УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ КОМПРЕССИРОВАННОГО ЦИФРОВЫМИ МЕТОДАМИ ЦВЕТОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 2000 года по МПК H04N7/12 H04N7/24 

Изобретение относится к технике телевидения, в частности к устройствам цифрового декодирования (декомпрессии) компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала, и может найти применение при разработке цифровых телевизионных декодеров нового поколения, а также нового поколения телевизионных передатчиков, так как применение данного изобретения позволяет удалить из состава телевизионного передатчика ряд блоков и узлов, тем самым упрощая его конструкцию, уменьшая энергопотребление и повышая надежность его работы.

Известно устройство цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала (Рекламный проспект фирмы Tiernan Communications, описание кодера MPEG-2 ТЕЗОО), включающее аналого-цифровой преобразователь, устройство цифровой декомпрессии, устройство формирования полного цветового телевизионного сигнала PAL/NTSC/SECAM и цифроаналоговый преобразователь.

Недостатком известного устройства является то, что сформированный им аналоговый телевизионный сигнал, подаваемый на вход телевизионного передатчика, не может быть сразу перенесен передатчиком в частотную полосу канала вещания и передан в эфир, а требует предварительной амплитудной модуляции и частичного подавления одной из получаемых в результате указанной модуляции боковых полос путем аналоговой фильтрации, что приводит к снижению отношения сигнала к шуму в формируемом телевизионным передатчиком сигнале и вследствие этого к снижению четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала стандарта MPEG-2 (Техническое описание и инструкция по эксплуатации видио кодека RE 3400, производства компании Re, стр. 51), включающее аналого-цифровой преобразователь, цифровой демультиплексор, осуществляющий выделение цифрового компрессированного ТВ сигнала из состава входного цифрового потока, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, цифровой декодер коэффициентов дискретного косинусного преобразования, вход которого подключен к выходу цифрового демультиплексора, цифровой блок обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, вход которого подключен к выходу цифрового декодера коэффициентов дискретного косинусного преобразования, цифровой блок формирования цветового телевизионного сигнала, вход которого подключен к выходу цифрового блока обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, и цифроаналоговый преобразователь.

Недостатки данного устройства цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала связаны с невозможностью подачи сформированного им аналогового телевизионного сигнала непосредственно на вход входящего в состав телевизионного передатчика устройства переноса сигнала в частотную полосу канала вещания. Перед подачей на вход указанного устройства должна быть осуществлена амплитудная модуляция цветовым телевизионным сигналам сигнала несущей изображения промежуточной частоты с последующим частичным подавлением одной из получаемых в результате указанной модуляции боковых полос. Указанные операции выполняются амплитудным модулятором и аналоговым фильтром, входящими в состав телевизионного передатчика. В связи с тем, что применяемый в телевизионных передатчиках балансный амплитудный модулятор может осуществлять формирование амплитудно-модулированного сигнала с напряжением, не превышающим несколько десятков милливольт, между амплитудным модулятором и фильтром требуется включение дополнительного усилителя. Включение еще одного дополнительного усилителя требуется также на выходе фильтра. Фильтр частичного подавления боковой полосы, выполняемый на базе ПАВ, является температурно-зависимым, в результате чего его амплитудно-частотная характеристика не является стабильной и меняется с течением времени. Наличие двух усилителей и меняющаяся в зависимости от температуры амплитудно-частотная характеристика фильтра приводят к снижению отношения сигнала к шуму в формируемом телевизионным передатчиком сигнале и вследствие этого к снижению четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике.

В основу изобретения положена задача получить устройство цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала, которое за счет цифровой обработки цветового телевизионного сигнала обеспечивало бы непосредственное, без применения амплитудного модулятора и фильтра частичного подавления боковой полосы, формирование амплитудно-модулированного цветового телевизионного сигнала с частично подавленной боковой полосой, что позволило бы путем непосредственной подачи этого сигнала на вход входящего в состав телевизионного передатчика устройства переноса сигнала в частотную полосу канала вещания получить эффект увеличения отношения сигнала к шуму и повышения четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике. Кроме того, это позволило бы удалить из состава телевизионного передатчика блоки и узлы, выполняющие амплитудную модуляцию и частичное подавление боковой полосы, тем самым упростив его конструкцию, что приведет к уменьшению его энергопотребления и повышению надежности его работы.

Данная задача решается с помощью устройства цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами телевизионного сигнала, включающего аналого-цифровой преобразователь, цифровой демультиплексор, осуществляющий выделение цифрового компрессированного ТВ сигнала из состава входного цифрового потока, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, цифровой декодер коэффициентов дискретного косинусного преобразования, вход которого подключен к выходу цифрового демультиплексора, цифровой блок обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, вход которого подключен к выходу цифрового декодера коэффициентов дискретного косинусного преобразования, цифровой блок формирования цветового телевизионного сигнала, вход которого подключен к выходу цифрового блока обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, и цифроаналоговый преобразователь, и в которое согласно изобретению дополнительно введены первый цифровой фильтр, формирующий низкочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, вход которого подключен к выходу блока формирования цветового телевизионного сигнала, цифровой вычитатель, формирующий высокочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, первый вход которого подключен к выходу блока формирования цветового телевизионного сигнала, а второй вход к выходу первого цифрового фильтра, второй цифровой фильтр, осуществляющий преобразование высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала по Гильберту, вход которого подключен к выходу цифрового вычитателя, цифровой формирователь периодической биполярной последовательности импульсов, обеспечивающий формирование цифровых сигналов с амплитудами 0,1,0, -1, следующих с частотой сигнала несущей изображения промежуточной частоты, первый цифровой умножитель, первый вход которого подключен к выходу цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов, а второй вход - к выходу второго цифрового фильтра, цифровой элемент задержки на три тактовых интервала, вход которого подключен к выходу генератора сигнала несущей изображения промежуточной частоты, второй цифровой умножитель, первый вход которого подключен к выходу цифрового элемента задержки на три тактовых интервала, а второй вход - к выходу цифрового вычитателя, первый цифровой сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового умножителя, а второй вход - к выходу второго цифрового умножителя, третий цифровой умножитель, формирующий амплитудно-модулированный сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового фильтра, а второй вход - к выходу цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов, и второй цифровой сумматор, формирующий амплитудно-модулированный цветовой телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового сумматора, второй вход - к выходу третьего цифрового умножителя, а выход подключен ко входу цифроаналогового преобразователя.

Сущность работы предлагаемого устройства состоит в следующем.

Цель преобразований, проводимых над цветовым телевизионным сигналом в предлагаемом устройстве, состоит в увеличении отношения сигнала к шуму и в повышении четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике. Этот результат не может быть достигнут в существующих цифровых декодерах компрессированного цифровыми методами цветового телевизионного сигнала в связи с тем, что формируемый ими аналоговый телевизионный сигнал не может быть сразу перенесен передатчиком в частотную полосу канала вещания и передан в эфир, а требует предварительной амплитудной модуляции и частичного подавления одной из получаемых в результате указанной модуляции боковых полос путем аналоговой фильтрации, что приводит к снижению отношения сигнала к шуму в формируемом телевизионным передатчиком сигнале и вследствие этого к снижению четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике. Цель предлагаемого устройства - обеспечить формирование телевизионного сигнала, который может быть сразу, без дополнительных преобразований, приводящих к снижению отношения сигнала к шуму, перенесен передатчиком в частотную полосу канала вещания и передан в эфир, т.е. сформировать амплитудно-модулированный телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой без применения аналоговой амплитудной модуляции и аналоговой фильтрации, на основе методов цифровой обработки, что обеспечит повышение четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике.

Для решения этой задачи в состав цифрового декодера вводятся дополнительные элементы цифровой обработки цветового телевизионного сигнала.

Суть выполняемой устройством цифровой обработки цветового телевизионного сигнала видна из следующих рассуждений.

Обозначим цветовой телевизионный сигнал, формируемый известным существующим цифровым декодером, через A(t)sinwt. Данный сигнал, поступив на вход телевизионного передатчика, амплитудно модулирует сигнал несущей изображения промежуточной частоты, формируемый генератором, входящим в состав передатчика. Сигнал на выходе амплитудного модулятора телевизионного передатчика будет иметь вид:
A(t)[sin(w_н-w)t+sin(w_н+w)t],
где w_н - несущая промежуточная частота телевизионного передатчика. Данный сигнал является амплитудно-модулированным и содержит верхнюю и нижнюю боковые полосы.

С выхода амплитудного модулятора сигнал в телевизионном передатчике поступает на усилитель и далее на вход аналогового фильтра, производящего частичное подавление нижней боковой полосы. При этом подавление нижней боковой полосы амплитудно-модулированного сигнала в соответствии с действующими стандартами телевизионного вещания осуществляется фильтром в диапазоне частот от w_н - 6 МГц до w_н - 0,75 МГц. Таким образом, амплитудно-модулированный телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой на выходе фильтра имеет вид:
A(t)[sin(w_н-w_нч)t+sin(w_н+W)t],
где w имеет диапазон изменения значений от 0 до 6 МГц, а w_нч имеет диапазон изменения значений от 0 до 0,75 МГц.

Данный сигнал может быть также записан в виде:
A(t)[sin(w_н-w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t + sin(w_н + w_вч)t],
где w_вч имеет диапазон изменения значений от 0,75 до 6 МГц,
или
A(t)[sin(w_н - w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t] + A(t)[sin(w_н + w_вч)t].

Отметим, что A(t)[sin(w_н - w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t] представляет собой сигнал несущей изображения промежуточной частоты, амплитудно-модулированный сигналом, имеющим частотную полосу от 0 до 0,75 МГц, т.е. низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала. Одновременно A(t)[sin(w_н + w_вч)t] представляет собой верхнюю боковую полосу сигнала несущей изображения промежуточной частоты, амплитудно-модулированного сигналом, имеющим частотную полосу от 0,75 до 6 МГц, т.е. высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала.

Очевидно, что A(t)[sin(w_н + w_вч)t] = A(t) sinw_нtcosw_вчt + A(t)cosw_нtsinw_вчt.

Таким образом, на выходе устройства должен быть сформирован сигнал:
A(t)[sin(w_н - w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t] + A(t) sinw_нtcosw_вчt + A(t)cosw_нtsinw_вчt.

На чертеже изображена структурная схема устройства цифрового декодирования телевизионного сигнала согласно изобретению. Устройство, изображенное на фиг. 1, содержит аналого-цифровой преобразователь 1, преобразующий входной сигнал в цифровой поток, цифровой демультиплексор 2, выделяющий из состава цифрового потока цифровой телевизионный сигнал, цифровой декодер коэффициентов дискретного косинусного преобразования 3, который производит вычисление указанных коэффициентов, содержащих информацию, необходимую для формирования декодированного (декомпрессированного) цифрового телевизионного сигнала, цифровой блок обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения 4, осуществляющий формирование декодированного цифрового телевизионного сигнала (цифровую декомпрессию телевизионного сигнала), т.е. цифрового сигнала, содержащего информацию о составляющей яркости и двух цветоразностных составляющих цветового телевизионного сигнала, цифровой блок формирования цветового телевизионного сигнала 5, осуществляющий формирование цветового телевизионного сигнала PAL, SECAM либо NTSC, первый цифровой фильтр 6, формирующий низкочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, цифровой вычитатель 7, формирующий высокочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, второй цифровой фильтр 8, осуществляющий преобразование высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала по Гильберту, цифровой формирователь периодической биполярной последовательности импульсов 9, обеспечивающий формирование цифровых сигналов с амплитудами 0,1,0, -1, следующих с частотой сигнала несущей изображения промежуточной частоты, первый цифровой умножитель 10, цифровой элемент задержки на три тактовых интервала 11, второй цифровой умножитель 12, первый цифровой сумматор 13, третий цифровой умножитель 14, формирующий амплитудно-модулированный сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала, второй цифровой сумматор 15, формирующий амплитудно-модулированный цветовой телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой, и цифроаналоговый преобразователь 16.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входной сигнал, содержащий компрессированный цифровыми методами цветовой телевизионный сигнал и данные дополнительной информации (телетекст, сигналы точного времени и т.д.), поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1, преобразующего сигнал в цифровой поток. Цифровой поток поступает на вход цифрового демультиплексора 2, выделяющего из его состава цифровой телевизионный сигнал, который далее поступает на вход цифрового декодера коэффициентов дискретного косинусного преобразования 3, который производит вычисление указанных коэффициентов, содержащих информацию, необходимую для формирования декодированного (декомпрессированного) цифрового телевизионного сигнала. Цифровой сигнал, содержащий указанные коэффициенты, поступает на вход цифрового блока обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения 4, осуществляющего формирование декодированного цифрового телевизионного сигнала (цифровую декомпрессию телевизионного сигнала). Указанный цифровой сигнал, содержащий информацию о составляющей яркости и двух цветоразностных составляющих цветового телевизионного сигнала, поступает на вход цифрового блока формирования цветового телевизионного сигнала 5, осуществляющего формирование цветового телевизионного сигнала PAL, SECAM либо NTSC. Цифровой цветовой телевизионный сигнал, который, как было указано выше, может быть обозначен как A(t)sinwt, поступает на вход цифрового фильтра 6, формирующего цифровой сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала A(t) sinw_нчt. Цифровой цветовой телевизионный сигнал поступает также на первый вход цифрового вычитателя 7, на второй вход которого поступает указанный цифровой сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала. На выходе цифрового вычитателя 7 таким образом формируется цифровой сигнал высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала A(t)sinw_вчt. Указанный цифровой сигнал поступает на вход цифрового фильтра 8, осуществляющего над ним преобразование Гильберта и формирующего цифровой сигнал A(t) cosw_вчt. Данный сигнал поступает на второй вход цифрового умножителя 10, на первый вход которого поступает сигнал с выхода цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов 9, обеспечивающего формирование цифровых сигналов с амплитудами 0,1,0, -1, следующих с частотой сигнала несущей изображения промежуточной частоты, т. е. цифрового сигнала sinw_нt. Таким образом на выходе цифрового умножителя 10 формируется цифровой сигнал A(t) sinw_нtcosw_вчt. Данный сигнал поступает на первый вход цифрового сумматора 13. Одновременно с выхода цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов 9 цифровой сигнал sinw_нt поступает на вход цифрового элемента задержки на три тактовых интервала 11, формирующего цифровой сигнал cosw_нt. Данный цифровой сигнал поступает на первый вход цифрового умножителя 12, на второй вход которого поступает цифровой сигнал высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала A(t) sinw_вчt с выхода цифрового вычитателя 7. На выходе цифрового умножителя 12, таким образом, формируется цифровой сигнал A(t) cosw_нt sinw_вчt. Данный сигнал поступает на второй вход цифрового сумматора 13. На выходе цифрового сумматора 13, таким образом, формируется цифровой сигнал A(t) sinw_нtcosw_вчt + A(t) cosw_нt sinw_вчt, т.е. цифровой сигнал верхней боковой полосы сигнала несущей изображения промежуточной частоты, амплитудно-модулированный высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала. Данный сигнал подается на первый вход цифрового сумматора 15. Одновременно с выхода цифрового фильтра 6 цифровой сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала поступает на первый вход цифрового умножителя 14, на второй вход которого поступает цифровой сигнал sinw_нt с выхода цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов 9. На выходе цифрового умножителя 14, таким образом, формируется цифровой сигнал A(t)[sin(w_н - w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t], т.е. цифровой сигнал несущей изображения промежуточной частоты, амплитудно-модулированный низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала. Данный сигнал поступает на второй вход цифрового сумматора 15. Таким образом, на выходе цифрового сумматора 15 формируется цифровой сигнал A(t)[sin(w_н - w_нч)t + sin(w_н + w_нч)t] + A(t) sinw_нtcosw_вчt + A(t)cosw_нtsinw_вчt, т.е. цифровой амплитудно-модулированный телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой, который далее поступает на вход цифроаналогового преобразователя 16, преобразующего его в аналоговый вид.

Промышленная полезность предлагаемого устройства состоит в обеспечиваемом им эффекте увеличения отношения сигнала к шуму в телевизионном сигнале и повышения четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на телевизионном приемнике. Применение данного устройства также позволит удалить из состава серийно выпускаемых телевизионных передатчиков блоки и узлы, выполняющие амплитудную модуляцию и частичное подавление боковой полосы, тем самым упростив их конструкцию, что приведет к уменьшению себестоимости их изготовления, к уменьшению их энергопотребления и повышению надежности их работы.

Предложено новое устройство цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами телевизионного сигнала, включающее аналого-цифровой преобразователь, цифровой демультиплексор, осуществляющий выделение цифрового компрессированного ТВ сигнала из состава входного цифрового потока, цифровой декодер коэффициентов дискретного косинусного преобразования, цифровой блок обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, цифровой блок формирования цветового телевизионного сигнала и цифроаналоговый преобразователь, согласно изобретению в устройство дополнительно введены первый цифровой фильтр, формирующий низкочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, цифровой вычитатель, формирующий высокочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, второй цифровой фильтр, осуществляющий преобразование высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала по Гильберту, цифровой формирователь периодической биполярной последовательности импульсов, обеспечивающий формирование цифровых сигналов с амплитудами 0,1,0, -1, следующих с частотой сигнала несущей изображения промежуточной частоты, первый цифровой умножитель, цифровой элемент задержки на три тактовых интервала, второй цифровой умножитель, первый цифровой сумматор, третий цифровой умножитель, формирующий амплитудно-модулированный сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала, и второй цифровой сумматор, формирующий амплитудно-модулированный цветовой телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой. Техническим результатом изобретения является увеличение отношения сигнал/шум и повышение четкости и контрастности изображения, воспроизводимого на экране телевизионного приемника. 1 ил.

Устройство цифрового декодирования компрессированного цифровыми методами телевизионного сигнала, включающее аналого-цифровой преобразователь, цифровой демультиплексор, осуществляющий выделение цифрового компрессированного ТВ сигнала из состава входного цифрового потока, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, цифровой декодер коэффициентов дискретного косинусного преобразования, вход которого подключен к выходу цифрового демультиплексора, цифровой блок обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, вход которого подключен к выходу цифрового декодера коэффициентов дискретного косинусного преобразования, цифровой блок формирования цветового телевизионного сигнала, вход которого подключен к выходу цифрового блока обратного дискретного косинусного преобразования и компенсации движения, и цифроаналоговый преобразователь, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены первый цифровой фильтр, формирующий низкочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, вход которого подключен к выходу блока формирования цветового телевизионного сигнала, цифровой вычитатель, формирующий высокочастотную составляющую цветового телевизионного сигнала, первый вход которого подключен к выходу блока формирования цветового телевизионного сигнала, а второй вход - к выходу первого цифрового фильтра, второй цифровой фильтр, осуществляющий преобразование высокочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала по Гильберту, вход которого подключен к выходу цифрового вычитателя, цифровой формирователь периодической биполярной последовательности импульсов, обеспечивающий формирование цифровых сигналов с амплитудами 0,1,0,-1, следующих с частотой сигнала несущей изображения промежуточной частоты, первый цифровой умножитель, первый вход которого подключен к выходу цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов, а второй вход - к выходу второго цифрового фильтра, цифровой элемент задержки на три тактовых интервала, вход которого подключен к выходу генератора сигнала несущей изображения промежуточной частоты, второй цифровой умножитель, первый вход которого подключен к выходу цифрового элемента задержки на три тактовых интервала, а второй вход - к выходу цифрового вычитателя, первый цифровой сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового умножителя, а второй вход - к выходу второго цифрового умножителя, третий цифровой умножитель, формирующий амплитудно-модулированный сигнал низкочастотной составляющей цветового телевизионного сигнала, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового фильтра, а второй вход - к выходу цифрового формирователя периодической биполярной последовательности импульсов, и второй цифровой сумматор, формирующий амплитудно-модулированный цветовой телевизионный сигнал с частично подавленной боковой полосой, первый вход которого подключен к выходу первого цифрового сумматора, второй вход - к выходу третьего цифрового умножителя, а выход подключен ко входу цифроаналогового преобразователя.