No Image

Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
12 декабря 2019

Прежде чем разбираться в самих преобразованиях нужно знать, какие сигналы существуют. А их 3 типа:

Аналоговые – это сигналы непрерывные во времени, они определены во все моменты времени. Дискретные – это сигналы представленные последовательностью отсчётов, т.е. значениями сигналов в дискретные моменты времени. Цифровые – это сигналы дискретные во времени (или в пространстве) и квантованные по уровню. Вычислительные процедуры в компьютере выполняются именно в цифровых сигналах. Для того, что бы компьютер мог выполнить обработку сигнала необходимо выполнить преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. После обработки выполняется обратное преобразование, поскольку большинство бытовых устройств управляются аналоговыми сигналами. Структурная схема цифровой обработки сигнала в общем виде выглядит следующим образом:

Аналого-цифровое преобразование сигнала

Аналого-цифровое преобразование сигнала включает в себя два этапа:

Дискретизация сигнала (во времени или пространстве)

Квантование по уровню

Дискретизация аналоговых сигналов

По своей природе многие сигналы (телефонные, факсимильные, телевизионные) не являются цифровыми. Это аналоговые, или непрерывные, сигналы. Можно ли «переложить» живую человеческую речь на язык нулей и единиц, сохранив при этом все богатое разнообразие красок человеческого голоса, всю гамму человеческих эмоций? Другими словами, речь идет о том, как заменить непрерывный процесс последовательностью цифр, не потеряв при этом информации о непрерывном процессе.

С подобной проблемой мы сталкиваемся в жизни довольно часто. Если через очень короткие промежутки времени (скажем, через 1с) наносить значения температуры воздуха на график, то получим множество точек, отражающих изменение температуры (рис.). Таким образом, имеем дело не с непрерывной кривой изменения температуры, а лишь с ее значениями, отсчитанными через определенные промежутки времени. По сути говоря, мы описали некоторый непрерывный процесс последовательностью десятичных цифр. Подобный процесс называется диск­ретизацией непрерывного сигнала.

Аналогичный подход лежит в процессе дискретизации телефонного сигнала. Если в цепь микрофона (рис. ), где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ и периодически на короткие мгновения замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид узких импульсов с амплитудами, повторяющими форму непрерывного сигнала, и представлять собой нич­то иное, как дискретный сигнал. Интервал времени через который отсчитываются значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации.

Отсчеты непрерывного сигнала, так же, как и отсчеты температуры, следует брать с такой частотой (или через такой интервал времени), чтобы успевать отследить все, даже самые быстрые, изменения сигнала. Иначе при восстановлении этого сигнала по дискретным отсчетам часть информации будет потеряна и фор­ма восстановленного сигнала будет отличаться от формы исходного. Это означает, что звук на приеме будет восприниматься с искажениями.

В.А. Котельников доказал теорему, ставшую основополагающей в теории и технике цифровой связи. Суть этой теоремы состоит в том, что непрерывный сигнал, у которого спектр ограничен частотой F, может быть полностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым с частотой = 2F, т.е. через интервалы времени.

Квантование. Пусть в результате дискретизации непрерывного сигнала s(t) была получена последовательность узких импульсов. Амплитуды импульсов равны в этом случае мгновенным значениям сигнала s(t) в моменты i*tд , где i = 0, 1, 2, 3, . ; tд – период следования импульсов, или интервал дискретизации.

Подвергнем полученный сигнал квантованию по уров­ню (рис. 4.5). Для этого диапазон возможных значений амплитуд (т.е. диапазон значений первичного сигнала) делится на отрезки, называемые шагами квантования . Границы этих отрезков являются разрешенными для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, амплитуды передаваемых импульсов будут равны не мгновенным значениям первичного сигнала, а ближайшим разрешенным уровням.

Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня кван­тования, то квантование называют равномерным. Возможно неравномерное квантование, при котором шаги квантования различны.

В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от истинного. Эту ошибку можно рассматривать как специфическую помеху – шум квантования. Последний представляет собой случайную последовательность импульсов (рис. 4.6), максимальное значение амп­литуды которых не превышает половины шага квантования.

Чем меньше шаг квантования, тем меньше шум, но больше число передаваемых разрешенных уровней.

Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе квантованного сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием сигнала.

Кодирование. Познакомимся с одним замечательным свойством нашей системы счисления – позиционностью. Изобразим какое-нибудь число, например 777. В нем один и тот же знак «7» участвует 3 раза, но когда он стоит справа, то означает семь единиц, в центре – семь десятков, слева – семь сотен. Таким образом, при записи числа цифра может иметь начертание одно и то же, а цифровые значения – разные, в зависимости от места, позиции, разряда, на котором она стоит. Такой принцип построения чисел называется поместным, или позиционным. Для записи любых сколь угодно больших чисел достаточно десяти цифр! Каждая позиция, или разряд, числа имеет определенный «вес» (единицы, десятки, сотни и т.д.), поэтому число 777 можно расписать как 777 = 7  10 2 + 7  10 + 7, т.е. как семь сотен плюс семь десятков плюс семь единиц.

Число 10 является основанием системы счисления. Коэффициенты перед числами (число единиц второго разряда, т.е. десятков), (число единиц третьего разряда, т.е. сотен) и т.д. могут принимать значения, не превышающие основания системы: от 0 до 9.

В десятичной системе «вес» каждой позиции (или разряда) числа равен числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используют число 2. «Веса» первых 13 позиций (разрядов) двоичного числа имеют следующие значения:

В электронике сигналы делят на: аналоговые, дискретные и цифровые. Начнем с того, что все, что мы чувствуем, видим, слышим в большинстве своем является аналоговым сигналом, а то, что видит процессор компьютера – это цифровой сигнал. Звучит не совсем понятно, поэтому давайте разбираться с этими определениями и с тем как один вид сигналов преобразовывается в другой.

Типы сигналов

В электрическом представлении аналоговый сигнал, судя по его названию, является аналогом реальной величины. Например, вы чувствуете температуру окружающей среды постоянно, на протяжении всей жизни. Нет никаких перерывов. При этом вы чувствуете не только два уровня «горячо» и «холодно», а бесконечное число ощущений, которые описывают эту величину.

Для человека «холодно» может быть по разному, это и осенняя прохлада и зимний мороз, и легкие заморозки, но не всегда «холодно» это отрицательная температура, как и «тепло» — не всегда положительная температура.

Отсюда следует, что у аналогового сигнала две особенности:

1. Непрерывность во времени.

2. Число величин сигнала стремится к бесконечности, т.е. аналоговый сигнал нельзя точно поделить на части или проградуировать, разбив шкалу на конкретные участки. Способы измерения – основаны на единице измерений, и их точность зависит лишь от цены деления шкалы, чем она меньше, тем точнее измерение.

Дискретные сигналы – это сигналы, которые представляют собой последовательность отчетов или измерений какой-либо величины. Измерения таких сигналов не непрерывны, а периодичны.

Попытаюсь объяснить. Если вы установили термометр где-нибудь он измеряет аналоговую величину – это следует из вышеописанного. Но вы, фактически следя за его показаниями, получаете дискретную информацию. Дискретный – значит отдельный.

Читайте также:  Как помыть подоконники пластиковых окон

Например, вы проснулись и узнали, сколько градусов на термометре, в следующий раз вы на него посмотрели на градусник в полдень, и третий раз вечером. Вы не знаете, с какой скоростью изменялась температура, равномерно, или резким скачком, вы знаете только данные в тот момент времени, который наблюдали.

Цифровые сигналы – это набор уровней, типа 1 и 0, высокий и низкий, есть или нет. Глубина отражения информации в цифровом виде ограничена разрядностью цифрового устройства (набора логики, микроконтроллера, процессора etc.) Получается что для хранения булевых данных он подходит идеально. Пример, можно привести следующий, для хранений данных типа «День» и «Ночь», достаточно 1 бита информации.

Бит – это минимальная величина представления информации в цифровом виде, в нём может храниться только два типа значений 1 (логическая единица, высокий уровень), или 0 (логический ноль, низкий уровень).

В электронике бит информации представляется в виде низкого уровня напряжения (близкое к 0) и высокого уровня напряжения (зависит от конкретного устройства, часто совпадает с напряжением питания данного цифрового узла, типовые значения – 1.7, 3.3. 5В, 15В).

Все промежуточные значения между принятыми низким и высоким уровнем являются переходной областью и могут не обладать конкретным значением, в зависимости от схемотехники, как устройства в целом, так и внутренней схемы микроконтроллера (или любого другого цифрового устройства) могут иметь разный переходный уровень, например для 5-тивольтовой логики за ноль могут приниматься значения напряжения от 0 до 0.8В, а за единицу от 2В до 5В, при этом промежуток между 0.8 и 2В – это неопределенная зона, фактически с ее помощью отделяется ноль от единицы.

Чем более точные и ёмкие значения нужно хранить, тем больше нужно бит, приведем таблицу-пример с отображением в цифровом виде четырёх значений времени суток:

Ночь – Утро – День – Вечер

Для этого нам нужно уже 2 бита:

Аналогово-цифровое преобразование

В общем случае аналогово-цифровым преобразованием называется процесс перевода физической величины в цифровое значение. Цифровым значением является набор единиц и нолей воспринятых обрабатывающим устройством.

Такое преобразование нужно для взаимодействия цифровой техники с окружающей средой.

Так как аналоговый электрический сигнал повторяет своей формой входной сигнал, он не может быть записан в цифровом виде «так как есть» поскольку он имеет бесконечное число значений. Примером можно привести процесс записи звука. Он в первичном виде выглядит так:

Он представляет собой сумму волн с различными частотами. Которые, при разложении по частотам (подробнее об этом смотрите преобразования Фурье), так или иначе, можно приблизить к похожей картинке:

Теперь попробуйте это представить в виде набора типа «111100101010100», довольно сложно, не так ли?

Другим примером необходимости преобразования аналоговой величины в цифровую, является её измерение: электронные термометры, вольтметры, амперметры и прочие измерительные приборы взаимодействую с аналоговыми величинами.

Как происходит преобразование?

Сначала посмотрите на схему типового преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно. Позже мы к ней вернемся.

Фактически это сложный процесс, который состоит из двух основных этапов:

1. Дискретизация сигнала.

2. Квантование по уровню.

Дискретизация сигнала это определения промежутков времени, на которых измеряется сигнал. Чем короче эти промежутки – тем точнее измерение. Периодом дискретизации (Т) называется отрезок времени от начала считывания данных до его конца. Частота дискретизации (f) – это обратная величина:

После считывания сигнала происходит его обработка и сохранение в память.

Получается, что за время, которое считываются и обрабатываются показания сигнала, он может измениться, таким образом, происходит искажение измеряемой величины. Есть такая теорема Котельникова и из нее вытекает такое правило:

Частота дискретизации должны быть как минимум в 2 раза больше чем частота дискретизируемого сигнала.

Это скриншот из википедии, с выдержкой из теоремы.

Для определения численного значение необходимо квантование по уровню. Квант – это определенный промежуток измеряемых значений, усреднено приведенный к определенному числу.

Т.е. сигналы величиной от X1 до X2, условно приравнивается к определенному значению Xy. Это напоминает цену деления стрелочного измерительного прибора. Когда вы снимаете показания, зачастую вы их равняете по ближайшей отметке на шкале прибора.

Так и с квантованием по уровню, чем больше квантов, тем более точные измерения и тем больше знаков после запятой (сотых, тысячных и так далее значений) они могут содержать.

Точнее сказать число знаков после запятой скорее определяется разрядностью АЦП.

На картинке изображен процесс квантования сигнала с помощью одного бита информации, как я описывал выше, когда при превышении определенного предела принимается значение высокого уровня.

Справа показано квантование сигнала, и запись в виде двух бит данных. Как видите, этот фрагмент сигнала разбит уже на четыре значения. Получается, что в результате плавный аналоговый сигнал превратился в цифровой «ступенчатый» сигнал.

Количество уровней квантования определяется по формуле:

Где n — количество разрядов, N — уровень квантования.

Вот пример сигнала разбитого на большее число квантов:

Отсюда очень хорошо видно, что чем чаще снимаются значения сигнала (больше частота дискретизации), тем точнее он измеряется.

На этой картинке изображено преобразование аналогового сигнала в цифровой вид, а слева от оси ординат (вертикальной оси) запись в цифровом 8-битном виде.

Аналогово-цифровые преобразователи

АЦП или Аналогово-цифровой преобразователь может выполняться в виде отдельного устройства или быть встроенным в микроконтроллер.

Ранее в микроконтроллеры, например семейства MCS-51, не содержали в своем составе АЦП, использовалась для этого внешняя микросхема и возникала необходимость писать подпрограмму обработки значений внешней ИМС.

Сейчас они есть в большинстве современных микроконтроллеров, например AVR AtMEGA328, который является основой большинства популярных плат Ардуино, он встроен в сам МК. На языке Arduino чтение аналоговых данных осуществляется просто – командой AnalogRead(). Хотя в микропроцессоре, который установлен в той же не менее популярной Raspberry PI его нет, так что не все так однозначно.

Фактически существует большое число вариантов аналогово-цифровых преобразователей, у каждого из которых есть свои недостатки и преимущества. Описывать которые в пределах этой статьи не имеет особого смысла, так как это большой объём материала. Рассмотрим лишь общую структуру некоторых из них.

Самым старым запатентованным вариантом АЦП, является патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Это 5-ти битный АЦП прямого преобразования. Из названия патента приходят мысли о том, что использование этого прибора было связано с передачей данных через телеграф.

Если говорить о современных АЦП прямого преобразования имеют следующую схему:

Отсюда видно, что вход представляет собой цепочку из компараторов, которые на выходе своем выдают сигнал при пересечении какого-то порогового сигнала. Это и есть разрядность и квантование. Кто хоть немного силен в схемотехнике, увидел этот очевидный факт.

Кто не силен, то входная цепь работает таким образом:

Аналоговый сигнал поступает на вход «+», на все сразу. На выходы с обозначением «-» поступает опорное напряжение, которое раскладывается с помощью цепочки резисторов (резистивного делителя) на ряд опорных напряжений. К примеру, ряд для этой цепи выглядит наподобие такого соотношения:

Читайте также:  Как защитить айфон от вирусов

Urefi=(1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16)*Uref

В скобках через запятую указано, какую часть от общего опорного напряжения Uref подают на вход каждого входного напряжения.

Т.е. каждый из элементов имеет два входа, когда напряжение на входе со знаком «+» превышает напряжение на входе со знаком «-», то на его выходе появляется логическая единица. Когда на положительном (неинвертирующем) входе напряжение меньше, чем на отрицательно (инвертирующем), то на выходе – ноль.

Напряжение делиться таким образом, чтобы входное напряжение разбить на нужное количество разрядов. При достижении напряжения на входе на выходе соответствующего элемента появляется сигнал, схема обработки выводит «правильный» сигнал в цифровом виде.

Такой компаратор хорош скоростью обработки данных, все элементы входной цепи срабатывают параллельно, основная задержка этого вида АЦП формируется из задержки 1 компаратора (все же одновременно параллельно срабатывают) и задержки шифратор.

Однако есть огромный недостаток параллельных цепей – это необходимость большого числа компараторов, для получения АЦП высокой разрядности. Чтобы получить, например 8 разрядов, нужно 2^8 компараторов, а это целых 256 штук. Для десятиразрядного (в ардуино 10-разрядный АЦП, кстати, но другого типа) нужно 1024 компаратора. Судите сами о целесообразности такого варианта обработки, и где он может понадобиться.

Есть и другие виды АЦП:

Заключение

Преобразование аналогового сигнала в цифровой нужно для считывания параметров с аналоговых датчиков. Есть отдельный вид цифровых датчиков, они представляют собой либо интегральные микросхемы, например DS18b20 – на его выходе уже цифровой сигнал и его можно обрабатывать любыми микроконтроллерами или микропроцессорами без необходимости применения АЦП, или аналоговый датчик на плате на которой уже размещен свой преобразователь. У каждого типа датчиков есть свои плюсы и минусы, такие как помехоустойчивость и погрешность измерений.

Знание принципов преобразование обязательно для всех кто работает с микроконтроллерами, ведь не в каждой даже современной системе встроены такие преобразователи, приходится использовать внешние микросхемы. Для примера можно привести такую плату, разработанную специально под GPIO-разъём Raspberry PI, с прецизионным АЦП на ADS1256.

Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путем преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции:

1. Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени – отсчетов или выборок.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округление значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования.

3. Кодирование, в результате которого значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле – аналого–цифровом преобразователе (АЦП). В современной аппаратуре АЦП, как правило, реализуется в виде одной БИС. На входы АЦП (рис.4.1) подаются аналоговый сигнал u(t)и тактовые импульсы CТ , синхронизирующие моменты выборок. Выходные сигналы d1. dn образуют параллельный n–разрядный двоичный код, представляющий получающееся в результате аналого–цифрового преобразования число. Для определенности предполагается, что в схеме, показанной на рис.1.1, преобразование очередного отсчета начинается по фронту тактового импульса, а результат появляется на выходах АЦП по срезу тактового импульса. Поэтому сигналы d1. dn изменяются в моменты перехода сигнала CÒ из высокого состояния в низкое.

Параметры аналого–цифрового преобразования. Первым из них является частота дискретизации fД. В соответствии с теоремой Котельникова должно выполняться условие fД>2 fВ, где fВ – верхняя граничная частота преобразуемого в цифровую форму сигнала.

АЦП
)
(
t
U
Т
C
Т
C
d
d
d
t
d
)
(
t
U
t
t
t
t
t

Рис. 4.1. Входные и выходные сигналы АЦП

Отсюда следует, что частота дискретизации телевизионного сигнала, используемого в нашей стране fВ= 6МГц, должна быть не менее 12МГц . Для дискретизации используется ортогональная структура расположения отсчетов на передаваемом изображении (рис.4.2,а).

Рис.4.2. Расположение отсчетов при дискретизации изображения:

а – ортогональная структура; б – шахматная структура

Следует отметить, что в некоторых экспериментальных разработках систем цифрового телевидения используется шахматная структура расположения отсчетов (рис.4.2,б), лучше согласующаяся с особенностями зрительного восприятия. Искажения, возникающие при нарушении требований теоремы Котельникова. На рис.4.3,а показан спектр дискретизированного сигнала в случае, если fД>2 fВ. Спектр исходного сигнала занимает полосу частот от 0 до fВ (огибающая этого спектра показана более жирной линией). Влево от f = 0 показано симметричное продолжение спектра. В результате дискретизации в спектре возникают новые составляющие, огибающие которых совпадают по форме с огибающей исходного спектра, а точки, соответствующие точке f = 0 в исходном спектре, находятся на частотах fД,2 fД.

В
f
)
(
f
S
Д
f
Д
f
Д
f
Д
f
В
f
Д
f
Д
f
Д
f
f
f
а
)
б
)
)
(
f
S

Рис.4.3. Спектры сигнала после дискретизации в случаях выполнения

(а) и нарушения (б) условия теоремы Котельникова

Если условие теоремы Котельникова выполнено, и fВ

– количество уровней квантования Nкв, определяемое числом двоичных разрядов АЦП n в соответствии с соотношением

Рис.4.4. Ошибка квантования: а – зависимость от величины сигнала; б – график плотности вероятности

Выбор значения Nквосуществляется таким образом, чтобы влияние квантования на изображение не было заметно для получателя информация. На рис.4.4,а показана зависимость величины ошибки u , вносимой в сигнал квантованием, от величины сигнала и в случае равномерного квантования, т.е. когда уровни квантования отстоят друг от друга на одну и ту же величину h, называемую шагом квантования. При этом предполагается, что квантование осуществляется путем округления значения сигнала до ближайшего уровня квантования. Интервал значений сигнала, округляемых до одного и того же уровня квантования, называется интервалом квантования. Величина ошибки квантования u изменяется в пределах от –h/2 до h/2. На рис.4.4,б показан график плотности вероятности ошибки квантования в случае равномерного распределения вероятностей значений сигнала. Ошибка квантования является случайной величиной. Поэтому ее обычно называют шумом квантования. Дисперсия шума квантования при равномерном квантовании и равновероятных значениях сигнала равна (σш.кв.) 2 = h 2 /12, где σш.кв. – среднеквадратическая величина напряжения шума квантования. На изображении шум квантования может проявляться различным образом в зависимости от изменений яркости или цвета данного участка изображения. На участках, состоящих из мелких деталей, квантование приведет к случайным изменениям их яркости или цвета. На участках изображения с плавным изменением уровня видеосигнала квантование может привести к возникновению ложных контуров по тем линиям, на которых уровень видеосигнала пересекает границу двух смежных интервалов квантования. Равномерное квантование телевизионного сигнала, вообще говоря, не является наилучшим. Это обусловлено в первую очередь свойствами зрительного аппарата человека. Как известно, пороговое превышение яркости ΔBпоробъекта над фоном, при котором объект различается наблюдателем, подчиняется в первом приближении законуВебера–ФехнераΔBпор/ B = k, (4.2) где k = 0,015..0,020; B– яркость фона. Таким образом, с ростом яркости фона растет и порог ΔBпор. Отсюда следует, что в области значений телевизионного сигнала, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, чем в области, близкой к уровню белого. Однако техническая реализация неравномерного квантования существенно сложнее, чем равномерного. Вместо использования переменного шага квантования обычно выполняют предварительное нелинейное преобразование видеосигнала (компандирование). Примерный вид передаточной характеристики такого преобразования показан на рис.4.5. Как правило, компандирование совмещают с гамма–коррекцией телевизионного сигнала.

Uвх
Uвых

Рис.4.5. Передаточная характеристика нелинейного преобразования телевизионного сигнала

Читайте также:  Интерьер кухни в черно белом цвете фото

В современном телевидении повсеместно применяется равномерное квантование прошедшего нелинейное преобразование сигнала сколичеством двоичных разрядов АЦП n = 8, что дает количество уровней квантования. При этих условиях Nкв= 256шум квантования на изображении практически незаметен. На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, т. е. кодируется. Обычно используется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины. Рассмотрим требования Рекомендации 601 МККР (Международного комитета по радио), определяющие единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала для студийной аппаратуры. В этом стандарте предусмотрено раздельное кодирование сигналов яркости и цветности. Установлено одно значение частоты дискретизации сигнала яркости, равное 13,5МГц для обоих стандартов развертки – 25 Гц/625 строк и 30 Гц/525 строк. Каждый цветоразностный сигнал дискретизируется с вдвое меньшей частотой. При этом за время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 отсчетов каждого цветоразностного сигнала. Количество разрядов квантования n = 8. Таким образом, количество уровней квантования Nкв= 256 . При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16 уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за пределы номинального диапазона. Особое назначение имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации. При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Чтобы выполнялось это условие, на АЦП должны поступать не сами цветоразностные сигналы ERY , EBY (штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает, что сигналы прошли гаммакоррекцию), а сигналы CR, CB, формируемые в соответствии с соотношениями:

причем предполагается, что сигналы ER′−Y , EB′−Y изменяются в диапазоне (–0,5, 0,5).

На рис.4.6 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.

Произведение частоты дискретизации fД и числа разрядов квантования n называется скоростью передачи двоичных символов цифрового сигналаQ [бит/с]. Для цифровой студийной аппаратуры, удовлетворяющей требованиям Международного стандарта, получаются следующие значения этого параметра:

–для яркостного сигнала: QY=13,5·8=108Мбит/с; – для цветоразностного сигнала: QC= 6,75·8 = 54 Мбит/с.

Суммарная скорость передачи двоичных символов преобразованного в цифровую форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) равна: QS = QY + 2QC= 216 Мбит/с. В соответствии с принятыми обозначениями данный стандарт – цифрового кодирования телевизионных сигналов – обозначается 4:2:2.

Рис.4.6. Соответствие между уровнями аналоговых сигналов (8 цветных полос)и уровнями квантования по Рекомендации 601 МККР

Это означает, что частота дискретизации цветоразностных сигналов в два раза меньше, чем частота дискретизации яркостного сигнала, определенная на основании теоремы Котельникова, причем в каждой строке присутствуют оба цветоразностных сигнала. В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Начало активной строки — НАС» (SAVStart Active Video), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал «Конец активной строки — КАС» (EAVEnd Active Video) (рисунок 4.7). Каждый из сигналов содержит 4 символа, в том числе один символ единиц, два символа нулей (уровни квантования соответственно 1024 и 0, не используемые для видеоданных) и информационный символ, указывающий на тип сигнала и перемежение. Распознавание синхросигналов производится по 8 старшим битам. При выбранной частоте дискретизации 13,5 МГц и стандарте разложения 625 строк на периоде строки укладываются 864 периода, из которых для передачи полезных данных используются только 720, называемые активной частью строки. Начало цифровой строки совпадает с серединой переднего фронта строчного синхроимпульса. Чтобы передать 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов СR и СB, тактовая частота выбирается равной 27 МГц (для формата сигнала 16:9 частота дискретизации 18 МГц и тактовая частота 36 МГц). В стандарте 525 строк число циклов несколько меньше, но активная часть строки содержит те же 720 периодов, и формат передачи данных одинаков.

Рис.4.7 — Структура цифровой строки стандарта 625/50/2:1

Встречаются и другие варианты преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. Например, запись 4:2:0 означает, что в каждой строке присутствует один цветоразностный сигнал, частота дискретизации которого в два раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала, а запись 4:4:4 означает, что оба цветоразностных сигнала дискретизируются с той же частотой, что и яркостный. При переходе к новым стандартам разложения количество отсчетов в строке и, соответственно, частота дискретизации увеличиваются. В японском стандарте MUSE (1125 строк в кадре, частота кадров 30 Гц) сигнал яркости имеет верхнюю граничную частоту около 20 МГц и дискретизируется с частотой 48,6 МГц. В западноевропейском стандарте HD–MAC (количество строк 1250, частота кадров 25 Гц) частота дискретизации 54 МГц. Скорость передачи двоичных символов в таких телевизионных системах оказывается существенно больше. Рассмотренный метод кодирования цветного телевизионного сигнала называется компонентным (или раздельным), так как яркостный и цветоразностные сигналы преобразуются в цифровую форму раздельно, а затем полученные цифровые сигналы объединяются в единый цифровой поток данных. Компонентное кодирование хорошо приспособлено для студийной аппаратуры, в которой сигнал цветного телевидения разделен на компоненты. В то же время в некоторых применениях необходимо преобразовывать в цифровую форму полный сигнал одной из систем цветного телевидения (NTSC, PAL или SECAM). Такой вариант кодирования применяется в системах цифровой записи телевизионных сигналов на магнитный носитель и в цифровых преобразователях телевизионных стандартов. В таблице 4.1 приведены основные параметры преобразования в цифровую форму полных телевизионных сигналов стандартов NTSC и PAL.

Система NTSC (525 строк) PAL (625 строк)
Отсчетов в строке
Отсчетов в активной части строки
Структура отсчетов на изображении Ортогональная Ортогональная
Частота дискретизации, МГц 14,31818 17,734475
Скорость передачи двоичных символов, Мбит/c
Уровень гашения
Уровень белого
Уровень черного

Квантование сигналов осуществляется на 256 уровнях. Для обоих стандартов частота дискретизации берется равной

где 4 ⋅ fподн– частота цветовой поднесущей в данном стандарте.

Уровни гашения, белого и черного в таблице записаны в виде номеров соответствующих уровней квантования.

После преобразования полного сигнала системы цветного телевидения в цифровую форму, средствами цифровой техники могут быть выполнены такие операции, как разделение яркостного и цветоразностных сигналов, преобразование в другой стандарт, ослабление шума и др.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10616 — | 7341 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector