Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

171

теме К-3600. Сигнал в полосе частот 50 Гц...6,0 МГц (рис. 3.14, а) модулиру-

ет несущую частоту 16,0089 МГц по амплитуде. Заметим, что в современных

системах передачи ТВ по коаксиальному кабелю используется амплитудная

модуляция, которая обеспечивает минимальную ширину полосы частот мо-

дулированного сигнала.

Рис. 3.14. Эпюры преобразования спектров ТВ сигналов

Для сужения спектра используется метод передачи с частичным по-

давлением одной боковой полосы. Поэтому из спектра 10,0089...22,0089

МГц, образуемого на выходе частотного преобразователя, с помощью

фильтра выделяют полосу частот 10,0089…16,6089 МГц (рис. 3.13, в), кото-

рой модулируют вторую несущую частоту 18,5 МГц (рис. 3.13, г). В полу-

ченном спектре частот выделяют нижнюю боковую полосу

1,8911...8,4911МГц

, являющуюся спектром линейного ТВ сигнала. Оконча-

тельное формирование преобразованного сигнала производится кососим-

метричным полосовым фильтром (3,37...8,5 МГц). В области кососиммет-

ричной характеристики (1,8911...3,0911 МГц) результирующие коэффициен-

ты передачи ТВ сигнала расположены симметрично относительно линейной

несущей частоты и равны 2,4911 МГц.

На станции приема частотные преобразования производятся в обрат-

ном порядке. Как известно, для

обеспечения качественного приема изобра-

жения необходимо, чтобы частоты преобразования 16,0089 МГц в пунктах

передачи и приема совпадали по фазе. Для этой цели использован метод фа-

зовой автоподстройки частоты местного гетеродина приема f

= 2,4911 МГц

под частоту линейной несущей равную 2,4911 МГц.

Передача сигналов ТВ изображений по коаксиальному кабелю с ис-

f, МГц

0 6,0 16,0089

16,0089

10,0089 22,0089

16,0089 16,608910,0089

18,51,8911

8,4911

2,4911 3,0911

а) исходный спектр

б) спектр на выходе

первого преобра-

зователя частот

в) спектр сигнала пос-

ле асимметричного

ограничения полосы

частот

г) спектр на выходе

второго преобра-

зователя частот

д) линейный

спектр

172

пользованием системы К-1920 производится аналогично. Отличаются лишь

частоты первого и второго преобразователей. Несущая частота и спектр ТВ

сигналов остаются такими же, как и в системе К-3600.

Система К-3600 позволяет организовать по коаксиальному кабелю

типа СМБ-8/6 или КМБ-4 (по одной коаксиальной паре) один канал ТВ и

1800 каналов ТЧ одновременно. Система К-1920

по тем же кабелям по одной

коаксиальной паре обеспечивает один канал ТВ и 300 каналов ТЧ.

Тракт передачи изображений эталонной цепи коаксиального кабеля

длиной 2500 км, имеющего два переприема по видеочастоте, должен соот-

ветствовать приведенным ниже характеристикам. Телевизионный канал, ха-

рактеристики которого соответствуют приведенным нормам, обеспечивает

высококачественную передачу черно-белого или цветного изображения

В РРЛС, представляющих собой цепочку приемопередающих радио-

станций (оконечных, промежуточных и узловых), информация передается в

диапазонах УВЧ (0,4...2,0 ГГц) и СВЧ (4, 6, 8 и 11 ГГц). Используется час-

тотная модуляция. Способ разделения каналов частотный.

Комплекс приемопередающей аппаратуры РРЛС для передачи ин-

формации на одной несущей частоте (или на двух несущих частотах при ор-

ганизации

дуплексных связей) образует широкополосный канал или так на-

зываемый ствол. Радиорелейная линия связи может иметь до восьми ство-

лов. Стволы являются широкополосными и пригодны для передачи ТВ сиг-

налов. В качестве примера на рис. 3.15 приведены области частот сигналов,

передаваемых по стволам устройств радиорелейной связи КУРС.

Рис. 3.15. Области частот сигналов, передаваемых по стволам устройств радиорелейной

связи КУРС

На рисунке указаны также области частот сигналов звукового сопро-

вождения ТВ программы и пилот-сигнала для телеуправления резервирова-

нием аппаратуры. Использование в РРЛС принципа частотного разделения

каналов позволяет применять на этих линиях стандартные системы (напри-

f, МГц

Пилот-сигнал

Звуковое

сопровождение

ТВ сигнал

6,0

08,08,5

173

мер, К-60, К-1920, К-3600). Применение однотипной аппаратуры для РРЛС и

КЛС обеспечивает возможность "простого" соединения этих линий между

собой без какого-либо дополнительного оборудования. Сигналы линейных

спектров соответствующих систем передачи поступают на вход передающей

аппаратуры РРЛС, где они преобразуются в удобный для передачи по этим

линиям диапазон частот. Обратное преобразование осуществляется

прием-

ной радиорелейной станцией.

Спутниковые линии связи представляют собой радиорелейную сис-

тему с одним активным ретранслятором, расположенным на ИСЗ. Спутники

связи имеют либо эллиптическую (ИСЗ типа "Молния"), либо стационарную

орбиту ("Радуга", "Горизонт", "Орбита").

Спутники связи "Молния" вращаются по эллиптической орбите с

апогеем 40000 и перигеем 500 км. Период обращения спутника составляет

около

11 час. За сутки спутник совершает вокруг Земли два оборота. Время

связи с наземным (приемным) пунктом от 6 до 10 ч в сутки. При двух-

четырех спутниках, запущенных через равные интервалы времени на одина-

ковые орбиты, время связи достигает 18...24 ч. Непрерывная связь поддер-

живается при этом двумя следящими антеннами, одна из которых ведет

связь, а другая ожидает появления следующего спутника.

Синхронные спутники связи "Радуга" и "Экран" вращаются по кру-

говой геостационарной орбите с периодом обращения 24 ч и высотой орбиты

35800 км. Из-за равенства угловых скоростей вращения Земли и спутника

последний будет находиться в одной и той же точке по отношению к наблю-

дателю.

Такой спутник удобен для организации связи, поскольку длина ка-

нала связи остается неизменной. Для глобальной спутниковой связи (за ис-

ключением районов Арктики и Антарктики) достаточно трех синхронных

спутников.

Спутники связи помимо ретранслятора ТВ сигнала оборудованы уст-

ройствами телеметрии, автоматического резервирования, автоматического

слежения, энергопитания и др. Структурная схема активного ретранслятора

ИСЗ типа

"Молния" приведена на рис. 3.16.

Преобразователь

частоты

Усилитель

промежуточной

частоты

Гетеродин

передатчика

Преобразователь

частоты

Гетеродин

приемника

Разделительный

фильтр

Усилитель

мощности

Антенна

пр

пер

пр

пер

пч

пер

Рис. 3.16. Структурная схема активного ретранслятора ИСЗ типа "Молния"

Принятый антенной сигнал с частотой f

пр

поступает на разделитель-

ный фильтр и далее на преобразователь частоты. На второй вход преобразо-

174

вателя вступает сигнал от гетеродина приемника. Затем сигнал с частотой f

пч

усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и поступает на вто-

рой преобразователь частоты, работающий совместно с гетеродином пере-

датчика. На выходе второго преобразователя образуется радиосигнал с час-

тотой f

пер

. Этот сигнал усиливается по мощности и через разделительный

фильтр поступает в антенну и излучается в направлении Земли. Связь осу-

ществляется в диапазоне УВЧ (800...1000 МГц) или СВЧ (диапазоны 4 и 6

ГГц). Ретранслятор питается от панелей солнечных батарей и подключенных

к ним буферных аккумуляторов.

Искусственный спутник Земли "Молния" входит в состав сети рас-

пределения ТВ программ "Орбита".

3.5. Требования к каналам связи при передаче телевизионных

сигналов

3.5.1. Основные параметры каналов связи при передаче

телевизионных сигналов

Существуют два метода передачи сигналов изображений - аналого-

вый и цифровой. Соответственно и каналы связи делятся на два типа: каналы

для передачи непрерывных (аналоговых) сигналов и каналы для передачи

сигналов, преобразованных

в цифровую форму (например, методом им-

пульсно-кодовой модуляции). Далее рассмотрим только каналы для переда-

чи аналоговых сигналов изображения.

Канал связи предназначен для передачи сигналов изображения от ис-

точника информации к получателям. Качество связи должно отвечать задан-

ным требованиям независимо от способов ее технической реализации. Каче-

ство факсимильной связи оценивается

по полученному в пункте приема изо-

бражению (репродукции). Например, при факсимильной передаче полутоно-

вых изображений необходимо соблюсти нормы на допустимый перекос изо-

бражения, передачу мелких деталей изображения и полутоновую характери-

стику. Эти параметры зависят от искажений, вносимых всей системой связи,

в которую входят оконечное, транзитное оборудование и канал связи.

Свойства каналов

связи определяются рядом параметров и характе-

ристик. Отметим основные из них:

входное и выходное сопротивления канала и их допустимые откло-

нения от номинала;

остаточное затухание канала, т. е. рабочее затухание канала, когда

вход и выход канала нагружены на номинальные входное и выходное сопро-

тивления. Остаточное затухание измеряется на определенной частоте

в зави-

симости от типа канала;

нестабильность остаточного затухания — отклонение во времени ос-

таточного затухания от номинала;

эффективно передаваемая полоса частот;

частотная характеристика остаточного затухания;

175

частотная характеристика группового времени прохождения (ГВП).

В некоторых случаях (например, при передаче ТВ сигналов) линейные иска-

жения канала удобно оценивать по переходной характеристике. При этом

нормируются такие параметры, как длительность фронта переходной харак-

теристики, величины ее выбросов и др.;

амплитудная характеристика — зависимость абсолютного уровня

мощности (напряжения) на выходе канала от абсолютного

уровня мощности

(напряжения) на входе в диапазоне эффективно передаваемых частот: уро-

вень (мощность) помех в точке с нулевым измерительным уровнем.

3.5.2. Частотные характеристики каналов связи. Искажения

сигналов в каналах связи. Коррекция частотных

характеристик

В реальных каналах связи, предоставляемых для передачи сигналов

изображений, амплитудно- и фазочастотные (ФЧХ) характеристики не явля-

ются

идеальными. При передаче факсимильных и телевизионных сигналов

большое значение имеют искажения формы сигнала, особенно его фронтов,

поскольку они приводят к размыванию границ переходов от одного уровня

сигнала к другому.

Рассмотрим сначала влияние нелинейности ФЧХ, считая АЧХ иде-

альной. Типичная ФЧХ и характеристика ГВП для канала связи с граничны-

ми частотами ω

и ω

и средней частотой ω

приведены на рис. 3.17, где В(ω)

- фазовая характеристика; t

гp

(ω) — характеристика ГВП.

Рис. 3.17. Типичная ФЧХ и характеристика

группового времени прохождения

Рис. 3.18. Пример нелинейной ФЧХ

Фазочастотная характеристика нелинейна, а характеристика ГВП

имеет подъемы у краев полосы пропускания. В результате этого спектраль-

ные составляющие сигнала, расположенные у краев полосы пропускания ка-

нала, будут приходить на вход приемника позже, чем составляющие средних

частот. В результате форма принятого сигнала исказится. Это объясняется

тем, что нелинейность ФЧХ приводит к

появлению на входе приемника кро-

ме основного сигнала опережающих и отстающих спектральных составляю-

176

щих сигнала.

В простейшем случае нелинейная ФЧХ может быть представлена в

виде графика, на котором имеются небольшие синусоидальные отклонения

от прямой линии (рис. 3.18) и описывается формулой

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅−−=

kTctB

гро

sin)()(

ωω

ωωω

где с — амплитуда колебания фазы, рад; t

гр

- постоянная составляющая ГВП;

k — число полуповторов колебательной составляющей (на рис. 3.18 k= 3 в

полосе от ω

до ω

Частотная характеристика ГВП также будет иметь колебательный

характер. Переходный процесс при AM можно представить выражением

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

++=

)()(

ωω

tUtU

вых

(3.5)

Первый член (3.5) характеризует переходный процесс при отсутствии

фазовых искажений, поэтому его называют основным сигналом, второй —

"опережающим эхо", а третий — "отстающим эхо". Амплитуда эхосигналов

зависит только от максимального отклонения фазы (при идеальной АЧХ

эхо

=0,5 с).

Если искажения переходного процесса достаточно велики, что при-

водит к ухудшению качества воспроизводимых репродукций, то ФЧХ необ-

ходимо корректировать.

Различают два типа фазовых корректоров — постоянные и регули-

руемые. Характеристики постоянного корректора 3 (рис. 3.19) устанавлива-

ются обратными усредненным фазочастотным характеристикам канала связи

2. Точность корректирования зависит от числа звеньев корректора. Посколь-

ку

число звеньев конечно, то остаточная неравномерность ГВП будет носить

"колебательный" характер. Общая суммарная характеристика канала и кор-

ректора 1 имеет значительно меньшую неравномерность t

гр

(

) и носит моно-

тонный характер по краям полосы пропускания, а в середине полосы — си-

нусоидальный характер.

Рис. 3.19. Характеристика постоянного корректора

Переменные корректоры представляют собой последовательно со-

единенные фазовые звенья, перестройкой которых можно скорректировать

форму поступающего сигнала.

177

3.6. Качество воспроизводимого изображения

Качество ТВ изображения – степень соответствия восприятия зрителем

непосредственно наблюдаемых сцен восприятию их изображения на экране.

Качество ТВ изображения зависит от большого количества разнород-

ных факторов: основных параметров используемого стандарта, поддержания

в условиях эксплуатации установленных норм на допустимые искажения

сигнала, воздействия различного рода помех, соблюдения условий наблюде-

ния

изображений, характера передаваемых сюжетов и др.

Отличия изображения на экране от оригинального изображения назы-

ваются искажениями, поэтому понятия качества и искажений однозначно

связаны между собой.

3.6.1. Причины искажений изображения. Количественная оценка

искажений изображения

Координатные искажения. Координатные искажения – это наруше-

ния масштаба изображения, т.е. нарушение геометрического подобия его

объекту. Геометрическое подобие

может нарушаться при изменении формы

растра и при неидентичности скоростей υ(t) разверток на передаче и на

приеме (или отклонением от заданного закона скорости в течение длитель-

ности строки или кадра). Эти искажения нарушают подобие деталей, т.е.

приводят к дифференциальным искажениям масштаба.

Координатные искажения оценивают коэффициентами геометриче-

ских искажений:

для

оценки дисторсии бочкообразного или подушкообразного вида

(рис. 3.20, а, 3.20, б), которая возникает в электронно-оптических системах,

100

⋅

или 100

⋅

;

(3.6)

для оценки трапецеидальных искажений растра (рис. 3.20, в), возни-

кающих при нарушении ортогональности оптической или электронной оси к

плоскости изображения, %:

1002

г.тр

⋅

−

;

(3.7)

для оценки искажений растра типа «параллелограмм» (рис. 3.20, г),

возникающих при нарушении оргтогональности отклоняющих полей по

строке и по кадру, %:

1002

г.тр

⋅

−

(3.8)

Величины, входящие в (3.6)…(3.8), ясны из рис. 3.20. Геометриче-

ские искажения возникают и при воздействии на отклоняющие поля низко-

частотных периодических помех (рис. 3.20, д). Нарушение формы растра на

178

передаче или на приеме при (b

)≠(b/h) также приводит к геометрическим

искажениям (рис. 3.20, г, 3.20, д).

Рис. 3.20. Искажения формы растра

Геометрические искажения, возникающие из-за разных форм сигна-

лов (нелинейности) строчной или кадровой развертки, могут быть оценены

непосредственно по изображению шахматного поля (рис. 3.21, а, 3.21, б, в),

1002

minmax

г.тр

⋅

−

(3.9)

1002

minmax

г.тр

⋅

−

(3.10)

Смысл значений, входящих в (3.9) и (3.10) величин, ясен из рис. 3.21.

Нелинейность развертки до 5% практически незаметна на изображе-

нии; при нелинейности до 15% изображение воспринимается как удовлетво-

рительное.

Определенные выше коэффициенты геометрических искажений мо-

гут иметь различные знаки, поэтому обычно нормируют суммарные геомет-

рические искажения, которые могут быть измерены по изображению шах-

матного

поля.

Яркостные (полутоновые) искажения. Световая и амплитудная ха-

рактеристики ТВ системы определяют яркостные параметры ТВ изображе-

ния. В восприятии телевизионного изображения играет роль не столько аб-

солютная его яркость (в определенных пределах), сколько относительное

распределение яркостей в изображении и его контраст К

из

max

min

, где L

max

и L

min

– максимальная и минимальная яркости соответственно.

179

min

max

min

max

Рис. 3.21. Геометрические искажения из-за нелинейности строчной или кадровой

развертки

Характеристика передачи уровней яркости ТВ систем

0и

LсL =

(3.11)

образуется:

• последовательным преобразованием яркости объекта в электриче-

ский сигнал

01с

LсЕ = ;

(3.12)

• передачей сигнала по каналу связи, который в общем случае мо-

жет быть нелинейным, т.е.

02с.вых

ЕсЕ =

;

(3.13)

• преобразованием сигнала в яркость изображения

.3и

выхс

ЕсL = ;

(3.14)

В (3.11)…(3.14) принята степенная аппроксимация функций преобра-

зования и передачи. Можно показать, что

323

123

γγγ

сссс = и

123

(3.15)

Значения

преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет опреде-

ляются физическими процессами в них и режимом их работы.

180

Оптимальные, заданные из условий обеспечения максимально высо-

кого качества воспроизведения яркостных параметров объекта передачи зна-

чения

и с могут быть обеспечены включением в канал специального кор-

ректирующего нелинейного звена – гамма-корректора.

Нарушение нормальных режимов работы звеньев ТВ систем приво-

дит к отклонению значений

от оптимальных и, следовательно, к ярко-

стным искажениям. Особенно заметны на изображении их скачкообразные

изменения (например, при переходе с одной камеры на другую) и плавные

изменения в течение времени передачи одного сюжета.

Так же воспринимаются зрителем и дифференциальные яркостные

искажения. Сюда в первую очередь относится неравномерность яркости фо-

на, которая может

быть вызвана как искажением постоянной составляющей

сигнала изображения в пределах одной строки или одного кадра, так и зави-

симостью

и с от координат x и y изображения (потемнение отдельных уча-

стков фона изображения, так называемые черное пятно и черный ореол). По-

следние возникают из-за наличия пространственного заряда в преобразова-

теле и по интенсивности и по местоположению зависят от характера изобра-

жения. К существенным яркостным искажениям приводят также различные

изменения

уровней составляющих сигнала изображения и наличие в нем по-

мех, как вносимых в ТВ канал извне, так и возникающих внутри него.

Искажения, вызываемые изменением формы сигнала изображения.

Сигнал изображения отражает временное изменение яркости в процессе раз-

вертки двумерного изображения, т.е. содержит всю информацию об изобра-

жении закодированную в виде различных

уровней тока или напряжения.

Иными словами, сигнал изображения является носителем информации, по-

этому любое искажение его формы приведет к искажению изображения,

синтезированного на выходе системы.

Искажения формы ТВ сигнала можно оценить по переходной харак-

теристике. При увеличении времени установления переходной характери-

стики (при подаче на вход скачка тока или напряжения)

уменьшается чет-

кость изображения, при уменьшении – наблюдается некоторое улучшение

четкости, но при этом могут появиться яркостные искажения контуров, на-

зываемые пластикой, а также многоконтурность изображения.

Увеличение времени установления связано с сокращением полосы

частот канала связи и приводит к уменьшению размаха высокочастотных со-

ставляющих сигнала, а значит, и контраста мелких деталей изображения

Многоконтурность может возникнуть также и при наличии в канале связи

отраженных сигналов, или при приеме радиосигналов, пришедших от пере-

датчика по разным путям с разностью хода Δt. Эта величина будет опреде-

лять расстояние между основным и ложным контурами.

Искажение переходной характеристики может также привести к тя-

нущимся продолжениям (за

белым – черное, за черным – белое).