СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF TRANSMITTING TELEVISION SIGNALS

Настоящее изобретение относится к области цифрового телевидения и может быть использовано для передачи и приема телевизионных (ТВ) сигналов вещательного и прикладного телевидения, формируемых, например, с помощью ТВ камер или других источников сигналов черно-белых, цветных, спектрозональных, объемных или иных изображений с использованием чересстрочной или построчной развертки ТВ изображений. Изобретение может найти применение при построении систем видеонаблюдения, видеосвязи, видео "по требованию", при трансляции программ телевидения, в мультимедийных системах передачи видеоинформации, системах спектрозонального телевидения, в ТВ системах дистанционного зондирования поверхности Земли и в других системах передачи видеоинформации со стандартной, повышенной или высокой четкостью изображения.
Преобразование аналогового ТВ сигнала в цифровую форму осуществляется с помощью его аналого-цифрового преобразования, включающего известные операции обработки сигналов - дискретизации сигнала во времени, квантования по уровню и кодированию в k-разрядном двоичном коде, который может представляться в параллельном или последовательном виде.
d
Как известно, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации f и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:
k
где k - число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета, принимаемого равным 8, для передачи максимально возможного числа градаций яркости, реально различаемых наблюдателем в изображении, то есть m=2=256.
Y
В соответствии с формулой (1), для передачи одного яркостного сигнала Е любого источника ТВ сигнала с параметрами разложения вещательного стандарта, требуемая исходная скорость передачи двоичных символов составит величину
1
d
C=f·k=13,5×8=108 Мбит/с,
а для сигналов цветного телевидения вещательного стандарта
2
С=13,5×8×2=216 Мбит/с,
где при преобразовании сигналов цветного ТВ из аналоговой в цифровую форму, согласно Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601, значение частоты дискретизации аналогового сигнала принимается равным 13,5 МГц для сигнала яркости и каждый цветоразностный сигнал дискретизируются с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц. При этом формируются цифровые потоки - для сигнала яркости 108 Мбит/с и для двух цветоразностных сигналов по 54 Мбит/с. Полная скорость передачи битов при кодировании с 8 битами/отсчет (из 256 возможных уровней квантования только 220 используются для отображения сигнала яркости) составляет 216 Мбит/с. При этом требуемая полоса частот канала (при двоичной передаче в полосе Найквиста) составляет 108 МГц (см. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы.- М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР), 2001. - 568 с.: ил.). При переходе к формату 4:2:0 скорость передачи двоичных символов сокращается до величины 162 Мбит/с. Переход от аналоговой формы передачи ТВ сигналов к цифровой, требует чрезмерно более широкой полосы частот канала связи.
Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование различных алгоритмов сжатия цифровых сигналов до их передачи по каналу связи. Общепринятым методом сжатия информации для целей вещательного телевидения в настоящее время является стандарт MPEG-2, позволяющий снизить скорость битов кодированного сигнала до 5-10 Мбит/с. Известно, что для получения студийного качества принятого изображения можно сжимать видеоинформацию до скорости передачи порядка 9-10 Мбит/с, а для получения качества изображения, сравнимого с обычным изображением по системе цветного телевидения PAL - до 4-5 Мбит/с.
Известен также ряд других стандартов и алгоритмов сжатия информации. Они находят применение в первую очередь в различных мультимедийных системах, например MPEG-4, H.264/MPEG-4 AVC, рекурсивные алгоритмы и др., и позволяют достигать большую степень сжатия информации и обеспечить на сегодня такое же качество принимаемого изображения, как и у MPEG-2, но при скорости передачи данных в 2-4 раза ниже.
В общем случае, при достаточно больших степенях сжатия информации, при любом его алгоритме, возникают характерные искажения изображений (заметность границ блоков, появление следов, плохая цветопередача, эффект ступенек и др.), которые ограничивают область их реального применения и практического использования. В общем случае это обуславливается принятым подходом к сжатию ТВ информации, базирующегося на имеющейся пространственной, временной, энтропийной избыточности сигналов изображений, а также психовизуальной избыточности зрительного восприятия цветных изображений.
Одновременная передача большого числа таких цифровых ТВ сигналов, использующих вещательный стандарт (например, при параметрах разложения 625/25), или сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ) без сжатия информации или даже с использованием сжатия информации (в задачах вещания, мультимедийных системах, прикладных целях и др.) требует весьма широкой полосы и соответствующих каналов связи.
Известны основные принципы построения систем цифрового телевидения и обработки сигналов, например, компонентное цифровое кодирование на основе аналогового мультиплексирования сигналов, а также гибридного мультиплексирования составляющих сигналов или компонентное цифровое кодирование на основе их цифрового мультиплексирования (см. Птачек М. Цифровое телевидение: Теория и техника / Пер.с чеш. Под ред. Л.С. Виленчика.- М.: Радио и связь, 1990. - 528 с.).
Имеются системы и способы передачи телевизионных сигналов многоградационных изображений (US 6727935, H04N 7/14, 27.04.2004, DE 10249221, H04N 7/14, 06.05.2004, CA 2455501, H04N 7/14, 2003, WO 2004030374, H04N 7/14, 08.04.2004). Однако указанные способы предполагают наличие широкополосного канала передачи.
Известны принципы построения систем ТВЧ и методы уплотнения сигналов, а также методы уменьшения требуемой полосы частот радиоканала для сигналов ТВЧ (см. Телевидение: Учебник для вузов / В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Под ред. В.Е.Джаконии. - М.: Радио и связь, 2000, 640 с.: ил.).
Известны также способы формирования, обработки и передачи цифровых ТВ сигналов, которые нашли отражение в большом числе отечественных и зарубежных публикациях, например, некоторые из них: см. Новаковский С.В., Котельников А.В. Новые системы телевидения. Цифровые методы обработки видеосигналов. - М.: Радио и связь, 1992. - 88 с., Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под ред. Ю.Б.Зубарева и В.П.Дворковича. - М.: Международный Центр научной и технической информации, 1997. - 212 с., Цифровое телевидение / Под ред. Н.С.Мамаева. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 180 с., а также Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 224 с.: ил.). В последней работе, на стр.35, представлен вариант структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией ITU-R ВТ 601.
R
G
B
R
G
B
Y
R-Y
B-Y
В таком формирователе сигналы основных цветов E, E, Е с источника телевизионных сигналов (цветной ТВ камеры) вначале поступают на гамма-корректоры, сформированные в которых сигналы E′, E′, Е′ в кодирующей матрице по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости E' и цветоразностные сигналы E′ и Е′. Далее эти сигналы преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в соответствующие цифровые сигналы. Число разрядов каждого АЦП, как правило, равно 8. Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75 МГц, поступающие на другие узлы устройства. ГТИ содержит схему фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период строчной развертки источника ТВ сигналов.
R
B
Мультиплексор в заданной последовательности передает на выход цифровые сигналы Y, C, С и цифровые синхросигналы. В результате на выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный сигнал в последовательном коде.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят формирователь цифровых ТВ сигналов цветных изображений (Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 224 с.: ил.).
R
G
B
Y
R-Y
B-Y
Для источника ТВ сигналов цветных изображений он отображает в передающей части следующую последовательность операций над сигналами изображений - формирование из исходных трех аналоговых ТВ сигналов основных цветов E, E, Е одного яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′, далее преобразование их в цифровую форму путем выполнения операций их аналогово-цифрового преобразования, мультиплексирование цифрового сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также отдельно сформированных цифровых синхросигналов для их последующей передачи по каналу связи в последовательном коде.
R
G
B
В приемной части ТВ системы - осуществляются обратные операции преобразования сигналов с формированием исходных аналоговых ТВ сигналов E, E, Е и сигналов синхронизации.
Скорость передачи данных для конкретной ТВ системы определяется частотой дискретизации аналоговых сигналов и числом принятых разрядов при кодировании в аналогово-цифровом преобразовании исходных сигналов и используемых параметров разложения изображений, формула (1).
Y
1
д
R-Y
B-Y
д
В данном случае, для примера, в системах цветного телевидения при вещательном формате передачи 4:2:2 для сигнала яркости Е′ в цифровой форме скорость передачи данных составляет C=f k=13,5×8=108 Мбит/с, а добавление необходимых двух цветоразностных цифровых сигналов E′ и Е′ при выборе для них частоты дискретизации, равной f/2 требует увеличения скорости передачи данных до 216 Мбит/с, что является одним из недостатков известного способа формирования исходных цифровых сигналов цветного телевидения.
Возникающая проблема усугубляется тем, что широкополосные каналы связи в ряде случаев могут практически отсутствовать и их нельзя достаточно быстро организовать или когда растущая потребность в каналах связи с широкой пропускной способностью превышает или опережает их реальное наличие. Так, например, скорость передачи данных для одного цветного сигнала ТВЧ без сжатия информации составляет порядка 0,8-1,2 Гбит/с для систем с чересстрочной разверткой и в то же время будет требовать скорости 2,0-3,0 Гбит/с при внедрении прогрессивной развертки.
Технический результат - обеспечение формирования сигналов цифрового телевидения для их передачи в меньшей полосе частот канала связи.
Y
R-Y
B-Y
д
д
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
э
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
k
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа обработки нескольких аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений с формированием яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ в цифровом виде путем их аналогово-цифрового преобразования с частотой дискретизации яркостного сигнала f и равной величине f/2 для цветоразностных сигналов, преобразования двоичных символов k-разрядного параллельного кода в k-разрядный последовательный код, мультиплексирования цифрового сигнала яркости E′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и отдельно сформированных цифровых синхросигналов в последовательном коде, передачу сигналов по каналу связи, осуществление на приемной стороне обратных операций над сигналами по сравнению с передающей стороной, в передающей стороне после операции аналогово-цифрового преобразования яркостного сигнала Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и формирования двоичных символов в k-разрядном параллельном коде осуществляют операцию дешифрации двоичных символов параллельного кода одного отсчета для яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и вырабатывают сигналы совпадения в виде логической единицы для каждой кодовой комбинации k-разрядного параллельного кода двоичных символов, которые характеризуют один уровень сигнала из m=2 для текущего момента времени Δt одного отсчета, после чего каждый сигнал совпадения в виде логической единицы для яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ модулируют на своей поднесущей частоте с использованием квадратурной модуляции, затем осуществляют мультиплексирование цифровых промодулированных сигналов отдельных уровней для яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′, а также цифровых синхросигналов, а на приемной стороне после операции демультиплексирования сигналов выделяют цифровые промодулированные сигналы отдельных уровней яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и осуществляют их синхронное детектирование, после чего полученные сигналы используют для формирования двоичных символов k-разрядного параллельного кода исходных цифровых сигналов яркости E′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ для каждого отсчета, затем осуществляют их цифроаналоговое преобразование, после чего усиливают полученные аналоговые сигналы яркости Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′, которые затем используют для отображения видеоинформации.
Особенность предлагаемого способа формирования цифровых сигналов исключает операцию преобразования двоичных символов k-разрядного параллельного кода в k-разрядный последовательный код, что приводит к уменьшению скорости передачи ТВ сигналов в цифровой форме в k раз.
Использование известных операций обработки цифровых ТВ сигналов в новой предложенной последовательности и их применение в данном способе являются существенными и обеспечивают достижение поставленной цели.
Технический результат достигается за счет использования на передающей стороне ТВ системы операции дешифрации сигналов после их цифроаналогового преобразования с формированием для цифровых сигналов, представленных в k-разрядном параллельном коде одного двоичного символа в виде логической единицы, следующей с частотой, равной частоте дискретизации аналогового ТВ сигнала. Это приводит к уменьшению скорости передачи общего цифрового потока сигналов цветного телевидения и соответственно необходимой полосы частот в канале связи.
Y
R-Y
B-Y
д
д
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
э
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
Y
R-Y
B-Y
k
Для достижения указанного результата предлагается способ передачи ТВ сигналов, включающий на передающей стороне системы обработку нескольких аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений с формированием яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ в цифровом виде путем их аналогово-цифрового преобразования с частотой дискретизации яркостного сигнала, равной величине f, а для цветоразностных сигналов равной величине f/2, мультиплексирования цифрового сигнала яркости Е' и двух цифровых цветоразностных сигналов E′ и Е′, представленных в последовательном коде и отдельно сформированных цифровых синхросигналов, передачу сигналов по каналу связи, осуществление на приемной стороне обратных операций над сигналами по сравнению с передающей стороной, в котором на передающей стороне после операции аналогово-цифрового преобразования яркостного сигнала Е' и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и формирования двоичных символов в k-разрядном параллельном коде осуществляют операцию дешифрации двоичных символов параллельного кода одного отсчета для яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и вырабатывают сигналы совпадения в виде логической единицы для каждой кодовой комбинации k-разрядного параллельного кода двоичных символов, которые характеризуют один уровень сигнала из m=2 для текущего момента времени Δt одного отсчета, после чего каждый сигнал совпадения в виде логической единицы для яркостного Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ модулируют на своей поднесущей частоте с использованием квадратурной модуляции, затем осуществляют мультиплексирование цифровых промодулированных сигналов отдельных уровней для яркостного Е' и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′, а также цифровых синхросигналов, а на приемной стороне после операции демультиплексирования сигналов выделяют цифровые промодулированные сигналы отдельных уровней яркостного Е' и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ и осуществляют их синхронное детектирование, после чего полученные сигналы используют для формирования двоичных символов k-разрядного параллельного кода исходных цифровых сигналов яркости Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ для каждого отсчета, затем осуществляют их цифроаналоговое преобразование, после чего усиливают полученные аналоговые сигналы яркости Е′ и двух цветоразностных сигналов E′ и Е′, которые затем используют для отображения видеоинформации.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Система передачи ТВ сигналов, реализующая предлагаемый способ (фиг.1), содержит на передающей стороне: источник аналоговых сигналов цветного телевидения 1, аналого-цифровые преобразователи 2, 2 и 2, синхрогенератор 3, генератор тактовых импульсов 4, блоки дешифрации сигналов 5, 5 и 5, квадратурные модуляторы 6, 6 и 6, генератор 7, сумматор (логическая схема "ИЛИ") 8, 8 и 8, мультиплексор 9, формирователь цифровых сигналов синхронизации 10, линию связи 11, а на приемной стороне (фиг.2) содержит: демультиплексор 12, селектор синхроимпульсов 13, усилитель-распределитель 14, 14 и 14, синхронные детекторы 15, 15 и 15, генератор 16, блок формирования двоичных символов 17, 17 и 17, цифроаналоговые преобразователи 18, 18 и 18, видеоусилители 19, 19 и 19, формирователь синхроимпульсов 20, отображающее устройство (видеоконтрольное устройство) 21.
1
2
3
Y
R-Y
B-Y
1
2
3
д
Y
д
R-Y
B-Y
1
Y
2
3
R-Y
B-Y
Система передачи ТВ сигналов работает следующим образом. На передающей стороне (фиг.1) синхрогенератор 3 вырабатывает необходимые строчные и кадровые синхронизирующие импульсы для работы источника сигналов цветного телевидения (передающей ТВ камеры) 1, а также формирует управляющие импульсы, которые поступают на первый вход генератора тактовых импульсов 4, на k+1 вход блока дешифрации 5, 5 и 5, на вход генератора 7 и на вход формирователя цифровых сигналов синхронизации 10. На выходах источника сигналов цветного телевидения 1 формируются три сигнала - яркостной сигнал Е′ и два цветоразностных сигнала E′ и Е′, которые соответственно поступают на первые входы аналого-цифровых преобразователей 2, 2 и 2, на вторые входы которых поступают тактовые импульсы от генератора 4, следующие с частотой дискретизации f для яркостного сигнала Е' и тактовые импульсы с частотой дискретизации f/2 для двух цветоразностных сигналов E′ и Е′. На выходах аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2 для сигнала яркости Е′ и выходах АЦП 2 и 2 для двух цветоразностных сигналов E′ и Е′ формируются двоичные символы в k-разрядном параллельном коде.
k
1
2
3
Для телевидения стандартной четкости, величина k - это число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета, принимаемое равным 8 для передачи максимально возможного числа градаций яркости m, которое может быть реально различимо наблюдателем в изображении, то есть m=2=256. Поэтому каждый из блоков дешифрации 5, 5 и 5 включает в себя m отдельных дешифраторов, настроенных на определенную кодовую комбинацию двоичных символов, вида 00000000, 10000000, 01000000, 11000000 и т.д., которые будут на выходах АЦП при изменении амплитуды входного сигнала, например от 0 до 1 В, где каждая кодовая комбинация двоичных символов будет соответствовать своей амплитуде сигнала. При совпадении состояния двоичных символов на выходах АЦП и на входах отдельных дешифраторов, на выходе последних вырабатывается сигнал логической единицы. Дешифратор может быть выполнен на основе логической схемы "И" имеющей восемь входов, причем в зависимости от кодовой комбинации содержать по тому или иному входу логическую схему "НЕ".
1
2
3
1
2
3
1
i
N
Число отдельных дешифраторов в каждом блоке дешифрации 5, 5 и 5 равно величине m=256. Выходы каждого блока дешифрации 5, 5 и 5 группируются попарно для сигналов предыдущего и последующего уровня и поступают на входы квадратурных модуляторов (KM) 6,…6…, 6, общее число которых равно величине N=m/2.
Относительно используемой квадратурной модуляции можно отметить следующее. В рассматриваемой схеме (фиг.1) возможно использование КМ со следующими видами модуляции:
- амплитудной манипуляции (АМн), путем дискретного изменения уровня амплитуды несущей;
- частотной манипуляции (ЧМн), путем дискретного изменения частоты несущей при постоянной ее амплитуды;
- фазовой манипуляции (ФМн), путем дискретного изменения фазы несущей и др.
1
2
Квадратурная амплитудная манипуляция осуществляется с помощью двух балансных модуляторов, на один вход которых подается передаваемый сигнал U и U, а на второй вход подается несущая со смещенными фазами на 90°. Как известно, при балансной модуляции в случае идентичности обеих плеч модулятора сигнал на выходе последнего возникает лишь при воздействии модулирующего сигнала. На выходе модулятора образуется результирующий сигнал вида:
Для нашего случая, когда значение логической "1" возможно только на одном из выходов блока дешифрации, квадратурная составляющая будет характеризоваться значениями либо "10", или "01", или "00", то есть
с
i
i+1
S1
S2
нес
В рассматриваемой системе каждый КМ имеет свое значение несущей частоты ώ, которое изменяется от КМ к KM на величину ΔF, минимальное значение которой определяется возможностью обеспечения устойчивого синхронного детектирования (выделения) сигналов на приемной стороне системы. Для каждого момента времени Δt сигнал вида U или U будет присутствовать на выходе только одного КМ, который через сумматор (или схему "ИЛИ") будет поступать на мультиплексор 9 и далее в линию связи 11. В ряде случаев вместо мультиплексора 9 можно использовать высокочастотный блок, где будет осуществляться модуляция сигнала на высокочастотной несущей частоте f для передачи сигналов в эфир, а вместо демультиплексора 12 - блок демодуляции высокочастотной несущей.
1
2
3
1
i
N
На приемной стороне системы (фиг.2) осуществляются обратные операции над сигналами по сравнению с передающей стороной. После демультиплексирования сигналов в блоке 12, яркостной и цветоразностные сигналы с первого, второго и третьего выхода демультиплексора 12 поступают усилители-распределители сигналов 14, 14 и 14 и далее поступают на свои синхронные детекторы 15,… 15……15, число которых равно величине N=m/2. Правильная работа синхронных детекторов зависит от частоты и фазы несущей, формируемой местным генератором 16 и имеющим синхронизацию с передающей частью системы, через селектор синхронизирующих импульсов 13.
1
2
3
1
2
3
1
Y
2
3
R-Y
B-Y
1
2
3
Сигналы с выходов синхронных детекторов 15 используются для генерирования своей определенной последовательности двоичных импульсов, представленных в k-разрядном параллельном коде в блоке формирования двоичных символов 17, 17 и 17. Для каждого момента времени на выходах блока 17 формируются сигналы с определенной кодовой комбинацией двоичных символов в виде - 00000000, 10000000, 01000000, 11000000 и т.д. Далее они поступают на соответствующие входы цифроаналоговых преобразователей 18, 18 и 18. На выходе цифроаналогового преобразователя 18 формируется яркостной сигнал Е′, а на выходах 18 и 18 соответственно красный и синий цветоразностные сигналы E′ и Е′. Данные сигналы через видеоусилители 19, 19 и 19 поступают на входы видеоконтрольного устройства 20.
В приемной стороне системы имеется селектор синхронизирующих импульсов 13, на вход которого поступают сигналы с демультиплексора 12, местный генератор 16 и формирователь синхроимпульсов 21, сигналы с выходов которых используются для формирования необходимых управляющих и синхронизирующих сигналов для работы блоков и устройств 15, 17 и 20 приемной части системы.