Передача сигналов цифрового телевидения по каналам связи

Огромный поток информации создает определенные трудности при передаче сигналов цифрового телевидения по каналам связи. Существующая иерархия цифровой сети связи состоит из пяти ступеней (рис. 9.4). Для передачи телевизионного сигнала по стандарту 4: 2 : 2 с цифровым потоком 216 Мбит/с необходимо два ствола 4-й ступени. В связи с этим, центральная проблема цифрового телевидения — уменьшение скорости передачи символов до уровня третичной ступени связи. Эта проблема решается за счет применения эффективных способов кодирования изображения, обеспечивающих существенное сокращение избыточности информации по сравнению с простейшей ИКМ.

Принимая во внимание, что ощущение интенсивности света в соответствии с законом Вебера — Фехнера пропорционально логарифму яркости, можно линейное кодирование (рис. 9.5 красная кривая) заменить нелинейным (синяя кривая). При этом число отсчетных уровней выбирается равным числу различимых градаций яркости m_L которое соответствует 60—120 (см. п. 1.2). Таким образом, только благодаря нелинейному кодированию можно уменьшить число разрядов преобразования до 6—7.

Наиболее эффективными являются методы кодирования с преобразованием. Суть методов состоит в том, что набор коррелированных выборок изображения преобразуется в новый набор некоррелированных переменных, для передачи которых требуется меньшая пропускная способность канала связи. Рассмотрим участок изображения, состоящий из двух соседних элементов (фрагмент 1х2)).

З аметим, что в системе координат x ₁, x ₂ требовалось передать 8х8=64 состояния, т. е. 6 битов информации, а в системе координат y₁, y₂ — существенно меньше.

уровней. Для решения этой задачи используются преобразования Фурье, Адамара и прочие, но даже для малых фрагментов изображения это очень сложно, так как связано с большим объемом вычислений, которые необходимо выполнить в реальном масштабе времени.

и тем меньше битов нужно, чтобы это значение передать.

В простейшем случае предсказыватель представляет собой устройство задержки сигнала на один отсчет. (Предполагается, что вследствие высокой степени корреляции элементов телевизионного изображения сигналы от соседних элементов должны мало отличаться). Более точная оценка значения текущего отсчета с учетом межэлементной корреляции может быть произведена на основании анализа ряда предыдущих отсчетов. При этом предсказатель, включающий в себя микропроцессор, выдает наиболее вероятное значение очередного отсчета.

Другой вариант устройства учитывает межстрочную корреляцию. Простейший предсказатель в этом случае представляет собой устройство задержки сигнала на длительность строки.

Весьма эффективными являются устройства, построенные на учете межкадровой корреляции, которая выражена значительно сильнее, чем межэлементная или межстрочная, поскольку соседние кадры мало отличаются. В этом случае предсказатель представляет собой устройство задержки сигнала на длительность одного кадра.

В декодере (на приемном конце) для формирования сигнала S_i используется такого же типа как и в кодере предсказатель и сумматор, который вырабатывает сигнал S_i путем сложения переданного значения сигнала e_i и предыдущего значения отсчета, поступающего с выхода предсказателя.

Методы межкадрового кодирования являются более эффективными. По оценкам, приведенным в литературе, передача наименьшего уровня при межэлементном кодировании составляет примерно 20 % времени, а при межкадровом — около 80 %. Реализован ряд устройств, в которых скорость передачи информации снижена до 30 Мбит/с. Ожидается, что комбинация методов кодирования с преобразованием и ДИКМ повысит эффективность кодирования до уровня 0,5 бита на отсчет, что позволило бы по одному третичному каналу передавать две телевизионные программы.

В табл. 5 приведена оценка эффективности некоторых методов кодирования. Кодирование с преобразованием дает возможность повысить информационную эффективность телевизионной системы до 4—8. Учет межкадровой корреляции позволяет создать системы с эффективностью 16—20, в которых на передачу каждого элемента изображения приходится в среднем 0,5—0,4 бита.

Для повышения надежности связи и защиты от помех возникает необходимость использования помехоустойчивых кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки. Как известно, эти коды базируются на создании избыточности за счет введения в цифровой сигнал дополнительных символов. Таким образом, налицо две тенденции: одна из них направлена на сокращение информационной избыточности телевизионного сигнала, а другая — на введение контролируемой избыточности в цифровой сигнал для повышения помехоустойчивости связи.