Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21) Структурная схема формирователя и трех цифровых компанентных сигналов.
Обобщенная структурная схема системы передачи изображений
В течение цифровой строки передается два опорных синхросигнала TRS: один – перед началом каждой активной строки – НАС (Start of Active Video, SAV), а другой – после окончания каждой активной строки – конец активной строки – КАС (End of Active Video, EAV).
22) Выбор и обоснование количества уровней квантования ТВ сигнала
Далее осуществляется к в а н т о в а н и е – замена амплитуды отсчета ближайшими разрешенными значениями из набора фиксированных величин – уровней квантования М. (На рисунке 6.1, в, число уровней М взято равным 16 с учётом нулевого и с шагом квантования ΔUКВ, в результате амплитуды импульсов(6,9; 9,4; 13; 14,5; 4,6; 1,0; 2,7 на рисунке 6.1, в) принимают ближайшие разрешённые значения (7, 9, 13, 15, 5, 1 и 3 на рисунке 6.1, г). Придание величинам импульсов «округлённых» (квантованных) значений делает сигнал дискретным и по уровням. Величина округления – ошибка квантования – есть разность между передаваемой квантованной величиной и истинным значением аналогового сиг нала в момент дискретизации (для рассматриваемого примера ΔКВ равно 0,1; 0,4;0; 0,5; 0,4; 0; 0,3).
Ошибка квантования не может превышать половину шага квантования
ΔUКВ, (ΔКВ Ј ΔUКВ / 2), а по абсолютной величине должна быть небольшой, чтобы возникающие искажения не воспринимались получателем информации – человеком.
Количество уровней квантования М ограничено и поэтому удобно их цело-
численные значения перевести из десятичной формы в двоичную (рисунок 6.1,д), образуя кодовые комбинации (слова или группы). В этом и состоит последняяоперация в АЦП – к о д и р о в а н и е. В реальных АЦП квантование и кодирование, как правило, осуществляются одновременно. Каждый номер уровня преобразуется при кодировании в комбинацию символов «нуль» и «единица». Количество символов в комбинации (количество разрядов двоичного числа) m определяется числом М уровней квантования аналогового сигнала: m = log2 M. Чем
больше квантованных уровней, тем больше разрядов в двоичном числе. В рассматриваемом примере весь диапазон изменения аналогового сигнала разделён на М = 16 уровней (квантов), поэтому для двоичного кодирования любого из десятичных чисел от 0 до 15 требуется 4-разрядная (m = 4) кодовая комбинация, так как 2m = М, а 24 = 16. Точность представления при этом составит 1/16 или 6,25 %.
Частота дискретизации fД и число уровней квантования М (или разрядность кода m) зависят от вида аналогового сигнала и назначения системы или устройства. При телефонной связи, когда достаточно обеспечить разборчивость речи, звуковые сигналы передаются в полосе частот 300…3400 Гц. Поэтому частота дискретизации fД выбрана равной 8 кГц, Число уровней квантования М = 256, разрядность кодовых комбинаций m = log2 256 = 8. В этом случае скорость цифрового потока составляет С = fД Чm = 64 кбит/с
Конечное число уровней квантования М и, соответственно, разрядности
кода m является причиной появления ш у м о в к в а н т о в а н и я. При равномерной шкале квантования и равновероятных значениях уровней сигнала отношение (в дБ) мощности сигнала РС к мощности шума квантования РШ.КВ. определяется выражением:
РС /РШ.КВ. = 6,02m – 20 1g K+ 4,8 дБ,
где К – пик-фактор сигнала, равный отношению амплитудного значения сигналак эффективному.
Его численное значение зависит от вида передаваемого сообщения: для си-
нусоидального сигнала К= √2 (3 дБ); для многоканального телефонного – 4
(12 дБ); для речевого – 5 (14 дБ). Для звукового вещания К зависит от жанра программы, его среднее значение 4,5 (13 дБ). Поэтому для вещательного сигнала
Рс/РШ.КВ. = 6,02m – 8,2, дБ. (6.5)
Следовательно, при 14-, 15- или 16-разрядном кодировании обеспечивается
отношение сигнал/шум: 75,8; 81,8 или 87,8 дБ. Из этих выражений следует, что увеличение числа разрядов m на единицу ведёт к улучшению отношения сигнал/шум квантования на 6 дБ, так как приращение D(Рс/РШ.КВ)пропорционально 6,02m. Скорость цифрового потока при переходе, например, от 14 разрядов кодирования к 15 увеличивается всего на 7 %, так как приращение DС = fД (m2 – m1), что в процентах составляет D(С/С1)·100% = [(m2 – m1)/m1]·100%. Это является особенностью импульсно-кодовой модуляции, т. к. ни один другой метод не позволяет так заметно улучшать помехозащищённость за счёт небольшого увеличения скорости цифрового потока. Скорость цифрового потока при m = 16 и fД=
=48 кГц составляет: С= 48Ч16= 768 кбит/с; при fД=32 кГц С=32Ч16=512 кбит/с. Полоса частот канала связи, необходимая для передачи цифрового сигнала, приближённо определяется выражением
23)Режимы цифрового представления ТВ сигналов.
Частоты дискретизации представляют гармоники строчной частоты, что обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчетов ТВ изображения (рисунок 6.11). Величинам 13,5 и 6,75 МГц кратна, как частота строчной развертки стандарта телевизионного разложения 625/50, так и частота развертки стандарта 525/60. Собственно, выбор в качестве базовой именно частоты 3,375 МГц во многом связан с соображениями кратности с частотами строчной развертки двух мировых стандартов разложения. Это важно потому, что позволило ввести единый мировой стандарт цифрового кодирования компонентного видеосигнала, при котором в активной части строки содержится 720 отсчетов яркостного сигнала и по 360 – каждого цветоразностного. Различие в системах 625/50 и 525/60 заключается в разном числе строк и несколько отличающейся длительности интервала гашения.
Формат 4:1:1 более удобен для систем со стандартом разложения 525/60, а 4:2:0 – для систем 625/50. Это объясняется тем, что потеря вертикальной четкости более заметна в ТВ системах с меньшим числом строк (525/60), а в системах с разложением 625/50 более заметна потеря горизонтальной четкости. Существуют и другие форматы цифрового представления компонентных сигналов. Формат 4:4:4:4 предусматривает кодирование трех компонентных (R,G, B или Y и двух ЦРС), а четвертый является дополнительной информацией об обработке сигнала, например, он может быть сигналом яркости Y в дополнение к сигналам основных цветов.
Редко находит применение формат 3:1:1, в котором уменьшено (по сравне-
нию с 4:1:1) разрешение по горизонтали для яркостного сигнала с 720 до 540 отсчетов. При m=8 скорость цифрового потока составляет 135 Мбит/с.
В системах с 625/50 и формате 4:2:2 число отсчетов в строке (активной части) принято равным 1152 (960) для сигнала Y и 576 (480) – для каждого из ЦРС. При этом ФНЧ для Y (или R,G,B) должен иметь неравномерность ± 0,025дБ в пределах 0...7,33 МГц и ± 0,05дБ в пределах 7,33...7,67 МГц с затуханием не менее 12 дБ на частотах 9,0...10,67 МГц и не менее 40 дБ на частотах выше 10,67 МГц. Для ЦРС нормируются параметры ФНЧ с неравномерностью ±0 ,05дБ в полосе 0...3,67 МГц и затуханием не менее 6 дБ на частотах 4,60…5,33 МГц и не менее 40 дБ – выше 5,33 МГц.
Стандарт 4:4:4 рекомендован для источников ТВ сигнала и обработки высококачественного видеосигнала с одинаковой fД для всех сигналов.
Существуют и другие форматы представления компонентного сигнала в
цифровом виде. Кодирование по стандарту 4:4:4 предполагает использование частоты 13,5 МГц для всех трех компонентов: R, G, B или Y, Cr, Cb. Это означает, что все компоненты передаются в полной полосе. Для каждого компонента в активной части кадра оцифровывается 576 строк по 720 элементов. Скорость цифрового потока при 10-битовом слове составляет 405 Мбит/с.
Формат 4:4:4:4 описывает кодирование четырех сигналов (рисунок 6.13), три из которых являются компонентами видеосигнала (R, G, B или Y, Cr, Cb), а четвертый (альфа-канал) несет информацию об обработке сигнала, например, о прозрачности изображения переднего плана при наложении нескольких изображений. Дополнительным четвертым сигналом может также быть сигнал яркости Y в дополнении к сигналам основных цветов R, G, B. Частота дискретизации всех сигналов – 13,5 МГц, т.е. все сигналы передаются в полной полосе. Скорость передачи данных при 10 битах на слово равна 540 Мбит/с. Формат 4:1:1 предлагает двукратное уменьшение частоты дискретизации цветоразностных сигналов (в сравнении со стандартом 4:2:2). Яркостной сигнал Y дискретизируется с частотой 13,5 Мгц, а цветоразностные (Cr и Cb) – 3,375 Мгц. Это означает и двукратное уменьшение горизонтального разрешения в цвете. В активной части кадра 576 строк, каждая из которых содержит 720 элементов сигнала яркости и по 180 – цветоразностных сигналов. С=162 Мбит/с.
Формат 4:2:0 предлагает изображение, в котором яркостная компонента Y содержит в активной части кадра 576 строк по 720 отсчетов, а цветоразностные компоненты Cr и Cb – 288 строк по 360 отсчетов (рисунок 6.15). Варианты кодирования 4:1:1 и 4:2:0 характеризуются одинаковой скоростью передачи данных – 202,5 Мбит/с для длины кодового слова в 10 бит и 162 Мбит/с – для 8 бит на слово. Если передавать только активную часть изображения (без обратного хода), то величина цифрового потока при 8 битах на слово составит 124 Мбит/с. Цифровые сигналы этих двух форматов могут быть получены из сигналов стандарта 4:2:2 путем предварительной обработки и децимации (прореживания отсчетов) с целью сокращения скорости потока. Формат 4:1:1 оказывается более удобным для систем со стандартом разложения 525/60, а формат 4:2:0 – для систем 625/50. Это связано с тем, что потеря вертикальной четкости более заметна в системе с меньшим числом строк (525/60), а потеря горизонтальной четкости более заметна в системе 625/50.
24. Дискретизация ТВ сигнала. Выбор и обоснование частоты дискретизации в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова.
Дискретизация - представление непрерывного по времени аналогового сигнала дискретным. Осуществляется на основе теоремы Котельникова - Найквиста: непрерывный по времени сигнал с ограниченным высшей частотой Fв спектром (полоса 0-Fв) может быть представлен последовательностью импульсных отсчётов (выборок), величина которых равна или пропорциональна мгновенным значениям сигнала в соответствующие моменты времени, причём частота дискретизации (отсчётов) должна удовлетворять требованию: fД ≥ 2FВСледовательно, на входе АЦП должен быть установлен ФНЧ с частотой среза fcp, равной Fb. Технически дискретизация реализуется с помощью амплитудно-импульсного модулятора, на один вход которого подаётся аналоговый сигнал (рисунок 7.1,а), а на второй — импульсы дискретизации (рисунок 7.1,6), с периодом Тд, длительностью τ. В дискретизаторе эти импульсы подвергаются амплитудно-импульсной модуляции, т. е. они выполняют роль несущего (сложного) колебания в отличие от синусоидальной несущей при амплитудной модуляции. Математически дискретизация есть умножение аналогового сигнала на последовательность импульсов, результатом чего является выходной АИМ сигнал (рисунок 7.1,в), т. е. промодулированные по амплитуде импульсы. Теоретически длительность τ должна быть бесконечно малой, а площадь импульса равняться единице, на практике импульсы дискретезации берутся конечными по длительности.
Рисунок 7.1 АЦП сигнала
25. Дискретизация ТВ сигналов: обоснование теоремы отсчетов на временном языке по функции Котельникова
Будем полагать что аналоговый ТВ сигнал дискретизируется с шагом ∆t, который равен ∆t = TД ≤ 1/2F, где F — частота среза идеального ФНЧ на выходе дискретизатора, которая и определяет высшую частоту спектра дискретизируемого сигнала. Пусть выполняется теоретический предел (на рисунке 1.a)
Тогда за время Т передачи будет передана информация об п отсчётах n=T/∆t = 2FT.
Временное представление сигнала U(t) связано с комплексным спектром S(ω) преобразованием Фурье (1.1):
где комплексный спектр ограничен значениями -F...+F, т. е. полосой 2F и отличен от нуля S(ω) ≠ 0 при -2πF < ω < 2πF и равен нулю S(ω)=0 при | ω | > 2πF.
Поэтому в преобразовании Фурье целесообразно учесть эти особенности подынтегральной функции и ограничить пределы интегрирования значениями -F и +F (1.2):
Преобразование Фурье позволяет определить функцию времени U (t) для любого момента времени. Определим эту функцию для дискретных моментов времени (1.3)
t = k/2F=kTд, k= 1,2,3…
Комплексный спектр задан на отрезке -F до F, его можно представить комплексным рядом Фурье (1.4 и 1.5):
Сравнивая Ск и U(k/2F) видим что коэффициенты разложения Ск пропорциональны отсчетам функции U(t) в дискретный момент времени (1.6).
Тогда сумма выражается через отсчеты исходной функции (1.7).
подставляем в (1.2)
Рисунок 1. Разложение сигналов в ряд Котельникова
а – аналоговый и дискретизированный сигнал; б, в – отклик идеального ФНЧ на δ-импульс и сумму δ – импульсов с шагом ТД; г, д, е – осциллограмма сигналов – слагаемых ряда; ж – восстановленный сигнал.
Определение функции в любой момент времени (1.8)
Произведем интегрирование по круговой частоте ω (1.9):
Найдем значение интеграла (1.10):
,
где τ = t – k/2F.
Подставим 1.10 в 1.9 и получаем (1.11):
Функция времени U(t) с ограниченным F спектром, может быть представлен в виде(1.12)
U(k/2F) – отсчётов и sin2πFτ/(2πFτ). Тогда при τ 0 (1.13):
Таким образом при t= k/2F функция примет макс. значение, равное 1, а при t= (k ± v)/2F при v =1,2,3… следующее
т.е. функция обращается в нуль (рисунок 1,б).
Ширина главного лепестка функции отсчетов на нулевом уровне равна 1/F, а на уровне 0,5 - 1/2F. Отсюда следует, что минимальная длительность импульса по нулевому уровню, который может существовать на выходе селективной системы, например ФНЧ с fср= F, равна 1/F. Речь идет об идеальном ФНЧ, который нереализуем
После дискретизатора амплитудные значения δ -импульсов будут пропорциональны мгновенным амплитудам аналогового сигнала в моменты времени t, а после ФНЧ - огибающая U(t) (рисунок 1, ж), будет повторять форму аналогового сигнала (т.е. равна сумме U1(t), U2(t), U3(t) и т.д. на рисунке 1, г-е), что наглядно показывает физический смысл разложения U(t) в ряд Котельникова.