بخشی از مقاله
*** ( به دلیل مشکل تصاویر رایگان شد ) ***
مروری گذرا بر تاریخچه تلویزیون دیجیتال و مزایای آن
1- سخن آغازین
«تلویزیون دیجیتال» عبارتی ست که در چند سال اخیر در مجامع کارشناسی جهانی و سمینارهای تخصصی در حوزه های مخابرات و پخش تلویزیونی در سطحی گسترده مطرح شده است، اما این عبارت واقعا چیست و اشاره به کدام فن آوری دارد؟ این تلویزیون چه تفاوت مهمی با تلویزیون موجود فعلی (آنالوگ) دارد؟ چه نیازی برای حرکت به سمت آن احساس می شود؟ آیا واقعاً برای ما یک مفهوم بدیع و ناشناخته است؟ راستی، آیا تا کنون تصاویر دریافتی از گیرنده های ماهواره ای
دیجیتال را بر صفحه ی تلویزیون های خانگی دیده اید؟ میزان شفافیت، وضوح، خالی از نویز و برفک بودن این تصاویر چه قدر رضایت بخش است؟ به راستی رمز رسیدن به این درجه از کیفیت تصویری چیست؟ این ها سؤالاتی هستند که امیدواریم در صفحات بعدی به آن ها پاسخ مناسبی داده شود.
شصت سال پس از تولد و معرفی تلویزیون آنالوگ (در ابتدا سیاه و سفید) و سی سال پس از تولد و ظهور رنگ در تصاویر تلویزیونی، «تلویزیون» در آستانه ی یک مهاجرت و حرکت بنیادی قرار گرفت : گذار و انتقال از تلویزیون آنالوگ به تلویزیون دیجیتال.
اما چرا دیجیتال را انتخاب کرده ایم؟ شاید این سیر تکاملی و جایگزین شدن تلویزیون دیجیتال به جای آنالوگ، یادآور تکراری باشد که در برخی از رویدادهای تاریخ رخ می دهد! هنگامی که یونانیان باستان به رهبری اسکندر بر مصر مسلط شدند، به تدریج زبان و الفبای یونانی جایگزین زبان مصر باستان گشت و از سویی زبان هیروگیلف ناپدید شد. تنها پس از کشفیات و حفاری های باستان شناسی دو هزار سال بعد (در سال 1799) این خط باستانی مجدداً آشکار شد. یک پاسخ احتمالی برای علت ناپدید شدن آن شاید این باشد : در حالی که در خط و نگارش مصر باستان از هفتصد نشانه ی نمادین متفاوت برای بیان مفاهیم استفاده می شد، نگارش یونانی بر مبنای الف با شکل گرفته بود. به عبارتی، استفاده از تعدادی نماد محدود و معین که وظیفه ی بیان تمام مفاهیم زبانی را بر عهده دارند.
سیستم آنالوگ درواقع نوعی هیروگلیف الکترونیکی است! برای مثال، یک شکل موج جریان
الکتریکی متناظر با یک موج صوتی ست و با تغییر فشار صوتی، شکل موج نیز کاملا دگرگون خواهد شد. در مقابل، سیستم دیجیتال از امتیاز استفاده از کدهای سمبولیک دقیق (نظیر حروف الفبا) برای نمایش هر کدام از شکل موج های متغیر تصویر و صدای آنالوگ (نظیر شکل های هیروگلیف) بهره می برد. طبیعتاً هنگامی که ارسال اطلاعات از فرستنده یا کدکننده، با تعداد سمبل های محدود و معین انجام شود، در صورت بروز خطا در سیگنال، گیرنده یا کدگشا باز هم می تواند به کا
خود ادامه دهد، به ویژه چنانچه از ابتدا کدهای ویژه ای به همراه سیگنال اصلی ارسل گردند، گیرنده می تواند خطا را کشف و حتی تصحیح کند. برای مثال، در یک گیرنده ی تلویزیون آنالوگ، چنانچه به دلیل جرقه های موتور یک اتومبیل یک جریان پالسی مزاحم در سیگنال دریافتی از آنتن تداخل کند، چون گیرنده ی آنالوگ قادر به شناخت و جداسازی این قبیل سیگنال های ناخواسته از سیگنال دریافتی نیست، پالس های تداخلی به صورت نقاط پراکنده ی سیاه و سفید بر صفحه ی لامپ تصویر ظاهر می شوند. در حالی که در پردازش دیجیتال، امکان شناخت سیگنال های ناخواسته و حذف خطای مزاحم وجود دارد و به همین دلیل تصاویر دریافتی شفاف تر و خالی از نویز هستند.
در شرایطی که جهان وارد قرن بیست و یکم شده، تلویزیون دیجیتال یکی از اجزاء مهم بزرگ راه های اطلاعاتی برشمرده می شود. زیرا این فن آوری، قابلیت ارسال مقادیر فراوانی از اطلاعات را به بیشترین تعداد کاربر با هزینه ی کم داراست. تلویزیون دیجیتال، با تبدیل تصاویر و صدا به مقادیر و کدهای دودویی (0و1) چنین قابلیتی را یافته است.
اینک برنامه های تلویزیونی (شامل تصاویر و صدا) که در حالت اولیه ی خود به قالب آنالوگ هستند، دیجیتال شده و پس از ترکیب با اطلاعات و داده های دیگر از طریق شبکه های مخابراتی به ایستگاه های فرستنده ی پخش امواج ارسال می شوند. این برنامه ها هم چنین قابلیت ذخیره شدن ابتدایی بر دیسک سخت کامپیوتر و سپس ارسال را برای بیننده های خاص (دارای حق
اشتراک) دارند. امکان فراهم آوری مجموعه ی چند رسانه ای (صدا، تصویر، داده) به عنوان منبع برنامه ی تولید شده، با قابلیت ذخیره سازی حتی در رایانه های خانگی، سبب انقلابی در مقایسه با زنجیره ی مراحل تولید و پخش تلویزیون آنالوگ شده است.
مرور بر مفاهیم پایه : بررسی ساختار یک سیستم مخابرات دیجیتال
از آنجا که تلویزیون دیجیتال، نوعی از سیستم مخابرات دیجیتال است، طبیعتاً از الگوی کلی چنین
سیستمی، تبعیت می کند. بنابراین ضروری ست قبل از ادامه ی بحث، در ابتدا تعاریف اولیه را به طور خلاصه مرور کنیم.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
تصویر 1-1 اجزاء اصلی یک سیستم ارتباطی دیجیتال را شامل طبقات فرستنده، گیرنده و هم چنین کانال ارتباطی معرفی می کند.
طبق تصویر، ابتدا منبع اولیه ی اطلاعات که در حالت طبیعی پیوسته است توسط تراگردان ورودی به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل می شود، مانند سیگنال ویدیوئی دوربین تلویزیونی یا سیگنال صدای تولید شده توسط میکروفن.
لازم است تا این سیگنال الکتریکی آنالوگ توسط یک مدار A/D از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود، یعنی رشته ای از ارقام دودویی صفر و یک. هم چنین ممکن است که منبع اطلاعات، نظیر داده های مربوط به یک فایل درون حافظه ی رایانه، از ابتدا ذاتا دیجیتال باشد. در هر صورت، به دنبال شکلی از ارائه ی سیگنال دودویی هستیم تا سیگنال با حداکثر بازدهی، بدون زواید و با حداقل تعداد بیت در دسترس قرار گیرد. این همان تعبیر کدگذاری منبع اطلاعات است که طی این فرآیند افزونگی های ذاتی و آماری در سیگنال اولیه حذف می شود. به تعبیر دیگر، این عمل فشرده سازی داده ها نامیده می شود و پردازشی ویژه برای استفاده ی بهینه از پهنای باند فرکانسی کانال ارتباطی ست. طبیعی ست که هر چه حجم داده های تولیدی کم تر باشد، ارسال آن ها با سرعت انتقال کم تر و با اشغال پهنای باند کم تر امکان پذیر است.
سپس سیگنال کد شده در طبقه ی کد گذار یا کد کننده ی منبع وارد طبقه ی کدگذار کانال ارتباطی می شود. این کدکننده برخلاف قبل، به شیوه ای کاملا کنترل شده، داده های جدیدی را به داده های اطلاعات اصلی می افزاید تا به کمک آن ها گیرنده بتواند خطاها و آثار مخرب ناشی از نویز و تداخل های محیطی در سیگنال دریافتی را آشکار و تصحیح کند. بنابراین، کدکننده ی کانال برخلاف کدکننده ی منبع وظیفه ی افزایش افزونگی ها را جهت کنترل و کاهش خطا بر عهده دارد.
معمولا به دو روش می توان کنترل خطا را انجام داد : نخست با ارسال دوباره ی پیغام اولیه یا روش ARQ که در این حالت باید حتما یک خط ارتباطی برگشت میان فرستنده و گیرنده موجود باشد تا گیرنده بتواند از فرستنده ارسال دوباره را درخواست کند. در این حالت گیرنده فقط قدرت تشخیص و آشکارسازی خطا را دارد و در عوض فاقد توانایی تصحیح خطاست.
در حالت دوم که هیچ گونه مسیر برگشتی وجود ندارد، تنها امکان کنترل خطا به روش «تصحیح خطای پیش سو» (Forward Error Correction) یا به اختصار FEC است که خود شامل شیوه های گوناگونی ست. در یک روش ساده، اگر تعداد بیت پیغام برابر عدد k باشد، به آن ها تعدادr بیت به
عنوان بیتهای وارسی افزوده شده و در کل یک کد – واژه با n بیت ساخته و مجموعه ای n بیتی به مدولاتور ارسال می شود. مدولاتوری دیجیتال در واقع بخش واسطه برای انتقال جریان داده ها به محیط انتشار است. از آنجا که تقریباً تمام محیط های ارتباطی در عمل قابلیت انتقال سیگنال های الکتریکی را فقط به صورت شکل موج های پیوسته دارند، در طبقه ی مدولاتور سیگنال گسسته ی
زمانی عملا دوباره به سیگنال پیوسته یا آنالوگ تبدیل می شود تا شرایط مناسب انتشار یابد. درواقع اولین هدف مدولاتور نگاشت یک واحد اطلاعات دودویی به یک شکل موج الکتریکی پیوسته است.
این محیط می تواند محیط بسته (نظیر کابل الکتریکی یا فیبر نوری) یا محیط انتقال باز (نظیر جو و فضای آزاد) باشد. ویژگی معمول کانال ارتباطی این است که سیگنال در ضمن انتقال از طریق آن، تحت تأثیر عوامل فیزیکی از قبیل نویز و تداخل قرار می گیرد و مقداری دچار آسیب می شود.
در سمت دیگر کانال، طبقات گیرنده قرار گرفته که ابتدا توسط یک دِمدولاتور دیجیتالی سیگنال دریافتی از حالت پیوسته به گسسته تبدیل شده و شکل موج آسیب دیده ی سیگنال باز به دنباله ای از داده های دودویی (البته همراه با خطا) تبدیل می شود. سپس همان گونه که اشاره شده، در کدگشای کانال به وسیله ی اطلاعات دریافت شده از فرستنده، همان افزونگی ها، داده ها مجددا بازسازی و ترمیم، و خطاها آشکار گشته و تا حد ممکن تصحیح می شوند. خواهیم دید که میزان متوسط احتمال خطا در بیت که در خروجی کدگشا قابل اندازه گیری ست، پارامتری مهم برای سنجش و معرف میزانی از کیفیت کار مجموعه ی مدولاتور و کدگشا، و به طور کلی گیرنده، است.
در حالت کلی، احتمال خطا تابعی از مشخصه های کد و کدگذاری، نوع شکل موج های ارسال در کانال متناسب با اطلاعات اولیه (نوع مدولاسیون)، قدرت فرستنده و مهم تر از همه ویژگی های کانال (میزان تأثیر نویز و اعوجاج و تداخل) و نیز روش دمدولاسیون و کدگشایی ست.
در آخرین مرحله، کدگشای منبع رشته داده ها را دریافت کرده و با آگاهی از روش کدینگ، داده های اولیه را استخراج و سیگنال پیغام را بازسازی می کند. در شرایط واقعی و غیر ایده آل، به دلیل اعوجاج ناشی از عمل کرد کدکننده های منبع بر سیگنال اولیه در فرستنده و هم چنین خطاهای ناشی از کانال ارتباطی، سیگنال نهایی به دست آمده در خروجی کدگشای منبع در گیرنده، یک سیگنال تقریبی و نزدیک به سیگنال پیغام (و نه دقیقا خود سیگنال) خواهد بود. سرانجام و در صورت لزوم، توسط تراگردان خروجی سیگنال دودویی مجدداً به شکل آنالوگ، یا اصولا حالت غیرالکتریکی، تبدیل می شود.
در ادامه ی بحث و فصل های پیش رو، در زمان لازم درباره ی اجزاء ساختاری یک سیستم مخابرات دیجیتال به صورت دقیق تر و با موشکافی بیشتر گفت و گو خواهیم کرد و هم چنین مصداق های عینی آن را در بحث تلویزیون دیجیتال معرفی و بیان خواهیم کرد.
1-1- معماری اجزاء سیستم تلویزیون دیجیتال
تصویر 1-2 طبقات تشکیل دهنده ی سیستم تلویزیون دیجیتال را از بخش ارسال تا دریافت، به صورت سیمایی کلی و اجمالی، و در عین حال سودمند، نمایش می دهد که بیان گر چگونگی ترتیب فصل های کتاب حاضر در تشریح این سیستم نیز هست.
آشکارست که سیستم تلویزیون دیجیتال مصداقی کاربردی ست از مفهوم کلی سیستم ارتباطی دیجیتال. پس با همان نگاه می توان مختصات و ویژگی های آن را بررسی کرد.
همان گونه که در تصویر پیداست، در اولین طبقه دوربین تصویربرداری ویدئو و میکروفن به عنوان اولین منبع تأمین کننده ی اطلاعات تصویر و صدا به صورت سیگنال الکتریکی آنالوگ و پیوسته، قرار گرفته اند. تا این مرحله همه چیز از اصول تلویزیون آنالوگ پیروی می کند.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
در فصل دوم مروری اجمالی بر ماهیت سیگنال صدا و ویدئو و تعاریف آن ها خواهیم داشت.
طبقه ی دوم با تبدیل از حالت آنالوگ به دیجیتال، گذرنامه ی ورود به دنیای دیجیتال ست. در این طبقه هر دو سیگنال صدا و ویدئو از حالت آنالوگ به قالب دیجیتال (یا رشته هایی از صفر و یک) تبدیل می شوند. این تبدیل خود مراحلی دارد که در فصل سوم به تفصیل بیان می شوند.
طبقه ی سوم یکی از بخش های کلیدی در ساختمان تلویزیون دیجیتالی ست که عبارت است از کدکننده های تصویر و صدا. وظیفه ی این طبقه فشرده سازی و کدگذاری اطلاعات تصویر و صدایی که در مرحله ی قبل به صورت ساده دیجیتال شده اند، با الگوریتمی مناسب است. در آینده خواهیم گفت که چرا این کار به منظور کاهش قابل ملاحظه ی پهنای باند فرکانسی ضرورت
اساسی دارد. در فصل های چهارم و پنجم به روش های فشرده سازی MPEG می پردازیم.
طبقه ی بعدی از مالتی پلکسر MPEG تشکیل شده که وظیفه ی تلفیق مناسب تمامی اطلاعات قابل ارسال، اعم از صدا و تصویر برنامه های مختلف را به همراه داده ها و دیگر اطلاعات کمکی بر عهده دارد. البته در گیرنده اطلاعات تلفیق شده دوباره جدا می شوند و هر کدام در مسیر در
ست خود قرار می گیرند. فصل ششم به بحث مفصل در این باره اختصاص دارد.
و اما در بخش مدولاسیون سیگنال تلویزیون دیجیتال و ارسال سیگنال از طریق آنتن یا سایر محیط های انتشار، مانند هر سیستم مخابرات دیجیتال دیگری، موضوعی حائز اهمیت بسیار، حراست و حفاظت از اطلاعات ارسالی برابر هر آسیبی ست که در محیط انتشار ایده آل و عاری از خطایی وجود ندارد، پس ناگزیر هستیم با تمهیداتی سیگنال ارسالی را مقاوم کنیم، طوری که هنگام دریافت در گیرنده، اولا اطلاعات با کم ترین آسیب دریافت شود، ثانیا بتوانیم خطا را کشف و حتی تصحیح کنیم. به همین منظور، طبق تصویر، ابتدا یک نوع کدینگ ویژه به نام خطایاب بر سیگنال اطلاعات تلفیق شده، اعمال می کنیم یا درواقع اطلاعات جدیدی را به آن می افزاییم تا درگیرنده برای بازسازی اطلاعات آسیب دیده از آن ها استفاده کنیم این مسائل نیز در فصل ششم بررسی می شوند.
دیگر نکته ی بسیار مهم، انتخاب نوع مدولاسیون متناسب با محیط انتشار است. طبیعی ست که مدولاسیون انتخابی برای پخش از محیط ایمن کابل نسبت به محیط فضا و ارسال ماهواره ای و محیط پرآسیب و مهارناپذیر مجاور زمین یا به اصطلاح ارسال زمینی کاملا متفاوت است. به موضوع انتقال سیگنال در فصل هفتم می پردازیم.
در نهایت، تمام این تمهیدات برای رساندن سیگنال حاوی تصویر و صدا به بیننده پیده شده است. بنابراین باید چگونگی دریافت مناسب سیگنال تلویزیونی دیجیتال را فراگیریم و به تفاوت واقعی تلویزیون دیجیتال با تلویزیون آنالوگ از دیدگاه بیننده پی ببریم. موضوع عمل کرد دستگاه تبدیل و تطبیق سیگنال دیجیتال به گیرنده ی تلویزیونی آنالوگ را در فصل هشتم بررسی می کنیم.
شناخت تصویر و صدای دیجیتال
1- پیشینه ی سیگنال دیجیتال
قبل از پرداختن به ضرورت های روی آوردن صنعت تلویزیون به مقوله ی پردازش و انتقال ویدئوی دیجیتال در دهه ی 1990، لازم است به برخی نوآوری ها در این صنعت در اواخر دهه ی 1970 و اوائل دهه ی 1980 نگاهی بیندازیم.
اولین نکته ی مهم این است که سیستم های تلویزیونی PAL , NTSC که در فصل قبل به آنها اشاره کردیم، اساسا به عنوان استانداردهایی برای ارسال و انتقال تعریف شدند نه به عنوان استانداردهایی برای تولید برنامه ی ویدئویی.
همان گونه که ماهیت سیگنال های PAL , NTSC را شناختیم، می دانیم که در این دو نوع سیگنال ویدئویی، مؤلفه های فرکانس بالای مربوط به روشنایی تصویر معرف جزئیات بافت تصویری هستند. از سوی دیگر، همواره این احتمال وجود دارد که این اطلاعات فرکانس بالا، در گیرنده به صورتی نادرست به اطلاعات رنگ تفسیر و تبدیل شوند.
این اثر تداخل رنگ نامیده می شود و نتیجه اش به جزء ثابتی از اشکالات تصاویر دریافتی تلویزیونی تبدیل شده و گویی به صورت همیشگی تصاویر را به اشغال خود درآورده است. چنان که گفته شد، استانداردهای PAL , NTSC متعلق به سیگنال ویدئویی مرکب هستند که در آن تمام اطلاعات روشنایی، رنگ و پالس های هم زمانی در یک سیگنال واحد جمع شده اند و نوع استاندارد، بیان گر چگونگی جمع شدن این مؤلفه ها با یکدیگر است.
گفتیم که نوع دیگری از ارائه ی سیگنال ویدئویی به صورت سیگنال مجزا و منفک است که در آن مؤلفه های روشنایی (Y) و رنگ( شامل مؤلفه های Cb , Cr ) به صورت سه سیگنال الکتریکی مجزا و همزمان تولید می شوند یا در حالت سوم، سیگنال ویدئویی به صورت کاملا تفکیک شده فقط با عناصر رنگی قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) تولید و ارائه می گردد. در هر حال، شاید به دلیل هزینه ی زیاد تجهیزاتی که کار پردازش سیگنال ویدئویی مجزا را در سه سطح بر عهده داشتند (نظیر دستگاه های سوئیچ کننده یا میکسر)، در ابتدا سیگنال ویدئویی به صورت مرکب با استانداردهای PAL , NTSC ، به عنوان مبنا در تولید برنامه ی ویدئویی قرار گرفت. صرف نظر از مقوله ی هزینه، از منظر فنی کار کردن با سه سیگنال به طور همزمان و همسان سازی آنها از نظر دامنه و هم چنین ثابت نگهداشتن تأخیر زمانی ناشی از انتقال سیگنال ها، در زمان های طولانی کاری بسیار مشکل است.
بنابر اغلب سیستم هایی که با ویدئوی مؤلفه ای کار می کنند، به طور خاص از تغییرات تدریجی محتوای رنگی تصاویر گریزی ندارند و تأثیر منفی می گیرند. با این حال، با توسعه و پیشرفت فن آوری آنالوگ در استفاده از مدارهای مجتمع الکترونیکی، صنایع الکترونیک به تولید تجهیزات تلویزیونی متناسب با سیگنال مجزا رو آورد. همراه با پردازش جداگانه ی سیگنال روشنایی (Y) و مؤلفه های رنگی (R-Y) و (B-Y)، طراحان گرافیک محرک نیروی پیشران اصلی برای رسیدن به این دست آوردها شدند، زیرا دریافتند که کار با سیگنال های ویدئویی مرکب منجر به کیفیت ضعیف تصاویر می گردد. دو نیاز اصلی طراحان گرافیک، یکی کار با تصاویر دارای جزئیات متنی زیاد و دیگری استفاده از تصاویر با رنگ های اشباع شده، با سیگنال مرکب براورده نمی شد، زیرا نیاز اول منجر به تداخل رنگی می گشت و تأمین نیاز دوم در عمل امکان پذیر نبود (به خصوص با سیگنال NTSC).
سرانجام استفاده از تجهیزات تلویزیونی آنالوگ، به خاطر باقی ماندن و حل نشدن مشکلات همسان سازی و تأخیر سیگنال ها، دوام چندانی نیافت. در عوض سیستم دیجیتال مشکلات یاد شده را نداشت. دیگر مسائلی نظیر نویز، پاسخ دامنه نسبت به فرکانس و زمان، پارامترهای درونی سیستم دیجیتال بودند که قابلیت الکترونیکی، شروع به تغییر کنند! پس تلویزیون دیجیتال به عنوان بهترین جایگزین برای پردازش ویدئوی آنالوگ مرکب، «سیگنال ویدئوی دیجیتال» را معرفی و پیشنهاد کرد.
به طور کلی مزایا موجود در سیگنال الکتریکی دیجیتال باعث می گردد تا در اولین قدم از طراحی و برپایی هر سیستم پخش همگانی از نوع رادیویی یا تلویزیونی، منابع اطلاعات صوتی و تصویری از وضعیت طبیعی و آنالوگ به حالت دیجیتال یا دودویی تبدیل شوند. برخی از این مزیت ها عبارت اند از :
پایداری و ایمنی بیشتر سیگنال دیجیتال مقابل نویز و عوامل خطا و درنتیجه رسیدن به پاسخ بهتر و نسبت سیگنال به نویز بالاتر در این گونه سیستم ها، قابلیت ذخیره سازی و بافر کردن داده های دیجیتال به صورت بسیار انعطاف پذیر و با حجم بالا، امکان بهره گیری از الگوریتم ها و روش های متنوع و گوناگون در پردازش دقیق سیگنال از جمله فشرده سازی سخت افزاری داده ها و برنامه های نرم افزاری، و بالا بردن ضریب امنیت دسترسی به داده ها از طریق روش های رمزگذاری.
2-مروری بر مفاهیم اولیه
2-1- آشنایی با PCM
معمولا عملیات تبدیل سیگنال های الکتریکی از حالت آنالوگ به دیجیتال به روش PCM انجام می شود. روش PCM توسط لابراتور شرکت AT&T در سال 1937 توسعه یافت و به اجرا درآمد، اما عملا استفاده از این فن تا اواسط دهه ی 1960 که الکترونیک حالت جامد با استفاده از نیمه رساناها گسترش یافت، فراگیر نبود.
از آن به بعد، یکی از روش های مؤثر و مفید در تبدیل و انتقال سیگنال، استفاده از PCM بوده است.
تصویر 3-1 عمل کرد PCM را به سادگی نشان می دهد.
؟؟؟؟؟؟؟جا ی شکل
در ورودی سیستم های مخابراتی معمولا از فیلتر میان گذر (BPF) استفاده می شود، در حالی که در سیستم های ارسال سیگنال ویدئو به دلیل وجود مؤلفه های فرکانسی DC و فرکانس های پایین در اطلاعات تصویر، فیلت پایین گذر (LPF) در مسیر عبور سیگنال به کار برده می شود. پس از فیلتر شدن سیگنال، مدار نمونه بردار و نگهدارنده وظیفه ی نمونه برداری و تبدیل سیگنال آنالوگ
پیوسته به سیگنال گسسته را بر عهده دارد. سپس طبقه ی مبدل آنالوگ به دیجیتال قرار گرفته که مقادیر حاصل از سیگنال گسسته را به کدهای دودویی موازی تبدیل می کند و در مرحله ی آخر کدهای دودویی از حالت موازی به حالت متوالی تبدیل و بر یک خط انتقال ارسال می شوند. طبیعتاً در مقصد روند معکوس این عملیات برای بازیابی سیگنال پیغام صورت می پذیرد. مدار مجتمعی که وظیفه ی ساختن PCM و آشکارسازی و کدگشایی آن را بر عهده دارد، کُدک (CODEC) نامیده
می شود.
سه تفاوت مهم یک سیگنال آنالوگ پیوسته (در حوزه ی زمان) با سیگنال دیجیتالی یا همان سیگنال PCM وجود داد. نخست این که سیگنال دیجیتال سیگنالی ست که در حوزه ی زمان پیوسته نیست و در عوض به صورت تکه تکه یا گسسته است، یعنی در فرآیند دیجیتال شدن در همان قدم اول عملا یک سیگنال آنالوگ نمونه برداری شده و درنتیجه گسسته در زمان داریم (مشابه فیلم سینمایی که از فریم های مجزای پشت سر هم تشکیل شده است). دوم این که سیگنال دیجیتال کوانتیزه است و به عبارتی دامنه ی آن را با مقادیر عددی صحیح تقریب زده اند (از این رو این سیگنال دیجیتال درواقع یک نمایش نمادین ناپیوسته و تقریبی – البته با دقت خوب – از سیگنال آنالوگ اولیه است). سومین تفاوت این است که سیگنال دیجیتال به صورت دودویی کد شده است و مقادیر آن صرفاً با ارقام صفر و یک معرفی می گردند.
به اختصار این که یک مبدل آنالوگ دیجیتال (D/A) مداری ست که وظیفه ی تبدیل یک سیگنال پیوسته ی آنالوگ با مقادیر دامنه ای بسیار متنوع را به سیگنالی نمونه برداری شده، کوانتیزه و تقریبی، و در نهایت فقط با دو سطح دامنه ای (صفر و یک) بر عهده دارد. عمل کرد معکوس این مدار مبین یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (D/A) است که وظیفه ی بازسازی سیگنال پیغام آنالوگ را عهده دار است.
2-2- بررسی ساز و کار نمونه برداری در حوزه ی زمان
چنان که گفته شد، اولین مرحله از کدینگ PCM عبارت است از تبدیل سیگنال پیوسته به گسسته با نمونه برداری در حوزه ی زمان. اگرچه اینک مجال و قصد بررسی جزئیات الکترونیکی را نداریم ، اما به عنوان یک مثال خوب می توان مدار نمونه برداری طبیعی را مطابق تصویر 3-2 بررسی کرد.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
در این مدار بخش هایی از سیگنال آنالوگ ورودی که نمونه برداری می شوند دارای دامنه هایی با شکل طبیعی سیگنال ورودی (مثلا سینوسی) هستند. در این مدار ترانزیستور FET تنها نقش یک کلید الکترونیکی را بازی می کند و هنگامی که قطار پالس نمونه بردار به پایه ی دروازه ی FET وارد می شود، چنانچه در وضعیت مثبت (High) باشد، ترانزیستور به حالت هدایت درآمده و درواقع کلید بسته می شود، خروجی را به زمین متصل و ولتاژ خروجی را صفر می کند. برعکس وقتی که پالس نمونه بردار در وضعیت صفر (Low) هست، کلید FET باز مانده و به سیگنال ورودی بدون هیچ
تغییری اجازه ی عبور به مرحله ی بعد، یعنی پایه ی مثبت آمپلی فایر عملیاتی می دهد. در نهایت شکل موج ولتاژ خروجی آمپلی فایر، شامل دنباله ای از پالس هایی با فاصله ی مساوی و با دامنه های منحنی شکل خواهد بود.
در تصویر 3-3 چگونگی تغییرات یک سیگنال در بازه ی زمان، قبل و بعد نمونه برداری دیده می شود. به این تربیت، درواقع یک قطار پالس تکرار شونده در سیگنال آنالوگ ورودی ضرب یا توسط آن مدوله می شود. در عمل برای نزدیک شدن به نمونه برداری ایده آل باید قطار پالس به گونه ای باشد که تا حد امکان پهنای زمانی پالس ها و دوره ی تناوب تکرار پالس ها کوچک اختیار شوند.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
2-3-نگاهی نظری به نمونه برداری
در تحلیل ریاضی فرآیند نمونه برداری مشخص می شود که به رغم تکه تکه شدن سیگنال و از بین رفتن پیوستگی آن در حوزه ی زمان و تبدیل شدن سیگنال پیوسته ی اولیه به مجموعه ای از نمونه های مجزا، هنوز تمام اطلاعات موجود در سیگنال اولیه محفوظ می ماند و دوباره به صورت کامل قابل بازیابی ست (البته به شرط رعایت معیار نایکویست).
تصویر 3-4 عمل کرد نمونه برداری در حوزه ی زمان را به صورت الکترونیکی نمایش می دهد که با سرعت fs بار در هر ثانیه باز و بسته شده و سیگنال پیوسته ی (t)x را تبدیل به شکل موج گسسته ی (t)xs می کند.
روی منحنی معلوم است که سیگنال حاصل شامل پالس هایی با دامنه ی متغیر و با دوره ی تناوب Ts است.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
نرخ یا میزان نمونه برداری زمان به پهنای باند فرکانسی سیگنال آنالوگ اولیه بستگی دارد. طبق معیار نایکویست، حداقل نرخ نمونه برداری دو برابر fmax است. در این رابطه fmax بالاترین مؤلفه ی فرکانسی موجود در سیگنال اولیه است. برای مثال، در یک سیگنال صوتی که از قبل آن را با یک فیلتر پایین گذر Khz 15 محدود کرده ایم، فرآیند نمونه برداری برای رعایت معیار نایکویست با فرکانس Khz 15 2 یا Khz 30 قابل انجام است. در این حالت، دوره ی تناوب مقادیر نمونه ای برابر با ( 15000 2 (/1 یا 33 میکروثانیه است.
تصویر 3-5 طیف حاصل از نمونه برداری را در حوزه ی فرکانس نمایش می دهد. در بخش الف سیگنال پیغام، (t)x ، بنا به فرض طیفی مثلثی شکل با پهنای باند w دارد.
طیف فرکانسی سیگنال پالس نمونه برداری عبارت است از مؤلفه های فرکانسی تکرار شونده با فواصل مساوی fs که تا بی نهایت ادامه دارند. در بخش ب طیف فرکانسی سیگنال نهایی (حاصل ضربی یا نمونه برداری شده) مشاهده می شود که هم شامل طیف فرکانسی سیگنال آنالوگ اولیه، همان پیغام، به صورت کامل و دست نخورده هم تکرار آن در فرکانس های fs و fs2 و fs3 و ... است. طبق معیار نایکویست باید fs بزرگ تر از w 2 باشد، که در صورت رعایت آن، در طیف نهایی فواصلی خالی خواهیم داشت (باز تصویر ب را بنگرید) که به آن باند محافظ می گویند و وظیفه شان جلوگیری از روی هم افتادگی و تداخل بخش های مجاور طیف است.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
به این ترتیب، همواره زمانی که سیگنال پیوسته ی آنالوگ را با این روش به سیگنال گسسته ی زمانی تبدیل می کنیم، با تحلیل ریاضی فوریه به این نتیجه می رسیم که طیف سیگنال پیغام به صورتی متناوب در حوزه ی فرکانس نظیر تصویر اخیر تکرار می شود. اگر مجددا سیگنال نهایی را از فیلتر پایین گذر با پهنای باند w عبور دهیم، به سادگی کل طیف پیغام را باز می یابیم و درنتیجه، سیگنال پیغام به طور کامل بازسازی می گردد. این پدیده حتی از طرف ریاضی دان ها به عنوان «ابهام» در سیگنال های دیجیتال تعبیر می شود!
2-4- پدیده ی تداخل فرکانسی نامطلوب
اگر سیگنال آنالوگ به خوبی نمونه برداری نشود یا به عبارتی فرکانس نمونه برداری fs از نرخ نایکویست کمتر باشد، پدیده ی مضر تداخل فرکانسی نامطلوب رخ می دهد. در این حالت، همچنان که در بخش ج تصویر 3-5 مشهود است، مؤلفه های فرکانس بالاتر به مؤلفه های فرکانس پایین تر نزدیک شده و بین دو باند فرکانسی مجاور تداخل پیش می آید. دلیل دیگری که سبب این پدیده می گردد، نامحدود بودن طیف سیگنال آنالوگ اولیه (پیغام) است.
چنانچه طیف سیگنال اولیه از حدود تعیین شده تجاوز کند ( در مثال مدنظر – تصویر 3-6 را نیز ببینید – اگر پیغام دارای مؤلفه های فرکانسی بالاتر از W باشد)، پس از مرحله ی حاصل ضرب، باز هم مؤلفه های فرکانس بالا در بخش های فرکانس پایین تداخل می کنند.
در هر دو صورت، بازسازی سیگنال پیغام با مشکل روبه رو می شود.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
برای رفع این مشکل، نخست باید قبل از شروع نمونه برداری، مطابق 3-7، سیگنال آنالوگ از یک فیلتر پایین گذر مناسب عبور داده شود(دو مثال مطرح شده با فرکانس قطع W) تا طیف آن کاملا محدود گردد. به چنین فیلتری، فیلتر ضدپدیده ی تداخل نامطلوب نیز گفته می شود.
ثانیا باید فرکانس نمونه برداری با معیار نایکویست تطابق داشته باشد و بیش از دو برابر پهنای باند سیگنال پیغام در نظر گرفته شود، یعنی : fs >2w
2-5- کوانتیزه کردن یا تقریب زنی (Quantization)
پس از نمونه برداری، سیگنال آنالوگ گسسته شده راهی طبقه ی کوانتیزه کننده می شود. در این بخش، دامنه ها به چندین سطح طبقه بندی می شوند که تعداد این سطوح بستگی به دقت مطلوب دارد. واضح است که در اینجا به ازای محدوده ای دامنه ها در وردی، در خروجی فقط یک مقدار دامنه ای صحیح خواهیم داشت. به بیان دیگر، هر دامنه ی ورودی با نزدیک ترین اعداد کمتر و بیشتر از آن مقایسه شده و در نهایت عددی که کم ترین اختلاف را داشته باشد، در خروجی ظاهر می شود. برای نمونه به تصویر 3-7 و توضیحات آتی توجه کنید.
؟؟؟؟؟؟؟؟/جای شکل
در این تصویر فاصله ی حداکثر دامنه ی ورودی (مثلا مقدار یک ولت) تا حداقل آن (مقدار صفر ولت) به هشت قسمت تقیم شده و فاصله ی دو بخش متوالی برابر با یک هشتم است که این مقدار اصطلاحاً اندازه ی گام نامیده شده و معرف حداقل قابلیت تفکیک عددی کوانتیزه کننده است. با این تقسیم بندی به ازای مقادیر بسیار متفاوتی که سیگنال ورودی بین صفر و یک ولت می تواند به
خود بگیرد، در خروجی کوانتیزه کننده فقط هشت مقدار عددی صحیح خواهیم داشت. در این مثال، مقادیر خروجی به مقادیر دودویی تبدیل شده اند و چون پس از کوانتیزه کننده، کدینگ دودویی صورت می پذیرد، پس فقط هشت مقدار دودویی در خروجی تولید می شوند. برای مثال اگر دامنه ی ورودی بین مقادیر یک چهارم تا سه هشتم قرار بگیرد، پس از کوانتیزه کردن و کدینگ، مقدار 010 را در خروجی نهایی خواهیم داشت.
در تصویر 3-8 سیستم PCM سه بیتی متناسب با مثال اخیر ترسیم شده که در آن برای سهولت، مقیاس کل دامنه بین مقادیر صفر تا 7 درنظر گرفته شده و به عنوان مثال، در چهار مقطع زمانی از سیگنال آنالوگ نمونه برداری صورت گرفته است. طبق قاعده، به هر نمونه ولتاژی پس از کوانتیزه شدن یک کد سه بیتی تخصیص داده شده است.
به این ترتیب، مهم ترین نکته ای که در رابطه با مدار کوانتیزه کننده باید در نظر گرفت، وجود همیشگی «تقریب» و درنتیجه مقداری خطا در خروجی است. طبیعتاً هر چه تعداد تقسیمات بیشتر و فاصله ی اعداد کمتر باشد، تقریب زنی نتیجه ی بهتری خواهد داشت. به هر حال، این عملیات هیچ گاه کاملا خالی از خطای ناشی از تقریب زنی نیست.
در مورد سیگنال هایی با دامنه ی بزرگ میزان خطا کمتر و در مورد سیگنال هایی با دامنه ی کوچک و حساس تر، میزان خطا احتمالا قابل ملاحظه خواهد بود. خطای ناشی از کوانتیزه کردن، یکی از ویژگی های طبیعی سیستم های دیجیتال است. در بعضی منابع از آن به عنوان نویز حاصل از کوانتیزه شدن یاد می شود.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
حداکثر میزان خطای کوانتیزه کردن برابر نصف اندازه ی گام است. در مثال های اخیر، این مقدار برابر 16/1 است.
حال مطابق تصویر 3-9 یک سیگنال آنالوگ را در ورودی مبدل A/D درنظر می گیریم. در اینجا به سه صورت می توانیم سیگنال را کوانتیزه کنیم.
؟؟؟؟؟؟؟/جای شکل
در حالت اول، مطابق تصویر، اندازه ی گام را چنان بزرگ انتخاب می کنیم که خروجی تنها دو وضعیت داشته باشد و فقط با یک بیت مقادیر را بیان کنیم (مقدار صفر یا یک). آنچه آشکار است این که در این حالت دقت بسیار کم است و این نوع پردازش هیچ گونه اطلاع درستی از وضعیت سیگنال به ما نمی دهد. واضح است در حالت دوم، اندازه ی گام ها را کاهش دهیم و تقسیمات را کوچک تر کنیم، می توانیم چهار مقدار عددی در خروجی داشته باشیم و با دو بیت مقادیر را بیان کنیم ( از مقدار 00 تا 11). در حالت سوم تقسیمات را باز هم کوچک تر کرده و به هشت وضعیت در خروجی می رسیم که در این حالت می توانیم با سه بیت دودویی مقادیر را بیان کنیم (از مقدار 000 تا 111 ). در اینجا اگرچه تعداد بیت خروجی بیشتری مصرف کرده ایم، اما دقت افزایش یافته و خطای تقریب زنی کم شده است.
حال مجددا یک سیگنال آنالوگ را به عنوان ورودی در حوزه ی زمان فرض کرده و این بار با تقسیمات شانزده گانه آن را کوانتیزه و با چهار بیت کد می کنیم.
در تصویر 3-10 تأثیر کوانتیزاسیون را بر سیگنال می توانیم ببینیم، کاملا واضح است که سیگنال خروجی کوانتیزه کننده شکلی پلکانی یافته و با شکل موج اولیه متفاوت است. مشهود و آشکار است که هر چه تقسیمات دامنه کوچک تر باشد، دقت خروجی بیشتر و خطای کوانتیزه شدن کمتر است، اما در عوض تعداد بیت بیشتری در خروجی تولید خواهد شد که بسته به کاربرد این موضوع تبعات مثبت و منفی خود را دارد.
به طور کلی در سیستم PCM رابطه ای که میان تعداد سطوح کوانتیزه و تعداد بیت خروجی وجود دارد، چنین قابل بیان است : اگر تعداد بیت را با a و تعداد سطوح کوانتیزه را با q نمایش دهیم، آنگاه : q = 2a
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
2-6- تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ (D/A)
برای تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ، در فرآیند معکوس A/D که در قبل دیدیم، مطابق تصویر 3-11 ، سیگنال PCM را ابتدا کدگشایی و سپس توسط یک فیلتر پایین گذر سیگنال آنالوگ را بازسازی می کنیم. در ابتدا، از آنجا که سیگنال PCM در ضمن انتقال به دلایل زیادی (به خصوص وجود نویز) تغییر شکل می دهد، با گذر از یک طبقه ی بازتولید پالس، مجددا پالس ها اصلاح شده و به فرم طبیعی خود برگردانده می شوند.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
در مرحله ی بعد پالس ها (بیت ها) از حالت متوالی به موازی تبدیل شده و پس از کدگشایی مجددا با ساز و کاری نظیر نمونه برداری و نگهداری مقادیر یک سیگنال پلکانی به دست می آید که در تصویر 3-12 با xq(t) نام گذاری شده و پس از گذشتن از فیلتر تبدیل به یک شکل موج آنالوگ می گردد. در تصویر سیگنال اولیه ی پیغام با نام x(t) به همراه نقاط نمونه برداری شده یعنی x(kTs) و تقسیمات کوانتیزه (به فاصله ی 2/q ) نمایش داده شده و در عین حال، می توانیم حاصل کار PCM را پس از دریافت و طی مراحل کدگشایی با نام xq(t) مشاهده کنیم.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
واضح است که دو سیگنال با هم تفاوت هایی دارند و کاملا نظیر یکدیگر نیستند. طبق تعریف، اختلاف این دو سیگنال در هر لحظه از زمان برابر با خطای کوانتیزه (E) است : E = Xq(t) – X(t)
2-7- مالتی پلکس TDM یا پیدمان زمانی داده ها
یک کاربرد بسیار جالب سیستم PCM عبارت است از تشکیل یک چیدمان واحد زمانی از داده های دریافتی از منابع مختلف ورودی به منظور ارسال از طریق یک مسیر فیزیکی، به عنوان نمونه همان طور که در تصویر 3-13 دیده می شود، با وجود دو کانال ورودی برای سیگنال های آنالوگ، پس از تبدیل هر دو سیگنال به حالت دیجیتال (در این نمونه با دو سیستم PCM با خروجی های سه بیتی) به کمک یک کلیدگردان فرضی قادر هستیم تا داده های تولید شده از هر دو منبع را از نظر زمانی لابه لای یکدیگر بچینیم و به این ترتیب، از فواصل زمانی خالی بین مقاطع نمونه برداری به طور بهینه استفاده کنیم.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
به این روش چیدمان زمانی «مالتی پلکس تقسیم زمانی (Time Division Multiplexing) » و به اختصار TDM می گویند. طبیعتا در مدارات عملی جای کلید گردان را کلیدهای الکترونیکی خواهند گرفت و در سمت گیرنده با ساز و کاری معکوس داده های هر منبع به سادگی به ترتیب زمانی، قابل تفکیک خواهند بود. به این ترتیب، طبق تصویر 3-14 واحد ارسال اطلاعات مالتی پلکس شده قالب است. هر قالب شامل یک نمونه از هر منبع است.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
2-8-چگونگی ارائه ی سمبل های دودویی
هنگامی که داده های دودویی به روش PCM ساخته و پرداخته شده اند، برای انتقال این داده های صفر و یک در حالت باند پایه می توانیم پالس های الکتریکی معرف هر بیت را به صورت های مختلف تولید کرده و سپس ارسال کنیم.
برای مثال فرض می کنیم می خواهیم رشته بیت 10110100 را ارسال کنیم.
مطابق تصویر 3-15 به چند روش می توان بیت ها را با شکل موج های الکتریکی معرفی کرد.
؟؟؟؟؟؟؟/جای شکل
در بخش الف از تصویر بیت ها به ساده ترین شکل به صورت روشن (on) و خاموش (off)، معادل یک و صفر، با پالس های مستطیلی و صرفاً با قطبیت مثبت معرفی می شوند. با این تفاوت که اگر زمان حضور بیت یک را Tb فرض کنیم، در این حالت پالس های معرف آن در نصف زمان فوق با دامنه ی A ظاهر شده و سپس بهمقدار دامنه ی صفر باز می گردند و به همین دلیل بازگردنده به صفر (RZ) نامیده می شوند.
در حالت دوم همان شکل (نمایش بصورت خط چین)، در تمام زمان حضور بیت یک یا T b پالس مربوط به آن با دامنه ی A ظاهر می شود و به این دلیل به نام غیر بازگردنده به صفر (NRZ) خوانده می شوند. فرمت NRZ ساده ترین و طبیعی ترین شکل تولید داده ها و ذخیره و انتقال آنها در ثبت کننده هاست و مزیت آن سهولت در انجام هم زمانی در گیرنده است (به دلیل نبود فاصله بین پالس های مجاور)، اما اشکال آن اتلاف انرژی DC نسبتا زیاد در سیگنال ارسالی است.
در بخش ب از تصویر، همان دو وضعیت بازگشت به دامنه ی صفر در نیمه ی دوره ی تناوب و یا حضور پالس در تمام طول دوره وجود دارد با این تفاوت که این بار دامنه های یک و صفر دارای دو قطبیت مثبت و منفی A/2 هستند و به همین دلیل این شیوه و الگو، قطبی شده نامیده می شود. مزیت مهم این روش حذف انرژی تلفی DC است.
در بخش ج از تصویر، الگوی دوقطبی را مشاهده می کنیم که در آن بیت های یک با پالس هایی با دامنه ی A و قطبیت مثبت و منفی به صورت یک در میان ظاهر می شوند. این روش نیز کاهش اتلاف انرژی را تضمین می کند.
در الگویی که در بخش د از تصویر نمایش داده شده بیت های یک با پالس هایی معرفی می شوند که در نیمه ی اول دوراهی حضور مقدار مثبت و در نیمه ی دوم دوره ی حضور مقداری منفی به خود می گیرند (تغییر دامنه از بالا به پایین) و عکس این قرارداد برای نمایش بیت های صفر صادق است (تغییر دامنه از پایین به بالا).
این الگو موسوم به کدینگ منچستر با فاز جداگانه است. در این الگو اندازه ی دامنهی پالس ها چندان اهمیتی ندارد، فقط نحوه ی تغییر دامنه و اصطلاحاً لبه های کاهشی یا افزایشی دامنه تعیین کننده ی ماهیت اطلاعات هستند. به خاطر وجود تغییرات مکرر و مداوم دامنه از پایین به بالا و برعکس به ازای یک ها و صفرها، این الگو برای آشکار سازی و بازیافت پالس ساعت درگیرنده بسیار کارآمد است. در عوض، دو نوع الگوی منچستر و RZ برای ارسال نیازمند پهنای باند بیشتری هستند.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ جای شکل
آخرین نوع الگویی که بررسی می کنیم، الگوی NRZI است. در این شیوه شکل موج در هنگام حضور بیت یک بدون تغییر می ماند و در زمان حضور بیت صفر تغییر حالت می دهد. مطابق تصویر 3-16 در زمان ورود بیت های یک، خروجی در حالت بالا بدون تغییر مانده و به محض ورود بیت صفر، به وضعیت پایین می رود.
