Základy televizní techniky (BZTV) Vypracované otázky ke zkoušce

Transkript

1 Základy televizní techniky (BZTV) Vypracované otázky ke zkoušce 1. Kolorimetrická soustava RGB. G Používá tří základní barvy: červená R ( = 700,0 nm ), zelená G ( = 546,1 nm ) a modrá B ( = 435,8 nm ). Pro zelenožlutou barvu znázorněnou vektorem OA platí R = 2, G = 3 a B = 0, A Pro bílou barvu znázorněnou vektorem OW platí R = 1, G = 1 a B = 1. Různé barvy reprezentované vektory se stejnou velikostí, ale s různými směry, nejsou barvy se stejným jasem!!! Jednotkový vektor (R) má jas 1 cd/m2, (G) má jas 4,59 cd/m2 a (B) má jas 0,06 cd/m2. 2 B W a) 1 2 R CHROMINANCE Chrominanční vektor je vektorový rozdíl mezi vektorem uvažovaného barevného světla a vektorem bílého světla, které má stejný jas jako pozorované barevné světlo. Jeho velikost závisí nejen na barvě, ale i jasu uvažovaného světla. Chrominanční vektor má tři složky (R-Y), (G-Y) a (B- Y). G 3 2 W CH A Pro bílé světlo je chrominanční vektor nulový R 1 2 B b) V případě, kdy není třeba znát informaci o jasu barvy, posuzujeme barvy podle průsečíku příslušného vektoru s jednotkovou rovinou. G 1 (G) A 1 Pro souřadnice bodů jednotkové roviny platí r + g + b = 1, kde r = R / ( R + G + B ) g = G / ( R + G + B ) b = B / ( R + G + B ) Pro barvu A dostáváme r = 2 / ( ,5 ) = 0,36 g = 3 / ( ,5 ) = 0,55 b = 0,5 / ( ,5 ) = 0,09 B 1 (B) 0 A 1 A 3 A 2 A 3 A 2 (R) 1 R

2 Pro bílou barvu platí r = g = b = 1/3. Každá barva je definovaná pouze souřadnicemi g, r, třetí souřadnice se určí ze vztahu b = 1 r g. Smluvní referenční bílá světla. Mezinárodní komise pro osvětlování MKO normalizovala různá smluvní bílá světla s označením A, B, C, D6500, E, I, W. Jsou charakterizována spektrálním složením, trichromatickými souřadnicemi nebo tzv. ekvivalentní teplotou, která udává teplotu absolutně černého zářiče při níž je spektrální složení stejné jako spektrální složení smluvního světla. Smluvní světlo W (někdy značované E nebo I) je izoenergetické světlo, jehož spektrální charakteristika je přímka vodorovná s osou frekvence (vlnové délky) v praxi nerealizovatelné. Smluvní světlo C odpovídá rozptýlenému dennímu světlu (Te = 6770 K, x = 0,3101, y = 0,3163), používá se v barevné televizi. 2. Kolorimetrická soustava XYZ. Normalizovaná soustava MKO (XYZ) Nevýhodou soustavy RGB se skutečnými základními barvami jsou záporné trojbarvé součinitele pro některé barvy. Další nevýhodou je složitý výpočet celkového jasu světla. Proto byly zvoleny nové základní barvy X, Y, Z, se sytostí větší než 100%, tedy barvy neskutečné. Jednotkové barvy (X), (Z) mají určitý tón a sytost, jsou však tmavé s nulovým jasem. Informaci o celkovém jasu barvy obsahuje třetí základní barva (Y). Libovolná barva je definovaná (avšak pouze matematicky) rovnicí A = X.(X) + Y.(Y) + Z.(Z). Jednotková množství těchto nových veličin byla volena tak, aby jejich směs vytvořila izoenergetické bílé světlo při X=1, Y=1 a Z=1. Musí platit W = 1.(X) + 1.(Y) + 1.(Z).

3 Poněvadž kolorimetricky můžeme měřit pouze se skutečnými barvami, udávají se transformační rovnice vyjadřující vztah mezi soustavami RGB a XYZ : X = 2,7690 R + 1,7518 G + 1,1300 B Y = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 B Z = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5943 B Pro výsledný jas barvy platí L = X.L(X) + Y.L(Y) + Z.L(Z) = Y, L(X) = L(Z) = 0, L(Y) = 1. Diagram barev MKO. Plošného znázornění barev lze dosáhnout opět průmětem jednotkové roviny do roviny X, Y. Doplňkové (komplementární) barvy jsou barvy, jejichž mísením může vzniknout bílá barva. Doplňkové spektrální barvy. Purpurové barvy se vyjadřují pomocí doplňkových spektrálních barev mají zápornou vlnovou délku. Sytost barvy, například D, je definována vztahem SD = ( DW / CW ). 100 [%] Citlivost lidského oka je v různých oblastech diagramu MKO různá. Největší barevná rozlišovací schopnost lidského oka je v ose I, nejmenší je v ose Q. Obě osy se protínají v bodě C. Při zmenšování barevné plochy přechází tříbarevný vjem na dvoubarevný (osa I) a při dalším zmenšování plochy vnímá oko již jen černobíle (bod C) využito u soustavy NTSC. Mísení barev. Pro určení výsledné barvy vytvořené ze dvou barev se používá pákové pravidlo. Při více barvách se pákové pravidlo využívá postupně.

4 3. Televizní kolorimetrie. Volba základních barev přijímače: Barvy, kterými budou zářit luminofory barevné obrazovky, se volí podle následujících požadavků: a) Barvy musí být vybrány tak, aby byly realizovatelné dostupnými luminofory s dostatečnou zářivostí a světelnou účinností. b) Aditivním mísením těchto barev je nutno pokrýt oblast nejčastěji se vyskytujících barev. c) Pro soustavy barevné televize NTSC, PAL i SECAM byly vybrány základní barvy (Re), (Ge), (Be), pro něž platí (Re) xr = 0,67 yr = 0,33 r = 610 nm (Ge) xg = 0,27 yg = 0,59 g = 537 nm (Be) xb = 0,14 yb = 0,08 b = 472 nm d) Používá se normalizované bílé světlo C, na které se vyrovnávají základní barvy (Re), (Ge), (Be). Platí C = 1. ( Re ) + 1. ( Ge ) + 1. ( Be ). e) Po vyrovnání je libovolná barva popsána barvovými součiniteli A = Re. ( Re ) + Ge. ( Ge ) + Be. ( Be ). Vzájemný vztah součinitelů X, Y, Z neskutečných základních barev a barvových součinitelů Re, Ge, Be televizních základních barev je dán rovnicemi X = 0,608. Re + 0,174. Ge + 0,200. Be Y = 0,299. Re + 0,587. Ge + 0,114. Be Z = 0,000. Re + 0,066. Ge + 1,112. Be Jas bílého světla C ( při jednotkových součinitelích Re = 1, Ge = 1, Be = 1 ) je Y = 0, , ,114 = 1 Podíl základních barev ( Re ), ( Ge ), ( Be ) na celkovém jasu je 29,9%(30%), 58,7%(59%). 11,4%(11%). Signál normalizovaných barevných pruhů Pro jednotlivé barevné pruhy se jasový signál určí z rovnice UY = 0,30.UR + 0,59. UG + 0,11. UB

5 Přenos barevného signálu na barevný a černobílý televizní přijímač UY = k.l = 0,299.UR + 0,587.UG + 0,114.UB Přenosové signály používané v barevné televizi Barva je definována třemi veličinami dvě nesou informaci o barevném tónu a sytosti, třetí nese informaci o jasu. Tyto informace musí být tedy přeneseny třemi nezávislými signály. Pro zajištění kompatibility černobílé a barevné televize musí jeden ze signálů přenášet informaci o celkovém jasu obrazu. Jednotlivé barevné signály přispívají k celkovému jasu obrazu podle rovnice: UY = k.l = 0,299.UR + 0,587.UG + 0,114.UB. Jasový signál je přenášen s dostatečným obsahem detailů a tedy dostatečnou šířkou frekvenčního pásma: B = 6 MHz pro CCIR D,K a B = 5 MHz pro CCIR B,G. Při přenosu bílého smluvního světla a jeho gradačních stupňů musí vymizet barevné signály, aby nezpůsobovaly rušivou strukturu v obraze. Zbývající dva signály musí proto odpovídat kolorimetrickým rozdílům musí to být signály chrominanční. Přenáší se signály UR UY a UB UY. Třetí chrominanční signál není třeba přenášet, neboť se na přijímací straně dá vytvořit v maticovém obvodu lineární kombinací přenášených signálů. Tyto signály lze přenášet s užším frekvenčním pásmem než signál jasový v důsledku menší barevné rozlišovací schopnosti lidského oka. Frekvenční pásma obou chrominančních signálů jsou zmenšena vhodnými filtry na cca 1,6 MHz. 4. Způsoby distribuce televizních signálů a úrovně v jednotlivých bodech řetězce. ASI!!! Základy televizního přenosu Ideální televizní přenos (přenos všech informací, které mohou vnímat naše smysly prostorové vidění, prostorový zvuk, vůně,...). V reálných televizních soustavách je přenášen obraz, který je rovinným průmětem snímané scény a jeho jednotlivé obrazové body se liší jasem a barvou. Divák na základě zkušeností doplňuje chybějící informace (bližší a vzdálenější předměty, vzdálenost objektu od kamery, aj.). Současně s obrazovými informacemi je přenášen i zvukový signál (prostorový) + doplňkové datové signály (teletext). Při nástupu barevné televize byl prvořadý požadavek slučitelnosti s černobílou televizí. Barevná televize využívá menší barevné rozlišovací schopnosti lidského oka a používá aditivní mísení barev - soustavy barevné televize NTSC, SECAM, PAL.

6 lichý půlsnímek sudý půlsnímek Kromě jasového signálu se u barevné televize přenáší i dva chrominanční signály s užším frekvenčním pásmem. Kmitočtová spektra jasového signálu a kódovaných chrominančních signálů jsou vzájemně proložena. Neustále se zvyšující nároky na kvalitu obrazu i zvuku vedly k rozvoji nových televizních systémů, které však již nejsou vzájemně kompatibilní (MAC, DVB). Televizní přenosová soustava: SNÍMACÍ A VYSÍLACÍ ČÁST PŘIJÍMACÍ ČÁST Zdroj obrazového, zvukového a datového signálu Režijní zpracování signálů Vysílací zařízení Přenosový kanál Přijímací zařízení - televizní kamera - záznamové zařízení - studio - přenosový vůz - pozemní vysílač - transpondér družice TV přenos - terestriální - kabelový - družicový - anténa - STB - TV přijímač - záznamové zařízení 5. Způsoby synchronizace, prokládané řádkování, jeho výhody a nevýhody. horní okraj obrazu Aby nevznikalo jasové blikání (Ferry-Porterův zákon), používá se prokládané řádkování 2:1 lichý a sudý půlsnímek. Předpoklad: obsah dvou sousedních půlsnímků se liší jen nepatrně (extrém případ rolety). Složitější synchronizační směs. 312, L S L S L S L S L S části snímkového zpětného běhu dolní okraj obrazu , Skutečný pohyb paprsku při snímkovém zpětném běhu mezi lichým a sudým půlsnímkem. Řádkové generátory pracují s frekvencí fh = Hz, půlsnímkové generátory pracují s frekvencí fs = 50 Hz. Prokládané řádkování umožňuje snížit požadovanou šířku pásmu signálu na polovinu.

7 Při prokládaném řádkování dochází k nedokonalému zobrazení šikmých čar a oblouků (např. téměř vodorovná čára tenisového hřiště, apod.) blikání 25 Hz. Nevýhody prokládaného řádkování a blikání velkých jasových ploch se u moderních TVP redukují pomocí půlsnímkových pamětí (analogový signál je převeden na digitální). Půlsnímkový rozklad pracuje s frekvencí 100 Hz, horizontální rozklad s frekvencí dvojnásobnou, tedy Hz. 312,5 řádku 312,5 řádku snímaná čára zkreslení vlivem prokládání řádků L S L S L S L S L a) A B Základní způsob prokládání (50 Hz, Hz) b) A A B B Odstraní blikání velkých bílých ploch (100 Hz, Hz) c) A B A B Odstraní blikání řádků při statických obrazech nebo při snímání z filmu (100 Hz, Hz) d) A A* B* B 10 ms Odstraní blikání řádků při středně rychlém pohybu (100 Hz, Hz) A* = interpolace 2 řádky z A + 1 řádek z B B* = interpolace 2 řádky z B + 1 řádek z A 20 ms t 6. Signály v televizní přenosové soustavě, časové průběhy signálů v televizním řádku a snímku, spektrum. Jasový signál U Y nese informaci o jasu jednotlivých obrazových bodů. Nabývá pouze kladných hodnot: U Y = k.l = 0,30.U R + 0,59.U G + 0,11.U B.Spektrum signálu je dáno normou. Stejnosměrná složka (střední hodnota) signálu nese informaci o středním jasu obrazu. Nízkofrekvenční část spektra obsahuje informaci o jasu velkých ploch. Vyšší frekvenční složky nesou informaci o detailech obrazu. Pro normy CCIR D, K lze odvodit f max = 7,366 MHz. Struktura obrazu odpovídající této frekvenci se však vyskytuje, velice zřídka. Pro normy CCIR D, K má spektrum kmitočtový rozsah 0 až 6 MHz, pro CCIR B, G má kmitočtový rozsah 0 až 5 MHz.

8 U Y U Ystř 0 t Zatemněný jasový signál Zateměný jasový signál U Z je jasový signál doplněný směsí řádkových a půlsnímkových zatemňovacích impulsů. U Z zatemňovací úroveň 0 doba trvání řádku ŘZI t Řádkový zatemňovací impuls ŘZI má podle normy šířku 12 ms (11,8 až 12,3 ms), což je 18,75% z celkové doby trvání řádku H = 64 ms ( 1 / Hz). Doba trvání řádku je tedy rozdělena na aktivní (viditelnou) část délky 52 ms a zatemněnou část délky 12 ms. Půlsnímkový zatemňovací impuls SZI má podle normy šířku 25 H (25 řádků = ms = 1,6 ms). Využívá se k přenosu přídavných informací (měřicí řádky, teletext aj.). V každém půlsnímku (312,5 H) je aktivních (viditelných) 287,5 řádků, 25 řádků je zatemněno. Úplný obrazový signál Úplný obrazový signál U O je zatemněný jasový signál doplněný směsí řádkových a půlsnímkových synchronizačních impulsů. U O ŘSI 4,5-4,9 s 1,3-1,8 s 100 % 75 % zatemňovací úroveň 5 % černý řádek bílý řádek 10 % 0 doba trvání řádku H ŘZI t Řádkový synchronizační impuls ŘSI má délku cca 5 ms, půlsnímkový synchronizační impuls SSI má délku 2,5 H. Před a za SSI je 5 vyrovnávacích impulsů (nastavení integračního článku v oddělovači synchronizační směsi). Vlastní SSI je rozdělen 5 udržovacími impulsy (zajištění řádkové synchronizace). Synchronizační směs má velikost odpovídající 25 % celkového rozkmitu obrazového signálu.

9 Úplný obrazový signál jednoho snímku (lichého + sudého půlsnímku B, G, D, K)

10 Synchronizační směs se odděluje v amplitudových oddělovačích. Půlsnímkové synchronizační impulsy se oddělují pomocí integračních RC článků (vyrovnávací impulsy). Úplný obrazový signál (ÚOS) může být v negativní nebo pozitivní polaritě. U O Negativní polarita ÚOS: větší jas obrazu = menší signál, používá se při modulaci na vf nosnou. zatemňovací úroveň U O Pozitivní polarita ÚOS: větší jas obrazu = větší signál, používá se při zpracování a rozvodu signálu v základním pásmu ( 1V šš / 75 W) bílý řádek černý řádek bílý řádek zatemňovací úroveň černý řádek 0 t Stejnosměrná složka ÚOS se nepřenáší, ale v případě potřeby se v důležitých bodech přenosového řetězce obnovuje pomocí obnovitelů stejnosměrné složky signál se upíná k temeni ŘZI. Za dolní hranici frekvenčního pásma ÚOS se považuje snímková frekvence f S = 25 Hz. 0 t Vlivem periodičnosti zatemňovací a synchronizační směsi je spektrum ÚOS (statický obraz) diskrétní. Při pohyblivém obraze se spektrum posouvá řádově pouze v jednotkách Hz. S UOS Hz 50 Hz 0 f h 2f h (n-1)f h nf h (n+1)f h f Detailní znázornění proložení spekter : Základní barevné signály Signály U R, U G, U B vytváří snímače CCD (dříve snímací elektronky vidikon) v kamerách BTV. Spektrum každého signálu má maximální kmitočet daný příslušnou normou, podobně jako jasový signál (6 MHz pro normy D, K; 5 MHz pro normy B, G). Označení U R, U G, U B je užíváno pro signály podrobené gradační korekci.

11 Gradační zkreslení je nelineární zkreslení vznikající v důsledku nelineární optoelektrické a elektrooptické transformace. Projevuje se zhuštěním gradační stupnice směrem k černé. L O Obrazovka g > 1, vidikon g < 1, CCD snímač g = 1. L O = K 1.(u G - U G0 ) L O = K 1.U G = 2,2 0 U G0 u G Chrominanční signály Vytvářejí se lineární kombinací základních barevných signálů a signálu jasového. Označují se U R - U Y, U G - U Y a U B - U Y. V soustavách barevné televize přenášejí informaci o barvě (barevném tónu a sytosti). Poněvadž rozlišovací schopnost lidského oka na barvu je menší než na jas, je kmitočtové spektrum chrominančních signálů omezeno a má menší šířku pásma než signál jasový. V soustavě PAL je šířka pásma chrominančních signálů 0 až 1,6 MHz. Úplný barevný signál U UBS 100 % 75 % 10 % 0 synchronizační implus barvy 1,0 0,89 bílá 0,44 chrominanční signál 0,59 0,63 0,70 0,59 0,59 0,63 0,44 0,30 0,41 0,11 0 černá jasový signál U mod 0 1,0 1,33 Je dán superpozicí úplného obrazového signálu, chrominančních signálů namodulovaných na barvonosnou vlnu podle příslušné soustavy barevné televize a synchronizačním impulsem barvy (burst). Označuje se zkratkami ÚBS, CBS (v angličtině) nebo FBAS (v němčině). barvonosná f b = 4,43 MHz S UBS Hz 50 Hz 0 f h 2f h 282 f 283 f h 284 f h 285 f h h 283,5 f f h V počátcích BTV musel ÚBS splňovat podmínku slučitelnosti s ČB televizí z čehož vyplynuly základní přenosové principy.

12 a) Princip sdílení frekvenčního pásma Informace o barvě musela být vložena do stejného frekvenčního pásma jako měla ČB televize. Chrominanční signály U R - U Y a U B - U Y, frekvenčně omezené (snížená barevná rozlišovací schopnost lidského oka) jsou namodulovány vhodnou modulací na barvonosnou vhodné stabilní frekvence. Na přijímací straně se oddělení spekter provádí hřebenovými filtry. b) Princip smíšených výšek Lidské oko vnímá detaily snímané scény pouze černobíle. Vyšší frekvence (od 1,6 MHz v závislosti na soustavě BTV) nesou informace pouze o jasu obrazu. c) Princip konstantního jasu Jas každého obrazového elementu musí být stejný jak při černobílém, tak i barevném přenosu. Proto se při barevném přenosu přenáší jasový signál U Y nesoucí informaci o celkovém jasu obrazu a dva chrominanční signály U R - U Y a U B - U Y, nesoucí informaci pouze o barvě obrazu. L = K (0,299 U R + 0,587 U G + 0,114 U B ) = K. U Y 7. Modulace analogového televizního signálu (obrazu i zvuku). Televizní signál Televizní signál TS je úplný obrazový (ÚOS) nebo úplný barevný signál (ÚBS) v základním pásmu 0 až f max namodulovaný na nosnou obrazu f no. Pro pozemní (terestriální) vysílání analogového signálu se používá amplitudová modulace (AM) s částečně potlačeným dolním postranním pásmem (A5) potlačení dolního pásma od frekvence f no - f 1. Na přijímací straně je nutné signál frekvenčně upravit (Nyquistova hrana) v mezifrekvenčním obrazovém zesilovači TVP (před demodulací). b) křivka selektivity TV vysílače c) křivka selektivity TVP (mf obrazového zesilovače) f no - f max dolní postranní pásmo ÚBS základní pásmo a) f no - f 1 Nyquistova hrana 6 db 0 f no f no - f 1 f no f no + f 1 horní postranní pásmo f max f no + f max f no + f max Nosná obrazu f no může být modulována signálem negativní nebo pozitivní polarity. Většinou se používá televizní signál s negativní polaritou ÚBS (CCIR D, K, B, G). b) c) f f f Srovnání obou modulovaných signálů z energetického hlediska se jeví výhodněji pro modulovaný signál s negativní polaritu ÚBS: W negativní : W pozitivní = 0,735. ÚBS základní pásmo 0 f max f

13 100% Televizní signál s POZITIVNÍ polaritou ÚBS černý řádek 25% t bílý řádek Televizní signál s NEGATIVNÍ polaritou ÚBS bílý řádek 100% 75% t černý řádek Úplný televizní signál Úplný televizní signál ÚTS je televizní signál a signál zvukového doprovodu namodulovaný na nosnou zvuku. Pro stereofonní zvukový doprovod jsou využívány 2 nosné zvuku f nz1 a f nz2. Nosná frekvence obrazu Nosné frekvence zvuku f no - f max f no - f 1 f no f no + f max f nz2 f f nz1 Úrovně všech signálů používaných v televizní technice se nejčastěji vyjadřují v jednotkách dbmv. Pro stanovení úrovně signálu v jednotkách dbmv z absolutní hodnoty napětí platí vztah: U1 V U1 dbv 20log 1V Jestliže je úroveň napětí signálu U 1 = 60 dbmv, znamená to, že napětí U 1 = 1 mv neboť platí U V 60dB V 20log 1 U1 1 1V V V mv Při změně napěťové úrovně signálu z jedné hodnoty na druhou je velikost změny vyjádřena v jednotkách db!! 8. Základní principy televizního přenosu. Ideální televizní přenos (přenos všech informací, které mohou vnímat naše smysly prostorové vidění, prostorový zvuk, vůně,...). V reálných televizních soustavách je přenášen obraz, který je rovinným průmětem snímané scény a jeho jednotlivé obrazové body se liší jasem a barvou. Divák na základě zkušeností doplňuje chybějící informace (bližší a vzdálenější předměty, vzdálenost objektu od kamery, aj.). Současně s obrazovými informacemi je přenášen i zvukový signál (prostorový) + doplňkové datové signály (teletext). Při nástupu barevné televize byl prvořadý požadavek slučitelnosti s černobílou televizí.

14 Barevná televize využívá menší barevné rozlišovací schopnosti lidského oka a používá aditivní mísení barev - soustavy barevné televize NTSC, SECAM, PAL. Kromě jasového signálu se u barevné televize přenáší i dva chrominanční signály s užším frekvenčním pásmem. Kmitočtová spektra jasového signálu a kódovaných chrominančních signálů jsou vzájemně proložena. Neustále se zvyšující nároky na kvalitu obrazu i zvuku vedly k rozvoji nových televizních systémů, které však již nejsou vzájemně kompatibilní (MAC, DVB). Televizní přenosová soustava: Rozklad obrazu : (viz. otázka č.5) Obrazový tok O(x,y,t) nezávisle proměnné jsou spojité v daných intervalech. Při rozkladu obrazu se využívá setrvačnosti lidského oka a jeho konečné rozlišovací schopností. Pro dosažení dojmu plynulého pohybu bez blikání obrazu musí být přeneseno za 1s minimálně 25 snímků (Ferry Porterův zákon, kritický kmitočet blikání). Při vyšších jasech velkých ploch je kritický kmitočet blikání až 70 Hz (100 Hz TVP, normy USA, kinematografie 24 snímků/s + opakování, v Evropě 25 snímků/s, f s = 25 Hz). Rozlišovací schopnost lidského oka je 0,5 až 1 úhlová minuta. Pro optimální pozorovací úhel 10 až 14 (pozorovací vzdálenost obrazu je 6 až 4 násobek jeho výšky) vychází pro poměr stran obrazu 4:3 počet řádků ve snímku 600 až 1200 (liší se podle normy, v Evropě 625 řádků ve snímku). Při periodickém rozkladu obrazu může mít obrazová funkce I(x,y,t) tvar: b) I(x,y,t) = O(x,y,t). R(x,y,t), kde R je rozkladová funkce (při snímání vidikonem) nebo c) I(x,y,t) = O(x,y,t). D(x,y,t), kde D je diskretizační funkce (při snímání CCD prvkem). Při rozkladu obrazu je paprsek (snímací i zobrazovací) vychylován elektromagneticky ve vodorovném i svislém směru. Z tohoto původního způsobu rozkladu jsou převzaty časové relace pro vysouvání signálu z posuvných registrů u CCD snímačů resp. LC zobrazovačů. Existují i soustavy s pomalým rozkladem (přenos meteorologických map, přenos z Měsíce, Marsu menší frekvenční pásmo lepší šumové poměry).

15 Při lineárním neprokládaném (progresivním) řádkování, postupuje paprsek na stínítku zleva doprava konstantní rychlostí řádkový (horizontální) činný běh signál je úměrný jasu a barvě jednotlivých obrazových bodů. Po dosažení pravého okraje obrazu se rychle vrací zpět řádkový (horizontální zpětný běh je zatemňován. Současně je paprsek vychylován shora dolů snímkový (vertikální) činný běh. Po dosažení dolního okraje obrazu se rychle vrací zpět snímkový (vertikální) zpětný běh je zatemňován. Požadavky na frekvenční stabilitu a přesnost rozkladových generátorů (krystalem řízené generátory nevyhovují nutná synchronizace). 9. TV normy: 10. Řádkové monolitické světlocitlivé snímače CCD (princip, realizace, použití). 10.1(úvod do problematiky) Monolitické snímače CCD Vyrábí se struktury řádkové (až několik tisíc bodů v řádku) nebo plošné (až několik milionů bodů ve čtvercové nebo obdélníkové matici) Výhody: a) malé rozměry (15 x 15 mm) a příkon, b) vysoká geometrická přesnost obrazu, c) široký spektrální rozsah (infra oblast), d) velký dynamický rozsah, e) lineární převodní charakteristika (g = 1),

16 f) vysoká citlivost, g) odolnost vůči elektromagnetickým polím Nevýhody: a) teplotní závislost (polovodič), b) snížení dynamického rozsahu Hlavní výrobci: Valvo, Fairchild, RCA Podle technologie výroby se monolitické světlocitlivé snímače označují: a) CCD nebo BCCD (Buried Charge Coupled Devices), b) CID (Charge Injection Devices), c) CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) (úvod do problematiky) Princip generace a transportu náboje V polovodiči typu P jsou majoritními nosiči náboje díry (+) a minoritními nosiči náboje elektrony (-). Polovodič NENÍ osvětlen, napětí U F = 0. V polovodiči jsou pouze volné elektrony vzniklé v důsledku nečistot a teplotní generace (T > 0K). Způsobují tzv. proud za tmy (řádově jednotky na U F = 0 kovová elektroda izolační vrstva SiO 2 a) Si polovodič typu P společná elektroda Polovodič NENÍ osvětlen, U F > 0. V důsledku napětí U F se pod elektrodou vytvoří oblast ochuzená o majoritní nosiče náboje, tzv. potenciálová jáma. Její velikost je úměrná velikosti napětí U F. Pod elektrodou jsou soustředěny nechtěné elektrony. U F > 0 b) potenciálová jáma Polovodič JE osvětlen, U F > 0. V důsledku osvětlení se v polovodiči generují páry elektron-díra. Elektrony se soustřeďují pod elektrodou, díry jsou od ní odpuzovány. Náboj elektronů je úměrný součinu intenzity osvětlení E a doby akumulace náboje. Doba osvětlení nesmí být příliš dlouhá (max. desítky ms podle aplikace), jinak dochází k saturaci potenciálové jámy. Náboj se musí co nejrychleji převést na obrazový signál (tepelná generace) U F > 0 c) potenciálová jáma h osvětlení Akumulovaný náboj se přesune pod transportní elektrodu, která je chráněna neprůsvitnou vrstvou. Transport je uskutečněn změnou napětí na transportní elektrodě T (z nuly na kladnou hodnotu) a poté na fotoelektrodě F (z kladné hodnoty na nulu)

17 U F > 0 U X = 0 transportní elektroda U F > 0 U X > 0 transportní elektroda a) b) h neprůsvitná vrstva h neprůsvitná vrstva osvětlení osvětlení U F = 0 U X > 0 transportní elektroda c) h osvětlení neprůsvitná vrstva Struktura pod transportní elektrodou tvoří analogový posuvný registr, kterým se nábojová kvanta transportují (přesouvají) na výstupní převodník Q/U (náboj/napětí). Transport nábojových kvant se uskutečňuje hlouběji v substrátu, v tzv. ponořeném kanálu, kde nedochází k ovlivnění nábojových kvant rekombinacemi elektronů na povrchových nečistotách (dosahuje se vyšší účinnosti přenosu až 0,99999) U T transportní elektrody U T t = t 1 dotace N + N kanál U T U T t = t 2 U T U T t = t 3 Analogové posuvné registry jsou řízeny soustavou dvou nebo třífázových řídicích signálů U T U T U T 0 t 1 t 2 t 3 t 10.2 (Jádro otázky) Řádkové snímače CCD Používají se k bezdotykovému měření rozměrů, ve scanerech, apod. V současné době se vyrábí řádkové snímače obsahující až obrazových bodů v řádku. Obrazový element (pixel) má rozměry cca 7 x 10 mm. Nábojová kvanta lze vysouvat signálem U T s maximální frekvencí cca 30 MHz. Pro generování barevných signálů (R, G, B) se před světlocitlivou vrstvu vloží barevné filtry (R, G, B) ve tvaru proužku takový snímač obsahuje 3 posuvné registry.

18 Signálem U X jsou všechna nábojová kvanta současně přesunuta do posuvného registru CCD, ze kterého se vysouvají na výstup do převodníku Q/U pomocí řídicích transportních signálů U T. U T, U T Posuvný registr CCD výstup U X pole spínačů světlocitlivá vrstva Řídícími signály z přepínače (1 z N) se postupně řídí spínače v poli spínačů. Na výstup a následně do převodníku Q/U se tak postupně dostávají nábojová kvanta z jednotlivých pixelů. U T Přepínač výstup pole spínačů světlocitlivá vrstva Pro zvýšení účinnosti přenosu u snímačů s velkým počtem pixelů v řádku se vysouvání nábojových kvant rozděluje na dvě části (liché a sudé pixely) do dvou registrů. U R U T, U T Posuvný registr CCD U X Pole spínačů n-2 n-1 n Pole spínačů světlocitlivá vrstva Převodník Q/U + přepinač Výstupní zesilovač výstup U O Posuvný registr CCD 11. Plošné monolitické světlocitlivé snímače CCD (princip, realizace, použití). Používají se převážně v televizních aplikacích. Vyrábějí se ve čtvercovém provedení (obsahují až 4000 x 4000 bodů) nebo obdélníkovém provedení vyhovující současným TV standardům pro poměry stran 4:3 i 16:9. Umožňují prokládané i neprokládané řádkování.

19 11.1 Snímač typu FT (Frame Transfer, Field Transfer) Skládá se ze dvou shodných částí. Po akumulaci náboje se během půlsnímkového zatemňovacího impulsu přesunou náboje ze snímací části do paměťové části. Jednotlivé světlocitlivé buňky se přitom využívají k přesunu náboje jako posuvné registry. Po přesunu náboje začíná ve snímací části nový akumulační proces, zatímco z paměťové části se náboje po řádcích přesunují do výstupního registru, na jehož výstupu (po převodu Q/U) se odebírá výstupní obrazový signál. snímací část zatemněná paměťová část výstupní registr výstupní obrazový signál Nevýhodou tohoto typu snímače je mazání obrazu ve svislém směru při snímání velkých jasných ploch projevuje se jasnými svislými pruhy. Důvodem je dvojí funkce každé buňky (snímač + posuvný registr). Lepší využití plochy snímače Snímač typu LT (Line Transfer) nebo IL (Interline) Rozměr cca 15 x 15 mm Horší využití plochy snímače. Menší efekt rozmazání obrazu Výstupní horizontální řádkový registr L L L L L S S S S S L L L L L S S S S S L L L L L S S S S S Převodník Q / U Výstupní zesilovač obrazový signál vertikální registry Mezi sloupce světlocitlivých buněk jsou vloženy vertikální registry, které jsou zakryty neprůsvitnou vrstvou. Každá buňka vertikálního registru je přiřazena světlocitlivé buňce pro lichý i sudý půlsnímek. Po akumulaci náboje při lichém půlsnímku jsou všechny náboje přesunuty do vertikálních registrů. Z nich jsou dále přesouvány po řádcích do výstupního horizontálního řádkového registru, ze kterého se během doby trvání jednoho řádku vysunou do převodníku Q/U, kde se vytvoří obrazový signál. Obdobný proces probíhá po akumulaci sudého půlsnímku.

20 11.3 Snímač typu FIT (Field Interline Transfer) světlocitlivé buňky vertikální registry paměťová část snímací část obrazový signál Výstupní zesilovač Výstupní horizontální řádkový registr Převodník Q / U Obsahují snímací i paměťovou část (FT) a navíc vertikální registry (LT), zakryté neprůsvitnou vrstvou. Během půlsnímkového zatemňovacího impulsu se přesunou všechny náboje ze světlocitlivé vrstvy do vertikálních registrů a dále se přesunou do zatemněné paměťové části Snímače se zvýšenou rozlišovací schopností Umístěním vertikálních registrů vedle světlocitlivé vrstvy se výrazně snižuje citlivost snímače (nevyužívá se všechno světlo dopadající na povrch snímače) a jeho rozlišovací schopnost (na povrchu nelze umístit dostatečný počet světlocitlivých buněk). U snímačů vyrobených technologií HAD (Hole Accumulated Diode) se zvětšila aktivní světlocitlivá plocha z 22% na více než 30%. Hradla pro odvádění přebytečného náboje vzniklého při nadměrném osvětlení snímače byla přemístěna do vlastního substrátu. Při technologie HYPER HAD je navíc nad každou světlocitlivou buňkou umístěna miniaturní čočka, která do ní soustřeďuje světlo z větší části povrchu snímače. Snižují se tím ztráty světla a citlivost snímače se zvýší na dvojnásobek. 12. Barevné vakuové obrazovky (in line). asi jen pro info: Konstrukce obrazovky

21 Uspořádání trysek, masky a luminoforů. Obrazovka IN LINE: 12.1 Elektronové trysky Na střední katodu je vždy přiváděn signál U G (největší podíl na celkovém jasu). Napětí na elektrodách vytváří elektronovou optiku. První elektronová čočka (k, g 1, g 2 ) usměrňuje elektrony do křižiště (crossover) tento bod je zobrazen na stínítku obrazovky. Druhá hlavní elektronová čočka (g 2, g 3, g 4 ) soustřeďuje elektrony do bodu na stínítku (při správném seřízení obrazovky je uprostřed stínítka stopa s průměrem 1 mm). Urychlovací elektroda g 4 (nazývaná anoda) má urychlovací napětí cca 20 až 25 kv (podle typu obrazovky) a je spojena s grafitovým povlakem obrazovky i metalickým stínítkem Stínící maska Je umístěna v čárovém ohnisku (vliv elektrického a magnetického pole na válec elektronů). Zachytává část elektronů, zahřívá se a roztahuje se. Podílí se na dosažitelném jasu obrazovky (trinitron, in line, masková

22 Maska je uchycena v rozích obrazovky pomocí bimetalových pásků. Směrem ke stínítku se otvory v masce trychtýřovitě rozšiřují (zabránění vzniku sekundární emise elektronů) Stínítko obrazovky Černé pásky (black strips) spolu s kouřovým sklem zvyšují dosažitelný kontrast. Luminofory mají složení: B sirník zinečnatý, G sirník zinečnato-kademnatý, R sulfoxid ytria. Hliníková fólie (tloušťka několik desítek mm) odráží světlo luminoforů ven z obrazovky. Je spojena s anodou i maskou. Vrstva sazí (černá plocha) odebírá teplo ze stínící masky. Moderní stínítka jsou plochá (flat) a obdélníkových obrysů (square) flat and square. U nich je sklo stínítka namáháno především v rozích proto jsou robustní. Výroba stínítka se provádí fotochemickou cestou

23 12.4 Vychylovací jednotka Obsahuje dvě soustavy vychylovacích cívek horizontální (řádkové) a vertikální (snímkové - půlsnímkové). Jejich tvar se navrhuje počítačem (přesné rozložení magnetického pole) neboť mají vliv nejen na geometrii obrazu ale i dobré zaostření paprsku. Na feritovém prstenci jsou umístěny toroidní cívky (vertikálně vychylující) a sedlové cívky (horizontálně vychylující). Výkon potřebný pro vychylování paprsku (především v horizontálním směru) tvoří největší část z celkového příkonu TVP a závisí na vychylovacím úhlu (běžně 110 ) a velikosti urychlovacího napětí Korekce poduškovitého zkreslení Poduškovité zkreslení vzniká v důsledku toho, že poloměr křivosti stínítka je větší než vzdálenost středu vychylování od středu stínítka. Ve směru sever-jih se koriguje pouze malými permanentními magnety, ve směru západ-východ (je větší) se koriguje elektronicky. Vychylovací proud cívek pro horizontální vychylování se moduluje signálem parabolického průběhu s půlsnímkovým kmitočtem.

24 12.6 Odmagnetovací (demagnetizační) cívka Přesnost dopadu elektronových paprsků na příslušné luminofory (čistotu barev), může ovlivnit i vnější magnetické pole (reprosoustavy, ale i magnetické pole Země). Proto je v obrazovce magnetické stínění magneticky měkký plech. Pro odmagnetování kovových částí obrazovky po sepnutí síťového spínače TVP se používá demagnetizační cívka umístěná na zadní části obrazovky. Cívka má cca 1000 Az a je přes pozistory (kladný teplotní součinitel odporu) připojena k síťovému napětí. Demagnetizace trvá několik desetin sekundy, poté procházejícím proudem pozistor zvýší svůj odpor a cívkou přestane téci proud. 13. Ploché obrazovky s kapalnými krystaly. Základní vlastnosti kapalných krystalů LC (Liquid Crystal): Kapalný krystal je organická látka s mechanickými vlastnostmi kapalin, ale optickými, elektrickými a magnetickými vlastnostmi pevných krystalických látek. Kapalné krystaly rozdělujeme na termotropické (uvedené vlastnosti mají v určitém teplotním rozsahu) nebo lyotropické (vzniknou rozpuštěním ve vhodném rozpouštědle). Využívají se dva základní jevy: dynamický rozptyl a jev TN-FEM (Twisted Nematic Field Effect Mode) vyžadující polarizátory světla. Mezimolekulárními vazbami se mezi krajními vrstvami molekul (jsou na sebe kolmé) vytvoří plynulé šroubovité uspořádání molekul. Jsou-li před krajní vrstvy umístěny polarizátory, světlo projde LC bez zeslabení. Podle uspořádání molekul mohou být LC ve třech fázích: A) nematické, B) smektické, C) cholesterické.

25 Článek LC Článek LC se skládá ze dvou skleněných destiček, na kterých jsou z vnitřní strany napařeny elektrody z Ni, Al, Au nebo Cr (průhledné nebo reflexní). Ty jsou potaženy slabou vrstvou SiO 2 s vytvořenými mikroskopickými rýhami, které vnutí přilehlým molekulám svůj směr. Obě vrstvy mají rýhování na sebe kolmé a molekuly u destiček proto zaujmou jejich směr. V LC se vytvoří šroubovitá struktura molekul. Na destičky jsou z vnější strany přilepeny polarizační fólie. Proti úniku LC je mezi destičky vloženo těsnění Vrstva LC má tloušťku 6 10 mm, jeho permitivita je Náhradní elektrické schéma článku je tvořeno paralelní kombinací kapacitoru a rezistoru (pomalejší reakce na změnu řídícího napětí). Článek LC není zdrojem světla!!! Pouze průchod světla ovlivňuje (světelný ventil). Viz obr vedle. Články LC mohou být: a) transmisní (T), tj. s jedním průchodem světla, b) reflexní (R) se dvěma průchody světla. Konstrukce a řízení obrazovky LC Používá se tzv. aktivní způsob rastrování s využitím spínacích unipolárních tranzistorů. Horní společná průsvitná elektroda je uzemněná. Dolní také průhlednou elektrodu tvoří malé plošky (čtvercové nebo obdélníkové), které se společnou elektrodou tvoří miniaturní kondenzátory jejichž dielektrikem je LC. Kondenzátory tvoří obrazové a současně paměťové buňky připojené přes spínací tranzistory k obrazovému signálu. Řídící elektrody spínacích tranzistorů v řádku jsou spojeny. Řízení obrazovky se provádí soustavou řádkových a sloupcových sběrnic. Na jednotlivé řádkové sběrnice přichází postupně signály, které zajistí sepnutí všech tranzistorů v řádku. Doba sepnutí odpovídá době trvání řádku podle televizní normy (H). Obrazový signál jednoho řádku se během doby řádku uloží postupným vzorkováním signálu do pamětí CCD (počet pamětí CCD = počet bodů v řádku). Po vybuzení řádkové sběrnice se v době ŘZI přesune obrazová informace ze všech pamětí CCD pro daný řádek (signálem pro řádkový spínač) na všechny buňky LC v řádku. Pro každý řádek jsou tedy vybuzeny všechny buňky současně, každá svým obrazovým signálem. Následuje vybuzení další řádkové sběrnice a zobrazení dalšího řádku, apod. Díky kapacitnímu charakteru LC buněk, zůstává na nich řídící napětí po celou dobu snímku (půlsnímku) téměř stejné. Při dalším vybuzení dochází pouze k úpravě předchozího napětí. Pro zajištění konstantního napětí během snímku (kdy je článek od sběrnic odpojen) a tedy konstantní světelné průchodnosti, se k němu paralelně zapojuje přídavný kondenzátor. 14. Plazmové obrazovky. Princip plasmové obrazovky Využívá výboje v plynu. Základem je buňka ve tvaru úzkého kanálu na jejíž stěně je nanesena fosforeskující látka, která po ozáření ultrafialovým světlem zazáří příslušnou barvou (R, G, B). Ultrafialové záření vznikne výbojem plynu v buňce. Jas buňky závisí na modulačním napětí anody (do 200 V). V zadní skleněné desce obrazovky jsou zataveny budící anody pro vytvoření výboje v plynu proti katodě. Budící anoda i katoda je společná pro jednu trojici buněk R, G, B.

26 V kanálcích je plyn (např. směs Helia a Xenonu), který při výboji mezi budicí anodou a katodou vytváří ultrafialové záření. Na stěnách kanálků v rovině desek jsou naneseny fosfory vydávající při výboji světlo příslušné barvy. Svítivost každé buňky závisí na napětí anody, která je vestavěna do přední průhledné desky. Anody buněk stejné barvy jsou ve svislém směru propojeny sloupcovými sběrnicemi. Katody společné trojici buněk jsou propojeny ve vodorovném směru řádkovými sběrnicemi. Řízení obrazovky je obdobné jako u obrazovky LC. Modulační napětí na anodě zůstává stejné po celou dobu řádku. Výbojové napětí je impulsové s frekvencí 100 khz a výškou do 300 V. Jas obrazovky dosahuje až 680 cd/m 2, kontrast až 200:1. Odezva na změnu modulačního napětí je cca 8ms. Velký pozorovací úhel (až 170 ). Nevýhodou je velká hmotnost. Zmenšování buněk má svou limitní mez, takže obrazovka je vhodná spíše pro velkoplošné zobrazení. 15. Soustava barevné televize NTSC. Soustava NTSC (National Television System Committee) Nejstarší soustava (splňuje požadavek slučitelnosti s černobílou televizí) vysílání zahájeno v roce 1954 v USA. Dnes se používá i v Kanadě a Japonsku. Byla vypracována i evropská varianta NTSC 4,43 (pro chrominanční signály) K přenosu informací o barvě se používají signály U I / a U Q / (americká varianta) nebo chrominanční signály U R / - U Y / a U B / - U Y / (evropská varianta). V obou případech se signály přenášejí současně, kvadraturně namodulované na jedinou barvonosnou vlnu. Frekvence barvonosné vlny f nb musí splňovat následující požadavky: a) je ve frekvenčním pásmu jasového signálu, b) musí být dostatečně vysoká, aby rušivá bodová struktura v reprodukovaném obraze byla velice jemná, c) musí být dostatečně nízká, aby signály nesoucí informaci o barvě mohly být přeneseny s dostatečnou šířkou pásma, d) zázněj f nz - f nb nesmí být na obrazovce viditelný. Americká varianta: f nb = 455. (1 0,001). (f h / / 2) = 3, MHz, kde f h / = Hz f h - kmitočet řádku. Evropská varianta: f nb = 567. (f h / 2) = 4, MHz, kde f h = Hz Dále je popisovaná pouze evropská varianta. Kvadraturní modulace Barvonosná vlna je rozložena na dvě složky vzájemně posunuté o 90. Každá z nich je amplitudově modulovaná jedním chrominančním signálem, přičemž barvonosná vlna je potlačena. Oba modulované signály se sečtou a vzniká kvadraturně modulovaný signál. Výsledný signál je amplitudově i fázově modulovaný. Jeho okamžitá hodnota nese informaci o barevné sytosti, okamžitá fáze informaci o barevném tónu. Jsou-li oba chrominanční signály nulové, je nulová i výsledná amplituda barvonosné vlny (přenos nepestrých barev bílé, šedé, černé). Chceme, aby signál zachovával fázi Kvadraturně modulovaný signál se vytváří pomocí dvou vyvážených modulátorů na jejichž vstupy se přivádí signály V = m 1. ( U R / - U Y / ) a U = m 2. ( U B / - U Y / ). Potlačení nosné musí být lepší než 46 db.

27 Kódovací obvody NTSC Zpožďovací vedení musí být zařazeno, proto aby barevné kontury nebyly posunuté oproti jasovým konturám. Výsledkem musí být překrytí barevného a jasového signálu. SS U R / U G / U B / kódovací maticový obvod U Y / součtový obvod zpožďovací vedení 0,7 s ÚOS m 1.(U R / - U Y/ ) m 2.(U B / - U Y/ ) dolní propust 0-1,6 MHz dolní propust 0-1,6 MHz cos t vyvážený modulátor R - Y vyvážený modulátor B - Y součtový obvod ÚBS NTSC sin t generátor barvonosné f b = 4,43 MHz fázový posuv 90 synchronizační impuls barvy -180 Jasový signál musí procházet přes zpožďovací vedení, aby se dosáhlo časového vyrovnání jasového a modulovaného signálu menšího než ± 35 ns (jinak vzniká na přechodech barevný obrys). Signály barevných pruhů Barevné pruhy představují základní televizní barvy a jejich doplňkové složky s maximální sytostí (3 základní barvy + 3 doplňkové +bílá + černá.) Jsou seřazeny podle jasového signálu určeného rovnicí U Y / = 0,30. U R / + 0,59. U G / + 0,11. U B /. Maximální amplitudy chrominančních signálů pro jednotlivé barvy (s maximálním jasem) se určí z rovnic / / / / / U R UY 0,70U R 0,59U G 0,11U B / / / / / U G UY 0,30U R 0,41U G 0,11U B / / / / / U U,30U 0,59U 0,89U B Y 0 R G B Amplituda výsledného signálu po kvadraturní modulaci se stanoví (pro jednotlivé pruhy) z rovnice F / / 2 / / U U U U 2 R Y B Y Součtem jasového signálu se signálem F se vytváří ÚBS (neboli kompozitní barevný signál). Jeho označení je také FBAS (Farb Bild Anstast Synchronization) nebo CVBS (Colour Video Blanking Synchronisation). Aby amplituda signálu ÚBS nepřesáhla úroveň synchronizačních impulsů a úroveň bílé o více než 33% (přemodulování), násobí se chrominanční signály před vstupem do modulátoru tzv. modulačními koeficienty m 1 a m 2. Oba koeficienty se stanoví z podmínky, že signály pro žlutý a modrozelený pruh nesmí přesáhnout úroveň bílé o více než 33%. Zmenšení modulačních signálů je na přijímací straně kompenzováno násobením těchto signálů koeficienty m 1-1, m 2-1. Přemodulování se zcela vyloučí snížením maximálního napětí základních barev na 75% (75/0/75/0). Kvadraturně modulovaný signál lze přehledně znázornit v pravoúhlém souřadnicovém systému V, U. Každé barvě přísluší v této rovině bod, daný souřadnicemi (redukovanými rozdílovými signály) V = 0,88 (U R / - U Y /) a U = 0,49 (U B / - U Y /), který určuje její barevnou sytost a barevný tón.

28 Fázorové zobrazení signálu se nazývá vektorigram. Na uvedeném principu pracuje vektorimetr, užívaný pro rychlou a přehlednou kontrolu barevného signálu NTSC. Synchronizační impuls barvy SIB (Colour burst) ŘSI SIB (burst) Je nezbytný pro přesné obnovení barvonosné vlny na přijímací straně (přesnost lepší než ± 5 ). Vysílá se 10 až 12 period harmonického signálu s frekvencí barvonosné v zadní části řádkového zatemňovacího impulsu ŘZI U S (0,9-1,1) U S Burst se nevysílá v době trvání vyrovnávacích a půlsnímkových synchronizačních impulsů. [%] ŘZI Má opačnou fázi než nosná pro složku U. Využívá se pro vypínání zesilovače barvy. 0 1,5 s 4,7 12 s 5,8 s t Otázka 5b: Jak rychle spočítáme např.u G když máme k dispozici jasový + 2chrominanční? Dosazením do rovnice signálu. Dekódovací obvody NTSC ÚBS NTSC hřebenový filtr U CH / U Y / zpožďovací vedení 0,7 s zesilovač jasového signálu ÚOS vypinač barvy pásmová propust 3-6 MHz chrominanční zesilovač U CH / cos t synchronní detektor R - Y synchronní detektor B - Y dolní propust 0-1,6 MHz dolní propust 0-1,6 MHz m 1.(U R / - U Y/ ) dekódovací maticový obvod m 2.(U B / - U Y/ ) U R / U G / U B / ŘSI oddělovač SIB sin t generátor barvonosné 4,43 MHz fázový posuv 90 Pro oddělení frekvenčně proložených spekter jasového a chrominančního signálu se používají hřebenové filtry. Hřebenový filtr s jedním zpožďovacím vedením. Použitím hřebenového filtru se výrazně zvýší jasová rozlišovací schopnost a naopak zeslabí přeslech diafotie (cross colour). Název filtru pochází od tvaru jeho amplitudové charakteristiky Hřebenový filtr ÚBS NTSC zpožďovací vedení H = 64 s + (součet) - (rozdíl) U Y U CH

29 U Y U CH U Y U CH U Y U CH U Y U CH U Y U CH n.f h (n+1).f h (n+2).f h (n+3).f h f Ostrá minima průběhu amplitudové charakteristiky lze odstranit zapojením se dvěma zpožďovacími vedeními Zkreslení soustavy NTSC Nesprávný průběh amplitudové (modulové) a fázové charakteristiky přenosového kanálu (především v oblasti vysokých frekvencí) způsobují lineární zkreslení. Pro jednoduchost je uveden příklad pouze pro složku V. a) přenos bez zkreslení, b) přenos s poklesem amplitudové charakteristiky v oblasti vyšších frekvencí, c) přenos se změnou fázové charakteristiky v oblasti vyšších frekvencí. V V V F V F V F V F V a) F V b) c) F V dolní F V horní F V dolní F V dolní F V horní F V horní U přeslech do signálu U Lineární zkreslení se projevuje zkreslením barevného tónu a barevné sytosti. Stejné důsledky má i příjem odražených signálů. U přeslech do signálu U U 16. Soustava barevné televize PAL Vysílaný signál Zpracování signálu v TVP Soustava PAL (Phase Alternating Line) Soustava PAL, vznikla počátkem 60. let v laboratořích firmy Telefunken v NSR. Byla používána v západní Evropě. Dnes je zavedena i v ČR. řádek 51 F F F V F V F U F U Vychází z principů soustavy NTSC. Periodickým střídáním fáze barvonosné složky V o 180 v každém následujícím řádku se navíc kompenzuje lineární zkreslení, které výrazně postihuje soustavu NTSC. řádek 52 F V - F V F V důsledku komutace složky V (s frekvencí f h /2) dochází k obohacení spektra barvonosného signálu ve srovnání se soustavou NTSC. K proložení spekter jasového a barvonosného signálu musí být proto použit čtvrtřádkový offset. Frekvence barvonosné vlny je 4,43 MHz. řádek 53 F* F* F F F V F V Oba chrominanční signály V, U jsou stejné jako u soustavy NTSC. Frekvenční šířka pásma každého signálu je však 1,3 MHz. Každý signál se amplitudově moduluje na příslušnou nosnou s částečně potlačeným horním postranním pásmem (potlačení od 0,57 MHz). řádek 54 F F V - F V F* F*

30 Vektorigram signálu barevných pruhů PAL má v důsledku přepínání složky V dvojnásobný počet bodů V diagramu se vytvoří i komplexně sdružené body. Je zde zakreslena i fáze SIB pro dva po sobě následující řádky (135 a 225 neboli ±45 vůči ose U). Princip eliminace lineárního zkreslení Předpoklad: obsah dvou následujících řádků se nemění. vysílaný signál přenosová cesta TVP F1 F1 F F řádek 51 F V F1 F U F F2 řádek 52 - F V F* F* F*2 F2 F*2 Nejhorší případ: na ostrém vodorovném rozhraní mezi červeným a zeleným řádkem se vytvoří řádek žlutý (téměř nepozorovatelný). Při vektorovém součtu F1 a F2 vzniká nepatrná chyba barevné sytosti (opraví se změnou zisku zesilovače barvy). Eliminace lineárního zkreslení při příjmu odražených signálů při barevném přenosu PAL. V M B - odražený signál A - přímý signál C 52 C 51 A 51 Vysvětlete, proč jsou tedy vidět na obrazovce TVP odražené signály, tzv. duchy??? Způsobeny zpožděním jasového signálu, barvonosný signál je korigován. Viz obrázek. B52 B 51 A 52 U Barvonosný signál C* 52

31 Kódovací obvody PAL SS U R / U G / U B / kódovací maticový obvod U Y / součtový obvod zpožďovací vedení 0,7 s ÚOS 0,88.(U R / - U Y/ ) 0,49.(U B / - U Y/ ) dolní propust 0-1,3 MHz dolní propust 0-1,3 MHz + - cos t kruhový modulátor V kruhový modulátor U součtový obvod ÚBS PAL f h /2 sin t generátor barvonosné 4,43 MHz přepínač fáze fázový posuv 90 SIB 135 a 225 SIB střídá fázi o ± 45 vzhledem k zápornému směru osy U (ve střídání fáze je ukryta informace o přepínání složky V). Přepínací kmitočet je f h /2. Dekódovací obvody PAL Liší se podle způsobu vytváření vektorového součtu signálů dvou sousedních řádků F = (F1 + F2) / 2 PAL S (simple) jednoduchá soustava PAL (dnes se již nepoužívá). Fázové chyby jsou vizuálně kompenzovány lidským okem, pokud nepřekročí hodnotu 20 až 25. Při větších fázových chybách je již pozorovatelný žaluziový efekt (Hanoverské proužky). PAL N (new) umožňuje odstranit i chybu barevné sytosti v důsledku zmenšení vektoru F (při dělení 2). Synchronní demodulace se uskutečňuje v osách pootočených vůči původním osám o úhel odpovídající fázovému zkreslení. Poněvadž F1 lineární zkreslení je funkcí času, musí okamžitá fáze barvonosné sledovat okamžitou hodnotu fázového zkreslení. Rekombinátor barvonosné při dekódování PAL N je složitý a používá se pouze u F profesionálních zařízení PAL DL (delay line) používá ultrazvukové zpožďovací vedení a fázové zkreslení může nabývat libovolné hodnoty. Doba zpoždění signálu v ultrazvukové zpožďovací lince je 283,5 283,5 63, s 6 f nb 4, >zpoždění F2 doby jednoho řádku (64µs), není přesné a může způsobovat drobná zkreslení.

32 Dekódovací obvody PAL DL ÚBS PAL zesilovač a hřebenový filtr U CH / U Y / zádrž barvonosné frekvence zpožďovací vedení 0,7 s zesilovač jasového signálu ÚOS pásmová propust 3-6 MHz přímý signál součtový obvod F V synchronní detektor V m 1.(U R / - U Y/ ) vypinač barvy chrominanční zesilovač U CH / ultrazvukové zpožďovací vedení 63,9 s zpožděný signál fázový posuv cos t - dekódovací maticový obvod U R / U G / U B / impuls sandcastle oddělovač SIB přímý signál synchronizace přepínače f h /2 součtový obvod F U synchronní detektor U sin t m 2.(U B / - U Y/ ) rekombinace barvonosné řízený krystalový oscilátor fázový posuv 90 přepinač PAL fázový posuv 180 Signál F U se vytváří jako součet přímého a zpožděného signálu (z výstupu zpožďovací linky). přímý signál součtový obvod F V Signál F V se vytváří jako součet přímého a zpožděného signálu (z výstupu zpožďovací linky), avšak posunutého o 180 (invertovaného). U CH / ultrazvukové zpožďovací vedení 63,9 s zpožděný signál fázový posuv 180 Signál F V sice mění v každém řádku svoji polaritu, ale protože ji současně mění i nosná (± cos wt) synchronního detektoru V, je na výstupu detektoru signál ve správné polaritě. přímý signál součtový obvod F U přepinač PAL SIB fázový komparátor R 1 U 1 R 2 U 2 řídící obvod (varikap) krystalový oscilátor -sin nb t C 1 C 2 Rekombinace nosné se provádí fázovým závěsem. Fázový komparátor porovnává fázi signálu z krystalového oscilátoru (180 ) a fázi vstupního signálu SIB (135 resp. 225 ). Na výstupu komparátoru je napětí úměrné rozdílu fází obou signálů. Za komparátorem jsou zapojeny dva integrační články, pro jejichž časové konstanty platí R 1 C 1 < R 2 C 2. Na C 1 se vytváří periodické napětí U 1 s periodou 2H (kmitočtem f h /2), které se po úpravě používá v přepínači PAL ke změně fáze nosné pro synchronní detektor V. Řídící napětí U2 mění kapacitu varikapu, který upravuje fázi a kmitočet signálu krystalového oscilátoru tak, aby sledoval kmitočet a fázi SIB.

33 17. Soustavy MAC Soustavy MAC (Multiplexed Analogue Components) Vznikly s rozvojem družicového vysílání (1982, britská společnost IBA). Označují se také jako soustavy s časovým multiplexem (TDM), při kterém se postupně během jednoho řádku přenášejí analogové složky signálu zvukového, barevného a jasového (pro daný řádek). Přednosti systémů MAC: vyloučení vzájemného přeslechu jasové a chrominančních složek, vyloučení intermodulačních zkreslení způsobených přenosem několika modulovaných signálů ve společném frekvenčním pásmu, zlepšení S/N o 3 db (u kompozitních signálů se využívá pouze 75% rozkmitu signálu), účinnější využití frekvenčního pásma (zvětšení frekvenčního pásma hrominančních signálů), zvýšení kvality zvukových signálů, možnost přenosu několika zvukových doprovodů, možnost scramblování (šifrování) signálu, zlepšení řádkové i snímkové synchronizace (pokud C/N 2 db nedojde ke ztrátě synchronizace), aj. Základní způsoby vzorkování a komprimace Pro vzorkování jasového signálu byla zvolena frekvence fvz = 13,5 MHz. Při vzorkování 4:4:4 se složkové signály U, V vzorkují se stejnou frekvencí jako signál jasový. Vzorky signálu se uloží do analogové paměti (CCD) a podle způsobu kódování (4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, atd.) se časově komprimují příslušným činitelem komprese KS, tj. čtou se z paměti s frekvencí KS krát vyšší. Kompresí se rozšíří spektrum příslušného signálu úměrně KS. B kom Y f m K Y K B Y Y f vz Y K U K 1,5.5,5 8,25 MHz f vz U V f vz V B 1,5.13,5 3.6,75 3.6,75 20,25 MHz kom U K U B U 3.2,75 8,25 MHz B kom V K V B V 3.2,75 8,25 MHz Přenos zvukových a datových signálů Vzorkovací frekvence fvz je současně hodinou frekvencí pro digitální zpracování zvukového signálu. Pro jeho přenos je vyhrazen interval cca 10 ms. Vzorkovací frekvence fvz ZV = 32 khz. Počet bitů na jeden vzorek může být až 14. Je možné přenášet až 8 signálů MONO nebo 4 signály STEREO. Soustava C-MAC Je základem pro soustavy D-MAC a D2-MAC. Složkové signály U, V se vysílají ob řádek. V lichých řádcích se vždy vysílá signál U, v sudých řádcích signál V. Jednotlivé signály nemohou na sebe navazovat okamžitě proto jsou mezi nimi oblasti přechodu b, T1, T2, T3, k. Prvních 6 bitů je vyhrazeno pro řádkovou synchronizaci. Pro liché řádky se přenáší kód , pro sudé kód (rozlišení složkových signálů U, V). V intervalu 10 ms se přenáší 206 bitů. To umožňuje přenos 6 zvukových signálů.

34 Vásledný signál C-MAC vzniká na vf úrovni. Během jednoho řádku se mění modulační metoda. K přenosu obrazových signálů se používá frekvenční modulace se zdvihem ± 13,5 MHz, pro přenos digitálních signálů se používá modulace BPSK nebo QPSK. Výsledná šířka pásma je větší než 20 MHz. 18. Přenos zvukových signálů pomocí dvou nosných, způsoby zpracování zvukových signálů. Televizní přenos zvukových signálů Maximální frekvenční zdvih je ± 50 khz nebo ± 30 khz s konstantní preemfází o hodnotě 50 µs, 75 µs nebo frekvenčně závislou J17. Šířka pásma frekvenčně modulovaného signálu se přibližně určí podle jednoduchého Carsonova vztahu B = 2 ( f + fmax ), kde f je frekvenční zdvih a fmax je maximální frekvence modulačního signálu. Soustava se dvěma nosnými Obě nosné jsou frekvenčně modulovány analogovými signály. Frekvence nosných a úrovně zvukových signálů pro normy B/G a D/K. První nosná (hlavní, původní) je vzdálena od nosné obrazu o 5,5 MHz (B/G), resp. 6,5 MHz (D/K). Pro normy B/G má druhá (vedlejší) nosná frekvenci 5, MHz (367,5 násobek fh). Pro normy D/K má druhá (vedlejší) nosná frekvenci 6, MHz (400,5 násobek fh). Frekvence druhých nosných jsou voleny jako lichý násobek poloviny řádkové frekvence z důvodů minimalizace rušení ve vlastním nebo sousedním kanálu. Odstup dvou nosných zvuku (v uvedených normách) je 242,1875 khz (15,5 fh). Z důvodů potlačení interferencí se druhý zvukový signál vysílá s výkonem o 7 db (5x) menším než je výkon prvního zvukového signálu, který je o 13 db (20x) menší než výkon obrazového signálu. Poměr výkonů zvukových signálů k výkonu obrazového signálu je tedy 1:20 a 1:100. Z důvodů kompatibility s TVP pro monofonní příjem zvuku se hlavní nosná moduluje signálem (L+R)/2 a vedlejší nosná signálem R, kde L (left) a R (right) jsou zvukové signály levého resp. pravého kanálu. V obou případech se používá frekvenční modulace s maximálním frekvenčním zdvihem f = ± 30 khz a preemfází 50 ms.

35 TV studio mono stereo dva zvuky poznámka 1. zvukový signál 2. zvukový signál rozlišení M M 01 L R 10 M1 M2 00, 11 Informace o rozlišení se přenáší v 16. TV řádku, 5. slovo, bit 1 a 2. Kodér 1. zvukový signál 2. zvukový signál rozlišení M M 0 Hz (L+R)/2 R 117 Hz M1 M2 274 Hz Pilotní frekvence 54,6875 khz (3,5 f h ), 50% AM s rozlišovací modulační frekvencí Vysílač frekvence nosné zvuku frekvenční zdvih poměr výkonů P obraz / P zvuk 1. zvukový signál f no + 6,5 MHz 30 khz 13 db 2. zvukový signál f no + 6, MHz 30 khz + 2,5 khz pilotní signál 20 db Preemfáze deemfáze Předností frekvenčního demodulátoru je celkové zlepšení poměru signál/šum výstupního signálu. Frekvenční závislost efektivní hodnoty výstupního šumového napětí demodulátoru však způsobuje, že poměr signál/šum jednotlivých složek demodulovaného signálu klesá s rostoucí frekvencí. U š log U mod U dem log frekvenční modulátor přenosový kanál frekvenční demodulátor log K odstranění uvedené kmitočtové závislosti se používají korekční obvody. U mod U š U dem log log log U obvod preemfáze obvod deemfáze U / log frekvenční modulátor přenosový kanál frekvenční demodulátor log Před vstupem do frekvenčního modulátoru se do cesty signálu zařadí obvod preemfáze, který zdůrazní jeho vyšší frekvenční složky spektra. Obvod má charakter derivačního článku. Na výstup frekvenčního demodulátoru se zařadí obvod deemfáze, který potlačí vyšší frekvenční složky spektra, a to nejen užitečného signálu, ale i šumu. Obvod má charakter integračního článku. Zařazením obvodů preemfáze a deemfáze se dosáhne téměř konstantní závislosti poměru signál/šum na frekvenci.

36 V případě jednoduchých obvodů preemfáze a deemfáze (derivační a integrační článek), jsou oba obvody popsány časovou konstantou t = RC [ms], která určuje jejich mezní frekvenci w = 1/t (dolní resp. horní). U složitějších obvodů preemfáze a deemfáze je stanovena jejich přesná frekvenční charakteristika (J17). Stereofonní ROZHLASOVÉ vysílání Signály levého (L) a pravého (R) zvukového kanálu, každý ve frekvenčním rozsahu 20 Hz až 15 khz, se přivádí do maticového obvodu, kde se z nich vytváří signál součtový L+R (monofonní) a signál rozdílový (L-R). Každý z těchto signálů má spektrum 20 Hz až 15 khz. Rozdílový signál L-R se přivádí do AM modulátoru, kde se amplitudově moduluje na nosnou 38 khz. Na výstupu modulátoru je amplitudově modulovaný signál s horním a dolním postranním pásmem a potlačenou nosnou (DSBSC). L R Stereofonní kodér maticový obvod pilotní signál 19 khz L - R M = L + R AM modulátor DSB SC 38 khz násobič frekvence součtový obvod 19 khz CSS Nosná 38 khz se vytváří v násobiči frekvence z pilotního signálu 19 khz, který se přivádí i do součtového obvodu a je součástí celkového stereofonního signálu CSS. Výsledný CSS je frekvenčně modulován na příslušnou nosnou v pásmu VKV. Spektrum celkového stereofonního signálu CSS se obvykle znázorňuje tzv. zdvihovým diagramem. Monofonní signál L+R moduluje vf nosnou max. 90%, modulované signály L-R obou postranních pásem max. 45%, pilotní signál 19 khz max. 8% a potlačená nosná 38 khz max. 2%. Součet okamžitých zdvihů jednotlivých složek signálu CSS musí být v daném okamžiku 100% (na obrázku je každá složka nakreslena s maximálním zdvihem). 90 f [%] 45 L + R L - R L - R f mod [khz] Po frekvenční demodulaci FM signálu na straně přijímače se však výrazně projevuje šum na vyšších frekvencích, který tak postihuje ve větší míře obě postranní pásma signálu L-R. Po amplitudové demodulaci se šumový signál přesune do základního pásma a zhoršuje kvalitu zvukového signálu. Pro televizní stereofonní vysílání byl proto zvolen systém se dvěma nosnými, který uvedené nedostatky nemá. 19. Teletext, základní pojmy, struktura stránky, struktura signálu, obvodové řešení dekodéru. Základní parametry systému teletext Teletext přenáší textové nebo jednoduché grafické informace pomocí digitálního signálu ve volných řádcích půlsnímkového zatemňovacího intervalu televizního signálu. Informace vysílané v digitální formě jsou pouze adresou pro paměť (generátor znaků), která je součástí dekodéru teletextu. V ní je uložena informace o tvaru požadovaného písmene, případně grafického znaku. Tvar a typ písma závisí tedy na dekodéru teletextu (paměti resp. generátoru znaků).

37 Teletext tvoří 8 stostránkových souborů nazývaných magazíny, celkem 800 stránek. Stránky mají čísla od 100 do 899 (na stránce 100 je uveden obsah všech souborů). Každá stránka může mít několik podstránek. S jejich růstem se prodlužuje doba přístupu. Kratší dobu přístupu lze dosáhnout využitím většího počtu řádků v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu. Systém umožňuje zobrazení textu buď samostatně nebo jeho současné zobrazení (prolnutí) s právě přijímaným obrazovým signálem (programem) Každá strana textu má 25 řádků (viditelných). První řádek (záhlaví) má označení Y=0 nebo X/0 (X označuje číslo souboru, tj. stovky stránek) a obsahuje informace: číslo stránky (zvolené a právě vysílané), program, datum a čas. Následuje dalších 23 řádků pro přenos požadované informace. Poslední 25. řádek s označením Y=24 nebo X/24 přenáší informace o stavu vysílání (status). Jsou to barevné údaje, které se využívají pro rychlou volbu. Dále mohou být přenášeny tzv. neviditelné řádky s označením X/26 (korekční informace) a X/27 (sdružení stránek). Informace pro jeden řádek textu (text nebo grafika) je přenášena v jednom řádku televizního signálu. Příklad výpočtu MAXIMÁLNÍ doby přístupu ke zvolené stránce. Uvažujme, že je obsazeno všech 800 stránek, v jednom půlsnímku je signálu teletextu vyhrazeno 8 (12) televizních řádků a každá stránka obsahuje pouze 25 řádků textu: 8 (12) řádků textu, tj. televizních řádků, se přenese za 20 ms, 400 (600) řádků se přenese za 1 s, 16 (24) stránek se přenese za 1 s, 800 (1200) stránek se přenese za 50 s. V případě přenosu podstránek a neviditelných řádků, je doba přístupu úměrně delší. V každém řádku stránky je 40 znaků - znakových obdélníků (odpovídá 40 ms z doby řádku). Pro zobrazení textu je každý znakový obdélník tvořen maticí 12 x 10 bodů. Znak je vytvářen v matici 9 x 7 bodů, zbytek tvoří okraje. Jeden řádek znakového obdélníku je tvořen dvěma řádky televizního rozkladu (lichý a sudý řádek). Ve svislém směru je textová stránka tvořena 500 televizními řádky (250 lichého a 250 sudého půlsnímku). Informace o jednom znaku (jeho adresa) je přenášena v jednom bytu. Používá se sedmibitový kód ISO7, osmý bit je využit pro lichou paritu. Informace v záhlaví stránky (1. řádek textu) jsou přenášeny v kódu BCD, který je zabezpečen Hammingovým bezpečnostním kódem. Digitální signál má přenosovou rychlost fb = 6,9375 Mbit/s (444. násobek fh), Tb = 144,144 ns. Při pravidelném střídání jedniček a nul je první harmonická takového signálu f = fb/2 = 3,6875 MHz. Umístění teletextových bloků v TV signálu soubor 1 Teletextové informace se přenášejí v blocích. Jeden blok přenáší informace pro dekodér (synchronizace) a informace o zobrazení jednoho řádku (adresy znaků pro jeden řádek textu) soubor soubor 8 899

38 Jednotlivé bloky se skládají ze 45 bytů (360 bitů). Úroveň log. 0 odpovídá černé, tj. 0% jasové modulace a úroveň log. 1 odpovídá 66% jasové modulace. Každý blok začíná skupinou 3 synchronizačních bytů. První dva byty s označením CR (Clock Run) mají tvar a slouží k bitové synchronizaci dekodéru na straně přijímače. Třetí byt se označuje FC (Framing Code), má tvar a slouží k identifikaci teletextového bloku v TV signálu (rámcová synchronizace). Tím je zajištěno, že teletextový blok je nezávislý na umístění v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu. Následující dva byty (4. a 5.) se používají při přenosu viditelných řádků a udávají adresu souboru a číslo řádku (nejdříve jsou přenášeny bity s nejnižší vahou). Jsou zabezpečeny Hammingovým kódem, který při jednom chybném bitu ve slově chybu opraví a při více chybných bitech (2, 4, 6) chybu identifikuje, což má za následek zastavení přenosu dat v dekodéru. Za těmito byty následuje u viditelných řádků (X/1 až X/24) 40 bytů reprezentujících adresy znaků (textových nebo grafických) pro generátor znaků. Pro řádek X/0 (záhlaví) vyplývá význam jednotlivých bitů z obrázku. V záhlaví se přenáší i řídící bity C (také zabezpečeny Hammingovým kódem) s následujícím významem: C4 vymazání stránky, C5 blikání zprávy, C6 promítání titulků na obrazovku, C7 potlačení záhlaví, C8 aktualizace, C9 přerušení posloupnosti, C10 blokování stránek, C11 seriál magazínů, C12 až C14 u teletextového přenosu vyšší úrovně slouží bity k určení tabulky národní abecedy. Obvodové řešení dekodéru teletextu Řízení dekodéru teletextu je součástí dálkového ovládání TVP. Blokové schéma zapojení dekodéru teletextu 1. generace.

39 dálkové ovládání Dekodér teletextu 1. generace ÚBS SS VIP vstupní videoprocesor data TTX clock TTX TAC zpracování TXT bloků data TTX adresa RAM paměť 6 MHz řídící řídící řídící signály signály signály TIC časovací procesor data TTX TROM obrazový procesor ZS Y R G B Vstupní videoprocesor VIP (Video Input Processor) obsahuje interní oscilátor, který je synchronizován signálem s frekvencí 6,9375 MHz. Časovací procesor TIC (Timing Chain) generuje synchronizační a řídicí signály pro činnost všech bloků dekodéru (jsou závislé na ŘSI). dálkové ovládání Dekodér teletextu 1. generace ÚBS SS VIP vstupní videoprocesor data TTX clock TTX TAC zpracování TXT bloků data TTX adresa RAM paměť 6 MHz řídící řídící řídící signály signály signály TIC časovací procesor data TTX TROM obrazový procesor ZS Y R G B Procesor pro zpracování teletextových bloků TAC (Teletext Acquisition and control Circuit) identifikuje byte FC, převádí byty ze sériového tvaru na paralelní, kontroluje paritu a vyhodnocuje zabezpečení Hammingovým kódem. Výsledkem činnosti obvodu je zápis teletextových dat do paměti RAM. Stránková paměť RAM. Její organizace vyžaduje 5-ti bitovou adresu řádků (25. řádků, tj. 0 až 24) a 6-ti bitovou adresu sloupců (40 sloupců, tj. 0 až 39). Adresa tedy obsahuje 11 bitů (A0 až A10). Obrazový procesor TROM (Teletext Read Only Memory) obsahuje generátor alfanumerických znaků a generátor grafiky. V jeho výstupním bloku jsou generovány signály, kterými jsou řízeny koncové obrazové zesilovače TVP. Dekodéry 2. generace. Využívají mikropočítače a označují se CCT (Computer Controlled Teletext). Zvýšila se kapacita generátoru znaků a kapacita paměti stránek.

40 20. Blokové schéma televizního přijímače s analogovým zpracováním signálu. Vstupní díl frekvenční syntezátor PAV filtr a směšovač f mfz2 = f no - f nz mf zvukový zesilovač a omezovač FM demodulátor, stereodekodér R L Signálové obvody nf zesilovače R L vstupní signál f no, f nz síť 110 až 250 V směšovač vf zesilovač síťová část + demagnetizace f mf AGC PAV filtr s Nyquistovou hranou samočinné řízení zesílení f mfo = f fs - f no mf obrazový zesilovač dekodér PAL R G B AM demodulátor R G B obrazový procesor ZS Y R G B dekodér teletextu SCART ÚBS obrazovka CRT, LCD, plazmová (vychylovací obvody řídicí obvody, registry) VN ovládání TVP dálkové ovládání oddělovač synchronizačních impulsů fázový závěs řádkový budič řádkový koncový stupeň výroba VN řídicí obvody tvarování snímkovách impulsů snímkový budič snímkový koncový stupeň Pomocné obvody Rozkladové obvody Vstupní díl: Signál z TV antény nebo jiného zdroje přichází přes vstupní anténní konektor do vstupního dílu TVP (kanálový volič, ladicí jednotka, tuner). Používají se v něm bipolární nebo častěji unipolární tranzistory (dual gates MOSFET kaskoda). Parametry vstupního dílu se výrazně podílí na výsledné kvalitě obrazu i zvuku. Důležité je především malé šumové číslo (Friisův vztah), odolnost vůči křížové modulaci, činitel odrazu na vstupu, provozní zesílení a selektivita pro vstupní zrcadlový signál. horní propust (UHF) vf zesilovač UHF směšovač UHF anténní vstup odlaďovače frekvenční syntezátor mf předzesilovač f mf dolní propust (VHF) vf zesilovač VHF směšovač VHF AGC

41 K anténnímu vstupnímu konektoru (75 nesymetricky) jsou připojeny ochranné diody proti přepětí a odlaďovače nežádoucích pásem a frekvencí. Dolní a horní propusti sestavené z pasivních prvků oddělí frekvenční pásma VHF a UHF. V obou pásmech je signál selektivně zesílen a přiveden do směšovače, na jehož druhý vstup se přivádí signál f fs z frekvenčního syntezátoru. Na výstupu směšovače je signál mezifrekvenční f mf. Z důvodů snazšího přeladění je VHF pásmo rozděleno na subpásma označovaná VHF I, VHF II a VHF III. Laděné obvody se přepínají pomocí spínacích diod. V případě používání pásma VHF jsou obvody pásma UHF odpojeny od napájecího napětí a naopak. V závislosti na velikosti přijímaného signálu jsou řízena zesílení obou zesilovačů VHF i UHF signálem AGC (Automatic Gain Control) vytvářeným v obvodech za obrazovým demodulátorem. Napěťové zesílení vstupního dílu je v rozmezí 10 až 20 (20 db až 26 db). Musí být zpracovány signály od 10mV (z antény při dálkovém příjmu) až desítky mv (zásuvka kabelového rozvodu). Ladění rezonančních obvodů vf zesilovačů se provádí pomocí varikapů. Potřebné ladicí napětí se vytváří frekvenční nebo napěťovou syntézou. V moderních TVP se používá pouze frekvenční syntéza. Využívá principu fázového závěsu. U L Frekvenční syntezátor k varikapům f fs VCO ladicí napětí U L = 3 až 30 V integrátor rychlý předdělič P = 8 f fs / P programovatelný dělič (N) f fs / N.P 7,8125 khz frekvenčně fázový komparátor f ref 7,8125 khz dělič M = 512 f Q 4 MHz volba kanálů s pamětí f fs / N.P = f ref f fs = N.P.f Q / M krystalový oscilátor ke spínacím diodám f fs = [(N+1).P.f Q / M] - [N.P.f Q / M] = P.f Q / M = 62,5 khz U UHF U VHF I, II U VHF III Výstupní signál s frekvencí f fs se odebírá z napětím řízeného oscilátoru VCO (Voltage Control Oscillator). Frekvenční krok syntezátoru bývá Df fs = 62,5 khz. U všech norem (mimo L) má signál z frekvenčního syntezátoru (oscilátoru) vyšší frekvenci než je frekvence přijímaného signálu. Na výstupu směšovače se selektivním obvodem vybírá rozdílový produkt. Proto bude mezikrekvence zvuku nižší než mezifrekvence obrazu. Mezifrekvence obrazu je f mfo = 38 MHz, mezifrekvence zvuku (první) je f mfz1 = 31,5 MHz (D/K). f no f no obraz f nz zvuk 199,25 205,75 f [MHz] C9 f nz zvuk 31,5 38 f [MHz] mf obraz Před směšováním je frekvence nosné zvuku vyšší než frekvence nosné obrazu, po směšování (v důsledku vybrání rozdílového produktu) je naopak mezifrekvence obrazu vyšší než mezifrekvence zvuku.

42 21. Signálové obvody TVP (vstupní díl, mf. obrazový zesilovač, obrazové zesilovače). Mezifrekvenční obrazový zesilovač a AM demodulátor Podle způsobu zpracování zvukového signálu, může mezifrekvenčním obrazovým zesilovačem (OMF) procházet nejen mf obrazový, ale i mf zvukový signál. Podle toho se liší i zapojení OMF zesilovačů, především jejich křivka selektivity (závisí i na normě). Potřebná selektivita OMF zesilovače se obecně zajišťuje pomocí filtru se soustředěnou selektivitou. V dnešní době se používají téměř výhradně filtry s povrchovou akustickou vlnou (PAV, SAW). Z pohledu obrazového signálu se OMF zesilovač podílí téměř 90% na výsledné citlivosti a selektivitě TVP. Volba obrazové mezifrekvence byla zvolena jako kompromis mezi nízkými frekvencemi vhodnými pro návrh tranzistorových zesilovačů (diferenčních stupňů v integrovaných obvodech) s dostatečným zesílením a vyššími frekvencemi, při kterých se zvětšuje odolnost TVP vůči zrcadlovým frekvencím. Proto byly stanoveny optimální hodnoty obrazové mezifrekvence 38 MHz (normy D,K) a 38,9 MHz (normy B,G). Je-li na vstupu OMF zesilovače napětí cca 100 mv a na výstupu zesilovače napětí cca 3 V, vychází potřebné zesílení AOMF = 3 V : 100 mv = , tj. AOMF db 90 db. Uvedené zesílení se musí automaticky měnit podle velikosti vstupního signálu tak, aby výstupní signál byl téměř konstantní. Pro maximální vstupní signál zesilovače 50 mv (nastává zahlcení) musí být regulace až 60 db. Regulace zesílení se provádí nejen u OMF zesilovače, ale i u zesilovačů ve vstupním dílu. Z důvodů zachování co nejlepších šumových poměrů nastává regulace zesílení vstupního dílu. až od určité velikosti vstupního signálu (zpožděné AGC). Za OMF zesilovačem následuje AM demodulátor, na jehož výstupu je obrazový signál s rozkmitem 1 až 3 V. V současné době se používá nejčastěji synchronní demodulátor. Po synchronní demodulaci přichází signál v základním pásmu do dekodéru PAL (viz přednáška Analogové soustavy barevné televize) a poté do obrazového procesoru. Obrazový procesor a koncové obrazové zesilovače Pro nezkreslený přenos jasu snímané scény je důležitý přenos stejnosměrné (ss) složky jasového signálu, která se v TVP obnovuje pomocí obnovitele stejnosměrné složky. U starších TVP se obnovení ss složky provádí v koncových stupních obrazových zesilovačů, u moderních TVP v obrazovém procesoru.

43 Aby se obraz s různým obsahem bílé a černé přenášel se správnou gradací (tj. s maximální bílou a černou při jakémkoliv jejich plošném poměru), je třeba, aby se měnila i stejnosměrná složka jasového signálu. Při kapacitní vazbě (v přenosovém řetězci se jejímu použití nevyhneme) se stejnosměrná složka nepřenáší. Aby nedocházelo ke zkreslení v reprodukci jasu, musí se ss složka signálu na přijímací straně obnovit. Pro obraz s převážně bílou plochou je možné nastavit pomocí regulačních prvků TVP vhodné ss předpětí tak, že obraz má správnou gradaci (tj. správnou úroveň bílé a černé). Při zvětšování černé plochy v obraze se černá zobrazuje jako méně černá, tj. více šedá (rovnost ploch nad a pod úrovní předpětí). Naopak při nastavení správné gradace pro obraz s převážně černou plochou (dolní část obrázku) se s přibývajícím obsahem bílé v obraze jeví bílá barva jako šedá, případně až skoro černá. Princip obnovitele ss složky obrazového signálu spočívá v udržování stálé úrovně černé přijímaného signálu. Obnovitel pracuje tak, že klíčuje (upíná, fixuje) signál ke stanovené ss úrovni v určité části řádkového zatemňovacího impulsu. Princip obnovitele ss složky obrazového signálu spočívá v udržování stálé úrovně černé přijímaného signálu. Obnovitel pracuje tak, že klíčuje (upíná, fixuje) signál ke stanovené ss úrovni v určité části řádkového zatemňovacího impulsu.

44 Klíčovací impulsy se odvozují z řádkových synchronizačních impulsů. Otevírají tranzistor T3 v okamžiku, kdy se přenáší zatemňovací úroveň (černá). Při otevření T3 se nabije C8 na napětí dané rozdílem vstupního napětí a napětí na emitoru T3 (saturační napětí T3 zanedbáme). Zatímco vstupní napětí se mění (v okamžiku klíčovacího impulsu) v důsledku změny obrazového signálu, napětí na emitoru T3 (opět v době trvání klíčovacího impulsu) je konstantní dané nastavením P1. Obvodové řešení a konstrukce koncových obrazových zesilovačů závisí na typu zobrazování (CRT, LCD, plazma). Řízení LCD obrazovek bylo uvedeno v přednášce Elektrooptické měniče. Pro vakuové obrazovky (CRT) musí koncové stupně obrazových zesilovačů R, G, B zajistit, aby modulační napětí pro katody obrazovky měla rozkmit cca 100 V. Přitom tato napětí nemusí mít stejný průběh. Vzhledem k tomu, že parametry všech tří systémů obrazovky (R, G, B) nejsou identické, je třeba zajistit souběh jejich závěrných napětí. Proto musí mít všechny koncové obrazové zesilovače možnost nastavit individuálně klidové pracovní body tak, aby bylo dosaženo pro každou trysku potřebného závěrného napětí. Rovněž převodní charakteristiky obrazovky (pro každou trysku) nemají stejné strmosti. Aby se při maximálním jasu bílé barvy dosáhlo stejných proudů všech tří trysek, musí být rozkmity jednotlivých modulačních napětí různé. Postačí možnost nastavovat rozkmit signálu pouze u dvou koncových zesilovačů, třetí signál lze pokládat za správný (referenční). Koncový stupeň pro jednu barvu může být v zapojení s 1, 2 nebo více tranzistory. Podobně jako u všech výkonových zesilovačů je důležitý ztrátový výkon a účinnost. 22. Rozkladové obvody a výroba VN v TVP ddělovač synchronizačních impulsů Oddělení synchronizační směsi z úplného obrazového signálu (ÚOS) se provádí v oddělovačích, které z důvodů omezení vlivu amplitudových poruch pracují v klíčovaném režimu.

45 Tvarování půlsnímkových synchronizačních impulsů Synchronizační impulsy se vedou k rozkladovým generátorům a synchronizují jejich činnost (CRT), případně synchronizují činnost vertikálních a horizontálních posuvných registrů (LCD, plazma). Budící generátory (CRT) Generátory pro vychylování paprsku ve vertikálním směru pracují s přímou synchronizací. Jsou tedy spouštěny přímo půlsnímkovými synchronizačními impulsy. Používají se relaxační oscilátory, astabilní multivibrátory nebo oscilátory na bázi přepínání konstantního nabíjecího a vybíjecího proudu při dvou prahových úrovních. U přímé synchronizace je důležitý vzájemný vztah periody (frekvence) synchronizačních impulsů a periody (frekvence) vlastních kmitů generátoru. Pro správnou synchronizaci musí být opakovací perioda synchronizačních impulsů MENŠÍ než perioda vlastních kmitů generátoru, tj. frekvence synchronizačních impulsů musí být VĚTŠÍ než frekvence vlastních kmitů generátoru. Generátory pro vychylování paprsku v horizontálním směru pracují s nepřímou synchronizací. Využívají fázového závěsu. Snímkový koncový stupeň (CRT) Vzhledem k nízké pracovní frekvenci 50 Hz (100 Hz), pracuje do zátěže s téměř reálným odporem a jeho ztrátový výkon je mnohem menší než u řádkového koncového stupně. Nejčastěji je konstruován jako dvojčinný tranzistorový zesilovač v integrovaném obvodu.

46 Řádkový koncový stupeň (CRT) Při pracovní frekvenci Hz ( Hz) pracuje převážně do indukční zátěže. Podobně jako snímkový koncový stupeň generuje proud pilovitého průběhu s korekcí tvaru S. Musí umožnit nastavení potřebné šířky obrazu i korekci geometrického zkreslení (poduškovitost, nelinearita, lichoběžníkové zkreslení). Výroba vysokého napětí (CRT) Při zpětném běhu vzniká v řádkovém koncovém stupni napěťový impuls s výškou řádově několik stovek voltů. Využívá se téměř skokové změny proudu tekoucího cívkou s indukčností L e. (u = L e. di/dt) Zvláštním vinutím navázaným transformátorovou vazbou se zvýší jeho hodnota na cca 8 kv. K tomuto vinutí je připojen násobič napětí, který vytvoří požadované stejnosměrné vysoké napětí pro vakuovou obrazovku, řádově až 25 kv. Při vytváření vysokého napětí pro anodu obrazovky se současně vytváří i stejnosměrné napětí pro ostřící elektrodu obrazovky. Pomocí speciálního vysokonapěťového potenciometru lze nastavit potřebné ostřící napětí na požadovanou hodnotu (cca 8 kv). 23. Pomocné obvody TVP (dálkové ovládání, obvody CTI, AVC, AFC). TVP (televizní přijímač) 23.1 Dálkové ovládání Současná zařízení používají dálková ovládání s přenosem signálu v infračervené oblasti spektra (dříve využívaly i ultrazvukové signály). Pro přenos povelů existují různé způsoby, lišící se složitostí a možnostmi využití Nejjednodušší způsob umožňuje přenos pouze 64 povelů (6 bitové slovo). Jednotlivé bity jsou vyjádřeny délkou mezery mezi impulsy, log.1 mezerou 7,168 ms, log.0 mezerou 5,12 ms. Impulsy jsou tvořeny impulsním signálem s opakovací frekvencí 35,714 khz (perioda 28 ms).

47 Další možností přenosu povelů je vyjádření jednotlivých bitů nástupnou nebo sestupnou hranou signálu uprostřed bitové periody (log.0 je vyjádřena nástupnou hranou, log.1 sestupnou hranou signálu). Jedno slovo se skládá z 10 bitů (1 přípravný, 2 volné, 1 startovací, 6 pro definici povelu). Odstup mezi vysílanými slovy je 131 ms, bitová perioda je 1 ms a impulsový signál má periodu 32 ms, tedy frekvenci 31,250 khz. Univerzální dálková ovládání využívají zařízení. rozšíření vysílaného slova o bity určující adresu ovládaného Jedno slovo se skládá ze 14 bitů (2 startovní, 1 kontrolní, 5 určuje adresu zařízení, 6 definuje povel). Odstup mezi vysílanými slovy je 113,778 ms, bitová perioda je 1,77 ms a impulsový signál má periodu 27,778 ms, tedy frekvenci cca 40 khz. Nástupná hrana signálu uprostřed periody odpovídá log.1, sestupná hrana log.0. blokové schéma (viz přednáška 6), nepodstatné

48 23.2 Obvody CTI Umožňují zlepšení barevných přechodů na obrazovce bez nutnosti zvětšení šířky pásma potřebné pro přenos signálů. Princip spočívá v identifikaci hrany určité strmosti kteréhokoliv chrominančního signálu a následné úpravě obou chrominančních signálů. Při indikaci hrany určité strmosti se rozpojí spínač S. Napětí na kapacitoru C S (výstupní napětí) zůstává na hodnotě U 1 (velká časová konstanta C S.R P ), zatímco vstupní napětí se pozvolna zvyšuje na hodnotu U 2. Po skončení hrany je sepnut spínač S a kapacitor C S se velice rychle nabije na napětí U 2 (malá časová konstanta C S.R S ). Hrana signálu je strmější, avšak časově posunutá. Proto musí být zpožděn i jasový signál. Identifikaci hran určité strmosti kteréhokoliv chrominančního signálu provádí detektory čel a týlů. Činnost obvodu vyplývá z časových průběhů v jednotlivých bodech zapojení.

49 23.3 AVC a AFC (nejsem zcela jist ty zkratky nebyly ve slajdech..) AVC - obvod automatického vyrovnávání citlivosti (z angl. Automatic Gain Control AGC) samočinně řídí zisk vf zesilovačů AFC nějak souvisí s frekvenční syntézou.. Signál z TV antény nebo jiného zdroje přichází přes vstupní anténní konektor do vstupního dílu TVP (kanálový volič, ladicí jednotka, tuner). Používají se v něm bipolární nebo častěji unipolární tranzistory (dual gates MOSFET kaskoda). Parametry vstupního dílu se výrazně podílí na výsledné kvalitě obrazu i zvuku. Důležité je především malé šumové číslo (Friisův vztah), odolnost vůči křížové modulaci, činitel odrazu na vstupu, provozní zesílení a selektivita pro vstupní zrcadlový signál. horní propust (UHF) vf zesilovač UHF směšovač UHF anténní vstup odlaďovače frekvenční syntezátor mf předzesilovač f mf dolní propust (VHF) vf zesilovač VHF směšovač VHF AGC K anténnímu vstupnímu konektoru (75 nesymetricky) jsou připojeny ochranné diody proti přepětí a odlaďovače nežádoucích pásem a frekvencí. Dolní a horní propusti sestavené z pasivních prvků oddělí frekvenční pásma VHF a UHF. V obou pásmech je signál selektivně zesílen a přiveden do směšovače, na jehož druhý vstup se přivádí signál f fs z frekvenčního syntezátoru. Na výstupu směšovače je signál mezifrekvenční f mf. Z důvodů snazšího přeladění je VHF pásmo rozděleno na subpásma označovaná VHF I, VHF II a VHF III. Laděné obvody se přepínají pomocí spínacích diod.

50 V případě používání pásma VHF jsou obvody pásma UHF odpojeny od napájecího napětí a naopak. V závislosti na velikosti přijímaného signálu jsou řízena zesílení obou zesilovačů VHF i UHF signálem AGC (Automatic Gain Control) vytvářeným v obvodech za obrazovým demodulátorem. Napěťové zesílení vstupního dílu je v rozmezí 10 až 20 (20 db až 26 db). Musí být zpracovány signály od 10mV (z antény při dálkovém příjmu) až desítky mv (zásuvka kabelového rozvodu). Ladění rezonančních obvodů vf zesilovačů se provádí pomocí varikapů. Potřebné ladicí napětí se vytváří frekvenční nebo napěťovou syntézou V moderních TVP se používá pouze frekvenční syntéza. Využívá principu fázového závěsu U L Frekvenční syntezátor k varikapům f fs VCO ladicí napětí U L = 3 až 30 V integrátor rychlý předdělič P = 8 f fs / P programovatelný dělič (N) f fs / N.P 7,8125 khz frekvenčně fázový komparátor f ref 7,8125 khz dělič M = 512 f Q 4 MHz volba kanálů s pamětí f fs / N.P = f ref f fs = N.P.f Q / M krystalový oscilátor ke spínacím diodám f fs = [(N+1).P.f Q / M] - [N.P.f Q / M] = P.f Q / M = 62,5 khz U UHF U VHF I, II U VHF III Výstupní signál s frekvencí f fs se odebírá z napětím řízeného oscilátoru VCO (Voltage Control Oscillator). Frekvenční krok syntezátoru bývá Df fs = 62,5 khz. U všech norem (mimo L) má signál z frekvenčního syntezátoru (oscilátoru) vyšší frekvenci než je frekvence přijímaného signálu. Na výstupu směšovače se selektivním obvodem vybírá rozdílový produkt. Proto bude mezikrekvence zvuku nižší než mezifrekvence obrazu. Mezifrekvence obrazu je f mfo = 38 MHz, mezifrekvence zvuku (první) je f mfz1 = 31,5 MHz (D/K). f no f mfo = f fs - f no f fs f mfo = f zrc - f fs f zrc C9 f nz f mfz1 = f fs - f nz 199,25 205,75 237,25 275,25 f [MHz] vf zesilovač frekvenční syntezátor f nz = 205,75 MHz f no = 199,25 MHz směšovač f mfo = 237,25-199,25 = 38 MHz f mfz1 = 237,25-205,75 = 31,5 MHz

51 f no f no obraz f nz f nz zvuk zvuk 199,25 205,75 31,5 38 f [MHz] f [MHz] C9 mf obraz Před směšováním je frekvence nosné zvuku vyšší než frekvence nosné obrazu, po směšování (v důsledku vybrání rozdílového produktu) je naopak mezifrekvence obrazu vyšší než mezifrekvence zvuku. 24. Základní principy digitalizace signálů, doporučení ITU-R 601, formáty digitálního signálu. Projekt pro vytvoření digitálních televizních soustav (systémů) budoucnosti byl zahájen v roce 1993 pod označením DVB (Digital Video Broadcasting). Je určen pro přenos digitálního signálu obrazu, zvuku a dat k divákovi. Zahrnuje různé způsoby přenosu televizního signálu: DVB-S (Satellite), DVB-C (Cable) a DVB-T (Terrestrial). Pro zdrojové kódování obrazového i zvukového signálu byl zvolen standard MPEG 2. V současné době se začíná prosazovat i standard MPEG 4 - AVC (H.264). Úkolem zdrojového kódování je redukce redundance a irelevance na nejnižší míru. Redukce redundance (nadbytečnosti) je proces bezeztrátový, redukce resp. odstranění irelevance (zbytečnosti) je proces ztrátový. Kanálové kódování spočívá v zabezpečení signálu proti chybám v přenosovém kanálu (FEC Forward Error Correction) a modulování signálu na nosnou vhodnou digitální modulací (Satellite QPSK, Cable QAM, Terrestrial OFDM). Podle kvality obrazu (rozlišovací schopnosti v obou směrech) rozlišujeme televizní vysílání: LDTV (Limited Definition Television) Low Level MPEG 2, pro kapesní TV přijímače SDTV (Standard Definition Television) Main Level MPEG 2 EDTV (Enhanced Definition Television) High Level 1440 MPEG 2 HDTV (High Definition Television) High Level MPEG 2, TV s velkou rozlišovací schopností, 2x větší než standardní, tj. s 1920 vzorky v aktivním řádku a 1152 aktivními řádky. Blokové schéma zpracování digitálního televizního signálu. digitální signál PCM Y, C B, C R Zdrojové kódování hybridní kosinová tranformace Obrazová část Zvuková část entropické kódování VLC obraz multiplex transportního toku zvuk data Kanálové kódování zabezpečení signálu FEC1, FEC2 modulátor QPSK, QAM, OFDM ke koncovému stupni a anténě digitální zvukový signál PCM banka filtrů, psychoakustický model formátování toku přídavná data (teletext)

52 Zdrojové kódování obrazových signálů Digitalizace obrazových signálů (A/D) Provádí se podle doporučení ITU (International Telecommunication Union). Celosvětově jsou používaná především doporučení ITU-R 601 (629, 656, 657, 962 a další). Digitalizace obrazových signálů se provádí ve 3 krocích vzorkování, kvantování, kódování (PCM). Před vzorkováním je spektrum signálu omezeno dolní propustí do frekvenčního rozsahu 0 až fmax. Pro vzorkovací (sample) frekvenci musí být dodržen Shannon-Kotelnikovův teorém fvz 2.fmax. Nedodržením uvedené podmínky vzniká tzv. aliasing (překrývání spekter vzorkovaného signálu). Původní signál již nejde potom přesně obnovit. U s U vz ideální vzorkování reálné vzorkování reálné 2. typu vzorkování 1. typu Nejčastěji se používá prodloužené vzorkování 2. typu (sample and hold), kdy doba trvání vzorku t = Tvz. prodloužené vzorkování 2. typu T vz T vz T vz T vz T vz t Velikosti jednotlivých vzorků mohou nabývat nekonečně mnoha hodnot. Kvantováním je každá hodnota vzorku přiřazena nejbližší kvantizační hladině (úrovni), kterých je konečný počet. Většinou se používá rovnoměrné (ekvidistantní, lineární) kvantování, při kterém je celkový rozsah spojitého signálu rozdělen rovnoměrně do konečného počtu K kvantizačních intervalů délky q. V důsledku přiřazování okamžitých hodnot vzorků nejbližší kvantizační úrovni, vzniká tzv. kvantizační šum. Vzniká i v případě, kdy původní spojitý signál žádný šum neobsahoval. Kódování je proces, při kterém je kvantizační úroveň vyjádřena vhodným kódem, většinou binárním číslem vyjádřeným b bity. Poměr výkonu S kvantizovaného signálu ku výkonu N kvantizačního šumu lze vyjádřit zjednodušeným vztahem S / N = 6.b + 1,8 [ db ]. Při zvětšování b se zmenšuje kvantizační šum a zvětšuje se poměr S / N. Naopak vzrůstá přenosová (bitová) rychlost R digitálního signálu, která je dána vztahem R = fvz. b.

53 Doporučení CCIR ITU-R 601 CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications). Celosvětově platné doporučení pro digitalizaci složkových obrazových signálů. Základní parametry: vzorkovací frekvence pro jasový signál Y je 13,5 MHz vzorkovací frekvence pro chrominanční složky C R, C B je 6,75 MHz formát vzorkování 4 : 2 : 2 počet vzorků jasového signálu v TV řádku (normy 625 / 50) je 864, v aktivní části 720 počet vzorků jasového signálu v TV řádku (normy (525 / 60) je 858, v aktivní části 720 lineární kvantování, jeden vzorek je vyjádřen 8 bity Při digitalizaci obrazového signálu podle doporučení ITU-R 601 je přenosová rychlost výsledného digitálního signálu R = 13, , , = bit/s R = = 216 Mbit/s Výsledná přenosová rychlost signálu je značná a pro přenos signálu by byla potřeba velká šířka frekvenčního pásma přenosového kanálu. Proto musí být před vlastním přenosem digitální signál komprimován, tj. musí být radikálně snížena jeho přenosová rychlost vhodnou komprimační metodou. Chrominanční signály jsou upraveny do tvaru CB = 0,564. (B-Y) a CR = 0,713. (R-Y). Chrominanční vzorky se časově kryjí s lichými vzorky jasovými. Přenos signálů Y, C B, C R může být paralelní (8 paralelních kanálů pro bity stejné váhy v sekvenci Y-C B -Y-C R -Y-C B -Y- ) nebo sériový s taktovací frekvencí 27 MHz. Synchronizační impuls barvy SIB (burst) se při digitálním zpracování signálů nepřenáší.

54 Modrá i červená složka platí vždy i pro políčko vlevo od nich. Formáty digitálního signálu Kromě formátu 4:2:2 (ITU-R 601) se užívají i jiné formáty. Při přenosu ve studiu se používá formát 4:4:4, který má stejný počet vzorků pro jasovou i chrominanční složky. Vzorky se vyjadřují 10 bity. Při komprimovaném zpracování digitálního signálu se může použít formát 4:2:0, při kterém se vzorkování chrominančních signálů vynechává ob řádek. V úsporném formátu SIF 4:2:0 (Source of Input Format), který používá standard MPEG 1, je počet aktivních řádků zmenšen na polovinu vynecháním 2. půlsnímku. Dále je signál podvzorkován na polovinu v horizontálním směru. Poněvadž u formátu 4:2:0 je počet vzorků chrominančních signálů dvakrát menší než jasových, a to v obou směrech, je navíc ještě zmenšen počet chrominančních vzorků na polovinu vynecháním řádků. Formát SIF 4:2:0

55 Při zpracování signálu HDTV je vzorkovací frekvence 54 MHz a bitová rychlost signálu 864 Mbit/s. Ze srovnání bitové rychlosti v Mbit/s jednotlivých formátů digitálních signálů vyplývá nezbytnost komprimace digitálního signálu podporovaná vhodnou modulační metodou. 25. Transformační kódování. Systém DVB (DVB-S, DVB-C, DVB-T). Pro komprimaci digitálního signálu se využívá transformačního kódování. Jeho úkolem je převést hodnoty vzorků navzájem závislých (korelovaných) na jiné hodnoty vzorků na sobě nezávislých (nekorelovaných). Počet nových vzorků (nenulových), tzv. frekvenčních koeficientů, je menší než počet vzorků původních. Používá se diskrétní kosinová transformace DCT, kterou lze odvodit z Fourierovy transformace vhodnou substitucí. Nejúčinnější transformací z pohledu nejmenší rozlohy výsledné matice frekvenčních koeficientů je transformace Karhunen-Loeveho, využívající statistické vlastnosti signálu určeného k transformaci, tj. měnící své transformační jádro podle obsahu signálu. Výpočet koeficientů je však náročný. Walshova-Hadamardova pravoúhlá transformace nepoužívá goniometrické funkce, ale pravoúhlé průběhy se stejnou velikostí. Koeficienty se počítají pouhým sčítáním na rozdíl od násobení při goniometrických transformacích. Systémy DVB Projekt pro vytvoření digitálních televizních soustav (systémů) budoucnosti byl zahájen v roce 1993 pod označením DVB (Digital Video Broadcasting). Je určen pro přenos digitálního signálu obrazu, zvuku a dat k divákovi. Zahrnuje různé způsoby přenosu televizního signálu: DVB-S (Satellite), DVB-C (Cable) a DVB-T (Terrestrial).

56 Pro zdrojové kódování obrazového i zvukového signálu byl zvolen standard MPEG 2. V současné době se začíná prosazovat i standard MPEG 4 - AVC (H.264). Úkolem zdrojového kódování je redukce redundance a irelevance na nejnižší míru. Redukce redundance (nadbytečnosti) je proces bezeztrátový, redukce resp. odstranění irelevance (zbytečnosti) je proces ztrátový. Kanálové kódování spočívá v zabezpečení signálu proti chybám v přenosovém kanálu (FEC Forward Error Correction) a modulování signálu na nosnou vhodnou digitální modulací (Satellite QPSK, Cable QAM, Terrestrial OFDM). Podle kvality obrazu (rozlišovací schopnosti v obou směrech) rozlišujeme televizní vysílání: LDTV (Limited Definition Television) Low Level MPEG 2, pro kapesní TV přijímače SDTV (Standard Definition Television) Main Level MPEG 2 EDTV (Enhanced Definition Television) High Level 1440 MPEG 2 HDTV (High Definition Television) High Level MPEG 2, TV s velkou rozlišovací schopností, 2x větší než standardní, tj. s 1920 vzorky v aktivním řádku a 1152 aktivními řádky. Blokové schéma zpracování digitálního televizního signálu. Zdrojové kódování digitální signál PCM Y, C B, C R hybridní kosinová tranformace Obrazová část Zvuková část entropické kódování VLC obraz zvuk multiplex transportního toku data Kanálové kódování zabezpečení signálu FEC1, FEC2 modulátor QPSK, QAM, OFDM ke koncovému stupni a anténě digitální zvukový signál PCM banka filtrů, psychoakustický model formátování toku přídavná data (teletext) 26. Zdrojové kódování obrazových signálů (JPEG bloková schémata kodéru a dekodéru, popis činnosti, DCT). Digitalizace obrazových signálů (A/D) Provádí se podle doporučení ITU (International Telecommunication Union). Celosvětově jsou používaná především doporučení ITU-R 601 (629, 656, 657, 962 a další). Digitalizace obrazových signálů se provádí ve 3 krocích vzorkování, kvantování, kódování (PCM). Před vzorkováním je spektrum signálu omezeno dolní propustí do frekvenčního rozsahu 0 až fmax. Pro vzorkovací (sample) frekvenci musí být dodržen Shannon-Kotelnikovův teorém fvz 2.fmax. Nedodržením uvedené podmínky vzniká tzv. aliasing (překrývání spekter vzorkovaného signálu). Původní signál již nejde potom přesně obnovit.

57 Nejčastěji se používá prodloužené vzorkování 2. typu (sample and hold), kdy doba trvání vzorku t = Tvz. U s U vz ideální vzorkování reálné vzorkování reálné 2. typu vzorkování 1. typu prodloužené vzorkování 2. typu T vz T vz T vz T vz T vz t Velikosti jednotlivých vzorků mohou nabývat nekonečně mnoha hodnot. Kvantováním je každá hodnota vzorku přiřazena nejbližší kvantizační hladině (úrovni), kterých je konečný počet. Většinou se používá rovnoměrné (ekvidistantní, lineární) kvantování, při kterém je celkový rozsah spojitého signálu rozdělen rovnoměrně do konečného počtu K kvantizačních intervalů délky q. V důsledku přiřazování okamžitých hodnot vzorků nejbližší kvantizační úrovni, vzniká tzv. kvantizační šum. Vzniká i v případě, kdy původní spojitý signál žádný šum neobsahoval. Kódování je proces, při kterém je kvantizační úroveň vyjádřena vhodným kódem, většinou binárním číslem vyjádřeným b bity. Poměr výkonu S kvantizovaného signálu ku výkonu N kvantizačního šumu lze vyjádřit zjednodušeným vztahem S / N = 6.b + 1,8 [ db ]. Při zvětšování b se zmenšuje kvantizační šum a zvětšuje se poměr S / N. Naopak vzrůstá přenosová (bitová) rychlost R digitálního signálu, která je dána vztahem R = fvz. b

58 Formáty digitálního signálu Kromě formátu 4:2:2 (ITU-R 601) se užívají i jiné formáty. Při přenosu ve studiu se používá formát 4:4:4, který má stejný počet vzorků pro jasovou i chrominanční složky. Vzorky se vyjadřují 10 bity. Při komprimovaném zpracování digitálního signálu se může použít formát 4:2:0, při kterém se vzorkování chrominančních signálů vynechává ob řádek. V úsporném formátu SIF 4:2:0 (Source of Input Format), který používá standard MPEG 1, je počet aktivních řádků zmenšen na polovinu vynecháním 2. půlsnímku. Dále je signál podvzorkován na polovinu v horizontálním směru. Poněvadž u formátu 4:2:0 je počet vzorků chrominančních signálů dvakrát menší než jasových, a to v obou směrech, je navíc ještě zmenšen počet chrominančních vzorků na polovinu vynecháním řádků. Standard JPEG (Joint Photographic Experts Group) Používá se ke komprimaci signálů statických obrazů. Řada dílčích kroků zpracování signálů je stejná i pro MPEG 1 a MPEG 2. Používá formát signálu 4:2:0 (změna polohy chrominančních vzorků).

59 Blokové schéma kodéru a dekodéru. Matice vzorků jasového signálu má 720 sloupců a 576 řádků. Obě matice vzorků chrominančních signálů mají počet řádků i sloupců poloviční. Matice vzorků se rozdělí na bloky 8x8 bodů (vzorků) celkem 64 bodů (kompromis mezi náklady a dostatečnou komprimací). Pro komprimaci digitálního signálu se využívá transformačního kódování. Jeho úkolem je převést hodnoty vzorků navzájem závislých (korelovaných) na jiné hodnoty vzorků na sobě nezávislých (nekorelovaných). Počet nových vzorků (nenulových), tzv. frekvenčních koeficientů, je menší než počet vzorků původních. Používá se diskrétní kosinová transformace DCT, kterou lze odvodit z Fourierovy transformace vhodnou substitucí. Nejúčinnější transformací z pohledu nejmenší rozlohy výsledné matice frekvenčních koeficientů je transformace Karhunen-Loeveho, využívající statistické vlastnosti signálu určeného k transformaci, tj. měnící své transformační jádro podle obsahu signálu. Výpočet koeficientů je však náročný. Walshova-Hadamardova pravoúhlá transformace nepoužívá goniometrické funkce, ale pravoúhlé průběhy se stejnou velikostí. Koeficienty se počítají pouhým sčítáním na rozdíl od násobení při goniometrických transformacích.

60 Pro blok 8x8 bodů platí pro přímou DCT (FDCT) a zpětnou DCT (IDCT) vztahy: 1 G( u, v) C( u). C( v). 4 7 x0 7 y0 (2x 1). u. (2y 1). v. g( x, y).cos.cos g( x, y) 4 7 u0 7 v0 (2x 1). u. (2y 1). v. C( u). C( v). G( u, v).cos.cos kde g(x,y) je diskrétní funkce v prostorové oblasti, G(u,v) je diskrétní funkce ve frekvenční oblasti, x,y jsou souřadnice bodu (vzorku) v prostorové oblasti, u,v jsou souřadnice bodu (vzorku) ve frekvenční oblasti, C(u) = C(v) = 0,707 platí pro u = v = 0, C(u) = C(v) = 1 platí pro u > O, v > 0. Koeficient G(0,0) představuje stejnosměrnou složku (střední hodnotu) transformovaného signálu daného bloku. Je dokázáno, že pro 8 bitové vzorky signálu PCM je třeba 11 bitové vyjádření frekvenčních koeficientů, přičemž některé koeficienty jsou i záporné. Kvantizační tabulky pro jasový a chrominanční signál jsou různé. Získávají se empiricky. U soustavy JPEG nejsou tabulky standardizovány a jejich obsahem lze měnit kvalitu přenášeného obrazu, resp. účinnost komprimace (u MPEG 1 a 2 se jejich druh uvádí v záhlaví každého snímku). Čísla matice frekvenčních koeficientů se dělí odpovídajícími čísly kvantizační tabulky. Výsledné kvantované koeficienty se zaokrouhlují na nejbližší celá čísla.

61 Procesem prahování se zanedbávají všechny frekvenční koeficienty menší než zvolená prahová hodnota. Uvedený proces je nevratný a tedy ztrátový. Po kvantování a prahování se frekvenční koeficienty čtou z matice podle úhlopříčky (cik-cak). Uvedený způsob s výhodou odpovídá postupnému zmenšování hodnot koeficientů se zvyšující se frekvencí. Od jistého koeficientu obsahuje sériový tok dat již samé nuly. Stejnosměrný koeficient se přenáší samostatně jako diference mezi stejnosměrnou hodnotou právě kódovaného bloku a předchozího bloku. Sled frekvenčních koeficientů je podroben entropickému kódování kódování s proměnnou délkou slova (VLC Variable Length Coding), Huffmanův kód. Kódují se skupiny skládající se z určitého počtu po sobě jdoucích nulových koeficientů a prvního nenulového koeficientu. První symbol obsahuje údaj o počtu nul (délka běhu Run Length) a počtu bitů potřebných pro kódování nenulového koeficientu. Druhý symbol vyjadřuje hodnotu nenulového koeficientu v binární podobě. Příklad vyjádření koeficientu 3 bity:

62 Způsoby přenosu: Sekvenční mód koeficienty každého bloku se přenášejí postupně za sebou. Přenos a dekódování celého obrazu trvá dlouho. Progresivní mód nejdříve se přenášejí stejnosměrné koeficienty všech bloků, poté první koeficienty všech bloků, druhé koeficienty všech bloků, atd. Na přijímací straně se obraz postupně obohacuje o podrobnosti. Používá se při prohlížené řady obrazů, kdy je vhodné pro rychlou orientaci zobrazit obraz bez podrobností. Stupeň komprimace CR (Compress Ratio) je poměr přenosové rychlosti signálu před komprimací a po komprimaci CR = Rvst / Rvýst. Pro JPEG je CR cca 8 až Zdrojové kódování obrazových signálů (JPEG kvantizační tabulky, prahování, vyčítání koeficientů cik-cak, kódování VLC). Kvantizační tabulky pro jasový a chrominanční signál jsou různé. Získávají se empiricky. U soustavy JPEG nejsou tabulky standardizovány a jejich obsahem lze měnit kvalitu přenášeného obrazu, resp. účinnost komprimace (u MPEG 1 a 2 se jejich druh uvádí v záhlaví každého snímku). Čísla matice frekvenčních koeficientů se dělí odpovídajícími čísly kvantizační tabulky. Výsledné kvantované koeficienty se zaokrouhlují na nejbližší celá čísla. Procesem prahování se zanedbávají všechny frekvenční koeficienty menší než zvolená prahová hodnota. Uvedený proces je nevratný a tedy ztrátový. Po kvantování a prahování se frekvenční koeficienty čtou z matice podle úhlopříčky (cik-cak). Uvedený způsob s výhodou odpovídá postupnému zmenšování hodnot koeficientů se zvyšující se frekvencí. Od jistého koeficientu obsahuje sériový tok dat již samé nuly. Stejnosměrný koeficient se přenáší samostatně jako diference mezi stejnosměrnou hodnotou právě kódovaného bloku a předchozího bloku.

63 Sled frekvenčních koeficientů je podroben entropickému kódování kódování s proměnnou délkou slova (VLC Variable Length Coding), Huffmanův kód. Kódují se skupiny skládající se z určitého počtu po sobě jdoucích nulových koeficientů a prvního nenulového koeficientu. První symbol obsahuje údaj o počtu nul (délka běhu Run Length) a počtu bitů potřebných pro kódování nenulového koeficientu. Druhý symbol vyjadřuje hodnotu nenulového koeficientu v binární podobě. Příklad vyjádření koeficientu 3 bity: Způsoby přenosu: Sekvenční mód koeficienty každého bloku se přenášejí postupně za sebou. Přenos a dekódování celého obrazu trvá dlouho. Progresivní mód nejdříve se přenášejí stejnosměrné koeficienty všech bloků, poté první koeficienty všech bloků, druhé koeficienty všech bloků, atd. Na přijímací straně se obraz postupně obohacuje o podrobnosti. Používá se při prohlížené řady obrazů, kdy je vhodné pro rychlou orientaci zobrazit obraz bez podrobností. Stupeň komprimace CR (Compress Ratio) je poměr přenosové rychlosti signálu před komprimací a po komprimaci CR = R vst / R výst. Pro JPEG je CR cca 8 až 15. viz. obr.výše!!!

64 28. Zdrojové kódování obrazových signálů (MPEG1 blokové schéma kodéru, popis činnosti, snímky I,P,B, vektory pohybu). Standard byl schválen v roce 1993 pro záznam obrazu na DVD a CD, videokonference, videotelefony, aj. Používá progresivní (neprokládané) řádkování. Komprimuje digitální signál na malou bitovou rychlost, pod 1,5 Mbit/s. Kompresní poměr až 150 : 1. Pokud je vstupní signál ve formátu 4:2:2, převádí jej do formátu SIF 4:2:0. Signál je pracováván v makroblocích. Každý makroblok obsahuje 4 bloky 8x8 vzorků jasového signálu sestavené do jednoho celku 16x16 vzorků, jeden blok 8x8 vzorků chrominančního signálu C B a jeden blok 8x8 vzorků chrominančního signálu C R. Aby se do jednoho aktivního řádku vešel celistvý počet makrobloků, odstraňují se u tohoto formátu 4 vzorky jasového signálu na začátku a na konci řádku (360 : 16 = 22, zbytek 8) a 2 vzorky chrominančních signálů na začátku a na konci řádku (180 : 8 = 22, zbytek 4). Při zpětné přeměně formátu z 4:2:0 na 4:2:2 se krajní vzorky dopočítají interpolací. Kromě postupů, které využívá standard JPEG, používá MPEG 1 navíc pro redukci časové redundance diferenční pulsní kódovou modulaci DPCM s predikcí a vektory pohybu. Pomocí DPCM je vytvářena předpověď mezi snímky (Inter Frame). Vytváří se rozdíl v hodnotách vzorků mezi právě kódovaným snímkem a předchozím snímkem, a to na úrovni makrobloků.

65 Snímek kódovaný rozdílem právě kódovaného a předchozího snímku se označuje jako snímek P (Predict) a predikce (předpověď) se nazývá dopřednou. Při zpětné predikci je snímek kódovaný rozdílem následujícího a právě kódovaného snímku (snímky je však třeba přeskládat a mít uloženy v paměti). Obě uvedené predikce se označují jako jednosměrné a lze jimi dosáhnout komprimace až 2:1. Větší komprimace, až 8:1, lze dosáhnout obousměrnou predikcí. Snímek označovaný B (Bidirectional) je v takovém případě kódovaný rozdílem právě kódovaného snímku a průměru předchozího a následujícího snímku (referenční snímky). Všechny přenášené snímky však nemohou být predikované. Dekodér musí mít po určité době možnost začít dekódovat signál z výchozího stavu (např. při zapnutí TVP, při přepnutí programu). Proto jsou snímky sestaveny do po sobě následujících skupin snímků GOP (Group of Pictures), na jejichž začátku (nebo po určité době) se přenáší snímek I (Intra Frame), který je bez predikce a zpracovává se přímo FDCT. Doba opakování snímku I byla stanovena jako kompromis mezi dostatečnou komprimací (snímky I by se měly opakovat po delší době) a rychlým přístupem k dekódovanému signálu (snímky I by se měly opakovat po kratší doě). Obvykle je skupina GOP tvořena 12 snímky (algoritmus je stanoven v kodéru), takže doba opakování snímku I je: ms = 480 ms = cca 0,5 s. Predikční kódování je bezeztrátové. Spolu s transformačním kódováním tvoří hybridní komprimační kódování. Otázka za 5b: napsat posloupnost sledu přenosu!!

66 Ještě větší komprimace signálu lze dosáhnout tzv. kompenzací pohybu. Využívá se toho, že sousední snímky jsou si značně podobné (kromě střihu), obsahují prakticky stejné objekty, ale v jiných polohách. Vytváření snímku P pomocí vektoru pohybu. Pro každý blok právě kódovaného snímku se prohledává tzv. vyhledávací prostor (± 15,5 obrazových bodů ve vodorovném směru a ± 7,5 bodů ve svislém směru) v předchozím snímku a zkoumá se, zda se bloky svým obsahem shodují. Pokud ano, je souřadnicemi x, y určen tzv. vektor pohybu. Stanovení vektoru pohybu se provádí současně pro jasový signál i oba chrominanční signály. Oběma signálům přísluší jeden společný vektor pohybu. Stanovení vektorů pohybu spolu s výpočtem koeficientů DCT patří k nejnáročnějším operacím a z hlediska hardwaru jsou nejnákladnější. Nenajdou-li se v obou snímcích určených k predikci stejné nebo málo se lišící makrobloky, může kodér zvolit pouze jednosměrnou predikci, případně predikci nepoužít vůbec. Pro snímky I resp. snímky P a B se používají různé kvantizační tabulky (liší se rovněž pro JPEG a MPEG). Blokové schéma kodéru MPEG 1. Vyrovnávací paměť je dimenzována na jeden snímek. Její plnění musí být regulováno tak, aby byla vždy téměř naplněna a výstupní tok měl konstantní přenosovou bitovou rychlost (požadavek synchronního přenosu). Vyrovnávací činnost zajišťuje kvantovací obvod změnou redukčního koeficientu. Obvod prvního multiplexeru zajišťuje sloučení komprimovaného obrazového signálu, vektorů pohybu a pomocných řídicích bitů.

67 Řízení výstupního bitového toku je rozloženo do šesti vrstev (Layers). Každá vrstva (mimo šesté) másvé záhlaví, kde jsou umístěny důležité informace. První vrstva řada snímků (nejhrubší dělení bitového toku). Druhá vrstva skupina snímků GOP. Třetí vrstva snímek. Čtvrtá vrstva proužek makrobloků (zavedeno z důvodů dobré synchronizace dekodéru). Pátá vrstva makroblok (při formátu 4:2:0 obsahuje šest bloků). Šestá vrstva blok (nemá záhlaví). Počet řídicích bitů pro jeden snímek je Při 25 snímcích/s se podílí řídicí bity na výsledné bitové rychlosti přídavnou hodnotou 1,1336 Mbit/s. Následující obrázek nemusíme znát, ale máme si ho přečíst:)

68 29. Zdrojové kódování obrazových signálů (MPEG2 úrovně a profily, půlsnímkový a celosnímkový mód). Používá se pro distribuci TV signálu různými prostředími (satelitní, kabelové, terestriální), v různé kvalitě a v různém stupni ochran proti chybám v přenosovém řetězci a proti rušení. Kodér je stavebnicové koncepce s možností volby různých kódovacích metod s různými parametry. Lze tedy zvolit vytvoření např. signálu pro televizi s malým rozlišením nebo např. pro televizi s vysokým rozlišením. Tyto různé signály se mohou přenášet v jednom společném bitovém toku. Dekodér přijímače může vybrat zvolený druh signálu (např. HDTV), ovšem za předpokladu, že jej umí zpracovat. Podle složení obrazového signálu se signál komprimuje u SDTV do cca 15 Mbit/s, pro HDTV do cca 80 Mbit/s. Úroveň MPEG 2 souvisí s počtem vzorků obrazu (jeho kvalitou) Profil MPEG 2 souvisí s kódovací metodou (celková bitová rychlost) a tedy se složitostí kodéru i dekodéru (orientačně, kdo prý bude znát, tak se blýskne u písemky)

69 Pro hlavní profil a hlavní úroveň je použit formát vzorkování 4:2:2, podle doporučení ITU-R 601. Makroblok obsahuje 4 bloky 8x8 vzorků jasového signálu, 2 bloky 8x8 vzorků chrominančního signálu C B a 2 bloky 8x8 vzorků chrominančního signálu C R Obraz může být zpracován s prokládaným i neprokládaným řádkováním. U prokládaného řádkování může být složení bloků v makrobloku dvojího druhu. neprokládané (nevhodné pro snímání pohybu, lepší pro přenos, myslím :P), stejně je to pro Y, C B, C R prokládané, stejně je to pro Y, C B, C R Prokládané řádkování komplikuje zpracování signálu. Rozšiřují se možnosti volby referenčních snímků při predikci a referenčních makrobloků při určování vektorů pohybu. Predikce je možno určovat v celosnímkovém nebo půlsnímkovém módu. Celosnímkový mód oba půlsnímky téhož snímku jsou stejného typu (I, P nebo B). Predikce celosnímková makroblok je vytvořen prostřídáním lichých a sudých řádků. Predikce vnáší chybu při vodorovně se pohybujících svislých hranách obrazu a je vhodná pro statický obraz. Je nutný pouze jeden vektor pohybu pro snímek P a jen dva vektory pohybu pro snímek B. Predikce půlsnímková makroblok je složen ze dvou částí (16x8 vzorků), predikce se provádí samostatně pro obě části makrobloku s použitím dvou vektorů pohybu. Kompenzace pohybu je přesnější

70 Půlsnímkový mód oba půlsnímky téhož snímku jsou považovány za samostatné snímky a mohou být kódovány jako snímky I, P nebo B. Používá se pro pohyblivé obrazy. Celosnímkový a půlsnímkový mód se přepíná jen po celých snímcích. Transformační a entropické kódování je stejné jako u MPEG 1 (je zde pouze několik změn zaručujících větší účinnost kódování). Při pohybu v obraze je vhodnější půlsnímkové zpracování bloků (nevzniká tolik frekvenčních koeficientů). Při statických obrazech je výhodnější celosnímkové zpracování bloků Kvantizační tabulky i tabulky pro Huffmanovo kódování jsou přizpůsobeny početnějšímu zastoupení větších frekvenčních koeficientů. Rozdílný je i způsob vyčítání frekvenčních koeficientů (strmější), což ovlivní i délku běhu a následně i tabulku Huffmanova kódu. Bitový tok z kvantizéru lze měnit v poměru cca 1 : 2000, přídavným redukčním koeficientem v kvantovacím obvodu. Pro pozemní vysílání jsou připraveny kodéry s bitovou rychlostí do 4 Mbit/s v závislosti na volbě kvantovacích a Huffmanových koeficientů 30. Zdrojové kódování zvukových signálů (MPEG 1 Audio Layer 1). MPEG 1 úroveň 1 (Audio Layer 1) je nejjednodušší a poskytuje pro nejkvalitnější signál jen malou redukci bitového toku, např. ze 768 kbit/s na 448 kbit/s. Přenosová rychlost f b jakostního digitálního monofonního akustického signálu je dána součinem vzorkovací frekvence f vz (počet vzorků za jednu sekundu) a počtu bitů b, pomocí nichž je vyjádřena úroveň vzorku signálu. Pro vzorkovací frekvenci f vz = 48 khz a počtu bitů b = 16 je přenosová rychlost f b = 768 kbit/s. S použitým počtem bitů souvisí i počet kvantovacích úrovní K = 2 b. Při celkovém rozkmitu signálu 1 V je vzdálenost dvou sousedních kvantizačních úrovní Q = 1/K = 1/2 b. Z uvedeného vyplývá, že zvětšením počtu bitů b se zvětšuje přenosová rychlost signálu a současně se zmenšuje kvantizační šum. Pro poměr výkonu signálu a výkonu šumu platí zjednodušený vztah S/N = 6.b + 1,8 [db]. Dosazením b = 16 dostáváme S/N = 98 db, pro b = 8 dostáváme S/N = 50 db. Zmenšením počtu bitů se zmenší dynamika signálu, a to bez komprimačních úprav. Snížení přenosové rychlosti zvukového signálu (komprimace) se provádí redukcí redundance a především irelevance. Využívá se přitom metod zahrnujících i vlastnosti vnímání lidským sluchem. Vlastnosti lidského sluchu jsou přitom vyjádřeny zprůměrováním výsledků dosažených při akustických testech na velkém počtu posluchačů. Člověk vnímá zvuky pouze ve frekvenčním pásmu od cca 16 Hz do cca 16 khz. Za práh slyšitelnosti se považuje frekvenční závislost akustického tlaku p, při níž lidský sluch přestává vnímat harmonický akustický signál. Horní hranice akustického tlaku určuje práh bolesti (nevnímáme zvuk, ale bolest). Úroveň (hladina) akustického tlaku je dána vztahem

71 Maskovací jev v kmitočtové oblasti. Při současném vnímání několika různých zvukových signálů delších než 200 ms může jeden signál potlačovat slyšitelnost jiného signálu, i když jejich frekvence jsou různé. Říkáme, že jej při své určité úrovni akustického tlaku maskuje (tikot hodin letiště). Křivky udávající hladinu akustického tlaku, od které je slyšitelnost zvuku sinusového průběhu o určité akustické hladině maskována silnějším úzkopásmovým šumem určité hladiny, se nazývají prahy současné slyšitelnosti. Průběhy prahu slyšitelnosti závisí na frekvenci, hladině akustického tlaku a frekvenčním složení zvuku. Křivky současné slyšitelnosti při maskování signálů úzkopásmovým šumem s šířkou pásma 160 Hz a konstantní hladinou (60 db) na třech různých frekvencích. Křivky současné slyšitelnosti při maskování signálů úzkopásmovým šumem s šířkou pásma 160 Hz na frekvenci 1 khz pro tři různé hladiny. Maskovací jev v časové oblasti. Maskování nastává i v případě, kdy maskovaný krátkodobý signál určité hladiny přichází až po ukončení maskujícího signálu vyšší hladiny, v době do 10 ms. Po delším intervalu než 10 ms maskování slábne a po 200 ms maskování zcela zaniká. Rovněž může být maskován krátký zvukový impuls, následuje-li po něm nejdéle do 5 ms maskující signál. Při zdrojovém kódování akustických signálů se využívá opačného jevu, při němž určitý sinusový signál dané frekvence a hladiny maskuje kvantizační šum. Podle nejsilnějších složek zvukového signálu a jím odpovídajícím křivkám maskovacích prahových hodnot, lze stanovit hodnotu kvantizačního šumu, který bude signálem maskován a z něj stanovíme počet bitů b potřebných pro kvantování signálu. Zvukový standart MPEG 1 Zvukový, např. monofonní signál z mikrofonu se převede do digitální formy (PCM). Pro f vz = 48 khz a počet bitů b = 16 (tj kvantovacích úrovní) vzniká digitální signál s přenosovou rychlostí 768 kbit/s, který přichází do kodéru. Zde je signál komprimován na cca 200 kbit/s. Poté je multiplexován s obrazovým signálem a zabezpečen proti chybám. Po průchodu přenosovým kanálem se nejdříve opraví chyby vzniklé při přenosu, poté se signál oddělí od signálu obrazového a přichází do dekodéru a dále do převodníku D/A. Výsledný analogový signál po zesílení v koncovém nf zesilovači budí reproduktor. mikrofon signál PCM 768 kbit/s komprimovaný signál cca 200 kbit/s 768 kbit/s reproduktor A/D převodník kodér přenosový kanál dekodér D/A převodník redukce redundance a irelevance cca 550 kbit/s

72 Vstupní digitální signál PCM přichází do banky číslicových filtrů, kde se vytváří tzv. rámce dat. Každý rámec obsahuje 384 vzorků (tj = bitů). Doba trvání rámce je 8 ms (384 : 48 khz). Signál každého rámec se převede z časové oblasti do frekvenční a výsledné spektrum (odpovídající signálu jednoho rámce) se rozdělí do 32 stejně širokých dílčích frekvenčních pásem. Šířka každého dílčího pásma je 750 Hz. Po dobu 8 ms je tedy k dispozici pro každé dílčí frekvenční pásmo 12 frekvenčních vzorků signálu (384 : 32 = 12). Ve 32 pásmech je to celkem 384 (32.12) frekvenčních vzorků jednoho rámce. Z 12 frekvenčních vzorků se v každém dílčím pásmu vybere vzorek s maximální velikostí a podle něj se stanoví činitel měřítka (Scale Factor). Pro jeden rámec trvající 8 ms se získá 32 činitelů měřítka, které mají rozhodující význam pro stanovení maskovacích prahů v každém dílčím pásmu jednoho rámce. Součástí kodéru je blok nazývaný psychoakustický model, pomocí kterého jsou modelovány lidské psychoakustické vlastnosti. V něm se srovnávají činitelé měřítka s hodnotami stanovenými statisticky (na základě měření sluchových vlastností velkého počtu posluchačů). Pro každé dílčí pásmo je potom vypočítán amplitudově závislý práh kvantizačního šumu. Podle vypočítaného prahu kvantizačního šumu se v daném pásmu přidělí určitý počet bitů pro všech 12 frekvenčních vzorků. Pro různá dílčí pásma může být počet bitů různý a pohybuje se v rozmezí od 2 do 15 (původní počet byl 16). Tím se výrazně sníží přenosová rychlost signálu. Ve výstupním obvodu se vytváří komprimovaný sériový digitální signál s proměnnou přenosovou rychlostí od 448 kbit/s do 32 kbit/s. Podrobnější schéma kodéru MPEG 1 pro kódování podle úrovně 1. Po výběru činitelů měřítka (největších vzorků v každém pásmu) jsou všechny vzorky v každém pásmu normovány, tj. děleny příslušným činitelem měřítka. Největší hodnoty jsou vždy normovaný k 1, takže všechny kvantizéry (32) pracují se stejnou maximální úrovní vzorků. Maximální hodnoty vzorků v každém pásmu jsou kvantovány 6 bity, které se zavádí do bloku kódování vedlejších informací, kde doplňují bitový tok o informaci potřebnou pro správnou činnost dekodéru (přenáší se i informace o počtu bitů). Přidělení počtu bitů pro kvantování zajišťuje psychoakustický model, který dostává informaci nejen o maximálních velikostech vzorků v rámci, ale také o tom, zda je signál tónový či netónový (ovlivňuje průběh maskovacích křivek a stanovení prahu kvantizačního šumu). Proto je vstupní signál PCM podroben FFT, z jejichž výsledků se určí charakter signálu.

73 Různá poloha činitele měřítka (největšího vzorku) mezi 12 vzorky v daném pásmu a jejich postupné kvantování není na závadu neboť doba 8 ms pro uplynutí 12 vzorků vyhovuje podmínce nesoučasného maskování (maskovací jev v časové oblasti). V bloku dynamické přidělení počtu bitů je vybrán pro každé pásmo jeden ze 14 kvantizačních obvodů (kvantování 2, 3,.. až 15 bity). Do bloku formátování bitového toku přichází za 1 s celkem 125 rámců (1 s : 8 ms). Vzorkovací frekvence vstupního a výstupního signálu je stejná a rovná se 48 khz. Bitová rychlost výstupního signálu však kolísá v závislosti na počtu bitů v jednotlivých pásmech každého rámce. Malé vzorky se kvantují větším počtem bitů, velké vzorky menším počtem bitů. Aby byla využitá zvolená maximální bitová rychlost, snižuje se vypočtený práh kvantizačního šumu (na obr. nakresleno čárkovaně) a tím dochází ke zvýšení ke dočasnému zvýšení bitové rychlosti. Maximální bitovou rychlost je možné pro kodér nastavit v jednom ze 14 stupňů (závisí na standardu a vzorkovací frekvenci). Při nižších bitových rychlostech se kvalita signálu zhoršuje (do signálu proniká kvantizační šum, zmenšení vzorkovací frekvence má za následek snížení frekvenčního rozsahu signálu). Při vzorkovací frekvenci 48 khz se pásma 27 až 31 nepřenášejí (nad 20 khz neslyšitelný signál). Využívají se jen při vzorkovací frekvenci 32 khz, kdy je v dílčím frekvenčním pásmu 8 vzorků, Struktura rámce pro monofonní signál podle standardu MPEG 1, úroveň 1. datový rámec 384 vzorků signálu PCM, doba trvání 8 ms, f vz = 48 khz záhlaví zabezpečení proti chybám přidělení počtu bitů pro kvantování velikost činitele měřítka hodnoty vzorků přídavná data 12 bitů pro synchronizaci, 20 bitů pro informaci o soustavě 16 bitů podle volby zabezpečení po 4 bitech po 6 bitech v každém ze 32 pásem po 2 až 15 bitech Po 12 synchronizačních bitech následuje 20 bitů poskytujících informaci o soustavě (vzorkovací frekvence, bitová rychlost, stereo, mono, duo). Následují bity pro zabezpečení záhlaví. Rámec je zakončen přídavnými daty pro různá použití. Pro stereofonní přenos jsou potřeba dva zvukové kanály, a proto se přenosová rychlost signálu zdvojnásobuje. 31. Zdrojové kódování zvukových signálů (MPEG 1 Audio Layer 2, MUSICAM). Digitalizace zvukových signálů Existuje několik standardů kódování zvukového signálu: MPEG 1 úroveň 1 (Audio Layer 1) je nejjednodušší a poskytuje pro nejkvalitnější signál jen malou redukci bitového toku, např. ze 768 kbit/s na 448 kbit/s. MPEG 1 úroveň 2 (Audio Layer 2) vychází ze systému MUSICAM určeného pro DAB (Digital Audio Broadcasting). Snižuje bitovou rychlost signálu ve srovnání s úrovní 1 při zvýšení jakosti zvuku na nízkých frekvencích. MPEG 1 úroveň 3 (Audio Layer 3) se používá pro profesionální aplikace. V evropském návrhu DVB není využit. Dále sice snižuje bitovou rychlost signálu, ale konstrukce dekodéru je složitější a nákladnější. Používá modifikovanou diskrétní kosinovou transformaci MDCT. MPEG 2 úroveň 1, 2 a 3. Používá se v DVB pro přenos několikakanálové stereofonie (pěti nebo šesti kanálový Dolby Surround Sound). Používá poloviční vzorkovací frekvenci než MPEG 1. Při nízkých bitových rychlostech signálu je kvalita zvuku lepší než u MPEG 1. Přenosová rychlost fb jakostního digitálního monofonního akustického signálu je dána součinem vzorkovací frekvence fvz (počet vzorků za jednu sekundu) a počtu bitů b, pomocí nichž je vyjádřena úroveň vzorku signálu. Pro vzorkovací frekvenci fvz = 48 khz a počtu bitů b = 16 je přenosová rychlost fb = 768 kbit/s.

74 S použitým počtem bitů souvisí i počet kvantovacích úrovní K = 2b. Při celkovém rozkmitu signálu 1 V je vzdálenost dvou sousedních kvantizačních úrovní Q = 1/K = 1/2b. Z uvedeného vyplývá, že zvětšením počtu bitů b se zvětšuje přenosová rychlost signálu a současně se zmenšuje kvantizační šum. Pro poměr výkonu signálu a výkonu šumu platí zjednodušený vztah S/N = 6.b + 1,8 [db]. Dosazením b = 16 dostáváme S/N = 98 db, pro b = 8 dostáváme S/N = 50 db. Zmenšením počtu bitů se zmenší dynamika signálu, a to bez komprimačních úprav. Snížení přenosové rychlosti zvukového signálu (komprimace) se provádí redukcí redundance a především irelevance. Využívá se přitom metod zahrnujících i vlastnosti vnímání lidským sluchem. Vlastnosti lidského sluchu jsou přitom vyjádřeny zprůměrováním výsledků dosažených při akustických testech na velkém počtu posluchačů. Člověk vnímá zvuky pouze ve frekvenčním pásmu od cca 16 Hz do cca 16 khz. Za práh slyšitelnosti se považuje frekvenční závislost akustického tlaku p, při níž lidský sluch přestává vnímat harmonický akustický signál. Horní hranice akustického tlaku určuje práh bolesti (nevnímáme zvuk, ale bolest). Úroveň (hladina) akustického tlaku je dána vztahem L 20log P P 0 db P0 20 Pa Zvukový standard MPEG 1 Zvukový, např. monofonní signál z mikrofonu se převede do digitální formy (PCM). Pro fvz = 48 khz a počet bitů b = 16 (tj kvantovacích úrovní) vzniká digitální signál s přenosovou rychlostí 768 kbit/s, který přichází do kodéru. Zde je signál komprimován na cca 200 kbit/s. Poté je multiplexován s obrazovým signálem a zabezpečen proti chybám. Po průchodu přenosovým kanálem se nejdříve opraví chyby vzniklé při přenosu, poté se signál oddělí od signálu obrazového a přichází do dekodéru a dále do převodníku D/A. Výsledný analogový signál po zesílení v koncovém nf zesilovači budí reproduktor. mikrofon signál PCM 768 kbit/s komprimovaný signál cca 200 kbit/s 768 kbit/s reproduktor A/D převodník kodér přenosový kanál dekodér D/A převodník redukce redundance a irelevance cca 550 kbit/s

75 Kódování podle úrovně 1 Zjednodušené zapojení kodéru MPEG 1. Vstupní digitální signál PCM přichází do banky číslicových filtrů, kde se vytváří tzv. rámce dat. Každý rámec obsahuje 384 vzorků (tj = bitů). Doba trvání rámce je 8 ms (384 : 48 khz). Signál každého rámec se převede z časové oblasti do frekvenční a výsledné spektrum (odpovídající signálu jednoho rámce) se rozdělí do 32 stejně širokých dílčích frekvenčních pásem. Šířka každého dílčího pásma je 750 Hz. Po dobu 8 ms je tedy k dispozici pro každé dílčí frekvenční pásmo 12 frekvenčních vzorků signálu (384 : 32 = 12). Ve 32 pásmech je to celkem 384 (32.12) frekvenčních vzorků jednoho rámce. Z 12 frekvenčních vzorků se v každém dílčím pásmu vybere vzorek s maximální velikostí a podle něj se stanoví činitel měřítka (Scale Factor). Pro jeden rámec trvající 8 ms se získá 32 činitelů měřítka, které mají rozhodující význam pro stanovení maskovacích prahů v každém dílčím pásmu jednoho rámce. Součástí kodéru je blok nazývaný psychoakustický model, pomocí kterého jsou modelovány lidské psychoakustické vlastnosti. V něm se srovnávají činitelé měřítka s hodnotami stanovenými statisticky (na základě měření sluchových vlastností velkého počtu posluchačů). Pro každé dílčí pásmo je potom vypočítán amplitudově závislý práh kvantizačního šumu. Podle vypočítaného prahu kvantizačního šumu se v daném pásmu přidělí určitý počet bitů pro všech 12 frekvenčních vzorků. Pro různá dílčí pásma může být počet bitů různý a pohybuje se v rozmezí od 2 do 15 (původní počet byl 16). Tím se výrazně sníží přenosová rychlost signálu. Ve výstupním obvodu se vytváří komprimovaný sériový digitální signál s proměnnou přenosovou rychlostí od 448 kbit/s do 32 kbit/s.

76 Podrobnější schéma kodéru MPEG 1 pro kódování podle úrovně 1. Po výběru činitelů měřítka (největších vzorků v každém pásmu) jsou všechny vzorky v každém pásmu normovány, tj. děleny příslušným činitelem měřítka. Největší hodnoty jsou vždy normovaný k 1, takže všechny kvantizéry (32) pracují se stejnou maximální úrovní vzorků. Maximální hodnoty vzorků v každém pásmu jsou kvantovány 6 bity, které se zavádí do bloku kódování vedlejších informací, kde doplňují bitový tok o informaci potřebnou pro správnou činnost dekodéru (přenáší se i informace o počtu bitů). Přidělení počtu bitů pro kvantování zajišťuje psychoakustický model, který dostává informaci nejen o maximálních velikostech vzorků v rámci, ale také o tom, zda je signál tónový či netónový (ovlivňuje průběh maskovacích křivek a stanovení prahu kvantizačního šumu). Proto je vstupní signál PCM podroben FFT z jejichž výsledků se určí charakter signálu. Různá poloha činitele měřítka (největšího vzorku) mezi 12 vzorky v daném pásmu a jejich postupné kvantování není na závadu neboť doba 8 ms pro uplynutí 12 vzorků vyhovuje podmínce nesoučasného maskování (maskovací jev v časové oblasti). V bloku dynamické přidělení počtu bitů je vybrán pro každé pásmo jeden ze 14 kvantizačních obvodů (kvantování 2, 3,.. až 15 bity). Do bloku formátování bitového toku přichází za 1 s celkem 125 rámců (1 s : 8 ms). Vzorkovací frekvence vstupního a výstupního signálu je stejná a rovná se 48 khz. Bitová rychlost výstupního signálu však kolísá v závislosti na počtu bitů v jednotlivých pásmech každého rámce. Malé vzorky se kvantují větším počtem bitů, velké vzorky menším počtem bitů. Aby byla využitá zvolená maximální bitová rychlost, snižuje se vypočtený práh kvantizačního šumu (na obr. nakresleno čárkovaně) a tím dochází ke zvýšení ke dočasnému zvýšení bitové rychlosti. Maximální bitovou rychlost je možné pro kodér nastavit v jednom ze 14 stupňů (závisí na standardu a vzorkovací frekvenci). Při nižších bitových rychlostech se kvalita signálu zhoršuje (do signálu proniká kvantizační šum, zmenšení vzorkovací frekvence má za následek snížení frekvenčního rozsahu signálu). Při vzorkovací frekvenci 48 khz se pásma 27 až 31 nepřenášejí (nad 20 khz neslyšitelný signál). Využívají se jen při vzorkovací frekvenci 32 khz, kdy je v dílčím frekvenčním pásmu 8 vzorků,

77 Bitové rychlosti signálů kódovaných podle zvukových standardů MPEG 1 a MPEG 2. údaje v kbit/s MPEG 1 MPEG 2 f vz = 32; 44; 48 khz f vz = 16; 22,05; 24 khz index úroveň 1 úroveň 2 úroveň 3 úroveň 1 úroveň Struktura rámce pro monofonní signál podle standardu MPEG 1, úroveň 1. datový rámec 384 vzorků signálu PCM, doba trvání 8 ms, f vz = 48 khz záhlaví zabezpečení proti chybám přidělení počtu bitů pro kvantování velikost činitele měřítka hodnoty vzorků přídavná data 12 bitů pro synchronizaci, 20 bitů pro informaci o soustavě 16 bitů podle volby zabezpečení po 4 bitech po 6 bitech v každém ze 32 pásem po 2 až 15 bitech Po 12 synchronizačních bitech následuje 20 bitů poskytujících informaci o soustavě (vzorkovací frekvence, bitová rychlost, stereo, mono, duo). Následují bity pro zabezpečení záhlaví. Rámec je zakončen přídavnými daty pro různá použití. Pro stereofonní přenos jsou potřeba dva zvukové kanály, a proto se přenosová rychlost signálu zdvojnásobuje. Kódování podle úrovně 2 (standard MUSICAM) Vychází ze standardu dříve určeného pro digitální rozhlasové vysílání DAB. Zkratka MUSICAM (Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing) vyjadřuje Integrované multiplexování a kódování ve všeobecném dílčím pásmu s přizpůsobením maskujícím vzorům. Komprimace signálu (snížení jeho bitové rychlosti) je větší než v úrovni 1, přitom kvalita zvukového signálu je při nižších bitových rychlostech lepší. Zpracování signálu zůstává stejné jako v úrovni 1, mění se pouze některé parametry a přidávají se určité doplňky.

78 V bance filtrů se vytvářejí skupiny po 36 frekvenčních vzorcích v každém z 32 dílčích pásem. Obsah jednoho rámce je 36 x 32 = 1152 vzorků a při vzorkovací frekvenci 48 khz trvá rámec 24 ms. Poněvadž maskovací účinek nesoučasných (časově posunutých) signálů trvá maximálně 20 ms, jsou zavedeny tři činitele měřítka. Z 36 vzorků vybírá kodér 3 největší vzorky. Všechny tři se využívají však pouze tehdy, jestliže signál vykazuje rychlé časové změny. Při pomalých časových změnách se používají pouze dva nebo dokonce jen jeden činitel měřítka. Jejich počet stanoví příslušný obvod na základě informací o signálu z banky filtrů. Počet zvolených činitelů měřítka vyjádřený dvěma bity je multiplexován do rámce dat. Činitelé měřítka jsou opět vyjádřeny 6 bity. Počet kvantovacích úrovní daný počtem bitů od 2 do 15 se používá jen u nízkých frekvenčních pásem a je určen čtyřmi bity. Pro stření pásma je počet kvantovacích úrovní dán maximálně 8 bity (3 bitový údaj ve složení rámce). Blokové schéma kodéru MPEG 1 pro kódování podle úrovně 2. Snížení výsledného bitového toku má za následek nutnost použít větší zabezpečení přenášených dat.. Největší ochranu vyžaduje MSB (Most Significant Bit) měřítka, především nižších dílčích pásem. Další ochranu vyžaduje informace o počtu využívaných vzorků. K ochraně měřítka se používá paritní bit, k ochraně informace o počtu vzorků se používá Golayův kód. Pro zjednodušení dekódovací části přijímače jsou informace o počtu bitů, měřítku a počtu vzorků vloženy do multiplexního signálu pro každé dílčí pásmo. Struktura rámce pro monofonní signál podle standardu MPEG 1 úroveň 2. datový rámec 1152 vzorků signálu PCM, doba trvání 24 ms, f vz = 48 khz záhlaví zabezpečení proti chybám přidělení počtu bitů pro kvantování údaj o počtu činitelů měřítka velikost činitelů měřítka hodnoty vzorků přídavná data 12 bitů pro synchronizaci, 20 bitů pro informaci o soustavě 16 bitů podle volby zabezpečení po 4 bitech v dolních pásmech, po 3 bitech ve středních pásmech, po 2 bitech v horních pásmech po 2 bitech po 6 bitech po 2 až 15 bitech v každém ze 32 pásem

79 Blokové schéma dekodéru MPEG 1. kódovaný digitální signál oprava chyb a rozdělení bitového toku dekódování vedlejších informací rekonstrukce vzorků v dílčích pásmech (32) inverzní banka filtrů digitální signál 768 kbit/s f vz = 48 khz převodník D/A reproduktor 32. Multiplexování a kanálové kódování Systémová specifikace MPEG 2 Datové toky vycházející z vyrovnávacích pamětí (obraz, zvuk, data) jsou rozděleny na pakety PES (Packetized Elementary Stream) s informačním záhlavím. Přenos TV signálu po částech, tj. v paketech, poskytuje velké možnosti při jeho zpracování - kratší celky se snadno uchovávají v paměti, snadné scramblování založené na přemísťování paketů, snadná synchronizace obrazu, zvuku a přídavných dat, atd. Po vytvoření paketů PES se signály multiplexují do výsledného toku, který může být označen jako programový tok nebo transportní tok. Ten může obsahovat jeden televizní program s několikajazyčným resp. stereofonním zvukovým doprovodem a přídavnými daty (teletext, tabulky) nebo i několik televizních programů časově nezávislých. Zdrojové kódování Systémová specifikace MPEG 2 obrazový signál zvukový signál obrazový kodér MPEG 2 zvukový kodér MPEG 2 přídavná data (teletext) vytvoření paketů PES vytvoření paketů PES vytvoření paketů PES multiplexer programového toku multiplexer transportního toku programový tok transportní tok Paketový elementární datový tok PES. Užitečná informace (obrazová, zvuková nebo teletextová data) může obsahovat maximálně bytů. Za záhlavím (6 bytů) následují informační byty (min. 3) a zbytek je vyplněn daty. První 3 byty záhlaví udávají startovací kód, následující byt udává druh užitečné informace (16 videoprogramů, 32 zvukových doprovodů) a poslední dva byty udávají délku paketu.

80 Specifikující informace jsou obsaženy min. ve 3 bytech. V prvních 2 bytech se přenáší 12 specifikujících návěští informujících o vlastnostech paketu. Mimo jiné obsahují 1 bitovou kontrolu CRC (Cyclic Redundance Control), značku PTS (udává časový okamžik, kdy se má dekódovaný paket číst z paměti) a značku DTS (označuje začátek dekódování paketu). Poslední návěští inkrementuje čítač a tím kontroluje správný počet paketů. Programový tok se používá k přenosu dat mezi televizními studii nebo mezi zařízeními pro záznam, kde neočekáváme působení rušivých vlivů. Nepotřebuje zvláštní zabezpečení proti poruchám. Pro synchronizaci dekodéru je přidán v záhlaví signál SCR (System Clock Reference) 27 MHz. Spolu se značkami PTS a DTS je tak zajištěna synchronizace celého obrazu se zvukovým doprovodem. Transportní tok, určený pro přenos signálu DVB, se používá pro zemské a družicové vysílání i kabelový přenos, kde je nutné uvažovat výskyt rušení. Pro takový přenos jsou vhodné krátké a stejně dlouhé pakety, které se lépe zabezpečují přídavnými ochranami při kanálovém kódování a také usnadňují synchronizaci jednotlivých částí dekodéru. Adaptační pole se využívá v případě, kdy se počet bytů (maximálně ) nerozdělí přesně do 184 bytových úseků. Nepřenáší se tedy v každém paketu, ale musí se přenášet minimálně jednou v intervalu 0,1 s. Kromě řídících informací pro rekonstrukci obrazu i zvuku obsahuje také programové referenční hodinové impulsy PCR (Programme Clock Reference), které nejméně jednou za 0,1s synchronizují v dekodéru zdroj hodinových impulsů STC. Impulsy PCR odpovídají impulsům SCR u programového toku. Dekódování transportního toku. Po demodulaci a opravě chyb přichází transportní tok do dekodéru. Podle údajů v záhlaví (PID) jsou rozděleny obrazové a zvukové signály příslušné zvolenému programu (na něj je dekodér nastaven). Synchronizační signál PCR synchronizuje oscilátor 27 MHz a impulsy STC řídí všechny obvody dekodéru. Řízení funkcí dekodéru provádí dekodér systémových informací. Na počátku činnosti (např. po zapnutí TVP nebo přepnutí programu) čeká dekodér na pakety PID = 0. Z těchto paketů získá sdružovací tabulku PAT (Programme Association Table), pomocí které dekodér odklíčuje multiplexovaný datový tok. Kanálové kódování Zdrojově kódovaný (komprimovaný) digitální signál je zbaven redundance a irelevance a sestaven do transportního toku. Zavedení ochran tohoto signálu představuje novou přídavnou redundanci. Způsob ochrany signálu je přizpůsoben přenosovému prostředí. Na přenosové cestě se mohou vyskytnout poruchy, které způsobí v signálu chyby ojedinělé (mění hodnoty jen u jednotlivých bitů) nebo shlukové (burstové). Chyby symbolové mění celý byte i několik bytů. Transportní tok sestavený z transportních paketů po 188 bytech může být zabezpečen až dvěma druhy ochranného kódování FEC (Forward Error Correction).

81 Vnější (hlavní) ochranný kód FEC1 je blokový kód pro opravu symbolů. Používá se samoopravný Reedův - Solomonův kód RS(204,188). Blok se skládá z 204 bytů a je vytvořen ze 188 bytů transportního paketu k nimž je přidáno 16 bytů opravných. Takový kód opraví 8 chybných bytů. Vnitřní ochranný kód FEC2 bývá binární a zabezpečuje jednotlivé bity. Používá se konvoluční (skládaný) kód. Při tomto zabezpečení se k informačním bitům žádné zvláštní opravné bity nepřidávají. Vstupní bity se navzájem ovlivňují vytvářením součtů na různých odbočkách registru. Bity se tedy předepsaným způsobem konvolují, tj. skládají či svinují, takže jejich pravá hodnota a posloupnost je rozmazána. Za oba kodéry FEC na vysílací straně jsou zařazeny prokládací stupně (interleaver) na úrovni bytů a bitů. Podobně za dekodéry FEC na přijímací straně se zařazují inverzní prokládací stupně (deinterleaver). Úkolem těchto bloků je zabezpečení signálu proti shlukům chyb. transportní pakety kodér FEC1 vnější prokládání (byty) kodér FEC2 vnitřní prokládání (bity) opravený signál vnější kód zabezpečení bytů dekodér FEC1 vnější inverzní prokládání (byty) vnitřní kód zabezpečení bitů dekodér FEC2 vnitřní inverzní prokládání (bity) přenosový kanál Blokový Reedův Solomonův kód Reedův - Solomonův kód se označuje RS (n,m). Pokud může symbol (byte) nabývat hodnot q = 2 b, kde b je počet bitů symbolu (bytu), platí n = q 1. Obecně pro zabezpečení m informačních symbolů (bytů) se k nim přidává k opravných symbolů (bytů), takže celkový počet přenášených symbolů (bytů) je n = m + k. RS kód umožní na přijímací straně opravu až t symbolů (bytů), přičemž platí k = 2t. Při opravě se najde místo chybného symbolu (bytu) a určí se jeho správná hodnota. frekvenční oblast časová oblast časová oblast m informačních bytů IDFT n = m + 2t bytů vysílaných přenosový kanál n bytů přijímaných 2t bytů nul frekvenční oblast FDFT m informačních bytů 2t bytů nul Například při osmibitových bytech je n = 255 a při požadavku na opravu až t = 8 bytů je m = n k = n 2t = = 239. V uvedeném případě se kód označuje RS(255,239). Poněvadž transportní tok je složen z transportních paketů o 188 bytech, používá se kód RS (204,188) umožňující opravu až 8 bytů.

82 Blok vysílaných bytů (n) prochází přenosovým kanálem, kde v důsledku rušení dochází k poškození bytů. m informačních bytů IDFT 2t bytů nul Na přijímací straně je blok dat převeden z časové do frekvenční oblasti pomocí přímé diskrétní Fourierové transformace FDFT. Pokud na konci bloku není 2t bytů nulových, došlo na přenosové cestě k poškození bloku. Následuje oprava chyb prováděná na principu aritmetiky Galoisova pole. Řešením soustavy klíčových rovnic se zjistí místa chybných bytů a provede se jejich oprava. Pokud počet chybných bytů nepřekročí hodnotu t, budou všechny byty opraveny a na posledních místech bloku bude 2t bytů nulových. rušení (vznik chyb) n = m + 2t bytů vysílaných přenosový kanál n bytů přijímaných FDFT m informačních bytů oprava chyb chybné symboly 2t bytů nenulových m informačních bytů 2t bytů nul Prokládání (Interleaving) Ochrana signálu proti skupinovým chybám (shluky chyb, bursty). Prokládání se v DVB používá na úrovni bytů i bitů. Hloubka prokládání (max. délka burstové chyby, při které se chyba rozloží na jednotlivé byty resp. bity). Rámec vnějšího kódu (udává počet bytů resp. bitů, po kterých se budou opakovat rozprostřené chybné byty resp. bity). K prokládání se může použít také konvoluční prokládání, diagonální prokládání nebo interblokové prokládání.

83 Konvoluční kód U konvolučních kodérů se do signálu vkládá přídavná redundance tím, že se nad původním a zpožděným bitovým tokem provádí podle známých pravidel jisté matematické operace. Důsledkem je zvýšení přenosové rychlosti signálu, aniž by byly k původnímu signálu přidány nějaké kontrolní bity. Konvoluční kódy je proto možné považovat za konvoluci impulsní odezvy kodéru a vstupního signálu. Konvoluční kodér obsahuje posuvný registr délky S a několik součtových členů realizujících funkci sčítání modulo 2 (logický součet bez přenosu). Jejich počet je stanoven tzv. generujícími mnohočleny (polynomy) stupně S, které udávají, podle jakých pravidel mají být vytvářeny výstupní signály. Pokud mnohočlen obsahuje člen s příslušnou mocninou, je signál z příslušné buňky registru přiveden na součtový člen. Pokud v mnohočlenu nějaký člen chybí, signál z příslušné buňky registru není využit. rámec vstupních dat m = 1 G 1 = x 4 + x x 4 x 3 x 2 x 1 x 0 = 1 G 2 = x 4 + x délka registru S = 4, paměť S.m = 4.1 bitů délka působení K = (S+1).m = (4+1).1 = 5 1 rámec výstupních dat n = 2 2 Konvoluční kodéry se označují K(n,m), kde n je rámec výstupních bitů a m je rámec vstupních bitů, přičemž platí n > m. Vstupní signál je rozdělen do m cest a přiváděn do posuvného registru. Po provedení matematických operací jsou signály na n výstupech sestaveny opět do jednoho bitového toku. Poměr rámce m vstupních bitů a rámce n výstupních bitů udává kódový poměr R (kódovací rychlost), který obvykle bývá 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7 nebo 7/8. Je-li původní bitová rychlost signálu R vst, potom po konvolučním kódování se zvýší na hodnotu R vst / R. Pro dekódování konvolučních kódů se nejčastěji používá Viterbiho algoritmus nebo algoritmus sekvenčního dekódování. 33. Používané digitální modulace (DVB-S, DVB-C, DVB-T) Modulace QPSK pro družicové vysílání DVB-S Modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) neboli čtyřstavové fázové klíčování 4PSK. Vstupní signál se rozdělí v demultiplexeru (Splitter) na liché a sudé bity (větve Inphase, Quadrature). V modulátorech AM typu DSB SC jsou signály modulovány na nosné cos wt, sin wt a poté sečteny

84 Všechny možné stavy nosné, případně přechody mezi jednotlivými stavy, se znázorňují pomocí vektorového (konstelačního) diagramu. Každý stav nosné, tj. každý vektor, popisuje jeden dibit, což je dvojice bitů 01 Q Q 11 I I když se v dibitu mění současně oba bity (11 00 nebo 10 01), se amplituda nosné postupně zmenšuje až k nule a potom se opět zvětšuje na původní hodnotu, s fází posunutou o 180. Doba přechodu z jednoho do druhého stavu je sice velice krátká, přesto vzniká v modulovaném signálu parazitní amplitudová modulace s hloubkou modulace 100%. 10 když se v dibitu mění pouze jediný bit, neklesne amplituda nosné až na nulu, ale pokles je menší. I v tomto případě, kdy dochází ke změně fáze nosné pouze o 90, vzniká v modulovaném signálu parazitní amplitudová modulace. Průchodem signálu QPSK přes nelineární obvod, dochází k obohacení spektra a zvýšení nežádoucích spektrálních složek signálu, což je velkou nevýhodou modulace QPSK 33.2 Modulace QAM pro kabelové vysílání DVB-C Lepšího využití konstelačního diagramu (přibližně rovnoměrného rozložení bodů v rovině IQ) lze dosáhnout tím, že se modulačním signálem klíčuje nejen fáze, ale i amplituda nosné vlny. Tímto způsobem se vytvářejí diskrétní kvadraturní modulace QAM - umožňují dosáhnout vyšší přenosové rychlosti signálu u 64QAM vyjadřuje každý stav nosné nějakou šestibitovou kombinaci 1 a 0 Při konstantní symbolové rychlosti umožňuje přenést více bitů a tedy signály s větší přenosovou rychlostí

85 Uvažujeme-li naopak konstantní přenosovou rychlost signálu, modulace umožní přenos daného signálu s menší symbolovou rychlostí (souvisí s šířkou pásma přenosového kanálu). Se zvyšováním počtu stavů modulací QAM však vzrůstají požadavky na přijímač, který musí rozlišit mnohem menší změny amplitudy a fáze. V komunikačním kanálu působí na modulovaný signál šum a různá rušení, které zvyšují jeho chybovost. Tyto rušivé vlivy se projeví na přijímací straně na tvaru konstelačního diagramu Proto jsou tyto modulace vhodné pro signály procházející prostředím s minimálním rušením a šumem - pro kabelový přenos DVB-C. V modulátoru 16QAM je vstupní digitální signál rozdělen v mapovacím obvodu do dvou dvojic bitů, z nichž každá se zpracovává obdobným způsobem jako v modulátoru QPSK. Před výsledným součtem signál je však do cesty jedné větve (v obrázku do modré větve) vložen útlumový člen (-6dB) Modulace OFDM pro terestriální vysílání DVB-T Modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) je určena pro terestriální (pozemní, zemské) televizní vysílání. Jedná se podstatě o multiplex nosných vln. Na přijímaný signál mají největší vliv odrazy a signály jiných vysílačů se stejným kmitočtem nosné. Při přenosu digitálního signálu jsou rušivé vlivy ještě zřetelnější, neboť přenášené bity mění své hodnoty vlivem ISI (Inter Symbol Interference) a obraz může být silně poruše. Podle rozdílu doby výskytu určitého bitu v přímém a rušivém (odraženém) signálu, zasahuje rušení sousední nebo vzdálenější bity. Nepříznivě se projevují především malé časové rozdíly (cca 0,1 s) odražených signálů s poměrně velkou úrovní. Problém odražených signálů a tedy ISI se řeší prodloužením bitové periody na hodnotu n.t B. Důsledkem je snížení bitové rychlosti signálu

86 Sériově přenášené bity zdrojově kódovaného signálu vytvářejí pomocí tzv. mapujícího obvodu skupiny čili symboly po m bitech vhodných pro následnou modulaci QPSK nebo QAM. Následně se v demultiplexeru signál m bitových symbolů dále rozdělí do n paralelních větví, takže doba jednoho symbolu se prodlouží n krát (bitová perioda se prodlouží m.n krát). Tím se značně zmenší vliv odrazů na přímý signál Dalším opatřením pro snížení vlivu odrazů a vzniku ISI je zavedení ochranného intervalu (10 až 20 ms). Rozdělením bitů do velkého počtu (několik tisíc) paralelních větví se přenosová rychlost kanálového bitového toku značně zmenší (systémy OFDM 1k, 2k, 4k a 8k) Signály v n paralelních větvích prochází tvarovacími filtry a přicházejí na vhodné modulátory. Výsledný signál OFDM vzniká součtem výstupních signálů jednotlivých modulátorů. Blokové schéma modulátoru OFDM.

87 Jednotlivé nosné (subnosné, tóny) jsou od sebe vzdáleny o celočíselný násobek převrácené hodnoty délky symbolu T S (symbolové frekvence) - podmínka ortogonality. Je-li skupina nosných ortogonální, jednotlivé kanály se neovlivňují, i když se jejich spektra částečně překrývají Spektrum jednoho modulovaného signálu a spektrum čtyř modulovaných signálů OFDM (detail). Uvedený postup je funkční, ale pro velké množství bloků (několik tisíc filtrů, modulátorů, atd.) by jeho realizace byla velice neekonomická. V praxi se proto realizuje pomocí signálového procesoru, který výsledný signál vypočítá pomocí inverzní diskrétní Fourierovy transformace IDFT. Datový tok je rozdělen na jednotlivá např. 6 bitová slova vhodná pro následující modulaci 64QAM. Každé slovo vyjadřuje např. 4 bity amplitudu a 2 bity fázi spektrální složky. Z těchto n spektrálních složek (představují spektrální funkci) se v bloku IDFT vypočítá časový průběh odpovídajícího signálu. Na přijímací straně se datový signál vytvoří inverzním postupem pomocí FDFT. 34. Televizní přijímač pro příjem digitálních signálů, STB (blokové schéma, popis činnosti). TV přijímače pro DVB se vyrábí v různých cenových třídách, mimo jiné i podle toho, jaký signál jsou schopny zpracovat: DVB-S, DVB-C, DVB-T. V počátku přechodu z analogového na digitální TV vysílání budou využívány především tzv. STB (Set Top Box). Zapojují se mezi anténu pro příjem signálu DVB a klasický analogový TVP. S TVP mohou být propojeny úplným televizním signálem (na některém kanálu UHF pásma) nebo ÚBS + zvuk, tedy signály v základním pásmu (SCART, CINCH). Další možností jsou kombinované TVP (integrované digitální TVP) pro příjem analogového i digitálního TV signálu, označované IDTV (Integrated Digital TV Set). Po úplném přechodu na digitální TV vysílání budou vyráběny již pouze digitální TVP s obvody pro zpracování digitálního signálu, včetně možnosti připojení zpětného kanálu (interaktivního) přes Internet (případně jiné sítě).

88 kvalita obrazu Příjem signál DVB je možný i prostřednictvím přídavné karty DVB vložené do PC nebo do notebooku, případně pouze propojené s těmito zařízeními kabelem. V těchto případech lze s výhodou využít např. záznamu signálu na pevný disk, aj. Základní charakteristiky přijímačů DVB: Digitální televizní signály jsou přenášeny v dosud používaných TV pásmech - pro terestriální vysílání se využívají III. TV pásmo VHF (174 až 230 MHz), IV. a V. TV pásmo UHF (470 až 862 MHz), pro kabelové vysílání (tzv. S pásma) a pro družicové vysílání pásma Ku a další (viz poslední přednáška BZTV). V každém přenosovém kanálu (s šířkou pásma 8 nebo 7 MHz, resp. 27 MHz) může být přenášen multiplex signálů několika TV programů se zvukovým doprovodem (monofonním nebo prostorovým) a několika rozhlasových stereofonních programů. V závislosti na požadované kvalitě obrazu a způsobu řízení přenosové rychlosti to může být např. 3 až 5 TV programů v kvalitě SDTV, což odpovídá kvalitě analogového TV přenosu v soustavě PAL při rozlišení obrazu 720 x 576 bodů. Možnost přenosu datových signálů různých služeb (zábava, obchod, apod.). S využitím multimediální platformy MHP (Multimedia Home Platform) mohou být tyto služby i interaktivní (DVB-MHP). Pro multimediální platformu byl zvolen programovací jazyk Java, který je nezávislý na použitém hardwaru a softwaru. Při tzv. lokální interaktivitě není třeba zpětný kanál neboť všechna data se uloží do paměti odkud je divák podle potřeby vyvolá dálkovým ovládáním. Při plné interaktivitě může být pro zpětný kanál využita pevná telefonní síť, Internet nebo mobilní síť a ovládání může být pomocí DO nebo klávesnice. Využití např. při hlasování v různých anketách, nákup ve virtuálních obchodech, odesílání formulářů, SMS, ů, sázení v sázkové kanceláři, hry, apod. Příjem signálů DVB-T v oblastech se zvýšeným výskytem odrazů (městská zástavba) je v porovnání s příjmem analogových signálů daleko kvalitnější. Signály různých vysílačů jsou vysílány na nosné se stejnou frekvencí, tzv. jednofrekvenční sítě SFN (Single Frequency Networks). Tyto signály se vzájemně neruší, naopak za určitých podmínek mohou zlepšit kvalitu příjmu. Uvolní se tak řada kmitočtů a sníží se interference v rádiovém prostředí. Srovnání příjmu digitálního a analogového signálu DVB-T. Se vzrůstající vzdáleností od vysílače klesá u analogového TV přenosu úroveň signálu postupně a tím se postupně zhoršuje i kvalita obrazu (v obraze se projevuje šum a vliv odražených signálů) červená křivka. U digitálního TV přenosu se kvalita obrazu s rostoucí vzdáleností dlouhodobě nemění až při určité vzdálenosti se začne projevovat čtverečkování (je viditelná bloková struktura) nebo obraz zamrzává. Nakonec dochází k úplnému výpadku obrazu i zvuku (tzv. Cliff efekt). dobrá digitální TV Cliff efekt analogová TV vzdálenost od vysílače