|
В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала u(t) в цифровой uц(nТ), называемая операцией кодирования. Кодирование, таким образом, есть преобразование квантованного значения отсчета uкв(nТ) в соответствующую ему кодовую комбинацию символов uц(nТ). Наиболее распространенный способ кодирования ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис.1,г (Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую) показан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.
Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретизации, квантования и кодирования — для краткости называют кодированием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические основания, поскольку все эти три операции выполняются одним техническим устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи - непременные блоки любых цифровых систем передачи, хранения и обработки изображений.
Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно, первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого перспективного для телевидения принципа обработки и передачи информации объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по каналу связи.
При непосредственном кодировании телевизионного сигнала ме тодом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной частоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации fд . Каждая кодовая комбинация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число k двоичных символов (битов).
Скоростью передачи цифровой информации называется число пе редаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу скорости принимается 1 бит/с. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме будет равна произведению частоты диск ретизации fд и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:
 (2)
Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то минимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котельникова, равна 12 МГц. Как правило, в системах цифрового телевидения с ИКМ частоту fд выбирают выше минимально допустимой, определяемой теоремой Котельникова. Связано это с необходимостью унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов телевидения. В частности, для студийного цифрового оборудования реко мендована для всех стран частота дискретизации f д = 13,5 МГц.
Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотно шением
 (3)
Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом, которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах 100...200. Отсюда k = 3,31 gm = 3,31 g (100...200) ≈ 6,6...7,6.
Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть толь ко целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограни чится числом k = 7 или 8. В первом случае кодовая комбинация может нести информацию о 128 возможных уровнях сигнала (градациях яр кости). Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в пере даче градаций) m =2*8=256. Если принять k =8, из (2) и (3) следует, что скорость передачи цифровой информации c = f , k =13,5*8=108 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируе мый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216 Мбит/с. Столь высо ким быстродействием должны обладать как устройства преобразова ния ТВ сигнала, так и каналы, связи. Тем не менее нельзя считать, экономически целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономичных ТВ систем является "сжатие" ТВ сообщения.
Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резер вы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показыва ют исследования, значительной информационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистиче ская избыточность определяется свойствами изображения, которое не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно ве лика корреляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет устранить избыточность в ТВ сигнале, не передавать многократно одну и ту же информацию, сократить цифровой поток. |
