Учебное пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012.
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР) Кафедра телевидения и управления (ТУ) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ТУ, профессор _________________И.Н. Пустынский «______»___________________2012 г. ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ Учебное пособие РАЗРАБОТАЛ _________ Г.Д. Казанцев «______»_________2012 г. 2012 Казанцев Г.Д. Основы телевидения: Учебное пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 177 с. Изучаются основы черно-белого и цветного телевидения, принципы работы совместимых систем цветного телевидения, рассмотрены основные элементы и узлы телевизионных устройств различного назначения. В каждой главе приведены примеры практических расчетов и список контрольных вопросов для самопроверки. Данное учебное пособие написано в соответствии с ГОС 654200 – Радиотехника и 654400 – Телекоммуникации. © Казанцев Г.Д., 2012 © Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие.............................................................................................................. 5 1 Принципы черно-белого телевидения ........................................................... 6 1.1 Введение ................................................................................................... 6 1.2 Структурная схема системы черно-белого телевидения ..................... 7 1.3 Параметры ТВ изображения и их связь со свойствами зрения ........... 9 1.3.1 Кривая видности .............................................................................. 10 1.3.2 Контрастная чувствительность зрения .......................................... 12 1.3.3 Острота зрения ................................................................................. 14 1.3.4 Инерция зрения ................................................................................ 15 1.4 Информационная скорость источника ТВ сообщения....................... 17 1.5 Телевизионная развертка – основа современного телевидения........ 18 1.6 Структура и свойства видеосигнала .................................................... 21 1.7 Принцип работы системы вещательного телевидения ...................... 26 1.8 Телевизионный стандарт ....................................................................... 28 1.9 Упражнения ............................................................................................ 29 1.10 Вопросы для самопроверки .................................................................. 32 1.11 Где обо всем этом можно прочитать ................................................... 33 2 Принципы цветного телевидения ................................................................. 34 2.1 Формулировка проблемы цветного телевидения ............................... 34 2.2 Особенности цветовосприятия ............................................................. 36 2.3 Трехкомпонентная теория цветового зрения ...................................... 43 2.4 Законы и методы смешения цветов ..................................................... 45 2.5 Основы колориметрии ........................................................................... 45 2.6 Сигналы цветного телевидения ............................................................ 51 2.7 Колориметрическое согласование звеньев системы ЦТ .................... 55 2.8 Упражнения ............................................................................................ 59 2.9 Вопросы для самопроверки .................................................................. 61 2.10 Где обо всем этом можно прочитать ................................................... 62 3 Системы телевизионного вещания ............................................................... 63 3.1 Классификация телевизионных систем ............................................... 63 3.2 Телевизионное вещание ........................................................................ 63 3.3 Принципы построения совместимых систем ЦТ................................ 72 3.3.1 Принцип совместимости ................................................................. 72 3.3.2 Выбор сигналов передачи ............................................................... 73 3.3.3 Частотное уплотнение сигналов яркости и цветности ................ 74 3.3.4 Обобщенная структурная схема совместимой системы ЦТ ....... 78 3.4 Совместимые системы ЦТ с квадратурной модуляцией ................... 82 3.4.1 Колориметрическая система Y, R–Y, B–Y.................................... 82 3.4.2 Особенности квадратурной модуляции ......................................... 84 3.4.3 Система NTSC .................................................................................. 88 3.4.4 Система PAL..................................................................................... 91 3.5 Совместимая система цветного телевидения SECAM ....................... 97 3.6 Упражнения .......................................................................................... 101 3.7 Контрольные вопросы ......................................................................... 104 3.8 Где обо всем этом можно прочитать ................................................. 104 4 Элементы и узлы телевизионных устройств ............................................. 105 4.1 Оптический узел................................................................................... 105 4.2 Телевизионные преобразователи свет-сигнал (ПСС) ...................... 106 4.2.1 Краткий обзор ПСС ....................................................................... 106 4.2.2 Диссектор ........................................................................................ 107 4.2.3 Принцип накопления зарядов ....................................................... 110 4.2.4 Видикон .......................................................................................... 111 4.2.5 ПЗС-матрицы.................................................................................. 114 4.3 Специфические узлы телевизионного усилительного тракта ......... 118 4.3.1 Схема восстановления постоянной составляющей (ВПС) ........ 118 4.3.2 Предварительный видеоусилитель с противошумовой коррекцией ...................................................................................... 121 4.3.3 Двойная коррелированная выборка (ДКВ) ................................. 125 4.4 Особенности телевизионных разверток и их синхронизации ......... 128 4.4.1 Принцип магнитного отклонения ................................................ 128 4.4.2 Особенности кадровой развертки ................................................ 129 4.4.3 Особенности строчной развертки ................................................ 131 4.4.4 Синхронизация разверток ТВ приемника ................................... 136 4.4.5 Телевизионный синхрогенератор................................................. 138 4.5 Формирователи телевизионного изображения ................................. 140 4.5.1 Черно-белый кинескоп .................................................................. 140 4.5.2 Цветной кинескоп .......................................................................... 143 4.6 Упражнения .......................................................................................... 148 4.7 Вопросы для самопроверки ................................................................ 152 4.8 Где обо всем этом можно прочитать ................................................. 153 5 Избранные вопросы современного телевидения ...................................... 154 5.1 Магнитная видеозапись ....................................................................... 154 5.2 Принципы и системы цифрового телевидения (обзор) ................... 161 5.3 Измерения и контроль в телевидении ............................................... 163 5.3.1 Оперативный контроль ТВ тракта во время передачи .............. 163 5.3.2 Генератор цветных полос.............................................................. 166 5.4 Телевизионная автоматика (краткое знакомство) ............................ 169 5.5 Упражнения .......................................................................................... 173 5.6 Вопросы для самопроверки ................................................................ 176 5.7 Где обо всем этом можно прочитать ................................................. 176 Рекомендуемая литература ................................................................................. 177 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие написано на основе лекций, которые автор в течение ряда лет читает по дисциплинам: «Основы телевидения», «Телевидение и телевизионные устройства», «Проектирование телевизионных устройств». При написании учебного пособия использованы материалы, взятые из источников, которые приведены в списке рекомендуемой литературы. Упражнения и контрольные вопросы, приведенные в каждой главе, способствуют более глубокому усвоению теоретического материала. Пособие написано в соответствии с ГОС для направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникации», а также дает необходимый фундамент для дальнейшего более глубокого изучения телевидения студентами, обучающимся по специальностям 201500 – Бытовая радиоэлектронная аппаратура, 201400 – Аудиовизуальная техника и 230200 – Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Автор выражает искреннюю благодарность группе студентов ТУСУРа (в составе: Южаков М., гр.137, Семенов Е., гр.177, Куруц Е., гр.177, Матюша Д., гр.177, Махалесов Д., гр.137, Скоморохов М., гр.137), быстро и качественно осуществивших компьютерный набор рукописи. ПРИНЦИПЫ ЧЕРНО-БЕЛОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Введение Современная телевизионная (далее – ТВ) система состоит из трех узлов (рисунок 1.1), каждый из которых выполняет свою четко сформулированную задачу. Так, преобразователь свет-сигнал (это может быть, например, видеокамера) из поступающего на его вход оптического изображения формирует электрический сигнал, который принято в телевидении называть сигналом изображения или видеосигналом (ВС). Рисунок 1.1 – Структура ТВ системы Видеосигнал, в свою очередь, передается по каналу связи и затем в месте приема преобразуется в изображение на телевизионном экране. Наиболее часто в настоящее время в качестве преобразователя сигнал-свет используются приемные телевизионные трубки (кинескопы) – чернобелые и цветные, однако возможно применение и других приборов, например, жидкокристаллических экранов, проекционных кинескопов и т.д. Несмотря на простоту схемы рисунка 1.1, необходимо отметить, что ТВ устройства являются едва ли не самыми сложными из радиоэлектронных устройств. Это связанно с тем, что телевидение постоянно развивается и совершенствуется, вбирая в себя новейшие достижения науки и техники и стимулируя, в свою очередь, их развитие. Современный этап развития телевидения характеризуется интенсивным внедрением цифровых технологий обработки сигналов, использованием достижений твердотельной электроники (ПЗС – приборы с зарядовой связью, ПАВ – поверхностные акустические волны), созданием и развитием цифрового спутникового телевидения, разработкой и внедрением ТВ систем высокой четкости (ТВЧ). Любопытным в истории развития телевидения является тот факт, что основополагающие принципы телевидения были сформированы более века назад: в 1875 г. Дж. Керри (США) предложил ТВ систему с разбиением изображения на отдельные элементы (мозаичное изображение), а в 1880 г. П.И. Бахметьев (Россия) предложил информацию о каждом из элементов изображения извлекать, передавать по каналу связи и воспроизводить последовательно с помощью телевизионной развертки. За прошедший век в телевидении произошли существенные изменения, связанные с общим техническим процессом. На смену оптико-механическим ТВ системам невысокого качества пришли системы электронного телевидения. Черно-белое (монохромное) телевидение повсеместно вытеснено системами цветного ТВ вещания. Аналоговое телевидение постепенно превращается в цифровое. Не исключена возможность внедрения в обозримом будущем стереоскопического телевидения. Однако, несмотря на столь очевидный прогресс, телевидение развивалось и развивается в рамках направления, ограниченного вышеупомянутыми предложениями Дж. Керри и П.И. Бахметьева. И действительно, понятие элемента изображения (элемент разложения, пиксел) является фундаментальным в современном телевидении, а развертка – основным технологическим процессом при анализе и синтезе телевизионного изображения. Основные принципы современного телевидения были разработаны на начальном этапе его развития, в эпоху монохромного телевидения. Именно поэтому изучение основ телевидения целесообразно начать с раздела, посвященного черно-белому телевидению. Структурная схема системы черно-белого телевидения В черно-белом телевидении объектом передачи является информация о распределении яркости по полю изображения. Под яркостью L объекта, наблюдаемой вдоль некоторого направления, понимается величина, численно равная отношению силы света от объекта вдоль данного направления к площади проекции светящейся поверхности объекта на плоскость, перпендикулярную указанному направлению. Единицей измерения яркости является кандела на квадратный метр (кд/м2). При передаче плоского (т.е. не стереоскопического) динамического (изменяющегося во времени) черно-белого изображения входная информация в ТВ системе может быть представлена трехмерной функцией L(x,y,t), где x, y – координаты точки изображения, а t – текущее время. Преобразование свет-сигнал, осуществляемое в ТВ датчике, может быть записано в виде L(x,y,t) → f(t), (1.1) где f(t) – обозначение, введенное для видеосигнала. С учетом принятых обозначений структурная схема системы черно-белого телевидения принимает вид, показанный на рисунке 1.2. Рисунок 1.2– Структура системы ЧБ телевидения Для краткости будем называть выходное телевизионное изображение L'(x,y,t) изображением, а входную функцию L(x,y,t), описывающую распределение яркости в передаваемой сцене, оригиналом. Различия в обозначениях отражают тот факт, что телевизионное изображение отличается от оригинала. Отличия изображения от оригинала можно разбить на три группы. Первая группа отличий связана с искажениями, вносимыми в видеосигнал при его передаче по каналу связи. Действительно, видеосигнал f '(t) на выходе канала связи отличается от входного видеосигнала f(t) тем, что в него внесены линейные (частотные и фазовые) и нелинейные искажения, а также флуктуационные, импульсные и фоновые помехи. Так как изображение L'(x,y,t) появляется на экране кинескопа в результате преобразования f '(t) → L'(x,y,t), (1.2) обратного преобразованию (1.1), то искажения в видеосигнале приводят к изменению параметров изображения. К первой группе можно также отнести отличия, возникающие за счет искажений геометрии изображения изза нелинейности телевизионных разверток и их некачественной синхронизации. Особенностью рассматриваемой группы различий между изображением и оригиналом является принципиальная возможность их устранения путем совершенствования телевизионной аппаратуры. В качестве примера приведем цифровой телевизионный канал, в котором качество изображения при передаче сохраняется на прежнем уровне. Ко второй группе относятся весьма заметные различия между изображением и оригиналом, для которых, однако, существует всеобщее соглашение о том, чтобы считать эти отличия непринципиальными и не тратить силы и средства на их устранение. Отметим, прежде всего, принцип пропорционального воспроизведения яркости, который в отсутствие других отличий записывается как L'(x,y,t)= к0 L(x,y,t), (1.3) где к0 – коэффициент пропорциональности, в общем случае не равный единице. Физически точное воспроизведение яркости объекта на экране телевизора во многих случаях невозможно (например, яркость Солнца), но этого и не требуется по условиям художественной передачи. То же самое можно сказать и по поводу воспроизведения реальных размеров объектов на ТВ экране. Чаще всего это невозможно, да и размеры экрана у разных телевизоров различны, а для художественной передачи достаточно сохранить правильное соотношение между размерами объектов и их взаимное расположение. Третья группа отличий изображения от оригинала связана с тем, что математически точные преобразования вида (1.1) и (1.2) невозможны. Сущность проблемы телевидения как раз в том и состоит, чтобы, выполняя указанные преобразования в приближенном виде, обеспечить малозаметность возникающих при этом искажений изображения на ТВ экране. А это, в свою очередь, возможно путем оптимального учета свойств зрения при разработке принципа действия и определения параметров ТВ системы. Параметры ТВ изображения и их связь со свойствами зрения Если произвести измерения и сравнить энергетические и структурные характеристики светового поля оригинала и изображения, то окажется, что эти два объекта настолько не похожи друг на друга, насколько искусственный объект может отличаться от природного образования. Не вдаваясь в подробности, отметим, что такие понятия как кадр, строка, элемент изображения, привычные для современного телевидения, не имеют никакого отношения к оригиналу. Однако, несмотря на столь сильные отличия, оригинал и изображение имеют очень важное общее свойство: они производят на зрителя одинаковое (или достаточно близкое) зрительное впечатление. И здесь возникает два вопроса. Во-первых, зачем потребовалось так сильно искажать изображение по сравнению с оригиналом? И, во-вторых, каким образом удается обеспечить адекватное зрительное впечатление от оригинала и изображения при столь значительном различии их характеристик? Ответ на первый вопрос звучит так: современная наука и техника не знает других столь же простых и эффективных, как применяемые в телевидении, способов приближенного выполнения преобразований типа (1.1) и (1.2). Эти преобразования осуществляются с помощью телевизионных разверток, а возникающие при этом специфические искажения изображения по сравнению с оригиналом неизбежны. На второй вопрос коротко можно ответить следующим образом: в изображении должна быть сохранена в достаточном количестве полезная для зрителя информация; избыточная, т.е. не воспринимаемая зрителем информация должна быть по возможности из изображения удалена; и, наконец, искажения, неизбежно возникающие при преобразованиях с помощью телевизионных разверток, должны быть так «замаскированы», чтобы быть незаметными для зрения. Все эти проблемы могут быть решены единственно правильным путем, а именно, путем тщательного учета свойств зрения при проектировании ТВ системы. В этом отношении наиболее важно согласовать параметры изображения как конечного продукта ТВ системы со свойствами зрительного анализатора человека как потребителя телевизионной информации. Далее в данном разделе рассматривается вопрос о том, какие свойства зрения и каким образом учтены при определении параметров изображения. Кривая видности Зрительная система человека чувствительна к электромагнитному излучению в диапазоне длин волн λ от 380 до 780 нанометров (нм). Это видимый или световой диапазон (см. рисунок 1.3). В этом диапазоне чувствительность глаза не остается постоянной, а изменяется по колоколообразной кривой υ(λ), которая приведена на рисунке 1.4 и называется кривой видности. Рисунок 1.3 – Шкала электромагнитных волн Учет кривой видности υ(λ) при построении ТВ системы имеет существенное значение. Известна, например, формула для вычисления светового потока F (лм) сложного излучения 780 F 683 W(λ) υ()d , (1.4) 380 где W(λ) – спектральная плотность мощности, излучаемой источником (Вт/нм), а 683 – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность лм/Вт и численно равный абсолютной чувствительности глаза в максимуме кривой видности. Поскольку глаз реагирует на яркость L источника излучения, которая пропорциональна световому потоку F от него, выражение (1.4) можно рассматривать как вычисление реакции (отклика) зрения на яркость источника со сложным спектром излучения W(λ). Можно сказать и подругому: глаз является приемником яркостной информации и имеет спектральную характеристику чувствительности υ(λ). С другой стороны, общеизвестна формула для вычисления тока сигнала ic на выходе фотоэлектрического преобразователя (преобразователя свет-сигнал) при воздействии на его вход излучения со спектром W(λ): 780 iс W() ()d , (1.5) 380 где ε(λ)– спектральная характеристика чувствительности преобразователя. Из сравнения выражений (1.4) и (1.5) следует практический вывод: датчик сигнала (видеокамера) черно-белого телевидения должен иметь спектральную характеристику чувствительности ε(λ), совпадающую по форме, т.е. с точностью до постоянного множителя, с кривой видности υ(λ): () к 0 () , (1.6) где к0–коэффициент пропорциональности. Рисунок 1.4– Кривая видности для дневного зрения При несоблюдении условия (1.6) в ТВ изображении возникают искажения яркостной информации, нежелательные для систем визуального телевидения. Однако в некоторых случаях подобные искажения вводятся специально, например, при создании рентгенотелевизионных или тепловизионных систем путем сдвига спектральной характеристики чувствительности датчика соответственно в область рентгеновского или инфракрасного излучения. Контрастная чувствительность зрения Способность видеть – это, прежде всего, способность замечать различия в яркости объектов. Количественно различия в яркости отдельных участков ТВ изображения характеризуются контрастом K и относительным контрастом к1, причем L max , L min (1.7) L max L min L K 1 . L max L K (1.8) K к 1 Важным свойством зрения является то, что глаз реагирует не на абсолютное приращение яркости объекта ΔL, а на относительное, т.е. на относительный контраст к1. Характерный пример: звезды хорошо видны на ночном небе и практически незаметны днем, хотя яркость звезд не зависит от времени суток. Минимально различимый глазом относительный контраст объекта на некотором фоне называется пороговым контрастом к1пор. Величина к1пор характеризует контрастную чувствительность зрения и зависит от яркости фона и углового размера объекта, однако для крупных объектов в диапазоне яркостей, соответствующих телевизионному экрану (1÷300 кд/м2), ее можно считать постоянной и равной к1пор=0,02÷0,05 . Более точно определить (1.9) значение к1пор, чем это позволяет выражение (1.9), затруднительно, так как контрастная чувствительность зрения меняется от зрителя к зрителю и зависит от его возраста и физического состояния. Очевидная связь между параметрами ТВ системы и контрастной чувствительностью зрения отсутствует. Попробуем разобраться в этом вопросе сначала на качественном уровне. В аналоговой ТВ системе яркость любого участка изображения может принимать любое значение от Lmin до Lmax. Изображение, в котором, кроме крайних значений яркости Lmin и Lmax, передаются и воспроизводятся и промежуточные значения, называется полутоновым. Поскольку шкала значений яркости от Lmin до Lmax в аналоговой системе непрерывна, то число передаваемых полутонов бесконечно велико и, следовательно, не может быть выражено в цифровой форме. Из телевизионной практики известно, что изображение высокого качества можно получить, если вместо непрерывной использовать дискретную шкалу значений яркости, содержащую не менее m элементов, где m – максимальное число различаемых глазами градаций яркости при заданном контрасте изображения К. Число m можно найти из следующих соображений (см. рисунок 1.5). Рисунок 1.5 – К определению числа различаемых глазом градаций яркости m Чтобы искажения изображения были незаметны, необходимо каждое последующее значение дискретной шкалы выбирать в соответствии с контрастной чувствительностью зрения: L n L n 1 к1пор , откуда L n L n 1 1 . . Следовательно, 1 к Ln 1 пор 2 1 1 L 2 L min 1 к , L 3 L min 1 к и т.д. 1 пор 1 пор L m L max L min 1 1 к 1 пор m 1 , откуда следует m 1 ln К . ln(1 - к 1 пор ) Если учесть, что при к1 пор→0 ln(1-к1 пор)→ -к1 пор, окончательно имеем: m=1+ln К/к1 пор∙ (1.10) Обычно m>>1 и, следовательно, можно с успехом применять приближенную формулу m ln К/к1 пор. (1.11) Полученное выражение (1.11) позволяет определить число уровней квантования – операции, предшествующей цифровому кодированию сигнала яркости. Например, при K=100 и к1 пор=0,05 m=92; т.е. любое значение яркости может быть описано 7-разрядным двоичным кодом. Обычно в цифровом телевидении для описания сигнала яркости используют 7-разрядный (m=128) или 8разрядный (m=256) двоичный код. Смысл выражения (1.11) по отношению к аналоговому телевидению состоит в том, что с увеличением контраста изображения K увеличивается число различаемых глазом градаций яркости (полутонов) m, при этом наблюдается улучшение, по субъективным оценкам, качества ТВ изображения. Острота зрения Следующей характеристикой, влияющей на выбор параметров ТВ системы, является пространственная разрешающая способность или острота зрения, оцениваемая как величина, обратно пропорциональная минимальному углу 0, под которым две светящиеся точки воспринимаются глазом раздельно. Угол разрешения 0 зависит от многих факторов и составляет, по Угол разрешения 0 современным оценкам, от 0,75 до 1 (угловых минут). приблизительно равен угловому размеру объекта, который проецируется на глазное дно на площади, равной площади 1 светочувствительного рецептора. Таким образом, чтобы обеспечить незаметность мозаичной структуры ТВ изображения, необходимо уменьшать угловой размер элемента изображения до величины, не превышающей угол разрешения 0. При этом минимальное число N элементов (пикселов), на которые необходимо разбить изображение, не допуская заметности его дискретной структуры, можно вычислить по формуле N 3600 α 0 β 0 , δ 02 (1.12) где α0 и β0 – выраженные в градусах угловые размеры изображения соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскости. В выражении (1.12) принято, что разрешающая способность зрения в горизонтальной и вертикальной плоскости одинакова, т.е. δX = δY = δ0. Выражение (1.12) предполагает, что существует оптимальное расстояние r0 между зрителем и ТВ экраном, при котором глаз не замечает дискретную структуру изображения. В одном из упражнений будет показано, что r0 можно вычислить по формуле (для ТВ стандарта России) r0 =(6÷8)hp, (1.13) где hp – вертикальный размер изображения (высота растра). Следует отметить, что условие, накладываемое выражением (1.13), не всегда выполнимо. Например, установка телевизора с большим экраном в небольшом помещении нецелесообразна, так как не удается разместить зрителя на расстоянии r0, а применение уменьшительной оптики выглядит в данной ситуации комически. Выход очевиден необходимо изменить ТВ стандарт в направлении ТВЧ (телевидения высокой четкости). Увеличение числа строк разложения в 2 раза приводит к двукратному уменьшению r0. На основании сказанного можно предположить, что одним из побудительных мотивов развития систем ТВЧ является введение в широкую практику телевизоров с большим экраном. Инерция зрения Инерция зрения заключается в том, что процесс нарастания зрительного возбуждения при воздействии на глаз светового импульса L0 и процесс спадания ощущения яркости после окончания светового импульса L0 происходят не мгновенно, а в течение некоторого достаточно продолжительного времени. Время нарастания составляет примерно 0,1 сек. Спад кажущейся яркости L(t) происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = 0,1– 0,15 с: t t0 L( t t 0 ) L 0 еxp , τ (1.14) где t0 – момент окончания светового импульса L0. Инерция зрения позволяет серию импульсных вспышек экрана при определенных условиях воспринимать как слитное немелькающее изображение. Это поясняется рис. 1.6, из которого видно, что глаз оказывает на световые импульсы L0 интегрирующее воздействие, уменьшая пульсации кажущейся яркости до уровня ∆L< L0. Если величина ∆L/ Lmax>К0, где К0 – временный пороговый контраст, наблюдаются мелькания, сильно утомляющие глаз. Очевидно, что с увеличением частоты световых импульсов (засветок экрана) величина ∆L/ Lmax уменьшается и при некоторой частоте fкр, называемой критической частотой мельканий, мелькания экрана становятся незаметными. Рисунок 1.6 – Кажущаяся яркость L(t) импульсного источника света L0(t) Критическая частота мельканий fкр зависит от средней кажущейся яркости экрана Lср, скважности световых импульсов T/t0 (см. рисунок 1.6) и длительности послесвечения люминофора кинескопа. Для сульфидных люминофоров со средним послесвечением (порядка 5 мс) эмпирическая формула для расчета fкр имеет вид: fкр=9,6·lg Lср+26,8 , где Lср вычисляется в соответствии с законом Тальбота: (1.15) T 1 L ср L 0 ( t )dt . T 0 (1.16) Вычисленная по формуле (1.15) fкр для Lср=100 кд/м2 составляет 46 Гц. При создании ТВ системы необходимо выбирать частоту вертикальной развертки, совпадающую с частотой вспышек экрана, исходя из соотношения: fкр ≤ fп , (1.17) где fп – частота полей, которая всегда равна частоте вертикальной развертки. В России частота полей выбрана равной частоте сети переменного тока (50 Гц). По аналогичным соображениям в США fп=60 Гц. Стандарт США по этому параметру предпочтительнее, так как позволяет увеличить яркость экрана, сохранив или даже уменьшив (по сравнению со стандартом России) уровень заметности мельканий. Информационная скорость источника ТВ сообщения Из телевизионной практики известно, что изображение высокого качества обладает большой информационной емкостью. Искажения изображения, связанные с потерей информации, неизбежно приводят к снижению, по субъективным оценкам, качества изображения. Поэтому представляется целесообразным оценить минимальное количество информации, достаточное для получения изображения, визуально не отличающегося (или почти не отличающегося) от оригинала. Количество информации Iэ, содержащееся в 1 элементе изображения, измеряется в двоичных единицах (дв. ед.) или битах (бит), численно равно разрядности двоичного кода, описывающего цифровую яркость элемента, и вычисляется по формуле Iэ=log2m , (1.18) где m – число различаемых глазом градаций яркости, вычисляемое по формуле (1.11). Информационную емкость кадра Iк вычислим следующим образом: Iк=N·log2m , (1.19) где N – число элементов разложения, определяемое по формуле (1.12). Наконец, количество информации C, поступающее ежесекундно с ТВ экрана в направлении к зрителю (это и есть информационная скорость источника телевизионного сообщения, оцениваемая в дв. ед./с), можно рассчитать по формуле: С= fкр·N·log2m , (1.20) если предположить, что частота кадров fк для предотвращения заметности мельканий выбрана исходя из условия: fк ≥ fкр . (1.21) В развернутом виде с учетом выражений (1.11) и (1.12) формула (1.20) принимает вид: С f кр 1 3600 0 0 L max log ln 2 к 02 L min 1 пор . (1.22) Приняв α0=12º, β0=9º, δ0=1, к1пор=0,02÷0,05, К=Lmax/Lmin=10÷100, получим, что С изменяется в пределах С=(116÷156)·106 дв.ед./с. Примем в качестве оценки среднее значение: С=136·106 дв.ед./с. (1.23) Требуемая пропускная способность V телевизионного канала связи должна, очевидно, удовлетворять требованию: V≥C, (1.24) причем V вычисляется по формуле: V=∆f·log2(1+Рс/Рш), (1.25) где приняты обозначения: ∆f – полоса пропускания канала; Рс/Рш – отношение сигнал/шум по мощности. Требуемая полоса пропускания ∆f телевизионного канала связи может быть вычислена по формуле, вытекающей из (1.25) с учетом (1.24): f C P log 2 1 c Pш (1.26) . Из телевизионной практики известно, что изображение хорошего качества может быть получено, если Pc/Pш = 900…1600, что соответствует отношению сигнал/шум Ψ=Uc/ш по напряжению (обычно в телевидении для оценки шумовых характеристик канала используется ), находящемуся в интервале значений =30…40. (1.27) P Приняв для простоты расчета 1 c 1024, получим из (1.26) с учетом (1.23) Pш f 13,6 МГц. (1.28) Полученный результат примерно в 2 раза превышает полосу частот реально существующих телевизионных вещательных каналов, которая для разных стандартов изменяется в интервале от 6 до 8 МГц. Это связанно с тем, что в предыдущих расчетах не использован еще один достаточно мощный ресурс сокращения физиологической избыточности ТВ изображения, заключающийся в применении чересстрочной развертки. Телевизионная развертка – основа современного телевидения Принцип действия современной системы визуального использовании телевидения процесса основан на развертки, осуществляемого дважды – на передающей и приемной сторонах. В процессе развертки на передающей стороне формируется видеосигнал, при этом происходит пространственно-временная дискретизация, т.е. разложение изображения на кадры, строки и элементы. Исполнительным органом процесса дискретизации является разлагающая (развертывающая, анализирующая) апертура, в роли которой могут выступать (в различных устройствах) сфокусированный электронный луч, световое пятно, отверстие в непрозрачном экране, элемент матричной структуры. Оптимальный размер апертуры равен размеру элемента изображения. В процессе развертки разлагающая апертура перемещается по закону развертки относительно передаваемого изображения. Мгновенное значение видеосигнала, генерируемого в процессе разложения, пропорционально освещенности опрашиваемого элемента, т.е. того элемента, который совмещен в данный момент с разлагающей апертурой. Траектория движения разлагающей апертуры за время кадра называется растром. К структуре растра, определяемого законом развертки, предъявляются следующие требования: растр должен охватывать все элементы изображения; строки растра должны равномерно заполнять все поле изображения; процедура опроса любого элемента изображения должна быть одинаковой. В наибольшей степени указанным требованиям отвечают так называемые линейные растры, формируемые с помощью линейных разверток. В телевидении широкое распространение получили два типа линейных разверток – построчная и чересстрочная. На рисунке 1.7,а изображен для примера построчный растр с числом строк z = 5; штриховыми линиями показан обратный ход развертки. Рисунок 1.7 – Построчная развертка Здесь же приведены соответствующие k lp hp , данному растру законы строчной X(t) (рисунок 1.7,б) и кадровой Y(t) (рисунок 1.7,в) разверток. Из рисунка видно, что за время кадра Тк разлагающая апертура совершает пять (по числу строк z) полных циклов строчной развертки с периодом Tc. За счет кадровой развертки каждая последующая строка сдвигается по вертикали на величину – шаг разложения. После окончания текущего кадра начинается следующий, который в точности повторяет предыдущий (по форме растра). Следует отметить, что оптимальный размер разлагающей апертуры при построчной развертке в двух взаимно перпендикулярных направлениях (горизонтальном – по строке и вертикальном – по кадру) равен шагу разложения . Параметром изображения является также формат кадра k, определяемый по формуле (1.29) где lp- ширина растра; hp- высота растра. При использовании построчной развертки частота вспышек ТВ экрана равна частоте кадров, которая из условия незаметности мельканий должна выбираться в соответствии с выражением (1.21). Принцип формирования чересстрочной развертки поясняет рисунок 1.8,а – в для случая z = 5. Рисунок 1.8 – Чересстрочная развертка При чересстрочной развертке каждый кадр разбивается на два одинаковых по длительности поля (полукадра) с периодом Тп=Тк/2. Чересстрочный растр возможен при нечетном z, при этом строки четного поля (с номерами 2 и 4 на рисунке 1.8,а) располагаются в середине промежутков между соседними строками нечетного поля, образуя за два поля растр на z строк с результирующим шагом разложения , равным размеру апертуры. При четном z строки четного и нечетного полей совмещаются, в результате образуется построчный растр с числом строк разложения z/2. В вещательных системах телевидения используется исключительно чересстрочная развертка, так как она позволяет, не снижая качества изображения, уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту fв спектра видеосигнала. Структура и свойства видеосигнала Приближенную оценку для fв можно получить по формуле k z2 fк fв , 2 (1.30) где fк=1/Тк – частота кадров. Выражение (1.30) выведено в предположении, что для передачи информации о распределении освещенности на двух соседних элементах изображения, один из которых освещен, а другой затемнен, достаточно одного периода верхней граничной частоты fв спектра видеосигнала, причем положительная полуволна соответствует освещенному элементу, а отрицательная – затемненному. Такое предположение справедливо, т.к. из-за ограниченной разрешающей способности (остроты) зрения глаз не различает неравномерности распределения яркости внутри элемента изображения, если угловой размер элемента меньше 0. Недостаток формулы (1.30) состоит в том, что она не учитывает влияние конечного времени обратного хода строчной (tс) и кадровой (tк) разверток (как это не учтено и на рисунках 1.7 и 1.8). Уточненная формула для верхней граничной частоты имеет вид fв kz 2 1 fк , 2 1 (1.31) где β=tк/Tк – относительное время обратного хода кадровой развертки; α=tс/Tс – относительное время обратного хода строчной развертки. Выражения (1.30) и (1.31) справедливы для построчной и чересстрочной разверток. Двукратное сокращение полосы частот видеосигнала при переходе к чересстрочной развертке происходит за счет того, что сохранить незаметность мельканий ТВ экрана удается при двукратном уменьшении частоты кадров (мелькания экрана при чересстрочной развертке происходят с частотой полей fп=2fк). На рисунке 1.9 показана структура видеосигнала и его связь с геометрическими и яркостными характеристиками изображения. Из рисунка видно, что полное представление о структуре видеосигнала можно получить, рассматривая его в двух масштабах – в масштабе строки Tc и в масштабе кадра Tк=zTc. Из рисунка также видно, что видеосигнал состоит из двух компонент – информационного сигнала изображения (сигнала яркости) и служебных сигналов, к которым относятся строчные и кадровые гасящие и синхронизирующие импульсы. Рисунок 1.9 – К пояснению структуры видеосигнала Во время прямого хода кадровой развертки длительностью tпк=(1β)Тк формируются активные строки. Число активных строк в кадре zакт=(1-β)z. В каждой строке также можно выделить время прямого хода длительностью tпс=(1-α)Тс и время обратного хода tc=αТс. Во время прямого хода в активных строках формируется сигнал изображения, содержащий информацию о распределении освещенности (яркости) вдоль текущей строки. Во время обратного хода сточной развертки передаются служебные сигналы – строчный гасящий импульс (СГИ) длительностью tc и расположенный на его вершине строчный синхронизирующий импульс (ССИ) длительностью τc. Полярность видеосигнала принято считать положительной, если большим значениям яркости соответствуют большие значения сигнала, при этом гасящие и синхронизирующие импульсы отрицательны (см. рисунок 1.9). На рисунке 1.10 представлена близкая к реальной осциллограмма видеосигнала (отрицательной полярности) с указанием уровней и длительностей для ТВ стандарта России (ГОСТ 7845-92). Из рисунка видно, что сигнал изображения (яркости) и служебные сигналы разнесены не только во времени, но и по амплитуде (т.е. по динамическому диапазону). Действительно, сигнал изображения может принимать любые значения от уровня белого (0 %) до уровня черного (65–67%), а служебные сигналы расположены в диапазоне уровней от 70% (уровень гасящих импульсов) до 100% (уровень синхроимпульсов), причем синхроимпульсы располагаются на вершинах гасящих импульсов. Разделение сигналов изображения и служебных во времени и по динамическому диапазону позволяет надежно изолировать их друг от друга и избежать взаимных помех, а также обеспечить сравнительно простое выделение синхросигнала из видеосигнала. Рисунок 1.10 – Форма видеосигнала в масштабе строки Обращаясь вновь к рисунку 1.9, видим, что после окончания прямого хода по кадру формируется кадровый гасящий импульс (КГИ) длительностью tк, на вершине которого располагаются кадровый синхронизирующий импульс (КСИ) и ССИ, относящиеся к пассивным строкам кадра. Совмещенная последовательность строчных и кадровых синхроимпульсов называется синхросмесью (СС), которая передается в составе видеосигнала и предназначена для синхронизации блока разверток ТВ приемника. Для обеспечения устойчивости синхронизации принимаются специальные меры, приводящие к существенному усложнению синхросмеси в окрестности КСИ, причем наибольшее усложнение имеет место при чересстрочной развертке (см. рисунок 1.11). Усложнение состоит во введении уравнивающих импульсов и врезок в кадровом синхроимпульсе, идущих с двойной строчной частотой. В результате форма синхросмеси в окрестности КСИ оказывается совершенно одинаковой для четных и нечетных полей, хотя передний фронт КСИ в четных и нечетных полях сдвинут по отношению к ССИ на полстроки. Выделение КСИ из синхросмеси в ТВ приемнике осуществляется с помощью интегрирующей цепи, на выходе которой форма КСИ (см. рисунок 1.12) за счет уравнивающих импульсов не зависит от номера поля (полукадра), что приводит к высокому качеству чересстрочного разложения и обеспечивает максимальную четкость изображения по вертикали. Рисунок 1.11 – К пояснению структуры синхросмеси Рисунок 1.12 – Назначение уравнивающих импульсов Принцип работы системы вещательного телевидения Упрощенная функциональная схема системы вещательного телевидения приведена на рисунке 1.13. Передающая часть ТВ системы – телевизионный датчик (ТВД) является источником видеосигнала и содержит в своем составе оптическое устройство (О), фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), блок разверток (БР), видеоусилитель (ВУ) и синхрогенератор (СГ). Сформированный на выходе ТВД видеосигнал передается по каналу связи к месту приема. В простейшем случае каналом связи может служить отрезок телевизионного кабеля, однако чаще всего это сложные системы наземной телевизионной, радиорелейной или спутниковой связи. Рисунок 1.13 – Функциональная схема ТВ системы После передачи видеосигнала по каналу связи производится восстановление (синтез) ТВ изображения с помощью видеоконтрольного устройства (ВКУ). Синтез изображения как операция, обратная разложению, также связан с процессом развертки, которая производится синтезирующей апертурой в плоскости изображения. В качестве синтезирующей апертуры в ТВ приемниках в настоящее время наиболее широко используется подвижное световое пятно, возникающее в результате взаимодействия сфокусированного электронного луча высокой энергии с катодолюминофором, нанесенным на экран кинескопа – приемной телевизионной электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). При развертке световым пятном постоянной яркости на экране кинескопа высвечивается немодулированный растр, представляющий основу для формирования ТВ изображения. Модуляция растра и синтез изображения достигаются путем подачи видеосигнала на управляющий электрод (модулятор) кинескопа. Для получения высокого качества изображения на экране ВКУ необходимо обеспечить информационное и геометрическое подобие изображения и передаваемого оригинала. Первое достигается путем передачи по каналу связи достаточного количества информации об объекте. Для обеспечения геометрического подобия растры, формируемые в процессе развертки на приемной и передающей сторонах ТВ системы, должны быть одинаковы по структуре, что достигается путем синхронизации развертывающих устройств в ТВД и ВКУ от общего источника синхронизирующих импульсов – синхрогенератора. Созданная в синхрогенераторе синхросмесь замешивается в видеосигнал и передается в составе полного ТВ сигнала по каналу связи. Структура видеосигнала позволяет довольно просто, используя временную и амплитудную селекцию, выделить в ВКУ синхросмесь из видеосигнала, разделить синхросмесь на строчные и кадровые синхроимпульсы и использовать их для синхронизации разверток ТВ приемника. В таблице 1.1 приведены основные характеристики качества ТВ изображения. Таблица 1.1 Параметр ТВ изображения Максимальная яркость Lmax кд/м2 Контраст Формула для расчета Значение параметра для изображения высокого качества — 100 K = Lmax/Lmin 10 Коэффициент геометрических искажений, %: l max l min l max l min 5 h max h min h max h min 5 по горизонтали k Г 200 по вертикали k В 200 Четкость (в линиях), ЛИН: по горизонтали — 500 по вертикали — 550 Цветовая четкость, лин. — 100 Отношение сигнал/шум Ψ = U0/σш ≥ 45 Примечание. Оценка значений величин kГ и kВ производится по изображению шахматного поля с размером клетки l×h. Телевизионный стандарт Развитие телевидения, создание новых ТВ систем, разработка и изготовление многочисленными заводами разнообразной аппаратуры, пригодной к совместной работе, обмен телевизионными программами были бы невозможны, если бы не существовало некоего руководящего документа, в котором перечислены основные требования к ТВ аппаратуре, ее основные технические и эксплуатационные характеристики. Таким документом является телевизионный стандарт. В мире в настоящее время действуют 9 стандартов, краткие описания которых приведены в таблице 1.2. Таблица 1.2 Обозначение стандарта Число строк разложения Полоса частот радиоканала, МГц Полоса частот видеоканала, МГц Сдвиг несущей звука относительно несущей изображения, МГц Остаток нижней боковой полосы, МГц Полярность модуляции несущей изображения Вид модуляции несущей звука B/G 625 7/8 5 +5,5 0,75 Негат. ЧМ D/K 625 8 6 +6,5 0,75 Негат. ЧМ H I 625 625 8 8 5 5,5 +5,5 +6,0 1,25 1,25 Негат. Негат. ЧМ ЧМ L 625 8 6 +6,5 1,25 Позит. АМ M/N 525/ 625 6 4,2 +4,5 0,75 Негат. ЧМ В каких стра-нах ис-пользуется Евро-па, Афри-ка Вост. Европа, Азия Бельгия Англия Франция США, Япония В России действуют стандарты D/K. Подробные сведения о ТВ стандарте России изложены в документе ГОСТ 7845-92. В таблице 1.3 для этого стандарта приведены некоторые основные параметры растра и видеосигнала. Таблица 1.3 Параметр ТВ стандарта Число строк в кадре z Число активных строк в кадре zакт Формула для вычисления — — Значение параметра ГОСТ 7845 - 92 625 575 Таблица 1.3 (продолжение) Параметр ТВ стандарта Частота кадров fк, Гц Коэффициент чересстрочности m: при построчной развертке при чересстрочной развертке Частота полей, Гц Формат кадра Период кадра, мс Период поля, мс Длительность КСИ τк, мкс Длительность КГИ, мкс Относительная длительность обратного хода кадровой развертки, мс Длительность прямого хода кадровой развертки, мс Частота строк, Гц Период строки, мкс Длительность ССИ τс, мкс Длительность СГИ τс, мкс Относительная длительность обратного хода строчной развертки Длительность прямого хода строчной развертки, мкс Верхняя граничная частота спектра видеосигнала, МГц Длительность элемента разложения, мкс Число активных элементов в строке Число активных элементов в кадре Уровень белого, % Уровень черного, % Уровень синхроимпульсов, % Формула для вычисления — Значение параметра ГОСТ 7845 - 92 25 — — fп=mfк K=lp/hp Тк=1/fк Тп=Тк/m — tк=βTп 1 2 50 4/3 40 20 160 1600 β=tк/Tп 0,08 tпк=(1-β)Tп 18,4 fc=zfк Tc=1/fc — 15 625 64 4,7 tc=αTc 12 α=tc/Tc 0,1875 tпс=(1-α)Tс 52 kz 2 f K (1 ) fВ 2(1 ) 7,37 Τэ=1/(2fв) 0,068 nc=kzакт N=kz2акт — — — 767 440 833 0 70 100 Упражнения В данном разделе приведены несколько примеров, позволяющих лучше усвоить пройденный материал. 1.9.1 Известны максимальная Lmax=100 кд/м2 и минимальная Lmin=1 кд/м2 яркость ТВ изображения. Рассчитать, как изменится информационная емкость элемента изображения Iэ, если на ТВ экран попадает внешняя подсветка L0=10 кд/м2. Решение. Для вычисления IЭ используем выражение (1.18), где величину m вычислим по формуле (1.11): 1 L I Э log 2 ln max к 1 пор L min . Приняв к1пор=0,035, получим 100 1 I Э log 2 ln log 2 131,43 7 бит. 1 0,035 IЭ (при наличии внешней подсветки экрана) рассчитаем по формуле: 1 L L 0 IЭ log 2 ln max log 2 65,7 6 бит. к L L min 0 1 пор Таким образом, за счет внешней подсветки в 10 кд/м2 контраст изображения K уменьшается от 100 до 10, число различаемых глазом градаций m уменьшается от 131 до 66, а информационная емкость элемента уменьшается от 7 до 6 бит, т.е. в 1,17 раза. Практический вывод: для сохранения высокого качества изображения необходимо не допускать внешней подсветки ТВ экрана. 1.9.2 Доказать справедливость выражения (1.13). Решение. Обозначим размер элемента изображения δ. Оптимальное расстояние r0, как видно из рисунка, можно найти по формуле: r0 , tg 0 где угол разрешения δ0=(0,75 1). Известно, что вертикальный размер растра равен hp=δzакт, откуда δ=hp/zакт и, следовательно, для r0 получим: r0 hp z акт tg0 hp z акт 0 (рад) где δ0(рад) — угол разрешения, выраженный в радианах: 0 (рад) 0,75 1 . 60 57,3 , Окончательно получаем следующую формулу для r0: r0 h p 60 57,3 z АКТ (0,75 1) . Подставляя zакт=575 (стандарт России), получим результат, совпадающий с выражением (1.13): r0 (5,98 7,97)h p (6 8)h p . 1.9.3 Вычислить выраженные в градусах угловые размеры ТВ изображения при оптимальном расстоянии наблюдения (стандарт России). Решение. Вертикальный размер β0 находим по формуле 0 z АКТ 0 0,75 1 575 7,18 9,59. 60 60 Горизонтальный угловой размер α0 изображения находим по формуле, учитывающей формат кадра k: 0 kz АКТ 0 4 0,75 1 575 9,58 12,78. 60 3 60 Обычно при расчетах принимают угловые размеры ТВ изображения 12º9º. 1.9.4 Построить телевизионный растр по следующим данным: z=10, m=3 (коэффициент чересстрочности). Временем обратного хода разверток пренебречь. Решение. Согласно заданию, кадр нужно разбить на три поля одинаковой длительности. При этом законы строчной X(t) и кадровой Y(t) разверток будут иметь вид: Из графиков видно, что каждое поле содержит 3 1 3 строк, при этом за три цикла вертикальной развертки создается 10строчный растр следующего вида: Примечание: в ТВ вещании такой тип развертки не применяется из-за заметности стробоскопического эффекта «бежания» строк. 1.9.5 Вывести формулу (1.31). Решение. Формула fв=1/(2τэ) является исходной. Она показывает, что одним периодом верхней граничной частоты спектра видеосигнала мы можем передать информацию о яркости двух различных по яркости соседних элементов изображения. Поскольку более подробную информацию в телевидении передавать стандартом не предусмотрено, частота fв и называется граничной. Таким образом, необходимо найти τЭ — длительность элемента изображения. Сделаем это следующим образом: поделим время прямого хода строки на число элементов в строке: Э Т С (1 ) Т С (1 ) . k z АКТ k z(1 ) Подставим полученное выражение в исходную формулу и, с учетом Tc=Tк/z =1/(zfк), получим искомый результат: kz(1 ) kz 2 1 fВ fК . 2TC (1 ) 2 1 Вопросы для самопроверки 1. 2. 3. Перечислите основные составляющие процесса телевизионной передачи. Два основных принципа современного телевидения. Для чего нужна телевизионная развертка? 4. Как вы думаете, можно ли осуществить ТВ передачу без использования разверток? Если нельзя, то почему? 5. Что такое телевизионный стандарт? Попробуйте перечислить значения основных параметров ТВ стандарта в России. 6. Как связаны параметры ТВ стандарта со свойствами зрения? 7. Попробуйте своими словами дать определения следующим понятиям: развертка, растр, апертура, изображение, оригинал, видеосигнал, сигнал изображения, сигнал яркости. 8. Из каких составляющих формируется видеосигнал? Перечислите стандартные уровни в видеосигнале. Перечислите состав и назначение служебных сигналов. Форма видеосигнала. 9. Чем отличается построчная развертка от чересстрочной? Преимущества чересстрочной развертки. 10. Что такое элемент изображения? Как правильно определить число элементов изображения? 11. Как определить информационную емкость элемента, кадра, информационную скорость источника ТВ сигнала? 12. Какие требования предъявляются к пропускной способности ТВ канала связи? 13. Как определить полосу частот видеосигнала (верхнюю граничную частоту fв)? Попробуйте вывести самостоятельно формулу (1.30). 14. Функциональная схема ТВ системы. Перечислите функции, выполняемые каждым узлом. 15. Качество ТВ изображения. Как вы думаете, какие требования должны предъявляться к ТВ системе для того, чтобы обеспечить высокое качество ТВ изображения? Где обо всем этом можно прочитать Далее приводятся ссылки на источники, перечисленные в списке рекомендуемой литературы: [1], стр. 4-25; 28-36;41-56. [2], стр. 16-27; 44-48; 72-77. [3], стр. 8-21; 34-41; 49-60; 74; 77. [4], стр. 11-13; 36-47; 65-68; 71-73; 90-96. [5], стр. 12-24. [6], стр. 6-13. ПРИНЦИПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Формулировка проблемы цветного телевидения Известно, что излучение с равномерным спектральным составом W(λ) в видимом диапазоне волн, т.е. приблизительно от 400 до 700 нм, воспринимается зрителем как излучение белого цвета. Если же спектр излучения отличен от равномерного, то у зрителя возникает цветовое ощущение, причем характер этого ощущения зависит от формы спектра и может быть весьма разнообразным в соответствии с возможным разнообразием форм спектров. Уместно здесь вспомнить о том, что в радиотехнике существуют понятия «белого» и «окрашенного» шума, относящиеся соответственно к равномерному и неравномерному распределению спектральной плотности мощности флуктуационной помехи (шума) в диапазоне частот. Очевидно, что эти термины возникли на основе вышеуказанных сведений о первоначальной причине цветового ощущения – нарушении равномерности спектра излучения W(λ) в видимом диапазоне волн. Приступая к обсуждению возможных вариантов построения системы цветного телевидения, необходимо, прежде всего, рассмотреть проблему так называемого «физически точного» воспроизведения, что означает телевизионную передачу с точностью до спектра: WВЫХ () к 0 WВХ () , (2.1) где к0 – коэффициент пропорциональности. В соответствии с выражением (2.1) действуют такие оптические приборы, как бинокль, телескоп, микроскоп, кинопроектор, оптическое волокно; при этом отсутствует проблема точности цветопередачи при сохранении пропорционального воспроизведения яркости. Таким образом, теоретических ограничений на возможность построения системы цветного телевидения, работающей с точностью до спектра, не существует. Однако существуют практически непреодолимые технические трудности реализации такой системы, что связано с необходимостью, как минимум, двукратного преобразования носителя информации (см. рисунок 1.1): в видеокамере входное оптическое изображение преобразуется в электрический сигнал (видеосигнал), а в В черно-белом телевидении приемном устройстве с помощью кинескопа видеосигнал преобразуется в цветное изображение. По такой же схеме действует система черно-белого телевидения, но требования к сигналам и изображениям в этих двух системах принципиально различны. каждый отсчет видеосигнала является числом, пропорциональным яркости очередного элемента изображения, и вычисляется в соответствии с выражением (1.4). В ТВ системе, работающей с точностью до спектра, отсчет видеосигнала на каждом элементе вычисляется по формуле (2.1) и, следовательно, представляет собой функцию W(λ). Точное описание функции W(λ) одним числом невозможно. Возможно лишь приближенное описание аналоговой функции W(λ) дискретной функцией W(nΔ), где Δ – период дискретизации по аргументу λ. Таким образом, каждый отсчет функции W(λ) приближенно описывается совокупностью чисел, представляющих собой дискретную функцию W(nΔ): W ( ) [W (1); W ( 2); .....; W (i)], (2.2) где дискретные значения (1; 2; ....; i) аргумента функции W(λ) равномерно распределены на участке видимого диапазона волн от 400 до 700 нм. Так как отсчеты функции (2.2) следуют друг за другом с периодом τЭ (длительность элемента разложения), то полоса частот гипотетического видеосигнала, описывающего на каждом элементе изображения функцию W(λ), по крайней мере, в i раз больше fВ – верхней граничной частоты спектра видеосигнала. Если взять i=20, что соответствует примерно не более чем 5%-ной точности описания функции W(λ), то требуемая полоса частот для передачи видеоинформации с точностью до спектра для разных стандартов (см. таблицу 1.2) составит от 84 до 120 МГц. Сказанного достаточно, чтобы отказаться от создания системы ЦТ, работающей по принципу физически точного воспроизведения. Слишком велика требуемая пропускная способность канала связи. Непонятно также, как сохранить высокую чувствительность ТВ датчика. И совсем непонятно, как должен быть устроен кинескоп, обеспечивающий восстановление цветного изображения с точностью до спектра. Проанализируем причину полученного нами отрицательного результата. Может быть, неверен принцип физически точного воспроизведения? Оказывается, нет, принцип верен и на его основе прекрасно работают оптические приборы. Однако попытка применить этот принцип при создании системы цветного телевидения потерпела неудачу из-за возникающих технических трудностей. Следовательно, наша ошибка заключается в самом использовании принципа физически точного воспроизведения. Действительно, при выборе критерия точности мы использовали единственный аргумент: характер цветового ощущения зависит от формы спектра излучения W(λ). И это совершенно верно. Но далее последовало неверное продолжение: для того, чтобы воспроизвести зрительное впечатление на приемной стороне системы цветного телевидения, необходимо с точностью до постоянного множителя восстановить спектр излучения к0W(λ), т.е. обеспечить физически точное воспроизведение. Правильнее было бы сказать не «необходимо», а «можно». Потому что если можно так, то можно и по-другому, а значит, принцип физически точного воспроизведения необязателен; возможен и другой критерий. Но об этом в следующем разделе. Особенности цветовосприятия При создании любой системы передачи информации предварительно изучаются свойства получателя информации с целью оптимизации процессов выделения и передачи полезной для абонента информации и подавления избыточной информации. Именно так производился выбор параметров ТВ стандарта системы черно-белого телевидения. А нарушение этого принципа привело в разделе 2.1 к неприемлемым для практического использования результатам. Познакомимся подробнее с особенностями цветового зрения. Начнем с того, что спектр W(λ) – исчерпывающая характеристика излучения, полностью определяющая зрительный эффект от этого излучения. Но для зрителя важен не сам спектр W(λ) излучения, а фиксируемый в мозгу зрительный эффект от него. При этом наиболее важным для цветного телевидения феноменом зрения является то, что один и тот же зрительный эффект может быть получен при наблюдении излучений с совершенно различным спектральным составом. Приведем ряд примеров. Равноэнергетический белый цвет может быть заменен взвешенной суммой трех (а в некоторых случаях двух) спектрально чистых (т.е. монохроматических) излучений. Любое сложное излучение с любым цветовым оттенком (цветовым тоном), кроме пурпурных, может быть заменено взвешенной суммой спектрально чистого излучения с тем же цветовым тоном и излучения белого цвета. Из приведенных примеров следует, что при воспроизведении цветного изображения не обязательно точно повторять спектральный состав излучения объекта; можно предъявить зрителю изображение с совершенно другим спектральным составом излучения, но эта замена должна быть такой, чтобы зрительный эффект от изображения не изменился по сравнению с оригиналом. Кроме того, при замене в максимальной степени должна быть упрощена техническая реализация системы цветного телевидения. Критерий точности цветовоспроизведения, согласно которому изображение и оригинал соответствуют друг другу по производимому зрительному эффекту, называется физиологически точным воспроизведением. Отказываясь от критерия (2.1), необходимо выбрать систему величин, которые характеризуют зрительный эффект от излучения с известным спектральным составом W(λ) и с помощью которых можно контролировать точность воспроизведения цвета. Система трех величин, полностью описывающих визуальный (зрительный) эффект от воздействия излучения с любым спектральным составом W(λ), приведена в таблице 2.1. Таблица 2.1 Характеристики зрительного впечатления от излучения W(λ) К С о о л о и т ч в е е с т т с в т е в н у н ю ы щ е и е х а р а к т е р и с т и к и и м к а ч е с т в е н н ы е х а р а к т е р и с т и к и Я р к о с т ь L ( к д / м 2 ) и л С в е т л о т а и с в е т о в о й п о т о к F ( л м ) , и л и о с в е щ е н н о с т ь E ( л к ) Д о м и Ц в е т н и р у ю щ а я о в о й д л и н а ( г о л у б о й , ж е л т ы й , к р а с н ы й в о л н ы λ ( н м ) ( и л и д о м и н а н т а ) Ч и с т о т а ц в т о н и т . д . ) Н а с ы щ е н н о с е т а р = 0 ÷ 1 ( п р и р = 0 – б е л ы й ц в е т ; п р и р = 1 – с т ь п е к т р а л ь н о ч и с т ы й ц в е т ) Физиологически точное воспроизведение будет обеспечено, если цветовые параметры оригинала на входе системы цветного телевидения и изображения на ее выходе находятся в соотношении L вых к 0 L вx ; вых вх ; р вых р вх . (2.3) Выражения (2.3) должны соблюдаться в каждой точке (элементе) изображения. Первое из равенств (2.3) совпадает с выражением (1.3) и соответствует принципу пропорционального воспроизведения яркости. Величины λ и р, характеризующие цветность излучения, должны, как следует из выражения (2.3), воспроизводиться на выходе системы цветного телевидения без искажений по отношению к оригиналу. Переход к физиологически точному воспроизведению приводит к существенному упрощению технической реализации системы цветного телевидения по сравнению с физически точным воспроизведением: в связи с трехмерностью цвета ТВ датчик должен обеспечить формирование всего трех сигналов, один из которых совпадает с сигналом черно-белого телевидения, а два других, в соответствии с выражением (2.3), содержат информацию о параметрах цветности (λ, р) и называются поэтому сигналами цветности. Трехкомпонентная теория цветового зрения Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения, сформулированной в 1756 г. М.В. Ломоносовым, аппарат дневного зрения содержит три вида рецепторов (колбочек), обладающих чувствительностью в различных областях видимого спектра (рисунок 2.1). Один из них r0(λ) – создает ощущение насыщенного красного цвета, другой g0(λ) – зеленого и третий b0(λ) – синего цвета. Рисунок 2.1 – Кривые основных возбуждений (ощущений) Графики сняты экспериментально, площади под этими кривыми одинаковы; графики показывают, в какой мере возбуждается каждый из видов рецепторов при воздействии на глаз монохроматического излучения. Анализ кривых r0(λ), g0(λ), b0(λ) позволяет не только удовлетворительно объяснить большинство из известных свойств цветового зрения, но также наметить пути целенаправленного управления процессом формирования ощущения заданного цвета: при возбуждении глаза равноэнергетическим [W() W0 const ] белым цветом все три вида рецепторов возбуждаются в равной мере, так как r0 700 W 0 400 r0 () d g0 700 W 0 400 g 0 () d b0 700 W 0 b 0 () d , 400 в результате чего возникает ощущение белого цвета; при нарушении равенства интенсивностей возбуждения трех видов рецепторов r0 g0 b0 (2.4) возникает впечатление цветности; таким образом, глаз воспринимает яркость излучения путем суммирования ощущений ( r0 g0 b0 ), получаемых всеми тремя видами рецепторов, а цветность воспринимается как отношение этих ощущений; для получения ощущения белого цвета не обязательно воздействовать на глаз равноэнергетическим белым светом, достаточно подобрать такой спектр излучения, при котором обеспечивается равенство (2.4) интенсивностей возбуждения трех видов рецепторов; ощущение цвета, в конечном счете, определяется соотношением между возбуждением разного вида рецепторов. А одно и тоже соотношение можно обеспечить при различных спектрах излучения; таким образом, формирование ощущения цвета – это управление интенсивностью возбуждения каждого вида рецепторов в отдельности. Графики рисунка 2.1 позволяют найти и объяснить механизм раздельного управления интенсивностью возбуждения рецепторов трех видов. Остановимся на этом вопросе более подробно. Механизм раздельного управления возбуждением рецепторов разного вида заключается в следующем. Если подать на вход зрительного анализатора, например, монохроматическое излучение, с длиной волны =675 нм, то будет сформировано ощущение насыщенного красного цвета, так как на данной длине волны (см. рисунок 2.1) чувствительность рецепторов r0(λ) и b0(λ) близка к нулю. Излучение, стимулирующее ощущение красного цвета, принято обозначать буквой R. Аналогичным образом могут быть выбраны излучения G и B, избирательно стимулирующие соответственно ощущения насыщенных зеленого и синего цветов, например: G – монохроматическое излучение с длиной волны =525 нм, и B – монохроматическое излучение с длиной волны =450 нм (см. рисунок 2.1). Цвета RGB принято называть основными (или первичными) цветами. Требования, предъявляемые к основным цветам, состоят в следующем: основные цвета RGB могут быть монохроматическими или иметь сложный, но достаточно узкополосный спектр; основные цвета RGB должны быть взаимонезависимыми, т.е. любой из них не может быть получен путем смешивания двух других; выбор доминирующей длины волны для каждого из основных цветов RGB в некоторой (ограниченной) степени произволен, однако соблюдается правило: чем дальше друг от друга цвета RGB отстоят на шкале длин волн , тем большая палитра цветов может быть получена путем смешения цветов RGB. Законы и методы смешения цветов Основные цвета RGB предназначены для того, чтобы, смешивая их в различных пропорциях, получить новый цвет, который вызывает у зрителя заданное цветовое ощущение (по яркости и цветности). Смешивать цвета RGB друг с другом можно с помощью различных технических приемов: метод наложения (проекция трех излучений на общий экран); пространственное смешение (используется, например, в цветных кинескопах); бинокулярное смешение (раздельное возбуждение смешиваемыми цветами левого и правого глаза). Во всех трех случаях смешиваемые цвета RGB могут предъявляться зрителю либо одновременно, либо последовательно. Несколько в стороне стоит, но иногда используется еще один метод формирования цвета – субтрактивный, когда новый цвет получают путем удаления с помощью фильтра из сложного цвета части спектра. При смешивании цветов RGB действуют законы смешения цветов, которые приводятся ниже: мощность смеси равна сумме мощностей смешиваемых цветов; цвет можно не только получить путем смешения трех компонент, но и разложить на те же компоненты; цвета RGB должны быть взаимонезависимы; для любого цвета есть дополнительный, в смеси с которым может быть получен белый цвет; если смешиваемые цвета лежат (на оси ) ближе, чем дополнительные, то цвет смеси лежит между смешиваемыми цветами; цвет смеси зависит от цветов, а не от спектрального состава смешиваемых компонент; путем смешения реальных цветов нельзя получить спектрально чистые цвета (т.е. с р=1). Основы колориметрии Наука, занимающаяся измерением, анализом и синтезом цветов, называется колориметрией. Она представляет собой совокупность математических зависимостей, которые устанавливаются между цветами путем использования некоторых трех цветов (например, RGB) в качестве основных. Колориметрические зависимости позволяют производить расчеты по сложению и разложению цветов, а также изображать цвета на плоскости и в пространстве. Логическим основанием колориметрии является трехкомпонентная теория цветового зрения, базирующаяся, в свою очередь, на экспериментальных данных (рисунок 2.1) об усредненных характеристиках чувствительности трех видов цветоанализаторов (рецепторов) глаза. Задачи, решаемые колориметрией, в основном сводятся к следующему: по спектру излучения W() определить цвет излучения (триаду величин L,,p или других линейно связанных с ними величин); определить, в какой пропорции необходимо смешать основные цвета (например, RGB), чтобы получить требуемый цвет; определить требования к системе цветного телевидения, обеспечивающие физиологически точное воспроизведение цветного изображения. Расчет цветовых параметров излучения возможен на основе колориметрических соотношений, которые позволяют определить цвет или цветность этого излучения. Любой цвет в колориметрии определяется геометрическим положением соответствующей точки в трехмерном цветовом пространстве. Координаты этой точки, отсчитываемые вдоль осей основных цветов, называются модулями. Существует множество колориметрических систем измерения цвета, из которых наиболее широко (в телевидении) используются две: система XYZ, построенная на фиктивных основных цветах, и система RGB, в которой в качестве основных цветов выбран красный R, зеленый G и синий B цвета свечения люминофоров, используемых в кинескопах для цветного телевидения. Модули цвета в колориметрической системе RGB обозначаются r', g', b'; они показывают, в каких количествах необходимо смешать основные цвета RGB, чтобы получить заданный цвет М с заданным модулем m'. Математически это записывается с помощью колориметрического уравнения m'M=r'R+g'G+b'B, (2.5) m' = r' + g' + b'. (2.6) для которого выполняется условие Аналогичным образом записывается колориметрическое уравнение в системе XYZ: f Ф x X y Y z Z ; f x y z . (2.7) Для вычисления модулей (координат) цвета излучения с известным распределением спектральной плотности мощности W( ) в колориметрической системе XYZ используются следующие выражения: x W () x () d; y W () y() d; z W () z () d, (2.8) где x ( ), y( ), z ( ) – графики удельных координат спектрально чистых цветов в системе XYZ, иногда называемые кривыми смешения. Эти графики приведены на рисунке 2.2. Интегрирование выражений (2.8) производится в видимом диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Отметим одну важную особенность колориметрической системы XYZ: график y() совпадает с кривой видности глаза, т.е. y( ) ( ) . (2.9) Это приводит к тому, что в координате y' сосредоточена вся количественная (яркостная) информация о цвете. В частности, световой поток излучения W(λ) может быть вычислен по формуле: F A y (лм), (2.10) где уже упоминавшийся ранее коэффициент пропорциональности А = 683 лм/Вт. (2.11) Рисунок 2.2 — Кривые смешения системы XYZ Сравнение выражений (2.8)÷(2.10) и (1.4)÷(1.6) позволяет сделать вывод о том, что выражения (2.8) могут быть использованы не только для теоретических цветовых расчетов, но фактически определяют механизм формирования выходных сигналов цветной видеокамеры. Для определения координат цвета в системе RGB, если известны его координаты в системе XYZ, следует использовать матричное уравнение вида r x 6,05 1,68 0,91 g A y , где A 3,11 6,32 0,01 . b z 0,18 0,37 2,84 (2.12) При обратном переходе от системы RGB к системе XYZ расчет производится в соответствии с матричным выражением x y A 1 z r g , b (2.13) причем матрица А–1 обратна матрице A и имеет вид 0,61 0,17 A 1 0,3 0 0,2 0,59 0,11 . 0,07 1,11 (2.14) Цветовые модули x', y', z' или r', g', b' являются исчерпывающей характеристикой цвета, включая его энергетическую (яркостную) составляющую и, следовательно, полностью могут заменить описание цвета триадой величин L, λ, p, практическое использование которой связано с некоторыми неудобствами. Часто при колориметрических расчетах бывает удобно перейти от трехмерного цветового пространства к двумерному пространству цветностей. Для этого колориметрическое уравнение (2.5) достаточно преобразовать к виду M=rR+gG+bB, (2.15) где r ; m g g ; m b b . m r (2.16) Из выражений (2.6) и (2.16) следует, что r+g+b=1. (2.17) Цвет М называется единичным цветом, а его координаты r, g, b – трехцветными коэффициентами. Отметим, кстати, что основные цвета RGB также являются единичными цветами. Для всех единичных цветов колориметрической системы RGB справедливо выражение (2.17), которое фактически является уравнением плоскости единичных цветов, принадлежащей системе RGB. Аналогично в системе XYZ колориметрическое уравнение для единичных цветов принимает вид Ф=xX+yY+zZ , а для плоскости единичных цветов системы XYZ имеем (2.18) x+y+z=1. (2.19) Положение точки в плоскости единичных цветов характеризует цветность излучения, которая является величиной двумерной. Следовательно, для количественного описания цветности достаточно знать два трехцветных коэффициента, например, x и y, а z найти из выражения (2.19) по формуле z =1– (x+y) . Цветовой график колориметрической системы XYZ изображен на рисунке 2.3. Он представляет проекцию плоскости единичных цветов (2.19) с изображенной на ней фигурой реальных цветов на плоскость XOY. Фигура реальных цветов ограничена дугообразной линией, на которой расположены единичные цвета монохроматических излучений с длинами волн от 380 до 780 нм, и линией пурпурных цветов, соединяющей концы дуги. На цветовом графике показан также треугольник основных цветов RGB (Европейский стандарт EC) и линия черного тела, соединяющая точки цветностей идеальных излучателей с различными цветовыми температурами. Рисунок 2.3 – Цветовой график XYZ Для того чтобы не перегружать рисунок 2.3, на цветовом графике не отмечены точки E и С. Первая из них соответствует равноэнергетическому источнику белого цвета E, который принят в качестве опорного (равносигнального) цвета колориметрической системы XYZ: 1 1 1 E X Y Z. 3 3 3 (2.20) В колориметрической системе RGB в качестве опорного (равносигнального) белого цвета для простоты выберем цвет стандартного источника света типа C, имеющего цветовую температуру 6500 К. Колориметрическое уравнение для единичного цвета C в системе XYZ имеет следующий вид: С=0,31X+0,316Y+0,374Z . (2.21) Более подробно вопрос об опорных цветах будет рассмотрен в дальнейшем, а сейчас перейдем к обсуждению свойств цветового графика: цвета, расположенные внутри треугольника RGB, воспроизводятся на телевизионном экране, так как для этих цветов выполняется условие r≥0; g≥0; b≥0, (2.22) т.е. они могут быть получены путем смешения в положительных количествах основных цветов RGB; цвета, расположенные за пределами треугольника RGB, но внутри фигуры реальных цветов, не могут быть воспроизведены на ТВ экране, так как не выполняется условие (2.22), но могут быть получены другими техническими средствами, например, с помощью лазера; цвета, расположенные за пределами фигуры реальных цветов, не могут быть воспроизведены никакими техническими средствами и поэтому называются фиктивными. Таковы, например, цвета XYZ; если провести прямую линию через две точки, например, R и G, то внутри отрезка RG любой цвет может быть получен путем смешения цветов R и G в положительных количествах, а за его пределами один компонент смеси должен иметь отрицательную яркость; если соединить точку белого цвета (например, Е) с точкой, лежащей на дугообразной кривой (локусе) спектрально чистых цветов (например, λ=500 нм), то любой цвет, отображенный на этом отрезке, представляет из себя взвешенную сумму монохроматического излучения с λ=500 нм и белого цвета E, причем чистота цвета р изменяется от 0 (в точке Е) до 1 (на локусе); при этом все указанные цвета имеют одинаковую доминанту λ=500 нм; если провести прямую линию через точку, соответствующую белому цвету (например, С), то все цвета, расположенные на этой прямой по одну сторону от точки C, являются дополнительными для любого цвета, расположенного на прямой по другую сторону от точки С. В заключение раздела 2.5 сформулируем на языке колориметрии условие физиологически точного воспроизведения. В системе XYZ это условие можно записать, например, следующим образом: x вых x вх yвых к 0 yвх , z вых z вх (2.23) или по-другому yвых к 0 yвх ; x вых x вх ; . z вых z вх . (2.24) В колориметрической системе RGB аналогичные выражения принимают вид rвых gвых к 0 bвых rвх gвх ; bвх к 0 rвх ; rвых g вых g вх ; . b вых b вх . (2.25) (2.26) Выполнение любого из приведенных условий (2.23) ÷ (2.26) соответствует получению одинакового результата, а именно пропорциональному воспроизведению яркости и точному воспроизведению цветности. Сигналы цветного телевидения Сигналы цветного телевидения предназначены для передачи информации о цветном телевизионном изображении. Поскольку цвет является трехмерной величиной, должна существовать триада сигналов, содержащих полную информацию о цветном изображении. Если цвет изображения описывается координатами точки в цветовом пространстве XYZ, т.е. цветовыми модулями x', y', z', то естественным выглядит введение в обиход сигналов UX, UY, UZ, сформированных в соответствии с выражением U X к 0 x ; U Y к 0 y; U Z к 0 z . (2.27) Один из этих сигналов — сигнал яркости UY — нам уже знаком из первой части данного учебного пособия. Это самый обыкновенный сигнал черно-белого телевидения. Способ получения этого сигнала, его форма, свойства и основные параметры нам уже известны, а в дальнейшем мы увидим, что, как это ни парадоксально, сигнал яркости UY является основным сигналом цветного телевидения. Какая же информация передается тогда сигналами UX и UZ? Если вспомнить, что в колориметрической системе XYZ вся яркостная информация содержится в координате у', приходим к выводу о том, то в сигналах UX и UZ содержится только информация о цветности изображения. Триада сигналов (2.27) не является единственно возможной, скорее она является одной из многих возможных сигнальных систем, полностью и колориметрически (или физиологически) точно описывающих цветное изображение. Практическое применение в современном цветном телевидении получили несколько триад сигналов, краткая характеристика которых приводится ниже. Триада сигналов, описывающих цветное изображение в рамках колориметрической системы RGB, имеет вид U R к 0 r ; U G к 0 g ; U B к 0 b. (2.28) Сравнивая между собой сигналы (2.27) и (2.28), прежде всего отметим, что хотя обе триады сигналов описывают одну и ту же картину, сигналы одной триады по своим свойствам существенно отличаются от сигналов другой триады, в результате чего существует специфика применения каждой из них. Например, сигналы (2.27) нельзя непосредственно использовать для управления цветным кинескопом, а сигналы (2.28) не могут быть непосредственно получены с колориметрической точностью в датчике сигналов цветного телевидения. Переход от сигналов (2.27) к (2.28) и обратно осуществляется с помощью матричных выражений (2.12) и (2.13), в которых вместо цветовых координат (модулей) необходимо подставлять пропорциональные им сигналы. Раскроем одно из этих выражений [средний элемент матрицы-столбца (2.13)]: UY=0,3·UR+0,59·UG+0,11·UB. (2.29) Полученное выражение является одним из важнейших, если не самым важным, уравнением цветного телевидения, связывающим между собой сигналы цветоделенных изображений UR, UG и UB с сигналом яркости UY. Схема, которая позволяет производить преобразование (2.29) в реальном масштабе времени, очень проста, имеет вид, показанный на рисунке 2.4, и называется резисторной матрицей или просто матрицей. Резисторы R1,…,R4 должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить на выходе матрицы взвешенную сумму входных сигналов с весовыми коэффициентами 0,3; 0,59; 0,11. Рисунок 2.4 – Схема резисторной матрицы Аналогично выглядят матрицы для получения сигналов UX и UZ. На структурных (функциональных) схемах матрицы взаимного преобразования сигнальных триад (2.27) и (2.28) принято изображать следующим образом (рисунок 2.5): Рисунок 2.5 – Матричные преобразования сигналов цветного телевидения Из рисунка 2.5 и соответствующих формул видно, что триада выходных сигналов матричной схемы представляет собой взвешенную сумму триады входных сигналов, причем весовые коэффициенты определяются элементами квадратной матрицы A или A–1. Поскольку элементы матрицы A могут быть отрицательными и могут превышать по модулю 1, схема, изображенная на рисунке 2.5,б, сложнее, чем 2.5,а, так как содержит в своем составе усилители и инверторы. Сигналы (2.27) и (2.28) обладают общим недостатком: они не приспособлены для передачи по экономичному каналу связи, правда, по разным причинам. При использовании для этой цели сигналов (2.27) не соблюдается так называемый принцип постоянной яркости, согласно которому помехи канала цветности не должны попадать в канал яркости. Триада сигналов (2.28) требует для передачи каждого из них полосы частот 6 МГц (применительно к телевизионному стандарту России), что делает затруднительным создание экономичного телевизионного канала. Решить указанные проблемы призвана триада цветоразностных сигналов UR-Y , UG-Y, UB-Y, которые формируются в соответствии с выражениями U R Y U R U Y ; U G Y U G U Y ; U BY U B U Y . (2.30) Словесное определение для цветоразностных сигналов звучит так: цветоразностные сигналы – это сигналы цветоделенных изображений, из которых вычтен сигнал яркости. Подробное изучение свойств цветоразностных сигналов впереди, а пока отметим главное. Цветоразностные сигналы содержат информацию только о цветности изображения, а информация о яркости из них удалена. Но так как цветность – величина двумерная, триада сигналов (2.30) является избыточной по цветности, но недостаточной по яркости. Поэтому в современном телевидении для передачи по экономичному каналу связи используется комбинированная триада сигналов, состоящая из сигнала яркости UY и двух цветоразностных сигналов UR-Y и UB-Y: U Y к 0 y; UR Y UB Y к 0 (r y); к 0 (b y). (2.31) Третий цветоразностный сигнал UG-Y по каналу связи не передается, а получается в месте приема с помощью декодирующей матрицы, вид которой приведен на рисунке 2.6 и которая работает в соответствии с формулой UG-Y = – 0,51UR–Y – 0,19UB–Y (2.32) Рисунок 2.6 – Декодирующая матрица В заключение данного раздела отметим, что цветоразностные сигналы в составе триады (2.31) по каналу связи совместимой системы цветного телевидения передаются в модифицированном виде: в системе NTSC это так называемые сигналы UI и UQ; в системе PAL – UV и UU; и наконец, в системе SECAM – сигналы DR и DB. Колориметрическое согласование звеньев системы ЦТ Функциональная схема системы цветного телевидения с передачей информации по экономичному каналу связи приведена на рисунке 2.7. Схема построена таким образом, чтобы можно было, не вдаваясь глубоко в подробности формирования, передачи и использования сигналов цветного телевидения, сосредоточить внимание на вопросах колориметрического согласования звеньев системы цветного телевидения между собой. Таких звеньев в системе выделено три: датчик сигналов, система передачи информации (СПИ) по каналу связи и потребитель принятых сигналов – цветной кинескоп, на экране которого формируется цветное изображение. Датчик сигналов цветного телевидения построен по трехканальной схеме и состоит из объектива, призменного цветоделительного блока и трех фотоэлектрических преобразователей 1 (ФЭП), в роли которых могут быть использованы, например, матрицы ПЗС. Разделение входного светового потока, создаваемого излучением W(λ), на составляющие FX, FY, FZ, пропорциональные координатам x',y',z', производится с помощью дихроических зеркал 2 и корректирующих светофильтров 3, нанесенных соответственно на стыковочные и выходные грани призм. Если удается сформировать спектральные характеристики чувствительности каналов цветоделительной головки соответствующими графикам удельных координат x (λ), y (λ), z (λ) системы XYZ (см. рисунок 2.2), то выходные сигналы датчика, подчиняющиеся выражению (2.27), будут колориметрически точно описывать цветное изображение. Поэтому датчик называется колориметрическим и его можно рассматривать как некий идеал, к которому нужно стремиться при создании реальных устройств. Переходим к выходному звену системы цветного телевидения — цветному кинескопу. Принцип работы и устройство кинескопа позволяют формировать на его экране цветное изображение в виде суммы цветоделенных изображений FR+FG+FB, причем яркостью каждой из этих компонент можно управлять с помощью сигналов цветоделенных изображений UR, UG, UB. Для обеспечения правильного цветовоспроизведения должны быть обеспечены два главных условия: сигналы UR, UG, UB должны правильно описывать цветное изображение в терминах колориметрической системы RGB, т.е. соответствовать выражению (2.28); цветной кинескоп вместе с выходными усилителями сигналов UR, UG, UB должен быть настроен на правильную цветопередачу. Критерием Рисунок 2.7 – Колориметрически согласованная система цветного телевидения правильности цветопередачи является соблюдение так называемого баланса белого. При настройке баланса белого используется свойство равносигнальности белого цвета C, принятого в качестве опорного для колориметрической системы RGB. Это свойство гласит: если цвета R, G, B смешать в равных количествах, для чего нужно подать на воспроизводящее устройство равные сигналы UR, UG, UB, то на цветном экране будет воспроизводиться белый цвет C; при этом баланс белого должен соблюдаться на любом уровне яркости. Проверка настройки баланса белого производится путем подачи на управляющие входы цветного кинескопа сигналов UR=UG=UB=UY . Рассмотрим теперь структуру СПИ. (2.33) На экране должно воспроизводиться обычное черно-белое изображение без заметной окраски экрана на всех уровнях яркости. На основании изложенного можно сделать вывод о том, что соединение выхода датчика сигналов цветного телевидения со входом устройства воспроизведения цветного изображения при сохранении правильности цветопередачи (т.е. колориметрически точно) возможно лишь через согласующую матрицу A, работающую согласно выражению (2.12). В схеме рисунка 2.7 эта матрица должна быть включена вместо СПИ (если нет необходимости в передаче информации по каналу связи). Полученная схема соответствует колориметрически согласованной системе цветного телевидения без выхода в эфир. Кодирующая матрица предназначена для преобразования сигналов в форму, удобную для передачи по каналу связи. Ранее было показано, что для этой цели подходит триада сигналов UY, UR-Y, UB-Y. Далее следует кодер, преобразующий три сигнала в один уплотненный сигнал, занимающий такую же полосу частот, что и яркостный сигнал UY. Обычно этот сигнал обозначают ПЦТС — полный цветовой телевизионный сигнал. Этот сигнал передается по каналу связи и после детектирования в приемном устройстве поступает на декодер. Функция декодера — разделить уплотненный сигнал на составляющие. После чего триада сигналов передачи (2.31) поступает на декодирующую матрицу, где преобразуется в триаду сигналов (2.28), способную управлять цветным кинескопом. Упражнения 2.8.1 Спектр излучения задан в виде суммы n монохроматических излучений с известными мощностями и длинами волн, т.е. n P ( ) . i 1 i i Определить (в общем виде) координаты цветности этого излучения на цветовом графике рисунка 2.3. Решение. Найдем координаты цвета излучения x',y',z' в цветовом пространстве системы XYZ, для чего воспользуемся формулами (2.8), записав их в виде суммы: n __ x'= Pi ( i ) х ( i ) , i 1 n __ y'= Pi ( i ) y ( i ) , i 1 n __ z'= Pi ( i ) z ( i ) . i 1 Колориметрическое выражение для цвета этого излучения имеет вид: f x y z . Найдем модуль этого цвета f : f x y z . Найдем трехцветные коэффициенты (это координаты единичного цвета Ф на плоскости единичных цветов) x, y, z: x x= ; f y= y ; f z= z . f Проверим правильность расчета. Должно быть: x + y + z = 1. Находим на цветовом графике точку с координатами (x,y); это и есть искомая точка. 2.8.2 Найти на цветовом графике (рисунок 2.3) точку, соответствующую цвету, передаваемому сигналами UR=1 В; UG=2 В; UB=3 В. Решение. Так как справедливо выражение (2.28), примем: r'=1; g'=2; b'=3. Это координаты искомого цвета в системе RGB. Теперь найдем координаты этого цвета в системе XYZ по формуле (2.13) с учетом (2.14): x' r ' 0,61 0,17 0,2 1 1,55 1 y ' A g ' 0,3 0,59 0,11 2 1,81 . z' b ' 0,07 1,11 3 3,47 0 Колориметрическое уравнение для этого цвета имеет вид: f Ф 1,55X 1,81Y 3,47 Z, откуда f 1,55 1,81 3,47 6,83. Колориметрическое уравнение для единичного цвета Ф: Ф 1,55 1,81 3,47 X Y Z , откуда 6,83 6,83 6,83 трехцветные коэффициенты искомого цвета равны: 1,55 0,227; 6,83 1,81 y 0,265; 6,83 x z 3, 47 0,508. 6,83 Проверяем: x+y+z=1, следовательно, расчет верен. Искомая точка имеет на цветовом графике (рисунок 2.3) координаты: (x=0,227; y=0,265). 2.8.3 Доказать, что цветоразностные сигналы (2.30) обращаются в ноль при передаче черно-белого изображения (это первое свойство цветоразностных сигналов). Решение. Так как при передаче черно-белого изображения сигналы цветоделенных изображений должны быть равны, запишем UR=UG=UB=U0. Сигнал яркости (2.29) тогда запишется так: UY 0,3U0 0,59U0 0,11U0 U 0.. Откуда следует: U R Y U R UY U 0 U 0 0; U G Y U G UY U 0 U 0 0; , U B Y U B UY U 0 U 0 0; что и требовалось доказать. 2.8.4 Доказать второе свойство цветоразностных сигналов: 0,3UR-Y+0,59UG-Y+0,11UB-Y=0. Решение. Запишем выражение (2.34) в следующем виде: 0,3(UR-UY)+0,59(UG-UY)+0,11(UB-UY)=0. Раскроем скобки и сгруппируем подобные члены: 0,3UR+0,59UG+0,11UB=(0,3+0,59+0,11)UY, (2.34) откуда следует известная формула (2.29): UY=0,3UR+0,59UG+0,11UB. Таким образом, справедливость выражения (2.34) доказана, так как это формула (2.29), расписанная через цветоразностные сигналы. Кстати говоря, из выражения (2.34) следует выражение (2.32) для декодирующей матрицы. 2.8.5 Определить, в каком соотношении находятся яркости основных цветов колориметрической системы RGB. Решение. Для того чтобы получить белый цвет C, необходимо цвета RGB взять в равных количествах, для чего нужно подать на воспроизводящее устройство одинаковые сигналы UR=UG=UB. Пусть яркость белого цвета C получилась равной 1 кд/м2 при UR=UG=UB=1 В. Сигнал яркости, пропорциональный яркости любого цвета, в том числе и белого С, вычисляемый по формуле (2.29), будет равен: UY=0,3UR+0,59UG+0,11UB=1 В . Теперь уменьшим сигнал UR до 0, т.е. выключим красный цвет. Сигнал яркости уменьшится до 0,7 В, т.е. на 30%. Таким образом, яркость красной компоненты в белом цвете С составляет 30%. Рассуждая аналогичным образом, получаем для зеленой компоненты уровень относительной яркости в белом цвете С – 59% и для синей компоненты – 11%. Вывод: для равных (например, единичных, т.е. R, G, B) количеств основных цветов, справедливо соотношение их яркостей (или световых потоков): FR : FG : FB=0,3 : 0,59 : 0,11. (2.35) Вопросы для самопроверки 1. Что такое физически точное воспроизведение? 2. В чем его отличие от физиологически точного? 3. Запишите математически условия физически точного и физиологически точного воспроизведения. 4. Очень кратко сформулируйте трехкомпонентную теорию цветного зрения. 5. Что такое колориметрия? 6. Сформулируйте основные задачи колориметрии. 7. Поясните суть колориметрического уравнения. 8. Что такое единичный цвет? 9. Что такое основные цвета? 10. Каковы требования к единичным цветам? 11. Что такое плоскость единичных цветов? Уравнение плоскости единичных цветов. 12. Что такое цветовой треугольник? 13. Что такое цветовой график? 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. Кратко достоинства и недостатки колориметрических систем RGB и XYZ. Поясните законы смешения цветов на цветовом графике XYZ. Кривые смешения XYZ. Как вычислить координаты цвета по его спектру W(λ)? Что такое цвет? Что такое цветность? Какие сигналы цветного телевидения Вы знаете? Матричные преобразования сигналов цветного телевидения. Что такое цветоразностные сигналы? Свойства цветоразностных сигналов. Структура системы цветного телевидения. Согласование (колориметрическое) звеньев системы цветного телевидения. Где обо всем этом можно прочитать [1], стр. 206-241. [2], стр. 27-40. [3], стр. 21-33. [4], стр. 48-65. [5], стр. 25-38. [6], стр. 19-22. СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ Классификация телевизионных систем Современное телевидение находится в стадии бурного развития, связанного, прежде всего, с внедрением цифровых и компьютерных информационных технологий в телевизионную технику. В этих условиях создать стабильную и всеобъемлющую классификацию телевизионных систем вряд ли возможно. Приведенная на рисунке 3.1 классификационная таблица, не претендуя на исчерпывающую полноту, позволяет все же познакомиться с современным уровнем и направлениями развития телевизионных систем различного назначения, а также их взаимодействием. В таблицу введен раздел телевизионных подсистем, которые входят в ТВ систему как ее часть, но по сложности и важности выполняемых функций вполне достойны называться (и часто фактически называются) системами, например, система телетекст, система дистанционного управления (ДУ), система АББ (автоматического баланса белого), система измерения и контроля в процессе телевизионной передачи (измерительная строка) и т.д. Изучение телевизионных систем целесообразно начать с самой развитой и разветвленной из них – телевизионного вещания. Телевизионное вещание Для организации телевизионного вещания создана телевизионная сеть, обеспечивающая формирование телевизионных программ и возможность их приема на всей территории страны. Главное место в этой сети занимают программные телецентры, созданные во всех крупных городах и обеспечивающие трансляцию местных и региональных программ, а также трансляцию программ центрального телевидения, распространяемых по радиорелейным, кабельным и спутниковым линиям связи. Ретрансляционные телевизионные центры, в отличие от программных, выполняют только функцию ретрансляции «чужих» телевизионных программ. Современный программный телевизионный центр является сложным комплексным предприятием, и его подробное изучение выходит за рамки данного учебного пособия. Поэтому ограничимся рассмотрением упрощенной схемы формирования сигнала телевизионной программы и его передачи в эфир с помощью передатчика наземного телевизионного вещания. Схема формирования сигнала приведена на рисунке 3.2. За подготовку ТВ передачи и ее выдачу в эфир отвечает основное технологическое звено телецентра – аппаратно-студийный блок (АСБ). Программа составляется из сигналов студийных камер, входящих в состав АСБ, и сигналов внешних источников, каковыми являются сигналы от источников внестудийных программ, сигналы от камерных каналов телекинопроекторов и сигналы из аппаратной магнитной видеозаписи. Основные операции по обработке сигналов студийных видеокамер производятся в камерных каналах. На вход камерного канала ТВ сигнал с выхода студийной камеры поступает в виде триады компонентных сигналов цветного телевидения. В качестве таких триад наиболее часто используются следующие комбинации сигналов: UR, UG, UB; UY, UR-Y, UB-Y; UY, UR, UB. В камерном канале сигналы подвергаются следующим операциям обработки: усиление, восстановление постоянной составляющей, замешивание в видеосигнал и ограничение смеси гасящих импульсов, подавление фоновых помех путем введения компенсирующих сигналов, апертурная коррекция (для яркостного сигнала), матричная цветокоррекция RGB сигналов, призванная компенсировать ошибки цветопередачи, связанные с несоответствием реальных спектральных характеристик каналов видеокамеры требуемым (согласно критерию физиологически точного воспроизведения цвета). Затем следует гаммакорректор сигналов RGB, после чего они кодируются и в виде композитного сигнала ПЦТС поступают на вход микшернокоммутирующего устройства. Контроль качества формирования сигнала в каждом из камерных каналов производится с помощью ВКУ. Рисунок 3.2 – Упрощенная схема формирования сигнала ТВ программы в аппаратно-студийном блоке телецентра Примечание: аппаратура формирования звукового сопровождения ТВ программы на рисунке 3.2 не показана. Процесс формирования программы осуществляется в микшерно-коммутирующем устройстве по командам управления, поступающим с пульта режиссера, и заключается в создании готового комбинированного изображения из изображений от различных источников с применением разнообразных художественных эффектов и средств перехода от одного изображения к другому. Сигнал с выхода микшера-коммутатора контролируется с помощью ВКУ и поступает в центральную аппаратную (ЦА), откуда направляется для использования по назначению: для записи программы или на модулятор передатчика. Для согласованной работы разверток всех источников сигнала, участвующих в формировании ТВ программы, используется так называемая централизованная синхронизация, которая заключается в обеспечении синхронности и синфазности процессов анализа, синтеза и обработки изображений во всех аппаратных телецентра с помощью единого опорного сигнала – сигнала централизованной синхронизации ССЦ-2. Сигнал ССЦ-2 формируется в центральном синхрогенераторе (расположен в ЦА), разводится по всем АСБ, переводя в ведомый режим местный синхрогенератор АСБ, от которого синхронизируются все источники сигнала данного АСБ. Возможны также и другие методы синхронизации, среди которых отметим синхронизацию автономно (независимо) работающих источников сигнала с помощью цифровых устройств – кадровых синхронизаторов. Переходим к обсуждению процесса передачи сигналов ТВ программы по каналу связи. Для телевизионного вещания с помощью наземных радиопередатчиков отведены диапазоны метровых и дециметровых волн, разбитых на пять частотных поддиапазонов, в которых размещается (в соответствии со стандартом России ГОСТ 7845-92) 60 радиоканалов: I поддиапазон 48,5…66 МГц (радиоканалы 1 и 2) II поддиапазон 76…100 МГц (радиоканалы 3-5) III поддиапазон 174…230 МГц (радиоканалы 6-12) IV поддиапазон 470…582 МГц (радиоканалы 21-34) V поддиапазон 582…790 МГц (радиоканалы 35-60) Структурная схема телевизионной передающей радиостанции, состоящей из двух передатчиков – передатчика изображения и передатчика звукового сопровождения, приведена на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 – Структурная схема ТВ радиостанции Оба передатчика выполнены по многокаскадной схеме с использованием сравнительно низкочастотных высокостабильных задающих генераторов (ЗГ) и умножителей частоты (УЧ), которые одновременно выполняют функции усилителя мощности (УМ). Модуляция (М) передатчика изображения производится полным ТВ сигналом (ПЦТС) на выходной модулируемый каскад (МК). Частотная модуляция (ЧМ) сигналом звукового сопровождения производится в ЗГ передатчика звука. Выходные сигналы обоих передатчиков через разделительный фильтр (РФ) поступают на общую антенну. Ниже приводятся некоторые основные технические характеристики ТВ радиостанции (стандарты D/K, принятые в России): номинальная ширина полосы частот видеосигнала – 6 МГц; ширина полосы радиоканала – 8 МГц; положение несущей звукового сопровождения относительно несущей изображения – +6,5 МГц; номинальная ширина боковых полос: 1) верхняя (основная) – 6 МГц; 2) нижняя (частично подавляемая) – 0,75 МГц; тип модуляции в канале изображения – АМ; полярность модуляции – негативная; отношение номинальных мощностей передатчиков изображения и звука – от 5 до 10; уровень сигнала относительно пикового значения несущей: 1) синхроимпульсов –100%; 2) уровень черного (гасящих) – 75%; 3) уровень белого – 12,5%; модуляция в передатчике звукового сопровождения: 1) тип модуляции – частотная; 2) девиация частоты – ±50 кГц; 3) постоянная времени цепи высокочастотных предыскажений – 50 мкс. Некоторые из вышеприведенных параметров нуждаются в дополнительных пояснениях. Это, прежде всего, амплитудная модуляция (АМ) с частичным подавлением нижней боковой полосы, используемая в телевидении для того, чтобы уменьшить ширину полосы частот радиоканала с 13,5 МГц до 8 МГц (рисунок 3.4,а). Из рисунка 3.4,а видно, что низкочастотные составляющие спектра видеосигнала в полосе частот от 0 до 0,75 МГц передаются двумя боковыми полосами, в то время как высокочастотные компоненты спектра передаются только в составе верхней боковой полосы. Так как при детектировании сигнала амплитуды боковых частот суммируются, амплитуда низкочастотных компонент спектра, передаваемых двумя боковыми, будет иметь удвоенный размах по сравнению с частотами, передаваемыми одной боковой. Возникающая при детектировании неравномерность в спектре видеосигнала может быть устранена путем использования ответной частотной характеристики ТВ приемника, изображенной на рисунке 3.4,б. Рисунок 3.4 – а) Спектр излучения ТВ радиостанции; б) ответная характеристика ТВ приемника; в) спектр сигнала на выходе видеодетектора Наклон АЧХ в области частот fИ±0,75 МГц называется срезом (склоном) Найквиста, а демодулятор с такой формой АЧХ на входе – демодулятором Найквиста, который и обеспечивает на выходе равномерную передачу всех частот спектра видеосигнала (рисунок 3.4в). Одновременно на выходе видеодетектора формируется сигнал с частотой 6,5 МГц (она называется второй промежуточной частотой звука), промодулированной по частоте спектром сигнала звукового сопровождения. Теперь кратко рассмотрим особенности негативной модуляции (рисунок 3.5). Из рисунка видно, что максимальная яркость изображения (уровень Рисунок 3.5 – Негативная модуляция (осциллограмма радиосигнала за период строки) белого) передается минимальной мощностью излучения передатчика (12,5% по напряжению соответствует 1,56% по мощности), что и объясняет происхождение термина «негативная модуляция». Применение негативной модуляции по сравнению с позитивной создает некоторые преимущества, благодаря чему она принята в большинстве стран. Эти преимущества состоят в следующем: передатчик излучает в среднем меньшую мощность, т.к. в большинстве сцен преобладают яркие участки изображения; импульсные помехи проявляются на экране в виде темных точек и поэтому менее заметны; улучшена помехоустойчивость синхронизации разверток, т.к. синхроимпульсы передаются на максимальном уровне мощности; улучшена работа схемы ключевой АРУ, использующей в качестве опорного не зависящий от содержания изображения синхросигнал, который при негативной передаче в наименьшей степени поражен разного рода помехами. Завершить разговор о телевизионном вещании целесообразно рассмотрением структурной схемы ТВ приемника, который представляет собой оконечное звено системы телевещания и является самым массовым прибором современного телевидения. Такая схема изображена на рисунке 3.6, где введены следующие обозначения: УПЧИ и УПЧЗ – усилители промежуточной частоты изображения и звука; УСР – устройство синхронизации разверток; ВД – видеодетектор; ЧД – частотный детектор; УНЧ – усилитель низкой частоты; Гр – громкоговоритель; МСУ – магнитостатическое устройство; ОС– отклоняющая система; ЦК – цветной кинескоп; СУ – система управления; ИП– источник питания; КР и СР – соответственно блоки кадровой и строчной разверток; ВВ – Фактически телевизор представляет высоковольтный выпрямитель. собой ВКУ (монитор) с ВЧ-приемником, оборудованным звуковым каналом и системой управления. Сигнал с ТВ антенны поступает на вход тюнера, откуда после усиления и преобразования частоты подается на вход УПЧИ. Далее особых пояснений не требуется. Отметим только высоковольтный выпрямитель, в котором для получения ускоряющего напряжения (15-25 кВ) на кинескоп используется высоковольтный импульс обратного хода строчной развертки; магнитостатическое устройство, предназначенное для совмещения на экране планарного кинескопа трех цветоделенных изображений; систему управления, позволяющую выбрать радиоканал и настроиться на него, а также установить требуемые параметры (яркость, контрастность, насыщенность, громкость) цветного изображения и звука. Рисунок 3.6 – Структурная схема цветного телевизора Структурную схему черно-белого телевизора не приводим, так как она легко получается из схемы рисунка 3.6 путем замены цветного кинескопа черно-белым кинескопом, а блока цветности – видеоусилителем (усилителем сигнала яркости). Принципы построения совместимых систем ЦТ Принцип совместимости Принцип совместимости систем монохромного и цветного телевидения был сформулирован на этапе разработки системы цветного телевидения и включает в себя следующие три пункта: возможность приема программы цветного телевидения на черно-белый телевизор (прямая совместимость); возможность приема программы черно-белого телевидения на цветной телевизор (обратная совместимость); передача полного сигнала цветного телевидения в полосе частот канала черно-белого телевидения (профессиональная совместимость). Хотя требования по всем трем пунктам были обусловлены организационноэкономическими причинами, они оказали существенное влияние на технические характеристики систем цветного телевидения, особенно в части, касающейся выбора сигналов цветного телевидения и способа их передачи по каналу связи. Выбор сигналов передачи Ранее уже отмечалось, что удобной для передачи по каналу связи является триада сигналов UY, UR-Y, UB-Y. Отмечены также два основных свойства цветоразностных сигналов. Однако остается неясным, в чем состоят преимущества триады сигналов UY, UR-Y, UB-Y перед триадой сигналов UR, UG, UB. Дело в том, что таких преимуществ нет, если каждый из шести указанных сигналов передавать в полосе частот яркостного сигнала, т.е. 6 МГц. При этом независимо от используемой триады на экране воспроизводится цветное изображение, яркостная и цветовая четкость которого одинаковы и равны 600 строкам. Такая система передачи данных не отвечает принципу совместимости и нуждается в модернизации путем сокращения объема передаваемой информации за счет устранения избыточной информации. Попробуем найти эту избыточную информацию и наметить пути ее устранения. Прежде всего отметим, что трехкомпонентная теория цветового зрения справедлива лишь для сравнительно крупных деталей цветного изображения размером не менее 7δ7δ, где δδ – размер яркостного элемента. С уменьшением размера окрашенного фрагмента изображения его цветность воспринимается глазом со все меньшей точностью; вначале, при размере фрагмента 3δ3δ, перестает восприниматься глазом наименее яркая (синяя) компонента цвета и фрагмент становится двухцветным, а для окрашенной изолированной детали размером δδ ее цветность роли не играет, т.к. глаз воспринимает только яркость такой мелкой детали. Точный учет этих особенностей цветового зрения при построении системы цветного телевидения связан с большими техническими трудностями. На практике поступают менее точно, но очень просто и эффективно: широкополосные (по 6 МГц) сигналы UR, UG, UB пересчитывают в сигналы UY, UR-Y, UB-Y и ограничивают полосу частот цветоразностных сигналов UR-Y и UB-Y на уровне 1,5 МГц. При этом широкополосный (6 Мгц) сигнал яркости содержит информацию о полной (600 строк) яркостной четкости цветного изображения, а цветовая четкость по горизонтали на уровне 150 строк передается двумя узкополосными (по 1,5 МГц) сигналами цветности UR-Y и UB-Y. На языке современного цифрового телевидения такой стандарт обозначается 4:1:1 (на 4 цифровых отсчета яркостного сигнала приходится по 1 отсчету сигналов цветности). Отметим, что этот стандарт в настоящее время не является передовым. Международным консультативным комитетом по радио (МККР) для вновь развиваемых и модернизируемых систем рекомендован стандарт 4:2:2. Частотное уплотнение сигналов яркости и цветности Рассмотренный способ сокращения избыточности цветного ТВ изображения не решает окончательно проблему совместимости, так как необходимо триаду сигналов UY (6 МГц), UR-Y и UB-Y (по 1,5 МГц) «упаковать» в единый комплексный кодированный полный сигнал цветного телевидения (ПЦТС) с полосой частот 6 МГц. Такой сигнал принято в литературе называть композитным, в отличие от триады компонентных сигналов UY, UR-Y, UB-Y. Способы уплотнения сигналов могут быть различными, но в широко распространенных в настоящее время совместимых системах NTSC, PAL и SECAM используется частотный метод уплотнения, на котором остановимся более подробно. Метод частотного уплотнения основан на двух важных особенностях спектра телевизионного сигнала (как яркостного, так и цветоразностных): спектр ТВ сигнала имеет линейчатую структуру и состоит из гармоник строчной частоты, каждая из которых промодулирована спектром гармоник частоты полей; 90 % и более энергии спектра ТВ сигнала сосредоточено в низкочастотной области спектра приблизительно от 0 Гц до 100 кГц. Сказанное поясняется рисунком 3.7, где представлена общая спектральная картина и выделен фрагмент, показывающий тонкую структуру Рисунок 3.7 – Структура спектра ТВ сигнала спектра. На фрагменте видно, что между двумя соседними гармониками строчной частоты, каждая из которых промодулирована спектром гармоник частоты полей, имеется промежуток, свободный от составляющих спектра. Ширина этого промежутка составляет около 10 кГц, откуда следует, что линейчатый спектр ТВ сигнала на две трети пуст от спектральных составляющих и, следовательно, имеется реальная возможность передавать в этих свободных зонах дополнительную информацию. На рисунке 3.7 середина пустой зоны отмечена точкой A; частота, на которой расположена точка A, нечетно кратна половине строчной частоты, т.е. соответствует формуле 2n 1 fC . 2 Принцип уплотнения поясняется на рисунке 3.8 и заключается в следующем. Выбирается поднесущая f0, отвечающая одновременно следующим условиям: f 0 f В 1,5 (МГц); fC f 0 (2n 1) . 2 (3.1) Рисунок 3.8 – Уплотнение яркостного и цветоразностных сигналов Если привести численный пример, то применительно к стандарту России это может быть, например, частота f0=287,5fc=4,4921875 МГц. Затем поднесущая модулируется одним или двумя цветоразностными сигналами, в результате чего спектр цветоразностных сигналов (1,5 МГц) переносится на поднесущую частоту, занимая относительно нее симметричное положение в виде верхней и нижней боковой полос. После этого сигнал яркости суммируется с сигналом модулированной поднесущей, образуя композитный ПЦТС. Но объединение сигналов яркости и цветности в один сигнал означает совмещение каналов яркости и цветности, что и показано на рисунке 3.8,а, который можно трактовать следующим образом (применительно к стандарту России): канал связи совместимой системы цветного телевидения обеспечивает равномерную АЧХ для сигнала яркости в полосе частот от 0 до 6 МГц, а для сигнала модулированной поднесущей – от 3 до 6 МГц. Рисунок 3.8,а дает лишь общую картину расположения уплотняемых сигналов в полосе пропускания канала связи, поэтому на рисунке 3.8,б приведена дополнительная информация о тонкой структуре уплотняемых спектров. Изучение рисунка позволяет сделать ряд выводов: гармоники спектра модулированной поднесущей занимают положение в середине свободных от сигнала промежутков между гармониками строчной частоты спектра яркостного сигнала; это является следствием выбора частоты поднесущей в соответствии с выражением (3.1); поскольку гармоники спектра сигналов яркости и цветности не накладываются друг на друга, а сдвинуты по частоте на величину fc/2, уплотненные сигналы после передачи по каналу связи могут быть разделены с высокой точностью при помощи так называемых гребенчатых фильтров; так как спектр сигнала цветности расположен в высокочастотной области, где амплитуда гармоник спектра яркостного сигнала достаточно мала, выделить сигнал цветности из уплотненного сигнала можно простым полосовым фильтром с полосой пропускания от 3 до 6 МГц. Существует еще один вопрос, нуждающийся в обсуждении – проблема заметности модулированной поднесущей на экране телевизора, от чего зависит прямая совместимость системы цветного телевидения. В приведенном примере (рисунок 3.8,б, выражение (3.1)) задача решается путем полустрочного сдвига (офсета) частоты поднесущей по отношению к гармоникам спектра яркостного сигнала. При этом в интервале строки укладывается нечетное число полуволн поднесущей, а так как в кадре содержится нечетное число строк, то фазы поднесущих в соседних кадрах будут противоположны. А это приводит к тому, что яркостный рисунок, создаваемый на ТВ экране поднесущей в текущем кадре, подавляет рисунок, созданный ею в предыдущем кадре; в результате заметность поднесущей уменьшается на порядок, то есть соответствует заметности поднесущей, кратной частоте строк, но имеющей на порядок меньшую амплитуду. Рассмотренный способ подавления заметности поднесущей (и гармоник модулированной поднесущей) использован в системе NTSC. В системах PAL и SECAM использованы правила выбора поднесущей, отличные от условия (3.1); при этом, однако, соблюдается общий принцип: гармоники спектра модулированной поднесущей должны занимать свободные участки (не обязательно в середине) между гармониками спектра яркостного сигнала, тогда они становятся малозаметными при наблюдении изображения, например, на экране чернобелого телевизора. Обобщенная структурная схема совместимой системы ЦТ Схема кодера приведена на рисунке 3.9. Триада широкополосных сигналов UR, UG, UB поступает от ТВ датчика на вход кодирующей матрицы, на выходе которой формируются сигнал яркости UY и два цветоразностных сигнала U1 и U2, которые после фильтров нижних частот (Ф) поступают на модулятор поднесущей f0. С выхода модулятора сигнал модулированной поднесущей US смешивается (суммируется) с сигналом яркости UY, образуя композитный сигнал ПЦТС. Линия задержки ЛЗЯ с длительностью задержки приблизительно 0,5 мкс необходима для временного совмещения яркостного сигнала с сигналом цветности, запаздывающим за счет действия ФНЧ. В таблице 3.1 для конкретных систем приведены формы представления сигналов U1 и U2, правило выбора частоты поднесущей, вид и параметры модуляции. Рисунок 3.9 – Структура кодера в совместимой системе цветного телевидения Таблица 3.1 С и с т е N T S C , с P A L , с т м а П а р а м е т р ы т а н д а р т а н д а р т М B / G U U I V = 0 , 7 4 U R = 0 , 8 7 7 U - R Y Y U 1 0 , 2 7 U Δ f = 1 , 3 B Y Δ f = 1 , 3 U 2 М Г ц М Г ц U U Q U = 0 , 4 8 U = 0 , 4 9 3 U R - B Y - + 0 , 4 1 U Y B Δ f = 1 , 3 Y Δ f = 0 , 5 М Г ц М Г ц В ы б о р ч а с т о т ы п о д н е с у щ е й В и д м = 3 5 7 9 5 4 5 , 5 Г ц к в а д р = = 4 4 3 3 6 1 8 , 7 5 Г ц к в а д р о д у л я ц и и а т у р н а я а т у р н а я Структурная схема декодера приведена на рисунке 3.10. Композитный сигнал ПЦТС с выхода видеодетектора ТВ приемника поступает на фильтр, в котором разделяется на сигнал яркости UY и сигнал модулированной поднесущей US. Рисунок 3.10 – Декодер совместимой системы цветного телевидения После детектирования поднесущей цветоразностные сигналы U1 и U2 вместе с сигналом яркости UY, прошедшим через корректирующую относительные запаздывания сигналов линию задержки ЛЗЯ, поступают на декодирующую матрицу, где пересчитываются в сигналы RGB, управляющие работой цветного кинескопа. В системах с квадратурной модуляцией для организации работы детекторов (синхронных) поднесущей необходимо восстановление поднесущей, что и показано пунктиром на рисунке 3.10. Совместимые системы ЦТ с квадратурной модуляцией Колориметрическая система Y, R–Y, B–Y Принятая для передачи информации в совместимой системе ЦТ триада сигналов UY, UR-Y, UB-Y несет информацию о цвете, описываемую на языке колориметрической системы Y, R–Y, B–Y. Цвета Y, R–Y, B–Y называются основными цветами передачи этой колориметрической системы. Построим цветовой треугольник Y, R– Y, B–Y на цветовом графике XYZ (см. рисунок 3.11). Вначале найдем точку Y. Цвет Y будет передаваться тогда, когда два других цвета обращаются в ноль, т.е. при UR-Y=0 и UB-Y=0. Но известно, что цветоразностные сигналы обращаются в ноль при передаче белого цвета C. Следовательно, точка Y совпадает с точкой C. Для нахождения точки B-Y обратим в 0 сигналы UY и UR-Y: UY=0; UR-Y=0; UR-Y= UR– UY= UR=0. (3.2) Из выражений (3.2) следует, что в точке B-Y цветового графика должны одновременно выполняться два условия: UY=0; UR=0. (3.3) Но из свойств цветового графика известно, что условие UY=0 выполняется на линии 0x, а условие UR=0 – на стороне BG треугольника RGB или ее продолжении. Следовательно, искомая точка B-Y лежит на пересечении продолжения стороны BG треугольника RGB с осью x. Рисунок 3.11 – Треугольник Y, R–Y, B–Y. Оси кодирования R–Y, B–Y Рассуждая аналогичным образом, найдем точку R-Y на пересечении продолжения отрезка RG с осью x. Соединив между собой найденные точки, получаем треугольник основных цветов передачи Y, R–Y, B–Y. Сторона треугольника Y, R–Y и ее продолжение образуют ось кодирования R-Y, причем положительное направление оси совпадает со стороной треугольника и отмечено на рисунке 3.11 стрелкой. Аналогично сторона треугольника Y, B–Y и ее продолжение образуют ось кодирования B-Y, причем положительно направленная полуось отмечена стрелкой. Оси кодирования R-Y и BY пересекаются в точке Y, образуя двумерную координатную (правда, косоугольную) систему, пользуясь которой нетрудно установить связь между значениями цветоразностных сигналов UR-Y и UB-Y и передаваемой этими сигналами цветностью изображения. Известно, что на экране цветного телевизора воспроизводятся цвета, расположенные внутри треугольника RGB. На рисунке 3.11 площадь этого треугольника разделена осями кодирования на 4 зоны, отмеченные цифрами. Нетрудно видеть, что в зоне 1 лежат цвета, передаваемые положительными значениями цветоразностных сигналов, а в зоне 2 – отрицательными; в зоне 3 UR-Y>0, а UB-Y<0; в зоне 4 – наоборот. Информация о цветности может быть представлена в виде вектора, выходящего из точки Y (или C), причем направление этого вектора относительно осей R-Y и B-Y зависит от соотношения сигналов UR-Y и UB-Y и характеризует цветовой тон, а длина вектора, зависящая от значений сигналов UR-Y и UB-Y, характеризует насыщенность цвета. Именно такой способ передачи информации о цвете используется в системах с квадратурной модуляцией. Особенности квадратурной модуляции Квадратурная модуляция принадлежит к редкому виду, когда одно несущее колебание модулируется одновременно двумя независимыми сигналами. Правда, для этого нужно предварительно «расщепить» несущее колебание на две независимые составляющие, которые имеют одинаковую частоту и сдвинуты по фазе на 90º, т.е. находятся в квадратуре и поэтому называются квадратурными составляющими. В нашем случае в роли несущего колебания выступает поднесущая f0, а в роли независимых модулирующих сигналов – цветоразностные сигналы U1 и U2. Схема осуществления квадратурной модуляции приведена на рисунке 3.12. Входящие в схему балансные модуляторы БМ1 и БМ2 представляют собой аналоговые перемножители входных сигналов с фильтрами ВЧ на выходе. Рисунок 3.12 – Схема квадратурной модуляции Сигналы с выходов балансных модуляторов суммируются; в результате образуется сигнал модулированной поднесущей US, для которого справедливо следующее очевидное выражение: U S U R Y cos 0 t U BY sin 0 t U Sm sin( 0 t S ), где U Sm U 2R Y U 2BY , а U R Y S arctg . U B Y (3.4) Векторная диаграмма для сигнала US приведена на рисунке 3.13. Из этого рисунка, а также из формулы (3.4) следует, что при квадратурной модуляции поднесущая оказывается промодулированной по амплитуде и по фазе; при этом текущее значение амплитуды соответствует насыщенности, а фазы – цветовому тону, передаваемому в данный момент. Отметим логическую связь между рисунками 3.13 и 3.11. Вектор USm, изображенный на рисунке 3.13, соответствует зоне 1 на рисунке 3.11. Рисунок 3.13 – Векторная диаграмма сигналов при квадратурной модуляции Для разделения цветоразностных сигналов, передаваемых методом квадратурной модуляции, в телевизоре используется так называемое синхронное детектирование (рисунок 3.14). Используемые в схеме синхронные детекторы работают по принципу аналогового перемножения входных сигналов с последующей фильтрацией сигнальной (низкочастотной) компоненты с помощью фильтра нижних частот. Рисунок 3.14 – Схема детектирования сигнала с квадратурной модуляцией Рассмотрим этот процесс на примере выделения сигнала UR-Y в синхронном детекторе СД1. Входными сигналами СД1 являются сигнал US (см. выражение (3.4)) и одна из восстановленных квадратурных составляющих поднесущих, а именно cos ω0t. Произведение этих сигналов дает: U S cos 0 t ( U R Y cos 0 t U BY sin 0 t ) cos 0 t U R Y cos 2 0 t U BY sin 0 t cos 0 t 1 cos 20 t sin 20 t U B Y 2 2 cos 20 t sin 20 t U R Y U B Y . 2 2 U R Y В выражении 1 U R Y 2 (3.5) слагаемые, (3.5) выделенные скобкой, представляют собой высокочастотный продукт, возникающий после перемножения входных сигналов и задерживаемый фильтром НЧ. Таким образом, на выход СД1 проходит сигнал 1 2 UR Y , что и требовалось доказать (коэффициент 1/2 принципиального значения не имеет). Аналогичным образом на выходе СД2 с точностью до постоянного множителя (1/2) формируется сигнал UB-Y. Отметим, что синхронное детектирование с геометрической точки зрения (см. рисунок 3.13) представляет собой проецирование вектора USm на соответствующую ось кодирования: U R Y U Sm sin S ; U B-Y U Sm cos S . (3.6) Для того чтобы обеспечить правильное проецирование на ось кодирования, необходимо восстановить в месте приема фазу той квадратурной составляющей поднесущей, которая модулирована детектируемым сигналом. С этой целью в состав сигнала ПЦТС вводится специальный сигнал цветовой синхронизации, представляющий собой «вспышку» поднесущей (рисунок 3.15), фаза которой соответствует отрицательному направлению оси кодирования B-Y (рисунок 3.13). Вспышка передается в каждой строке на задней площадке строчного гасящего импульса. В цветном телевизоре вспышка поднесущей выделяется из сигнала цветности US с помощью специального стробирующего импульса (СИ-строб) и обеспечивает работу схемы восстановления поднесущей, которая показана на рисунке 3.16. Рисунок 3.15 – Сигнал цветовой синхронизации (вспышка поднесущей) в NTSC, PAL Схема представляет собой кварцевый ГУН (генератор, управляемый напряжением), охваченный цепью ФАПЧ, содержащий импульсно-фазовый детектор (ИФД) и ФНЧ. Рисунок 3.16 – Схема восстановления поднесущей (цветовая синхронизация) NTSC, PAL Во время действия стробирующего импульса сравниваются частоты и фазы вспышки и ГУН и вырабатывается сигнал ошибки, подстраивающий фазу ГУН до значения, соответствующего оси кодирования R-Y. Вторая квадратурная составляющая sin ω0t формируется из первой путем фазового сдвига на 90º. Система NTSC Впервые квадратурная модуляция для передачи цветовой информации была применена в 1953 г. в США. Однако, в связи с некоторыми особенностями используемого в США стандарта разложения M, разработчики совместимой системы цветного телевидения NTSC были вынуждены отказаться от сигналов UR-Y и UB-Y и использовать линейно связанные с ними сигналы UI и UQ (см. таблицу 1). Геометрически связь между сигналами I, Q и UR-Y и UB-Y показана на векторной диаграмме (рисунок 3.17). Рисунок 3.17 – К определению сигналов UI, UQ Из рисунка видно, что вектор USm может быть разложен на составляющие как по осям R-Y и B-Y, так и по осям I и Q, причем оси I,Q развернуты по отношению к осям RY, B-Y на 33º против часовой стрелки. Смысл в том, что экспериментально была найдена совпадающая с осью Q линия цветов, для которых глаз обладает наименьшей разрешающей способностью по цвету, сигнал UQ был назван узкополосным (~0,5 МГц), что позволило отчасти решить актуальную для стандарта M задачу повышения значения частоты поднесущей f0 и, следовательно, улучшить совместимость системы NTSC. На рисунке 3.18 представлена структура совмещенного канала цветности и яркости системы NTSC, из которой видно, что сигнал яркости передается в полосе 4,2 МГц, частота поднесущей равна 3,58 МГц, узкополосный сигнал Q передается в полосе частот 0,5 МГц двумя боковыми полосами, а широкополосный сигнал I передается в полосе 1,3 МГц с частично подавленной верхней боковой полосой. Рисунок 3.18 – Совмещение каналов яркости и цветности в системе NTSC На рисунке 3.19 показана схема кодера NTSC, которая в максимальной степени упрощена за счет устранения второстепенных элементов: уравнивающих линий задержек и фильтров НЧ. Синтезатор поднесущей содержит кварцевый генератор и набор фазовращателей для получения квадратурных составляющих поднесущей по осям I и Q и вспышки поднесущей. Рисунок 3.19 – Упрощенная схема кодера NTSC На рисунке 3.20 изображена аналогичным образом упрощенная схема декодера NTSC. Схема не требует дополнительных пояснений. Рисунок 3.20 – Упрощенная схема декодера NTSC Система PAL Совместимая система цветного телевидения NTSC обладает серьезным недостатком: повышенной чувствительностью к фазовым ошибкам восстановления поднесущей в ТВ приемнике. На рисунке 3.21 показан механизм возникновения искажений сигнала на выходах синхронных детекторов для случая, когда фаза восстановленной поднесущей отличается от истинного значения на угол δ1. Фазовая ошибка δ1 приводит к повороту осей детектирования I΄ и Q΄ по отношению к осям кодирования I и Q на угол δ1. В результате на выходах синхронных детекторов вместо сигналов UI и UQ мы имеем сигналы UI и UQ , для которых справедливы очевидные из рисунка 3.21 выражения: UI U Sm sin( S 1 ) U I cos 1 U Q sin 1 ; UQ U Sm cos(S 1 ) U Q cos 1 U I sin 1 . (3.7) Вторые слагаемые в правой части выражений (3.7) характеризуют так называемую перекрестную помеху, проникающую из канала Q в канал I и наоборот. Другой вид искажений связан с уменьшением полезной составляющей сигнала в cosδ1 раз, что приводит к некоторому уменьшению цветовой насыщенности. Из этих двух видов искажений наиболее опасным и заметным для зрителя является искажение цветового тона, вызываемое перекрестной помехой, в то время как изменение насыщенности в соответствии с выражением (3.7) воспринимается зрителем менее болезненно. В системе NTSC для обеспечения незаметности искажений цветности необходимо обеспечить восстановление фазы поднесущей с высокой точностью (δ1 ≤ 5º), что значительно ужесточает требования к качеству канала связи. Рисунок 3.21 – К пояснению природы перекрестной помехи при синхронном детектировании Система PAL, разработанная в 1962–1964 гг. и принятая в эксплуатацию в 1967 г. в ФРГ, может рассматриваться как усовершенствованный вариант системы NTSC, примененный для широкополосного (европейского) стандарта разложения B/G. Переход к стандарту B/G позволил отказаться от сигналов I и Q, выбрать новое (повышенное) значение частоты поднесущей f0=4,43 МГц и сохранить квадратурную модуляцию поднесущей двумя модифицированными цветоразностными сигналами UV и UU: U V 0,877 U R Y ; U U 0,493 U BY , (3.8) передаваемыми в полосе частот 1,3 МГц каждый. Спектрограмма сигнала ПЦТС в системе PAL приведена на рисунке 3.22. Из нее видно, что цветоразностные сигналы UV и UU передаются в составе модулированной поднесущей в полосе частот 1,3 МГц каждый с частичным подавлением верхней боковой полосы. Указанные отличия системы PAL от NTSC не являются принципиальными. Рисунок 3.22 –Совмещение каналов яркости и цветности в системе PAL (стандарт B/G) Существенное же отличие заключается в том, что фаза одной из квадратурных составляющих поднесущей (а именно той из них, которая совпадает с осью R-Y) меняется от строки к строке на 180º, а в приемнике сигналы цветности в двух соседних строках усредняются, что приводит к подавлению перекрестной помехи. Рассмотрим этот процесс (подавления помехи) более подробно. На рисунке 3.23 представлена векторная диаграмма сигнала цветности в двух соседних строках. Рисунок 3.23 –Векторная диаграмма сигналов в системе PAL Здесь же представлен сигнал цветовой синхронизации (вспышка поднесущей), который меняет свою фазу от строки к строке на 90º. Строки, в которых фаза вспышки поднесущей составляет 225º, условно названы нечетными, а остальные — четными строками. Из рисунка видно, что фаза вектора USm принимает в соседних строках значения ±φS, а фаза вспышки поднесущей несет информацию о четности (нечетности) текущей строки, что необходимо для безошибочного декодирования сигналов цветности. Механизм подавления перекрестной помехи в приемнике PAL поясняется графически на рисунке 3.24. Рисунок 3.24 – Подавление перекрестной помехи в системе PAL Для простоты изложения векторы модулированной поднесущей в соседних строках (для одного и того же цвета) обозначены A и В. Здесь же приведены векторы инвертированных сигналов А и B (т.е. -A и B). Из рисунка 3.24 со всей очевидностью следуют выражения: 1 ( A B); 2 1 U V ( A B); 2 1 U V ( B A ). 2 UU (3.9) Технически осуществить операции (3.9) можно с помощью схемы, приведенной на рисунке 3.25. Схема содержит линию задержки на строку, инвертор полярности сигнала (Инв.) и два сумматора. На выходе первого из них формируется сигнал, в котором подавлена квадратурная составляющая поднесущей, модулированная сигналом UV. Аналогично на выходе второго сумматора в сигнале подавлена квадратурная составляющая, модулируемая сигналом UU. Рисунок 3.25 – Схема подавления перекрестной помехи в системе PAL Векторные диаграммы сигналов на выходах сумматоров схемы (рисунок 3.25), которые далее попадают на входы синхронных детекторов PAL, приведены на рисунке 3.26. Рисунок 3.26 – Векторные диаграммы сигналов на входах синхронных детекторов канала R-Y (а) и канала B-Y (б) При синхронном детектировании этих сигналов с учетом фазовой ошибки восстановления поднесущей имеем на выходе канала R-Y а на выходе канала B-Y Uv= Uvcos δ1, (3.10) Uu= Uu cos δ1. (3.11) Если сравнить полученные формулы с выражениями (3.7), то можно заметить, что перекрестная помеха отсутствует полностью, сохраняется уменьшение цветовой насыщенности и имеет место знакопеременность сигнала на выходе синхронного детектора канала R-Y. Результатом является снижение чувствительности систем PAL к фазовым искажениям, поскольку уменьшение насыщенности остается незаметным для зрителя при 125º÷30º. Упрощенная схема кодера PAL представлена на рисунке 3.27. Вспышка поднесущей формируется путем введения в сигналы Uv и Uu отрицательных импульсов одинаковой амплитуды (СИ-строб). Этот же импульс подается на счетный вход триггера Т, который управляет ключом K, обеспечивая вместе с инвертором (Инв.) коммутацию фазы поднесущей в канале R-Y на 180º от строки к строке. Остальные элементы кодера PAL в дополнительных пояснениях не нуждаются, так как достаточно подробно рассмотрены в предыдущих разделах. Рисунок 3.27 – Упрощенная схема кодера PAL На рисунке 3.28 приведена функциональная схема декодера PAL, которая нуждается в пояснении особенности цепи подачи сигнала восстановленной поднесущей к синхронному детектору СД1 (канал R-Y). Ранее было показано (см. выражение (3.10)), что в канале R-Y имеет место знакопеременность (от строки к строке) сигнала UV. Для компенсации этого явления квадратурная составляющая поднесущей подводится к синхронному детектору СД1 через коммутатор фазы поднесущей на 180º от строки к строке. Коммутатор фазы состоит из ключа K и инвертора (Инв.); при этом ключ K должен работать синхронно и синфазно с соответствующим ключом в кодере PAL. Необходимая информация для формирования сигнала полустрочной частоты ƒс/2, управляющего работой ключа K, имеется в сигнале вспышки поднесущей, фаза которой имеет вполне определенные значения в четных и нечетных строках (см. рисунок 3.23). В простейшем случае, Рисунок 3.28 – Упрощенная схема декодера PAL например, можно использовать в качестве управляющего ключом K сигнал, снимаемый с выхода импульсно-фазового детектора (ИФД) схемы восстановления поднесущей (рисунок 3.16). Совместимая система цветного телевидения SECAM Система SECAM – это совместимая система цветного телевидения, в которой поднесущая, расположенная в спектре сигнала яркости, модулируется по частоте двумя чередующимися от строки к строке цветоразностными сигналами, а в приемнике пропущенные через строку цветоразностные сигналы с помощью линии задержки на строку и коммутатора заменяются цветоразностными сигналами предыдущих строк. Система SECAM была разработана во Франции, доработана с участием советских специалистов и принята в эксплуатацию одновременно в СССР и во Франции в 1967 году. В отличие от систем NTSC и PAL, в системе SECAM отказались от одновременной передачи двух цветоразностных сигналов, что позволило перейти от сложной квадратурной модуляции к более простой частотной модуляции поднесущей одним, но чередующимся от строки к строке, цветоразностным сигналом. Получается, что в текущей строке передается, например, сигнал UR-Y, а в качестве пропущенного сигнала используется сигнал UB-Y, который передавался в предыдущей строке. Таким образом, количество передаваемой цветовой информации в системе SECAM уменьшается вдвое по сравнению с системами NTSC и PAL, что приводит к уменьшению в 4 раза (с учетом чересстрочного разложения) вертикальной цветовой четкости. Отметим, что такое же снижение вертикальной четкости по цвету имеет место в системе PAL за счет усреднения сигналов цветности в двух соседних строках. Можно считать, что усовершенствования в системах PAL и SECAM достигнуты за счет устранения избыточной, т.е. не воспринимаемой зрителем, вертикальной цветовой четкости. Структурная схема кодера SECAM приведена на рисунке 3.29. Рисунок 3.29 – Упрощенная схема кодера SECAM На выходе кодирующей матрицы формируется сигнал яркости UY с замешанным сигналом синхронизации приемника (синхросмесь СС) и два цветоразностных сигнала DR и DB, описываемые выражением D R 1,9U R Y ; D B 1,5U BY . (3.12) После ключа К1, управляемого «меандром» полустрочной частоты, образуется последовательность чередующихся через строку цветоразностных сигналов DR и DB, которые после низкочастотной предкоррекции (НЧ ПК) поступают на частотномодулируемый генератор (ЧМ). Начальные (немодулированные) значения частоты ЧМ- генератора выбраны различными, в зависимости от передаваемого сигнала. В строках, передающих сигнал DR, начальное значение поднесущей f0R=4,40625 МГц; при передаче сигнала DB f0B=4,25 МГц. Начальные значения частоты поднесущей задаются кварцевыми резонаторами, подключаемыми к генератору через ключ К2, управляемый синхронно с ключом К1. Указанный сдвиг начальных значений поднесущей, коэффициенты компрессии -1,9 и 1,5 в выражении (3.12) выбраны с таким расчетом, чтобы мгновенные значения частоты поднесущей (fR и fB) при передаче сигналов DR и DB занимали один и тот же диапазон от 3,9 МГц до 4,8 МГц. После высокочастотной предкоррекции (ВЧ ПК) и коммутатора фазы поднесущей (КФ), управляемого коммутирующими импульсами (КИ), сигнал цветности US суммируется с сигналом яркости UY, образуя композитный ПЦТС. НЧ и ВЧ предкоррекция сигнала цветности предназначена для увеличения уровня ВЧ компонент спектра в канале с частотной модуляцией, что позволяет после обратной коррекции в приемнике улучшить отношение сигнал/шум. Коммутация фазы поднесущей на 180º осуществляется в начале и конце каждой третьей строки и дополнительно в каждом поле, что позволяет уменьшить заметность поднесущей и улучшить совместимость системы SECAM. На рисунке 3.30 приведена спектрограмма сигналов яркости и цветности, из которой видно, что сигналы DR и DB передаются в полосе частот 1,5 МГц каждый; при этом сигнал модулированной поднесущей уплотняется с сигналом яркости, сохраняя полностью нижнюю и верхнюю боковые полосы. Рисунок 3.30 – Совмещенные каналы яркости и цветности системы SECAM (стандарт D/K) Упрощенная функциональная схема декодера SECAM изображена на рисунке 3.31. На выходе фильтра Ф сигнал ПЦТС разделяется на составляющие – сигнал яркости UY и сигнал цветности US. Рисунок 3.31 – Функциональная схема декодера SECAM Сигнал цветности подается на вход 1 электронного коммутатора (ЭК) и на вход схемы цветовой синхронизации (ЦС), а также на вход 2 ЭК, но через линию задержки на период строки ТС. В результате на входах 1 и 2 ЭК имеем две последовательности чередующихся от строки к строке сигналов fR и fB (см. таблицу 3.2), которые необходимо преобразовать таким образом, чтобы на выходе 1 ЭК всегда присутствовал сигнал fR, а на выходе 2 – сигнал fB. Для этого необходимо соответствующее переключение через строку входов и выходов ЭК путем подачи на его управляющий вход сигнала полустрочной частоты. Сигналы fR и fB с выходов ЭК подаются на частотные детекторы (ЧД), детектируются и после коррекции НЧ предыскажений в устройствах КНЧ поступают вместе с сигналом яркости UY на входы декодирующей матрицы. Отметим, что коррекция ВЧ предыскажений осуществляется непосредственно в разделительном фильтре Ф. Таблица 3.2 Номер строки Сигнал на входе 1 ЭК Сигнал на входе 2 ЭК Сигнал на выходе 1 ЭК Сигнал на n n+1 n+2 n+3 и т.д. fR fB fR fB fR fB fR fB fR fB fR fR fR fR fR fB fB fB fB fB выходе 2 ЭК Несколько замечаний о работе схемы ЦС. Главная ее функция – выработка сигнала полустрочной частоты, управляющего работой ЭК. Этот сигнал обычно получают с помощью триггера, запускаемого по счетному входу строчными импульсами. В процессе работы необходимо правильно устанавливать и корректировать в случае сбоя фазу работы триггера таким образом, чтобы прохождение сигналов через ЭК соответствовало таблице 3.2. В современных телевизорах применяются современные быстродействующие схемы ЦС, использующие для коррекции информацию о начальном значении частоты поднесущей f0R или f0B, которую можно измерить в каждой строке на задней площадке строчного гасящего импульса во время передачи так называемой защитной вспышки поднесущей (см. рисунок 3.32). Рисунок 3.32 – Поднесущая в системе SECAM В телевизорах ранних выпусков для указанной цели используется сигнал цветовой синхронизации (СЦС), передаваемый в девяти строках каждого поля (в строках 7–15 и 320– 328), при этом реализуется покадровый метод ЦС, который на данный момент считается устаревшим и в перспективе подлежит устранению. Освобождающиеся при этом строки могут использоваться, например, для передачи сигналов телетекста. Упражнения 3.6.1 Как практически сформировать сквозную характеристику ТВ приемника, соответствующую рис. 3.4,б? Решение. ТВ приемник строится по супергетеродинной схеме. Обычно в супергетеродине АЧХ всего приемника определяется формой АЧХ усилителя промежуточной частоты, т.к. ширина полосы пропускания УВЧ существенно больше. В ТВ приемниках преобразование частоты осуществляется по формуле: ƒпр=ƒг–ƒс, (3.13) где ƒпр – промежуточная частота; ƒг – частота гетеродина; ƒс – частота сигнала. Из формулы (3.13) следует, что, в отличие от несущих частот, где выполняется соотношение ƒзв=ƒн+6,5 МГц, (3.14) для промежуточных частот звука и изображения имеем: fпр.н= ƒпр.зв+6,5 МГц. (3.15) Сравнение выражений (3.14) и (3.15) показывает, что на промежуточной частоте сигналы звука и изображения поменялись местами; это означает разворот спектра принимаемого сигнала на частотной оси, а следовательно, должна быть сформирована соответствующая частотная характеристика усилителя промежуточной частоты изображения (УПЧИ): Рис.3.33 Частотная характеристика УПЧИ телевизора Отметим, что в ТВ стандарте России ƒпр.и=38 МГц, а ƒпр.зв=31,5 МГц. В современных телевизорах требуемая характеристика УПЧИ (рисунок 3.33) реализуется с помощью твердотельных фильтров, выполненных по ПАВ-технологии. 3.6.2 Какова структура цветного изображения, если информация доставлена сигналом яркости UY в полосе частот 6 МГц и двумя цветоразностными сигналами UR-Y и UB-Y в полосе частот 1,5 МГц каждый? Решение. Вначале необходимо перейти от триады сигналов UY, UR-Y, UB-Y к триаде сигналов UR, UG, UB. Известно: UG-Y = -0,51UR-Y – 0,19UB-Y. Полоса частот сигнала UG-Y также равна 1,5 МГц. Затем вычисляем: UR = UR-Y+UY; UG = UG-Y+UY; UB = UВ-Y+UY. Разберемся с одним из этих выражений подробнее. Вначале распишем составляющие сигнала UR: UR-Y = UR (1,5 МГц) – UY (1,5 МГц); UY = UY(1,5 МГц)+UY(1,5 МГц÷6 МГц). Здесь в скобках указан диапазон частот, в котором сигнал существует. А теперь запишем для сигнала UR: UR (6 МГц) = UR-Y (1,5 МГц) + UY (6 МГц) = UR (1,5 МГц) – UY (1,5 МГц) + +UY(1,5 МГц) + UY (1,5 МГц÷6 МГц). Таким образом, для сигнала UR(6МГц) и по аналогии для остальных сигналов имеем: UR(6 МГц) = UR(1,5 МГц) + UY(1,5 МГц÷6 МГц); UG(6 МГц) = UG(1,5 МГц) + UY(1,5 МГц÷6 МГц); UB(6 МГц) = UB(1,5 МГц) + UY(1,5 МГц÷6 МГц). Анализируя полученные результаты, приходим к следующим выводам: сигналы UR, UG, UB соответствуют своему названию только в полосе частот 1,5 МГц; в полосе частот от 1,5 МГц до 6 МГц в составе сигналов UR, UG, UB присутствует один и тот же сигнал UY (1,5 МГц÷6 МГц) – высокочастотные компоненты сигнала яркости; цветное изображение на ТВ экране создается низкочастотными (до 1,5 МГц) компонентами сигналов UR, UG, UB; при равенстве сигналов UR=UG=UB, которое соблюдается, как мы установили, в диапазоне частот от 1,5 МГц до 6 МГц, формируется мелкоструктурная чернобелая компонента изображения, которая дополняет цветное изображение, придавая ему высокую четкость. 3.6.3 Вывести уравнение кодирующей матрицы для системы NTSC (рисунок 3.19). Решение. Обратимся к рисунку 3.17,из которого следуют выражения: U I 0,877 U R Y cos330 0,493U BY sin 330 ; U Q 0,877 U R Y sin 330 0,493U BY cos330. Подставив в эти выражения сos33º=0,839; sin33º=0,545, с учетом известных выражений для сигналов UY, UR-Y,UB-Y, UG-Y получим требуемый результат в следующем виде: U I 0,595U R 0,275U G 0,32 U B ; U Q 0,252 U R 0,562 U G 0,31U B ; U Y 0,3U R 0,59 U G 0,11U B . 3.6.4 Вывести уравнение декодирующей матрицы для системы PAL (рисунок 3.28). Решение. Запишем выражение (3.8) в следующем виде: U V 0,877( U R U Y ); U U 0,493( U B U Y ). Третьим известным сигналом на входе декодирующей матрицы является сигнал яркости U Y 0,3U R 0,59U G 0,11U B . Таким образом, мы имеем три уравнения, из которых необходимо найти три неизвестных: UR, UG, UB. Решая указанные три уравнения относительно неизвестных UR, UG, UB, получим требуемый результат в следующем виде: U R 1,14U V U Y ; U G 0,582U V 0,385U U U Y ; U B 2,028U U U Y . Контрольные вопросы 1. Как организовано наземное ТВ вещание? 2. Структурная схема телевизионной радиостанции. 3. Что такое негативная модуляция? Каковы ее преимущества перед позитивной? 4. Каков спектральный состав излучения ТВ радиостанции? 5. Зачем используется частичное подавление нижней боковой полосы в передатчике изображения? 6. Как правильно сформировать частотную характеристику ТВ приемника. 7. Структурная схема ТВ приемника. 8. Что такое принцип совместимости? 9. Перечислите известные вам совместимые системы цветного телевидения. 10. Какие сигналы передаются в совместимой системе ЦТ? 11. Какие свойства цветового зрения использованы при создании совместимых систем ЦТ? 12. Что такое компонентный и композитный сигнал цветного телевидения? 13. Какие свойства ТВ сигналов используются при частотном уплотнении спектров в совместимых системах ЦТ? 14. Что такое поднесущая и зачем она нужна? 15. Как правильно выбрать поднесущую частоту в совместимой системе ЦТ? 16. Структурная схема кодера и декодера совместимой системы ЦТ. 17. В каких совместимых системах ЦТ используется квадратурная модуляция? 18. Что такое квадратурная модуляция? 19. Треугольник основных цветов передачи Y, R-Y, B-Y. Как его построить на цветовом графике XYZ? 20. Как провести на цветовом графике XYZ оси кодирования R-Y и B-Y? 21. Векторная диаграмма сигналов при квадратурной модуляции. 22. Что такое синхронное детектирование? 23. В чем заключается цветовая синхронизация в совместимых системах ЦТ? 24. Что такое «вспышка» поднесущей? Ее параметры в системах NTSC и PAL. 25. Модификации цветоразностных сигналов в системах NTSC, PAL, SECAM. 26. Схема восстановления поднесущей в системах NTSC и PAL. 27. Особенности структурных схем кодера и декодера в системе PAL по сравнению с системой NTSC. 28. Недостатки совместимой системы ЦТ NTSC и как они устранены в системе PAL. 29. В чем состоят главные отличия системы SECAM от систем NTSC и PAL? 30. Упрощенные структурные схемы кодера и декодера в системе SECAM. Где обо всем этом можно прочитать [1], стр.242–305; 387–397. [2], стр.107–138. [3], стр.69–72; 78–82; 83–99. [4], стр.182–203. [5], стр.28–38;141–174. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ УСТРОЙСТВ Оптический узел Оптический узел является обязательной частью видеокамеры и состоит из объектива и (в случае цветной передачи) цветоделительной головки. Объектив представляет собой своеобразную «антенну» оптического диапазона и предназначен для создания оптической проекции передаваемой сцены на входной светочувствительной поверхности преобразователя свет-сигнал (ПСС). Основные параметры объектива следующие: f ΄ – фокусное расстояние (мм); D – диаметр входного зрачка (мм); ε = D/f ΄ – относительное отверстие; τ – коэффициент пропускания; ε2 – геометрическая светосила; τε2 – физическая светосила. Если известна яркость объекта передачи L (кд/м2), то освещенность Eвх (лк), создаваемая объектом на входном окне ПСС, вычисляется по формуле Eвх = πτε2 L / [4(1+V0)2], (4.1) причем для линейного увеличения V0 имеем V0 = f ΄/r0 , где r0 – расстояние от объекта до объектива. (4.2) Для отражающих объектов (а таких большинство) выражение (4.1) принимает вид Eвх = τε2 ρE / [4(1+V0)2], (4.3) где E – освещенность объекта передачи, ρ – коэффициент отражения поверхности объекта. Из выражений (4.1) и (4.3) следует, что для повышения чувствительности видеокамеры необходимо выбирать объектив с максимальной физической светосилой. Требуемое фокусное расстояние f ΄ объектива находим (из геометрических соображений) по формуле f ΄= r0hр /hоб , (4.4) где hр – вертикальный размер рабочего участка входного окна ПСС, совпадающий с размером растра в ПСС; hоб – вертикальный размер объекта передачи, который должен быть вписан по вертикали в телевизионное изображение. При выборе объектива необходимо также учитывать рекомендуемое соотношение Nоб.ф. ≥ (1,5 ÷ 2) NT (4.5) между фотографической разрешающей способностью объектива Nоб.ф. и предельной разрешающей способностью ТВ системы NT, выражаемых количеством разрешаемых линий на миллиметр (лин/мм). При соблюдении условия (4.5) объектив не снижает заметно разрешающую способность ТВ системы, которую можно вычислить по формуле NT = zакт / (2hр). (4.6) Величина Nоб.ф. является параметром объектива и составляет для телевизионных объективов от 30 до 55 лин/мм. Отметим, что наиболее трудно выполнить условие (4.5) для ПСС с малыми размерами входного окна. Что касается цветоделительной головки цветной видеокамеры, то она кратко описана в разделе 2.7. Телевизионные преобразователи свет-сигнал (ПСС) Краткий обзор ПСС Современные ПСС основаны на явлениях внешнего или внутреннего фотоэффекта. В отличие от таких простейших преобразователей, как фотоэлемент или фотодиод, телевизионные ПСС являются многоэлементными приборами, в которых процесс фотоэлектрического преобразования по всему полю изображения совмещен с процессом развертки, во время которой производится считывание информации о яркости и цветности последовательно со всех элементов изображения и формирование телевизионных видеосигналов. ПСС можно разделить на два класса – приборы с разверткой в оптическом канале и приборы с разверткой в электрическом канале. К первому классу относятся оптикомеханические системы и системы бегущего луча, которые применяются в прикладном, малокадровом и специальном телевидении. В визуальном телевидении, как правило, используются ПСС с разверткой в электрическом канале, причем здесь также можно выделить два подкласса – приборы мгновенного действия и приборы с накоплением заряда. Ярким представителем семейства приборов мгновенного действия является диссектор, который, однако, не может быть использован в вещательном телевидении из-за низкой чувствительности. В телевизионном вещании используются исключительно ПСС с накоплением зарядов, среди которых наиболее широко распространены электровакуумные приборы типа видикон и его модификации: плюмбикон, кремникон, сатикон, а также твердотельные ПСС – матрицы ПЗС. Диссектор Диссектор, изобретенный в 1925 г., является одной из первых передающих телевизионных трубок, нашедших практическое применение. Устройство диссектора показано на рисунке 4.1. В диссекторе можно выделить следующие основные узлы: фотоэлектрический преобразователь, секцию переноса, фокусировки и отклонения и секцию послекоммутационного усиления. Диссектор работает следующим образом. Оптическое изображение, спроецированное с помощью объектива на полупрозрачный фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию, в результате чего в непосредственной близости от фотокатода образуется электронное изображение, в котором плотность электронов пропорциональна освещенности соответствующего участка фотокатода. Рисунок 4.1 – Устройство диссектора (ФС – фокусирующая система, ОС – отклоняющая система, ВЭУ – вторично-электронный умножитель) Перенос электронного изображения в плоскость анода осуществляется за счет положительного потенциала (0 В), поданного на анод по отношению к потенциалу фотокатода (-500 В). При переносе необходимо обеспечить фокусировку электронного изображения, которая заключается в том, что электроны, вылетающие из одной точки фотокатода под разными углами и с разными скоростями, вновь собираются в одной точке в плоскости фокусировки. Фокусировка производится с помощью длинной магнитной линзы (ФС), создающей равномерное магнитное поле в секции переноса. Равномерное магнитное поле относится к классу аксиальносимметричных полей, которые оказывают собирающее (фокусирующее) воздействие на расходящиеся электронные пучки. Сказанное относится как к магнитным, так и электростатическим аксиально-симметричным полям. Регулируя постоянный ток, протекающий через катушку ФС, мы изменяем напряженность фокусирующего магнитного поля и при некотором его значении совмещаем плоскость фокусировки с плоскостью анода, где и происходит поэлементное считывание телевизионной информации. Для считывания в центре анода вырезано апертурное отверстие, размер которого равен размеру элемента изображения. Фототок, прошедший апертурное отверстие, попадает на первый динод ВЭУ и после усиления, протекая в цепи последнего динода – коллектора, образует на резисторе нагрузки Rн напряжение сигнала Uс. Развертка в диссекторе осуществляется путем перемещения электронного изображения относительно неподвижной апертуры по закону телевизионной развертки. Отклоняющие токи строчной и кадровой частоты подводятся к соответствующим катушкам ОС. Важнейшим элементом диссектора, во многом определяющим его характеристики, является полупрозрачный фотокатод, устройство которого показано на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 – Устройство полупрозрачного фотокатода (1 – стекло, 2 – металлическая подложка, 3 – светочувствительный слой) Светочувствительный слой, подчиняющийся законам внешнего фотоэффекта, нанесен на полупрозрачную металлическую подложку, которая необходима для гальванического соединения фотокатода с источником ускоряющего напряжения. Из рисунка видно, что полупрозрачный фотокатод работает на просвет; поэтому необходимо, чтобы металлическая подложка имела минимальную толщину и не поглощала световые кванты. Основные параметры диссектора следующие: ε0 (мкА/лм) – интегральная чувствительность фотокатода; Sф (м2) – площадь рабочего участка фотокатода; S0 (м2) – площадь апертурного отверстия; КВЭУ = σn – коэффициент усиления ВЭУ; σ – коэффициент вторичной эмиссии динодов ВЭУ; n – число динодов ВЭУ; ic (А) – ток сигнала на выходе диссектора. Проведем расчет ic для случая, когда масштаб электронного изображения при переносе не изменяется. При этом целесообразно принять площадь элемента изображения SЭ равной площади апертурного отверстия S0: SЭ= S0 . (4.7) Элементарный фототок i0, проходящий через апертурное отверстие на вход ВЭУ, найдем в соответствии с первым законом фотоэффекта (закон Столетова): i0 =FЭ ε0 , (4.8) где FЭ – световой поток, падающий на элемент изображения: FЭ = Евх S0 . (4.9) С учетом (4.9) выражение (4.8) запишется следующим образом: i0 = ε0 S0 Евх , где Евх (лк) – освещенность на фотокатоде диссектора. Ток сигнала на выходе диссектора найдем по очевидной формуле: (4.10) ic = i0 КВЭУ = ε0 S0 Евх σn. (4.11) Основным источником шума в диссекторе являются дробовые шумы фототока, дисперсия которых вычисляется по известной формуле: 2 iДР 2ei0 f В , (4.12) где fВ – верхняя граничная частота видеосигнала в диссекторном канале; е – заряд электрона. Тогда отношение сигнал/шум Ψ0 на входе ВЭУ можно вычислить по формуле: 0 i0 2 iДР i0 . 2ef В (4.13) На выходе диссектора отношение сигнал/шум Ψ несколько уменьшается за счет шумов ВЭУ: 0 1 . (4.14) Достоинства диссектора малая инерционность и линейная световая характеристика; недостатки – малая чувствительность и разрешающая способность, находящиеся во взаимном противоречии. Область применения – телевизионные автоматические системы измерения, контроля и управления. Принцип накопления зарядов Главный недостаток диссектора – низкая чувствительность – обусловлен тем, что диссектор является прибором мгновенного действия, у которого в формировании сигнала участвует фототок одного элемента изображения, коммутируемого в данный момент времени. Фототоки с остальных элементов бомбардируют анод, не участвуя в создании видеосигнала. Такой расточительный режим работы фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) ликвидирован в приборах с накоплением зарядов. Эквивалентная схема такого прибора изображена на рисунке 4.3. Согласно схеме, каждый элемент накопительной мишени состоит из фотоэлемента и накопительного элементарного конденсатора СЭ. В течение времени кадра ТК каждый из конденсаторов заряжается элементарным фототоком i0, величина которого пропорциональна освещенности соответствующего элемента. Ввиду большого внутреннего сопротивления Ri фотоэлемента соблюдается условие СЭ(Ri+Rн)>>TК, (4.15) при котором ток заряда можно считать постоянным и равным i0. При этом величина накопленного заряда q=i0TК. (4.16) В процессе телевизионной развертки каждый из накопительных конденсаторов СЭ разряжается через Rн, для чего он с помощью коммутатора K подключается параллельно Rн на время длительности элемента τЭ. Рисунок 4.3 – Принцип накопления зарядов Для полного разряда конденсатора СЭ необходимо выполнение условия СЭ Rн<< τЭ, (4.17) тогда ток сигнала ic можно вычислить по формуле ic = q/ τЭ, (4.18) т.е. как среднее за время элемента. С учетом (4.16) получаем: iC i0 TК i0 N, ТЭ (4.19) где N – число элементов разложения. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум достигает величины 0 N . (4.20) Например, для вещательного стандарта России переход к системе с накоплением зарядов приводит к увеличению тока сигнала ic в 440833 раза (см. таблицу 1.3) и отношения сигнал/шум в 664 раза. Видикон Одной из наиболее известных передающих телевизионных трубок с накоплением зарядов является видикон, в котором в качестве ФЭП используется полупроводниковая светочувствительная накопительная мишень. Устройство мишени не отличается от устройства полупрозрачного фотокатода (рисунок 4.2), только вместо фотоэмиссионного слоя на полупрозрачную металлическую подложку нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. Кольцевой вывод подложки называют сигнальной пластиной СП и используют для съема видеосигнала. Внутренний фотоэффект, используемый в видиконе, заключается в том, что под действием световых квантов с достаточной энергией в толще высокоомного полупроводника возникают электроннодырочные пары, уменьшающие объемное сопротивление материала мишени. С другой стороны, высокое поверхностное сопротивление мишени не дает «растекаться» по мишени электрическим зарядам, что позволяет рассматривать элемент мишени как параллельную RЭСЭ цепочку, в которой величина RЭ зависит от освещенности Евх данного элемента (с увеличением Евх уменьшается RЭ). Устройство видикона показано на рисунке 4.4. Развертка изображения осуществляется сфокусированным электронным лучом. Для фокусировки используется комбинированная система, содержащая длинную магнитную (входит в состав ФОС) и электростатическую (А1, А2, СМ) линзы. Катушки строчного и кадрового отклонения также входят в состав ФОС. При совместном воздействии на мишень светового изображения и сканирующего электронного луча на поверхности мишени, обращенной к катоду, в динамическом режиме образуется потенциальный рельеф, при считывании которого электронным лучом в цепи сигнальной пластины протекает ток сигнала ic, содержащий информацию о распределении яркости во входном оптическом изображении. Процесс образования потенциального рельефа и видеосигнала (в режиме «медленных» электронов) поясняется на рисунке 4.5. Рисунок 4.4 – Устройство видикона (СП – сигнальная пластина, СМ – сетка мишени, А – анод, М – модулятор, К – катод, ФОС – фокусирующеотклоняющая система) В момент коммутации элемента мишени электронным лучом правая обкладка конденсатора СЭ приводится к потенциалу катода, т.е. конденсатор СЭ заряжается до напряжения Uсп, после чего остаток электронного луча отражается от мишени. После коммутации элемента мишени для него начинается цикл накопления, который длится до момента следующей коммутации, т.е. время кадра Тк. Рисунок 4.5 – Схема формирования сигнала в видиконе Так как RЭ зависит от освещенности элемента, то разные элементы разрядятся к концу накопления до разных остаточных напряжений; в результате на мишени проявляется потенциальный рельеф, при считывании которого происходит модуляция отраженного луча, т.к. для приведения к равновесному потенциалу Uсп конденсаторов СЭ, разряженных до разных уровней, необходимо затратить разное количество электронов, источником которых является прямой электронный луч. Из рисунка 4.5 очевидно следующее выражение: ic = i1 – i2 , (4.21) где i1 и i2 – соответственно токи прямого и обратного лучей видикона (причем i1 =const). Из выражения (4.21) следует, что модуляция потенциальным рельефом (а следовательно, и яркостью входного изображения) отраженного пучка переносится (с обратным знаком) и на ток сигнала ic видикона. На рисунке 4.6 приведены для сравнения световые характеристики диссектора (внешний фотоэффект) и видикона (внутренний фотоэффект). Рисунок 4.6 – Световые характеристики диссектора и видикона (в относительных единицах) Для видикона характерна нелинейность световой характеристики, аппроксимируемая выражением γ iC к 0 Е ВХ , (4.22) где γ – коэффициент нелинейности, значение которого для разных модификаций трубок лежит в интервале от 0,5 до 1. Причиной нелинейности является процесс рекомбинации электронно-дырочных пар в толще фотопроводящей мишени, интенсивность которого нарастает с ростом освещенности мишени. Достоинства трубки достаточно высокая чувствительность (ic=0,05÷ 0,3 мкА при Евх=0,2÷10 лк), малые габариты, простота и надежность в работе; недостатки – инерционность, нелинейность световой характеристики. Указанные недостатки преодолены в разновидности видикона – плюмбиконе, в котором использована фотодиодная мишень из окиси свинца. Область применения плюмбикона – высококачественные студийные камеры цветного телевидения. ПЗС-матрицы Перспективными в современном телевидении являются твердотельные преобразователи свет-сигнал на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-структура удачно сочетает в себе способность преобразования оптического изображения в совокупность зарядовых пакетов с возможностью Основным элементом ПЗС-структуры накопления, хранения и перемещения пакетов в нужном направлении. является МОП-конденсатор, образованный полупроводниковой подложкой (на рисунке 4.7 – из n-кремния) и металлическим электродом, которые разделены слоем диэлектрика из окиси кремния. Под действием света в подложке за счет внутреннего фотоэффекта образуются электроннодырочные пары, плотность которых пропорциональна освещенности подложки. Если на электрод подать отрицательный потенциал (например, -10 В), то в толще подложки под этим электродом образуется зона (на рисунке 4.7 показана пунктиром), из которой вытесняются электроны (основные носители заряда в n-кремнии) и которая называется потенциальной ямой. Рисунок 4.7 – ПЗС-структура Потенциальная яма является ловушкой для положительных зарядов (в данном случае дырок), и постепенно в ней накапливается так называемый зарядовый пакет, величина которого пропорциональна времени накопления и освещенности Евх данного элемента подложки. Рассмотрим теперь процесс перемещения зарядовых пакетов в нужном направлении на примере трехфазного сдвигового регистра (рисунок 4.8). МОП-конденсаторы в регистре (а) объединены в три группы сигнальными шинами, к которым подводится трехфазное напряжение (в), управляющее сдвигом зарядовых пакетов слева направо (б). Из рисунка видно, что время перемещения всех зарядов на одну ячейку вправо составляет одну треть от периода трехфазного напряжения U1÷U3. Нетрудно заметить, что направление перемещения пакетов можно изменить на обратное, если изменить знак наклона в пилообразной части трехфазного импульса управления. Скорость перемещения также можно изменять в широких пределах изменением частоты управляющих трехфазных импульсов. На рисунке 4.9 в качестве примера приведен преобразователь свет-сигнал на основе ПЗСматрицы с покадровым переносом. В матрице можно выделить три узла: секция накопления, секция хранения и выходной регистр, каждый из которых управляется своим трехфазным сигналом (A, B, C). Оптическое входное изображение проецируется на секцию накопления, на элементах которой происходит накопление зарядовых пакетов. Каждый элемент Рисунок 4.8 – Перемещение зарядовых пакетов в трехфазном сдвиговом регистре: а) регистр; б) положение зарядовых пакетов в моменты времени t1, t2, t3; в) трехфазное управляющее напряжение матрицы состоит из трех МОП-конденсаторов, один или два из которых находятся в режиме накопления. Во время кадрового гасящего импульса с помощью фазных напряжений A и B зарядовые пакеты из секции накопления по вертикали переносятся в секцию хранения, после чего в секции накопления начинается очередной цикл накопления, а в секции хранения и выходном регистре – считывание информации и формирование видеосигнала. Отметим, что для переноса накопленного кадра (поля) в секцию хранения требуется z периодов трехфазных напряжений A и B, где z – вертикальный размер секции накопления, выраженный в элементах. Технология вывода информации из секции хранения следующая. Во время строчного гасящего импульса с помощью фазного импульса B (один период) совокупность зарядовых пакетов, хранящихся в секции, сдвигается на одну строку вниз, в результате чего нижняя из хранящихся строк оказывается записанной в выходной регистр. Затем во время прямого хода строки зарядовые пакеты продвигаются по регистру слева направо с помощью трехфазных Рисунок 4.9 – Матрица ПЗС импульсов C, идущих с тактовой частотой f = 1/τЭ , (4.23) и вводятся в цепь затвора встроенного выходного усилителя. Здесь происходит преобразование зарядового пакета в напряжение сигнала в соответствии с формулой UC=q/C , (4.24) где q –величина зарядового пакета; С – паразитная емкость встроенного усилителя. После усиления видеосигнал поступает на выход ПЗС-матрицы. Чересстрочная развертка в ПЗС-матрице реализуется путем подачи в четном и нечетном полях смещающего напряжения (-10 В на рисунке 4.7) на разные шины, входящие в группу шин А: например, на шину А1 в нечетном поле и на шины А2 и А3 в четном поле. При этом области накопления в четном и нечетном полях сдвинуты друг относительно друга по вертикали на полэлемента, что позволяет вдвое (по сравнению с построчной разверткой) увеличить разрешающую способность матрицы по вертикали, не изменяя число элементов матрицы. В заключение отметим, что электровакуумные (видиконного типа) и твердотельные (типа ПЗС) преобразователи свет-сигнал находятся в состоянии конкурентного соревнования, особенно в связи с развитием систем ТВЧ. Специфические узлы телевизионного усилительного тракта Схема восстановления постоянной составляющей (ВПС) Особенностью телевизионного сигнала является наличие в его составе постоянной составляющей, содержащей информацию о средней освещенности передаваемой сцены. Отдельные каскады усилительного тракта выполняются по схеме усилителей переменного тока и содержат переходные RCцепи, которые задерживают постоянную составляющую сигнала. На рисунке 4.10 показано, как изменяются уровни в видеосигнале «белых» и «черных» строк при потере постоянной составляющей. Рисунок 4.10 – К пояснению работы схемы ВПС: а) сигнал с постоянной составляющей; б) сигнал с потерянной постоянной составляющей Видно, что уровень черного, который должен быть постоянным, изменяется в зависимости от уровня потерянной постоянной составляющей. Уровни черного и белого сближаются (см. рисунок 4.10,б); это и есть яркостные искажения в сигнале, возникающие из-за потери постоянной составляющей. Также видно, что размах видеосигнала с потерянной постоянной составляющей увеличивается в 1,6 раза, что приводит к нерациональному использованию динамического диапазона ТВ усилительного тракта; например, уменьшается в 1,6 раза коэффициент модуляции передатчика изображения при переходе от уровня синхроимпульсов к уровню белого. Из осциллограмм рисунка 4.10,б следует, что уровень излучения передатчика на уровне синхроимпульсов будет зависеть от содержания изображения, что не допускается действующим стандартом и может привести к неустойчивой синхронизации разверток ТВ приемника. Сказанного достаточно, чтобы принять меры к восстановлению утерянной постоянной составляющей сигнала. Для начала отметим, что эта операция выполнима не для любого сигнала. В этом смысле телевизионный сигнал является исключением, так как в самой форме сигнала имеется в закодированном виде информация о том, что нужно сделать, чтобы восстановить утраченную постоянную составляющую сигнала. Сравнивая осциллограммы а) и б) на рисунке 4.10, приходим к выводу, что для восстановления постоянной составляющей сигнала нужно, не изменяя форму видеосигнала внутри строки, переместить каждую строку по вертикали таким образом, чтобы зафиксировать на одном уровне (уровне черного) во всех строках горизонтальные площадки, соответствующие строчным гасящим импульсам. Данная операция осуществляется с помощью схемы ВПС (схемы фиксации уровня). В настоящее время в основном используются управляемые схемы ВПС, принцип работы которых поясняется на рисунке 4.11. Схема ВПС состоит из конденсатора C и ключа K, управляемого импульсами фиксации ИФ, которые по времени совпадают с задней площадкой строчных гасящих импульсов. Рисунок 4.11 – Принцип работы схемы ВПС Во время действия ИФ ключ K замкнут и в сигнале Uвых задняя площадка фиксируется на нулевом уровне, независимо от его уровня во входном сигнале. При разомкнутом ключе K (т.е. в промежутке между соседними ИФ) сигнал проходит на выход через переходную цепь с постоянной времени τ = CRi >> Tc , (4.25) где Ri – сопротивление разомкнутого ключа. Так как при этом конденсатор C не успевает сколько-нибудь заметно зарядиться (или разрядиться), любое приращение входного сигнала полностью и без искажений передается на выход. Образно говоря, схема ВПС разрезает входной видеосигнал на строчные отрезки и выстраивает эти отрезки по вертикали таким образом, чтобы вершины строчных гасящих импульсов вытянулись в прямую линию, совпадающую с уровнем фиксации (на рисунке 4.11 это нулевой уровень). Практическая схема ВПС для цветного телевидения приведена на рисунке 4.12. На входе схемы включен повторитель, обеспечивающий малую постоянную времени цепи заряда конденсатора C при открытом ключевом транзисторе T. Повторитель на выходе схемы ВПС обеспечивает выполнение условия (4.25) при разомкнутом ключе. Уровень фиксации сделан переменным с помощью резистора R. Эта регулировка по смыслу соответствует регулировке «яркость». Колебательный контур в коллекторной цепи ключевого транзистора T настроен на частоту поднесущей f0 и предотвращает искажение вспышки поднесущей в составе ПЦТС на задней площадке строчного гасящего импульса. Рисунок 4.12 – Схема ВПС для сигнала ЦТ В схеме рисунка 4.11, например, вспышка поднесущей будет уничтожена путем короткого замыкания на землю через открытый ключ K. В заключение отметим, что в качестве ИФ удобно использовать упоминаемый ранее сигнал СИ-строб. Предварительный видеоусилитель с противошумовой коррекцией Предварительный усилитель телевизионной передающей камеры предназначен для усиления слабого сигнала Uc с выхода ПСС до уровня ~1 В и обеспечения при этом достаточно высокого отношения сигнал/шум Ψ на выходе усилителя; при этом для вычисления Ψ можно использовать известную формулу 2 2 ТР УС 2 2 , ТР УС (4.26) где ΨТР – отношение сигнал/шум на выходе трубки (ПСС); ΨУС – отношение сигнал/шум на выходе усилителя, если допустить, что на его вход поступает незашумленный сигнал. Для видикона, например, при токе сигнала ic=0,05÷0,3 мкА отношение сигнал/шум ΨТР, вычисляемое по формуле (4.13), составляет ΨТР=162÷394. Заметность шума на ТВ изображении характеризуется данными, приведенными в таблице 4.1. Таблица 4.1 Заметность шума на изображении Не влияет на качество Едва заметен Ψ ≥200 100÷300 Допустимое зашумление 30÷100 Международный консультативный комитет по радио (МККР) рекомендует в качестве допустимого значения Ψ, обеспечивающего хорошее качество изображения, Ψ=80 (или 38 дБ). Величина ΨУС, характеризующая шумовые свойства усилителя, находится из выражения (4.26): УС 2 2 ТР . 2 ТР 2 (4.27) Подставляя в формулу (4.27) Ψ=80, ΨТР=162÷394, получим: ΨУС≥92,5÷83,3. Приведенный численный пример позволяет сделать принципиальный вывод: если ПСС имеет малый ток сигнала ic (порядка 0,1 мкА) с высоким отношением сигнал/шум ΨТР (порядка 200), то отношение сигнал/шум Ψ в телевизионном канале определяется в основном шумовыми характеристиками предварительного видеоусилителя, т.е. Ψ ΨУС . (4.28) Одним из эффективных способов уменьшения внутренних шумов предварительного усилителя является противошумовая коррекция, предложенная отечественным ученым Г.В. Брауде в 1933 г. Для изучения принципа противошумовой коррекции и вывода формулы для расчета ΨУС рассмотрим входную цепь предварительного видеоусилителя (рисунок 4.13), состоящую из резистора нагрузки Rн и паразитной емкости Cн, образованной емкостью монтажа, входной емкостью активного элемента (полевого транзистора) первого каскада усилителя и выходной емкостью ПСС (например, видикона). Рисунок 4.13 – Входная цепь предварительного видеоусилителя Напряжение сигнала Uc на входе усилителя вычисляется по очевидной формуле Uc= ic Rн , (4.28) которая справедлива при выполнении условия 1/(2π fвCн) >> Rн , (4.29) когда можно пренебречь амплитудно-частотными искажениями сигнала во входной цепи. Если коэффициент усиления первого каскада равен 5÷10, то уровень шумов, вносимых усилителем, определяется дробовыми шумами первого каскада и тепловыми шумами резистора нагрузки Rн. Дисперсия шумов, приведенных ко входу усилителя, вычисляется по формуле ____ 2 ш =4kTfв(Rн+Rш) , (4.30) 23 где k= 1,38 10 Дж/К – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура (300 K); Rш – эквивалентное шумовое сопротивление усилительного элемента первого каскада. В случае полевого транзистора Rш вычисляется по формуле Rш = 0, 7 , S (4.31) где S – крутизна транзистора. Для некорректированного (без противошумовой коррекции) усилителя с учетом выражений (4.28) и (4.30) имеем: УС (0) UC ____ ш2 iC R H 4kTf В (R H R Ш ) . (4.32) Из выражения (4.32) видно, что ΨУС увеличивается пропорционально R H . На этом и основан принцип простой противошумовой коррекции. Преобразователь свет-сигнал обычно можно рассматривать как генератор тока с большим внутренним сопротивлением Ri >> Rн. При этом можно считать, что ток сигнала ic не зависит от величины Rн и, следовательно, увеличивая Rн, мы добиваемся увеличения амплитуды тока на входе усилителя и тем самым уменьшаем влияние тепловых и дробовых шумов предварительного видеоусилителя. При простой противошумовой коррекции сопротивление резистора Rн выбирается большой величины (порядка 105 Ом), при которой условие (4.29) не соблюдается. Это означает, что входная параллельная цепочка RнCн ведет себя по отношению к генератору тока (ПСС) как интегрирующая цепь с коэффициентом передачи К ВХ () 1 1 2 R 2H C 2H . (4.33) Для того, чтобы скомпенсировать искажения спектра сигнала во входной цепи, АЧХ видеоусилителя должна иметь вид К УС () К 0 1 2 R 2H C 2H , (4.34) где K0 – коэффициент усиления на нижних частотах. Очевидно, что результирующий коэффициент передачи предварительного видеоусилителя с учетом входной цепи равен К ВХ () К УС () К 0 , т.е. не зависит от частоты (в пределах полосы пропускания до fв). Выражение для ΨУС, выведенное для усилителя с простой противошумовой коррекцией и учитывающее неравномерность (4.34) частотной характеристики усилителя, имеет вид УС iC R H 2В R 2H C 2H 4kTf В R H R Ш 1 3 . (4.35) Сравнение выражений (4.32) и (4.35) показывает, что рост ΨУС с увеличением Rн замедляется за счет неравномерности АЧХ усилителя (выражение (4.34)) и относительного увеличения высокочастотных компонент дробового шума на выходе усилителя. Если в выражении (4.35) принять Rн→∞, то получим выражение для предельного значения ΨУС на выходе предварительного видеоусилителя с простой противошумовой коррекцией: УС max iC 3 . 4kTf В R Ш В С Н (4.36) Из полученного выражения видно, что для улучшения шумовых свойств усилителя необходимо уменьшать Rш и Cн. На рисунке 4.14 показана структура усилителя с простой противошумовой коррекцией. Искажения сигнала во входной цепи корректируются так называемым дифференцирующим каскадом с частотной характеристикой типа (4.34). Рисунок 4.14 – Структура предварительного видеоусилителя с простой противошумовой коррекцией Этот каскад занимает в усилителе такое место, чтобы уровень сигнала на его выходе не менее, чем на порядок, превышал уровень входного сигнала усилителя. Тогда шумы последующих каскадов не будут влиять на результирующе значение ΨУС. Двойная коррелированная выборка (ДКВ) В данном разделе рассматриваются особенности видеоусилителя телевизионного датчика, использующего ПЗС-матрицу в качестве источника сигнала. Первая особенность состоит в том, что входной каскад усилителя, выполненный на МОП-транзисторе (рисунок 4.15,а), встроен непосредственно в кристалл ПЗС. Это обеспечивает минимизацию паразитной емкости C, на которой фиксируется зарядовый пакет, выведенный из матрицы в область затвора транзистора первого усилительного каскада. Напряжение сигнала Uc, создаваемое зарядовым пакетом на емкости C, равно Uc=q/C, (4.37) т.е. тем больше, чем меньше паразитная емкость. После усиления этот сигнал поступает на внешний усилитель. Рисунок 4.15 – Эквивалентная схема выходного узла матрицы ПЗС (а) и временная диаграмма сигнала (б) Так как входное сопротивление встроенного каскада на МОП-транзисторе велико, заряд на паразитной емкости не растекается и должен быть принудительно снят перед выводом очередного зарядового пакета. Для этой цели в выходной узел матрицы ПЗС введен транзисторный управляемый ключ K, который перед выводом очередного зарядового пакета на некоторое время замыкается и нейтрализует заряд от предыдущего пакета. При построении временной диаграммы сигнала Uc (рисунок 4.15,б) учтена неидеальность работы транзисторного ключа K, приводящая к появлению в сигнале шумов сброса, аналогичных тепловому шуму нагрузочного резистора передающей трубки. Неидеальность работы ключа заключается в том, что при замкнутом ключе его сопротивление Rк≠0. При этом параллельно входу МОПтранзистора включена цепочка RкC, являющаяся источником дополнительного шума. В результате к моменту размыкания (t = t1+nτЭ, где n – целое число) на емкости C фиксируется не нулевой потенциал, как это должно было бы быть при идеальном ключе, а некоторый шумовой потенциал: Uc (t1+nτЭ)=Uш. (4.38) Этот шумовой заряд при разомкнутом ключе не растекается и к моменту времени t=t2+nτЭ суммируется с очередным зарядовым пакетом: Uc (t2+nτЭ)=Uш+Uc . (4.39) Из сравнения выражений (4.38) и (4.39) видно, что для получения отсчетов сигнала Uc, очищенного от шумов сброса, необходимо выполнить операцию Uc= Uc(t2+nτЭ) – Uc(t1+nτЭ). (4.40) Эта операция называется двойной коррелированной выборкой (ДКВ) и реализуется с помощью специального устройства (рисунок 4.16,а), включаемого в тракт внешнего видеоусилителя. Это вторая существенная особенность видеоусилителя сигнала ПЗС-матрицы. Рисунок 4.16 – Функциональная схема устройства ДКВ (а) и эпюры напряжений в схеме (б) Устройство ДКВ состоит из двух конденсаторов, двух управляемых ключей и двух повторителей, предотвращающих несанкционированный разряд конденсаторов при разомкнутых ключах. Из эпюр напряжений в схеме (рисунок 4.16 б) видно, что конденсатор C1 и ключ K1 образуют управляемую схему ВПС, выполняющую фиксацию входного сигнала (показана положительная полярность сигнала) на нулевом уровне в моменты t=t1+nτЭ. В выходном сигнале схемы ВПС (сигнал U0) в моменты времени t=t2+nτЭ при этом формируются отсчеты сигнала Uc, очищенные от шумов сброса и отвечающие выражению (4.40). С помощью ключа K2 эти отсчеты запоминаются на конденсаторе C2 на время Э и, таким образом, выходной сигнал Uвых становится аналоговым. Особенности телевизионных разверток и их синхронизации Принцип магнитного отклонения В настоящее время в самом массовом устройстве современного телевидения – телевизионном приемнике используются приемные телевизионные трубки – кинескопы с магнитным отклонением электронного луча. Магнитное отклонение имеет ряд преимуществ перед электростатическим: обеспечивает большую чувствительность при больших ускоряющих напряжениях, которые необходимы для получения высоких яркостей ТВ экрана; обеспечивает большие углы отклонения при короткой трубке, т.к. отклоняющая система (ОС) расположена на горловине трубки (рисунок 4.17) и не создает препятствий для отклоняемого луча (в отличие от пластин электростатического отклонения, расположенных внутри трубки). Рисунок 4.17 – Кинескоп и отклоняющая система Отклоняющая система состоит из катушек строчного и кадрового отклонения. Каждая из них состоит из двух секций, имеющих седлообразную форму (рисунок 4.18) и расположенных симметрично на горловине кинескопа. Изображенные на рисунке 4.18 строчные катушки создают в зоне отклонения равномерное магнитное поле, вектор напряженности H которого направлен вдоль оси Y. При этом электронный луч, направленный по оси Z, отклоняется под действием силы Лоренца вдоль оси X. В первом приближении можно считать, что линейное отклонение достигается при пилообразной форме тока, протекающего через отклоняющие катушки. Рисунок 4.18 – Строчные отклоняющие катушки Кадровые отклоняющие катушки развернуты относительно строчных на 90° вокруг оси Z и образуют вместе со строчными катушками и ферритовым сердечником единую компактную конструкцию, закрепляемую на кинескопе в зоне перехода от горловины к раструбу. На рисунке 4.19 приведена эквивалентная схема катушек отклонения. Рисунок 4.19 – Эквивалентная схема отклоняющих катушек: а) полная; б) на частоте кадровой развертки; в) на частоте строчной развертки Из рисунка видно, что на частоте кадровой развертки можно пренебречь влиянием паразитной емкости катушки C (так как 1/ωC >> ωL), а на частоте строчной развертки – не учитывать омическое сопротивление катушки (так как ωL >> r). Особенности кадровой развертки Кадровая развертка осуществляется с частотой полей fп, вдвое большей частоты кадров fк, и составляет для ТВ стандарта России 50 Гц. На рисунке 4.20 показаны эпюры напряжений на кадровой катушке при протекании через нее линейно изменяющегося тока. Рисунок 4.20 – Напряжение U на кадровой отклоняющей катушке В соответствии с эквивалентной схемой (рис. 4.19,б) имеем выражение U UL Ur L dI Ir , dt (4.41) из которого следует, что для формирования пилообразного тока необходимо подвести к катушке отклонения напряжение трапецеидальной формы (рисунок 4.20,в), содержащее пилообразную (рисунок 4.20,а) и импульсную (рисунок 4.20,б) составляющие. Нетрудно видеть, что импульсная составляющая UL тем больше, чем меньше длительность обратного хода по вертикали. Структура блока кадровой развертки приведена на рисунке 4.21. ЗГ работает в автоколебательном режиме и синхронизируется кадровыми импульсами, которые выделены из полного ТВ сигнала. Импульсы с выхода ЗГ преобразуются в пилообразные на выходе ГПН, которые поступают на ФУН и далее на ВК. Два последних каскада охвачены цепью ООС, обеспечивающей необходимую стабильность и линейность вертикальной развертки. Положительный импульс с выхода ВК запускает ГОХ, удваивающий напряжение питания выходного каскада на время формирования обратного хода кадровой развертки. Такой прием позволяет вдвое уменьшить длительность обратного хода, не увеличивая напряжение источника питания и сохраняя высокий КПД каскада. Рисунок 4.21 – Функциональная схема кадровой развертки: ЗГ – задающий генератор; ГПН – генератор пилообразного напряжения; ФУН – формирователь управляющего напряжения; ВК – выходной каскад; ГОХ – генератор обратного хода; ООС – отрицательная обратная связь; КК – кадровые отклоняющие катушки Особенности строчной развертки Строчная развертка имеет ряд существенных особенностей, связанных, прежде всего, с тем, что частота развертки в 312,5 раз (по стандарту России) больше частоты кадровой развертки. Следствием является изменение эквивалентной схемы отклоняющих катушек (рисунок 4.19,в), увеличение мощности развертки до уровня 10÷15 Вт для чернобелых и 25÷50 Вт для цветных телевизоров, а также наличие на элементах схемы выходного каскада высоковольтных строчных импульсов обратного хода, предъявляющих жесткие требования к электрической прочности активных и пассивных элементов схемы. Функциональная схема блока строчной развертки приведена на рисунке 4.22. Очевидные схемные отличия от кадровой развертки использование инерционной синхронизации (АПЧиФ), строчного трансформатора (ТВС) и высоковольтного выпрямителя (ВВ), создающего ускоряющее напряжение для кинескопа (для разных трубок от 10 кВ до 25 кВ). Однако главное отличие заключается в использовании ключевого режима работы выходного каскада. Переход к ключевому режиму необходим и возможен в связи со следующими причинами: Рисунок 4.22 – Функциональная схема строчной развертки: АПЧиФ СР – автоматическая подстройка частоты и фазы строчной развертки; ФОРМ – формирователь строчного запускающего импульса (СИ зап.); ТВС – трансформатор выходной строчный; ВВ – высоковольтный выпрямитель; СК– строчные отклоняющие катушки; СИ ОХ – строчный импульс обратного хода напряжение на катушке U и ток I, протекающий через катушку строчного отклонения (рисунок 4.19,в), связаны очевидным соотношением U L dI ; dt (4.42) соответствующие осциллограммы приведены на рисунке 4.23 для линейного режима работы выходного каскада. Для реальных параметров строчной развертки размах прямоугольного импульса на отклоняющих катушках должен быть порядка 1 кВ; Рисунок 4.23 – Линейный режим работы выходного каскада строчной развертки паразитная емкость C препятствует быстрому нарастанию фронта прямоугольного импульса, поэтому требуется источник сигнала с малым внутренним сопротивлением RiГ → 0; таким образом, транзистор выходного каскада должен работать в линейном режиме, т.е. находиться в активной области и управляться по току; подобрать транзистор, который находится в активной области при изменении коллекторного напряжения в диапазоне 1 кВ, практически неразрешимая задача; возможность использования ключевого режима обусловлена тем, что линейное отклонение луча во время обратного хода развертки не является обязательным. В современных ключевых каскадах строчной развертки для формирования обратного хода используется колебательный разряд на собственной частоте контура, образованного индуктивностью строчных катушек L и паразитной емкостью C. Эквивалентная схема ключевого каскада приведена на рисунке 4.24. Здесь же показаны поясняющие эпюры, при построении которых для простоты принято RK=0 (RK – это паразитное сопротивление замкнутого ключа K). Рисунок 4.24 – Эквивалентная схема и эпюры, поясняющие работу ключевого каскада строчной развертки Заряд индуктивности L начинается при замкнутом ключе K в момент времени t=0 и происходит по экспоненте с постоянной времени τ: I где E0 RK t 1 exp , τ =L/RK >>TC. При соблюдении условия (4.44) можно считать заряд линейным: (4.43) (4.44) I E0 t . L При t=t1=tпс/2 (см. таблицу 1.3) достигается пиковое значение Im строчной пилы: Im E 0 t пс . L 2 (4.45) В момент t1 ключ K размыкается, резистор RK отключается от LC-контура и начинается колебательный разряд контура с частотой ω LC : I= Im cos ωt . (4.46) За полпериода ток в отклоняющей катушке изменяется от + Im до -Im, при этом, в соответствии с выражением (4.42), на катушке формируется отрицательный импульс синусоидальной формы с амплитудой Um. Можно показать, что величина Um рассчитывается по формуле Um πE0 t пс , 2 t ох (4.47) где tox – длительность обратного хода по строке. К моменту времени t2 обратный ход заканчивается и начинается формирование очередного прямого хода по закону: I I m 0 RK (t t 2 ) 1 exp . (4.48) Переход от колебательного разряда (4.46) к апериодическому (4.48) происходит за счет замыкания ключа K в момент времени t2. При этом Rк по переменному току подключается (через источник питания E0) параллельно LCконтуру и превращает его в апериодическую цепь (т.к. Rк→0). Отметим, что в интервале времени t2…t3 ток протекает в обратном направлении, что означает возврат в источник питания энергии, накопленной в катушке индуктивности L. К моменту времени t3 ток достигает начального (нулевого) значения, и далее процесс повторяется. Если принять Rк=0, то схема рисунка 4.24 не потребляет энергии и, следовательно, при удачной реализации должна обеспечивать высокий КПД каскада. Еще одна особенность схемы заключается в том, что при размыкании ключа на нем возникает положительный импульс напряжения с амплитудой t Um E 0 1 пс . 2 t ох (4.49) Величину этого импульса можно регулировать путем изменения величины tох подключением к паразитной емкости дополнительного конденсатора. В практических схемах амплитуда строчного импульса обратного хода (СИ ОХ) находится в пределах Um =(10÷15)E0 . (4.50) На рисунке 4.25 приведена упрощенная схема выходного каскада строчной развертки, работающего в ключевом режиме. Рисунок 4.25 – Упрощенная схема ключевого каскада строчной развертки В роли двустороннего ключа выступают транзистор T1 и демпфирующий диод D1. Конденсатор C1 имеет достаточно большую емкость (порядка 1 мкФ) и по цепи E0→ТВС→C1→СК заряжен до напряжения E0. При формировании пилы он выполняет роль источника питания, который отдает энергию в СК при ее заряде через открытый транзистор T1 (это вторая половина прямого хода) и принимает энергию при заряде СК через открытый демпферный диод D1 (это первая половина прямого хода). С учетом направления тока через СК поясняющие эпюры I и U (рисунок 4.24) применительно к схеме рисунка 4.25 должны иметь обратную полярность. Положительный импульс Um =Um+E0, возникающий на коллекторе T1 при его запирании, поддерживает во время обратного хода демпферный диод D1 также в закрытом состоянии. Открывание демпферного диода D1 происходит автоматически после того, как величина Umcosωt+E0 достигнет отрицательного значения. Строчный запускающий импульс (СИ зап) поступает через согласующий трансформатор на базу T1 и открывает его на время формирования второй половины прямого хода. Строчный импульс обратного хода Um (осциллограмма U на рисунке 4.24) приложен к первичной обмотке ТВС, трансформируется в высоковольтную обмотку и выпрямляется диодом D2, образуя ускоряющее напряжение для кинескопа. Синхронизация разверток ТВ приемника Функциональная схема устройства синхронизации разверток телевизора приведена на рисунке 4.26. Видеосигнал (ПЦТС) поступает на вход амплитудного селектора (АС), где путем ограничения подавляется сигнал изображения и на выход проходит синхросмесь (СС). Форма сигнала синхросмеси и принцип выделения из СС кадрового синхроимпульса (КСИ) рассмотрены в разделе 1.6 данного учебного пособия. После формирователя КСИ поступает в блок кадровой развертки. Рисунок 4.26 Канал синхронизации ТВ приемника: АС – амплитудный селектор; СС – синхросмесь; СО – сигнал ошибки Канал синхронизации строчной развертки (СР) собран по более сложной схеме и содержит в своем составе помехоустойчивую систему АПЧиФ СР. Это необходимо для того, чтобы поднять помехоустойчивость канала строчной синхронизации до уровня помехоустойчивости кадрового канала, в котором интенсивное подавление высокочастотных флуктуационных помех достигается за счет действия интегрирующей цепи, выделяющей КСИ из синхросмеси. Строчные синхроимпульсы, выделенные из синхросмеси с помощью дифференцирующей цепи, поступают на формирователь и далее, в виде прямоугольных импульсов U2 (рисунок 4.27,б), на вход фазового детектора (ФД) системы АПЧиФ СР. Рисунок 4.27 – К пояснению работы фазового детектора На второй вход ФД подаются пилообразные импульсы U1 (рисунок 4.27,а), полученные путем интегрирования СИ ОХ с обмотки ТВС. Фазовый детектор формирует на выходе сигнал U3 (рисунок 4.27,в), пропорциональный произведению входных сигналов и содержащий постоянную составляющую (называемую сигналом ошибки СО), которая по знаку соответствует, а по величине пропорциональна разнице между частотами входных сигналов ФД. Этот сигнал ошибки выделяется фильтром НЧ и подается на управляющий вход ГУН в качестве напряжения автоподстройки. В режиме автоподстройки середина строчных импульсов U2 совмещается с серединой обратного хода пилообразного импульса U1 (момент времени t0 на рисунке 4.27,а). Высокая помехоустойчивость системы АПЧиФ СР достигается за счет того, что флуктуационная помеха сигнала U2 переносится на сигнал U3 и далее подавляется фильтром НЧ тем сильнее, чем больше постоянная времени этого фильтра. В результате система не выходит из синхронизма при появлении (за счет шумов) в сигнале U2 одиночных и даже коротких серий ложных импульсов или при пропадании (также за счет шумов) отдельных или целых групп строчных синхронизирующих импульсов. Следует отметить, что при работе телевизора от видеомагнитофона предусмотрено уменьшение постоянной времени ФНЧ на входе ГУН, что несколько ухудшает помехоустойчивость, но увеличивает быстродействие системы АПЧиФ и обеспечивает устойчивую синхронизацию, компенсируя нестабильность работы лентопротяжного механизма видеомагнитофона. Телевизионный синхрогенератор Современная видеокамера имеет в своем составе в качестве обязательного узла синхрогенератор (СГ), назначение которого, как минимум, состоит в создании синхронизирующих и гасящих импульсов с параметрами, определяемыми используемым телевизионным стандартом. В ряде случаев синхрогенератору поручается также формирование опорных частот, жестко связанных с частотами разверток и используемых для цветового и цифрового кодирования ТВ сигналов. СГ может работать в автономном (ведущем) или ведомом режимах. В аппаратуре телецентров используется режим централизованной синхронизации всего аппаратно-студийного комплекса (АСК) единым опорным сигналом (в данном учебном пособии этот режим не рассматривается). На рисунке 4.28 изображена функциональная схема сравнительно простого синхрогенератора, выполняющего минимальную задачу. Стандарт разложения – чересстрочный. Переключатель B обеспечивает переход из автономного режима в ведомый и назад. Рисунок 4.28–Функциональная схема синхрогенератора В синхрогенераторе можно выделить две части: задающая часть, создающая сетку опорных частот – двойная строчная 2fc, строчная fc и частота полей fп, и формирователь, вырабатывающий сигналы СС, ССИ, СГИ, КСИ, КГИ. Параметры этих сигналов приведены (для стандарта России) на рисунках 1.10; 1.11 и в таблице 1.3. В автономном режиме задающий генератор работает на частоте 2fc и стабилизуется кварцевым резонатором. Частоты fc и fп получаются с помощью триггерных делителей частоты на 2 и z соответственно. В ведомом режиме задающий генератор выполнен по схеме ГУН, охваченного цепью АПЧиФ, работа которой описана в предыдущем разделе. В качестве опорных импульсов выступают ССИ и КСИ, выделенные из ПЦТС от телевизионного датчика, синхрогенератор которого работает в ведущем режиме. При этом фазирование КСИ производится путем сброса в 0 триггерного делителя на z с помощью КСИ, выделенного из ПЦТС. Формирователи телевизионного изображения Черно-белый кинескоп Кинескоп – черно-белый или цветной – является в современном телевидении наиболее распространенным преобразователем сигналсвет, осуществляющим электрооптический синтез изображения. Наиболее просто синтез изображения осуществляется в черно-белом телевидении на экране черно-белого кинескопа. Процесс электрооптического синтеза заключается в следующем. С помощью электронного прожектора и ускоряющего напряжения создается электронный луч, сфокусированный в плоскости экрана кинескопа. На внутреннюю поверхность экрана нанесен слой люминофора, который взаимодействует с электронным пучком и за счет явления катодолюминесценции преобразует кинетическую энергию электронов в оптическую энергию светового пятна. Это пятно является «рисующим элементом» (апертурой) кинескопа и от его размера и формы зависит четкость телевизионного изображения. С помощью магнитного отклонения электронного луча (см. раздел 4.4) производится перемещение светового пятна по экрану и, таким образом, формируется телевизионный растр – немодулированный (при постоянном токе луча Iл) или модулированный, если управлять током луча с помощью видеосигнала. Модулированный растр – это и есть телевизионное изображение. Устройство черно-белого (монохромного) кинескопа показано на рисунке 4.29. В кинескопе использована электростатическая фокусировка электронного луча, создаваемого электронной пушкой, которая состоит из подогревного катода, модулятора и первого анода (А1). Эти три электрода образуют так называемую иммерсионную электростатическую линзу, которая собирает расходящийся пучок электронов, вылетевших из катода, в компактный узел, называемый кроссовером. В плоскости кроссовера, расположенной вблизи от катода, пучок имеет наименьший диаметр и наибольшую плотность. Главная фокусирующая система представляет собой симметричную электростатическую линзу, образованную двумя кольцевыми электродами второго анода (А2) и расположенным между ними третьим (фокусирующим) анодом (А3). Изменяя потенциал третьего анода, можно в широких пределах изменять фокусирующее действие линзы. Назначение этой линзы – создать изображение кроссовера на люминесцентном экране (1). Рисунок 4.29 – Устройство кинескопа: 1 – слой люминофора; 2 – металлическая пленка; 3 – графитовое покрытие (акводаг); 4 – высоковольтный вывод (второго анода) Для получения хорошей фокусировки ток луча Iл кинескопа обычно не превышает 200÷300 мкА. Необходимую яркость экрана при столь малом токе луча можно получить путем ускорения электронов пучка до высоких энергий, для чего ко второму аноду подводится высоковольтное ускоряющее напряжение. Типовые значения напряжений на электродах черно-белого кинескопа составляют (относительно катода): катод – 0 В; модулятор – -50 В; А1 – 250÷350 В; А2 – 12÷20 кВ; А3 – 0÷600 В. Если потенциал катода не нулевой, то потенциалы остальных электродов (особенно важно это для модулятора и А1) должны быть сдвинуты на соответствующую величину. Для увеличения светоотдачи и яркости экрана кинескопа используется покрытие люминесцентного слоя тонкой металлической (алюминиевой) пленкой (2), прозрачной для «быстрых» электронов. На пленку подается потенциал второго анода, для чего внутренняя поверхность конуса трубки покрыта проводящим слоем графита (3), который соединяет пленку и второй анод и к которому подключен высоковольтный вывод кинескопа (4). На внешнюю поверхность конуса кинескопа также наносится акводаг, который заземляется и образует вместе с внутренним слоем акводага, разделенным слоем стекла колбы трубки, конденсатор емкостью 1000÷2000 пФ. Этот конденсатор включен на выходе высоковольтного выпрямителя и уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Схема подачи сигналов, обеспечивающих модуляцию тока луча Iл кинескопа в процессе развертки, приведена на рисунке 4.30. В данном варианте схемы используется модуляция сигналом отрицательной полярности, который подается на катод кинескопа с выхода инвертирующего усилителя. Контрастность изображения изменяется регулировкой размаха модулирующего сигнала с помощью потенциометра R1, установленного на входе усилителя. Во время обратного хода разверток луч кинескопа гасится с помощью смеси Рисунок 4.30 – Схема подачи сигналов на черно-белый кинескоп гасящих импульсов (СмГИ), вырабатываемых из импульсов обратного хода строчной и кадровой разверток. Эти импульсы имеют отрицательную полярность и подаются через конденсатор C1 на модулятор кинескопа. Одновременно на модулятор кинескопа с движка потенциометра R2 подается постоянное напряжение, величина которого определяет яркость телевизионного изображения. Отметим, что возможны и другие варианты построения схемы, например, подача видеосигнала положительной полярности на модулятор, а СмГИ положительной полярности – на катод кинескопа. Цветной кинескоп Современный цветной кинескоп представляет собой довольно сложную прецизионно изготовленную конструкцию, которая, образно говоря, совмещает в одной стеклянной колбе три кинескопа, формирующих три цветоделенных изображения, соответствующих основным цветам колориметрической системы RGB. Каждое из цветоделенных изображений сканируется «своим» электронным лучом – «красным», «зеленым» или «синим», а каждый из лучей модулируется «своим» информационным сигналом – UR, UG или UB. Для каждого из лучей обычно предусмотрен индивидуальный электронный прожектор, однако для всех трех лучей имеется общая система электростатической фокусировки и магнитного отклонения. Три цветоделенных изображения совмещаются на общем экране, имеющем мозаичную структуру и обеспечивающем пространственное смешение цветов. Высокая четкость цветного изображения обеспечивается, если триада, состоящая из рядом расположенных красного, зеленого и синего элементов и представляющая собой один яркостный элемент, воспроизводится одновременно, для чего необходимо сведение трех лучей на телевизионном экране с точностью до яркостного элемента. Различают статическое и динамическое сведение лучей цветного кинескопа. Статическое сведение – это сведение лучей в центре экрана, достигаемое с помощью постоянных магнитов, воздействующих индивидуально на каждый из трех лучей. Динамическое сведение – это сведение лучей на периферии экрана, достигаемое с помощью электромагнитов, воздействующих индивидуально на каждый из трех лучей. При этом мгновенные значения корректирующих токов, протекающих через обмотки электромагнитов, сложным образом зависят от текущей фазы строчной и кадровой развертки. Широко распространенные ранее так называемые дельта-кинескопы, требующие для сведения лучей использования сложной электромагнитной системы (треугольник сведения, который располагается на горловине кинескопа и обслуживается специальным блоком сведения, имеющим 13 регулировок), к настоящему времени практически вытеснены более совершенными планарными (компланарными) кинескопами со щелевой маской. Принцип работы планарного кинескопа (как и дельта-кинескопа) основан на использовании теневой маски, устанавливаемой перед мозаичным люминесцентным экраном таким образом, чтобы электронные лучи R, G, B прожекторов, проходя через отверстия теневой маски, избирательно засвечивали элементы мозаики: «красный» луч должен попадать на участки экрана, покрытые люминофором с красным цветом свечения, «зеленый» луч – на участки с зеленым люминофором и т.д. Сказанное поясняется на рисунке 4.31, из которого видно, что прожекторы кинескопа расположены в горизонтальной Рисунок 4.31 – Кинескоп с планарным расположением прожекторов (1), щелевой маской (2) и штриховым экраном (3) плоскости и поэтому три луча, прошедшие через одно отверстие в маске, засвечивают триаду рядом расположенных RGB элементов мозаики, образующих один яркостный элемент. Ход лучей и взаимное расположение цветовых триад на рисунке 4.31 не зависят от вертикального отклонения и, следовательно, структуры теневой маски и мозаичного экрана также не зависят от вертикальной координаты и имеют вид, показанный на рисунке 4.32. Из рисунка видно, что мозаичный характер экрана сохраняется только в горизонтальном направлении, т.е. экран имеет вертикально-штриховую структуру. Теневая маска также имеет вертикально-щелевую структуру, причем одна щель приходится на триаду вертикальных цветных штрихов люминесцентного экрана. Для сохранения необходимой механической прочности и жесткости маски вертикальные щели снабжены горизонтальными перемычками, не влияющими на структуру цветного изображения. Для обеспечения колориметрического согласования разнообразной аппаратуры цветного телевидения основные цвета RGB люминофоров стандартизованы в международном масштабе. В таблице 4.2 приведены трехцветные коэффициенты x и y основных цветов RGB кинескопа, соответствующих европейскому (ЕС) и американскому (NTSC) стандартам, а также трехцветные коэффициенты для опорных белых цветов для указанных стандартов. Рисунок 4.32 – Фрагменты щелевой маски (а) и штрихового экрана (б) планарного кинескопа Таблица 4.2 Цвет R G B Опорный белый D R G B Опорный белый C Трехцветные коэффициенты x y 0,64 0,33 0,29 0,6 0,15 0,06 0,313 0,329 0,67 0,33 0,21 0,71 0,14 0,08 0,31 0,316 Стандарт ЕС (PAL, SECAM) NTSC Следует отметить, что хотя в отечественном ТВ стандарте использованы люминофоры и опорный белый стандарта ЕС, в расчетных формулах по ряду причин применены коэффициенты матриц A и A–1, связывающих между собою колориметрические системы XYZ и RGB по стандарту NTSC. Таковы, например, выражения (2.21) и (2.29), которые в стандарте ЕС должны иметь вид соответственно: D 0,313 X 0,329 Y 0,358 Z; U Y 0,22 U R 0,71 U G 0,07 U B . (4.51) Вызванные указанным несоответствием искажения цветности, однако, настолько невелики, что ими можно пренебречь, сохранив единую систему расчетных формул в стандартах ЕС и NTSC. Преимущества планарных кинескопов перед дельта-кинескопами сводятся к следующему: однородность структуры экрана и маски в вертикальном направлении упрощает их изготовление; прозрачность маски для электронных лучей увеличивается приблизительно в два раза (30% против 15% для дельта-кинескопа), соответственно вдвое увеличивается и яркость экрана; поскольку электронные пушки, а следовательно, и электронные лучи совмещены в горизонтальной плоскости, не требуется динамического сведения лучей (в щелевых отверстиях маски) в вертикальном направлении; имеется возможность отказаться от динамического сведения лучей и в горизонтальной плоскости, реализованная в кинескопах с самосведением. Принцип самосведения заключается в коррекции расслоения вертикальных линий по краям растра и устранении подушкообразных искажений горизонтальных линий с помощью неравномерного (астигматического) магнитного поля отклоняющих катушек, имеющих неравномерное распределение витков по сечению катушек. Подобная отклоняющая система требует высокой точности исполнения и тщательной юстировки ее положения на горловине кинескопа, что выполняется непосредственно на заводеизготовителе. Система разверток в кинескопе с самосведением требует коррекции подушкообразных искажений вертикальных линий. Эта операция выполняется специальным узлом коррекции растра. Для компенсации погрешностей цветного растра, возникающих из-за неточного изготовления комплекта «кинескоп – отклоняющая система», на горловине кинескопа устанавливается магнитостатическое устройство МСУ, в состав которого входят три пары кольцевых магнитов (рисунок 4.33). Пара двухполюсных магнитов предназначена для регулировки чистоты цвета путем смещения всех трех лучей в одном направлении. Величина смещения регулируется относительным поворотом двух колец друг относительно друга вокруг горловины. Направление смещения регулируется одновременным поворотом обеих колец. При правильной регулировке чистоты цвета каждый из растров цветоделенных изображений окрашен равномерно в один из основных цветов R,G,B. Подобным образом действуют пары кольцевых четырехполюсных и шестиполюсных магнитов, обеспечивающих статическое сведение растров. Принцип действия магнитов (направление магнитных силовых линий и направление смещения лучей) ясен из рисунка 4.33. Рисунок 4.33 – Магниты устройства МСУ: а) – двухполюсные; б) – четырехполюсные; в) – шестиполюсные Простейшая схема подведения питающих напряжений и управляющих сигналов к планарному кинескопу приведена на рисунке 4.34. Схема сосредоточена на плате кинескопа, на которой расположена ламповая панелька, одеваемая непосредственно на цоколь трубки. Все напряжения, кроме высоковольтного ускоряющего, подводятся к кинескопу через эту панельку. Ускоряющее напряжение подводится к трубке через высоковольтное разъемное соединение X6. Фокусирующее напряжение снимается с движка потенциометра R1 (регулировка «фокус»). Регулировка «ток лучей», соответствующая неоперативной регулировке «яркость», производится потенциометром R9, с помощью которого изменяется напряжение на первом аноде электронных прожекторов. Гашение лучей во время обратного хода осуществляется путем подачи смеси гасящих импульсов (сигнал «гашение») на модулятор прожекторов. Отметим, что все перечисленные электроды являются общими для всех трех прожекторов кинескопа. Через контакты 2, 3 и 4 разъема X3 вводятся сигналы цветности (в отрицательной полярности) -UR, -UG, -UB. В случае черно- белого изображения эти сигналы в блоке цветности превращаются (автоматически) в сигнал -UY. Регулировка «баланс белого» осуществляется путем изменения «уровня черного» в каналах RGB (это статический баланс белого) и раздельной регулировкой размаха сигналов UR, UG, UB (это динамический баланс белого). Современные микросхемы видеопроцессоров, например, Рисунок 4.34 – Принципиальная схема платы кинескопа ПК-3-1 К174ХА33, выполняют операцию статического баланса белого автоматически (так называемая система АББ). В заключение отметим, что схема снабжена высоковольтными разрядниками FV1÷FV8, предотвращающими перенапряжения на электродах кинескопа. Упражнения 4.6.1 Рассчитать ток сигнала ic и отношение сигнал/шум Ψ на выходе диссектора по следующим данным: диаметр рабочего участка мишени D – 40 мм; площадь апертурного отверстия S0 – 0,07065 мм2; интегральная чувствительность фотокатода ε0 – 65 мкА/лм; коэффициент усиления ВЭУ КВЭУ – 105; коэффициент вторичной эмиссии первого динода ВЭУ – 4; освещенность фотокатода EВХ – 1 лк. Число элементов разложения взять максимально возможным при формате кадра k=4/3, обратным ходом разверток пренебречь, частоту кадров fК принять равной 50 Гц. Решение. Определим элементарный фототок i0 по формуле (4.10): i0 = ε0 S0 EВХ = 65 10 6 0,07065 10 6 4,6 10 12 А . Определим размер изображения (с форматом 4/3), вписанный в рабочий участок мишени: h p = 24 мм (высота растра); l p = k h P = 32 мм (ширина растра). Проверим: h p l p D . Определим площадь растра: 2 2 2 Sф= h P lP = 768 мм2. Определим число элементов разложения N: N Sф S0 768 10870. 0,07065 Определим верхнюю граничную частоту спектра видеосигнала по формуле (1.30), в которой вместо kz2 подставим N: fВ=kz2fК/2 = NfК/2= 10870 50 =271,75 кГц. 2 Для определения Ψ0 (на входе ВЭУ) использует выражение (4.13), где e – заряд электрона, равный 1,6 10 0 i0 2ef В --19 К: 4,6 1012 7,27. 2 1,6 1019 271750 Для вычисления Ψ (на выходе ВЭУ) используем выражение (4.14): 0 σ 1 4 1 7,27 6,33. σ 4 Ток сигнала ic (на выходе ВЭУ) вычислим по формуле (4.11): ic= i0 КВЭУ = 4,6 10 12 105 0,46 мкА. Полученные данные свидетельствуют о приемлемой чувствительности диссектора в телевизионном стандарте с малым разрешением. Попытки увеличить разрешающую способность неизбежно приведут к уменьшению Ψ0 и Ψ за счет уменьшения S0, увеличения N и fВ, что приведет к резкому снижению чувствительности датчика. 4.6.2 Рассчитать отношение сигнал/шум в видиконном канале для двух случаев: а) при отсутствии и б) при наличии простой противошумовой коррекции предварительного усилителя. Принять следующие исходные данные: ток сигнала видикона ic – 0,1 мкА; паразитная емкость входной цепи CH – 30 пФ; шумовое сопротивление усилителя RШ – 100 Ом; верхняя граничная частота сигнала fВ – 6 МГц; отношение сигнал/шум на выходе видикона ΨТР – 200. Решение. Для некорректированного усилителя находим ΨУС(0) по формуле (4.32), где RH необходимо выбирать согласно условию 1 RH , 2πf В С Н (4.52) при котором частотные искажения во входной цепи не превышают допустимых (3 дБ). В соответствии с выражением (4.52) выбираем RH=820 Ом, затем вычисляем: УС ( 0) iCR H 0,1 106 820 8,85. 4kTf В (R H R Ш ) 4 1,38 10 23 300 6 106 (820 100) В вещательном стандарте при простой противошумовой коррекции видеоусилителя RH обычно выбирают равным 105 Ом. Вычисление ΨУС проводится по формуле (4.35): УС iC R H R C 4kTf В R H R Ш 1 3 2 В 2 H 2 H 0,1 10 6 105 6,28 36 10 10 30 10 4 1,38 10 23 300 6 106 105 100 1 3 2 12 10 2 24 =43,8. Для вычисления Ψ на выходе усилителя с учетом шумов трубки необходимо воспользоваться выражением (4.26). Для рассмотренных случаев расчет по формуле (4.26) дает следующий результат: для некорректированного усилителя Ψ=8,8; для усилителя с простой противошумовой коррекцией Ψ=42,8. Полученные данные позволяют сделать некоторые выводы: простая противошумовая коррекция увеличивает Ψ в ТВ канале в 5 раз (для рассмотренного примера); несмотря на противошумовую коррекцию, усилитель существенно ухудшает отношение сигнал/шум (Ψ<ΨТР), т.е. возможно дальнейшее увеличение Ψ за счет улучшения шумовых свойств усилителя. Из формулы (4.36) следует, что ΨУС может быть увеличено за счет уменьшения RШ и CH. Эта задача эффективно решается в датчиках на основе ПЗС-матриц, где применен встроенный в матрицу усилитель на полевом транзисторе с малой паразитной емкостью C на входе усилителя. 4.6.3 Рассчитать отношение сигнал/шум на выходе ТВ датчика на основе ПЗС-матрицы. Величину зарядового пакета q взять равной заряду, накопленному на элементе мишени видикона из условия предыдущей задачи. Принять следующие значения: RШ=100 Ом; C=0,5 пФ. Решение. Вначале определим величину зарядового пакета по очевидной формуле: q = ic τЭ , (4.53) где ic и τЭ возьмем из условий предыдущей задачи. Получаем: iC 0,1 10 6 А; 1 1 τЭ 83,3 10 9 с; 6 2 f В 2 6 10 q 0,1106 83,3 109 8,33 1015 К . Теперь определим напряжение сигнала UC, создаваемое зарядовым пакетом на паразитной емкости C, шунтирующей вход встроенного усилителя ПЗС-матрицы: q 8,33 10 15 UC 16,66 10 3 В. 12 C 0,5 10 Величину ΨУС найдем по формуле: УС UC 4kTf В R Ш 16,66 10 3 4 1,38 10 23 300 6 10 6 100 5300. Примененная здесь формула и полученный результат справедливы, если предположить, что схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) полностью убирает шумы сброса, возникающие за счет неидеального ключа K (см. рисунок 4.15,а). Так как полученное значение ΨУС отвечает условию ΨУС>>ΨТР (по условию предыдущей задачи ΨТР=200), вычисление Ψ на выходе усилителя по формуле (4.26) дает следующий результат: Ψ= ΨТР =200. Вывод таков: на выходе ПЗС-матрицы отношение сигнал/шум определяется дробовыми шумами фототока, т.е. Ψ можно вычислять по формуле (4.13), где вместо i0 подставляем ток сигнала ic: iC . 2ef В (4.54) Теперь подставим значение ic, выраженное через зарядовый пакет, из формулы (4.53) в (4.54): q / τЭ q / τЭ q n, 2ef В 2e /( 2τ Э ) e где n – величина зарядового пакета, выраженная числом электронов (или дырок) в пакете. Полученное выражение n соответствует теоретическому чувствительности ТВ датчика. пределу Вопросы для самопроверки 1. Назначение и основные параметры объектива видеокамеры. 2. Как правильно выбрать объектив? 3. Как рассчитать освещенность на входе ПСС? 4. Перечислите и кратко опишите основные типы ПСС. 5. Устройство диссектора. 6. Какие функции выполняют в диссекторе фотокатод, анод, ВЭУ? 7. Зачем нужны внешние магнитные устройства диссектора – длинная магнитная линза и отклоняющая система? 8. Как рассчитать ток сигнала и отношение сигнал/шум на выходе диссектора? 9. Достоинства и недостатки диссектора. 10. Принцип накопления зарядов в ПСС. 11. Что дает применение этого принципа в телевидении? 12. Устройство видикона. 13. Что такое ФОС и из чего она состоит? 14. Что такое потенциальный рельеф и как он образуется в видиконе? 15. Принципиальное отличие видикона от диссектора. 16. Что такое внутренний и внешний фотоэффект? 17. Световые характеристики диссектора и видикона, в чем их отличия? 18. Принцип работы ПЗС-матрицы. 19. Что такое потенциальная яма, зарядовый пакет, как они образуются? 20. Принцип самосканирования (направленного перемещения зарядовых пакетов) в ПЗС-матрице? Форма и частота управляющих сигналов. 21. Организация режимов накопления и хранения в ПЗС-матрице. 22. Организация строчной и кадровой развертки в ПЗС-матрице. 23. Устройство и принцип работы выходного узла ПЗС-матрицы. 24. Устройство и принцип работы схемы ВПС. 25. Что такое противошумовая коррекция телевизионного предварительного видеоусилителя? 26. Структурная схема видеоусилителя с простой противошумовой коррекцией. 27. Зачем в этом усилителе нужен дифференцирующий каскад? 28. От чего зависит эффективность противошумовой коррекции и как ее повысить? 29. Что такое двойная коррелированная выборка (ДКВ)? 30. Схема ДКВ и механизм ее работы. 31. Принцип магнитного отклонения электронного луча. 32. Устройство и принцип работы отклоняющей системы. 33. Эквивалентная схема отклоняющих катушек: а) на частоте кадровой развертки; б) на частоте строчной развертки. 34. Особенности кадровой развертки. 35. Как уменьшить длительность обратного хода кадровой развертки? 36. С какой частотой осуществляется кадровая развертка в вещательном стандарте и как называется эта частота? 37. Особенности строчной развертки. Почему в выходном каскаде строчной развертки нецелесообразно использовать линейный режим? 38. Ключевой режим работы выходного каскада строчной развертки. Пример схемной реализации. 39. Особенности синхронизации строчной и кадровой разверток в телевизоре. Зачем в канале строчной синхронизации использована система АПЧиФ? 40. Канал синхронизации разверток в ТВ приемнике. Зачем нужен амплитудный селектор? Зачем нужна интегрирующая цепь в кадровом канале? 41. Зачем нужен и как работает фазовый детектор (ФД) в канале строчной синхронизации телевизора? 42. Схема и принцип работы ТВ синхрогенератора. 43. Устройство и принцип работы черно-белого кинескопа. 44. Устройство и принцип работы цветного кинескопа. 45. Зачем в кинескопе нужно высокое напряжение (10–25 кВ)? 46. Как устроен ТВ экран кинескопа? 47. Как устроен электронный прожектор? 48. Как осуществляется фокусировка электронного луча? 49. Что такое теневая маска, как она устроена и зачем нужна? 50. Мозаичная структура экрана цветного кинескопа; принцип формирования цветного изображения. Где обо всем этом можно прочитать [1], стр. 105–134; 326–347; 135–148; 155–205. [2], стр. 78–107; 138–168; 217–228. [3], стр. 147–154; 157–177; 180–203. [4], стр. 90–139; 146–153; 210–231. [5], стр. 89–131; 199–215. [6], стр. 53–56. ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Магнитная видеозапись Магнитная видеозапись в современном телевидении является наиболее распространенным средством консервации телевизионных программ благодаря оперативности, большой информационной емкости и высокому качеству представления информации. В основе магнитной видеозаписи лежат процессы, происходящие при взаимодействии магнитной ленты, перемещающейся относительно зазора магнитной головки, к обмотке которой подведен электрический сигнал UC (рисунок 5.1). Под действием сигнала UC в сердечнике видеоголовки возникает переменный магнитный поток, который вследствие большого магнитного сопротивления зазора замыкается через магнитный (рабочий) слой ленты. Магнитная лента плотно прижимается к головке, движется мимо зазора со скоростью V и намагничивается в соответствии с сигналом UC, подводимым к обмотке видеоголовки. Рисунок 5.1 – Взаимодействие головки и ленты при магнитной видеозаписи: 1– лавсановая основа ленты; 2 – магнитный слой; 3 – магнитный сердечник; 4 – сигнальная обмотка; 5 – магнитный зазор В результате записи на магнитной ленте создается след в виде переменной намагниченности, называемый магнитной дорожкой. При записи, например, синусоидального сигнала с частотой f намагниченность ленты можно условно представить виде цепочки элементарных магнитов (рисунок 5.2), длина каждого из которых в два раза меньше длины волны на ленте λ записанного сигнала. Величины f, λ и V связаны между соотношением собой очевидным λ=V/f. (5.1) По отношению к различным частотам спектра записываемого видеосигнала магнитная головка ведет себя по-разному. Прежде всего отметим, что ширина зазора Δ магнитной головки выполняет роль своего рода апертурного Рисунок 5.2 – К определению длины волны на ленте λ записанного сигнала отверстия, ограничивающего максимальную частоту fmax, которая может быть записана на магнитную ленту. При соблюдении условия Δ≤λ/ 2 (5.2) апертурные искажения не проявляются, т.е. обеспечиваются наилучшие условия для переноса магнитной энергии на ленту: в течение положительной полуволны сигнала намагничивается элементарный магнит «ю–с» («юг–север»), в течение отрицательной полуволны – магнит «с–ю». При увеличении ширины зазора Δ по сравнению с выражением (5.2) условия записи/воспроизведения сигнала ухудшаются, так как элементарный магнит длиною λ/2 сканируется (пересекается) зазором головки в течение промежутка времени, большего, чем полупериод сигнала. Наихудшие условия наступают при выполнении равенства Δ=λ, (5.3) когда каждый элементарный магнит в течение положительной полуволны сигнала намагничивается в направлении «ю–с», а в течение отрицательной полуволны – в направлении «с–ю». В результате на ленте записывается нулевой сигнал, т.е. имеет место самостирание. Из выражений (5.1), (5.2) и (5.3) следует неравенство V / (2Δ) ≤ fmax < V / Δ , (5.4) согласно которому определяется максимальная частота fmax записываемого спектра видеосигнала. При выборе fmax по нижней границе неравенства (5.4) fmax = V / (2Δ) (5.5) апертурные искажения сигнала при записи (и воспроизведении) незначительны и не нуждаются в коррекции. Из выражения (5.5) видно, что для увеличения fmax необходимо уменьшать ширину зазора видеоголовки и увеличивать скорость транспортировки ленты относительно зазора. Технология изготовления видеоголовок позволяет получить ширину зазора порядка 1 микрона (10-6 м), что при полосе пропускания 6 МГц приводит лентопротяжки к требуемой скорости V = 2Δ fmax = 12 м/с. Такая скорость является слишком большой: невозможно создать надежно работающий лентопротяжный механизм (ЛПМ) при такой скорости движения ленты; слишком велики требования к прочности ленты; очень низка плотность записи информации на ленту; неприемлемо высок расход ленты (43,2 км на часовую программу). По указанным причинам в современных видеомагнитофонах используется метод наклонно-строчной записи, при которой лента перемещается в лентопротяжном механизме с небольшой скоростью и прижимается по спирали к вращающемуся цилиндру, на котором установлены видеоголовки. Существует много стандартов (форматов) наклонно-строчной записи с числом видеоголовок от 1 до 4. В настоящем пособии мы рассмотрим широко распространенный в бытовой видеотехнике формат VHS (Video Home System) в варианте, использующем блок вращающихся головок (БВГ) с двумя видеоголовками. Из рисунка 5.3 видно, что ось вращения БВГ наклонена к поперечному сечению ленты на некоторый угол, благодаря чему лента охватывает барабан 6 по Рисунок 5.3 – Взаиморасположение магнитной ленты и барабана видеоголовок: 1 – лента; 2 – барабан видеоголовок; 3 – видеоголовка; 4 – направление движения ленты; 5 – направляющая; 6 – верхняя часть барабана (вращающаяся) и нижняя неподвижная соответственно спирали на угол, несколько больший 180°, и прижимается к барабану направляющими 5. Две видеоголовки расположены на нижней кромке вращающейся части барабана под углом 180°. За один оборот БВГ головки записывают две рядом расположенные наклонные дорожки в направлении от нижнего к верхнему краю ленты. Динамические параметры ЛПМ и БВГ согласованы с параметрами видеосигнала таким образом, что на двух соседних дорожках записываются два поля одного кадра изображения. Такая организация процессов записи/воспроизведения позволяет легко осуществить режим «стоп-кадра» путем остановки продвижения ленты. В этом одно из существенных достоинств формата VHS и ему подобных. На рисунке 5.4 показано взаимное расположение на ленте строчек и дорожек записи в стандарте VHS. Строки видеозаписи A и B отличаются друг Рисунок 5.4 – Сигналограмма формата VHS (показаны две строки видеозаписи A и B): 1 – дорожки звукозаписи каналов I и II; 2 – дорожка канала управления от друга тем, что они записаны разными видеоголовками; например, строка A записана первой видеоголовкой и содержит видеосигнал первого полукадра, а строка B записывается второй видеоголовкой и содержит видеосигнал второго полукадра. В отличие от рисунка 5.4, строки видеозаписи A и B расположены рядом (соприкасаются). При воспроизведении возможна перекрестная помеха – частичное считывание информации со смежной дорожки. Для устранения этого эффекта в формате VHS предусмотрена азимутальная запись, которая заключается в том, что зазор видеоголовки устанавливается не перпендикулярно к строке записи, а под некоторым углом, называемым азимутом. В формате VHS азимуты двух видеоголовок выбраны разного знака и составляют +6° и 6°. При этом считывание возможно лишь в том случае, если запись и считывание сканируемой строки производятся видеоголовкой с одинаковым азимутом, а перекрестная помеха при этом исключается. Приведем некоторые параметры формата VHS: скорость движения ленты 23,4 мм/с; скорость записи (V) 4,867 м/с; ширина ленты 12,65 мм; диаметр БВГ 62 мм; скорость вращения БВГ 1500 об/мин; длина строки записи 97,34 мм; ширина строки записи 49 мкм. В формате VHS используется композитная запись преобразованным сигналом ПЦТС. Необходимость преобразования ПЦТС перед записью связана со следующими причинами. Известно, что магнитная головка обладает дифференцирующим свойством по отношению к воспроизводимому сигналу, т.е. амплитуда сигнала при считывании пропорциональна частоте сигнала. Причина этого в том, что ЭДС, наводимая в обмотке головки, пропорциональна скорости изменения магнитного потока в сердечнике, а она, в свою очередь, зависит от скорости изменения намагниченности вдоль ленты и уменьшается с ростом λ (см. рисунок 5.2). В обычных условиях (магнитная звукозапись) стремятся скорректировать указанные искажения в сигнале воспроизведения, т.е. довести уровень низкочастотного сигнала до уровня высокочастотного, выровнять амплитудно-частотную характеристику канала воспроизведения. В телевидении, однако, это невозможно, так как на нижней частоте видеосигнала (50 Гц) ослабление, по сравнению с верхней частотой спектра (6 МГц), составляет 120 000 раз. При таком ослаблении НЧ-компоненты спектра опускаются далеко ниже уровня шумов усилителя и попытки выравнивания спектра приводят лишь к зашумлению сигнала. Выход заключается в таком преобразовании спектра сигнала ПЦТС, при котором отношение верхней частоты спектра к нижней уменьшается до приемлемой величины (порядка 10÷13). Можно, например, перенести спектр ПЦТС с участка 0÷6 МГц в диапазон 0,5÷6,5 МГц. На практике, однако, поступают по-другому. Сигнал ПЦТС (рисунок 5.5,а) разделяется на яркост- Рисунок 5.5 – Спектрограммы сигналов: а) ПЦТС в системе PAL; б) после преобразования для записи в формате VHS ную и цветовую компоненты, полоса частот которых ограничивается уровне 3 МГц и ±0,4 МГц соответственно. Затем сигналом яркости UY модулируется по частоте поднесущая, мгновенные значения которой изменяются в диапазоне частот 3,8÷4,8 МГц. Сигнал цветности с частоты поднесущей 4,43 МГц переносится на частоту 626,9 кГц и суммируется с преобразованным сигналом яркости (Y–ЧМ). Результирующий сигнал (рисунок 5.5,б) подается на головки для записи на магнитную ленту. При воспроизведении указанный сигнал после усиления и коррекции искажений подвергается обратному преобразованию с целью получения композитного сигнала PAL (правда, с уменьшенной полосой частот сигналов яркости и цветности). Упрощенная структурная схема канала записи видеомагнитофона, работающего в формате VHS, приведена на рисунке 5.6. Схема не нуждается в особых пояснениях. Отметим только наличие вращающегося трансформатора, обеспечивающего бесконтактную связь видеоголовок со схемой формирования сигнала записи, а также тот факт, что для упрощения схемы сигнал записи подается одновременно на обе головки, при этом запись производится той головкой, которая в данный момент контактирует с лентой. На рисунке 5.7 приведена упрощенная структурная схема канала воспроизведения видеомагнитофона. Предварительные усилители ПУ1 и ПУ2 позволяют выравнять уровни сигналов с двух головок и скомпенсировать Рисунок 5.6 – Структура канала записи видеомагнитофона: ПФ – полосовой фильтр; ПЧ – преобразователь частоты; Г – гетеродин; ВТ – вращающийся трансформатор; ВГ – видеоголовки волновые потери за счет дифференцирования головкой считываемого сигнала. Затем с помощью электронного коммутатора ЭК сигналы с двух головок объединяются в общий сигнал, при этом подавляется помеха с неработающей головки. ЭК управляется симметричным импульсным сигналом 25 Гц. Рисунок 5.7 – Канал воспроизведения видеомагнитофона: ПУ – предварительный усилитель; ЭК – электронный коммутатор; КВ – компенсатор выпадений; ЧД – частотный детектор В канале яркости после фильтра высокой частоты ФВЧ включен компенсатор выпадений КВ, который при пропадании сигнала в некоторой строке заменяет выпавшую строку сигналом предыдущей строки, запомненной с помощью линии задержки на строку. На этом мы заканчиваем знакомство с принципом действия видеомагнитофона. Более подробное их изучение выходит за рамки курса «Основы телевидения». Принципы и системы цифрового телевидения (обзор) Современный этап развития телевидения характеризуется интенсивным внедрением цифровых методов обработки и передачи телевизионного сигнала. Цифровые технологии имеют перед аналоговыми следующие преимущества: возможность использования совершенных запоминающих устройств большой емкости с неограниченным временем хранения информации; в результате становятся доступны алгоритмы обработки, которые трудно или невозможно осуществить в аналоговом варианте: синхронизация внешних источников программ, преобразование стандартов, фильтрация изображения из шума, внутрикадровое и межкадровое кодирование изображений с целью сокращения объема передаваемой по каналу связи информации; возможность регенерации цифрового сигнала, что позволяет при многократном повторении стандартных операций (например, запись-считывание) предотвратить накопление ошибок и сохранить без потерь высокое качество изображения на выходе цифровой системы; высокая технологичность производства, стабильность и надежность в эксплуатации элементов цифровой техники, во многих случаях не требуется настройки аппаратуры. Прогресс в области цифрового телевидения стимулируется развитием спутниковых и волоконно-оптических линий связи, предназначенных для передачи широкополосных цифровых сигналов, принятием международного стандарта МККР на цифровое кодирование телевизионных сигналов, развитием систем телевидения высокой четкости (ТВЧ), требующих глубокого кодирования сигналов с последующим декодированием, что возможно лишь на основе цифровых технологий. Развитие цифровых методов в телевидении происходит по многим направлениям: внедрение в существующие аппаратностудийные комплексы (АСК) телецентров цифровых устройств, создание полностью цифровых аппаратно-студийных блоков (АСБ), входящих в состав АСК, создание массовой телевизионной аппаратуры (телевизоры, видеокамеры и видеомагнитофоны) на основе цифровых методов обработки сигналов и управления, совершенствование существующих и создание новых систем цифровой передачи информации, позволяющих улучшить качество телевизионного вещания и расширить сеть абонентов, например, за счет непосредственного телевещания со спутников. В АСК телецентра цифровая обработка предполагает выполнение следующих операций над сигналами: быстродействующее аналого-цифровое (АЦП) и цифро-аналоговое (ЦАП) преобразование телевизионного сигнала; выполнение в цифровом виде стандартных операций обработки видеосигнала: гамма-коррекция, апертурная коррекция, микширование и т.д.; синхронизация различных источников ТВ программ на основе цифрового ТВ синхронизатора; цифровая память на кадр (для выполнения спецэффектов, режима «стоп-кадр» и т.д.); цифровая компонентная магнитная видеозапись ТВ сигнала в формате D1; цифровое преобразование телевизионных стандартов; цифровое шумоподавление; декодирование цифрового ПЦТС без перехода к аналоговой форме сигнала. Внедрение цифровых технологий в бытовую радиотелевизионную технику рассмотрим на примере телевизионного приемника. В настоящее время стандартной нормой является дистанционное микропроцессорное управление всеми оперативными и настроечными функциями телевизора. Во многих телевизорах предусматриваются цифровые узлы, обеспечивающие выполнение телевизором дополнительных функций: приемные блоки (декодеры) системы «Телетекст», модули «кадр в кадре» и некоторые другие. Расширяется ассортимент телевизоров, выполненных по схеме с цифровым управлением и цифровой обработкой видео и звуковых сигналов, в которых предусматривается цифровое декодирование сигналов цветности и обработка цифровых стереофонических сигналов звукового сопровождения, передаваемых по системе NICAM. В телевизорах высокого класса предусматриваются цифровые блоки улучшения качества телевизионного изображения путем двукратного увеличения частоты полей. Принцип действия блока основан на использовании цифровой памяти на кадр. Наличие памяти на кадр позволяет наряду с преобразованием стандарта и устранением мельканий экрана реализовать цифровой шумоподавитель. Развитие телевидения и вычислительной техники поставило на повестку дня задачу создания прибора, объединяющего в себе функции телевизора и компьютера, так называемого интернет-телевизора, который в недалеком будущем может стать универсальным средством представления абоненту информационных услуг. Кратко рассмотрим проблемы, связанные с организацией цифрового телевизионного вещания. Главная из них – расширение полосы частот при переходе от аналогового к цифровому сигналу. По спутниковому каналу связи ТВ сигнал передается с помощью частотной модуляции в полосе частот 8 МГц (вместе с 7 поднесущими звука). Если преобразовать ПЦТС в цифру на частоте 13,5 МГц (рекомендовано МККР) в стандарте 4:2:2, то полоса частот цифрового ПЦТС составит 108 МГц. Таким образом, требуемое сжатие видеоинформации по спектру должно быть не менее 108:8=13,5. В цифровом спутниковом вещании вместо неэффективной частотной манипуляции используется относительная квадратурная фазовая манипуляция (ОКФМн), позволяющая вдвое сократить требуемую полосу частот. Таким образом, требуемый коэффициент сжатия составляет 6,75. Известно, что по спутниковому каналу со стандартной полосой частот 8 МГц передается до четырех ТВ программ. Очевидно, что достигаемый при кодировании коэффициент сжатия должен быть не менее 4 6,75 27 , а фактически несколько больше 27, так как необходимо передавать сигналы звукового сопровождения и служебные данные, необходимые для декодирования. Столь высокая степень сокращения передаваемых данных достигается за счет межэлементной, межстрочной и межкадровой декорреляции изображения в соответствии с международными стандартами, устанавливаемыми системой MPEG-2. Измерения и контроль в телевидении Оперативный контроль ТВ тракта во время передачи Кратко рассмотрим остроумный метод, который позволяет во время телевизионной передачи, не мешая ей, контролировать работоспособность телевизионного канала и измерять его качественные показатели (полоса пропускания, нелинейные искажения и др.). Метод реализуется с помощью сигналов испытательных строк, которые вводятся в ПЦТС во время обратного хода по кадру и, следовательно, не проявляются на ТВ экране. По форме сигналов испытательных строк можно судить о качестве работы как ТВ канала в целом, так и отдельных его звеньев: передатчика, ретранслятора, приемной антенны и т.д. Для передачи национальных (внутри страны) испытательных сигналов отведены строки 19, 20, 21-я в первом поле и дублирующие их строки 332, 333, 334-я во втором поле. Приведем для примера несколько возможных вариантов компоновки измерительных строк, отметив при этом, что фактически используются несколько более сложные комбинации сигналов. На рисунке 5.8 показана измерительная строка, содержащая синусквадратичный импульс 1 и опорный импульс «белого». По изменению амплитуды импульса 1 по отношению к опорному 2 можно судить об искажении АЧХ тракта в области высоких частот. По искажению вершины импульса 2 судят о качестве передачи средних частот спектра видеосигнала (от 15 до 300 кГц). На рисунке 5.9,а показана измерительная строка, состоящая из шести Рисунок 5.8 – Измерительная строка: 1 – синусквадратичный импульс; 2 – импульс «белого» пакетов синусоидального сигнала с частотами 0,5; 1,5; 2,8; 4,43; 5,0 и 5,8 МГц. Очевидно, что, зафиксировав амплитуды сигналов в пакетах на выходе контролируемого тракта (или его участка), мы получим необходимую информацию для построения АЧХ по шести точкам (рисунок 5.9,б). Рисунок 5.9 – Измерительная строка для контроля АЧХ тракта: а) на входе тракта; б) на его выходе На рисунке 5.10,а приведена измерительная строка, сигнал которой составлен из ступенчатого сигнала яркости с наложенным на него синусо идальным Рисунок 5.10 – Измерительная строка для измерения нелинейных искажений (а); синусоидальная насадка на входе (б) и на выходе ТВ тракта (в) сигналом постоянной амплитуды (рисунок 5.10,б). Для того чтобы измерить нелинейные искажения в ТВ тракте, из сигнала измерительной строки с помощью полосового фильтра выделяется сигнал синусоидальной насадки, которая после прохождения по тракту может иметь, например, форму, показанную на рисунке 5.10,в. По полученной осциллограмме сигнала вычисляется коэффициент нелинейных искажений тракта (в процентах): кн = 200 (Umax – Umin) / (Umax + Umin). (5.1) Генератор цветных полос Генератор цветных полос (ГЦП) является популярным средством, используемым для проверки работоспособности и настройки каналов цветного телевидения, цветных телевизоров и другой телевизионной аппаратуры. Изображение, создаваемое на ТВ экране сигналами ГЦП, состоит обычно из восьми вертикальных полос, цвета которых обозначим номерами 1…8 слева направо (на экране). На рисунке 5.11 эти цвета изображены в виде точек на цветовом графике (треугольнике) RGB. Условимся, что для получения максимальной яркости основных цветов RGB необходимо сигналы UR, UG, UB взять по 1 В. На рисунке 5.12 приведены расположение цветных полос на ТВ экране и соответствующие осциллограммы сигналов цветоделенных изображений Рисунок 5.11 – Цвета, передаваемые сигналами ГЦП, и их положение на цветовом треугольнике RGB: 1 – белый; 2 – желтый; 3 – голубой; 4 – зеленый; 5 – пурпурный; 6 – красный; 7 – синий UR, UG, UB и сигнала яркости UY за время прямого хода строки (52 мкс). Отметим, что вертикальный масштаб осциллограммы UY увеличен в 5 раз по сравнению с сигналами UR, UG, и UB. Поясним форму осциллограмм и их связь с рисунком 5.11. В течение первых 6,5 мкс прямого хода каждой строки передается цвет 1 (белый). Для получения белого цвета C максимальной яркости необходимо установить UR=UG=UB=1 В, при этом UY=0,3UR+0,59UG+0,11UB=1 В, что мы и видим на осциллограммах рисунка 5.12. Для второй полосы (цвет 2, желтый) максимальной яркости имеем: UR=UG=1 В; UB=0; UY=0,89. Для восьмой полосы (черный цвет) имеем Рисунок 5.12 – Цветные полосы (а) и сигналы ГЦП (б) UR=UG=UB=UY=0. Для этого цвета точки на цветовом графике нет, т.к. это не цвет, а отсутствие цвета (и света). На рисунке 5.13 приведены осциллограммы цветоразностных сигналов UR–Y и UB–Y, полученные из сигналов рисунка 5.12 по формулам UR–Y=UR–UY; UB–Y=UB –UY. Осциллограмму сигнала UG–Y читателю предлагается построить самостоятельно. На рисунке 5.14 приведена строчная осциллограмма ПЦТС, в котором цветовое кодирование выполнено по системе PAL. Цветоразностные сигналы (рисунок 5.13) перенесены с помощью балансной модуляции на цветовую поднесущую, которая замешивается с яркостным сигналом (рисунок 5.12). На задней площадке строчного гасящего импульса расположен сигнал цветовой синхронизации в виде вспышки поднесущей, содержащей информацию, необходимую для правильного декодирования сигналов в телевизионном приемнике. Рисунок 5.13 – Цветоразностные сигналы UR–Y и UB–Y для ГЦП Рисунок 5.14 – ПЦТС для ГЦП; кодирование по системе PAL Телевизионная автоматика (краткое знакомство) Задачи, решаемые телевизионными автоматами, чрезвычайно разнообразны. Во многих случаях задача заключается в том, чтобы по видеосигналу от телевизионного датчика (ТВД), направленного на некоторый объект, измерить параметры этого объекта, например, угловые размеры, яркость, форму и т.д. Назовем подобное устройство телевизионной измерительной системой (ТИС) и рассмотрим принцип его работы. Можно выделить два основных режима работы ТИС: режим поиска, в котором происходит обнаружение объекта, и режим слежения, в котором измеряются параметры объекта. Схема обработки сигнала от ТВД в режиме поиска (рисунок 5.15) содержит последовательно соединенные фильтр обнаружения ФО и пороговое устройство ПУ. Импульс на выходе ПУ свидетельствует об обнаружении объекта, после чего ТИС переводится в режим слежения. Кроме того, момент появления этого импульса позволяет приближенно определить местоположение обнаруженного объекта в пределах растра и использовать эти данные для первоначальной установки параметров режима слежения. Рисунок 5.15 – Организация режима поиска в ТИС Режим слежения организуется по-разному в зависимости от типа используемого датчика сигнала. В диссекторных системах целесообразно использовать следящую развертку или следящий растр. При использовании ТВД с накоплением зарядов (видикон, ПЗС-матрица) целесообразно сохранить стандартный режим разложения, а сократить временной интервал видеосигнала, подлежащего обработке в режиме слежения. Выделение этого интервала осуществляется с помощью следящего строба, временное положение которого совпадает с импульсами видеосигнала от объекта. Пространственное положение строба в растре (рисунок 5.16,а) характеризуется координатами X, Y центра строба относительно центра растра, а положение объекта в стробе – координатами ΔX, ΔY центра объекта относительно центра строба (рисунок 5.16,б). Рисунок 5.16 – Пространственное положение следящего строба в растре (а) и объекта в стробе (б) Работа ТИС в режиме следящего строба организуется следующим образом (рисунок 5.17). Начиная со следующего после обнаружения кадра ГС Рисунок 5.17 – Организация режима слежения в ТИС: УП – управляемая платформа (привод); ССГ – специализированный синхрогенератор; ФИС – формирователь импульсов сброса; ПС – преобразователь стандарта; ДСО – дискриминатор сигнала ошибки; ГС – генератор строба вырабатывает стробирующий импульс, который с помощью ключа K вырезает часть видеосигнала на временном интервале, содержащем информацию об обнаруженном объекте. Сигнал, ограниченный стробом, через ПС поступает на ДСО и к измерительному блоку, где производится вычисление искомого параметра объекта. Назначение дискриминатора (ДСО) состоит в вычислении координат ΔX, ΔY энергетического центра объекта относительно центра строба. Таким образом, имеем две системы координат: неподвижную по осям X и Y и подвижную по осям ΔX, ΔY. Подвижная система координат является следящей за энергетическим центром объекта, что достигается путем коррекции положения строба в очередном кадре по результатам вычисления сигналов рассогласования ΔX, ΔY в текущем кадре. Координаты центра строба в n-ном кадре слежения вычисляются по формулам: n X( t n ) X( t 0 ) F X( t i ) ; i 1 n Y( t n ) Y( t 0 ) F Y( t i ) , i 1 (5.2) где X(t0), Y(t0) – начальные значения координат центра строба в момент обнаружения t0; tn= tn-1+Тк; Тк – период кадра; F() – некоторая функция, вид которой определяется выбранным алгоритмом обработки сигналов рассогласования. Двухканальное устройство (рисунок 5.18), выполняющее операцию (5.2), является частью схемы генератора строба и содержит в каждом канале (X и Y) интегратор и траекторный фильтр. Введение ТФ обеспечивает Рисунок 5.18 – Формирование координат центра строба: ТФ – траекторный фильтр высокую точность совмещения центра следящего строба с центром изображения подвижного объекта, что позволяет использовать покадровые отсчеты координат X, Y центра строба в качестве сглаженных оценок координат подвижного объекта. Рассмотренное двухканальное устройство образует внутренний контур телевизионной следящей системы, позволяющей сформировать следящее измерительное окно (строб), в котором содержится информация об объекте, и подвести эту информацию к измерительному блоку, обеспечив ему оптимальные условия работы. Недостаток системы – срыв слежения из-за выхода объекта из поля зрения ТВД и перевод ТИС в режим поиска импульсом сброса с выхода ФИС. Преодолеть этот недостаток можно, если дополнить ТИС внешним контуром слежения (штриховая линия на рисунке 5.17). С этой целью ТВД располагается на платформе (УП), которая управляется сигналами, пропорциональными координатам X, Y, по азимуту и углу места. В стационарном режиме слежения обеспечивается автоматическое совмещение центров растра, строба и изображения подвижного объекта, перемещающегося в пределах телесного угла, ограниченного только возможностями поворота платформы. Преобразователь стандарта ПС выполняет операцию временного масштабирования стробированного видеосигнала в сторону уменьшения тактовой частоты в Q раз, причем Q Тк / Тстр , где Тстр – длительность строба. Такое преобразование полезно в том смысле, что снижает требования к быстродействию вычислителя измерительного блока. Для организации работы цифровых узлов (АЦП, ЦАП, ПС) ТИС нужны тактовые сигналы, кратные частотам разверток ТВД. В серийных ТВД синхрогенератор не выдает такие сигналы. Поэтому целесообразно включать в состав ТИС специализированный синхрогенератор (ССГ на рисунке 5.17), работающий в ведомом режиме по сигналам синхронизации (КСИ, ССИ), которые с помощью селектора синхроимпульсов выделяются из видеосигнала ТВД. В качестве примера на рисунке 5.19 приведена структурная схема ССГ для построчного стандарта разложения, обеспечивающего получение набора Рисунок 5.19 – Специализированный синхрогенератор ТИС: ФД – фазовый детектор; АС – амплитудный селектор; ДЦ – дифференцирующая цепь; ИЦ – интегрирующая цепь тактовых частот f Т , f Т и с синхросигналом ТВД. f Т / Q , fc, fк, жестко связанных по частоте и фазе между собой Упражнения 5.5.1 Даны осциллограммы сигналов UR, UG, UB (рисунок 5.20). Показать на цветовом графике (рисунок 5.21) точки цветов, передаваемых этими сигналами в интервалах времени t1, t2, t3. Рисунок 5.20 Рисунок 5.21 Решение. В интервале времени t1 сигналы таковы: UR=UG=1 В; UB=0. Так как UB=0, искомый цвет лежит на стороне RG цветового треугольника. Так как UR=UG, цвет смеси равноудален от точек RG, т.е. лежит на середине стороны RG цветового треугольника. Обозначаем этот цвет цифрой 1 и наносим точку 1 на цветовой график (рисунок 5.21). Аналогичным образом находим цвета 2 и 3, передаваемые в интервалах времени t2 и t3 соответственно, и наносим точки 2 и 3 на цветовой график. Задача решена. 5.5.2 Цвета, обозначенные на рисунке 5.21 цифрами 1, 2, 3, расположены на экране телевизора в последовательности, показанной на рисунке 5.22а. Рассчитать и построить на рисунке 5.22,б осциллограмму любого из перечисленных сигналов (за время прямого хода строки): UR, UG, UB, UY, UR–Y, UG–Y, UB– Y. Рисунок 5.22 Решение. Составим таблицу 5.1. Например, возьмем левую полосу, на которой передается цвет 2. Цвет 2 (см. рисунок 5.21) передается сигналами UR=0; UG=UB=1 В. Остальные сигналы вычисляем: UY=0,59UG+0,11UB=0,7 В; UR–Y= =UR–UY=0– 0,7=0,7 В; UG–Y=UG–UY=1–0,7=0,3 В; UB– Y=UB–UY=1–0,7=0,3 В. Таблица 5.1 Цвет 2 3 1 UR 0В 1В 1В UG 1В 0В 1В UB 1В 1В 0В UY 0,7 В 0,41 В 0,89 В UR–Y –0,7 В 0,59 В 0,11 В UG–Y 0,3 В -0,41 В 0,11 В UB–Y 0,3 В 0,59 В -0,89 В Полоса Левая Средняя Правая Полученные результаты занесены во вторую строку таблицы 5.1. Аналогичным образом вычисляем и заносим в таблицу значения сигналов для средней и правой полос. Расчет таблицы закончен. Для построения осциллограммы какого-либо из заданных сигналов необходимо использовать три значения этого сигнала, взятые из соответствующего вертикального ряда. Для примера на рисунке 5.22 изображена осциллограмма сигнала UB–Y. Вопросы для самопроверки 1. Принцип магнитной видеозаписи. 2. Устройство видеоголовки. 3. Как увеличить максимальную частоту видеозаписи? 4. Зачем нужен блок вращающихся головок? 5. Что такое наклонно-строчная запись и в чем ее преимущества? 6. Основные характеристики формата записи VHS. 7. Сигналограмма в формате VHS. 8. Что такое азимутальная запись? 9. Спектрограмма сигнала записи в формате VHS. 10. Зачем при записи используется частотная модуляция? 11. Структурная схема канала записи видеомагнитофона. 12. Структурная схема канала воспроизведения видеомагнитофона. 13. Преимущества цифровой обработки ТВ сигналов. 14. Основные проблемы при цифровой передаче телевизионных программ. Как решаются эти проблемы? 15. Сигналы испытательных строк; для чего они нужны? 16. Что такое ГЦП? Для чего он нужен? Форма основных сигналов ГЦП. 17. Принцип работы ТИС со следящим стробом. Где обо всем этом можно прочитать [1], стр. 76–104; 420–490; 540–558; 627–632. [2], стр. 168–216; 228–241. [3], стр. 104–105; 106–112; 129–141; 208–213. [4], стр. 153–181; 235–255; 268–274. [5], стр. 359–386. [6], стр. 64–70; 124–131; 259–278. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. Телевидение / Под ред. В.Е. Джаконии. – М.: Радио и связь, 1997. – 640 с. Быков Р.Е., Сигалов В.М., Эйссенгардт Г.А. Телевидение / Под ред. Р.Е. Быкова. – М.: Высш. шк., 1988. – 248 с. Домбругов Р.М. Телевидение. – Киев: Вища школа, 1988. – 213 с. Быков Р.Е. Теоретические основы телевидения. – СПб.: Лань,1998. –288 с. Ибрагим К.Ф. Телевизионные приемники. –М.: Мир, 2000. – 432 с. Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение. – М.: Высш. шк., 1994. – 288 с.
