Виды избыточности

Как видно из предыдущей главы, перевод аналогового сигнала в цифровую форму обуславливает увеличение необходимой полосы пропускания канала связи. Необходимо передавать цифровой поток, скорость которого, как минимум, в 2*n раза больше, чем f_в аналогового сигнала, где n – разрядность кодирования. По критерию Найквиста полоса частот, необходимая для передачи такого сигнала будет в n раз больше, чем для аналогового (скорость цифрового сигнала, который может быть передан по каналу связи с известной полосой пропускания, определяется как 2бит/с на 1 Гц полосы пропускания). Т.е. в одном Герце полосы частот можно передать цифровой сигнал со скоростью 2бит/с. Таким образом, один цифровой сигнал будет занимать n каналов соответствующего ему аналогового сигнала. Как же в цифровом вещании в полосе частот одного аналогового сигнала передают несколько цифровых?

Дело в том, что в вещательных сигналах есть избыточность, т.е. та информация, которую человек не способен воспринять, или та, которая передается несколько раз. Цифровая обработка позволяет изъять эту информацию из передаваемого сигнала, а на приемном конце, при необходимости, восстановить.

Избыточности, связанные с передачей телевизионного сигнала подразделяются на следующие:

1. Избыточность телевизионного изображения (пространственная и временная);

2. Избыточность телевизионного сигнала;

3. Психофизическая избыточность.

Избыточность телевизионного изображения связана с его свойствами. Пространственная заключается в том, что соседние элементы изображения коррелированны, т.е. похожи друг на друга. Действительно, если посмотреть на любую картинку или фотографию, мы найдем участки с одинаковой яркостью и цветностью. Временная избыточность телевизионного изображения заключается в том, что соседние кадры, следующие друг за другом, очень похожи. И только если произошла смена сюжета, соседние кадры совершенно разные. А это случается крайне редко (с точки зрения длительности одного кадра).

Избыточность телевизионного сигнала – это строчные и кадровые гасящие импульсы, в течение которых не передается информация об изображении. К примеру, при исключении строчных и кадровых гасящих интервалов из сигнала стандарта 4: 2: 2 при десятиразрядном кодировании, скорость цифрового потока уменьшится с 270 до 207 Мбит/с. На приемном конце их, конечно, необходимо восстановить.

Психофизическая избыточность связана со свойствами зрения. Можно привести три примера этой избыточности:

- мы не сразу видим всю картинку целиком после того, как посмотрели на нее, нам необходимо некоторое время, чтобы рассмотреть все ее детали (привыкнуть к ней). Поэтому в течении нескольких десятых долей секунды после смены сюжета изображение можно передавать с худшим качеством (мы этого не заметим);

- цветовая разрешающая способность зрения меньше яркостной, поэтому сигналы цветности можно передавать с меньшей четкостью, т.е. кодировать с меньшей частотой дискретизации (эта избыточность устраняется в форматах разложения 4: 2: 2, 4: 2: 0 и 4: 1: 1 и даже в аналоговых системах цветного телевидения, где сигналы цветности передаются в меньшей полосе частот, чем яркостный сигнал);

- шумы квантования не видны на мелких элементах изображения и на яркостных и цветовых переходах, а это высокочастотные составляющие спектра телевизионного сигнала, поэтому их можно квантовать на меньшее количество уровней (длина кодовых слов и, соответственно, скорость цифрового потока уменьшатся).

Надо заметить, что шумы квантования хорошо заметны на крупных деталях изображения с плавно меняющейся яркостью. Например, лицо крупным планом. При этом плавное изменение яркости превращается в скачкообразное. На самом деле при цифровой обработке телевизионного сигнала яркость всегда меняется скачкообразно, но при достаточном количестве уровней квантования мы этого не замечаем. Поэтому низкочастотные составляющие телевизионного сигнала необходимо квантовать на большое количество уровней.

Устраняя перечисленные избыточности, можно добиться значительного уменьшения скорости цифрового потока при незаметном ухудшении качества. Рассмотрим принципы устранения эти избыточностей.