правилами данный стандарт цифрового кодирования телевизионных сигналов обозначается 4: 2: 2. Помимо сказанного выше это означает, что оба цветоразностных сигнала присутствуют в каждой строке. Полное число отсчетов яркости в строке равно 864, число отсчетов цветоразностного сигнала 432. За время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Эти количества отсчетов являются промежуточными между значениями, необходимыми для получения квадратных пикселов в указанных стандартах развертки. Рекомендация предоставляет компромисс. Число активных строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576.Полное число передаваемых в каждом кадре элементов 414720. Предусмотрены другие форматы преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. При использовании формата 4: 2: 0 каждый цветоразностный сигнал имеет частоту дискретизации в 2 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала и передается в каждой второй строке. Отсчеты цветоразностных сигналов в этом формате расположены между строками отсчетов яркостных сигналов и для каждого из этих сигналов образуют матрицу 360х288 элементов.

В формате 4: 1: 1 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке, но их частоты дискретизации в 4 раза меньше частоты дискретизации сигнала яркости (3,375 МГц). Число элементов каждого цветоразностного сигнала 360х288.

При формате 4: 4: 4 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке и дискретизируются с той же частотой, что и яркостный сигнал.

Квантование.

Для всех трех сигналов предусмотрено 256 уровней квантования (число разрядов n = 8). При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 сверху образуют резервные зоны на случай выхода аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Нулевым и 255-м уровнями передаются сигналы синхронизации. Аналого – цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением

У = 219 Е ! у +16 ,

где Е ! У - аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 (штрих означает, что сигнал прошел гамма-коррекцию);

У – цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.

При квантовании цветоразностных сигналов предусматриваются резервные зоны по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е ! R -- Y и E ! B – Y , а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями

Е С R = 0 , 713 E ! R - Y E С B = 0 , 564 E ! B - Y

Причем значения сигналов Е CR Е CB изменяются в диапазоне от - 0,5 В до 0,5 В.

АЦП цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы С R и С B , выполняются в соответствии со следующими соотношениями

С R = 224 E ! R-Y + 128 = 159,712 E R - Y ! + 128 = 160 E ! R - Y +128,

С B = 224 E ! B - Y + 128 = 126,336 E ! B - Y + 128 = 126 E ! B-Y + 128

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов.

На рисунке 1 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования обычного тестового сигнала в виде восьми цветных полос.

В настоящее время все шире применяется квантование яркостного и цветоразностных сигналов 10 – разрядным АЦП.

В состав телевизионного сигнала согласно рекомендации ITU-R BT 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал начала активной строки (НАС), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал конца активной строки (КАС). Каждый из синхросигналов содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255. Следующие два байта содержат нули. Последний четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле (четное или нечетное), какой именно это синхросигнал, а также обеспечивает защиту от ошибок. При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Большая часть длительности строчного гасящего импульса между НАС и КАС остается свободной, и во время ее можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Рисунок 1

Вопрос №3

Формирователи цифровых телевизионных сигналов.

Рассмотрим два варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с рекомендацией ITU-R BT 601, представленных на рис.3 и 4.

В устройстве рис. 3 сигналы основных цветов Е К , Е G , Е B с источника телевизионных сигналов (телекамеры) поступают на гамма-корректоры (ГК) и после коррекции нелинейности – в кодирующую матрицу (КМ). В КМ эти сигналы по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости и цветоразностные сигналы. Далее сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы, пройдя масштабирование и сдвиг на входе АЦП.

Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ), вырабатывающий синхросигналы НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства.

Рис. 3 Структурная схема формирователя цифрового ТВ – сигнала, выполняющего АЦП сигналов яркости и цветоразностных.

ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника телевизионных сигналов.

Мультиплексор в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы У, С R и С B и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства получаем сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

На рис. 4 приведена структурная схема иного варианта формирователя ЦТС. По данной схеме сигналы основных цветов Е R , , E G и Е В преобразуются в цифровые сигналы R d , G d , B d . При этом каждый АЦП должен иметь 10, а лучше 12 разрядов. Далее цифровые сигналы поступают на цифровые гамма-корректоры, в которых выполняются нелинейные преобразования. Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов равно 8. Затем в кодирующей матрице сигналы преобразуются в цифровой сигнал яркости и два цветоразностных сигнала

Рис. 4 Вариант структурной схемы формирователя ЦТС.

Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное задание требуемой функции преобразования, но при этом необходимы более точные (и, следовательно, более дорогие) АЦП. Формирование синхросигналов и тактовых импульсов осуществляется аналогично первому варианту устройства.

Передача цифрового телевизионного сигнала .

Параллельный видеостык .

Стандарт на параллельный видеостык предусматривает передачу ЦТС в виде параллельного цифрового кода. Для этого требуется 8 (10) линий и еще одна для передачи тактовых импульсов. Линии выполняются в виде витых пар проводов. Из-за больших потерь и наводок дальность передачи ограничивается масимум 50 метрами. Передача значений отсчетов яркостного и цветоразностных сигналов выполняется одними и теми же линиями в следующем порядке: Y , C R , Y , C B ,… Частота тактовых импульсов при этом равна f = 13,5 + 6,75 + 6,75 = 27 МГц. Сигналы синхронизации телевизионной развертки 00000000 и 11111111 передаются в общем потоке данных. Произведение частоты дискретизации f d и числа разрядов квантования n называется скоростью передачи двоичных символов Q (Q = f d x n )

Для яркостного сигнала Q Y =13,5x8 = 108 Мбит/с

Для цветоразностного сигнала Q C = 6,75x8 = 54 Мбит/с.

Суммарная скорость передачи двоичных символов преобразованного в цифровую форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) для параллельного видеостыка составляет 216 Мбит/с.

Последовательный видеостык .

Передача цифрового телевизионного сигнала на большие расстояния осуществляется в последовательной форме. При этом тактовая частота восстанавливается в приемном устройстве по самому передаваемому сигналу.

О

Синхроимп.

Кодовая последов.

Рис. 5 Блок – схема устройства формирования синхроимпульсов.

Принимаемый цифровой сигнал, состоящий из последовательности “единичных” и “нулевых” уровней поступает на формирователь импульсов, вырабатывающий

Рис. 6 Временные диаграммы формирования синхроимпульсов.

короткие импульсы на каждый положительный и отрицательный перепад напряжений в сигнале (рис.6).

Расширитель импульсов преобразует короткие импульсы в импульсы, длительность которых равна половине периода тактовой частоты. Эти импульсы поступают на узкополосный фильтр, настроенный на тактовую частоту. На выходе фильтра выделяется синусоидальный сигнал тактовой частоты, который затем преобразуется в прямоугольные импульсы, используемые для тактирования принимаемого сигнала. Из временных диаграмм видно, что, если в принимаемом цифровом сигнале подряд идут несколько битов одного значения (0 или 1), на выходе формирователя коротких импульсов часть импульсов отсутствует. В этом случае выходные тактовые импульсы продолжают формироваться за счет наличия затухающего гармонического колебания на выходе узкополосного фильтра. Это обстоятельство накладывает ограничения на передаваемый сигнал, так как передача достаточно больших последовательностей нулей или единиц может привести к прекращению формирования тактовых импульсов. Кроме того, в начале передачи цифрового сигнала амплитуда колебаний на выходе узкополосного фильтра нарастает постепенно, поэтому имеет место задержка появления тактовых импульсов на выходе устройства синхронизации.

Для преодоления недостатков системы формирования синхроимпульсов применяется дополнительное преобразование передаваемых данных, в результате которого число передаваемых подряд нулей или единиц ограничивается.

Рассмотрим построение последовательного видеостыка, структурная схема которого представлена на рис. 7.

Рис. 7 Последовательный видеостык.

В таком видеостыке предусмотрена передача каждого 8 – разрядного кода с помощью 9 – битовой посылки. В результате получается скорость передачи двоичных символов 243 Мбит/с. Таким образом, для передачи используется избыточный код. Это позволяет надежно осуществлять синхронизацию и избегать накопления ошибок передачи. В передающей части из 8 – разрядного параллельного кода формируется 9 – разрядный параллельный код, который затем преобразуется в последовательный код. Тактовая частота 243 МГц формируется с помощью ФАПЧ из тактовой частоты 27 МГц параллельного видеостыка. В приемной части по принятому сигналу осуществляется восстановление тактовой частоты 243 МГц (рис.5). Блок синхронизации кодовых слов по синхрослову, содержащемуся в каждой телевизионной строке, определяет начальные моменты параллельных кодовых слов. Преобразователь последовательного кода в параллельный формирует 9 – разрядные слова, выдача которых синхронизируется блоком фазирования тактовой частотой 27 МГц. В декодере параллельный 9 – разрядный код преобразуется в 8 – разрядный.

Существуют также другие стандарты цифровых телевизионных сигналов.

Так параметры цифровых телевизионных сигналов для систем компьютерной

видеосвязи установлены в рекомендации ITU-T H.263. В таблице 1 приведены данные о количестве элементов изображения в кадре для формата CIF (Common Interchange Format) и производных от него форматов QCIF (Quarter Interchange Format), SQCIF (sub – Quarter Interchange Format), 4CIF, 16CIF.

Таблица 1

В последнем столбце таблицы даны значения максимальной скорости передачи двоичных символов для каждого формата. Частота передачи кадров равна 30 Гц. Следует отметить, что в цифровых системах видеосвязи частота передачи кадров по каналу связи может быть менее 30 Гц и, в зависимости от передаваемого сюжета может составлять от 5 до 15 Гц. В то же время частота кадров на экране монитора будет существенно выше (обычно не менее 60 Гц), так как в приемной и декодирующей аппаратуре выполняется запоминание принятых и декодированных кадров и их многократное воспроизведение. Понижение частоты кадров в канале связи дает пропорциональное уменьшение скорости передачи двоичных символов.

Из теории связи известно, что по каналу связи с шириной полосы пропускания Δ F можно передать в виде двухуровневых импульсов 2 Δ F бит информации в секунду. 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. Ни один стандартный канал наземного телевизионного вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутниковый канал, имеющий полосу 27 МГц, непригодны для передачи цифрового телевизионного сигнала обоих стандартов. Для передачи телевизионных сигналов высокой четкости необходима еще более широкая полоса.

Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового телевидения была и остается задача сокращения скорости передачи двоичных символов в канал связи с ограниченной полосой. Эта задача может быть решена путем уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале . Уменьшение избыточности обеспечивает также уменьшение объема ЗУ при записи телевизионных программ. Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую. Структурная избыточность – наличие в сигнале гасящих импульсов. Статистическая избыточность предопределена корреляционными свойствами телевизионного изображения. Психофизиологическая избыточность связана со свойствами человеческого зрения.

Устранение избыточности, обусловленной перечисленными факторами, производится применением алгоритмов обработки телевизионного сигнала, его преобразования и сжатия данных, полученных в результате преобразования. 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.

Методы сжатия изображений разделяются на два класса: методы сжатия без потери информации и методы сжатия с потерей информации. Последние позволяют достичь значительно большего эффекта, чем первые. Часто применяется комбинация тех и других для получения требуемого результата обработки.

Таким образом, цифровое телевидение представляет собой область применения передовых методов обработки изображений и звука и предоставляет широкое поле деятельности по исследованию и разработке более совершенных методов, программных и аппаратных средств в интересах техники телевидения.

ЛИТЕРАТУРА :

Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения. М.: “Горячая линия – Телеком” стр. 5 – 47.

Брайс Р. Руководство по цифровому телевидению. М.: ”ДМК- пресс” 2002 г. Стр. 20 – 45, 56 – 68.

Дополнительный материал к лекции №13

Цифровое телевидение

12.1. Общие сведения

Цифровое телевидение – это область телевизионной техники, в которой операции формирования, обработки, консервации и переда­чи телевизионного сигнала осуществляются при преобразовании его в цифровую форму.

Цифровой сигнал может быть получен в цифровых преобразова­телях свет–сигнал или с выхода аналоговых ТВ-датчиков. В последнем случае преобразование аналогового ТВ-сигнала в цифровой осуществ­ляется в кодирующем устройстве ТВ-системы.

По сравнению с аналоговым телевидением, цифровое ТВ пред­ставляет собой более высокую ступень развития ТВ-техники. Преиму­щества цифровых методов обработки и передачи ТВ-изображения за­ключаются и следующем:

Высокая стабильность параметров ТВ-систем;

Значительное увеличение надежности и технологичности ТВ-систем;

Возможность применения методов электронно-вычислительной техники при обработке, преобразовании и анализе ТВ-изобра­жения;

Расширение номенклатуры преобразований сигнала с целью со­здания видеоэффектов, геометрических преобразований изоб­ражения и т. п.;

Возможность практически неограниченного числа перезаписей фрагментов изображения при формировании программ;

Возможность хранения видеоинформации длительное время без ухудшения ее качества;

Реализация сложных сервисных программ по управлению ТВ-устройствами;

Возможность осуществления достаточно сложных процедур анализа изображений (например, в системах распознавания об­разов).

При всем этом недостатками систем ТВ с цифровым сигналом яв­ляются, необходимость значительного расширения полосы пропускания канала связи, по сравнению с аналоговым телевидением и приме­нение быстродействующих устройств обработки сигналов.

Цифровые методы передачи и обработки ТВ-сигналов могут при­меняться во всем ТВ-тракте, начиная от преобразователя свет-сигнал И заканчивая преобразователем сигнал-свет, или только в его отдель­ных звеньях. Например, в аппаратно-студийном комплексе (АСК) или отдельных узлах приемных устройств. Применение аналого-цифровых методов в АСК позволяет осуществить высококачественное преобразование и анализ видеоизображения, реализовать эффектив­ное управление ТВ-устройствами, которое практически невозможно было достигнуть в аналоговых АСК.

Применение аналого-цифровых методов при передаче ТВ-сигна­лов по магистральным линиям значительно повышает помехозащи­щенность этих линий и улучшает качество передачи информации набольшие расстояния.

Выбор соответствующего стандарта кодирования цифрового сиг­нала позволяет создать общую систему для обмена ТВ-программами в международном масштабе и устранить необходимость преобразования ТВ-стандартов.

Цифровые сигналы позволяют реализовать в бытовых телевизорах сложные системы обработки сигналов, которые применяются в насто­ящее время в АСК, и тем самым улучшить качество ТВ-изображения.

12.2. Цифровое представление сигналов

В чем разница между аналоговыми и цифровыми сигналами? Аналоговый или непрерывный сигнал U C (t) определен для любого значения времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапазона U C min – U C max . Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса. Например, сигнал на выходе пре­образователя свет-сигнал пропорционален яркости развертываемых элементов изображения,

В тракте ТВ-системы сигнал претерпевает многочисленные пре­образования: кодирование, усиление, передача по каналу связи, деко­дирование и т. п. При этом к исходному сигналу добавляются помехи, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Все это приво­дит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку сам сигнал и помехи заранее неизвестны, то восстановит!) исходную форму анало­гового сигнала удается только с погрешностями.

Иначе обстоит дело с цифровым сигналом. В отличие от аналого­вых, цифровые сигналы принимают лишь строго определенные Значения.

Рис. 12.1. Виды сигналов: а – ана­логовый; б – цифровой

Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сигнал», «нет сигнала» на определенном ин­тервале времени Т (тактовом интер­вале). Для их обозначения использу­ются две цифры: наличие сигнала можно обозначить цифрой «1», от­сутствие – «0» (рис. 12.1, б).

Для неискаженного приема сооб­щений надо безошибочно восстано­вить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от анало­гового, цифровой сигнал, искажен­ный помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или ее отсутствии.

От редакции

Наша сегодняшняя жизнь немыслима без приборов, в которых используются передовые технологии. Но, пользуясь ими повседневно, понимаем ли мы их суть? «Нам и не нужно этого знать» — скажут одни. «Было бы любопытно узнать об этом хотя бы в общих чертах», — скажут другие, — «но это же слишком сложно». Мы решили попытаться ввести самых пытливых наших читателей в курс современных технологических достижений, обратившись к специалистам в этой области. Безусловно, многие пропустят эти страницы, но те, кто не пожалеет времени и усилий на их прочтение, смогут понять основные принципы работы той техники, которая открывает нам столько новых возможностей.

Предлагаемая вашему вниманию статья - лишь краткое введение в огромную тему, которую можно назвать «Направления развития современного телевидения». В дальнейшем мы планируем познакомить вас с такими понятиями, как телевидение высокой четкости, мобильное телевидение, 3D-телевидение и др.

Мы находимся в самой гуще новой технологической революции — массового распространения цифрового телевизионного вещания. Цифровое телевидение — это принципиально новые возможности, это интерактивность, это среда доставки мультимедийного трафика и т.п. Поэтому переход от традиционного аналогового телевидения к цифровому — это не просто сложная техническая задача, а серьезный фактор, действующий в экономическом и социальном планах в общемировом масштабе.

Программы на любой вкус

Открывающаяся при этом возможность передавать большое количество каналов позволяет существенно расширить ассортимент программ, предлагаемых пользователю.

Если раньше зрителю приходилось искать интересующую его передачу, а потом согласовывать свои дела с временем её трансляции, то цифровое телевидение с успехом решает обе эти задачи. Для каждого жанра есть место на определенном канале.

Например, любители серьезной музыки, для которых раньше показывали концерты от силы раз в неделю и по праздникам, получили в свое распоряжение несколько круглосуточных каналов. А спортивным болельщикам цифровая техника предоставляет чуть ли ни по каналу для каждого вида спорта. Если так пойдет и дальше, то скоро все спортсмены займут места перед телевизорами и выступать будет некому. Тем, кому нравится кинематограф, предоставлено огромное количество фильмов, любители природы и путешествий не выходя из дома, побывают в любом уголке планеты, а зрители, интересующиеся тем, что происходит в мире, смогут регулярно знакомиться с последними новостями, узнавать о погоде и сводках с биржи.

Больше строк, меньше помех

Цифровые технологии доводят до массового зрителя сигнал студийного качества практически без искажений. Появляется возможность передавать видеоизображения телевидения высокой четкости — ТВЧ (англ. HDTV — High Definition Television) с числом строк развертки от 720 до 1080 и выше (формат 16:9) против 480-625 строк обычного телевидения (формат 4:3). Гораздо эффективнее используется частотный диапазон: вместо одного аналогового телевизионного канала можно формировать несколько цифровых т.е. резко возрастает число принимаемых программ.

В чем же главные преимущества цифровых методов передачи, обработки и хранения информации?

Прежде всего — это повышение помехоустойчивости, достигаемое в цифровых схемах. Как известно, возможность безошибочной передачи информации в первую очередь определяется соотношением сигнал/помеха в канале связи. Для получения достаточно хорошего субъективного качества изображения при приеме аналогового телевизионного сигнала это соотношение на входе телевизора должно составлять порядка 50 дБ, т.е. амплитуда сигнала должна быть больше среднеквадратического значения напряжения помехи не менее чем в 300 раз. Если же это не так, то импульсы помех неизбежно появляются на экране в виде мерцающих белых и черных точек (шумов, «снега»), муаров и цветных «факелов» на переходах. Цифровое телевидение способно отфильтровывать импульсные помехи от полезного сигнала, даже если он сильно ослаблен и зашумлен. Благодаря раздельной передаче сигналов яркости и цветности в цифровом телевидении исключаются перекрестные искажения «яркость-цветность» и достигается высокая разрешающая способность. Качество воспроизведения изображения практически не зависит от среды распространения сигнала и определяется только совершенством аппаратуры.

Применение цифровых методов позволяет устранить многие недостатки аналоговых систем, в том числе искажения сигнала при его формировании, обработке и передаче, накапливающиеся с увеличением числа преобразований, переприемов и перезаписей. Цифровые методы сжатия данных и модуляции обеспечивают возможность многопрограммного телевизионного вещания, при котором по одному каналу можно передавать сигналы нескольких вещательных программ. Учитывая нехватку эфирных каналов в крупных городах и ограниченную способность спутниковых ретрансляторов, это свойство цифрового сигнала оказывается весьма актуальным.

Только «нули» и «единицы»

В аналоговой электронике известны многие виды обработки сигналов: усиление, ограничение, модуляция, демодуляция и т.п. Для их выполнения используются физические процессы в элементах и узлах электронных схем.

Цифровая же обработка сигнала заключается в выполнении математических операций над числами, его составляющими. Подобная цифровая обработка дает возможность решать задачи, которые не были доступны в аналоговой технике, например:

Кодирование телевизионных сигналов для уменьшения требуемой для их передачи пропускной способности каналов связи (сжатие или компрессия сигналов);

Преобразование форматов телевизионной развертки;

Цифровая фильтрация сигналов;

Кодирование телевизионных сигналов для уменьшения влияния помех.

Что же означают понятия «цифровой», «цифровое» (англ. digital), которые сейчас повсеместно используются в радиоэлектронике?

В аналоговых (нецифровых) устройствах и системах информация передается, обрабатывается и хранится в виде непрерывно изменяющихся физических величин— аналоговых сигналов. Их значения в каждый момент соответствуют значениям физических величин, например, напряжения, тока и т.п.

В цифровых же устройствах любая информация имеет вид последовательности чисел. Для передачи информации применяются двоичные числа, каждый разряд (бит) которых может принимать одно из двух значений: логический ноль (низкий уровень сигнала) или логическая единица (высокий уровень). Если используется b двоичных разрядов, то каждое число (слово) может принимать одно из 2b значений. Например, 8-разрядные (восьмибитовые, однобайтовые) неотрицательные двоичные числа принимают значения от 00000000 (десятичное число 0) до 11111111 (десятичное число 255). В устройствах цифровой обработки сигналов, или ЦОС (англ. DSP — Digital Signal Processing) используются различные формы представления любых чисел (в том числе отрицательных и дробных).

Выполняем дискретизацию

Давайте попробуем преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, взяв в качестве исходного аналогового сигнала один период обычной синусоиды. Для этого нам необходимо выполнить следующие операции:

Дискретизацию во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты (Рис. 1а). Они представляют собой последовательности коротких импульсов, амплитуды которых в выделенные моменты соответствуют мгновенным значениям непрерывного сигнала. Такие импульсы называются выборочными значениями (выборками) или отсчетами. Временной интервал ТД между отсчетами называется интервалом дискретизации (выборки);

Рис. 1а

Квантование по уровню, заключающееся в нахождении для каждого отсчета сигнала ближайшего к нему нижнего разрешенного уровня из используемого набора фиксированных уровней, называемых уровнями квантования (Рис. 1б). Эти уровни разделяют весь диапазон значений отсчетов на конечное число интервалов, называемых шагами квантования. Передавать точно значения отсчетов нет необходимости, поскольку глаз человека обладает конечной разрешающей способностью по яркости. Это позволяет разбить весь диапазон значений отсчетов на конечное число уровней. Если выбрать его достаточно большим, чтобы разность между двумя ближайшими уровнями в итоге не была заметна зрителю, появляется возможность вместо передачи всех значений отсчетов передавать лишь определенное число их дискретных значений;

Рис. 1б

Кодирование (оцифровку), в результате которого номер (код) найденного уровня квантования представляется в виде двоичного числа в параллельной или последовательной форме..

Дискретизация аналогового сигнала, таким образом, может производиться как по времени, так и по значению величины сигнала. «Сняв» значения кодов с вертикальной шкалы на Рис. 1б, мы получим последовательное представление квантованных уровней полученного цифрового сигнала в двоичном коде. Наша исходная плавная синусоида превратилась в такую последовательность чисел: 011, 100, 101, 110, 101, 100, 011, 010, 001, 001, 010, 011.

Все перечисленные операции выполняются обычно в одном устройстве — аналого-цифровом преобразователе, АЦП (англ. ADC — Analogue-to-Digital Converter). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый осуществляется цифроаналоговым преобразователем, ЦАП (DAC — Digital-to-Analogue Converter).

Поток информации

В чем же уникальность цифрового сигнала? Прежде всего, в его простоте: как уже было сказано, используется всего лишь две величины: логические 0 и 1. Такой цифровой сигнал можно легко защитить кодированием, обновить в нем ослабленные или поврежденные места, копировать его без потерь качества.

Цифровой сигнал избавлен от присущих аналоговому сигналу недостатков, однако он обладает во много раз большим объемом информации по сравнению с аналоговым, а это существенно повышает требования к сигнальному тракту и ширине полосы его пропускания. Так, классический аналоговый телевизионный сигнал довольствуется скоростью передачи потока до 20 мегабит в секунду (Мбит/с), а для потока цифровой информации необходима скорость на порядок выше. Скорость передачи изображения HDTV с высоким разрешением и форматом 16:9 может достигать 1 Гбит/с.

Таким образом, перевод на цифровую систему всего тракта от студии до зрителя может осуществляться двумя способами: во-первых, радикальным повышением мощности и расширением полосы пропускания канала передачи, а во-вторых, изменением объема передаваемой информации. Второй способ оказался более реальным и выгодным. В связи с этим и были разработаны методы уменьшения объема — так называемые методы сжатия цифровой информации.

Сжатие: с потерями и без потерь

В зависимости от способа преобразования данных существует два метода сжатия. Первый не допускает потери ни одного бита информации и используется при сжатии, например, текстовой информации. Второй допускает потерю части информации и с успехом используется при преобразовании звука и изображения, т.е. информации, которую каждый индивидуум воспринимает по-своему и это не влияет на субъективное восприятие.

При сжатии (компрессии) движущихся изображений используется комбинация устранения несущественной информации и сокращения так называемой избыточной информации. Избыточность (англ. redundancy) связана с тем, что в последовательности соседних кадров с изображением одной сцены большая часть кадра остается, как правило, неизменной. Например, в сцене, на которой запечатлено движение велосипедиста на фоне природы, отдельные кадры различаются лишь несколькими процентами от общей площади изображения. Одинаковые части соседних кадров можно быстро выделить, записать в цифровую память и обновлять значительно реже, чем остальные кадры, например, после каждого восьмого кадра, а в промежутках добавлять к ним только частичные изменения.

Устранение несущественной информации (англ. irrelevancy) основано на особенностях зрения человека, которое не различает детали за определенной границей восприятия. Проще всего удаляются события минимальной продолжительности, менее всего воспринимаемые зрением.

По инициативе ISO (Международная организация по стандартизации) и IEC (Международная электротехническая комиссия) в 1988 г. была основана группа специалистов по вопросам движущихся изображений MPEG (Motion Picture Expert Group), которой была поставлена задача создания систем сжатия данных. Группой был создан ряд стандартов сжатия, наиболее интересными из которых для цифрового телевидения представляются MPEG-2 и MPEG-4.

Стандарт MPEG-2, предназначенный в первую очередь для телевизионного вещания, был принят еще в 1994 г., а в 1995 г. стал международным. В соответствии с ним видеосигнал компрессируется в 20-40 раз, что позволяет передавать по существующим телевизионным каналам сигнал цифрового телевидения высокого качества или 4-10 программ обычного телевидения.

Принятый в 1994 г. стандарт MPEG-4 обеспечивает еще большие коэффициенты сжатия, чем MPEG-2. Этот стандарт был создан в первую очередь для передачи аудиовизуальной информации по узкополосным каналам связи, а в настоящее время получил широкое распространение как средство записи кинофильмов и видеопрограмм на лазерные диски. Кроме того, только этот стандарт способен обеспечить интерактивность, т.е. возможность для пользователя воздействовать на процесс передачи ему информации путем запросов и выбора вариантов по обратному каналу связи.

Продолжение следует

Текст: Александр Пескин, доцент МГТУ им. Н.Э.Баумана

Виды цифрового ТВ

Для телезрителей:

• Возможность подключиться за один день к высококачественному сигналу без проводов, без тарелки и без разрешения управдома;
• Цифровое телевидение переезжает вместе с Вами на новую квартиру и на дачу;
• Телевизионные программы в формате вещания (телевидение высокой четкоcти), при этом возможности новых плазменных телевизоров будут использованы в полной мере;
• Просмотр телепрограмм в подвижном транспорте: трамвае, автобусе, городской электричке, личном автомобиле (Мобильное ТВ );
• Возможность принимать участие в программе непосредственно во время трансляции. Способ заказывать товары, услуги или обучаться дистанционно, не выходя из дома (Интерактивное ТВ ).

  Для телерадиовещателя:

  • Размещение новых телеканалов за счет десятикратного увеличения возможности частотного ресурса.
  • Увеличение времени телесмотрения - к традиционному прайм-тайму утро/вечер добавится дневной прайм-тайм за счет приема телевизионного сигнала в частном и общественном транспорте и на мобильные телефоны, компьютеры, PDA;
  • Расширение зоны охвата сигнала на всю область ретрансляции (минимум в 3 раза);
  • Сокращение затрат на вещание за счет того, что затраты на эксплуатацию одного телевизионного передатчика разделятся на несколько вещателей;
  • Высокое качество изображения за счет применения ТВЧ-технологии (телевидение высокой четкости);
  • Возможность реализации принципиально новых проектов интерактивных программ.

  Цифровое телевидение (Digital Television) - способ передачи и приема сжатого цифрового видеосигнала, является современной альтернативой традиционному аналоговому телевидению и обеспечивает существенно более высокое качество изображения при равных затратах средств.

  Согласно концепции развития телерадиовещания в Российской Федерации в ближайшие годы, предполагается массовый переход от аналогового телевещания к цифровому .
  "Если говорить о социальных аспектах этого вопроса, то это в первую очередь преодоление так называемого цифрового неравенства", - определил главную цель внедрения проекта "Цифровое телевидение" на территории Российской Федерации министр информационных технологий и связи Леонид Рейман

  Современные цифровые технологии открывают обществу качественно новые возможности получения и передачи информации.

  Преимущества цифрового эфирного ТВ:

  • Мобильность . Эфирное цифровое телевидение, в отличие от других видов цифрового ТВ, осуществляет доставку сигнала к потребителю без лишних проводов. Нет необходимости приобретать дорогое оборудование, протягивать кабели, вызывать мастеров. Все, что Вам нужно – это телевизор, практически любая ДМВ антенна, цифровой ресивер и наличие электросети! Это автономная система, Вы можете взять её с собой в автомобильное путешествие, летом на дачу и смотреть телевизор с тем же качеством, что и в городе. В перспективе программы цифрового эфира "переедут" и в мобильный телефон.
  • Высокое качество картинки и звукового сопровождения, высокое качество транслируемых каналов. При передаче сигнала основной проблемой "аналога" является воздействие разнообразных помех на сигнал, а цифровое ТВ практически не подвержено помехам.
    Необходимый уровень сигнала для качественного просмотра телеканалов в цифровом формате гораздо ниже, чем в аналоговом. Другими словами, там, где аналоговое ТВ будет идти очень слабо с шумами и помехами, цифровой сигнал пройдет в том качестве, в котором он формируется в телевизионных студиях.
  • Увеличение числа передаваемых каналов за счет использования передового формата MPEG-4. В этом стандарте усовершенствован алгоритм сжатия изображения. Поэтому со временем количество передаваемых каналов не будет уступать кабельному ТВ.
  • Уверенный прием сигнала возможен даже на первых этажах здания, где антенна может поймать только отраженный сигнал, без прямой видимости передающей вышки.
  • Простое и быстрое подключение . Подключиться к цифровому телевидению может каждый сам за один день без привлечения специалистов, без проводов, без тарелки и без разрешения управдома.
  • Дополнительные услуги . Цифровая приставка – это не только качественное ТВ в любой точке области, но и масса приятных дополнений: в скором времени абонентам эфирного цифрового телевидения будут доступны Интернет, Телегид и многое другое.

  
  Параметры цифрового вещания

  Стандарты цифрового вещания
  Существует несколько семейств стандартов цифрового вещания. В первую очередь – это семейство DVB (Digital Video Broadcasting), общий открытый европейский стандарт цифровой передачи мультимедиа, принятый Европейским союзом телевещания ETSI (European Transmission Standards Institute) и обеспечивающий высокое качество трансляции.
  DVB имеет четыре главные модификации:

  Другие семейства цифрового ТВ реализованы в Японии (ISDB - Integrated Services Digital Broadcasting), в Северной Америке и Южной Корее (ATSC - Advanced Тelevision Systems Committee).

  В Свердловской области вещание ведется в стандарте DVB-T . Вторым этапом планируется запуск и DVB-H.

  Передача цифрового сигнала осуществляется в формате MPEG-4.
  В этом стандарте усовершенствован алгоритм сжатия изображения, уменьшена требуемая скорость передачи данных для вещания ТВ или радиопрограмм, что позволяет увеличить число программ в полосе канала эфирного вещания.
  Формат сжатия MPEG-4 выбран в целях экономической целесообразности использования частотного ресурса. Только приставка-ресивер, предлагаемая нашей компанией, имеет возможность приема сигналов цифрового телевидения в формате MPEG-4.

DTV (Digital Television) – цифровое телевидение означает передачу и обработку телевизионного сигнала в цифровой форме. В состав телевизионного сигнала входят и видеосигнал и звук. А цифровая форма сигнала – это кодирование информации в формате MPEG, когда весь сигнал представлен в форме последовательности «0» и «1». Такая передача сигнала не подвержена влиянию помех, которые мы обычно наблюдаем на экране при аналоговом сигнале в виде снега, черточек и других мелких помех.

Кроме высокой помехоустойчивости цифровой сигнал требует меньшей мощности передатчика для трансляции на такое же расстояние, как и аналоговый. Для пользователей не заметное и следующее преимущество DTV: уменьшение спектра сигнала, что приводит к увеличению количества каналов в том же частотном диапазоне. Такое преимущество очень важно для передающих центров.

Кроме таких преимуществ цифрового телевещания так же при таком способе формирования телесигнала удобно реализуются различные методы просмотра телепередач как: работа с архивами, возможность реализации функции «в начало передачи», выбор языка видео или субтитров и др.

Но есть и недостатки, основным из которых можно назвать остановка изображения при слабом сигнале. В аналоговом телевидении при этом на картинке мы видели шум и помехи, а вот при цифровой передаче сигнала при слабом уровне мы увидим разложенную на квадратики картинку или совсем остановившееся изображение.

Стандарты и системы цифрового телевещания

Развитие цифрового телевидения привело к созданию в 1993 году системы DVB (Digital Video Broadcasting) – цифрового видео вещания .

Для обеспечения совместимости оборудования существует международная организация, которая приводит все к единым стандартам. Для цифрового телевидения были введены стандарты и форматы, которые отличаются материковой принадлежностью:

• Европейский стандарт – DVB ;
• Японский стандарт – ISDB ;
• Американский стандарт – ATSC .

Каждый из этих стандартов делится на форматы, которые определяют передачу сигнала отдельно для эфирного телевидения, кабельного вещания и спутникового телевидения.

При получении некоторых интерактивных услуг (например, видео по запросу), каналы, предоставляющие такие услуги (цифрового телевидения), могут быть закодированы и платно предоставлять свои услуги. Для реализации трансляции таких платных каналов существуют системы доступа, реализованные с помощью CAM – модулей, которые вставляются в CI-слот телеприемника или ресивера.

Европейская система цифрового вещания DVB разделяется на несколько форматов:

• DVB-S(S2) – цифровое спутниковое тв;
• DVB-T(T2) – цифровое эфирное тв;
• DVB-C(C2) – цифровое кабельное тв;
• DVB-H(SH) – мобильное тв (спутниковое/мобильное).

Обозначения S2, T2, C2 означают введение в действие второго поколения стандарта.

Что такое стандарт DVB-T2

Стандарт DVB-T обозначает эфирное наземное цифровое телевидение в Европе. Цифра «2» в конце обозначает вторую версию этого стандарта. Основное отличие, которое реализовано во второй версии, это увеличения количества каналов на том же оборудовании, что использовалось и в стандарте DVB-T. В спецификациях указано об 30 процентном увеличении такой емкости сети.

Незаметным для пользователя является отличие первой и второй версии стандарта на уровне систем и физическом уровне. Но именно эти отличия делают несовместимым эти два стандарта.

При использовании стандарта DVB-T2 есть возможность реализовать такие функции:

1. передача сигналов SDTV (стандартная четкость), HDTV, UHDTV;
2. передача 3D в стандарте DVB 3D-TV;
3. интерактивное телевидение Hbb TV;
4. видео по запросу;
5. субтитры;
6. телетекст;
7. объемный звук.

Это основные функции, есть возможность реализации и других параметров.