Кодирование множественной выборки суб-Найквиста - Multiple sub-Nyquist sampling encoding

МУЗА (Кодирование множественной выборки суб-Найквиста), был аналоговая телевизионная система высокого разрешения, с помощью чередование точек и сжатие цифрового видео для доставки 1125 строк (1920x1035 [1]) видео высокой четкости сигналы в дом. В Японии были самые ранние работающие HDTV система, получившая название Hi-Vision (сокращение ЗДРАВСТВУЙтелеканал gh-definitionЗРЕНИЕ) с проектными усилиями, начиная с 1979 года. Страна начала транслировать широкополосные аналоговые сигналы HDTV в 1989 году, используя 1035 активных линий. переплетенный в стандартном соотношении 2: 1 (1035i) всего 1125 строк. К моменту коммерческого запуска в 1991 году цифровое телевидение высокой четкости уже находилось в стадии разработки в США. Hi-Vision продолжала вещание в аналоговом формате до 2007 года.

История

MUSE, система сжатия сигналов Hi-Vision, была разработана Научно-исследовательские лаборатории NHK в 1980-х годах применяли двухмерную фильтрацию, точечное чередование, компенсацию вектора движения и последовательное цветовое кодирование со сжатием по времени, чтобы «свернуть» исходный сигнал Hi-Vision с частотой 20 МГц в полосу пропускания 8,1 МГц.

  • Японские радиовещательные инженеры сразу отказались от обычных рудиментарная боковая полоса вещание.
  • С самого начала было решено, что MUSE будет форматом спутникового вещания, поскольку Япония экономически поддерживает спутниковое вещание.
Исследование модуляции
  • Японские инженеры по телевещанию некоторое время изучали различные типы вещания HDTV.[2] Первоначально считалось, что СВЧ, EHF или же оптическое волокно необходимо будет использовать для передачи HDTV из-за высокой полосы пропускания сигнала, а HLO-PAL будет использоваться для наземного вещания.[3][4] HLO-PAL представляет собой составной сигнал, построенный традиционным способом (Y + C, например, NTSC и PAL), и использует фазовое чередование по строкам с кодированием несущей со смещением на половину строки широкополосных / узкополосных компонентов цветности. Только самая нижняя часть широкополосной компоненты цветности перекрывала высокочастотную цветность. Узкополосная цветность была полностью отделена от яркости. PAF, или чередование фаз по полю (например, первое испытание цветовой системы NTSC), также было экспериментировано, и это дало гораздо лучшие результаты декодирования, но NHK отказалась от всех составных систем кодирования. Из-за использования спутниковой передачи Модуляция частоты (FM) следует использовать с проблемой ограничения мощности. ЧМ вызывает треугольный шум, поэтому, если с ЧМ используется составной сигнал с поднесущей, демодулированный сигнал цветности имеет больше шума, чем яркости. Из-за этого они посмотрели [5] при других вариантах и ​​решил[3] использовать компонентное излучение Y / C для спутника. В какой-то момент казалось, что FCFE (повышенная точность преобразования кадров), система сжатия I / P-преобразования,[6] был бы выбран, но в конечном итоге был выбран MUSE.[7]
  • Исследовалась раздельная передача компонентов Y и C. Формат MUSE, который передается сегодня, использует раздельную компонентную сигнализацию. Улучшение качества изображения было настолько значительным, что были отозваны оригинальные тестовые системы.
  • Была сделана еще одна настройка энергосбережения: отсутствие визуального отклика на низкочастотный шум позволяет значительно снизить мощность транспондера, если более высокие видеочастоты подчеркиваются до модуляции в передатчике и уменьшаются на приемнике.

Hi-Vision в основном транслировалась NHK через их спутниковый телеканал BShi.

Технические характеристики

  • Соотношение сторон: 16: 9
  • Строки развертки (сжатые / активные / всего): 1,032 / 1,035 / 1,125
  • Пикселей в строке (полная интерполяция): 1122 (неподвижное изображение) / 748 (движущееся)
  • Соотношение чересстрочной развертки: 2: 1
  • Частота обновления: 60,00 (для улучшения совместимости с системами 50 полей / сек).
  • Частота дискретизации для вещания: 16,2 МГц
  • Векторная компенсация движения: по горизонтали ± 16 отсчетов (частота 32,4 МГц) / кадр, вертикальная линия ± 3 / поле
  • Аудио: 48 кГц 16 бит (2 канала) ／ 32 кГц 12 бит (4 канала поддерживает объемное звучание F3-R1)
  • Требуемая полоса пропускания: 27 МГц.[8]

Формат сжатия звука DPCM: квази-мгновенный DPCM компандирование

MUSE - это система с 1125 строками (1035 видимых), которая не совместима с импульсной и синхронизацией с цифровой системой 1080 строк, используемой в современном HDTV. Первоначально это была система на 1125 строк, чересстрочная развертка, 60 Гц, с соотношением сторон 5/3 (1,66: 1) и оптимальным расстоянием просмотра примерно 3,3H.

Для наземной передачи MUSE была разработана FM-система с ограниченной полосой пропускания. Спутниковая система передачи использует FM без сжатия.

Ширина полосы до сжатия для Y составляет 20 МГц, а ширина полосы до сжатия для цветности - это несущая 7,425 МГц.

Первоначально японцы исследовали идею частотной модуляции составного сигнала, построенного традиционным способом. Это создаст сигнал, похожий по структуре на сигнал Y / C NTSC - с Y на более низких частотах и ​​C выше. Потребуется примерно 3 кВт мощности, чтобы получить 40 дБ Сигнал к шуму коэффициент для составного FM-сигнала в диапазоне 22 ГГц. Это несовместимо с методами спутникового вещания и пропускной способностью.

Чтобы преодолеть это ограничение, было решено использовать отдельную передачу Y и C. Это уменьшает эффективный частотный диапазон и снижает требуемую мощность. Приблизительно 570 Вт (360 для Y и 210 для C) потребуется, чтобы получить отношение сигнал / шум 40 дБ для отдельного сигнала Y / C FM в спутниковом диапазоне 22 ГГц. Это было возможно.

Есть еще одно энергосбережение, которое проявляется в характере человеческого глаза. Отсутствие визуального отклика на низкочастотный шум позволяет значительно снизить мощность ретранслятора, если более высокие видеочастоты усиливаются до модуляции в передатчике, а затем уменьшаются на приемнике. Был принят этот метод с частотами разделения для выделения / ослабления выделения на уровне 5,2 МГц для Y и 1,6 МГц для C. При этом требования к мощности упадут до 260 Вт (190 для Y и 69 для C).

Системы отбора проб и соотношения

Основная статья: Подвыборка цветности

Субдискретизация в видеосистеме обычно выражается в виде трех частей. Три члена соотношения: количество яркости («яркость», «яркость» или Y ) образцы, за которым следует количество образцов двух компонентов цвета ("цветности"): U / Cb тогда V / Cr, для каждой полной области образца. Для сравнения качества важно только соотношение между этими значениями, поэтому 4: 4: 4 можно легко назвать 1: 1: 1; однако традиционно значение яркости всегда равно 4, а остальные значения масштабируются соответствующим образом.

Коэффициенты подвыборки цветности.png

Иногда записываются четырехчастные отношения, например 4: 2: 2: 4. В этих случаях четвертое число означает коэффициент частоты дискретизации ключ канал. Практически во всех случаях это число будет 4, так как высокое качество очень желательно для приложений ввода.

Приведенные выше принципы выборки применимы как к цифровому, так и к аналоговому телевидению.

MUSE реализует переменную систему выборки ~ 4: 2: 1 ... ~ 4: 0,5: 0,25 в зависимости от количества движения на экране. Таким образом, красно-зеленый компонент (V или Cr) имеет от половины до одной восьмой разрешения дискретизации компонента яркости (Y), а сине-желтый (U или Cb) имеет половину разрешения красно-красного. зеленый - взаимосвязь, которая слишком сложна, чтобы ее можно было легко изобразить на диаграмме выше.

Аудио подсистема

У MUSE была дискретная 2- или 4-канальная цифровая аудиосистема под названием «DANCE», что означает Digital Аудио Nмгновенный Cсжатие и Expansion.

Он использовал дифференциальную передачу звука (дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию), которая не была основана на психоакустике, как MPEG-1 Layer II. Используется фиксированная скорость передачи 1350 кбит / с. Как PAL NICAM стереосистема, она используется почти мгновенное компандирование (в отличие от слогового компандирования, подобного dbx система использует) и нелинейное 13-битное цифровое кодирование с частотой дискретизации 32 кГц.

Он также может работать в 16-битном режиме 48 кГц. Система DANCE была подробно описана в многочисленных технических документах NHK и в опубликованной NHK книге, выпущенной в США под названием Технология Hi-Vision.

Аудиокодек DANCE был заменен на Dolby AC-3 (он же Dolby Digital), DTS Coherent Acoustics (он же DTS Zeta 6x20 или ARTEC), MPEG-1 Layer III (он же MP3), MPEG-2 Layer I, MPEG-4 AAC и многие другие аудиокодеры. Методы этого кодека описаны в документе IEEE:[9]

Проблемы с производительностью в реальном мире

MUSE имел цикл чересстрочной развертки с четырьмя полями, то есть для завершения одного кадра MUSE требовалось четыре поля. Таким образом, неподвижные изображения передавались с полным разрешением. Однако, поскольку MUSE снижает горизонтальное и вертикальное разрешение материала, которое сильно варьируется от кадра к кадру, движущиеся изображения были размыты. Поскольку в MUSE использовалась компенсация движения, панорама всей камеры сохраняла полное разрешение, но отдельные движущиеся элементы могли быть уменьшены только до четверти разрешения полного кадра. Поскольку смесь движения и отсутствия движения кодировалась попиксельно, это было не так заметно, как многие думали. Позже NHK предложила обратно совместимые методы кодирования / декодирования MUSE, которые значительно увеличили разрешение в движущихся областях изображения, а также увеличили разрешение цветности во время движения. Эта так называемая система MUSE-III использовалась для трансляций, начиная с 1995 года, и очень немногие из последних лазерных дисков Hi-Vision MUSE использовали ее. Во время первых демонстраций системы MUSE часто возникали жалобы на большой размер декодера, что привело к созданию миниатюрного декодера.[8]

"1125 строк" MUSE - это аналоговое измерение, которое включает в себя "строки развертки", не относящиеся к видео, во время которых ЭЛТ Электронный луч возвращается в верхнюю часть экрана, чтобы начать сканирование следующего поля. Только 1035 строк содержат информацию об изображении. Цифровые сигналы учитывают только строки (строки пикселей), которые имеют фактическую детализацию, поэтому 525 строк NTSC становятся 486i (округлено до 480 для совместимости с MPEG), 625 строк PAL становятся 576i, а MUSE будет 1035i. Чтобы преобразовать полосу пропускания Hi-Vision MUSE в «обычное» разрешение по строкам по горизонтали (как это используется в мире NTSC), умножьте 29,9 строк на МГц полосы пропускания. (NTSC и PAL / SECAM составляют 79,9 строк на МГц) - это вычисление 29,9 строк работает для всех современных систем HD, включая Blu-ray и HD-DVD. Итак, для MUSE, во время неподвижного изображения, разрешение строк будет: 598 строк разрешения яркости на высоту изображения. Разрешение цветности: 209 строк. Измерение яркости по горизонтали приблизительно соответствует разрешению по вертикали чересстрочного изображения 1080, когда Фактор Келла и коэффициент чересстрочной развертки.

Тени и многолучевость по-прежнему мешают этому режиму передачи с аналоговой частотной модуляцией.

С тех пор Япония перешла на цифровую систему HDTV на основе ISDB, но исходный спутниковый канал 9 BS на основе MUSE (NHK BS Hi-vision) транслировался до 30 сентября 2007 года.

Культурные и геополитические последствия

Внутренние причины в Японии, которые привели к созданию Hi-Vision
  • (1940-е годы): Стандарт NTSC (как монохромная система с 525 строками) был введен оккупационными войсками США.
  • (1950-е-1960-е): в отличие от Канады (которая могла перейти на PAL), Япония придерживалась американского стандарта телевещания независимо от обстоятельств.
  • (1960-1970-е годы): К концу 1960-х многие части современной японской электронной промышленности начали с исправления проблем передачи и хранения данных, присущих дизайну NTSC.
  • (1970-е - 1980-е): К 1980-м годам в Японии были свободные инженерные таланты, которые могли разработать лучшую телевизионную систему.

MUSE, как стало известно публике США, изначально освещался в журнале Популярная наука в середине 1980-х гг. Американские телеканалы не освещали MUSE в достаточной степени до конца 1980-х, так как публичные демонстрации системы за пределами Японии проводились очень редко.

Поскольку в Японии были свои собственные внутренние таблицы распределения частот (которые были более открыты для развертывания MUSE), стало возможным, чтобы эта телевизионная система передавалась через Ku Band спутниковые технологии к концу 1980-х гг.

Федеральная комиссия по связи США в конце 1980-х годов начала выпускать директивы, которые позволяли тестировать MUSE в США при условии, что он может быть установлен в 6 МГц. Система-М канал.

Европейцы (в виде Европейский вещательный союз (EBU)) были впечатлены MUSE, но никогда не смогли принять ее, потому что это телевизионная система с частотой 60 Гц, а не система с частотой 50 Гц, которая является стандартной в Европе и остальном мире (за пределами Америки и Японии).

EBU разработка и внедрение B-MAC, D-MAC и намного позже HD-MAC стали возможными благодаря техническому успеху Hi-Vision. Во многих отношениях системы передачи MAC лучше, чем MUSE из-за полного разделения цвет из яркость во временной области в структуре сигнала MAC.

Как и Hi-Vision, HD-MAC не может передаваться по каналам 8 МГц без существенной модификации и серьезной потери качества и частоты кадров. В США экспериментировали с версией Hi-Vision с полосой пропускания 6 МГц, но она также имела серьезные проблемы с качеством, поэтому FCC так и не санкционировала полностью ее использование в качестве стандарта передачи внутреннего наземного телевидения.

Соединенные штаты ATSC рабочая группа, которая привела к созданию NTSC в 1950-х годах, была возобновлена ​​в начале 1990-х благодаря успеху Hi-Vision. Многие аспекты стандарта DVB основаны на работе, проделанной рабочей группой ATSC, однако наибольшее влияние оказывает поддержка 60 Гц (а также 24 Гц для передачи фильмов) и единообразных частот дискретизации и совместимых размеров экрана.

Поддержка устройств Hi-Vision

Лазерные диски Hi-Vision

20 мая 1994 года компания Panasonic выпустила первый проигрыватель MUSE LaserDisc.[10] Было несколько MUSE LaserDisc плееры, доступные в Японии: Pioneer HLD-XØ, HLD-X9, HLD-1000, HLD-V500, HLD-V700; Sony HIL-1000, HIL-C1 и HIL-C2EX; у последних двух есть OEM-версии производства Panasonic, LX-HD10 и LX-HD20. Они могут воспроизводить Hi-Vision, а также стандартные лазерные диски NTSC. Лазерные диски Hi-Vision чрезвычайно редки и дороги.

Видеорекордер HDL-5800 записывал неподвижные изображения высокой четкости и непрерывное видео на оптический диск и был частью раннего аналогового широкополосного устройства. Sony HDVS видео высокой четкости система, которая поддерживает систему MUSE. Возможность записи неподвижных изображений и видео высокой четкости на оптический диск WHD-3AL0 или WHD-33A0; WHD-3Al0 для режима CLV (видео до 10 минут или 18 000 неподвижных кадров на каждую сторону); WHD-33A0 для режима CAV (до 3 минут видео или 5400 неподвижных кадров на каждую сторону)

HDL-2000 был полнополосным проигрывателем видеодисков высокой четкости.

Видеокассеты

W-VHS разрешена домашняя запись программ Hi-Vision.

Смотрите также

Аналоговые телевизионные системы, которые эти системы должны были заменить:

Связанные стандарты:

Рекомендации

  1. ^ Система параллельной обработки данных JUMP-1. 1996. ISBN  9784274900839.
  2. ^ Дзюн-ичи, Исида; Ниномия, Юичи (19 декабря 1982 г.). «3. Сигнальное и передающее оборудование для телевидения высокой четкости». Журнал Института инженеров телевидения Японии. 36 (10): 882–888. Дои:10.3169 / itej1978.36.10_882 - через CiNii.
  3. ^ а б Фудзио, Такаши (19 декабря 1980 г.). «Система телевидения высокой четкости будущего: желательный стандарт, форма сигнала и система вещания». Технический отчет ITE. 4 (28): 19–24. Дои:10.11485 / tvtr.4.28_19 - через CiNii.
  4. ^ Фудзио, Такаши (19 декабря 1981 г.). "Телевидение высокой четкости". Журнал Института инженеров телевидения Японии. 35 (12): 1016–1023. Дои:10.3169 / itej1978.35.1016 - через CiNii.
  5. ^ Комото, Таро; Исида, Джуничи; Хата, Масаджи; Ясунага, Кейчи (19 декабря 1979 г.). "YC Раздельная передача телевизионного сигнала высокой четкости посредством BSE". Технический отчет ITE. 3 (26): 61–66. Дои:10.11485 / tvtr.3.26_61 - через CiNii.
  6. ^ ФУДЗИО, Такаши (19 декабря 1984 г.). «Система телевидения высокой четкости». Технический отчет ITE. 8 (1): 33–39. Дои:10.11485 / tvtr.8.1_33 - через CiNii.
  7. ^ ФУДЗИО, Такаши (19 августа 2006 г.). «Путешествие на лодке в Новый мир HDTV». Журнал Института инженеров электроники, информации и связи. 89 (8): 728–734 - через CiNii.
  8. ^ а б «DBNSTJ: Реализация телевидения высокой четкости с помощью системы MUSE». dbnst.nii.ac.jp.
  9. ^ Naganawa, K .; Hori, Y .; Yanase, S .; Itoh, N .; Асано Ю. (19 августа 1991 г.). «Однокристальный процессор звукового сигнала для HDTV-приемника». IEEE Transactions по бытовой электронике. 37 (3): 677–683. Дои:10.1109/30.85585.
  10. ^ "MUSE HI-DEF Плееры для лазерных дисков". www.LaserDiscarchive.co.uk.

внешняя ссылка