Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
121
Обычно в телевизионных системах РЭ одновременно перемещается по
оси ОX и оси OY, поэтому траектория построчной развертки имеет вид,
представленный на рис. 2.23.
Рис. 2.23. Траектория РЭ при строчной развертке
Результирующая скорость движения развертывающего элемента
22
YX
VVV +=
.
(2.40)
Очевидно V
x
>>V
y
при Z>>1, поэтому V
≅
V
x
, то есть скорость движения
РЭ определяется величиной V
x
.
При отклонении электронных пучков в передающих и приемных труб-
ках неизбежны потери на время обратного хода по строкам и по кадрам
(инерционность систем развертки). Условно растр с учетом потерь на время
обратного хода имеет вид (рис. 2.24).
h
0
h
h
b
0
h
b
t
x
t
y
t
0x
t
0y
Рис. 2.24. Растр с учетом потерь на время обратного хода
Для оценки величины потерь обычно нормируются относительные по-
тери по строкам и кадрам:
t
x
= Δt
x
/t
0x
, t
y
= Δt
y
/t
0y
.
(2.41)
При постоянных скоростях сканирования линейные размеры изобра-
жения пропорциональны соответствующим временам (T
y
и T
x
). В этом смыс-
122
ле можно говорить о вертикальных и горизонтальных размерах изображения
h
0
и l
0
при отсутствии потерь на время обратного хода, а также о размерах h
и l при потерях Δh и Δl соответственно.
Тогда изображение можно характеризовать форматом:
- полным K
0
= l
0
/h
0
(при отсутствии потерь на время обратного хода);
- активным K = l/h = (b
0
- Δb)/(h
0
- Δh) = K
0
(1 - t
x
)/(1 - t
y
).
При этом полное число строк Z
0
= h
0
/
δ
, а активное число строк Z
a
=h/
δ
,
или Z
a
= (h/h
0
)Z
0
.
Но, очевидно, h/h
0
= t
y
/t
0y
= (t
0y
-
Δ
t
y
)/t
0y
= 1 -
Δ
t
y
/t
0y
= 1 - t
y
, тогда
Z
a
= (1 - t
y
)Z
0
. (2.42)
Число условных элементов размером
δ
×
δ
в полном изображении оп-
ределяется выражением
n
0
= n
x
×
n
y
.
(2.43)
Но, очевидно n
x
= l/
δ
, а n
y
= h/
δ
= Z
0
, тогда n
0
=Z
0
(l/
δ
), с учетом того,
что l/
δ
= K
0
Z
0
( l/
δ
= (l/h)(h/
δ
) = K
0
Z
0
) получим общее число элементов:
n
0
= K
0
Z
0
2
. (2.44)
Рассуждая аналогично, получим выражение для числа активных эле-
ментов разложения:
n
а
= KZ
а
2
. (2.45)
С учетом значений для Z
a
окончательно получим:
n
a
= n
0
⋅
(1 - t
x
)
⋅
(1 - t
y
).
(2.46)
Предварительно отметим, что время обратного хода по строкам и
кадрам частично используется для передачи сигналов синхронизации раз-
верток, цветовой синхронизации, а также для вспомогательных сигналов,
применяемых для оценки характеристик каналов связи.
Использование строчной развертки требует для передачи сигнала
достаточно широкой полосы частот (13 МГц). Поэтому в телевизионных
системах практическое применение
нашла прогрессивная (чересстрочная)
развертка.
Ее сущность заключается в том, что в пределах растра, состоящего из
Z строк, передача изображения растра производится в два этапа или в виде
двух полей. В первом поле содержатся только нечетные по положению на
растре номера строк, а во втором - четные. То есть анализ и синтез
изобра-
жения в каждом поле производится через строку. Сказанное поясняется
рис. 2.25.
Осуществление чересстрочной развертки требует выполнения сле-
дующих условий.
1. Число строк разложения должно быть нечетным: Z=2k+1, k=0,1,2...
123
Это необходимо для того, чтобы четные и нечетные строки располага-
лись на своих местах, то есть не накладывались друг на друга. Следователь-
но, в каждом поле развертке подвергается целое число строк плюс половина
строки. Действительно, Z
п
=0,5Z=k+0,5.
2. Число строк разложения Z должно состоять из простых сомножите-
лей, чтобы обеспечить жесткую связь между частотами развертки по стро-
кам и частотой кадров F
x
=ZF
y
.
При чересстрочной развертке растр (кадр) просматривается за два по-
ля. Найдем взаимосвязь между частотой кадра F
y
и частотой поля F
п
. Оче-
видно, время просмотра кадра Т
к
=Т
п1
+Т
п2
, где Т
п1,2
- время просмотра поля.
Но F
y
=1/Т
к
, а F
п
=1/Т
п
, тогда 1/F
y
=1/Т
п1
+1/Т
п2
, отсюда следует, что F
y
=F
п
/2, то
есть частота кадров в два раза меньше частоты поля.
Рис. 2.25. Построение растра при чересстрочной развертке при числе строк
Z=5
Основное преимущество чересстрочной развертки по сравнению со
строчной заключается в возможности сокращения верхней граничной часто-
ты спектра сигнала путем уменьшения частоты кадров F
y
при сохранении
частоты мельканий изображения F
п
.
2.5. Спектр полного телевизионного сигнала
Частотный спектр полного телевизионного сигнала через законы раз-
верток непосредственно связан со спектром пространственных частот изо-
бражения.
Результаты изучения спектра телевизионного сигнала с учетом двух-
мерности функций распределения яркости и законов развертки были опуб-
ликованы П. Мертцем и Ф. Греем в 1934 году, на основе разложения распре
-
деления освещенности в ряд Фурье. Не останавливаясь на математических
доказательствах, отметим, что распределение освещенности E(x,y) может
быть представлено в виде:
124
E(x,y) = )
22
cos(
0
mn
mn
mn
y
h
n
x
l
m
E
ϕ
ππ
+⋅+⋅⋅
∑∑
∞
=
∞
−∞=
.
(2.47)
где m=l/
λ
m
- число периодов, укладывающихся на ширине изображения;
n = h/
λ
n
- число периодов, укладывающихся по высоте изображения;
λ
m
,
λ
n
- периоды изменения яркости по осям OX и OY; E
mn
- амплитуда m-го
компонента по ширине и n-го компонента по высоте;
ϕ
mn
- начальная фаза.
Смысл используемых параметров поясняется рисунком 2.26.
Рис. 2.26. К понятию пространственных частот
Содержание передаваемого изображения определяется амплитудами
E
m,n
и начальными фазами
ϕ
m,n
.
Рассмотрим структуру частотного спектра. При этом допустим, что по-
тери на время обратного хода отсутствуют и скорость разверток по коорди-
натам OX и OY постоянна.
В этом случае справедливы равенства:
x = V
x
⋅
t, y = V
y
⋅
t,
(2.48)
где V
x
,V
y
- скорости строчной и кадровой разверток, t - текущее время.
Очевидно:
V
x
= l
0
/T
x
= l
0
⋅
f
стр
= Z
0
⋅
l
0
⋅
f
к
, V
y
= h
0
/T
y
= h
0
⋅
f
к
.
(2.49)
где T
x
,f
x
- период и частота строчной развертки; T
y
,f
y
- период и частота кад-
ровой развертки.
Подставляя (2.49) в (2.48), а затем в (2.47), получим выражение для час-
тотного спектра полного телевизионного сигнала:
i =
∑∑
∞
=
∞
−∞=
++⋅
0
,0,
])(2cos[
mn
nmkknm
tnffmZE
ϕπ
.
(2.50)
Слагаемое в круглых скобках имеет размерность частоты:
f = mZ
0
f
k
+ nf
k
= mf
гр
+ nf
вр
, (2.51)
125
где f
гр
, f
вр
- частоты горизонтальной и вертикальной разверток.
Выражение (2.50) определяет частотный спектр телевизионного сигна-
ла.
Из выражения (2.50) следует, что частотный спектр имеет дискретную
структуру и имеет гармоники с номерами 0
≤
m
≤∞
, кратные частоте горизон-
тальной развертки, около каждой из которых группируются гармоники с но-
мерами -
∞
≤
n
≤
∞
, кратные частоте вертикальной развертки.
Рассмотрим особенности спектра телевизионного сигнала при строчной
и чересстрочной развертках.
При строчной развертке справедливо равенство:
f
стр
/f
k
= f
гр
/f
вр
= Z
0
, (2.52)
где Z
0
- полное число строк в кадре.
Следовательно, на интервале между двумя соседними гармониками
частоты строчной развертки укладывается Z
0
целых интервалов частот кад-
ровой развертки и, следовательно, при перекрытии боковых спектров часто-
ты их гармонических составляющих совпадают. Иными словами, при строч-
ной развертке возможно выполнение равенства:
mf
гр
+ nf
вр
= (m+1)f
гр
- f
гр
+nf
вр
=
=(m+1)f
гр
- Z
0
f
вр
+nf
вр
= (m+1)f
гр
- f
вр
(Z
0
- n).
(2.53)
То есть n-я боковая составляющая m-й гармоники по частоте совпадает
с (Z
0
+n) боковой составляющей m+1-й гармоники. Сказанное поясняется
рис. 2.27.
E
f
f
в
2f
в
f
г
f
г
+f
в
Рис. 2.27. Частотный спектр при строчной развертке
При чересстрочной развертке вертикальная развертка происходит с
частотой полей f
п
и отношение частоты горизонтальной развертки к частоте
вертикальной развертки, определяемое выражением
f
стр
/f
к
= f
гр
/f
вр
= Z +
ξ
(2.54)
126
уже не является целым числом. Действительно, если Z
0
- полное число строк
в кадре является нечетным числом, то
Z +
ξ
= Z
0
/2 = Z +1/2.
(2.55)
Пример: При Z
0
=625, Z=312.
Поэтому при перекрытии соседних боковых спектров их гармониче-
ские составляющие перемежаются.
Иными словами, при чересстрочной развертке невозможно выполнение
равенства:
mf
гр
+ nf
вр
= (m+1)f
гр
- f
гр
-nf
вр
. (2.56)
Так как при чересстрочной развертке
ξ
=1/2, гармонические составляю-
щие из нижнего бокового спектра (m+1)-й гармоники частоты строчной рас-
полагаются строго посередине между составляющими верхнего бокового
спектра m-й гармоники и частотный спектр сигнала уплотняется в два раза.
Сказанное поясняется рис. 2.28.
S
f
2f
в
3f
в
4f
в
f
гр
-2f
в
f
гр
-f
в
f
гр
Рис. 2.28. Частотный спектр ТВ сигнала при чересстрочной развертке
Определим верхнюю частоту спектра телевизионного сигнала для сиг-
нала в виде шахматного поля, размеры клеток которого равны одному эле-
менту разложения (рис.2.29). Из рисунка следует, что верхняя частота спек-
тра определяется величиной:
f
в
= 1/T = 1/2
τ
эл
.
(2.57)
Определим величину
τ
эл
. Очевидно, за время полного цикла T
y
(разверт-
ка кадра) развертка подвергается N элементов разложения
N = k
x
k
y
= k
ф
Z
2
, (2.58)
где k
x
,k
y
- количество элементов разложения по осям OX и OY; k
ф
= k
y
/k
x
-
формат изображения; k
y
= Z - число строк разложения.
127
x,t
τ
y,t T=2τ
Рис. 2.29. К определению верхней частоты спектра
Тогда время развертки одного элемента:
τ
эл
= T
y
/N = T
y
/(k
ф
Z
2
)
(2.59)
и верхняя частота спектра
f
в
= 0,5 k
ф
Z
2
/T
y
. (2.60)
Очевидно, если n - число передаваемых кадров в секунду, то
T
y
= 1/n (2.61)
и тогда
f
в
= 0,5 k
ф
Z
2
n = 0,5 N
⋅
n.
(2.62)
Пример: Z=625, k
ф
=4/3, n=50 и тогда f
в
=13 МГц.
Применение чересстрочной развертки, при которой n=25, позволяет
уменьшить f
в
в два раза: f
в
=6,5 МГц.
Для практических расчетов верхней частоты необходимо учитывать
следующие моменты.
1. В формулу для верхней частоты (2.62) вводят коэффициент
р=0,75...0,85, учитывающий дискретность разложения изображения по стро-
кам в направлении кадровой развертки (это снижает четкость изображения и
уменьшает верхнюю граничную частоту). Учет коэффициента р позволяет
учесть выравнивание четкости по горизонтали и вертикали.
2.
В реальных условиях необходимо учитывать потери на обратный ход
развертки по строкам и кадрам - T
0x
. Если Т - период развертки, то время
прямого хода
Т
прх
= Т - Т
ох
= Т(1 - Т
ох
/Т) = Т(1 - Δ),
(2.63)
где Δ = Т
ох
/Т - относительная потеря времени на обратный ход.
В соответствии с ГОСТ 7845-79 эти потери в направлении кадровой
развертки Δy=0,08, в направлении строчной развертки Δx = 0,16...0,188.
128
Учет Δy приводит к тому, что развертке подвергается не Z (по стандар-
ту), а активное число строк:
k
ya
= Z
a
= Z(1 -
Δ
y).
(2.64)
Пример: при Δy = 0,08, Z = 625 Z
а
= 575 строк.
Учет Δx приводит к тому, что количество элементов в строке уменьша-
ется до величины:
k
xa
= k
x
(1 - Δx) = k
ф
k
y
(1 - Δx) = k
ф
(1 - Δy).
(2.65)
Тогда общее количество элементов развертки уменьшится до величины:
N
a
= k
xa
k
ya
= k
ф
Z
2
(1 - Δx) (1 - Δy).
(2.66)
С другой стороны, уменьшение Т
x
и Т
y
приводит к уменьшению времени
развертки одного элемента.
Время развертки одного элемента:
τ
эл
=T
x
’
/k
xa
= [T
x
(1 - Δx)]/[k
ф
Z(1 - Δy)].
(2.67)
С учетом того, что f
в
=1/2
τ
эл
, а T
x
= T
y
/Z, получим:
f
в
= 0,5k
ф
Z
2
n (1 - Δy)/(1 - Δx).
(2.68)
Окончательно получим:
f
в
= 0,5 р k
ф
Z
2
n (1 - Δy)/(1 - Δx).
(2.69)
Пример: р=0,85, Δy=0,08, Δx=0,188, k
ф
=4/3, Z=625, n=25, тогда f
в
=6,25
МГц.
Определим нижнюю границу спектра телевизионного сигнала - f
н
. При
строчной развертке f
н
равна частоте кадров, а при чересстрочной развертке -
частоте полей. Эти соотношения не зависят от вида передаваемого изобра-
жения.
Однако при передаче натурных сюжетов, кинофильмов в спектре теле-
визионного сигнала появляются составляющие 0...3 Гц, наличие которых
связано со сменой сюжетов и частичными изменениями расположения объ-
ектов в пределах передаваемого сюжета. Эти составляющие
спектра телеви-
зионного сигнала передаются косвенным путем.
2.6. Синхронизация развертки. Выделение и разделение сигналов
синхронизации разверток
Для обеспечения синхронизации развертки в общем случае по каналу
связи должна передаваться информация о текущем положении центра раз-
вертывающего элемента (РЭ). Однако это требует дополнительных частот-
ных (а может быть и энергетических) затрат. Поэтому требуется
поиск более
простых методов синхронизации без существенного ухудшения качества
синтеза изображения.
129
Методы синхронизации могут быть разделены на три типа: автоном-
ная, принудительная и автономно-принудительная.
При автономной синхронизации устройства, управляющие развертка-
ми на передающей и приемной сторонах, работают независимо друг от дру-
га. Основным преимуществом является высокая помехоустойчивость.
При принудительной синхронизации развертывающие устройства
управляются специальными синхронизирующими импульсами, следующими
постоянно. Помехоустойчивость принудительной синхронизации
меньше,
чем автономной.
При автономно-принудительной синхронизации на приемной стороне
имеются задающие генераторы (как при автономной синхронизации), управ-
ляемые периодически синхросигналами предающей стороны. При непре-
рывной работе задающих генераторов пропуск отдельных синхроимпульсов
не вызывает заметных искажений при наблюдении изображения.
Определим необходимые условия реализации автономно-
принудительной синхронизации в телевизионных системах.
Задача
синхронизации - обеспечить синхронную и синфазную работу
развертывающих элементов приемной и передающей сторон.
Нам известно, что при чересстрочной развертке синхронизация должна
осуществляться по строкам и полям. Следовательно, при автономно-
принудительной синхронизации в телевизионном приемнике должны быть
два задающих генератора: генератор строчной развертки и генератор раз-
вертки по полям. Поэтому для определения местоположения
РЭ достаточно
передавать два вида синхроимпульсов: синхроимпульсы по строкам и син-
хроимпульсы по полям. В этом случае совместное использование задающих
генераторов и синхроимпульсов позволяет обеспечить синхронную и син-
фазную работу приемной и передающей частей.
Итак, первое необходимое условие. С передающей стороны на прием-
ную периодически должны передаваться специальные сигналы, представ-
ляющие собой совокупность синхроимпульсов строк и полей. Они предна-
значены для установления и поддержания синхронности и синфазности ра-
боты генераторов развертки.
Второе необходимое условие. Сигналы синхронизации не должны соз-
давать помех на изображении. Это достигается тем, что сигнал синхрониза-
ции и сигнал изображения имеют существенные различия по уровню, либо
времени, либо
частоте.
Кроме того, сигнал синхронизации должен легко и надежно выделять-
ся из полного телевизионного сигнала, а также обеспечивать стабильное во
времени срабатывание генераторов разверток.
Исходя из вышеизложенного, рассмотрим порядок синтеза полного те-
левизионного сигнала черно-белого изображения.
Полный телевизионный сигнал состоит из сигнала яркости, несущего
информацию об изображении, и сигнала
синхронизации, необходимого для
130
обеспечения синхронной и синфазной работы генераторов разверток пере-
дающей и приемной сторон.
Особенностью чересстрочной развертки является необходимость об-
ратного хода луча по строке и по полю. Очевидно, в это время сигнал изо-
бражения не должен воспроизводиться на экране электронно-лучевой труб-
ки. Это может быть достигнуто, например, запиранием электронно-лучевой
трубки
во время обратного хода луча. Следовательно, сигнал яркости состо-
ит из исходного сигнала яркости и сигнала гашения.
Так как информация о яркости изображения заложена в амплитуде, то
исходный сигнал яркости является аналоговым многоуровневым сигналом.
Пусть изображение состоит из белой и черной полос на сером фоне
(рис. 2.30).
L(x) белая деталь
серая деталь
а) черная деталь
x
u(t)
б) t
Рис. 2.30. Исходный сигнал яркости
Распределение яркости L(x) этого изображения в пределах строки по-
казано на рис. 2.30, а. Если преобразование свет-сигнал производится по ли-
нейному закону u(t)=kL(x), форма исходного сигнала яркости u(t) повторяет
зависимость L(x). Величина u(t) практически мала (0,01...0,1В), поэтому он
подвергается усилению. При этом, с
учетом межкаскадных разделительных
емкостей, теряется постоянная составляющая, характеризующая среднюю
яркость изображения и сигнал яркости принимает вид, изображенный на
рис. 2.30, б.
В конце каждой строки и каждого поля, как мы выяснили, должны пе-
редаваться гасящие импульсы. Эти сигналы замешиваются в сигнал яркости.
Введение гасящих импульсов, кроме того, позволяет восстановить постоян-
ную составляющую
. Сигнал яркости с гасящим импульсом по строке приве-
ден на рис.2.31, где введены следующие обозначения:
Н - период строчной развертки;
а - длительность гасящего импульса по строке;