25. DIGITÁLNÍ TELEVIZNÍ SIGNÁL A KABELOVÁ TELEVIZE Digitalizace obrazu a komprese dat. Uveďte bitovou rychlost nekomprimovaného číslicového TV signálu a jakou šířku vysílacího pásma by s dolním částečně potlačeným pásmem zabíral. Uveďte alespoň dva způsoby úpravy původního signálu na signál komprimovaný [objasněte pojmy: modulace delta (lineární, adaptivní), redundance dat, data irelevantní, entropické (statistické) kódování = kódování s proměnnou délkou slova,predikce (dopředná i zpětná)]. Vysvětlete princip kabelové televize (společná TV anténa, společné kabelové rozvody). Digitalizace obrazu a komprese dat Digitalizace znamená převod analogového spojitého signálu do diskrétní digitální (číslicové) formy. Proces digitalizace se skládá ze tří kroků: 1. vzorkování (odebírání vzorků ze spojitého signálu v pravidelných časových intervalech, za podmínky dodržení Shannon-Kotelnikova vzorkovacího teorému) K přenosu televizního obrazu se v současné době používá úroveň vzorkování 4:2:2 - na řádku se informace o barvě přenáší pouze pro každý druhý bod. Pro úroveň vzorkování 4:2:2 je vzorkovací kmitočet jasového signálu Y = 13,5 MHz, vzorkovací kmitočet chrominačních (barvonosných) signálů C b, C r = 6,75 MHz. 2. kvantování (vyjádření každého vzorku číslicově v binární soustavě) 3. kódování (sestavení číslicových vzorků do datového toku). Digitalizace 1
Komprese znamená zmenšení bitového toku zvláštními postupy kódováním ze souboru se odstraňují redundantní (nadbytečné) informace a snižuje se entropie dat(viz. entropické kódování). Bitová rychlost nekomprimovaného číslicového TV signálu Bitová rychlost nekomprimovaného číslicového TV signálu = součtu bitových rychlostí pro jasový signál Y a pro chrominační (barevné) signály C B, C R. Bitová rychlost pro jasový signál Y = počet snímků za sekundu * počet řádků jednoho snímku * rozlišovací schopnost(px) * velikost vzorku (bity) = 25 * 625 * 864 * 8 = 108 Mbit/s. Bitová rychlost pro každý z chrominačních signálů C B a C R je poloviční než pro jasový signál, jelikož C B a C R mají poloviční rozlišovací schopnost (432px). Je tedy 54Mbit/s. Pro oba signály je to dohromady 108 Mbit/s. Bitová rychlost nekomprimovaného číslicového TV signálu = bitová rychlost pro jasový signál Y + bitová rychlost pro chrominační signály C B a C R = 108 Mbit/s +108 Mbit/s = 216 Mbit/s. Z bitové rychlosti nekomprimovaného digitálního TV signálu vyplývá šířka vysílacího pásma s dolním částečně potlačeným pásmem, která je 216 MHz. redundance dat, data irelevantní - redundance obrazové informace nadbytečnost obrazové informace např. statický snímek je opakovaně přenášen 25x za sekundu - irelevance obrazové informace nepodstatnost obrazové informace např. v obraze jsou přenášeny i detaily, které divák nemůže, vzhledem k vlastnostem zraku, vůbec rozlišit způsoby úpravy původního signálu na signál komprimovaný entropické (statistické) kódování Statistcké kódování- nazývá se také kódování s proměnnou délkou slova (Variable Lenght Coding-VLC). Udává minimální počet bitů kterými lze vyjádřit délku jednoho vzorku. To závisí na tom s jakou pravděpodobností (statickým přehledem) se tato hodnota v přenosu vyskytuje. Délka slova náležící ke vzorku se pak mění a je u často se opakujících se hodnot krátká. Naopak řídce vyskytujícím se hodnotám přiřazuje entropické kódování slova dlouhá. predikce - předpověď, odhad budoucích hodnot -zmenšuje redundanci. Stav předcházejícího snímku je předpovědí pro současný snímek (predikce dopředná), může být použita i predikce zpětná. 2
Při jednosměrné predikci se sníží bitová rychlost asi o polovinu. Při obousměrné predikaci se bitová rychlost sníží asi na jednu osminu. Kdyby byly všechny snímky vytvářeny s predikcí, neměl by kodér komprimovaného signálu výchozí bod pro svoji činnost(všechny snímky by byly na sobě závislé), proto se vytváří skupina snímků GOP (Group of Pictures), ve které se v určitých intervalech opakují snímky bez predikce(obvykle po 12 snímcích). Dekodér tak může dekódovat signál(při zapnutí TV nebo změně programu) asi do 0,5 s (12/25). Použití predikce je podmíněno ukládáním snímků z nichž se předpovídá do paměti. Pořadí zpracovávaných snímků je oproti původnímu pořadí změněno. Modulace delta (lineární, adaptivní) Princip delta modulace spočívá v porovnávání předchozího vzorku a aktuální hodnoty amplitudy přenášeného signálu. Pro každý vzorek, je přenášen pouze jeden binární signál, který určí, jestli je třeba na přijímací straně hodnotu amplitudy zvýšit nebo snížit oproti předchozímu přijatému vzorku. Šířka jednotlivých stupňů je určena vzorkovacím krokem, výška je tzv. kvantizační krok. Velikost kvantizačního kroku ovlivňuje zkreslení. Je-li kvatizační krok příliš malý, pak systém nestačí sledovat rychlé změny. Velký kvantizační krok přináší nežádoucí šum především v ustáleném stavu. Delta modulace může být lineární nebo adaptivní. Lineární Delta modulace (LDM) Při lineární, je kvantizační krok (rozdíl mezi po sobě následujícími impulzy, jeden skok) pořád stejný. Adaptivní delta modulace (ADM) Podobně jako LDM systém přenáší jednobitový údaj o signálu. Řídící obvody podle zvoleného algoritmu řídí velikost kvantizačních kroků. Zavedení adaptivního kvantizačního kroku, který se přizpůsobuje strmosti signálu, přináší potlačení kvantizačního zkreslení. Tyto systémy zpracovávají signál s mnohem větší dynamikou než LDM. 3
Princip kabelové televize (společná TV anténa, společné kabelové rozvody) Společný rozvod televizního signálu Společný příjem televizního vysílání se řeší buď společnou televizní anténou v jednom domě nebo v bloku domů, nebo kabelovým rozvodem po celém sídlišti, po čtvrti města nebo po celém městě. Společná televizní anténa (STA) rozvádí kabelem uvnitř objektu televizní signál z ústřední antény do zásuvek v jednotlivých bytech jednoho domu nebo i více stavebních objektů. Společný kabelový rozvod (SKR) přenáší kabelovou sítí v ulicích města televizní signály z anténních soustav umístěných na vhodném místě do domovních rozvodů. Společné televizní antény (STA) STA je zařízení umožňující příjem rozhlasových a televizních signálů alespoň v takové kvalitě, v jaké by mohl účastník přijímat signály na individuální anténu. STA realizuje v podstatě rozvod na úrovni nejnižší sítě rozsáhlejších kabelových rozvodů. STA se skládá ze vstupní stanice a kabelového rozvodu. Vstupní stanice je tvořena anténním systémem a vstupními zesilovači, případně měniči frekvence. Kabelový rozvod je proveden koaxiálním kabelem a obsahuje rozbočovače, odbočovače, účastnické zásuvky a šňůry. Společné kabelové rozvody (SKR) Síť je možno rozdělit do tří stupňů: - primární síť - sekundární síť - terciální síť Primární síť Výchozím bodem je přijímací stanice. Tato stanice je vybavena soustavou potřebných přijímacích antén, umístěných na nejlepším místě pro příjem signálů, a to i pro příjem z geostacionárních družic. Mohou zde být ukončeny i rozhlasové a televizní kanály, 4
vybudované kabelovou nebo radioreléovou cestou. Stanice je dále vybavena soustavou pásmových a kanálových zesilovačů k napájení rozvodné sítě. Pro převádění pásem jsou v přijímací stanici frekvenční měniče. Další částí primární sítě je koaxiální kabel s průběžnými a rozbočovacími zesilovači. V primární síti se používají tzv. velké koaxiální kabely (rozměry např.3,7/22mm). Délka zesilovacích úseků se pohybuje v rozmezí 800 až 1000 m a předpokládá se maximální počet asi 20 zesilovačů za sebou. Maximální délka jedné větve primární sítě je asi 16-20km. Sekundární síť Sekundární sítě jsou napojeny na primární síť prostřednictvím odbočovacích zesilovačů nebo pasivních odbočovačů. Sekundární sítě přivádějí signál k určité skupině objektů, např. k domovnímu bloku. V sekundární síti se používají tzv. střední koaxiální kabely (s rozměry např. 3,1/11,6mm). Vzhledem k většímu útlumu se zesilovací úseky v sekundární síti volí kratší-asi 400-500m. Odbočení do terciální sítě se realizuje opět pomocí odbočovacích zesilovačů nebo pasivních odbočovačů. Terciální síť Terciální sítě přivádějí signál přímo k uživatelům. Skládají se ze 3 základních částí. Je to koaxiální kabel, spojující odbočný bod v sekundární síti s koncovou stanicí, koncová stanice a stoupací domovní vedení. Používají se tzv. malé koaxiální kabely (s rozměry např. 0,75/4,8mm). Maximální délka kabelu je asi 300m. Stoupací vedení tvořené koaxiálním kabelem má maximální délku asi 100 m. Koncová stanice obsahuje výhybky, měniče frekvence a zesilovače. Na vstupu je pásmová výhybka která vyděluje jednotlivá frekvenční pásma z linkového spektra 40 až 300MHz. Za pásmovou výhybku se zařazují kanálové výhybky, které vydělují jednotlivé kanály z pásem. Princip SKR 5