Расчет линии связи для системы телевидения (стр. 5 из 14)
В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7...9 Мбит/с, изображение вещательного качества — со скоростью 3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: MPEG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и MPEG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием MPEG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.
Передача ТВ сигналов в цифровой форме со сжатием
Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ сигнала стало возможным на основе достижений теории зрения и техники сверхбольших интегральных схем (СБИС). Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG, включает определенный базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной структурной схеме цифрового кодера (рис. 2.1.).
Рис. 8.2. Упрощенная структурная схема цифрового кодера
В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал RGB, затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как и в цифровом стандарте «4:2:2», осуществляется с тактовыми частотами 13,5 МГц для сигнала яркости и 6,75 МГц для цветоразностных сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения качества изображения. Обычно используется комбинация пространственной и временной нелинейной фильтрации.
Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Различают три вида избыточности — временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого), пространственную (значительную часть изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) и амплитудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и темным элементам изображения).
Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание кадров было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющаяся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16 х 16 элементов) и определив их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающий направление и значение его смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю операцию — предсказанием с компенсацией движения. По каналу связи передаются только вектор движения и относительно небольшая разность между текущим и предсказанным блоком. На этом этапе устраняется пространственная избыточность — разностный сигнал подвергается преобразованию из пространственной в частотную область, осуществляемому с помощью двумерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). ДКП преобразует блок изображения из фиксированного числа элементов в равное число коэффициентов. Это дает два преимущества. Во-первых, в частотной области энергия сигнала концентрируется в относительно узкой полосе частот (обычно на НЧ) и для передачи несущественных коэффициентов достаточно небольшого числа битов. Во-вторых, разложение в частотной области максимально отражает физиологические особенности зрения.
Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому пределу сжатия информации по Шеннону.
Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны, поэтому применяется статистическое кодирование с переменной длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия достигается кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей.
Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложения изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25 кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4:3, 16 9 и др , допускают усовершенствование кодера без изменений в уже установленных декодерах.
Для спутникового телевидения более перспективным, безусловно является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4...10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля:
простой - согласно вышеописанному алгоритму; основной - с добавлением двунаправленного предсказания;
улучшенный основной - с улучшением либо отношения сигнал-шум, либо пространственного разрешения;
перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.
На рис. 2.2. показаны соответствующие этим градациям максимальные значения разрешающей способности и скорости цифрового потока.
Рис. 2.2. Уровни и профили стандарта MPEG2: ТВЧ - телевидение высокой четкости; х - сочетание не используется.
Используемые алгоритмы позволяют гибко варьировать параметры сигнала в пределах одной градации шкалы рис. 2.2. В качестве примера на рис. 2.3 приведена зависимость качества изображения от, скорости цифрового потока (информационной) в режиме «основной уровень - основной профиль», наиболее употребительном сегодня в спутниковом телевидении.
Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, пли 10...12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.
Рис. 2.3. Зависимость качества изображения с цифровой компрессией от скорости цифрового потока.
Составной частью в стандарты MPEG1 и MPEG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.
Исходным сигналом является ИКМ последовательность, полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью 16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного использования спектра необходимо снизить максимальную скорость цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и временным маскированием. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Эта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала, которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами психо - акустической модели человеческого слуха, использующей оценку порога маскирования для формирования этих управляющих сигналов. На выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности. Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и числа программ в канале может составлять 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192 кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 кбит/с соответствует обычному речевому каналу, 48 кбит/с — наземному AM вещанию. При скорости 256 кбит/с на стереопару не только обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас на последующую обработку.
Системная часть стандарта MPEG2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации, данных одной или нескольких программ. Для передачи в среде с помехами формируется «транспортный» поток, включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он содержит пакеты фиксированной длины (188 байт), содержащие стартовый байт, префикс (3 байта) и область полезных данных.
Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG и в разных спутниковых системах могут выполняться различными способами, что лишает эти системы аппаратурной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему, разработав на базе MPEG2 стандарт многопрограммного цифрового ТВ вещания DVB, нормирующий все операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход СВЧ передатчика.
В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое кодирование. Внешний код — укороченный код Рида-Соломона (204, 188) с t = 8, обеспечивающий «безошибочный» прием (вероятность ошибки на выходе менее 10 - 10 ) при вероятности ошибки на входе менее 10 - 3. Внутренний код — сверточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К - 1, декодирование осуществляется по алгоритму Витерби с мягким решением. Вид модуляции — четырехпозиционная ФМ.