Дискретизация - первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. Рассмотрим факторы, определяющие выбор частоты дискретизации.
Согласно теореме Котельникова: «частота дискретизации fд должна быть в два раза больше граничной (максимальной) fгр». Второе важное соображение, которое необходимо учитывать – частота дискретизации должна быть целым кратным от частоты строк, чтобы на периоде строки помещалось целое число отсчетов сигнала.
С учетом этих соображений в Рекомендации ITU-R ВТ.601, описывающей студийный стандарт компонентного цифрового видеосигнала, выбраны полоса частот сигнала яркости 5,75 МГц и частота дискретизации для этого сигнала 13,5 МГц. Эта частота равна 858-й гармонике строчной частоты 15625 Гц стандарта 625/50/2:1 и 864-й гармонике частоты 15734 Гц стандарта 525/59,49/2:1. Для цветоразностных сигналов выбрана частота дискретизации 6,75 МГц. При этом достигается фиксированная относительно телевизионная растра структура отсчетов. Они располагаются в узлах прямоугольной решетки образуя так называемую ортогональную структуру дискретизации (рис. 4.1). Полное число отсчетов сигнала яркости в строке 864, а число отсчетов каждого цветоразностного сигнала – 432, а в активной части строки соответственно 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов цветности.
Рисунок 4.1 Ортогональная структура дискретизации (Х – отсчеты сигнала яркости; О – отсчеты сигнала цветности)
Исходный сигнал u(t) после дискретизации можно представить в виде суммы:
(4.1)
где δ – дельта-функция;
Т – период дискретизации;
Если (4.1) подвергнуть преобразованию Фурье, то
(4.2)
где S(f) и S(fд) – спектры исходной и дискретной функций.
Из (4.2) следует, что спектр дискретизированного сигнала представляет собой сумму исходного спектра (n = 0) и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относительно другого на fд, 2fд, …и т.д. (рис. 4.2).
Рисунок 4.2 Спектр сигнала после дискретизации
Из рисунка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза fфнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выполняются условия:
1) fд ≥ 2fгр;
2) fгр ≤ fфнч ≤ fд - fгр.
Таким образом, при полосе частот яркостного сигнала, равной 5,75 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12,5 МГц, а цветоразностных 6,75 МГц.
По аналогии с аналого-цифровым преобразованием композитных сигналов PAL и NTSC, где частота дискретизации выбиралась равной учетверенной частоте цифровой поднесущей, частоту 13,5 МГц также называется «четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Таким образом, полный цифровой компонентный видеосигнал из Рекомендации ВТ.601 описывается формулой «4:2:2». Компоненты его называются Y, CB, CR и связаны с исходными Y, R-Y, B-Y следующими соотношениями:
Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B;
CR= 0,713 (R-Y);
CB = 0,546 (B-Y).
Рисунок 4.3 Перекрытие спектров при fд < 2fгр
На рис. 4.4 показаны примеры часто используемых форматов дискретизации. Цифры в названиях форматов определяют соотношение яркостной и цветовой четкости по вертикали и горизонтали.
Рисунок 4.4 Структура отсчетов компонентного сигнала Y, CB, CR(Х – отсчеты сигнала яркости; О – отсчеты сигнала цветности)
4:2:2 - на четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета сигнала цветности в четных и нечетных строках.
4:2:0 - на четыре отсчета сигнала яркости приходится по два отсчета сигнала цветности в четных строках и ни одного в нечетных.
Как видно из рисунков в форматах 4:2:2 и 4:2:0 цветовая четкость по горизонтали в два раза меньше, чем яркостная. В форматах 4:2:2 и 4:1:1 цветовая четкость по вертикали такая же, как и яркостная. В формате 4:2:0 цветовая четкость по вертикали в два раза меньше, чем яркостная. Ясно, что в формате 4:4:4 яркостная и цветовая четкость равны в обоих направлениях, а формат 4:0:0 - черно-белое телевидение. На рис. 4.4 отсчеты СR и СB совпадают по горизонтали с нечетными отсчетами сигнала яркости. Общее число отсчетов в цифровой строке составляет 1440, в том числе 720 отсчетов яркости и по 360 - каждого из цветоразностных сигналов. Когда к Рекомендации ВТ.601 добавили часть «В», описывающую формат изображения 16:9, частоту дискретизации для этого сигнала пришлось увеличить в 4/3 раз, до 18 МГц.
Благодаря усилиям 11-й Исследовательской Комиссии ITU удалось стандартизовать цифровой сигнал не только стандартного, но и высокого качества. Основой части II принятой «Рекомендации ВТ.709-3 является «Единый формат изображения» (CIF), устанавливающий некоторые общие значения параметров ТВЧ сигнала для американского и европейского стандартов с частотой полей соответственно 50 и 60 Гц. Несомненным достижением является тот факт, что в стандарте зафиксированы основные параметры разложения (1920×1080 пикс., формат 16:9), частоты дискретизации сигналов яркости (74,25 МГц) и цветности (37,125 МГц), скорость цифрового потока 1,485 Гбит/с.
Выбор числа уровней квантования видеосигнала в значительной степени определяется характеристиками зрительной системы человека. Максимальное воспринимаемое отношение яркостей 100:1 соответствует примерно 230 градациям яркости. Ближайшая степень двойки 256 = 28, и в первой редакции Рекомендации ВТ.601 было принято 8-битовое квантование. Однако получающееся при этом предельное отношение сигнал-шум 56,8 дБ не удовлетворяет многим высококачественным применениям, и в дополнение к 8-битовому квантованию было введено 10-битовое. Результирующая скорость цифрового потока сигнала «4:2:2» с 10-битовьгм кодированием и форматом кадра 4:3 составляет 13,5·106·10 + 2·6,75·106·10 = 270 Мбит/с (для формата 16:9 соответственно 360 Мбит/с).
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Телевидение: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлению "Телекоммуникации", спец. "Радиосвязь, радиовещание и телевидение"/ ред. Джакония В.Е.. - 2-е изд.. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 639с.
2. Основы электроники, радиотехники и связи: учеб. пособие/ А.Д. Гуменюк [и др.]; под ред. Г.Д. Петрухина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 480 с.
3. Мамчев Г.В. Основы радиосвязи и телевидения: учеб. пособие для студ. вузов/ Г.В. Мамчев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 414 с.
4. Телекоммуникационные системы и сети: в 3-х т.: учеб. пособие для студ. вузов связи и колледжей. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - Т.1: Крук Б.И. Современные технологии/ Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шу-валов. - 2005. - 647 с.
5. Телекоммуникационные системы и сети: учеб. пособие для студентов вузов связи и колледжей: в 3 т./ Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов. - 2-е изд., испр. и доп.. - М.: Горячая линия -Телеком. - 2004. Т. 2: Радиосвязь, радиовещание, телевидение. - 2004. - 672 с.
6. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника: научное издание/ Птачек М. - М.: Радио и связь, 1990. - 528с.
7. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.
Дополнительная
1. Андердал К. Цифровое видео для "чайников": пер. с англ./ К. Андердал. - 3-е изд. - М.: Вильямс: Диалектика, 2005. - 346 с.
2. Блейк Б. 50 эффективных приемов создания и обработки цифрового видео: научное издание/ Б. Блейк, Д. Сахлин. - М.: Вильямс: Диалектика, 2006. - 399 с.
4. Внедрение цифрового телерадиовещания: проблемы, ключевые факторы успеха: научное издание/ под ред.: Ш. Ж. Сеилова, Ш. Ж. Бутенко. - Астана: Елорда, 2009. - 359 с.
5. Гусятинский И. А. Радиосвязь и радиовещание: научное издание/ Гусятинский И.А., Пирогов А.А.. - М.: Сов. радио, 1974. - 174с.
(4.1)
(4.2)
