flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

решается задача получения на приемном конце системы изображения, максимально близкого к объекту передачи.

Для передачи изображения необходимо решать три задачи:

–преобразование световой энергии в электрические сигналы;

–передачу и прием электрических сигналов;

–преобразование электрических сигналов в оптическое изображение.

В основу телевидения заложены два основных принципа:

–разложение изображения передаваемого объекта на отдельные элементарные площадки;

–информация передается поочередно о яркости элементарных площадок.

Именно эти принципы были использованы в 1875 г. американцем Дж. Кери для передачи изображения (рис. 11.34).

Рис. 11.34. Устройство для передачи изображения

Изображение объекта проецируется с помощью объектива на светочувствительную панель, элементы которой соединены отдельными проводами черезисточникипитанияссоответствующими лампочками накаливанияэкрана-табло. Вследствиеизменениясопротивления селеновых элементов светочувствительной панели пропорци-

71

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

онально их освещенности величина токов в лампах накаливания эк- рана-табло различна, соответственно различна и их яркость.

Вдальнейшем развитии в 1878 г. Де-Пайве предложил передавать элементы изображения поочередно по одной линии. Инерционность зрения человека при быстрой передаче элементов приводит

квосприятию изображения какцелого, без элементов разложения. Такимобразом,былиреализованыдваосновныхпринципателевидения.

Вдальнейшем, в1884г. вГермании полякГ. Нипковпредложил осуществлять развертку изображения при помощи вращающегося диска с отверстиями. В результатебыл реализован принцип построчной передачи изображения. За один оборот диска передавались все строки, образуя кадр. Число кадров, передаваемых в секунду, соответствует числу оборотов диска в секунду. Общим недостатком оп- тико-механическихсистемявляласьмалаясветоваячувствительность и четкость изображения. Преодолеть эти недостатки удалось лишь с помощью систем электронного телевидения.

Российский ученый Б.Л. Розинг создал в 1897 г. электронно-лу- чевую трубку, пригодную для воспроизведения изображений, что позволило ему в 1907 г. получить патент на систему электронного телевидения.В1911г.имбыла проведенадемонстрацияприемаизображения с его воспроизведением на экране электронно-лучевой трубки.

Ученик Б.Л. Розинга В.К. Зворыкин оформил в 1923 г. патент СШАна электронную систему телевидения, а в 1929 г. создал кинескоп – приемную телевизионную трубку. В.К. Зворыкин работал в области создания цветного телевидения. Его труды получили признание во всем мире.

Существенны труды К. Суинтока (США), Фарисдорта (США), Г. Джекинсона (США), С.И. Катаева (СССР), П.В. Шмакова (СССР), П.И. Тимофеева (СССР), Г.В. Брауде(СССР).

С 1931 г. начинается регулярное оптико-механическое телевизионноевещание,ав1948годувещаниеМосковскоготелецентрапостандарту625строк.Передачицветногоизображенияначалисьв1967году. С 1984 г. более 90 % населения имеют возможность смотреть телевизионные передачи. 7 октября 1959 года передано на Землю изображе-

72

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ние обратной стороны Луны. В настоящее время развитие телевидения продолжается – новыеэлементы, включая жидкокристаллические иплазменныеэкраны,новыеформатыизображения,цифровоетелевидение, многофункциональные системы в комплексе с ПЭВМ.

Структурная схема телевизионной системы черно-белого изображения приведена на рис. 11.35.

Рис. 11.35. Структурная схема телевизионной системы черно-белого изображения

Передаваемое изображение через объектив проецируется на передающую электронно-лучевую трубку (ПТ), фотоэлектрическое устройство которой преобразует оптическое изображение в электрический сигнал. Изображение считывается электронным лучом, последовательно обегающим элементы экрана ПТ. В результате получается сигнал, пропорциональный яркости считывающихся элементов изображения. Результатом считывания является непрерывный видеосигнал, несущий информацию об изображении. Обзор всей площади изображения осуществляется при перемещении луча по горизонтали (построкам) и медленноповертикали (покадру). Результатомявляетсякадр, заполненный большимколичествомстрок. После того,каклучпрошелвсюповерхностьэкранаПТ, процессповторяется для формирования следующего кадра. Для управления движения лучом на отклоняющую систему передающей трубки подаются пилооб- разныенапряжения–строчныеи кадровые. Ониформируютсяв блоке разверток (БР), который совместно с ПТ и объективом образует передающую камеру (ПК). Управление БР осуществляется импульсами

73

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

синхрогенератора (СГ). Для согласования разверток передающей и приемной частей системы телевидения в телевизионном канале (ТК) в видеосигнал замешиваются управляющие (синхронизирующие и гасящие)импульсы.Результатомявляетсяполныйтелевизионныйсигнал. Им осуществляется модуляция несущего сигнала высокой частоты в передатчике. Модулированные высокочастотные колебания излучаются с помощью антенны в радиоканал. В принципе, можно передавать сигнал и по другим линиям связи. Принятые электромагнитные колебания приемником (ПРМ) селектируются, усиливаются

идетектируются. Селектором синхроимпульсов (ССИ) из принятого

ипродетектированного сигнала выделяются импульсы синхронизации, с помощью которых синхронизируется работа блока развертки (БР), напряжения, подаваемые с него на отклоняющую систему кинескопа (К), создают ТВ-растр.

Яркостный сигнал, усиленный видеоусилителем (ВУ), модулирует интенсивность луча кинескопа и, следовательно, яркость свечения люминофора егоэкрана. Таккак движениелуча кинескопа синхронизовано с движением луча ПТ, на экране кинескопа видно изображение объекта, спроецированного объективом на экран ПТ. ТВ-вещание ведется по 60 каналам (5 поддиапазонам) в диапазоне частотот48,5до790МГц. Отметим, чтомеждуподдиапазонамиимеются окна.

Телевизионная развертка изображения должна обеспечить его качественноевосприятие. Изображениедолжнобытьчетким, сослитными движениями, без мельканий.

74

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

фиксируемая глазом человека, составляет 46 – 48 Гц. Полный кадр меняется с частотой 25 Гц, так как человек начинает воспринимать движениекак слитное, начинаяс16 –18Гц. Наблюдаем полнуюаналогию с работой кинопроектора – пленка сдвигается на следующий кадрсчастотойв24Гц,нокаждый кадрзасвечиваетсядважды(мальтийский крест устраняет мелькание изображения на киноэкране).

Четкость изображения на экране зависит от числа строк. У нас принят стандарт – в кадре 625 строк.

Четкость изображения по горизонтали определяется длиной отрезка, на котором можно получить перепад яркости свечения экрана кинескопа. Скорость развертки следует из частоты кадров и строк, а также из размера экрана кинескопа и обратно пропорциональна ширине спектра видеосигнала. Спектр ТВ-сигнала изображен на рис. 11.37, а. Через Fc, Fк обозначены частоты генераторов строчной и кадровой разверток.

Eтв

UBUr-

–цвето??? сигналы

в

Рис. 11.37. Спектральные характеристики:

а– спектр ТВ-сигнала; б – полный спектр черно-белого ТВ-сигнала;

в– полный спектр цветного ТВ-сигнала

75

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Основная часть спектра сосредоточена в области нижних частот. В полоседо2,5МГц составляющиеспектра соответствуют крупным элементам изображения. Более высокочастотные составляющие обладают малой энергией и несут информацию омалоразмерных деталях изображения.

Номинальная ширина спектра ТВ-сигнала в 6 МГц обеспечивает высокуючеткостьизображения.Дляпередачи изображенияиспользует- сяАМ-модуляциясчастотнымподавлениемоднойбоковойполосы.Зву- ковое сопровождениепередается с использованием ЧМ-модуляции, что обеспечивает их малое взаимовлияние и разделение в ТВ-приемнике. ВитогеТВ-каналуотводится 8 МГц (рис. 11.37, б).

Реализация телевизионногосигнала на интервалестроки имеет вид, показанный на рис. 11.38.

Уровень СИ Уровень ГИ

Сигнализображенияпередаетсявовремяпрямогохода луча развертки. Во время обратного хода передаются синхронизирующие импульсы (СИ), обеспечивающие работу генератора строчной развертки телевизионногоприемника. Длятого, чтобыубратьсэкрана обратный ход луча с помощью гасящих импульсов (ГИ), кинескоп запирается. Крометого,каждыйполукадрсинхронизируетсякадровымСИ,вовре-

76

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

мя которого подается кадровый ГИ. Кадровые СИ в 2,5 раза больше, чемдлительность строк, а ГИ– в 25 раз. Селекция СИв приемникена строчные и кадровые осуществляется путем использования их различия по длительности.

Динамический диапазон амплитуд сигнала изображения находится междууровнями белогои черного. Как видноиз рис. 11.38, сигнал передается в негативном формате – максимум амплитуды соответствует уровню черного, а минимум – уровню белого. Благодаря этому решается несколько задач. Средний уровень мощности сигнала меньше, так как в изображении преобладает белый цвет.

Легчерешается задача гашения обратногохода луча – ГИ находятся выше уровня черного. Всплески помех менее заметны – на экране черные точки предпочтительнее белых с позиции зрительного восприятия. Автоматической регулировкой усиления поддерживается верхний уровень СИ, что технически проще реализовать.

Передача цветного изображения основана на свойствах зрения человека. Нормальное человеческоезрение различает 150 спектральных и 30 насыщенных цветов. Однако М.В. Ломоносовым в 1756 г. было объяснено свойство глаза – трехцветное зрение. Оно состоит в том, что при смешивании трех цветов в определенных пропорциях можно получить любой цветовой оттенок. Эти три цвета называют взаимонезависимыми, так как ни один из них нельзя получить смешиванием двух других. Таких взаимонезависимых триад несколько. В телевидении используется триада RGB: R – красный; G – зеленый; B – синий. Существенным аргументом для выбора этих трех цветов является наличие химических веществ с высокой светоотдачей для реализации на их основе люминофоров.

В передающей телекамере цветного изображения решается задача разложения цветного изображения на три составляющие. Для этого использована специальная оптическая система и три передающие трубки (рис. 11.39).

77

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Рис. 11.39. Структура цветоразделительной системы

Поступающее через объектив изображение попадает на цветоразделительную систему, состоящую из двух цветоизбирательных дихроичных зеркал, обладающих свойствами отражать составляющиесвета одногоцветовоготона и пропускать составляющиедругих цветов. В результате сначала отражаются красные лучи и пропускаются остальные, из которых на следующем зеркале отражаются синие лучи и пропускаются зеленые. Лучи выделенных трех цветов попадают на передающие трубки. В качестве передающих трубок используются, в основном, суперортиконы и видиконы. Кроме того, имеются многосигнальные видиконы, осуществляющие пространственное разделение светового потока непосредственно на светочувствительной поверхности. Их работа основана на использовании оптикоэлектронного кодирования изображения. Спектральные характеристики светового потока в плоскости изображения находят отражение в пространственном распределении потенциального рельефа всоответствии с функциональной связьюмеждуспектральнымихарактеристикамии временнымипараметрами формируемогосигнала изображения. На рис. 11.40 приведена схема фотомишени трехцветного видикона.

Три группы полосковых электродов нанесены на соответствующиесветофильтрыиразмещаютсянастекляннойпланшайбе.Строчная развертка осуществляется коммутирующим лучом, возбуждающим внутренний фотоэффект в полосковых электродах. Электроды

78

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

соединяютсяпопринципуцвета и образуюттри выхода сигналов UR, UG,UB.Причастотномили импульсномкодированиипроводитсяформирование единого сигнала.

Стеклянная планшайба Рис. 11.40. Фотомишень трехцветного диапазона

Изображение в большинстве телевизионных приемников получают с помощью кинескопа. В цветном кинескопецветноеизображение формируется методом пространственного смешения цветов.

Как правило, используется трехрастровая система, при которой на экранеформируется три одноцветных растра – R, G, B, совмещенных друг с другом. Кинескоп имеет три электронных прожектора и три люминоформные группы на экране, излучение которых соответствует R, G, B цветам. Для обеспечения попадания лучей на люминофоры своего цвета используется теневая маска. Пример технической реализации кинескопа приведен на рис. 11.41.

Рис. 11.41. Принцип действия кинескопа

79

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Для реализации совместимости систем цветного ТВ и чернобелого ТВ необходимо реализовать передачу трех изображений по радиоканалу в полосе частот, отведенному черно-белому ТВ

(см. рис. 11.37, б).

Для решения этой задачи необходимоснизить количествопередаваемой информации и осуществить частотное уплотнение сигналов. Осуществляемыеоперации недолжныснижатькачествовосприятия человеком изображения. С учетом слабой реакции зрения человека на цвет малоразмерные детали, начиная с некоторого уровня малости детали, начинают казаться серыми, нет необходимости передавать информацию о цветности в столь же широкой полосе частот, как о яркости. Это позволяет использовать сигналы, раздельно несущие информацию о яркости и о цветности изображения, и отличающиеся своими параметрами. Из цветных сигналов UR, UG и UB формируется яркостный сигнал – черно-белое изображение:

где r, g, b – весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию r + g + b = 1.

Крометого, формируютсяцветоразностныесигналы, в которых исключена информация о яркости:

Третий цветоразностный сигнал UG – (зеленый ) является производным от сигналов UR – и UB – и его получают в телевизионном приемнике. Как было отмечено, спектр цветоразностных сигналов можно ограничить частотой 1,5 МГц.

Изтрехимеющихсясистемцветноготелевидения:НТСК, ПАЛ, СЕКАМ ограничимся рассмотрением последнего. Это связано с тем, что у нас в стране принята система СЕКАМ. Она используется во Франции, ряде европейских стран, Китае и Африке.

Встандарте СЕКАМ передача цветоразностных сигналов UR –

иUВ – проводится с использованием ЧМ модуляции с двумя поднесущими. Частоты поднесущих f1 = 4,24 МГц и f2 = 4,41 МГц; это позволяет передавать цветоразностные сигналы в пределах стандарт-

80