Лекция7. Реализация полностью цифровых систем

ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Краткий исторический очерк

Рассматривая историю создания полностью цифровых телевизионных систем, необходимо ясно представлять себе, что параллельно протекало несколько процессов:

– развитие методов сжатия видеоинформации для самых разных областей применения (телевидение, хранение и обработка графической информации на компьютерах, мультимедиа, видеотелефон и другой видеосервис и т. д.);

– разработка и утверждение стандартов на методы кодирования и сжатия видеоинформации;

– поиск путей построения систем телевизионного вещания высокого разрешения с сохранением стандартной ширины полосы радиоканала; – развитие и совершенствование элементной базы.

Первая практически реализованная система телевидения высокого разрешения MUSE, созданная в Японии в первой половине 80–х годов и доведенная до стадии достаточно массового применения, сохраняла аналоговый сигнал в канале связи. При этом в передающей части системы аналоговый телевизионный сигнал преобразовывался в цифровую форму и обрабатывался с целью уменьшения требуемой для передачи полосы частот. Затем полученный цифровой сигнал преобразовывался обратно в аналоговую форму и передавался в аналоговом виде по каналу связи. В приемной части принятый аналоговый сигнал снова преобразовывался в цифровую форму, обрабатывался для восстановления исходного количества элементов изображения, опять преобразовывался в аналоговую форму и поступал на аналоговый монитор для отображения принятого изображения.

В системе MUSE, имеющей количество строк 1125 при частоте полей 60 Гц, исходный аналоговый сигнал имел верхнюю граничную частоту около 25 МГц. Аналоговый сигнал на выходе передающей части системы имеет верхнюю граничную частоту 8,1 МГц. Это слишком много для передачи по стандартным радиоканалам наземного телевизионного вещания, имеющим в США и в Японии ширину 6 МГц, но приемлемо для передачи с ЧМ по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. Сходный принцип построения и параметры имеет западноевропейская система ТВ высокого разрешения HD–MAC.

Под телевизионной системой мы понимаем в первую очередь систему наземного телевизионного вещания в метровом или дециметровом диапазонах длин волн с приемом на индивидуальные или коллективные антенны или с доставкой потребителям телевизионного сигнала по кабелю в тех же частотных диапазонах. Кратко рассмотрим историю работ по созданию таких цифровых телевизионных систем.

После появления в Японии и Европе упомянутых выше систем телевидения высокого разрешения MUSE и HD–MAC в США в 1987 году был объявлен конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения для утверждения в качестве стандарта. В первые годы на этот конкурс были выдвинуты различные аналоговые системы.

Система MUSE и другие системы, предусматривающие передачу только по спутниковым каналам, вскоре были сняты с рассмотрения. Это объяснялось тем, что в США около 1400 компаний наземного телевизионного вещания и очень широко развитая сеть кабельных линий. Вся эта инфраструктура рассчитана на ширину полосы частот телевизионного канала 6 МГц.

Рассматривались проекты телевизионных систем высокого разрешения, в которых по одному стандартному каналу передается

обычный сигнал NTSC, а по другому дополнительный сигнал, который в приемнике с соответствующим декодером позволяет получить изображение с большим количеством строк и элементов разложения в строке. В то время никто не мог предположить, что через несколько лет удастся по стандартному каналу с шириной полосы 6 МГц передавать сигнал полностью цифровой системы телевидения как обычного, так и высокого разрешения.

Первые предложения по полностью цифровым системам телевидения появились в 1990 году. В основе этих проектов лежали достижения в методах и технике эффективного кодирования и сжатия изображений. Работы в этой области проводились не только с целью создания цифровых телевизионных систем, но и для таких применений, как видеотелефон и видеоконференции, запись видеопрограмм на цифровые лазерные компакт–диски, компьютерная графика, видеосредства мультимедиа и др. В результате были выработаны методы сжатия изображений, о которых шла речь в разделах 3 и 4 данного пособия.

С каждым годом возрастало количество проектов цифровых телевизионных систем и улучшались их характеристики. В начале 1993 года последние аналоговые системы были сняты с рассмотрения. В мае 1993 года 4 группы компаний и исследовательских организаций, представлявших близкие по существу проекты, объединились в «GrandAliance» и в дальнейшем представляли единый проект, который и должен стать основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы в США. В числе создателей новой системы Массачусетский

Технологический Институт, корпорации Zenith, AT&T, GeneralInstruments, американские отделения Philips и Thomson и др.

Одновременно с разработчиками вели работу и организации, занимающиеся стандартизацией. Выше уже упоминался стандарт JPEG, определяющий методы и параметры кодирования неподвижных изображений. Для разработки стандартов кодирования движущихся изображений Международной организацией стандартизации (ISO) была создана рабочая группа MPEG (MotionPictureExpertsGroup – Группа Экспертов по Движущимся Изображениям). В результате ее работы был принят стандарт MPEG–1, определяющий методы кодирования движущихся изображений для запоминания в ЗУ компьютеров, в том числе на лазерных дисках CD–ROM.

В ноябре 1993 года был принят стандарт MPEG–2, предназначенный уже для телевизионного вещания и учитывающий особенности чересстрочной развертки. Следует отметить, что MPEG–2 – это не стандарт телевизионной системы, а только стандарт метода кодирования телевизионного изображения. Стандарт на систему в целом должен включать еще метод канального кодирования и модуляции несущей и ряд других параметров. Некоторые важные особенности MPEG–2 будут рассмотрены в дальнейшем изложении.

В 1994 году прошли успешные испытания оборудования цифровой телевизионной системы. В настоящее время и в Японии, и в Западной Европе ведутся работы в таком же направлении, так как признано, что полностью цифровые телевизионные системы более перспективны, чем гибридные MUSE и HD–MAC.

В нашей стране работы по цифровому телевидению ведутся в МТУСИ (бывший МЭИС), а также в ряде других высших учебных заведений и научно–исследовательских организаций.