3.3. Верхняя и нижняя границы телевизионного спектра [7]

В отличие, например, от звукового радиовещательного сигнала,, телевизионный сигнал имеет во много раз более широкий спектр частот. Если, исходя из практики, принять ширину спектра доста­точно высококачественного звукового сигнала около 12 кГц, а ширину спектра телевизионного сигнала — 6 МГц, то их отноше­ние составит (6-10⁶)/(12-10³) =500 раз. Такой широкий спектр исключает возможность передачи высококачественного телевиде­ния на средних и коротких волнах. Для телевизионного сигнала пригодными оказываются только ультракороткие волны. Основной недостаток ультракоротковолновой связи — передача и прием со­общений только в пределах так называемой прямой видимости (60—80 км) — ограничивает действие телевизионной станции. Это значит, что телезритель может принимать программу только своего относительно близко располо­женного телецентра; его телевизор не имеет технических возможностей непосредственного приема сигнала других, отдаленных телевизионных центров.

Рассмотрим факторы, определя­ющие верхнюю и нижнюю границы телевизионного сигнала. Для непо­движного изображения низкочас­тотная граница определяется чис­лом кадров в секунду (или числом полукадров в секунду при черес­строчной развертке).

На рис. 3.5а приведен простей­ший пример неподвижного изобра­жения в виде двух горизон­тальных полос — одной белой и од­ной черной. Как видно из рис. 3.5б, сигнал, соответствующий этому

Рис. 3.5. К определению ниж­ней границы спектра: а) про­стейший пример неподвижного изображения на экране теле­визора; б) сигнал, соответст­вующий этому изображению.

изображению, представляется в виде импульсов с периодом следова­ния, равным времени передачи кадра Т_к.

Таким образом, нижняя частота спектра телевизионного сигна­ла может быть определена простым соотношением:

(3.1)

При чересстрочной развертке изображение рис. 3.5а практиче­ски будет одинаковым как в четном, так и в нечетном полукадре (разница в форме и длительности импульсов сигнала в соседних полукадрах может составлять только один период строчной раз­вертки, т. е. в относительной мере =64мкс/20*10³ мкс =3,2*10^-5). В связи с этим при чересстрочной развертке за ниж­нюю границу спектра следует принять частоту, равную числу полукадров, передаваемых в секунду:

= 2 = 50 Гц, (3.2)

где n — число кадров в секунду.

Верхняя граница спектра телевизионного сигнала определяется мельчайшими деталями изображения, которые еще могут быть воспроизведены на экране телевизора. В кинескопе должна быть возможность сфокусировать электронный луч так, чтобы в месте касания экрана (люминофора) его диаметр d_л был равен толщине одной строки dn=h/Z, где h — высота кадра; Z — число строк.

Это значит, что при одинаковых горизонтальной и вертикальной четкостях минимальные раз­меры черных и белых чередующихся элементов вдоль строки и поперек строк должны быть равны диаметру электронного луча (рис. 3.6).

Определим верхнюю границу телевизионного спектра. Для это­го подсчитаем число пар черных и белых элементов на изображе­нии «шахматной доски» (рис. 3.6), состоящей из клеточек, верти­кальный и горизонтальный раз­мер которых равен диаметру развертывающего луча.

Рис. 3.6. К определению верхней границы спектра.

Число пар таких клеточек, передаваемых в секунду, и определит верх­нюю границу спектра телевизионного сигнала.

Число пар на одной строке (к=4/3 — формат кадра): pZ/2.

Число пар на всем кадре: (кZ/2)Z.

Число пар элементов, передаваемых в секунду (n — число кад­ров, передаваемых в сек): (кZ/2)Zn.

Полученное выражение и определяет верхнюю границу спек­тра телевизионных частот:

. (3.3)

Подсчитаем величину верхней границы спектра из общепри­нятых данных: число строк разложения полного кадра Z=625, формат изображения к = 4/3, а число кадров в секунду (с учетом перекрытия критической частоты мельканий) n=50 кадр/с. Под­ставляя эти данные в ф-лу (4.3), получим

. ( )

Таким образом, полоса частот оказывается весьма большой. Сигнал с таким широким спектром трудно усиливать, передавать без искажений по эфиру. Важно также и то, что число телевизи­онных каналов, в отведенном для этого диапазоне, при такой по­лосе будет небольшим.

Для сокращения телевизионного спектра вдвое сейчас повсе­местно в радиовещательном телевидении используется чересстроч­ная развертка. Этот технический прием дает возможность, не вы­зывая неприятных мельканий изображения, снизить число кадров в секунду в два раза, т. е. соответственно уменьшить верхнюю границу спектра в два раза, практически не ухудшая качества изображения.

При чересстрочной развертке каждый кадр состоит из двух по­лукадров, причем в одном полукадре передаются только нечетные строки: 1, 3, 5, ...,

(2m+ 1), а во втором — только четные: 2, 4, 6, ..., 2m. Таким образом, на экране телевизора за время передачи полного кадра создаются два изображения, мало отли­чающиеся друг от друга, в особенности в крупных деталях. Так как в одном полукадре число строк уменьшено вдвое, каждый по­лукадр содержит вдвое меньшую информацию об изображении по сравнению с полным кадром. Но зрительная память наблюда­теля соединяет в его сознании изображения двух полукадров в одно, соответствующее полному кадру.

Число полукадров, передаваемых в секунду n=50 полукад­ров/с, с некоторым запасом перекрывает критическую частоту мельканий; вместе с тем верхняя граница спектра частот телеви­зионного сигнала уменьшается вдвое:

( )

На практике, учитывая влияние апертурных искажений на воспроизведение мелких деталей (§ 2.2.2), а также снижение вер­тикальной четкости за счет строчной структуры телевизионного изображения (§ 2.2.2), верхнюю частоту f_в можно еще уменьшить без заметного ущерба качеству изображения. Таким образом, практическая формула для определения верхней границы телеви­зионного спектра имеет вид

, (3.4)

где практический коэффициент k выбирается в пределах 0,8—0,9. При этом

С учетом времени обратных ходов по строкам и кадрам формула (3.4) принимает вид:

, (3.5)

где p=0.8 коэффициент Келла, учитывающий дискретность растра [5];

- относительное время обратного хода по кадру;

-относительное время обратного хода по строке;

-формат кадра;

-число строк.