Цифровой телевизионный сигнал

1.

Лекция 3

2. Темы рефератов

1.Цифровая фильтрация
2.Линейный и нелинейный монтаж
3.Использование нейронных технологий в телевидении
4. Модуляция ТВ сигнала
5. Создание и использование сигналов OFDM
6. Методы сжатия информации, принятые в качестве
стандартов для цифрового ТВ
7. Цифровая обработка экспериментального сигнала
8. Виды и природа (чем они обусловлены) погрешностей
(ошибок) в Цифровом телевидении.

3. Лекция . ЦИФРОВОЙ ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ СИГНАЛ

Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения
Три фундаментальных процесса:
кодирование-декодирование источника информации,
кодирование-декодирование в канале передачи данных,
модуляция-демодуляция на входе и выходе физического канала

4.

• Искажения информации могут быть обусловлены
- неидеальностью процессов прямого и обратного
преобразования информации
- результатом воздействия помех на передаваемую информацию
в физическом канале.
• Процесс кодирования источника
сокращение объема передаваемой информации,
снижение требований к
времени передачи
полосе пропускания
объему памяти при
обработке или при
хранении информации.
Если информация имеет аналоговую природу, то кодирование
источника предусматривает:
во-первых, аналого-цифровое преобразование
во-вторых, собственно сжатие данных.

5. Кодирование в канале

Назначение
кодирования
исправление ошибок
помехи
искажения
Реализуется
при использовании дополнительных запросов
искаженных блоков информации,
путем прямой коррекции ошибок при
использовании специальных кодов.
Увеличивается объем передаваемых данных
- алгоритмы обнаружения и исправления ошибок требуют
добавления специальных служебных символов,
- повторы перезапрошенных блоков непосредственно
увеличивают время передачи

6. Модуляция

• Преобразование сигналов, представленных в основной
(исходной) полосе частот, в радиосигналы заданной
полосы частот, что обеспечивает возможность их передачи
по конкретному физическому каналу.
• Дополнительным свойством сложных видов модуляции
является более плотная упаковка данных в частотной
области, когда на единицу полосы приходится больше
передаваемой информации
Поиск оптимального варианта построения цифровой
системы передачи данных
Критерии:
- высокая спектральная эффективность, т.е. передача с
высокой скоростью в узкой полосе;
- высокая энергетическая эффективность, т.е. передача с
низким отношением несущая/шум и с максимальным занятием
всей доступной полосы.

7.

• Радиоволны распространяются в воздушной среде имеет место
затухание, связанное с сопротивлением воздуха. Более того, как
известно на примере видимого света, который преломляется в
призме или в каплях воды, возможно преломление излучения.
• Плюс к тому в городах и населенных пунктах имеет место
отражение от предметов, например домов.
Кроме того:
• Это дифракция и интерференция радиоволн.
• Первое – это просто огибание волной препятствий.
• Второе – это наложение радиоволн. Последнее наиболее
неприятно.
• Для того чтобы решить эти технические проблемы,
разрабатываются специальные способы модуляции сигнала, то
есть кодирования в нем информации.
• Если при передаче по кабелю применяют модуляцию напряжения,
то есть изменение амплитуды сигнала, то при радиосвязи чаще
используют модуляцию частоты или фазы.
Проблема усиления

8. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ

• Quadature Amplitude Modulation
• Direct Sequence Spread Spectrum
• Decision Feedback Equalization
• Frequency Division Multiplexing
• Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(QAM )
(DSSS)
(DFE)
(FDM)
(OFDM)

9.

• Всякий зашумленный канал связи характеризуется своей
предельной скоростью передачи информации, называемой
пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого
предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Зато
снизу к этому пределу можно подойти сколь угодно близко,
обеспечивая соответствующим кодированием информации
сколь угодно малую вероятность ошибки при любой
зашумленности канала.

10. Устранение визуальной избыточности

• Устранение визуальной избыточности изображений
является основным резервом сокращения передаваемой
информации.
• Для оптимизации процесса кодирования с точки зрения
обеспечения передачи наименьшего объема информации
необходимо, с одной стороны, не передавать избыточную
информацию, а с другой — не допустить чрезмерной
потери качества изображения.
• Изменение визуального восприятия изображения связано
как со специфическими особенностями физиологии зрения,
так и с системными ограничениями, заложенными в
используемых ТВ-стандартах.
• До сих пор не существует простой и адекватной модели
визуального восприятия изображений, пригодной для
оптимизации их кодирования, и по этой причине
визуальные тесты остаются важными для оценки качества
изображений

11. Ошибки

Ошибки в изображении заметны глазу,
если они превышают «порог заметности».
Существуют различные подходы к определению «порога
заметности» в различных условиях наблюдения изображений.
Заметность искажений изображений зависит от ряда
факторов объективного и субъективного характера:
• – оптической неидеальности зрения;
• – непроизвольных движений глаза (смещение точки внимания
каждые 0,3–0,7 с и даже чаще) при восприятии неподвижных
изображений;
• – средней яркости фона;
• – временных и пространственных вариаций яркости в
окрестности рассматриваемого элемента;
• – пространственной и временной формы сигнала изображения
и др.

12. ОЦЕНКА

• Важнейшим параметром, предопределяющим диапазон
изменений сигнала, является максимальная визуально
воспринимаемая яркость изображения.
• Исследования показывают, что едва заметным искажениям
белого соответствуют довольно большие, порядка 6–8%
изменения сигналов основных цветов
• Контраст изображения характеризуется отношением
величины максимальной яркости изображения и яркости
наиболее темных его участков.
• Телевизионное изображение оценивается как хорошее при
контрасте 30, качество его значительно улучшается при
увеличении контраста до 100. При дальнейшем повышении
контраста качество телевизионного изображения улучшается
незначительно.

13. Формирование цифровых сигналов изображения

• Процесс аналого-цифрового преобразования состоит из трех
этапов:
• дискретизации, квантования, кодирования
квантованных отсчетов
• В телевизионном изображении:
• дискретизация производится в два этапа:
• сначала благодаря развертке плоскость изображения
дискретизируется в вертикальном направлении,
• затем полученный одномерный сигнал дискретизируется во
времени, давая последовательность отсчетов, соответствующих
отдельным элементам изображения.
• Элемент изображения имеет конечные размеры
• значение отсчета определяется путем взвешивающего усреднения
уровня сигнала в малой окрестности точки (х,у). Этот процесс
эквивалентен предфильтрации
• При восстановлении изображения осуществляется интерполяция
значения отсчета, что эквивалентно постфильтрации.

14.

Дискретизация сигналов
Представить сигналы изображения можно как во временном, так
и в пространственном базисах.
Переход
(is = εЕ, х =vxt, у =vyt).
Дискретизация сигнала во времени это преобразование непрерывного
аналогового сигнала в
последовательность его значений в
дискретные моменты времени - отсчеты
fД
fД > 2fв
Обратное преобразование дискретного сигнала в
непрерывный, осуществляется
с помощью операции, называемой интерполяцией.

15.

ДИСКРИТИЗАЦИЯ ЛИНЕЙНОГО СИГНАЛА
Отсчеты
Преобразование непрерывного сигнала в дискретный

16.

Теорема отсчётов Уиттакера — Найквиста — Котельникова — Шеннона
(теорема Котельникова) — об однозначном восстановлении сигнала по своим
дискретным отсчётам.
Теорема Котельникова В .А.
в точках, отстоящих друг от друга на интервалы
Теоре́ма Коте́льникова гласит, что, если аналоговый сигнал x(t) имеет
ограниченный спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без
потерь по своим дискретным отсчѐтам, взятым с частотой большей
удвоенной максимальной частоты спектра 2Fmax < fдискр
где Fmax — верхняя частота в спектре, или (формулируя по-другому) по
отсчѐтам, взятым с периодом чаще полупериода максимальной частоты
спектра Fmax:

17.

Сигнал представляется рядом
Из ортогонального разложения следует:
Функции отсчетов.

18.

• Дискретизация представляет собой, по сути, умножение
аналогового сигнала на дискретизирующую функцию, т.е.
модуляцию, в результате которой возникают многократно
повторяющиеся боковые полосы частот.
• Частота дискретизации должна не менее чем вдвое
превышать
высшую частоту спектра видеосигнала. Если соотношение
не
выполняется, возникают значительные искажения сигнала в
процессе преобразований.
• В ТВ
частота дискретизации была
числом, целым кратным частоте строк.
• В этом случае на периоде строки помещается целое число
отсчетов сигнала.
• Необходимо,
чтобы

19.

Спектр сигнала (или, более строго, спектральная плотность) это функция, показывающая соотношение уровней частотных
составляющих сигнала
Спектральное представление дискретизированного сигнала
у(к)
х(к)
у(к) = а х(к) + Ьу(к - 1)
у(к - 1)
Простейший фильтр нижних частот ФНЧ

20.

От 0 Гц
до 5...6 МГц
не менее 12 МГц
Спектр полного цветового
телевизионного сигнала
fД > 2fв
fД < 2fв
Спектры сигналов при дискретизации

21.

fД > 2fв
Ступенчатая интерполяция
fД < 2fв
Дискретизация и интерполяция сигнала

22.

ПЛОСКОЕ ДВУМЕРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
Спектральное представление двумерного сигнала

23.

Плоское двумерное изображение
Е(х, у)
δ - функции задаются в узлах решетки с шагом
Пространственно-дискретизирующая
дискретизированного изображения (б)
функция
(а)
∆х, ∆у
и
спектр

24.

При ИНТЕРПОЛЯЦИИ
Е(х, у)
к1∆х, к2 ∆y
FЕ(ωx, ωy) и
F S(ωx, ωy)
δ -функций
с шагом
ωxs = 2π/∆х,
ωys = 2π/∆y:
По осям ωx , ωy
шаг сдвига 2π/ Δχ
2π/ Δy

25.

ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
Телевизионное изображение по вертикальной координате уже
является дискретным вследствие разложения на строки

26.

ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
Расположение отсчетов при дискретизации изображения

27.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ωx max ω x s /2, ωy max ω y s /2.
Пространственные спектры дискретизированных изображений

28.

Шаг дискретизации ∆х и ∆у не должен превышать половины периода
пространственной гармоники, соответствующей самым мелким
деталям изображения:
∆х / ωx max , ∆у / ωy max
.
Частотная характеристика пространственных фильтров,
ωхR > ωx max и ωyR > ωy max

29.

ДП1
Сигнал f(t), спектр которого ограничен по частоте значением fmax
,
ТД = 1/2 fmax
ωД = 2л/ ТД
Н(ω) = const для |ω| 2л/ fmax
Н(ω)= 0 для
| ω | > 2л/ fmax
Спектры исходного (а), дискредитированного (б, г) сигналов и
низкочастотного фильтра (в)

30.

Особенности шумов дискритизации
Исходное изображение (а),
Дискретизация изображения (б)
fx= 1/TX.
Результат интерполяции (в)
Дискретизация изображения

31.

Универсальная испытательная таблица

32.

Искажения при дискретизации изображения

33.

ДП2
Рис.. 3.10. Тестовое изображение «Лена» 256x256 пикселов (а)
и 128x128 пикселов (б)

34.

Шумы дискретизации
• Если при дискретизации и передаче расстояния между
отсчетами шаги становятся не одинаковыми, то будут
появляться шумы дискретизации, т.е. шумы неравномерности
временных отсчетов:
• tд + Dti
• Величина Dti на каждом шаге есть случайная величина.
• Следствием этого будет изменение формы принимаемого сигнала,
потому что выходные отсчеты будут смещены во времени по
отношению к исходным.
Изменение
формы
принимаемого
сигнала в связи
со случайным
отклонением

35. Шумы дискретизации

• Основные причины нестабильности tд:
• 1) нестабильность частоты задающего тактового
генератора;
• 2) случайные изменения времени задержки в тракте
передачи (линиях связи, регенераторах и т.п.).
• Это явление называют джиттером, или фазовым
дрожанием, или фазовым шумом.

36.

Поскольку эти два источника фазового шума независимы, то два
случайных процесса не коррелированы и их влияние можно оценить с
помощью энергетических характеристик:
• дисперсии
• мощности шума.
Требования к джиттеру и требования к тактовой стабильности
генератора.
• Так, для основного цифрового канала V = 64 кбит/с,
=125 мкс
для защищенности от шумов дискретизации = 34 дБ
можно оценить 810 нс