Цифровое телевидение 2012

Содержание

Этапы развития цифрового телевидения

Цифровой телевизионный сигнал

Общие принципы построения системы цифрового телевидения.

Цифровое телевидение и компьютерные технологии.

Перспективы развития цифрового телевидения

Список используемой литературы

Этапы развития цифрового телевидения

   Цифровое телевидение – это отрасль телевизионной техники, в которой передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в цифровой форме.

Применение методов и средств цифрового телевидения – это пень развития телевизионной техники, обеспечивающая 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 приёмниках с обычным стандартом разложения;

- создания телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой чёткости – ТВЧ);

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

- передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приёмника 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.

В своём развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппаратуры. Принятие стандартов – важнейшая составляющая развития любой технологии.

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 области техники ISO создаёт рабочие группы. Пример такой группы – MPEG (Motion Picture Expert Group), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения.

Первый этап развития цифрового телевидения – использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением было создание полностью цифрового студийного оборудования. На современных телестудиях сигналы передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в пределах телецентра осуществляются цифровыми средствами. Это позволяет в значительной степени реализовать указанные выше преимущества цифрового телевидения. На выходе студийного оборудования телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передаётся по обычным каналам связи.

Другое направление использования цифровой техники, характерное для первого этапа развития цифрового телевидения – введение цифровых блоков в телевизионные приёмники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли и различных объектов.

Второй этап развития цифрового телевидения – создание гибридных аналого-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения.

Можно выделить два основных направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передачи и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления  связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности его передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот.

Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская система телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские система семейства MAC. В передающей и приёмной частях всех этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжатием примерно до 8 МГц. Это позволяет передавать эти сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время, широко развитая сеть наземного телевизионного вещания, включающая УКВ-передатчики, кабельную сеть и другую технику, не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала, равную 6…8 МГц.

Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых телевизионных систем.

Первые предложения по полностью цифровым системам телевидения появились в 1990 г. В основе этих проектов лежали достижения в методах и техники эффективного кодирования и сжатия изображений. Работы в этой области проводились  не только с целью создания цифровых телевизионных систем, но и для таких применений, как видеотелефон и видеоконференции, запись видеопрограмм на цифровые лазерные компакт-диски, компьютерная графика, видеосредства мультимедиа и др. 

Для сжатия неподвижных изображений широко используется стандарт JPEG (Joint Picture Expert Group). Методы сжатия движущихся изображений и сигналов звукового сопровождения описаны в стандартах MPEG-1 и MPEG-2 (MPEG – Motion Picture Expert Group). Стандарт MPEG-1, ориентированный в основном на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные диски с возможностью воспроизведения изображения и звука с помощью обычного персонального компьютера, был окончательно утверждён к декабрю 1993 г. Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в ноябре 1994 г.

В настоящие время системы цифрового телевидения, основанные на сжатии телевизионных сигналов по стандарту MPEG-2, быстро распространяются во многих странах. При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения обычного разрешения, так как это даёт быстрый коммерческий эффект.

В Европе уже в 1993 г., как только стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting – Цифровое Видео Вещание), в работах. В 1997 г. Через искусственные спутники Земли (ИЗС) на европейские страны передавалось 170 каналов цифрового ТВ, а к концу 1998 г. Число таких каналов превысило 1000. Одновременно распространяются цифровое телевизионное вещание по кабельным линиям, цифровая видеозапись, цифровые видеодиски.

В развитых странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии XXI века аналогового телевизионного вещания.

Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:

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

2.       Единый подход к кодированию и передачи телевизионных сигналов с различной чёткостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной чёткостью, телевидение обычной чёткости, ТВЧ.

3.       Интеграция с другими видами информации  при передачи  по цифровым сетям связи.

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

Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рис. 1.1 Кратко рассмотрим назначение основных частей системы.

Рис. 1.1. Структурная схема цифровой телевизионной системы

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный сигнал Е’Y  и цветоразностные сигналы Е’R-Y, E’B-Y      , которые поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой  кодером изображения или кодером видео, осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Как будет показано далее, эта операция является одной из наиболее важных, так как без эффективного кодирования невозможно обеспечить передачу сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам связи.

Сигналы звукового сопровождения также преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется ещё одно кодирование передаваемых данных, имеющие целью повышение помехоустойчивости. Полученным в результате цифровым сигналом модулируют несущую используемого канала связи.

В приёмной части системы осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится изображение. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

Цифровой телевизионный сигнал

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путём преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции:

1. Дискретизация во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени – отсчётов или выборок.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчёта до ближайшего уровня квантования.

3. Кодирование (оцифровку), в результате которого значение отсчёта представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле – аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП реализуется в виде одной БИС. На входе АЦП подаются аналоговый сигнал и тактовые импульсы, синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы образуют параллельный n-разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого-цифрового преобразования число.

Общие принципы построения системы цифрового телевидения.

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на ТВ экране осуществляются непосредственно преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передаётся в цифровой форме. В цифровых ТВ системах второго типа аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в ТВ приёмниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый  ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный ТВ сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищённости мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищённости сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Дискретизация. Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала. Наиболее распространённой формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал U(t), имеющий ограниченный спектр частот, может быть представлен значениями этого сигнала U(tn), взятыми в дискретные моменты времени (отсчёты) tn = nT, где n = 1,2,3,… - целые числа; Т – период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Найквиста-Котельникова: T≤ 0,5/fгр. Здесь 

fгр – верхняя граничная частота спектра исходного сигнала U(t). (Для отечественного вещательного ТВ стандарта верхняя граничная частота спектра  ТВ сигнала fгр ≈ 6,25 МГц). Величина, обратная периоду дискретизации fд , выбранная в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова, равна: fд = 2fгр.

Аналитическое выражение теоремы Найквиста-Котельникова, утверждающей возможность замены непрерывного сигнала U(t) последовательностью дискретных значений U(nT) имеет следующий вид:

            ∞                  

U(t) = ∑  U(nT)‮‮‮‮‬‫‪‫‫‬‭‮‪‫‭ sin2πfгр (t – nT)

          n=−∞                2πfгр (t – nT)

Ортогональная структура дискретизации. Если частоту дискретизации выбрать кратной частоте строк, то на изображении будет образована ортогональная структура дискретизации, в которой отсчёты располагаются в узлах прямоугольной решётки. Примем, что fд = 2fгр, тогда при этом условии число отсчётов в изображении будет равно числу его условных ТВ элементов. Поэтому сокращение числа отсчётов приведёт к пропорциональному уменьшению разрешающеё способности ТВ системы, т.е. к ухудшению качества изображения.

Для оценки возможностей ортогональной структуры отсчётов при формировании изображений рассмотрим более детально процесс зрительного восприятия. Установлено, что зрительный анализатор содержит совокупность рецепторов (рецептивные поля), кодирующие одновременно большие группы элементов изображения, реагируя при этом не столько на их яркость, сколько на форму, выделяя из фона изображения наиболее его информативную часть: контуры, перепады яркости. Такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстанавливать целостные контуры даже при их распаде на отдельные элементы вследствие дискретизации или из-за воздействия случайных помех. В изображениях существуют значительные статистические связи, к которым в результате эволюционного развития приспособился наш зрительный аппарат.