Перейдем к вопросу о ширине полосы частот канала связи, необходимой для передачи цифрового сигнала в последовательной форме с использованием импульсно-кодовой модуляции. Рассмотрим периодическую последовательность прямоугольных импульсов, имеющих амплитуду U0 , длительность tи и период 2ТИ , (риc.4.11,а).
а)
б) U0/2
1/2tи 2/2tи 3/2tи 4/2tи 5/2tи 6/2tиf
Рис. 4.11. Последовательность прямоугольных импульсов (а) и ее спектр (б)
Спектр такого сигнала состоит из дискретных составляющих, отстоящих друг от друга на интервал 1/Т Спектрсодержит постоянную составляющую, основную гармонику на частоте 1/Ти постепенно убывающие нечетные гармоники (рис.4.11,б). Если ограничить полосу частот канала связи с помощью ФНЧ с достаточно крутым срезом АЧХ, форма импульсов на выходе канала связи будет искажена (рис.1.12), так как часть частотных составляющих спектра окажется подавленной.
| Рис. 4.12. Форма импульса на выходе ФНЧ |
Искажения проявятся в виде увеличения длительности нарастания и спада импульса и возникновения колебательного переходного процесса. Это будет причиной ограничения допустимой частоты передаваемого импульсного сигнала, то есть ограничения скорости передачи двоичных символов по каналу связи.
Длительность нарастания импульса tи, как известно, связана с верхней граничной частотой ФНЧ fB соотношением tи=12 fB.
Если длительность входного импульса меньше tи, амплитуда импульса на выходе ФНЧ станет уменьшаться. Этот случай показан на рис.4.11 пунктиром. При достаточно малой длительности импульсов, их амплитуда на выходе канала связи станет сравнимой с уровнем помех, что приведет к ошибкам работы приемного устройства.Выбросы и колебательные переходные процессы также ограничивают частоту передаваемых по каналу связи импульсов. Если эта частота слишком велика, колебательный переходный процесс, созданный одним импульсом, будет накладываться на следующий импульс. Возникает помеха, называемая интерференционной, которая может привести к ошибкам приема. Изложенные причины приводят к известному еще с ранних работ по теории связи условию: по каналу связи с шириной полосы пропускания ΔF можно передавать ΔF бит информации за 1 секунду. То есть эффективность использования полосы частот канала связи составляет 2 бит/с/Гц. Следовательно, для передачи в последовательной форме цифрового телевизионного сигнала со скоростью передачи двоичных символов 216 Мбит/с необходим канал связи с шириной полосы 108 МГц. Ясно, что ни стандартный канал наземного телевизионного вещания, имеющий ширину полосы 8 МГц, ни спутниковый канал связи, имеющий ширину полосы 27 МГц, непригодны для передачи цифрового телевизионного сигнала. Поэтому одной из важнейших задач в области цифрового телевидения была задача сокращения скорости передачи двоичных символов и, соответственно, требуемой полосы частот канала связи.
Необходимо отметить, что приведенное условие справедливо для случая непосредственной передачи цифрового сигнала по каналу связи. Если используется модуляция несущей частоты, эффективность использования полосы частот может быть как меньше, так и больше, в зависимости от метода модуляции.
Задача сокращения полосы частот телевизионного сигнала является частным случаем более общей задачи уменьшения избыточности информации, передаваемой в телевизионном сигнале. Уменьшение избыточности необходимо как для обеспечения передачи телевизионных сигналов по каналам связи с ограниченной полосой пропускания, так и для уменьшения требуемого объема ЗУ при записи телевизионных программ или отдельных изображений.
Избыточность телевизионного сигнала разделяется на структурную, статистическую и психофизиологическую.
Структурная избыточность связана с наличием в обычном телевизионном сигнале гасящих импульсов, во время которых информация об изображении не передается.
Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в одной строке, в соседних строках и в соседних кадрах.
Психофизиологическая избыточность телевизионного сигнала определяется той информацией в нем, которая не воспринимается человеком и, следовательно, могла бы и не передаваться. Психофизиологическая избыточность сокращается за счет удаления из передаваемого сигнала информации, которую человек воспринять не может.
Примером метода сокращения психофизиологической избыточности может служить способ кодирования Кретцмера, в соответствии с которым при передаче крупных деталей изображения количество градаций яркости увеличивается, а при передаче мелких деталей уменьшается. Этот способ основан на использовании обратно пропорциональной зависимости между геометрическим и градационным разрешением зрительного аппарата человека. При восприятии мелких деталей ухудшается различие градаций яркости. В других методах используется ухудшение геометрического и градационного разрешения зрения при наблюдении движущихся объектов. Общая основа всех этих методов – ограниченность пропускной способности зрения как системы передачи информации.
Структурная избыточность телевизионного сигнала может быть уменьшена путем передачи во время гасящих импульсов какой-либо полезной информацией, например звукового сопровождения.
Наибольшее значение имеет сокращение статистической избыточности. Оно достигается путем устранения корреляционных связей между значениями отсчетов сигнала, передаваемых по каналу связи. В следующих разделах пособия будут рассмотрены методы сокращения статистической избыточности, применяемые в современных системах цифрового телевидения.
Применение различных способов сжатия информации, заключенной в телевизионном изображении, позволяет не только передавать цифровой телевизионный сигнал по стандартным каналам телевизионного вещания, но и добиться возможности передачи по этим каналам сигналов новых систем телевидения высокого разрешения, а также передачи цифровых телевизионных сигналов по каналам связи с более узкой полосой частот, чем стандартные вещательные каналы. Соотношение потоков информации и требуемых значений ширины частотного диапазона пропускания каналов связи иллюстрируется рис.4.13.
Рис. 4.13. Соотношение значений ширины спектра сигналов в системе цифрового телевидения
