Реферат: Развитие методов эффективного использования каналов связи

В 1950 году в США инженер Р. Дом предложил использовать частотное уплотнение спектра ТВ сигнала дополнительной информацией, передаваемой на поднесущей, частота которой выбиралась нечетно-кратной половине частоты строк, то есть она располагалась в середине между гармониками строчной частоты. Эти исследования в последующем были использованы при выборе частоты поднесущих для передачи сигналов цветности в спектре черно-белого ТВ сигнала. На этом принципе основаны все современные стандарты цветного ТВ (NTSC, PAL, SECAM).

В СССР первые исследования возможностей сокращения избыточности ТВ сигнала были проведены в конце 50-х годов Н. Г. Дерюгиным и Д. С. Лебедевым.

Одна из ранних идей использования линейчатого характера спектра ТВ сигнала состояла в том, чтобы в одном частотном канале передавать две ТВ программы, при этом спектр второго ТВ сигнала инвертировался и помещался в промежутки между частотными составляющими спектра первого ТВ сигнала. Разделение двух сигналов осуществлялось с помощью гребенчатых фильтров. Этот метод не нашел практического применения, но через тридцать лет на основе этих идей были созданы две современные аналоговые системы передачи ТВ сигналов высокой четкости (ТВЧ).

Одна из них была разработана в Японии (MUSA - Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding), а другая - во Франции (HD-MAC). Суть сжатия спектра в этих системах состоит в том, что частотные составляющие, лежащие в верхней области спектра исходного ТВ сигнала, помещаются в промежутки между частотными составляющими, находящимися в средней части исходного спектра. В системе MUSA достигалось сжатие спектра исходного ТВЧ сигнала в 3 раза (до 8.1 МГц), а в системе HD-MAC - в 1.5 раза (до 11 МГц). В обеих системах использовалась последовательная передача сигналов яркости, цветности, звукового сопровождения и сигналов синхронизации.

Будущее развитие систем передачи видеосигналов связано с применением цифровых методов их обработки, дающих сокращение скорости цифрового потока, необходимого для передачи этих сигналов с высоким качеством. В большинстве этих методов используется ДИКМ. При этом осуществляется предсказание каждого элемента изображения на основе взвешенной комбинации предыдущих отсчетов, расположенных вблизи от него. В канал связи передается разность между предсказанным и истинным значением этого элемента. Эта разность незначительна вследствие высокой корреляции соседних элементов изображения, и для ее передачи в цифровой форме необходимо значительно меньшее количество битов, нежели это требуется для преобразования в цифровую форму его исходных отсчетов. Применяется также и субнайквистовое кодирование, когда отсчеты по вертикальной, горизонтальной и временной оси изображения передаются с частотой, меньшей, чем 1/2W, где W - полоса частот изображения. На приеме восстановление недостающих элементов осуществляется путем интерполяции.

В стандартах MPEG для сжатия сигналов изображения учитывается также то, что большая часть изменений изображения от кадра к кадру является следствием смещений малых областей изображения в предыдущем кадре. Определив для каждой области это смещение (вектор движения), можно существенно повысить точность предсказания элементов изображения и, в итоге, сократить избыточность передаваемого сигнала.

Использование ДИКМ позволяет сократить цифровой поток для цветного ТВ сигнала до 50-70 Мбит/с. Применение адаптивной ДИКМ с использованием межполевого и межкадрового предсказания позволяет сократить этот поток до 30 Мбит/с.

Использование алгоритмов компенсации движения и кодирования блоков элементов изображения с помощью косинус-преобразования или преобразования Адамара дает возможность сократить цифровой поток вещательного ТВ сигнала до 6 Мбит/с.

Этот цифровой поток путем применения многопозиционных сигналов (например, КАМ-16) можно передать в полосе частот 1.5-2 МГц, что позволяет в полосе частот стандартного канала наземного ТВ вещания разместить 4-5 цифровых ТВ программ.

Хронология

1934 год	Установление тонкой структуры частотного спектра сигнала изображения (США - П. Мертц и Ф. Грей).
1950 год	Открытие метода частотной синхронизации, позволяющего уплотнить спектр ТВ сигнала путем передачи сигналов на поднесущих, частота которых выбирается равной нечетно-кратной половине частоты строк (США - Р. Дом).
1957 год	Экспериментальные исследования спектра мощности и функции корреляции ТВ сигнала (СССР - Н. Г. Дерюгин).
1958 год	Исследования возможностей применения статистического кодирования ТВ сигналов (СССР - Д. С. Лебедев).
1984 год	Разработка системы MUSE (Япония).
1986-1990 годы	Разработка методов сокращения цифрового потока для ТВ сигналов (Япония, Франция, США, СССР, Германия, Италия и др.).
1988 год	Разработка европейской системы HD-MAC.
1989 год	Завершение начатой в 1988 году разработки международной группой экспертов стандарта MPEG-1 для сжатия ТВ сигнала и стандарта для сжатия сигнала звукового сопровождения (MUSICAM).
1991 год	Разработка метода сокращения избыточности цифрового сигнала ТВЧ до 25 Мбит/с.
1994 год	Разработка и широкое внедрение в современную технику цифрового ТВ вещания стандарта MPEG-2 - усовершенствованной версии ранее разработанного стандарта MPEG-1.
1998 год	Разработка стандарта MPEG-4, дающего большее сжатие сигналов ТВ и звукового сопровождения, нежели стандарт MPEG-2.