Передача цифрового телевизионного сигнала по спутниковому каналу связи

Длительное время основным препятствием для внедрения цифровой передачи телевизионных сигналов являлась сложность аналого-цифрового преобразования. Аналоговый ТВ сигнал занимает полосу частот около 6 МГц, что в соответствии с теоремой Котельникова требует частоты дискретизации нс менее 12 МГц. При частоте следования кадров 25-30 Гц и использовании традиционного подхода к преобразованию в цифровую форму телевизионный сигнал требует передачи со скоростью более 200 Мбит/с. Полоса пропускания стандартных спутниковых приемопередатчиков Ku- диапазона обычно не превышает 72 МГц и не позволяет обеспечить ретрансляцию широкополосного цифрового ТВ сигнала.

Если полный цветовой телевизионный сигнал перед преобразованием в цифровую форму разделяется на сигнал яркости и цветоразностные сигналы, такое кодирование телевизионного сигнала называется раздельным. При этом разделенные сигналы (или сигналы R, G, В от источника) кодируются отдельно и затем объединяются в общий цифровой сигнал. Если указанное разделение нс производится, то есть кодируется полный цветовой телевизионный сигнал, используется термин непосредственное или совместное кодирование.

Сжатие телевизионного сигнала

Телевизионный сигнал в значительной мерс избыточен в том смысле, что скорость передачи (полоса частот) цифрового телевизионного потока может быть существенно сокращена без заметного снижения качества передаваемого изображения. Используя алгоритмы уменьшения избыточности (сжатия) телевизионного сигнала, можно снизить требуемую скорость передачи до приемлемого уровня. Для обеспечения совместимости телевизионной аппаратуры и каналов передачи в 1988 году в рамках совместной деятельности Международной организации по стандартизации ISO (International Standards Organization) и Международной электрической комиссии IEC (International Electrotechnical Commission) был сформирован подкомитет, получивший название MPEG (Motion Picture Experts Group). Результатом деятельности этой группы явилась разработка в середине 90-х годов семейства стандартов сжатия и передачи телевизионного сигнала, получивших одноименное название MPEG.

Основными целями разработки и внедрения стандартов были:

  • - снижение скорости цифрового потока до технически и экономически приемлемого значения при сохранении высокого качества передаваемого изображения;
  • - устранение разрыва между европейской (625 строк, частота кадров 25 Гц) и американской (525 строк, частота кадров 30 Гц) телевизионными системами;

преодоление рассогласования между принципами формирования телевизионного (через строчная развертка) и компьютерного (прогрессивная развертка) изображений;

согласование разных методов кодирования цвета и геометрических форм элементов изображения, используемых в различных аналоговых телевизионных системах.

Сжатие телевизионного сигнала обеспечивает:

  • - значительное сокращение требуемой скорости передачи (полосы частот);
  • - более высокое качество передачи изображения, проявляющееся в резком снижении многоконтурности, шумов в виде «снега» и прочих искажений, присущих аналоговым способам передачи;
  • - большую устойчивость по отношению к шумам и помехам;
  • - возможность использования менее мощных передатчиков;
  • - возможность использования более простых и дешевых приемных устройств;
  • - быструю окупаемость инвестиций в производство аппаратуры, благодаря снижению стоимости космического сегмента сети;
  • - увеличение числа транслируемых телевизионных каналов при неизменной пропускной способности ретранслятора.

Избыточность телевизионного сигнала разделяют на три вида:

  • - избыточность по восприятию;
  • - структурная избыточность;
  • - статистическая избыточность.

Избыточность по восприятию обусловлена особенностями человеческого зрения. Несмотря на то, что глаз человека воспринимает более 10 миллионов цветовых оттенков, все они сводятся к комбинации трех опорных цветов: красного I (Red - R), зеленого (Green - G) и синего (Blue - В). Поэтому все датчики цветного изображения одновременно формируют лишь три различающиеся по интенсивности сигнала цветности: R, G и В, - а на приемной стороне в телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируется тремя электронными лучами, вызывающими вспышки красного, зеленого и синего цветов. Глаз существенно более чувствителен к изменению яркости цвета, чем к пространственному изменению его оттенков, поэтому цветовая информация может передаваться с меньшим пространственным разрешением.

Во всех стандартных аналоговых системах цветного телевидения: NTSC (National Television System Color), PAL (Phase Alternation Line) и SECAM (Sequentid Couleur A Memoire), цветовое разрешение существенно понижено по отношению к яркостному. Для этого на передающей стороне сигналы цветности R, G и В преобразуются в яркостный сигнал У и два цветоразностных сигнала следующим образом:

У= 0,299R + 0,587G + 0,1 IB, U= R - Y, V= B-Y (3.1)

Цветоразностные сигналы передаются с два раза меньшим разрешением, чем яркостный, что позволяет сократить полосу частот и удешевить системы. В телевизионных приемниках осуществляется восстановление сигналов цветности следующим образом:

R = Y + U, В = Y + V, G = Y - 0,5091) - 0,194 V (3.2)

Структурная избыточность возникает при преобразовании изображения в телевизионный электрический видеосигнал, содержащий служебные сигналы синхронизации и импульсы гашения обратного хода лучей по строкам и подкадрам (полям). Форма и временное положение гасящих импульсов априорно известны, поэтому их можно не передавать, а синтезировать на приемной стороне по сигналам синхронизации. Устранение гасящих импульсов из структуры цифрового телевизионного сигнала позволяет снизить требуемую скорость передачи примерно на 25% .[1]

Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Наглядно можно представить статистическую избыточность как наличие повторяемости информации в следующих друг за другом кадров. Одним из наиболее эффективных методов борьбы со статисти ческой избыточностью является кодирование с предсказанием. При этом для большинства кадров передается нс само изображение, а так называемая ошибка предсказания - разность действительного изображения данного кадра и предсказанного изображения этого же кадра, которое формируется по определенным правилам из изображений ранее переданных кадров. Поскольку большинство кадров телевизионного сигнала в значительной степени повторяют предыдущие, ошибка предсказания содержит меньший объем информации, чем действительное изображение. [7]

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >