СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING TELEVISION SIGNALS

Настоящее изобретение относится к области передачи изображений и может быть использовано для одновременной передачи и приема в частотной полосе одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму, (N+W) синхронных телевизионных (ТВ) сигналов многоградационных изображений, формируемых, например, с помощью ТВ-камер или других источников сигналов черно-белых, цветных, спектрозональных, объемных или иных изображений, а также для совместной передачи нескольких цифровых сигналов в системах связи, для одновременной записи и консервации нескольких синхронных ТВ сигналов, и может найти применение в системах видеонаблюдения, видеосвязи, видео "по требованию", при трансляции программ телевидения, в мультимедийных системах передачи видеоинформации, в системах передачи данных телеметрии, при передаче сигналов телевидения высокой четкости, спектрозонального телевидения, в ТВ системах дистанционного зондирования и мониторинга поверхности Земли и в других системах.
d
Скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме равна произведению частоты дискретизации f и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:
где k-число двоичных символов в кодовой комбинации одного отсчета.
d
в
в
С другой стороны, известно, что должно выполняться условие, при котором f≥2f, где f - верхняя граничная частота ТВ сигнала, значение которой в первом приближении может быть представлено в виде:
2
где к - формат кадра, Z - число строк разложения, к·Z - общее число элементов разложения в ТВ изображении, n - число передаваемых кадров, с.
Согласно табл.1 рассмотрим, для примера, основные виды источников ТВ сигналов, у которых первичные сигналы формируются в аналоговом виде.
Для решения тех или иных задач передачи видеоинформации могут быть использованы отдельные источники ТВ сигналов, приведенные в табл.1, или совместно несколько таких источников. Общее количество первичных аналоговых сигналов при этом может быть равным р, что естественно приведет к необходимости увеличения пропускной способности каналов связи при одновременной передаче всех сигналов.
Как видно из таблицы, для рассмотренных источников ТВ сигналов, представленных в цифровой форме, актуальны способы, позволяющие уменьшить полосу частот передаваемых радиосигналов, и особенно при передаче сигналов ТВЧ с высоким разрешением изображений или при передаче большого числа сигналов спектрозонального телевидения в задачах дистанционного зондирования поверхности Земли и других планет. Такая же задача возникает в системах связи при совместной передаче большого числа сигналов, когда в качестве источников информации используются любые другие известные датчики сигналов, формирующие аналоговые сигналы или цифровые сигналы, представленные в двоичном коде и требующие одновременной их передачи в меньшей частотной полосе пропускания канала связи.
Известны 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 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.).
Известны также способы формирования, обработки и передачи цифровых ТВ сигналов, которые нашли отражение во множестве отечественных и зарубежных публикациях, например некоторые из них: 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.; 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.; Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений. Изд-во ФАН АН РУз. Ташкент, 1987 - 108 с. Распознавание оптических изображений. / Под общ. ред. Ю.С.Сагдуллаева, В.С.Титова, Ташкент, 2000 - 315 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.
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.).
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят способ передачи синхронных телевизионных сигналов многоградационных изображений (Патент РФ на изобретение №2267234, кл. МПК Н04N 7/14, авторов Зубарева Ю.Б., Сагдуллаева Ю.С., Джалябова В.Ю. Опуб. 27.12.2005 г. Бюл. №36), включающий на передающей стороне операции обработки и преобразования N синхронных аналоговых ТВ сигналов в N синхронных цифровых ТВ сигналов, путем их аналого-цифрового преобразования, формирования цифровых сигналов синхронизации, передачу сигнала по каналу связи, а на приемной стороне осуществляются обратные операции над сигналами по сравнению с передающей стороной, в котором после формирования цифровых сигналов синхронизации осуществляют их объединение в один многоуровневый результирующий сигнал S(t) путем цифроаналогового преобразования N синхронных цифровых сигналов, далее многоуровневый результирующий сигнал S(t) суммируют с сигналом синхронизации, усиливают его и передают по каналу связи, а на приемной стороне снова усиливают многоуровневый результирующий сигнал S(t), выделяют из него сигналы синхронизации, формируют тактовые и управляющие импульсы, далее выполняют операцию аналого-цифрового преобразования многоуровневого результирующего сигнала S(t) и формируют N синхронных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, после чего выполняют обратные передающей стороне операции над сигналами, а именно каждый цифровой сигнал, представленный в последовательном коде, преобразуют в параллельный n-разрядный двоичный код, затем осуществляют формирование N исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений путем их цифроаналогового преобразования.
Данный способ обеспечивает совместную передачу N синхронных аналоговых ТВ сигналов в частотной полосе одного аналогового сигнала, представленного в цифровой форме. Вместе с тем предлагаемая схема обработки аналоговых сигналов и принятая последовательность операций над сигналами не позволяет обеспечить увеличение числа передаваемых синхронных ТВ сигналов в полосе частот, отводимой для передачи одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму. Это ограничивает применение данного способа для совместной передачи N+W ТВ сигналов по каналам связи с заданной пропускной способностью.
Технический результат - обеспечение совместной передачи N и W синхронных аналоговых ТВ сигналов многоградационных изображений в частотной полосе одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму.
1
1
1
c
2
1
2
1
2
3
3
1
2
Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного способа передачи синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений, включающего на передающей стороне операции обработки и преобразования первой группы N синхронных аналоговых ТВ сигналов в N синхронные цифровые ТВ сигналы, путем аналого-цифрового преобразования, их объединение в первый многоуровневый результирующий сигнал S(t) путем цифроаналогового преобразования N синхронных цифровых сигналов, представленных в последовательном коде, формирования цифровых сигналов синхронизации, суммирования многоуровневого результирующего сигнала S(t) с сигналом синхронизации, его усиления и передачи по каналу связи, а на приемной стороне выполнение обратных операций над сигналами, включающих формирование сигналов синхронизации, тактовых и управляющих импульсов, аналого-цифрового преобразования многоуровневого результирующего сигнала S(t) с формированием N синхронных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, преобразование их в параллельный n-разрядный двоичный код, формирование N исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений путем цифроаналогового преобразования, на передающей стороне формируется сигнал опорной несущей частоты f, вводится операция обработки и преобразования второй группы W синхронных аналоговых ТВ сигналов в W синхронных цифровых ТВ сигналов путем аналого-цифрового преобразования, их объединение во второй многоуровневый результирующий сигнал S(t) путем цифроаналогового преобразования W синхронных цифровых сигналов, представленных в последовательном коде, формирования цифровых сигналов синхронизации, суммирования многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S (t) с сигналом синхронизации, где до передачи сигналов по каналу связи вводится операция преобразования двух сформированных многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S(t) в один результирующий сигнал S(t) с использованием квадратурной модуляции сигнала, а на приемной стороне осуществляют демодуляцию сигнала квадратурной модуляции S(t) с формированием двух многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S(t), после чего осуществляют выполнение обратных операций над этими сигналами для формирования N и W исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений.
2
1
2
3
Введение на передающей стороне ТВ системы формирования второго результирующего сигнала S(t), объединяющего W аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений, а также операции обработки многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S(t) и их преобразования до передачи по каналу связи в один результирующий сигнал S(t) с использованием квадратурной модуляции сигнала, а на приемной стороне выполнение обратных операций над сигналами позволяет увеличить количество передаваемых сигналов, число которых составит величину р=(N+W). При N=W число передаваемых сигналов увеличится в два раза по сравнению с известным способом передачи сигналов.
Число исходных сигналов в каждой группе сигналов N и W может быть одинаково четным или нечетным числом или в одной группе может быть четное число сигналов, а в другой - нечетное, то есть иметь свое значение в интервале чисел 2,3…≤N<Z и 2,3…≤W<Z. Это позволяет осуществить передачу сигналов с общим четным и нечетным числом исходных сигналов при их квадратурной модуляции. Использование известных операций обработки цифровых ТВ сигналов в предложенной новой последовательности и их применение в данном способе являются существенными и обеспечивают достижение поставленной цели.
1
2
3
Технический результат достигается за счет объединения на передающей стороне каждой группы N и W исходных сигналов в свой многоуровневый результирующий сигнал S(t) и S(t) и их последующего преобразования в результирующий сигнал S(t) с использованием квадратурной модуляции для последующей передачи его по каналу связи или видеозаписи.
1
2
1
2
c
1
2
3
c
3
1
2
1
2
Для достижения указанного результата предлагается способ передачи и приема телевизионных сигналов, включающий на передающей стороне операции обработки и преобразования первой (I) и второй (II) группы N и W(II) синхронных аналоговых ТВ сигналов в N и W синхронных цифровых ТВ сигналов путем аналого-цифрового преобразования, их объединение в первый и второй многоуровневый результирующий сигнал S(t) и S(t) путем цифроаналогового преобразования N и W синхронных цифровых сигналов, представленных в последовательном коде, формирование сигналов синхронизации, суммирование многоуровневого результирующего сигнала S(t) и S(t) с сигналом синхронизации, их усиление, формирование сигналов опорной несущей частоты f и преобразование сигналов S(t) и S(t) с использованием квадратурной модуляции в результирующий сигнал Sa (t), его усиление и передачу по каналу связи, а на приемной стороне выполнение обратных операций над сигналами, включающих усиление результирующего сигнала S(t) и выделение из него сигналов синхронизации, формирование сигнала опорной несущей частоты f, тактовых и управляющих импульсов, демодуляцию сигнала квадратурной модуляции S(t) с формированием двух многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S(t), аналого-цифрового преобразования многоуровневых результирующих сигналов S(t) и S(t) с формированием N и W синхронных цифровых ТВ сигналов в последовательном коде, преобразование их в параллельный n-разрядный двоичный код, формирование N и W исходных аналоговых синхронных ТВ сигналов многоградационных изображений путем их цифроаналогового преобразования.
c
Система передачи ТВ сигналов в полосе частот одного из них в цифровой форме, реализующая предлагаемый способ передачи N+W синхронных ТВ сигналов, содержит на передающей стороне (фиг.1) N+W источников ТВ сигналов 1, синхрогенератор 2, N+W аналого-цифровых преобразователей 3, N+W преобразователей параллельного кода в последовательный 4, цифроаналоговый преобразователь 5, сумматор 6, усилитель 7, квадратурный модулятор 8, фазовращатель 90° 9, усилитель 10, а на приемной стороне (фиг.2) - усилитель 12, селектор синхронизирующих сигналов 13, генератор опорной несущей частоты f 14, фазовращатель 90° 15, генератор тактовых импульсов 16, демодулятор (два синхронных детектора) 17, аналого-цифровой преобразователь 18, N+W преобразователей сигналов последовательного кода в параллельный 19, N+W цифроаналоговых преобразователей 20, формирователь строчных и кадровых синхроимпульсов 21, N+W видеоконтрольных блоков 22, а также канал связи 11.
1
2
1
2
3
Система передачи и приема телевизионных сигналов работает следующим образом. Синхрогенератор 2 формирует необходимые строчные и кадровые синхронизирующие и гасящие импульсы для синхронной работы N+W источников ТВ сигналов 1, а также формирует необходимые тактовые импульсы для работы N+W аналого-цифровых преобразователей 3 и N+W преобразователей кода 4, на выходах которых образуются цифровые ТВ сигналы, представленные в последовательном двоичном коде. Данные сигналы (в виде логического "0"или "1") поступают на входы 1,… j,… N и N+1,… N+j,… N+W цифроаналогового преобразователя 5 и 5, который на выходе формирует соответствующий уровень сигнала, в зависимости от значений сигнала на его входах. Рассмотрим случай, когда число источников ТВ сигнала равно N=W=3. В этом случае на выходе цифроаналогового преобразователя 5 и 5 будет сформировано 2 значений выходного сигнала.
Возможные сочетания сигналов на входе ЦАП
Уровни сигнала на выходе АЦП
0 0 0
U<sub>1</sub>
1 0 0
U<sub>2</sub>
0 1 0
U<sub>3</sub>
1 1 0
U<sub>4</sub>
0 0 1
U5
1 0 1
U<sub>6</sub>
0 1 1
U<sub>7</sub>
1 1 1
U<sub>8</sub>
1
2
1
2
1
2
1
2
c
c
c
z
Многоуровневые результирующие сигналы S(t) и S(t) с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5 и 5 через сумматоры 6 и 6 и усилители 7 и 7 поступают на первый и второй входы квадратурного модулятора 8, а на его третий и четвертый вход подается сигнал опорной несущей частоты f в квадратуре, то есть с фазовым сдвигом 90°. Значение частоты несущей f определенным образом связано с частотой строчной развертки ТВ изображения, то есть f=F(f). Данный сигнал формируется в синхрогенераторе.
3
1
2
1
2
На выходе квадратурного модулятора образуется результирующий сигнал S(t). Специальные сигналы синхронизации, необходимые для правильной работы синхронных детекторов на приемной стороне, а также строчные и кадровые импульсы, формируемые синхрогенератором 2, суммируются в сумматоре 6 с многоуровневыми результирующими сигналами S(t) и S(t), поступающими с выхода ЦАП 5 и 5.
1
2
Квадратурная модуляция осуществляется с помощью двух балансных модуляторов, на первый вход которых подается информационный сигнал S(t) и S(t), а на второй вход - сигнал опорной несущей частоты с фазовым сдвигом 90°. Как известно, при балансной модуляции в случае идентичности обеих плеч модулятора сигнал на выходе последнего возникает лишь при воздействии модулирующего сигнала. На выходе квадратурного модулятора 8 образуется результирующий сигнал:
1
2
Для демодуляции сигналов в приемной стороне используется синхронное детектирование. Правильная работа демодулятора (двух синхронных детекторов) зависит от частоты и фазы несущей, формируемой местным генератором и имеющим синхронизацию с передающей частью системы. Входные модулирующие сигналы - многоуровневые результирующие сигналы S(t) и S(t) имеют различное число уровней, количество которых определяется числом передаваемых исходных сигналов. При дискретной модуляции не амплитуды, а фазы каждой из двух квадратурных составляющих получается квадратурная фазовая манипуляция.
3
Результирующий сигнал S(t) с выхода линии связи 11 после соответствующего усиления в усилителе 12 поступает на вход селектора синхронизирующих сигналов 13, а также на первый вход демодулятора 17.
1
2
1
2
На выходе демодулятора 17 формируются результирующие многоуровневые сигналы S(t) и S(t), которые поступают на первый вход аналого-цифровых преобразователей 18 и 18 и преобразуются соответственно в первую (I) и вторую (II) группы N и W цифровых сигналов, представленных в последовательном двоичном коде. Для рассмотренного выше примера, когда N=W=3:
Уровни сигнала на входе АЦП
Сигналы на выходе AЦП
U<sub>1</sub>
0 0 0
U<sub>2</sub>
1 0 0
U<sub>3</sub>
0 1 0
U<sub>4</sub>
1 1 0
U<sub>5</sub>
0 0 1
U<sub>6</sub>
1 0 1
U<sub>7</sub>
0 1 1
U<sub>8</sub>
1 1 1
1
2
1
j
N
N+1
N+j
N+W
1
j
N
N+1
N+j
N+W
1
j
N
N+1
N+j
N+w
Сигналы с выходов каждого аналого-цифрового преобразователя 18 и 18 поступают на соответствующие входы преобразователей последовательного кода в параллельный первой (I) и второй (II) групп 19,… 19,… 19 и 19,… 19,… 19, выходные сигналы с которых поступают на соответствующие входы своих цифроаналоговых преобразователей 20,… 20,… 20 и 20,… 20,… 20, на выходе которых формируются исходные N и W аналоговые синхронные ТВ сигналы многоградационных изображений, которые далее подаются на информационные входы видеоконтрольных блоков первой и второй групп ТВ сигналов 22,… 22,… 22 и 22,… 22,… 22.
c
1
2
1
j
N
N+1
N+j
N+W
1
j
N
N+1
N+j
N+w
С выхода селектора 13 импульсы синхронизации поступают на вход местного генератора опорной несущей частоты f 14, сигналы с которого поступают на второй и третий вход демодулятора 17 в квадратуре, за счет использования фазовращателя сигнала 15. С выхода селектора 13 импульсы синхронизации поступают также на вход генератора тактовых импульсов 16, который формирует необходимые тактовые и управляющие импульсы с заданной частотой следования, которые поступают на вторые входы первого 18 и второго 18 аналого-цифрового преобразователя, на второй вход преобразователей последовательного кода в параллельный 19,… 19,… 19 и 19,… 19,… 19 соответственно, а также сигнал с третьего выхода селектора 13 поступает на вход формирователя строчных и кадровых синхроимпульсов 21, с выхода которого синхроимпульсы поступают на второй и третий вход видеоконтрольных блоков первой и второй групп ТВ сигналов 22,… 22,… 22 и 22,… 22,… 22 соответственно. На передающей стороне до цифроаналогового преобразования N и W синхронных цифровых ТВ сигналов по каждому сигналу могут быть введены устройства для компрессии (сжатия) видеоинформации (по стандарту MPEG-2, MPEG-4 и др.), и соответственно на приемной стороне после выполнения аналого-цифрового преобразования и формирования N и W синхронных цифровых ТВ сигналов могут быть введены устройства обработки сигналов для декомпрессии видеоинформации.
Кроме того, на передающей стороне до выполнения цифроаналогового преобразования N и W синхронных цифровых ТВ сигналов по каждому сигналу могут быть введены устройства обработки сигналов помехоустойчивого кодирования и преобразования структуры данных, и соответственно на приемной стороне после выполнения операции аналого-цифрового преобразования и формирования N и W синхронных цифровых ТВ сигналов - устройства, выполняющие обратные операции обработки сигналов.
Таким образом обеспечивается совместная передача N и W синхронных аналоговых ТВ сигналов многоградационных изображений в частотной полосе одного аналогового сигнала, преобразованного в цифровую форму.