Телевидение

В силу принципа построчного разложения изображения продольное (вдоль строк) разрешение определяется также полосой частот в канале связи (кривая 5). Если эта полоса частот имеет прямоугольную форму, т.е. граничная пространственная частота , где l = 2d – период изменения яркости, то это, в свою очередь, апроксимируется распределением прозрачности в такой апертуре вида:

.

Поперечное разрешение определяется дискретностью растра, т.е. за счет строчного разложения, и это разрешение обычно бывает меньше продольного. Если увеличивать число строк, то и поперечное разрешение приближается к тому, которое определяется апертурной фильтрацией.

6.3. Частотный спектр сигнала изображения

 

Не будем обращать внимание на время обратного хода развертки и ее нелинейность. Тогда координаты передаваемых элементов изменяются во времени линейно:

  ,

где Vx – скорость сканирования по х; b – максимальный горизонтальный размер; z – полное число строк в кадре; fk – частота кадров; h – вертикальный размер кадра; Vy – скорость изменения координаты у при разложении.

Считанный сигнал во времени: i (t) = c E (x, y), где Е – освещенность.

Было:

.

Так что:

.

Слагаемые в круглых скобках:

 - имеет размерность частоты. Можно назвать:

fгр = z × fk – частота горизонтальной развертки,

fвр = fk – частота вертикальной развертки.

Тогда считанный ток можно представить в виде гармоник:

.

Это выражение определяет спектр телевизионного сигнала. Видно, что он имеет дискретный характер и содержит гармоники с номерами 0 £ m £ ¥, кратные частоте горизонтальной развертки, около каждой из которых группируются гармоники с номерами -¥£ n £ ¥, кратные частоте вертикальной развертки.

В частном случае, когда освещенность меняется только по вертикали (горизонтальные полосы), в спектре сохраняются лишь n-ые гармоники вертикальной развертки f=n×fвр. Хотя теоретически nmax = ¥, апертурная фильтрация делает количество гармоник n небольшим, да и величина fвр невелика. Если же освещенность поля изображения меняется только по горизонтали (вертикальные полосы), в спектре не будет n-ых гармоник, а только одни m-ые. Так как fгр =  zfвр, то и гармоники mfгр простираются далеко по оси частот.

В общем случае, когда освещенность меняется по горизонтали и по вертикали, спектр сигнала группируется вокруг нулевой, первой, второй и т.д. гармоник fгр (рис. 6.6). Огибающая этих гармоник зависит от распределения освещенности вдоль строк.

Огибающие боковых спектров зависят от распределения освещенности в поперечном (вертикальном) направлении.

Т.к. отношение fгр и fвр определяется структурой растра и равно z, то между двумя гармониками fгр может расположиться 2z гармоник частоты вертикальной развертки. Однако если z мало или если n (реально учитываемое количество вертикальных гармоник) велико, то может получиться наложение боковых гармоник, которые совпадут для n – положительного крыла спектра гармоники горизонтальной развертки с (n+1) – отрицательным крылом спектра следующей гармоники горизонтальной развертки (рис. 6.7). Как видно из рисунка, произошло наложение частот за счет перекрытия боковых, т.е. на одной и той же частоте идут сигналы разных компонентов (горизонтальных и вертикальных):  

f = m fcгр + n1 fk = (m+1) fcгр – n2 fk.

Если есть еще более дальнее перекрытие, то

f = mi fcгр + nk fk = m fcгр + nl fk.

Наложение боковых составляющих создает своеобразные посторонние изображения (муар).

До этого рассматривались неподвижные изображения. Передача движущихся изображений сопровождается амплитудной модуляцией гармонических составляющих (горизонтальных и вертикальных), что добавляет в спектре еще дополнительные боковые составляющие (вокруг всех гармоник). Ширина этой добавки не превышает ±3 Гц на каждую составляющую (дальше не надо, ибо не воспринимает глаз в силу своей инерционности).

6.4. Полоса частот телевизионного сигнала

Как уже говорилось раньше (гл. 1), полоса пространственных частот однозначно связана с количеством элементов разложения, а реальный спектр зависит от конкретного изображения (сюжета), передаваемого по ТВС.

Низшая частота спектра fH определяется минимальной пространственной частотой, которая определяется максимальными деталями изображения. Очевидно, что такая деталь может занимать почти весь экран и ее временная частота составляет fK, т.е. требуется все время кадра Тк, чтобы ее передать:

.

Самое простое передаваемое изображение – две горизонтальные полосы (черная и белая) одинаковой ширины и с синусоидальным «сечением по яркости» (освещенности), рис. 6.8.

Здесь в принципе только одна гармоника, не считая постоянной составляющей, т.к. освещенность не может быть меньше 0.

Более сложная картинка спектра даже при условии все тех же двух полос (белая и черная) получается, если полосы имеют более резкие границы и (или) полосы имеют различную ширину.

В современных телевизионных системах применяется только чересстрочная развертка (см. след. раздел), при которой частота кадров в два раза ниже частоты полей (полукадров). В этом случае наиболее простое изображение, дающее нижнюю частоту, должно быть таким, чтобы в течение первого полукадра поле изображения было светлым, а в течение второго – темным (или наоборот). Практически такой случай реализуется в виде горизонтальных полос шириной в одну строку, разделенных такими же темными промежутками.

Очевидно, что высказанные соображения относительно нижних частот сигнала будут справедливы и для вертикальных полос – минимальная (и единственная) частота телевизионного сигнала, соответствующая одной темной и одной светлой вертикальной полосе, имеющим синусоидальное «сечение» освещенности, равна первой гармонике строчной частоты. По мере увеличения числа полос и (или) резкости границ будет расти количество гармоник строчной частоты.

В любом случае существенно подчеркнуть, что низкие частоты спектра телевизионного сигнала несут информацию о распределении яркости по крупным деталям изображения, а высокие – о мелких деталях изображения, в том числе и о контурах (границах) крупных деталей.

Высшая частота спектра fB соответствует минимальному элементу изображения, за которой принят квадрат со стороной, равной ширине строки . Первая гармоника при считывании таких мелких деталей (элемент + пропуск): , где k – формат изображения. Для воспроизведения самых мелких деталей достаточно передавать только первую гармонику, определяющую среднюю величину яркости этих деталей, потому что глаз почти не замечает искажение распределения яркостей в пределах малого элемента. Эта частота и есть высшая составляющая спектра телевизионного сигнала.

Часть строк растра теряется на обратный ход кадра (bz), так что активное (действительное) число строк уменьшается до z (1- b). Изменение соотношения между прямой и обратной частью периода кадра сказывается на реальной четкости по вертикали за счет уменьшения числа строк разложения. В то же время обратный ход кадра (его время) не влияет на скорость движения развертывающего луча, т.е. не меняет ни верхней, ни нижней границ полосы частот.

Длительность прямого хода по строке за счет обратного хода по строке при заданном периоде строк уменьшается на время aTСГР, т.е. в действительности

ТСГР АКТ = ТСГР (1 - a).

Считая, как и раньше, размер элементов разложения одинаковым по вертикали и горизонтали и равным , получим: . Учитывая, что , найдем:

.

В нашем телевизионном стандарте разложения выбрано:

b = 0,08, т.е. 50 строк – на обратный ход кадра (z = 625),

a = 0,18, т.е. tсбр = 11,52 мкс при Тстр = 64 мкс,  Тсгр акт = 52,48 мкс.

Коэффициент r определяется следующими соображениями. В горизонтальном направлении минимальный размер элемента равен толщине строки, а в вертикальном направлении (поперек строк) такая же деталь может воспроизводиться либо одной строкой (когда центр этой детали совпадает с центром строки растра), либо двумя строками (когда центр детали лежит посередине строк), т.е. четкость по вертикали не является постоянной величиной и составляет от 1 до 0,5 от величины четкости по горизонтали. Чтобы несколько выровнять четкости по обоим направлениям, четкость по горизонтали уменьшается за счет полосы частот в r раз. Практически полоса уменьшается в 1,1 – 1,2 раз.

Если подставить в последнюю формулу r = 0,82, z = 625, fk = 50 Гц, выбранные исходя из пространственной и временной характеристик зрения, получим:

МГц.

6.5. Чересстрочная развертка

Как было показано, полоса частот телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 12 МГц. Обработка сигналов в такой полосе трудна, поэтому представляет интерес пули ее уменьшения. Реально можно уменьшить частоту кадров, однако, чтобы не было мельканий, можно сделать кадр в виде двух полукадров (полей), в каждом из которых 312, т.е. z/2 строк. Это допустимо, т.к. глаз замечает частоту мельканий прежде всего для крупных деталей, а для двух близко расположенных точек (элементов), яркость которых меняется от нуля до максимальной, обе точки кажутся светящимися непрерывно, если сумма частот их яркостных мельканий выше критической. Т.е. для мелких деталей предельно низкая частота мельканий уменьшается практически вдвое.

Строки полуполей чередуются – 1 полукадр содержит нечетные строки, II – четные. Для выполнения этого количество строк в кадре должно быть нечетным: z = 2m + 1 (для нашего стандарта m = 312), кроме того, должна быть жесткая связь частот: , т.е. . Это соотношение обеспечивается синхрогенератором передатчика.

В принципе можно брать чересстрочную развертку и с большей кратностью, чем 2:1, например, 3:1, или 4:1. Однако здесь уже становится заметным мелькание, уменьшается четкость объектов, движущихся в вертикальном направлении.

Для любого чересстрочного разложения есть эффект «скольжения строк» – пока луч чертит текущую строку, его яркость максимальна, а яркость предыдущей строки, прочерченной в предыдущем поле, имеет спадающий характер. Этот эффект мало заметен при кратности 2:1, а при больших кратностях сказывается очень сильно.

К этому можно добавить, что периферийное зрение менее инерционно, поэтому при наблюдении ТВ изображения с близкого расстояния (когда большой угол зрения и участвует периферия глаза) становится заметным мелькание при принятых у нас частотах (fk=25 Гц). Установлено, что истинная 625-строчная развертка (не чересстрочная) по четкости эквивалентная 900-строчной с чересстрочным принципом.

Чересстрочное (любое) разложение требует нецелого отношения частот:

, z – целая часть (целое число строк в поле) z - дробная часть: .

В общем случае:

За первое поле (z + z) строк

за два поля 2(z + z) строк

за W полей W(z + z) = Wz +Wz = z0 – полное число строк в кадре, после чего цикл заканчивается.

Т.к. z0 и Wz – целые числа, то и Wz должно быть целым.

Если обратиться вновь к спектральному составу ТВ сигнала, то в случае чересстрочного разложения на интервале между гармониками строчной частоты укладывается не z0 частот кадровой развертки, а z + z интервалов и при перекрытии боковых спектров их гармонические составляющие перемежаются. Т.е. увеличение в W раз времени передачи кадра (W полей в кадре) сопровождается уплотнением в W раз частотного спектра сигнала. В случае  гармоники из нижнего бокового спектра (m + 1)-й гармоники строчной частоты располагаются ровно посередине между составляющими верхнего бокового спектра m-ой гармоники строчной развертки, т.е. линейчатый частотный спектр сигнала в целом уплотняется в 2 раза.

 

 

7. СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗВЕРТКИ

Процессы развертки на передающей и приемной стороне телевизионной системы должны быть синфазными, т.е. должен сканироваться один и тот же элемент изображения – передаваемого и воспроизводимого. В принципе синфазность не обязательно означает синхронность, т.е. одинаковые частоты строк и кадров. Частоты могут быть кратными, однако в действительности процессы анализа и синтеза идут (проводятся) и синфазно, и синхронно.

7.1.    Методы синхронизации

Автономная синхронизация означает независимую синхронизацию передающей и приемной стороны, которые каким-то образом вначале установлены.

При автономной синхронизации (два независимых генератора) получаются практически невыполнимые требования к стабильности частоты обоих генераторов. Обычно задана та относительная часть строки a, смещение на которую становится заметным, что эквивалентно промежутку времени a × tстр,  где tстр – длительность строки. Очевидно, что суммарное относительное расхождение за время наблюдения Тн не должно превышать:

.

При d = 0,01 (что уже заметно), tстр = 64 мкс и Тн = 1 час:

.

Эта же величина характеризует и требования к стабильности частоты независимых генераторов. Как видно, эти требования невыполнимы, хотя для факсимильных систем передачи изображения (Тн » 1 мин) автономная синхронизация реализуема при кварцевой стабилизации частоты генераторов.

Принудительная синхронизация требует организации специального сигнала синхронизации.

В этом случае может быть один из следующих способов:

-            внешняя синхронизация, когда передатчик и приемник организуют свою работу от некоторой внешней системы (сигнал единого времени и т.п.);

-            синхронизация приемника от передатчика;

-            синхронизация передатчика от приемника.

В вещательных телевизионных системах используется исключительно принудительная синхронизация, в которой ведет передатчик. Однако в тех случаях, когда есть несколько источников сигналов (датчиков), которые могут работать автономно (передвижные телестанции) и даже с разными параметрами разложения (международный обмен программами), приходится достигать синхронности за счет записи сигналов (сообщений) синхронно с сигналом источника сообщения, а считывать (иногда тут же) – синхронно с сигналами передающей станции.

7.2.                Требования к сигналам синхронизации

На все развертывающие устройства телевизионной системы подаются специальные синхронизирующие сигналы (импульсы), определяющие начало обратного хода и кадра (поля).

Для синхронизации приемных устройств в общем канале с сигналом изображения (яркости) передается сигнал синхронизации. Кроме этого, в сигнал изображения вводятся гасящие импульсы, запирающие электронные лучи передающих и приемных трубок на длительность обратного хода строк и кадров. Для передающих трубок это необходимо, чтобы не искажать потенциальный рельеф во время обратных ходов, а на приемных – чтобы не было дополнительной засветки экрана, снижающей общий контраст изображения.

Длительность обратного хода строчной и кадровой разверток существенно различны, поэтому гасящие импульсы строк намного короче во времени, чем кадровые. Длительность гасящих импульсов приемника должна быть больше, чем у передатчика – чтобы избежать, например, сдвигов за счет разной длины кабелей от разных передающих камер.

Сигнал синхронизации приемников создается на телевизионном центре (ТЦ) и передается на приемники во время передачи гасящих импульсов, побуждая генераторы начинать обратные ходы разверток. Вершины гасящих импульсов служат «пьедесталами», на которых располагаются импульсы синхронизации. Уровень сигнала гашения равен или больше «уровня черного», поэтому синхроимпульсы идут на уровне «чернее черного». Это позволяет подавать на кинескоп полный канальный (телевизионный) сигнал без подавления каких-либо его составляющих, в том числе синхроимпульсов.

С другой стороны, импульсы синхронизации должны четко отделятся от сигнала изображения, а также друг от друга.

Благодаря расположению синхроимпульсов на гасящих импульсах, появляется возможность их выделения с помощью простого амплитудного порогового устройства (дискриминатора).

Для разделения строчных и кадровых импульсов можно было бы тоже использовать разницу в их амплитудах, однако для отчетливого разделения потребовалось бы существенно увеличить мощность передатчика. Поэтому для разделения строчных и кадровых синхроимпульсов используется временное различие – длительность кадровых импульсов много больше строчных.

Различная длительность синхроимпульсов позволяет достаточно просто их разделить с помощью простейших дифференцирующих и интегрирующих цепочек (рис.7.1).

Этот способ не только прост, но и достаточно помехоустойчив, все короткие импульсы практически не влияют на кадровый синхроимпульс.

Недостаток такого способа разделения строчных и кадровых синхроимпульсов – очень пологий фронт сигнала после интегрирования, поэтому возможна нечеткая временная привязка выходного импульса – из-за шумов, помех, дрейфа порога дискриминации и т.п.

Превышение синхроимпульсом импульса гашения (синхроимпульсы «чернее черного») может быть реализовано двояким образом – когда амплитуда импульса синхронизации превышает телевизионный сигнал и когда синхроимпульс представляет собой минимальное значение сигнала (рис. 7.2). В первом случае телевизионный сигнал называется негативным или отрицательной полярности, потому что сигнал яркости уменьшается при увеличении освещенности и уровень белого соответствует минимальному сигналу. Позитивный сигнал (рис. 7.2,б), или сигнал положительной полярности, имеет наибольшее значение при наибольшей освещенности. На первый взгляд, между ними нет принципиальной разницы, однако в действительности практически все телевизионные системы используют негативную полярность сигнала. Это объясняется тремя серьезными преимуществами:

1.        Импульс синхронизации – наибольший, поэтому вероятность сбоя синхронизации из-за шумов  и наводок будет наименьшей, в то время как для позитивного сигнала вероятность сбоя будет наибольшей.

2.        Экстремальные значения мощности передатчика при негативном сигнале будут только во время передачи синхроимпульсов, что резко уменьшает необходимую среднюю мощность по сравнению с позитивным сигналом.

3.        Статистика передаваемых сюжетов свидетельствует о преобладании светлых деталей и изображений в целом, что также заставляет отдать предпочтение негативному сигналу.

7.3.            Форма сигналов синхронизации

При построчном (не чересстрочном) разложении между двумя кадровыми импульсами  (передними фронтами) помещаются z строчных импульсов. Длительность строчных импульсов tcc во много раз меньше длительности кадровых импульсов tck. После дифференцирующей цепи положительные импульсы идут на синхронизацию генератора строчной развертки, а отрицательные не используются.

Длительность tck много больше длительности строки, поэтому во время его передачи нет строчных синхроимпульсов. В результате генератор строчной развертки (ГСР) будет идти самоходом (в автоколебательном режиме), поэтому первые несколько строк поля могут быть «сбиты». Для сохранения принудительной синхронизации строк во время кадрового синхроимпульса в кадровый синхроимпульс вводят «врезки», идущие со строчной частотой. Длительность врезок равна длительности строчных синхроимпульсов, но они сдвинуты по времени на длительность строчного синхроимпульса, так что их задние фронты (положительные) соответствуют передним фронтам строчных СИ (рис.7.3).

В этом случае после дифференцирующей цепочки появляются положительные импульсы и во время кадрового импульса, т.е. принудительный запуск ГСР обеспечен.

После интегрирующей цепочки врезки дадут зубцы, однако они будут одинаковыми у всех импульсов кадров, поэтому их влияние будет незаметным.

Несколько труднее выполнить условие четкой синхронизации при чересстрочном разложении. Здесь количество строк z – нечетно в кадре и между двумя последовательными синхроимпульсами полей размещается (n + 0,5) периодов строчной частоты Н. Для синхроимпульсов четных и нечетных полей картина будет различной (рис. 7.4).

Из-за более раннего начала кадрового синхроимпульса нечетного поля  (первый полукадр заканчивается на половине строки) после интегрирующей цепи напряжения I и II кадрового СИ будут разными по величине, и после дискриминатора появляется и разница D во времени.

Если такие импульсы подать на синхронизацию генератора развертки полей, то появляется сдвиг, который может достигать половины длительности строки, т.е. чересстрочная развертка разрушается, строки полей сливаются («спаривание строк»), что резко ухудшает качество изображения – уменьшится количество элементов по вертикали (в 2 раза уменьшается количество строк) и по горизонтали – складываются два элемента из разных строк. Для того чтобы ликвидировать различие между четными и нечетными импульсами после интегрирующей цепочки, надо ликвидировать первопричину в различии интегрированных кадровых импульсов – разные временные интервалы между строчными и кадровыми импульсами. Поэтому вводят на время кадрового синхроимпульса врезки удвоенной строчной частоты. На такое нововведение генератор строчной частоты не реагирует, потому что первый импульс, врезанный между строчными импульсами, приходит слишком рано и если его амплитуда не чрезмерна, то генератор строчной развертки на него просто не отзовется и генератор работает как бы в режиме деления частоты с коэффициентов деления 2.

Страницы: 1, 2, 3, 4