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

Подождите немного. Документ загружается.

мальной работы оконечного устройства (ОУ). В качестве ОУ может быть

громкоговоритель, телефон, реле, приемная телевизионная трубка, теле-

графный аппарат и др. Оконечное устройство преобразует электрические

сигналы в исходные сообщения (текст, речь, изображение и др.).

Приемники прямого усиления обладают существенными недостатка-

ми: невысокой чувствительностью и избирательностью.

Невозможность получения высоких значений чувствительности связа

на с тем, что поскольку усиление производится на одной частоте, с увеличе-

нием числа каскадов увеличивается и вероятность самовозбуждения УРЧ.

Невысокая избирательность объясняется тем, что при настройке вход-

ных цепей и УРЧ на различные частоты (при перестройке приемника) при

фиксированной добротности контуров изменяется полоса пропускания ра-

диотракта, а, следовательно, и

избирательность приемника.

От этих недостатков в существенной степени позволяет избавиться су-

пергетеродинный приемник. Принцип супергетеродинного приемника со-

стоит в том, что принятые колебания преобразуются по частоте на фиксиро-

ванную промежуточную частоту. На ней и происходит основное усиление

сигнала. А поскольку промежуточная частота фиксирована, в усилителе

промежуточной частоты (УПЧ) можно использовать много

контуров, со-

ставляя из них полосовые фильтры, дающие необходимую избирательность.

Уменьшается и опасность самовозбуждения, поскольку наводки от УПЧ на

входе приемника уже не страшны, ведь УПЧ и входные цепи настроены на

разные частоты.

Для преобразования частоты нужен специальный генератор – гетеро-

дин. Его колебания смешиваются с колебаниями принимаемого сигнала в

специальном

элементе приемника – смесителе. Смеситель вместе с гетеро-

дином образует преобразователь частоты.

Структурная схема супергетеродинного приемника показана на рис.

1.50.

Тракт радиочастоты

УРЧ

ВЦ ОУУНЧ

УПЧС

Преобразователь

частоты

Рис. 1.50. Структурная схема супергетеродинного приемника

Входной сигнал от антенны через ВЦ поступает на вход усилителя ра-

диочастоты (УРЧ), где происходит его усиление и предварительная частот-

ная селекция. Далее сигнал поступает в смеситель, где смешиваясь с сигна-

лом гетеродина образует промежуточную частоту f

ПЧ

= f

- f

либо f

= f

–

. Заметим, что при перестройке приемника одновременно изменяется f

таким образом, что f

ПЧ

остается неизменной.

Далее сигнал ПЧ усиливается в усилителе промежуточной частоты

(УПЧ). Так как его (сигнала) частота ниже рабочей частоты f

, то в УПЧ мо-

жет быть осуществлено основное и значительное усиление сигнала, при этом

самовозбуждение приемника не возникает. Кроме того, полосовые фильтры

УПЧ обеспечивают основную частотную селекцию сигнала. Далее сигнал

детектируется и усиливается в УНЧ до уровня, необходимого для нормаль-

ной работы ОУ.

Недостатком супергетеродинных приемников является наличие в них

побочных каналов приема, главным из которых является зеркальный.

Рассмотрим причину его возникновения, используя рис. 1.51 с частот-

ным представлением сигналов.

Рис. 1.51. Образование зеркального канала

Допустим, что f

пч

= f

- f

, если на некоторой частоте f

зк

ведет переда-

чу какая-либо станция, то ее сигнал также смешивается в смесителе с часто-

той гетеродина, и если f

зк

такова, что f

- f

зк

= f

пч

, то сигнал мешающей стан-

ции с частотой f

зк

также переносится на промежуточную частоту f

пч

, и отде-

лить его от полезного сигнала уже не представляется возможным.

На рисунке также изображена резонансная характеристика входной

цепи и УРЧ. За счет резонансных свойств этих каскадов помеха по зеркаль-

ному каналу несколько уменьшается. Очевидно, что для ее большего умень-

шения f

пч

должна быть большой (подумайте и поясните, почему). Но выбор

большого значения f

пч

приводит к большому проявлению недостатков, при-

сущих приемнику прямого усиления: к возрастанию возможности самовоз-

буждения каскадов УПЧ, к ухудшению их избирательности. Следователь-

но, имеет место противоречие: с точки зрения повышения чувствительно-

сти и избирательности радиоприемника f

пч

должна быть небольшой, а с

точки зрения эффективности подавления помех по зеркальному каналу -

большой.

Это противоречие разрешается в супергетеродинном приемнике с дву-

мя преобразованиями частоты (рис. 1.52).

В этом приемнике дополнительно вводится второй гетеродин Г2, вто-

рой смеситель СМ2 и усилитель второй промежуточной частоты УПЧ2.

Тракт радиочастоты

УРЧ ДВЦ

ОУУНЧ

УПЧСМ1

Г1

СМ2

Г2

УПЧ

Рис. 1.52. Структурная схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

В результате усиления сигналов гетеродина и полезного сигнала по-

следний переносится на ПЧ f

пч

= f

- f

г.

Значение f

пч

выбирается достаточно

большим, чем обеспечивает значительное подавление помех по зеркальному

каналу в тракте ТРЧ (резонансная характеристика последнего показана на

рис. 1.53, резонансная частота совпадает с f

). На частоте f

пч1

происходит

усиление сигнала и его селекция. В результате смещения сигналов с часто-

тами f

г2

и f

пч1

сигнал с f

пч1

переносится на f

пч2

= f

пч1

- f

г2

. В УПЧ2 происходит

основное усиление сигнала и его селекция благодаря низкому значению f

пч2

Таким образом разрешается указанное противоречие и достигается высокая

чувствительность и избирательность приемника.

Другими побочными каналами приема являются каналы, частоты ко-

торых равны промежуточным частотам. Сигналы таких частот, поступая на

вход преобразователя, без каких-либо изменений попадают в УПЧ1. Сигна-

лы побочного канала приема с f

пч2

существенно ослабляются в УПЧ1, а сиг-

налы с частотой f

пч1

усиливаются, поэтому помехи с частотами, близкими к

промежуточной, должны быть подавлены соответствующими фильтрами на

входе приемника.

Рис. 1.53. Формирование промежуточных частот в супергетеродинном приемнике с двойным

преобразованием частоты

2. Основные характеристики сигналов телевизионного

вещания

Изучение зрительной системы человека в рамках построения систем

телевизионного вещания вызвано двумя обстоятельствами:

1) необходимостью правильного согласования характеристик телевизион-

ных систем (ТВС) с характеристиками зрительной системы в тех случаях,

когда сформированное на выходе ТВС изображение предназначается для

восприятия глазом человека;

2) механизмы зрительного восприятия являются прекрасными примерами

процедур обработки визуальной информации и

могут служить источниками

идей для построения и оптимизации аналогичных технических систем обра-

ботки изображений.

При анализе механизмов зрительного восприятия удобно выделить:

1) образование оптического изображения на светочувствительной поверх-

ности глаза;

2) преобразование оптического изображения в нервные импульсы, рас-

пространяющиеся по зрительным нервам;

3) обработку полученной информации зрительными центрами головного

мозга.

Необходимо, однако

, отметить, что все указанные механизмы пред-

ставляют единый процесс и не могут рассматриваться как серия последова-

тельных независимых преобразований поступающей информации.

2.1. Восприятие изображений

Светочувствительные элементы сетчатки преобразуют световую энер-

гию в химическую, тепловую, электрическую. Установлено, что энергия

нервных импульсов на несколько порядков больше энергии падающего све-

та, т. е. между

актом поглощения света и возникновением соответствующих

сигналов в нервном волокне происходят промежуточные процессы. Световое

излучение выступает в качестве сигнала, управляющего этими процессами, к

числу которых, прежде всего, следует отнести фотохимические процессы.

Светочувствительные элементы сетчатки — колбочки - содержат ро-

допсин (зрительный пурпур), который при воздействии света распадается на

витамин А и белок (

ретинин). Освобождающаяся при этом энергия создает

сигнал в нервном волокне.

Способность глаза реагировать на световое раздражение характеризу-

ется чувствительностью. Чувствительность

глаза к воздействию излуче-

ния определяется величиной, обратной яркости поля, вызывающей порого-

вое раздражение:

= 1/L

. Чувствительность может измеряться и в единицах,

обратных пороговой освещенности наблюдаемого изображения.

Измерения показывают, что глаз способен реагировать на излучение,

соответствующее единицам световых квантов. Наряду с этим зрительная

система обеспечивает нормальное восприятие и при очень высоких яркостях.

Способность глаза изменять свою чувствительность и приспосабливаться к

различным яркостям наблюдаемого изображения называется адаптацией.

Как уже было отмечено, палочковый аппарат обладает большей чувст-

вительностью, чем колбочковый. Палочковый аппарат начинает реагировать

на яркости порядка 10

-4

– 10

-5

кд/м

, колбочковый — на яркости порядка

единиц кандел на квадратный метр. При яркостях около 10 кд/м

палочковый

аппарат ослепляется, так как скорость распада родопсина при таких яркостях

увеличивается настолько, что восстановление его начинает отставать, кон-

центрация родопсина резко падает и происходит полное разложение зри-

тельного пурпура. При яркостях 10—10

кд/м

работает только колбочковый

аппарат. Таким образом, световой динамический диапазон глаза составляет

около 10

. Такой широкий динамический диапазон обусловлен прежде всего

сложными фотохимическими процессами разложения зрительного пурпура и

в меньшей степени явлениями, связанными с автоматическим регулировани-

ем воздействующего на сетчатку светового потока в результате изменения

диаметра зрачка (диафрагмирования).

Глаз человека воспринимает узкую часть спектра электромагнитных

колебаний с длинами волн 380...760 нм, вызывая ощущение света, при

этом

восприятие изображений имеет ряд специфических особенностей, которые

необходимо учитывать при построении телевизионных систем.

В этом диапазоне длин волн атмосфера, окружающая нашу планету, обла-

дает наибольшей прозрачностью, что свидетельствует о том, что свойства

глаза формировались в результате многовековой эволюции живых организ-

мов.

В пределах указанного диапазона чувствительность глаза неодинакова.

Кривая, определяющая

чувствительность глаза к различным длинам волн,

называется кривой относительной видности (кривая 1 на рис. 2.1). Следует

заметить, что при существенном уменьшении яркости кривая относительной

видности изменяется

Рис. 2.1. Кривая видности глаза

(кривая 2 на рис. 2.1). При малых яркостях кривая смещается в сторону бо-

лее коротковолнового излучения, что приводит к увеличению чувствитель-

ности глаза к синим лучам и резкому ее снижению к красным — явление

Пуркинье.

В общем случае изображение, наблюдаемое на экране, должно обеспе-

чивать восприятие образа таким, каким его воспринимает зритель при непо-

средственном наблюдении. Параметры изображения выбираются так, чтобы

подробно воспроизвести в сознании зрителя все характеристики образа.

Рассмотрим основные из этих особенностей, обращая основное внима-

ние на возможность количественной оценки.

Восприятие яркости

Представим оптическую систему глаза в следующем виде (рис. 2.2),

где введены следующие обозначения:

А - расстояние между объектом наблюдения и глазом,

гл

- фокусное расстояние глаза,

гл

- площадь входного отверстия линзы (зрачка),

S - площадь объекта наблюдения,

L - яркость объекта наблюдения,

гл

- площадь изображения на сетчатке глаза.

Рис. 2.2 Оптическая система глаза

Если L - яркость площади S, то сила света, излучаемого площадью S,

определяется по формуле

I = LS, (кд) (2.1)

и освещенность в плоскости входного отверстия (зрачка)

E = I/A

= L(S/A

), (кд/м

). (2.2)

При условии, что площадь зрачка q

гл

, в глаз попадает световой поток

Ф =

гл

Еq

гл

L(S/A

)

⋅

гл

(2.3)

где

гл

- коэффициент пропускания, учитывающий потери светового потока в

оптической системе глаза.

Этот поток в пределах площадки

гл

(на оболочке сетчатки) создает ос-

вещенность:

гл

= Ф/

гл

L(S/A

)

⋅

гл

(2.4)

Используя соотношение для тонкой линзы:

гл

= А

гл

(2.5)

получим окончательное выражение для освещенности:

гл

L(q

гл

)

(2.6)

Из (2.6) видно, что освещенность сетчатки однозначно определяется

яркостью рассматриваемой площадки S.

Способность глаза реагировать на световое раздражение характеризу-

ется чувствительностью. Чувствительность глаза ε к воздействию излуче-

ния определяется величиной, обратной яркости поля, вызывающей порого-

вое раздражение:

= 1/L

пор

(2.7)

Минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна L

пор

, об-

наруживаемого глазом на черном фоне при темновой адаптации, носит на-

звание абсолютного порога световой чувствительности.

Полагая, что в (2.6) пороговой яркости площадки S - L

пор

- соответсвует

пороговое значение освещенности зрачка Е

гл пор

получим следующее выра-

жение для чувствительности:

= (

гл

гл пор

)(q

гл

/ f

гл

(2.8)

Видно, что чувствительность глаза определяется его освещенностью.

В то же время важнейшей особенностью зрения является его способ-

ность к адаптации. Так динамический диапазон воспринимаемых яркостей,

оценивается абсолютным контрастом и равен:

К = L

max

min

∼

min

= 3

⋅

-6

...10

-4

кд/м

, L

max

∼

кд/м

Под диапазоном яркостей или контрастом изображения K понимают

отношение максимальной яркости произвольных по форме деталей объекта в

поле изображения к минимальной.

Однако одновременное наблюдение градаций во всем диапазоне не

представляется возможным из-за инерционности зрительного аппарата чело-

века.

Без контроля сознанием происходит приспособление глаз к условиям

освещенности. Конечное состояние, при

котором устанавливается светочув-

ствительность глаза для данного уровня яркости, называется адаптацией.

Адаптация обеспечивается тремя явлениями:

• изменением диаметра отверстия зрачка;

• перемещением темнового пигмента в слоях сетчатки;

• различной реакцией палочек и колбочек.

Зрачок изменяется в диаметре от 2 до 8 мм, при этом его площадь и,

соответственно, световой поток изменяются в 16 раз. Сокращение зрачка

происходит за 5 с, а его полное расширение за 5 мин. При этом за первые

10 с зрачок расширяется на 2/3 своего диаметра. Рецепторные клетки, палоч-

ки и колбочки,

адаптируются с различной скоростью. Адаптация колбочек

длится около 7 мин, а палочек не более часа. Адаптировавшись, глаз может

наилучшим образом воспринимать увиденное.

Инерционность в различных условиях различна. Поэтому различают

темновую адаптацию (переход от света к темноте или от L

max

до L

min

) и све-

товую адаптацию (переход от темноты к свету или от L

min

до L

max

). Время

темновой адаптации составляет 30...50 мин, а время световой адаптации -

8...10 мин.

Феноменологическая модель темновой и световой адаптации разрабо-

тана советским ученым П. П. Лазаревым; она дает представление о меха-

низмах адаптации и приводит к возможности количественного описания на-

блюдаемых явлений. Теория адаптации описывает изменение чувствитель-

ности глаза при переходе от стационарного

освещенного состояния к боль-

шей или меньшей освещенности.

Явления темновой и световой адаптации должны учитываться при про-

ектировании систем и наблюдении изображений человеком в условиях не-

стационарного освещения (изображение флюоресцирующего экрана или эк-

рана электронно-оптического преобразователя в рентгенодиагностике, теле-

визионные изображения при быстрых изменениях внешнего освещения и

др.).

Контрастная

чувствительность

В выражении (2.7) под пороговой чувствительностью понимается раз-

личение объекта с яркостью L

пор

на абсолютно черном фоне. Однако на

практике больший интерес представляет чувствительность глаза к воспри-

ятию изображений на фоне с заданной яркостью L, которая называется по-

роговой контрастностью.

Существуют зрительные пороги, связанные с различением двух сосед-

них полей зрения. Например, при равной яркости двух наблюдаемых участ-

ков изображения они будут восприниматься

наблюдателем как однородный

участок. Если теперь увеличивать яркость одного из них до тех пор, пока на-

блюдатель не увидит разницу между ними, то эта дополнительная яркость

будет представлять собой разностный порог световой чувствительности:

Пусть в поле зрения находятся две соприкасающиеся площадки с яр-

костями L

и L

(рис. 2.3)

Рис. 2.3. К понятию пороговой контрастности

Разность яркостей ΔL = ⏐L

- L

⏐будет восприниматься тогда, когда

ΔL

пор

, где ΔL

пор

- пороговое значение различия яркостей.

На практике разницу в яркостях можно связать с общей яркостью L с

помощью соотношения, определяющего контрастную дифференциальную

яркость

гл п.

Эксперименты показывают, что в достаточно широких пределах изме-

нения яркостей соблюдается соотношение:

гл п

L/L = const.

(2.9)

Относительное постоянство отношения ΔL/L для глаз при больших ос-

вещенностях было обнаружено Бугером в 1760 году, когда он ставил опыты

со свечами. Бугер пытался установить зависимость реакции глаза от светово-

го возбуждения и количественно ее оценить. Было обращено внимание на то,

что заметные отличия в яркостях зависят не

от абсолютной величины этих

отличий, а от их относительной величины.

Величина

гл п

= 0,01...0,05, поэтому в (2.9) в качестве L можно под-

ставлять как L

, так и L

(так как ΔL мало).

На первых порах считалось, что пороговый контраст - величина посто-

янная. Но Вебер в 1834 г. доказал, что эта характеристика неизменна лишь в

некотором интервале яркостей (закон Вебера). Развивая исследования в этом

направлении, Фехнер в 1858 г. предложил считать единицей видимой ярко-

сти восприятие порогового различения между двумя световыми

полями, ко-

торое часто называют едва заметным различением или дифференциальным

порогом

Выражение (2.9) является математической записью закона Фехнера:

заметное для зрения приращение ΔL

пор

пропорционально яркости L.

Контрастная чувствительность глаза оценивается величиной:

гл к

= 1/

гл п

= L/ ΔL

пор

(2.10)

Закон Фехнера позволяет количественно оценить число различимых

градаций яркости в диапазоне от L

min

до L

max

(для контраста изображения

из

= L

max

min

). Рассмотрим подход к нахождению количественной оценки

числа различаемых градаций.

Пусть L

min

- минимальное значение яркости. Тогда на фоне L

min

соглас-

но закону Фехнера первое значение различимой яркости L

определяется вы-

ражением:

= L

min

гл к

min

= (1+

гл к

min

(2.11)

При условии, что

гл к

= const, второе значение различимой яркости L

на фоне яркости L

определяется выражением:

= L

гл к

= (1+

гл к

(2.12)

Подставляя в (2.12) значение L

из (2.11), получим:

= ( 1 +

гл к

)

min

(2.13)

Рассуждая аналогично, получим конечную формулу:

max

= ( 1 +

гл к

)

min

(2.14)

где m - число различимых градаций в диапазоне (L

min

, L

max

Из (2.14) следует, что число различимых градаций определяется выра-

жением:

m = ln(L

max

min

)/ln(1+

гл к

(2.15)

При условии, что

гл к

<<1

ln(1+

гл к

)

≅ε

гл к

, тогда

m = (1/

гл к

)ln(L

max

min

) = s

гл к

/lnК

из

(2.16)

Примеры: при L

max

= 70 кд/м

, L

min

= 0,7 кд/м

, ε

гл к

= 0,02 число разли-

чимых градаций составит m=230; при К =100 (черный бархат с коэффициен-

том отражения 0,009 на снегу с коэффициентом отражения 0,9) и Δ

=0,02

число различимых градаций N=232.

Зависимость числа различимых градаций от контраста приведена на

рис. 2.4.

Рис. 2.4. Зависимость числа градаций от контраста

Влияние порогового контраста на восприятие статической картины на-

глядно демонстрирует куб Неккера (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Куб Неккера

Изображение куба обладает свойством выворачиваться наизнанку: од-

на и та же плоскость кажется то фронтальной, то тыльной.

Детальные исследования чувствительности человеческого глаза про-

водились Кенингом и Бродхуном в 1903 г., а также Штайнхардтом в 1936 г.

Ими было установлено, что постоянным разностный порог является лишь в

областях средних яркостей. Для яркостей, которые находятся

на краях диа-

пазона, порог значительно больше.

Спектральная чувствительность

Зрение к различным монохроматическим составляющим спектра в ви-

димом диапазоне обладает различной чувствительностью.