Лекция №2

Тема:	Структура и параметры телевизионного сигнала
Вопросы:	Структура и спектр телевизионного сигнала Телевизионное изображение и его качество

Вопрос №1

На выходе преобразователя свет–сигнал формируется видеосигнал. Этот сигнал является функцией времени и пропорционален яркости передаваемых элементов изображения. На рис. 2.1 в качестве примера приведен фрагмент видеосигнала за время, равное длительности активной части строки, получаемый при развертке изображения в виде вертикальных черно-белых полос. Анализируя видеосигнал на рис. 2.1, можно сделать следующие выводы:

сигнал имеет импульсный характер;

сигнал однополярный (яркость не может быть отрицательной).

Форма видеосигнала, показанного на рис. 2.1, получена в предположении, что РЭ обладает точечной апертурой (поперечным сече­нием РЭ).

Однако апертура реальных РЭ имеет конечные размеры, что приводит к размытию крутых фронтов видеосигнала и уменьшению размаха этого сигнала от мелких деталей (деталей, размеры которых соизмеримы с размерами РЭ, рис. 2.2).

Это объясняется тем, что мгновенное значение видеосигнала пропорционально средней яркости элементов изображения, находящихся внутри апертуры РЭ.

При образовании сигнала от мелких чередующихся деталей его форма становится близкой к синусоидальной. При дальнейшем уменьшении размеров деталей размах сигнала от них становится настолько малым, что изображение таких деталей не может быть передано ТВ–системой.

Информация о яркости изображения передается только во время прямого хода развертки. Во время обратного хода развертки в видеосигнал замешиваются гасящие импульсы, разделяющие сигналы в соседних строках и полях.

Рис. 2.1 - Изображение и видеосигнал от него при развертке строки по линии аа'

Рис. 2.2- Изображение и видеосигнал от него при конечных размерах РЭ

1. Структура полного телевизионного сигнала при линейно-строчной развертке

Полный телевизионный сигнал (ПТВС) при линейно-строчной развертке состоит из сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих строчных и кадровых импульсов. Он также должен содержать информацию о медленно изменяющейся от кадра к кадру средней яркости изображения. Методы кодирования и восстановления информации о средней яркости будут рассмотрены в следующих лекциях.

Сигнал изображения(видеосигнал) представляет собой функцию времени, мгновенные значения которой пропорциональны яркости соответствующих элементов разложения изображения. Он излучается в интервалахпрямого хода строчной развертки, ограниченных с обеих сторон строчными и кадровыми гасящими импульсами (активная часть строки). Сигнал изображения может бытьпозитивным или негативным.

В Российской Федерации принят негативный тип видеосигнала(рисунок 2.3), при котором более светлым элементам изображения соответствует меньшее значение амплитуды сигнала. Уровень, на котором передаются телевизионные сигналы от самых ярких элементов приято называть «уровнем белого», а от самых темных«уровнем черного».

Рисунок 2.3 Структура видеосигнала

Выбор негативного типа сигнала изображения обусловлен рядом причин:

• при увеличении сигнала, помехи проявляются в виде черных точек или полос, которые менее заметны на фоне изображения, чем яркие светлые полосы при позитивном типе сигнала;

• так как в изображении обычно преобладает белый цвет, то при использовании негативного типа сигнала средняя мощность телевизионного передатчика оказывается существенно ниже его максимальной мощности;

• при негативном типе сигнала проще осуществлять автоматические регулировки усиления (АРУ) и яркости (АРЯ).

Естественно, что амплитуда гасящих строчных и кадровых импульсовсоответствует уровню черного сигнала изображения. Это позволяет избежать засветки экрана обратным лучом. Длительность гасящих импульсов выбирается несколько большей времени обратного хода. Благодаря этому от зрителя скрываются светлые полосы и искажения на краях экрана, появление которых обусловлено переходными процессами при быстрых сменах направлений движения луча с прямого хода на обратный и наоборот.

Импульсы синхронизации, обеспечивающие работу строчных и кадровых развертывающих устройств телевизионного приемника, размещаются на вершинах гасящих импульсов и имеют прямоугольную форму. Амплитуда импульсов кадровой и строчной синхронизации одинакова и соответствует уровню «чернее черного»(рисунок 2.3).В основу селекции положено различие импульсов строчной и кадровой синхронизации по длительности.

Стандарт телевизионного вещания в России (ГОСТ 7845-72) определяет значения уровня вершин синхроимпульсов (уровень «чернее черного»), а также уровней «черного» и «белого» в процентном отношении от амплитуды полного телевизионного сигнала. При этом максимальное значение определено для уровня «чернее черного» 100 %, а уровни «черного» и «белого» составляют75 и 12,5 % соответственно.

2. Структура и спектр телевизионного сигнала при прогрессивной развертке

Наибольшее распространение получили линейно-растровые развертки: прогрессивная и чересстрочная.

Прогрессивной разверткойназывается развертка, при которой электронный луч телевизионной трубки прочерчивает последовательно одна под другой все строки телевизионного растра (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Телевизионный растр при прогрессивной развертке

В начальный момент времени развертки луч располагается в точке 1 растра. Двигаясь в прямом направлении слева направо с постоянной скоростью, луч к концу строки опускается на толщину строки. Так как толщина строки мала, то направление прямого хода луча воспринимается как горизонтальное. Далее луч совершает быстрое возвратное движение в точку 2 (при обратном ходе яркость луча равна нулю, а скорость существенно выше, чем в прямом направлении движения луча). Точка 2 сдвинута по вертикали относительно точки 1 также на толщину строки. Таким образом, двигаясь то в прямом, то в обратном направлении и опускаясь вниз от строки к строке, луч осуществляет развертку кадра изображения. После развертки всего кадра луч совершает возвратное движение в точку 1 (обратный ход по кадру), то есть из нижнего правого угла кадра в верхний левый угол. Затем описанный процесс циклически повторяется для следующих кадров.

Одновременное движение луча в горизонтальном и вертикальном направлении с постоянными скоростями обеспечивается подачей на отклоняющие системы устройств горизонтальной и вертикальной развертки преобразователя «сигнал-свет» на рисунке 2.4 двух синхронно связанных колебаний пилообразной формы и(рисунок 2.5). Каждый из периодов строчнойи кадровойразверток состоит из прямого хода относительно большой продолжительностиисоответственно и обратного хода сравнительно малой длительностии. Коэффициентыивыбираются равными 0,18 и 0,08 соответственно. В то же время величина, и в течение временисовершается порядка 50-ти периодов строчной развертки. В связи с этим возвращение луча после развертки кадра в точку 1 на рисунке 2.4 совершается по более сложной, чем линейная, зигзагообразной траектории.

Рисунок 2.5 Временные графики напряжения прогрессивной развертки и гасящих импульсов луча

Гасящие строчные и кадровые импульсы предназначены для того, чтобы луч во время обратного хода не прочерчивал мишень передающей трубки и не был виден на экране приемной трубки.С целью устранения нелинейных явлений на краях разверток длительности строчных и кадровых гасящих импульсов выбираются несколько больше, чем длительности обратных ходов. При этом передний фронт гасящего импульса начинается раньше, чем заканчивается развертка, а задний фронт гасящего импульса приходит позже, чем начинается новый период развертки.Это, в частности, обуславливает наличие темных полей по краям изображения на экранах мониторов и телевизоров.

Во время обратного хода луч прочерчивает на экране невидимые строки, которые называют пассивными. Остальные строки изображения являютсяактивными. Полное число строк в кадре составляет сумму активных и пассивных строк и называетсяноминальным.

Как указывалось выше, развертка изображений представляет собой периодический процесс, который в случае прогрессивной развертки характеризуется частотой смены кадров и частотой строк. Очевидно, что эти две частоты при заданном номинальном числе строкв изображении связаны между собой как

. (2.1)

Таким образом, выбор частоты определяется значением частоты.В свою очередь, частота смены кадров должна удовлетворять следующим трем условиям:

• наблюдаемое на экране движение должно выглядеть слитным;

• должны отсутствовать утомляющие зрителя мелькания изображений;

• частота смены кадров должна быть согласована с частотой питающего переменного напряжения.

Слитное восприятие движения достигается при условии, что смена кадров осуществляется с частотой кадров в секунду . Однако при этом были бы заметны мелькания изображения. Поэтому частота смены кадров должна превышать критическую частоту (см. лекцию 1). Современным кинескопам свойственна яркостькд/м². При этом критическая частота не превышает значения 46 Гц. Поэтому частота смены кадров может быть выбрана при прогрессивной развертке равной частоте питающего переменного напряжения. Так, в Российской Федерации и странах Европы частота кадров равнаГц, а в США, Канаде и Японии60 Гц.

Выбор частоты смены кадров во многом определил и выбор количества строк в кадре для различных стандартов телевидения в мире. Действительно, увеличение частоты при ограничениях на полосу пропускания канала связи заставляет снижать количество информации в кадре, а, следовательно, уменьшать количество пикселей в строке и самих строк. В связи с этим достоинством европейской системы телевидения является более высокая разрешающая способность изображения в кадре, а достоинством американскойболее высокая временная разрешающая способность.

Для известного значения в нашей стране частота строк в соответствии с (2.1) равнаГц.

Снимаемый с выхода передающей трубки сигнал является функцией времени. Мгновенные значения этой функции в интервалах прямого хода строчной развертки пропорциональны яркости передаваемых элементов изображения. Даже в том случае, когда передается неподвижное изображение неизменной освещенности, изменение яркости как вдоль одной строки, так и от строки к строке носит случайный характер. К тому же в телевидении, как правило, осуществляется передача динамично изменяющихся изображений. В связи с этимв общем случае сигнал изображения является апериодической функцией. Однако, если не рассматривать его структуру в интервале строк и учесть дискретность видеосигнала, обусловленную покадровой передачей и строчной разверткой с временными промежутками обратного хода, то рассматриваемый сигнал может быть представлен как периодическая функция с частотами повторения строк и кадров.Такая функция может быть представлена рядом Фурье, коэффициенты которого будут определять частотный спектр сигнала изображения.

В общем случае спектр сигнала изображенияна выходе телевизионной передающей трубки состоит из бесконечного числа составляющих. Амплитуды данных составляющих спектра соответствуют значениям коэффициентов разложения функциив ряд Фурье при гармониках, расположенных на частотах, где. Следовательно, сигнал изображения содержит гармоники нулевой частоты (при), гармоники кратные частоте строк (при), кратные частоте кадров (при) и составляющие комбинационных частот (прии). Структура спектра такого сигнала представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 Спектр частот телевизионного сигнала

По мере увеличения частоты амплитуды спектральных составляющих сигнала изображения постепенно уменьшаются, а, следовательно, уменьшается и переносимая ими доля энергии.Наибольшая доля ее переносится низкочастотными составляющими, которые несут информацию о яркости крупных деталей изображения.Искажение низкочастотных составляющих при передаче сигнала приводит к искажению изображения. В то же время роль высокочастотных составляющих также является заметной. Хотя доля переносимой высокочастотными составляющими энергии сигнала невелика, они определяют четкость изображения. Поэтому для того, чтобы выбрать требуемую полосу телевизионного сигнала необходимо знать допустимые значения нижней и верхней граничных частот, а также иметь представление о величине и влиянии постоянной составляющей на качество изображения.

Постоянная составляющая характеризует среднюю яркость передаваемого изображения и является действительно постоянной величиной только при передаче неподвижных изображений. При передаче изменяющихся изображений постоянная составляющая изменяется, но с очень низкой, не превышающей нескольких герц, частотой. Передать сигнал столь низкой частоты по каналу связи не представляется возможным. Поэтому в телевидении для передачи информации о средней яркости используют косвенный метод. Перед подачей сигнала изображения на приемную трубку постоянную составляющую сигнала восстанавливают и замешивают в сигнал изображения с помощью специальных схем фиксации уровня. В связи с этим нижняя частота спектра видеосигнала соответствует частоте смены кадров, то есть.

Верхняя частота видеосигнала соответствует передаче наиболее сложного изображения, содержащего максимальное количество мелких деталей различной яркости, которые еще можно воспроизвести на экране преобразователя «сигнал-свет». Таким изображением является черно-белое шахматное поле, размер стороны клетки которого равен толщине строки растра или диаметру сечения луча развертки. Сигналтакого изображения представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с периодом следованияи длительностью(такую форму сигнала, при которой период следования прямоугольных импульсов равен удвоенной длительности самого импульса называютмеандром). Длительностьсоответствует времени развертки одного элемента изображения или в данном случае времени развертки одной клетки шахматного поля.

Зная формат кадра , номинальное число строки стандартную частоту кадровГц, легко найти значение, а, следовательно, и. Действительно, общее количество клеток шахматного поля в одном кадре составляет

. (2.2)

При этом в 1 секунду будет развертываться шахматных клеток, а длительность развертки одной шахматной клетки составит. Отсюда следует, что верхняя граничная частота спектра видеосигнала определяется выражением

. (2.3)

Подстановка конкретных значений параметров в (2.3), показывает, что значение превышает 13 МГц. Выражение (2.3) представляет собой верхнюю оценку граничной частоты видеосигнала.Действительно, яркость электронного луча обладает определенной инерционностью, и при воспроизведении мелких чередующихся черных и белых деталей диапазон изменения яркости воспроизводимого изображения значительно меньше, чем у исходного. В результате происходит размытие резких границ (контуров) на изображении, уменьшение контраста в мелких деталях и даже ликвидация очень мелких деталей исходного изображения. Следовательно, нет смысла передавать малоразмерные детали изображения, которые не могут быть воспроизведены на экране телевизионной системы. Это позволяет снизить величину верхней граничной частоты, определяя ее по формуле

, (2.4)

где .

Выражение (2.4) получено для идеализированного случая развертки, когда времена обратного хода бесконечно малы. Для разверток с конечным временем обратного хода ипри условии одинаковых четкостей по горизонтали и вертикали верхняя частота видеосигнала определяется в соответствии с выражением

. (2.5)

Расчет величины приипоказывает, что с учетом инерционных свойств электронного луча и конечности времени обратного хода верхняя граничная частота снижается до 11,7 МГц (часто это значение округляют до 12 МГц).

Видеосигнал со столь широким спектром трудно передать в канале связи без искажений. Кроме того, с увеличением ширины спектра уменьшается число телевизионных программ, передаваемых в выделенном диапазоне частот. В связи с этим в существующем в настоящее время аналоговом телевидении прогрессивная развертка не нашла применения.

В то же время несомненным достоинством прогрессивной развертки является простота синхронизации. Цифровое телевидение, которое предполагает применение различных способов сжатия спектра видеосигнала, использует именно прогрессивную развертку.

2. Полный телевизионный сигнал при прогрессивной

развертке

Наиболее простым по форме является полный телевизионный сигнал при прогрессивной развертке (рисунок 2.7 ). Это обусловлено тем, что в интервале между двумя кадровыми синхроимпульсами всегда содержится постоянное и целое число активных и пассивных строк . В случае, когда число номинальных строк, а время передачи одного кадрамкс, период строчной развертки составляетмкс. При этом длительность обратного хода равнамкс. Длительности строчного гасящего импульсаи строчного синхроимпульсадолжны удовлетворять условию, поэтому для перечисленных параметров длительность строчного гасящего импульсаможет быть выбрана порядка 6 мкс, а строчного синхроимпульсане более 4,76 мкс.Длительность кадрового синхроимпульса обычно выбирают равной трем периодам строчной развертки (мкс). Время обратного хода кадровой развертки составляетмкс, что соответствует минимальной длительности гасящего кадрового импульса.Эта длительность соответствует 50-ти периодам строчной развертки.Во избежание нарушения строчной синхронизации генератор строчной синхронизации продолжает генерировать строчные синхроимпульсы даже в течение гасящего кадрового импульса.При этом на вершине кадрового гасящего импульса формируются строчные синхронизирующие «насадки», а в кадровом синхроимпульсе  строчные «врезки» (рисунок 2.7).Синхронизация генератора строк определяется передними фронтами строчных синхроимпульсов и задними фронтами врезок.

Полный телевизионный сигнал, полученный после детектирования и последующего усиления в телевизионном приемнике, поступает непосредственно на модулятор или катод кинескопа (для модуляции луча по яркости в соответствии с сигналом изображения и выключения его в момент действия гасящих импульсов), а также на вход амплитудного селектора (рисунок 2.8).

Амплитудный селектор выделяет из полного сигнала синхросмесь (рисунок 2.8), которая подводится к дифференцирующейи интегрирующейцепям. Дифференцирующая цепь с постоянной времени порядка 20% от длительности строчного синхроимпульса выделяет остроконечные импульсыположительной и отрицательной полярности (рисунок 2.9).

Рисунок 2.8 Селекция кадровых и строчных синхроимпульсов

Положительные импульсы следуют с постоянным периодом и служат для принудительного запуска генератора строчной развертки.Отрицательные импульсы не оказывают влияния на строчную развертку.Интегрирующая цепь служит для выделения кадровых синхроимпульсов. На ее выходе появляются экспоненциальные импульсы, имеющие различную амплитуду(рисунок 2.9). Импульсы малой амплитуды соответствуют результату интегрирования коротких строчных синхроимпульсов, а большой амплитудыпродолжительных кадровых синхроимпульсов.Генератор кадровой развертки срабатывает при достижении импульсами заданного уровня срабатывания.

Рисунок 2.9 Осцилограммы сигналов синхронизации при прогрессивной развертке