Лабораторна робота №1 Дослідження повного телевізійного сигналу та принципів формування зображення

1.1. Навчальні питання

1. Дослідження повного телевізійного сигналу.

2. Дослідження сигналів генератора тестових сигналів Foton.

1.2. Навчальна мета

1. Експериментальне дослідження повного телевізійного сигналу.

2. Експериментальне дослідження принципів екранної розгортки, формування зображення та настройки зображення за допомогою генератора тестових сигналів Foton.

1.3. Теоретичні відомості

Побудова телевізійного растра при лінійних розгортках. Сучасні телевізійні системи, як правило, є електронними. При створенні растра за допомогою електронного променя виникає необхідність повернення променя у вихідне положення. Наприклад, при порядковому растрі після прокреслення чергового рядка промінь необхідно повернути до початку наступного рядка, а по закінченні кадру – до його початку. Створити миттєвий зворотний хід променя неможливо, тому виникають неминучі втрати часу за рахунок зворотного ходу.

Варто звернути увагу й на те, що практично дуже складно створити передавальну й приймальну системи, у яких автономно підтримувалася б синхронна робота пристроїв, що розгортають, навіть при детермінованому законі розкладання. Тому поряд із сигналом зображення передають сигнали синхронізації, що узгоджують роботу пристроїв, що розгортають, у передавальному і прийомному пристроях.

Розглянемо побудову растра із черезрядковою розгорткою у припущенні, що час зворотного ходу променя по рядкам і кадрам дорівнює нулю. Для полегшення формування черезрядкового растра бажано забезпечити ідентичність сигналів кадрової розгортки в різних полях. Для цього необхідно, щоб у кожному полі містилась однакова кількість рядків і поля починались та закінчувались на одних і тих самих рівнях. Ці умови можуть бути виконані, якщо кількість рядків розкладання обирати у відповідності до формули:

z = ξ z' + 1,

(1.1)

де ξ – кратність черезрядкового розкладання;

z' – ціле число рядків у полі.

Таким чином, кількість рядків у полі становить z_п = z/ξ = (z' + 1)/ξ. З формули (1.1), зокрема, виходить, що при черезрядковій розгортці з парною кратністю (ξ = 2, 4, 6, ...) число рядків z завжди повинно бути непарним, а при черезрядковій розгортці з непарною кратністю (ξ = 1, 3, 5, ...) – z може бути як парним, так і непарним. На рис. 1.1, а, б наведена побудова черезрядкового растра із кратністю відповідно 2 та 3.

Рис. 1.1

Телевізійний растр зазвичай формується за допомогою пилкоподібних коливань струму або напруги рядкової й кадрової частот, що забезпечують горизонтальне й вертикальне відхилення променів, що розгортають, у передавальному і прийомному пристроях. Очевидно, частота рядкової розгортки f_р = n z, а кадрової f_к дорівнює частоті полів f_к = f_п = ξ n = ξ f_р / z.

На рис. 1.2, а, б наведені форми сигналів, що розгортають, для растрів, представлених на рис. 1.2, а, б. Відмітимо, що при черезрядковій розгортці повинен бути міцний зв'язок між частотами рядкової й кадрової розгорток. У порядковому растрі ця вимога може й не виконуватися.

Рис. 1.2

На рис. 1.3 показане формування порядкового растра 1 з урахуванням втрат на зворотні ходи.

Рис. 1.3

На цьому рисунку час зворотного ходу Т_2р пилкоподібних коливань рядкової розгортки 3 складає 20% від періоду рядкової розгортки Т_р, а час зворотного ходу Т_2к пилкоподібних коливань кадрової розгортки 4 дорівнює тривалості півтора періодів рядкової розгортки. У результаті втрат на зворотні ходи реальне число елементів розкладу N_р виявляється меншим номінального N:

Nр = N(1–βр)(1–βк),

(1.2)

де β_р = Т_2р /Т_р, β_к = Т_2к /Т_к – відносні втрати на зворотні ходи відповідно по рядкам і кадрам.

У стандарті задається номінальне число рядків розкладу z, формат кадру (реального) k та параметри, що визначають β_р і β_к. По них можна визначити: число активних (реальних) рядків z_a, що беруть участь у створенні зображення,

za = z(1–βк);

(1.3)

реальне число елементів розкладу

Nр = kzа2 = kz2(1–βк)2

(1.4)

і з врахуванням (1.2) та (1.3) номінальне число елементів розкладу

N = Np /(1–βр)(1–βк) = kz2 (1–βк)/(1–βр).

(1.5)

Для узгодження роботи генераторів розгортки в передавальному та приймальному пристроях зазвичай використовують синхронізуючі імпульси рядкової 2 і кадрової 5 частот, рис. 1.3, а для запобігання спотворення сигналу зображення під час зворотних ходів електронні промені в передавальній та приймальні трубках на цей час запираються спеціальними сигналами, що гасять, рядків 6 і кадрів 7. Тривалість рядкових Тр.г. і кадрових Тк.г. імпульсів, що гасять, трохи перевищує тривалість зворотних ходів рядкової Т_2р і кадрової Т_2к розгорток для перекриття можливих часових зсувів на окремих ділянках телевізійного тракту.

Канал синхронізації. Поряд з відеосигналом необхідно формувати різні види керуючих імпульсів, без яких робота телевізійної системи неможлива. Це завдання виконує синхрогенератор, що формує п'ять видів імпульсів:

– рядкові й кадрові, – провідні імпульси, призначені відповідно для синхронізації генераторів рядкової й кадрової розгорток у передавальних трубках і пристроях відео контролю;

– імпульси, що гасять, – передавальної трубки, призначені для запирання електронного променя в передавальній трубці під час зворотного ходу рядкової й кадрової розгорток;

– імпульси, що гасять, прийомних трубок, призначені для тих же цілей, але в прийомних трубках;

– синхросуміш, що складається з послідовності рядкових і кадрових синхроімпульсів і призначену для синхронізації рядкової й кадрової розгорток телевізійних приймачів.

Імпульси, що гасять, прийомних трубок замішуються у відеосигнал в проміжному підсилювачі. Вони перевищують по тривалості імпульси, що гасять, для передавальних трубок. Це дозволяє перекрити можливі зсуви сигналів у часі, наприклад при перемиканні камер, що мають кабелі різної довжини. В лінійному підсилювачі у відеосигнал додається синхросуміш телевізійних приймачів.

Таким чином, повний телевізійний сигнал (ПТС), рис. 1.4, складається з відеосигналу, рядкових імпульсів, що гасять, кадрових імпульсів, що гасять, рядкових і кадрових синхроімпульсів. Обираючи форму повного телевізійного сигналу, виходять із умови максимального спрощення приймача при одночасному забезпеченні стійкої синхронізації й високої завадостійкості телевізійного прийому. Для виконання цієї умови у всіх мовних телевізійних системах сигнали синхронізації передаються під час зворотного ходу рядкової й кадрової розгорток.

Імпульси синхросуміші розміщуються на імпульсах, що гасять, за межами рівня чорного й можуть бути легко відділені від сигналу зображення методами амплітудної селекції. Можливість реалізувати різними по тривалості рядкові й кадрові синхроімпульси дозволяє порівняно просто розділити їх методами часової селекції, наприклад за допомогою диференціюючих та інтегруючих ланок. Як видно з рис. 1.5 а, б, застосування синхросигнала такої форми не забезпечує синхронізації генератора рядкової розгортки в період проходження кадрового синхроімпульсу. Тому після закінчення кадрового синхроімпульсу процес встановлення частоти генератора рядкової розгортки відбувається не відразу, що може призвести до зриву декількох рядків.

Для забезпечення безперервної синхронізації генератора рядкової розгортки в кадровому синхросигналі формують урізки (рис. 1.5, в, г). При черезрядковій розгортці доводиться ще більше ускладнювати синхросуміш через розходження у формі сигналів парного й непарного полів, рис. 1.6, а, б, в, (для зручності порівняння синхроімпульси обох полів намальовані один під одним).

Рис. 1.4. Повний телевізійний сигнал

Рис. 1.5

Рис. 1.6

Як видно з рис. 1.1, а, перше (непарне) поле закінчується на половині останнього рядка й, отже, початок кадрового синхроімпульсу зміщений щодо останнього рядкового синхроімпульсу в цьому полі на половину тривалості рядка (рис. 1.6, б), у той час як друге (парне) поле закінчується цілим рядком і, отже, початок рядкового й кадрового синхроімпульсів у цьому випадку збігається (рис. 1.6, а). Розходження цих сигналів створює неідентичність форм проінтегрованих імпульсів першого й другого полів (рис. 1.6, в), що призводить до відносного часового зсуву Ас початку кадрової розгортки в непарному й парному полях, що спричиняє здвоювання рядків.

Для ідентифікації синхросигналів обох полів в них додають урізки та імпульси, що урівнюють з подвійною рядковою частотою. Вони не впливають на роботу генератора рядкової розгортки, що під час проходження цих імпульсів працює в режимі ділення частоти на 2. На рис. 1.7 наведена стандартизована форма повного телевізійного сигналу. Його основні параметри наведені в табл. 1. Тривалість імпульсів відраховується в точках половинного рівня, а тривалість фронтів – між рівнями 0,1 та 0,9.

Рис. 1.7

Через необхідність підтримки твердого зв'язку між коливаннями рядкової й кадрової розгорток для утворення всіх імпульсів застосовується загальний опорний генератор ОГ (рис. 1.8), що формує сигнал подвійної рядкової частоти 2f_р, з якого за допомогою дільника 1:2 отримують імпульси рядкової частоти f_р, за допомогою дільника 1:z – імпульси частоти кадрової розгортки f_к (частоти полів). Опорний генератор може працювати в автономному режимі із синхронізацією від кварцового генератора КГ, або в режимі зовнішньої синхронізації, або в режимі синхронізації частоти кадрової розгортки із частотою мережі. У цьому випадку на фазовому дискримінаторі ФД порівнюються частоти кадрової розгортки із частотою мережі та напруга розбалансу через керуючий елемент КЕ змінює частоту опорного генератора до досягнення рівності порівнюваних частот.

Рис. 1.8

Таблиця 1

Тривалість елементів стандартного телевізійного сигналу

Найменування імпульсу	Номінальна тривалість, мкс
Рядковий, що гасить	12
Рядковий синхронізуючий	4,7
Передній відступ по рядку (зсув між початком імпульсу, що гасить та початком рядкового синхронізуючого імпульсу)	1,5
Урівнюючий	2,35
Урізка	4,7
Кадровий синхронізуючий	160
Кадровий імпульс, що гасить	1612

Передача телевізійного сигналу по радіоканалу та особливості побудови телевізійних передавачів. Для передачі телевізійних програм використовуються ультракороткохвильовий і дециметровий діапазони хвиль, тому що відеосигнал займає широку смугу частот. Сантиметрові хвилі через сильне поглинання в атмосфері застосовуються тільки для радіорелейних ліній зв'язку, пересувних телевізійних станцій та інших спеціальних цілей. Для обмеження смуги частот, яку займає телевізійний канал, застосовують АМ передавача відеосигналом. Однак при звичайній амплітудній модуляції спектр частот радіосигналу містить дві бічні смуги й займає спектр у два рази ширший, ніж модулюючий відеосигнал, тобто близько 13 МГц. Для звуження смуги частот, що відводиться телевізійному каналу, одна бічна смуга частково придушується.

Векторна діаграма при амплітудній модуляції несучої частоти ω передавача гармонійним сигналом із частотою Ω представляється сумою трьох векторів (несучої та двох бічних частот), рис. 1.9, а, які, складаючись, дають результуючий вектор F, що завжди збігається по фазі з вектором несучої частоти. Його амплітуда змінюється за гармонійним законом із частотою модулюючого сигналу. При придушенні однієї бічної смуги виникає паразитна фазова модуляція, рис 1.9, б, і нелінійні спотворення за рахунок того, що амплітуда результуючого вектора вже не буде змінюватися за гармонійним законом. Ці спотворення будуть проявлятися тим слабкіше, чим менше глибина модуляції.

Нелінійні спотворення телевізійного сигналу проявляються в порушенні градацій яскравості переданого зображення, на що зоровий апарат людини реагує слабко. Це дозволяє в телевізійному віщанні допустити значно менш жорсткі вимоги до нелінійних спотворень сигналу, ніж у радіомовленні. Часткове придушення однієї (частіше нижньої) бічної смуги забезпечує передачу низькочастотних сигналів, що відповідають великим деталям, без перекручувань. На дрібних деталях спотворення помітні слабкіше внаслідок мілкості деталей і меншої глибини модуляції на високих частотах.

Рис. 1.9

Звуковий супровід передається за допомогою частотної модуляції. Спектр сигналу звукового супроводу безпосередньо примикає до спектра відеосигналу. Відповідно до телевізійного стандарту, рознесення частот несучої звука fн.зв і зображення fн.з становить 6,5 МГц, рис. 1.10, ширина одного телевізійного каналу складає 8 МГц, максимальна девіація несучої частоти звуку 50 кГц.

Уніполярність відеосигналу допускає два способи модуляції несучої зображення. Позитивна модуляція, рис. 1.11, б, при якій більш світлим місцям зображення відповідає більша потужність випромінювання передавача й негативна модуляція, при якій більш світлим місцям зображення відповідає менша потужність випромінювання передавача, рис. 1.11, а. На рис. 1.11 позначено: U_б – рівень білого , U_ч – рівень чорного, Uс.і. – рівень синхронізуючих імпульсів.

Рис. 1.10

У більшості країн, прийнята негативна модуляція. У Великобританії, Франції та у країнах із французьким стандартом прийнята позитивна модуляція. Обидва види модуляції мають переваги та недоліки.

Рис. 1.11

При негативній модуляції імпульсні перешкоди створюють на зображенні темні плями на більш світлому фоні, які внаслідок особливостей зору менш помітні, ніж світлі плями на більш темному фоні, утворені перешкодами при позитивній модуляції. Імпульси перешкод великого рівня, потрапляючи при позитивній модуляції на кінескоп, призводять до розфокусування електронного променя й у результаті цього до збільшення діаметра білих плям, що робить їх іще помітнішими. Разом з тим імпульси перешкод при негативній модуляції впливають на кола синхронізації більше, ніж при позитивній, тому що при амплітудній селекції вони виділяються на рівні із синхроімпульсами.