Автор: Джакония В.Е. Гоголь А.А. Друзин Я.В.
Теги: электротехника телевидение
ISBN: 978-5-9912-0004-2
Год: 2007
Текст
ТЕЛШИДЕНИЕ
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
4-е издание, стереотипное
Под редакцией профессора
В.Е. Джаконии
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание
и телевидение» направления подготовки дипломированных
специалистов «Телекоммуникации»
Москва
Горячая линия - Телеком
2007
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее издание учебника является юбилейным и посвящает-
< я 70-летию кафедры телевидения и видеотехники Санкт-Петербург-
< кого государственного университета телекоммуникаций им. проф.
М.А. Бонч-Бруевича.
Кафедра телевидения и видеотехники была создана в сентябре
1937 г. Организатором её был заслуженный деятель науки и техники
РСФСР, лауреат Государственной премии СССР, доктор технических
паук, профессор Павел Васильевич Шмаков, руководивший кафед-
рой в течение 45 лет. Более 20 лет кафедру возглавлял его ученик
профессор В.Е. Джакония. В настоящее время кафедрой руководит
доктор технических наук, профессор А.А. Гоголь.
С первых же лет своего существования кафедра зажила полно-
кровной жизнью — помимо учебной работы коллектив кафедры про-
водит серьезную научно-исследовательскую работу, в которую кроме
научных работников и преподавателей широко вовлекаются аспиран-
ты и студенты. Хорошо известны научные достижения кафедры в та-
ких областях, как цветное телевизионное вещание, объемное телеви-
дение, космическое и подземное телевидение, видеоинформационные
системы и др. Успешная научно-исследовательская работа позволи-
ла кафедре подготовить многих специалистов высшей квалификации,
которые трудятся во многих исследовательских и образовательных
организациях многих стран мира.
Особое значение имеет работа коллектива кафедры по написа-
нию и изданию учебно-методической литературы, используемой для
подготовки телевизионных специалистов многими вузами страны. К
настоящему времени учебник «Телевидение», созданный преподава-
телями кафедры, претерпел девять изданий (в том числе и на англий-
ском языке), одно из них было удостоено государственной премии.
Настоящее издание учебника, являющееся стереотипным, обос-
новывается его востребованностью. Его содержание соответствует
учебнику, выпущенному издательством «Радио и связь» в 2004 г.
При написании учебника авторы руководствовались принципом
«от простого к сложному», излагая содержание так, чтобы он облег-
чил читателю самостоятельную проработку материала.
I Предисловие
V ’ н I >н и к на писан проф. В.Е. Джакония (введение, гл. 1, 16, 18,
?I), пр<><|) Л А. Гоголем (предисловие, гл. 4 совместно с В.И. Лисо-
। ур( ким, гл. 7 совместно с Н.А. Ерганжиевым, гл. 22), доц. Я.В. Дру-
И1П1.1М (гл. <4, 17, 19), доц. Н.А. Ерганжиевым (гл. 6, гл. 7 совместно
< А А. Гоголем, гл. 10, 11), проф. С.Э. Коганером (гл. 5, 9, 12), доц.
II М. Копыловым (гл. 3, 20), доц. В.И. Лисогурским (гл. 2, гл. 4 сов-
местно с А.А. Гоголем, гл. 15), дон. О.В. Украинским (гл. 13, 14).
Коллектив авторов выражает надежду, что настоящий учебник
внесет посильную лепту в воспитание отечественных высококвали-
фицированных телевизионных специалистов.
К ЧИТАТЕЛЮ
Этот популярный и признанный в широкой аудитории по пре-
дыдущим изданиям учебник вышел в свет, когда уже не стало его
научного редактора и старейшего соавтора Владимира Ермилевича
Джаконии, заслуженного работника Высшей школы, лауреата Госу-
дарственной премии, профессора, заведующего кафедрой телевиде-
ния и видеотехники Санкт-Петербургского государственного универ-
ситета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Всю свою жизнь наш замечательный коллега и товарищ спо-
собствовал телевизионному прогрессу в нашей стране, приложив и
отдав все силы в научные разработки на важнейших этапах разви-
тия телевидения. Большой педагогический дар, самоотверженность
и глубочайшая интеллигентность оставили незабываемый след в па-
мяти и душах его студентов, многочисленных аспирантов и коллег,
работавших и общавшихся с ним.
Владимир Ермилевич Джакония, достойный и ответственный
ученик и последователь П.В. Шмакова, умело и авторитетно руко-
водил и укреплял старейшую в стране кафедру телевидения, сохра-
няя замечательный климат доброжелательности и товарищества в
коллективе.
Переиздаваемый с завидной и оперативной периодичностью, все-
гда обновляемый и перерабатываемый учебник «Телевидение» в ка-
ждом издании успешен, и своей востребованностью свидетельствует
о высоком творческом потенциале его научного редактора и автори-
|гте кафедры, его создававшей.
Отдавая заслуженную дань уважения оставившему нас коллеге
и товарищу, мы уверены, что лучшей памятью ему будет сохранение
кафедральной традиции в создании современных учебников, необхо-
димых для воспитания отечественных телевизионных специалистов.
Р.Е. Быков.
профессор, доктор технических наук,
М.А. Грудзинский,
профессор, доктор технических наук
ВВЕДЕНИЕ
Термин «телевидение» (telesion) впервые ввел в научный обо-
рот на IV Международном электротехническом конгрессе 1900 г. в
Париже русский военный инженер К.Д. Перский в обзорном докла-
де под названием «Телевидение как электрическое кино» (Television
an moyen de I’eiectrisite).
Телевидением мы называем область современной радиоэлектро-
ники, которая занимается изучением вопросов передачи и приема
движущихся и неподвижных изображений предметов, расположен-
ных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном
и измененном масштабе времени.
В общем виде задача телевидения состоит в дистанционном ото-
бражении в сознании людей явлений и событий, информация о кото-
рых поступает к нам в зрительном и звуковом виде. При этом для
полноты восприятия желательно задействовать весь арсенал челове-
ческих чувств, однако решение задачи в таком объеме было бы весьма
затруднительно и экономически нецелесообразно. Но и без этого те-
левидение существенно расширяет возможности человека познавать
окружающий мир, позволяя наблюдать объекты на земле и под зе-
млей, на воде и под водой, в небе и космическом пространстве, при
их освещении солнечными и невидимыми лучами: рентгеновскими,
ультрафиолетовыми, инфракрасными, а также при облучении ульт-
развуковыми волнами. Эта задача телевидения решается с помощью
комплекса аппаратуры для оптической проекции, преобразования,
кодирования, передачи, декодирования, отображения и других опе-
раций по обработке визуальной информации.
Конечным звеном, приемным индикатором в телевидении в пода-
в. i/iioiiioM болынипстве случаев служит глаз. Поэтому телевизионная
< и< о-ма до окна (‘троиться с расчетом на наш зрительный орган, ко-
юрым мы воспринимаем реальный мир в красках и в динамике. Эти
’..ixk 'i.i । <• н.пыо свойства зрения человек получил в процессе длитель-
ною оно ни иче< кого развития. Отсюда следует, что телевизионная
।к р<• ।.।ча на । \ рных гнои должна завершаться их воспроизведением
• Р« а in '..ника! \ ка '.анных свойств. Для более совершенной ориента-
ции и нро< 1ран< 1в<‘ природа сформировала зрительный орган в виде
n ipi.i । in *. !<• ют тоннам н'хника позволяет использовать принцип
I ведение
। «инокулярного зрения для передачи рельефности предметов.
Телевидение базируется на достижениях многих смежных обла-
< чей знания, таких как радиотехника, электроника, светотехника и
। и. Вместе с тем телевидение решает частные задачи, опираясь на
математику, физику, химию, теорию информации, физиологию и ряд
.чругих наук. Поэтому телевидение тесно связано с общим разви-
том науки и техники [1].
В процессе развития человеческого общества совершенствова-
лись и средства связи. Телевидение, прежде всего как средство связи,
также прошло длительный путь развития: от первых нереализован-
ных проектов через этап механических систем до современных элек-
тронных. Если учесть, что примерно 85 % информации о внешнем
мире человек получает благодаря зрительному аппарату, то стано-
вится ясно, почему проблема передачи зрительной информации из-
давна занимала умы людей, что нашло отражение в народных пре-
даниях, сказках, мифах и легендах.
В основе телевидения лежат три физических процесса: преобра-
зование световой энергии из оптического изображения в электриче-
ские сигналы; передача этих сигналов по каналу связи; преобразова-
ние принятых сигналов в оптическое изображение.
В XIX в. были сделаны открытия и изобретения для реализации
всех указанных выше процессов. В 1839 г. преобразование световой
энергии в электрический ток первым осуществил молодой француз-
ский физик Э. Беккерель (1820-1891) на основе открытого им же фо-
тогальванического эффекта. В 1873 г. английский инженер-электрик
У. Смит (1828—1891) обнаружил, что полученный в 1817 г. шведским
химиком Й. Берцелиусом (1779-1848) селен обладает свойством изме-
нять проводимость при освещении. Впоследствии это явление было
названо внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект — вы-
ход электронов из освещенного вещества в окружающее пространство
впервые был обнаружен в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем
(1.457-1894) как побочное явление в его известных опытах по созда-
нию электромагнитных волн. Основные законы внешнего фотоэф-
фекта были открыты и опубликованы в 1888 г. московским физиком
А Г. Столетовым (1839-1896).
Попытки передачи электростатических зарядов по проводам на-
чались в Западной Европе еще в середине XVIII в. Прообраз совре-
менного проводного канала связи мы находим в электромагнитном
к-'кчрафе, изобретенном в 1832 г. членом-корреспондентом Петер-
бургской академии наук П.Л. Шиллингом (1786-1937), а канала ра-
диосвязи — в изобретении А.С. Попова (1859-1906), продемонстри-
рованном 7 мая 1895 г.
Удачные опыты по превращению электричества в свет состоя-
лись раньше открытия фотоэффекта. Так, искры во время работы
• чек । ростатической машины наблюдал еще немецкий физик О. Гери-
• е ( 1602 -1686). Новые возможности открылись в 1800 г., после того
Введение
как Л. Вольта (1745-1827) изобрел химический источник тока. Уже
в 1802 г. петербургский физик В.В. Петров (1761-1834) сконстру-
ировал «огромную батарею» и получил устойчивую электрическую
дугу, а также газоразрядное и электролюминесцентное свечение. В
середине XIX в. большое распространение среди физиков получили
газоразрядные трубки, названные «гейсслеровскими» по имени раз-
работавшего их немецкого мастера Г. Гейсслера (1815-1879).
Таким образом, к последней четверти XIX в. были созданы пред-
посылки для разработки телевизионных устройств. Непосредствен-
ным толчком к их созданию явилось изобретение А. Беллом (1847-
1922) в 1876 г. телефона, в котором многие увидели электрический
аналог слуха. От него перешли к поискам электрического анало-
га зрения. Может быть поэтому одна из первых систем телевиде-
ния, предложенная американцем Дж. Кери, копировала сетчатку
глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне па-
нели с мозаикой фотоэлементов, на которую проецировалось изобра-
жение. Фотоэлементы соединялись проводами с источниками элек-
трического света на приемной стороне, а количество соединительных
проводов было равно количеству фотоэлементов.
Каждый фотоэлемент давал информацию о яркости одного эле-
ментарного участка изображения. Причем четкость передаваемого
изображения была тем выше, чем больше было таких участков. По
проекту Кери сигналы от всех элементарных участков передавались
отдельно и одновременно. Но практически данная система не мо-
гла быть реализована при достаточно большом количестве элемен-
тов. Отметим, что в современном телевидении изображение состоит
примерно из полумиллиона элементов, для одновременной передачи
которых потребовался бы кабель невообразимой толщины.
В 1878-1880 гг. появилось несколько проектов с поочередной пе-
редачей сигналов изображения. Среди авторов проектов были пор-
тугальский физик А. де Пайва (1847-1907), французский адвокат
К. Сенлек (1843-1934), русский студент П.И. Бахметьев (1860-1913).
Их проекты интересны предложением устройств для передачи сиг-
налов изображения по одному каналу связи. Возможность синте-
за изображения при последовательном приеме отдельных элементов
основана на инерционности зрительного аппарата человека. Оказы-
вается, глаз воспринимает прерывистый свет как непрерывный при
более 10 мельканий в секунду.
Последовательная передача сигналов элементов изображения —
один из основных принципов, лежащих в основе современного телеви-
дения. Его можно реализовать с помощью коммутаторов на передаю-
щей и приемной сторонах телевизионной системы. Вторым главным
принципом телевидения является синхронная и синфазная коммута-
ция элементов изображения. О третьем фундаментальном принци-
пе телевидения — накоплении зарядов элементов за время кадра
речь пойдет ниже.
Введение
9
Рис. В.1. Диск Нипкова
Практическое решение проблемы развертки изображения было
предложено в 1884 г. немецким инженером П. Нипковым (1860-1940).
Основу запатентованного им оптико-механического устройства под
названием «электрический телескоп» составлял непрозрачный диск
большого диаметра, около внешнего края которого располагались от-
верстия но спирали Архимеда. Диаметр отверстия определял размер
элемента. Каждое отверстие было смещено по радиусу к центру дис-
ка относительно предыдущего на диаметр отверстия (рис. В.1). Пе-
ред диском устанавливалась ограничительная рамка, определяющая
размер изображения. Высота рамки равна расстоянию по вертикали
между началом и концом спирали, а ширина — расстоянию между
о тверстиями в диске. При вращении диска отверстия внутри рамки
перемещаются по дуге, при этом в поле рамки оказывается только од-
но отверстие. Каждое отверстие соответствует строке, и число строк
развертки изображения равно числу отверстий в диске. Количество
элементов, на которое будет разбито изображение при одинаковой
высоте и ширине рамки, равно п2, где п — число отверстий в диске.
За один оборот диска передаются все элементы изображения.
Идея системы Нипкова казалась настолько простой, что в тече-
ние 40 лет привлекала изобретателей многих стран. Однако только
после изобретения в 1906 г. американским инженером Ли де Форе-
стом (1873-1961) аудиона — усилительной электронной лампы и ее
усовершенствования в последующие годы появилась реальная воз-
можность создания систем телевидения. Основанные на диске Нип-
ьова. системы практически были реализованы лишь в 1925 г. Дж. Бэ-
|и|,ом в Великобитании, Ч. Дженкинсом в США, И.А. Адамяном и
независимо Л.С. Терменом в СССР. В 1926 г. Дж. Бэрд начал опыт-
ны»’ телевизионные передачи с четкостью 30 строк через радиостан-
цию вблизи Лондона. В Германии в 1929 г. концерн «Телегор АГ»
во главе с Д. Михали вышел в эфир с передачами в стандарте 30
• 1|»ок, 12,5 кадров в секунду.
В Москве в апреле 1931 г. коллектив лаборатории телевиде-
нии Всесоюзного электротехнического института под руководством
В II Архангельского (1898-1981) и П.В. Шмакова (1885-1982) осу-
пн *» гнил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения в
К)
Введение
Рис. В.2. Укрупненная структурная схема системы с диском Нипкова
Ленинград, а с 1 октября 1931 г. начались регулярные передачи изо-
бражения по немецкому стандарту на волне 379 м и звука на волне
720 м. Передающая аппаратура действовала по принципу бегущего
луча. Через вращающийся диск Нипкова на передаваемый объект
направляли свет от кинопроекционной лампы, и световое пятно как
бы обегало передаваемый объект точка за точкой, строка за стро-
кой. Отраженный объектом свет улавливался калиевыми фотоэле-
ментами, которые давали электрический сигнал изображения, посту-
пающий через усилитель на передатчик. Телевизионные передачи
из Москвы принимались в Ленинграде, Одессе, Харькове, Н. Новго-
роде, Томске и других городах.
На рис. В.2 показана укрупненная структурная схема системы с
диском Нипкова. Изображение передаваемой сцены с помощью объ-
ектива фокусируется в плоскости диска 7, пройдя через ограничи-
тельную рамку 2. За диском устанавливается фотоэлемент 3. При
вращении диска каждое его отверстие по очереди пропускает све-
товой поток от отдельных участков изображения, образуя на выхо-
де фотоэлемента последовательность электрических импульсов, про-
порциональных световому потоку, прошедшему через отверстие. Да-
лее сигнал поступает на передатчик. В приемном устройстве сигнал
усиливается и поступает на плоскую газосветную лампу вызы-
вая изменение яркости свечения. Между лампой и зрителем рас-
полагается диск 5 с рамкой 6, аналогичный диску на передающей
стороне. Диски на приемной и передающей сторонах идентичны, по-
этому при их синхронном и синфазном вращении в каждый момент
времени положение отверстий на них будет одинаковым. Световой
поток, прошедший через отверстие приемного диска в каждый мо-
мент времени будет соответствовать яркости элементов передавае-
мого изображения. При высокой скорости вращения дисков сово-
купность движущихся светящихся точек будет восприниматься как
слитное изображение.
После' внедрения оптико-механического телевидения стали оче-
видны ('го недостатки: низкая четкость, малый размер экрана, сла-
бая яркость изображения. Предпринятые усилия улучшить каче-
ство изображения путем использования для развертки вращающихся
призм, зеркальных винтов и барабанов, а также увеличения числа
Введение
И
развертывающих элементов (отверстий диска) оказались неэффек-
тивными, так как чувствительность системы резко падала с увеличе-
нием числа элементов разложения вследствие того, что эти системы
генерировали сигнал только во время прохождения светового потока
через развертывающий элемент, не накапливая его при коммутации
других элементов в течение кадра.
Принцип накопления зарядов был осуществлен М.А. Бонч-Бруе-
вичем (1888-1940) в его «радиотелескопе», изготовленном в Ниже-
городской радиолаборатории в 1921 г. и ныне хранящемся в Цен-
тральном музее связи им. А.С. Попова. Устройство радиотелеско-
па напоминало систему Дж. Кери с панелями из 200 фотоэлементов
(20x10) и такого же количества источников света, с той разницей,
что передача сигнала производилась последовательно по паре про-
водов благодаря использованию коммутаторов. К каждому из 200
фотоэлементов был подключен небольшой конденсатор. В опубли-
кованном описании устройства М.А. Бонч-Бруевич не отметил ука-
занной принципиальной особенности радиотелескопа, что позволило
Ч. Дженкинсу в 1928 г. взять патент в США на подобную систему ме-
ханического телевидения с накоплением заряда. Следует отметить,
что только в системах матричного типа (с панелями фотоэлементов)
имелась возможность реализации принципа накопления. Однако уве-
личение поверхности панелей этих систем ограничено оптикой. В си-
стемах с единичным фотоэлементом реализовать принцип накопле-
ния невозможно, что показывает их бесперспективность. Недостатки
механических систем телевидения были видны и раньше, но состоя-
ние техники сдерживало развитие альтернативной электронной или,
как ее тогда называли, катодной системы телевидения.
Еще в 1858 г. боннский профессор Ю. Плюккер (1801-1868) обна-
ружил свечение стекла вблизи катода в запаянной трубке и объяснил
его действием особых катодных лучей. В следующие десять лет были
основательно изучены свойства этих лучей, такие как прямолиней-
ность и способность отклоняться под воздействием электрического
и магнитного полей. Англичанин У. Крукс (1832-1919) разработал
ряд катодолюминофоров — светосоставов, светящихся под действи-
ем катодных лучей, и высказал предположение о корпускулярном
характере катодного излучения, которое после открытия в 1897 г.
•икнетрона было отождествлено с электронным потоком. В том же
год,у свойствами катодного (электронного) луча воспользовался не-
мецкий физик Ф. Браун (1850—1918), видоизменив трубку Крукса и
приспособив ее для индикации электрических процессов. Л.И. Ман-
дельштам (1879-1944) в 1907 г. разработал генератор пилообразного
напряжения для линейного отклонения электронного луча, а пре-
подаватель Петербургского технологического института Б.Л. Розинг
(IК(><) 1933) в том же году оформил заявки в России, Великобитании
и Германии на изобретение «электрического телескопа» — телеви-
нпшной системы с передатчиком механического типа и приемником
12
Введение
па основе электронно-лучевой трубки.
Существенным новшеством трубки Розинга было введение раз-
носкоростной развертки по двум координатам для образования на
экране прямоугольного растра, а также электрода в виде пары пла-
стин и диафрагмы с отверстием, осуществляющего регулировку плот-
ности тока луча. На пластины подавался сигнал от фотоэлемента.
В зависимости от величины сигнала электронный луч отклонялся, и
через отверстие диафрагмы проходило различное количество элек-
тронов, вызывая тем самым различное свечение экрана. Б.Л. Ро-
зингу помогали студенты, в их числе известный впоследствии аме-
риканский ученый В.К. Зворыкин (1889-1982), оставивший об этом
воспоминания.
9 (22) мая 1911 г. Б. Л. Розинг впервые в мире осуществил переда-
чу и прием телевизионного изображения в виде решетки из четырех
светлых полос на темном фоне. При закрывании одного из просветов
решетки на передающей стороне соответствующая полоса на экране
приемника тотчас исчезала. Это было первое в мире телевизион-
ное изображение, переданное и в тот же миг принятое с помощью
аппаратуры, изготовленной в России. Отмечая научное достижение
Б.Л. Розинга, Русское техническое общество присудило ему премию
и золотую медаль имени К. Сименса. В это же время в Велико-
битании был опубликован проект телевизионной установки инжене-
ра А.А. Кемпбелл-Суинтона (1863-1930) с передающей и приемной
электронно-лучевыми трубками. Его многократные, но безуспешные
попытки практически реализовать данную схему отразились только
в научной литературе. Проекты полностью электронных систем те-
левидения предлагались в ряде патентов, в том числе французском в
1921 г., выданном Э.Г. Шульцу, американском в 1923 г. — В.К. Зворы-
кину, советских в 1925 г. — А.А. Чернышеву (1882-1940) и Б.П. Гра-
бовскому (1901-1966) с соавторами. Последнему удалось в 1928 г. под
патронажем Б.Л. Розинга завершить постройку ТВ установки и про-
демонстрировать передачу простых изображений. Однако эта работа
не получила поддержки в период массового увлечения механическим
телевидением. В начале 30-х годов интерес научно-технических кру-
гов вызвали работы Ф. Фарнсворта (1906-1971) в США и М. Арденне
(р. 1907) в Германии. Фарнсворт создал модификацию диссектора —
передающей трубки мгновенного действия (без накопления). М. Ар-
денне в качестве датчика сигнала использовал фотоэлемент и кине-
скоп с малым временем послесвечения, работавший по известному
еще в механическом телевидении принципу «бегущего луча». Ука-
занные системы избавляли телевидение от механического движения
при развертке, но не давали заметного прибавления чувствительно-
сти и связанной с ней разрешающей способности. Как и механические
системы, они не накапливали заряды, расточительно расходуя све-
товой поток от передаваемого объекта для создания сигнала толь-
ко в момент коммутации.
Введение
13
Дальнейшее развитие телевидения тормозилось отсутствием пе-
редающей трубки с накоплением зарядов. Авторскую заявку на та-
кую трубку подал в конце 1930 г. сотрудник Физико-технического ин-
ститута А.П. Константинов (1895-1937), сформулировав предмет изо-
бретения следующим образом: «Передающее устройство для дально-
видения с применением многоячейкового фотоэлемента и конденса-
торов, присоединенных к каждой ячейке для накопления зарядов в
течение времени передачи кадра, и коммутацией разряда конденсато-
ров электронным лучом, отличающееся тем, что указанные конденса-
торы включены так, чтобы разряд конденсаторов совершался в цепи,
проходящей через общий электрод конденсаторов и катодный луч».
Попытка практического осуществления трубки встретила непре-
одолимые технологические трудности. Такая же участь постигла
проект 1931 г. трубки с накоплением С.И. Катаева (1904-1991) и ряд
других аналогичных предложений. Решил проблему В.К. Зворыкин,
десятилетняя работа которого в США увенчалась созданием иконо-
скопа — первой передающей трубки с накоплением зарядов. Мо-
заичный фотокатод иконоскопа изготавливался напылением тонкого
слоя серебра на слюдяную подложку размером 10x12 см. При нагре-
ве в печи серебряный слой сворачивался в миллионы изолированных
друг от друга мельчайших гранул, на которые наносился фоточув-
ствительный цезий. Другой стороной слюдяная подложка крепилась
к металлической пластинке. Образованные таким образом фотоэле-
менты обладали емкостью, необходимой для накопления зарядов. В
июне 1933 г. В.К. Зворыкин сообщил о разработке полностью элек-
тронной телевизионной установки с разрешающей способностью бо-
лее 300 строк, пригодной для промышленного производства.
В нашей стране разработка электронной системы телевидения
началась после доклада В.К. Зворыкина во время его визита в СССР
в августе 1933 г. Уже в ноябре 1933 г. П.В. Шмаков и П.В. Тимофе-
ев (1902-1982) патентуют супериконоскоп — трубку с более высокой,
чем у трубки Зворыкина чувствительностью. Заметным успехом яви-
лась демонстрация в феврале 1935 г. электронной системы телевиде-
ния на 180 строк, разработанной под руководством Я.А. Рыфтина
(1905-1989). Иконоскоп для нее создали Б.В. Круссер (1900-1981)
и Н.М. Дубинина (1910-1997). В декабре 1935 г. в ленинградском
ВНИИ телевидения под руководством А.В. Дубинина (1903-1953) бы-
ла создана установка электронного телевидения на 240 строк, 25 ка-
дров. В 1936 г. под руководством А.А. Расплетина был разработан
телевизор на этот стандарт с экраном 13x17,5 см. В 1938 г. нача-
лись передачи Опытного ленинградского телецентра с указанной вы-
ше четкостью, а затем и Московского телецентра с четкостью 343
строки, студийная аппаратура для которого изготавливалась в США.
В годы Второй мировой войны телевизионное вещание продолжа-
лось только в США, где в 1942 г. был разработан суперортикон — од-
на из наиболее чувствительных трубок. Первым в Европе возобновил
Введение
работу 7 мая 1945 г. Московский телецентр, переведенный в 1948 г.
на стандарт 625 строк. Разработку стандарта, вскоре принятого евро-
пейскими странами, вела группа ученых в составе К).И. Казначеева
(1902- 1988), С.И. Катаева, С.В. Новаковского (р. 1913) и др.
Первую передачу телевизионной программы, записанной па фер-
ромагнитной ленте, провела компания CBS (США) 30 ноября 1956 г.,
используя видеомагнитофон фирмы Ашрех. Так началось внедрение
новой технологии телевизионного вещания. Старая технология —
передача непосредственно из студии — держала режиссера и испол-
нителей в напряжении от начала до окончания передачи, ибо любой
дефект в их работе был заметен телезрителям. Благодаря видеоза-
писи неудачные сцены можно было переиграть и заменить при монта-
же. Кроме того, новая технология создала условия для оперативного
обмена программами, их тиражирования, накопления в централизо-
ванных и частных видеотеках.
Первое слово в магнитной видеозаписи было воспроизведено еще
в 1922 г. Б.А. Рчеули (1899-1942), оформившем патент СССР (а за-
тем и ряда других стран) на способ и устройство завис и и воспроиз-
ведения визуальных и звуковых сигналов на движущуюся железную
ленту. Попытки осуществить этот проект сначала в своей стране,
а затем в Великобитании не дали результата. Более успешной ока-
залась деятельность выходца из России А.М. Понятова (1892-1980),
основателя и первого президента фирмы Ашрех, которая первой при-
менила вращающиеся магнитные головки для поперечно-строчной
записи, позволяющей резко снизить скорость движения магнитного
носителя. Фирма в течение длительного времени была «законодате-
лем мод» в области видеомагнитной записи. Аппараты, созданные
по системе Ашрех, выпускались в США, Германии, Японии, Вели-
кобитании, Франции, СССР. У нас работы по созданию профессио-
нальных видеомагнитофонов начались во второй половине 50-х го-
дов. В декабре 1959 г. образец аппаратуры, созданной на заводе
«Ленкинап» при участии ВНИИ телевидения и НИКФИ, был при-
нят государственной комиссией.
Важным этапом в послевоенном развитии телевидения явилось
внедрение цветного телевизионного вещания, регулярные передачи
которого у нас начались 1 октября 1967 г. по совместной советско-
французской системе SECAM.
Автором проекта первой цветной телевизионной системы механи-
ческого типа с последовательной передачей цветовых сигноов явля-
ется инженер-электрик и технолог А.А. Полумордвинов. В декабре
1899 г. он предложил устройство, основанное, как и современные си-
стемы, на трехкомпонентной теории цветного зрения Ломоносова-
Юн га-Гельм гольца. Проект двухцветной системы с одновременной
передачей цветовых сигналов по двум каналам связи предложил в
1907 г. О.А. Адамян.
Введение
15
В 1938 г. в Великобитании Дж. Бэрд осуществил демонстрацию
цветного изображения с четкостью 120 строк на большом экране. Это
была комбинированная система с последовательной передачей цвето-
вых сигналов, использующая элементы механического и электронно-
го телевидения, как и система на 343 строки, демонстрированная в
1940 г. в США П. Голдмарком (1906-1977). В 1951 г. в Нью-Йорке
с помощью данной системы началось телевизионное вещание, кото-
рое через короткое время было прекращено по причине ее несовме-
стимости с существующей системой черно-белого телевидения и не-
возможности увеличения размера экрана из-за наличия в приемном
устройстве вращающегося диска с цветными фильтрами. В 1953 г.
в США была введена для вещания одновременная совместимая си-
стема цветного телевидения NTSC. Впоследствии ее использовали
Япония, Канада и страны Латинской Америки.
В нашей стране первая опытная передача цветного телевиде-
ния по последовательной системе, разработанной под руководством
В.Л. Крейцера (1908-1966), состоялась в ноябре 1952 г. В 1954-
1956 гг. опытные передачи вела Московская станция цветного те-
левидения. Для их приема было выпущено небольшое количество
телевизоров «Радуга» с экраном диаметром 18 см и вращающимся
трехцветным диском.
На кафедре телевидения ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
под руководством проф. П.В. Шмакова с начала 50-х годов проводи-
лись исследовательские работы по созданию одновременной совме-
стимой системы цветного телевидения. В марте 1956 г. были прове-
дены опытные передачи цветного изображения через ретрансляцион-
ный передатчик. В том же году аппаратура была перевезена в Мо-
скву для демонстрации ее работы специалистам и членам правитель-
ства. Также продемонстрировали аппаратуру цветного телевидения
специалисты НИИ радио (Москва) во главе с С.В. Новаковским. В
1958 г. делегатам XI Исследовательской комиссии Международного
консультативного комитета по радио (МККР) в Москве и Ленингра-
де демонстрировались результаты работы по цветному телевидению,
получившие высокую оценку международной телевизионной обще-
ственности. Дальнейшие работы по внедрению цветного телевизи-
онного вещания проводились во ВНИИ телевидения (Ленинград).
В начале 60-х годов было предложено множество систем цвет-
ного телевидения, разработанных в различных странах. После ряда
экспериментальных проверок и длительных дискуссий наша страна
выбрала для вещания систему SEC AM — совместную разработку со-
ветских и французских специалистов. Эту же систему предпочли не-
которые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Разработанную
в Германии систему PAL выбрали страны Западной Европы, Австра-
лии, частично Азии и Африки. В настоящее время в мире действуют
три стандарта цветного телевидения: NTSC, SECAM, PAL. Поэтому
к;
Введение
при передаче сигналов одной из систем в страну, где принят дру-
гой стандарт, необходимо осуществлять преобразование стандартов
(транскодирование).
В ходе, научно-технического прогресса происходит взаимное обо-
гащение наук и проникновение одной науки в другую. Наглядный
пример этому дает использование телевизионной техники в освое-
нии космоса — космическое телевидение [2]. Искусственные спут-
ники Земли в качестве ретрансляторов телевизионных программ по-
зволяют значительно раздвинуть границы телевизионного вещания
(спутниковое телевидение).
Телевизионная техника широко используется при изучении и
освоении космического пространства. В октябре 1959 г. впервые в
истории была осуществлена передача изображения невидимой части
Луны. С помощью телевидения обеспечивалось управление движе-
нием луноходов. Кроме того, телевидение помогает наблюдать за
жизнедеятельностью космонавтов в полете, за их работой в открытом
космосе, в невесомости. Телевидение приобщило к научному косми-
ческому эксперименту многомиллионную аудиторию зрителей [3].
Благодаря успехам космической техники спутниковое телевиде-
ние приобретает глобальный характер. Стала обычной практика пе-
редачи телевизионных программ с одного континента на другой. Ши-
роко разветвленная есть наземных спутниковых приемных станций
позволяет смотреть программы из Останкино в самых отдаленных
районах страны. Системы спутникового телевидения обеспечивают
непосредственный прием программ с синхронных спутников Земли
на индивидуальные телевизоры.
Осуществляются казавшиеся фантастическими проекты. Выдви-
нутый в 1937 г. проф. С.И. Катаевым проект малокадрового теле-
видения используется в аппаратуре для передачи изображений уда-
ленных планет. Реализован и предложенный проф. П.В. Шмаковым
метод ретрансляции сигналов телевизионного вещания при помощи
самолетов и искусственных спутников Земли.
Трудно найти область человеческой деятельности, где прямо или
косвенно не используется телевидение. Очевидно, дальнейшее по-
вышение автоматизации научных исследований и производственных
процессов приведет к возрастанию роли телевидения, так как оно по-
вышает эффективность труда, а иногда позволяет получить резуль-
таты, которые без применения телевидения недостижимы.
Телевидение остается самым действенным средством информа-
ции. Ежедневно телевизионные программы в нашей стране смотрят
десятки миллионов зрителей. Ни одно из средств массовой инфор-
мации не может сравниться с телевидением по степени воздействия
на зрителя. Возможности телевидения в области агитации и пропа-
ганды практически безграничны. Телевидение позволяет проводить
познавательные, информационные, художественные, музыкальные,
Введение
17
спортивные, детские, развлекательные и другие передачи. Оно со-
четает в себе оперативность и наглядность, что делает зрителя со-
участником происходящих событий.
В октябре 1997 г. Ассамблея радиосвязи Международного союза
электросвязи приняла большой пакет мировых стандартов в обла-
сти телевидения высокой четкости, цифрового многопрограммного
телевидения, цифрового наземного телевещания и т.д., подготовлен-
ных XI Исследовательской комиссией МСЭ под председательством
М.И. Кривошеева (р. 1922). Полный переход к цифровым методам
передачи сигналов рассчитан на 10 лет и более. Имеющиеся в мире
1,3 млрд телевизоров подлежат постепенной замене. Рынок цифрово-
го телевидения на ближайшие годы оценивается суммой в несколько
сотен миллионов долларов США.
В США законодательно уже принят новый стандарт на цифро-
вое телевидение высокой четкости (ТВЧ), одобрены правила выдачи
1600 бесплатных лицензий на вещание, а 240 миллионов нынешних
телевизоров признаны устаревшими, в связи с чем вещание по суще-
ствующей системе будет полностью прекращено в 2006 г. По новому
стандарту число строк увеличивается вдвое, формат кадра вместо су-
ществующего 4:3 будет 16:9. Таким образом, в качественном отноше-
нии телевидение совершает огромный скачок, сравнимый с переходом
от механической развертки к электронной в середине 30-х годов XX в.
По мнению С.В. Новаковского, для внедрения в России новой ТВ
системы следует воссоздать мощную научную базу и государствен-
ный координирующий орган с широкими полномочиями, восстано-
вить радиоэлектронную промышленность и телевизоростроение, так
как разрозненные акционерные общества эту крупнейшую народно-
хозяйственную задачу решить не смогут. Перечисленные меры позво-
лят организовать много новых рабочих мест для специалистов и про-
изводственников, сократить импорт ТВ аппаратуры, создать условия
для развития прикладного и бытового телевидения [4].
В становление телевизионной науки и техники и в ее развитие
внесли большой вклад видные отечественные ученые: профессора
Б.Л. Розинг, П.В. Шмаков, С.И. Катаев, Я.А. Рыфтин, Г.В. Брауде,
С.В. Новаковский, И.А. Росселевич, М.И. Кривошеев, Ю.Б. Зубарев
и др. Ученые России считают, что научно-технический потенциал
страны сейчас вполне достаточен для решения новых задач в обла-
сти телевидения. При этом нет необходимости догонять мировой уро-
вень, как в случае с другими видами продукции, поскольку многие
перспективные технологии находятся пока что в стадии становления
и их комплексные разработки и освоение придется проводить прак-
тически с начального уровня [5].
Выдающийся русский ученый Б.Л. Розинг, основоположник
электронного телевидения, на заре его развития писал: «Несомнен-
но, наступит, наконец, такое время, когда электрическая телескопия
9
Введение
распространится повсеместно и станет столь же необходимым прибо-
ром, каким является в настоящее время телефон. Тогда миллионы
таких приборов, таких «электрических глаз» будут всесторонне об-
служивать общественную и частную жизнь, пауку, технику и промы-
шленность... Тогда, конечно, электрическая телескопия как наука
займет подобающее ей место среди других наук техники слабых то-
ков. Возможно даже, ей будут посвящены специальные институты»
[6]. Эти пророческие слова ученого полностью сбылись.
т ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
— ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
1.1. Поэлементные анализ и синтез
оптических изображений
Телевизионное изображение формируется на экране приемного
устройства и предназначено для рассматривания его глазом. Полу-
чателем вещательной телевизионной информации является зритель,
наблюдатель; поэтому параметры и характеристики телевизионной
системы должны выбираться из условий ее согласования со свойства-
ми и характеристиками зрительной системы человека. При разработ-
ке телевизионной системы или отдельных ее узлов необходимо знать,
какие характеристики зрительной системы влияют на параметры от-
дельных узлов и телевизионной системы в целом.
Источником информации для телевизионной системы является
окружающий нас мир. Предметы обладают свойством отражать па-
дающий на них световой поток. В подавляющем большинстве случаев
— это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное
отражение, характерное для так называемых зеркальных поверхно-
стей, к которым относят полированные и лакированные поверхности,
поверхности жидкостей и др. Способность каждого предмета или его
деталей различно отражать световой поток или излучать (самосве-
тящиеся предметы) является оптическим свойством объекта, а от-
раженный (излученный) каждой деталью предмета световой поток
является источником зрительной информации о предмете, воспри-
нимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описывают
коэффициентом отражения
р(А) = FO(A)/F(A),
где FO(X) — отраженный световой поток; F(X) — световой поток,
падающий на отражающую поверхность.
2*
20
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Световой поток, облучающий предметы, определяет их освещен-
ность Ео (лк). Освещенность различных участков трехмерного объ-
екта будет различна, так как участки расположены на разных рас-
стояниях от облучающего источника, одни детали затеняют другие и
т.д. Большую роль играет характер освещения, т.е. число источников
света, их мощность и пространственное размещение. Иными словами,
зрительная информация об объекте, воспринимаемая наблюдателем,
определяется световой энергией, отражаемой (излучаемой) каждой
гонкой (элементом) объекта в сторону наблюдателя. Интенсивность
и спектральный состав элементарного потока характеризуют воспри-
нимаемые зрителем яркость и цвет каждой точки объекта, а напра-
вление потока — пространственное расположение той же точки. Од-
новременно наблюдатель видит ограниченную часть пространства,
определяемую пространственным углом, называемым углом зрения.
В общем случае объект передачи характеризуется следующими
параметрами: яркостью, цветом и глубинным расположением пред-
метов. Так как каждая точка объекта располагается в трехмерном
пространстве, а при движении и изменении освещенности меняется
характер распределения яркости и цвета всех точек рассматривае-
мых объектов, математическая модель объектов передачи является
многомерной функцией пространственно-временного распределения
яркости L, цветового тона А и чистоты цвета р, т.е.
L = fi(x,y,z,t) 1
Х = fx(x,y,z,t) L (1.1)
р = fP(x,y,z,t) )
где ж, р, z — пространственные координаты; t — время.
Эти уравнения определяют яркость L и цветность (/\ и р) как
функцию пространственных координат я, у и z каждой точки дви-
жущегося объекта и времени (см. § 10.1).
Главной задачей телевидения является нахождение способов та-
кого преобразования изображения объекта, чтобы его можно было
передавать методами электросвязи. При этом необходимо добивать-
ся того, чтобы изображение, созданное приемным телевизионным
устройством, как можно более соответствовало объекту передачи.
Одним из основных свойств электрического канала связи явля-
ется возможность передавать в каждый момент времени только одно
значение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией
только одного независимого переменного — времени, т.е. электри-
ческий канал связи характеризуется одномерной зависимостью на-
пряжения от времени:
U = (1.2)
В общем случае выходные параметры L'. Д', р' могут не совпа-
дать с входными L, А, р и математически описываются совокупно-
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
21
стью трех многомерных функций:
L' = /£(х,2/,2,«) '
А' = f'x(x,y,z,t) >.
р' = fp(x,y,z,t) ,
(1-3)
Из уравнений (1.1) и (1.3) следует, что задача синтеза телеви-
зионной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы
выходное изображение (1.3) с заданной степенью точности соответ-
ствовало бы объектам телевизионной передачи (1.1).
Преобразование трех многомерных функций передачи непосред-
ственно в одномерный сигнал невозможно. Поэтому, учитывая опыт
фотографии, можно пойти на ряд упрощений в формировании пере-
даваемого изображения, упрощая и их математические описания.
При передаче плоского черно-белого неподвижного изображения
математическое описание упрощается до вида
L = h(x,y),
(1-4)
что показывает распределение яркости в плоскости изображения, т.е.
изменение яркости в координатной системе х, у. Даже в этом про-
стейшем случае оно описывается двумерным распределением ярко-
сти (1.4) и не может быть непосредственно преобразовано в одно-
мерный сигнал.
Если рассматривать передачу движущихся изображений, что
является основным назначением телевидения, то задача еще боль-
ше усложняется. При передаче черно-белых плоских движущихся
изображений распределение яркости будет являться функцией трех
переменных
L = fL(x, y,t).
В телевидении кроме информации о мгновенном значении ярко-
сти L необходимо точно знать, из какой точки передаваемой сцены
эта информация получена, т.е. его геометрическое место.
Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала в од-
номерный используются два фундаментальных принципа, которые
лежат в основе телевидения, — дискретизация изображения и его
развертка, т.е. в телевидении используется пространственная и вре-
менная дискретизация.
Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего
поля передаваемого изображения на конечное число дискретных эле-
ментов. На рис. 1.1 показаны фотографии женской головы (крупный
план), разбитые примерно на 1000 и 250000 элементов соответствен-
но. Теоретически количество элементов на изображении может быть
бесконечно большим. На практике в связи с ограниченной разреша-
ющей способностью зрения любое изображение может быть предста-
влено определенным числом элементов с конечными размерами.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 1.1. Пространственная дискретизация изображений
Телевизионному преобразованию изображений в электрический
сигнал предшествует построение плоского оптического изображения
и поэлементный его анализ. Плоское оптическое изображение мо-
жет быть представлено множеством элементарных источников, ин-
тенсивность каждого из которых может принимать т различных
значений. Число элементарных источников N тем больше, чем вы-
ше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы
должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно
быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной струк-
туры изображения.
Элементом изображения называется минимальная деталь изо-
бражения, внутри которой яркость и цвет считаются постоянными,
т.е. внутри элемента неравномерность яркости и цвета уже не бу-
дут различаться глазом.
Первый основной принцип телевидения заключается в разбивке
изображения на отдельные элементы и поэлементной передаче все-
го изображения. Одновременная передача сигналов всех элементов
неприемлема, так как это потребует такого количества линий связи
между передатчиком и приемником, сколько элементов изображения,
что исключает возможность практического осуществления.
Проблему каналов связи решает второй основной принцип, на
котором базируется телевидение, — это последовательная во вре-
мени передача по каналу связи информации о яркости элементов.
Этот принцип называется разверткой. Возможность последователь-
ной передачи телевизионного изображения по одному каналу свя-
зи базируется на явлении инерционности зрения. Инерционностью
зрения называется способность зрительного аппарата сохранять зри-
тельное ощущение в течение некоторого времени после прекращения
его воздействия. Инерционность проявляется в том, что мелькающий
источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерыв-
но светящимся. Поэтому при достаточно высокой частоте передачи
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
23
мелькающих сигналов они будут казаться наблюдателю непрерыв-
но светящимися.
Процесс последовательной, поочередной передачи элементов изо-
бражения называется разверткой (сканированием) изображения.
Следовательно, принцип развертки, который превращает изображе-
ние в чередование последовательных электрических сигналов, реша-
ет поставленную задачу, т.е. получение слитного изображения.
Развертку можно осуществлять, перемещая развертывающий
элемент (электронный луч, сканирующее отверстие и др.) по по-
верхности изображения по определенному закону.
Координаты развертываемых точек изображения являются
функциями времени:
x = <px(t)-, y = <py(t), (1.5)
где (ypx(i) и ^y(t) — произвольные однозначные функции времени.
Если подставить (1.5) в (1.4), получим необходимую для переда-
чи функцию времени L = = hl^xW^yW] = /ЫО-
Следовательно, процесс развертки решает задачу преобразова-
ния изображения в последовательность электрических сигналов. Эта
последовательность передачи выбирается в зависимости от назна-
чения системы. Развертка может быть детерминированная, когда
траектория движения развертывающего элемента строго определе-
на и наперед задана. Недетерминированная развертка предполагает
такое движение развертывающего элемента, которое автоматически
устанавливается в зависимости от содержания изображения. Такие
развертки используются в системах обработки изображений или для
оптимизации систем передачи.
При детерминированной развертке разложение изображения мо-
жет происходить по различным траекториям движения развертыва-
ющего элемента, т.е. движение может быть произвольным. Необхо-
димо лишь, чтобы движение развертывающих элементов в оптико-
электронном и электронно-оптическом преобразователях осуществ-
лялось по одному закону. В зависимости от закона движения развер-
тывающего элемента по поверхности изображения возможны различ-
ные виды разверток: линейные, зигзагообразные, спиральные, сину-
соидальные, радиальные и др.
При выборе типа разверток к вещательной телевизионной (ТВ)
системе предъявляются определенные требования, основные из ко-
торых: одинаковое время передачи каждого элемента, минимальные
затраты времени на обратный ход и простота технической реализа-
ции. Как видно из рис. 1.2, ни один тип разверток не удовлетворяет
этим требованиям, за исключением линейной развертки. Поэтому в
вещательном телевидении и в большинстве случаев прикладного те-
левидения используется линейная развертка, в частности прогрес-
сивная и чересстрочная.
24
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 1.2. Виды детерминированных разверток:
а — линейная; 6 — зигзагообразная; в — спиральная; г — синусоидальная; д —
радиально-круговая
Недетерминированная развертка в настоящее время применяет-
ся в телевизионной автоматике. Там имеют дело с более простыми,
чем в телевизионном вещании, изображениями. Это позволяет доста-
точно просто согласовать законы движения развертывающих элемен-
тов с геометрическими или оптическими характеристикам!! различ-
ных объектов. Это является шагом на пути создания ТВ систем со
статистическим согласованием. Такие системы широко применяются
при исследовании биологических микрообъектов, петрографии, ис-
следовании образцов металлоизделий, искусственных алмазов и др.
Недетерминированные развертки строятся по принципу разделе-
ния на два режима: поиска и слежения. В режиме поиска разверты-
вающий элемент движется по заданной траектории, а при попадании
на изображение объекта он переходит в режим слежения, во время
которого производится считывание информации и ее обработка. Су-
ществуют несколько режимов слежения в зависимости от решаемой
задачи. Например, может использоваться следящая развертка по
контуру объекта, по площади. В первом случае развертывающий эле-
мент подчеркивает только контур исследуемого объекта, а во втором
— развертка обеспечивает получение упорядоченной информации о
каждом объекте в отдельности [7].
Основная задача в телевидении — передача движущихся изо-
бражений — осуществляется так же, как и в кино, методом после-
довательной передачи большого количества неподвижных изображе-
ний в секунду. Благодаря быстрой смене кадров, каждый из кото-
рых представляет собой неподвижное изображение, запечатленное с
определенной фазой движения объекта передачи, у зрителя создает-
ся иллюзия непрерывного движения. Передача цветных и объемных
объектов, которые описываются тремя и более функциями, может
осуществляться одновременно по трем или более каналам или по-
следовательно во времени по одному каналу связи. Метод последо-
вательной передачи большого количества информации позволяет пе-
редавать по одному каналу более сложные изображения, но при этом
необходимо уменьшить шаг дискретизации во времени, т.е. повысить
частоту передачи кадров в секунду, чтобы изображение воспринима-
лось зрителем немелькающим.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
25
Как было сказано выше, законы развертки ТВ изображения мо-
гут быть выбраны любыми. Но при этом необходимо, чтобы закон
развертки на приемном и передающем преобразователях был одина-
ковым. Кроме того, требуется строгая синхронность и синфазность
разверток на передающем и приемных устройствах. Если эти усло-
вия не будут соблюдаться, то воссоздать на приемном конце изобра-
жение объекта невозможно. В результате синхронной и синфазной
развертки распределение светлых и темных элементов на экране при-
емного устройства будет соответствовать распределению их на пе-
редаваемом объекте.
В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка
(слева направо и сверху вниз, что аналогично привычному письму
и чтению), т.е. передача элемента за элементом с постоянным на-
правлением и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью че-
редования строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра
передаются синхронизирующие сигналы, определяющие начало раз-
верток по строке и кадру. Точность синхронизации и постоянство
скоростей развертки по строке и кадру определяют точность вос-
произведения геометрического соответствия деталей изображения на
приеме и передаче.
Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (на-
пример, электронный луч) по оси X, называется строкой. Вслед-
ствие инерционности зрительного аппарата наблюдатель одновре-
менно видит всю совокупность следов движения электронного пят-
на на экране. Совокупность видимых строк на экране называется
растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим
устройством всех элементов изображения называется кадром. При
линейно-строчной развертке телевизионную систему обычно харак-
теризуют числом строк z в кадре и числом кадров п — полных
изображений в секунду.
Качество ТВ изображения может быть охарактеризовано степе-
нью приближения восприятия его наблюдателем к непосредственно-
му наблюдению передаваемого объекта. Очевидно, качество теле-
визионного изображения определяется параметрами и характеристи-
ками ТВ системы. Так, воспроизведение мелких деталей и резких
границ раздела полей разной яркости (контуров изображения) на-
ходится в прямой зависимости от числа передаваемых ТВ системой
элементов или, что то же самое, от числа строк в телевизионном
растре. Слитность восприятия яркости и плавность движения объ-
ектов связаны с числом передаваемых изображений (кадров) в еди-
ницу времени и с выбором временного закона развертки. Число вос-
производимых ступеней яркости на изображении — число световых
градаций — определяется динамическим диапазоном системы. Гео-
метрическое подобие переданного и принятого изображений опреде-
ляется качеством синхронизации и точностью в соответствии зако-
нов развертки в преобразователях свет-сигнап и сигнал-свет, т.е. от-
2G
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
носительпым равенством координат любого элемента растра как по
полю растра, так и ио времени.
Таким образом, выбор параметров системы определяется задан-
ным качеством изображения. С другой стороны, любое повышение
качества влечет за собой удорожание системы. Следовательно, ка-
чество системы и выбор ее параметров должны быть экономически
обоснованы.
1.2. Преобразование оптического
изображения в электрический сигнал
Для восприятия окружающего нас реального мира природа на-
делила человека пятью чувствами, три из которых (зрение, слух,
обоняние) являются дистантными, а два (осязание и вкус) — кон-
тактными. Значение стимулов, доводимых до нашего сознания раз-
ными органами чувств, далеко не одинаково. Физиологи утверждают,
что 80...85 % всех ощущений человек воспринимает через зрение. Но
как ни изумительно устроен глаз человека, мы видим малую часть
нашего непосредственного окружения, и только то, что'излучает или
рассеивает падающий свет, который, как известно, занимает весьма
узкий диапазон электромагнитных колебаний.
Известно, что весь спектр электромагнитных колебаний условно
делят на две части: лежащие ниже 3000 ГГц относят к радиоволнам,
а выше — к оптическому диапазону. Видимая часть спектра лежит
в области оптического диапазона и составляет лишь узкий участок
(380...760 нм). На этом участке размещаются все видимые цвета: от
фиолетового до красного (рис. 1.3,а). На рис. 1.3,£ показана кривая
относительной спектральной чувствительности глаза, или, как ино-
гда ее называют, стандартной кривой относительной видности гла-
за. Максимальная спектральная чувствительность глаза находится
в области желто-зеленой части видимого спектра частот (0,55 мкм).
Слева и справа от максимума кривой видности глаза, где располага-
ются синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза
падает. Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона раз-
личает одинаково. Это обстоятельство было учтено при создании
совместимых систем цветного телевидения (см. гл. 12).
Телевизионная система может расширить зрительные возмож-
ности человека, т.е. она способна видеть то, что человек не мо-
жет видеть невооруженным глазом. Источником ТВ сигнала может
быть любое излучение не только в оптическом диапазоне электро-
магнитных волн. Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный
преобразователь имел соответствующую спектральную чувствитель-
ность.
Следовательно, с помощью телевидения можно сделать видимы-
ми объекты, невидимые простым глазом.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
27
Частота, Гц Ультрафиолетовые лучи
10° 101 102 103 104 ю5 ю6 ю7 ю8 ю9 ю1О1о11io12io1310141015ю16/ю17 ю181019 1О2°1О21 10221023
Электромагнитные
колебания низкой
частоты
Радиоволны Инфракрасные лучи —।—1 1 1 L Рентге- новские лучи
108 107 106 105 104 103 102 Ю1 10° 1СГ110'2 10'310'4 10”*
Длина волны, м Радиоволны I
Т0^10810 910-1°10 10“1 10“131014
Оптический диапазон
Видимый свет
>s
>s
о
с; q
<и о
со I-
О
S
е
а)
Рис. 1.3. Спектр электромагнитных волн (а) и стандартная кривая относи-
тельной спектральной чувствительности глаза (6)
При передаче черно-белого ТВ изображения каждый элемент ха-
рактеризуется мгновенным значением яркости. В процессе разверт-
ки, т.е. последовательной во времени передачи элементов изображе-
ния, образуется сигнал яркости как функция времени. Для полу-
чения этого сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в
электрический сигнал, что осуществляется в современном телевиде-
нии устройствами, использующими фотоэффект. Под фотоэффек-
том понимается возможность освобождения электронов в веществе
под действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать
вещество, тогда это называется внешним фотоэффектом, или оста-
ваться свободными внутри вещества, увеличивая его проводимость,
тогда это называется внутренним фотоэффектом. В первом случае
процесс вылета электронов из вещества называется фотоэмиссией,
а во втором — электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в
нем, называются электронами фотопроводимости.
Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении
электронной эмиссии с поверхности некоторых металлов, облучае-
мых лучистым потоком [8].
Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, пре-
одолевая работу выхода. Ясно, что световые лучи, обладающие не-
большой энергией световых квантов, не способны вырвать ни одного
электрона из вещества, следовательно, во внешней цепи не будет то-
ка. Если световой квант обладает большой энергией, то он способен
освободить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмисси-
онный ток. Он будет пропорционален световому потоку, если прибор,
в котором этот процесс реализуется (фотоэлемент), работает в режи-
ме насыщения. Тогда все элементы, испускаемые данным веществом,
попадают во внешнюю цепь этого прибора. Преобразование светового
ЧАСТЬ 1. Физические основы телевидения
по тока в электрический ток при внешнем фотоэффекте безынерцион-
но. Основные закономерности внешнего фотоэффекта установлены
А.Г. Столетовым в 1888-1890 гг.
При внутреннем фотоэффекте за счет поглощения энергии из-
лучения увеличивается энергия отдельных электронов вещества и
нарушаются связи электронов с ядром своего атома, в результате
•них) внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны не по-
кидают вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной
зоны в зону проводимости. Это приводит к изменению сопротивле-
ния фотослоя. Возбужденный светом электрон через некоторое вре-
мя рекомбинирует, т.е. возвращается в заполненную зону. Скорость
этого процесса возрастает по мере увеличения концентрации фото-
генерированных электронов. При неизменном потоке излучения ско-
рость генерации носителей постоянна, скорость рекомбинации возра-
стает, поэтому через определенный промежуток времени интенсив-
ность рекомбинации становится равной интенсивности генерации но-
вых фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние — стацио-
нарное значение проводимости.
При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не
мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя неко-
торое время. Следовательно, нарастание и спад фотопроводимости
происходят не мгновенно, а являются процессом инерционным.
Квантовый выход, т.е. отношение числа фотоэлектронов к числу
падающих квантов света, при внутреннем фотоэффекте значительно
выше, чем при внешнем. При внешнем фотоэффекте выбитые кванта-
ми света фотоэлектроны должны совершить «работу выхода», чтобы
покинуть свою среду, т.е. иметь большой запас энергии. При внутрен-
нем фотоэффекте фотоэлектроны работу выхода не совершают, они
только отрываются от своих атомов и остаются в пределах фотопро-
водника. При этом требуется значительно меньше энергии. Следо-
вательно, оптико-электронные преобразователи, использующие явле-
ние внутреннего фотоэффекта, обладают более высокой чувствитель-
ностью, и поэтому современные датчики телевизионных сигналов ис-
пользуют в основном принцип внутреннего фотоэффекта [9].
1.3* Обобщенная структурная схема
телевизионной системы
Общая задача телевидения — преобразование световой энергии
в электрический сигнал, передача этого сигнала по каналу связи и,
наконец, преобразование на приемном конце электрического сигнала
в оптическое изображение. Исходя из этого строится ТВ система,
включающая весь комплекс технических средств, обеспечивающих
получение на приемном устройстве зрительной информации о пере-
даваемом объекте. В зависимости от назначения системы объем и
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения
29
Синтезирующее
устройство
Анализирующее
устройство
Рис. 1.4. Структурная схема телевизионной системы:
1 — объектив; 2 — оптико-электронный преобразователь; 3 — развертывающее
устройство; 4 — синхронизатор; 5 — усилитель; б — передающее устройство; 7 —
канал связи; 8 — приемное устройство; 9 — видеоусилитель; 10 — преобразова-
тель сигнал-свет; 11 — селектор импульсов синхронизации; 12 — развертывающее
устройство
устройство технических средств могут быть различными, но они ха-
рактеризуются общими для всех систем свойствами. Обобщенные,
характерные для ТВ системы устройства и их взаимосвязь предста-
влены в структурной схеме рис. 1.4.
Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптиче-
ское изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-
электронного преобразователя 2. Это устройство преобразует свето-
вую энергию в электрическую.
Оптическое изображение проецируется на мишень передающей
трубки или на твердотельный датчик ТВ сигналов, и с этих устройств
снимаются заряды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал. С по-
мощью развертывающего устройства 3 получают последовательные
электрические импульсы. Электрические импульсы, несущие инфор-
мацию о яркости изображения, называются яркостным сигналом.
Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синте-
зирующих устройств,, обеспечивающих идентичность положения ко-
ординат точек на передающем и приемных устройствах, необходи-
мо генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации.
Синхронность достигается при равенстве частоты разверток на ана-
лизирующем и синтезирующих устройствах, а синфазность — при
точном начале их работы. Для выполнения этих условий в телеви-
дении используется принудительная синхронизация. Сигналы син-
хронизации вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют
собой импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы
синхронизации вырабатываются с частотой строк, другие — с часто-
той кадров. Эти импульсы поступают в развертывающее устройство
3, а также в усилитель 5, где суммируются с сигналом яркости и
поступают в передающее устройство 6.
В ТВ системе развертывающие устройства на передающей и при-
емной сторонах работают в автоколебательном режиме. Поэтому
сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на
30
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих
устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройствами
передающей части.
( ’и их регенератор вырабатывает также сигналы гашения лучей
передающей и приемной трубок во время их обратных ходов, называ-
емых гасящими импульсами. На вершинах гасящих импульсов рас-
полагаются синхронизирующие импульсы.
Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения назы-
вается сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и
сигнала синхронизации, называется полным сигналом яркости.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей.
Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль
канала связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы,
кабельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие ли-
нии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи
ТВ сигнала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может под-
вергаться различным преобразованиям, но на выходе должен восста-
навливаться полный ТВ радиосигнал.
В приемном устройстве 8 происходит усиление телевизионного
радиосигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его
детектирование. После детектирования видеосигнал поступает на
усилитель видеосигналов Р, где происходит усиление сигнала до не-
обходимой величины для управления преобразователем сигнал-свет
(кинескоп, приемная трубка) 7Р, и на селектор импульсов синхрони-
зации 11. В этом устройстве осуществляется выделение из видеосиг-
нала импульсов синхронизации. Эти импульсы управляют развер-
тывающими устройствами 12. обеспечивая синхронность и синфаз-
ность движения сканирующих элементов анализирующего и синте-
зирующих устройств.
Глава 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО
И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1 Характеристики оптического
изображения
Процесс телевизионной передачи начинается с построения дву-
мерного оптического изображения трехмерных предметов, располо-
женных в пространстве. Качество оптического изображения опреде-
ляется ряд,ом факторов и не имеет единой, обобщенной количествен-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
31
Рис. 2.1. К определению глубины резкости
ной оценки. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного
преобразования характеристики оптического изображения.
Освещенность в плоскости оптического изображения Ео опре-
деляется освещенностью объекта Ео^ его отражательными свойства-
ми, характеризуемыми коэффициентом отражения роб, и параметра-
ми объектива. Она.может быть определена как
Р __ Роб^Ео^С)
° ~ 4(1+т)2’’
где т — коэффициент прозрачности объектива; О = D/ f — отно-
сительное отверстие объектива, определяемое отношением диаметра
его входного зрачка D к фокусному расстоянию т — уо/уоб —
линейный масштаб изображения; т/об и уо — линейные размеры объ-
екта и оптического изображения соответственно.
Относительное отверстие объектива регулируется с помощью
диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка. Фокусное рас-
стояние объектива выбирается по известным значениям расстояния
до объекта Ао (рис. 2.1) и масштаба изображения т для получения
репродукции с крупным, средним или тому подобным планом; с до-
статочной точностью при малых значениях т фокусное расстояние
может быть определено как /' « тА$.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством
воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей спо-
собностью объектива.
Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в
оптических системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в
виде некоторого кружка, а две близко расположенные светлые точки
на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное рассто-
яние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроиз-
водятся отдельно, называется разрешаемым расстоянием, а величи-
на, обратная ему, — разрешающей способностью объектива. Разре-
шающая способность оценивается максимальным числом пар черно-
32
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
белых линий па J мм, воспроизводимых на изображении. Аберра-
ции уменьшаются с приближением пучков к параксиальным, поэтому
разрешающая способность объектива увеличивается при диафрагми-
роаании, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако это
справедливо до тех пор, пока О > 1/20. Дальнейшее уменьшение
относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных
явлений, снижающих разрешающую способность.
При передаче изображений объектов, протяженных по глубине,
разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей,
расположенных иа одном от него расстоянии Ао, т.е. в плоскости
.So, сопряженной с плоскостью резкого изображения (см. рис. 2.1).
Точки, расположенные дальше и ближе к этой плоскости, напри-
мер в плоскостях Si и 5*2 соответственно, будут воспроизводиться
па изображении кружками различных диаметров (кружки размы-
тия). Глубина резкости — глубина воспроизводимого пространства
ДА = Ai — А2, для которого максимально допустимый диаметр круж-
ка размытия d принимают обычно равным линейному размеру одного
элемента разложения изображения d = h/z, где h — высота изобра-
жения на светочувствительном слое (мишени) передающей трубки;
z — число строк разложения.
Из уравнения тонкой линзы
1/А0 + 1/а0 - 1//' (2.1)
следует, что при Ао > Ао > ДА и аод,2 ~ Г глубина резкости
2h 1
ДА = ДА! + ДА2 = Ах - А2 « — . (2.2)
z От2
Учитывая, что для каждого типа преобразователя свет-сигнал
высота изображения /г жестко задана его конструктивными особенно-
стями, глубина резкости практически определяется относительным
отверстием объектива и квадратом линейного масштаба изображе-
ния. Требуемое значение глубины резкости зависит от характера изо-
бражения и от художественного замысла режиссера: она не должна
быть слишком большой, чтобы «не засорять» изображение «лишни-
ми» деталями, например тонкой структурой декораций, и в то же вре-
мя не должна быть слишком малой, чтобы обеспечить качественное
воспроизведение изображений актеров при их перемещении в рабо-
чем пространстве сцены.
Геометрические (координатные) искажения, возникающие в оп-
тической системе, обычно пренебрежимо малы, но могут оказаться
заметными при некоторых нарушениях нормальных условий оптиче-
ской проекции. Так, при передаче изображений плоских объектов
(графики, картины, чертежи, фасады зданий и т.д.) возникают тра-
пецеидальные искажения прямоугольных форм из-за несоблюдения
параллельности плоскостей светочувствительной мишени и объекта
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
33
(наклон камеры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг
оптической оси (наклон камеры влево или вправо) приводит к диа-
гональной композиции и т.д.
По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб
их изображения, и удаленное пространство как бы сжимается — две
параллельные линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну
точку. Такая точка называется точкой схода, а сама трансформа-
ция пространства на изображении называется перспективой. Точ-
ка схода тем ближе, чем больше угол зрения системы. Искажения
перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же ограниченное
пространство рассматривается под разными углами зрения — гла-
зом и передающей ТВ камерой. В прикладных телевизионных систе-
мах, когда необходима документальная точность, все эти искажения
должны жестко регламентироваться.
Количественное нормирование параметров оптических изобра-
жений, и в частности изображения на экране приемника, обязатель-
но должно учитывать параметры и характеристики зрительной си-
стемы.
2.2. Зрительная система. Основные
параметры телевизионного изображения
Зрительная система. Получение зрительной информации о
внешнем мире — форме вещей, их пространственном расположении,
цвете, движении и т.п. осуществляется с помощью зрительной систе-
мы. Зрительная система состоит из органа зрения — глаза, нервной
системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз предста-
вляет собой оптическую систему с углом зрения порядка 120°, кото-
рая с помощью хрусталика формирует изображение окружающих нас
предметов на сетчатке. Последняя образует светочувствительную
поверхность дна глазного яблока. Оптическая система глаза легко
управляется с помощью хорошо организованного мышечного аппара-
та. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаз автоматически
фокусирует изображение тех предметов, которые мы хотим рассмо-
треть в данный момент. Диапазон фокусировки охватывает предме-
ты, удаленные от наблюдателя на десятки сантиметров и до беско-
нечности. Кроме того, оптическая ось глаза автоматически устана-
вливается так, чтобы подвергающееся рассматриванию изображение
проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа) с наиболь-
шей разрешающей способностью.
Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из свето-
чувствительных нервных окончаний. Существует два вида нервных
окончаний — фоторецепторов: колбочки и палочки. Колбочки —
рецепторы аппарата дневного зрения. Дневное зрение характеризу-
ется малой светочувствительностью, но большой разрешающей спо-
собностью и цветоразличительными свойствами. Палочки — реце-
пторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью
3
34
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
различать цвета и имеющего малую разрешающую способность, но
большую световую чувствительность. Центральная часть сетчатки
(с угловыми размерами 1...3°) содержит только колбочки, а пери-
фирн я колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает
с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фо-
торецепторы через сложную нервную систему связаны со зритель-
ным центром головного мозга.
Световое раздражение сетчатки вызывает появление электриче-
ских импульсов с различными частотами повторения, которые по
сложным цепям проводящей системы поступают к головному моз-
гу. Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, он под-
вергается сложной обработке — кодированию. Механизмы анализа
зрительной информации, ее обработки, кодирования и дешифровки
еще далеко не изучены.
При реализации различных систем воспроизведения изображе-
ний необходимо обеспечить рациональное приближение изображения
к образу, непосредственно воспринимаемому зрением. Поэтому при
построении ТВ системы необходимо соответствующим образом согла-
совать ее параметры со свойствами зрительной системы.
Рассмотрим характеристики зрительного восприятия и оценим
ориентировочные значения основных параметров ТВ изображения.
Число строк. Формат кадра. Предельная способность зри-
тельной системы видеть мелкие детали определяется разрешающей
способностью (остротой зрения). Различают два вида остроты зре-
ния: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине
деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного или
стереоскопического зрения. И та и другая острота зрения зависят от
разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы.
Для нормального зрения доминирующую роль играет разрешение
сетчатки. Однако определять остроту зрения только по статическим
характеристикам нельзя. Глаз — динамическая оптическая систе-
ма. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями
глазного яблока — тремором. Кроме того, оптическая ось глаза обе-
гает контуры (границы раздела полей разной яркости) изображения,
как бы выбирая наиболее существенную информацию. Эти движения
глаза оказывают весьма существенное влияние и на остроту зрения,
увеличивая ее по сравнению со статической (расчетной).
Рассмотрим усредненные характеристики глаза для большого
числа наблюдателей с нормальным зрением. Разрешающая способ-
ность глаза характеризуется наименьшим угловым расстоянием б ме-
жду двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит
эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние изме-
няется в значительных пределах при изменении яркости наблюда-
емых точек и их контраста относительно фона. На рис. 2.2 приве-
чена экспериментальная зависимость остроты зрения V (величины,
обратной 6), отнесенной к значению Vq, соответствующему <5 = 1', от
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
35
Рис. 2.2. Зависимость от-
носительной остроты зре-
ния V/Vq от яркости L
Рис. 2.3. Изменение относитель-
ной остроты зрения по мере уда-
ления от центрального углубления
сетчатки на угловое расстояние а
яркости L. Характер этой зависимости может быть объяснен следу-
ющим образом. Малые световые сигналы не в состоянии вызывать в
одном нервном окончании (рецепторе) сигнал, отличающийся от соб-
ственных шумов и флуктуаций квантов падающего света. Поэтому
при малых световых раздражениях сигналы от нескольких рецепто-
ров, объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное по-
ле), суммируются, что увеличивает световую чувствительность, но
снижает разрешающую способность. По мере увеличения освещенно-
сти площадь рецептивного поля (за счет уменьшения числа объеди-
ненных рецепторов) уменьшается, и разрешающая способность ра-
стет. Однако площадь рецептивного поля может убывать лишь до
значения, определяемого размерами одного рецептора, поэтому пре-
дельная разрешающая способность ограничивается раздельным воз-
буждением двух рядом лежащих нервных окончаний сетчатки. Этим
объясняется верхний загиб кривой рис. 2.2.
В практике телевидения максимальные значения яркостей экра-
на приемной трубки достигают примерно 200... 300 кд/м2. При этом
для «стандартного» глаза разрешающая способность определяется
минимальным угловым расстоянием <5min = 1' при достаточно боль-
шом контрасте и неограниченном времени наблюдения.
Из-за неоднородностей структуры сетчатки острота зрения
уменьшается по мере удаления от центрального углубления этой обо-
лочки на угловое расстояние а° (рис. 2.3). Хотя поле зрения глаза
весьма велико (порядка 120... 130°), основная зрительная информа-
ция, поступающая в глаз, сосредоточена в пространственном угле
ясного зрения ая. Приняв размеры поля ясного зрения по вертикали
Ояв = 12° и по горизонтали аяг = 16° и положив разрешение глаза
<5пмп — получим число регистрирующих информацию элементар-
ных участков в поле ясного зрения
М, = (a«r/6min)(a«B/<5min) = (16 • 60/1)(12 • 60/1) = 0,7 • 10е.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.4. К определению числа строк разложения изображения (а) и четко-
сти изображения в вертикальном направлении (5)
Назначением ТВ системы является создание репродукции опти-
ческого изображения. Телевизионное изображение должно обеспе-
чивать отображение передаваемого образа таким же, каким его вос-
принимает зритель при непосредственном наблюдении. Однако для
начального этапа построения ТВ систем было характерно использо-
вание более простых технических решений по статистическому со-
гласованию параметров ТВ систем со свойствами зрительной систе-
мы. В частности, для сокращения объема передаваемой информации
были уменьшены поле зрения, разрешающая способность ТВ систем
и число мельканий изображения, а также не передавалась инфор-
мация о его цвете и объеме. В то же время применялись системы
более простые в реализации, но с большой информационной избы-
точностью — с постоянными не ад оптируемыми параметрами
передачи обширного ансамбля всевозможных изображений. Подоб-
ным образом были реализованы вещательные ТВ системы с «посто-
янной» разрешающей способностью во времени и в пространстве (по
полю изображения) для наблюдения любых статических и динами-
ческих изображений только в пространственном угле, равном углу
ясного зрения а°.
Исходя из этого условия и в соответствии с форматом централь-
ной зоны сетчатки (называемой желтым пятном} была выбрана ве-
личина формата кадра k = b/h = 4/3, где 6, h — ширина и высота
кадра соответственно (рис. 2.4). Для рассмотрения ТВ изображения,
расположенного в угле ясного зрения наблюдатель должен находить-
ся от экрана приемной трубки на определенном расстоянии, на кото-
ром изображение полностью проецируется в зону ясного зрения. Из
геометрических соображений оптимальное расстояние рассматри-
вания можно определить как /опт ~ 5Л. При меньшем расстоянии
изображение не полностью проецируется в зону сетчатки с макси-
мальной разрешающей способностью, а при большем — в эту зону
понадают и посторонние объекты, окружающие экран ТВ приемника.
Число элементов разложения изображения N также должно со-
ответствовать числу элементарных участков поля ясного зрения Nn.
1<слн принять конфигурацию элемента разложения в виде квадрата
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
37
или окружности (для одинаковой четкости изображения в вертикаль-
ном и горизонтальном направлениях), то число элементов разложе-
ния изображения определится как Аг = kz2 (где z — число строк, т.е.
число элементов по вертикали; kz — число элементов в строке).
Тогда для опознавания деталей в неподвижном изображении
в ТВ системе с неподвижным (статическим) растром число элементов
разложения должно быть N 4АГЯ из-за того, что между деталями
должны воспроизводиться и промежутки по вертикали и горизонтали
размером не менее одного элемента разложения. Отсюда требуемое
число строк разложения при данных условиях определится как
Z > 2у/ия/к = 2>/0,7 • 106 - 3/4 и 1400.
Однако взаимное расположение деталей и строк растра может
быть различным (см. рис. 2.4,6). В зависимости от этого в верти-
кальном направлении будут воспроизводиться детали размером ли-
бо h/Z, либо 2h/z. Это делает неоднозначным оценку значения чет-
кости изображения по вертикали; поэтому для уверенного различе-
ния в ТВ изображении 0,7-106 деталей необходимо использовать еще
большее число строк разложения.
В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ)
приближаются к подобным требованиям. Но реализация систем ТВЧ
в вещании осложнена весьма значительным увеличением требуемой
полосы пропускания каналов связи из-за соответствующего расши-
рения спектра ТВ сигнала. Системы же с искусственным тремором
растра также сложны в реализации.
Для вещательной системы, использующейся в нашей стране, в
конце 40-х годов было выбрано число строк разложения z = 625
(ГОСТ 7845-92). Число строк разложения z — 625 определяет номи-
нальную четкость ТВ изображения. При этом различимость строч-
ной структуры растра на оптимальном расстоянии рассматривания
оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза. В то же
время подобная система в принципе может обеспечивать воспроизве-
дение как одиночных деталей, так и множества черно-белых деталей
N = kz2 « 0,5 • 106 с шахматной структурой расположения, по раз-
меру равных одному элементу разложения К/z. Размер воспроизво-
димых деталей обычно оценивается в относительных единицах как
определенная часть высоты изображения h.
Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота
мельканий. Зрительное восприятие дискретно во времени. Оди-
ночный световой импульс длительностью to может быть обнаружен
только при условии, что время действия его на глаз конечно, т.е.
to tKp (рис. 2.5). Причем время £кр зависит от освещенности сет-
чатки Ео, т.е. от мощности сигнала. Иными словами, установлено,
что EotKp = const. При переменном значении Eo(t) суммарное воз-
действие светового сигнала должно достигнуть вполне определенного
38
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.5. Визуальное ощуще-
ние яркости £виз(ОМвизтах
периодически излучающего ис-
точника С яркостью Lo/Lomax
значения для его обнаружения:
/ Eo(t) dt = const.
Jo
Минимальное время накопления имеет граничное значение tKp,
называемое критической длительностью. Различные исследования
дают большие расхождения в значениях tKp, что объясняется раз-
личными условиями проведения опытов: tKp меняется в пределах от
сотых (при больших яркостях) до десятых (при малых яркостях)
долей секунды.
После прекращения действия светового потока, возбуждающего
сетчатку (см. рис. 2.5), глаз как бы продолжает «видеть» источник с
яркостью, спадающей во времени по экспоненциальному закону
^виз(ОМвизтах = (Lq/Lq
max )ехр(-</т),
где ДзизВД/^визтах — значение визуальной яркости во время Z, про-
шедшее после прекращения возбуждения; Lo/^Omax — яркость воз-
буждения; т ~ 0,05...0,1 с — постоянная времени, характеризующая
инерцию зрения и отсчитываемая как т = t, при котором кажуща-
яся яркость уменьшается в е раз. Постоянная времени т является
функцией яркости и уменьшается при ее увеличении.
Параметр т определяет критическую частоту мельканий /кр,
представляющую собой наименьшую частоту повторения импульс-
ных возбуждений сетчатки, при которой наблюдатель перестает за-
мечать изменение светового потока и воспринимает его как непре-
рывное излучение.
Критическая* частота мельканий яркости источника зависит от
средней яркости поля наблюдения (яркости адаптации), размеров
мелькающего участка и т.д. Зависимость критической частоты мель-
каний от яркости подчиняется общему психофизическому — лога-
рифмическому закону зрительных восприятий:
/кр — 1g J^cp 4" (2-3)
где средняя яркость, кд/м2; а0 — 9,6; Ьо = 26,8 — коэффи-
циенты, установленные опытным путем.
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
39
При частоте повторения, равной или большей критической, визу-
альная яркость Lcp прерывисто излучающего источника может быть
определена как средняя за период повторения Т — закон Тальбота:
Lcp = ^TL°(i)dt. (2.4)
Дискретное во времени воспроизведение изображений отдельных
мгновенных положений (фаз) движущихся предметов воспринимает-
ся как слитное движение, если число фаз (кадров) в единицу времени
больше или равно некоторому числу п$ и если смещение предмета
в соседних фазах незначительно, т.е. если относительная скорость
движения предмета в кадре невелика.
Из многолетнего опыта кино установлено, что для восприятия
плавного движения объекта в большинстве случаев достаточно пере-
давать порядка 20 отдельных фаз движения в одну секунду. Поэтому
с учетом (2.3) и (2.4) для съемки и воспроизведения изображений в
современных системах кино выбрано 24 неподвижных кадра в одну
секунду. Однако при этом частота мельканий /мк киноэкрана полу-
чается значительно меньше критической. Для того чтобы /мк > /кр,
приходится перекрывать световой поток кинопроектора непрозрач-
ной заслонкой — обтюратором, не только при продергивании пленки
во время смены кадра, но и дополнительно еще один раз во время
проекции неподвижного кадра на киноэкран. Тогда /мк = 48 Гц, что
для киноизображений в большинстве случаев является достаточным.
По аналогии в ТВ вещании число кадров п, передаваемых в од-
ну секунду, было принято равным 25. При этом частота мелька-
ний яркости экрана fMK = 2п = 50 Гц за счет использования черес-
строчного разложения (см. гл. 3) и соответствует частоте кадровой
развертки. Это было сделано из соображений равенства ее частоте
промышленной сети для уменьшения заметности помех от электро-
сети — характерных динамических (геометрических и яркостных)
искажений изображения.
Однако в телевизионных системах процесс воспроизведения изо-
бражений с относительно большими значениями средней яркости
экранов значительно более сложен, чем в кино. Яркость каждой
точки киноэкрана практически постоянна во время проекции одного
кадра в течение около 20 мс (с учетом перекрытия светового пото-
ка обтюратором). В телевизионном же изображении каждая точка
экрана возбуждается электронным лучом кинескопа только в мо-
мент передачи одного элемента изображения, т.е. в течение примерно
0,1 мкс. Поэтому, несмотря на весьма высокие значения мгновенной
яркости экрана под электронным лучем и на послесвечение люми-
нофора после его возбуждения, яркость каждого элемента ТВ изо-
бражения отличается большой неравномерностью в течение кадра,
а. значение средней яркости сравнительно невелико и, главное, зна-
-К)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
'inТГ.ЛЫ10 меньше мгновенной под лучом. Как следствие, при про-
смотре ТВ передач на расстоянии меньшем оптимального эта нерав-
номерность становится заметной, особенно на сравнительно больших
деталях. Поэтому увеличение частоты мельканий яркости экрана
до 1.00 Гц (за счет использования в современных приемниках элек-
тронной памяти для повторного воспроизведения кадров) позволяет
улучшить качество воспроизведения изображений.
Для опознавания образа он должен наблюдаться на экране не
менее 4... 5 с, что определяется пропускной способностью зритель-
ной системы. Это справедливо как для движущихся, так и для не-
подвижных объектов передачи — заставок, титров, пейзажей и т.п.
Изображение последних в принципе достаточно передать один раз, а
воспроизводить за счет использования электронной памяти в течение
длительного времени. Аналогично можно уменьшить число переда-
ваемых фаз движения для воспроизведения изображений медленно
движущихся объектов. Подобные меры по уменьшению информаци-
онной избыточности и соответственно упрощению каналов связи ре-
ализуются в современных ТВ системах за счет применения в цифро-
вых участках системы преобразований видеоинформации (см. гл. 13).
Контраст. Число полутонов (градаций яркости). При на-
блюдении объектов или их изображений существенную роль играет
диапазон изменения яркости L — от минимальной rmin до макси-
мальной Гтах- Его принято характеризовать максимальным кон-
трастом /<тах = Amax/Lmin. В пределах этого диапазона ощущение
изменения яркости пропорционально не абсолютному приращению
яркости ДГ = |Li — L2I, а логарифму ее относительного измене-
ния 1п(ДГ/Г2). Однако глаз не способен обнаружить сколь угодно
малые приращения яркости. Контрастная различительная способ-
ность глаза также дискретна, как и его разрешающая способность.
Она ограничивается квантовыми флуктуациями света и собственны-
ми шумами зрительной системы.
Минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, об-
наруживаемое глазом на черном фоне (при темновой адаптации),
называется абсолютным порогом световой чувствительности. На
практике чаще приходится различать отдельные детали на некото-
ром фоне с яркостью Гф; при этом глаз реагирует на относительное
приращение яркости (L — L$)/L$ = &L/L$, Отношение (АГ/Гф)пор
при AL — Armin называют пороговым контрастом, который зависит
от яркости фона, угловых размеров детали и .фона, а также других
параметров. Зависимость порогового контраста от изменения ярко-
сти фона и размера деталей г показана на рис. 2.6. В рабочем диапа-
зоне изменения яркости фона (яркости адаптации) Гф в первом при-
ближении можно считать, что (АГ/Гф)пор = = 0,02...0,005 = const.
При заданном контрасте К = L'max/L'min зритель может воспри-
нять вполне определенное количество ступеней изменений яркости —
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
41
Рис. 2.6. Зависимость порогово-
го контраста (Д£/£ф)Пор от ярко-
сти фона Ьф и размера деталей г
(W^)nop -
0,8 -
0,6 -
0,4 -
0,2 -
0 —
-6 -4 -2 0 2 4 1g Ьф
(2-5)
полутонов, т.е. градаций яркости. Оценим их величину. Первая раз-
личимая ступень яркости Lx = Lfm-n + = (1 + cr)L^in. Следую-
щая ступень яркости L2 будет также определяться приращением яр-
кости первой ступени на величину аЬ±: L2 = + <rLi = (1 + a)2bmin
и т.д. Наконец, последняя ступень яркости L^ax = (1 + <7)mZ/^in.
Отсюда число ступеней т или число градаций А определится как
А = [ln(Lmax/L^in)]/ln(l + а). Разлагая 1п(1 + а) в ряд и ограничи-
ваясь первым членом этого ряда вследствие малости ст, получаем
ln(^max/^in) 2,3 L^ax
Яркость природных объектов может изменяться в 105 и более
раз. Зрительная система не способна одновременно воспринять весь
этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей
на сетчатке из-за адаптации — приспособления к различным ярко-
стям. Адаптация происходит за счет регулировки освещенности сет-
чатки путем непроизвольного изменения диаметра зрачка (быстрая
адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального погло-
щающего фильтра на поверхности сетчатки (медленная — инерци-
онная адаптация).
Полагая, что максимальный контраст, ограничиваемый глазом,
Ьтах/Дтп = 100, а а = 0,05, получаем, что максимальное число гра-
даций, которое глаз будет различать при данных условиях, А « 92.
Яркостными параметрами ТВ изображения являются его сред-
няя яркость (яркость адаптации) Лизад, максимальная яркость
Тиз max, МаКСИМаЛЬНЫЙ КОНТраСТ Киз max ~ Тиз щах/Дга min И ЧИСЛО
полутонов — различимых градаций яркости Аиз. Средняя яркость,
соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий на-
блюдения, свойств зрения и от содержания изображений. Практи-
кой установлено, что средняя яркость £из тах ~ 30 кд/м2 вполне
достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его дета-
лей без особого утомления зрения. При этом максимальная яркость
белых деталей изображения может достигать значений ЬИЗ тах =
= 200...300 кд/м2.
Средняя яркость одной и той же сцены может быть различной в
зависимости от того, в какое время дня она воспроизводится: в сол-
нечный полдень или в сумерки. Но в каждом изображении в боль-
Г.’
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
in и нс тве случаев желательно наличие деталей с яркостями, близки-
ми к / и t „1<чх и Lll3 min —> 0, ограниченными параметрами кинескопа и
условиями наблюдения изображения. Средняя яркость изображения
должна изменяться при изменении средней яркости передаваемого
объекта. Для этого по каналу связи от телевизионного центра до
приемника передается сигнал «постоянной» составляющей (точнее
медленно меняющейся составляющей), пропорциональный сред-
ней яркости оригинала (см. гл. 15).
При воспроизведении ТВ изображений динамический диапазон
изменения яркости, контраст Киз тах и число воспроизводимых гра-
даций Аиз ограничиваются:
• параметрами кинескопа — размером экрана, яркостью Лизтах,
максимальным контрастом в крупных и мелких деталях и др.
(см. гл. 7);
• рациональным выбором режима работы кинескопа — яркостью
и контрастом (размахом ТВ сигнала при фиксированном уров-
не черного), устанавливаемых с помощью оперативных органов
управления;
• условиями наблюдения изображения — расстоянием рассматри-
вания, внешней и внутренней (от соседних участков) паразит-
ными засветками экрана, размерами деталей и всего изображе-
ния в целом.
Ухудшение условий наблюдения затрудняет распознавание объ-
ектов из-за увеличения порогового контраста. Паразитные засветки
Тпар снижают максимальный контраст репродукции Киз тах, кото-
рый и так из-за малых размеров экрана и малой средней яркости (по
сравнению с соответствующими параметрами оригинала) в большин-
стве случаев меньше максимального контраста оригинала /Сотах*
jyrf ___ Дта max 4" />пар
Аиз max — ”7 “7 < ^из тах < тах
-^из min • i-'nap
Указанные причины приводят к тому, что в репродукции на экра-
не кинескопа в соответствии с (2.5) уменьшается и число градацией
оригинала Ло, т.е. 4ИЗ < Ао. Поэтому повысить качество изобра-
жения в ТВ системе можно только за счет улучшения параметров
кинескопа и перераспределения градаций по динамическому диапа-
зону изменения яркости репродукции Ьиз min • • • Тиз тах, а также за
счет адаптации ТВ системы к конкретным передаваемым изобра-
жениям из широкого ансамбля изображений с разными яркостны-
ми параметрами. Последнее осуществляется с помощью специфи-
ческого освещения передаваемых сцен в соответствии с замыслом
творческих работников — режиссеров и операторов, а также с по-
мощью ручного или автоматического изменения параметров оптиче-
ской системы (диафрагмированием, использованием светофильтров
и т.д.), режима работы передающихся трубок, уровня черного, кон-
траста и т.д. [10, 11].
(2-6)
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
43
Рис. 2.7. Форма характе-
ристики передачи уровней
яркости ТВ системы при
различных значениях ус
Гиз/7/
Перераспределение градаций по динамическому диапазону изме-
нения яркости ТВ изображения осуществляется с помощью измене-
ния формы характеристики передачи уровней яркости системы (от
«света до света») в так называемых гамма-корректорах (см. гл. 15).
Эта характеристика (за исключением небольшого участка вблизи
уровня черного) может быть аппроксимирована степенной функцией
(2-7)
Lo ___ I Тиз
Тотах \ Тиз шах
где Lo, Тиз — яркости объекта и ТВ изображения соответственно.
Очевидно, что при ус = 1 имеет место линейная зависимость
яркости деталей изображения от яркости соответствующих деталей
оригинала Ьиз = Lo и пропорциональное воспроизведение полуто-
нов по всему диапазону изменения яркости репродукции (рис. 2.7).
Однако в этом случае при Аиз < Ло несколько градаций объекта вос-
производятся лишь как одна градация репродукции. Как следствие,
распознаваемость объектов ухудшается.
При 7с < 1 за счет увеличения крутизны характеристики в обла-
сти уровня черного подчеркивается различие и улучшается опозна-
вание мало освещенных деталей, но за счет уменьшения полутонов и
ухудшения распознаваемости деталей, яркость которых лежит вбли-
зи уровня белого. При ус > 1 улучшается опознавание «белых» дета-
лей (за счет «черных»). Этот случай наиболее приемлем не только
для черно-белых, но и для цветных кино- и ТВ систем, несмотря на
некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетно важные
детали, как правило, находятся в области большей освещенности.
Поэтому практикой кино и ТВ установлено, что наилучшее качество
изображения в большинстве случаев наблюдается при ус — 1,2 ... 1,3.
2.3. Особенности восприятия цвета и объема
Восприятие цвета. Ощущение белого цвета соответствует раз-
дражению сетчатки зрительной системы световым потоком, имею-
щим равномерный спектр в видимом диапазоне А « 380...780 нм.
Равные по мощности, но различные по спектральному составу све-
товые раздражения вызывают неодинаковое яркостное восприятие.
44
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Относительное визуальное восприятие яркости в зависимости от дли-
ны волны характеризует относительную спектральную чувстви-
тельность глаза и называется кривой относительной видности (см.
рис. 1.3,5). Максимум чувствительности зрительной системы лежит
в области А = 555 нм (желто-зеленая область). Как в сторону ко-
ротких волн (сине-фиолетовая область), так и в сторону длинных
(красная область) чувствительность падает.
При наблюдении окружающего мира глаз видит предметы, отли-
чающиеся не только по яркости, но и по окраске. При этом их можно
сравнивать как по цвету, так и по условной яркости — светлоте. На-
пример, два равноизлучающих поля (желтое и синее) воспринимают-
ся как поля с разной светлотой. При воспроизведении изображений в
одном цвете наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы
по их окраске и может отличать их лишь по светлоте.
Ощущение цвета возникает при раздражении сетчатки световым
потоком с резко выраженной неравномерностью спектра. Дополне-
ние любого цвета белым не меняет его цветового тона, а создает лишь
впечатление блеклой окраски (пастельного цвета). Таким образом,
физиологически (субъективно) световой поток характеризуется све-
тлотой — определенным количеством цветового излучения, эквива-
лентным излучению некоторого поля серой шкалы, и цветностью
— качественным отличием данного цвета от других. Цветность све-
тового потока, в свою очередь, определяется цветовым тоном и на-
сыщенностью. Цветовым тоном называют характерное свойство по-
тока, отличающее его от белого и серого, а насыщенностью — сте-
пень различия ощущения цветности данного излучения от ощуще-
ния цветности белого.
Физическими (объективными) параметрами светового потока яв-
ляются: яркость L, доминирующая длина волны А — доминанта, и
чистота цвета р, определяющая степень разбавленности его белым.
Доминанта, т.е. длина волны А монохроматического излучения, ко-
торое в смеси с белым создает ощущение данного цвета, численно
определяет его тон, а чистота цвета р численно определяет насы-
щенность цвета и равна отношению яркости спектрального цвета L\
к суммарной яркости смеси: р = L\/{L\ + L§), где — яркость
белого цвета, входящего в смесь.
Каждый из субъективных параметров является качественным
отражением в нашем сознании соответствующих физических параме-
тров светового потока. Между объективными и субъективными па-
раметрами существует качественное соответствие, но отождествлять
их нельзя.
В основе изучения цветового зрения лежит трехкомпонентная те-
ория цветового восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ло-
моносовым еще в 1756 г. и наиболее полно разработанная полтора
века спустя Г. Гельмгольцем. Трехмерная теория допускает суще-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений
45
Рис. 2.8. Кривые чув-
ствительности глаза
к основным цветам:
синему В, зелено-
му G и красному R
Фиоле- товый Синий Зеле- ный Жел- тый Оран- жевый Крас- ный
ствование в нашем органе зрения трех видов рецепторов, селективно
(раздельно) реагирующих на красный R, зеленый G и синий В цвета
(рис. 2.8). Масштаб кривых выбран таким, чтобы ограничиваемые
ими площади были равны в предположении, что одинаковое возбу-
ждение всех трех приемников вызывает ощущение белого цвета.
Существует ряд других теорий светового зрения — четырехком-
понентная, семикомпонентная, а в последнее время разрабатывается
и нелинейная теория восприятия цветов. Однако в теории и практи-
ке цветного телевидения, цветных фотографий и кино в настоящее
время широко используется только трехкомпонентная. Согласно ей
красный Я, зеленый G и синий В цвета являются основными — вза-
имонезависимыми, т.е. ни один из них не может быть получен сме-
шением двух других. Все же остальные цвета, в том числе и белый,
могут быть получены смешением трех основных.
Для реализации цветной репродукции необходимо передавать в
том или ином виде информацию о трех цветоделенных изображени-
ях, соответствующую содержанию передаваемой сцены. В простей-
шем случае для этого достаточно передать три сигнала основных
цветов E'r, E'g и Е'в. Особенности построения цветных ТВ систем
рассмотрены в гл. 10-13.
Восприятие объема. Объемность деталей и их расположение
в пространстве воспринимаются с помощью как бинокулярного зре-
ния, так и монокулярного (одним глазом). При монокулярном зре-
нии объем оценивается через степень напряженности мышц, упра-
вляющих поворотом глаза, кривизной хрусталика (аккомодация) и
размером зрачка (адаптация), изменяющихся при наблюдении раз-
ноудаленных предметов. Все эти факторы трудно использовать для
построения стереоскопической. ТВ системы.
Доминирующую роль в глубинном зрении играет бинокулярное
наблюдение предметов. Важнейшим параметром глубинного зре-
ния является глазной базис — расстояние между оптическими осями
глаз. Для «стандартного» глаза глазной базис принимается равным
65 мм (рис. 2.9,с).
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 2.9. Бинокулярное наблюдение оди-
ночных предметов
Рис. 2.10. К определению
порога глубинного зрения
При рассмотрении удаленных предметов оптические оси глаз па-
раллельны. По мере приближения предмета к наблюдателю оптиче-
ские оси сводятся (конвергируют) и скрещиваются на наблюдаемом
предмете (рис. 2.9,6). Угол /3, под которым скрещиваются оси, на-
зывается углом конвергенции. Если в поле зрения имеются два раз-
ноудаленных объекта М и Q (рис. 2.10), то параллактические углы
конвергенции и «2 для них различны. Разность параллактических
углов 6 = Да = ai — а2 называется угловым параллаксом. Мини-
мальный угловой параллакс 6Г, которому соответствует минималь-
но различимое восприятие глубины, называется порогом глубинного
зрения. Среднее его значение (10...20)". Острота глубинного или сте-
реоскопического зрения определяется как величина, обратная порогу
глубинного зрения 1/<5г.
Наличие углового параллакса приводит к тому, что отрезок МQ
имеет различные по длине проекции на сетчатки левого и правого
глаза, т.е. тлдл ^гпр<7пр- Разность длин отрезков |тлдл ~ 7Ппр<7пр|
называется линейным параллаксом и определяет механизм воспри-
ятия глубины.
Из краткого анализа особенностей восприятия объема следует,1
что для реализации стереоскопической ТВ системы необходимо пе-
редавать и воспроизводить два изображения соответственно для пра-
вого и левого глаза. Это осуществляется с помощью двух ТВ ка-
мер с базисом 65 мм (не менее) и специального воспроизводящего
устройства. Для возникновения стереоэффекта в подобном приемни-
ке «левое» и «правое» изображения должны рассматриваться толь-
ко соответствующими глазами. Особенности построения подобных
систем рассмотрены в гл. 21.
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
47
Глава 3
ФОРМА И СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА
3.1. Принципы построчной (прогрессивной)
развертки
Разверткой изображения называется перемещение развертыва-
ющего элемента в процессе анализа или синтеза изображения по
определенному периодическому закону. Оптическое изображение
сначала фотоэлектрическим преобразователем в виде электронно-
лучевой трубки или твердотельной передающей матрицы превраща-
ется в электрический сигнал, мгновенные значения которого пропор-
циональны яркости передаваемых участков изображения, — видео-
сигнал. В ТВ приемнике электрический сигнал снова превращается
в оптическое изображение с помощью электронно-оптического пре-
образователя в виде кинескопа или с помощью плоской матрицы све-
тоизлучающих элементов.
Телевизионное изображение, получаемое за период кадра (ТВ
кадр), состоит из совокупности (до сотен тысяч) элементов — мини-
мальных площадок, различаемых и воспроизводимых ТВ системой.
Используются процессы последовательного во времени преобразова-
ния цвета или яркости элементов изображения объектов в электри-
ческие сигналы (ТВ анализ изображения) и электрических сигналов
в цвет или яркость элементов ТВ изображения (синтез ТВ изображе-
ния). Перемещение развертывающего элемента в процессе анализа и
синтеза изображения по определенному периодическому закону на-
зывается разверткой изображения. Развертывающий элемент может
быть реализован в виде электронного луча (электронная развертка),
светового (лазерного) луча, светочувствительного элемента в твер-
дотельном датчике видеосигнала и т.д.
Рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к развертке.
Развертка может осуществляться по различным законам. В различ-
ных областях техники используют радиальную, спиральную, сину-
соидальную, линейно-строчную и другие виды разверток. Однако
во всех случаях закон развертки на передающей и приемной сторо-
нах должен быть одинаков, иначе появятся координатные искаже-
ния воспроизводимого изображения. Кроме того, развертки долж-
ны быть синхронными (равенство частот) и синфазными (совпадение
фаз). Невыполнение первого требования, т.е. отличие частот строч-
ной или (и) кадровой развертки воспроизводящего устройства от та-
ковых на передающей стороне ТВ тракта влечет за собой невозмож-
ность получения и просмотра устойчивого изображения на экране
телевизора или монитора. Если же частоты разверток равны, но
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.1. Линейно-строчная развертка:
а — принцип линейнострочной развертки; 6— синхронизация разверток
есть фазовые различия, т.е. моменты начала разверток не совпада-
ют, то изображение будет сдвинутым по горизонтали или вертикали,
может быть «разорвано» на две части, начинают просматриваться
интервалы гасящих импульсов.
В ТВ вещании используется наиболее простой для реализации
закон развертки — линейно-строчная периодическая развертка, ко-
гда разложение изображения осуществляется с постоянной скоро-
стью слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход
строчной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход ка-
дровой развертки) (рис. 3.1,а). Быстрый возврат развертывающего
элемента справа налево и снизу вверх происходит во время обрат-
ны.:!: ходов разверток; сумма времени прямого и обратного ходов со-
ставляет период развертки, причем период строчной развертки на-
много меньше периода кадровой.
Рисунок, образуемый обегающим электронным или световым лу-
чом на. поверхности экрана или мишени электронно-лучевого прибо-
ра., называют ТВ растром. Элементы на передаче и приеме будут
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
49
Рис. 3.2. Форма отклоняющих токов при построчной развертке
иметь одинаковые координаты в пределах растров (рис. 3.1,6), если
по ТВ каналу будет передаваться не только видеосигнал, но и допол-
нительный (служебный) сигнал — сигнал синхронизации приемника,
содержащий импульсы строчной и кадровой частот. Обычно оба эти
сигнала совмещаются, а в приемнике разделяются по уровню. Со-
вмещенный сигнал называют полным сигналом яркости.
Развертка, при которой все строки растра развертываются за
один период вертикальной развертки в непрерывной последователь-
ности (1-я, 2-я, 3-я и т.д.), как изображено на рис. 3.1, называется
построчной (прогрессивной). Форма отклоняющих токов строчной
(г2) и кадровой (гк) частот в случае построчной развертки показана
на рис. 3.2. Видно, что периоду кадровой развертки Тп соответствует
целое число периодов строк Tz. Во время прямых ходов (Д) токи ли-
нейно нарастают, т.е. скорости разверток по горизонтали и вертикали
постоянны: vr = const и vB = const. Это позволяет избежать некото-
рых искажений воспроизводимого изображения — изменения яркости
и четкости по полю изображения. Действительно, при нелинейном
законе развертки время нахождения развертывающего электронного
луча на отдельных элементах растра будет различно и яркость этих
элементов на люминофорном экране кинескопа тоже будет неодина-
кова. Кроме того, при этом меняется скорость развертки (£эл = var),
и для некоторых элементов, для которых скорость развертки мак-
симальна, частота ВЧ составляющих спектра видеосигнала может
превысить 6 МГц, и в канале связи они будут ограничены. Что же
касается обратных ходов (Т2), то линейную форму, изображенную
для простоты на рис. 3.2, выдерживать не обязательно, так как воз-
врат электронного луча в исходное состояние к началу прямого хода
зритель не видит — на воспроизводящее устройство подаются специ-
ально сформированные гасящие импульсы (ГИ), причем тги > Т2.
На рис. 3.2 показана также зависимость положения воспроизво-
димого элемента на строке от значения тока развертки. При отсут-
ствии постоянной составляющей тока его среднее (нулевое) значение
4
so
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Таблица 3.1
1 ’ачнгр тка Значения параметров разложения изображения
/, Гц Т, мс Т1, мс Т2, мс Гакт, Гги, МС 7 ГИ /Г
Л 15625 0,064 0,057 0,007 0,052 0,012 а = 0,18
V 50 20 19 1 18,4 1,6 /3 = 0,08
соответствует середине строки, а максимумы положительных и от-
рицательных амплитуд — правому и левому краям растра.
В табл. 3.1 приведены номинальные значения некоторых параме-
тров разложения изображения для горизонтальной Н и вертикаль-
ной V разверток, в том числе абсолютные (тги) и относительные
(тги/Т) длительности ГИ и длительности активной части строки и
кадра Такт. Точные значения (с допусками) этих и других пара-
метров, определяющих систему вещательного ТВ, приведены в [12].
Здесь отметим только, что средняя нестабильность частоты строк
Д f'z /f'z в сигнале отечественной системы цветного ТВ SEC AM не
должна превышать 10”6, т.е. ±15625 • 10-6 « ±0,016 Гц. Этому
соответствует нестабильность периода импульсов с частотой строк
ДТ2 = Tz(Afz/fz) = (1/15625) • 10-6 « ±0,06 нс, что необходимо
для международного обмена программами цветного ТВ со странами,
в которых принята другая система цветного ТВ — PAL.
Как видно из табл. 3.1, реально обратный ход вертикальной раз-
вертки занимает около 1 мс (5 % периода), или около 15 строк. Они
будут воспроизводиться в виде наклонных линий, если на воспроиз-
водящее устройство не подавать ГИ. На рис. 3.1,а и 3.2 для упро-
щения графических построений время обратного хода кадровой раз-
вертки значительно уменьшено — до значения времени обратного
хода строчной развертки.
В заключение подытожим основные требования, предъявляемые
к ТВ разверткам: одинаковый закон разверток на передающей и при-
емной сторонах ТВ системы; простой закон формирования отклоняю-
щих токов (линейно-строчная развертка в ТВ вещании); постоянство
скоростей разверток на прямых ходах; синхронность и синфазность
разверток передающей и приемной сторон ТВ тракта; отклонение ча-
стоты строк от номинальной не должно превышать ±0,016 Гц.
3.2. Форма видеосигнала
Величина видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектри-
ческого преобразователя (преобразователя свет-сигнал), является
функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых эле-
ментов изображения. На рис. 3.3 приведен простейший пример пре-
образования яркости передаваемого изображения в электрический
сигнал (видеосигнал) для объекта, содержащего вертикальные чер-
но-белые полосы (в левой части строки), и для градационного клина
(справа). Видеосигнал Uc(t) — как видно из рисунка, точно
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
51
Рис. 3.3. Процесс образования видеосигнала:
а — передаваемое изображение; 6— сигнал при развертке строки аа
повторяет значения яркости каждой точки изображения на сканиру-
емой строке. Изменению яркости от черного (Lmin) до белого (Lmax)
соответствует изменение видеосигнала в диапазоне U4...U^. При этом
предполагается, что в ТВ тракте отсутствуют нелинейные искаже-
ния ТВ сигнала, а апертура развертывающего элемента (электрон-
ного луча) исчезающе мала. Следует отметить, что длительность
импульсов сигнала яркости обратно пропорциональна скорости пе-
редачи элементов, т.е. скорости развертки изображения.
Рассмотрим структуру совмещенного сигнала (полного сигнала
яркости) для произвольного объекта. Его форма за период строки
Tz (строчная осциллограмма видеосигнала) приведена на рис. 3.4,а,
а за период кадра (кадровая осциллограмма) — на рис. 3.4,5. Вид-
но, что видеоинформация передается только во время активной ча-
сти строки и кадра, а в интервалах ГИ видеосигнал подавляется. В
сигнале различают: номинальный уровень белого, соответствующий
передаче нормированного белого в объекте; уровень черного, соответ-
ствующий наиболее темным элементам изображения; уровень гаше-
ния, расположенный «чернее черного» на 0...5 % для запирания ТВ
преобразователей на время обратного хода развертывающих лучей;
уровень синхроимпульсов, расположенных на площадках ГИ тоже
в диапазоне «чернее черного».
Длительность строчного синхронизирующего импульса т2СИНХ =
= 4,7 мкс, кадрового тКСИнх = 160 мкс = 2,5Я, где Н — период стро-
ки. Остальные временные параметры приведены в табл. 3.1. Если
принять размах полного сигнала яркости (видеосигнал 4- синхросиг-
нал) за 100 %, то полезная видеоинформация — от уровня ГИ до
уровня белого — занимает 70 % его амплитудного диапазона, а сиг-
нал синхронизации приемника — 30 %.
Диаметр апертуры электронного луча 5, даже хорошо сфоку-
сированного, «математической точкой» считать нельзя. Более того,
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.4. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и кадра (5)
он даже может превышать размеры некоторых мелких деталей изо-
бражения. Это приводит к апертурным искажениям — размытию
резких границ (контуров) на изображении (уменьшению резкости) и
уменьшению размаха сигнала от мелких деталей (ухудшению чет-
кости). Последнее вызывает уменьшение контраста в мелких дета-
лях, и при уменьшении его до порога различимости детали вообще не
воспроизводятся на изображении. Иными словами, конечные разме-
ры апертуры ограничивают разрешающую способность системы, т.е.
четкость и резкость ТВ изображения.
Появление апертурных искажений иллюстрируется рис. 3.5, где
а — объект с переменной детальностью (а = var), сканируемый раз-
вертывающим элементом с конечной апертурой d (aj = d; а-2 <
аз <d); б— форма видеосигнала на выходе преобразователя свет-
сигнал: в — форма апертурной характеристики для различных пе-
редающих ТВ трубок. Сигнал в каждый момент времени пропорцио-
нален средней яркости в пределах апертуры диаметром d. Если отне-
сти значение сигнала к положению ее центра, легко построить зави-
симость zc(Z) при прохождении границы раздела черно-белых полей.
Резкому перепаду яркостей Lmin и Lmax (см. рис. 3.5,с) соответ-
ствует сигнал с плавным переходом от значения 2min к гтах длитель-
ностью туст. Если размеры деталей меньше размеров развертываю-
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
53
Апертура L}
vt
^rnax I
T
б)
Рис. 3.5. Апертурные ис-
кажения видеосигнала:
а — объект переменной струк-
туры; 6 — форма видеосигнала;
в — апертурные характеристики
видикона (1) и плюмбикона (2)
vt
В)
щего пятна, размах сигнала уменьшается. Если чередуются черно-
белые детали, размер которых равен половине (или менее) диаметра
апертуры, то сигнал пропорционален их средней яркости. Поэтому
детали подобных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрирует-
ся рис. 3.5,^, на котором построен сигнал изображения от полос с
чередующейся яркостью Lmin и Ьтлх.
Зависимость глубины модуляции сигнала т — Дг (где Дг =
= Smax — ^min) от размера элемента (числа строк разложения z) на-
зывается апертурно-импульсной частотной характеристикой
(рис. 3.5,в); в научно-технической литературе широко используется
сокращенное название — апертурная характеристика.
Таким образом, вследствие конечного размера апертуры элек-
тронного луча видеосигнал содержит не только полезную информа-
цию о яркости передаваемого в данный момент времени элемента
изображения, но и паразитную составляющую от соседних элемен-
тов по горизонтали и вертикали.
Анализируя форму видеосигнала, можно сделать следующие вы-
воды :
54
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.6. Взаимосвязь видеосигнала (а), тока развертки (6) и растра (в)
1. Видеосигнал не является гармоническим колебанием, а име-
ет импульсный характер: в нем могут присутствовать резкие пере-
ходы между уровнями (фронты) и плоские (одноуровневые) части
импульсов.
2. Исходный видеосигнал по своей природе униполярен и содер-
жит постоянную составляющую.
3. Видеосигнал можно представить как периодическую функцию
с частотами повторения fz = 1/TZ и fn = 1/Тп-
Рассмотрев процессы развертки и формирования видеосигнала,
определим их временную взаимосвязь и влияние на форму растра
(рис. 3.6). «Момент истины» в процессе синхронизации — это начало
(передний фронт) синхроимпульса. В это время прямой ход Т\ прину-
дительно прерывается, и начинается обратный ход Т^. Обязательное
требование — обратный ход должен закончиться до окончания ГИ,
иначе (штриховая линия обратного хода Т^) конец обратного хода Тъ
совпадет с началом активной части строки Т~акт и произойдет так
называемый «заворот» изображения.
Часть растра слева и справа, а также сверху и снизу обрезается
гасящими импульсами, так что видимая часть растра с размерами bh
не вполне соответствует прямым ходам развертки.
3.3. Спектр видеосигнала и его особенности
Определим границы спектра видеосигнала Д/. Он должен со-
держать частотные составляющие в полосе от /injn до /тах и низкие
частоты Д/о в частотном интервале от нуля до нескольких герц, не-
обходимые для передачи средней, очень медленно меняющейся соста-
вляющей сигнала: Д/ = Д/о + (/min•••/шах)- Нетрудно представить,
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
55
что при построчной развертке спектр сигнала от простейшего изобра-
жения, показанного на рис. 3.7, содержит наинизшую составляющую
/min = 1/Тп, равную частоте кадров fn. Эта нижняя граница спек-
тра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что
объясняется условиями покадровой передачи изображения.
Сложнее определить верхнюю границу спектра. Высокие часто-
ты определяют тонкую структуру сигнала, т.е. воспроизведение кон-
туров и мелких деталей изображения. Структура сигнала зависит
как от скорости развертки, так и от размеров, формы и «прозрач-
ности» апертуры, которая определяется распределением плотности
электронов по сечению развертывающего луча в плоскости разверт-
ки изображения. С достаточной точностью форму апертуры можно
принять за круг с постоянной плотностью распределения электронов.
Примем время установления густ, равным времени развертки од-
ного элемента изображения t3Jl (см. рис. 3.5), и получим верхнюю
граничную частоту спектра сигнала
/max
— 1/2'ГуСТ —
(3.1)
Если формат кадра /с, число строк разложения з, номинальная ча-
стота кадров /п, то число элементов в кадре Nn = Nzz — kz2 (вдоль
строки растра укладывается Nz = kz элементов), число элементов,
передаваемых в одну секунду, Nq = Nnfn = kz2fn и время переда-
чи одного элемента изображения
1 1
“ № ~k^fn
(3.2)
Из (3.1) получим, что верхняя граничная частота спектра
/max = ^- = (3'3)
^ЭЛ ~
Как было показано (см. гл. 2), разрешение мелких деталей по
вертикали из-за дискретности растра несколько снижается, поэто-
му при условии равенства горизонтальной и вертикальной четкости
можно несколько сократить полосу частот в р = Д/г/ДгорОпт раз,
где Д/г = h/z — шаг развертки по вертикали (в кадре), ДГОропт —
56
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
оптимальный размер горизонтального элемента, равный полупери-
оду частоты /тах, при котором достигается визуальное равенство
четкости по горизонтали и вертикали. Отношение Д/г/Дгоропт на-
зывают коэффициентом Кэлла. По данным субъективных экспертиз
2? = 0,42.. .0,65. Принятые в большинстве ТВ стандартов значения
коэффициента Кэлла превышают эту величину, т.е. обеспечивают за-
пас четкости по горизонтали. Так, например, для стандартов D, К,
Kl, L р = 0,814. Величину 1/р можно рассматривать как формат
элемента изображения.
С учетом коэффициента Кэлла
/max = Pkz2fn/2. (3.4)
Вывод (3.4) сделан для идеализированной развертки. В дей-
ствительности изображение развертывается в течение не всего пери-
ода строки Т~, а только во время прямого хода строчной развертки
(1 — a)Tz1 где а = TzrvJTz — относительная длительность строчно-
го ГИ (см. рис. 3.7,6). Время aTz затрачивается на возврат луча к
началу последующей строки. То же относится и к развертке по ка-
дру. Время /ЗТп затрачивается на возврат луча к началу следующего
кадра {(3 — ткги/Тп — относительная длительность кадрового ГИ).
Телевизионным стандартом задаются число строк z и частота
кадров /п, которые будем называть номинальными. В действитель-
ности за длительность кадра полезно развертываемых (активных)
строк будет za = (1 — /3)z, a /3z строк будет потеряно за время обрат-
ного хода кадровой развертки. Реальное число строк, определяющее
четкость по вертикали, таким образом, получается ниже номиналь-
ного. Для отечественного стандарта номинальное число строк 625,
в действительности 575 строк — 50 строк приходится на обратный
ход по кадру.
Заметим, что изменение соотношения длительностей прямого и
обратного хода кадровой развертки сказывается только на реальной
четкости по вертикали и не влияет на скорость развертки и, следо-
вательно, на воспроизведение мелкой структуры изображения, т.е.
не сказывается на ширине спектра сигнала изображения. При же-
лании сохранить одинаковыми четкости по вертикали и горизонта-
ли последнюю можно искусственно уменьшить сокращением полосы
частот в 1/(1 - /3) раз.
Иначе обстоит дело со строчной разверткой. Желая передать
номинальное число элементов в строке kz и сокращая длительность
развертки строки за счет длительностей обратного хода, будем рас-
ширять спектр ТВ сигнала. Реальное время развертки одного эле-
мента
«эл.р = ТД1 - а)Ж - (1 - a}/kz2fn = «эл(1 - а),
так как Tz = 1/fz = 1/fnz, a Nz = kz. В этом случае граничная
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
57
max
частота спектра сигнала
_ kz2fn
fmRX~P2^-ay (М
т.е. она выше номинальной, так как величина а всегда положитель-
ная и меньше единицы.
Реальные четкости по горизонтали и вертикали, как указано вы-
ше, выбираются одинаковыми, и спектр ограничивается путем сокра-
щения полосы пропускания канала связи в 1/(1 — /3) раз, т.е.
Подставив в это уравнение значения коэффициентов р « 0,8, а =
= 0,18 и /3 = 0,08, получим более простую формулу:
ь~2 /
/тах«0,9^Ь (3.7)
Итак, сигнал яркости — сигнал широкополосный. Его спектр
охватывает полосу частот от fmm до /шах. Нижняя граница видео-
частот fmin = fn — 50 Гц. Значение /тах для построчной развертки
подсчитаем, если в формулу (3.7) подставим значения параметров
разложения к = 4/3, z — 625 и fn = 50 Гц:
/тах = о, 9 ’ в2°2'50 = 0,9 13 106 Гц = 11,7 МГц.
Как видим, при построчной развертке значение /тах достаточ-
но высоко и будет вызывать определенные трудности при передаче
видеосигнала по ТВ тракту.
Рассмотрим некоторые особенности спектра сигнала яркости.
Во-первых, энергия спектральных составляющих сигнала быстро
убывает с ростом частоты (рис. 3.8,а), т.е. размах ВЧ составляю-
щих видеосигнала обычно невелик. Поэтому в цветном ТВ имен-
но в этом участке видеоспектра располагают цветовые поднесущие
частоты — влияние яркостного сигнала на сигнал цветности будет
незначительным.
Попытаемся оценить тонкую структуру видеоспектра. Из теоре-
тического анализа спектра видеосигнала с учетом законов развертки
следует, что его спектр дискретный, содержащий гармоники, крат-
ные частоте повторения строк (рис. 3.8,б). Вокруг этих гармоник
строчной частоты группируются достаточно узкие полосы сигналов
боковых частот, обусловленных вертикальной (в данном случае —
кадровой) разверткой и движением деталей изображения. Гармони-
ки строчной частоты со своими боковыми образуют дискретные зоны
энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
58
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.8. Спектры видеосигнала в общем виде (а, 6) и при построчном (в) и
чересстрочном (г) разложении
Такой характер спектра позволяет совместить два и более спек-
тра аналогичных сигналов. Нетрудно представить, что если второй
сигнал имеет такой же дискретный спектр, но его отдельные зоны
по частоте размещены в промежутках первого, то оба сигнала можно
передать в одном канале связи и затем вновь разделить. Это свой-
ство спектра видеосигнала использовано в цветном телевидении и в
ТВ измерительных устройствах.
При определенных сюжетах изображения боковые полосы сосед-
них гармоник строчной частоты могут перекрываться. При построч-
ном разложении (рис. 3.8,в) в кадре содержится целое число строк
(Л — zfn} и каждая строка повторяется каждый кадр. Это значит,
что расстояние между двумя соседними линиями спектра гармоник
строчной частоты кратно целому числу fn. Поэтому при перекры-
тии спектров будет точное попадание друг на друга боковых линий
верхней боковой полосы одной строчной гармоники и нижней боковой
полосы последующей гармоники строчной частоты.
Рассмотрим еще одну особенность спектра сигнала яркости, свя-
занную с передачей движущихся объектов. Отметим, что импульсы
сигнала яркости могут быть как одиночными, так и повторяющи-
мися. Периодичность импульсов сигнала определяется принципом
его развертки. Если передается неподвижное изображение, сигнал
периодичен с частотой повторения кадров. Так как развертка произ-
водится строками, следующими друг за другом, то сигналу присуща
периодичность с частотой повторения строк.
При передаче движущегося объекта содержание каждого после-
дующего изображения мало отличается от предыдущего. Скорость
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
59
смены кадров ТВ изображения значительно превосходит скорость
движения изображений объектов передачи по экрану. Это приводит
к медленным изменениям периода повторения компонентов сигнала.
Рассмотрим, как изменяется период повторения сигнала от изо-
бражения объекта, движущегося в направлении развертки строк со
скоростью v. Развертка в этом случае как бы догоняет уходящее
от нее изображение, и период повторения сигнала по строке увели-
чивается. Новое значение периода Tz будет относиться к периоду
строки Tz как T^/Tz = (1 - v/vx)~T, где vx — средняя скорость
развертки по строке.
Выразим частоту повторения сигнала fz через частоту строч-
ной развертки fz:
Если положить наибольшую относительную скорость движения
изображения объекта vmax = 2b в секунду, где b — длина строки, то
наибольшее отклонение частоты сигнала от частоты развертки
Д/max = |Л-/'|таХ = Л-Л fl - ~) = Л— = = 2ГЦ.
\ Vx J Vx fnzb
Эти изменения, наряду с изменениями среднего значения ярко-
сти объекта, составляют низкие частоты спектра видеосигнала. Они
лежат в интервале от 0 до 2...3 Гц и не передаются непосредственно
в видеоканале, а воспроизводятся косвенным методом.
В заключение отметим, что значение /тах однозначно определя-
ет горизонтальную четкость ТВ изображения (по строке), так как
именно ВЧ составляющие видеосигнала определяют качество пере-
дачи мелких деталей передаваемого объекта и резкость переходов
между различными уровнями яркости. В то же время вертикальная
четкость изображения зависит только от числа строк в ТВ растре.
3.4. Чересстрочная развертка
Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрите-
лем без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего поля
экрана 48-50 раз в секунду. Однако для воспроизведения изображе-
ний движущихся объектов вполне достаточно передавать 13-16 фаз
движения, т.е. статических изображений в секунду — кадров. Так
как полоса частот, занимаемая спектром видеосигнала, прямо про-
порциональна числу передаваемых в секунду кадров [(3.3)—(3.7)], из-
быточное их число необходимо ограничивать.
Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устра-
няется применением чересстрочной развертки, сущность которой за-
ключается в том, что полный кадр изображения развертывается, т.е.
(И)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 3.9. Образование че-
ресстрочного растра:
а — построчная развертка
при z — 7, fn = 50 Гц, fz =
— 350 Гц; 6— черес-
строчная развертка при
2 = 7, fn = 25 Гц,
А = 175 Гц; /2п = 50 Гц
передается и воспроизводится за два поля. В первом поле разверты-
ваются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из
полей представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк
и содержит половину зрительной информации о передаваемом изо-
бражении. Так как критическая частота мельканий практически не
зависит от числа строк в растре, то частота передачи полей, равная
или большая /кр, обеспечивает восприятие изображения без мелька-
ний, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В
ТВ вещании принято: номинальная частота полей 50 Гц и номи-
нальная частота кадров 25 Гц.
Снова проследим процесс образования построчного растра
(рис. 3.9,а). Если развертывающий элемент движется по горизонтали
с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновремен-
но смещается по вертикали, то к концу строки он сместится вниз
относительно ее начала на величину Д/г, т.е. на ширину одной стро-
ки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обратного
хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положение, со-
ответствующее началу второй строки и т.д.
Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом
строк (рис. 3.9,а) и уменьшить вдвое скорость развертки по гори-
зонтали, то в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число
строк (рис. 3.9,6), но из-за разности в полстроки строки растров пер-
вого и второго полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали
на ширину одной строки полного растра, т.е. строки второго поля
будут ложиться между строками первого. За два периода верти-
кальной развертки образуется полный растр, аналогичный по чи-
слу строк исходному.
Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при
неизменных числе строк и частоте мельканий в два раза снизить ско-
рость строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации,
и тем самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спек-
тра сигнала изображения. В результате спектр сигнала для оте-
чественного стандарта занимает полосу частот от fm-m = 50 Гц до
,/|11ах G МГц (см. (3.7)):
/.пах = 0,9 (Т 6252 • 2б) /2 ~ 6,0 • 106 Гц.
\ О /
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала
61
При чересстрочном разложении каждая строка повторяется че-
рез поле [fz = zfn = (z/2)f2n], т.е. каждый кадр один раз. Поэто-
му расстояние между двумя соседними спектральными линиями гар-
моник строчной частоты кратно целому числу а поскольку при
чересстрочном разложении z является нечетным, то соответственно
нечетному числу /п. Учитывая, что боковые полосы вокруг строч-
ных линий находятся на расстояниях, кратных частоте вертикаль-
ной развертки /2п, при перекрытии спектров боковые линии соседних
гармоник строк не будут совпадать (см. рис. 3.8,г). Соответственно
расстояние между гармониками строчной частоты через одну равно
четному числу /п, т.е. целому числу /2п, так как f2n = и боко-
вые линии спектров этих гармоник будут совпадать.
Для формирования чересстрочной развертки должны быть обес-
печены следующие условия:
а) нечетное число строк в кадре, т.е. z = 2т + 1, где т —
целое число;
б) жесткая связь частот развертки по строке и по кадру, т.е.
2Д = zfan — (2m + 1)/2п, обеспечивающая в каждом поле целое
число строк с половиной строки.
Обычно оба эти условия выполняются при формировании частот
горизонтальной и вертикальной разверток от общего задающего ге-
нератора с частотой 2fz делением на 2 и на z соответственно.
Чересстрочная развертка кратностью 2:1 применяется во всех
системах вещательного ТВ для сокращения полосы частот, занима-
емой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее сокращение
полосы частот применением чересстрочного разложения с кратно-
стью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состоять из трех или
четырех отдельных полей, строки которых последовательно воспро-
изводятся друг под другом. По ряду причин такие развертки не при-
меняют. Становятся заметными мелькания строк, так как четные
(или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратно-
сти 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля стано-
вится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьшается
четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном напра-
влении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспроиз-
ведение вертикальных границ объектов, движущихся с относительно
большой скоростью в горизонтальном направлении (границы стано-
вятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется эф-
фект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз
в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что, когда луч чертит
какую-либо строку четвертого поля, яркость ее максимальна. В то
же время расположенные выше строки, прочерченные соответствен-
но в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по ярко-
сти во времени характер. Создается эффект последовательного во
времени разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение
6?
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но
при кратности 2:1 они менее заметны.
В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров,
лпачителыю возросли яркость, контраст и четкость изображения. В
них условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной
развертки — мелькания изображения с частотой полей и межстроч-
ные мелькания. Мелькание с частотой полей стало особенно заметно
на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для
работы в условиях большой внешней засветки. Это явление усугу-
бляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом
расстоянии от экрана, т.е. под большим углом зрения, когда в процесс
наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладаю-
щие меньшей инерционностью к световому возбуждению.
Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизон-
тальных границах и наклонных структурах изображения, особенно
при наблюдении буквенно-графи ческой информации с близкого рас-
стояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четко-
сти изображения по вертикали. Так, установлено, что 625-строчное
изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900-
строчному изображению с чересстрочной разверткой.
Глава 4
ИСКАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ИЗОБРАЖЕНИЯ
4.1. Нормирование основных параметров
систем и искажений телевизионного
изображения
Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, то-
ждественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта задача
может быть решена с помощью стереоцветной телевизионной систе-
мы со значительно более высокими качественными показателями,
чем у современных систем, за счет использования новых методов и
средств формирования, передачи и воспроизведения видеоинформа-
ции. В настоящее время тождественность передаваемого и воспроиз-
водимого изображений в первую очередь ограничивает основные па-
раметры системы вещательного телевидения: формат кадра, число
строк, число кадров, передаваемых в одну секунду, число мелька-
ний. число полутонов и их распределение в динамическом диапазоне
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
63
изменения яркости репродукции, цветовой охват и др. Кроме этих
ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу нарушается
и из-за искажений изображения, возникающих практически во всех
элементах ТВ системы.
В настоящее время объективная и субъективная оценки параме-
тров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также усло-
вия его наблюдения и обработка результатов измерений регламен-
тированы документами МККР, ГОСТ 7845-92, ГОСТ 26320-84 и др.
Большинство норм на искажения изображения базируется на свой-
ствах зрительной системы человека и экспериментальных статисти-
ческих исследованиях по определению допустимых значений этих ис-
кажений. Параметры электрических сигналов и их искажений в раз-
ных точках тракта, как правило, оцениваются объективными мето-
дами с помощью специальных измерительных приборов, а резуль-
тирующее качество ТВ изображений — визуально, по изображению
универсальных оптических или электронных телевизионных испы-
тательных таблиц (УЭИТ).
Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и ме-
тодику их оценки.
4.2. Геометрические (координатные)
искажения
Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за из-
менения координат передаваемых объектов. Эти искажения проявля-
ются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимого
ТВ изображения его оригиналу. Геометрическое подобие наруша-
ется в основном из-за неидентичности формы растра и относитель-
ных скоростей строчной или (и) кадровой развертки при анализе и
синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет-
сигнал и сигнал-свет.
Номинальный формат растра к = Ъ/h = Ь/S и относительные
скорости разверток К.стрМ — const жестко заданы. Поэтому оцен-
ка геометрических искажений производится по отклонению от номи-
нальных значений указанных параметров с помощью коэффициен-
тов геометрических искажений.
На рис. 4.1 приведены наиболее характерные геометрические ис-
кажения формы растра. Коэффициенты геометрических искажений
для этих частных случаев оцениваются следующим образом:
• при дисторсиях бочкообразного или подушкообразного вида, воз-
никающих в электронно-оптических системах фотоэлектриче-
ских преобразователей (рис. 4.1,а,б):
/сгдв — ’ ЮО % или /сгдг = • 100 %; (4.1)
( ’> I
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.1. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за иска-
жений формы растра
• при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за наруше-
ния ортогональности оптической или электрической оси к плос-
кости изображения (рис. 4.1,в):
к„ = 100%; (4.2)
и + h
• при искажениях типа «параллелограмм», возникающих из-за на-
рушения ортогональности отклоняющих полей строчной или ка-
дровой развертки (рис. 4.1,а):
кгл = 2^~^2 • 100%; (4.3)
1/1 + 1/2
• при несоответствии формата кадра на передаче и приеме (b/h) ф
Ф (Ь/Лп) Ф (bn/ty из-за нарушения соотношения размеров рас-
тра по вертикали или по горизонтали, т.е. значений отклоняю-
щих полей кадровой или строчной развертки (рис. 4.1,д.е). Оцен-
ка величин искажений в большинстве случаев нецелесообразна,
так как искажения этого вида легко корректируются с помощью
оперативных регулировок размеров изображения по вертикали
и горизонтали;
• при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных перио-
дических помех (рис. 4.1,эю).
Геометрические искажения возникают также из-за неидентично-
сти относительных скоростей движения лучей передающей и при-
емной трубок по вертикали или (и) горизонтали. Практически это
чаще всего происходит при нарушении на одной из сторон усло-
вия постоянства скоростей движения луча по вертикали или (и) го-
ризонтали ?>к,стр(£) = var, т.е. из-за нелинейности токов кадровой
или (и) строчной развертки. В этом случае геометрические искаже-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
65
Рис. 4.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за не-
линейности сигналов кадровой (а) и строчной (6) разверток приемника (при
линейных развертках на ТЦ)
ния в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно
(рис. 4.2,а,б) оцениваются следующим образом:
кгв = 2^тах~ 100 %; кгг = 2^ax~^min • 100 %, (4.4)
^тах “Г '^min ^тах “Г ^min
где /гтах, hmin (бтах, 6min) — экстремальные значения высоты (ши-
рины) элементов телевизионной испытательной таблицы типа «шах-
матное поле» на экране кинескопа.
Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практиче-
ски незаметна, а при нелинейности (8...12) % изображение воспри-
нимается еще как хорошее.
Измерение величин геометрических искажений изображений
производится по квадратным или прямоугольным испытательным
элементам, входящим в состав специализированных (например,
«шахматное поле», см. рис. 4.8) или универсальных испытательных
таблиц. Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее про-
водить по испытательным элементам в виде окружностей, так как ис-
кажения формы этих испытательных элементов более заметны: оцен-
ка производится дифференциально по сравнительно большой площа-
ди таблицы и нарушение любой части окружности в любом участке
поля изображения четко отмечается зрительной системой.
4.3. Полутоновые (градационные)
искажения
Полутоновые искажения ТВ изображения возникают, как было
отмечено в разд. 2.2, из-за уменьшения динамического диапазона из-
менения яркости оригинала — максимального контраста Ктах (2.6),
66
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
изменения условий наблюдения изображения (паразитных засветок,
размеров изображения и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за
увеличения порогового контраста (AL/£ф)пор.
В результате число полутонов (число пороговых градаций ярко-
сти,) Аиз в ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом
полутонов Ао при непосредственном наблюдении оригинала. В связи
с этим ухудшается распознавание объектов.
Для улучшения распознаваемости деталей при Аиз = const
(ЛТз = const, Тиз max = const) приходится перераспределять это чи-
сло градаций по динамическому диапазону изменения яркости репро-
дукции — увеличивать число полутонов в сюжетно важном участ-
ке диапазона в области белого, т.е. для хорошо (и специально) осве-
щенных деталей изображения (за счет ухудшения распознаваемо-
сти объектов — уменьшения числа градаций, в области черного).
Подобная операция производится с помощью гамма-корректора (см.
гл. 15). Она сводится к тому, что форма характеристики переда-
чи уровней яркости ТВ системы изменяется гамма-корректором так,
чтобы она соответствовала параболической функции с показателем
степени ус = 1,2...1,3 (см. рис. 2.7).
Форма характеристики передачи уровней яркости системы опре-
деляется формой световых характеристик фотоэлектрических пре-
образователей свет-сигнал и сигнал-свет, а также формой ампли-
тудной характеристики (АХ) тракта передачи сигнала яркости. Как
правило, АХ тракта передачи ТВ сигнала — зависимость выходного
напряжения от входного 1/вых = — линейна. Поэтому нели-
нейные искажения сигнала яркости в тракте передачи, как правило,
сравнительно мало влияют на число воспроизводимых градаций.
Основное влияние на полутоновые искажения оказывают пара-
метры световых характеристик преобразователей. Помимо того, что
форма этих характеристик для различных датчиков ТВ сигнала раз-
лична, большое значение имеет и разброс характеристик передающих
и приемных трубок, так же как и выбор рациональных режимов их
работы. Поэтому каждый датчик ТВ сигнала содержит индивиду-
альный гамма-корректор, форма АХ которого выбирается с учетом
номинальной усредненной формы световой (модуляционной) харак-
теристики кинескопов.
Все эти причины создают большие трудности по реализации
оптимальных условий воспроизведения полутонов, число которых
сильно зависит и от конкретной индивидуальной настройки режи-
ма работы кинескопа (органы управления «Яркость» и «Контраст-
ность» ТВ приемника).
Так как номинальное число градаций в соответствии с (2.5) для
сравнительно крупных деталей достигает нескольких десятков, то
оперативно измерить число воспроизводимых градаций ТВ репродук-
ции практически не представляется возможным. Поэтому для ориен-
тировочной оценки качества воспроизведения полутонов используют,
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
67
Рис. 4.3. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яр-
кости на экране ТВ приемника uci (а) и для измерения нелинейных иска-
жений ТВ сигналов иС2 (5); гф2тах — синусоидальная насадка, выделенная
полосовым фильтром из сигнала иС2 на выходе тракта или его участка (в)
как правило, 10-градационный клин — горизонтальную шкалу уров-
ней (перепадов) яркости от Lmin до Lmax, каждый элемент которого
отличается по яркости от соседнего на несколько пороговых градаций
(см. рис. 4.9). В оптических телевизионных испытательных таблицах
(ТИТ) используют шкалы с логарифмическим, квадратичным или
линейным распределением яркости вдоль шкалы. В электронных
ТИТ эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с рав-
номерными перепадами напряжения («ступеньками») (рис. 4,3,а).
Нелинейные искажения сигнала яркости, возникающие из-за не-
линейной формы АХ тракта передачи, также оцениваются с помощью
ступенчатого или пилообразного сигнала. Для удобства измерений в
этот сигнал вводятся синусоидальные колебания с частотой 1,2 МГц
и размахом порядка 10 % от размаха сигнала яркости (рис. 4.3,6).
На выходе тракта или его участка синусоидальная насадка выде-
ляется полосовым фильтром (рис. 4.3, в). Коэффициент нелинейных
искажений определяется по формуле
Агн = mmax - mmin wo (4 5)
^шах
где ттгтах, ?nmin — экстремальные значения размаха синусоидального
сигнала, пропорциональные соответствующим значениям крутизны
АХ (дифференциальному усилению на частоте 1,2 МГц).
Для более точного описания нелинейности АХ целесообразно ис-
пользовать раздельную оценку коэффициентов нелинейных искаже-
ний для областей белого и черного:
/сн6 = тс?~тб 100 %; кнч = --ср ЗЛЬ . 100 %, (4.6)
772 Ср 7?1Ср
где 77?б, тч — экстремальные значения размаха синусоидального сиг-
нала в областях белого и черного соответственно: тср — размах сиг-
нала в середине пакета синусоидальных колебаний (рис. 4.3,в).
68
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображе-
ния может вызвать также неравномерность яркости фона, возникаю-
щую из-за специфических искажений в передающих трубках («чер-
ное пятно», см. гл. 6) и нечеткой фиксации уровня черного ТВ сиг-
нала (см. гл. 15).
Наилучшее качество изображения получают установкой (мето-
дом последовательных приближений) оптимальных значений ярко-
сти и контрастности изображения на экране кинескопа так, чтобы до-
биться максимально возможного числа различимых глазом уровней
яркости градационной шкалы (см. рис. 4.9). При различении 8-9 гра-
даций яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим.
4.4. Искажения яркости мелких деталей
и вертикальных границ крупных деталей
(искажения четкости и резкости)
Четкость изображения оценивается относительным размером
минимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость —
относительным размером границы между фоном и деталью с рав-
номерной яркостью; причем длительность сигнала от этой детали
должна превышать длительность переходных процессов в системе
(см. гл. 2). Размеры деталей и границ измеряются в относитель-
ных единицах — по отношению к высоте изображения h, а четкость
определяется в условных единицах — телевизионных линиях (ТВЛ).
Например, если визуально на репродукции различаются детали раз-
мером не менее (1/500)Л, то четкость изображения составит 500 ТВ
линий. Параметры четкости и резкости изображения связаны ме-
жду собой, так как характеризуют способность системы реагировать
на быстрые изменения яркости оптического изображения. В отличие
от фото- и кинорепродукций четкость ТВ изображения оценивают
раздельно по вертикали и горизонтали из-за того, что их значения
ограничиваются разными факторами.
Номинальная четкость изображения по вертикали определяет-
ся дискретной структурой растра — числом строк разложения изо-
бражения z = 625. Так как конфигурация одного элемента изобра-
жения принимается в виде квадрата или окружности размером h/z,
то вдоль строки изображения должно содержаться пропорциональ-
ное число элементов разложения: в соответствии с форматом кадра
k = Ь/h = 4/3 оно определится как kz & (4/3)625 « 800.
Номинальная четкость изображения по горизонтали зависит в
основном от ширины спектра сигнала яркости, так как высокоча-
стотные составляющие спектра несут информацию о мелких деталях
изображения и качество их передачи определяет разрешающую спо-
собность ТВ системы в этом направлении.
Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать
ее поминальное значение из-за ограничений, накладываемых норми-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
69
рованными параметрами системы — числом строк z — 625 и шири-
ной спектра Д/ « 6 МГц сигнала яркости, определяющих воспроиз-
ведение минимальной детали в вертикальном и горизонтальном на-
правлениях соответственно. Поэтому искажения четкости (резкости)
всегда связаны с уменьшением ее номинального значения, ограничи-
ваемого реальными параметрами данной ТВ системы, и в частности:
• четкость в обоих направлениях — качеством фокусировки, абер-
рациями в оптических системах, внутренними и внешними за-
светками, а также формой апертурных (частотно-контрастных)
характеристик электронно-оптических систем фотоэлектричес-
ких преобразователей (см. гл. 6 и 7);
• четкость по вертикали — качеством чересстрочной развертки;
• четкость по горизонтали — реальной шириной спектра ТВ сиг-
нала, т.е. линейными искажениями в области высоких частот
тракта передачи сигнала яркости.
Как известно, линейные искажения тракта и его участков описы-
ваются с помощью разных, но полностью равноправных методов ана-
лиза — с помощью частотных характеристик: ?/(и) — амплитудно-
частотной (АЧХ) и <^(а?) — фазо-частотной (ФЧХ), а также с помо-
щью Л(£) — переходной характеристики (ПХ) как реакции системы
на единичный скачок яркости (или сигнала изображения). «Язык»
частотных характеристик более удобен для анализа конкретных при-
чин, способов коррекции и определения результирующих искажений
тракта по частным параметрам его участков. Недостаток этого ме-
тода — трудность анализа влияния величин и характера линейных
искажений на проявление их в изображении. Достоинство ПХ —
четкая качественная связь искажений изображения с искажениями
формы ТВ сигнала. Поэтому эти методы удачно дополняют друг
друга, что и определяет целесообразность их сопоставления.
На рис. 4.4 приведены типичные случаи искажений АЧХ в обла-
сти высоких частот полосы пропускания тракта и качественно соот-
ветствующие им формы ПХ в области малых времен, соизмеримых
со временем передачи одного элемента изображения. Пусть форма
кривых 1 этих характеристик соответствует номинальным — норми-
рованным в соответствии с принятыми параметрами ТВ системы и
допустимыми искажениями изображения: спадом АЧХ yBi на верх-
ней граничной частоте /в (или сив) полосы пропускания и длительно-
стью фронта ПХ Тф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9
ее установившегося значения.
Спад АЧХ ув2 < Ув1 и соответствующее увеличение длительности
фронта ПХ Тф2 > Тф1 приводит к уменьшению уровня высокочастот-
ных составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от
мелких деталей и увеличению длительности перепадов. Как след-
ствие, четкость и резкость изображения в горизонтальном направле-
нии уменьшаются, так как контраст самых мелких деталей становит-
ся ниже порогового, а протяженность границ деталей увеличивается.
70
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.4. Искажения АЧХ в области высоких частот
тракта передачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области
полосы пропускания
малых времен (6)
Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ ?/вз > т/В1 и соответствующее
уменьшение длительности фронта ПХ Тфз < Гф1, приводят к некото-
рому повышению четкости. При этом на горизонтальной части ПХ
может возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответ-
ствии с искажениями формы ПХ искажаются и детали изображения:
после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут
возникнуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей ин-
тенсивностью (ложные контуры). Если же колебательный процесс
апериодичен, т.е. имеется только один первый выброс 6, то границы
детали как бы подчеркиваются. Эти искажения называются «пла-
стикой». В ряде случаев небольшая пластика может быть даже по-
лезна, так как за счет подчеркивания границ деталей улучшается
распознаваемость объектов.
Следует еще раз отметить, что существенное повышение четко-
сти можно получить только за счет увеличения числа строк разложе-
ния и расширения спектра ТВ сигнала /в > 6 МГц (при соответствую-
щем увеличении полосы пропускания канала связи), что практически
реализуется только в специальных системах ТВЧ при z = 1000...3000
и А = nz2/2 — 15...150 МГц (для аналогового сигнала).
Для оценки четкости по горизонтали ТВ изображения использу-
ются вертикальные штриховые миры с одним-тремя штрихами оди-
наковой толщины d, а также многоштриховые миры с одинаковой или
с плавно меняющейся по вертикали толщиной штрихов, т.е. фигуры,
состоящей из нескольких вертикальных черных клиньев (и подобны-
ми же белыми промежутками между ними, см. рис. 4.9). В электрон-
ных ТИТ для этой цели используются пакеты синусоидальных ко-
лебаний с частотами 2,8...5,8 МГц. Около этих мир, как правило, на-
несены числа условных единиц четкости, соответствующие пример-
но относительной толщине штрихов h/d = 200...500 ТВ линий. Для
количественной оценки четкости наблюдатель определяет область,
гл/' штрихи миры перестают различаться. Резкость воспроизведения
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
71
вертикальных границ оценивается по осциллограмме длительности
фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ.
Оценка четкости в вертикальном направлении с помощью гори-
зонтальных штриховых мир затруднена муаром, возникающим из-за
биений достаточно близких пространственных частот, которые обра-
зуются дискретными структурами ТВ растра и штрихов миры. По-
этому с помощью ТИТ ориентировочно оценивается только каче-
ство чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий (см.
рис. 4.9). При слипании (сближении) строк четного и нечетного полей
растра эти линии воспроизводятся в виде ступенчатых кривых.
4.5. Искажения яркости средних и крупных
деталей
Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображе-
ния, так же как и мелких, возникают в большинстве случаев из-за
линейных искажений в тракте передачи сигнала. Но в данном случае
изменение яркости деталей является следствием искажений АЧХ в
области низких частот полосы пропускания, т.е. ПХ в области сред-
них и больших времен, сравнимых соответственно с длительностями
строки и кадра. Поэтому термины «средние» и «крупные» детали
в достаточной мере условны, так как речь идет об искажениях яр-
костей деталей (и фона за ними), размеры которых по горизонтали
сравнимы с длиной активной части строки 6а (рис. 4.5,6), а по верти-
кали — ис высотой кадра h соответственно. Практически вместо ПХ
анализируется реакция системы на П-образные импульсы, длитель-
ности которых сравнимы с указанными временными интервалами.
В широкополосных резисторных видеоусилителях переменного
тока линейные искажения в области низких частот (спад АЧХ ?/Н2,
рис. 4.5,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепо-
чек 77ПСП между каскадами. Эти дифференцирующие цепочки пред-
ставляют собой частотно-зависимые делители сигнала, проявляющие
Рис. 4.5. Искажение АЧХ в области низких частот полосы пропускания
тракта (а) и искажение формы сигнала от «средней» белой детали на сером
фоне Ьф (6)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
( нои свойства на низких частотах полосы пропускания. В результате
.даже' сравнительно слабого дифференцирования импульса (от дета-
ли средних размеров) на вершине его появляется спад, а за ней —
тянущееся продолжение с постепенно убывающей интенсивностью.
Так как при этом размахи переднего и заднего фронтов импульса
(перепады яркости) передаются без искажений, то уменьшение на-
пряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение ярко-
сти фона за деталью ALcn) численно равно величине спада вершины
импульса (уменьшению яркости детали ALJ.n — Дц “ — AL"n ПРИ
линейном преобразовании свет-сигнал, рис. 4.5,6", кривая 2).
Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при пере-
даче белой детали с наибольшей яркостью ЬД на сером фоне Ьф (раз-
мером примерно Ьа/2); даже если яркость детали ЬД в результате ис-
кажений уменьшится только на несколько процентов (относительно
£д), это может привести к значительному уменьшению яркости фо-
на £ф за деталью — на десятки процентов изменения яркости £ф,
так как £ф «С £д, а А£ф = AL”n. Например, при практически не-
заметном изменении яркости детали на
Ад = = L* ~L* -100 = 2 % (4.7)
Ад Дц
и контрасте между деталью и фоном КД — Ьд/Ь$ = 20 яркость фо-
на после детали уменьшится (при линейном преобразовании сигнал-
свет 7Пр = 1, см. гл. 15) на
Дф = Ьф ~ L"n = = А-дДд = 20-2 — 40 %. (4.8)
Ьф • Ьф
При нелинейном преобразовании сигнал-свет, например, в кине-
скопе с 7пр > 1, изменение яркости фона будет несколько меньшей
интенсивности, так как в этом случае AL"n < AL'n. Но во всех
случаях подобные искажения изображения четко отмечаются глазом
как медленно уменьшающееся черное тянущееся продолжение вдоль
строки за белой деталью «за белым — черное» (или за черной дета-
лью белое продолжение: «за черным — белое»).
При перекоррекции АЧХ т/нз (рис. 4.5, кривая 5) за деталями мо-
гут возникнуть тянущиеся продолжения того же «знака» («за белым
..белое», «за черным— черное»). Однако эти искажения менее за-
метны на изображении из-за сравнительно меньшего относительного
изменения яркости фона за деталями.
Длительность сигнала изображения от крупных деталей, размер
ко торых составляет некоторую часть кадра, во много раз превышает
длительность сигнала от средних деталей. Поэтому он искажается
значительно больше при прочих равных условиях. Максимальные
искажения будут наблюдаться при передаче белой и серой горизон-
тальных «деталей» с размерами каждой, примерно равными полови-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
73
не кадра (см. рис. 15.5). При этом тянущиеся продолжения могут
весьма заметно исказить яркость серой части кадра на значительной
его площади. Однако эти искажения, как правило, частично коррек-
тируются с помощью фиксации уровня черного ТВ сигнала во время
следования строчных гасящих импульсов (см. гл. 15). В результате
фиксации уровня черного значение остаточных искажений яркости
деталей и фона получается такого же порядка, как и у деталей сред-
них размеров. Заметим, что с помощью фиксации уровня черного из-
менение яркости внутри активной части строки не корректируются.
Таким образом, специфика искажений средних и крупных де-
талей заключается в четкой заметности даже весьма малых значе-
ний этих искажений, а также в необычном проявлении их на изобра-
жении, особенно за движущимися деталями. Они воспринимаются
в основном как тянущиеся продолжения за деталями, т.е. как по-
явление заведомо ложных фрагментов, не содержащихся в подавля-
ющем большинстве передаваемых изображений и не возникающих ни
в фото-, ни в кинорепродукциях.
Оценка величины тянущихся продолжений производится по спе-
циальным испытательным сигналам, например, по симметричным П-
образным импульсам с частотой следования, равной частоте строч-
ной развертки 15625 Гц (средние детали) и с частотой следования,
равной частоте кадровой развертки 50 Гц (крупные детали). По-
следние прорезаны строчными гасящими импульсами (см. рис. 15.5).
Визуально эти искажения оцениваются по качеству воспроизведения
наибольших по размеру черно-белых деталей, входящих в состав уни-
версальных ТИТ, или по бело-серо-черным и черно-серо-белым ис-
пытательным элементам УЭИТ (см. рис. 4.9).
4.6. Цветовые искажения
Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие ярко-
сти, и оцениваются числом порогов цветоразличимости (см. гл. 2,10).
Искажения цветности изображения в ТВ системах возникают из-за:
• использования реальных красного, зеленого и синего люмино-
форов цветных кинескопов, спектральные характеристики и на-
сыщенность которых ограничивают воспроизведение максималь-
ного цветового охвата (диапазона воспроизводимых цветов, ко-
торый может быть реализован в рамках трехкомпонентной ТВ
системы);
• использования реальных источников освещения, светоделитель-
ных устройств и передающих трубок, спектральные характери-
стики которых не полностью обеспечивают верность цветопере-
дачи;
• линейных и нелинейных искажений ТВ сигнала, возникающих
в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-
свет, а также в тракте передачи и особенно в устройствах фор-
мирования и селекции сигналов яркости и цветности;
71
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
• разброса параметров, старения, неоптимальных режимов работы
элементов системы и в первую очередь — цветных кинескопов;
• рассовмещения и неидентичности растров цветоделенных изобра-
жений, перекрестных искажений и наличия временного сдвига
между сигналами яркости и цветности из-за различных условий
их передачи (в частности, разной полосы пропускания соответ-
ствующих каналов тракта), которые вызывают цветные окантов-
ки, повторы (ложные контуры) и т.п. нарушения в репродукциях
деталей изображения;
• специфических особенностей передачи и селекции сигналов цвет-
ности в различных системах цветного телевидения.
С помощью специальных устройств — цветокорректоров, кор-
ректоров нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров,
см. гл. 15) и др., на телецентрах производится компенсация цвето-
вых искажений при условии использования в приемнике цветного
кинескопа со среднестатистическими нормированными характеристи-
ками (см. гл. 7).
Цветовые искажения оцениваются по качеству воспроизведения
специальных электрических испытательных сигналов, имитирующих
опорные цвета. Например, широко используются сигналы, формиру-
емые специальным генератором цветных вертикальных полос (ГЦП),
с помощью которых на экране кинескопа воспроизводится восемь
наиболее важных цветов: белый, желтый, голубой, пурпурный, крас-
ный, синий и черный (см. рис. 4.9). Подобные две цветовые шкалы
с разной насыщенностью использованы для визуальной оценки вер-
ности цветопередачи в УЭИТ. Более подробно особенности возник-
новения и коррекции цветовых искажений в различных системах ЦТ
рассмотрены в гл. 10 и в [13].
4.7. Флуктуапдонные помехи
Помехи, возникающие в процессе формирования, передачи и при-
ема ТВ сигналов, могут значительно ухудшить качество изображе-
ния. Влияние различных помех проявляется в основном двояко: по-
мехи на сигналы изображения вызывают нарушение яркости и цвет-
ности деталей изображения, а помехи на сигналы синхронизации
разверток приводят к нарушению формы растра, т.е. к искажению
координат элементов изображения (вплоть до полного разрушения
('ГО структуры).
Конкретные формы проявления мешающего действия помехи за-
висят от ее вида и интенсивности. К числу наиболее характерных
помех относят:
• флуктуационные помехи;
• сетевые фоновые помехи с частотой сети и ее гармоник до 1 кГц;
• гармонические регулярные помехи в виде полос, сетки, муара,
посторонних узоров и т.д.;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
75
• импульсные помехи различного происхождения в виде точек и
штрихов различной протяженности:
• перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а
также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровожде-
ния:
• эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизи-
онных сигналов и рассогласования линий связи;
• шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возни-
кающие при использовании ТВ сигнала в цифровой форме для
передачи и коррекции сигналов, для сокращения избыточности
видеоинформации, а также для формирования видеоэффектов и
преобразования стандартов различных ТВ систем.
Визуально особенно заметны помехи, быстро меняющие свою яр-
кость и цветность или движущиеся по полю изображения, т.е. некрат-
ные частотам строк или кадров, например, сетевые, гармонические,
импульсные, флуктуационные и др.
Особое место занимают флуктуационные шумы, так как в от-
личие от других видов помех они в принципе всегда присущи всем
электронным устройствам. Причиной возникновения флуктуацион-
ных помех является хаотическое движение электронов в активных
сопротивлениях — тепловой шум, а также флуктуации светового по-
тока и тока в фотоэлектрических преобразователях, усилительных
элементах и т.п. Засорение ТВ сигнала шумами обычно происходит
в тех узлах тракта, где размах сигнала, изображения небольшой и
сравним с уровнем флуктуационных помех (в передающих трубках,
во входных цепях предварительных усилителей передающих камер,
в линиях связи большой протяженности, во входных цепях ТВ при-
емников и др.), а также, как правило, при коррекции любых иска-
жений ТВ сигнала (см. гл. 15).
Флуктуационные помехи воспроизводятся на ТВ изображении в
виде мерцающих хаотически движущихся мелких точек и штрихов.
Наиболее отчетливо эти помехи проявляются на серых участках изо-
бражения, где даже сравнительно незначительная их величина суще-
ственно изменяет яркость изображения. При большом уровне помех
создается как бы паразитная засветка экрана. В результате ухуд-
шаются все параметры изображения — уменьшаются четкость, рез-
кость, контраст (особенно мелких деталей), число полутонов и т.д.
Флуктуационные помехи имеют непрерывный спектр. Поэтому
величина помех и их визуальное восприятие зависят от ширины по-
лосы пропускания канала связи и от характера распределения мощ-
ности шумов по спектру.
Спектральная плотность мощности тепловых помех на активном
сопротивлении R не зависит от частоты («белый шум»)
5п,б = du'l/df = 4kTR, (4.9)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.6. Весовые функции вид-
ности флуктуационных помех:
1 — для сигнала яркости и сигналов
основных цветов; 2 — для композитных
сигналов различных систем ЦТ; 3 — для
композитного сигнала системы SECAM
Рис. 4.7. Весовая функция
видности флуктуационных помех
сигнала цветности системы SECAM
где — действующее значение напряжения помех; к = 1,38 • 10“23
Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К.
Действующее значение напряжения флуктуационных помех в
ограниченной полосе частот
__. I rf* / Г/в ______
иш = \11 Sm(f)df^\ Sm6df = V^TRfB, (4.10)
V ‘'/н V J о
где /н, /в — граничные частоты полосы пропускания устройства (как
правило, принимают /н = 0, так как /в /н).
Спектральная плотность мощности дробовых флуктуаций тока
также не зависит от частоты («белый шум»). Эти помехи принято
оценивать как равные тепловым по (4.10) в соответствующем экви-
валентном сопротивлении шумов Rm.
Однако подобная энергетическая оценка величины помех не учи-
тывает визуальное восприятие различных спектральных составляю-
щих шумов из-за того, что чувствительность глаза зависит от раз-
меров и цветности деталей. Например, низкочастотные составляю-
щие «зеленой» флуктуационной помехи оказывают большее меша-
ющее действие, чем высокочастотные, окрашенные в красные (или
синие) тона. Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью
экспериментально определенных весовых функций помех [13]:
• для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис. 4.6, кри-
вая 1) эта функция аппроксимируется как
2/b3b(w) = 1 + w2r23B = 1+4,29/2’ (4'П)
где — 0,33 мкс — постоянная времени взвешивающей це-
ни; f частота, МГц;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
77
• для композитных сигналов (сигналов яркости, в высокочастот-
ной области которых размещены сигналы цветности) различных
систем ЦТ (рис. 4.6, кривая 2)
У (cj) - ___1 + Ь2а;2гвзв_ _ 1 + 0, 117/
2/вэвМ i + (i + d)2u,2T23B 1+3,54/2 ’ 1 ' '
где твзв = 0,245 мкс; Ъ — 1/4,5; / — частота, МГц;
• для композитного сигнала системы SECAM (рис. 4.6, кривая 3)
со вторым максимумом в области спектра сигнала цветности;
• для сигнала цветности системы SECAM (рис. 4.7).
Величину зашумленности ТВ сигнала принято оценивать вели-
чиной отношения сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха:
^' = ис1й'ш, ф = ис/йш, (4.13)
где Uc — размах сигнала изображения;
й'ш = J ffB ЗД) df-, йш = J Л 5ш(/)7/вз„(/) df
V Jo У Jo
— действующее (эффективное) значение напряжения помехи и ее
взвешенное значение соответственно.
Особую роль для сопоставления и определения результирующего
мешающего действия помех имеет отношение сигнал/взвешенная по-
меха при оценке зашумленности ТВ сигнала от источников с разной
формой спектральной плотности мощности помех, например «бело-
го шума» (передающая трубка, ее сопротивление нагрузки и др.) и
«треугольного шума» (предварительный усилитель передающей ка-
меры и др., см. гл. 15).
Различное восприятие «красных», «зеленых» и «синих» флук-
туационных помех оценивается с помощью экспериментально уста-
новленных коэффициентов относительной видности, соответственно
равных: а = 0,40; 13 = 1,0; е = 0,35. При этом напряжения визуально
одинаковых помех соотносятся как
t/шкр/Йшз/С/шс = 2,50/1,00/2,86. (4.14)
Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью
достаточно сложных специальных приборов. Качество изображения
считается хорошим, если ~ 30...40 дБ.
4.8. Оценка искажений изображения
по испытательным таблицам
Оперативная оценка искажений изображения по телевизионным
испытательным таблицам (ТИТ) широко практикуется в ТВ систе-
мах. С помощью специализированных ТИТ оценивается обычно
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 4.8. Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных)
искажений
один-два качественных параметра (рис. 4.8), а с помощью универ-
сальных — все основные (рис. 4.9). Преимущество универсальных
ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо уменьшается
точность оценки качественных параметров за счет огрубления шкал,
либо измерения проводятся лишь в отдельных локальных местах ка-
дра из-за ограниченных возможностей размещения в поле таблицы
большого числа различных испытательных элементов.
Указанные ТИТ могут быть оптическими (рис. 4.8) или элек-
тронными (рис. 4.9). Преимуществом оптических таблиц являет-
ся возможность оценки результирующего качества изображения при
проверке всего тракта системы «от света до света», а также оценки
величины искажений как в передающем, так и в приемном оборудо-
вании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, к тому же еще
в многочисленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно
из-за сравнительно быстрого старения цветных испытательных эле-
ментов и, как следствие, из-за изменения их спектральных характе-
ристик. Поэтому в ЦТ для оценки искажений, возникающих в ви-
деоусилительном тракте телецентра, линиях связи и в приемниках,
используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная
испытательная таблица (УЭИТ) составляется из эталонных электри-
ческих сигналов, формируемых специальным генератором. Искаже-
ния в фотоэлектрических преобразователях свет-сигиал оценивают-
ся ио монохромным ТИТ и специальными методами.
Универсальная электронная таблица предназначена для объек-
тивного и субъективного контроля основных параметров и искаже-
нии изображения в трактах передачи черно-белых и цветных ТВ си-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
79
а
Ш
5
6
бвгдежзи клмнопрстуфхцчшщэ
1
2
Зеленый ПурпУр_ Красный
Белый Желтый
ный
перепадов яркости |
□□□□ЯП Белый
Радуга
О
О>
Серый
Белый
Серый
Черный
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
13
II14
15
16
17
18
19
20
Голубой
Шкала
□ь.
Синий
3
Рис. 4.9. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ
ОПО□□
8
9
10
И
12
13
14
15
I16
5 17
LD
18
19
20
Белый Желтый
11II11111111 1 11 11111 !¥□□□□!
Голубой Зеленый Пурпур’ Красный
ныи
Синий Черный
□F
□
стем. Состав испытательных элементов таблицы, как правило, мно-
гофункционален. В то же время оценка тех или иных искажений
производится как по различным испытательным элементам, так и по
одинаковым, но расположенным в разных местах рабочего поля для
дифференциальной оценки этих нарушений [102].
Рамка таблицы УЭИТ (рис. 4.9) состоит из черно-бело-черных
штрихов, расположенных по ее периметру и образованных сигнала-
ми с уровнями (0/100/0) % от максимального размаха сигнала. Бе-
лые штрихи между черными полосами служат реперными линиями
рабочего поля таблицы с форматом 4/3.
Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное 18
(2... 19) горизонтальными и 24 (б...щ) вертикальными серыми поло-
сами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создают-
ся синус-квадратичными импульсами длительностью 0,16...0,17 мкс;
толщина горизонтальных линий — две строки; размах сигнала линий
и серых полос составляет (75/37,5) %. С помощью указанных эле-
ментов проверяются горизонтальный и вертикальный размеры изо-
бражения, их соотношение (формат кадра), центровка рабочего по-
ля таблицы, величина геометрических искажений, качество сведения
лучей цветного кинескопа и др.
При формате 4/3 реперные белые линии должны совмещать-
ся с обрамлением экрана трубки. При формате 5/4 (используемом
КО
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
в большинстве кинескопов по конструктивным соображениям) с го-
ризонтальным обрамлением экрана должны совмещаться наружные
•|грныс края рамки, а с вертикальным — внутренние черные края.
При нарушении формата квадраты сетчатого поля воспроизводятся
как прямоугольники, а окружности напоминают эллипсы (при срав-
нительно небольших искажениях линейности строчной и кадровой
разверток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы цен-
тральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.
Геометрические (координатные) искажения оцениваются инст-
рументально по квадратам сетчатого поля (см. § 4.2), а визуально —
по окружностям в центре и в углах таблицы.
Сведение лучей цветного кинескопа проверяется по центрально-
му перекрестию осевых сетчатого поля и осевым линиям на краях
растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по
углам таблицы (см. гл. 7).
Определение других параметров, как правило, требует предвари-
тельной настройки яркостного режима работы приемника — выбора
оптимальных значений яркости и максимального контраста изобра-
жения (максимального размаха ТВ сигнала), при которых воспро-
изводится максимально различимое число градаций яркости (для
данного кинескопа). Эта операция производится по шкале перепа-
дов яркости 8б-8ц (см. § 4.3), причем черный и белый испытатель-
ные элементы шкалы 86 и 8ц являются опорными уровнями экс-
тремальных значений яркости, определяющими максимальный кон-
траст изображения.
Минимизация, полутоновых (градационных) искажений, возни-
кающих в процессе преобразования сигнал-свет, может быть выпол-
нена следующим образом. Вначале регулятор «Контрастность» уста-
навливается на минимально возможное значение, а затем с помощью
регулятора «Яркость» выбирается величина яркости изображения
так, чтобы испытательный элемент шкалы 8в (уровень сигнала на
3 % «чернее» уровня черного) визуально отличался по яркости от
одинаковых черных элементов 86 и 8г (0 %). После этого яркость
уменьшается до потери различимости этих трех испытательных эле-
ментов, а контраст устанавливается в положение, при котором вос-
производится наибольшее число (как правило, 8-9) визуально раз-
личимых градаций шкалы.
После выполнения этой операции можно приступить к оценке
значений других качественных параметров.
Четкость по горизонтали (воспроизведение мелких черно-бе-
лых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четкости
186 Гкц и подобным же испытательным элементам мир внутри ок-
ружностей в углах таблицы (см. § 4.4). В центральной части таблицы
штрихи образованы семью пакетами синусоидальных колебаний с ча-
стотами 2,8, 3,8, 4,8 и 5,8 МГц, что соответствует четкости 200, 300,
•100 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами 2, 3, 4 и 5), а
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения
81
в углах — колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ
линий). Отсчет четкости производится по визуальному различению
наименьших черно-белых штрихов.
Резкость воспроизведения вертикальных границ деталей изобра-
жения характеризуется интервалом времени нарастания от 10%- до
90%-ного уровня сигнала изображения. Он измеряется с помощью
осциллографа с выделением строки по сигналу от черно-белых ква-
дратов 16и-16т.
Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по
качеству чересстрочной развертки по воспроизведению наклонных
белых линий в испытательных элементах 10с-10х и 11е-11к. При
нарушении чересстрочной развертки линии воспроизводятся с из-
ломами.
Цветовая четкость (воспроизведение цветных деталей в гори-
зонтальном направлении) оценивается по воспроизведению пурпур-
ных и зеленых, желтых и синих, а также красных и голубых штри-
хов 9е-9х. Искажение цветности штрихов и ее неоднородность чаще
всего возникают из-за неточной настройки контура селекции сигна-
ла цветности из спектра сигнала яркости в ТВ приемнике. Частота
следования сигналов штрихов 0,5 МГц.
Качество воспроизведения «средних» деталей., т.е. наличие за
ними тянущихся продолжений (см. § 4.5), оценивается по бело-серо-
черным 10е-10х и черно-серо-белым 11е-11х испытательным элемен-
там, а также по черно-белым квадратам 16и-16с и деталям с плавно
изменяющимися горизонтальными размерами 16в-16е и 16х-16ш.
Баланс белого определяется соотношением токов трех лучей
цветного кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (гра-
дационной мире) 86... 8щ, все элементы которой должны воспроизво-
диться как черно-белые, т.е. не должны окрашиваться.
Однородность цвета по рабочему полю изображения контролиру-
ется по крупным белым, серььм и черным участкам большой протя-
женности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках
наблюдаются обширные цветные пятна с малой насыщенностью.
Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по
двум цветовым шкалам: шкале 6-16.,.6-7щ с пониженной насы-
щенностью (уровень «белого» 75 %, уровень «черного» 37,5 %, экс-
тремальные уровни сигнала цветных полос (75/37,5) %, т.е. уровни
всех сигналов составляют 75/37,5/75/37,5); шкале Ц~15б...Ц-15щ с
повышенной насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями
75/0/75/0. Чередование цветов испытательных элементов шкалы:
белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, се-
рый (черный). Последовательность и цветовой тон элементов обеих
шкал должны соответствовать указанным цветам.
Искажения изображения типа «эхо» — многоконтурность,
окантовки и т.п. — возникают из-за перекоррекции АЧХ в области
S2
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
высоких частот (см. § 4.4), а также приема прямого и отраженного ра-
диотелевизионных сигналов, рассогласования линий связи, несовпа-
дения во времени сигналов яркости и цветности. Они оцениваются
но воспроизведению одиночных черных и белых штрихов (например,
10е и Не)у вертикальных линий сетчатого поля и др.
Наряду с УЭИТ часто используется испытательное изображе-
ние в виде восьми широких вертикальных цветных полос, аналогич-
ных испытательным элементам цветовых шкал УЭИТ. Подобный
сигнал формируется специальным генератором электрических сиг-
налов ГЦП. Он может вводиться и контролироваться практически
в любых точках тракта.
Для оценки результирующего качества изображения и его отли-
чия от номинального предложен интегральный критерий качества,
величина которого определяется значениями многочисленных част-
ных параметров [13]. Важность подобного критерия обусловлена тем,
что только на его основе возможно научно обоснованное нормирова-
ние параметров ТВ системы в целом и отдельных ее звеньев с учетом
«обмена» величин частных параметров качества (например, увеличе-
ние четкости за счет уменьшения отношения сигнал/помеха и т.д.).
Применение интегрального критерия позволит широко использовать
адаптивную автоматическую коррекцию искажений в отдельных зве-
ньях тракта, и особенно в ТВ приемниках [13, 69].
Однако до настоящего времени разработать реально приемле-
мый интегральный критерий качества не удалось из-за чрезвычайно
сложной формализации связей между субъективными обобщенными
оценками качества ТВ изображения и частными объективными пара-
метрами ТВ устройств. Использование ЭВМ, формализация связей
между частными параметрами и разработка алгоритма для опреде-
ления интегрального критерия помогут решить задачу повышения
качества ТВ изображения.
Глава 5
ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
5.1. Общие принципы
Аналоговый телевизионный сигнал в соответствии с его приро-
дой повторяет распределение яркости и цветности на пути, по ко-
торому производится развертка изображения, т.е. он действительно
является электрическим аналогом изображения. Поэтому системы
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
83
телевидения, в которых используется для передачи, консервации или
каких-либо других задач обработки аналоговый сигнал, называются
системами аналогового телевидения. На протяжении нескольких де-
сятилетий телевидение было аналоговым, и только в конце 70-х годов
разработчикам телевизионных систем пришлось столкнуться с огра-
ничениями аналоговых методов, серьезно сужающими возможности
дальнейшего развития телевидения.
Одной из главных причин этих ограничений следует считать сла-
бую помехозащищенность аналогового сигнала, который подвергает-
ся в каждом из устройств телевизионного тракта воздействию шумов
и других помех. Современная же вещательная ТВ система предста-
вляет собой весьма длинную цепь устройств преобразования и пе-
редачи сигналов, число звеньев которой с развитием телевидения
сильно увеличивается.
В любом звене этой сложной цепи возникает неизбежная потеря
качества изображения. Связано это с тем, что в каждом устрой-
стве, при любом из преобразований, которому подвергается сигнал,
на него воздействуют помехи. При аналоговых методах усиления и
обработки ТВ сигнала эти помехи накапливаются от звена к звену, и
естественно, тем сильнее, чем больше в ТВ системе процессов обра-
ботки, переприема или перезаписей сигнала. Пока этих преобразова-
ний немного, суммарные искажения еще могут быть незаметны. Но
с развитием телевидения число преобразований очень быстро возра-
стает. Увеличиваются расстояния между передающими и приемными
пунктами, растет номенклатура и число различных видеоэффектов,
разнообразящих передачу, но требующих дополнительных преобразо-
ваний, усложняется технология монтажа ТВ программ. В таких си-
стемах проблема обеспечения необходимой помехоустойчивости ста-
новится главенствующей. Существенно уменьшить искажения от по-
мех при формировании телевизионной программы, ее консервации
или передаче позволяют цифровые методы, уже известные в техни-
ке связи. Поэтому в последние годы основное внимание уделяется
развитию цифрового телевидения.
Цифровое телевидение — область телевизионной техники, в ко-
торой операции обработки, консервации и передачи телевизионного
сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму.
Цифровые методы помимо обеспечения высокого качества изо-
бражения при воздействии значительных помех обладают и другими
достоинствами. Так, при одинаковой пропускной способности канала
они позволяют передавать большее число программ по сравнению с
аналоговым телевидением; благодаря уменьшению необходимых на-
строечных операций на этапе производства они более технологичны;
выше эксплутационная надежность цифровой аппаратуры. Намного
легче в сравнении с аналоговой техникой достигается универсаль-
ность работы цифровой аппаратуры в различных мировых стандар-
тах телевидения. Лучшая помехозащищенность цифрового сигнала
6'
84
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
позволяет снизить требования к его мощности в процессе доставки к
приемным устройствам. Повторные изображения, характерные для
аналогового телевидения при многолучевом приеме, цифровыми ме-
тодами могут быть практически полностью исключены.
Наконец, цифровые методы позволят включить телевидение в
единую мировую информационную систему через телевизионные ин-
терактивные каналы, а также реализовать возможность приема те-
левизионных программ через подключение к сети Интернет.
Можно представить системы цифрового телевидения двух типов
[14]. В системе первого типа, полностью цифровой, преобразова-
ние передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное пре-
образование цифрового сигнала в изображение на приемном экране
осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и
сигиал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения инфор-
мация передается в цифровой форме. В перспективе создание таких
преобразователей вполне реально. Однако в настоящее время их еще
не существует, а поэтому целесообразно рассматривать цифровые ТВ
системы второго типа, в которых с датчиков получается аналоговый
ТВ сигнал, затем он преобразуется в цифровую форму, подверга-
ется всей необходимой обработке, передаче или консервации, а за-
тем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются
существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи
сигнал-свет в телевизионных приемниках. В этих системах на вход
тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, за-
тем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму.
5.1.1. Импульсно-кодовая модуляция
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму пред-
ставляет собой комплекс операций, наиболее существенными из ко-
торых являются дискретизация, квантование и непосредственно ко-
дирование.
Дискретизация — замена непрерывного аналогового ТВ сигна-
ла u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов это-
го сигнала. Наиболее распространена равномерная дискретизация,
имеющая постоянный период, основанная на теореме Котельникова-
Найквиста. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал u(t),
имеющий ограниченный спектр частот (рис. 5.1,с), может быть пред-
ставлен значениями этого сигнала иДД), взятыми в дискретные мо-
менты времени (отсчеты) tn = пТ (рис. 5.1,6), где п = 1,2,3,... —
целые числа; Т — период или интервал дискретизации, выбранный
из условия теоремы Котельникова-Найквиста: Т 0,5//гр. Здесь /гр
— максимальная частота спектра исходного сигнала u(t). Величина,
обратная периоду дискретизации, называется частотой дискрети-
зации. Минимально допустимая частота дискретизации /д = 2/гр.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
85
(п-З)Т (п-2)Т (п — 1)Т пТ (п+1)т (п+2)Т (n+3)T (n + 4)T *
Рис. 5.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую
Аналитическое выражение теоремы Котельникова-Найквиста име-
ет вид
w(t)= V ц(пТ)51"Уг.р^ ffi.
2irfrp[t — пТ)
(5-1)
Предполагается, что отсчеты гь(пТ) являются 5-импульсами
(бесконечно короткими). Для восстановления исходного аналогового
сигнала u(t) из последовательности отсчетов и(пТ) последние необ-
ходимо в соответствии с (5.1) пропустить через идеальный фильтр
нижних частот (ФНЧ) со срезом на частоте /гр.
Множитель [sin 2тг/гр(£ — 7гТ)]/[2тг/гр(£ — пТ)] представляет собой
реакцию такого фильтра на единичный импульс и(тгТ). Из теоре-
мы следует, что для точного восстановления исходного сигнала не-
86
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
обходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов. На практи-
ке же сигнал, всегда имеющий конечную длительность, описывается
конечным числом отсчетов. Несмотря на несоответствие условиям
теоремы, такой способ восстановления сигнала широко используется
в цифровом телевидении, и точность восстановления при соблюдении
определенных требований оказывается достаточной.
За процессом дискретизации при преобразовании аналогового
сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Кванто-
вание (этот термин заимствован из атомной физики) заключается в
замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсче-
тов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных
уровней (рис. 5.1,в). Квантование также представляет собой дискре-
тизацию ТВ сигнала, но осуществляемую не во времени, а по уровню
сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и
введена разная терминология.
Фиксированные уровни, к которьпм «привязываются» отсчеты,
называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон
изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области
значений, называемые шагами квантования^ образуют шкалу кван-
тования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной,
в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до
одного из двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) опреде-
ляется положением порогов квантования (рис. 5.1,в).
Возможность восстановления в зрительном аппарате человека
исходного изображения по его квантованному приближению (в теоре-
ме эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности
контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы.
Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал
икь(пТ) уже является цифровым. Действительно, если амплиту-
да импульсов дискретизированного сигнала и(пТ} может принимать
любые произвольные значения в пределах исходного динамического
диапазона сигнала u(t\ то операция квантования привела к замене
всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом
значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, кван-
тованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе
счисления с основанием пг, где m — число уровней квантования.
Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало
выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т.
,]. 1,ля увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего пре-
образовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала
записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение
уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или
I (рис. 5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция
по преобразованию аналогового сигнала ?/Д) в цифровой, называе-
ма/! ппсрацией кодирования.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
87
Кодирование представляет собой преобразование квантованного
значения отсчета икв(пТ) в соответствующую ему кодовую комбина-
цию символов и^пТ). Наиболее распространенный способ кодиро-
вания ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантован-
ных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил
название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 5.1,г пока-
зан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t) в
последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода.
Часто всю совокупность перечисленных операций — дискрети-
зации, квантования и кодирования для краткости называют кодиро-
ванием телевизионного сигнала. Это имеет определенные техниче-
ские основания, поскольку все эти три операции выполняются од-
ним техническим устройством — аналого-цифровым преобразовате-
лем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналого-
вый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым пре-
образ о в ателем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые пре-
образователи — непременные блоки любых цифровых систем пере-
дачи, хранения и обработки изображений.
Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно.
Первые предложения относятся еще к 30-м годам. Но только недавно
этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина
столь длительного внедрения объясняется жесткими требованиями
к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового
сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифрового
потока ИКМ сигнала по каналу связи.
При непосредственном кодировании телевизионного сигнала ме-
тодом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной ча-
стоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации. Каждая кодовая комби-
нация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое
число к двоичных символов (битов).
Скоростью цифрового потока с называется число передаваемых
двоичных знаков в единицу времени. За единицу скорости принима-
ется 1 бит в секунду. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала
в цифровой форме рсСвна произведению частоты дискретизации /д и
числа двоичных символов к в одном дискретном отсчете:
с = fAk. (5.2)
Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала не-
обходимо обосновать выбор к и /д. Число двоичных символов к в
кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней кван-
тования т исходного сигнала соотношением
к — log2m ~ 3,31g771. (5.3)
Выбор числа уровней квантования определяется требованием к
минимизации ошибок (ошибок квантования), возникающих из-за за-
88
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными (при-
ближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный
характер. Поэтому искажения, вызываемые этими ошибками, часто
называют шумами квантования. На изображении они могут про-
являться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигна-
ла. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по срав-
нению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на
изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо
заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантова-
ния недостаточно. В этом случае плавные яркостные переходы пре-
вращаются в ступенчатые. Наиболее заметны ложные контуры на
изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на
подвижных изображениях. Эксперименты показывают, что ложные
контуры перестают восприниматься, если число уровней квантова-
ния превышает 100-200, т.е. шум квантования не превышает 0,5...1 %
размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о
контрастной чувствительности зрения.
Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики
и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявля-
ются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно рас-
пределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигна-
ла как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казать-
ся более зашумленным.
Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно
сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования про-
являются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сю-
жетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и
пр. В настоящее время рекомендуется использование линейной де-
сятиразрядной шкалы квантования, предусматривающей квантова-
ние соответственно на 1024 уровня. Хотя еще несколько лет назад
считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней
(восьмиразрядной шкалой).
На рис. 5.2 приведены диаграммы, дающие представление о соот-
ветствии между аналоговым сигналом яркости Еу и уровнями кван-
Рис. 5.2. Соответствие размаха
яркостного аналогового сигнала шкале кван-
тования:
a — восьмиразрядная шкала; 6— десятиразрядная шкала
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
89
тования для восьми- и десятиразрядиой шкалы. В восьмиразряд-
ной шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 16-го, со-
ответствующего уровню черного, по 235-й, соответствующий белому).
В десятиразрядной шкале яркостный сигнал квантуется на 877 уров-
ней (64-й соответствует уровню черного, а 940-й — уровню белого).
Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цифровых
синхронизирующих сигналов, другая — представляет собой рабочий
запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигна-
ла превышения им допустимого диапазона значений. Подобные слу-
чаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим
перегрузки аналогово-цифровых преобразователей приводили бы к
заметным неустранимым искажениям в изображении.
Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дис-
кретизации. Дискретизация — первая операция из всего комплекса
преобразований аналогового сигнала в цифровой. Исходный сигнал
u(t) после дискретизации можно представить в виде суммы:
и(пТ) = u(t)8(t — пТ), (5.4)
п= —оо
где 8 — дельта-функция; Т — период дискретизации.
Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то
оо
5д(Л= Е S(f -nfa), (5.5)
п= —ОО
где S(/) и S(JA) — спектры исходной и дискретизированной функ-
ций соответственно [15].
Из (5.5) следует, что спектр дискретизированного сигнала пред-
ставляет собой сумму исходного спектра (п = 0) и «побочных» или
дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относи-
тельно другого на /ц, 2/д,.. .и т.д. (рис. 5.3). Из рисунка видно, что
с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой
среза /фнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выпол-
няются условия:
1) /д 2/гр; 2) Угр Уфнч Уд — Угр-
Если же частота отсчетов выбрана из условия Уд < 2угр, то по-
сле дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной
(рис. 5.4), и восстановить исходный сигнал без помех невозможно.
Таким образом, при полосе частот яркостного сигнала, рав-
ной 6 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее
12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра нижних частот
с прямоугольной АЧХ, эта цифра должна быть несколько увеличена.
На выбор частоты дискретизации влияют также следующие об-
стоятельства. Изображение, подвергнутое кодированию, представля-
ет собой совокупность отсчетов (пикселей), структура которых за-
90
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 5.3. Спектр сигнала после дискрети-
Рис. 5.4. Перекрытие
спектров при /д < 2/гр
зации
Строки
изображения
Рис. 5.5. Ортогональная
структура дискретизации
висит от частоты дискретизации. Лучшие результаты достигаются
при фиксированной относительно телевизионного растра структуре
отсчетов, расположенных в узлах прямоугольной решетки — так на-
зываемая ортогональная структура дискретизации (рис. 5.5). Для
этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной часто-
те строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию
одновременно для двух мировых стандартов разложения: 625/50 и
525/60. Одним из вариантов, отвечающих этим условиям, является
частота 13,5 МГц. В этом случае видимая часть строки изображения
для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, что примерно соот-
ветствует разрешению аналогового вещательного телевидения. Для
более высокого формата разрешения частота дискретизации должна
быть пропорционально увеличена.
Приняв во внимание параметры квантования и дискретизации
аналогового телевизионного сигнала, оценим скорость цифрового по-
тока яркостного сигнала для к = 10 и /д = 13,5 МГц:
с = 10 • 13,5 = 135 Мбит/с.
А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть переда-
на. информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по
методу ИКМ, удвоится и будет равен 270 Мбит/с. Столь высоким
быстродействием должны обладать как устройства преобразования
'ГВ сигнала, так и каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономи-
чески целесообразной передачу такого большого цифрового потока по
каналам связи. Важной задачей для построения более экономичных
ТВ систем является сжатие или компрессия ТВ сообщения.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
91
5.1.2. Компрессия
Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству
воспроизводимого изображения заключены в специфике ТВ сигнала,
обладающего, как показывают исследования, значительной инфор-
мационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют иа
статистическую, физиологическую и структурную.
Статистическая избыточность определяется свойствами изо-
бражения, которое не является в общем случае хаотическим рас-
пределением яркости, а описывается законами, устанавливающими
определенные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных
элементов, так и между их цветностями. Особенно велика корре-
ляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами
изображения. Использование корреляционных связей позволяет не
передавать многократно одни и те же данные и сокращать за счет
этого объем сообщения. При этом устранение статистической избы-
точности в ТВ сигнале может происходить без потери информации,
и исходные данные будут полностью восстановлены.
Визуальная или физиологическая избыточность ТВ сигнала об-
условливается ограниченностью возможностей зрительного аппара-
та. Использовать физиологическую избыточность — значит, не пе-
редавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята на-
шим зрением. Как следствие, устранение физиологической избыточ-
ности связано с частичной потерей информации, но той информации,
которая не воспринимается зрением, и ее потеря не повлияет на ви-
зуальное качество изображения.
Структурная избыточность в соответствии с названием опре-
деляется структурой видеосигнала: наличием в аналоговом телеви-
зионном сигнале гасящих импульсов. В цифровом потоке соответ-
ствующие им временные интервалы можно исключить или исполь-
зовать для передачи другой информации, например звукового со-
провождения.
Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения
статистической и физиологической избыточности в изображении осу-
ществляется в телевидении применением более эффективных мето-
дов кодирования по сравнению с ИКМ. При большом их многообра-
зии наиболее широко распространены следующие виды эффективно-
го кодирования: кодирование с предсказанием, кодирование с линей-
ным ортогональным преобразованием, взвешенное квантование, эн-
тропийное кодирование или кодирование с переменной длиной. Пе-
речисленные виды кодирования могут использоваться как самостоя-
тельно, так и в сочетании друг с другом, давая в последнем случае
значительно больший эффект. Более подробно эти вопросы будут
рассмотрены в следующих разделах этой главы.
В настоящее время существуют стандарты компрессии, которые
определяют основные правила эффективного кодирования и декоди-
92
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
рования цифровых потоков как изображений, так и связанного с ни-
ми звукового сопровождения. Эти стандарты получили общее на-
именование MPEG, представляющее собой аббревиатуру от названия
разрабатывавшего их международного комитета — Moving Pictures
Experts Group (Группа экспертов по движущимся изображениям).
Разработанные и разрабатываемые стандарты компрессии MPEG не
подвергают жесткой регламентации процедуры эффективного коди-
рования, с тем чтобы оставить возможности для дальнейшего усовер-
шенствования кодеров и декодеров. Стандартизованы только кодо-
вое представление цифрового потока, сформированного устройством
компрессии, и процесс декодирования. В Европе в качестве основно-
го стандарта для цифрового телевизионного вещания приняты спе-
цификации сжатия MPEG-2, известные как стандарты «Main Profile
at Main Level» (основной профиль при основном уровне), хотя раз-
работаны и другие подмножества стандарта, отвечающие различным
сферам применения и качеству изображений.
Эффективность компрессии, достигнутая к настоящему времени,
очень велика. Так, для упомянутого основного уровня стандарта
MPEG-2 (разрешение 720x576 пикселей) требуется битовая скорость
порядка 15 Мбит/с (против приведенного выше значения 270 Мбит/с
некомпрессированного ИКМ сигнала).
5.1.3. Канальное кодирование
Цифровые сигналы с высоким уровнем компрессии весьма уязви-
мы для помех в канале передачи. Поэтому они нуждаются в эффек-
тивном обнаружении и исправлении ошибок. Как показали иссле-
дования, в цифровом телевизионном вещании интенсивность ошибок
должна быть порядка 1О“10 ... 10“12 бит. Это соответствует появле-
нию за один час передачи не более 0,1... 10 ошибочных бит. Канал
передачи со столь низкой интенсивностью ошибок называют квази-
безошибочным каналом. Подобных физических каналов в реалии не
существует. Тем не менее условия передачи с такими жесткими тре-
бованиями к безошибочности передачи цифровой информации долж-
ны быть выполнены. Для этого предпринимаются определенные пре-
дупредительные меры, которые гарантируют, что ошибки, вызванные
физической средой передачи, будут обнаружены и по возможности
скорректированы. С этой целью сигнал подвергается так называемо-
му помехоустойчивому кодированию, при котором в сигнал вводится
определенная избыточность, позволяющая обнаруживать ошибки и
исправлять их. Из помехоустойчивых кодов наиболее широко при-
меним код Рида-Соломона. Введение дополнительной избыточности
для реализации помехоустойчивого кодирования не снижает замет-
ным образом общий результат, достигнутый от применения приемов
компрессии цифрового сигнала.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
93
Кроме того, компрессированный цифровой сигнал подвергается
и некоторым другим операциям, которые в совокупности с помехо-
устойчивым кодированием относят к разряду процедур так называ-
емого канального кодирования. В частности, производится: опера-
ция скремблирования данных с целью более равномерного распре-
деления энергии сигнала и так называемое перемещение, которое
позволяет длинные пакеты ошибок распределить на отсчеты, дале-
ко отстоящие друг от друга. Процедуры канального кодирования
рассматриваются в гл. 13.
5.1.4. Модуляция
Существующие каналы связи имеют значительное ограничение
по полосе пропускания частот. Особенно это касается сетей распре-
деления сигналов наземного телевидения. Способ модуляции в боль-
шой степени определяет результирующий спектр частот цифрового
сигнала, основные компоненты которого должны попадать в поло-
су частот канала.
Следует отметить, что обычная амплитудная, частотная или фа-
зовая модуляция двухпозиционным (двухуровневым) кодом, при ко-
торой логические 0 или 1 представляются двумя значениями несу-
щей, крайне неэффективна. Это обусловлено, во-первых, большой
шириной спектра самого модулирующего сигнала и, во-вторых, удво-
ением (как минимум) ширины спектра сигнала после модуляции.
Полоса частот модулирующего сигнала не может быть ниже
определенного предела, при котором возникают непреодолимые меж-
символьные искажения. Этот предел получил название порога Найк-
виста и характеризуется для двухпозиционного кода удельной вели-
чиной скорости передачи данных, равной 2 бит/с на Гц. Это означает,
что для цифрового сигнала, сформированного в соответствии с основ-
ным уровнем MPEG-2 (скорость передачи 15...20 Мбит/с), потребует-
ся полоса пропускания не менее 8... 10 МГц, которая в свою очередь
может удвоиться при использовании обычных методов модуляции.
Значительное сокращение спектра частот могут обеспечить со-
временные способы модуляции: относительная квадратурная фазо-
вая манипуляция (для спутникового телевидения), квадратурная ам-
плитудная модуляция (для кабельного телевидения), кодированное
ортогональное частотное уплотнение (для наземного цифрового те-
левидения) и ряд других. Более подробно вопросы модуляции рас-
сматриваются в главе, посвященной цифровым системам телевизи-
онного вещания.
5.1.5. Обобщенная структурная схема системы
цифрового телевидения
Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на
вход цифровой ТВ системы (рис. 5.6). Этот сигнал подвергается
91
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
Рис. 5.6. Обобщенная структурная схема ЦТС
предварительной обработке для упрощения последующих цифровых
преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал раз-
деляется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости
и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования
производились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести
в аналоговый сигнал определенные предыскажения для улучшения
субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на
то что многие из этих предварительных операций по обработке могут
быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития
технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее, под-
готовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на
кодирующее устройство, в котором он дискретизируется, квантуется
и предварительно кодируется. Как указывалось, в полученном та-
ким образом сигнале содержится значительная избыточность, кото-
рая может быть в определенной степени сокращена дополнительным,
более эффективным кодированием перечисленными выше методами
компрессии. Затем цифровой сигнал подвергается так называемой
прямой коррекции ошибок, выполняемой в устройстве канального
кодирования, и наконец поступает на выходной преобразователь (на-
пример, на модулятор передающего устройства). В приемном устрой-
стве осуществляются обратные операции.
Приведенная на рис. 5.6 схема является обобщенной. В зависи-
мости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может ви-
доизменяться. Например, система вообще не будет содержать ана-
логовых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и
сигиал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом ви-
де'. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие
помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при
отсутствии протяженных линий связи и, в частности, при цифровой
обработке сигнала внутри одного телецентра. В том же случае не
обязательны и устройства, устраняющие в ТВ сигнале избыточность
и сокращающие цифровой поток.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
95
5.2. Методы видеокомпрессии
Компрессией телевизионного сигнала называется устранение из
него избыточной информации для уменьшения скорости цифрового
потока и, как следствие, более эффективного использования кана-
лов передачи.
Общая характеристика возможностей видеокомпрессии была
рассмотрена в п. 5.1.2. В данном параграфе излагаются конкрет-
ные технические приемы по сокращению избыточности видеоинфор-
мации, используемые в цифровом телевизионном вещании.
Избыточность информации в потоке цифровых данных объяс-
няется прежде всего спецификой ТВ изображения. Известно, что,
несмотря на равновероятность любых из возможных значений ярко-
сти (цветности) для одного элемента изображения, содержание сосед-
ствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе.
При поэлементной передаче яркости и цветности методом ИКМ в ка-
нал таким образом посылается одна и та же или мало отличающаяся
по содержанию информация. Подобную избыточность информации в
сигнале называют пространственной или внутрикадровой.
Значительная избыточность содержится и в передаче смежных
во времени кадров изображения, в которых, несмотря на движение
отдельных фрагментов, существенную роль играют общие для них
неподвижный фон или задний план. Такого рода избыточность на-
зывают временной или межкадровой. И пространственная, и вре-
менная избыточность обусловлены статистическими свойствами те-
левизионного изображения.
Следует также учитывать, что цифровой ИКМ сигнал, являю-
щийся продуктом преобразования аналогового сигнала, содержит и
определенную психофизическую избыточность информации. В этой
информации содержатся данные о таких особенностях воспроизводи-
мого изображения, которые визуально не фиксируются и, следова-
тельно, такая информация без ущерба качеству изображения может
быть изъята из передачи.
Устранение избыточности информации в цифровом сигнале в ко-
нечном счете должно выразится в уменьшении числа отсчетов сигна-
ла и (или) уменьшении разрядности их двоичных кодовых символов.
Реализация таких процедур напрямую с ИКМ сигналом недопусти-
ма, так как изъятие из сигнала отдельных отсчетов или замена их
значений на более грубо проквантованные соответствует изъятию в
воспроизводимом изображении соответствующих элементов или их
искаженному представлению. Попытка изъятия отдельных элемен-
тов из группы равноправных слагаемых изображения как с инфор-
мационной, так и с энергетической точки зрения приводит к необра-
тимой потере качества изображения.
Решение задачи по устранению избыточности информации в ци-
фровом сигнале возможно только путем его предварительной обра-
ботки, которая должна перераспределить вклад отдельных отсчетов
90
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
преобразованного сигнала в общее содержание изображения. Пере-
распределив таким образом функциональную значимость между от-
дельными отсчетами, можно будет выделить «главные» отсчеты, не-
сущие основной объем информации, обеспечив им наилучшие усло-
вия передачи, а на остальных отсчетах «сэкономить», не передавая
их или передавая с минимальным числом градаций.
К настоящему времени предложено сравнительно много методов
обработки сигнала с таким подходом. В данном параграфе будут
рассмотрены самые распространенные приемы, и в частности реко-
мендованные стандартами компрессии MPEG.
5.2.1. Дискретно-косинусное преобразование
Методы преобразования изображения в общем случае основаны
на том, что его цифровой эквивалент (сигнал ИКМ) приводится к
виду, удобному для сокращения избыточной информации. В этом
отношении наиболее эффективным является преобразование видео-
информации из временной области в спектральную. Это преобра-
зование, как правило, предваряется разбивкой изображения на ча-
стичные подобласти, фрагменты (в терминологии MPEG — блоки),
которые затем по отдельности подвергаются необходимой обработ-
ке. Результат преобразования представляет собой совокупность спек-
тральных коэффициентов, которые характеризуют амплитуды про-
странственных частот изображения.
В основу преобразования изображений могут быть положены
различные приемы. Наиболее часто используются методы линейных
ортогональных преобразований. Линейность преобразований означа-
ет, что операции сложения, вычитания и умножения на скаляр дей-
ствительны и после преобразований, а ортогональность — что пре-
образуемый фрагмент представляется ограниченным набором орто-
гональных функций. Линейные преобразования можно осуществлять
как с непрерывным, так и с дискретным сигналом. В первом случае
процессу преобразования соответствует интегральная форма запи-
си, во втором — матричная.
Из различных ортогональных преобразований, позволяющих эф-
фективно выявлять избыточную информацию, стандартом MPEG
рекомендовано использовать дискретно-косинусное преобразование
(ДКП), являющееся частным случаем двумерного преобразования
Фурье. Как известно, преобразование Фурье — это метод обработ-
ки, который, анализируя изменения сигнала во времени, выражает
их в виде частотного спектра. Любой сигнал можно разложить на
частотные гармонические составляющие, и затем по известным зна-
чениям амплитуды и фазы этих составляющих их линейным сум-
мированием восстанавить исходный сигнал. Последнюю операцию
называют обратным преобразованием Фуръе. В цифровых системах
сигнал выражается последовательностью дискретных отсчетов. При
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
97
N элементов
N элементов
/(о,о) .... 7(о,лг-1)
^(0,0) .... F(0,N-l)
771
£
f(N-1,0)’ •
F^-i.o). • • •
У
а)
б)
Рис. 5.7. Преобразование блока изображения j\x,y) в блок ДКП коэффици-
ентов
а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП
использовании преобразования Фурье для фрагмента цифрового сиг-
нала из некоторого ограниченного числа отсчетов последний можно
разложить на такое же число дискретных частот. Это преобразова-
ние называют дискретным преобразованием Фуръе.
Поскольку любое изображение или его фрагмент можно рассма-
тривать как функцию изменения яркости (цветности) как по оси X,
так и по оси У, то дискретное ортогональное преобразование Фурье
будет представлять собой замену массива отсчетов изображения со-
ответствующего фрагмента на массив коэффициентов, соответству-
ющих амплитудам частотных составляющих Фурье.
Объем машинных расчетов для нахождения этих коэффициен-
тов весьма значителен. Поэтому преобразования осуществляются
над небольшими по размеру фрагментами, обычно 8x8 элементов.
Дискретно-косинусное преобразование Фурье в определенной степе-
ни минимизирует объем этих вычислений использованием в качестве
набора преобразующих (базисных) функций только косинусных со-
ставляющих. В результате массиву исходных значений сигнала со-
ответствует массив из такого же числа коэффициентов, представля-
ющих собой амплитуды этих косинусных составляющих [16].
Аналитически двумерное дискретно-косинусное преобразование
описывается следующим образом (рис. 5.7):
_2 V'V'f тгт(2х +1) тт(2у + 1)
— пС(т)С(п) f(x,у)с03 2N - 1 C0S 2N - 1 ’
х'=0 у=0
(5-6)
где C(,n) = 1 при т / 1; C(m) = 1/V^ при т ~ 0; C(n) = 1 при
п 1; С(п) — 1/\/2 при п = 0; J\x,y) — отсчеты изображения с про-
странственными координатами ж, у (от 0 до N — 1); N — размер блока
изображения (Nх N элементов); — коэффициенты, характери-
зующие изображение в спектральной плоскости т, N (от 0 до N - 1).
ДКП является обратимым: по распределению F(m>n) обратным
преобразованием однозначно восстанавливается j\x,yy
<)S
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
59 59 59 60 60 65 64 64
63 62 62 62 62 61 61 62
137 123 111 101 96 89 88 86
237 236 235 233 231 216 213 208
225 229 232 232 231 237 238 239
193 195 197 198 199 204 204 205
182 182 181 181 181 180 180 180
183 182 181 180 179 178 178 177
1249 19 3 1 1 1 0 1
-381 14 3 2 2 0 0 1
-318 -14 3 1 -1 0 1 —2
31 -45 —4 -3 -5 0 2 -4
154 —7 -8 -2 —2 0 -1 0
38 20 -3 2 2 0 —2 2
-39 11 8 3 0 1 1 0
-42 3 10 1 -1 1 1 -1
а) б)
Рис. 5.8. Пример дискретно-косинусного преобразования для некоторого
произвольного сюжета:
а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП
Вернемся к вопросу о задаче рассматриваемых преобразований,
являющихся довольно сложными и значительными по объему расче-
тов. Очевидно, что поскольку число отсчетов преобразуемого сигна-
ла равно числу отсчетов преобразованного сигнала, устранения из-
быточности информации в результате такого преобразования не про-
исходит. Однако следует обратить внимание на значительное изме-
нение содержания блока коэффициентов ДКП по отношению к бло-
ку преобразуемого изображения (рис. 5.8). По физическому смыслу
блок коэффициентов ДКП представляет собой совокупность значе-
ний амплитуд пространственных косинусоидальных гармоник с ча-
стотами тип. При этом значение F(O,o) пропорционально среднему
уровню (постоянной составляющей) в блоке и может достигать при
256 уровнях квантования значения 2040. (Чтобы ошибки от окру-
гления коэффициентов ДКП не сказывались существенным образом
на точности преобразования, их значения на этапе преобразования
увеличены в восемь раз по сравнению с их действительными зна-
чениями.)
Компоненты F(Oji) и характеризуют плавное изменение яр-
кости в блоке вдоль строки и поперек строк соответственно. Разноча-
стотные изменения яркостей пикселей с диагональными структура-
ми характеризуются диагональными спектральными компонентами
-^(1,1), ^(2,2)?
Обычно для большинства блоков изображения лишь малая часть
коэффициентов имеет значительную величину. Это объясняется не-
большими размерами блока, внутри которого яркость меняется мало,
и поэтому относительно большие величины имеют только постоян-
ная составляющая и несколько низкочастотных компонентов, рас-
положенных в левом верхнем углу матрицы коэффициентов ДКП
(см. рис. 5.8).
Мелким деталяхм изображения, как известно, соответствуют вы-
сокие пространственные частоты, и коэффициенты ДКП, характери-
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
99
зующие их амплитуды, располагаются правее и ниже. Поскольку,
как правило, мелкие детали изображения выражены энергетически
слабо относительно среднего уровня, то и соответствующие им коэф-
фициенты ДКП по сравнению с F(o,o) малы или вообще равны нулю.
Таким образом, если передавать вместо значений яркости изо-
бражения коэффициенты ДКП, то сокращение скорости передачи
данных может быть достигнуто уже хотя бы за счет исключения ну-
левых коэффициентов. Однако эта задача решается уже вне про-
цедуры ДКП.
5.2.2. Квантование коэффициентов
дискретно-косинусного преобразования
Выгодное для компрессии различие в амплитудах между от-
дельными коэффициентами ДКП может быть еще более усилено за
счет устранения психофизической избыточности в изображении. Как
следствие, увеличится число нулевых коэффициентов и коэффици-
ентов с малыми значениями. Эта задача решается в процессе кван-
тования коэффициентов, полученных после ДКП.
Установлено, что глаз более чувствителен к ошибкам переда-
чи яркости и цветности на больших площадях, в то время как при
передаче контуров и мелких деталей остаются незамеченными бо-
лее серьезные ошибки. Отсюда вытекает возможность определенного
огрубления значений коэффициентов ДКП, отвечающих за передачу
мелких деталей и контуров, без возникновения заметных для гла-
за искажений в изображении.
С этой целью производят процедуру квантования коэффициен-
тов ДКП блока на разное число уровней: коэффициенты, располо-
женные в левом верхнем углу блока, квантуются на максимально
большое число уровней (особенно это касается коэффициента F(0>q),
отвечающего за среднюю яркость блока); остальные коэффициенты
передаются с меньшей точностью, а значит, квантуются на меньшее
число уровней. Для тех же из них, что располагаются в правом
нижнем углу, шкала квантования может содержать всего несколько
уровней. Практическая реализация процесса квантования достига-
ется поэлементным делением матрицы коэффициентов ДКП на ма-
трицу квантования.
В приемном устройстве, прежде чем осуществить обратное дис-
кретно-косинусное преобразование для восстановления исходного
изображения, матрица ДКП умножается на матрицу квантования.
Эта операция называется деквантованием. Очевидно, что после де-
квантования возвратиться к исходному, неквантованному блоку ДКП
уже нельзя. Ошибки, возникающие от округления квантуемых вели-
чин, и связанные с ними искажения в изображении необратимы. От-
сюда вытекает необходимость отыскания таких матриц квантования,
которые не приводили бы к визуально заметным искажениям.
100
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
8 16 19 22 26 27 29 34
16 16 22 24 27 29 34 37
19 22 26 27 29 34 34 38
22 22 26 27 29 34 37 40
22 26 27 29 32 35 40 48
26 27 29 32 35 40 48 58
26 27 29 34 38 46 56 69
27 29 35 38 46 56 69 83
Рис. 5.9. Матрица взвешенного
квантования коэффициентов ДКП
156 1 0 0 0 0 0 0
-24 1 0 0 0 0 0 0
-17 -1 0 0 0 0 0 0
1 -2 0 0 0 0 0 0
7 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0
— 2 0 0 0 0 0 0 0
—2 0 0 0 0 0 0 0
Рис. 5.10. Значения коэффи-
циентов ДКП, полученные де-
лением матрицы рис. 5.8,6" на
матрицу квантования рис. 5.9
На рис. 5.9 приведена матрица квантования, используемая стан-
дартом MPEG. Учитывая, что значения большинства коэффициен-
тов ДКП в блоке весьма малы, деление их на числа, характеризу-
емые почти двумя порядками, приводит или к обнулению многих
коэффициентов, или к сильному их уменьшению (рис. 5.10). Это
в свою очередь позволит при передаче проквантованных значений
коэффициентов ДКП по каналу связи значительно уменьшить ско-
рость цифрового потока.
5.2.3. Кодирование коэффициентов
дискретно-косинусного преобразования
Следующим шагом после квантования коэффициентов ДКП яв-
ляется преобразование матрицы этих коэффициентов в одномерную
последовательность. Именно здесь окончательно реализуется про-
цесс устранения избыточности, подготовка к которому проводилась
на рассмотренных выше этапах ДКП и взвешенного квантования.
Данное преобразование предусматривает объединение коэффициен-
тов матрицы в определенные группы и применение затем так назы-
ваемого энтропийного кодирования.
Алгоритм группирования (упорядочивания) коэффициентов
ДКП существенно влияет на эффективность компрессии. Он заклю-
чается в том, что в процессе сканирования преобразуемой во вре-
менную последовательность чисел матрицы нулевые коэффициенты
объединяются в максимально длинные серии. Тогда их описание мо-
жет сводиться к лаконичной записи длины серии и ее местоположе-
ния в матрице. Одним из вариантов такого алгоритма группирова-
ния является зигзагообразное сканирование, при котором преобразо-
вание начинается с левого верхнего угла матрицы и заканчивается
в ее правом нижнем углу (рис. 5.11). Поскольку именно в правом
нижнем углу сосредоточено большинство нулевых коэффициентов,
такой порядок сканирования обеспечивает формирование наиболее
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
101
Рис. 5.11. Зигзаг-сканирование коэффици-
ентов ДКП
длинных серий нулей, а следовательно, и самую компактную фор-
му их передачи.
Полученная в результате сканирования последовательность чи-
сел подвергается упомянутому выше энтропийному кодированию или
кодированию с переменной длиной слова. Наиболее употребимым из
энтропийных кодов является код Хаффмана. Он основывается на
том, что коды символов, обладающих большей вероятностью, описы-
ваются меньшим числом бит, чем коды символов с меньшей вероятно-
стью. Как было показано, после взвешенного квантования матрицы
ДКП в последней преобладают числа с малыми амплитудами, и их
целесообразно кодировать короткими словами. Большие амплиту-
ды, характерные для левого верхнего угла матрицы, по сравнению с
другими значениями коэффициентов встречаются реже, и им можно
приписать символы с большим числом разрядов.
Эффективность энтропийного кода Хаффмана повышается так-
же за счет того, что не требуется разделителей между символами.
И хотя последние имеют различную битовую длину, они декодиру-
ются единственным образом.
5.2.4. Дифференциальная импульсно-кодовая
модуляция
Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ),
представляющая собой еще один из методов эффективного кодирова-
ния цифрового телевизионного сигнала, в основном применяется при
сокращении его временной избыточности. Как известно, в большин-
стве случаев содержание двух соседних во времени телевизионных
кадров мало отличается друг от друга. Отличие заключается толь-
ко в положении отдельных подвижных фрагментов изображения. В
основном же в этих кадрах содержится очень много одинаковых обла-
стей, информацию о которых многократно передавать нецелесообраз-
но. Можно ограничиться передачей значений только одного кадра,
а содержание последующих, используя статистические законы, пред-
сказать, т.е. вычислить на приемном конце системы.
Однако как бы ни были близки по содержанию соседние кадры,
как бы ни был совершенен их статистический анализ, предсказание
102
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
а) б)
Рис. 5.12. Структура системы ДИКМ:
а — кодер; 6— декодер; ап — текущее значение сигнала: ап — предсказанное
значение сигнала; (а„ — dn) — сигнал ошибки
может нести в себе ошибку. Эта ошибка для каждого элемента изо-
бражения обязательно учитывается и корректируется. Только при
этом условии на приемном конце системы воссоздается изображение,
соответствующее оригиналу.
Отсюда вытекает следующий принцип кодирования сигнала с
предсказанием: передача в каждом отсчете кодированной разности
между текущим истинным значением сигнала и предсказанным. Эту
разность называют ошибкой предсказания. Чем точнее сделано пред-
сказание, тем меньший объем данных будет содержаться в подлежа-
щем передаче разностном сигнале. Логично ожидать, что этот объем
будет меньше, чем в полном отсчете.
Чтобы сформировать необходимый для передачи сигнал ошиб-
ки предсказания, на передающем конце системы устанавливается
устройство предсказания и вычитающий каскад (рис. 5.12). На при-
емном конце системы исходный сигнал восстанавливается сложением
предсказанного и принятого сигнала ошибки предсказания. Устрой-
ства предсказания на обоих концах системы для правильного вос-
становления в приемнике исходных значений сигнала должны быть
одинаковыми.
Предсказание, применяемое в системе, может быть организова-
но различными способами и с разной степенью сложности. Однако
вполне хорошие результаты по глубине достигаемой компрессии ре-
ализуются весьма простым способом, когда в качестве сигнала пред-
сказания используются значения предыдущего кадра.
Статистические исследования показали, что свойства телевизи-
онного изображения, обусловленные межкадровыми связями, в це-
лом аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изо-
бражении. А коэффициенты корреляции в соседних кадрах получа-
ются зачастую даже большими, чем для соседних пикселей в одном
кадре [1G]. Отсюда следует вывод о целесообразности обработки раз-
ностного сигнала ДИКМ рассмотренными ранее способами для вну-
трикадровой обработки, к каковым относятся ДКП, взвешенное кван-
тование и энтропийное кодирование. В этом случае структура систе-
мы ДИКМ приобретает вид рис. 5.13 и работает следующим образом.
Для первого кадра из последовательности кадров, подлежащих
преобразованию, предсказание не может быть выполнено из-за отсут-
ствия каких-либо априорных сведений (отсутствия предшествующих
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
103
Рис. 5.13. Структура Д1/1КМ, совмещенная с процедурами ДКП и квантова-
ния: а—кодер; б—декодер
ему кадров). Поэтому предсказанные значения отсчетов для первого
кадра можно приравнять нулю, и тогда сигнал ошибки предсказа-
ния будет представлять собой непосредственно отсчеты этого перво-
го кадра. Следующее за вычитающим каскадом устройство осуще-
ствляет ДКП отсчетов первого кадра, т.е. выявляет в нем простран-
ственную избыточность. Дальнейшие процедуры над коэффициента-
ми ДКП описаны в предыдущих разделах (взвешенное квантование и
энтропийное кодирование). Компрессированный цифровой поток че-
рез соответствующие устройства передачи направляется в приемное
устройство (декодер), где осуществляются обратные операции.
Второй и последующие кадры передаются по алгоритму ДИКМ.
Для этого в кодере формируется сигнал предсказания. В качестве не-
го можно использовать отсчеты предыдущего кадра. Однако следует
отметить, что истинные значения предыдущего кадра, полученные
в кодере, например, задержкой на время кадра, не пригодны в каче-
стве предсказания. Дело в том, что предыдущий кадр, используемый
в качестве предсказания в декодере, отличается от своего истинно-
го значения, так как в процессе перечисленных выше преобразова-
ний он реконструируется в декодере с определенной погрешностью.
А поскольку предсказываемые значения на обоих концах системы
должны быть одинаковы, то формирование предсказания в кодере
проводится по тому же алгоритму, что и в декодере. С этой целью в
петлю обратной связи кодера, где формируется предсказание, вклю-
чается деквантователь и процессор обратного преобразования Фурье.
Энтропийное кодирование в общем случае не вносит ошибок, а зна-
чит, не влияет на формирование сигнала предсказания. Предсказа-
104
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
тель, таким образом, представляет собой задержку на время кадра
отсчетов, воспроизводимых на приемном конце системы.
Первый кадр рассмотренной преобразуемой последовательности
кадров называется опорным. Из него устранена только простран-
ственная избыточность. По сравнению с ним последующие кадры
компрессированы значительно сильнее. Как следствие, они менее
помехоустойчивы. Для поддержания необходимой помехоустойчиво-
сти системы и сведения к минимуму возможных сбоев в ее работе в
последовательность разностных сигналов ДИКМ периодически вре-
заются опорные кадры. Их периодичность в стандарте MPEG со-
ставляет около 0,5 с.
Разностный сигнал и сигнал опорного кадра после ДКП кванту-
ется по разным алгоритмам. Если для опорного кадра используется
рассмотренная в п. 5.2.2 матрица квантования для внутрикадрового
кодирования (см. рис. 5.9), то для разностного сигнала применяется
другая, более однородная матрица. Это объясняется тем, что раз-
ностный сигнал в основном несет информацию о небольших измене-
ниях в отдельных фрагментах изображения (в процессе их переме-
щения). И высокие частоты (коэффициенты ДКП правого нижнего
угла), ответственные за детализацию изображения, столь же важ-
ны, как и низкие. Конкретный вид матрицы в зависимости от сю-
жета может меняться, но по умолчанию используется однородная
матрица квантования с постоянным значением 16 для всех частот,
включая нулевую [17].
5.2.5. Компенсация движения в динамических
изображениях
Из принципа работы ДИКМ следует, что чем ближе по содержа-
нию соседние кадры, тем меньше в разностном сигнале информации,
а значит, тем эффективнее компрессия. Всякое изменение положе-
ния отдельных фрагментов изображения в результате их собственно-
го движения или перемещения передающей ТВ камеры снижает эф-
фективность кодирования. Сохранить эффективность работы ДИКМ
можно соответствующим анализом характера движения. Целью ана-
лиза является возможность установления соответствия между пре-
дыдущим по времени блоком изображения и блоком в текущем ка-
дре, смещенным в пространстве на координаты Дя, Д?/. Под соответ-
ствием понимается достижение максимально точного равенства ярко-
стей пикселей1 некоторого блока в текущем кадре яркостям пикселей
блока, найденного в предшествующем кадре:
+ Дх,2/+Д?/,£+At) (^’0
1 Пиксел — англоязычный синоним термина «элемент», получивший сейчас
широкое распространение в технической литературе (особенно в области цифро-
вой обработки изображений). В дальнейшем изложении могут использоваться
оба варианта.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
105
где Ъ — яркость пикселей; At — время между сравниваемыми ка-
драми.
Разницу в координатах (Ат, Ат/) этих двух блоков называют век-
тором движения. Нахождение вектора движения, другими слова-
ми, есть определение нового положения подвижного фрагмента изо-
бражения.
Под компенсацией движения понимается использование в каче-
стве предсказания блока из предшествующего (или последующего)
кадра, но при этом смещенного в плоскости изображения на вели-
чину вектора движения. Такое предсказание позволяет значительно
уменьшить ошибку предсказания по сравнению с обычной ДИКМ.
Это иллюстрируется рис. 5.14, где представлена последовательность
из трех кадров изображения с перемещающимся серым квадратом на
фоне гладкого белого фона (рис. 5.14,а).
Первый кадр bi в этой последовательности является опорным.
Как отмечалось, предсказание для него не делается (сигнал предска-
зания равен нулю для всего изображения), и он подвергается только
внутрикадровой компрессии. Предсказанием для второго кадра Ь%
является реконструируемый по алгоритму ДКП и взвешенного кван-
тования первый кадр bi. Ошибка предсказания для второго кадра в
обычной ДИКМ равна bo — bi, для третьего кадра — соответственно
6з — &2 и т.д. Для простоты следует пренебречь небольшой разницей
между истинными значениями отсчетов 61, Ьз,... и их реконстру-
ируемыми значениями 81, 82, 83,.... Тогда ошибки предсказания для
обычной ДИКМ будут иметь вид рис. 5.14,5, где черный фон соот-
ветствует нулевым значениям, а серый — остальному множеству от-
счетов. Если бы в предложенном примере движение отсутствовало,
то ошибка предсказания для второго и последующих кадров равня-
лась бы нулю для всего изображения. Именно такого результата для
данного примера с движущимся фрагментом изображения, а не ста-
тическим удается добиться в ДИКМ с компенсацией движения.
В этом случае предсказание для первого (опорного) кадра, как и
при обычной ДИКМ, равно нулю, а для второго и последующих ка-
дров соответственно — bi(х + Arci, у+Ат/i), Ь%(х + А#2, У + &У2)♦ Здесь
Axi, Ai/i, Ат2, А?/2 и т.д. — изменение координат движущегося фраг-
мента (векторы движения) в последовательности кадров (рис. 5.14,в).
В результате ошибка предсказания для приведенного примера с по-
движным фрагментом изображения в ДИКМ с компенсацией движе-
ния обращается в нуль для всего множества отсчетов изображения
(рис. 5.14,г), что иллюстрирует более эффективную компрессию.
При реализации компрессии с компенсацией движения сигнал
ошибки предсказания должен дополняться передачей данных о век-
торах движения. Последние, так же как и коэффициенты ДКП, ком-
прессируются использованием кодов переменной длины.
Абсолютное равенство в (5.7) может быть достигнуто только при
106
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
bi
Рис. 5.14. Сравнение обычной ДИКМ и ДИКМ с компенсацией движения:
а — исходная последовательность изображений; 6— ошибка предсказания при
обычной ДИКМ; в— предсказание с учетом вектора движения; г—ошибка пред-
сказания с компенсацией движения
выполнении следующих условий [16]: движение объекта в изображе-
нии исчерпывается только плоскопараллельным перемещением, его
яркость постоянна, градиент яркости фона равен нулю, и все объек-
ты в блоке движутся с постоянной скоростью. Именно этим условиям
отвечает пример изображения, приведенный на рис. 5.14, и соответ-
ственно предельно достижимый результат компрессии (сигнал ошиб-
ки в системе с компенсацией движения равен нулю). Нарушение пе-
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
107
речисленных выше условий уменьшает эффективность компрессии.
К возможным факторам, влияющим на эффективность кодиро-
вания, следует отнести и осложнения глобального порядка, когда
происходит резкое изменение сюжета (например, при коммутации од-
новременно работающих камер). При этом изменения в изображении
охватывают все пространство в кадре, и блоков, соответствующих
друг другу с удовлетворительной точностью, в смежных кадрах не
существует. Эффективность компрессии в таких экстремальных слу-
чаях может снижаться настолько, что целесообразно отказываться
от процедуры ДИКМ, и для таких изображений данные передавать
только на основе внутрикадровой компрессии. Решение о замене спо-
соба кодирования должно приниматься в кодере автоматически, пу-
тем оперативного анализа возможных результатов компрессии.
Самым трудоемким при реализации алгоритма компенсации дви-
жения является согласование блоков, т.е. нахождение блоков в разных
кадрах, наилучшим образом соответствующих условию (5.7). Для
этого текущий блок сравнивается со всеми блоками предыдущего ка-
дра в пределах некоторой области поиска: ±128 шагов (пикселей)
при точности определения вектора движения в один пиксель или ±64
шага при точности 1/2 пикселя.
Стандарт не ограничивает методы согласования, но наиболее
точным принято считать так называемый полный поиск (full search),
который сводится к расчету ошибки предсказания для всех возмож-
ных векторов и определению положения (т.е. нахождения Дт и Д?/)
блока с минимальной ошибкой (например, по среднеквадратическому
отклонению для всех отсчетов блока). Существуют и другие методы,
отличающиеся большей скоростью определения векторов движения,
но несколько меньшей точностью. К ним, в частности, относятся
логарифмический и телескопический методы [16, 17].
На рис. 5.15 приведена структурная схема эффективного кодиро-
вания, в котором сочетаются методы внутрикадровой и межкадровой
компрессии с компенсацией движения. Эта схема в значительной
степени упрощена, отражая последовательность выполнения толь-
ко самых основных преобразований. От структурной схемы обыч-
ной ДИКМ она отличается, во-первых, наличием устройства, про-
изводящего оценку движения и определяющего вектора движения
подвижных фрагментов. Во-вторых, предсказатель в этой системе
— не просто память для хранения предшествующих кадров, как это
было в обычной ДИКМ рис. 5.13. Это — устройство, которое при
формировании предсказания отыскивает из всего массива данных,
находящихся в его памяти, блок, согласованный с блоком текуще-
го кадра. Для этого в предсказатель заводятся данные о векторах
движения. Последние, как уже отмечалось, подвергаются энтропий-
ному кодированию и мультиплексируются в общий цифровой поток
с коэффициентами ДКП.
108
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
а)
б)
Рис. 5.15. Структурная схема эффективного кодирования на основе ДИКМ
с компенсацией движения:
а — кодер; 6 — декодер
Кроме того, в устройствах компрессии, предназначенных для ра-
боты в системах распределения сигналов телевизионного вещания,
требуется включение буферной памяти. Ее необходимость объясня-
ется следующими обстоятельствами. В зависимости от детальности
движения и характера передаваемого движения в существенной сте-
пени может меняться скорость цифрового потока на выходе блока
кодирования с переменной длиной. При возрастании в изображении
уровня высокочастотных компонентов, при быстро меняющихся сю-
жетах скорость потока данных на выходе компрессора возрастает.
Это возрастание может приводить к превышению возможностей ка-
нала передачи по его пропускной способности. Ограничение скорости
кодированного цифрового потока осуществляется реализацией обрат-
ной связи, в которую включена буферная память и квантователь.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
109
В буферную память записываются цифровые данные с перемен-
ной в зависимости от сюжета скоростью. Считывание из нее про-
изводится с фиксированной скоростью, согласованной с пропускной
способностью канала. При возможном переполнении буфера кванто-
ватель с помощью обратной связи переводится в режим квантования
с меньшим числом уровней (меняется матрица квантования). Как
следствие, уменьшаются по амплитуде квантованные значения от-
счетов, возрастает число их нулевых значений, и скорость цифрового
потока после энтропийного кодирования уменьшается. В результа-
те благодаря действию обратной связи степень заполнения буферной
памяти в среднем поддерживается постоянной. Конечно, изменение
масштаба квантования в зависимости от содержания изображения от-
ражается на качестве воспроизводимого изображения. В частности,
изменяется уровень шумов квантования.
5.2.6» Типы изображений
При межкадровом кодировании, основанном на временной избы-
точности, возможны различные способы предсказания. В зависимо-
сти от этого изображения в своей временной последовательности под-
разделяются на следующие типы:
• I (intra) — изображения, играющие роль опорных при восста-
новлении других изображений. Предсказание для них не фор-
мируется;
• Р (predicted) — изображения, кодируемые с предсказанием на
основе предыдущего I или Р изображения;
• В (bidirectionaly predicted) — изображения, кодируемые путем
двунаправленного предсказания на основе предыдущего и после-
дующего изображений типа I или Р.
Изображения объединяются в группы (GOP — Group of Pictures),
представляющие собой повторяемые серии из последовательности
изображений. Типичной является группа, содержащая двенадцать
изображений (рис. 5.16). Буквами на рисунке обозначается их тип,
а цифрами 0, 1, 2,... — порядок поступления этих изображений на
вход компрессора: (То, Bi, В2. Рз, В4. В5, Рб, В7, В8, Р9, Вю, Ви),
(Т12, В1з, В14,...), .... Порядок их обработки и передачи несколько
отличается: То, В3, Вь В2, Ре, В4, В5, Р9, В7, В8,Т12, Вю, Вц, Рю,- • •
Начинается группа с изображения типа Т, которое кодируется
независимо от других и подвергается только виутрикадровой ком-
прессии. Это изображение станет опорным для всех остальных один-
надцати изображений. Затем кодируется и передается кадр Р3. Он
подвергается процедуре ДИКМ с компенсацией движения и предска-
занием на основе первого кадра Tq. Очевидно, что глубина компрес-
сии этого изображения больше, поскольку здесь сокращена и про-
странственная, и временная избыточность. Затем кодируются кадры
Bi н /?2 путем двунаправленного предсказания в виде полусуммы
< мешенных фрагментов в кадрах То и Р3. Именно потому, что при
по
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
GOP
Рис. 5.16. Группа из двенадцати изображений: I — изображения
с внутрикадровым кодированием; Р— изображения с предсказани-
ем по предыдущему I или Р изображению; В — изображения с пред-
сказанием по предыдущему и последующему I или Р изображениям
их декодировании на приемном конце системы потребуются кадры
/0 и Р3, изменен порядок их передачи: кадры 1д и Рз передаются
раньше, чем Pi и Р^.
Изображения типа В компрессированы наиболее глубоко. Если
Р кадры требуют для своей передачи в три раза меньше битов, чем
I кадры, то в В изображениях число битов для большинства сюже-
тов в 2-5 раз меньше, чем в Р. Как следствие, страдает помехо-
устойчивость В кадров. Поэтому для защиты от возможных оши-
бок изображения В не используются для предсказания никаких дру-
гих изображений.
Дальнейший порядок кодирования и передачи изображений в
группе аналогичен описанному выше: Рд предсказывается на осно-
ве Рз; Рд — на основе Ре; В^, В5 — на основе Рз и Р6; В7 и В8
— на основе Pq и Рд и т.д.
В заключение следует отметить, что к какому бы типу не от-
носились изображения, передаваемые с предсказанием, внутри них
могут находиться фрагменты, которые целесообразно кодировать по
другому типу: например, в изображениях Р или В типа могут быть
макроблоки I типа. Решение о способе предсказания принимают-
ся кодером в зависимости от содержания изображения, влияющего
на степень «экономии» в передаче данных различными способами.
Если эта «экономия» оказывается незначительной, то предпочтение
отдается более точному кодированию по алгоритму обработки I изо-
бражения [17, 18].
5.3. Цифровая фильтрация телевизионного
сигнала
Одной из важных особенностей цифрового сигнала является воз-
можность различных преобразований над ним, что позволяет во мно-
гих случаях улучшить качество изображения, обогатить технологию
ТВ вещания, сделать более надежным и простым в эксплуатации обо-
рудование. Конечно, и в аналоговом телевидении, как будет видно
из дальнейших разделов, осуществляется разнообразная обработка
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
111
Рис. 5.17. Структурная схема устройства цифровой обработки ТВ сигнала
сигнала. Однако цифровые методы во многих случаях имеют пре-
имущества в точности, простоте алгоритма преобразования, в ком-
пактности оборудования.
Рассмотрим обобщенную структурную схему устройства обра-
ботки ТВ сигнала (рис. 5.17). В АЦП производятся известные опе-
рации дискретизации, квантования и кодирования. Скорость цифро-
вого потока ИКМ сигнала может быть весьма значительна, и для
того, чтобы процессор, осуществляющий обработку сигнала, позво-
лял работать в реальном масштабе времени, этот поток обычно рас-
пределяют на несколько параллельных каналов. В каждом из них
тактовая частота ниже тактовой частоты преобразованного в АЦП
сигнала в соответствии с числом каналов. Операция распараллели-
вания цифрового потока выполняется в демультиплексоре ДМ. Про-
цессор состоит из запоминающего устройства ЗУ, арифметического
устройства АУ и устройства управления УУ, согласующего работу
составных частей процессора. Арифметическое устройство, упра-
вляясь по заданной программе УУ, реализует совместно с ЗУ за-
данный алгоритм обработки, другими словами, выполняет цифровую
фильтрацию сигнала. Совокупность ЗУ и УУ обеспечивает требуе-
мые временные преобразования сигнала. Эти преобразования связа-
ны с требованием согласования во времени поступающего входного
сигнала с процессом обработки, с необходимостью устранения вре-
менных искажений во входном сигнале, с разнообразными задачами,
возникающими при создании спецэффектов, синхронизации источни-
ков сигнала и пр. Сигналы, снимаемые с параллельных каналов
процессора, объединяются в один цифровой поток в мультиплексоре
М. При необходимости обратного преобразования цифрового сигна-
ла в аналоговый после мультиплексора включают цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП).
Как таковая, цифровая фильтрация осуществляется в устрой-
стве, объединяющем в себе функции памяти отдельных отсчетов сиг-
нала и логических элементов, в которых выполняются арифметиче-
ские операции над этими отсчетами. Эту совокупность устройств
называют цифровыми фильтрами. Сама же фильтрация сводит-
ся к преобразованию последовательности отсчетов входного сигнала
то, .Т1, .т-2, --, в последовательность отсчетов выходного сигна-
ла //о, .71, 2/2>- ♦ •, Ут в соответствии с выбранным алгоритмом пре-
образования.
112
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
з)
б)
Рис. 5.18. Цифровые фильтры:
а — нерекурсивный; б— рекурсивный
От аналоговой фильтрации цифровая фильтрация сигнала от-
личается лишь способом физической реализации. К достоинствам
цифровой фильтрации относятся: высокая временная и температур-
ная стабильность характеристик, простота перестройки фильтра из-
менением частоты дискретизации, возможность повторения фильтра
с идентичными параметрами. Однако не во всех случаях техническая
реализация цифровых фильтров проще аналоговых: кроме того, ци-
фровая фильтрация может сопровождаться проявлением в изобра-
жении шумов квантования.
Различают рекурсивные (с обратной связью) и нерекурсивные (без
обратной связи) цифровые фильтры. При нерекурсивной фильтра-
ции (рис. 5.18,с) выходной сигнал в любой момент определяется как
сумма взвешенных предшествующих значений входного сигнала х^
.т / _ 1, т _ 2 ? • • • •
yi — a^Xi + ayXi-i + azXi-2 + ... + amxi^mi
где c0, c.j, ^2,..., am — коэффициенты передачи.
Более сложную структуру имеет рекурсивный фильтр (рис.
5.18,6). В нем выходной сигнал является функцией предшествующих
значений как входного, так и выходного сигнала:
Vi ~ o.qXi + a^Xi-i + ... + amXi-m 4- + ••• + bnyi-m.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения
113
Символ г"1 обозначает оператор задержки сигнала на один пери-
од дискретизации.
Процесс фильтрации сводится к операциям умножения и сложе-
ния. выполняемым с задержанными отсчетами сигнала с помощью
АУ и ЗУ. По заданной программе арифметическое устройство умно-
жает отсчеты сигнала па весовые коэффициенты и суммирует их. За-
поминающее устройство используется для хранения отсчетов сигна-
лов, весовых коэффициентов, интервалов временного сдвига, а также
команд программы обработки, управляющих АУ и ЗУ.
Цифровая фильтрация во многих случаях помогает улучшить
исходные параметры искаженного ТВ изображения, избирательно
подавляет шумовые составляющие в сигнале, эффективно коррек-
тирует апертурные искажения. Примеры использования цифровой
фильтрации для улучшения качества ТВ изображения даются в со-
ответствующих разделах учебника.
5.4. Временные преобразования цифровых
сигналов
Временными преобразованиями называют такие преобразования
над сигналом, при которых меняется положение на оси времени дис-
кретных отсчетов этого сигнала при сохранении их амплитудных
значений. Наряду с цифровой фильтрацией временные преобразо-
вания имеют значительное распространение в вещательном телеви-
дении. Так, широкое применение временные преобразования полу-
чили при коррекции временных искажений, возникающих в процессе
воспроизведения изображений в видеомагнитофонах. На основе вре-
менных преобразований строятся современные синхронизаторы ис-
точников сигналов, цифровые преобразователи телевизионных стан-
дартов, устройства видеоэффектов, системы с компонентной переда-
чей или записью сигналов цветного телевидения и др. Все эти вопро-
сы рассматриваются в соответствующих разделах учебника. Здесь
же целесообразно отметить только характерные особенности тех или
иных преобразований.
Временные преобразования цифрового сигнала реализуются в
устройстве цифровой обработки сигнала путем записи этого сигна-
ла в ЗУ и выборкой отдельных его значений из ЗУ в соответствии
с заданным алгоритмом преобразования. В результате сигнал будет
перенесен в необходимую временную область. При этом возможно
временные преобразования классифицировать на два вида: без из-
менения частотного спектра или небольшим его изменением и с за-
метным влиянием на спектр [19].
К первому виду можно отнести корректоры временных искаже-
нии и телевизионные синхронизаторы источников сигнала. В этих
устройствах время записи и время считывания строк изображения
114
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения
не отличаются или отличаются очень мало. Во втором виде преобра-
зований (характерном для систем с временным уплотнением сигна-
лов яркости и цветности, для устройств видеоэффектов, в какой-
то степени для преобразователей стандартов) эти интервалы вре-
мени могут значительно отличаться, что и приводит к изменению
частотного спектра.
Принципиально временные преобразования отличаются друг от
друга алгоритмом обращения к запоминающему устройству, кото-
рый в свою очередь определяется задачей преобразования. Алгоритм
преобразования обусловливает емкость запоминающего устройства.
Структура и объем ЗУ значительно усложняются при несинхронных
процессах записи и считывания.
В цифровых устройствах временного преобразования применя-
ют цифровые ЗУ двух типов — с последовательным и произволь-
ным доступом. При использовании ЗУ с последовательным досту-
пом запись и считывание происходят последовательно и отсутствует
возможность изменения порядка записи и считывания информации.
Для разделения процессов записи и считывания приходится в та-
ких устройствах увеличивать емкость ЗУ в 2-3 раза по отношению
к информационному объему преобразуемого фрагмента сигнала. За-
поминающие устройства с произвольным доступом позволяют обхо-
диться меньшей емкостью, поскольку в них реализуется считывание
записанной в них информации по любому заданному адресу. При-
мером такого ЗУ может служить запоминающее устройство в теле-
визионном синхронизаторе (см. гл. 9), в котором процессы записи и
считывания разделяются во времени путем регулируемой задержки
входного преобразуемого сигнала в зависимости от моментов считы-
вания выходного сигнала.
При временных преобразованиях с изменением спектра сигна-
ла процедура преобразования состоит в изменении параметров дис-
кретизации исходного сигнала, т.е. в изменении числа дискретных
значений, которыми представляется данный сигнал. Например, при
реализации видеоэффектов, связанных с изменением масштаба изо-
бражения, исходный дискретный сигнал должен быть преобразован
в выходной с другим шагом дискретизации.
Интервалы дискретизации во входном и выходном сигналах из-
меняют в зависимости от изменения масштаба изображения. При от-
сутствии отсчетов входного сигнала в точках расположения отсчетов
выходного сигнала их или заменяют ближайшими входными отсчета-
ми (если ошибка незаметна), или подвергают входной сигнал цифро-
вой фильтрации, восстанавливающей его значения в точках вторич-
ной дискретизации (например, выполнением интерполяции соседних
элементов входного сигнала).
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
СВЕТ-СИГНАЛ
И СИГНАЛ-СВЕТ
Глава 6
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
СВЕТ-СИГНАЛ
6.1. Датчики телевизионных сигналов и их
характеристики
Преобразователи оптических изображений в электрические сиг-
налы — датчики ТВ сигнала — преобразуют световую энергию, от-
раженную от объекта и спроецированную на фоточувствительную
поверхность преобразователя, в последовательность электрических
сигналов с определенными параметрами, обеспечивающими обратное
преобразование. Яркость спроецированного на фоточувствительную
поверхность оптического изображения является функцией не толь-
ко времени i, но и координат х, у в горизонтальном и вертикальном
направлениях. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать спо-
собностью преобразовывать значения яркостей отдельных элементов
изображения в электрический заряд. Для последовательного считы-
вания ТВ сигнала от отдельных элементов изображения в преобразо-
вателе одновременно с фотопроцессом осуществляется процесс раз-
вертки изображения. Закон развертки является одним из основных
параметров ТВ сигнала, обеспечивающих возможность его преобра-
зования в телевизионное изображение,
Датчики ТВ сигнала могут быть построены с использованием
оптико-механических систем развертки, систем бегущего луча, в ко-
торых развертка осуществляется бегущим световым лучом, элект-
ронно-лучевых трубок и твердотельных фотоэлектрических преобра-
зователей (ФЭП). Оптико-механические системы используются в фо-
тотелеграфии и при передаче неподвижных изображений. Системы
бегущего светового луча применяются в ТВ устройствах прикладно-
го назначения, объекты передачи которых могут быть изолированы
<S’;
116
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
от внешнего источника света. В современной телевизионной техни-
ке оптические изображения преобразуются в ТВ сигналы с помощью
электронно-лучевых передающих трубок и твердотельных ФЭП.
Качество ТВ изображения во многом определяется характери-
стиками фотоэлектрических преобразователей оптических изобра-
жений: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и
спектральной характеристиками, инерционностью.
Чувствительность передающей трубки — величина, обратная
освещенности фоточувствительной поверхности преобразователя, не-
обходимой для получения ТВ сигнала с заданным соотношением сиг-
нал/шум. В инженерной практике чувствительность фотоэлектри-
ческих преобразователей оценивают по минимальной освещенности
фоточувствительной поверхности (в люксах).
Разрешающая способность фотоэлектрического преобразователя
характеризует свойство генерировать ТВ сигнал от мелких деталей
изображения. О разрешающей способности можно судить по апертур-
ной характеристике фотоэлектрического преобразователя, которая
определяет связь между глубиной модуляции генерируемого сигнала
и размерами передаваемой детали изображения.
Световая характеристика — зависимость тока сигнала на выходе
преобразователя от освещенности его фоточувствительной поверхно-
сти гс — f(E). Она позволяет судить об интервале освещенности, в
котором способен работать данный фотопреобразователь.
Спектральная характеристика преобразователя ic = /(А) — за-
висимость ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фото-
чувствительную поверхность равноинтенсивного излучения. Требо-
вания к спектральной характеристике преобразователя определяют-
ся конкретным его назначением. При использовании преобразова-
теля в прикладных ТВ системах область его спектральной чувстви-
тельности может выходить за пределы видимого глазом спектраль-
ного интервала длин волн. Если преобразователь используется в
камерах вещательного телевидения, его спектральная чувствитель-
ность должна соответствовать спектральным свойствам зрительно-
го аппарата человека.
Инерционность — параметр, характеризующий запаздывание из-
менения ТВ сигнала на выходе ФЭП относительно изменения осве-
щенности его фоточувствительной поверхности. Проявляется она на
изображении в виде тянущегося следа и размывания границ дви-
жущихся объектов передачи. Инерционность оценивается значени-
ем остаточного сигнала относительно его максимального значения в
процентах спустя кадр после прекращения экспозиции.
Рассмоз’ренные характеристики позволяют выбрать ФЭП при
проектировании конкретных ТВ систем. Они определяются прин-
ципом построения ФЭП, их конструктивными особенностями, а так-
же типами фоточувствительных поверхностей, являющихся входным
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
117
элементом ФЭП. Работа фотонувствительных поверхностей основы-
вается на использовании внешнего и внутреннего фотоэффектов, в
основе которых лежит способность световых лучей освобождать в
каком-либо веществе электроны. При внешнем фотоэффекте освобо-
жденные электроны покидают облученное светом вещество, вылетая
в свободное пространство (фотоэлектронная эмиссия). При внутрен-
нем фотоэффекте освобожденные светом электроны остаются внутри
твердого тела, изменяя его проводимость (фотопроводимость).
В телевизионных передающих камерах вещательного назначения
преобразование свет-сигнал осуществляется электронно-лучевыми
трубками видиконного типа либо их твердотельными аналогами —
матрицами ПЗС, позволяющими существенно сократить габариты и
массу телевизионной камеры.
6.2. Видикон
Общие сведения. Идея создания передающей трубки с фото-
проводящей мишенью принадлежит А.А. Чернышову, который вы-
сказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких
трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны и
технологически освоены малоинерционные полупроводниковые фото-
чувствительные слои, изменяющие электрическую проводимость под
действием падающего светового потока. Это изменение проводимости
происходит в результате увеличения энергии отдельных электронов
вещества за счет поглощения энергии излучения и нарушения связи
этих электронов с ядром своего атома. При этом электроны не по-
кидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри
него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости, в резуль-
тате чего значительно изменяется сопротивление вещества. Возбу-
жденный светом электрон спустя некоторое время рекомбинирует —
возвращается в заполненную зону, скорость рекомбинации возрастает
по мере увеличения концентрации фотогенерированных электронов.
Поскольку скорость генерации носителей постоянна при неизменном
потоке излучения, а скорость рекомбинации возрастает, через опреде-
ленные промежутки времени интенсивность рекомбинации становит-
ся равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Насту-
пает равновесное состояние, характеризующееся стационарным зна-
чением проводимости. При прекращении освещения носители тока
рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраня-
ется еще спустя некоторое время. Это означает, что нарастание и
спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются про-
цессами инерционными.
Инерционность фотопроводника зависит от его химического со-
става, конструкции, а также от значения воздействующего иа фо-
то проводи и к светового потока. Фототок i, обусловленный внешним
118
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
фотоэффектом, связан с освещенностью Е:
i = кЕ0,
где к— коэффициент пропорциональности: /3 — величина, зависящая
от химического состава и конструкции фотопроводника, ее значение
обычно лежит в пределах 0,5...1.
Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрально-
го состава воздействующего излучения. Энергия светового излучения
hv должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной
зоны в зопу проводимости. Длина волны, при которой начинается
фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. По мере
уменьшения длин волн и соответственно увеличения hv излучение
воздействует на все большее число электронов заполненной зоны,
и фотоэффект усиливается. Конкретные спектральные характери-
стики фотопроводящих мишеней определяются свойствами вещества
слоя и конструктивными особенностями фотомишени.
Конструкция и принцип действия. Видикон отличается про-
стотой конструкции, небольшими размерами и массой и является вы-
соконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа видикон
(рис. 6.1,а) содержат два основных узла: фотомишень и электрон-
ный прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень 1
состоит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя предста-
вляет собой тонкий проводящий прозрачный слой золота, платины
или окиси олова, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной
пластины (планшайбы). Прозрачность сигнальной пластины превы-
шает 90 %. Поверхностное сопротивление 200 Ом-см. Выводом сиг-
нальной пластины служит металлическое кольцо, вваренное между
планшайбой и колбой трубки. На сигнальную пластину испарени-
ем в вакууме нанесен фотослой толщиной 1...3 мкм из материала,
обладающего фотопроводимостью, в качестве которого используют-
ся соединения сурьмы, селена, мышьяка, серы. Материал, из кото-
рого изготовлена мишень, а также его толщина определяют чувстви-
тельность, спектральную характеристику и инерционность видикона.
Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характе-
ристик, которыми должен обладать конкретный тип видикона, т.е.
от назначения цередающей трубки.
Электронно-оптическая система видикона содержит электрон-
ный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, поме-
щенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подо-
гревного катода 5, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5
анодов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой
осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча.
Потенциал выравнивающей сетки 6 в 1,5-2 раза превышает напряже-
ние второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей по-
верхности фотомишени под прямым углом. Это позволяет иметь рав-
номерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
119
Рис. 6.1. Видикон:
а — устройство трубки; б— эквивалентная схема мишени
всей поверхности мишени, что является одним из условий получения
равномерного сигнала по полю изображения. Фокусировка, отклоне-
ние и коррекция траектории развертывающего луча осуществляются
внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей
ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.
Процесс образования сигнала изображения в видиконе может
быть пояснен с помощью его эквивалентной схемы (рис. 6.1,6). На
этой схеме каждый элементарный участок фотопроводящей мишени
представлен в виде емкости Сэ, конденсатора, образованного элемен-
тами сигнальной пластины и правой стороны мишени. Емкость шун-
тирована резистором, сопротивление R3 которого изменяется в зави-
симости от освещенности этого участка. При проекции на мишень
трубки оптического изображения распределение освещенности на ее
поверхности вызовет соответствующее распределение сопротивлений,
т.е. рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф со-
противлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника мо-
жет быть очень велико (порядка 1012 Ом-см). При максимальном
освещении сопротивление мишени уменьшается примерно в 100 раз.
При «развертке» фотомишени коммутирующим (считывающим)
лучом ее поверхность приобретает потенциал, определяемый режи-
мом бомбардировки мишени. Трубка может работать в режиме ме-
дленных и быстрых электронов. Чаще используется режим медлен-
ных электронов. В режиме развертки медленными электронами по-
тенциал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммута-
ции потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддержива-
ется постоянным, поэтому «под лучом» элементарные конденсаторы
Сэ заряжаются до напряжения Ucn. При проекции на мишень опти-
ческого изображения сопротивления R3 шунтирующие элементарные
конденсаторы Сэ изменяются, так как R3 = f(E3), где Е3 — освещен-
ность элементарного участка. При этом наиболее освещенным эле-
ментам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наобо-
120
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
рот, темным участкам мишени — наибольшее сопротивление. В пери-
од между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы
Сэ разряжаются через резистор ГС, с постоянной времени тр = C3R3.
Чем сильнее освещен участок мишени, тем меньше и быстрее раз-
ряжается Сэ. При этом потенциал обкладок конденсаторов Сэ, обра-
щенных к лучу, увеличивается, приближаясь в пределе (в наиболее
освещенных участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины.
На неосвещенных участках мишени он остается практически равным
нулю. Таким образом, на поверхности мишени, обращенной к лучу,
создается потенциальный рельеф — распределение потенциалов, со-
ответствующее распределению освещенности по поверхности мишени.
Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохо-
ждении (коммутации) участков поверхности мишени электронным
лучом, выравнивающим потенциальный рельеф, образовавшийся на
правой стороне мишени. При этом на освещенных участках мишени,
имеющих более положительный потенциал, осаждается значитель-
ная часть электронов. А от неосвещенных участков поверхности ми-
шени, потенциал которых примерно равен нулю, электронный луч,
отразившись, возвращается обратно. Выравнивание потенциального
рельефа приводит к дозаряду элементарных конденсаторов Сэ. При-
чем ток дозаряда протекает в цепи сигнальной пластины через RH
и Сэ в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 6.1,6), и являет-
ся током сигнала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным
участкам мишени будут соответствовать разные токи дозаряда, кото-
рые, протекая через RH, при последовательной коммутации участков
мишени электронным лучом, образуют сигнал изображения.
Характеристики видикона. Спектральная характеристика
видикона определяется свойствами фотомишени. Имеются видико-
ны, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолето-
вому и рентгеновскому излучениям. Спектральные характеристики
некоторых типов видиконов изображены на рис. 6.2. Здесь S(A) —
спектральная чувствительность трубки, определяемая как отноше-
ние тока сигнала гс(Л) к его максимальному значению гс(Л)тах.
Световая характеристика видикона определяется зависимостью
фотопроводимости мишени от ее освещенности: R — f(E) и зарядом
элементарного конденсатора Сэ. Заряд при прочих равных услови-
ях зависит от напряжения на сигнальной пластине /7СП, в связи с
чем световые характеристики видикона обычно приводят для раз-
личных значений Ucn (рис. 6.3). Приведенные на рис. 6.3 характе-
ристики соответствуют максимальной чувствительности (при Z7Cni)?
средней чувствительности (С/Сп2) и минимальной чувствительности,
обычно используемой в телекинопроекции (С/спз)- И3 рисунка следу-
ет, что зависимость ic — f(E) для трубки видикон нелинейна, причем
нелинейность различна для различных напряжений на сигнальной
пластине. В приведенном примере у изменяется в пределах 0,6...0,8.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал
121
Рис. 6.2. Спектральные ха-
рактеристики видиконов:
1 — ЛИ-421; 2 — ЛИ-418; 3 —
ЛИ-426
Рис. 6.3. Световые характеристи-
ки видикона ЛИ -415 при различ-
ных напряжениях на сигнальной
пластине (C7cni > Ucn2 > Ucn3)
Световая характеристика видикона мало зависит от характера рас-
пределения освещенности на мишени и позволяет обеспечить высо-
кий контраст изображения.
Передача информации о средней яркости. При коммутации
мишени медленными электронами видикон воспроизводит информа-
цию о средней яркости изображения, так как уровень сигнала во вре-
мя обратного хода луча соответствует уровню черного. Действитель-
но, от неосвещенных участков мишени (при темновом сопротивлении
элемента R^T = оо) луч возвращается обратно и в цепи сигнальной
пластины ток отсутствует. То же происходит, когда электронный луч
заперт гасящим импульсом. Практически R3T оо, и конденсатор
Сэ при отсутствии света также несколько разряжается. Электрон-
ный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и создает
темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных мест изо-
бражения (уровень черного) несколько отличается от уровня гася-
щих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряжения
на сигнальной пластине и может быть неодинаков для разных участ-
ков мишени. Поэтому при выборе режима работы трубки стремятся
к обеспечению минимального темнового тока, что увеличивает рав-
номерность ТВ сигнала в целом.
Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме ком-
мутации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее
освещенным участкам фотомишени соответствует максимальный ток
сигнала, который, протекая по нагрузке RH (см. рис. 6.1,6), понижает
потенциал точки Л, с которой снимается сигнал изображения. Зна-
чит, увеличению освещенности соответствует уменьшение потенциа-
ла точки А, т.е. полярность сигнала отрицательна.
Разрешающая способность видикона характеризуется его апер-
турной характеристикой, которая определяется структурой, разме-
рами и конечным значением поверхностной проводимости фотомише-
ни. а также сечением коммутирующего (считывающего) луча. При
(•(пдаипи трубки основная задача состояла в получении наименьше-
122
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 6.4. Апертурная характеристика види-
кона ЛИ-421
го диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при
размере рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения лу-
ча не должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Слож-
ность технической реализации этих требований заставила разработ-
чиков на определенном этапе развития техники ТВ передающих при-
боров для увеличения разрешающей способности видикона увеличи-
вать диаметр его мишени до 40 мм. Дальнейшее совершенствова-
ние электронно-оптической системы видикона, установление жест-
ких допусков на изготовление и сборку отдельных деталей и все-
го электронно-оптического узла в целом решило задачу повышения
удельного разрешения трубки. Так, апертурная характеристика од-
ного из видиконов, рекомендованных разработчиками для ТВ веща-
ния (рис. 6.4), показывает, что на отметке 600 строк видикон обеспе-
чивает глубину модуляции сигнала изображения 20 %.
Высокое качество изображения обеспечивается при освещенно-
сти мишени трубки видикон в пределах 1...10 лк, что соответству-
ет максимальной и средней его чувствительности. Увеличение осве-
щенности фотомишени желательно также для уменьшения инерци-
онности трубки. Инерционность видикона является его недостатком,
который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тя-
нущегося за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и
снижения контраста. Обычно инерционность оценивается отношени-
ем (в процентах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения
экспозиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектри-
ческую и коммутационную составляющие инерционности.
Фотоэлектрическая составляющая инерционности обусловлена
физическими процессами в фотомишени. Она зависит от материа-
ла применяемого фотопроводника, количества примеси в нем, техно-
логии изготовления и уровня освещенности. Коммутационная соста-
вляющая инерционности обусловлена недостаточным значением тока
электронного пучка, в результате чего потенциальный рельеф фото-
мишени не успевает выравниваться за один цикл развертки. Умень-
шить коммутационную составляющую можно только уменьшением
емкости Сэ элементарного конденсатора, так как увеличение тока
луча приводит к ухудшению разрешающей способности трубки вслед-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
123
ствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. Инерци-
онность может быть существенно уменьшена при увеличении осве-
щенности мишени.
К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствитель-
ность, способность к передаче информации о постоянной составляю-
щей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эф-
фектом перераспределения электронов.
Промышленностью выпускается около тридцати модификаций
передающих трубок типа видикон с размерами диаметра колбы 13,6;
26,7; 30,4; 38,4 мм, которые благодаря простоте коммутации, малым
габаритам и высоким эксплуатационно-техническим параметрам ши-
роко применяются в прикладных телевизионных системах различно-
го назначения, а также используются в ТВ вещании для передачи ки-
нофильмов, где возможность обеспечения высокой освещенности по-
зволяет преодолеть основной недостаток видикона— инерционность.
6.3. Плюмбикон1
Широкому использованию видикона в аппаратуре вещательного
телевидения препятствует большая инерционность, значение которой
складывается из коммутационной и фотоэлектрической составляю-
щих. Уменьшение фотоэлектрической составляющей инерционности
может быть достигнуто путем использования в качестве материала
мишени веществ, обладающих низкой концентрацией ловушек, и со-
здания режима работы, обеспечивающего прохождение носителей то-
ка без рекомбинации. Для уменьшения коммутационной составля-
ющей инерционности, связанной с конечным временем перезарядки
элементарного конденсатора мишени Сэ, стремятся уменьшить его
емкость путем изменения геометрических параметров мишени, что
приводит к уменьшению времени дозаряда этого конденсатора.
Однако уменьшение емкости конденсатора Сэ приводит одновре-
менно к уменьшению постоянной времени его разряда т = C3Rb и для
сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым
сопротивлениям Яэ, постоянная времени разряда может оказаться
меньше длительности кадра, что приведет к неполному использо-
ванию эффекта накопления. Следовательно, уменьшение емкости
участка мишени должно сопровождаться одновременным увеличе-
нием сопротивления R3. При этом необходимо позаботиться о со-
хранении потенциального рельефа, определяемого отношениями мак-
симального и минимального значений элементарных сопротивлений,
т.е. соответственно этому изменить свойства мишени. Разумеется, из-
менение свойств мишени не должно сопровождаться увеличением фо-
1 Плюмбикон — название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свин-
ца (фирмы «Филлипс», Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпуска-
емой в России, — глетикон.
124
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 6.5. Плюмбикон:
а — устройство мишени; б — эквивалентная схема мишени
тоэлектрической составляющей инерционности. Упомянутые усло-
вия выполняются при замене фоторезистивной мишени мишенью фо-
тодиодного типа, имеющей электронно-дырочный p-i-n-переход. Это
обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое
сопротивление и близкую к линейной световую характеристику.
Мишень плюмбикоиа состоит из трех слоев и схематически изо-
бражена на рис. 6.5,с. Тонкая прозрачная сигнальная пластина 3
нанесена на стеклянную планшайбу 2 с внутренней стороны баллона
трубки и служит для вывода сигнала. На сигнальную пластину как
на подложку нанесен также тонкий прозрачный слой полупроводника
4 с проводимостью типа п. Далее идет слой 5, обладающий собствен-
ной проводимостью (типа г) и образующий основную толщину мише-
ни. Затем на поверхности мишени с помощью специальной обработки
создается слой 6 с проводимостью типа р. Слой 6 с проводимостью р
так же, как слой 4 с проводимостью п, получают легированием основ-
ного слоя 5. Слой 6 должен обладать более высокой, чем слой 5, про-
водимостью и быть достаточно тонким для предотвращения растека-
ния зарядов между участками мишени с различными потенциалами.
Сигнальная пластина и слой с проводимостью типа п прозрач-
ны для прохождения световых лучей. Слой i выполнен из химиче-
ски чистой окиси свинца с упорядоченной кристаллической структу-
рой. Кристаллы имеют пластинчатую форму с размерами примерно
0,1x3,0x0,05 мкм и ориентированы параллельно направлению свето-
вых лучей. Такая структура мишени позволяет существенно снизить
концентрацию ловушек, чем увеличивает скорость дрейфа и умень-
шает вероятность рекомбинации носителей тока. Благодаря этому, а
также высокой напряженности поля в слое i все носители тока про-
ходят сквозь него не рекомбинируя. Следовательно, структура слоя
i такова, что позволяет значительно увеличить толщину мишени, не
вызывая увеличения фотоэлектрической составляющей инерционно-
сти. Увеличение толщины мишени приводит, во-первых, к уменьше-
нию емкости, а значит, и к уменьшению коммутационной составляю-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
125
Рис. 6.6. Световая характери-
стика плюмбикона с дополни-
тельным считыванием перес-
веченных мест изображения
Рис. 6.7. Спектральная характери-
стика чувствительности плюмбикона
щей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению падаю-
щего на мишень света, что повышает чувствительность мишени.
Эквивалентная схема элементарного участка мишени плюмбико-
на представлена на рис. 6.5,6 Она отличается от схемы на рис. 6.1,6
включением фотодиода р-г-л типа. Из-за большой ширины запрещен-
ной зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока мала,
что существенно уменьшает темновой ток, а следовательно, увели-
чивает темновое сопротивление мишени Лэ.т. В момент коммутации
p-i-п переход смещается в обратном направлении, что дополнитель-
но увеличивает Яэ.т.
Повышенное рассеяние света вызывает образование ореолов и
бликов вокруг ярких деталей изображения. Для устранения этого
явления трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца снабже-
ны противоореольным стеклянным диском 1 (рис. 6.5,а) толщиной
около 6 мм, закрепленным на входном окне 2 с помощью оптиче-
ской склейки.
Световая характеристика плюмбикона линейна (рис. 6.6) в широ-
ком диапазоне освещенности (штриховая линия). Показатель нели-
нейности у для этой трубки лежит в пределах 0,95±0,05. Малый раз-
брос этого параметра указывает на высокую его воспроизводимость,
что является большим достоинством фотодиодной мишени при рабо-
те в многотрубочных камерах цветного телевидения (ЦТ).
Плюмбикон обеспечивает высококачественное изображение при
рабочей освещенности мишени 5...8 лк и, таким образом, несколько
уступает по этому параметру видикону. Плюмбикон обеспечивает
равномерную по полю разрешающую способность, равную 600 лини-
ям, при высоком отношении сигнал/помеха, достигающем 200:1. Ма-
лое значение темнового тока (0,5...3 нА) и его высокая равномерность
(1 %) обусловливают воспроизведение плюмбиконом уровня черного.
Существенным преимуществом плюмбикона перед видиконом яв-
ляется его малая инерционность. Остаточный сигнал спустя кадр
126
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
после выключения света не превышает 5 %. Для снижения инерци-
онности при передаче движущихся объектов с низким уровнем осве-
щенности применяется дополнительная подсветка мишени.
Спектральные характеристики плюмбикона приведены на
рис. 6.7. Кривая 1 характеризует спектральную чувствительность
трубки с нелигированной мишенью. Спад характеристик в длинно-
волновой части видимого спектра затрудняет использование труб-
ки с такой мишенью в «красном» канале многотрубочной камеры
цветного телевидения. Легирование окиси свинца серой способствует
смещению спектральной характеристики в длинноволновую область
(кривая 2). При этом мишень приобретает чувствительность и к не-
воспринимаемому глазом излучению ближней инфракрасной области
спектра. Для подавления излучения с длиной волны свыше 720 нм
на противоореольный диск трубки нанесен интерференционный све-
тофильтр с полосой пропускания в области 400...720 нм. Кривая 3
соответствует спектральной чувствительности такой трубки.
Линейная световая характеристика плюмбикона (см. рис. 6.6)
приводит к тому, что при освещенности мишени, превышающей рабо-
чую в 2-3 раза, потенциальный рельеф возрастает настолько, что ток
луча становится недостаточен для полной коммутации «пересвечен-
ных» участков мишени. При передаче движущихся объектов с повы-
шенной яркостью на экране возникают дефекты изображения в виде
тянущегося следа («хвосты кометы»). Для устранения этого дефек-
та в последних выпусках трубок (ЛИ-457, ЛИ-458) используется так
называемый антикометный прожектор, с помощью которого «перес-
веченные» участки мишени дополнительно считываются лучом с уве-
личенным током (100... 150 мкА) во время обратного хода по строке,
что обеспечивает полную коммутацию участков мишени с освещенно-
стью, более чем в 30 раз превышающей номинальную. В результате
такого дополнительного считывания световая характеристика плюм-
бикона получает характерный излом (см. рис. 6.6, сплошная линия).
Высокие показатели трубок с окисно-свинцовой мишенью в со-
четании с минимальной инерционностью и линейностью световой
характеристики сделали их наиболее подходящими отечественными
приборами для передающих камер ЦТ.
6.4. Твердотельные фотоэлектрические
преобразователи изображения
Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры тормози-
лась использованием в ней в качестве преобразователя свет — сигнал
электровакуумного прибора, обладающего достаточно большими га-,
баритами и сложной системой управления электронным лучом. В
связи с этим в течение многих лет велись широкие поисковые рабо-
ты в направлении безвакуумных анализирующих устройств — ана-
логов ТВ передающих электронно-лучевых трубок. Развитие твер-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
127
дотельной технологии, технологии тонкопленочных покрытий позво-
лило разработать твердотельные матричные фотоэлектрические пре-
образователи ФЭП изображения, состоящие из массива фоточувстви-
тельных элементов, расположенных в местах пересечения проводя-
щих шин. В качестве фоточувствительных элементов такой матри-
цы могут быть использованы фотосопротивления, фотодиоды, фото-
транзисторы с коммутацией фоточувствительных элементов в напра-
влении координат X и Y тонкопленочными сдвиговыми регистрами.
Фотогенерированные заряды в такой матрице собираются на об-
щую шину, емкость которой пропорциональна числу фоточувстви-
тельных элементов. Эта емкость, являясь одной из составляющих
входной емкости предварительного усиления камеры, ограничивает
достижимое отношение сигнал/шум на его выходе [23]. Следователь-
но, увеличение разрешающей способности такой матрицы приводит
к ухудшению отношения сигнал/шум, т.е. существовала альтерна-
тива: высокая разрешающая способность — малое отношение сиг-
нал/шум и наоборот. Кроме того, изображение, получаемое с таких
матриц, страдало наличием фиксированного геометрического шума в
виде большого количества вертикальных полос, устранение которого
являлось достаточно сложной задачей. Перечисленные недостатки
фоточувствительных матриц с координатной адресацией не позволи-
ли создать на их основе ФЭП с числом элементов разложения более
чем 256x256, а изобретение к этому времени прибора с зарядовой
связью (ПЗС) открыло новое направление работ по созданию твер-
дотельных ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим
стандарту телевизионного вещания.
В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства
структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структура), способ-
ной собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных
носителей в локализованных потенциальных ямах, образующихся
у поверхности полупроводника под действием электрического поля.
Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а
переносятся они путем управляемого перемещения потенциальных
ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как
аналоговый сдвиговый регистр, обладающий способностью собирать,
накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным досто-
инством ПЗС является принцип последовательного переноса зарядо-
вой информации от отдельных элементов матрицы к единственному
выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сигнал
изображения. Входная емкость такого устройства может не превы-
шать 0,1 пФ. В результате улучшается отношение сигнал/шум на
выходе предварительного усилителя, а следовательно, и предельная
чувствительность прибора. Все ячейки матрицы одинаково чувстви-
тельны к действию помех от тактовых импульсов. Поэтому геоме-
трический шум, возникающий от этих помех, легко компенсируется.
128
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Неосновные
носители
Основные
носители
Рис. 6.8. Конденсатор
МОП-структуры
Объясним принцип работы прибора с зарядовой связью. Основ-
ным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, одна из
обкладок которого — металлический электрод, вторая — полупро-
водниковая подложка (р- или n-проводимости). Диэлектриком явля-
ется окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде тонко-
го слоя на подложку. В изображенном на рис. 6.8 МОП-конденсаторе
в качестве полупроводника использован кремний дырочного типа
проводимости. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния тол-
щиной 0,1 мкм. В полупроводнике дырочного типа проводимости
основными носителями заряда являются дырки. При приложении
к металлическому электроду положительного потенциала основные
носители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с оки-
слом, будут отталкиваться от электрода и, покинув поверхностный
слой, отойдут в толщину полупроводника. Под электродами образу-
ется область, обедненная основными носителями, — потенциальная
яма, глубина которой зависит от приложенного напряжения (напря-
жение на затворе С7), степени легирования полупроводника, толщины
слоя окисла. Таким образом, выбирая значения напряжения затво-
ра, плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно
управлять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциаль-
ной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации неоснов-
ных носителей, так как в кремнии при данной температуре всегда
генерируются пары электрон-дырка, которые под действием элек-
трического поля разделяются: основные носители «отгоняются» в
толщину, а неосновные — накапливаются, заполняя постепенно по-
тенциальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенери-
рованных носителей является паразитным процессом. Время, необ-
ходимое для заполнения потенциальной ямы из-за термогенерации,
называется временем релаксации. Следовательно, промежуток вре-
мени, существенно меньший по сравнению со временем релаксации,
может быть использован для хранения в потенциальных ямах за-
рядовых пакетов, несущих информацию о значении полезного сиг-
нала, а МОП-конденсатор может служить элементом, запоминаю-
щим информацию, представленную зарядом потенциальной ямы. Та-
ким образом, максимальное время хранения зарядовой информации
zxpinax, а следовательно, и минимальная частота работы цифровых
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал
129
Рис. 6.9. Перенос зарядовых па-
кетов путем перемещения потенци-
алов электродов двух рядом рас-
положенных МОП-конденсаторов
+171 + 1/2
+171 +L72
и аналоговых устройств на ПЗС определяются процессами накопле-
ния паразитного заряда в потенциальной яме.
Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим пу-
тем или с помощью световой генерации. При световой генерации
фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к
накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. Нако-
пленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления.
Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположени-
ем МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга,
что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы со-
единяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет
накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма (рис. 6.9).
На металлические электроды расположенных рядом двух конденса-
торов поданы положительные потенциалы и П2. В начальный мо-
мент потенциал U\ > В образовавшуюся глубокую потенциаль-
ную яму левого конденсатора может быть помещена зарядовая ин-
формация (рис. 6.9,а). Затем потенциал левого электрода уменьшим,
а потенциал правого — увеличим. Тогда под правым электродом
образуется глубокая потенциальная яма, в которую перетечет заря-
довый пакет, помещенный ранее в потенциальную яму левого кон-
денсатора (рис. 6.9,6). Следовательно, изменяя определенным обра-
зом потенциалы на электродах близко расположенных конденсато-
ров, можно направленно перемещать накопленный зарядовый пакет.
Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на
примере трехфазного сдвигового регистра — устройства, состоящего
из цепочки МОП-конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют
по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора подключен к од-
ной из трех тактовых шин с фазами Ф1? Ф2, Фз, как показано на
рис. 6.10. Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек
МОП-конденсаторов. В течение первого такта работы (момент ti)
на электроды фазы Ф1 подано положительное напряжение U^. Под
этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых мо-
гут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными
носителями. Это может происходить как в результате воздействия
светового излучения — тогда заряды будут носителями полезной ин-
формации, так и вследствие паразитного процесса термогенерации.
При этом термогенерированные заряды составляют паразитную до-
бавку к информационному заряду и являются источником темново-
го тока, сигнала изображения.) Время хранения зарядов 1хр равно
9
130
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Ь\ U2 th U1 U2 U3 Ui и2
Ui th U2 Ui иг и2 иг иг
Рис. 6.10. Перемещение зарядовых па-
кетов в трехфазном сдвиговом регистре:
а — трехфазный регистр; б— идеаль-
ная тактовая диаграмма; в— реаль-
ная форма управляющих импульсов
времени действия напряжения U2, а режим работы ячейки под элек-
тродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В
момент t2 (второй такт) на электроды фазы Ф2 подается напряже-
ние (7з, значение которого превышает в 1,5.. .2 раза напряжение U2-
Это напряжение называется напряжением записи. Оно вызывает по-
явление под электродами фазы более глубоких потенциальных ям, в
которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Фр Ре-
жим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных
ям в другие, называется режимом записи. В момент (третий такт)
напряжение на электродах фазы уменьшится до значения £/2, соот-
ветствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы
Ф1 уменьшится от значения U2 до L/p что предотвращает возврат за-
рядового пакета под электроды фазы Фр Из рис. 6.10,а видно, что
перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так как под
электродами фазы Ф1 потенциал остается низким, равным U]. Такой
направленный перенос зарядовых пакетов является одним из досто-
инств трехтактных регистров. В регистрах, работающих по двухтакт-
ной схеме, направленный перенос зарядов приходится обеспечивать
усложнением структуры ПЗС.
Последовательность смены потенциалов на тактовых группах по-
казана на тактовой диаграмме (рис. 6.10,6), на которой форма упра-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
131
вляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Однако
для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импуль-
сы, подаваемые на электрод, должны перекрываться и иметь пологий
фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потен-
циальной ямы. Поэтому практически для управления используют
импульсы трапецеидальной формы (рис. 6.10,в). При этом остат-
ки заряда (последние носители) успевают перетечь в соседнюю по-
тенциальную яму, и в результате повысится эффективность пере-
носа заряда.
Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС де-
лятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумер-
ные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены
вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изо-
бражение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использо-
ваны при контроле за технологическими процессами производства,
при специальном анализе и анализе оптической плотности макро-
и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и
для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо
перемещение ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном
направлению строчной развертки.
Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным
сканированием по строке и кадру является матричный формирова-
тель сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординат-
ный массив светочувствительных элементов, в котором осуществля-
ется электронное сканирование по координатам х и у. При проек-
тировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос орга-
низации ее считывания.
Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые
пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а по-
рядок считывания информации — обычно соответствовать принято-
му телевизионному стандарту. При выборе способа организации счи-
тывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображе-
ния, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов че-
рез освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных
ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют.
По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на
матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным
переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом
заряда (СКП).
Матрицы ПЗС КП (рис. 6.11) включают в себя секцию накопле-
ния — фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая
защищена от света и равна по площади секции накопления, и один
или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров.
Во время активной части поля происходит накопление зарядо-
вых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего
132
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
регистр
Рис. 6.11. Способ организации
покадрового считывания
импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно пе-
реносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время
накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация
из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда
— сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляет-
ся во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем заря-
довые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к
выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображе-
ния. После считывания всей видеоинформации из секции хранения
начинается перенос следующего кадра.
Одним из основных достоинств покадрового считывания являет-
ся уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая
информация считывается из защищенной от света секции хранения
и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При
покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разло-
жение изображения, также проста электродная структура, что позво-
ляет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового
переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что
позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить бо-
лее равномерную характеристику спектральной чувствительности.
Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать
чересстрочное разложение изображения. Для этого в течение дли-
тельностей нечетных полей накопление производится под электрода-
ми Ф1, а в течение длительностей четных — под электродами фазы
Ф2. Во время обратного хода по полям зарядовая информация не-
четного поля переносится в секцию хранения (памяти). В период
следующего четного поля в режим накопления переводятся электро-
ды фазы Ф2, и в секции накопления начинается новый цикл рабо-
ты. В то же время из секции хранения последовательно, строка за
строкой, переносятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиго-
вый) регистр, который сдвигает элементы строки один за другим к
выходному устройству. Перенос зарядов отдельных строк из секции
памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода
строчной развертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное
устройство — во время прямого хода строчной развертки.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
133
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос
зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три
приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) пере-
нос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового
регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число перено-
сов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным
оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным —
для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов
для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой
организации считывания по трехтактной схеме сдвига число перено-
сов А^тах = 2 х 3z + 2?г, где z — число строк; п — число элементов
в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число
переносов по кадру, а второй — число переносов вдоль строки.
Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не пол-
ностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках, су-
ществующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при опре-
деленной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и
появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда г накла-
дывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и пол-
ное число переносов, которые можно совершить без существенного
разрушения сигнала; г — относительная величина и характеризует
часть заряда, отставшую от пакета на один перенос. Умножив е на
число переносов в приборе N, получим результирующую неэффек-
тивность переноса Ns всего прибора.
Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение
смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тя-
нущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляет-
ся из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотопри-
емной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фото-
приемную секцию.
Для уменьшения величины смаза изображения были разработа-
ны матрицы со строчным переносом зарядов (рис. 6.12), в которых
область накопления образована вертикальными столбцами светочув-
ствительных элементов, между которыми помещены защищенные от
света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра
в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые паке-
ты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно пере-
носятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во
время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из верти-
кальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (вы-
ходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент
происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод
зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устрой-
ство — за время прямого хода строчной развертки. Полное освобо-
ждение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит
за. время кадра.
134
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Вертикальные сдвиговые регистры
(выходной) регистр устройство
Рис. 6.12. Матрица со строч-
ным переносом зарядов
Вертикальные сдвиговые регистры
(выходной) регистр устройство
Рис. 6.13. Матрица со строчно-
кадровым переносом зарядов
Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП
заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры пе-
реносятся: в нечетных полях — из нечетных ячеек, а в четных по-
лях — из четных ячеек.
Величина смаза изображения в матрицах ПЗС СП существенно
меньше, чем в ПЗС КП. Однако при наличии на объекте ярко осве-
щенной детали, уровень смаза оказывается заметен. В матрицах ПЗС
СП он обусловлен попаданием части наклонно падающего света под
алюминиевый экран над вертикальным ПЗС регистром. Это пара-
зитная засветка значительно меньше, чем в матрицах ПЗС КП, но
время ее действия существенно больше и равно длительности поля.
В трехматричных камерах вещательного назначения необходи-
мо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспе-
чения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС
со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП
(рис. 6.13) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 6.12) наличием в
них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля.
Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в
секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты
строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько
же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц
ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и
высокой стоимости производства.
Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне
освещенности линейна (рис. 6.14). Точка 1 соответствует выходно-
му сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, об-
условленный в большой степени термогенерацией неосновных носи-
телей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы,
т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителя-
ми. Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными па-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал
135
Рис. 6.14. Световая харак-
теристика матрицы ПЗС
Рис. 6.15. Спектральная ха-
рактеристика матрицы ПЗС
раметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого
ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора.
Спектральная чувствительность матричного формирователя
(рис. 6.15) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад
в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 7), который обусловлен
сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на по-
лупроводниковую подложку поликремниевыми электродами. Для
повышения чувствительности в этой области спектра в поликремни-
евых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет пример-
но 15...20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента.
Это подняло чувствительность матрицы на длине волны Л = 0,4 мкм
до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном
телевидении. Разрешающая способность определяется числом эле-
ментов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой
четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920.
Матрицы ПЗС СП широко используются в бытовых одноматрич-
ных телевизионных камерах. Камеры вещательного телевидения ра-
ботают на матрицах ПЗС СКП, обладающих более высокими све-
тотехническими параметрами.
Глава 7
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
СИГНАЛ-СВЕТ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Преобразователи электрических сигналов в оптическое изобра-
жение — устройства воспроизведения ТВ изображения — могут быть
разделены на устройства прямого наблюдения и проекционные. Наи-
более распространены устройства прямого наблюдения — монохром-
ные и цветные электронно-лучевые приемные трубки — кинеско-
136
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
пы. Они обеспечивают получение ТВ изображения площадью до
0,25...0,5 м2, предназначенного для просмотра небольшим числом
зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует увеличения
размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков ква-
дратных метров. Для этого используются проекционные воспроизво-
дящие устройства: высокояркие проекционные кинескопы, лазерные
проекторы и светоклапанные системы.
Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам вос-
произведения ТВ изображения, являются: необходимые размеры
экрана, достаточная яркость, способность к созданию изображения с
высоким контрастом, высокая разрешающая способность, позволяю-
щая различать наиболее мелкие детали изображения, а также разме-
ры воспроизводящих устройств, стабильность их характеристик и т.д.
7.1. Кинескопы черно-белого телевидения
Кинескоп — приемная электронно-лучевая трубка с люмино-
форным экраном, преобразующая мгновенные значения ТВ сигна-
ла в последовательность световых импульсов, совокупность которых
образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинеско-
пе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение
изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону
развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения.
По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в
которых изображение создается непосредственно на экране, и про-
екционные. Последние используются для проекции изображения на
большой экран и в системах бегущего светового луча. Наиболее ши-
роко распространены кинескопы прямого наблюдения. Они приме-
няются в индивидуальных ТВ приемниках, в промышленных теле-
визионных устройствах ПТУ, видоискателях передающих телевизи-
онных камер и др.
Устройство кинескопа схематически изображено на рис. 7.1,а.
Основными частями являются: стеклянная колба 8, электронно-
оптическая система 2, формирующая электронный луч, и люмино-
форный экран. На горловине кинескопа помещается отклоняющая
Рис. 7.1. Кине-
скоп черно-белого
телевидения
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
137
система 3, с помощью которой формируется магнитное поле, обес-
печивающее перемещение электронного луча в процессе развертки
изображения.
Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тон-
кой пленкой алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы поме-
щен электронный прожектор 2. Второй анод прожектора соединен с
проводящим покрытием нанесенным на внутреннюю поверхность
колбы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а
остальных электродов — через цоколь 1.
7.2. Электронный прожектор
Электронным прожектором называется конструктивный узел
электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электро-
дов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление
плотностью электронов луча. Электронный прожектор должен сфор-
мировать электронный луч с током в несколько сот микроампер и
диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также обес-
печить возможность модуляции тока луча сигналом изображения.
Причем для получения изображения с требуемой контрастностью
при приемлемых уровнях модулирующего сигнала прожектор дол-
жен обладать достаточно крутой модуляционной характеристикой.
Электронный луч может быть сфокусирован с помощью электромаг-
нитных или электростатических полей. Преобладающая часть совре-
менных кинескопов имеет электронный прожектор с электростатиче-
ской фокусировкой, которая не требует увеличения габаритов откло-
няющих систем за счет размещения в их корпусе фокусирующей ка-
тушки, дополнительного увеличения мощности источников питания,
менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна
во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки.
Конструктивно электронный прожектор представляет собой си-
стему цилиндрических электродов (см. рис. 7.1,6) и состоит из по-
догревателя 7, термокатода 2, модулятора <9, ускоряющего электро-
да фокусирующего электрода 5, второго анода 6. Построенный
по такой схеме прожектор называется пентодным. Применение пен-
тодного прожектора в кинескопе позволяет ослабить влияние изме-
нения потенциала ускоряющего электрода на качество фокусиров-
ки электронного луча.
Большинство прожекторов современных кинескопов строят по
двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электрон-
ного луча осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объ-
ектива и в поле главной фокусирующей линзы.
Иммерсионный объектив (рис. 7.2) образуют: термокатод 7, мо-
дулятор 2 и ускоряющий электрод 3. Благодаря высокой разно-
сти потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (Uy =
138
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
б)
Рис. 7.2. Фокусировка электронного луча:
а — выход электронов из прожектора; б— двухлинзовая оптическая система
= 500...800 В) и малому расстоянию между этими электродами в зо-
не иммерсионного объектива создается большая напряженность элек-
трического поля, конфигурация сечения эквипотенциальных поверх-
ностей которого на рис. 7.2,а обозначена штриховыми линиями. Эми-
тируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерси-
онного объектива (рис. 7.2,а, б) и собираются в плоскости его фокуса
в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером. Диаметр
кроссовера (Кр) оказывается значительно меньше диаметра той ча-
сти катода, с которой электроны попадают в отверстие модулятора.
После кроссовера пучок электронов снова расходится и попадает в
фокусирующее поле главной фокусирующей линзы, которая перено-
сит изображение кроссовера в плоскость экрана. При этом сечение
пучка в плоскости экрана имеет размер кроссовера. Таким образом,
использование двухлинзовой оптической схемы (рис. 7.2,6) позволя-
ет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча
с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эми-
тирующей поверхности катода.
7.3. Экраны кинескопов
Для преобразования сигнала в световое изображение использу-
ется явление люминесценции, заключающееся в способности атомов,
молекул и ионов некоторых веществ испускать свет при переходе из
состояния с повышенной энергией (возбужденное состояние) в состо-
яние с меньшей энергией. Вещества, обладающие такой способно-
стью, называются люминофорами (lumen — свет (лат.), phonos —
несущий (греч.)).
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
139
Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано
электрическим полем или током, при этом возникает электролюми-
несценция. Вещества, обладающие свойством электролюминесцен-
ции, называются электролюминофорами.
В телевидении используется катодолюминесценция — свечение,
вызванное ударами быстролетящих электронов. Бомбардировка лю-
минофора быстрыми электронами приводит его в возбужденное со-
стояние, при котором электроны атомов люминофора оказываются
переведенными на более высокие энергетические уровни внешних ор-
бит. Возвращаясь с внешних орбит на прежние уровни, электроны
излучают кванты света.
Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, предста-
вляют собой кристаллические вещества различного химического со-
става. Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цин-
ка, кадмия, магния, кальция, активированные различными металла-
ми. Активацией добиваются повышения эффективности и необходи-
мого спектрального состава излучения. Электрооптические характе-
ристики люминофорных экранов зависят от химического состава ве-
щества люминофора, технологии его нанесения и условий возбужде-
ния. Химический состав люминофора обозначается обычными сим-
волами. На первом месте — основное вещество, затем (в скобках) —
активатор. Например, сульфид цинка, активированный медью, запи-
сывается как ZnS (Си), а активированный серебром — как ZnS (Ag).
Важнейшими характеристиками экрана являются цвет свечения,
инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяет-
ся типом выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кине-
скопов используется люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфи-
да цинка (активированного серебром и цинком) и сульфида кадмия
(активированного серебром): ZnS (AgZn) 47 %; CDS (Ag) 53 %. Спек-
тральная характеристика излучения данной смеси имеет два мак-
симума (рис. 7.3, сплошная линия). Первый максимум находится
в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а
второй — совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия),
что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора
БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой темпе-
ратуре 9700 К.
Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа явля-
ется его инерционность, определяющая длительности возгорания и
послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофо-
ра достаточно мала. Основным параметром инерционности люми-
нофора является длительность послесвечения , в течение которой
яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения по-
сле прекращения возбуждения люминофора (рис. 7.4, сплошная кри-
вая). Длительность послесвечения является существенным параме-
тром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых при-
боров различного назначения.
140
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 7.3. Спектральные ха-
рактеристики люминофо-
ра черно-белых кинескопов
Рис. 7.4. Характеристика по-
слесвечения люминофора
Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длитель-
ность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изо-
бражения. Требование это становится очевидным, если вспомнить,
что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Таль-
бота (см. гл. 22) как
1 [т
•^ВИЗ — J 7/(t) ^5
где L(t) — функция изменения яркости элемента изображения во вре-
мени, которой в данном случае соответствует кривая, характеризу-
ющая возгорание и затухание люминофора; Т — период повторения
световых импульсов, равный времени передачи кадра.
Если L(i) аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 7.4,
штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то
ТВиз — 0,5—- Z/max + 0,5—-Lmax,
I К -I к
т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых —
яркостей элемента при возгорании люминофора и при его затухании.
Учитывая, что тъ/Тк = 1/N, где N — число элементов в кадре (для
вещательного телевизионного стандарта N = 0,5 • 106), а Тпс/Тк — 1,
можем записать Лвиз = 0,25 • 10“6Lmax + 0,5Lmax.
Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется
послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвече-
ния для приемных телевизионных трубок Тпс желательно иметь рав-
ной длительности кадра Тк. Увеличение длительности послесвече-
ния приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене
кадров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения неже-
лательно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображе-
ния движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдуще-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
141
го кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если
остаточный сигнал не превышает 5 %. Более жесткие требования
предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих
в системе бегущего луча. Люминофоры их экрана должны иметь ма-
лую длительность послесвечения, не превышающую время коммута-
ции одного элемента изображения (около 7,7 • 10-8 с). Такое жесткое
требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация
элементов изображения осуществляется не электронным, а световым
лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усили-
теля (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке,
промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом
отражения или пропускания передаваемого элемента изображения.
При Тпс > сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яр-
костью пятна передаваемого элемента изображения, но и яркостями
соседних, уже ^коммутированных элементов, что приведет к потере
четкости и контрастности мелких деталей изображения. Так как по-
лучить необходимую длительность послесвечения для экранов, излу-
чающих в видимом диапазоне, не удается, в трактах передачи систем
с бегущим лучом предусматривается схема коррекции послесвечения.
Эффективность преобразования энергии электронов луча в све-
товое излучение характеризуется светоотдачей экрана к, определя-
емой отношением силы света 7, кд, излучаемой экраном, к мощности
Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электро-
нов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изме-
няться от десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт.
Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эм-
пирической зависимостью
I = kUu2-uQy\ (7.1)
где к — светоотдача; 1Л — ток луча; и2 — напряжение второго анода
кинескопа; uq — пороговое напряжение второго анода, при котором
происходит возбуждение люминофора.
Для современных люминофорных экранов uq = 1...2 кВ; п —
показатель степени, определяемый физическими свойствами люми-
нофоров и условиями его возбуждения. При токе луча 1Л — 100... 150
мкА и ускоряющем напряжении 10 кВ п = 1.
Современные кинескопы работают при и2 = 12...18 кВ и более,
поэтому напряжение ио < и2 и им можно пренебречь. Принимая
п = 1, с достаточной для практики точностью можно считать, что
сила света
I — к1ли2 = кР^у (7.2)
где Рл — мощность электронного луча.
При принятых условиях светоотдача к оказывается постоянной
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
величиной. Поэтому сила света 7, а следовательно, и яркость экрана
— I / ^эк — ^эк
(,9ЭК — площадь экрана кинескопа, м2) могут быть увеличены повы-
шением мощности электронного луча Ра. Поскольку увеличение тока
луча свыше 100... 150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яр-
кость экрана увеличивают повышением ускоряющего напряжения W2-
Потенциал экрана необходимо принудительно поддерживать равным
потенциалу второго анода кинескопа (для черно-белых кинескопов
12...18 кВ, для цветных 25 кВ).
Для выполнения этого условия на слой люминофора наносится
проводящее покрытие, электрически соединенное со вторым анодом
прожектора. Это позволяет эффективно отводить вторичные элек-
троны с экрана кинескопа, обеспечивая необходимую яркость экра-
на. Таким образом, экран современного кинескопа представляет со-
бой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Лю-
минофор, в свою очередь, покрывают пленкой алюминия толщиной
0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люми-
нофором и вторым анодом прожектора. Пленка практически про-
зрачна для электронов луча, которые при ускоряющих напряже-
ниях свыше 8... 10 кВ беспрепятственно проникают на люминофор
и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для световых лу-
чей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает
световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана бо-
лее чем в 1,5 раза.
Кроме увеличения эффективности металлизированный экран по-
зволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при уст-
ранении подсветки экрана от внутренних стекол колбы, деталей элек-
тронного прожектора и соседних участков, расположенных на сфе-
рической поверхности. Он также предохраняет люминофор от бом-
бардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходи-
мость введения в электронный прожектор ионных ловушек.
Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изо-
бражения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что
часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения
люминофора (рис. 7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана труб-
ки, па границе стекло-воздух отражается обратно, освещая соседние
с точкой участий (рис. 7.5 точка Г). В результате ярко светящая-
ся точка экрана оказывается окруженной менее ярким кольцом —
ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для уве-
личения контраста изображения экран колбы современного кинеско-
па изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным
фильтром. Такое стекло называют дымчатым, контрастным, про-
тивоореольпым.
Ослабление ореол а происходит за счет поглощения части све-
ча в толще экрана колбы. Прямой световой луч Д от светящейся
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
143
Рис. 7.5. Влияние дымчатого сте-
кла на контраст мелких деталей
точки люминофора проходит путь АБ (рис. 7.5), а световой луч вред-
ной подсветки вызванной явлением ореола, проходит более длин-
ный путь АБВГД и поглощается значительно больше. Использова-
ние противоореольного стекла увеличивает контраст мелких дета-
лей примерно в 15 раз.
Промышленностью выпускается большая номенклатура кине-
скопов с диагональю экрана 6... 71 см. Гостированное условное обо-
значение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов,
например 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ
экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характери-
зует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения
экрана — белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указыва-
ет на то, что кинескоп цветной.
7.4. Кинескопы цветного телевидения
Общие сведения. Для получения цветного изображения в боль-
шинстве современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных
устройств используется один электровакуумный прибор — цветной
кинескоп, в котором цветные изображения формируются из трех цве-
тоделенным методом пространственного смешения цветов. В боль-
шинстве разработанных кинескопов используется трехрастровая си-
стема, при которой на экране кинескопа формируются три одно-
цветных растра — красный, зеленый и синий, совмещенные с до-
статочной степенью точности друг с другом. Трехрастровая система
предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов
и трех люминофорных групп, спектральное излучение которых со-
ответствует красному, зеленому и синему цветам. Разделение цве-
тов, т.е. обеспечение правильного попадания каждого из лучей на
люминофорные элементы экрана «своего» цвета, обеспечивается с
помощью теневой маски. Такие кинескопы часто называют масоч-
ными. По способу расположения прожекторов кинескопы делятся
на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные
группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и
144
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 7.6. Кинескоп с компланарной оптикой и щелевой маской:
1 — электронные прожекторы; 2 — щелевая маска; 3 — экран с люминофорным
покрытием
на компланарные с расположением прожекторов в одной плоскости
и линейчатыми люминофорными группами.
Кинескоп с дельтавидным расположением электронных прожек-
торов и мозаичным люминофорным экраном имеет существенные не-
достатки, основным из которых является сложная система совмеще-
ния трех растров и малая прозрачность теневой маски, лимитирую-
щей увеличение яркости экрана кинескопа. По этой причине совре-
менные телевизионные приемники и мониторы комплектуют кине-
скопами с компланарным расположением электронных прожекторов
и линейчатой структурой люминофорного экрана.
Масочный кинескоп с компланарным расположением
прожекторов. Схематическое изображение масочного кинескопа с
компланарным расположением электронных прожекторов предста-
влено на рис. 7.6,а. Особенностью его устройства является располо-
жение осей всех трех электронных прожекторов 1 в одной плоскости,
причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинеско-
па, а оси двух других зеленых прожекторов повернуты к оси кине-
скопа на угол 1,5°. Экран кинескопа представляет собой сферу из
стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность
которой нанесены чередующиеся по цвету люминофорные полоски
трех цветов: красного, зеленого и синего (рис. 7.6,6). Так же как в
монохромном кинескопе, люминофоры покрыты тонкой алюминиевой
пленкой, соединенной со вторым анодом. Для направления электрон-
ных лучей на «свои» люминофорные полоски используется теневая
маска (рис. 7.6,в), изготовленная из листовой стали, форма которой
практически повторяет форму экрана. В маске вырезаны вертикаль-
ные прорези — щели, которые имеют горизонтальные перемычки,
увеличивающие ее механическую прочность. •
Принцип попадания электронных лучей на «свои» люминофор-
ные полоски заключается в том, что три электронных, луча, напра-
вленные из трех прожекторов, пересекаются в одной точке, геоме-
трическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя
сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные полоски.
Для осуществления этого принципа взаимное расположение прожек-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
145
торов, их наклон к оси кинескопа, расстояние от центра отклонения
электронных лучей до теневой маски и от теневой маски до экрана
должны быть связаны определенными геометрическими отношения-
ми [24]. Точность попадания электронных лучей на свои люмино-
форные зерна зависит от точности реализации этого соотношения,
т.е. от механической точности изготовления кинескопа. Недостаточ-
ная точность реализации приводит к нарушению правильности по-
падания лучей, что вызывает следующие для цветного кинескопа
искажения изображений:
1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием элек-
тронного луча частично или полностью на «чужие» люминофорные
зерна, которое возникает при боковом смещении или наклоне блока
электронных прожекторов относительно оси кинескопа, неправиль-
ным положением отклоняющей системы относительно экрана кине-
скопа, а также под влиянием внешних магнитных полей, в частно-
сти магнитного поля Земли. Коррекция нарушений частоты света
производится с помощью кольцевых магнитов, расположенных в гор-
ловине кинескопа.
2. Несовмещение изображений от растров, обусловленное попа-
данием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в
соседние и в отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, ко-
торое возникает при неточном изготовлении или сборке электронных
прожекторов. Коррекция этого вида искажений, т.е. обеспечение по-
падания трех неотклоненных электронных лучей в одну группу лю-
минофорных полосок (триад), называется статическим сведением
лучей. Она производится с помощью изображения сетчатого поля
поворотом вокруг оси кинескопа кольцевых четырехполюсных и ше-
стиполюсных магнитов, помещенных на горловине кинескопа.
3. Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от цен-
тра к краю экрана, обусловленное следующими причинами:
• смещение двух электронных прожекторов (красного и синего) от-
носительно оси кинескопа и их наклон на угол 1,5° приводят к
появлению на экране кинескопа смещенных друг относительно
друга трапецеидальных растров (рис. 7.6,г);
• геометрическое место пересечения трех лучей при их отклоне-
нии находится на поверхности сферы, радиус кривизны которой
определен углом наклона прожекторов и значительно меньше ра-
диуса кривизны экрана; поэтому при отклонении от центра к пе-
рифирии экрана электронные лучи будут достигать плоскости
маски в виде расходящихся пучков и попадать на люминофор-
ные зерна разных триад [24].
Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению
динамического сведения лучей, коррекция которого осуществляет-
ся методом самосведения лучей. Принцип самосведения заключает-
ся в следующем: в компланарном кинескопе отклонение трех лучей
К)
146
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
в равномерном магнитном поле приводит к расслоению вертикаль-
ных линии слева и справа (рис. 7.6,г). Такое расслоение может быть
скорректировано с помощью неравномерного магнитного поля, обла-
дающего астигматизмом при отклонении пучка электронов. Астиг-
матизм, как известно, проявляется в том, что сечение пучка элек-
тронов при его отклонении от центра экрана становится не круглым,
а эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована
в направлении отклонения (положительный астигматизм) или пер-
пендикулярно к нему (отрицательный астигматизм). Такое измене-
ние формы сечения электронного луча при отклонении можно рас-
сматривать как сближение крайних нитей пучка, образующих вытя-
нутую часть его сечения (эллипса). Аналогичное явление происхо-
дит с электронными лучами синего и красного прожекторов, которые
при отклонении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом,
сближаются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав задан-
ную степень астигматизма, можно полностью скомпенсировать рас-
совмещение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компла-
нарных кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в
центре экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их
в неравномерном поле, обладающем заданным астигматизмом. Тре-
буемое поле создается подбором формы и плотности распределения
витков катушек отклоняющих систем.
В системе с самосведением изображения с требуемой точностью
могут быть совмещены лишь при условии прецизионного выполнения
электронно-оптического узла трубки и точной повторяемости кон-
фигурации магнитного поля отклоняющих систем. Для выполнения
этого требования блок прожектора должен быть выполнен в виде еди-
ного конструктивного узла, а сам кинескоп выпускается в комплекте
с закрепленной к горловине отклоняющей системой, положение кото-
рой предварительно тщательно юстируется для получения оптималь-
ных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом, ис-
пользуемым при настройке комплекса кинескоп — отклоняющая си-
стема, является магнитостатическое устройство, включающее в себя
магниты чистоты цвета и статического сведения, установленные на
горловине кинескопа позади отклоняющей системы. Оптимальное
положение регулирующих элементов подбирается и фиксируется на
заводе-изготовителе комплекса кинескоп — отклоняющая система и
в дальнейшем процессе эксплуатации не регулируется.
Основные преимущества кинескопа с комланарным расположе-
нием прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключается
в следующем:
1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости
делает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает ме-
ханизм динамического сведения лучей, так как средний луч (обычно
зеленый) направлен вдоль оси кинескопа и дает симметричный отно-
сительно осей экрана растр, не требующий сведения. Растры, полу-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
147
ченные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать
с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении.
2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как ще-
левая маска обладает более высокой прозрачностью для возбужда-
ющих люминофорный экран электронов, чем маска, имеющая кру-
глые отверстия.
3. Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на «чу-
жую» люминофорную полосу может попадать только в одном (гори-
зонтальном) направлении. По этой же причине на чистоту цвета в
компланарных кинескопах значительно меньшее влияние оказывает
магнитное поле Земли, конкретно - только ее вертикальная соста-
вляющая, сдвигающая луч в горизонтальном направлении.
4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу
самосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и
схемы статического и динамического сведения.
7.5. Жидкокристаллические и плазменные
экраны
Общие сведения. С момента появления электронного телеви-
дения основным элементом, осуществляющим развертку, был элек-
тронный луч, а само изображение воспроизводилось на экране кине-
скопа. Максимально угол отклонения электронного луча в кинескопе
110°, в связи с чем увеличение размеров изображения приводило к
значительному увеличению габаритов воспроизводящего устройства
— телевизора или монитора. Поэтому в течение многих лет и в на-
стоящее время идут упорные поиски идей и конструкций, позволя-
ющих наблюдать изображение на плоском экране воспроизводяще-
го устройства, что позволяло найти практическую реализацию вос-
производящим устройствам на жидких кристаллах и плоским плаз-
менным экранам.
Жидкокристаллические воспроизводящие устройства.
Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называе-
мых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и мо-
дуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сиг-
нал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), мо-
дулирующий световой поток от внешнего источника одновременно
по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием мо-
дулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент
отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становит-
ся носителем промежуточного изображения (аналогичного по своим
оптическим свойствам изображению диапозитива). При этом свето-
вой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в
соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пик-
селей ПМС).
К)1
148
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении по-
ляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществля-
ют деления изображения путем поляризации световых пучков во вза-
имно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает толь-
ко ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции ко-
торой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости по-
ляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид бу-
дет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией све-
та. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на
пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Откры-
тие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под дей-
ствием электростатического или электромагнитного поля позволили
создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность кото-
рого меняется под действием приложенного напряжения.
Основными элементами модулятора света являются два скре-
щенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристалли-
ческая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой мо-
жет регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модуля-
тора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляриза-
ции (рис. 7.7). Принцип работы жидкокристаллического экрана по-
ясняет рис. 7.8. Экран состоит из нескольких слоев, основными из
которых являются две стеклянные пластины 5, на которых нанесены
полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя за-
зор, который заполняется жидким кристаллом Полосковые решет-
ки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электро-
дов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых
определяет угол поворота поляризации, а следовательно, и прозрач-
ность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин
располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляриза-
ции которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую
пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вер-
тикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация
потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в
телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключа-
ет с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного
вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осу-
ществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.
Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покры-
вают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых со-
ответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских
телевизоров и мониторов работают на просвет. Поэтому обязатель-
ным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки.
Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экра-
на, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требовани-
ем к световому потоку, входящем у в ЖК ячейку, является его малая
расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет
149
Рис. 7.7. Зависимость интенсив-
ности света на выходе электронно-
оптического модулятора от угла
поворота плоскости поляризации
Скрещенные электроды
\4777777777//7//77/Л\
Я1111Ш11111Ш1Ш11
'777777777777777777Л
Рис. 7.8. Конструкция ЖК
электронно-оптического модулятора
света:
1 — поляризатор; 2— полос-
ковые электроды; 3 — стеклян-
ные пластины; 4 — жидкий кри-
сталл; 5— поляризатор-анализатор
поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект
просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность вос-
производимого изображения. Необходимость направленного светово-
го излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране восприни-
мается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10... 15°
относительно нормали к экрану). Отклонение от заданных углов на-
блюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана.
Модуляционная характеристика ЖК ячейки (см. рис. 7.7) су-
щественно нелинейна, что заметно снижает число воспроизводимых
градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячей-
ку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей
форму модуляционной характеристики ячейки.
ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопны-
ми, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление
энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024x768 точек, высокая
яркость (200...250 кд/м2) и контрастность 300:1, отсутствие геоме-
трических искажений, отсутствие искажения растров и их мелька-
ния. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах,
карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях
бытовых и профессиональных видеокамер.
Плоские плазменные экраны. Сравнительно небольшие раз-
меры жидкокристаллических экранов и ограниченный угол наблюде-
150
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
ния стимулировали разработку плазменных плоских экранов (пане-
лей). Работа плазменной панели основана на свечении люминофоров
экрана панели под воздействием ультрафиолетовых лучей, возника-
ющих при электрическом разряде в плазме (разреженном газе). Кон-
структивный элемент, формирующий отдельную точку изображения
— пиксель, включает в себя три субпикселя, излучающих три основ-
ных цвета RGB. Каждый субпиксель представляет собой отдельную
микрокамеру, заполненную разреженным газом, на стенках которой
нанесены люминофоры одного из трех основных цветов. Пиксели
расположены в точках пересечения прозрачных разрядных электро-
дов, образующих прямоугольную сетку (матрицу). Кроме разрядных
электродов каждый пиксель снабжен третьим — адресным электро-
дом. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, до-
статочное для поддержания разряда, но меньшее, чем напряжение
зажигания. На адресный электрод подается импульс, размах кото-
рого достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Во время разряда воз-
никает мощное ультрафиолетовое излучение, возбуждающее находя-
щийся на стенках ячейки люминофор. При этом электроны атомов
люминофора оказываются переведенными на более высокие энерге-
тические уровни внешних орбит. При возвращении с внешних орбит
на прежние уровни электроны излучают кванты света в соответству-
ющем данному люминофору красном, зеленом или синем участке ви-
димого спектра излучения. Так происходит преобразование ультра-
фиолетового излучения в видимую часть спектра.
Коммутационная система плазменной панели с поэлементной
тактовой частотой переключает потенциалы на адресные электроды
и со строчной частотой — на разрядные электроды. Интенсивность
излучения трех люминофоров пикселя определяется длительностью
подаваемых на адресные электроды импульсов, поэтому амплитуда
сигналов трех основных цветов Ur. Ug. Ub предварительно модули-
руются методами широтно-импульсной модуляции.
Прогресс в развитии плазменных панелей идет необычайно бы-
стро. Свидетельство тому выпускаемые плазменные телевизоры с
размером экрана по диагонали 127 см. Разрешающая способность
экрана 1366x768 пиксель. Яркость 400...500 кд/м2. Контраст 3000:1.
Число воспроизводимых цветов 16 ♦ 106. Существенным недостат-
ком плазменных телевизоров является высокая потребляемая мощ-
ность и масса.
7.6. Проекционные системы
Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения
является увеличение размеров воспроизводящего экрана. Большой
экран позволяет осуществлять коллективный просмотр ТВ передач
в домах отдыха, клубах, санаториях или специально созданных теа-
трах. Он широко используется при проведении конференций и пре-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет
151
Рис. 7.9. Оптическая схема про-
екционной системы с жидкокри-
сталлическим модулятором света:
1 — источник света; 2— оптический кон-
денсатор; 3 — отражающие зеркала;
4 — дихроические зеркала; 5 — кон-
денсорная система; 6— поляризатор;
7— ЖК панель; 8— поляризатор-
анализатор; 9—дихроическая приз-
ма; 10— проекционный объектив
зентаций, в прикладных ТВ системах, например, для имитации окру-
жающей обстановки в телевизионных тренажерах, а также при сле-
жении за работой и управлении космическими летательными аппа-
ратами. Телевизионное изображение увеличенного размера оказы-
вает существенно большее эмоциональное воздействие на зрителя,
усиливает эффект присутствия при наблюдении демонстрируемых
событий. Потребность в увеличении экрана, безусловно, возрастет
в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк
разложения.
В настоящее время для получения ТВ изображения на большом
экране широко используется проекционные светоклапанные систе-
мы, в которых свет от внешнего источника модулируется простран-
ственным модулятором света (ПМС). В ПМС под действием моду-
лирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент от-
ражения модулирующей среды. Интенсивность излучения, а следо-
вательно, и яркость экрана таких систем определяются лишь мощ-
ностью внешнего источника. В большинстве проекционных свето-
клапанных систем в качестве ПМС используется жидкокристалли-
ческая ячейка (см. § 7.5).
Оптическая схема проекционной системы с жидкокристалличе-
скими модуляторами света представлена на рис. 7.9. Световой поток,
создаваемый высокоэффективной лампой 7, проходит конденсорную
систему 2, компенсирующую спад светового потока от центра к пе-
риферии. Далее с помощью нормальных 3 и дихроических 4 зеркал
световой поток разделяется на три спектральных составляющих R.
G и В первичных цветов. Разделенные световые потоки посредством
коиденсорной системы 5 направляются на соответствующую панель
ЖК, каждая из которых представляет собой пакет из двух скрещен-
ных поляризаторов (входного и выходного поляризатора-анализатора
Л’) и помещенных между ними ЖК ячеек 7. ЖК панели расположены
па. минимальном расстоянии от дихроической призмы 9. суммирую-
152
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
щей модулированные по интенсивности световые потоки первичных
цветов и направляющей их в проекционный объектив 10.
Ячейки ЖК панелей образуют матрицу, степень прозрачности
каждого пикселя которой определяется дополнительной поляриза-
цией ЖК ячейки. Величина дополнительной поляризации является
функцией приложенного к данному пикселю напряжения.
Использование поляроидной сепарации в оптической ЖК пане-
ли приводит к 50 % потери света на входных поляризаторах, про-
пускающих только полезную Р составляющую линейного поляризо-
ванного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло)
ортогональную S-составляющую. Поэтому в современных высокоэф-
фективных проекторах применяются конверторы поляризации, пре-
образующие составляющую S светового потока в Р [25].
Появление новых термостойких ЖК панелей, модулирующих
при пропускании или отражении световой поток от мощного источ-
ника света, обусловило создание компактных видеопроекционных си-
стем. Изображение, получаемое с помощью таких систем, обладает
высокой разрешающей способностью — 1280x1024 и более и контрас-
том 300:1. Яркость изображения зависит от размеров экрана и зна-
чения светового потока, излучаемого проектором, который в лучших
образцах достигает 2000 лм.
Глава 8
РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
8.1. Отклонение электронного луча
Отклоняющая система. Развертка изображений в ТВ устрой-
ствах осуществляется отклонением электронного луча по определен-
ному закону. Электронный луч может быть отклонен с помощью как
изменяющихся электрического (используются отклоняющие пласти-
ны), так и электромагнитного (используются отклоняющие катуш-
ки индуктивности) полей. При линейно-строчном законе развертки
на отклоняющие пластины подается отклоняющее пилообразное на-
пряжение, а в отклоняющих катушках создается отклоняющий пи-
лообразный ток.
На заре развития электронного телевидения применялись оба
способа отклонения электронного луча. Однако по мере увеличения
размеров экрана кинескопа и увеличения угла отклонения стала вид-
на непригодность отклонения электронного луча в кинескопе элек-
трическим полем. В этом случае предельный угол отклонения, при
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
153
Рис. 8.1. Отклоне-
ние электронного
луча в электронно-
лучевой трубке
Рис. 8.2. Зависимость отклонения луча от откло-
няющего тока
котором еще можно считать дефокусировку луча допустимой, соста-
вляет не более 30°. Для больших экранов современных телевизоров
угол отклонения электронного луча в кинескопах достигает 110° и
более. Электромагнитное отклонение электронного луча в кинеско-
пе позволяет получать указанные углы отклонения без существенной
дефокусировки электронного луча. При отклонении электрическим
полем для размера экрана 67 см длина колбы кинескопа составляет
123 см, а при отклонении электромагнитным полем 24 см, т.е.
выигрыш почти 5 раз.
При отклонении электронного луча электрическим полем необ-
ходимо на отклоняющие пластины подавать напряжение, составляю-
щее примерно одну треть от напряжения на главном аноде, которое
в современных кинескопах равно 16... 25 кВ. При этом отклоняющее
напряжение должно быть 5.. .8 кВ, что достигнуть трудно и нецеле-
сообразно экономически. В связи с чем в кинескопах современных
телевизоров используется исключительно электромагнитное откло-
нение электронного луча. Для электромагнитного отклонения лу-
ча на ЭЛТ устанавливается отклоняющая система (рис. 8.2, слева
изображено равномерное магнитное поле в сечении отклоняющей си-
стемы), создающая магнитное поле, которое отклоняет электронный
луч так, чтобы он перемещался ио поверхности экрана (мишени) в
соответствии с требуемым законом развертки. Закон развертки опре-
деляет изменение во времени напряженности отклоняющего поля и
тем самым изменение тока, протекающего по катушкам отклоняю-
щей системы и создающего указанное поле. Объясним воздействие
магнитного поля на электронный луч.
При отклонении электронного луча равномерным электромаг-
нитным нолем траектория движения электронов имеет вид окруж-
154
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
ности с радиусом
R = ^-y/2mUa/e,
11
где Ua — напряжение на втором аноде; т и е — масса и заряд элек-
трона: Н — напряженность магнитного поля.
Перемещение луча в плоскости экрана у = Ltga (рис. 8.2). Из
подобия треугольников О АВ и СЕР следует, что
/о = Я/р
R y/2(m/e)Ua’
(8.1)
ИЛИ
у — L tg arcsin
Hip
y/2(m/e)Ua’
(8-2)
где L — расстояние от центра отклоняющего поля до экрана; 1$ —
длина отклоняющего поля.
Анализ выражения (8.2) показывает, что при линейном переме-
щении луча напряженность поля должна изменяться во времени по
сложному закону. Это особенно важно учитывать при построении
развертывающих устройств для кинескопов с углом отклонения боль-
ше или равным 90° и плоским экраном.
Рассмотрим характерные геометрические искажения, возникаю-
щие на плоском экране при таких углах отклонения. Как видно из
рис. 8.2, отклонение луча растет быстрее (см. рис. 8.1, сплошная кри-
вая), чем отклоняющий ток; появляются симметричные геометриче-
ские искажения растра, т.е. края растра получаются растянутыми.
Чтобы уменьшить эти искажения, необходимо добиваться неравно-
мерности воздействия на луч отклоняющего поля внутри горловины
кинескопа, что достигается либо соответствующей динамической кор-
рекцией формы тока отклонения (S-коррекция), либо рациональным
размещением витков кадровых катушек (КК) и строчных катушек
(СК) (рис. 8.3,а) по сечению.
Связь между напряженностью магнитного поля Н и числом
ампер-витков геи, создающих это поле, определяется интегралом Ам-
пера:
/яШ = 0,4тггщ. (8.3)
Интегрирование ведется по замкнутому контуру I. Для данного слу-
чая I — замкнутая силовая линия (рис. 8.3,а), причем число ампер-
витков определяется произведением тока, протекающего в катушках,
на число витков, расположенных внутри контура I. Магнитный сер-
дечник (на рис. 8.3,а не показан) имеет магнитную проницаемость, в
сотни раз большую, чем магнитная проницаемость вакуума, поэтому
и напряженность магнитного поля в сердечнике оказывается в сотни
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
155
Рис. 8.3. Поперечное сечение отклоняющей катушки:
а — создание отклоняющего магнитного поля; б — упрощенный вид пары седло-
видных катушек
раз меньшей. Это позволяет при вычислении интеграла (8.3) прене-
бречь той его частью, которая относится к участку силовой линии,
находящейся внутри сердечника. Кроме того, при линейном законе
развертки на участке силовой линии внутри горловины трубки по-
ле должно быть равномерным, т.е. напряженность поля Н = const
в любой точке горловины. Поэтому
$Н dl Н j dl = Hd sin tp = 0,4тгга^,
откуда
Hd .
W - sm
0,4тг
где d — диаметр горловины трубки.
Для силовой линии, проходящей по диаметру горловины, т.е. при
<р — 90°, полное число ампер-витков пары отклоняющих катушек
шп = Я(й/0,47г). (8.4)
Подставляя значение Н из (8.4) в (8.1) и зная заряд и массу элек-
трона, получаем
= 2,7^sina\/77a. (8.5)
f'O
Таким образом, полное число ампер-витков отклоняющей систе-
мы пропорционально синусу угла отклонения электронного луча.
С достаточной для практических расчетов точностью индуктив-
ность пары отклоняющих катушек, Гн,
Ln = 1ош^ 10-8. (8.6)
156
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Для увеличения чувствительности к отклонению, т.е. получения
заданного угла отклонения возможно меньшим числом ампер-витков,
колбы кинескопов с большим углом отклонения (110°) должны иметь
плавный переход от горловины к раструбу. Для этого часть отклоня-
ющих катушек необходимо располагать в месте этого перехода. Та-
ким образом, увеличивается электрическая длина катушки, и соглас-
но (8.5) необходимое число отклоняющих ампер-витков может быть
уменьшено. При этом уменьшаются искажения изображения на пе-
риферии экрана за счет краевых эффектов и затенения.
Выведенные соотношения (8.2) и (8.5) основываются на предпо-
ложении, что магнитное поле отклоняющей системы однородно и от-
клоняющий ток линейно изменяется в течение прямого хода разверт-
ки. Однако, изменив распределение магнитного поля, сделав его не-
однородным, можно получить другие результаты.
При неоднородности магнитного поля возникают подушкообраз-
ные либо бочкообразные искажения. Следовательно, можно, подби-
рая характер неоднородности поля в горловине кинескопа, компен-
сировать искажения, вносимые плоским экраном кинескопа. Тре-
буемая для компенсации искажений кинескопа неоднородность поля
создается изменением распределения витков в сечении отклоняющей
катушки. Как видно из рис. 8.3,а, для получения равномерного поля
распределение плотности витков по сечению отклоняющей катушки
должно быть неодинаково. Если для получения равномерного поля
распределение плотности витков по сечению должно соответствовать
косинусоидальному закону (зависимость от угла <р), то для компенса-
ции искажений необходимо, чтобы распределение витков происходи-
ло по закону cos2(/? или cos3<р. Однако введение неоднородных полей
для компенсации геометрических искажений приводит к некоторо-
му ухудшению фокусировки луча на краях вследствие астигматизма
поля. Поэтому часто для черно-белых кинескопов принимают та-
кое распределение витков, чтобы добиться хорошей фокусировки, а
корректировку поля осуществляют одной или двумя парами вспомо-
гательных постоянных магнитов, смонтированных в передней части
отклоняющей системы, прилегающей к колбе кинескопа.
Эффективным способом борьбы с искажениями от плоского экра-
на кинескопа является подбор специальной формы отклоняющего то-
ка, обеспечивающей требуемое отклонение луча по всему растру. В
черно-белых кинескопах для этой цели применяется S-коррекция то-
ка отклонения в выходных каскадах генераторов, а в цветных теле-
визорах кроме S-коррекции тока отклонения используется взаимная
перекрестная модуляция отклоняющих токов, о чем будет сказано
в следующих разделах.
При конструировании отклоняющей системы необходимо обеспе-
чить минимальное значение отклоняющего тока для получения за-
данных размеров изображения, создать хорошую фокусировку луча
в пределах всего ноля изображения, избежать подушкообразных и
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
157
других геометрических искажений. При этом конструкция должна
быть простой, габариты, масса и стоимость — малыми.
Современная конструкция отклоняющей системы широкоуголь-
ного кинескопа выполнена на тороидальном панцире из феррита,
имеющем раскрыв по форме перехода от горловины к раструбу кине-
скопа. Внутрь тора вложена пара катушек СК седловидной формы
(см. рис. 8.3,6), плотно прилегающих к стеклу колбы. В окнах этой
пары катушек (ортогонально) размещаются две встречно включен-
ные КК, намотанные непосредственно на торе ферритового панци-
ря. При таком исполнении отклоняющая система получается очень
компактной и с минимальными потерями в меди КК, однако с от-
носительно большой реактивностью, что необходимо учитывать при
конструировании генераторов кадровой развертки.
К конструкции отклоняющих систем для цветных масочных ки-
нескопов предъявляется ряд дополнительных требований по сравне-
нию с отклоняющими системами для черно-белых кинескопов. В них
следует обеспечить такое сведение лучей при отклонении, которое
позволило бы осуществить необходимое динамическое сведение лу-
чей по полю экрана, чистоту цвета изображения на экране при со-
блюдении жестких допусков на электрические и конструктивные па-
раметры.
Для сравнения отклоняющих систем вводится понятие эффек-
тивности и электрической прочности. Эффективность отклоняющих
систем характеризуется максимальной энергией магнитного поля, не-
обходимой для полного отклонения лучей:
1) по горизонтали СК
Жтр = LPzmmj2U&,
где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; L — результирую-
щая индуктивность, Гн; U& — ускоряющее напряжение на втором
аноде кинескопа, кВ;
2) по вертикали КК
И/каДр=Л/2тах/1/а)
где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; R — результирую-
щее активное сопротивление, Ом.
Отклоняющие системы цветного телевидения обычно работают
при напряжении на втором аноде кинескопа 25 кВ, а отклоняющие
системы черно-белого телевидения — при напряжении 16 кВ. В ре-
зультате этого при одинаковых углах отклонения и диаметрах горло-
вины кинескопа эффективность отклоняющих систем цветных теле-
визоров в 1,5-2 раза меньше, чем эффективности отклоняющих си-
стем черно-белых телевизоров.
Электрическая прочность отклоняющих систем, измеряемая в
вольтах, должна быть больше максимального напряжения /7тах на
(К во время обратного хода Тох.
158
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
8.2. Эквивалентная схема отклоняющей
системы
В связи с большой разницей рабочих частот генераторов разверт-
ки строчного и кадрового отклонений (частота строчной развертки —
15625 Гц, а частота полей — 50 Гц, т.е. примерно в 300 раз) принци-
пы действия и схемы их также различны.
Для получения неискаженной формы импульсов с точностью,
удовлетворяющей практические инженерные расчеты, достаточно
воспроизвести 20-ю гармонику сигнала. При этом для строчного ге-
нератора верхняя граничная частота спектра сигнала 15625 х 20 =
= 300 кГц, а для кадрового — всего 50 х 20 = 1 кГц.
На рис. 8.4,а изображена эквивалентная схема отклоняющей си-
стемы. Здесь Гк, гк и Ск — соответственно индуктивность, активное
сопротивление и межвитковая емкость катушек отклонения. Емко-
стью Ск в схеме кадровой развертки можно пренебречь, но на строч-
ной частоте паразитная межвитковая емкость может значительно
влиять на форму и размах отклоняющего тока и напряжения. Пре-
небрегая емкостью Ск, легко определить, какие управляющие напря-
жения следует подавать на отклоняющую систему:
ГТ ГТ тт г
Дк — Ъl 4“ Ur — LK— 4- ткг.
dt
Так как ток, протекающий через катушки, меняется по линейно-
му закону (рис. 8.4,5), то i = It/Т и, следовательно, UK = (LK/T)I +
4-7'kZ(Z/T), где Т — длительность строки или кадра; I — размах тока.
Для получения пилообразного тока в отклоняющих катушках
необходимо на них подавать напряжение, содержащее пилообразную
и импульсную составляющие.
Рис. 8.4. Получение пилообразного тока в отклоняющих катушках:
а — эквивалентная схема; б-д — форма тока и напряжений отклоняющей системы
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
159
Когда rK cjLk, приложенное напряжение практически со-
ответствует форме протекающего тока и является пилообразным
(рис. 8.4,в). При rK «С wLK напряжение имеет импульсную форму,
так как форма его определяется производной тока (рис. 8.4,г). Если
u>LK и гк соизмеримы, то для получения пилообразного тока в ка-
тушках отклонения необходимо подавать напряжение пилообразно-
импульсной формы (рис. 8.4,д'). Соотношение импульсной и пи-
лообразной составляющих напряжения определяется соотношением
значений LK и тк.
Таким образом, всякая система развертки должна включать в
себя специальное формирующее устройство для получения управля-
ющего напряжения требуемой формы. Такое напряжение легко мож-
но было бы получить преобразованием синхронизирующих импуль-
сов. Однако практически в схему развертывающего устройства все-
гда входит специальный генератор напряжений импульсной формы
(генератор импульсов), который синхронизируется приходящими им-
пульсами. Такая система более помехоустойчива, и ее работа не за-
висит от формы и уровня синхронизирующих импульсов.
В общем случае всякое развертывающее устройство состоит из
генератора импульсов (задающий генератор), каскада формирования
управляющего напряжения и выходного каскада.
8.3. Выходной каскад строчной развертки
на двустороннем ключе
Рассмотрим работу выходного каскада строчной развертки, в ко-
торой активным прибором служит ключ К, прерывающий протекание
тока через отклоняющую катушку (рис. 8.5,а). Для простоты рассу-
ждений можно принять сопротивление потерь гк от реального ключа
и реальной катушки в цепи выходного каскада равным бесконечно
малой величине, т.е. тк = 0. В таком случае при замыкании ключа
через катушку LK потечет ток
il - у- / Eq dt.
^к J
При значении Zmax, определенного для данной отклоняющей ка-
тушки в момент времени ti (рис. 8.5,5) ключ размыкается, и в кон-
туре LKC возникнут свободные колебания. При идеальном конту-
ре эти колебания будут незатухающими с периодом 7q. При этом
ток изменяется по косинусоидальному закону, а напряжение — по
синусоидальному:
i L — -Лпах COS С^о^, U L — Hmax Sill
На диаграмме токов и напряжений отмечены моменты време-
ни /|, f-2 и f3, фиксирующие максимальную энергию в катушке маг-
160
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.5. Выходной каскад строчной развертки:
а — эквивалентная схема; б, в — форма напряжения и тока
НИТНОГО ПОЛЯ
WL = LKI2/2
и в конденсаторе электрического поля
Wc = CU2/2
соответственно.
При следующем замыкании ключа в момент времени пере-
магниченная катушка с запасенной энергией магнитного поля будет
разряжаться на источник питания, у которого внутреннее сопроти-
вление Ri = 0. Следовательно, с момента до момента катушка
освобождается от запасенной энергии по тому же закону изменения
тока, что и до момента Zi, но в другой полярности. Момент време-
ни характеризует перемену в направлении тока, так как катушка
снова начинает запасать энергию до очередного выключения ключа
в момент t4. Как видно из диаграммы тока, идеализированная схе-
ма с ключом способна генерировать пилообразный ток, в среднем не
потребляя энергию от источника, так как отрицательная полуволна
тока симметрична ее положительной части. Однако необходимо со-
блюдать определенную синхронизацию в работе ключа (моменты t±,
£з), обязательную двустороннюю проводимость его и правильность
выбора реактивных параметров схемы LK и С. Правильность выбора
этих параметров состоит в том, чтобы в контуре полу период сво-
бодных колебаний укладывался в длительность Т% обратного хода
строчной развертки, тогда при Т = (1/2)ТЬ и Tq = 2п\/ЬкС параме-
тры колебательного контура в схеме развертки будут определяться
соотношением Т-2 = тг\/ЬкС.
При определении пригодности активных приборов, используе-
мых в качестве ключа, в подобной схеме можно воспользоваться дву-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
161
мя оценочными параметрами: максимальным током 1КЛ тах замкну-
того ключа (см. рис. 8.5,6) и максимальным напряжением UKJl max
разомкнутого ключа.
Для этого обратимся к диаграмме рис. 8.5,6и обозначим пределы
интегрирования для тока в катушке во время прямого хода Д:
• - J_ Г1/2 р т -
— j- I -М) dt, /Шах — -г ~ •
JQ -^к *
Таким образом,
I — I — — —
2кл max — 2max — у <-, •
В свою очередь, за время свободных колебаний напряжение на
индуктивности
di
и = £/к — = —С^о^кЛпах sin ^0^-
at
При этом амплитуда колебаний напряжения
^тах — /тах,
И после подстановки известных CJq И /max получим
[7тах = -Ео —.
J-2
Как видно из схемы рис. 8.5,а и диаграммы рис. 8.5,в, макси-
мумы напряжения на разомкнутом ключе во время обратного хода
Д определяются как
Дкл max ~ ^тах “Ь
Как правило, это напряжение многократно превышает напряже-
ние источника питания и в практических схемах эта кратность при-
ближается К 10. . . 15, Т.е. t/max кл = Ю...15Е().
Произведение UKJl max и 1кл тах, характеризующее работоспособ-
ность ключа в такой схеме, называется «разрывной мощностью»
Рразр ~ Апах(^Лпах 4" -®о)‘
На практике в схемах строчной развертки при выборе в качестве
ключа ламп, транзисторов или тиристоров необходимо руководство-
ваться следующими неравенствами:
/доп ^Anaxi Дцоп ^тах И /допДцоп Рразр,
где /доп и Uдоп — допустимые ток и напряжения для прибора.
Рассмотрим влияние активного сопротивления потерь гк (кату-
шек отклонения и ключа) на форму тока при прямом ходе. Влиянием
I 1
162
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.6. Эквивалентная
схема генератора строчной
развертки на прямом ходе
Рис. 8.7. Формы тока и напряжений
при гк — О
емкости обратного хода С при прямом ходе можно пренебречь. Таким
образом, эквивалентная схема выходного каскада строчной разверт-
ки упрощается (рис. 8.6). Конечное значение сопротивления гк явля-
ется причиной потерь мощности, а также приводит к геометрическим
искажениям изображения, проявляющимся обычно в растяжении его
левого края и сжатии правого. Ток в катушке будет изменяться по
экспоненциальному закону (рис. 8.7):
где т = LK/rK — постоянная времени катушки.
Нелинейность отклоняющего тока на прямом ходе оценивается
коэффициентом нелинейности
_ \di/dt\t=o ~ \di/dt\t=n
\di/dt\t=0
где \di/dt\t=o — \di/dt\t=T! — скорости изменения тока в начале и
конце прямого хода соответственно. Формы тока и напряжения на
обратном ходе будут почти такими же, как и в идеализированной
схеме, поскольку источник питания Ео отключается и образуется ко-
лебательный контур CLK, но с потерями от активного сопротивления
катушки. Поэтому | + Zmax| > I ~ Zmax| из-за затухания колебаний
в контуре, вследствие чего весь цикл пилообразного тока в реаль-
ной цепи с потерями смещается вверх относительно нуля. Други-
ми словами, появляется постоянная составляющая тока отклонения
Iq. Зависимость коэффициента нелинейности от параметров схемы
(см. рис. 8.6) можно определить, продифференцировав по времени
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
163
выражение тока на прямом ходе:
откуда
di Eq
dt t=o
di Ео гк
-г. = — ехР
dt 7 к LK
di Eq
dttT =Z7exp
Подставляя эти значения скорости изменения тока в выражение
для коэффициента нелинейности, получаем
К„ = 1- expt-T,/?).
При малых нелинейностях, учитывая, что 1 — ехр(—х) « гг, при
х < 1
лн ~ — т ?
т LK
т.е. для уменьшения нелинейности нужно стремиться к уменьшению
гк и увеличению индуктивности LK отклоняющих катушек. Прак-
тически при Кн < 0,05 геометрические искажения для глаза неза-
метны. Допустимыми считаются искажения при Кн 0,1...0,15 в
черно-белом телевидении и /<н С 0,03...0,05 в цветном телевидении.
8.4. Практическая схема генератора
строчной развертки на транзисторе
Из существующих активных электронных приборов — ламп,
транзисторов и тиристоров — в настоящее время в наибольшей степе-
ни соответствуют свойствам двустороннего ключа специально разра-
ботанные биполярные транзисторы большой мощности с малой инер-
ционностью. Это позволяет реализовать описанный принцип получе-
ния пилообразного тока наиболее экономично, чего невозможно было
добиться на лампах и тиристорах вследствие их специфических осо-
бенностей. Так, лампа не способна быть хорошим ключом с двусто-
ронней проводимостью, а тиристор требует усложнения схемы из-за
трудностей управления его проводимостью. Поэтому современные
генераторы строчной развертки для черно-белых и цветных кинеско-
пов выполнены в основном на транзисторах.
Выходной каскад. Отметим особенности работы выходного
каскада строчной развертки на транзисторе. Как отмечалось, из-
за. потерь в цепях выходного каскада от источника тока потребля-
ется мощность Pq = EIq. Следовательно, во избежание протекания
постоянного тока Iq через катушку необходимо трансформаторное
или дроссельное включение отклоняющей системы в цепь генерато-
ра. Как правило, используется дроссельное включение. При этом
I I
пи
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.9. Диаграмма токов и
напряжений в схеме рис. 8.8
Рис. 8.10. Выходные характе-
ристики пары диод-транзистор
обеспечивается более высокий КПД, так как практически вся коле-
бательная мощность выделяется в отклоняющей системе.
Рассмотрим работу выходного каскада на транзисторе типа п-
р-п, собранного по схеме с дроссельным включением катушки от-
клонения. Как видно из рис. 8.8, на базу транзистора VT подводят
управляющие импульсы, периодически открывающие и закрываю-
щие транзистор. Эти импульсы должны быть достаточного размаха,
чтобы транзистор был либо в состоянии насыщения, либо отсечки.
Для иллюстрации процессов в схеме на рис. 8.9 представлены диа-
граммы токов и напряжений в характерных ее точках, т.е. процесс
развертки на транзисторе вполне укладывается в теоретические по-
сылки, которые были сделаны в § 8.3. Отметим лишь ряд практиче-
ских особенностей схемы выходного каскада.
Ввиду малого числа витков современных отклоняющих катушек
(что позволяет уменьшить потери в меди), допускающих наибольшие
значения постоянной времени т = LK/rK и, следовательно, наимень-
шую нелинейность, в схему приходится включать отдельный конден-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
165
сатор С, емкость которого существенно больше межвитковой и опре-
деляется требуемой длительностью обратного хода = тгу/ЬкС. Па-
раллельно транзистору включают в обратной полярности диод VD,
который по традиции ламповой схемотехники называют демпфер-
ным, что можно принять весьма условно. У этого диода два основных
назначения. Во-первых, своей прямой проводимостью он уравнивает
обратную и прямую проводимости транзистора, находящегося в на-
сыщении и под воздействием ЭДС переполюсованной катушки во вре-
мя первой половины прямого хода. Выбор диода осуществляется из
условия согласования выходных ВАХ транзистора для положитель-
ной и отрицательной полуволн тока. На рис. 8.10 приведен пример
такого сопряжения, из которого видно, что у биполярного транзисто-
ра выходные характеристики гк = f(UK) в первом и третьем квадран-
тах существенно неодинаковы. Проводимости, определяемые для на-
сыщенного состояния транзистора линиями критического режима с
разными углами наклона, уравниваются при подсоединении соответ-
ствующего диода и обеспечивают, таким образом, одинаковость фор-
мы тока в первой и второй половине прямого хода развертки.
Во-вторых, не менее важная функция у диода — избавиться
от необходимости очень точного выбора момента замыкания ключа-
транзистора в начале прямого хода, как это было определено для схе-
мы с идеальным ключом. Очевидно^ что использование дополнитель-
ного диода избавляет от этой трудно реализуемой инженерной зада-
чи, так как ЭДС переполюсованной катушки в начале прямого хода
автоматически включает диод в прямом направлении (см. рис. 8.9, гд)
и начинается формирование пилообразного тока в его отрицательной
полуволне. При этом момент включения транзистора (см. рис. 8.9,
гтр) может быть произвольно отодвинут вплоть до середины прямо-
го хода. Обычно соблюдают условие Дг < тзап < 0,57i 4- или
тОпт > 0,571. В этом случае инженерное обеспечение момента вклю-
чения транзистора не требует прецезионной схемотехники. Кроме
того, форма тока в отклоняющей катушке при одновременной работе
диода и транзистора в первой половине прямого хода практически
всегда лучше, чем при поочередном включении диода и транзисто-
ра на полуволнах тока, так как в этом случае исключается опреде-
ляющее влияние нелинейности ВАХ диода в момент перехода тока
отклонения через нуль (см. рис. 8.9, гд).
Разделительный конденсатор С5 кроме основной функции бло-
кирования постоянной составляющей тока, как правило, решает
задачу коррекции геометрических искажений изображения при боль-
ших углах отклонения на плоском экране. Как упоминалось
(см. рис. 8.2), эти искажения можно скомпенсировать, если придать
отклоняющему току S-образную форму (рис. 8.11,в) с тем, чтобы с ро-
стом угла отклонения скорость нарастания тока замедлялась. В по-
следовательной цепи LKCs, как в контуре, возникает синусоидаль-
ный ток собственных колебаний (рис. 8.11, 6), который складывает-
166
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
г)
Рис. 8.11. Получение S-образной фор-
мы тока
ся с пилообразным током (рис. 8.11,а), создаваемым в катушке LK
отклоняющей системы генератором развертки. При правильно подо-
бранных амплитуде, фазе и частоте этого синусоидального тока сум-
марный отклоняющий ток получает на прямом ходе желательную
S-образную форму (рис. 8.11,в). Контур LKCs должен быть настроен
на частоту более низкую, чем строчная частота. Зависимость степе-
ни изгиба 6 отклоняющего тока от частоты настройки контура LKCs
(рис. 8.11,г) и сравнительный график (рис. 8.11,в) линейного Zmax и
S-образного Is max токов [28] имеет вид
с _ ^max max _____ Sinu?-^
“ Т ~ ; Ti ‘
1 S'max SintJ-^-
Эта зависимость и график позволяют определить необходимую
S-образную форму суммарного тока в контуре LKCs, которая вклю-
чает фрагменты двух синусоид, сопряженных на границах прямо-
го и обратного ходов.
Следует отметить, что емкость конденсатора Cs во много раз
больше конденсатора С обратного хода и не оказывает существенно-
го влияния на процессы формирования тока во время обратного хода.
С учетом большой реактивной мощности, пропускаемой конденсато-
ром Cs, необходимо употреблять лишь конденсаторы с малым тан-
генсом угла потерь в диэлектрике, тем более что верхняя граничная
частота спектра колебаний в генераторе строчной развертки соста-
вляет не менее 300 кГц. Это же замечание относится и к выбору
типа конденсатора С для формирования обратного хода развертки.
Сердечник дросселя выбирается также из соображений умень-
шения потерь от вихревых токов на высокой частоте и уменьшения
габаритных размеров и массы конструкции при общем требовании
Гдр > LK. В наибольшей степени этому способствуют ферритовые
материалы среднечастотного диапазона, позволяющие за счет высо-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
167
Таблица 8.1
Пара- метр Значение параметров для различных типов транзисторов
ГТ905А ГТ806Д КТ809А КТ840А КТ808А КТ812А КТ828А КТ839А
Г'к max , В 130 140 400 800 250 700 1400 1500
7к max ? А 3 15 5 8 10 12 7,5 10
^нас> Ом <0,2 0,05 <0,5 0,5 <0,5 <0,5 <0,2 <0,2
Тзад, МКС 2 5 4 4 5 5 4 5
кой магнитной проницаемости уменьшить число витков обмотки и
тем самым уменьшить потери в меди по постоянному току.
Рассмотрим особенности работы транзистора как ключа в схеме
рис. 8.8. Ясно, что тип транзистора определяется разрывной мощно-
стью, характерной для этой схемы, и частотными свойствами тран-
зистора, определяющими допустимую инерционность переключения
с прямого на обратный ход развертки в токе отклонения. Посколь-
ку транзистор реализует функцию ключа по схеме управления с об-
щим эмиттером, то собственная частота транзистора должна быть
по крайней мере на порядок больше максимальной частоты в схеме
/max = 300 кГц с учетом малого коэффициента усиления транзисто-
ра в режиме переключения больших токов. Таким образом, класс
используемых транзисторов относится к среднечастотному с диапа-
зоном 3...5 МГц. В зависимости от назначения развертки для малых
или больших кинескопов ток отклонения IK тах может колебаться
от долей ампера до десятков ампер, и соответственно напряжение
обратного хода на отклоняющей катушке UK max — от сотни вольт до
единиц киловольт. В табл. 8.1 приведены данные по отечественным
транзисторам, применяемым с разными кинескопами.
Известно, что допустимое пробивное напряжение /7КДОп на кол-
лекторе транзистора существенно зависит от сопротивления по посто-
янному току между базой и эмиттером. Исходя из этих соображений,
выходной транзистор управляется по базе только через трансформа-
торную связь с буферным каскадом. При таком решении достига-
ется ряд положительных эффектов: увеличивается Пкдоп, так как
#бэ « 0; обеспечивается хорошее согласование буферного каскада с
низкоомным входом ключевого транзистора выходного каскада, так
как на входе его следует создать большой импульс тока относительно
малой величины по напряжению. Более того, для ускорения расса-
сывания зарядов в базе в конце прямого хода, когда ток в коллекто-
ре максимален, необходимо применить форсирование управляющих
импульсов при запирании транзистора, т.е. создать дополнительный
всплеск напряжения на импульсе запирания (см. рис. 8.9, Пб). Обя-
зательным требованием к такому трансформаторному каскаду явля-
ется противофазное включение обмоток, т.е. обмотки должны быть
всегда нагружены либо на открытый вход выходного каскада, либо
на открытый транзистор буферного каскада. В этом случае исклю-
168
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
чаются паразитные свободные колебания от реактивных элементов в
трансформаторе Тр. Тем не менее даже при использовании достаточ-
но высокочастотных транзисторов и форсирующих цепей в базе вы-
ходного транзистора не удается полностью избавиться от проявления
инерционности выхода транзистора из глубокого насыщения, необ-
ходимого для достижения минимального остаточного сопротивления
ключа, а следовательно, малых активных потерь в схеме и малой
нелинейности в токе отклонения. В современных транзисторах за-
держка между командой на закрывание и началом обратного хода
в токе отклонения достигает 3...5 мкс в зависимости от мощности.
Этот неприятный фактор приводит, с одной стороны, к увеличению
потерь, так как это эквивалентно шунтированию колебательного кон-
тура LKC во время обратного хода проводимостью невыключившего-
ся транзистора, с другой стороны, возникает задержка в формиро-
вании обратного хода тока отклонения относительно видеосигнала, а
следовательно, и нарушение синфазности развертки изображения на
экране по отношению к передаваемому изображению. Так как в те-
левизионных приемниках гасящий импульс формируется из импуль-
сов обратного хода, при большой инерционности возможна потеря
части изображения в левой части экрана. Во избежание этого прихо-
дится в задающих генераторах вырабатывать управляющие импуль-
сы, передний фронт которых опережает строчные синхроимпульсы.
Значение этого упреждения (фазы) устанавливается при регулировке
системы АПЧиФ, осуществляющей одновременно помехоустойчивую
синхронизацию задающего генератора.
Схема генератора строчной развертки для черно-белого
кинескопа. Приведенные соображения по обеспечению правильной
работы выходного каскада транзисторной строчной развертки мож-
но практически проиллюстрировать на конкретной схеме рис. 8.12.
Здесь представлена современная реализация генератора строчной
развертки черно-белого телевизионного приемника. Как видно из
схемы, разделительным дросселем служит первичная обмотка транс-
форматора Тр2, вторичные обмотки которого предназначены для по-
лучения высоких напряжений, обеспечивающих цепи питания кине-
скопа (анод, фокусирующий и ускоряющий электроды, подогрева-
тель катода) и выходного видеоусилителя. Для этих целей применя-
ются выпрямители во вторичных обмотках, в которых трансформи-
рованные импульсы напряжения обратного хода в соответствующей
полярности выпрямляются и фильтруются до необходимого значе-
ния пульсаций. Такой способ получения питающих напряжений осо-
бенно эффективен в портативных телевизорах с автономным пита-
нием, так как задача фильтрации напряжений на частоте 15 кГц
решается существенно проще, чем на частоте 50 Гц питающей се-
ти переменного тока.
Постоянное напряжение для питания анода черно-белого кине-
скопа 20... 15 кВ целесообразно получать при помощи диодно-емкост-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
169
Рис. 8.12. Практическая схема генератора строчной развертки для черно-
белого кинескопа
ного многоступенчатого умножителя. Поскольку ток луча черно-
белого кинескопа не превышает 200...300 мкА, габариты такого умно-
жителя весьма малы и можно добиться большой электрической проч-
ности всей цепи выпрямителя анодного питания, включая повыша-
ющую обмотку трансформатора, напряжение на которой получается
не более 5...6 кВ переменного тока.
Использование выходного каскада для обеспечения питания по-
стоянным током других цепей телевизора приводит к существенным
потерям и снижению КПД каскада. Возрастает мощность рассея-
ния на транзисторе, увеличивается постоянная составляющая через
обмотку дросселя трансформатора Тр2, ухудшая условия его рабо-
ты из-за возможности насыщения феррита, увеличивается в конеч-
ном итоге нелинейность отклоняющего тока из-за замедления скоро-
сти нарастания тока в конце прямого хода. Для уменьшения иска-
жений изображения от нелинейности тока используют так называе-
мый регулятор линейности строк (РЛС), состоящий из намотанной
на ферритовом сердечнике катушки, находящейся в поле постоян-
ного магнита. Этот сердечник под воздействием переменного поля
отклоняющего тока и поля постоянного магнита может менять сте-
пень насыщения, а значит, магнитную проницаемость и в конечном
счете — индуктивность катушки.
При определенных значении и направлении отклоняющего то-
ка магнитное поле, создаваемое им, компенсирует поле постоянного
магнита либо складывается с ним. При этом индуктивность резко
возрастает или становится очень малой. Изменяя магнитный по-
ток в сердечнике перемещением постоянного магнита относительно
катушки, можно менять положение регулируемой области на экра-
не кинескопа.
I 70 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
В практических схемах выходных каскадов строчной развертки
современных черно-белых телевизоров часто применяют настройку
резонансной системы выходного трансформатора импульсов обрат-
ного хода Тр2 на 3-ю или 5-ю гармонику частоты этих импульсов.
Это позволяет получить более высокие значения выпрямленных на-
пряжений от вторичных обмоток при меньших коэффициентах транс-
формации и уменьшить величину импульса обратного хода в первич-
ной цепи, так как эта гармоника вычитается из первичного импуль-
са и складывается с ним во вторичных обмотках. С этой целью к
первичной обмотке подключается соответствующим образом компен-
сирующая обмотка на трансформаторе Тр2, нагруженная на регу-
лируемый дроссель L1.
Функцией буферного каскада на транзисторе является управле-
ние выходным транзистором значительными токами его базы, дости-
гающими в некоторых случаях 0,5...0,7 А. Исходя из этого приме-
няют понижающий согласующий трансформатор с коэффициентом
трансформации 4...5 так, чтобы обеспечить при этих токах размах
напряжения не менее 4...5 В. Форсирование выключения выходно-
го транзистора VT2 достигается включением RC-цепи либо в базу
транзистора VT2 (R3C2), либо в эмиттер транзистора VT1 (R2C1).
При этом управляющее напряжение в базе получает желаемую фор-
му (см. рис. 8.9, U^). Учитывая специфику трансформаторного кас-
када, работающего с понижением, в качестве усилительного транзи-
стора VT1 можно использовать маломощный транзистор, что суще-
ственно упрощает подключение его к задающему генератору непо-
средственно, без усиления по току. В современных черно-белых и
цветных телевизорах задающий генератор и система автоподстрой-
ки частоты и фазы исполняются в виде интегральной микросхемы,
например 174АФ1, 174ГФ1, 174ХА11 отечественного исполнения, на
соответствующие входы которых поступают импульсы обратного хо-
да с выходного каскада и импульсы строчной синхронизации из ви-
деосигнала, выделяемые в амплитудном селекторе. Как правило,
в этих микросхемах осуществляются две автоматические регулиров-
ки. Регулировка частоты «R2» при помощи отдельного фазового де-
тектора производится при сравнении частоты задающего генератора
и строчных синхроимпульсов. Регулировка фазы импульсов «R1»
управления задающего генератора осуществляется при помощи дру-
гого фазового детектора, сравнивающего импульсы обратного хода
выходного каскада с импульсами задающего генератора. Такая не-
зависимая регулировка позволяет осуществить, кроме того, и гене-
рацию специальных импульсов для управления системой цветовой
синхронизации, синхронных с пакетами поднесущей, на площадках
строчного гасящего импульса, что весьма актуально для современ-
ных многостандартиых цветных телевизоров.
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
171
8.5. Особенности выходных каскадов
строчной развертки в цветных телевизорах
Генераторы строчной развертки цветных телевизоров должны
обеспечивать более высокое напряжение питания второго анода ки-
нескопа (до 25 кВ) и большую энергию магнитного поля отклоня-
ющей системы (примерно в 1,5 раза) по сравнению с генераторами
черно-белых кинескопов.
Необходимость увеличения напряжения второго анода обусло-
влена малой прозрачностью теневой маски для электронов и необ-
ходимостью иметь большую мощность электронных лучей для обес-
печения требуемой яркости изображения. Например, для трубок с
диагональю экрана, большей или равной 60 см, суммарный ток трех
лучей I = 1,0... 1,22 мА и ускоряющее напряжение второго анода 25
кВ. При этом мощность, необходимая для питания высоковольтной
цепи, достигает 25...30 Вт, что значительно больше, нем в черно-
белых телевизорах.
Увеличение напряжения питания второго анода, естественно,
приводит к необходимости увеличения энергии отклоняющего поля.
Кроме того, генератор строчной развертки должен обесценить по-
лучение напряжения фокусировки трубки 4,7...5,5 кВ и напряжения
питания ускоряющего электрода 0,5...1,0 кВ, коррекцию геометриче-
ских искажений растра до 3 %, более высокую линейность отклоне-
ния, а также формирование импульсов напряжения для управления
схемами динамического сведения лучей, каналом сигнала цветности
и для гашения лучей кинескопа.
В современных цветных телевизорах с экранами кинескопов
51 см и больше предъявляются существенно более высокие требова-
ния к линейности развертки и геометрическим искажениям изобра-
жения, так как с этими требованиями связано качество динамиче-
ского сведения лучей в дельта-кинескопах и тем более в планарных
кинескопах с самосведением. Для этих целей в выходных каскадах
должны быть предусмотрены цепи коррекции подушкообразных ис-
кажений, электрической центровки растра, а также элементы лине-
аризации развертки, такие как S-корректоры тока.
Поскольку большие изменения токов трех лучей при изменении
яркости приводят к колебаниям напряжения питания второго ано-
да, применяются специальные меры по ограничению тока лучей и
стабилизации напряжения второго анода. Отсюда понятно, почему
потребляемая генератором строчной развертки цветного телевизора
мощность оказывается в 3-4 раза большей, чем в черно-белом телеви-
зоре сопоставимого размера экрана. Поэтому выходные каскады тра-
диционно для цветных телевизоров выполнялись на более мощных
лампах, тиристорах и транзисторах с использованием качественных
ферритовых сердечников в дросселях-трансформаторах, способных
работать при больших токах подмагничивания. Представленные в
172
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
табл. 8.1 данные по техническим характеристикам современных оте-
чественных транзисторов позволяют сделать вывод, что существует
большой выбор среди этих транзисторов для реализации наиболее
эффективной и экономичной схемы выходного каскада на двусто-
роннем ключе. Не случайно поэтому в современных разработках
цветных телевизоров, не говоря уже о профессиональных мониторах,
транзисторы в развертках абсолютно вытеснили своих предшествен-
ников — лампы и тиристоры.
Генераторы строчной развертки могут выполняться по схеме ли-
бо с одним совмещенным генератором отклоняющего тока и анодного
напряжения питания, либо с отдельными генераторами с различны-
ми функциями, что характерно для профессиональной аппаратуры
телецентров. В цветных телевизорах как достаточно массовой про-
дукции исключительно широко применяется генератор по совмещен-
ной схеме, так как он экономически эффективен из-за меньшего чи-
сла дорогих комплектующих изделий и, кроме того, более надежен
и энергетически выгоден.
Принцип действия выходного каскада строчной развертки для
цветного кинескопа по току отклонения и его коррекции подобен то-
му, что был изложен в § 8.4 применительно к черно-белым кинеско-
пам. Поэтому целесообразно остановиться на некоторых, присущих
исключительно цветным телевизорам, схемных особенностях тран-
зисторного выходного каскада.
Высоковольтный выпрямитель. Получение высокого напря-
жения для питания второго анода кинескопа и фокусирующего элек-
трода в современных генераторах телевизоров 4-го и 5-го поколений
связано либо с использованием диодно-емкостных умножителей в от-
дельном конструктивном исполнении от дросселя-трансформатора
(аналогично черно-белому телевизору), либо с использованием по-
следних разработок в этой области — композитных монолитов из вы-
ходного трансформатора-дросселя с диодными выпрямителями вто-
рого анода, фокусирующего и ускоряющего электродов, например
ТДКС-19 (так называемые сплиттрансформаторы). В последнем вы-
сокое напряжение получается от последовательного соединения трех
отдельных однополупериодных выпрямителей с тремя независимы-
ми высоковольтными обмотками. Такая реализация позволяет мак-
симально увеличить надежность всего выпрямителя по электриче-
ской прочности и уменьшить общее внутреннее сопротивление ис-
точника высоковольтного питания. Использование в высоковольт-
ных цепях современных диодных выпрямительных столбов позволя-
ет резко уменьшить выходное сопротивление высоковольтного вы-
прямителя, тем самым частично решить задачу стабилизации высо-
кого напряжения анода и напряжения фокусировки при изменении
токов лучей кинескопа. Эффективным способом стабилизации ука-
занных напряжений является включение в цепь нагрузки выпрями-
телей варисторов, обладающих нелинейной вольт-амперной харак-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
173
теристикой, способствующей стабилизации выходного напряжения в
заданном диапазоне.
Обязательным условием работы высоковольтного выпрямителя
является включение в его цепь последовательно контрольного рези-
стора для организации обратной связи по ограничению тока лучей
во избежание перегрева маски цветного кинескопа и резкого ухуд-
шения качества изображения. Напряжение обратной связи с этого
сопротивления в цветных телевизорах обычно используется в цепях
видеоусилителей, меняя в предельных случаях режим работы кине-
скопа на участке катод — модулятор в сторону запирания по по-
стоянному току и ограничивая размах сигналов за счет регулировки
контрастности в соответствующих цепях обработки видеосигналов.
Эта же контрольная цепь высоковольтного выпрямителя использу-
ется в современных цветных телевизорах 4-го и 5-го поколений для
стабилизации размера строки и стабилизации высокого напряжения
для разноярких сюжетов изображений, дающих большие колебания
в токах лучей цветного кинескопа.
Коррекция геометрических искажений растра. Как было
рассмотрено в § 8:1, геометрические искажения растра типа «подуш-
ка» возникают в широкоугольных кинескопах из-за нарушения про-
порциональности между отклоняющим током и углом отклонения и
из-за уплощения экрана. Это приводит к изгибу вертикальных и го-
ризонтальных границ растра, тем большему, чем больше угол откло-
нения. В современных цветных кинескопах с отклонением 90 и 110°
эти искажения совершенно неприемлемы и должны быть скорректи-
рованы. Очевидно, что упомянутые в § 8.1 способы коррекции рас-
тра при помощи постоянных магнитов, употребляемые в черно-белых
кинескопах, не годятся для цветных, так как вызывают несведение
лучей из-за нарушения однородности отклоняющего поля Поэтому
в цветных телевизорах применяются специальные цепи, которые до-
полнительно к разверткам воздействуют соответствующим образом
на процесс отклонения и компенсируют искажения.
Для устранения изгиба вертикальных линий в растре применяют
горизонтальную коррекцию. Выравнивание изгиба горизонтальных
линий осуществляется вертикальной коррекцией. Для горизонталь-
ной коррекции необходимо уменьшать (рис. 8.13,а) амплитуду откло-
няющего тока строчной частоты в верхней и нижней частях растра,
для чего размах этого тока должен меняться по параболическому
закону, где 77, V — длительности строки и поля. Для коррекции
подушкообразных искажений горизонтальных линий (рис. 8.13,6) пи-
лообразный ток частоты полей должен быть промодулирован возра-
стающей к периферии экрана строчной параболой. При этом откло-
нение по полю возрастает в центральной части каждой строки, и тем
больше, чем дальше от центра.
В кинескопах с дельтаобразным расположением прожекторов, в
которых используются отклоняющие системы с однородным полем
174
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.13. Коррекция подушкообразных искажений:
а, б— форма растра и форма корректирующего тока для горизонтальной и верти-
кальной коррекций соответственно; в— принципиальная схема коррекции подушки
на двух трансформаторах
в)
отклонения (косинусная укладка витков по сечению), для коррекции
широко применяется так называемый трансдуктор (корректирующий
трансформатор). Особенностью этого трансформатора, собранного
на ферритовом сердечнике, является нелинейная зависимость между
магнитной проницаемостью сердечника и напряженностью магнит-
ного поля (тока в обмотке) [26].
Подушкообразные искажения по горизонтали и вертикали мож-
но корректировать с помощью одного или двух отдельных трансфор-
маторов (рис. 8.13,в). Индуктивность обмоток трансформатора Tpi,
изменяется с частотой полей, что приводит к изменению с этой ча-
стотой размаха строчного тока в строчных катушках LKC отклоня-
ющей системы. Ток строчной частоты проходит через II обмотку
Тр2 и III обмотку ТВК, придавая необходимую форму тока для ка-
дровых катушек отклоняющей системы LKK. Эта схема показывает
принцип взаимной модуляции в трансдукторах Ti и Т2. Цепи, фор-
мирующие в схеме параболу в строчном и кадровом токах опущены,
чтобы пояснить только принцип.
В телевизорах с кинескопами с самосведением лучей вертикаль-
ная коррекция осуществляется введением астигматизма в поле верти-
кального отклонения, которого добиваются определенным распреде-
лением витков катушки по сечению, отличным от косинусного. В свя-
зи с этим современные модели телевизоров, использующие в основ-
ном кинескопы с самосведением, включают в блок строчной разверт-
ки только цепь горизонтальной коррекции, основанной на работе ди-
одного модулятора. Это позволяет одновременно улучшить регули-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
175
Рис. 8.14. Принципиальная
схема диодного модулятора
ровку и стабилизацию горизонтального размера растра, а значит, и
стабильность высокого напряжения.
В состав диодного модулятора входят составной демпфер
VD1VD2, конденсаторы С2, СЗ, настраиваемая катушка индуктив-
ности L. Рассматривая схему диодного модулятора (рис. 8.14), пред-
ставленную в одном из вариантов реализации, присущих для теле-
визоров 4-го и 5-го поколений, можно заметить, что в нее включены
два колебательных контура для интервала формирования обратного
хода: основной контур — строчная катушка LKC, емкость обратного
хода Cl (Cs и РЛС не являются определяющими), дополнительный
контур — дроссель L, емкость обратного хода С2. Как известно, при
дроссельном включении отклоняющей системы в обычной схеме дву-
стороннего ключа разделительная емкость Cs выполняет роль источ-
ника питания и напряжение на ней (без учета S-коррекции) в среднем
равно источнику питания схемы Е, так как в первой половине пря-
мого хода она принимает ток заряда от перемагниченной катушки, а
во второй — разряжается на катушку отклонения. В рассматривае-
мой схеме при помощи дополнительного контура последовательно с
Cs включается конденсатор СЗ большой емкости (соизмеримой с Cs),
который нагружен управляемой проводимостью транзистора VT2 от
схемы управления. При включенном транзисторе VT1 через после-
довательно соединенные LKC и L потечет ток iK пилообразной формы,
определяемый суммарной индуктивностью от LKC и L и величиной
напряжения источника Е. устанавливающегося в сумме на конден-
саторах Cs и СЗ. Нетрудно заметить, что при запертом транзисторе
VT2 (схема управления отключена) напряжение на конденсаторе СЗ
определяется известным соотношением исз ~ ul = diK/dt, так как
при идеализации представленной схемы с точки зрения потерь заряд
на конденсаторе СЗ восполняется током диода VD2 в первой поло-
вине прямого хода и уменьшается во второй, в среднем поддерживая
некое установившееся напряжение задержки исз для запирания ди-
ода VD2 во второй половине прямого хода.
176
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Во время обратного хода при запертом транзисторе VT1 в ка-
ждом из этих контуров возникает полупериод свободных колебаний,
определяемый соответственно параметрами (Д, LKC и C^'L. В пер-
вой половине прямого хода перемагниченные катушки LKC и L своей
энергией в этих контурах через прямые проводимости диодов VD1 и
VD2 восполнят заряды на конденсаторах Cs и СЗ, разряженные во
второй половине прямого хода. Подключающийся транзистор VT1 в
этот же интервал времени через общую проводимость для последова-
тельно включенных катушек LKC и L также дозарядит конденсаторы
Cs и СЗ до стационарных напряжений, определяемых в сумме вели-
чиной приложенного через дроссельную обмотку выходного транс-
форматора ТВС напряжения питания Е.
Ток отклоняющей катушки в этом случае будет минимально воз-
можным:
Т — Е
Kmin “ Lkc + lT
где IK min — амплитуда тока; Тпх — время прямого хода развертки.
Если параллельно конденсатору СЗ подключить проводимость
в виде управляемого транзистора VT2, то в схеме на конденсаторе
СЗ не разовьется адекватное напряжение задержки (запирания дио-
да VD2), соответствующее ul — L(diK/dt). В этом случае ток iK во
второй половине прямого хода в дополнительном контуре протекает
через дроссель L и открытый диод VD2 до тех пор, пока не устано-
вится новое соотношение напряжений на конденсаторах Cs и СЗ, а в
отклоняющей системе LKC не установится больший ток отклонения,
определяемый возросшим удельным весом основного колебательного
контура C1LKC. В пределе, если конденсатор СЗ замкнут накоротко
очень большой проводимостью транзистора VT2, дроссель L шун-
тируется во вторую половину прямого хода открытым диодом VD2;
колебания совершаются только в основном контуре, и ток в катушке
LKC достигает максимального значения:
т _ Е Тпх
Ik max — т о •
Ькс Z
Если изменять напряжение на конденсаторе СЗ, шунтируя его
управляемой проводимостью параллельно подключенного транзисто-
ра VT2, то в известных пределах можно изменять значение отклоня-
ющего тока. Именно так, изменяя статический режим транзистора
VT2 по базе, регулируют и стабилизируют при помощи обратной свя-
зи по постоянному току горизонтальный размер растра, используя в
качестве датчика упомянутое выше контрольное сопротивление огра-
ничения тока луча. Очевидно, что задачу горизонтальной коррекции
искажений можно легко решить, управляя соответственно состояни-
ем проводимости транзистора VT2 в каждой текущей строке разверт-
ки. Для надежности работы схемы обычно на базу ключевого транзи-
стора VT2 подают широтно-модулированные отпирающие импульсы,
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
177
Рис. 8.15. Схе-
ма горизонтальной
центровки растра:
а — дроссель-
ная; б — диодная
у которых ширина в каждой строке в течение поля меняется по за-
кону параболы (см. рис. 8.13,а). Средняя ширина импульса при этом
соответствует номинальному размеру растра, который по петле авто-
матического регулирования стабилизируется в допустимых пределах.
Горизонтальная центровка растра. В отличие от черно-
белых кинескопов, в которых центровка растра по горизонтали осу-
ществляется внешним постоянным магнитом, устанавливаемым на
горловине кинескопа, цветные кинескопы любого типа не допускают
подобных воздействий внешнего поля на отклоняющий луч, так как
при этом разрушается механизм статического сведения трех лучей,
строго сориентированных в горловине кинескопа. Поэтому горизон-
тальная (и вертикальная) центровка в цветных кинескопах, если она
применяется, осуществляется только введением в отклоняющую ка-
тушку дополнительного постоянного тока. На рис. 8.15,а приведена
схема центровки растра, выполняемая обычно в портативных цвет-
ных телевизорах с относительно небольшими отклоняющими токами
горизонтального отклонения. Цепь центровки, образованная обмот-
ками 2-3, 1~4 дросселя L1 и потенциометром R, подключена одной
диагональю к отклоняющей катушке LKC, а другой включена между
источником питания и выходным каскадом строчной развертки. Ко-
гда мост сбалансирован потенциометром R в среднем положении, в
строчных катушках постоянный ток не протекает. Благодаря бло-
кировочному конденсатору отклоняющие катушки по переменному
току подключены параллельно обмоткам дросселя L1, но поскольку
индуктивность этих обмоток много больше индуктивности строчных
катушек, то существенного влияния на работу выходного каскада ге-
нератора они не оказывают.
Другой вариант центровки реализуется за счет выпрямления им-
пульсов с выходного каскада строчной развертки. Элементы цен-
тровки диодов VD1, VD2 через фильтрующую катушку L1 подклю-
чены к строчным катушкам LKC и выходному каскаду (рис. 8.15,6). В
среднем положении движка переменного резистора R выпрямленные
полуволны напряжения прямого хода от диодов VD1 и VD2 образуют
равные и направленные навстречу друг другу постоянные токи. Ток
12
I 7<S
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
центровки в катушках равен нулю. При сдвиге движка переменного
резистора R от среднего положения напряжение на резисторе ста-
новится полярно преобладающим, и через строчные катушки LKC на
«корпус» протекает ток положительного или отрицательного знака,
от чего растр смещается вправо или влево.
8.6. Генераторы кадровой развертки
Особенности генераторов кадровой развертки. Как упоми-
налось в § 8.2, частотный диапазон генератора кадровой развертки
ограничивается в практических схемах 20-й гармоникой кадрового
тока, протекающего в отклоняющих кадровых катушках, и составля-
ет примерно 50 х 20 = 1000 Гц. Постоянная времени кадровых кату-
шек современных черно-белых и цветных отклоняющих систем седло-
видного и тороидального исполнения может быть достаточно велика
— 3...4 мс, но существенно меньше периода развертки (20 мс). Это
значит, что на прямом ходу развертки, длительность которого со-
ставляет примерно 19 мс, реактивной составляющей сопротивления
кадровой катушки можно пренебречь. При этом выходной каскад
работает как усилитель только на активное сопротивление катуш-
ки со всеми вытекающими требованиями к форме управляющего на-
пряжения и его размаху. Поэтому необходимая для широкоугольных
кинескопов S-коррекция пилообразного напряжения возбуждения по-
лучается либо за счет простейших нелинейных цепей (например, ди-
одных ограничителей), либо применением частотно-зависимых отри-
цательных обратных связей, которыми охватывается предваритель-
ный усилительный тракт генератора кадровой развертки. В качестве
синхронизируемого задающего генератора пилообразного напряже-
ния может использоваться автогенератор на базе мультивибратора,
фантастрон с отдельным или включенным в схему интегратором.
Однако при анализе работы выходного каскада во время обрат-
ного хода присутствие относительно большой реактивности в течение
малой длительности (1 мс) должно быть учтено, а также сформули-
рованы особые требования к исполнению выходного каскада. Прин-
ципиально выходной каскад кадровой развертки может быть выпол-
нен по любой классической схеме усилителей мощности, известных
в звукоусилительной технике, так как и по абсолютной мощности, и
по частотному диапазону эти устройства значительно перекрывают
потребности кадровых цепей отклонения современных черно-белых
и цветных телевизоров. Такой подход применялся раньше в лампо-
вых схемах и применяется в настоящее время в портативных черно-
белых телевизорах с диагональю кинескопа 11... 16 см. В них реали-
зуется выходной каскад, который рассчитан на полный ток отклоне-
ния в диапазоне частот 50...1000 Гц. Форма управляющего напряже-
ния, возбуждающего выходной каскад, определяется типом выходно-
го каскада (трансформаторный или бестрансформаторный) и значе-
нием постоянной времени кадровой катушки т — LK/RK. Поскольку в
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
179
старых ламповых телевизорах доля мощности кадрового генератора
составляла очень малую часть от общей мощности телевизора из-за
неэффективной ламповой строчной развертки и накальных цепей те-
левизора, не было стимулов бороться за высокий КПД кадрового ге-
нератора. Кроме того, для тех схем еще применялись многовитковые
седлообразные отклоняющие системы, в которых активная составля-
ющая катушек была значительна. Трансформаторное подключение
катушки к выходной лампе, работающей в режиме класса А, позво-
ляло получить хорошее согласование относительно большого тока
отклонения и малого тока эмиссии катода выходной лампы. Пробле-
ма относительно быстрого переключения тока во время обратного
хода в таких каскадах решалась за счет свободного колебательного
процесса, возникающего на переломе тока в индуктивности катушки
и трансформатора, подключенных к выходному генератору (тетроду,
пентоду) с высоким внутренним сопротивлением Ri > \/2y/L/C^ где
L и С — соответственно эквивалентные индуктивность и емкость
схемы выходного каскада.
Развитие транзисторной техники и переход на интегральные тех-
нологии привели к необходимости использовать в современных теле-
визорах наиболее экономичные и технологичные выходные каскады
кадровой развертки. Таковыми, как известно из усилительной тех-
ники, являются двухтактные бестрансформаторные каскады. В них
при наличии большого выбора современных подходящих по току кол-
лектора транзисторов достигается по мощности КПД ~ 50 % в режи-
ме класса А и КПД « 78,5 % в режиме класса В для идеальной
схемы. В связи с тем, что современные кадровые катушки откло-
няющих систем вследствие тороидального оформления имеют малое
число витков, в выходном каскаде требуется развивать значитель-
ные токи отклонения. Поэтому подавляющее число бестрансформа-
торных каскадов кадровой развертки современных телевизоров для
повышения экономичности выполняется по двухтактной схеме в ре-
жиме класса В, либо близком к нему — класса АВ.
В генераторах кадровой развертки, как следует из § 8’2, полезной
частью переменного напряжения, приложенного к катушке, является
только активная (пилообразная) составляющая Ur. Дополнитель-
ная импульсная составляющая Ul, необходимая для формирования
отклоняющего тока обратного хода, к сожалению, требует увеличе-
ния общего напряжения питания выходного каскада и, следователь-
но, приводит к уменьшению КПД. В этом состоит отличие двухтакт-
ных кадровых генераторов разверток, работающих на реактивную на-
грузку (LK, RK), от двухтактных аналогичных усилителей звуковой
частоты, нагруженных на активное сопротивление звуковой катушки
и работающих с симметричным по форме акустическим сигналом.
Для обобщенной схемы выходного бестрансформаторного каска-
да напряжение источника питания, необходимого для функциониро-
1 (SO
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.16. Обобщенная схема выходного каскада кадровой разверт-
ки: а— принципиальная схема; б— форма напряжений и токов
вания схемы, складывается из составляющих (рис. 8.16,а, б):
Е — 2Ur 4- Ul + 2НОСТ,
где Ur = {IK/2)RK — амплитуда пилообразного напряжения на ка-
тушках; Ul — LkIk/Tqx — размах импульсов напряжения обратного
хода на КК; Uoc? — допустимое остаточное напряжение Пкэ-
Из этого равенства следует, что для обеспечения необходимой
длительности Тох обратного хода развертки по кадру необходимо
определенное значение Е-.
гр _________ЕК1К______
ох“ E-(2Ur + 2Uoct\
Однако и КПД каскада, как известно, определяется из выра-
жения
_ _ U2r/Rk
11 Ро Е10 ’
где Р~ — мощность, выделяемая в нагрузке; Pq = EIq — мощность
потребления от источника; 1о — суммарный ток от тока смещения
транзисторов и тока VT1.
Поэтому чем меньшая требуется длительность обратного хода
в токе отклонения при заданных параметрах отклоняющей системы
LK, RK, тем большее значение напряжения следует выбирать для ис-
точника питания Е и тем самым уменьшать КПД каскада. Как вид-
но из схемы, верхний транзистор VT1, открытый во время обратно-
го хода развертки, рассеивает значительно большую мощность, чем
нижний, через который происходит разряд конденсатора С за вре-
мя второй половины прямого хода развертки. Эта несимметрия за-
грузки транзисторов выходного каскада тем больше, чем больше по-
стоянная времени катушек т = LK/RK, т.е. чем больше импульсная
составляющая Ul на катушках.
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
181
Рис. 8.17. Выходной каскад кадровой развертки:
а — двухтактный каскад с дополнительной симметрией; б— выходной каскад с
последовательным управлением; в— выходной каскад на составных транзисторах с
параллельным возбуждением
Из этих рассуждений следует, что КПД каскада можно увели-
чить уменьшением напряжения питания Е при уменьшении посто-
янной времени катушек. В современных кадровых катушках откло-
няющих систем ЦТ удалось добиться постоянной времени т = 1 мс.
При этом существенно выравнивается загрузка по мощности выход-
ных каскадов. Тем не менее соотношение мощностей на открытом и
закрытом во время обратного хода транзисторах не опускается до
кратности, меньшей 2...3.
Общие требования к выбору транзисторов по допустимым кол-
лекторным токам и напряжениям, статическим коэффициентам уси-
ления /121э, рассеиваемой мощности, линейности вольт-амперных
входных и выходных характеристик, частотным характеристикам
остаются такими же, как и в аналогичных схемах звукоусилитель-
ной техники.
Существенным различием лишь является необходимость учета
несимметрии работы каскада из-за присутствия индуктивности в на-
грузке, в общем случае понижающей КПД бестрансформаторного
двухтактного каскада вследствие завышенного значения напряжения
питания Е. Применяемые в современных телевизорах двухтактные
бестрансформаторные схемы отличаются довольно большим разно-
образием как по способу возбуждения, так и исполнению выходной
цепи. Наиболее характерные из них приведены на рис. 8.17.
Представленный на рис. 8.17,а выходной каскад с дополнитель-
ной симметрией имеет парные (комплиментарные) транзисторы, об-
ладающие идентичными характеристиками, но разным типом про-
водимости. Как правило, такие транзисторы включаются по схеме
с общим коллектором, обеспечивая глубокую отрицательную обрат-
ную связь и тем самым стабильность. Высокая линейность передачи
I <S2 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
возбуждающего импульсно-пилообразного напряжения в цепи эмит-
теров каскада обусловлена разносом входных характеристик эмит-
терных выходных повторителей за счет смещающего термокомпенси-
рующего диода в базовых цепях. Тем самым исключается начальный
участок квадратичной характеристики входного тока транзисторов,
а сами транзисторы при этом работают в режиме АВ. Возбуждение
осуществляется по параллельной схеме от общего источника.
На рис. 8.17,6представлен выходной двухтактный каскад кадро-
вой развертки, работающий в режиме АВ, с однотипными выходны-
ми транзисторами и последовательным возбуждением. Характерной
особенностью его работы является то, что транзистор VT3 (ведомое
плечо) работает только в первую половину прямого хода, возбужда-
ясь от коллекторного напряжения транзистора VT2 и пропуская ток
заряда конденсатора С1 через катушку LK. В другую половину пря-
мого хода конденсатор С1 (при запертом VT3) разряжается через
диод VD1 и работающий в классе А транзистор VT2 и катушку от-
клонения LK. Схема эффективна и экономична, потому что, несмотря
на различный характер работы транзисторов VT3 и VT2, ее общий
режим работы соответствует классу АВ. Действительно, транзистор
VT2 нагружается большим током во вторую половину прямого хода
во время разряда конденсатора С1 и сравнительно малым током ба-
зы транзистора VT3 для его открывания в первой половине. Таким
образом, обеспечивается двухтактность работы выходной цепи.
Наконец, на рис 8.17,в представлена известная в звукотехнике
и характерная для портативных телевизоров черно-белого изобра-
жения схема выходного двухтактного каскада на однотипных тран-
зисторах, сопряженная с двухтактным усилителем на разнополяр-
ных транзисторах. Как известно из теории усилительных устройств,
эквивалентные характеристики верхнего и нижнего плечей, состоя-
щих из пар VT2, VT4 и VT3, VT5, обладают высокой идентичностью,
поэтому принято считать эту схему от входа VT2, VT3 аналогич-
ной рассмотренной схеме рис. 8.17,а, но превосходящей ее по вход-
ной чувствительности вследствие усилительных транзисторов VT2,
VT3. Возбуждение также осуществляется по параллельной схеме
(от одного источника VT1).
Повышение эффективности выходного каскада. Увеличе-
ние КПД выходного каскада с бестрансформаторным выходом на-
прямую связано с уменьшением бесполезных потерь, обусловленных
завышением напряжения источника питания Е из-за присутствия в
катушке значительной реактивности, которая проявляется на обрат-
ном ходу развертки. Величина этого напряжения
' E = 2UR + UL+2UOCT.
Если каким-либо схемным решением возможно уменьшить или
исключить из равенства составляющую Ul, то значительная часть
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
183
Рис. 8.18. Схема выходного каскада с отключением питания
напряжения источника (при малых UOCT) будет затрачиваться толь-
ко на получение необходимого тока отклонения в катушках, в пре-
деле достигая равенства
Е = IKRK + 2С7ост.
Очевидно, что КПД при этом будет максимальным.
Рассмотрим приведенную на рис. 8.18 схему, использующую
принцип свободных колебаний в отклоняющей катушке, отключен-
ной во время обратного хода развертки от выходной цепи при помо-
щи диода [27]. Как следует из рис. 8.18,а, выходной каскад, выпол-
ненный по известной схеме рис. 8.17,а, отличается от нее тем, что
соединен с источником питания через прямосмещенный диод VD2,
а выход генератора через конденсатор СЗ подключен к поделенной
нагрузке R2, R1 предвыходного возбуждающего усилителя на тран-
зисторе VT1. При указанных на рис. 8.18,а полярностях сигнала на
электродах устройство работает следующим образом. Когда в конце
прямого хода транзистор VT3 начинает закрываться в соответствии с
управляющим напряжением на его базе, катушка LK развивает ЭДС
самоиндукции (рис. 8.18,6), препятствуя уменьшению тока во вре-
мя обратного хода. Эта ЭДС положительной полярности через кон-
денсатор связи СЗ как усугубляющий фактор вместе с отпирающим
напряжением от предвыходного усилителя VT1 быстро вводит тран-
зистор VT2 в насыщение, уравнивая напряжение на его коллекторе с
растущим напряжением самоиндукции на катушке. После достиже-
ния ЭДС величины, равной напряжению источника Е и более, диод
VD2 оказывается запертым; нижний транзистор VT3 также заперт
положительной полуволной напряжения. В результате катушка LK и
емкость С2 через насыщенный (замкнутый) транзистор образуют по-
следовательный колебательный контур. При правильно выбранной
184
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.19. Схема выходного
каскада с удвоением питания
емкости С2 вследствие накопленной энергии магнитного поля в ка-
тушке к концу прямого хода в контуре возникнут свободные колеба-
ния, за счет которых в первой половине обратного хода ток в катушке
достигнет некоторого положительного значения из-за значительного
затухания колебаний (шунтирование транзисторами VT2, VT3 и це-
пью обратной связи) меньшего, чем необходимый ток отклонения в
кадровой катушке. Но поскольку полу период колебаний составля-
ет только часть обратного хода, то за оставшееся время, так как на
эмиттере VT2 будет поддерживаться управляющим напряжением по-
прежнему напряжение источника Е, ток обратного хода нарастет по
экспоненте до величины /ктах. Варьируя параметры контура LKC2,
можно регулировать в конечном счете общую длительность обрат-
ного хода в токе развертки при неизменном напряжении источника
Е. Другими словами, при неизменной длительности обратного хо-
да развертки рассмотренный прием с отключением питания позволя-
ет уменьшить напряжение источника и существенно улучшить КПД.
При значительных реактивностях в катушках с т 3 мс может быть
достигнуто уменьшение напряжения источника питания до 50 %. Од-
нако при т 1 мс эффективность этого приема весьма мала, так как
при этом трудно обеспечить добротность колебательного контура и
выигрыш получается малым.
Другим способом повышения экономичности выходного каскада
кадровой развертки является широко применяющийся в последних
разработках цветных телевизоров способ удвоения напряжения пи-
тания каскада на время обратного хода развертки. На рис. 8.19,а
приведена схема с удвоением напряжения, из которой видно, что вы-
полненный по одной из схем рис. 8.17 выходной каскад VT2, VT3
дополняется коммутирующим диодом VD, транзистором VT4 и на-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
185
копительным конденсатором С2, который за время прямого хода за-
ряжается до напряжения источника Е, а во время обратного хода
коммутирующими импульсами при помощи ключевого транзистора
VT4 и диода VD присоединяется как вольтдобавочный источник к
основному. Постоянная времени заряда конденсатора С2 через рези-
стор R1 выбирается так, чтобы он за прямой ход зарядился до на-
пряжения источника и величины его заряда при этом хватило бы на
питание выходного каскада во время обратного хода. Во время дей-
ствия коммутирующих импульсов, по длительности равных обратно-
му ходу (см. рис. 8.19,6), открытый до насыщения транзистор VT4
(достаточно мощный по току для питания выходного каскада) под-
ключает обкладку конденсатора С2 с положительным потенциалом
к катоду диода VD. Тем самым запертый диод отключает коллек-
тор VT2 от шины источника Е и позволяет включать последователь-
но с источником Е еще один эквивалент источника (заряженный до
значения Е конденсатор С2). Таким образом, рассмотренная схе-
ма позволяет использовать источник питания с достаточно низким
исходным напряжением и тем самым существенно увеличить КПД
каскада. Очевидно, такая схема особенно эффективна в применении
с катушками кадрового отклонения с малой т С 1 мс.
Общее требование к транзисторам выходных каскадов этих двух
рассмотренных схем — способность выдерживать увеличенное напря-
жение, приложенное к катушкам во время обратного хода.
Практическая схема генератора кадровой развертки. Как
отмечалось в § 8.2, любая практическая реализация генератора ка-
дровой развертки должна включать в себя задающий автогенератор,
синхронизируемый кадровыми синхроимпульсами из полного видео-
сигнала, если это касается развертки в телевизионном приемнике.
Зачастую схема автогенератора объединяется с генератором пило-
образного напряжения, если применяется задающий генератор на ба-
зе фантастрона. Важно отметить, что в современных схемах телеви-
зоров для получения высокой технологичности исключено примене-
ние блокинг-генераторов в задающих каскадах в пользу резистивно-
емкостных схем типа мультивибраторов или фантастронов. В за-
рубежных приемниках часто применяются автогенераторы на тири-
сторах и двухбазовых диодах, обладающих более высокой темпе-
ратурной стабильностью. Последнее очень важно, так как именно
это свойство зачастую гарантирует высокое качество чересстрочно-
го разложения.
В зависимости от типа выходного бестрансформаторного каска-
да и постоянной времени катушки в устройстве кадровой развертки
должны быть предусмотрены генератор пилообразного напряжения
(если автогенератор является мультивибратором) и формирователь
такого управляющего напряжения выходного каскада, которое бы га-
рантировало протекание в отклоняющих катушках тока требуемой
формы (например, с S-коррекцией) и необходимого размаха.
186
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 8.20. Обобщенная структурная схема кадровой развертки
Очевидно, применение отрицательных обратных связей в каска-
дах формирования и усиления способствует успешному решению та-
кой задачи применительно к интервалу прямого хода, так как бы-
ло показано ранее, что на прямом ходу устройство кадровой раз-
вертки представляет собой усилитель мощности. В соответствии с
известными приемами регулирования и стабилизации усиления при-
меняемые обратные связи могут быть множественными и достаточ-
но многообразными по исполнению (местными и общими, частотно-
зависимыми и независимыми, по току и напряжению).
В обобщенном виде функциональная схема генератора кадро-
вой развертки представлена на рис. 8.20. Основные элементы схе-
мы, такие как ЗГ — автогенератор, ГПН — генератор пилообразно-
го напряжения, ФУН — формирователь управляющего напряжения,
ФОХ — формирователь обратного хода для повышения эффективно-
сти выходного каскада, ВК — выходной каскад любого рассмотрен-
ного вида, являются непременными составляющими практической
схемы генератора современного черно-белого или цветного телеви-
зора. Следует обратить внимание, что приведенная отрицательная
обратная связь (ООС), как правило, является обязательным элемен-
том для поддержания стабильности размера и линейности разверт-
ки, в то время как частотно-зависимая отрицательная обратная связь
(ЧЗООС) имеет альтернативный характер и применяется, в частно-
сти, для S-коррекции тока отклонения соответствующим воздействи-
ем на формирующееся пилообразное напряжение. Если в формиро-
вателе управляющего напряжения применяются для этих же целей
нелинейные цепи (например, диодные амплитудные ограничители),
эта связь может отсутствовать.
Формирователь обратного хода в телевизорах 4-го и 5-го поко-
лений («Горизонт», «Электрон»), как правило, представлен схемой
удвоения питания (см. рис. 8.19), однако зарубежные модели цветных
телевизоров широко используют и другой способ повышения эффек-
тивности выходного каскада на обратном ходу — способ с отклю-
чением питания (см. рис. 8.18).
Следует отметить, что в зависимости от типа ФОХ и постоянной
времени катушек отклоняющей системы ОС форма возбуждающего
напряжения на входе выходного каскада может варьироваться. Если
в выходном каскаде не применяются средства для формирования то-
ка обратного хода, т.е. ФОХ отсутствует, напряжение возбуждения
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства
187
на выходном каскаде должно иметь импульсно-пилообразную фор-
му в точном соответствии с постоянной времени кадровых катушек
(см. § 8.2). Если применяется схема выходного каскада с отключе-
нием питания либо с удвоением напряжения питания, это требование
значительно смягчается и в среднем можно возбуждать выходные
каскады практически только пилообразным напряжением, так как
импульсная часть напряжения на катушках создается внешней це-
пью ФОХ, как пояснялось на рис. 8.18, 8.19.
В заключение отметим, что представленная структурная схема
практически легко реализуется на известных в импульсной и уси-
лительной технике элементах, а с учетом высокой экономичности
выходных каскадов за счет применения ФОХ может быть выпол-
нена целиком по интегральной технологии. Например, микросхема
К174ГЛ1А, рассчитанная на обслуживание черно-белых кинескопов
с углом отклонения 90° и диагональю 31 см, имеет функциональ-
ное описание, представленное на рис. 8.20. За счет использования
ФОХ с удвоением питания малая рассеиваемая мощность в 2...3 Вт
требует небольшого радиатора и позволяет добиться существенного
уменьшения габаритов всей развертки.
Гл а в а 9
СИНХРОНИЗАЦИЯ
РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
И ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛА
9.1. Общие положения
Развертывающие устройства ТВ системы должны работать син-
хронно и синфазно. Это требование выполняется принудительной
синхронизацией, для чего на все развертывающие устройства в кон-
це каждой строки и каждого поля подаются специальные синхрони-
зирующие импульсы, которые заставляют срабатывать их в строго
определенный момент. Способы синхронизации разверток передаю-
щих и приемных устройств разные.
Развертывающие устройства, работающие на телецентре, соеди-
нены с источником импульсов кабельными линиями. Для их синхро-
низации используются импульсы строчной частоты и частоты полей,
подводимые соответственно к строчным и кадровым развертываю-
щим устройствам. Для синхронизации развертывающих устройств
приемников формируется имеющий весьма сложную форму сигнал
188 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
синхронизации приемников (ССП), который передается в одном об-
щем канале с сигналом изображения. Кроме этого сигнала в сиг-
нал изображения вводят гасящие импульсы, запирающие электрон-
ные лучи приемных и передающих трубок на длительность обратного
хода по строкам и полям. Это необходимо, чтобы электронный луч во
время обратного хода в передающих трубках не считывал зарядов и
не оставлял следов на мишени, а в приемных трубках — чтобы не со-
здавалась дополнительная засветка экрана и не снижался контраст
изображения. Для преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, в ко-
торых не используется электронный луч, гасящие импульсы в прин-
ципе не нужны. Однако совместная эксплуатация разнообразного
парка как элетронно-лучевых устройств, так и безлучевых обусло-
вливает необходимость включения в телевизионный сигнал интерва-
лов времени для реализации обратных ходов разверток.
Длительности обратных ходов развертки по строке и полю суще-
ственно различны. Поэтому гасящие импульсы представляют собой
смесь относительно узких импульсов, следующих с частотой строк,
и значительно более широких, следующих с частотой полей. В свою
очередь, длительность гасящих импульсов приемной трубки долж-
на быть больше длительности гасящих импульсов передающей труб-
ки, так как при попеременной работе от разных источников сигнала
с неодинаковой длиной соединительных кабелей могут возникнуть
непредвиденные сдвиги сигналов изображения относительно сигна-
ла синхронизации.
Таким образом, на ТВ центре формируются следующие сигналы:
синхронизирующие импульсы строк, синхронизирующие импульсы
полей, сигнал синхронизации приемников, гасящие импульсы прием-
ной трубки, гасящие импульсы передающей трубки. Перечисленные
сигналы далеко не исчерпывают номенклатуру сигналов синхрониза-
ции и управления, необходимых для нормального функционирования
всех устройств ТВ центра. Однако по функциональной значимости
остальные сигналы можно отнести к вспомогательным.
Сигнал синхронизации приемников создается на ТВ центре и пе-
редается к телевизорам по одному, общему с сигналом изображения
каналу во время передачи гасящих импульсов. Вершины гасящих
импульсов служат как бы пьедесталами, на которых располагают-
ся импульсы синхронизации. Поскольку уровень гашения пример-
но соответствует уровню черного в сигнале, часто говорят, что син-
хронизирующие импульсы располагаются в области «чернее черно-
го». При таком расположении импульсы синхронизации легко мо-
гут быть отделены от сигнала изображения обычным амплитудным
ограничением.
Не менее важной задачей является разделение строчных син-
хронизирующих импульсов и импульсов синхронизации полей друг
от друга. Для этого они должны отличаться либо по уровню, либо
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
189
синхронизирующие импульсы синхронизирующий импульс
Рис. 9.1. Полный ТВ сигнал с отличающимися по уровню синхронизирую-
щими импульсами
Строчные Кадровый
Рис. 9.2. Разделение импульсов синхронизации с помощью цепей:
а — дифференцирующей; 6— интегрирующей; в— форма сигналов
по длительности. В первом случае (рис. 9.1) это разделение так-
же может быть осуществлено амплитудной селекцией. Однако из-
за увеличения общего размаха сигнала значительно возрастает мощ-
ность радиопередатчика. Поэтому синхронизирующие импульсы де-
лают разными по длительности (длительность строчных синхрони-
зирующих импульсов значительно меньше длительности импульсов
синхронизации полей). Разница в длительности строчных импуль-
сов и импульсов полей может быть легко преобразована, например,
с помощью дифференцирующих и интегрирующих цепей в разницу
напряжений (рис. 9.2). Из рисунка видно, что дифференцирующая
цепь выделяет строчные синхронизирующие импульсы, а интегри-
рующая — кадровые.
Выделение синхронизирующих импульсов полей с помощью ин-
тегрирующей цепи наряду с простотой обладает еще одним поло-
жительным качеством — хорошей помехоустойчивостью. Импуль-
сы помех, имеющие меньшую, чем синхроимпульсы, длительность,
фильтруются интегрирующей цепью. Недостатком такого выделе-
ния синхронизирующих импульсов является невозможность получе-
190
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
иия крутого фронта интегрированных импульсов и, как следствие,
возможную нестабильность момента синхронизации кадрового ге-
нератора.
9.2. Форма сигналов синхронизации
При построчном разложении между двумя кадровыми синхрони-
зирующими импульсами размещаются z строчных импульсов. Дли-
тельность кадрового импульса синхронизации в несколько раз боль-
ше периода строки Н (рис. 9.3). После прохождения сигнала ивх че-
рез дифференцирующую цепь кадровые синхронизирующие импуль-
сы подавляются, и на выходе формируется сигнал ^дц, в котором по-
ложительные импульсы используются для синхронизации строчной
развертки приемника. Следует обратить внимание на то, что во вре-
мя прохождения кадрового синхронизирующего импульса на выходе
дифференцирующей цепи строчные импульсы отсутствуют, и генера-
тор строчной развертки ТВ приемника, оставаясь какое-то время без
синхронизации, будет работать в автономном режиме. В результате
при вхождении в синхронизм после окончания действия кадрового
импульса несколько первых строк могут оказаться «сбитыми».
Для сохранения непрерывности следования строчных импульсов
в кадровый синхронизирующий импульс вводят прямоугольные врез-
ки, следующие со строчной частотой. Необходимо, чтобы срез (зад-
ний фронт) врезки совпадал с фронтом строчного импульса, который
должен был бы быть в этом месте при отсутствии кадрового импуль-
са. После дифференцирования такого сигнала для строчной синхро-
низации используются положительные импульсы, которые следуют
без перерыва со строчной частотой (^дЦ на рис. 9.3).
Кадровые синхронизирующие импульсы выделяются интегриру-
ющей цепью (узкие строчные синхронизирующие импульсы подавля-
ются). Наличие врезок приводит к получению на выходе интегриру-
ющей цепи «зубчатой» формы кривой и'иц. Такое искажение формы
Рис. 9.3. Сигналы синхрониза-
ции при построчной развертке
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
191
Рис. 9.4. Нарушение идентичности синхронизирующих импуль-
сов полей с врезками строчной частоты при построчной развертке
будет одинаковым у всех кадровых синхронизирующих импульсов.
Поэтому при постоянном уровне срабатывания кадрового генератора
развертки это не приведет к нарушению синхронизации.
При чересстрочном разложении число строк z в кадре нечетно, и
между двумя следующими друг за другом синхронизирующими им-
пульсами четных и нечетных полей размещается (т+ 1/2) периодов
строчной частоты г, где т — число целых строк в одном поле. Эта
одна вторая периода строчной частоты обусловливает разный вре-
менной сдвиг строчных врезок относительно синхронизирующих им-
пульсов четного и нечетного полей: в импульсе нечетных полей вре-
мя от фронта импульса до первой врезки равно длительности почти
целой строки (за вычитанием длительности врезки), а в импульсе
четных полей это время составляет половину длительности строки
(рис. 9.4). Таким образом форма синхронизирующих импульсов чет-
ных и нечетных полей оказывается неодинаковой. Из-за этого фор-
ма интегрированных импульсов для четных и нечетных полей также
будет различной. Это их различие хорошо видно на рисунке при
совмещении обоих интегрированных импульсов на одном графике.
При синхронизации кадрового генератора такими импульсами
может произойти нежелательный сдвиг Ai в моментах начала обрат-
ных ходов развертки четных и нечетных полей (см. рис. 9.4). На-
личие сдвига может приводить к заметному нарушению чересстроч-
192
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 9.5. Кадровая синхронизация с врезками двойной строчной частоты
ности развертки, проявляющемся в частичном слипании строк двух
полу кадров (так называемое «спаривание» строк).
Спаривание строк ухудшает качество изображения. Становится
заметной структура строк, уменьшается четкость по вертикали. По-
этому необходимо так изменить форму синхронизирующих импуль-
сов, чтобы исчезло различие между четными и нечетными импуль-
сами полей и сдвиг Д1 стал равен нулю. Для устранения различия
в форме синхронизирующих импульсов четных и нечетных полей в
них делают врезки с двойной строчной частотой (рис. 9.5). Форма
четных и нечетных импульсов синхронизации полей в этом случае
становится как до, так и после интегрирования идентичной.
Во время действия синхронизирующего импульса полей в канал
строчной синхронизации импульсы поступают с удвоенной частотой.
Для устойчивой синхронизации генератор импульсов строчной раз-
вертки настраивают так, чтобы частота его колебаний в режиме без
синхронизации была ниже частоты строк. При этом, если амплитуда
импульсов синхронизации не чрезмерно велика, генератор не будет
реагировать на дополнительные импульсы, и во время их передачи
он работает в режиме деления частоты на 2.
Как следовало из рис. 9.5, при полной идентичности синхрони-
зирующих импульсов полей импульсы после интегрирования полу-
чались также одинаковыми. Однако при более строгом рассмотре-
нии процессов следует заключить, что совпадение интегрированных
импульсов не является все же точным. На интегрирующую цепь по-
ступают наряду с синхронизирующими импульсами полей строчные
синхронизирующие импульсы. От каждого строчного импульса кон-
денсатор получает определенный заряд. Так как строчные импульсы
(на рис. 9.5 отмечены кружками) в четных и нечетных полях рас-
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
193
Рис. 9.6. Нарушение иден-
тичности начальных участков
интегрированных импуль-
сов из-за влияния строчных
синхронизирующих импульсов
полагаются на разных временных интервалах по отношению к син-
хронизирующим импульсам полей, то они, естественно, в четных и
нечетных полях по-разному влияют на ход кривой формирования
заряда на конденсаторе.
Рассмотрим нарушение идентичности возрастающих участков
кривой интегрирования. На рис. 9.6 в увеличенном масштабе изобра-
жены участки кривых, обведенные кружками на рис. 9.5. В то время
как в синхронизирующих импульсах нечетных полей (сплошная ли-
ния на графике -ииц) остаточный заряд конденсатора от последнего
строчного импульса почти равен нулю, в импульсах четных полей
он значителен (штриховая линия). Начальные условия интегриро-
вания кадровых импульсов в нечетных и четных полях получаются
различными, и это также приводит к нежелательному временному
сдвигу Д2. В этом случае он мал (Д2 < Д1), но достаточен, чтобы
нарушить регулярность развертки.
К нарушению идентичности начальных условий интегрирования
приводит и наличие строчных импульсов, следующих за синхрони-
зирующими импульсами полей. На рис. 9.5 видно, что разряд кон-
денсатора в четном поле несколько запаздывает (штриховой участок
спадающей части г£иц). Из-за этого к началу следующего синхрони-
зирующего импульса полей в четных и нечетных полях на конден-
саторе остаются различные напряжения. Из-за большого промежут-
ка времени между соседними импульсами полей этот остаток заряда
сказывается еще меньше, чем остаток от последнего строчного им-
пульса перед импульсом полей, но пренебрегать им не рекомендуется.
Чтобы избежать разницы в форме импульсов после интегрирования,
достаточно до и после синхронизирующих импульсов полей ввести
по несколько импульсов, следующих с двойной строчной частотой.
Такие импульсы называют уравнивающими. Чем больше уравнива-
ющих импульсов, тем точнее может быть выдержано условие иден-
тичности интегрированных импульсов.
Таким образом, для получения устойчивой чересстрочной раз-
13
194
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Строчные
синхронизирующие
< Н импульсы 1 < >1 /
Начало нечетного поля
r\hhhr\NNNt\
Н/2
Начало четного поля
h
h h К h
Уравнивающие
импульсы
h N N
Импульс кадровой
синхронизации
Уравнивающие
импульсы
К К
Л
Рис. 9.7. Сигнал синхронизации приемника при чересстрочной развертке
вертки приходится усложнять форму синхронизирующего импуль-
са полей (рис. 9.7). Моменты синхронизации строчной развертки
для наглядности отмечены знаками «пилы». Длительность импуль-
са синхронизации кадровой развертки и число уравнивающих им-
пульсов до и после него выбирают в зависимости от требований к
точности синхронизации. Период строчной развертки обозначен на
рисунке буквой Н.
Отечественным стандартом длительность импульса кадровой
синхронизации определяется величиной ‘ZfiH (160 мкс), а длитель-
ность уравнивающих импульсов берется в два раза меньше длитель-
ности строчных синхронизирующих импульсов. Стандартом устано-
влено, что число передних, задних уравнивающих импульсов, а так-
же импульсов, составляющих сигнал синхронизации полей, должно
быть равно пяти.
Импульсы синхронизации расположены на площадках гасящих
импульсов и составляют 43 % размаха сигнала изображения от уров-
ня черного до уровня белого. Помещаются они не в середине гасящих
импульсов, а несколько ближе к их левому краю. Для работы раз-
вертывающих устройств желательно, чтобы синхронизирующие им-
пульсы располагались как можно ближе к левому краю гасящих им-
пульсов. Действительно, в момент прихода синхронизирующего им-
пульса в приемном устройстве начинается обратный ход развертки.
На все время обратного хода экран должен быть погашен гасящим
импульсом. Если синхронизирующий импульс сдвинут вправо, то на
обратный ход луча приемной трубки будет отведено меньше време-
ни. При превышении этого времени вследствие каких-либо причин
обратный ход луча на экране не будет полностью погашен. С другой
стороны, нельзя расположить строчные синхронизирующие импуль-
сы непосредственно у левого края гасящего импульса. Сдвиг фрон-
та строчного синхронизирующего импульса вправо необходим для
предотвращения влияния содержания передаваемого изображения на
форму синхронизирующего импульса. Этот сдвиг, образующий уступ
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
195
перед началом строчного синхронизирующего импульса, должен за-
ведомо превосходить длительность переходных процессов в сравни-
тельно узкополосном канале синхронизации. Полоса пропускания
канала синхронизации в приемниках составляет 2...3 МГц, и, следо-
вательно, длительность нестационарных процессов равна приблизи-
тельно 0,5 мкс; сдвиг импульса, образующего уступ перед строчным
синхронизирующим импульсом, таким образом, не может быть мень-
ше 0,5 мкс; стандартом установлено его значение 1,5 мкс.
На уступе кадрового гасящего импульса, перед синхронизирую-
щим импульсом полей должны быть, расположены пять уравниваю-
щих импульсов. Этим и определяется длительность уступа на ка-
дровом импульсе (2,5Я).
Итак, в сигнале синхронизации телевизионных приемников наи-
более сложным по форме является сигнал кадровой синхронизации.
Его форма, принятая отечественным стандартом, а также большин-
ством европейских стран и США, является наиболее совершенной.
При ее установлении были учтены все факторы, даже в незначитель-
ной степени влияющие на точность синхронизации. Такая форма
позволяет получить хорошее качество чересстрочной развертки да-
же при наиболее простом способе разделения сигналов — с помощью
интегрирующих и дифференцирующей цепей.
9.3. Синхронизация генераторов
электрических колебаний
В теории колебаний методы синхронизации генераторов электри-
ческих колебаний разделяются на две группы: захватывание частоты
колебаний генератора и параметрическая синхронизация. В телеви-
зионной технике захватывание частоты автогенератора и параметри-
ческую синхронизацию соответственно называют непосредственной
и инерционной синхронизацией.
При непосредственной синхронизации импульсы воздействуют
на автогенератор, непосредственно навязывая ему вынужденные ко-
лебания с определенными частотой и фазой. Наиболее просто непо-
средственная синхронизация реализуется при использовании в каче-
стве задающих генераторов мультивибраторов, блокинг-генераторов
и других релаксационных генераторов. Непосредственная синхрони-
зация при реализации проще инерционной. Однако в телевидении
она используется не всегда.
Вспомним, что по линии связи между ТВ центром и приемни-
ком, если не учитывать звукового сопровождения, передаются два
сигнала: сигнал изображения и сигналы синхронизации разверток
ТВ приемника. Наличие в этой линии помех по-разному сказывает-
ся на сигналах изображения и синхронизации. Если синхронизация
развертывающих устройств не нарушается, то изображение можно
I :г
196
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Синхронизирующие
импульсы
Рис. 9.8. Структурная схема системы ФАПЧ
получить и при очень больших помехах, при нарушении синхрониза-
ции — даже при малых помехах практически вообще невозможно
синтезировать изображение.
Помехи в радиоканале неодинаково сказываются на синхрониза-
ции кадровой и строчной разверток. Синхронизация кадровой раз-
вертки меньше подвержена влиянию импульсных помех, так как син-
хронизирующие импульсы полей выделяются из синхросмеси (так
часто называют сигнал синхронизации приемника) с помощью инте-
грирующей цепи, являющейся фильтром нижних частот и подавля-
ющей импульсные помехи. Дифференцирующая цепь, выделяющая
строчные синхронизирующие импульсы, не может защитить генера-
тор строчной развертки от импульсных помех, и канал строчной син-
хронизации оказывается значительно менее помехозащищенным, чем
канал кадровой синхронизации. Поэтому в первую очередь принима-
ют меры по защите от помех канала строчной синхронизации. Для
этого в нем используется инерционная синхронизация.
Метод инерционной синхронизации автогенератора — параме-
трический. Под воздействием внешнего сигнала изменяется тот или
иной параметр генератора, определяющий частоту и фазу его ко-
лебаний. Этим параметром может быть не только элемент схемы
генератора, но и питающие его напряжения. Параметр генератора,
используемый для синхронизации колебаний, управляется с помо-
щью системы автоматического регулирования, получившей в теле-
видении название фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В ли-
тературе применяется также аббревиатура АПЧиФ — автоматиче-
ская подстройка частоты и фазы. Структурная схема ФАПЧ при-
ведена на рис. 9.8.
Синхронизирующие импульсы и колебания синхронизируемого
генератора строчной развертки (снимаемые, например, с задающе-
го генератора или с выходного каскада) поступают на импульсный
фазовый детектор, где сравниваются их фазы и вырабатывается вы-
ходное напряжение, пропорциональное разности мгновенных значе-
ний этих фаз. Из-за импульсного характера поступающего на детек-
тор сигнала выходное напряжение получается также импульсным.
Поэтому после детектора устанавливается интегрирующий элемент
(фильтр нижних частот), на выходе которого образуется постоянное
напряжение с величиной и знаком, соответствующими разности фаз
синхронизирующих импульсов и колебаний генератора. Это напря-
жение, воздействуя на управляемый параметр автогенератора, пе-
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
197
рестраивает частоту его колебаний, обеспечивая необходимую син-
хронизацию.
Интегрирующий элемент в значительной мере подавляет влия-
ние хаотических помех, так как среднее изменение фазы, вызван-
ное такими помехами, за достаточно большой промежуток времени
равно нулю.
Применение системы ФАПЧ позволяет обеспечить не только вы-
сокую помехоустойчивость, но и удобство установки любого заданно-
го значения фазы автогенератора. В частности, регулировкой мож-
но в автогенераторе добиться опережения по фазе строчных синхро-
низирующих импульсов, что очень важно, например, в устройствах
строчной развертки, построенных на транзисторах (см. гл. 8).
9.4. Формирование сигналов синхронизации
Для получения синхронизирующих и управляющих импульсов
на передающей стороне системы используется специальное устрой-
ство — синхрогенератор, с помощью которого формируются импуль-
сы с требуемыми формой и временными параметрами. Число неза-
висимых друг от друга выходов для каждого вида импульса уста-
навливается в соответствии с числом потребителей на ТВ центре.
Эти задачи решаются при выполнении синхрогенсратором следую-
щих функций. В задающем устройстве (хронизаторе) генерируют-
ся колебания, между которыми устанавливается жесткая связь по
частоте и из которых впоследствии будет сформирована необходи-
мая номенклатура импульсов. В формирующем устройстве созда-
ются импульсы требуемых формы и временных сдвигов между ними.
В устройствах согласования и распределения импульсов каждый из
видов импульсов распределяется по нескольким кабельным линиям,
соединяющим синхрогенератор с многочисленными потребителями.
Хронизатор синхрогенератора состоит из задающего генератора
и формирователя набора (сетки) опорных частот. Частота задающе-
го генератора определяется стандартом развертки. При построчной
развертке частота кадров /п, число строк в кадре z и частота строк
fz связаны простым соотношением = fnz = nz (n — число кадров
в секунду), которое определяет структуру задающей части (рис. 9.9).
С помощью ряда делителей строчная частота fz делится на z, в ре-
зультате чего на выходе получается сигнал с кадровой частотой fn.
Таким образом, частоты fn и fz жестко связаны между собой и обес-
печивают постоянство числа строк в каждом кадре изображения.
При чересстрочной развертке каждый кадр изображения состоит
из двух полей. Частотас которой работает кадровая развертка,
оказывается вдвое больше, чем частота кадров, т.е. f?n = 2fn. Эта
частота связана с числом строк в одном поле и частотой строк со-
отношением У- = 0,5^/2п-
Чтобы получить частоту полей f-2n из частоты строк fz, необхо-
димо строчную частоту разделить на z/2, т.е. на число строк в одном
198
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Задающий
генератор /г
Делитель
на z
h
Рис. 9.10. Структурная
схема задающего устрой-
ства синхрогенератора при
чересстрочной развертке
Рис. 9.9. Структурная схема за-
дающего устройства синхрогене-
ратора при построчной развертке
поле. Но при чересстрочной развертке число строк в кадре z не-
четное и z/2 соответственно — дробное. Простых способов точного
деления частоты с дробным коэффициентом деления не существу-
ет. Поэтому поступают следующим образом. Задающий генератор
работает на удвоенной частоте строк 2Д (рис. 9.10). Эта частота
делится на целое число г, и на выходе устройства получается часто-
та полей /2п. Для получения частоты строк Д частоту задающего
генератора 2fz делят на 2. С выхода задающего устройства, таким
образом, снимаются три колебания: двойной строчной частоты 2Д,
строчной fz и частоты полей /2п.
Значение частоты колебаний задающего генератора, равное двой-
ной строчной частоте, является минимально возможным. В совре-
менных синхрогенераторах, как показано ниже, для обеспечения ра-
боты формирующего устройства необходима широкая номенклатура
импульсов с разными частотами, значительно превышающими строч-
ную или двойную строчную частоту. Значения этих частот колеблют-
ся от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Тем не менее из при-
веденного следует, что частота задающего генератора должна быть
кратной fz при построчной развертке и 2fz — при чересстрочной.
Стабильность работы задающих генераторов должна быть до-
статочно высока, чтобы обеспечить в соответствии со стандартом по-
грешность частоты строк не более 0,016 Гц, что в пересчете в отно-
сительную погрешность составит величину 6 — 10“б.
Обобщенная структурная схема современного синхрогенератора
(рис. 9.11) претерпевает определенные изменения в зависимости от
режима работы синхрогенератора. Существует три основных режи-
ма. работы синхрогенератора: автономный, ведомый и режим цен-
трализованной синхронизации. В автономном режиме в качестве за-
дающего генератора в хронизаторе используется высокостабильный
(кварцованный) автогенератор. Переключатель В1 устанавливается
в этом случае в положение «Авт». Задающий генератор работает с
высокой стабильностью, определяемой стандартом. Этот режим при-
меняется, когда телевизионная программа создается аппаратурой,
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
199
Сигнал ошибки
Рис. 9.11. Обобщенная структурная схема синхрогенератора: ФСС1/1,
ФКСИ, ФССП, ФСГ, ФСС — формирователи сигналов строчных син-
хронизирующих, кадровых синхронизирующих, синхронизации прием-
ника, гашения, служебных соответственно; ВК — выходные каскады
обслуживаемой одним общим синхрогенератором. В создании телеви-
зионной программы на крупном телевизионном центре используется
очень большой объем оборудования, размещенного в различных ап-
паратных. Оно должно работать строго синхронно и синфазно, т.е. от
одних и тех же синхронизирующих импульсов. Это требование озна-
чало бы необходимость иметь на телевизионном центре сложнейшую
разветвленную сеть распределения синхросигналов от одного синхро-
генератора. На практике поступают иначе. В каждой из аппаратных
телецентра имеется свой синхрогенератор, структура которого видна
из рис. 9.11. Каждый из синхрогенераторов обслуживает оборудова-
ние только данной аппаратной. Если при создании телевизионной
программы требуется участие нескольких аппаратных, то их синхро-
генераторы переводятся в режим централизованной синхронизации
(переключатель В1 в положении «ССЦ»). В этом случае задающие
200
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
генераторы синхрокомплектов отключены, а на вход формировате-
лей опорных частот поступает по кабелю сигнал от одного, обще-
го для телецентра задающего генератора. Таким образом, вместо
сложной разветвленной сети распределения синхросигналов каждая
аппаратная работает от одной линии, по которой поступает исход-
ная, общая для всех частота.
Особые условия возникают при организации телевизионной про-
граммы несколькими, далеко расположенными друг от друга источ-
никами сигнала. Например, когда программа компонуется из сюже-
тов, доставляемых с передвижных телевизионных станций. Телеви-
зионные сигналы с этих внешних источников из-за несинхронности
нельзя микшировать с сигналом вещательной станции, в них нельзя
вводить ее титры и видеоэффекты. Это сужает творческие и худо-
жественные возможности создателей комбинированной программы.
Кроме того, несинхронность сигналов местного и внешнего источни-
ков при их смене будет приводить к скачкам фазы синхронизиру-
ющих импульсов, что обусловит возможные кратковременные сбои
синхронизации в телевизионных приемниках, нарушит работу в ли-
ниях связи и ретрансляторах, устройствах видеозаписи и др. Таким
образом, необходимо синхронизировать различные источники про-
граммы. Для этого синхрогенератор основного источника ставится
в автономный режим. Из полученного от внешнего источника по ра-
диоканалу или другой линии связи телевизионного сигнала выделя-
ется с помощью амплитудного селектора сигнал синхронизации при-
емника ССП, который подается на фазовый детектор системы ФАПЧ,
имеющийся в синхрогенераторе. На второй вход этого детектора по-
даются импульсы ССП от основного синхрогенератора. Происходит
сравнение двух сигналов синхронизации: от местного и внешнего ис-
точников. Системой ФАПЧ вырабатывается сигнал ошибки, который
представляет собой постоянное или медленно меняющееся напряже-
ние. Этот сигнал по отдельному каналу связи, например по обыч-
ной телефонной линии, направляется обратно к внешнему источнику
программы и подается на вход перестраиваемого генератора опорной
частоты хронизатора. Переключатель В1 в хронизаторе внешнего
источника должен быть переведен в положение «Вед». Сигнал ошиб-
ки, воздействуя на генератор, подстраивает его частоту и фазу до
тех пор, пока ошибка не станет равной нулю, т.е. до равенства частот
и фаз синхроимпульсов основного и внешнего источников. Внешний
источник, таким образом, как бы «ведется», отчего и режим работы
внешнего синхрогенератора называется ведомым.
На рис. 9.11 в качестве примера изображены элементы двух си-
стем ФАПЧ, позволяющих подчинить основному синх.рогенератору
два внешних источника программы. Возможен вариант ведомого ре-
жима работы синхрогенератора, в котором источник местной про-
граммы должен быть синхронизирован источником внешней програм-
мы без использования отдельного канала синхронизации между ни-
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств
201
ми. В этом случае сигнал ССП внешнего источника должен быть
подан в соответствии со схемой рис. 9.11 на вход ФАПЧ2, а полу-
ченный сигнал ошибки, скоммутированный переключателем В2 на
собственный генератор опорной частоты, подстроит частоту и фазу
местного источника под внешний источник. Этот режим оказывает-
ся эквивалентным режиму синхронизации телевизионного приемни-
ка. Использован он может быть, когда в программу местного источ-
ника необходимо включить только фрагменты программы внешнего
источника, а не осуществлять его полную ретрансляцию.
9.5. Синхронизация источников сигнала
путем временного преобразования
Как отмечалось в предыдущем разделе, все ТВ сигналы источни-
ков программ телевизионного центра и сигналы, поступающие извне
(с репортажных установок, передвижных станций, от других телецен-
тров и пр.), должны быть синхронны и синфазны. Только при этом
условии возможно создание комбинированных из этих сигналов про-
грамм, бесперебойная работа развертывающих устройств приемников
при коммутации местных и внешних сигналов. При этом рассма-
тривались способы синхронизации источников сигналов с помощью
синхронизирующих импульсов. Эти способы характеризуются суще-
ственным недостатком: при значительной удаленности источников
сигнала друг от друга надежность работы систем ФАПЧ, включа-
ющих в себя продолжительные по длине каналы передачи фазовой
ошибки, дороги и недостаточно надежны.
Однако возможен и практически применяется еще один способ
синхронизации, основанный на временном преобразовании ТВ сигна-
лов от автономно (независимо) работающих источников.
Устройство, в котором решается данная задача, называется ци-
фровым телевизионным синхронизатором. Его работа основана на
преобразовании входного сигнала в цифровую форму и записи его в
кадровую память по адресам, формируемым для каждого дискрет-
ного отсчета изображения. Последовательность записи по сформи-
рованным адресам периодически повторяется, и таким образом, со-
держимое ЗУ постоянно обновляется, и старая информация заменя-
ется новой. При считывании этой информации из памяти по адре-
сам, которые формируются в соответствии с опорными (местными)
сигналами синхронизации, на выходе синхронизатора формируется
ТВ сигнал, синхронный с местными источниками сигналов. Часто-
та и фаза синхронизации выходного сигнала не зависят от частоты
и фазы сигнала на входе синхронизатора, что достигается благода-
ря относительной независимости операций записи и считывания из
запоминающего устройства.
Упрощенная функциональная схема цифрового синхронизатора
представлена на рис. 9.12. На его вход поступает сигнал от внеш-
него источника, который должен быть синхронизирован с частотой
202
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей
Рис. 9.12. Структурная схема цифрового синхронизатора сигналов
местного сигнала, называемого в данном случае опорным. В каче-
стве опорного может служить как полный ТВ сигнал, так и сиг-
нал синхронизации.
В АЦП входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую
форму и поступает в запоминающее устройство ЗУ. При этом для
согласования высокой скорости цифрового потока на выходе АЦП
и быстродействия элементов памяти сигнал может быть демульти-
плексирован. Дискретизация входного сигнала в АЦП производится
с частотой тактовых импульсов, вырабатываемых в формирователе
7, который «ведется» внешним сигналом. В этом же формирователе
создаются импульсы, определяющие моменты записи, и коды адре-
сов памяти, по которым производится запись.
Считывание осуществляется с частотой и фазой, определяемыми
местным сигналом. Соответствующие импульсы с тактовой часто-
той, частотой считывания и коды адресов, по которым производится
считывание, создаются формирователем 2. Считанный из ЗУ цифро-
вой сигнал приобретает аналоговую форму в ЦАП. Если при записи
сигнала применялось демультиплексирование, то после считывания
должен быть использован обратный процесс мультиплексирования.
Важным моментом в синхронизаторе является реализация неза-
висимости процессов записи и считывания, поскольку решается зада-
ча синхронизации абсолютно независимых источников сигнала. Для
этого процессы записи и считывания в каждой из секций ЗУ должны
быть разнесены во времени. Обычно используют следующий алго-
ритм считывания. Если разность фаз между кадровыми синхрони-
зирующими импульсами не превышает времени записи одной секции
памяти, то считывание из секции, в которой производится запись,
невозможно и его осуществляют из других секций таким образом,
что если в данный момент записывается нечетное поле, то считы-
вается четное, и наоборот. Если разность фаз превысила время за-
писи одной секции, то считывать можно то же поле, которое запи-
сывается в данный момент, т.е. доступ к секции, в которой инфор-
мация уже обновилась, открыт. Команды на запись и считывание
вырабатываются устройством управления, в котором анализирует-
ГЛАВА 9. Синхронизация развертывающих устройств 203
ся взаимное временное положение сигналов синхронизации входно-
го и опорного сигналов.
Устройство управления по этому признаку с помощью коммута-
тора переключает режим работы соответствующих секций памяти.
Кроме рассмотренной основной функции синхронизации внеш-
них источников программ в синхронизаторе можно осуществлять и
специальную обработку ТВ сигнала (получение «стоп-кадра», видео-
эффекты, преобразование стандартов разложения). Наконец, син-
хронизатор позволяет улучшить качество приема ТВ сигналов на-
земными станциями спутниковой связи благодаря возможности кор-
рекции эффекта Доплера, возникающего при работе с удаляющим-
ся или приближающимся к станции приема спутником. В результа-
те перечисленных и некоторых других преимуществ временного пре-
образования перед способом синхронизации импульсными сигналами
цифровые синхронизаторы сигналов получили значительное распро-
странение на телевизионных центрах.
Ь III СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО
---1 ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Гл а в а 10
МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
О ЦВЕТЕ
10.1. Понятие о цвете
Ощущение цвета есть результат субъективного восприятия зри-
тельным аппаратом объективно существующих световых излучений.
Оно определяется двумя основными факторами: раздражителем —
объективно существующим и действующим на глаз излучением; ре-
зультатом раздражения — ощущением цвета, зависящим от свойств
световоспринимающего аппарата. Световые излучения, которые вос-
принимает зрительный аппарат человека, лежат в диапазоне длин
волн 380...780 нм. Этот диапазон излучения принято считать ви-
димым спектром.
Глаз является селективным приемником излучения. Это значит,
что в видимом диапазоне он воспринимает различные длины волн
неодинаково. Ощущение цвета зависит от спектрального состава воз-
действующего на глаз излучения. Если излучение содержит все дли-
ны волн видимого диапазона и является равноинтенсивным, т.е. все
составляющие спектра излучения имеют одинаковую мощность, то
в зрительном аппарате возникает ощущение белого цвета. Ощуще-
ние цвета, отличное от белого, возникает лишь в том случае, если
излучение содержит не все длины волн указанного диапазона либо
является существенно неравномерным. Предельным случаем нерав-
номерного излучения можно считать излучение в малом интервале
длин волн ДА, так называемые монохроматические излучения. Мо-
нохроматические излучения разной длины волны вызывают у чело-
века ощущение различных спектральных цветов, обладающих мак-
симальной (100 %) насыщенностью. Насыщенность — характерное
свойство цвета — цветовой параметр, обозначающий степень разба-
вленности монохроматического цвета белым. Насыщенность белого
цвета, равна нулю. Спектр монохроматических излучений условно
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
205
Таблица 10.1
Длина волны, нм 780...605 605...590 590...560 560...500 500...470 470...430 430...380
Цвет Красный Оран- жевый Желтый Зеленый Голубой Синий Фиоле- товый
разбит на семь главных цветов (табл. 10.1), названия которых мо-
гут служить приблизительным обозначением цветового тона. Под
цветовым тоном понимают характерное свойство цвета, позволяющее
обозначить его как красный, зеленый, желтый и т.д., в зависимости
от спектрального состава воздействующего излучения. Цветовой тон
и насыщенность не зависят от интенсивности излучения и характе-
ризуют качество цвета, которое называется цветностью. Количе-
ство цвета связано с величиной лучистого потока, воздействующего
на орган зрения излучения.
Перечисленные параметры: светлота, цветовой тон, насыщен-
ность являются субъективными, так как не могут быть объективно
измерены. Однако им соответствуют физические параметры излуче-
ния: яркость L, доминирующая (преобладающая) длина волны Ад и
чистота цвета Р. Субъективные и физические параметры связаны
между собой; так, яркость определяет светлоту, доминирующая дли-
на волны — цветовой тон, а чистота цвета — насыщенность. Таким
образом, цвет характеризуется тремя параметрами: светлотой или
яркостью, цветовым тоном и насыщенностью и в силу этого являет-
ся трехмерной величиной. Во многих случаях оказывается удобным
раздельно оценивать качественную и количественную характеристи-
ки цвета, определяя соответственно его через цветность и яркость.
Для каждого из приведенных в табл. 10.1 главных цветов можно
подобрать дополнительный цвет, который при смешении в опреде-
ленной пропорции со световым потоком данного цвета дает белый
цвет. Так, для желтых, оранжевых, зеленых цветов дополнитель-
ными цветами будут синий, голубой и пурпурный соответственно.
Пурпурный цвет не является спектральным цветом, а получен от
смешения синего и красного цветов.
Воздействующее на глаз излучение определенного спектрального
состава и интенсивности дает ощущение одного присущего ему цве-
та, т.е. известный спектральный состав и интенсивность излучения
полностью определяют цвет излучения. Однако по цвету излучения
нельзя судить о его спектральном составе, так как ощущение одного и
того же цвета может быть получено при различных спектральных со-
ставах воздействующих излучений. Зрительный аппарат человека не
в состоянии, например, отличить оранжевый цвет монохроматическо-
го излучения с длиной волны около 600 нм от цвета смеси источников
излучения красного (Ак = 700 нм), зеленого (А3 = 500 нм). Два раз-
личных по спектральному составу излучения, создающих ощущение
одного и того же цвета, называются метаметрической парой.
206
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Количество различимых глазом цветов очень велико и зависит
от многих факторов, таких как условия наблюдения, тренирован-
ность наблюдателя и др. Наш глаз способен различать около 10
млн. различных цветов, отличающихся один от другого по трем па-
раметрам — светлоте, цветовому тону и насыщенности. Описание
такого множества цветовых оттенков невозможно без их классифи-
кации и символического обозначения. Для этого разрабатываются
системы цветовых шкал в виде таблиц и цветовых атласов, которые
предназначены для безынструментального определения цвета рассе-
ивающей поверхности.
Наиболее известны цветовые атласы Оствальда, Менселла и Раб-
кина [28]. Их общий недостаток — неточность. Цветовая система,
позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета, была
создана на основе теоретических и экспериментальных работ многих
поколений ученых, осветивших природу цветового зрения и положив-
ших в основу построения науки об измерении цвета — колориметрии
— теорию трехкомпонентного цветового зрения и понятие о трехмер-
ном цветовом пространстве.
10.2. Фотометрия и свойства зрительного
аппарата человека
Излучение есть перенос энергии от источника к поглощающему
телу. Количественной мерой излучения является лучистая энергия,
а мощность переноса лучистой энергии, т.е. энергии, переносимой из-
лучением в единицу времени, называют лучистым потоком Ф, еди-
ницей которого является ватт (Вт). Спектр лучистого потока имеет
различный характер: может быть линейчатым (частным случаем та-
кого спектра является поток монохроматических излучений), сплош-
ным, непрерывным или смешанным.
Спектральную характеристику лучистого потока удобно харак-
теризовать с помощью так называемой спектральной плотности лу-
чистого потока, Вт/нм:
<рх = dQ/dX. (Ю-1)
Для примера на рис. 10.1 приведена спектральная плотность
источника белого света типа С. На этом рисунке заштрихованная
часть, заключенная между абсциссами А и X 4- dX и высотой Ф(А),
имеет значение с/Ф, соответствующее данной А. Площадь под кривой
Ф(А) определяет величину лучистого потока
Г ^2
Ф = / Ф(А)с/А.
Спектральный состав излучения, воздействующего на светопри-
емники, зависит не только от спектральной плотности потока, но и
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
207
Рис. 10.1. Спектраль-
ная интенсивность источ-
ника белого света типа С
от спектральных свойств тел. В зависимости от этих свойств тело
может частично или полностью пропустить, а также поглотить па-
дающий на него лучистый поток. При этом в большинстве случаев
окружающие предметы отражают и пропускают лучистую энергию
избирательно по спектру, что приводит к изменению спектрального
распределения первоначального лучистого потока. Отношение от-
раженной, пропущенной и поглощенной частей лучистого потока ко
всему лучистому потоку, падающему на предмет, называют соответ-
ственно коэффициентами отражения (р), пропускания (т) и поглоще-
ния (а). Функции спектральных коэффициентов отражения р(А) и
пропускания т(А) определяются следующими выражениями:
р(А) = ФДА)/Ф(А); (10.2)
г (А) =ФТ(А)/Ф(А), (10.3)
где Фр и Фт — отражаемый и пропускаемый лучистые потоки со-
ответственно.
Таким образом, если поток излучения, падающий на объект
Ф = / Ф(А)с£А, (10.4)
Jxr
то отраженный от объекта или пропущенный им лучистый поток за-
пишется соответственно как
Г^2
фр= / р(А)Ф(А)б/А; (10.5)
JXi
Г^2
т(А)Ф(А)ЛА. (10.6)
J
Для оценки воздействия лучистой энергии на светочувствитель-
ный элемент нормального глаза необходимо учитывать особенности
его светового восприятия. По определению, данному МКО (Между-
народная комиссия по освещению) в 1924 г., светом называется элек-
тромагнитное излучение, оцененное глазом по тому действию, кото-
рое оно на него производит. Световой поток F связан с лучистым по-
током Ф через спектральную световую чувствительность глаза, так
208
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.2. Стандартная относительная
видность глаза
называемую стандартную относительную видность глаза V(A):
/•780
F = Vm(X) / Ф(А)К(А)с!А. (10.7)
J380
Единица измерения светового потока — люмен (лм).
Стандартная относительная видность глаза (рис. 10.2) определе-
на в результате усреднения экспериментальных данных, полученных
для большого числа наблюдателей. Коэффициент Vm(A), являющий-
ся максимумом кривой стандартной относительной видности с дли-
ной волны А = 555 нм, устанавливает количественную связь между
световым и лучистым потоком. В результате точных измерений уста-
новлено, что 1 Вт лучистого потока монохроматического излучения
с длиной волны А = 555 нм равен 683 лм светового потока. Сле-
довательно, Vm(A) — 683, и выражение для светового потока при-
нимает следующий вид:
/•780
F = 683 / Ф(А)К(А)б/А. (10.8)
J380
Пределы интегрирования выбраны в соответствии с минималь-
ным значением ординат У(А).
Излучение, длины волн которого лежат за этими пределами,
практически не вызывает раздражения зрительного аппарата. В диа-
пазоне длин волн от 10 до 380 нм излучение называется ультрафио-
летовым, а в диапазоне от 760 до 340 • 103 нм — инфракрасным.
10.3. Колориметрическое определение цвета
Физиологические основы цветового зрения, базируются на теории
трехкомпонентного зрения, выдвинутой впервые в 1756 г М.В. Ломо-
носовым. Согласно этой теории допускается присутствие на сетчатке
глаза трех видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает
преимущественной чувствительностью к определенному участку ви-
димого спектра — коротковолновому (синему), средневолновому (зе-
леному), длинноволновому (красному).
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
209
Изолированное возбуждение одного из этих аппаратов дает ощу-
щение одного из трех насыщенных цветов — синего, зеленого, красно-
го. Обычно (при наблюдении малонасыщенных цветов) воздействую-
щее излучение содержит весь спектр видимого диапазона волн, но с
разной спектральной интенсивностью. Это приводит к раздражению
не одного, а двух или трех световоспринимающих аппаратов одновре-
менно. При этом волны различной длины возбуждают эти аппара-
ты в разной степени. Различное соотношение возбуждений световос-
принимающих аппаратов вызывает ощущение цвета. Таким образом,
анализ воздействующего излучения тремя селективными светочув-
ствительными аппаратами глаза и последующий синтез результатов
их возбуждений корой головного мозга вызывают ощущение большо-
го числа цветовых оттенков от окружающих предметов. Эта теория
хорошо согласуется с законами смешения цветов, которые косвен-
но ее подтверждают.
В телевидении используется локальное, пространственное и би-
нокулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть од-
новременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируют-
ся два или несколько излучений, вызывающие каждый в отдельно-
сти ощущение разных цветов, и последовательным, когда аналогич-
ные излучения воздействуют на глаз последовательно одно за дру-
гим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате возника-
ет ощущение единого результирующего цвета. При пространствен-
ном смешении участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами, име-
ют достаточно малые размеры, и глаз воспринимает их как единое
целое. Примером этому могут служить мелкие штрихи, мозаика и
др. Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экра-
не в большинстве случаев основано на пространственном смешении
цветов. Бинокулярным смешением называется смешение двух или
нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и право-
го глаза разными цветами, в результате чего возникает ощущение
нового цвета.
Основной закон смешения утверждает, что любые четыре цвета
находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может
быть выражен через любые три взаимно-независимых цвета:
f'F = r'R + g'G + b'B; (10.9)
здесь f'F — излучение произвольного состава, единица которого обо-
значена через F, а количество единиц — через f'; R, G, В — еди-
ничные количества основных цветов; г', д', Ъ' — множители, обозна-
чающие количества излучений, соответствующих цветам A, G, 5,
или «модули этих цветов».
Основными цветами называются взаимно-независимые цвета, ко-
торые нельзя получить смешением двух других, т.е. они не могут
210
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
быть связаны уравнениями типа
r'R = g'G 4- b'B; g'G = r'R 4- b'B- bfB = r' R + g'G. (10.10)
Примером взаимно-независимых цветов являются красный (/£),
зеленый (G) и синий {В).
Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов не-
возможно получить цветового равенства (10.9) ни при каких значе-
ниях основных цветов R, G, В. Согласование для этих цветов на-
ступает лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на
сторону исследуемого цвета.
В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например крас-
ной составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:
f'F 4- r'R = д' G 4- b'B (10.11)
или
f’F = -r'R + g'G 4- b'B. (10.12)
Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью урав-
нения (10.9) коэффициенты г', д', Ь' уравнения (10.9) могут иметь от-
рицательные значения. Это позволяет расширить применение фор-
мулы цветового уравнения (10.9), показывающего, что в общем слу-
чае цвет определяется тремя независимыми переменными г', д', Ь',
что подтверждает его трехмерность.
Знание численных значений цветовых коэффициентов г', д', Ь'
полностью определяет воздействующее на глаз излучение, и коли-
чественно, и качественно. Для определения только качественной
характеристики светового потока цветности F достаточно знать не
абсолютные, а относительные количества основных цветов г, д, Ь:
г' г'
г —----------= —
г' 4- д' 4- У т
ь- ь' - -
г' + д' + Ь( т
где т — г' 4- д' 4- Ь' — цветовой модуль.
Очевидно, что
г + д + Ь = 1. (10.14)
Символы г, д, b носят название координат цветности. В урав-
нении (10.9) множитель f указывает на количество цвета F, необхо-
димое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яркость
смс‘си равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.
f' = г' 4- д' 4- Ь' = т. (10.15)
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
211
Тогда, разделив (10.9) на цветовой модуль т, получим
F = rR + gG + bB. (10.16)
Цвет F носит название единичного цвета; сумма его координат рав-
на единице.
Координаты цветности являются зависимыми величинами, так
как, зная две из них, третью находим из равенства (10.14). Это под-
тверждает двумерность параметра цвета — цветности и позволяет
отобразить ее точкой в плоскости треугольника основных цветов.
10.4. Геометрическое представление цвета
Вследствие трехкомпонентности цветового зрения полная харак-
теристика цвета определяется тремя числами, которыми в выбранной
колориметрической системе, например АВС, являются модули трех
основных цветов а', У, с'. Необходимость и достаточность трех чи-
сел для полной характеристики цвета позволяет рассматривать его
как точку в трехмерном цветовом пространстве или как вектор, про-
водимый в эту точку из начала координат. Если основные цвета А,
В, С представить в виде векторов А, В, С, то уравнение цвета мо-
жет быть записано в виде
D = а'А + Ь'В + 6'С. (10.17)
В этом уравнении цвет смеси определяется суммарным векто-
ром D, имеющим координаты а1, У, d в системе координат АВС.
Координаты каждой точки цветового пространства численно равны
проекции вектора цвета на координатные оси. Начало всех векторов
цвета расположено в общей точке 0, являющейся началом системы
координат цветового пространства, которому соответствует черный
цвет (рис. 10.3). В качестве координат цветового пространства могут
быть выбраны направления векторов любых трех линейно незави-
симых цветов. Для обеспечения этого условия векторы выбранных
основных цветов не должны лежать в одной плоскости, и, следова-
тельно, объем параллелепипеда, построенного на них, не равен ну-
лю. Вследствие того что все векторы цвета имеют общее начало, их
можно рассматривать как радиусы — векторы точек, каждая из ко-
торых однозначно определяет цвет. Тогда каждой точке цветового
пространства будет соответствовать определенное значение яркости
и цветности. При этом длина вектора характеризует количество цве-
та — яркость, а направление — его качество — цветность.
Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называет-
ся цветовым. Совокупность цветовых векторов в цветовом простран-
стве занимает телесный угол менее 2тг, так как в противном случае
суммирование двух цветов, представленных соответствующими век-
торами, может привести к уменьшению длины результирующего век-
тора, т.е. яркости смеси, что физически невозможно. Сказанное ил-
люстрирует рис. 10.4, где в колориметрической системе, построенной
14*
212
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.3. Вектор цвета и его ком-
поненты
на векторах трех основных цветов А, В, С, изображена коническая
поверхность, образованная векторами цветов монохроматических из-
лучений. Поверхность имеет выпуклую форму, так как ни один спек-
тральный цвет не может быть получен смешением двух других. Ви-
димый спектр ограничен, с одной стороны, красным (Л = 700 нм),
а с другой — синим (А = 400 нм) излучением, поэтому поверхность
спектральных цветов незамкнута. Проведя плоскость через векторы
монохроматических цветов с А = 400 нм и А = 700 нм, получим плос-
кость, в которой расположены векторы всех возможных смесей этих
цветов, которые принято называть пурпурными цветами.
Поскольку цветов более чистых, чем спектральные, не существу-
ет, векторы всех реальных цветов расположены в пределах части
цветового пространства, которое ограничено конической поверхно-
стью, образованной векторами цветов монохроматических излучений
и плоскостью чистых пурпурных цветов. Совокупность направлений
векторов реальных цветов принято называть конусом реальных цве-
тов. Цвета, векторы которых лежат вне конуса реальных цветов, в
природе не существуют, вследствие чего их принято называть нере-
альными цветами. При пересечении цветового пространства плоско-
стью образуется цветовой треугольник АВС, в котором координаты
цветности монохроматических излучений изображаются точками на
кривой, называемой спектральным локусом.
Единичная плоскость в цветовом пространстве. Выше ука-
зывалось, что качественная характеристика цвета — цветность —
является двумерной величиной и, следовательно, может быть опре-
делена точкой на плоскости. Одной из характерных плоскостей цве-
тового пространства является плоскость единичных цветов. Единич-
ным цветом в колориметрии называют любой цвет, сумма координат
(модулей) которого равна единице. Поскольку отношение модуля ка-
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
213
ждого основного цвета к сумме модулей основных цветов предста-
вляет собой соответствующие трехцветные коэффициенты или ко-
ординаты цветности:
а'/т' — a; bf /т = Ь; с'/т = с,
где т = а1 + Ъ' + с', а сумма трехцветных коэффициентов а + b + с = 1,
то координаты любого единичного цвета равны его соответствую-
щим трехцветным коэффициентам или, что то же самое, координа-
там цветности. Положение плоскости единичных цветов в цветовом
пространстве определяется единичными значениями их отрезков, от-
секаемых плоскостью на координатных осях А, В, С. Следовательно,
плоскость пересекающая оси координат в точках Aq (a7 = 1; Ь' = 0;
с' = 0), Во (а' = 0; b' = 1; с' = 0), Со (а1 = 0; Ь' = 0; с' - 1) (см.
рис. 10.4), является геометрическим местом точек единичных цветов
в цветовом пространстве АВС, так как сумма координат любой точки
этой плоскости равна единице. Каждой точке плоскости единичных
цветов соответствует определенное направление цветового вектора,
пронизывающего в этой точке плоскость.
Следовательно, цветности любого излучения соответствует един-
ственно возможная точка этой плоскости. Треугольник AqBqCq,
образованный следами пересечения единичной плоскости с коорди-
натными плоскостями системы, называется цветовым треугольни-
ком и является равносторонним, а положение точки в треугольни-
ке определяет цветность описываемого цвета. Если положение точ-
ки внутри равностороннего треугольника задано, то перпендикуля-
ры, опущенные из нее на противоположные стороны вершин АВС,
определят непосредственно трехцветные коэффициенты (координа-
ты цветности) а, Ь, с, сумма которых равна единице (рис. 10.5). Если
же заданы координаты цветности а, 6, с, то положение точки в тре-
угольнике найдется по правилу определения центра тяжести. Удобно
для нахождения точки цветности по известным трехцветным коэф-
фициентам пользоваться равномерной сеткой, нанесенной на цвето-
вом треугольнике. Пользуясь сеткой, легко определить, что цвет-
ность равноинтенсивного цвета Е (точка Е) описывается уравнени-
ем Фд = 1/ЗА + 1/ЗВ + 1/ЗС, а например, в точке D цветность
фг = 0, ЗА + 0,5С + 0,2В.
10.5. Система RGB
Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при
единой колориметрической системе, оперирующей вполне определен-
ными, заранее согласованными основными цветами. Поэтому для
устранения неопределенности измерения цвета в 1931 г. Междуна-
родная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве
основных цветов — основных стимулов — три монохроматических из-
лучения с длинами волн Ад = 700 нм, Xg = 546,1 нм и Ад = 435,8 нм.
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.5. Цветовой треуголь-
ник АВС
Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них (R и В) близ-
ки к краям видимого спектра, а третий G — к его середине, поэтому
каждый из них действует преимущественно на свой цветочувстви-
тельный аппарат. Кроме того, излучение XG и Хв с большой ин-
тенсивностью испускается парами ртути, что упрощает проведение
колориметрических измерений.
Любой цвет в системе R, G, В определяется по аналогии с (10.9):
f'F = r'R 4- g'G + Ь'В, (10.18)
где В, G, В — обозначения выбранных основных цветов, а г', </, У
— их количества, т.е. координаты цвета. Координаты цвета г', д', У
могут быть выражены в энергетических или световых единицах, но
удобнее их выражать в количествах единичных цветов В, G, В. При
этом символы В, G, В являются наименованием единиц измерения
цвета. Абсолютные (количественные) значения единичных цветов
колориметрической системы не устанавливают, а нормируют лишь
их соотношение и выбирают таким, чтобы при сложении единичных
цветов в численно равных количествах получилось ощущение рав-
иоэнергетического белого цвета Е:
Е = 1B+1G + 1B. (10.19)
Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как бу-
дет показано, оказывается удобным при представлении цвета точ-
кой в трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения
цветов известно, что для получения цветового ощущения белого от
равноэиергетического излучения — источника типа Е необходимо к
ед,иннце цвета R прибавить 4,5907 единицы цвета G и 0,0601 единицы
цвета В. Тогда если через LR, Lg, Lb обозначить относительные
яркостные коэффициенты основных цветов, то количественное соот-
ношение компонентов смеси можно записать как
LRr'E : LGg'E : ЬвУЕ = 1 : 4,5907 : 0,0601, (10.20)
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
215
где г'Е. д’Е, Ь'Е — координаты белого цвета равноэнергетического из-
лучения Е\ в системе RGB
ге — 9’е — Ь'е — 1/3.
(10.21)
Координаты цвета т', д\ Ь' любого сложного излучения могут
быть определены, если известен спектральный состав этого излу-
чения
г' = [ 2 P(X)r(X) dX
JxT
д'= [Х2 P(X)g(X)dX >
Jxx
У = [ 2 P(X)b(X) dX
Jx-i
(10.22)
Величины r(A), 5(A), 6(A) представляют собой цветовые свойства
среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равен-
ства (10.18), которые были стандартизованы в 1931 г. МКО на осно-
ве экспериментальных результатов, полученных Райтом и Гилдом.
Цветовые свойства наблюдателей были стандартизованы для моно-
хроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапа-
зоне длин волн. В результате были получены удельные координаты
или удельные цветовые коэффициенты, которыми называются коэф-
фициенты цветового уравнения (10.18), необходимые для получения
ощущения цвета, соответствующего монохроматическому излучению
мощностью в 1 Вт. Графическая зависимость удельных координат
длины волны или кривые смешения изображены на рис. 10.6. Они
связывают воздействующее на глаз излучение данного спектрально-
го состава с результатом этого воздействия — ощущением цвета, вы-
раженным в цветовых координатах г', д', Ь'.
Для равноэнергетического белого цвета Ре (А) — const и г'Е =
= д'Б = УЕ, откуда
/»Л 2 /* А 2 f А 2
I r(X)dX= / д(Х) dX= / Ь(А) dX,
Aj J Ai J Aj
(10.23)
а следовательно, площади под кривыми r(A), 5(A), 6(A) равны.
Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают,
что в цветовом уравнении (10.18) величины г', д\ Ь' для чистых спек-
тральных цветов имеют отрицательные значения. Это подтверждает
невозможность получения чистых спектральных цветов смешением
основных реальных цветов RGB.
На рис. 10.7 представлен конус реальных цветов — цветовое те-
ло, построенное на векторах основных цветов колориметрической си-
стемы RGB. Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точ-
ках, соответствующих единичным количествам основных цветов, и,
216
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.6. Удельные коор-
динаты цвета в системе RGB
Рис. 10.7. Цветовое те-
ло, построенное на векто-
рах реальных цветов RGB
следовательно, является единичной плоскостью. Вектор равноэнер-
гетического белого цвета Е равноудален от векторов основных цветов,
чем достигается равномерность заполнения цветового пространства.
След пересечения плоскости Q с конической поверхностью цве-
тового тела образует локус чистых спектральных цветов. Следы пе-
ресечения этой плоскости с координатными плоскостями образуют
цветовой треугольник RGB. Любой точке в плоскости треугольника
RGB соответствует вполне определенная цветность, координаты ко-
торой определяются делением модулей цвета г', д', Ь' на их сумму
в соответствии с (10.13).
Для опорного равносигнального цвета Е координаты цветности
те = 9е = Ье = 1/3.
Следовательно, точка белого цвета Е является центром тяжести
треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматри-
вая положение цветового конуса в пространстве координат RGB, ви-
дим, что значительная часть цветового тела, содержащая векторы
монохроматических зеленых, голубых, синих и фиолетовых цветов,
выходит за пределы пирамиды OBGR, т.е. оказывается с внешней
стороны плоскости GOB. Соответственно и след сечения цветового
конуса плоскостью Q — спектральный локус выходит за пределы
цветового треугольника RGB. Следовательно, чистые спектральные
цвета не могут быть получены смешением основных цветов RGB и
входящие в цветовые уравнения модули г', д', Ь' для этих цветов мо-
гут иметь отрицательные значения. Кривые смешения (см. рис. 10.6)
подтверждают это положение.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
217
Колориметрическая система RGB удобна для проведения экс-
периментальных исследований, так как ее основные цвета являются
реальными, физически существующими цветами. Однако наличие в
кривых смешения RGB (см. рис. 10.6) положительных и отрицатель-
ных ветвей значительно затрудняет их реализацию при создании цве-
тоизмерительных приборов — колориметров. Вторым недостатком
системы RGB является необходимость расчета всех трех компонен-
тов цвета при определении его яркости:
L = 683(£яЯ 4- LgG + LrB),
где Я, G, В — координаты цвета; Lr. Lq, Lb — яркостные коэф-
фициенты основных цветов системы R,GB. Поэтому в 1931 г. МКО
была принята более удобная колориметрическая система нереаль-
ных цветов XYZ.
10.6. Цветовая система XYZ
В основу построения системы XYZ были положены следующие
условия.
1. Удельные координаты — кривые смешения — не должны
иметь отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета должны опре-
деляться положительными значениями модулей основных цветов вы-
бранной координатной системы и, следовательно, координаты цвет-
ности всех реальных цветов — лежать внутри координатного тре-
угольника основных цветов.
2. Количественная характеристика цвета — яркость — должна
полностью определяться одним его компонентом.
3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения
должны быть равными, т.е. точка цветности этого излучения должна
лежать в центре тяжести треугольника основных цветов.
Для обеспечения первого требования в качестве основных цве-
тов были выбраны три теоретических (реально не воспроизводимых)
цвета XYZ. Координатная система XYZ выбрана так, чтобы векторы
основных цветов располагались в цветовом пространстве вне тела
реальных цветов, т.е. тело реальных цветов находилось внутри ко-
ординатной системы XYZ, которая может быть пояснена с помощью
рис. 10.8. Оси А', У, Z являются ортогональной декартовой системой
координатных осей в цветовом пространстве — координата У полно-
стью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и
Z лежат в плоскости нулевой яркости. Вектор координаты У перпен-
дикулярен равноярким плоскостям, и в частности плоскости нулевой
яркости XOZ, что обеспечивает выполнение второго условия.
Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выраже-
нием:
f'F = x'X + y'Y + z'Z
(10.24)
218
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.8. Цветовое пространство XYZ
и получение диаграммы цветности МКО
и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами х',
у’, z’ или вектором, проведенным в эту точку из начала координат.
Модули основных цветов .т', у1, zf определяются выражениями, ана-
логичными (10.22):
PWyWdX
(10.25)
Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ
показаны на рис. 10.9. Кривая у(Х) тождественна кривой стандарт-
ной относительной видности глаза К(А). Две другие кривые т(А) и
7(A) получены в результате пересчета удельных координат г (А), д(А),
6(A) системы RGB в координатную систему XYZ. Подынтегральные
площади всех трех кривых равны между собой, что обеспечивает вы-
полнение третьего условия построения системы.
Цветовое пространство XYZ (см. рис. 10.8) рассечено единичной
плоскостью, определяемой уравнением
X + Y + Z = 1
и отсекающей на осях координат отрезки X = 1, Y = 1, Z = 1.
Линии пересечения координатных плоскостей с единичной плоско-
стью образуют на последней равносторонний треугольник. Точка т
пересечения вектора D с единичной плоскостью характеризует на-
правление этого вектора, а следовательно, и цветность описываемого
цвета. Координаты точки т определяются выражениями
х = х'/М; у = у’ /М\ z — z'/М,
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
219
Рис. 10.9. Удельные коор-
динаты цвета в системе XYZ
Рис. 10.10. Координаты
цветности в системе XYZ
Рис. 10.12. Диаграмма цветности
МКО
Рис. 10.11. Диаграмма цветно-
сти в единичной плоскости XYZ
где М = х' + у’ + z* — модуль цвета; х, у, z — координаты цветно-
сти. Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены
и стандартизованы МКО, их значения для монохроматических излу-
чений изображены графически на рис. 10.10.
Геометрическое место координат цветности чистых спектраль-
ных цветов — это кривая, которая лежит на единичной плоскости
и называется спектральным локусом (см. рис. 10.8). Прямолиней-
ный участок, замыкающий эту кривую в точках В и Я, представляет
цветности пурпурных цветов. Изображение цветностей на единичной
плоскости или ее проекции называется диаграммой цветности —
цветовым графиком. Таким образом, в единичной плоскости можно
получить диаграмму цветности, показанную на рис. 10.11, и предста-
вить на ней цветность любого цвета его координатами цветности.
Замкнутая коническая поверхность (см. рис. 10.8), образуемая
220
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
векторами чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в
себе ту часть цветового пространства, на которой располагаются век-
торы всех реальных цветов, визуально воспринимаемых глазом. Все
остальные векторы — за пределами этой конической поверхности
— представляют собой формальные цвета, которые не могут быть
визуально восприняты. Такими являются и сами первичные цвета
XYZ МКО. Благодаря указанному выбору первичных цветов цвето-
вые компоненты всех реальных цветов в системе XYZ выражаются
только положительными величинами. Соответственно на диаграм-
ме цветности все точки, заключенные внутри спектрального локуса,
представляют реальные цветности, все точки вне его соответству-
ют формальным цветностям.
Так как одна из координат цветности является зависимой от
двух других (х + у + z = 1), то для определения цветности доста-
точно двух координат, например х и у. Тогда, проектируя диаграм-
му цветности единичной плоскости на плоскость ху в направлении
оси z (см. рис. 10.8), получаем известную диаграмму цветности МКО
(рис. 10.12). Анализируя цветовой график МКО, необходимо отме-
тить следующее.
1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся вну-
три спектрального локуса и определяются положительными значе-
ниями х и у.
2. Равноэнергетический белый цвет Е лежит в центре тяжести
треугольника хОу. Его координаты цветности — х — 1/3, у = 1/3.
3. Дополнительные цвета лежат на отрезке прямой, проходящей
через точку Е с кривой спектральных цветов.
4. Цветность смеси двух цветов отображается точкой, располо-
женной на прямой, соединяющей смешиваемые цвета.
5. Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри тре-
угольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.
Выше указывалось, что цветность сложного излучения помимо
координат цветности может быть охарактеризована цветовым тоном
и насыщенностью. Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветно-
сти МКО определяется длиной волны монохроматического излучения
(доминирующей длиной волны А^м), соответствующей пересечению
кривой спектральных цветов — спектрального локуса с прямой, про-
ходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого
цвета, например точку М. Насыщенность численно характеризуется
чистотой цвета Р, т.е. относительным содержанием в нем спектраль-
ного цвета (монохроматического светового потока F\):
F\
Р = Б' ’ 100 %’
F + Гб
где F(y — световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. На-
сыщенность максимальна (Р = 100 %) для чистых спектральных и
пурпурных цветов и минимальна (Р = 0) для белого цвета.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете 221
10.7. Равноконтрастная цветовая диаграмма
Для определения точности воспроизведения цвета на телевизи-
онном экране необходимо выбрать правильную меру оценки разно-
сти сравниваемых цветов. Различие между цветами целесообразно
оценивать в порогах цветоразличения, которые наблюдатель в со-
стоянии заметить. Экспериментальные данные о чувствительности
зрения к изменению цветности для разных точек цветового графи-
ка представлены на рис. 10.13 в виде эллипсов различной величины
и ориентации, внутри которых глаз не ощущает разницы в цвете.
Полуоси эллипсов пропорциональны порогам цветоразличения. Для
большей наглядности эллипсы на рисунке изображены с десяти к рат-
ным увеличением. Пороги в разных участках цветовой диаграммы
XY резко различны, что затрудняет использование ее при оценке
разницы цветов. Для устранения этого недостатка была разрабо-
тана и рекомендована МКО равноконтрастная диаграмма цветности
(рис. 10.14), полученная из диаграммы цветности XY проекцией ее
на новую плоскость UV. Координаты цветности в новой системе цве-
тов определяются из соотношения
и =-----—----; V =------—-----.
бу — х + 1,5 бу — х + 1,5
В результате такого преобразования на равноконтрастном графике
пороги цветоразличения представляют собой равные окружности, а
значение порога составляет 0,0038 единиц UV.
В телевидении для оценки цветовых различий, обусловленных
искажениями не только цветности, но и яркости, используют ре-
комендованное МКО в 1964 г. равноконтрастное цветовое простран-
ство, координатами которого являются индексы яркости И7*, цвет-
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60,7 0,8 х
Рис. 10.13. Пороги различи-
мости цветов на графике МКО
Рис. 10.14. Равноконтраст-
ная диаграмма цветности и, U
222
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ности [/* и V*:
Ж* = 25(Г')1/3 - 17; U* = 13РК*(С7 - Uo); V = 13W*(V - Vo),
(10.26)
где У' — относительная яркость исследуемого цвета к яркости бе-
лого в процентах, UOy Vo nU.V — координаты цветности опорного
белого и оцениваемых цветов соответственно в системе //* V*W*. Раз-
ность между двумя цветами определяется в равноконтрастном цве-
товом пространстве МКО как расстояние между двумя точками:
ДЕ = У(ДЕ*)2 + (ДУ*)2 + (Д1У*)2, (10.27)
где At/*, AV*, АIV* — разности соответствующих координат срав-
ниваемых цветов в системе Г7*!7*!!7*. Выражение для АЕ определяет
только разность между цветами в равномерном цветовом простран-
стве. Для количественной оценки качества цветопередачи введен
индекс цветопередачи
R = 100-4,6ДЕ. (10.28)
Для оценки качества цветопередачи по совокупности испыта-
тельных цветов используют общий индекс цветопередачи Ra:
Ra = — - ]С(100-4,6ДД), (Ю.29)
i=l г=1
где i — номер испытательного цвета из набора т цветов; А^ — цве-
товое различие, определяемое по (10.27). Экспериментально устано-
влено, что расчетным значениям Ra соответствуют следующие оцен-
ки качества цветопередачи:
Ra Оценка
80... 100 .........................«отлично»
65...80 ...........................«очень хорошо»
50...65 ...........................«хорошо»
30... 50 ..........................«удовлетворительно»
10.8. Способы получения цветного
телевизионного изображения
Для получения цветного телевизионного (ЦТ) изображения дат-
чик ТВ сигнала (ЦТ камера, диапроектор, эпипроектор) кроме по-
элементного анализа осуществляет спектральное разложение воздей-
ствующего излучения на три составные части аналогично тому, как
это делает наш зрительный аппарат. На приемной стороне происхо-
дил' обратное действие — синтез ЦТ изображения из трех основных
цветов. Анализ воздействующего излучения на три составляющие
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
223
Рис. 10.15. Схема последовательного способа передачи и воспроизведения
основных цветов
и синтез ЦТ изображения могут быть получены одновременным ли-
бо последовательным способом.
Последовательный способ. Способность зрительного аппара-
та воспринимать чередующиеся во времени цвета как цвет смеси при
достаточной скорости чередования позволяет разлагать натуральные
цвета на основные и осуществлять синтез ЦТ изображения из трех
основных цветов последовательным способом (рис. 10.15). Изобра-
жение передаваемого объекта при помощи объектива проецируется
на фотокатод передающей телевизионной трубки последовательно в
трех цветах — красном, зеленом и синем. Для разложения свето-
вого потока на три основных цвета используется вращающийся диск
со светофильтрами, устанавливаемый между объективом и передаю-
щей трубкой. На приемном конце наблюдатель видит изображение
на экране приемной трубки также через вращающиеся светофильтры.
При этом оба диска должны вращаться с одинаковой скоростью (син-
хронно) и фильтры одного и того же цвета должны проходить перед
обеими трубками одновременно (необходима сипфазность вращения
дисков). Таким образом, наблюдатель видит последовательно теле-
визионное изображение в трех разных цветах. Благодаря инерции
зрительного восприятия возникает впечатление слитного изображе-
ния в натуральных цветах.
Для незаметности мелькания необходимо, чтобы общее время пе-
редачи трех цветоделенных изображений, образующих в совокупно-
сти полное ЦТ изображение, не превышало времени передачи одного
кадра в черно-белом телевидении. В связи с этим в такой системе
число элементов изображения, передаваемых за один полный кадр,
возрастает в три раза. Соответственно в три раза возрастает и по-
лоса частот передаваемого видеосигнала.
Последовательному способу присущи недостатки: он не совме-
стим с системой черно-белого телевидения, так как частоты кадро-
вой и строчной разверток, а также спектр частот ТВ сигнала при
гаком способе передачи увеличены в три раза по сравнению с ана-
логичными параметрами черно-белой системы; при быстром переме-
щении объектов на изображении наблюдается цветная бахрома, так
как следующие друг за другом изображения в трех основных цве-
тах оказываются несовмещенными. Кроме того, применение диска со
224
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.16. Схема одновременного способа передачи и воспроизведения
основных цветов:
1, 2 — дихроичные зеркала; 3 — канал связи
светофильтрами ограничивает размеры экрана кинескопа. По этим
причинам последовательная система не могла быть использована в
телевизионном вещании.
Основным достоинством последовательного способа является
простота передающего и приемного оконечного устройства, в связи
с чем он применяется в замкнутых телевизионных системах при-
кладного назначения.
Одновременный способ передачи цветов требует в общем слу-
чае трех передающих и трех приемных трубок. Разложение свето-
вого потока, воздействующего на ЦТ датчик излучения, на три со-
ставляющие может осуществляться непосредственно светофильтра-
ми, установленными перед фотокатодами передающих трубок, либо
с помощью специальной цветоделительной системы, содержащей ди-
хроичные зеркала. Упрощенная структурная схема одновременного
способа показана на рис. 10.16.
Воздействующий на ЦТ датчик световой поток разделяется на
три с помощью двух дихроических зеркал, цветоизбирательные свой-
ства которых таковы, что они отражают одну часть спектра и почти
без потерь пропускают остальную часть. Так, дихроическое зеркало
1 отражает синюю составляющую светового потока к соответствую-
щей трубке и пропускает остальную часть излучения. Дихроическое
зеркало 2 отражает красную составляющую ко второй трубке и про-
пускает зеленую составляющую к третьей трубке. Полученные от
трех трубок видеосигналы передаются к приемному устройству, где
три цветоделенных изображения необходимо совместить в одно.
Одновременный способ передачи и воспроизведения основных
цветов требует точного оптического и электрического совмещения
трех растров передающих, а также приемных трубок. Недостаточно
точное выполнение этого требования может привести к потере чет-
кости и появлению цветных окантовок.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете 225
10.9. Особенности восприятия цвета
в телевидении
При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной си-
стемы важно установить, к какому идеалу точности цветовоспро-
изведения следует стремиться. Качество телевизионного изображе-
ния, как и любой репродукции, определяется степенью соответствия
этой репродукции оригиналу. Вопрос о точности воспроизведения
изображения оригинала детально рассмотрен Н.Д. Нюбергом, кото-
рый предложил три критерия точности соответствий изображения
оригиналу: физическая точность — спектральные составы и мощно-
сти излучения оригинала и изображения одинаковы; физиологиче-
ская — зрительные ощущения, вызываемые оригиналом и его репро-
дукцией, одинаковы; психологическая — изображение оценивается
наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точ-
ность не соблюдается.
При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполне-
нию физической точности не требуется, так как одинаковые ощуще-
ния цвета могут быть получены при воздействии различных спек-
тральных составов. Необходимость физиологической точности изо-
бражения оригиналу не может быть в полной мере выполнено в теле-
визионной системе из-за ограничений, наложенных синтезирующим
воспроизводящим устройством, которые обусловлены двумя основ-
ными причинами:
1) диапазон абсолютных значений яркостей Уи, воспроизводи-
мых синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как
диапазон абсолютных значений яркости Уо передаваемых объектов,
т.е. телевизионное воспроизводящее устройство не может практиче-
ски воспроизвести столь большие абсолютные значения яркости, ка-
кие имеют место на объекте;
2) телевизионное устройство не может воспроизвести цветности,
находящиеся вне треугольника его первичных цветов.
При разработке вещательных систем цветного телевидения сле-
дует иметь в виду, что ЦТ изображение имеет меньшие размеры де-
талей, чем объект, заключено в ограничивающую рамку, которой нет
в передаваемом объекте, яркость фона, окружающего изображение,
обычно мала по сравнению с яркостью изображения. В этих усло-
виях важна адаптация глаза и относительность зрительных оценок,
что позволяет не воспроизводить абсолютное значение яркостей от-
дельных элементов изображений, соответствующих оригиналу, и со-
хранять лишь соотношение между яркостями отдельных элементов
изображения и цветности.
Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании по-
нятие колориметрической тождественности изображения оригиналу,
которое означает выполнение следующих условий:
15
226
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
• цветность каждого элемента изображения не должна отличаться
от цветности элемента оригинала, т.е. хи = гго; уи = уо; z„ = zo;
• отношение яркостей соответствующих элементов изображения и
оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветно-
стей, т.е. уи — пуо> где п = const при любой цветности.
Необходимо отметить, что требование колориметрически точного
воспроизведения цветности выполнимо лишь в пределах треугольни-
ка первичных цветов воспроизводящего устройства. Цветности ори-
гинала, лежащие вне треугольника, будут воспроизведены с искаже-
ниями насыщенности и цветового тона. Для качественной оценки до-
пустимости цветовых искажений относительно оригинала использу-
ют критерий психологической точности цветного изображения. При
этом учитывают, что восприятие цветности знакомых предметов (ко-
жи лица и рук, волос, воды, листьев, травы, хорошо известных цве-
тов, фруктов и овощей, мяса, различных белых поверхностей и др.)
является более критичным, чем восприятие цветности малознакомых
предметов [28]. Эти особенности широко применяют при выборе па-
раметров отдельных звеньев телевизионной системы.
Колориметрические требования справедливы для однородно ок-
рашенных цветовых полей при восприятии их углом зрения 2°. При
переходе к меньшим углам зрения цветовые свойства глаза суще-
ственно меняются. Так, при уменьшении угловых размеров предме-
тов до 10...25' их цвета воспринимаются как цвета смеси оранжевого
и голубого цветов. Полная потеря ощущения цветности происходит
при углах зрения 6...10'. Учитывая, что телевизионное изображение
обычно воспринимается в пределах угла ясного зрения (12... 15°), де-
тали, меньшие, чем 4-6 элементов, могут воспроизводиться в черно-
белом виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, по-
зволяет уменьшить ширину полосы частот канала связи.
10.10. Условия правильной цветопередачи
в телевидении
В § 10.9 были сформулированы необходимые условия верности
цветовоспроизведения, по которым, учитывая особенности зритель-
ного восприятия и телевизионного цветовоспроизведения, следует
принимать колориметрическую тождественность изображения ори-
гиналу. Это означает, что цветность каждого элемента изображе-
ния не отличается от цветности соответствующего элемента ориги-
нала, а отношение яркостей соответствующих элементов изображе-
ния и оригинала является величиной постоянной для всех переда-
ваемых цветностей, т.е.
4 = пх'о- у'и = пу'о, 4
где и коэффициент пропорциональности.
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
227
Рис. 10.17. Структурная схема ЦТ тракта от света до света
Очевидно, что выполнение этих условий определяется работой
всех звеньев телевизионного тракта от света до света, структурная
схема которого изображена на рис. 10.17. Телевизионный тракт
включает в себя передающую камеру, преобразующую воздейству-
ющий световой поток Fo в сигналы основных цветов Er, Eg, Er,
канал передачи этих трех сигналов и три кинескопа, преобразующие
усиленные сигналы основных цветов в соответствующие световые по-
токи Fr„, Fg„, Еви, которые с помощью оптической системы совме-
щаются в одно многоцветное изображение.
Передающая камера содержит светоделительную систему (СДС),
которая разделяет световой поток Fo, отраженный от передаваемой
сцены, на три составляющие: красную Fro, зеленую Fgo, синюю
Ево, образуя на фоточувствительной поверхности передающих тру-
бок ЦТ три оптических изображения в основных цветах. Таким обра-
зом, телевизионная камера или любой другой датчик цветших теле-
визионных сигналов (кинопроектор, диапроектор, эн и проектор), по-
мимо анализа изображения на отдельные элементы, осуществляет
еще и трехкомпонентный анализ элементарных излучений, отобра-
жая каждый элемент передаваемой сцены электрическими сигнала-
ми Er, Eg, Ев- Совокупность последних должна содержать каче-
ственную и количественную характеристики каждого элементарно-
го лучистого потока.
Для того чтобы электрические сигналы на выходе ТВ камеры
несли верную информацию о цветах (о яркостях и цветностях) воз-
действующих на нее излучений, необходимо обеспечить прямую про-
порциональность между величинами этих сигналов и координатами
цвета этих излучений, в выбранной колориметрической системе. То-
гда в системе RGB получим величины сигналов основных цветов:
Er — Kirf: Eg = R^g'', Ев = КзЬ',
где г', д', Ь' — модули основных цветов, a К^, К<2, Аз — постоян-
ные коэффициенты.
Учитывая (10.22), можем записать
Er =
228
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ГЛ2
EG = K2 / P(X)g(X)dX-,
JxY
Га2 _
Ев = Кз / P(A)6(A)rZA,
J
где г(А), 5(A), 6(A) — удельные координаты (кривые смешения), свя-
зывающие воздействующее на глаз излучение Р(А) с результатом
этого воздействия ощущением цвета.
Отсюда следует, что телевизионная камера будет колориметри-
ческой, если характеристики ее спектральной чувствительности
5'(А)я, S'(A)g?, S'(X)b тождественны по форме удельным коорди-
натам г (А), ^(А), 6(A) в выбранной системе основных цветов. Сле-
довательно, телевизионная камера, а также любой другой датчик
цветных телевизионных сигналов должны обладать свойствами объ-
ективного колориметра (измерителя цвета), но усложненного теле-
визионной разверткой.
Датчик цветных телевизионных сигналов может осуществлять
цветовой анализ передаваемого объекта в любой колориметрической
системе RGB, XYZ, UVW и т.д., поскольку все колориметрические
системы связаны линейной зависимостью с характеристиками спек-
тральной чувствительности глаза. При этом характеристики спек-
тральной чувствительности датчика должны быть тождественны по
форме кривым удельных координат (кривым смешения) соответству-
ющей колориметрической системы.
Очевидно, для телевизионного вещания, если тракт передачи
цветоделенных сигналов от камеры к приемному устройству не изме-
няет соотношение этих сигналов, удобно разлагать воздействующее
на камеру излучение на такие же первичные цвета, из каких прием-
ное устройство синтезирует воспроизводимое цветное изображение.
Основные цвета воспроизводящего приемного устройства полно-
стью определяются спектральными характеристиками излучений его
люминофоров. Для воспроизведения наибольшего многообразия цве-
тов необходимо, чтобы на диаграмме цветности МКО треугольник
с вершинами, соответствующими основным цветам кинескопа, охва-
тывал наибольшую возможную площадь этой диаграммы. Однако
чем ближе вершины треугольника лежат к локусу спектральных цве-
тов, тем меньшую яркость дают основные цвета из-за малой полосы
спектра излучения.
Сказанное иллюстрирует рис. 10.18, где внутри спектрально-
го локуса диаграммы цветности XY изображены два треугольника
основных цветов приемника Rn, Gn, Вп Европейского стандарта ЕС
(сплошная линия) и Американского стандарта NTSC (штриховая ли-
ния), построенных по значениям координат цветности излучений трех
люминофоров, приведенных в табл. 10.2 для двух стандартов. Как
видим, треугольник NTSC охватывает большую гамму цветов за счет
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
229
Рис. 10.18. Треугольник основ-
ных цветов приемника Rn, Gn, Вп:
а — гуашь; б— акварель
350 400 450 500 550 600 650 А, нм
Рис. 10.19. Спектральные кривые
люминофоров К-75, К-74, К-77
Таблица 10.2
Треугольник основных цветов приемника Координаты цветности основных цветов
Rn Gn Вп
X У X У •с У
NTSC 0,670 0,330 0,210 0,710 0,140 0,080
ЕС 0,640 0,330 0,290 0,600 0,150 0,060
смещения координаты G в сторону увеличения насыщенности зеле-
ного цвета. Однако светоотдача зеленого люминофора NTSC оказы-
вается в 3-3,5 раза ниже, чем в стандарте ЕС, что затрудняет до-
стижение высокой яркости свечения кинескопа. Поэтому в качестве
Европейского стандарта принят треугольник цветов ЕС, являющийся
разумным компромиссом между указанными двумя условиями.
На рис. 10.19 приведены спектральные характеристики излуче-
ния трех люминофоров красного К-77, зеленого К-74 и синего К-75
свечения. На графике МКО (см. рис. 10.18) показана область цветов,
воспроизводимая в цветной полиграфической печати. Сравнение по-
казывает, что телевизионная система может воспроизвести большую
гамму цветов, чем цветная печать. Тем не менее и в телевидении
часть реальных цветов, лежащая вне треугольника, воспроизводится
с пониженной насыщенностью и искаженным цветовым тоном вну-
три треугольника основных цветов приемника. Это касается глав-
ным образом оттенков зеленых и голубых цветов. Однако это об-
стоятельство не играет большой роли в цветовоспроизведении, так
как порог цветоразличимости в данной области цветов для глаза
имеет наибольшее значение (см. рис. 10.13), т.е. большему переме-
ню пию по цветовому графику соответствует небольшое изменение в
ощущении цвета.
230
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Если первичные цвета, на которые телевизионный датчик раз-
лагает воздействующее на него излучение, соответствуют основным
цветам приемника Rn, Gn, Вп, то характеристики спектральной чув-
ствительности этого датчика представляют собой кривые удельных
координат гп, дп, Ьп в системе этих основных цветов. Результат ко-
личественного расчета их для треугольника основных цветов прием-
ника стандартов NTSC и ЕС (см. табл. 10.2) приводит к выражениям
(10.30) и (10.31) соответственно:
гп = 1,910Т - 0,532^ - 0,228г
дп = -0,985а; + 1,999V “ 0,028г > ,
bn = 0,058а; - 0,118V + 0,898г
гп — 7,263т - 3,304V ~ 1,128г '
Vn = -1,310Т + 2,536V + 0,056г > ,
Ьл = 0,091т - 0,307V + 0,1435г ,
(10.30)
(10.31)
где т, V, — удельные координаты, приведенные в табл. 10.2. Число-
вые коэффициенты уравнения (10.31) для удобства умножены на 100.
Полученные в результате расчета (10.30) и (10.31) кривые сло-
жения — спектральные характеристики камеры для треугольника
основных цветов стандартов NTSC и ЕС изображены на рис. 10.20
и 10.21.
Рис. 10.20. Спектральные харак-
теристики камеры при треуголь-
нике основных цветов приемни-
ка типа NTSC и опорном белом С
Рис. 10.21. Спектральные харак-
теристики камеры при треуголь-
нике основных цветов приемника
типа ЕС и опорном белом D6500
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
231
10.11. Матричная цветокоррекция
Вследствие реальности первичных цветов Rn, Gn, Вп полученные
кривые сложения имеют участки отрицательных значений ординат.
Практическая реализация датчика с кривыми сложения, имеющи-
ми побочные положительные и отрицательные ветви, предполагает
наличие для каждой ветви отдельного фотоэлектрического преобра-
зователя и поэтому является чрезвычайно сложной задачей. Из-за
невозможности реализации побочных отрицательных и положитель-
ных ветвей разработчики ранних ЦТ систем в качестве спектраль-
ных характеристик камеры использовали лишь основные положи-
тельные ветви кривых сложения. Анализ искажений цветовоспро-
изведения из-за отсутствия побочных ветвей кривых сложения по-
казывает, что скорректировать эти искажения полностью для всех
возможных цветностей невозможно.
На практике в качестве кривых спектральной чувствительности
датчика удобно использовать кривые сложения, которые применя-
ются в объективной колориметрии (рис. 10.22). Две кривые i/(A),
z(X) аналогичны удельным компонентам МКО, а третья ти(А) явля-
ется линейной комбинацией всех трех кривых сложения МКО, име-
ющей (практически) только положительные ординаты и только один
максимум. Поскольку первичные цвета Хи, У, Z формальные и не
совпадают с реальными основными цветами 7?п, <7П, Ви приемника,
сигналы на выходе камеры не отвечают требуемым па входе при-
емного устройства, поэтому в телевизионный тракт следует вклю-
чить матричное устройство, преобразующее сигналы из координат
системы Хн, У, Z в сигналы системы /?.п, Gn, Вп, описание кото-
рого подробно изложено в [28].
Зависимость выходных сигналов ЕсП1 Евп от вводимых на
матрицу сигналов Ехн, Еу, Ez описывается в общем виде уравне-
Рис. 10.22. Кривые сложения, приме-
няемые в объективной колориметрии
232
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
НИЯМИ
Евп — ацЕхп 4- ai2Ey 4- cl^^Ez
Евп = о^'цЕхп 4- а22^у 4- а2з-Ег / ?
(10.32)
Евп ~ Q'SiExh 4- аз2Еу 4- a^Ez ,
где ац-азз — коэффициенты матрицы, которые могут быть рассчи-
таны в соответствии с теорией преобразования координатных систем.
Действие матричного устройства эквивалентно изменению фор-
мы характеристик спектральной чувствительности телевизионного
датчика. Таким образом, принимая форму кривых спектральной
чувствительности датчика, удобную для практической реализации
(см. рис. 10.22), и включая в тракт передачи матричные пересчетные
устройства, получаем на выходе этого устройства сигналы Евп^ Евп,
Евп, пропорциональные кривым смешения основных цветов прием-
ника и, как следствие, неискаженную цветопередачу всех цветностей
в пределах треугольника основных цветов приемника.
Кривые сложения, успешно используемые в объективной коло-
риметрии, все же малопригодны в качестве спектральных характери-
стик ЦТ камер, так как для уменьшения потерь света и получения
максимальной чувствительности цветоделение в них производится
с помощью дихроических зеркал. Причем наибольшая эффектив-
ность достигается, когда спектральные кривые двух цветовых ка-
налов пересекаются на уровне 50 %. Спектральные кривые XH, Y
(см. рис. 10.22) не отвечают этому условию, так как пересекаются
на значительно большем уровне (около 0,9) и реализовать их без
больших световых потерь, существенно ухудшающих чувствитель-
ность ЦТ камеры, невозможно. Поэтому в качестве кривых спек-
тральной чувствительности камер используют кривые, не связанные
линейной зависимостью с кривыми спектральной чувствительности
глаза, а именно несколько расширенные основные положительные
ветви кривых смешения первичных цветов приемника Еп, Вп.
Выбор конкретной формы этих кривых — рис. 10.23 (сплошная ли-
ния) определяется следующими соображениями. Известно, что глаз
не различает цвет мелких деталей, поэтому полоса частот каналов
передачи сигналов Ев и Ев может быть сокращена до 2...3 МГц (см.
§ 11.2), что уменьшает уровень шума в этих каналах, а также позво-
ляет снизить требование к точности совмещения трех растров. Для
получения полной информации о неокрашенных мелких деталях дол-
жен быть сформирован сигнал яркости Еу, передаваемый в полной
полосе. С этих позиций положительную ветвь кривой Gn желатель-
но расширить до кривой стандарной относительной видности глаза
У, что увеличивает чувствительность камеры, но ухудшает качество
цветопередачи. Поэтому кривые спектральной чувствительности ка-
меры RWB выбраны из условий компромисса между допустимым
ухудшением качества цветопередачи и максимальным увеличением
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
233
Рис. 10.23. Спектральные
характеристики чувстви-
тельности RWB камеры:
----------кривые RWB;
--------кривые Rn, Gn, Вп
Ошибки цветопередачи, вызванные от-
чувствительности камеры.
клонением кривых спектральной чувствительности камеры RWB от
кривых смешения основных цветов приемника Rn, Gn, Вп, корректи-
руются с помощью электронной матрицы цветокорректора.
Принцип работы цветокорректора основан на том, что побочные
отрицательные и положительные ветви кривых сложения первичных
цветов приемника (см. рис. 10.21) расположены под основными ветвя-
ми и подобны им по форме. Это позволяет, вычитая из каждого сигна-
ла основных цветов два других в определенных пропорциях, имитиро-
вать отсутствие побочных ветвей и таким образом улучшать качество
цветопередачи. Математически операция цветокоррекции аналогич-
на матричному преобразованию (10.32) и потому называется матрич-
ной цветокоррекцией. Отличие заключается в определении коэффи-
циентов матрицы (10.32), которые рассчитываются с помощью ЭВМ
поиском оптимальных коэффициентов, при которых ошибки цвето-
анализа для совокупности испытательных цветов минимальны. В
качестве испытательных цветов используются эталонные цвета, реко-
мендованные МКО. Применение цветокоррекции позволяет снизить
среднюю ошибку цветоанализа для совокупности цветов до несколь-
ких цветовых порогов, но для отдельных цветов они могут оказаться
значительными, что снизит эффективность цветокоррекции.
Существенную роль при определении параметров воспроизводя-
щего устройства играет выбор равносигналыюго цвета, т.е. цвета,
воспроизводимого на экране кинескопа при подаче на его управляю-
щие электроды одинаковых по амплитуде сигналов. В качестве эта-
лонного равносигнального цвета стандартизован белый цвет, пред-
ставляющий определенные удобства при настройке отдельных зве-
ньев телевизионного тракта, а также, как будет показано ниже, по-
зволяющий уменьшить заметность цветовой поднесущей на экране
черно-белого телевизора при передаче неокрашенных или малоокра-
шенных объектов.
В рассмотренных ранее колориметрических системах в качестве
234
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.24. Спектраль-
ное распределение мощно-
сти в излучении нормиро-
ванных источников А, В, С
эталонного белого цвета использовался равноэнергетический белый
цвет Еу удобный для цветовых расчетов, так как имеет равномерную
плотность распределения энергии по спектру. Передача сцен натур-
ных объектов происходит или при естественном освещении, или при
освещении искусственными стандартными источниками света А, В, С
с разной цветовой температурой (табл. 10.3), разным спектральным
распределением мощности излучения (рис. 10.24). Зритель наблю-
дает изображение этой натуры на экране телевизионного приемника,
где кажущаяся цветность белого зависит от цветовой адаптации гла-
за к окружающему освещению, а также от индивидуальных особен-
ностей зрителя. В связи с этим был выполнен ряд работ по определе-
нию цвета свечения телевизионного экрана, который зритель расце-
нивает как белый. В результате за эталонный источник света (опор-
ный белый) в США принят источник С, а в Европе — источник D6500.
По координатам цветности они близки друг к другу (см. табл. 10.3).
Цвет оригинала воспроизводится кинескопом без искажений, если
тип источника освещения объекта (опорный равпосигнальный цвет
камеры) соответствует опорному равносигнальному цвету приемного
устройства. В противном случае все детали телевизионной репро-
дукции приобретают дополнительную окраску. Согласование источ-
ника освещения объекта и опорного белого приемника может быть
осуществлено оптически с помощью приводных светофильтров или
электронным методом, учитывая разницу в опорном белом камеры и
приемника при расчете коэффициентов матрицы (10.32).
Условия правильной цветопередачи рассматривались в предпо-
ложении линейности характеристик преобразования всех звеньев те-
левизионного тракта от света до света. Отдельные звенья реальной
телевизионной системы могут иметь нелинейные характеристики. В
большой степени это относится к воспроизводящему устройству —
цветному кинескопу, модуляционная характеристика которого имеет
коэффициент нелинейности у = 2,8...3,5. Наличие нелинейности в
ЦТ приводит не только к градационным искажениям, но и к иска-
жениям цветности, в основном в сторону увеличения насыщенности
при 7 > 1 и уменьшения насыщенности при у < 1. Поэтому сигналы
основных цветов Есп, Евп кроме матричного преобразования
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
235
Таблица 10.3
Источ- ник осве- щения Цвето- вая тем- пера- тура, К Характеристика излучения Координаты цвет- ности на цветовом графике XY
X Y
А 2854 Вольфрамовая лампа накаливания 0,448 0,407
В 4800 Желтые фазы дневного света (облачный день) 0,348 0,352
С 6500 Голубоватые фазы дневного света (солнечный день при голубом небе) 0,310 0,316
D6500 6500 Европейский эталонный источник для ЦТ (свечение люминофоров телевизора) 0,313 0,329
должны быть подвергнуты нелинейной гамма-коррекции (см. § 13.5).
Результирующее значение у с учетом включенного в тракт передачи
гамма-корректора рекомендуется принимать несколько больше еди-
ницы (у = 1,2... 1,3). Это приводит к небольшому увеличению насы-
щенности цвета по сравнению с оригиналом, но повышает психоло-
гическую точность цветопередачи, частично компенсируя снижение
абсолютного значения яркости и контраста на телевизионном экране.
10.12. Светоделительная система
передающей камеры
Светоделительная система передающей камеры обеспечивает
разделение светового потока, отраженного от передаваемого объекта,
на три цветовые составляющие в соответствии с выбранными основ-
ными цветами передачи. Спектральные характеристики светодели-
тельной системы выбираются с учетом требуемых спектральных ха-
рактеристик чувствительности камеры и спектральных характери-
стик преобразователей свет-сигнал.
Упрощенная светоделительная система камеры изображена на
рис. 10.25. Отраженный от передаваемого объекта световой поток,
пройдя объектив 7, разделяется на три с помощью двух интерфе-
ренционных дихроических зеркал, обладающих высоким коэффици-
ентом отражения в определенном участке спектра и пропускающих
почти без потерь остальную его часть. Так, зеркало 2 отражает
красную составляющую светового потока к соответствующему пре-
образователю свет-сигнал (передающей трубке или матрице ПЗС) и
пропускает остальную часть спектра излучений. Зеркало 3 отража-
ет синюю составляющую ко второму преобразователю и пропускает
оставшуюся зеленую часть к третьему. Указанный способ разделе-
ния светового потока весьма эффективен, так как коэффициент от-
ражения (или пропускания) многослойных интерференционных по-
крытий близок к 100 %, что наглядно иллюстрирует рис. 10.26, на
котором приводятся спектральные характеристики отражения крас-
ного и синего дихроических зеркал.
236
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 10.25. Схема цветоделения в
ЦТ камере:
1 — объектив; 2, 3 — дихро-
ические зеркала; 4 — кор-
ректирующие светофильтры
Рис. 10.26. Спектральные ха-
рактеристики отражения красного
и синего дихроических зеркал
Спектральные характеристики отражения зеркала зависят от
угла падения лучей на его поверхность, поэтому для неискаженной
цветопередачи оптическая схема ЦТ камеры должна обеспечить в
пространстве цветоделения одинаковые углы падения лучей на ди-
хроические зеркала от всех точек передаваемого объекта. Искажения
цветопередачи возникают также вследствие частичной поляризации
света, попадающего в светоделительную систему, так как спектраль-
ные характеристики дихроических зеркал изменяются в зависимо-
сти от степени поляризации света. Поляризация минимальна при
малых углах падения лучей на светоделительную поверхность, что
и стремятся обеспечить при конструировании светоделительных си-
стем датчика ЦТ сигналов. Обычно при конструировании оптической
и светоделительной систем камеры отражающие покрытия располо-
жены так, чтобы угол падения осевого луча не превышал 20°, а раз-
ница между углами падения для крайних точек не превышала 4...6°.
Требуемые спектральные характеристики ЦТ камеры не могут
быть получены применением в схеме светоделения одних дихрои-
ческих зеркал, так как с помощью последних, как это видно из
рис. 10.26, формируется только одна из ветвей спектральных харак-
теристик каналов Rh В. Заданные характеристики светоделения до-
стигаются установкой перед фоточувствительной поверхностью пере-
дающих трубок специальных корригирующих светофильтров окон-
чательно формирующих спектральные характеристики ЦТ камер.
Таким образом, характеристика спектральной чувствительности те-
левизионной камеры является произведением спектральных харак-
теристик элементов его светоделительной системы и спектральных
характеристик передающих трубок. Для схемы светоделения, изо-
браженной на рис. 10.25, выражения для спектральных характери-
стик трех цветовых каналов ЦТ камеры имеют следующий вид:
= PR^<pRx£X', £GX = (1 - РЯЛ)(1 - РВл)^^6’л£а;
ГЛАВА 10. Методы передачи информации о цвете
237
евА = (1 - Prx)pbxt^bx£\, (10.33)
где ёдл, ёдА, ёвх — спектральная чувствительность трех цветовых
каналов; /?#л, рвх — спектральные коэффициенты отражения цвето-
делительных зеркал; тч>вх — спектральные коэффици-
енты пропускания корригирующих светофильтров; е\ — спектраль-
ная чувствительность преобразователя свет-сигнал, которая в общем
случае может быть различной для разных цветовых каналов. Выра-
жения (10.33) позволяют рассчитать требуемую форму спектральных
характеристик пропускания корригирующих светофильтров:
_ £r\ . _________££а_______. _______________
* Х PRX£\’ tpGx (1-рдЛ)(1-рвЛ)еЛ’ (1 -Prx)pbx£x'
(10.34)
Телевизионная камера должна обеспечивать получение равных
сигналов при передаче эталонной белой поверхности, освещенной
источником света, имеющим определенную цветовую температуру,
обычно 6500 К (источник типа D6500). Если передаваемый объект
освещен искусственным источником света, отличным от выбранного
опорного белого, то в состав светоделительной системы следует вклю-
чить приводной светофильтр, спектральная характеристика пропус-
кания которого определяется следующим образом: = Рах/Р^х,
где РиЛ и Ра\ — спектральное распределение мощности излучения
источника освещения и источника типа D6500 соответственно. Несо-
ответствие источников освещения может быть скорректировано так-
же электронным путем, если изменить при смене источника освеще-
ния объекта значения коэффициентов матрицы (10.32).
Светоделительная система камеры, включающая в себя светоде-
лительные зеркала, приводные и нейтральные светофильтры, вспо-
могательные отраженные поверхности и т.д., располагается в преде-
лах заднего рабочего отрезка объектива. Поэтому длина хода свето-
вого луча, проходящего через перечисленные узлы, не должна ока-
заться больше этого отрезка. Кроме того, для уменьшения цветовых
искажений желательно обеспечить параллельность пучков света, па-
дающих на светоделительные поверхности. Эта задача удачно реша-
ется применением для разделения световых потоков светоделитель-
ного призменного блока, представляющего собой единую конструк-
цию из нескольких призм, на гранях которых нанесены дихроиче-
ские покрытия с изменяющимися по спектру коэффициентами от-
ражения и пропускания.
На рис. 10.27 изображена схема оптической системы трехтрубоч-
пой WRB камеры. Световой поток, пройдя через вариообъектив 7,
сменные приводные светофильтры 2, корректирующие при необхо-
димости источник освещения, поступает на компоненты призменного
светоделительного блока 4- Нанесенные на грани призмы дихрои-
ческие слои 5 и 6 расщепляют световой поток на три разделенные
238
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Диапроектор и подсветка
Рис. 10.27. Оптиче-
ские системы трехтру-
бочной WRB камеры
по спектру составляющие, которые образуют на фоточувствитель-
ной поверхности передающих трубок 7 цветоделенные изображения.
Светофильтры 8, наклеенные па грани призм, корректируют спек-
тральные характеристики оптических каналов.
Применение призменного блока позволяет реализовать более
жесткую конструкцию цветоделительной системы, упростить юсти-
ровку схемы, снизить потери света, вызываемые отражением от гра-
ницы воздух — стекло, а также ввести световой поток от диапро-
ектора, проецирующего изображение тест-таблицы на фотокатоды
трех передающих трубок.
Глава 11
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛНОГО
СИГНАЛА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
11.1. Основные требования к вещательной
системе цветного телевидения
Вещательная система цветного телевидения должна обеспечи-
вать:
1. Совместимость с системой черно-белого телевидения, под ко-
торой понимается возможность высококачественного приема без по-
мех черно-белым телевизионным приемником ЦТ программ в черно-
белом виде. Принцип совместимости обеспечивает возможность одно-
временного существования цветных и черно-белых телевизоров с пер-
спективой постепенного вытеснения последних цветными. В связи с
этим при разработке принципов построения систем цветного телеви-
дения должны быть учтены параметры, стандарты черно-белого те-
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
239
левидения. Основные параметры этого стандарта — частоты строч-
ной и кадровой разверток и полоса частот, занимаемая телевизион-
ным каналом связи.
2. Высокое качество цветовоспроизведения, которое оценивает-
ся степенью соответствия ТВ изображения оригиналу. В телевиде-
нии идеальным для верности цветовоспроизведения принято считать
колориметрическую тождественность изображения оригиналу, озна-
чающую. что цветность каждого элемента изображения не отлича-
ется от цветности соответствующего элемента оригинала, а отноше-
ние яркостей соответствующих элементов изображения и оригина-
ла является величиной постоянной для всех передаваемых цветно-
стей (см. $ 10.10).
Критерий колориметрической тождественности целесообразно
использовать в ЦТ системах, предназначенных для научных целей
при классификации объектов по их цветовым характеристикам, при
телевизионной объективной колориметрии и т.д. В ТВ вещании, где
колориметрическая точность воспроизведения цвета невозможна из-
за известных ограничений, накладываемых воспроизводящим устрой-
ством, а зритель лишен возможности сравнивать изображение с ори-
гиналом, используют психологический критерий точности, учитыва-
ющий, что восприятие цветности знакомых предметов является более
критичным, чем незнакомых, что широко используется при опреде-
лении допусков на отдельные параметры системы.
3. Дальнейшее совершенствование, развитие и расширение функ-
циональных возможностей ТВ системы, включающих повышение ка-
чества преобразования, обработки и передачи изображения, а так-
же передачу зрителю дополнительной информации с выводом ее на
телевизионный экран.
11.2. Первичные цвета передачи
Яркостный сигнал. Для воспроизведения цветного изображе-
ния на телевизионном экране необходимо передать по каналу свя-
зи в полной полосе частот сигналы основных цветов Ед, EGi Eq,
полученные от цветной передающей камеры и подвергнутые гамма-
коррекции. Кроме того, для обеспечения совместимости по тому
же каналу связи должен быть передан сигнал, создающий на экра-
не монохромного телевизора черно-белое изображение цветного объ-
екта. Этот сигнал, называемый сигналом яркости Еу, может быть
получен либо включением в состав ЦТ камеры отдельной трубки,
скорректированная спектральная характеристика которой аналогич-
на кривой стандартной относительной видности глаза, либо сформи-
рован с помощью схем в телевизионном тракте, где сигналы основ-
ных цветов EfR, EG> Е'в суммируются в определенном соотношении,
которое определяется спектральной чувствительностью глаза (кри-
вой стандартной относительной видности) к основным цветам излу-
2d О
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Таблица 11.1
Треугольник основных цветов Значения координат цветности основных цветов а /3 7 Опорный белый цвет
Gn Вп
X У X У X У
NTSC 0,67 0,33 0,21 0,71 0,14 0,08 0,29890 0,58662 0,11448 С
ЕС 0,64 0,33 0,29 0,60 0,15 0,06 0,22272 0,70600 0,07128 D6500
чения трех люминофоров цветного кинескопа. Математически яр-
костный сигнал
Е'у = aE’R + /3E'G+7E'B, (11.1)
где а, /3, у — относительные яркости E'R) E'G, Е'в основных цве-
тов приемника, смесь которых образует равносигнальный (эталон-
ный) белый цвет
<* = l'r = ^ P = L'g = ^- 7 = l'b = ^-, lo = lr+lg+lb,
Ьо Ijq JL/q
где L'Ri L'G, L'b — сигналы основных цветов, подвергнутые гамма-
коррекции. Для основных цветов приемника и опорного равносиг-
нального белого цвета стандартов NTSC и ЕС эти коэффициенты
вычислены и представлены в табл. 11.1.
В соответствии с данными табл. 11.1 яркостный сигнал для тре-
угольника NTSC
Е'у = 0,299Ед+ 0,587Е^ + 0,114Е^, (11.2)
для треугольника ЕС яркостный сигнал
Е'у = 0;222E'R + 0,706£^ + 0,071Е^. (11.3)
Отечественным стандартом для формирования сигнала яркости
принят сигнал (11.2). Использование для формирования яркостно-
го сигнала стандарта NTSC не оказывает влияния на качество ЦТ
изображения, так как декодирующая матрица в ЦТ приемнике вос-
станавливает точное значение исходного первичного сигнала, но при-
водит к небольшому искажению градаций яркости на экране черно-
белого телевизора.
Цветоразностные сигналы. При наличии сигнала Е'у, необ-
ходимого для реализации условия совместимости с черно-белой си-
стемой, не требуется дополнительная передача по каналу связи трех
сигналов E'R, E'g, Е'в. Достаточно передать любые два из них, а
информацию о третьем получить в декодирующем устройстве вычи-
танием из Еу двух других. Причем, учитывая свойства зрительного
восприятия, мелкие детали могут быть переданы в черно-белом виде,
что подтверждают графики рис. 11.1. Из. рисунка видно, как падает
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
241
Рис. 11.1. Зависимость
насыщенности цветов R,
G, В мелких деталей от
частоты, необходимой
для их воспроизведения
воспринимаемая зрительным аппаратом насыщенность основных цве-
тов R,G,Bc повышением частоты, требуемой для передачи мелких
деталей изображения. Для зеленоокрашенных деталей цвет сохраня-
ется с небольшим понижением насыщенности практически до верх-
ней частоты /в телевизионного спектра. Это позволяет значительно
сократить требуемую общую полосу частот цветного ТВ тракта, пере-
дав сигнал яркости Еу в полной полосе частот, а два других, напри-
мер E'R и Е'в в существенно сокращенной. Кроме этого, поскольку
сигнал Еу несет полную информацию о яркостных соотношениях пе-
редаваемых элементов изображения, она может быть в значительной
степени исключена из двух других передаваемых сигналов. Поэто-
му по каналу связи передают три сигнала — яркостный Е'у и два
из трех цветоразностных сигналов:
E'r-y ~ E'r ~ Еу] E'G_Y = EG — Еу] Е'в__у — Е'в — Еу, (11.4)
преимущества которых перед сигналами основных цветов ER, EG,
Е'в заключаются в следующем:
1. Вследствие того, что из цветоразностных сигналов частично
исключена избыточная информация о яркости, их амплитуда обра-
щается в нуль при передаче белых и серых деталей (амплитуды сиг-
налов основных цветов на белом равны, т.е. ER = E'G — Ев& = Еу)
и мала на слабонасыщеиных деталях.
Уменьшение амплитуды цветоразностных сигналов желательно
потому, что во всех совместимых системах ЦТ информация переда-
ется на поднесущей в спектре яркостного сигнала. Различие между
системами заключается в способах модуляции поднесущей и выбо-
ре сигналов цветового кодирования. Используется метод взаимного
уплотнения спектров яркостного и цветоразностных сигналов, имею-
щих линейчатую структуру. Как показано в § 3.5, линейно-строчная
развертка изображения приводит к сосредоточению основной энер-
гии сигнала по спектру в зонах строчной частоты и ее гармоник,
оставляя свободные промежутки между ними. Это позволяет уплот-
нить спектр частот яркостного сигнала, заполнив свободные частот-
ные промежутки сигналом цветности — напряжением поднесущей,
^смодулированной цветоразностными сигналами, и при правильно
выбранной частоте поднесущей произвести в цветном телевизионном
приемнике эффективное разделение сигналов.
16
242
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Однако на экране черно-белого телевизора сигнал цветности вос-
принимается как помеха (мешающая мелкоструктурная сетка), за-
метность которой тем больше, чем больше амплитуда сигнала цвет-
ности. Поскольку обычно в ТВ передачах преобладают изображе-
ния с слабонасыщенными и черно-белыми деталями, амплитуда цве-
торазностных сигналов от которых мала или равна нулю, переда-
ча цветоразностных сигналов вместо сигналов основных цветов на-
много улучшает помехозащищенность и совместимость цветной те-
левизионной системы.
2. Цветоразностные сигналы упрощают построение декодирую-
щих устройств приемника, так как исходные сигналы основных цве-
тов формируются простым суммированием цветоразностных сигна-
лов с яркостным сигналом:
Er “ Er-y + Еу; E’G — EG_y + Еу, Е!в — Ев__у + Еу.
Сигналы восстановлены в полной полосе частот и потому не тре-
буют добавления к ним высокочастотных компонент яркостного сиг-
нала, как это было бы при передаче в сокращенной полосе частот
сигналов основных цветов ER и Ев, что усложнило,бы схему де-
кодирования.
Из трех цветоразностных сигналов по каналу связи передаются
сигналы E'r_y и Ев_у, имеющие в результате преобразования (11.4)
наилучшее отношение сигнал/шум.
В приемном устройстве третий цветоразностный сигнал EG_y
получают из первых двух в соответствии с выражением
E'G_y - —0,51ER_y - 0,19^._у. (11.5)
Треугольник первичных цветов передачи. По каналу связи
полная телевизионная информация о цветовом объекте передается с
помощью трех сигналов: сигнала яркости Еу и цветоразностных сиг-
налов ER_y и Е'в_у, называемых сигналами первичных цветов пе-
редачи. Цветоразностные сигналы часто называют сигналами цвет-
ности, что не совсем точно, так как информация о яркости из них
исключена не полностью. Значения сигналов ER_y и Е'в_у зависят
от значения сигнала яркости Еу. Сигналами истинной цветности
являются относительные значения цветоразностных сигналов
E'R_Y/EY; и E'r_y/Ey, (11.6)
которые не зависят от яркости и в силу этого могут быть отображе-
ны на диаграмме цветности МКО. Треугольник первичных цветов
передачи У, R — У, В — У, построенный на диаграмме цветности
МКО в соответствии с методикой, приведенной в [13], представлен на
рис. 11.2. Из рисунка видно, что первичные цвета R - Y и В — У
лежат в точках Ro и Во пересечения с осью X продолжения двух
сторон треугольника основных цветов приемника GR и GB. Третьей
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
243
Рис. 11.2. Треугольник
основных цветов передачи на
диаграмме цветности МКО
точкой треугольника первичных цветов передачи является точка Y,
соответствующая равноинтенсивному белому цвету D, в которой оба
цветоразностных сигнала равны нулю. Прямые 7?ОУ и BOY называ-
ются осями кодирования. Цвета, содержащиеся внутри треугольника
RoYBa, передаются положительными значениями сигналов Ер-у и
Ев-у. Цвета, расположенные на диаграмме цветности вне преде-
лов треугольника ROYBO, передаются отрицательными значениями
одного или двух цветоразностных сигналов. Таким образом, вся ин-
формация, необходимая для воспроизведения цвета внутри треуголь-
ника основных цветов приемника R, G, В, содержится в первичных
цветах передачи У, R — У, В — У.
11.3. Структурная схема совместимой
системы цветного телевидения
Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов
основных цветов E'R, E'G, Е'в по одному каналу связи, изображен-
ная на рис. 11.3, является общей для всех современных совместимых
систем ЦТ. Различие между системами заключается в методах пере-
дачи информации о цветности в спектре частот яркостного сигнала
Е'у, подробно рассмотренного в гл. 12.
На вход кодирующей матрицы Mi (рис. 11.3) подаются прошед-
шие обработку и коррекцию в камерном канале (см. § 14.1) сигналы
основных цветов E'R, EG, Ев. Матрица преобразует сигналы основ-
Рис. 11.3. Структурная схема совместимой системы ЦТ
244
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
С1
Ев
&R-Y
(1 - a)ER
-0EG
pg -aER
~0Еа
R5 [
(1 - ^}Ев'
R0
Рис. 11.4. Структурная схема кодирующей матрицы
в соответствии с выражениями
Еу — + Т-^В>
ER_Y — (1 — a)ER — 0EG — уЕв\
Ев_у = -&ER - f3EG + (1 — 7)EfB.
Подставляя в эти выражения округленные до второго знака зна-
чения а, /?, 7 для треугольника основных цветов приемника системы
NTSC из табл. 11.1, получаем:
E'y = 0,30Ед 4- 0,59Е^ + 0,11£^;
E'R_Y = 0,70£^ - 0,59^ - 0,11Е^; (11.7)
Е'в_у = -0,30E'R - 0£9EG + 0,89Ев.
Яркостный и цветоразностные сигналы формируются в соответ-
ствии с (11.7) матричной схемой (рис. 11.4), состоящей из ряда линей-
ных цепей с серией резисторов Rl, R2 и т.д. Каждая цепь формирует
одну из составляющих сигнала с заданным числовым значением ко-
эффициентов а, /?, 7. Для формирования сигналов с отрицательными
значениями коэффициентов а, (3, у необходимо в соответствующую
цепь включить инвертор полярности.
Сформированные сигналы трех первичных цветов передачи (см.
рис. 11.3) поступают в кодирующее устройство КУ, которое формиру-
ет полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТВС), передаваемый
ио одному каналу связи с полосой частот, не превышающей полосу
частот сигнала яркости. Сигнал ПЦТВС содержит сигнал яркости
Еу в полной полосе частот и два цветоразностных сигнала ER__Y и
ГЛАВА 11. Методы формирования полного сигнала ЦТ
245
Е'в_у, передаваемых в сокращенной полосе частот путем модуляции
этими сигналами одного или двух поднесущих колебаний, размещен-
ных в верхней части спектра сигнала яркости. Сигнал на подне-
сущей называется сигналом цветности и^. Помимо перечисленных
сигналов ПЦТВС содержит сигнал синхронизации развертывающих
устройств приемника ЕСИ и сигнала цветовой синхронизации на под-
несущей 7хцс, необходимый для правильного детектирования сигна-
ла цветности. Таким образом, передаваемый в приемнике полный
телевизионный сигнал
Еп — Еу Н- Н- ЕСн + 71цс •
Переданный по каналу связи сигнал Еп преобразуется в декоди-
рующем устройстве ДКУ в сигналы первичных цветов передачи Е'у,
E'R_Y, Е'в_у. Третий цветоразностный сигнал EG_Y получают сум-
мированием в матрице М2 двух других в соответствии с выражением
Подставляя значение коэффициентов а, (3, у из табл. 11.1, по-
лучаем
E'G__Y = 0,51Е^_у — 0,19Ед_у.
В матрице для получения сигналов E'R, Е'в, E'G к цветораз-
ностным сигналам добавляются сигналы яркости
Er = E'r_y + EY = E'R - Еу + Е'у]
E'G = E'G_Y + Е'у = E'G-E'y+ Е'у]
Ев — Ев_у + Еу — Ев — Еу + Еу.
Сигналы E'R, E'g, Е'в на выходе матрицы М3 являются широ-
кополосными, так как к узкополосным цветоразностным сигналам
добавляются высокочастотные составляющие сигнала яркости Еу.
Последнее объясняется тем, что сигнал яркости —Е'у, входящий в
состав цветоразностных сигналов, является узкополосным и компен-
сирует сигнал +Еу только в узкой полосе частот.
В цветных телевизорах первых поколений преобразование цве-
торазностных сигналов в сигналы основных цветов совершалось не-
посредственно в кинескопе, для чего сигнал Еу подавался на катоды
кинескопа, а три цветоразностных сигнала ER_Y^ E'G_Y1 E'B_Y —
па его модуляторы. В результате между модуляторами и катода-
ми кинескопа действуют сигналы основных цветов E'R, E'G, Е(в, а
кинескоп помимо основного назначения осуществляет функции ма-
трицы М3. Матрицирование на электродах кинескопа имело опреде-
ленные преимущества (см. § 16.3), которые в настоящее время явля-
ются малозначимыми.
246 ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Глава 12
АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ
ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
12.1. Система цветного телевидения NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в США
в 1950-53 гг. Национальным комитетом телевизионных систем (Nati-
onal Television System Committee) и утверждена в стране как наци-
ональный стандарт. Позднее эта система была принята в качестве
стандарта в Канаде, в большинстве стран американского континен-
та, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.
12.1.1. Общие принципы системы
В системе NTSC передаются три сигнала: яркостный и два
цветоразностных. Передача цветоразностных сигналов осуществля-
ется в спектре яркостного на одной цветовой поднесущей часто-
те (рис. 12.1). Напряжение поднесущей частоты, промодулирован-
ное цветоразностными сигналами, называется сигналом цветности.
Сумма сигналов яркости Еу и цветности us образует полный цвето-
вой сигнал ип. Для модуляции двумя цветоразностными сигналами
одной поднесущей частоты применен метод квадратурной амплитуд-
ной модуляции. Сущность его заключается в суммировании двух
напряжений поднесущей частоты ид_у и ид_у, промодулированных
каждым из цветоразностных сигналов в отдельных амплитудных мо-
дуляторах (рис. 12.2). Поднесущая частота на модуляторы поступает
в квадратуре, т.е. с фазовым сдвигом относительно друг друга в 90°.
Полученный в результате сложения сигнал цветности оказывается
промодулированным не только по амплитуде, но и по фазе. Дей-
ствительно, амплитуда сигнала цветности us определяется как
Us = y/u2B_y + U*_Y, Щ1)
а фазовый сдвиг вектора Us относительно одного из колебаний
U b-y — как
= awtg(UR^Y/UB-y), (12.2)
где в свою очередь, амплитуды квадратурных составляющих U#_y
и U/y_y определяются модулирующими цветоразностными сигнала-
ми Eh-y и Eb-y-
Сигнал цветности us, таким образом, равнозначно можно рас-
сматривать либо как одну поднесущую с амплитудно-фазовой моду-
ля цшч’ц либо как пару независимых квадратурных составляющих.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
247
Рис. 12.1. Частотный спектр полного цветового
сигнала
Рис. 12.2. Квадратурная амплитудная модуляция:
а — структурная схема; 6— векторная диаграмма
В дальнейшем изложении в зависимости от удобства применяется
тот или другой подход.
В системе NTSC используют не обычные амплитудные модулято-
ры, а балансные, которые, подавляя поднесущую, оставляют только
боковые составляющие спектра. Балансная модуляция имеет опреде-
ленные преимущества перед обычной амплитудной модуляцией. При
одном и том же по сравнению с обычной модуляцией размахе моду-
лирующих сигналов балансная модуляция формирует, как минимум,
в два раза меньший по амплитуде сигнал цветности, что снижает ее
заметность на экране черно-белого телевизора, для которого сигнал
цветности следует рассматривать как помеху. Таким образом, улуч-
шается совместимость систем черно-белого и цветного телевидения.
В свою очередь, качество совместимости еще больше повышается при
передаче неокрашенных или слабоокрашенных деталей в изображе-
нии. В этих случаях цветоразностные (модулирующие) сигналы рав-
ны нулю или не велики по амплитуде, и на выходе балансных моду-
ляторов сигнал также стремится к нулю (рис. 12.3).
Векторная диаграмма, изображающая сигнал цветности и его
квадратурные составляющие, отличается от рассмотренной на
рис. 12.2,б возможностью перемены знаков у составляющих U^-y
и U#_y (в зависимости от знака цветоразностных сигналов) и в
соответствии с этим возможностью расположения вектора сигнала
цветности Us не в одном, а во всех четырех квадрантах диаграм-
мы (рис. 12.4).
В цветном приемнике системы NTSC из принятого сигнала цвет-
ности us должны быть выделены его квадратурные составляющие
для получения исходных цветоразностных сигналов Er-y и Ев-у.
Поскольку Uв= Us cos Ur-y — sin </?, то разделение сигна-
лов можно представить как операции проецирования вектора Us на
две ортогональные оси, совпадающие с осями модуляции.
248
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.3. Форма сигнала:
а — при обычной амплитуд-
ной модуляции; 6— при баланс-
ной амплитудной модуляции
Рис. 12.4. Векторная диа-
грамма сигнала цветности и
его квадратурных составляю-
щих при балансной модуляции
Задачу в таком представлении можно решить с помощью син-
хронного детектора, который осуществляет перемножение двух сиг-
налов, подаваемых на входы детектора. Если одним из этих сигналов
будет принятый телевизионным приемником сигнал цветности us, а
другим — так называемое опорное напряжение иоп, представляющее
колебание поднесущей частоты fs с начальной фазой </? = 0, то на-
пряжение на выходе детектора
^вых - Us sin{ujst + <P)Uon sin cost,
где Uon — амплитуда указанного выше опорного напряжения.
Используя известное тригонометрическое соотношение
sin a sin /3 = 0,5[cos(a - /3) — cos(<a + /?)],
получаем
^вых ~ ^UonUscos^p —UonUs^os(<2ltost~\~(-p>)-
Приняв амплитуду опорного напряжения постоянной и поставив
на выходе синхронного детектора фильтр нижних частот, исключа-
ющий второй член в правой части равенства, убедимся, что задача
выделения одной из квадратурных составляющих решена:
^вых — k^B — Y>
где к коэффициент пропорциональности.
Если же в качестве опорного напряжения на синхронный детек-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
249
Рис. 12.5. Разделение сигнала цветности на квадратурные составляющие
тор подать напряжение ?бОп — {7onsin(a;st + 90°), то
^вых — — кЕR—Y •>
т.е. будет выделена вторая квадратурная составляющая.
Таким образом, устройство для разделения квадратурных соста-
вляющих, т.е. получения из сигнала цветности исходных цветораз-
ностных сигналов, должно состоять из двух синхронных детекторов
и генератора опорной поднесущей частоты со строго определенными
частотой и фазой, равными соответственно частоте и фазе поднесу-
щей генератора на передающем конце системы (рис. 12.5). Однако
именно этой принципиально важной информации о частоте и фазе
и не содержится в принимаемом телевизионном сигнале. Причина
в том, что в системе NTSC применяется балансная модуляция, при
которой поднесущая отсутствует в спектре сигнала, а боковые ча-
стоты, являясь продуктом модуляции, зависящим от передаваемого
цвета, имеют фазовые сдвиги, отличающие их от и смодулирован ко-
го значения поднесущей.
Для того чтобы генератор опорной поднесущей fs в приемни-
ке мог работать с заданной на передающем устройстве фазой, его
синхронизируют специальным сигналом, называемым сигналом цве-
товой синхронизации. Цветовая синхронизация так же, как квадра-
турная балансная модуляция и синхронное детектирование, является
принципиальной особенностью системы NTSC. Сигнал цветовой син-
хронизации передается в интервале обратного хода строчной разверт-
ки за синхронизирующим импульсом строк. Он представляет собой
пакет колебаний цветовой поднесущей из 8-10 периодов (рис. 12.6).
Этот пакет часто называют цветовой вспышкой. Частота колеба-
ний вспышки равна fs> фаза колебаний — 180°, направление векто-
ра колебаний пакета совпадает с отрицательным направлением оси
В-Y (рис. 12.7).
Определив возможность передачи с помощью квадратурной мо-
дуляции на одной поднесущей двух цветоразностных сигналов, выяс-
ним, как в сформированном таким образом сигнале цветности зако-
дированы параметры самой цветности: насыщенность и цветовой тон.
250
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.6. Положение сигна-
ла цветовой синхронизации ицв
на площадке строчного гасяще-
го импульса СГИ (ССИ — строч-
ный синхронизирующий импульс)
Рис. 12.7. Положение сигна-
ла цветовой синхронизации
ицв на векторной диаграмме
Рис. 12.8. Вектор-
ная диаграмма сиг-
налов цветности
различных цветов
Для этого на векторной диаграмме квадратурно-модулированных ко-
лебаний определим положение векторов сигнала для некоторых ха-
рактерных цветов. В качестве таких цветов выберем основные цвета:
красный (Er = 1, Eg = 0, Ев = 0), синий (Er = 0, Eg — 0, Ев = 1),
зеленый (Er = 0, Eg = 1, Ев = 0) и дополнительные к ним: голубой
(Er = 0, Eg = 1, Ев = 1), желтый (Er = 1, Eg = 1, Ев = 0) и пур-
пурный (Er = 1, Eg = 0, jEb = 1). В соответствии с выражениями
(11.2) и (11.4) определим для каждого цвета амплитуды яркостного
и цветоразностных сигналов, а в соответствии с (12.1) и (12.2) — ам-
плитуды и фазы сигналов цветности. Результаты расчета сведены в
табл. 12.1 и отражены на векторной диаграмме рис. 12.8.
Из диаграммы следует, что каждому передаваемому цвету соот-
ветствует строго определенное место на диаграмме. Дополнитель-
ный к рассматриваемому цвет расположен с ним на одной линии, но
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
251
Таблица 12.1
Цвет Гу Er-y EB-y Us
Белый 1,00 0,00 0,00 0,00 -
Желтый 0,89 0,11 -0,89 0,90 172
Голубой 0,70 -0,70 0,30 0,76 293
Зеленый 0,59 -0,59’ -0,59 0,84 225
Пурпурный 0,41 0,59 0,59 0,84 45
Красный 0,30 0,70 -0,30 0,76 113
Синий 0,11 -0,11 0,89 0,90 353
Черный 0,00 0,00 0,00 0,00 -
в противоположном направлении. Наконец, угловое положение лю-
бого вектора определяет цветовой тон, а длина вектора характеризу-
ет насыщенность передаваемого цвета. Чем больше длина вектора,
тем больше насыщенность. Ахроматическим цветам соответствует
на диаграмме точка, расположенная в начале координат диаграм-
мы. Из этого следует, что искажения в процессе передачи сигна-
ла цветности, связанные с изменением его амплитуды, приводит к
искажению насыщенности, а ошибка в фазе принятого сигнала или
опорного генератора поднесущей в синхронных детекторах — к ис-
кажению цветового тона.
12.1.2. Выбор частоты поднесущей
Выбор частоты поднесущей в системе NTSC был обусловлен це-
лым рядом условий, определяющих качество изображения цветных
и черно-белых телевизионных приемников. При этом стремление
обеспечить более высокое качество изображения черно-белых при-
емников (т.е. обеспечить наилучшую совместимость систем) находи-
лось в противоречии с возможностью реализации наивысшего каче-
ства цветного изображения. Разработчикам системы пришлось ис-
кать компромисс. Рассмотрим наиболее важные условия выбора ча-
стоты поднесущей.
1. В черно-белом телевизоре для сни.жения заметности на изо-
бражении помехи от сигнала цветности частота цветовой поднесущей
должна быть по возможности более высокой, так как в этом слу-
чае структура рисунка от помехи мельче, а следовательно, и менее
заметна. С другой стороны, значение fs должно быть существен-
но меньше максимальной частоты в спектре яркостного сигнала Еу
(см. рис. 12.1), чтобы выполнялось требование профессиональной со-
вместимости систем, т.е. чтобы полный цветовой сигнал размещал-
ся в полосе стандартного черно-белого сигнала. Разность /тах — fs
определяет максимальную ширину боковой полосы сигнала цветно-
сти, а значит, и максимально возможную ширину спектра цветораз-
ностных сигналов. Как показала практика, эта ширина не может
Сиять меньше 0,6 МГц, иначе на цветном изображении в приемнике
появляются заметные цветные окантовки на вертикальных границах
252
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.9. Помеха от поднесущей частоты:
а — текущее изменение us в строках четного и нечетного полей; 6— вид помехи
на экране в двух смежных кадрах
между различными цветами [29]. Поскольку в американском стан-
дарте /тах = 4,18 МГц, то fs должна быть не более 3,58 МГц.
2. Также для уменьшения заметности рисунка на экране черно-
белого телевизора, получаемого от воздействия на него поднесущей
частоты, ее частоту жестко связывают с частотой развертки изобра-
жения. В этом случае рисунок помехи имеет менее заметную непо-
движную структуру, а указанная связь подчиняется соотношению
/s = (2n + l)^, (12.3)
где п — целое число: fz — частота строк. Тогда в интервале стро-
ки размещается нечетное число полу периодов поднесущей, и рисунок
от помехи имеет вид расположенных в шахматном порядке темных
и светлых участков (рис. 12.9). За счет пространственной компенса-
ции в зрительном аппарате такая структура значительно менее за-
метна, чем, например, рисунок из чередующихся вертикальных тем-
ных и светлых полос.
Нетрудно показать, что при выполнении соотношения (12.3) по-
лярность поднесущей в смежных кадрах изменяется на противопо-
ложную и темные участки чередуются со светлыми с частотой ка-
дров, что делает еще меньшей заметность рисунка помехи. В этом
случае эффект достигается за счет временной взаимной компенса-
ции помехи в зрительной системе наблюдателя.
Ле менее важным достоинством, чем улучшение совместимости,
является характер размещения спектральных составляющих сигнала
цветности внутри спектра сигнала яркости. При выполнении уело-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
253
вия (Г2.3) спектральные составляющие сигнала цветности размеща-
ются точно по середине между строчными и кадровыми гармоника-
ми яркостного сигнала. Происходит так называемое перемежение
частотных спектров сигналов яркости и цветности, что в принципе
позволяет с большой точностью разделять эти два сигнала в при-
емном устройстве.
3. Помехи на изображении из-за присутствия в спектре полного
телевизионного сигнала поднесущей частоты могут возникнуть также
из-за биений между поднесущей частотой сигнала цветности и второй
промежуточной частотой звукового сопровождения (см. гл. 17). Для
уменьшения заметности помехи ее частоту, равную разности частот
поднесущей fs и второй промежуточной частоты звука /"зв, по тем
же соображениям, что были изложены в предыдущем пункте, также
делают равной нечетной гармонике полустрочной частоты:
/пзв-А = (2^ + 1)/2/2, (12.4)
где к — целое число.
Из (12.3) и (12.4) следует, что
(/n3B-/s)//s = (2fc + l)/(2n + l).
Заменив fs его значением из (12.3), получим
/пзв/Л = А: + тг + 1 = т, (12.5)
где т — целое число. Но вторая промежуточная частота звука /"зв,
как будет показано в гл. 17, в любой вещательной системе телевиде-
ния определяется разносом несущих частот звука /нзв и изображения
/низ, и (12.5) можно записать как
(/нзв - = rn. (12.6)
В стандарте США на черно-белое телевидение, в отличие от
любого из европейских стандартов, это условие не выполнялось.
В США в черно-белом телевидении /нзв — /низ = 4,5 МГц; fz =
— 15750 Гц. Таким образом, их соотношение составляло дробную
величину 285,71428. Для выполнения условия (12.6) это соотноше-
ние необходимо было округлить до ближайшего целого числа, т.е. до
286, что заставило разработчиков системы NTSC изменить стандарт
на частоты разверток соответственно на 0,1 %: fz — 15734,26573 Гц;
f-2n = 59,940059 Гц (вместо исходных 60 Гц). Такое незначительное,
но принципиальное изменение частот разверток в цветной системе
не потребовало перестраивать генераторы разверток черно-белых те-
левизоров, поскольку указанные новые значения частот располага-
ются заведомо в полосе захвата синхронизируемых ими генераторов
разверток телевизора.
4. Установлению жесткой связи между частотами разверток и
чах”готой цветовой поднесущей в соответствии с (12.3) должны со-
254
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
путствовать условия наиболее простой ее технической реализации.
Таким условием является выбор числа (2n + 1) в (12.3), при котором
оно состояло бы по возможности из наиболее простых сомножителей.
В этом случае облегчается достижение устойчивого деления часто-
ты при получении в синхрогенераторе частоты строк fz из частоты
задающего генератора, вырабатывающего частоту fs- Оптимальным
оказалось число (2n + 1) = 455 (13x7x5), что и обусловило выбор
частоты поднесущей fs = 455f'z/2 — 3,579545 МГц. Стандартом была
предусмотрена допустимая нестабильность этого значения не более
0,0003 %, т.е. не хуже 10 Гц.
12.1.3. Цветоразностные сигналы Ei и Eq
Выбор частоты цветовой поднесущей поблизости от максималь-
ной частоты в спектре яркостного сигнала обусловил относитель-
ную узкополосность цветоразностных сигналов. Максимальная ши-
рина их частотных спектров не может превышать 0,6 МГц. При
этом цветовая четкость по горизонтали оказывается неудовлетвори-
тельной. Определенные возможности для ее увеличения имеются в
некотором расширении спектра нижней боковой сигнала цветности.
Как показали эксперименты, такое расширение допустимо пример-
но до 1,3 МГц без существенного ухудшения совместимости. Ши-
роко распространено несимметричное усиление боковых колебаний
амплитудно-модулированного сигнала, однако при квадратурной мо-
дуляции этот прием имеет серьезные ограничения.
На рис. 12.10 изображена векторная диаграмма, иллюстрирую-
щая процесс несимметричной передачи боковых частот одного из ква-
дратурных сигналов Uh-у. Из рисунка видно, что ослабление или
полное подавление одного бокового колебания приводит к ошибке в
фазовом угле вектора U^-y. Он перестает совпадать с направлени-
ем оси R-Y. В результате при синхронном детектировании в канале
R-Y уменьшается амплитуда выделяемого цветоразностного сигна-
ла Ец-у (проекция U/?_y на ось Я-У), а детектирование в канале
B-Y выделяет постороннюю для этого канала составляющую Ев-у
(проекция и#_у на ось B-Y). Аналогично в канале R-Y появится
помеха от сигнала U^-y, если и он передается с асимметричными бо-
Рис. 12.10. Искажения при асимметрии боковых частот сигнала U/?_y:
а — размах боковых частот одинаков; б— размах верхней боковой уменьшен
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
255
Рис. 12.11. Частотный спектр полно-
го цветового сигнала NTSC при разно-
полосных цветоразностных сигналах
ковыми колебаниями. Возникают, как следствие, искажения в цвето-
вом тоне и насыщенности передаваемого цвета, получившие название
перекрестных искажений между каналами R-Y и B-Y.
Тем не менее и при квадратурной модуляции допустимо несимме-
тричное расширение спектра нижнего бокового колебания, если это
расширение производится только для одного из квадратурных сиг-
налов. Второй сигнал должен передаваться с симметричными бо-
ковыми в более узкой полосе частот (рис. 12.11). Назовем второй
сигнал узкополосным, в отличие от более широкополосного сигнала
с разными боковыми. При такой передаче сигналов узкополосная
симметричная квадратурная составляющая не создает перекрестной
помехи в канале широкополосного сигнала. От несимметричной ква-
дратурной составляющей возникают описанные выше перекрестные
помехи. Однако эти помехи присутствуют только на тех частотах,
где подавлена одна боковая, т.е. вне полосы пропускания узкопо-
лосного цветоразностного канала. Напомним, что после синхронного
детектора должен устанавливаться фильтр нижних частот (ФНЧ),
подавляющий вторую гармонику поднесущей частоты. Если полосу
пропускания этого ФНЧ ограничить максимальной частотой спектра
узкополосного сигнала, то в канале последнего перекрестная помеха
от второго цветоразностного сигнала будет подавлена.
Таким образом, расширение частотного спектра одного из ква-
дратурных сигналов позволяет рассчитывать на соответствующее
улучшение цветовой четкости изображения. Однако использование
этого приема для цветоразностных сигналов Ев-у и Ев-у не да-
ет положительного результата.
Действительно, предположим, что расширена нижняя боковая
полоса сигнала Ев-у, а симметричным узкополосным сигналом оста-
нется сигнал Ев-у. Тогда в полосе частот от 0 до 0,6 МГц синхронное
детектирование происходит без ошибок, и отсутствуют искажения в
цветовоспроизведении. В полосе частот от 0,6 до 1,3 МГц (это со-
ответствует угловым размерам деталей изображения 10...22') сигнал
Ев-у отсутствует, и все детали таких размеров будут окрашены в
цвета, расположенные только на оси R-Y. Изображение становит-
ся для таких деталей двухцветным, в малиново-голубых цветах (см.
рис. 12.8). Кроме того, разрешающая способность зрительного аппа-
рата в этих цветах не является максимальной и реально заметного
увеличения цветовой четкости за счет расширения полосы сигнала
256
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Er_y не происходит. Результаты еще хуже, если в качестве широ-
кополосного сигнала использовать сигнал Ев-у-
Разработчиками системы NTSC опытным путем были найдены
такие цвета, при которых глаз обнаруживает наибольшую разреша-
ющую способность. Они оказались лежащими на так называемой оси
I (см. рис. 12.8) и представляют собой оранжевые и голубые оттенки.
Эта ось составляет с осью R-Y угол 33°.
Вторая ось Q направлена перпендикулярно к оси I. Цветораз-
ностные сигналы, соответствующие этим осям, получили обозначе-
ния Ej и Eq . Сигнал Ej передается в широкой полосе, a Eq — в уз-
кой (см. рис. 12.11). Детектирование в полосе частот от 0 до 0,6 МГц
не отличается от случая использования цветоразностных сигналов
Ец-у и Ев-у, и не приводит к принципиальным цветовым ошиб-
кам в изображении. В полосе же от 0,6 до 1,3 МГц из-за отсутствия
сигнала Eq детали соответствующих размеров передаются только в
оранжево-голубых цветах. Но это не вызывает заметных искажений
при цветовосприятии из-за малости деталей, соответствующих ука-
занным частотам. И при этом изображение воспринимается обла-
дающим большей цветовой четкостью. В полосе от 1,3 до 4,18 МГц
цветоразностные сигналы равны нулю, и соответствующие этим ча-
стотам детали изображения (от 3 до 10 угловых минут) воспроиз-
водятся черно-белыми. Цветоразностные сигналы Ei и Eq можно
считать производными от сигналов Er-у и Ев-у- Нетрудно осуще-
ствить их взаимный пересчет:
Ef = Er-у cos 33° — Ев-у cos 57°;
Eq = Er-у cos 57° 4- Ев-у cos 33°.
Эти соотношения получены путем тригонометрических преобра-
зований с использованием цветового графика на рис. 12.8. Однако
в эти соотношения разработчиками системы введены дополнитель-
ные коэффициенты &i и а<2, названные коэффициентами компрес-
сии. Тогда
Ei = Qi Er-у cos 33° — аъЕв-у cos 57°;
(12.7)
Eq = c^iEr-у cos 57° + с^Ев-у cos33°.
Здесь ац = 0,877, — 0,493. С учетом численных значений три-
гонометрических членов имеем
Ei = 0,74Er_y - 0,27ЕВ-у',
(12.8)
Eq = 0^48Er-y -Ь 0,41Е^_у.
Необходимость коэффициентов компрессии вызвана следующим
обстоятельством. Полный цветовой сигнал представляет собой сум-
му сигналов яркости и цветности. Его динамический диапазон суще-
ственно больше, чем в черно-белом телевидении. На определенных
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
257
Рис. 12.12. Полный
цветовой сигнал NTSC
цветах он превышает уровень белого, а на других заходит в область
ниже уровня черного. Превышение динамического диапазона и в ту
и в другую сторону выше допустимых значений нежелательно из-за
вероятности нелинейных искажений или ухудшения синхронизации
приемных устройств. Поэтому сигнал цветности с помощью коэф-
фициентов компрессии уменьшен настолько, чтобы полный сигнал
в экстремальных случаях не превышал уровень белого вверх и уро-
вень черного вниз более чем на одну треть от размаха яркостного
сигнала. На рис. 12.12 приведена осциллограмма полного цветового
сигнала для испытательного изображения цветных полос.
Формирование цветоразностных сигналов Е[ и Eq из сигналов
основных цветов выполняется по соотношениям
= 0,60Ед - Q.28Eg - 0,32Ев;
Eq = 0,21Ей - 0,52Ес + 0,31Ев.
На приемном конце системы NTSC может возникнуть необходи-
мость перейти от сигналов Е/ и Eq к исходным цветоразностным
сигналам Ец_у, EG-y и ЕВ-у. Легко показать, что
Ев_у — OfifyEj + 0,62jEq '
Eg_y = -0,27£?i - 0,65Eq > .
EB_y = -1,11£7 + 1,70Eq ,
(12.10)
12.1.4. Структурная схема кодирующего устройства
На рис. 12.13 представлена упрощенная структурная схема коди-
рующего устройства в системе NTSC. Исходными сигналами являют-
ся сигналы E'Ri E'g и Er. Штрихи в обозначениях сигналов означают,
что сигналы были предварительно подвергнуты гамма-коррекции.
На выходе матрицирующей схемы М сформированы яркостный сиг-
нал Еу и цветоразностные сигналы Ej и Eq. В сигнал яркости Еу
17
258
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
К синхрогенератору
Рис. 12.13. Структурная схема кодирующего устройства системы NTSC
вводится сигнал синхронизации приемника ССП. Фильтрами нижних
частот ФНЧ1 и ФНЧ2 ограничиваются полосы частот сигналов Е\ и
E'q соответственно до 1,3 и 0,6 МГц. Генератором поднесущей часто-
ты вырабатывается синусоидальный сигнал с частотой 3,579545 МГц
и фазой 180°, соответствующей отрицательному направлению оси В-
У. На балансный модулятор БМ сигнала E'j поднесущая частота
поступает от генератора с задержкой на 57°, которая создается фа-
зовращателем ФВ1. На балансный модулятор БМ сигнала Eq коле-
бание поднесущей частоты поступает с дополнительной задержкой
на 90°, получаемой в ФВ2, тем самым обеспечивая условия квадра-
турной модуляции одной поднесущей сигналами Е'т и Eq. С выходов
балансных модуляторов квадратурные составляющие uj и uq пода-
ются на сумматор Lj, в котором образуется сигнал цветности us- В
сумматоре £2 сигнал цветности us складывается с яркостным сигна-
лом. На выходе этого сумматора общая полоса частот определяется
ФНЧз в границах от 0 до 4,18 МГц. В результате такого ограни-
чения квадратурная составляющая uq содержит две боковые поло-
сы по 0,6 МГц, а составляющая uj — верхнюю боковую 0,6 МГц
и нижнюю 1,3 МГц.
Как известно, время прохождения сигнала через электрическую
цепь зависит от ее полосы пропускания. В кодирующем устройстве
NTSC каждый из трех компонентов полного сигнала Еу, E'j и Eq
проходит в процессе формирования через цепи с разными полоса-
ми пропускания: сигнал Еу — через самую широкополосную цепь
()...4,18 МГц, сигналы Ej и Eq — через узкополосные цепи О...1,3 и
()...(),() МГц соответственно. В результате сигнал Еу имеет наимень-
шее из грех сигналов время прохождения, а сигнал Eq — наиболь-
шее. Для выравнивания всех трех сигналов во времени устанавлива-
ют ус тропе тва задержки: в канале Еу — примерно на 0,7 мкс, а в к а-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
259
нале E'j — на 0,5 мкс. Погрешность совмещения во времени всех трех
сигналов должна быть не больше половины длительности развертки
черно-белого элемента изображения (0,05 мкс). Иначе в цветном изо-
бражении может быть заметно рассовмещение окрашенных участков
и деталей, к которым эти участки принадлежат. Сигнал цветовой
синхронизации ^цв формируется в клапанном устройстве К с помо-
щью стробирующих импульсов, временное положение которых соот-
ветствует положению цветовой вспышки на задней площадке строч-
ного гасящего импульса (см. рис. 12.6). В сумматоре Е-2 сигнал цвето-
вой синхронизации складывается с сигналами яркости и цветности.
Для выполнения условия (12.3) строчные синхронизирующие им-
пульсы получают многократным делением частоты поднесущей fs
в делителе частоты ДЧ.
12.1.5. Структурная схема декодирующего
устройства
Полный цветовой сигнал izn, содержащий сигналы яркости, цвет-
ности, вспышки цветовой синхронизации и сигнал синхронизации
приемника, поступает на усилитель сигнала яркости и полосовой
фильтр ПФ сигнала цветности (рис. 12.14). В канале яркостного
сигнала с помощью режекторного фильтра РФ, настроенного на ча-
стоту поднесущей, подавляется сигнал цветности, устраняя помеху,
вызванную им (см. рис. 12.9,6). Полосовой фильтр в канале цвето-
разностных сигналов выделяет из полного сигнала гьп сигнал цвет-
ности и сигнал цветовой синхронизации. При этом следует обратить
внимание на максимальное подавление второй промежуточной ча-
стоты звукового сопровождения (4,5 МГц), которая может вызывать
нежелательные биения с цветовой поднесущей. Сигнал цветности
Рис. 12.14. Структурная схема декодирующего устройства системы NTSC
17'
260
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
содержащий две квадратурные составляющие и/ и uq, поступает че-
рез усилитель на два синхронных детектора СД/ и СДф, на которые
подается опорное напряжение поднесущей частоты со сдвигом 90°.
обеспечиваемым фазовращателем ФВ2. Как будет показано, эти ко-
лебания имеют фазы, соответствующие осям I и Q. В результате иа
выходах синхронных детекторов создаются сигналы Е^ и Eq, кото-
рые ограничиваются по полосе частот в каналах I и Q фильтрами
нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2. В матрицирующем устройстве из сиг-
налов Еу, E'j и Eq формируются исходные сигналы E'R, EG и Ев:
E'R = E'r_y + E'y; Eq = E'G_Y 4- E'y; E'B = E'B_Y + E'y, где величины
E'R_y, EG_Y и Е'в_у определяются соотношениями (12.10).
Для компенсации различных по длительности задержек в сигна-
лах Еу, Ej и Eq в каналы первых двух сигналов включены устрой-
ства задержки 1 и 2.
Сигнал цветовой синхронизации отделяется от сигнала цветно-
сти клапанным устройством Кл, которое пропускает на свой выход
цветовые вспышки при поступлении стробирующих импульсов, со-
здаваемых в устройстве формирования ФСИ. В свою очередь, фор-
мирующее устройство управляется строчными синхронизирующими
импульсами, выделяемыми из полного сигнала в селекторе синхро-
импульсов.
Цветовые вспышки предназначены для синхронизации генерато-
ра цветовой поднесущей /5, который для обеспечения необходимой
точности работы имеет кварцевую стабилизацию. Синхронизация
является параметрической, управляющее напряжение вырабатыва-
ется фазовым детектором ФД, в котором сравниваются по частоте и
фазе колебания от генератора и цветовых вспышек. Фазовая авто-
подстройка схемотехнически наиболее просто осуществляется к зна-
чению 90° по отношению к фазе вспышек, т.е. к оси R-Y. Таким
образом, чтобы обеспечить детектирование на ось I (в синхронном
детекторе СДД необходимо колебаниям автогенератора создать опе-
режение на 33°. Дополнительная задержка на 90° обеспечит детек-
тирование в СДф на ось Q.
В усилителе сигнала цветности с помощью стробирующих им-
пульсов подавляются колебания цветовых вспышек для устранения
их огибающей на выходе синхронных детекторов. В противном слу-
чае на краю изображения эта огибающая может создать цветную вер-
тикальную полоску, соответствующую положению вспышки на пло-
щадке строчного гасящего импульса.
Канал сигнала цветности необходимо запирать также, когда осу-
ществляется прием черно-белого изображения, поскольку иначе на
•жрано возникли бы цветные крупноструктурные муары. Послед-
ние' являются продуктом биений в синхронных детекторах высоко-
частотных составляющих сигнала яркости с колебаниями автономно
работающего генератора поднесущей. Выключатель цветности ВЦ
пол у чает управляющее напряжение на запирание канала с фазового
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
261
детектора. При вещании цветной программы, т.е. при наличии цве-
товых вспышек, с фазового детектора на ВЦ поступает постоянное
напряжение одного знака, при черно-белом вещании это напряже-
ние свой знак меняет.
Если из рассмотренной структурной схемы исключить фазовра-
щатель ФВх на 33°, то синхронное детектирование будет осуще-
ствляться на оси R-Y и B-Y, а следовательно, на выходах детек-
торов будут получены сигналы ER_y и Е'в_у. Но в этом случае
из-за разнополосности составляющих и/ и uq могут возникнуть пе-
рекрестные искажения между сигналами ER_y и Е'в_у. Для. пред-
отвращения этих искажений оба фильтра нижних частот на выходе
детекторов должны быть узкополосными: 0...0,6 МГц, что заметно
ухудшит цветовую четкость. Поэтому такой вариант декодирующего
устройства распространен меньше.
12.1.6. Эксплуатационные характеристики системы
Несмотря на то что система NTSC была разработана и введе-
на в эксплуатацию значительно раньше других вещательных систем,
принципы, заложенные в ее основу, позволяют ей оставаться среди
аналоговых вещательных систем конкурентно способной и в настоя-
щее время, а по некоторым параметрам и превосходить другие систе-
мы. К основным достоинствам системы можно отнести:
• хорошую совместимость, достигаемую за счет жесткой связи ча-
стот разверток с частотой поднесущей и удачного выбора самого
значения поднесущей;
• возможность эффективного разделения сигналов яркости и цвет-
ности применением в декодирующем устройстве вместо полосо-
вого и режекторного фильтров гребенчатых фильтров, позволя-
ющих избирательно подавлять или выделять частотные соста-
вляющие двух перемежающихся спектров яркости и цветности;
• высокую помехоустойчивость канала цветности к флуктуацион-
ным помехам благодаря применению синхронного детектирова-
ния цветоразностных сигналов;
• эффективное использование канала передачи, позволяющее при
сравнительно узкополосных сигналах Е/ и Eq получить изобра-
жение с удовлетворительной цветовой четкостью;
• простоту микширования полных видеосигналов, поскольку из-
менение амплитуды полного сигнала обусловливает одинаковое
изменение как сигнала яркости, так и цветоразностных сигналов;
• относительную простоту приемных устройств.
Вместе с тем системе NTSC присущи и недостатки, главным из
которых является чувствительность системы к так называемым диф-
ференциальным искажениям амплитуды и фазы сигнала цветности
в канале передачи. Напомним, что сигнал цветности представля-
ет собой синусоидальную насадку колебаний поднесущей частоты к
262
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
яркостному сигналу (см. рис. 12.12). В процессе передачи такого сиг-
нала в отдельных звеньях тракта может возникнуть модуляция сиг-
нала цветности (как по амплитуде, так и по фазе) сигналом яркости.
Изменение амплитуды и 5 в зависимости от уровня Еу получило на-
звание дифференциальных искажений амплитуды, а изменение фазы
сигнала цветности под действием сигнала Еу — дифференциально-
фазовых искажений.
Дифференциальные искажения амплитуды приводят к разли-
чию в насыщенности цвета светлых и темных участков изображения.
Причем эти искажения нельзя устранить с помощью автоматической
регулировки усиления сигнала цветности, поскольку проявляются
они внутри одной и той же строки. Дифференциально-фазовые ис-
кажения вызывают изменение цветового тона в зависимости от яр-
кости изображения. Например, человеческое лицо, к цвету которого
особенно чувствителен глаз, может приобретать зеленоватый оттенок
на ярких участках и красноватый — на темных.
Отсюда вытекают довольно жесткие требования к тракту переда-
чи в отношении дифференциальных искажений. Для фазовых оши-
бок считается допустимым значение не более 4...5°. К искажениям
насыщенности глаз менее критичен. Амплитудные ошибки допус-
каются порядка 12 %.
Жесткие требования к параметрам канала передачи NTSC, в
определенной степени усложняющие и удорожающие аппаратуру, а
также коммерческие интересы конкурирующих фирм в европейских
странах заставили разработчиков искать альтернативные решения в
построении вещательных цветных систем. Из большого числа пред-
ложений, появившихся к началу 60-х годов, признание получили
цветные системы SECAM и PAL.
12.2. Система цветного телевидения SECAM
Разработка системы была начата во Франции в 50-х годах и пре-
терпела ряд модификаций. В 1965-1966 гг. при сотрудничестве с
советскими специалистами была доработана. С октября 1967 г. в
СССР и во Франции одновременно было начато регулярное веща-
ние по системе SECAM. В процессе эксплуатации продолжалось ее
усовершенствование, определившее окончательный вариант системы
SECAM-Шб. Кроме Франции и стран бывшего СССР, система
SECAM получила распространение в Болгарии, Венгрии, Чехослова-
кии, Польше, Люксембурге, Греции, ряде стран Африки, Ближнего
и Среднего Востока. Название системы представляет собой аббреви-
атуру из французских слов Sequential de Couleurs Avec Memoire, что
означает «поочередность цветов и память».
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
263
12.2.1. Общие принципы системы
Так же, как и в системе NTSC, сигналами передачи в системе
SECAM являются три сигнала: яркостный Е'у и два цветоразност-
ных E'r^y и Е'в_у. Однако в системе SECAM (и это главная ее осо-
бенность) в течение каждого строчного интервала передается толь-
ко один из цветоразностных сигналов, которые поступают в канал
передачи поочередно. Такой принцип передачи позволяет избежать
присущих системе NTSC перекрестных искажений между двумя цве-
торазностными сигналами, которые в системе SECAM благодаря раз-
новременной передаче не могут взаимодействовать друг с другом. На
рис. 12.15,а изображена упрощенная структурная схема кодирующе-
го устройства системы SECAM.
Исходными сигналами являются сигналы основных цветов E'R,
E’g и Ев, из которых в матрице М формируются яркостный сигнал
Еу и два цветоразностных сигнала ER_Y и Е'в_у. Последние, как
и в системе NTSC, ограничивают по полосе частот в ФНЧ и пода-
ют на электронный коммутатор ЭК, переключаемый управляющи-
ми импульсами с частотой fz/2. На выходе ЭК, в отличие от его
входов, в любой момент присутствует только один из двух цвето-
разностных сигналов: в течение одной строки — E'R_Y, в течение
другой — Ев_у- Таким образом, поднесущая частота, с помощью
которой уплотняется спектр яркостного сигнала, модулируется по-
очередно сигналами ER_Y и Е'в_у.
Второй важной особенностью системы SECAM является способ
модуляции поднесущей частоты. В современном варианте систе-
мы SECAM выбрана частотная модуляция, осуществляемая в ча-
стотном модуляторе ЧМ. Выбор частотной модуляции предполагал
Рис. 12.15. Упрощенные функциональные схемы устройств SECAM:
а — кодирующего; 6— декодирующего
264
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Е'у.
а)
uSnp .
б)
и5за,д'
В)
Рис. 12.16. Сигналы в различных узлах декодирующего устройства SECAM:
п, п + 1, п + 2,... — номера строк; =, х —состояние электронного коммутато-
ра
повышение устойчивости системы к влиянию амплитудных и фазо-
вых искажений тракта передачи, к чему особенно была чувствитель-
на система NTSC.
С выхода ЧМ частотно-модулированный сигнал цветности us,
складываясь в сумматоре Е с яркостным сигналом EY, образует пол-
ный цветовой сигнал, необходимый для передачи в вещательную сеть.
В приемном устройстве (рис. 12.15,6) полный цветовой сигнал ип,
получаемый с выхода видеодетектора, подается на усилитель яркост-
ного сигнала EY (рис. 12.16,а) и полосовой фильтр ПФ, с помощью
которого из полного сигнала выделяется ЧМ сигнал цветности us
(рис. 12.16,6). Его дальнейшая обработка принципиально отличает-
ся от декодирования сигнала цветности в системе NTSC. В системе
SECAM в отличие от NTSC в каждый момент времени продетекти-
рованный ЧМ сигнал представляет собой только один из двух цве-
торазностных сигналов: или EfR_Y^ или Е'в_у. Для восстановления
исходных сигналов основных цветов EfR> E'G и Ев необходимо обя-
зательно иметь оба цветоразностных сигнала одновременно. (Напо-
мним, что третий цветоразностный сигнал EG_Y получается матри-
цированием из сигналов ER_Y и Е'в_у.)
Получение недостающего в каждый момент времени цветораз-
нос'гиого сигнала достигается в приемном устройстве SECAM исполь-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
265
зованием устройства задержки на длительность одной строки и элек-
тронного коммутатора ЭК, осуществляющего переключение его вхо-
дов и выходов с частотой строк (см. рис. 12.15,6).
На один из входов электронного коммутатора сигнал цветности
подается неосредственно с полосового фильтра. Назовем этот сигнал
прямым и обозначим его гх^пр. На второй вход коммутатора поступа-
ет тот же сигнал цветности, но задержанный на длительность одной
строки (64 мкс). На рис. 12.15 и 12.16 он обозначен ^5зад. В резуль-
тате переключения электронного коммутатора с частотой строк на
каждом из выходов ЭК и соответственно после каждого из частот-
ных дискриминаторов в любой момент времени присутствуют сигна-
лы ER_Y и Е'в_у одновременно. Однако, выбрав для рассмотрения
любой из строчных интервалов, нетрудно убедиться, что на выходе
декодирующего устройства одновременно существуют цветоразност-
ные сигналы не одной и той же строки, а двух смежных строк. На-
пример, при передаче (п + 5)-й строки на выходы декодера поступают
яркостный сигнал Еу(п+5) и цветоразностные сигналы и
^в-у(п+4)- Сигнал ^_к(п+5) получится как результат матрициро-
вания сигналов -Ё,д_у(п+5) и £jg_y(n+4) двух соседних строк.
Таким образом, в приемном устройстве один из недостающих цве-
торазностных сигналов заменяется сигналом от предыдущей строки.
Цветовая информация о деталях изображения двух соседних строк
усредняется, что позволяет сделать вывод об уменьшении цветовой
четкости по вертикали. Вообще говоря, это не должно быть заметно,
поскольку уменьшение четкости в цвете по вертикали здесь будет не
более чем в два раза по сравнению с яркостным сигналом. Напо-
мним, вполне допустимым является снижение цветовой четкости в
четыре раза, что и происходит с горизонтальной цветовой четкостью
в результате ограничения цветоразностных сигналов по спектру до
1,5 МГц. Однако принятый в системе SECAM прием использования
цветоразностных сигналов двух смежных строк приводит к другим,
действительно заметным для глаза искажениям, о которых сказа-
но в последующих разделах.
В заключение отметим, что переключение электронного комму-
татора в декодирующем устройстве должно происходить синхронно
с переключением цветоразностных сигналов на передающем конце
системы.
12.2.2. Основные параметры системы
Цветоразностные сигналы D'r и В системе SECAM
цветоразностные сигналы ER_Y и Е'в_у заменены сигналами D'R и
D'B, определяемыми как
Р'й = -1,9^_у; D'B = 1,5Е'в_у. (12.11)
266
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Из соотношений (12.11) видно, что сигналы D'R и D'B отличают-
ся от сигналов E'R_y и Е'в_у как амплитудой, так и полярностью.
Штрихи в (12.11) означают, как и ранее, что передаваемые сигналы
подвергнуты гамма-коррекции. Коэффициенты, связывающие значе-
ния сигналов между собой, получили название коэффициентов ком-
прессии (по аналогии с системой NTSC). Выбор этих коэффициен-
тов обусловлен стремлением увеличить помехозащищенность сигна-
ла цветности и улучшить совместимость системы SECAM.
Действительно, помехоустойчивость частотно-модулированного
сигнала, каковым является сигнал цветности в системе SECAM, на-
прямую связан с девиацией поднесущей частоты, которая, в свою
очередь, зависит от амплитуды модулирующих ее цветоразностных
сигналов. Размах цветоразностных сигналов определяется содержа-
нием изображения, однако в общем случае максимальные значения
сигнала E’R_y существенно меньше этих значений для сигнала Ев_у .
Если максимальная амплитуда Ев__у для красного и голубого цве-
тов составляет 0,7 от уровня исходных сигналов на белом, то ам-
плитуда Ев_у для синего и желтого цветов — 0,89. Отношение ам-
плитуд составляет 1,27. Это означает, что во столько же ЧМ сиг-
нал, полученный от модуляции сигналом ER_y^ уступает по помехо-
устойчивости сигналу цветности, модулированному сигналом Е1В_У.
Для выравнивания условий передачи сигнала цветности в двух стро-
ках коэффициенты компрессии соотносят как 1,9/1,5 — 1,27. Абсо-
лютные значения коэффициентов компрессии выбирают из условия,
чтобы амплитуды сигналов D’R и D'B при передаче испытательного
изображения цветных полос со 100%-ной насыщенностью и 75%-ной
яркостью равнялись единице.
Действительно, для красного и голубого цветов сигнал D'R =
= —1,9(±0,7)0,75 = ±1; для синего и желтого цветов сигнал D'B =
= 1,5(±0,89)0,75 = ±1. Этим значениям сигналов DfR и D'B соответ-
ствует так называемая номинальная девиация поднесущей частоты.
Отрицательная полярность сигнала DfR выбрана из следующих
соображений. Статистические данные показывают, что для боль-
шинства сюжетов сигналы E'R_y и Ев_у находятся в диапазонах:
—0,15 E'R_y 0,40, —0,50 Е'в_у 0,20, т.е. преобладают по-
ложительные значения для сигнала ER_y и отрицательные — для
сигнала Ев_у. Изменением полярности ER_y достигают того, что
в среднем в обеих строках преобладает отрицательная девиация ча-
стоты и тем самым повышается устойчивость к ограничению верхней
боковой полосы сигнала цветности (что особенно важно для стан-
дарта тех стран, где уменьшена полоса частот яркостного канала).
Кроме 'гого, уменьшается средняя разность мгновенных значений ча-
стоты поднесущей между соседними строками, и это уменьшает ее
заметность па экране черно-белых приемников, т.е. улучшает совме-
стимость.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
267
Коррекция цветоразностных сигналов в системе SECAM.
В системе SECAM для устранения наиболее уязвимых для системы
NTSC амплитудных и фазовых искажений применена ЧМ поднесу-
щей, которая при соответствующих условиях могла бы дать также
большой выигрыш по сравнению с AM и в отношении помехоустойчи-
вости. Однако в системе SECAM эти условия не выполняются. Дей-
ствительно, для размещения спектра сигнала цветности в высокоча-
стотной части спектра яркостного сигнала недопустимо применение
широкополосной ЧМ с индексом модуляции больше единицы. В этом
случае спектр ЧМ сигнала недопустимо расширяется, так как в него
войдут кроме боковых частот первого порядка, боковые более высо-
ких порядков. Кроме того, при большой девиации поднесущей часто-
ты значительно увеличивается ее заметность на экране. Поэтому в
системе SECAM индекс модуляции в среднем составляет около 0,2.
Кроме уменьшения до указанного значения индекса модуляции,
в системе SECAM приходится существенно уменьшать размах самого
сигнала цветности. Если в системе NTSC размах сигнала цветности
может достигать значений более 120 % от размаха сигнала яркости
на белом, и при этом поднесущая на экране черно-белого приемни-
ка практически незаметна, то частотно-модулированная поднесущая
в системе SECAM зрительно воспринимается гораздо хуже. Ее раз-
мах желательно ограничить до значений, не превышающих 20...25 %
размаха яркостного сигнала^
Малый индекс модуляции и небольшая амплитуда сигнала цвет-
ности делают систему SECAM крайне уязвимой к помехам, и без
применения специальных коррекций сигнала она не конкурентна по
качеству изображения с системами NTSC и PAL. Одной из таких
коррекций, известной в практике ЧМ радиовещания, является кор-
рекция цветоразностных сигналов в приемном устройстве. Она по-
лучила название низкочастотной (НЧ) коррекции, поскольку реали-
зуется в низкочастотном канале декодирующего устройства, после
частотного дискриминатора.
Основывается НЧ коррекция на специфическом для частотной
модуляции спектральном распределении шума иш на выходе частот-
ного дискриминатора. Это распределение имеет треугольный харак-
тер (рис. 12.17). Как следствие, максимум шумовой помехи распо-
ложен в верхней части полосы пропускания. Если после частотного
дискриминатора установить в канале цепь коррекции, АЧХ которой
А(/) имеет спад на верхних частотах (рис. 12.17, кривая 2), то можно
получить заметное улучшение отношения сигнал/шум.
Однако действию НЧ коррекции подвергаются не только шумы,
по и сам цветоразностный сигнал. Его верхние частоты, как и шумы,
цепью коррекции ослаблены, что вызывает соответствующее умень-
шение цветовой четкости. Для того чтобы в полезном сигнале не
вози икали искажения, на передающем конце системы, в кодирую-
щем устройстве осуществляют предкоррекцию (предыскажения) цве-
268
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.17. Зависимость уров-
ня шума от частоты на выхо-
де частотного дискриминатора
(I); АЧХ цепей НЧ коррекции
(2) и НЧ предыскажений (3)
Рис. 12.18. Цепи НЧ предыс-
кажений (а) и НЧ коррекции (5)
Рис. 12.19. Результирую-
щая АЧХ низкочастотной
фильтрации и предыскаже-
ний цветоразностных сигналов
торазностных сигналов. По аналогии с НЧ коррекцией в приемни-
ке эти предыскажения называют часто низкочастотными. Предыс-
кажения создаются пропусканием цветоразностных сигналов через
звено с АЧХ, обратной АЧХ низкочастотной коррекции в приемни-
ке (рис. 12.17, кривая 3). Результирующая АЧХ цепей коррекции и
предыскажений для сигнала в пределах полосы пропускания оказы-
вается равномерной и не вносит искажений в сигнал. В кодирующем
устройстве АЧХ цепи НЧ предыскажений описывается выражением
Лнч(/) =
1+Л//1
1+Я/ЗЛ
(12.12)
где Л = 85 кГц.
В приемнике же АЧХ цепи НЧ коррекции описывается выраже-
нием, обратным по отношению к (12.12). На рис. 12.18 изображены
варианты цепей НЧ предыскажений и коррекции, с помощью кото-
рых могут быть реализованы указанные АЧХ.
Последовательно с цепью НЧ предыскажений в кодирующем
устройстве для ограничения полосы пропускания цветоразностных
сигналов до значения 1,5 МГц включается фильтр нижних частот.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
269
Результирующая АЧХ цепи предыскажений и ФНЧ стандартизова-
на (рис. 12.19).
Коррекция цветоразностных сигналов позволила улучшить соот-
ношение сигнал/шум в канале цветности SECAM примерно на 9 дБ.
Однако это еще не обеспечило должного качества изображения.
Коррекция сигнала цветности и переход к модуляции
двух поднесущих частот. Применение в приемном устройстве кор-
рекции сигнала цветности увеличивает помехоустойчивость сигнала
SECAM к шумам дополнительно еще на 8 дБ. В совокупности с НЧ
коррекцией цветоразностных сигналов достигается примерно одина-
ковая с системой NTSC устойчивость к флуктуационным помехам.
Поскольку коррекция сигнала цветности выполняется в относитель-
но высокочастотной части тракта декодирующего устройства (до ча-
стотного декодирования), то этот вид коррекции получил еще назва-
ние высокочастотной (ВЧ) коррекции.
Принцип работы ВЧ корректора основывается на механизме вза-
имодействия ЧМ сигнала с частотными составляющими шума и про-
никновения последних на выход частотного дискриминатора. Как из-
вестно, взаимодействие ЧМ сигнала с некоторой гармонической поме-
хой можно рассматривать как дополнительную частотную девиацию
сигнала помехой. Создаваемое помехой изменение частоты полезного
сигнала преобразуется на выходе частотного детектора в напряжение
помехи. Причем это напряжение пропорционально дополнительной
девиации от помехи. В свою очередь эта девиация пропорциональна
как амплитуде помехи, так и разности частот (расстройке) сигнала и
помехи. При этом величина помехи на выходе детектора не зависит
от знака расстройки помехи и сигнала (рис. 12.20, кривая 1). Сле-
дует отметить, что указанная прямая зависимость между помехой
на выходе и расстройкой справедлива для случая, когда амплитуда
помехи мала по сравнению с амплитудой сигнала.
Если сигнал цветности, пораженный флуктуационными шума-
ми, пропустить через цепь с амплитудно-частотной характеристикой,
максимально ослабляющей шумы, имеющие наибольшую расстройку
(рис. 12.20, кривая 2f то так же, как и при НЧ коррекции, будет до-
статочно эффективно уменьшена суммарная мощность шумов, про-
никающих на выход частотного дискриминатора. Так как коррекции
подвергается и полезный сигнал, то на передающем конце системы
сигнал цветности должен быть предыскажен цепью, имеющей АЧХ,
обратную АЧХ корректора в приемнике (рис. 12.20, кривая 3).
На рис. 12.20 частота сигнала цветности fs совпадает с часто-
той максимума и минимума АЧХ цепей коррекции и предыскажений.
Однако в общем случае равенства этих частот добиться невозможно,
поскольку корректоры настроены на фиксированное значение часто-
ты, а передача цветности путем ЧМ приводит к изменению fs в со-
ответствии с передаваемым цветом (рис. 12.21). Из рисунка видно,
что от значения девиации меняется значение сигнала цветности на
270
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.20. Зависимость величи-
ны помехи на выходе частотного дис-
криминатора от ее частоты (1); АЧХ
цепи высокочастотной коррекции
(2) и цепи высокочастотных предыс-
кажений (3); fs — частота сигнала
АЧХ предыскажений
Рис. 12.21. Расстройка сиг-
нала относительно АЧХ цепи
предыскажений: /о — часто-
та настройки цепи предыска-
жений; fs — текущее значение
частоты поднесущей; Д/ — де-
виация частоты поднесущей
выходе цепи предыскажений: чем больше девиация, тем больше ам-
плитуда сигнала цветности, а значит, эффективнее коррекция. Но
девиация определяется размахами модулирующих поднесущую сиг-
налов D'r и DlB, которые, в свою очередь, зависят от передаваемо-
го цвета. Вывод очевиден: эффективность коррекции неодинаковая
для различных цветов.
В ранних вариантах системы SECAM максимум АЧХ корректора
и соответственно минимум АЧХ цепи предыскажений настраивались
на частоту /о, равную частоте покоя поднесущей частоты (когда сиг-
налы D’R и Db равны нулю). С точки зрения получения наилучшей
совместимости это оправдано, так как при передаче неокрашенных
или малонасыщенных цветов амплитуда сигнала цветности, прини-
маемого черно-белыми приемниками как помеха, была минимальной.
Однако при передаче некоторых цветов из-за низкой эффективно-
сти коррекции заметность шумов на изображении оказывалась не-
допустимо большой. Особенно заметными шумы были при переда-
че красного цвета. Необходимо было изменить частоту настройки
цепей коррекции по отношению к частоте покоя поднесущей таким
образом, чтобы для большинства цветов расстройка поднесущей по
отношению к /о была примерно одинаковой.
Задача оказалась трудноразрешимой, так как для разных цве-
тов и даже для сигналов D'R и D'B одного и того же цвета девиа-
ция заметно отличается, иногда не только по абсолютной величи-
не, но и по знаку.
В табл. 12.2 приведены значения сигналов D'R и DB для испы-
тательного изображения цветных полос со 100%-ной насыщенностью
и 75%-пым уровнем исходных сигналов ER, E'G и Ев. Эти значе-
ния получены в соответствии с (12.11). Из таблицы видно, что для
зеленого и пурпурного цветов сигналы DR и D'B, а значит, и деви-
ация разнополярны. Сигналы для синего и голубого цветов имеют
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
271
Таблица 12.2
Сиг- нал Значения сигналов для разных цветов
Белый Желтый Голубой Зеленый Пурпур- ный Красный Синий Черный
D’r-y 0,00 0,08 -0,53 -0,44 0.44 0,53 -0,08 0,00
E'b-y 0,00 -0,67 0,22 -0,44 0,44 -0,22 0,67 0,00
D'r 0,00 -0,16 1,00 0,84 -0,84 -1,00 0,16 0,00
D'b 0,00 -1,00 0,34 -0,66 0,66 -0,34 1.00 । 0,00
Рис. 12.22. Амплитудно-частотные характеристики цепи ВЧ предыскажений
(а) и ВЧ корректора (5) сигнала цветности
полярность, противоположную желтому и красному. Поэтому задача
оптимизации работы ВЧ корректора на всех цветах подбором частоты
его настройки оказалась практически неразрешимой.
Поэтому в варианте системы SECAM-Шб пришлось перейти на
модуляцию сигналами D'R и 1УВ не одной, а двух отличающихся по
частоте поднесущих fR и /в, а максимум АЧХ ВЧ корректора и ми-
нимум АЧХ ВЧ предыскажений настраивать на частоту /о? лежащую
между двумя этими значениями. При таком компромиссе удалось со-
здать относительно удовлетворительные условия для работы коррек-
тора для большинства цветов. При этом предпочтение было отдано
красному и пурпурному цветам, где заметность шума выше.
В результате были выбраны следующие значения немодулиро-
ванных поднесущих при передаче «красной» и «синей» строк:
fR = 4406,25 кГц - (282Д); fB = 4250,00 кГц - (272/Д
Настройка максимума АЧХ ВЧ корректора в приемнике и ми-
нимума АЧХ ВЧ предысказителя в кодирующем устройстве произ-
водится на частоту /о = 4286 кГц.
На рис. 12.22 показаны амплитудно-частотные характеристики
корректора и предысказителя, а также немодулированные значения
поднесущих частот при передаче сигналов D'R и D'B. Следует обра-
272
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.23. Цепи ВЧ предыска-
жений (а) и ВЧ корректора (6)
тить внимание на несимметричное расположение немодулированных
значений поднесущих относительно максимума АЧХ цепи предыска-
жений. При передаче ахроматических (неокрашенных) деталей изо-
бражения сигнал цветности в «красной» и «синей» строках будет по-
этому несколько отличаться по амплитуде. В «красной» строке (при
передаче сигнала D'R) размах немодулированной поднесущей соста-
вляет 0,307. а в «синей» (при передаче сигнала D'B) — 0,238 от раз-
маха яркостного сигнала на белом.
Ниже приводится аналитическое описание АЧХ цепи ВЧ предыс-
кажений (АЧХ корректора описывается обратной зависимостью):
= '1213>
где F = ///„ - /„//; = 4,286 МГц.
На рис. 12.23 приведены примеры построения цепей предыска-
жений и коррекции. Они представляют собой частотно-зависимые
делители, одним из плечей которых является последовательный или
параллельный контур с резонансной частотой /о — 4,286 МГц. До-
бротность контуров Q — 16, отношение R/R^ = 11,7.
В процессе эксплуатации системы ВЕСАМ выяснилось, что, не-
смотря на применяемые НЧ и ВЧ коррекции, помехоустойчивость
канала цветности при номинальной девиации поднесущей частоты
230 кГц, все же оставалась неудовлетворительной, особенно для сиг-
нала Поэтому для ее улучшения номинальную девиацию в крас-
ных строках увеличили до 280 кГц. (Напомним, что номинальная
девиация соответствует передаче цветоразностного сигнала, равного
единице.) Таким образом, при передаче «красных» и «синих» строк
отличаются как немодулированные значения поднесущих, так и их
номинальная девиация. Увеличение девиации при передаче сигнала
•эквивалентно увеличению самого модулирующего сигнала в 280/230
~ 1,22 раза, что формально соответствует изменению коэффициен-
тов компрессии. Вместо —1,9 и 1,5 они должны быть равны —2,3 и
1,5. Однако на практике в матрицирующем устройстве, формирую-
щем сигналы D'R и D'B) обычно сохраняют старые значения коэффи-
циентов, а. увеличение девиации при передаче сигнала получают в
дальнейших узлах тракта.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения 273
Рис. 12.24. Переходные характеристики цепи НЧ предыскажений без учета
ФНЧ (1) и с учетом фильтра (2)
Амплитудное ограничение сигналов Dr и Dr. Амплитуд-
но-частотной характеристике цепи НЧ предыскажений цветоразност-
ных сигналов (см. рис. 12.17, кривая 3) соответствует переходная
характеристика, изображенная на рис. 12.24 (кривая 7). Как вид-
но из рисунка, характеристика имеет очень большой — 200%-ный
выброс с достаточно продолжительным спадом (постоянная времени
т — 0,63 мкс). Таким образом, в цветоразностных сигналах, соответ-
ствующих резким вертикальным цветовым переходам, появляются
выбросы, суммарная амплитуда которых может превышать исходный
сигнал в три раза. Действие цепи предыскажений можно рассма-
тривать в некоторой степени как дифференцирующее. На приемном
конце системы после прохождения НЧ корректора сигнал должен
восстановить исходную форму, однако при условии, что весь процесс
преобразований и передачи сигнала линейный. На практике трех-
кратное превышение амплитуды модулирующего сигнала привело бы
к недопустимому увеличению девиации частоты в модуляторе. Не-
которое уменьшение выбросов происходит под влиянием ФНЧ, уста-
навливаемого после цепи предыскажений (рис. 12.24, кривая 2), но
это полностью не снимает проблемы, и поэтому размах выбросов на
цветовых переходах уменьшают с помощью амплитудного ограниче-
ния. Стандартизованы следующие относительные уровни ограниче-
ния для сигналов DfR и D'B:
Им соответствуют предельные значения девиации, достигаемые
при передаче выбросов, кГц:
= { -500 ; D>0 = ( <12 15>
Так как средняя частота fn выше, чем /в, примерно на 150 кГц,
такое несимметричное ограничение выбросов обеспечивает использо-
18
274
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.25. Влияние амплитудного ограничения на форму сигнала после
НЧ коррекции:
а — сигнал на выходе цепи НЧ предыскажений; 6 — сигнал на выходе НЧ коррек-
тора в приемнике
вание одного и того же диапазона девиации частот каждым из сиг-
налов (примерно 3,9...4,8 МГц).
Рассмотренное амплитудное ограничение выбросов цветоразнос-
тных сигналов привело к тому, что сквозная переходная характери-
стика (с учетом обеих цепей: предыскажения и коррекции) искажает-
ся, ее фронт затягивается и сигнал после коррекции в декодирующем
устройстве не сможет восстановить свою исходную форму. Фронты,
соответствующие цветовым переходам в сигнале, могут быть затя-
нуты до 2 мкс. Однако это нельзя рассматривать как пропорцио-
нальное сокращение полосы частот канала цветности. Начальный
участок перехода имеет нормальную крутизну (до момента срабаты-
вания ограничителя), хотя вторая часть перехода сильно затянута,
приводя к скруглению плоской части импульса (рис. 12.25).
Рассмотренные искажения цветовых переходов отчетливо видны
в испытательном изображении цветных полос, особенно на границах
между белым и желтым, желтым и голубым, зеленым и пурпурным
цветами. Это наиболее «неприятный» сюжет для такого рода ис-
кажений. В реальных сценах сочетания таких насыщенных цветов
встречаются не часто.
Уменьшение перекрестных искажений яркость—цвет-
ность. Сигнал цветности в системе SECAM, как и в системе NTSC,
передается в общей полосе частот с сигналом яркости. Полосовой
фильтр в декодирующем устройстве не может полностью освободить
сигнал цветности от составляющих сигнала яркости. Высокочастот-
ные компоненты последнего проникают на вход частотного детекто-
ра, взаимодействуя в нем с сигналом цветности как помеха. Ампли-
туда прошедших в канал цветности яркостных компонентов в зави-
симости от сюжета может быть весьма значительной, превышающей
существующий для ЧМ так называемый пороговый эффект. В этом
случае резко возрастает паразитная девиация детектируемого сигна-
ла. На изображении возникают характерные искажения. Они про-
являю гея в виде зубцов или «бахромы» за вертикальными яркостны-
ми переходами или участками с большой детальностью, приобретая
иногда, характер мерцающих синих или красных факелов. Эти по-
мехи получили название «кросс-колор».
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
275
__Д_____ Уровень
у1у"~ "ограничения
4^8 > f
Рис. 12.26. Корректор перекрестных искажений яркость-цветность
Стандартом на систему SECAM-Шб рекомендуется ослабление
спектральных составляющих сигнала яркости в зависимости от их
амплитуды в полосе частот сигнала цветности. Предназначенное
для этого устройство называют корректором перекрестных искаже-
ний «яркость-цветность», который установлен в яркостном канале
кодирующего устройства и может иметь структуру, изображенную
на рис. 12.26.
Яркостный сигнал Еу поступает одновременно па два канала:
один содержит цепь, режектирующую компоненты сигнала, располо-
женные около частоты 4,28 МГц, а другой — селективно пропускает
именно эти компоненты. Если амплитудный ограничитель в послед-
нем канале не воздействует на сигнал, то на выходе сумматора яр-
костный сигнал по спектральному составу не отличается от входного.
Просто разные частотные компоненты от входа на выход пройдут по
разным каналам. Обратим внимание, что компоненты яркостного
сигнала, проходящие по верхнему на рис. 12.26 каналу, и предста-
вляют потенциальную помеху для сигнала цветности. Поэтому если
эти компоненты превышают по амплитуде определенное допустимое
значение (цифра стандартом не оговаривается), то они должны быть
ограничены. Это ограничение выполняется подбором соответствую-
щего уровня ограничения в ограничителе. Таким образом, рассмо-
тренный корректор адаптивно, в зависимости от передаваемого сю-
жета, воздействует на спектральный состав яркостного сигнала.
Применение более простого, пассивного устройства, состоящего
только из одного режектирующего контура, настроенного на среднюю
частоту поднесущей, дало бы худшие результаты. В этом случае по-
стоянное подавление высокочастотных компонентов сигнала яркости
снижало бы четкость изображения, поскольку мелкие детали в цвет-
ном телевидении передаются с помощью сигнала яркости.
Коммутация фазы поднесущей и особенности спектра
сигнала цветности. Как отмечалось в п. 12.1.2, минимальная за-
метность поднесущей в изображении достигается при жесткой свя-
18'
27G
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
зи частоты поднесущей с частотами разверток. При этих условиях
рисунок от помехи имеет менее заметную неподвижную структуру.
Поэтому в системе NTSC частоты разверток образовывались деле-
нием частоты поднесущей. Этот метод получил название частот-
ной синхронизации.
В системе SECAM такой способ неприемлем, так как частота
поднесущей вследствие ЧМ непостоянна и не может быть связана с
частотой разверток. Тем не менее добиться неподвижности структу-
ры помехи и в этом случае возможно, если фиксировать фазу коле-
баний поднесущей в начале каждой строки. Это выполняется удар-
ным запуском генератора поднесущей специально сформированными
импульсами. Для получения желаемого характера рисунка, наиме-
нее заметного в изображении, фазу колебания поднесущей в каждой
строке меняют по определенному закону. Этот прием называется
методом коммутации фазы.
В принципе данный метод можно было бы применить и в си-
стеме NTSC, однако при этом получается несколько меньшая ста-
бильность поднесущей частоты, которая в системе NTSC является
определяющим параметром.
При разработке системы SECAM очень важно было подобрать
такой закон коммутации фазы,- который позволил бы обеспечить наи-
лучшую совместимость ее сигнала. Перемена фазы поднесущей в
каждой второй строке, как в системе NTSC, невыгодна, так как в
этом случае поднесущая всех «красных» строк оказалась бы в одной
фазе, а «синих» — в другой, но также для всех строк в одинако-
вой фазе. Структура рисунка от поднесущей имела бы достаточно
выраженную штриховую структуру. При этом и временной компен-
сации, как в системе NTSC, не происходило бы, так как в следу-
ющем кадре «красные» строки поменялись бы местами с «синими»
(из-за нечетности строк в растре).
В результате теоретических и экспериментальных исследований
был принят следующий порядок изменения фазы цветовой подне-
сущей (в градусах):
по строкам: 0, 0, 180, 0, 0, 180 и т.д.
или: 0, 0, 0, 180, 180, 180, 0, 0, 0 и т.д.;
по полям: 0, 180, 0, 180, 0 и т.д.
Указанные изменения производятся в начале каждой строки (поля).
Немодулированные значения частот поднесущих выбраны рав-
ными четным гармоникам строчной частоты, указанным ранее. В
результате такой коммутации в каждом из полей формируется своя
структура поднесущей на изображении, однако с определенной пе-
риодичностью, цикл которой составляет 12 полей. Таким образом, в
изображении удалось получить относительно жесткую структуру по-
мехи от поднесущей, в некоторой степени хаотичную из-за девиации
частоты, однако в реальных сюжетах малозаметную.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
277
В заключение отметим особенности частотного спектра сигнала
цветности в системе SECAM. Напомним, что модулирующие подне-
сущую частоту цветоразностные сигналы имеют, как и яркостный
сигнал, ярко выраженную линейчатую структуру спектра. При вы-
боре поднесущей частоты, равной нечетной гармонике полустрочной
частоты (как это сделано в системе NTSC), спектр модулированно-
го сигнала сохраняет свою линейчатую структуру, но его компонен-
ты соответствуют уже не строчным, а полустрочным гармоникам.
В результате в системе NTSC достигалось отмеченное в предыду-
щих разделах перемежение спектров яркостного сигнала и сигнала
цветности.
В системе SECAM поднесущие частоты кратны строчной часто-
те, и в результате их модуляции цветоразностными сигналами спектр
сигнала цветности должен был бы состоять из гармоник строчной ча-
стоты. Переплетения спектров с яркостным сигналом не получилось
бы. Однако принятый закон коммутации фазы поднесущих, как по-
казывает анализ, формирует такой спектр сигнала цветности, компо-
ненты которого в основном не совпадают с составляющими спектра
яркостного сигнала, и спектры перемежаются. Можно показать, что
в спектре сигнала цветности системы SECAM в значительной степе-
ни (примерно в шесть раз) гармоники строчной частоты подавлены.
Спектр в целом более густой, чем спектр яркостного сигнала, и со-
держит гармоники частот Д/6 и /к/6 [13].
Вопрос о спектре сигнала цветности системы SECAM носит не
только теоретический характер. Развитие элементной базы, особенно
цифровой, позволяет строить фильтры с избирательной гребенчатой
селекцией даже таких сложных по структуре спектра сигналов, как
в системе SECAM. Это, в свою очередь, позволяет лучше разделить
сигналы яркости и цветности в декодирующем устройстве.
Сигнал цветовой синхронизации. В системе SECAM пооче-
редная передача сигналов DR и D'B требует согласованной рабо-
ты электронных коммутаторов кодирующего и декодирующего уст-
ройств (см. рис. 12.15). Эти коммутаторы должны переключаться
синхронно и синфазно. Фазировка электронного коммутатора в де-
кодирующем устройстве строится на распознавании цветности (D'R
или DB) принимаемого сигнала с помощью сигнала цветовой син-
хронизации гщс, или, как его часто называют, сигнала опознавания.
Он формируется из серии девяти импульсов Sr и Sb трапецеидаль-
ной формы, замешиваемых в кодирующем устройстве в сигналы DfR
и D'B) с 7-й по 15-ю строку одного поля и с 320-й по 328-ю строку
второго (рис. 12.27). Начало и конец каждого импульса совпадают
соответственно с началом и концом активной части строки. Ампли-
туда импульсов равна уровням ограничения цветоразностных сигна-
лов, подвергнутых НЧ предыскажениям, т.е. 4-1,25 для сигнала D'R
и —1,52 для сигнала D'B. Таким образом, при их прохождении че-
рез частотный модулятор они займут весь диапазон девиации ча-
278
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.27. Формирование сигнала цветовой синхронизации:
г — формирующие сигналы Sr и Sb‘, б— сигнал цветовой синхронизации после
частотного модулятора
стоты. В строках DfR частота сместится вверх до 4,756 МГц, а в
строках D'B — вниз до 3,9 МГц. Различие в полярности сигналов
Sr и Sq или соответственно частот в сигнале цветовой синхрониза-
ции является признаком передачи той или иной цветности, который
используется для распознавания сигналов в приемнике. Поскольку
сигнал цветовой синхронизации передается в соответствии с указан-
ными номерами строк во время гасящих импульсов полей, то он не
вызывает помех в изображении.
12.2.3. Структурная схема кодирующего устройства
Кодирующее устройство системы SECAM (рис. 12.28) предназна-
чено для формирования из исходных сигналов основных цветов E'R,
Eq и Ев полного видеосигнала ип, содержащего яркостный сигнал
Еу, сигнал цветности us и сигнал синхронизации приемника ССП.
Работу кодирующего устройства проиллюстрируем осциллограмма-
ми сигналов испытательного изображения цветных полос. Эти по-
лосы состоят из основных цветов приемника: красного К, зеленого
3 и синего С и дополнительных к ним цветов — голубого Г, пур-
пурного П и желтого Ж. Белая и черная полосы позволяют иметь
опорные уровни в сигналах. С помощью испытательных сигналов
цветных полос рассчитываются, нормируются и проверяются важ-
нейшие параметры трактов цветного телевидения. На рис. 12.29 и
12.30 приведены формы наиболее часто применяемых на практике
сигналов цветных полос 100%-ной насыщенности с 75%-ной ампли-
тудой (сигнал 75%-ной яркости).
Рис. 12.28. Структурная схема кодирующего устройства системы SECAM
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения 279
280
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
0,75
Рис. 12.29. Сигналы основных цветов и сигнал яркости испытательного
изображения цветных полос 100%-ной насыщенности и с 75%-ной яркостью
Сигнал яркости Е'у (см. рис. 12.29) и цветоразностные сигналы
D'R и D'b (см. рис. 12.30) формируются в матричном устройстве в
соответствии с приведенными ранее соотношениями. Канал яркост-
ного сигнала включает в себя корректор перекрестных искажений
(см. рис. 12.26) и широкополосное устройство задержки (например,
линию задержки ЛЗ), выравнивающее во времени широкополосный
сигнал Еу, и относительно узкополосный сигнал цветности и$. За-
тем сигнал яркости поступает на сумматор, где смешивается с сигна-
лом цветности и импульсами синхронизации приемника. Цветораз-
ностные сигналы D’R и D'b в цепях НЧ предыскажений подвергают-
ся линейной коррекции с подъемом на верхних частотах. Для этих
цепей АЧХ приведена на рис. 12.17. После предыскажений в цве-
торазностные сигналы во время обратного хода по вертикали заме-
шиваются сигналы цветовой синхронизации Sr и Sb (см. рис. 12.27).
Дальнейшая обработка и передача сигналов D'R и D'B осуществляют-
ся поочередно с частотой строк, реализуемой электронным комму-
татором, который переключается симметричными прямоугольными
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
281
Рис. 12.30. Формирование сигналов в системе SECAM:
а — цветоразностные сигналы ER_Y, Ев_у‘, б—сигналы D'R, D'B', в — сигна-
лы I.)'R, D'B после НЧ предкоррекции; г— сигнал цветности; д — полный сигнал
282
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
импульсами (меандром), частота которых в два раза ниже частоты
переключения, т.е. равна fz/2.
Ограничение цветоразностных сигналов по полосе частот и уст-
ранение нежелательных коммутационных помех, возникающих при
работе электронного коммутатора, производятся с помощью филь-
тра нижних частот (ФНЧ). Сквозная АЧХ цепи НЧ предыскажений
и ФНЧ приведена на рис. 12.19. Далее цветоразностные сигналы по-
ступают на амплитудный ограничитель, в котором ограничиваются
выбросы, вызванные НЧ предыскажениями. Как следует из фор-
мулы (12.14), уровни ограничения для сигналов D'R и D'B отличают-
ся. Поэтому на амплитудный ограничитель дополнительно подаются
симметричные прямоугольные импульсы, которые с частотой строк
смещают на соответствующую постоянную составляющую сигналы
Рд и DB относительно фиксированных уровней ограничения. При
этом размах сигнала D'R увеличивается в 1,22 раза (см. п. 12.2.2).
С выхода ограничителя сигнал поступает на частотный модуля-
тор, на входе которого включена схема фиксации уровня. Основной
особенностью работы ЧМ в системе SECAM является, во-первых, мо-
дуляция сигналами DfR и DB двух отличающихся по частоте подне-
сущих, во-вторых, необходимость поддержания с высокой степенью
точности номинальных значений поднесущих (/я — 4406,25 ± 2 кГц;
/в = 4250 ± 2 кГц). Непосредственная стабилизация этих частот
невозможна. В схеме рис. 12.28 используется импульсная автопод-
стройка по сигналам опорных эталонных генераторов. Такой способ
позволяет стабилизировать не только частоту, но и начальные фа-
зы колебаний, что необходимо для реализации метода коммутации
фазы (см. п. 12.2.2)
Обычно в качестве модулятора используется генератор с само-
возбуждением, обеспечивающий достаточно хорошую стабильность
начальной частоты (в момент его включения) и линейность модуля-
ционной характеристики. Автоподстройка частоты и фазы колеба-
ний модулятора по опорным частотам производится во время обрат-
ного хода по строке, когда модулирующие цветоразностные сигна-
лы равны нулю и, следовательно, должна генерироваться частота с
номинальным значением одной из поднесущих. Сравнение колеба-
ний модулятора с колебаниями эталонных генераторов осуществля-
ется в фазовом детекторе. Сигнал ошибки А через схему фиксации
уровня поступает на частотный модулятор только во время обрат-
ного хода по строке благодаря подаваемым в это время на схему
импульсам фиксации (ИФ).
Частотный модулятор во время фиксирующих импульсов дол-
жен подстраиваться к эталонному генератору не только по частоте,
но и но фазе. При этом равенство фаз колебаний должно быть обес-
печено в самом начале строки. Для обеспечения этого процесса ко-
ле‘бан ия ЧМ в конце каждой строки срываются импульсами срыва,
и запуск генератора начинается всегда с одной и той же фазы.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
283
ная цветовая вспышка Строчный синхронизирующий импульс
Эталонные генераторы подключаются к фазовому детектору по-
очередно, с помощью коммутатора, работающего синхронно с комму-
татором сигналов D*R и D'B. Стабильность частоты колебаний эта-
лонных генераторов обеспечивается с помощью кварцевых фильтров.
Неизменность фазы колебаний в начале каждой строки достигает-
ся возбуждением генераторов короткими импульсами, следующими
с частотой строк.
Таким образом, стабилизация частоты и фазы ЧМ генератора
обеспечивается схемой автоподстройки только в течение интервала
обратного хода строчной развертки. Дальнейшее поддержание точ-
ного значения частоты и фазы поднесущей в интервале активной
части строки зависит от точности поддержания задаваемого фикси-
рующей схемой опорного уровня. Поэтому стабильность всего уз-
ла модулятора в большой степени определяется качеством работы
фиксирующей схемы.
С выхода частотного модулятора сигнал цветности поступает на
устройство коммутации фазы, в котором для уменьшения заметности
поднесущей на изображении производится изменение фазы колеба-
ний по рассмотренному в п. 12.2.2 закону. Затем следует цепь высо-
кочастотных предыскажений, АЧХ которой изображена на рис. 12.22
и соответствует зависимости (12.13). Отметим, что одной из особен-
ностей работы этой цепи является ее воздействие на амплитуду сиг-
нала цветности. В результате ЧМ сигнал цветности приобретает вид
амплитудно-модулированного колебания (см. рис. 12.30,г).
Далее сигнал подается в устройство подавления поднесущей. По-
давление осуществляется с помощью импульсов, формируемых гене-
ратором управляющих импульсов. Подавление необходимо для того,
чтобы колебания поднесущих частот не наложились на синхронизи-
рующие импульсы приемника. Поэтому оно производится во время
кадровых гасящих импульсов, за исключением периодов, когда пе-
редается сигнал цветовой синхронизации, и во время строчных гася-
щих импульсов, за исключением времени передачи защитных цве-
товых вспышек.
Передача защитных цветовых вспышек в интервале времени, по-
казанном на рис. 12.31, необходима для того, чтобы в приемнике, в
284
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
амплитудных ограничителях сигнала цветности (включаемых перед
частотными детекторами) режим ограничения установился до начала
активной части строки. При отсутствии защитных цветовых вспышек
изображение у левого края экрана будет искажено сильными шума-
ми и переходными процессами [30]. Последние также имеют место
в НЧ корректоре приемного устройства. Окончательно сформиро-
ванный сигнал цветности поступает на сумматор, где складывается
с сигналами яркости и синхронизации приемника.
Менее распространенной схемой является схема кодирующего
устройства, где коммутация «красной» и «синей» строк произво-
дится после частотной модуляции. Имея некоторые преимущества,
такая схема более громоздка, так как содержит двойной комплект
устройств формирования и обработки сигналов D'R и DfB, а также
частотных модуляторов.
12.2.4. Структурная схема декодирующего
устройства
Декодирующее устройство системы SECAM, так же как и коди-
рующее, содержит два канала: канал яркостного сигнала и канал
цветности (рис. 12.32). Рассматриваемая схема является упрощен-
ной. На ней изображены узлы обработки сигнала, имеющие толь-
ко принципиальное значение, и не включены, например, усилитель-
ные устройства. Выходными сигналами являются яркостный сиг-
нал и три цветоразностных сигнала, дальнейшее использование ко-
торых является одинаковым во всех вещательных системах и рас-
смотрено в гл. 11.
Канал цветности. Полный цветовой сигнал ип с видеодетек-
тора поступает на ВЧ корректор сигнала цветности, с помощью ко-
торого достигается, во-первых, увеличение отношения сигнал/шум,
во-вторых, выделение из сигнала ип сигнала цветности. В профес-
сиональных декодерах для лучшего подавления яркостных компо-
нентов включается дополнительно полосовой фильтр. Амплитудно-
частотная характеристика корректора является обратной АЧХ цепи
ВЧ предыскажений (см. рис. 12.22). В результате в сигнале цветно-
сти наблюдается устранение той амплитудной модуляции, которая
возникла на передающем конце после прохождения цепи ВЧ предыс-
кажений. Остаточные явления амплитудной модуляции позволяют
судить о качестве настройки ВЧ корректора и устраняются ампли-
тудным ограничителем, включенным после корректора. Поддержи-
ваемое с помощью амплитудного ограничителя постоянство разма-
ха сигнала цветности независимо от уровня принятого сигнала при
слишком глубоком ограничении может сопровождаться увеличением
заметности шумов. Поэтому в лучших образцах устройств, умень-
шая уровень ограничения, в канал цветности вводят цепь автомати-
ческой регулировки усиления (АРУ).
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
285
Рис. 12.32. Структурная схема декодирующего устройства системы SECAM
Ограниченный по амплитуде сигнал цветности поступает на два
входа электронного коммутатора (ЭК). На один вход он подается
непосредственно, а на второй — с задержкой на длительность стро-
ки. В качестве устройства задержки до сих пор широко используется
ультразвуковая линия задержки (УЛЗ). В ней сигнал цветовой под-
несущей преобразуется в волну ультразвука, которая распространя-
ется внутри специального звукопровода. На приемном конце звуко-
провода звуковые колебания вновь преобразуются в электрические.
Основным материалом звукопровода является стекло. Для возбу-
ждения ультразвуковых колебаний и обратного их преобразования
в электрический сигнал используются пьезопреобразователи из ке-
рамики с различными добавками. Полоса пропускания устройств
задержки должна соответствовать ширине частотного спектра сигна-
ла цветности, т.е. 3 МГц. К сожалению, даже наиболее совершенные
образцы УЛЗ имеют полосу не более 2,6 МГц (на уровне —3 дБ). У
массовых образцов линий полоса не превышает 2 МГц.
Если устройства задержки на УЛЗ включаются в тракт сигнала
цветности, т.е. работают на частоте поднесущей, то устройства за-
держки другого типа предполагают обработку уже демодулирован-
пых цветоразностных сигналов. Функции задержки в них обеспечи-
ваются либо регистрами на приборах с зарядовой связью, либо опе-
ративными запоминающими устройствами. В последнем случае цве-
286
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
торазностные сигналы обрабатываются или в цифровой форме [30,
31], или в аналоговой (запоминанием отдельных отсчетов сигнала в
регистре из совокупности переключаемых конденсаторов). Эти типы
устройств задержки являются более перспективными, чем УЛЗ.
Во всех случаях для системы SECAM устройство задержки дол-
жно удовлетворять требованию точности и стабильности задержки с
погрешностью Дг 30 нс, где т — время задержки, равное 64 мкс.
Невыполнение этого требования приводит к искажениям в виде зуб-
чатости на вертикальных цветовых переходах, заметным на экране.
Электронный коммутатор распределяет прямой и задержанный
сигналы таким образом, что на один из выходов всегда поступает
сигнал, соответствующий передаче D'R, а на другой — DfB. Комму-
татор содержит четыре ветви, из которых две замкнуты, а две ра-
зомкнуты. С частотой строк состояние ветвей изменяется на про-
тивоположное. Запирание и отпирание ветвей коммутатора произ-
водятся с помощью симметричных меандров полустрочной частоты
и противоположной полярности.
После электронного коммутатора разделенные сигналы цветно-
сти поступают на вторую ступень амплитудного ограничения, устра-
няющую помехи и паразитную амплитудную модуляцию, вызван-
ную неравномерностью АЧХ устройства задержки и коммутатора, а
также возникающими в устройстве задержки отраженными сигнала-
ми. Последнее характерно для УЛЗ. В ранних вариантах декодеров
SECAM изменением уровня ограничения добивались также регули-
ровки цветовой насыщенности, так как амплитуда детектированных
цветоразностных сигналов зависит не только от девиации частоты,
но и от размаха ЧМ сигнала.
С амплитудных ограничителей сигналы цветности поступают на
частотные детекторы. С их выходов без дополнительных преобра-
зований получают сигналы ER_y и Е'в_у (а не DfR и D'B. которые
передавались на поднесущей). С этой целью амплитудно-частотной
характеристике детектора в канале R-Y придается противополож-
ный наклон по отношению к АЧХ детектора в канале В-Y (так как
Dr = —1,9EfR_y). Соответственно коэффициентам компрессии подо-
браны и размахи сигналов цветности на входах частотных детекто-
ров. В большинстве частотных детекторов используют колебатель-
ные контуры. Их настраивают на номинальные значения двух под-
несущих частот fn и fp.
После детектирования цветоразностные сигналы подвергают
низкочастотной коррекции, повышающей отношение сигнал/шум.
АЧХ корректоров обратны АЧХ цепей НЧ предыскажений (см.
рис. 12.17). Часто с НЧ корректором совмещают цепь подавления
поднесущей частоты, присутствующей на выходе частотного детек-
тора. Эта цепь представляет собой ФНЧ со срезом FB = 2 МГц.
Наконец, с помощью матрицы G-Y из цветоразностных сигналов
E’r у и Е'в_у формируется сигнал Е'с,_у.
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
287
E'r-Y °“
К генератору
коммутирующих
импульсов
Рис. 12.33. Формирование корректирующего импульса цветовой синхрони-
зации:
а — функциональная схема устройства цветовой синхронизации; 6— сигна-
лы Sr, Sb на входах устройства; в— импульсы на интегрирующей емкости
Уже отмечалось, что принцип последовательной передачи сигна-
лов в системе SECAM предполагает синхронную и синфазную работу
коммутаторов сигналов на передающем и приемном концах системы.
Синхронность обеспечивается формированием коммутирующих им-
пульсов из строчных импульсов. Правильность фазировки достига-
ется с помощью устройства цветовой синхронизации. Из большого
многообразия вариантов его построения в качестве примера рассмо-
трим функциональную схему рис. 12.33. Цветоразностные сигналы
с выходов каналов R--Y и B-Y складываются в матрице, состоящей
из двух резисторов. Так как сигналы цветовой синхронизации Sr и
Sb разнополярны (см. рис. 12.27), а АЧХ частотных детекторов име-
ют разный знак наклона, то на выходах каналов сигналы Sr и Sb
будут иметь одинаковую полярность. Если коммутатор сфазирован
правильно, то полярность отрицательная, если неправильно, — поло-
жительная. Включенный в среднюю точку матрицы интегрирующий
конденсатор образует одиночный импульс отрицательной или поло-
жительной полярности. Этот импульс или подтвердит правильность
работы генератора коммутирующих импульсов, или скорректирует
его, сменив фазу двух меандров, подаваемых на коммутатор. Клю-
чом К на устройство цветовой синхронизации пропускаются только
импульсы сигнала цветовой синхронизации. Для этого он открыва-
ется импульсами частоты полей fan с 7-й по 15-ю и с 320-й по 328-ю
строки. Рассмотренная схема достаточно помехоустойчива, посколь-
ку импульсные помехи на выходе матрицы вычитаются, а флуктуа-
ционные ослабляются интегрированием.
Устройство цветовой синхронизации обеспечивает также выклю-
чение канала цветности, если передается сигнал черно-белого те-
288
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.34. Амплитудно-частотная
характеристика режекторного фильтра
левидения или цветного телевидения, но другой системы. В схеме
рис. 12.32 выключение производится подачей запирающего напряже-
ния на амплитудные ограничители. Выключение канала цветности
при указанных обстоятельствах является необходимым, поскольку
в противном случае на экране наблюдаются помехи импульсного и
шумового характера.
Рассмотренный метод цветовой синхронизации получил назва-
ние кадровой цветовой синхронизации. Применяется и так называ-
емая строчная цветовая синхронизация, в которой вместо сигналов
Sr и Sb используются защитные цветовые вспышки, передаваемые
на задних площадках строчных гасящих импульсов (см. рис. 12.30,д
и 12.31). В «красных» и «синих» строках они отличаются по частоте
(их частоты равны немодулированным значениям поднесущих частот
fR и /в). Это отличие удобно использовать в приемном устройстве
для опознавания того, какой сигнал (D'R или DfB) передается с тем,
чтобы правильно сфазировать электронный коммутатор.
Исключение сигналов кадровой цветовой синхронизации Sr и Sb
позволяет освободить соответствующие интервалы кадрового гасяще-
го импульса для передачи во время вещания другой, дополнительной
информации, например телетекста.
Канал яркости. Он содержит в себе широкополосное устрой-
ство задержки на 0,4...0,7 мкс для выравнивания времени прохожде-
ния сигналов в широкополосном яркостном и узкополосном каналах
цветности. Кроме того, в яркостном канале включается устройство
режекции, подавляющее колебания цветовой поднесущей. В системе
SECAM это более актуально, чем в системе NTSC. Помимо того, что
структура рисунка от ЧМ поднесущей более заметна на экране, из-
за нелинейности модуляционной характеристики кинескопа непода-
вленные колебания поднесущей детектируются, вызывая подсветку
изображения. Эта подсветка проявляется в виде сильно ухудшаю-
щей качество изображения разнояркости строк, так как амплитуда
поднесущей в строках D'R и DB принципиально различна.
Режекторный фильтр в современных приемниках настраивается
на подавление двух характерных частот: 4,02 и 4,69 МГц (рис. 12.34).
Эти частоты соответствуют передаче желтого и голубого цветов, для
которых из-за ВЧ предкоррекции амплитуды поднесущих достигают
максимального значения. Чтобы режекция не ухудшила четкость
изображения при передаче черно-белых программ, она отключается
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
289
с помощью управляющего напряжения с устройства цветовой син-
хронизации.
12.2.5. Эксплуатационные характеристики системы
Основные преимущества системы SECAM вытекают из ее прин-
ципа последовательной передачи цветоразностных сигналов и при-
менения частотной модуляции. Они позволяют теоретически полно-
стью исключить перекрестные искажения между этими сигналами,
в то время как в системе NTSC искажения типа «дифференциаль-
ная фаза» или ограничение частотного спектра цветового сигнала
могут приводить к сильным перекрестным искажениям, заметным
в изображении. Это преимущество системы SECAM не всегда эф-
фективно реализуется на практике. Несовершенство электронного
коммутатора сигналов цветности в декодирующем устройстве может
приводить к ощутимому взаимному проникновению сигналов в ка-
налах R-Y и B-Y.
Система SECAM практически нечувствительна к дифференци-
ально-фазовым искажениям сигнала цветности. Если для систе-
мы NTSC предельным значением дифференциально-фазовых сдви-
гов является 10... 12°, то для системы SECAM эти значения могут
быть в несколько раз превышены, за исключением передачи цве-
товых переходов с большими различиями яркости. В простейшем
случае быстрое изменение фазы поднесущей эквивалентно девиации
по частоте и за границей цветового перехода наблюдается короткая
цветовая окантовка.
Система SECAM по сравнению с системой NTSC имеет благодаря
ЧМ значительно меньшую чувствительность к изменению амплиту-
ды сигнала цветности, вызываемому неравномерностью АЧХ тракта
(в системе NTSC это приводит к искажению насыщенности). По той
же причине система SECAM лучше защищена от дифференциально-
амплитудных искажений и непостоянства скорости магнитной лен-
ты в видеомагнитофонах.
Наряду с этими, весьма важными достоинствами системе
SECAM присущ ряд недостатков. Если при благоприятных условиях
приема помехоустойчивость систем SECAM и NTSC к флуктуацион-
ным шумам примерно одинакова, то при отношении размаха сигна-
ла к шуму 18 дБ и менее качество цветного изображения в системе
SECAM заметно ухудшается. Проявляется так называемый порого-
вый эффект частотной модуляции, когда помеха «захватывает» ча-
стотный детектор, т.е. обусловливает непропорционально большую
паразитную девиацию поднесущей частоты. При этом спектр шу-
мов преобразуется таким образом, что максимум их спектральной
плотности приходится на нижние частоты, вызывая на изображении
более заметную крупноструктурную помеху.
I!)
290
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Система SECAM, несмотря на значительно меньший, чем в си-
стеме NTSC, размах сигнала цветности, обладает худшей совмести-
мостью. В черно-белых телевизорах, где отсутствует режекция под-
несущей, ее рисунок более заметен, особенно на вертикальных гра-
ницах между цветами.
В системе SECAM сильнее проявляются перекрестные искаже-
ния между каналами яркости и цветности, тем более что качествен-
ное разделение сигналов яркости и цветности затруднено из-за ЧМ.
Искажения «цветность-яркость», как отмечалось, проявляются в ви-
де разнояркости строк, причем на гладких полях изображения эта
разнояркая структура как бы «плывет» по вертикали. Иногда на изо-
бражении заметны муары, образуемые за счет биений точечного ри-
сунка поднесущей со структурой точечного растра масочной трубки.
Еще более заметными могут быть искажения «яркость-цветность».
Несмотря на применение в кодирующем устройстве корректора пе-
рекрестных искажений, на определенных сюжетах (с малой цветовой
насыщенностью и большой детальностью) эти искажения становятся
недопустимо заметными, проявляясь в виде разноцветных мерцаю-
щих штрихов или цветных пятен с рваными краями, так называемых
факелов. В последнем случае изображение оказывается совершен-
но неудовлетворительным. Поэтому в системе SECAM с большой
осторожностью применяют апертурную коррекцию, а также не до-
пускают превышения первичными сигналами уровня белого, так как
при его превышении происходит ограничение размаха поднесущей,
что усугубляет указанные явления.
Уже отмечалось, что НЧ предкоррекция в совокупности с после-
дующим ограничением приводит в системе SECAM к затягиванию
вертикальных цветовых переходов, уменьшая таким образом гори-
зонтальную цветовую четкость. Это явление заметно только на цве-
тах с большой насыщенностью, что на практике, к счастью, встре-
чается не так часто.
Принцип поочередной передачи цветов в системе SECAM с по-
следующим одновременным использованием сигналов двух последо-
вательно передаваемых строк принципиально ухудшает и вертикаль-
ную цветовую четкость. Однако такое уменьшение четкости оказы-
вается практически незаметным. К гораздо худшим последствиям
этот принцип передачи сигналов приводит при воспроизведении го-
ризонтальных границ между двумя насыщенными цветами. В этом
случае первая за границей цветового перехода строка воспроизводит-
ся как комбинация сигналов, соответствующих разным цветам по обе
стороны от перехода. Эта строка воспроизводится в некоем третьем,
искаженном цвете. С цветовыми искажениями воспроизведется и со-
седняя строка из второго поля. Это увеличивает длительность пере-
хода, но самое главное, что из-за нечетности строк в растре в следую-
щем кадре, когда расположение «красных» и «синих» строк меняется
местами, изменяется и цвет перехода. Это изменение происходит с
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
291
частотой 12,5 Гц и воспринимается как очень заметное дрожание по
вертикали горизонтальных цветовых переходов на высоту двух строк.
Наконец, следует отметить возможные характерные искажения
изображения в системе SECAM из-за неточности устройства задерж-
ки на длительность строки. Хотя эти искажения присущи системе не
в принципе, а лишь вследствие несовершенства аппаратуры, они все
же являются достаточно специфичными: на вертикальных границах
цветовых переходов возникает зубчатость. Толщине! зубцов, отлича-
ющихся по цвету от обоих цветов перехода, равна двум строкам. Дли-
на зубцов пропорциональна неточности задержки. При этом из-за
смены окраски зубцов в соседних кадрах возникает их скольжение по
вертикали. Экспериментально установленный допуск на неточность
времени задержки составляет 80 нс (один черно-белый элемент).
Учитывая возможную эксплуатационную нестабильность УЗЛ, тре-
бования к неточности задержки делают более жесткими (30 нс).
Несмотря на перечисленные недостатки, при благоприятных ус-
ловиях приема (отношение сигнал/шум больше 18 дБ) для большин-
ства сюжетов система SECAM обеспечивает весьма высокое качество
изображения, не уступающее системам NTSC и PAL.
12.3. Система цветного телевидения PAL
Система PAL была разработана немецкой фирмой Telefunkcn и
принята в 1966 г. в качестве стандарта в большинстве» стран Запад-
ной Европы (Германия, Великобритания, Швеция, Австрия, Норве-
гия, Бельгия, Дания, Испания, Италия и др.). В настоящее время
система PAL является самой распространенной в мире» системой цвет-
ного телевидения. Ее используют, помимо европейских государств, в
большинстве стран Африки, Азии, Австралии, в некоторых странах
Южной Америки). Название системы представляет собой аббревиа-
туру из начальных букв английской фразы «Phase Alternation Line»
(чередование фазы по строкам).
12.3.1. Общие принципы системы
Система PAL, созданная как альтернатива системе NTSC, тем
не менее может рассматриваться как ее удачная модернизация. В
ней используются те же сигналы, что и в других системах цветного
телевидения, а передача этих сигнгглов та же, что и в системе NTSC
— путем квадратурной балансной амплитудной модуляции поднесу-
щей частоты, расположенной в спектре яркостного сигнала. Отличие
от системы NTSC заключается в том, что фаза одной из квадра-
турных составляющих сигнала цветности меняется от строки к стро-
ке па 180°. Это позволило устранить основной недостаток системы
NTSC — чувствительность к дифференциально-фазовым искажени-
ям, а также получить еще ряд важных преимуществ.
19;
292
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
(п — 1)-я строка n-я строка (и 4- 1)-я строка (п 4- 2)-я строка
Рис. 12.35. Коммутация фазы поднесущей при передаче сигнала цветности
в системе PAL
На рис. 12.35 показан принцип формирования сигнала цветности
в системе PAL. Так же как и в системе NTSC, он образуется из двух
квадратурных составляющих и Up_y. Однако одна из этих
составляющих, U#_y, с началом каждой следующей строки меняет
фазу на 180°. Результирующие векторы сигнала цветности Us и UJ
оказываются в соседних строках комплексно-сопряженными. Что-
бы правильно декодировать такую последовательность сигналов, в
синхронном детекторе сигнала E'R_Y приемного устройства необхо-
димо с такой же периодичностью, что и на передающем конце, ком-
мутировать на 180° фазу опорного генератора поднесущей частоты.
Действительно, если такая коммутация отсутствует, то на выходе
детектора сигнал E'R_Y от строки к строке меняет свою полярность.
Коммутация фазы опорного генератора в синхронном детекторе экви-
валентна обратному превращению векторов U^_y и UJ в их исход-
ные комплексно-сопряженные вектора U#_y и Us соответственно.
Условия работы синхронного детектора B-Y не отличаются от его
работы в системе NTSC.
Выясним, как при такой процедуре коммутации фазы сказыва-
ются дифференциально-фазовые искажения, возникающие в тракте
передачи сигнала цветности. Рассмотрим для примера передачу изо-
бражения ровного поля пурпурного цвета. На рис. 12.36,а на цветовой
диаграмме в осях R-Y/B-Y отмечены некоторые характерные цвета
и вектор Usn, соответствующий передаче пурпурного цвета. В обо-
значении вектора определена его принадлежность n-й строке. В со-
ответствии с принципом передачи сигналов в системе PAL в (п 4- 1)-й
строке будет передаваться вектор U^n+1p комплексно сопряжен-
ный с вектором Usn- Если в тракте возникнут дифференциально-
фазовые искажения, то независимо от их причин векторы Usn и
^S(n4-i) изменят свое положение по отношению к исходным на одну
и ту же величину Д<р (см. рис. 12.36,6). На рисунке фазовая ошибка
сместила оба вектора против часовой стрелки (штриховыми линия-
ми показаны неискаженные векторы).
В приемном устройстве коммутация фазы опорного генератора
поднесущей в канале R-Y превратит вектор U^n+1^ в сопряженный
с ним вектор Us(n+i) (см. рис. 12.36,в). Для анализа возникших
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
293
Рис. 12.36. Компенсация дифференциально-фазовых искажений в системе
PAL:
а — цветовая диаграмма; 6 — фазовая ошибка при передаче сигнала; в — сигналы
в приемнике после коммутации фазы опорного колебания; г— совмещение сигна-
лов двух смежных строк
в процессе передачи искажений совместим векторы Usn и Us(n+1)
на одном графике (рис. 12.36,г). Из него видно, что соседние п-я
и (п + 1)-я строки искажены по-разному. Цвет п-й строки сместил-
ся в сторону красного, а цвет (п + 1)-й строки — в сторону синего
цвета. Неискаженный цвет (в данном примере пурпурный) соответ-
ствует среднему между векторами Usn и Us(n+1) положению. Та-
ким образом, усреднение двух этих векторных величин позволило
бы скомпенсировать возникшие в процессе передачи фазовые иска-
жения. Наиболее простым способом усреднения является усредне-
ние ощущений самим зрительным аппаратом. Благодаря близости
расположения друг к другу n-й и (п + 1)-й строк работает механизм
пространственного сложения цветов. Разные из-за искажений цвето-
вые оттенки двух соседних строк смешиваются, вызывая ощущение
среднего между ними цвета, компенсируя таким образом искажения.
Рассмотренный способ зрительной компенсации искажений ре-
ализуется в так называемом «простом» приемнике системы PAL
(Simple PAL или PALs). Этот приемник практически ничем не отли-
чается от приемника системы NTSC, кроме добавленного в устрой-
ство синхронного детектора коммутатора фазы опорного генератора.
Изображение в приемнике системы PAL оказывается вполне удовле-
творительным, если фазовые ошибки не превышают 25°. (Напомним,
что в системе NTSC ошибка не должна быть больше 5°.) При боль-
ших значениях ошибки интегрирующего действия глаза уже оказыва-
294
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.37. Компенсация цветовых искаже-
ний путем сложения сигналов соседних строк
К синхронному
Рис. 12.38. Блок задержки сигнала в системе PAL
ется недостаточно — появляется заметное различие цветности сосед-
них строк поля, особенно на желтом, голубом и синем цветах (эффект
«жалюзи»). Нелинейность модуляционных характеристик кинеско-
па усугубляет этот эффект. Поэтому способ зрительной компенсации
фазовых искажений в системе PAL не распространен.
Лучшие результаты позволяет получить электрическое сложе-
ние векторов цветности Usn и U$(n+1) двух соседних строк поля
(рис. 12.37). Геометрическая сумма (точнее, полусумма) этих век-
торов соответствует на цветовой диаграмме положению неискажен-
ного цвета. Заметим, что скомпенсированными оказываются искаже-
ния только цветового тона, так как длина результирующего вектора
Uss зависит от фазовой ошибки. Из рисунка видно, что с увели-
чением ошибки (Ду?2 > Д<£>1) длина суммарного вектора уменьша-
ется (|Uss2| < |Ussi|). Это уменьшение пропорционально cos Ду?.
Поскольку длина вектора определяет насыщенность передаваемого
цвета, можно сделать вывод о том, что в системе PAL искажения
цветового тона из-за фазовых ошибок трансформируются в измене-
ния насыщенности, которые менее заметны. Так, если порог замет-
ности по цветовому тону соответствует угловому сдвигу на цветовой
диаграмме = 5... 10°, то порог по насыщенности равен примерно
20 %, что соответствует углу Д</> = 37°.
Механизм компенсации фазовых ошибок в системе PAL устраня-
ет не только дифференциально-фазовые искажения (то главное, для
чего первоначально он был разработан). Таким же образом умень-
шается влияние на качество изображения точности восстановления
поднесущей опорным генератором в приемнике. Ошибка Д(р в фазе
колебаний опорного генератора эквивалентна повороту осей цвето-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
295
Рис. 12.39. К работе блока задержки сигнала в системе PAL
вого графика относительно передаваемых векторов цветности Usn и
Us(n+i) на тот же угол Д</?. А это, как было показано, компенси-
руется усреднением этих векторов.
Способ усреднения, основанный на суммировании, предполага-
ет одновременное присутствие сигналов двух последовательно пере-
даваемых строк. Поэтому приемное устройство PAL должно содер-
жать блок задержки сигнала на длительность одной строки. Если
на его вход в данный момент поступает сигнал (п 4- 1)-й строки, то
одновременно на его выходе присутствует сигнал предшествующей
71-й строки. Подавая эти сигналы на сумматор, можно получить
желаемую компенсацию искажений. Однако в декодере PAL чаще
используют несколько иную схему, называемую блоком задержки
(рис. 12.38), содержащую не один, а два сумматора. Такая схема
позволяет не только проводить усреднение сигналов двух строк, но
и разделять между собой две квадратурные составляющие сигнала
цветности. Это разделение более эффективно, чем разделение в син-
хронных детекторах, которое делается в системе NTSC, а значит,
возникновение перекрестных искажений между сигналами E'R_Y и
/'/?._у- менее вероятно. На рис. 12.39 показана последовательность
сигналов цветности, поступающая на вход блока задержки PAL (точ-
ка Л). В точке Б эта последовательность сигналов задержана на один
строчный интервал. Сложение сигналов в сумматоре 1 этих двух по-
следовательностей приводит к компенсации квадратурной составля-
296
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ющей С выхода сумматора (точка В) снимается удвоенная
амплитуда сигнала U#_y.
Второй сумматор выполняет функции вычитания прямого сиг-
нала из задержанного. Для этого в прямом сигнале предварительно
изменяется полярность в инверторе, и он поступает на сумматор 2
со знаком минус (точка Г). В результате операции вычитания на
выходе этого сумматора (точка Д) отсутствует составляющая Uв-у
и остается только последовательность чередующихся сопряженных
векторов U#_y и Ufl_y. Амплитуда их также удвоенная. Квадра-
турные составляющие U#_y и Ub-у оказываются полностью разде-
ленными еще до синхронного детектирования.
12.3.2. Структурная схема кодирующего устройства
Основные параметры системы PAL. В системе PAL переда-
ются яркостный сигнал Еу и два цветоразностных сигнала U и V.
Сигналы U и V равны цветоразностным сигналам E'R_Y и Ев_у,
уменьшенным на коэффициенты компрессии:
U = 0^3Е'н_у- V = Ъ$77Е'в_у. (12.16)
Назначение и величины коэффициентов компрессии такие же,
как и в системе NTSC. Формирование сигналов EY, U и V произ-
водится в матрицирующем устройстве (рис. 12.40). Полосы частот
видеосигналов U и V ограничиваются ФНЧ до значения 1,3 МГц на
уровне —2 дБ. В сумматорах 1 и 2 цветоразностные сигналы смеши-
ваются с импульсами, формирующими цветовую вспышку, и посту-
пают на два балансных модулятора, которые работают в квадратуре,
т.е. сдвиг между колебаниями поднесущей частоты в обоих модулято-
рах составляет 90°. Этот сдвиг обеспечивается фазовращателем 90°,
включенным в цепь балансного модулятора составляющей иу. Сме-
на фазы этой составляющей через строку осуществляется коммута-
тором, соединяющим модулятор или непосредственно с фазовраща-
телем 90°, или с дополнительным инвертором на 180°. Коммутация
обеспечивается генератором коммутирующих импульсов, синхрони-
зируемым с частотой строк.
Квадратурные составляющие иц и иу, складываясь в сумматоре
3, образуют сигнал цветности который вместе с сигналами ярко-
сти и синхронизации приемника представляет собой полный цветовой
сигнал ип. Устройство задержки в тракте яркостного сигнала имеет
то же назначение, что и в системах NTSC или SECAM.
Генератор поднесущей является высокостабильным устройством
с кварцевой стабилизацией частоты fs = 4,43361875 МГц. Так же,
как и в системе NTSC, обеспечивается жесткая связь между часто-
той поднесущей и частотами разверток. Однако выбор значения под-
несущей в системе PAL имеет свои особенности. Прежде всего они
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
297
Рис. 12.40. Структурная схема кодирующего устройства системы PAL
связаны с коммутацией фазы сигнала иу (каждая строка на 180°).
Такая коммутация не позволяет выбирать поднесущую, равной не-
четной гармонике полустрочной частоты (12.3). В этом случае не-
четность полупериодов поднесущего колебания в строчном интервале
плюс коммутация фазы на 180° обусловили бы совпадение по фазе
сигнала иу во всех строках изображения. А это привело бы к увели-
чению заметности поднесущей на изображении в виде вертикальной
линейчатой структуры. В свою очередь, нельзя выбрать значение
поднесущей, кратной строчной частоте, так как составляющая иц,
передаваемая без коммутации фазы, создавала бы такую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение.
Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечетной гармоники че-
твертьстрочной частоты fz и частоты кадров /к:
/s = 1135Д/4 +/к. (12.17)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как
fs = (283 + 3/4) Д,
что определит размещение в строчном интервале 284 периодов подне-
сущей без одной четверти. Таким образом, в системе PAL реализуют
в отличие от системы NTSC не полустрочный сдвиг, а так называ-
емый четвертьстрочный сдвиг гармоник сигнала цветности относи-
тельно гармоник строчной частоты (рис. 12.41). Слагаемые кадровой
частоты fK в (12.17) обусловливают дополнительную смен}7 поляр-
ности поднесущей в каждом поле на 180°. Эксперименты показали,
что такой выбор поднесущей обеспечил высокое качество совмести-
мости системы PAL.
298
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
225Д 1/2 Л
227Л 3,58 МГц
229Л /
Рис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:
а — с полустрочным сдвигом в системе NTSC; 6— с четвертьстрочным сдвигом в
системе PAL; Y — гармоники яркостного сигнала; Ц— гармоники сигнала цветно-
сти
Показанная на рис. 12.41 ,б структура спёктра цветового сигна-
ла в системе PAL отличается от спектра сигнала в системе NTSC
приближением гармоник цветности к гармоникам яркостного сигнала
(интервал между ними составляет 1/4Д). Это несколько усложняет,
но не исключает возможности гребенчатой фильтрации при разделе-
нии этих сигналов в приемнике.
Остановимся на особенностях формирования сигнала цветовой
синхронизации в системе PAL. Применение балансной модуляции
требует синхронизации с точностью до фазы опорного генератора в
приемнике. Поэтому в системе PAL так же, как и в системе NTSC,
на задней площадке строчного гасящего импульса передается сигнал
цветовой синхронизации (цветовая вспышка), по форме аналогичный
сигналу NTSC (см. рис. 12.6). Различие этих сигналов заключается
в фазе колебаний вспышки. В системе PAL необходимо передавать
информацию о том, в какой фазе (90 или 270°) передается в данной
строке составляющая иу. Эта информация кодируется изменением
фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала иу, со-
впадающего по фазе с положительным направлением оси R-Y, фаза
цветовой вспышки делается равной 135° (рис. 12.42,а). В следующей
строке сигнал иу меняет свою фазу на 180°. Соответственно фаза
вспышки становится равной —135° (рис. 12.42,6).
Формирование цветовой вспышки в кодирующем устройстве сво-
дится к замешиванию в сигналы U и V прямоугольных импульсов
отрицательной и положительной полярности соответственно. Эти-
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
299
Рис. 12.42. Сигналы цветовой син-
хронизации на векторной диаграмме:
а — n-я строка; 6— (п 4- 1)-я строка
Рис. 12.43. Спектр
полного цветового сиг-
нала в системе PAL
ми импульсами, временное положение которых соответствует задней
площадке строчного гасящего импульса, в балансных модуляторах
будут созданы две квадратурные составляющие вспышки. Одна из
этих составляющих всегда совпадает с отрицательным направлени-
ем оси B-Y (180°), другая — с положительным или отрицатель-
ным направлением оси R—Y (90 или 270°). Результирующий век-
тор цветовой вспышки при равных по амплитуде импульсах будет
иметь фазу ±135°.
В заключение отметим, что в наиболее распространенном евро-
пейском стандарте системы PAL полный цветовой сигнал ограничи-
вается по полосе в пределах 0...5 МГц (рис. 12.43). При указанном
значении поднесущей частоты верхние боковые колебания сигнала
цветности для обеих квадратурных составляющих ии и иу оказыва-
ются несимметрично подавленными. В системе NTSC такое ограни-
чение двух квадратурных сигналов привело бы в приемном устрой-
стве к перекрестным искажениям между ними. В системе PAL прин-
цип построчной коммутации сигнала позволяет сделать эти искаже-
ния минимальными, практически не сказывающимися на качестве
изображения.
12.3.3. Структурная схема декодирующего
устройства
В настоящее время существует большое разнообразие каналов
цветности PAL. На рис. 12.44 приведена укрупненная структурная
схема наиболее распространенного варианта, в котором использует-
ся рассмотренный в п. 12.3.1 блок задержки. Этот канал получил
название PALd (от слова delay — задержка).
Полный цветовой сигнал ип разделяется с помощью режекторно-
го и полосового фильтров на два сигнала: яркости Еу и цветности
Фильтры настроены на частоту цветовой поднесущей fs = 4,43 МГц.
В более совершенных декодирующих устройствах это разделение сиг-
налов осуществляется с помощью гребенчатых фильтров. Канал яр-
костного сигнала практически ничем не отличается от соответствую-
щих каналов в декодерах систем NTSC и SECAM. Сигнал цветности,
300
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 12.44. Декодирующее устройство системы PAL
прежде чем поступить на блок задержки, подвергается автоматиче-
ской регулировке усиления (АРУ), производимой по амплитуде цве-
товой вспышки. Последняя выделяется из полного сигнала клапан-
ной схемой Кл с помощью стробирующих импульсов, формируемых
из импульсов строчной синхронизации. Блок задержки, содержащий
устройство задержки на 64 мкс, инвертор на 180° и два суммато-
ра, был рассмотрен ранее.
Однако следует отметить некоторые дополнительные особенно-
сти его работы. В частности, необходимо более полно рассмотреть
вопрос о времени задержки. Принцип действия системы PAL предпо-
лагает время задержки равным длительности строчного интервала,
т.е. 64 мкс. Однако для правильной работы сумматоров необходимо
также учитывать фазовые соотношения прямого и задержанного сиг-
налов, у которых сдвиг по фазе в соответствии с выбором поднесущей
частоты составляет четверть периода поднесущего колебания (12.16).
При таких условиях в сумматорах не происходит разделение квадра-
турных составляющих ии и иу. Для правильного функционирования
сумматоров необходимо, чтобы прямой и задержанный сигналы на-
ходились либо в фазе, либо в противофазе. Только в этом случае
сложением или вычитанием компенсируется одна из квадратурных
составляющих, и сигналы разделяются. Достичь этого можно, если
ГЛАВА 12. Аналоговые системы вещательного телевидения
301
задержка будет составлять целое число полупериодов поднесущей ча-
стоты. Ближайшими к длительности строчного интервала являются
значения задержки т — 5687s/2 или 567Ts/2, где Ts — период под-
несущего колебания. Было выбрано второе значение, и устройства
задержки PAL изготовляют с т = 567Т$/2.
Отличие величины задержки от длительности строки оказыва-
ется очень небольшим, примерно 57 нс, и не приводит к появлению
упоминаемых ранее искажений в виде зазубренности вертикальных
цветовых переходов. Напомним, что подобные искажения становят-
ся заметными, если рассовмещение прямого и задержанного сигналов
будет соизмеримым с размером одного элемента изображения (80 нс).
Выбор величины задержки в системе PAL, равной нечетному чи-
слу полу периодов поднесущей, обусловливает противофазность сиг-
нала иу в двух соседних строках и соответственно синфазность сиг-
нала иу. Поэтому в структурной схеме рис. 12.44 инвертор на 180°
перенесен из канала иу в канал иу (для сравнения см. рис. 12.38).
Разделенные в блоке задержки сигналы и у и иу подаются на входы
двух синхронных детекторов, осуществляющих демодуляцию цвето-
разностных сигналов E'r_y и Е'в_у.
Необходимые для работы синхронных детекторов опорные коле-
бания поднесущей вырабатываются генератором fs, частота и фа-
за которого задаются цветовой вспышкой с помощью управляющего
сигнала. Этот сигнал вырабатывается в устройстве фазовой авто-
подстройки частоты, содержащим кроме генератора фазовый детек-
тор (ФД) и ФНЧ. Колебания генератора в ФД сравниваются по ча-
стоте и фазе с колебаниями цветовой вспышки. Генератор должен
вырабатывать колебания, фаза которых совпадает с положительным
направлением оси R-Y (90°). При этом на выходе ФД вырабаты-
ваются симметричные разнополярные импульсы, соответствующие
чередованию фазы вспышки ±135°. Напряжение па выходе ФНЧ,
выделяющего постоянную составляющую из этих симметричных им-
пульсов, будет равно нулю. Если фаза колебаний генератора fs по
каким-либо причинам не совпадает с осью R-Y, амплитуды импуль-
сов на выходе ФД не будут равны, и ФНЧ выработает отличное от
нуля управляющее напряжение, которое подстроит фазу генератора.
Сдвиг фазы генератора на -90° обеспечит опорное колебание для
синхронного детектора В-Y. На этот синхронный детектор подается
поднесущая, у которой фаза коммутируется через строку (90/270°).
Коммутатор фазы в приемном устройстве должен работать син-
фазно с коммутацией сигнала на передающем конце системы. Для
этого генератор коммутирующих импульсов управляется устройст-
вом цветовой синхронизации. На это устройство в качестве инфор-
мации о том, какой в данный момент времени передается сигнал
(Uy или Uy), с выхода фазового детектора поступают импульсы,
полярность которых определяется направлением вектора цветовой
вспышки (см. рис 12.42).
302
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Кроме того, устройство цветовой синхронизации закрывает ка-
нал цветности и выключает режекцию в яркостном канале, если пе-
редается черно-белая программа или принимается сигнал другой ве-
щательной системы.
12.3.4. Эксплуатационные характеристики системы
Система PAL, в основе которой лежит передача цветоразност-
ных сигналов путем квадратурной балансной амплитудной модуля-
ции, обладает теми же достоинствами, что и система NTSC: хоро-
шая совместимость, эффективность разделения сигналов яркости и
цветности, высокая помехоустойчивость к флуктуационным шумам
и др. (см. п. 12.1.6). Наряду с этим принцип коммутации фазы од-
ной из квадратурных составляющих и применение блока задержки
в декодирующем устройстве позволяют получить еще ряд преиму-
ществ. Основным из них следует считать малую чувствительность
системы к дифференциально-фазовым искажениям сигнала цветно-
сти. Для рассмотренного в п. 12.3.3 декодера PAL с задержкой до-
пускается ошибка в фазе 40°. В некоторых вариантах декодеров PAL
этот допуск еще больше [30].
Важным достоинством следует также считать возможность ра-
боты системы с частично подавленной верхней боковой обеих ква-
дратурных составляющих сигнала цветности. Такие условия рабо-
ты соответствуют стандартам большинства стран, где разнос несу-
щих звука и изображения составляет 5,5 МГц. Напомним, что в
системе NTSC один из сигналов обязательно должен иметь симме-
тричные боковые.
Поскольку блок задержки в декодере PAL по своей структуре и
параметрам близок к гребенчатому фильтру, то в нем более эффек-
тивно, чем в обычном приемнике системы NTSC и тем более системы
SECAM, подавляются составляющие яркостного сигнала, создающие
перекрестные помехи в канале цветности.
Использование задержанного сигнала в системе PAL не приво-
дит, как в системе SECAM, к мерцанию границ на горизонтальных
цветовых переходах. Это объясняется тем, что в системе PAL усред-
няются цветности двух соседних строк, а не их отдельные цветораз-
ностные составляющие. По этой же причине для системы PAL не
характерна, как для системы SECAM, разнояркость строк и их мер-
цание. Приемник системы PAL менее чувствителен к эхосигналам.
К недостаткам системы PAL, причем весьма условно, можно от-
нести несколько большую сложность приемника по сравнению с си-
стемой NTSC (наличие блока задержки) и уменьшение цветовой чет-
кости но вертикали.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ 303
Глава 13
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ
СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
13.1. Передача телевизионного сигнала
в цифровой форме
13.1.1. Формирование потоков цифрового
ТВ сигнала
В гл. 5 были изложены принципы преобразования ТВ сигнала в
цифровую форму и его эффективного кодирования. В вещательном
телевидении, как было сказано, кодирование сигнала осуществля-
ется по стандарту MPEG-2. Этот стандарт регламентирует также
форму «упаковки» всех видов информации, которая должна быть
передана в составе ТВ программы — изображение, звук и допол-
нительные данные.
При формировании единого потока данных стандарт MPEG-2
предусматривает две формы такого потока — программный и транс-
портный потоки. Оба потока состоят из элементарных пакетных по-
токов (Packetized Elementary Stream, PES), состоящих, в свою оче-
редь, из отдельных пакетов (рис. 13.1). В начале заголовка каждого
пакета (PES-пакета) содержатся информация идентификации пото-
ка, сведения о принадлежности его к определенной программе. В
заголовок может быть также включена дополнительная информация
— об авторских правах, о правах доступа, о приоритете, и т.д. Кроме
того, для синхронизации потоков в процессе декодирования в заголо-
вок пакетов включаются метки времени представления (Presentation
Time Stamps, PTS) и метки времени декодирования (Decoding Time
Stamps, DTS).
Элементарные потоки, соответствующие одной ТВ программе,
объединяются в программный поток (структура программного пото-
ка показана на рис. 13.1), который состоит из блоков, а они, в свою
очередь, из отдельных PES-пакетов, содержащих видеоинформацию,
звук и данные. Каждый блок содержит заголовок блока и несколько
PES-пакетов. Длина блока не ограничивается стандартом, однако в
заголовках блоков содержится информация, необходимая для работы
декодера, поэтому заголовки должны появляться не реже, чем через
0,7 с [32]. Это требование связано с тем, что в заголовке блока со-
держится также информация о системном времени, о передаваемом
числе видео- и звуковых элементарных потоках.
Если программный поток объединяет элементарные потоки, об-
разующие одну ТВ программу, то транспортный поток (рис. 13.2)
304
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Начало блока программного пакета
Рис. 13.1. Структура, потоков данных в цифровом телевидении
Элементарный поток 1 (видео)
Элементарный поток 2 (звук)
Элементарный поток 3 (данные)
Информация
о программе 1 (РМТ)
Поток программы 1
Поток программы 2
Информация о______
наборе передаваемых
программ (РАТ)
Транспортный
поток
Рис. 13.2. Формирование транспортного потока
может объединять пакетные элементарные потоки, соответствую-
щие нескольким программам и имеющие различные метки времени.
Транспортный поток состоит из коротких пакетов фиксированной
длины (188 байт), называемых транспортными пакетами [32]. Именно
в транспортные пакеты вводится дополнительная информация для
коррекции ошибок, возникших из-за действия помех во время переда-
чи. Этот процесс называется канальным кодированием (см. п. 13.1.2).
В транспортный поток включается также программная инфор-
мация (Program Specific Information, PSI). Стандарт MPEG-2 пред-
полагает передачу в составе транспортного потока четырех видов
специальных данных, так называемых таблиц, содержащих инфор-
мацию о передаваемых программах: это таблица соединения про-
грамм (Program Assotiation Table, РАТ), таблица плана программ
(Program Map.Table, РМТ), несущие информацию о том, какие имен-
но программы и под какими номерами передаются в данный момент
в составе транспортного потока, а также таблица сетевой информа-
ции (Network Information Table, NIT) и таблица условного доступа
(Conditional Access Table, CAT) [32, 33].
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
305
13.1.2. Канальное кодирование
Как известно, само по себе представление сигнала в цифровой
форме еще не означает повышения помехоустойчивости передачи по
сравнению с аналоговым сигналом. В свою очередь, последствия
воздействия помех на цифровой сигнал зависят от того, какая его
часть поражена помехой. Ошибка, которая может появиться, напри-
мер, при передаче старшего разряда кодового слова; может иметь
более серьезные последствия для качества передаваемого изображе-
ния, чем ошибка при передаче одного элемента изображения в ана-
логовом телевидении.
В процессе передачи информация подвергается кодированию.
Существуют разные способы кодирования, предназначенные для ре-
шения требуемых задач. Например, есть способы кодирования для
исключения несанкционированного получения информации, суще-
ствуют и другие задачи кодирования. В гл. 5 речь шла о так назы-
ваемом «кодировании» источника, т.е. о таком кодировании, которое
имеет основной целью сокращение цифрового потока при передаче
на основании свойств источника информации. Существует еще и так
называемое «канальное кодирование». Оно позволяет, зная стати-
стические свойства помех, закодировать передаваемую информацию
таким образом, чтобы отрицательные последствия от действия помех
были минимальны. Канальное кодирование, таким образом, необхо-
димо исключительно для повышения помехоустойчивости передачи
информации на приемную сторону.
Принцип канального кодирования заключается в использовании
специальных кодов, предполагающих добавление к передаваемому
сигналу избыточной информации. Простейший пример такого ко-
дирования — добавление к передаваемому кодовому слову дополни-
тельного разряда, позволяющего осуществить так называемую «про-
верку на четность». Однако эта проверка является достаточно при-
митивной — она позволяет лишь обнаружить наличие ошибки в пе-
редаваемой кодовой последовательности, но не скорректировать ее.
Существуют коды, позволяющие не только обнаруживать ошиб-
ки при передаче, но и исправлять их [34] (рис. 13.3). Коды, коррек-
тирующие ошибки передачи, применяются последовательно, с учетом
их различных свойств и способности корректировать ошибки различ-
ного характера. При этом код, применяемый на передающей стороне
первым, должен декодироваться на приемной стороне в последнюю
очередь. Такой код называется внешним. Соответственно код, при-
меняемый на передающей стороне последним и декодируемый в при-
емном устройстве в первую очередь, называется внутренним. Воз-
можная последовательность операций по отношению к передаваемо-
му цифровому ТВ сигналу для коррекции ошибок передачи, показана
на рис. 13.4. Применение нескольких канальных кодеков позволяет
повысить помехозащищенность передачи и, что очень важно, — кор-
20
306
ЧАСТЬ 1П. Системы цветного телевидения
Избыточная
Рис. 13.3. Принцип канального кодирования
Рис. 13.4. Коррекция ошибок в цифровом ТВ сигнале
ректировать так называемые «пакетные» ошибки, которые предста-
вляют собой последовательность большого количества идущих друг
за другом ошибочных посылок. Например, благодаря использованию
буферной памяти между внешним и внутренним канальными коде-
ками и чередованию направлений записи в память и считывания из
нее достигается «перемежение» символов и возможшхть коррекции
сравнительно большой пакетной ошибки. Биты передаваемой инфор-
мации, которые перед передачей были смежными во времени, в ре-
зультате такого перемежения удаляются друг от друга в процессе
передачи по каналу с помехами. На приемной стороне также имеет-
ся буферная память, осуществляющая «обратное» перемежение. Это
происходит до поступления сигнала на декодер внешнего кода.
В качестве внешнего кода обычно используется код Рида- Соло-
мона (Reed-Solomon-Code, RS), который требует двух проверочных
символов на одну исправляемую ошибку [34]. В процессе кодирова-
ния кодом Рида-Соломона, используемым для передачи цифрового
ТВ сигнала, на каждый пакет общего транспортного потока длиной
188 байт добавляется 16 проверочных байт. Получается новый пакет,
содержащий необходимую избыточность и имеющий длину 204 бай-
та. Это позволяет исправить 8 байт, искаженных помехой в процессе
передачи. Такой код в литературе обозначают (204, 188, 8) [35].
Внутреннее кодирование также часто осуществляют с помощью
сверточных кодов. Более подробную информацию о помехоустойчи-
вом кодировании, использующем коды Рида-Соломона и сверточные
коды, можно найти в [34, 36, 37].
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
307
13.1.3. Цифровые способы модуляции
Свойства цифрового сигнала, рассмотренные в гл. 5, не позволя-
ют передавать такой сигнал по каналу связи непосредственно, т.е. «в
первичной полосе частот» из-за слишком высокой скорости передачи,
оцениваемой в сотни мегабит в секунду. Кроме того, существующие
сети ТВ вещания (спутниковые, кабельные или наземные), как пра-
вило, построены по принципу частотного уплотнения. Поэтому сиг-
нал, предназначенный для передачи по таким сетям, должен быть
точно ориентирован в принятой системе организации частотных ка-
налов [33]. Следует также иметь в виду, что передаваемый сигнал
должен быть энергетически сосредоточен в определенной ограничен-
ной области спектра. Как правило, несущей (модулируемой) часто-
той является гармонический сигнал. Изменяемыми параметрами в
таком случае могут быть его амплитуда, частота и фаза. Если моду-
лирующий сигнал имеет цифровую природу и изменяется дискретно,
принимая фиксированные значения, то понятие «модуляция» иногда
заменяется понятием «манипуляция».
Передаваемый сигнал, таким образом, в результате модуляции
можно представить в следующей форме:
U(t) = (Амплитуда) cos[2?r( Частота )t -Ь (Фаза)].
Использование для передачи сигналов цифрового телевидения
различных видов модуляции, как известных, так и относительно но-
вых, позволяет одновременно увеличить количество передаваемой
информации в единицу времени, сократить используемую полосу ча-
стот и повысить помехоустойчивость ТВ системы.
В цифровом телевидении может применяться амплитудная мо-
дуляция (AM), в иностранной, литературе применительно к цифро-
вому сигналу называемая ASK (Amplitude Shift Keying); частотная
модуляция (ЧМ), ее обозначают также FSK (Frequency Shift Keying),
и фазовая модуляция (ФМ), англоязычное обозначение PSK (Phase
Shift Keying).
На рис. 13.5 иллюстрируется принцип работы каждого из при-
меняемых видов модуляции для двухпозиционного модулирующего
сигнала, т.е. когда каждое состояние сигнала передает один бит ин-
формации. На рисунке также даны графики, поясняющие измене-
ние сигнала во времени.
Демодуляция рассмотренных сигналов достаточно проста в тех-
ническом отношении, и для ее осуществления известно много спосо-
бов. Качество того или иного способа модуляции при передаче ци-
фровых сигналов оценивается обычно по следующим критериям:
• эффективности использования частотного спектра;
• минимально необходимого отношения сигнал/помеха;
• стойкости к ухудшению условий приема на отдельных частотах.
Эффективность использования частотного спектра увеличивает-
ся с увеличением числа состояний, которые может принимать сигнал
20*
308
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Вид модуляции Временная диаграмма Состо- яние
ASK w 0
0 ш 1 : ! * : о 1
FSK ы f 1 ши i 0
Vv 0 и ' 1 Г 1 1
PSK и> к iw j 0
ш 0 ш 1 1 1 t 1 1 1
Рис. 13.5. Виды модуляции при двух-
позиционном модулирующем сигнале
при передаче одного символа. Если модулирующим сигналом являет-
ся сигнал, в котором каждый символ передается не двумя, а большим
количеством возможных его значений, то количество информации,
передаваемое с каждым символом, возрастает. Такие значения обыч-
но выбираются равными 4, 16, 32, 64, 128 и т.д., т.е. как ряд 2П, где
п — число возможных состояний передаваемого или модулирующего
сигнала во время передачи одного символа.
Эта эффективность оценивается величиной, измеряемой в битах
в секунду на один герц (бит/с/Гц). Такая размерность показыва-
ет, что в данном случае оценивается скорость потока, приходяща-
яся на единицу частоты.
Чем выше количество информации, переносимое одним симво-
лом, тем выше число возможных состояний, которое может принять
изменяемый в процессе модуляции параметр модулируемого сигна-
ла (виды модуляции с большим числом таких состояний называют
многопозиционными), и соответственно тем выше эффективность ис-
пользования частотного спектра. Однако, чем большее число состоя-
ний может принимать модулирующий сигнал, тем меньше существует
отличий в параметрах этих состояний, а значит, демодуляция такого
сигнала в условиях помех может стать затруднительной. Поэтому
эффективность использования частотного спектра обычно связана
с возможно достижимым отношением сигнал/помеха, и при выборе
этих параметров необходим компромисс.
Ухудшение условий приема на отдельных частотах — распро-
страненное явление/особенно в спутниковом или наземном телеви-
зионном вещании. Такие ухудшения (замирания) обычно возникают
внезапно, их природа связана с распространением радиоволн. Они
возникают обычно на определенных частотах, и в этом смысле широ-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
309
Рис. 13.6. Принцип ам-
плитудной модуляции:
а — векторное и б — спек-
тральное представление
кополосные виды модуляции имеют преимущество, так как при за-
труднении передачи сигнала на определенных частотах спектра по-
тери информации оказываются меньше.
Следует отметить также, что в условиях мобильного приема на
частоту принимаемого сигнала оказывает также влияние относитель-
ная скорость взаимного перемещения передатчика и приемника. Этот
эффект, известный как эффект Доплера, накладывает определенные
ограничения на допустимое значение этой скорости. Так, например,
для европейской системы цифрового телевидения это значение со-
ставляет приблизительно 150 км/ч [38].
Рассмотрим подробнее применение отдельных видов модуляции
для передачи информации в цифровом телевизионном вещании.
13.1.3.1. Амплитудная модуляция
Как показано на рис. 13.6, спектр сигнала Идм, модулирован-
ного по амплитуде, состоит из спектральной составляющей UHec, со-
ответствующей несущей частоте, и двух частей — Un б и Ubb, сим-
метрично расположенных относительно несущей.
В своем «цифровом» варианте этот способ модуляции отлича-
ется от аналогового только тем, что модулирующий сигнал явля-
ется дискретным. Значения, которые может принимать амплитуда
Ап модулированного сигнала в процессе модуляции, определяются
следующим образом [33]:
An = 2n — 1 — M, n = 1, 2, 3, ... М, (13.1)
где М — число возможных состояний модулирующего сигнала.
Пример амплитудной модуляции для случая М = 8 (при пере-
даче 8-позиционного цифрового сигнала) приведен на рис. 13.7,а и 5,
где показана соответственно форма модулированного и модулирую-
щего сигналов при последовательности дискретных значений моду-
лирующего сигнала: 1, 3, —5, 1, 3.
310
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.7. Амплитуд-
ная модуляция при пе-
редаче 8-позиционного
цифрового сигнала:
а — модулированный сигнал;
б— модулирующий сигнал
Уменьшение несущей относительно боковых частот приближа-
ет этот вид модуляции к так называемой балансной модуляции, при
которой энергия сигнала сосредоточена не в самой несущей, а в бо-
ковых частотах. Переворот фазы модулированного сигнала объяс-
няется тем обстоятельством, что изменяется соотношение между ам-
плитудами несущей и боковых частот.
Однако в данном примере, показанном на рис. 13.7, фаза сигнала
может изменяться только на 180°, так как в спектре модулированно-
го сигнала присутствуют обе боковые частоты, симметрично распо-
ложенные относительно несущей. При амплитудной модуляции обе
эти симметричные части спектра несут одинаковую информацию, так
как повторяют форму спектра модулирующего сигнала. Такая ин-
формационная избыточность в современном аналоговом телевидении
устраняется частичным подавлением одной боковой полосы частот.
Этот способ передачи, называемый амплитудной модуляцией с од-
ной боковой полосой (ОБП), в иностранной литературе обозначается
аббревиатурой VSB-AM (Vestigial Sideband Modulation).
Кроме того, для сокращения полосы частот радиосигнала VSB-
AM сокращают также полосу частот модулирующего сигнала. Де-
лают это следующим образом. На рис. 13.7,0 показан модулирую-
щий сигнал, который представляет собой последовательность пря-
моугольных импульсов с длительностью tc, равной времени переда-
чи одного цифрового символа. Такой сигнал имеет широкую полосу
частот. Если эту полосу ограничить фильтром, то импульсы моду-
лирующего сигнала потеряют прямоугольную форму и при декоди-
ровании будут создавать взаимные помехи. Если при этом, однако,
воспользоваться фильтром нижних частот со специально выбранной
частотой среза (фильтр Найквиста), то прямоугольные импульсы на
выходе фильтра примут вид функции sinrr/.r (рис. 13.8,а). Каждый
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
311
Рис. 13.8. Модуля-
ция вида VSB-AM:
а — формирование моду-
лирующего сигнала из от-
дельных импульсов вида
(sin а;)/#; б— осциллограм-
ма радиосигнала VSB-AM
импульс такой формы имеет амплитуду своего максимума, соответ-
ствующую значению передаваемого цифрового символа. На рисунке
показана амплитуда импульсов, соответствующая приведенному ра-
нее примеру последовательности символов. Длительность импульса
превосходит время передачи символа, однако это не вызывает меж-
символьных искажений, так как каждый отфильтрованный таким
образохМ импульс обладает положительным свойством — оказывает-
ся равным нулю в тот момент, когда должны быть зафиксированы
следующие отсчеты (моменты времени 1-5 на рис. 13.8). Таким обра-
зом, в промежутках между отсчетами и амплитуда, и фаза модули-
рованного сигнала могут иметь произвольные значения: амплитуда
— ввиду того, что модулирующий сигнал представляет собой сумму
импульсов вида sinx'/x, а фаза — в силу того обстоятельства, что
при подавлении одной боковой полосы исчезает равенство векторов
Uhb и Ubb (см. рис. 13.6), вследствие чего характер изменения фа-
зы сигнала становится более сложным.
Подавление одной боковой полосы частот сигнала после ампли-
тудной модуляции приводит к сокращению спектра передаваемого
сигнала, и, следовательно, к повышению эффективности передачи
информации, хотя и несколько ухудшает помехоустойчивость пере-
дачи [33].
Такой способ модуляции использован в американской системе
цифрового ТВ вещания ATSC.
13.1.3.2. Фазовая модуляция
Простейший случай фазовой модуляции для цифрового сигнала
- двухпозиционная фазовая манипуляция. Она называется также
312
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.9. Фазовая модуляция (PSK). Временные (а, 6) и векторные (в, г)
диаграммы:
а — модулирующий сигнал; 6— модулированный сигнал; е— модуляция типа 2-
PSK или BPSK; г— модуляция типа 4-PSK или QPSK 4-QAM; д — отмеченное
точками положение конца вектора
2-PSK, или BPSK (Binary Phase Shift Keying). Изменения во времени
сигналов модулирующего и промодулированного показаны соответ-
ственно на рис. 13.9,а и б, а векторная диаграмма — на рис. 13.9,в.
Увеличение возможных состояний для передаваемого сигнала
реализуется в четырехпозиционной фазовой манипуляции, называ-
емой 4-PSK или QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Векторная
диаграмма для модуляции типа QPSK показана на рис. 13.9,г. Из
диаграммы видно, что набор возможных состояний передаваемого
сигнала включает четыре символа, при этом каждый символ пере-
дает два бита информации. Часто при изображении векторной диа-
граммы модулированного сигнала показывают лишь положение кон-
ца вектора, отмечая его точкой (рис. 13.9,5).
Можно еще увеличить количество передаваемой информации в
одном символе выбором большего количества возможных состояний
фазы передаваемого сигнала. Например, при способе модуляции 8-
PSK каждый символ (каждое возможное состояние передаваемого
сигнала) несет уже три бита информации. Однако передача сигна-
ла в реальных условиях связана с помехами, поэтому амплитуда и
фаза передаваемого сигнала на приемной стороне может быть опре-
делена лишь с ошибкой. Если эту ошибку для серии измерений на-
нести на векторную диаграмму (рис. 13.10), то станет ясно, что при
определенной величине ошибки может произойти ошибочное декоди-
рование сигнала на приемной стороне.
Способ модуляции PSK применяется в случаях, когда необхо-
димо сохранить постоянной амплитуду передаваемого сигнала или
исключить амплитуду из числа параметров, изменяемых в процес-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
313
Рис. 13.10. Векторная диа-
грамма для модуляции ти-
па PSK в условиях помех
Т ип модуляции Передача в отсутствие помех При наличии помех
2-PSK
4-PSK У
8-PSK
••
16-PSK ? • »
«
се модуляции. Это бывает важно, например, при передаче сигна-
ла со спутника.
13.1.3.3. Квадратурная амплитудная модуляция
При квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Ampli-
tude Modulation, QAM) передаваемый сигнал модулирует и ампли-
туду, и фазу несущего колебания. Это происходит одновременно
и независимо.
Можно сказать, что если немодулированная несущая имеет вид
u(t) = Um cos cat,
то в результате квадратурной амплитудной модуляции такой несу-
щей сигналами uj (Inphase) и uq (Quadrature) передаваемый сигнал
будет выглядеть так:
u(t) = uj cos ьЯ + uq sincdi.
Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диа-
граммы, на которой в декартовой системе координат с вертикальной
осью Q и горизонтальной осью I изображают положение конца векто-
ра промодулированного сигнала. Векторная диаграмма сигнала для
случая четырехпозиционной квадратурной амплитудной модуляции,
или, как ее обозначают, 4-QAM, показана на рис. 13.11.
Набор точек, показывающих возможное положение конца век-
тора сигнала на плоскости IOQ. часто называют созвездием. Ка-
ждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы
сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит
314
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
4-С )АМ 16-Q? ' . Q.‘ 32-Q МИ Q, AM 64-CJ '. . . Q‘ •AM
• I • • 1 • • • ' • • i ’ *;; ‘ ‘ \ ’ I
Рис. 13.11. Векторная диаграмма сигнала при различных видах квадратур-
ной амплитудной модуляции
Рис. 13.12. Сравнение по-
мехоустойчивости двух ви-
дов модуляции — QAM и PSK
информацию в количестве
I = iog2 л;
где I — число битов информации, передаваемое каждым символом;
N— число возможных «позиций» вектора, или точек на векторной
диаграмме.
Нетрудно заметить, что при модуляции 4-QAM амплитуда сиг-
нала не меняется, и такой случай полностью эквивалентен четырех-
позиционной фазовой манипуляции (4-PSK или QPSK).
Векторные диаграммы сигнала для способов модуляции 4-QAM,
16-QAM, 32-QAM и 64-QAM также показаны на рис. 13.11.
Разумеется, применение многопозиционной QAM способствует
передаче большего количества информации, однако в реальных усло-
виях, при наличии помех, на приемной стороне возможно ошибочное
определение амплитуды и фазы передаваемого сигнала. Это обстоя-
тельство и ограничивает количество информации, передаваемое од-
ним символом. Тем не менее основное преимущество QAM перед
другими видами модуляции — в ее хорошей помехозащищенности.
Это видно из рис. 13.12, где для сравнения показаны векторные диа-
граммы для двух видов модуляции 16-PSK и 16-QAM. Как видно из
рисунка, способ модуляции QAM способен обеспечить более высокую
помехоустойчивость передачи информации.#
Многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция ус-
пешно применяется, например, в кабельных каналах, где можно зна-
чительно увеличить число позиций модуляции, так как при пере-
даче' по кабелю обеспечивается достаточно высокое отношение сиг-
нал/помех а.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
315
Области положений конца вектора, отличающихся
передаваемыми битами нисшего приоритета
Рис. 13.13. Векторная диаграмма сигнала 64-QAM при иерархической пере-
даче:
а — обычная модуляция 16-QAM; 6— неоднородная модуляция 16-QAM, о — 2;
в — декодирование модуляции только высшего приоритета; г— неоднородная мо-
дуляция 16-QAM, а — 4
Как правило, при использовании многопозициопной QAM рас-
стояние между соседними точками, обозначающими положение кон-
ца вектора сигнала, выбирается одинаковым. Однако выбор распо-
ложения этих точек позволяет осуществить так называемую неод-
нородную квадратурную амплитудную модуляцию. С ее помощью
реализуют «иерархичность» в передаче информации. Ла рис. 13.13
показана векторная диаграмма, для способа квадратурной амплитуд-
ной модуляции 16-QAM: на рис. 13.13,а — обычная модуляция 16-
QAM, на рис. 13.13,б и в — неоднородная 16-QAM. Как видно из ри-
сунка, при неоднородной модуляции допустимые положения вектора
сигнала расположены на диаграмме неравномерно. При наличии по-
мех затруднительно декодировать сигнал, у которого возможные по-
ложения вектора отделяются небольшими расстояниями на фазовой
плоскости (см. рис. 13.12). Было найдено остроумное решение — так
изменять амплитуду и фазу несущей частоты в процессе модуляции,
что возможные положения вектора сигнала оказываются располо-
женными на векторной диаграмме не равномерно, а на различных
расстояниях друг от друга. При этом, очевидно, для одной части пе-
редаваемой информации при наличии помех условия декодирования
улучшатся, а для другой части — осложнятся, но появляется важное
преимущество — для сложных условий приема сигнала можно зара-
нее определить, какая именно часть информации, имеющая высший
приоритет, в первую очередь должна попасть в приемное устройство.
Величина неравномерности оценивается коэффициентом а, показы-
вающим отношение расстояния между группами точек-концов векто-
ра на диаграмме к расстоянию между соседними точками.
На рис. 13.13,б’ и в штриховой линией показаны области, внутри
которых изменения положения вектора сигнала могут быть зафик-
сированы в приемном устройстве лишь при помехоустойчивом прие-
ме. При ухудшении условий приема детектор может выделить лишь
меньшую, заранее определенную часть информации, имеющую выс-
316
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
ший приоритет. В примере, показанном на рис. 13.13, такой объем
информации эквивалентен случаю 4-QAM и показан на рис. 13.13,г
[38]. Это позволяет строить приемники с различными возможностя-
ми, способные наиболее качественно принять ту долю передаваемой
информации, которую они смогут воспроизвести при данных усло-
виях приема.
13.1.3.4. Способ модуляции OFDM
Способ модуляции с одновременным использованием несколь-
ких несущих частот, имеющий название OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplex — способ с мультиплексированием ортогональных
частот), известен более 30 лет, однако в последние годы, с разви-
тием цифрового ТВ вещания, преимущества этого способа модуля-
ции оказались актуальны.
Основная идея, положенная в основу этого способа, заключается
в следующем. Передаваемый цифровой поток модулирующего сигна-
ла «распараллеливается» и передается по нескольким каналам —
путем модуляции нескольких несущих. Число этих несущих выбира-
ется так, чтобы необходимым образом сократить скорость передачи
информации на каждой отдельной несущей. В результате достига-
ется главное — на передачу одного символа на каждой отдельной
несущей может быть отведено большее время. Настолько большее,
чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия
отраженных сигналов, обусловленных так называемым «многолуче-
вым» распространением радиоволн, что достаточно характерно для
городских условий.
На рис. 13.14 показан пример преобразования («распараллели-
вания») одного последовательного цифрового сигнала в пять отдель-
ных сигналов путем демультиплексирования, что позволяет увели-
чить длительность передачи символа в каждом из пяти сигналов в
пять раз. Далее, каждый из полученных таким образом сигналов с
уменьшенной скоростью передачи символов модулирует соответству-
ющую несущую, число которых равно числу модулирующих сигна-
лов. При этом допускается фазовая (PSK) или квадратурная ампли-
тудная (QAM) модуляция каждой несущей. Сами несущие частоты
при этом выбираются из следующих соображений:
• число несущих должно быть таким, чтобы при неизменной ско-
рости потока данных на входе модулятора OFDM увеличить до
требуемой величины время передачи одного символа на каждой
несущей;
• несущие должны быть достаточно близки по частоте друг к дру-
гу, чтобы сократить занимаемую полосу частот канала связи;
• частоты несущих должны быть выбраны так, чтобы они не со-
здавали взаимных помех.
Последнее условие выполняется, если частоты удовлетворяют
требованию ортогональности. Физический смысл этого требования
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
317
Рис. 13.14. Пример демультиплексирования цифрового сигнала
Рис. 13.15. Огибающая спектра одной несущей с номером к при модуляции
OFDM
заключается в следующем: спектр каждой несущей после модуля-
ции должен иметь «нули» на частотах, на которых расположены
остальные несущие. Выполнение этого условия обеспечивает отсут-
ствие взаимных помех и независимую передачу информации на ка-
ждой несущей.
На рис. 13.15 показан спектр одной несущей в результате моду-
ляции ее сигналом прямоугольной формы.
Исходя из условия ортогональности, частоты несущих должны
располагаться на оси частот с шагом, обратным величине Ts — вре-
мени передачи одного символа. При этом значения каждой частоты
определяются выражением:
fk = fo + k±
J-s
где к = 0, 1, 2, ..., п — 1, Лг.
Таким образом, получается ряд частот, расположенных равно-
318
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Канал передачи
pYYV/P.
Рис. 13.16. Спектр передаваемого сигнала при модуляции OFDM
U
Переданный
сигнал
С защитным
интервалом
U
Принятый
сигнал
Без защитного
интервала
Рис. 13.17. Назначение защитного интервала при модуляции OFDM
мерно и с общим спектром, достаточно близко приближающимся к
прямоугольной форме, что позволяет эффективно использовать ча-
стотный канал передачи (рис. 13.16).
Важным фактором при таком способе модуляции является так
называемая «межсимвольная интерференция» (Intersymbol Interfe-
rention, ISI), или, по существу, перекрестные искажения. Модуляция
OFDM позволяет применить простой прием для борьбы с этим явле-
нием: при увеличении количества несущих частот время на передачу
одного символа также увеличивается. Этого увеличения оказывает-
ся достаточно для того, чтобы ввести между передаваемыми сим-
волами так называемый «защитный интервал» (Guard Interval, GI)
(рис. 13.17). Введение защитного интервала позволяет уменьшить
межсимвольные помехи и снизить влияние различных «эхосигна-
лов», возникающих из-за многолучевого распространения радиоволн.
Главное назначение защитного интервала, таким образом, состоит в
повышении помехоустойчивости передачи полезной информации.
Таким образом, время, затрачиваемое на передачу одного сим-
вола OFDM, состоит из интервала передачи полезной информации
и защитного интервала:
Tgs = Tg + Ts.
где 7'(;s.время, затрачиваемое на передачу одного символа; Tq
защитный интервал; Ts — время передачи полезной информации.
Примерная структурная схема модулятора OFDM показана на
рис. 13.18. Для формирования каждой из используемых несущих ча-
стот необходим свой задающий генератор. Так может осуществлять-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
319
Рис. 13.18. Формирование сигнала OFDM
Радио-
сигнал
OFDM
Рис. 13.19. Формирование радиосигнала OFDM с помощью обратного бы-
строго преобразования Фурье
ся способ модуляции OFDM при небольшом количестве несущих, од-
нако применительно к передаче цифрового ТВ сигнала количество
несущих частот на выходе модулятора может составлять несколь-
ко тысяч, поэтому при построении модулятора было найдено ори-
гинальное решение, позволившее избежать изготовления такой мно-
гоканальной системы передачи. Дело в том, что каждая иесущая
ответственна за соответствующую часть общего спектра сигнала на
выходе модулятора. В радиотехнике известен прием сип теза сложно-
го сигнала из отдельных гармонических составляющих. 'Каким при-
емом является обратное преобразование Фурье. Существуют хоро-
шо отработанные алгоритмы, позволяющие использовать такие пре-
образования в минимальное время и с минимальными вычислитель-
ными затратами.
На рис. 13.19 показан пример формирования сигнала OFDM с
помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), кото-
рому подвергается входной цифровой поток. После ОБПФ обе части
вычисленного преобразования, вещественная и мнимая, переводятся
в аналоговую форму, проходя ЦАП и ФНЧ для удаления высокоча-
стотных продуктов, затем поступают в преобразователь частоты, где
умножаются соответственно на основной и квадратурный сигналы —
гармоническое колебание частоты Это позволяет после суммато-
ре! получить спектр сигнала OFDM, смещенный на частоту /о- Такая
операция соответствует преобразованию частоты, необходимому при
формировании радиосигнала для выбранного канала вещания [39].
Следует отметить, что данный способ модуляции имеет еще один
320
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Поднесущие OFDM Спектр помехи
Рис. 13.20. Воздействие помех при передаче сигнала OFDM
«резерв» повышения помехоустойчивости. В процессе формирова-
ния передаваемого сигнала, содержащего несколько несущих, может
оказаться так, что следующие друг за другом последовательно во
времени символы модулируют соседние по частоте несущие. Это об-
стоятельство неблагоприятно влияет на устойчивость такой системы
передачи к помехам, поражающим сразу определенный диапазон ча-
стот (рис. 13.20). Один из вариантов способа модуляции OFDM, из-
вестный под названием COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division
Multiplex), предполагает «перемешивание» передаваемых символов
во времени таким образом, что следующие друг за другом символы
полезной информации на передающей стороне модулируют те несу-
щие, номера которых предписываются специальной заранее опреде-
ленной последовательностью. Эта последовательность точно выдер-
живается на передающей стороне и, в обратном порядке — в прием-
ном устройстве. Такая мера позволяет сделать данный способ пере-
дачи информации практически нечувствительным к различного рода
замираниям, а также помехам, исключающим на короткое время воз-
можность использования какого-либо участка диапазона частот.
В целом, рассмотренный способ модуляции OFDM, безусловно,
не лишен недостатков — он достаточно сложен технически, кроме то-
го, при его использовании сложно решается вопрос синхронизации.
Однако, как показали испытания, этот способ хорошо подходит для
передачи сигнала цифрового телевизионного вещания в различной
местности, эффективно использует полосу частот канала связи и в
настоящее время успешно применяется для передачи цифрового сиг-
нала в системе европейского цифрового ТВ вещания.
13.2. Цифровое ТВ вещание
13.2.1. Развитие цифрового ТВ вещания
Временем начала цифрового ТВ вещания в Европе и, практи-
чески сразу, в США, следует считать ноябрь 1998 г. В Европе ци-
фровое ТВ вещание развивалось в соответствии с проектом DVB
(Digital Video Broadcasting). Учитывая разнообразие форм ТВ ве-
щания, часть проекта была посвящена разработке технических ре-
шений применительно- к спутниковому телевидению, она получила
название DVB-S (...Satellite), часть — к кабельному (DVB-C —
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ 321
...Cable), а часть — к наземному или эфирному вещанию (DVB-
Т — ...Terrestrial). В последние годы в стандарте DVB-Т начали
вещание Швеция, Испания, Дания и Австралия. Кроме того, под-
готовительные работы велись также в Сингапуре, Новой Зеландии
и Индии. Стандарт ISBD (Integrated Services Digital Broadcasting),
разработанный в Японии, является в некотором смысле модифика-
цией европейского стандарта ТВ вещания. В ближайшее время еще
12 стран Европы, а также Сингапур, Новая Зеландия и Индия пла-
нируют начать трансляцию ТВ программ в стандарте DVB-T.
В России пробные ТВ передачи в стандарте DVB были начаты
несколько позже. Опытное цифровое ТВ вещание было начато в Ниж-
нем Новгороде в 2000 г., в С.-Петербурге в 2001 г.
В США работа над стандартом цифрового ТВ вещания нача-
лась в 1987 г., а в 1996 г. Федеральная комиссия США по связи
(Federal Communications Commission, FCC) утвердила разработанный
стандарт в качестве национального. Он получил название ATSC
(Advanced Television Systems Committee). Уже в ноябре 1998 г. 26
станций в 10 регионах США приступили к цифровому ТВ вещанию.
Одновременно в стране сохранялось и сохраняется сейчас вещание в
аналоговом стандарте NTSC. Вместе с тем, согласно стратегическо-
му плану развития ТВ вещания в стране, к 2006 г. все вещательные
компании должны полностью перейти на цифровое ТВ вещание, и в
том случае, если у 95 % населения будут цифровые ТВ приемники,
аналоговое вещание к этому времени должно прекратиться. К ци-
фровому вещанию в стандарте ATSC присоединились также Канада,
Северная Корея, Тайвань и Аргентина.
Таким образом, в настоящее время в мире работают различные
системы цифрового телевидения [39-41]. При этом, как это когда-то
было и с аналоговым телевидением, единый для всех стран стандарт
на цифровое ТВ вещание пока отсутствует.
13.2.2. Система ATSC
Система ATSC, разработанная и внедренная в США, как и дру-
гие системы цифрового ТВ вещания, предполагает кодирование ау-
диовизуальной информации и данных, предназначенных для пере-
дачи, по стандарту MPEG-2, однако транспортный поток, который
формируется в кодирующем устройстве, не должен превышать зна-
чения 80 Мбит/с.
Поясним принцип построения системы цифрового ТВ вещания
ATSC. Как уже было сказано, передаваемые сигналы кодируются
по стандарту MPEG-2, в результате чего формируется транспорт-
ный поток (см. § 13.1), который и должен быть передан на прием-
ную сторону. Чтобы по каналам эфирного вещания донести эту ин-
формацию до зрителей, система ATSC регламентирует специальный
21
322
ЧАСТЬ 111. Системы цветного телевидения
вид модуляции, позволяющий эффективно использовать стандарт-
ный ТВ канал, а также некоторые меры по обеспечению каналь-
ного кодирования. Здесь уместно вспомнить о том, что речь идет
о вещательной ТВ системе, где разные «получатели» информации
находятся в разных условиях приема. Следовательно, необходимо
принять меры для обеспечения дополнительной помехоустойчивости
приема сигнала. Для этого используются рассмотренные ранее спо-
собы канального кодирования.
Разработчики системы ATS С предусмотрели применение для пе-
редачи ТВ сигнала многопозиционной амплитудной модуляции с по-
давленной нижней боковой полосой, что в какой-то степени соответ-
ствует принципам построения существующих аналоговых систем ТВ
вещания. Такой вид модуляции называется VSB-AM (см. п. 13.1.3).
Система VSB разработана в нескольких вариантах, в зависимо-
сти от вида модулирующего сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-VSB,
16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала меняется от
двух до шестнадцати, при этом соответственно изменяется и скорость
передачи данных, которая определяется как частота следования сим-
волов, умноженная на логарифм количества уровней.
При использовании восьмипозиционного модулирующего сигна-
ла (способ модуляции 8-VSB), в интервале одного символа передают-
ся три двоичных разряда потока данных. В полосе 6 МГц (ширина
частотного ТВ канала в США) система 8-VSB способна передавать
поток данных 32.3 Мбит/с.
Рассмотрим подробнее процесс преобразования стандартного
транспортного потока в радиосигнал, передаваемый по ТВ каналу.
Транспортный поток, сформированный в соответствии со стандартом
MPEG-2, подвергается обработке, которая имеет целью, во-первых,
осуществить дополнительное кодирование для последующей коррек-
ции ошибок, и, во-вторых, привести структуру передаваемых дан-
ных в соответствие с концепцией построения системы ATSC. По-
следовательность действий, производимых с сигналом, показана на
рис. 13.21.
Вспомним структуру транспортного потока: он состоит из паке-
тов размером по 188 байт каждый, в которых содержится передавае-
мая информация. После поступления информации в декодер из паке-
тов исключается 188-й байт синхронизации, так как синхронизация
вновь формируемого потока данных впоследствии вводится отдельно.
Затем производится так называемая рандомизация данных, т.е. их пе-
ремешивание по определенному псевдослучайному закону, который,
однако, впоследствии точно воспроизводится в приемном устройстве.
Это делается для того, чтобы исключить какую-либо периодичность
в по токе данных, которая может возникнуть, например, из-за выра-
женных статистических свойств сигнала изображения. Такая перио-
дичность может помешать сформировать равномерный спектр пере-
даваемого сигнала, создавая в нем выраженные максимумы на ча-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
323
Поток MPEG-2 Радиосигнал
Рис. 13.21. Формирование ра-
диосигнала в системе ATSC
стотах, связанных с периодом. Затем к потоку добавляются 20 про-
верочных байтов кода Рида-Соломона. После добавления провероч-
ных байтов (теперь их оказывается 187 + 20 = 207) производится пе-
ремежение данных, т.е. мера, имеющая целью снизить последствия
воздействия помех путем «перераспределения» во времени передава-
емых символов, следующих непосредственно друг за другом. На при-
емной стороне, естественно, все перечисленные операции повторяют-
ся в обратном порядке, что позволяет избавиться от так называемых
«пакетных» ошибок, когда ряд искаженных помехой символов следу-
ют друг за другом. Затем выполняется так называемое треллисное
или, как его иногда называют в русскоязычной литературе, решет-
чатое кодирование (Trellis coding), представляющее собой разновид-
ность кодирования сверточным кодом. Такое кодирование необходи-
мо также для последующей коррекции ошибок. Сигналы синхрони-
зации замешиваются в цифровой поток путем мультиплексирования.
Добавление пилот-сигнала осуществляется для того, чтобы при
любом уровне модулирующего сигнала модуляция не была бы чисто
балансной, т.е. в спектре сигнала должны присутствовать не только
боковые частоты, но и в определенной степени несущая. Это необхо-
димо для облегчения восстановления несущей в приемном устройстве
для синхронного детектирования.
Модуляция и преобразование частоты формируют радиосигнал,
передаваемый в приемники.
Структура данных, образующаяся в процессе формирования ра-
диосигнала 8-VSB, показана на рис. 13.22. Она отличается от струк-
туры исходного транспортного потока — данные разделяются на так
называемые сегменты, состоящие из 832 символов. Частота следо-
вания символов составляет 10,76 МГц. В 207-байтовом пакете ка-
ждые два бита, благодаря избыточности решетчатого кодирования,
преобразуются в три бита, которые как раз и определяют, какой
21
324
ЧАСТЬ 1П. Системы цветного телевидения
Рис. 13.22. Структу-
ра данных в сигнале 8-
VSB в системе ATSC
Синхросегмент поля 1
Данные пакетов-
; и проверочные данные
- > кода Рида-Соломона
Синхросегмент поля 2
Данные пакетов;МРЕС-2
и проверочные-данные
кода' РидатСрдомона ’
Сегмент (77,3 мкс)
Рис. 13.23. Структу-
ра кадра при модуляции
8-VSB в системе ATSC
именно из восьми уровней и принимает амплитуда сигнала во вре-
мя передачи одного символа.
В сигнал добавляется также сегментная синхронизация, дли-
тельность сигнала которой составляет четыре символа и предста-
вляет собой периодически повторяющуюся структуру с номерами
уровней сигнала +5 и —5. Это позволяет легче определить грани-
цы сегмента и восстановить в приемнике частоту следования симво-
лов. Введение сигнала синхронизации не снижает эффективности
передачи информации, так как он заменяет собой байт синхрони-
зации транспортного потока с номером 188, который изымается в
процессе обработки.
Группа из 312 сегментов, дополненная синхросегментом, образу-
ет поле данных, а два поля по 313 сегментов — кадр данных. Струк-
тура кадра данных показана на рис. 13.23.
В сигнал синхронизации полей добавляется дополнительная ин-
формация, например о виде применяемой модуляции, а также другая
информация для обеспечения процесса декодирования.
В системе ATSC также приняты меры (режекторная фильтра-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
325
Таблица 3.1
Параметры разверток
Размер кадра, число элементов Соотношение сторон Частота кадров
1920x1080 16:9 60 г, 30 р, 24 р
1280x720 16:9 60 р, 30 р, 24 р
704x480 16:9, 4:3 60 р, 60 г, 30 р, 24 р
640x480 4:3 60 р, 60 г, 30 р, 24 р
Примечание, р — прогрессивная развертка; г — - чересстрочная.
ция) для уменьшения помех от неравномерного спектра работающих
в том же канале передатчиков аналоговой системы NTSC. Такая ме-
ра, впрочем, носит временный характер.
Федеральная комиссия по связи США стандартизовала 18 воз-
можных параметров воспроизводимого изображения в системе ци-
фрового ТВ вещания (табл. 13.1).
При этом так называемые AFD-декодеры (All Format Decoder,
AFD) способны декодировать изображение в любом из перечислен-
ных в таблице формате. Однако существуют также декодеры, позво-
ляющие декодировать и воспроизводить передаваемое изображение
с меньшей четкостью и с меньшей частотой кадров. Кроме того, из
18 форматов допустимыми в настоящее время считаются следующие:
1280x720 и 704x480 элементов изображения при прогрессивной раз-
вертке. Из форматов с чересстрочной разверткой разрешен формат
704x480 элементов. Он сохранен, в основном, ради обеспечения со-
вместимости с техникой и видеоматериалом, созданными примени-
тельно к стандарту NTSC.
Система ТВ вещания ATSC предполагает использование вида мо-
дуляции и структуры передаваемых данных (сегмент, поле), тради-
ционных для современного аналогового телевидения. При этом ци-
фровой поток, передаваемый по стандартному каналу вещательно-
го телевидения, оказывается достаточным для передачи ТВ изобра-
жения высокой четкости. Вместе с тем система имеет недостаточ-
ную помехозащищенность передаваемого сигнала, особенно в слож-
ных условиях распространения радиоволн, когда на условия прие-
ма сигнала оказывают значительное влияние отраженные сигналы.
Этот недостаток удалось устранить разработчикам европейской си-
стемы ТВ вещания DVB.
13.2.3. Система DVB
Из всех вариантов европейской системы ТВ вещания — для спут-
никового, кабельного и наземного (эфирного) ТВ вещания — наи-
большие сложности в практической реализации сопутствовали си-
стеме наземного ТВ вещания DVB-Т, что и задержало ее внедрение
в практику. Именно эту систему следует рассмотреть подробнее, так
как благодаря своим оригинальным техническим решениям, позво-
лившим обеспечить помехоустойчивый прием сигнала в различных
326
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.24. Алгоритм формирования радиосигнала в ТВ системе DVB-T
условиях, система DVB-Т в ряде испытаний показала свои преиму-
щества по сравнению с другими системами цифрового ТВ вещания.
Структурная схема обработки сигнала показана на рис. 13.24.
Одна из особенностей системы DVB-T — так называемая «иерар-
хическая» передача и прием информации. Это техническое реше-
ние связано со специальным выбором способа модуляции и позво-
ляет потребителю принять изображение в таком качестве, какое по-
зволяют условия приема и качество приемника. Транспортный по-
ток, соответствующий стандарту MPEG-2, «расщепляется» на выхо-
де мультиплексора на два независимых потока, отличающихся при-
оритетом. Поток высшего приоритета кодируется и передается при
условии обеспечения высокой помехозащищенности, а поток низко-
го приоритета — с более низкой помехозащищенностью, но с более
высокой скоростью передачи данных. На рисунке его путь обозна-
чен штриховой линией. Рандомизация, а также внешнее и внутрен-
нее перемежение предназначены для защиты от ошибок передачи.
Все эти меры позволяют довести частоту ошибок на входе демуль-
типлексора MPEG-2 до значения порядка 10“п, что соответствует
практически безошибочной работе.
Характерной особенностью системы DVB-Т является принятый
способ модуляции OFDM, предполагающий использование большого
числа несущих частот. Это позволяет эффективно бороться.с эхосиг-
налами, так как время передачи каждого символа на одной несущей
может быть увеличено (см. рис. 13.17).
Особенности способа модуляции OFDM были описаны в п. 13.1.1.
Для формирования сигналов большого количества несущих частот
не пользу ют хорошо отработанные алгоритмы быстрого преобразова-
ния Фурье (БПФ).
В большинстве таких алгоритмов размер массива, подвергающе-
гося преобразованию, кратен целой степени числа 2. Поэтому ис-
пользуется размер массива, равный 8192 = 8k или 2048 = 2k (здесь
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
327
к — 210 = 1024). На практике число несущих оказывается меньше,
часть несущих не используется, поскольку между частотными обла-
стями, занимаемыми соседними каналами, должен быть оставлен не-
который зазор. В двух существующих в настоящее время режимах ис-
пользуется 6817 и 1705 несущих, однако по размеру массива БПФ си-
стемы модуляции называются соответственно 8k OFDM и 2k OFDM.
Сигнал, получаемый в системе ТВ вещания при таком способе
модуляции, состоит из большого числа модулированных несущих.
Количество информации, переносимое одной несущей за время пе-
редачи одного символа OFDM, зависит от способа модуляции — это
2 бита для квадратурной фазовой манипуляции, 4 бита для квадра-
турной амплитудной модуляции 16-QAM и 6 битов для модуляции
вида 64-QAM.
Передаваемый сигнал состоит из кадров, каждый из которых
содержит 68 символов OFDM. Четыре кадра образуют супсркадр,
содержащий целое число пакетов длиной 204 байта (рандомизиро-
ванных транспортных пакетов MPEG-2, снабженных для защиты от
ошибок проверочными байтами кода Рида-Соломона).
13.2.4. Система ISDB
Система цифрового ТВ вещания с интеграцией служб ISDB (Inte-
grated Services Digital Broadcasting) была предложена японской ком-
панией NHK [42]. Это третья среди известных систем цифрового
ТВ вещания после американской ATSC и европейской DVB. Сле-
дует отметить, что и очередность появления системы, и ее назва-
ние (Integrated Services — интеграция служб), довольно точно от-
ражают представление разработчиков о роли телевидения в жизни
современного общества. Концепция системы предполагает широкий
набор средств интеграции ТВ приемника с потребностями его вла-
дельца. Зритель сможет, например, знакомиться с заголовками но-
востей, постоянно имея возможность детализировать ту или иную
информацию, пользуясь экранным «меню». К службам поддерж-
ки зрителя относится также электронная программа передач. Роль
такой службы, безусловно, будет увеличиваться в условиях расту-
щего числа ТВ каналов.
Большое внимание разработчики уделили средствам обеспечения
интерактивности. Телевизионный приемник может быть интегриро-
ван в систему дистанционного обучения, в систему связи с широкими
возможностями интерактивного обмена информацией между зрите-
лем и источником программ.
Домашний приемник представляет собой многоцелевой терми-
нал, способный предоставить владельцу широкий выбор возможно-
стей его использования. Предполагается, что зритель сможет полу-
чать доступ к информации, поступившей из различных источников
(Интернет, электронная почта, радиовещание), причем даже без зна-
ния используемого канала передачи.
328
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Технически передача сигнала в системе ISDB-T осуществляется
с помощью большого числа несущих с использованием модуляции
OFDM, как и в системе DVB. Однако организация передачи данных,
ориентированная на возможность доставки информации из разных
источников, имеет ряд особенностей.
Ортогональные несущие, используемые для передачи информа-
ции, объединены в группы, которые называются сегментами (Band
Segmented Transmission Segments, BST). Канал, таким образом, состо-
ит из некоторого числа сегментов, и поэтому способ передачи данных,
используемый в системе ISDB-T, получил название BST-OFDM.
Иерархическая передача и прием сигнала в системе ISDB-T до-
стигаются выбором способа модуляции несущих, изменения внутрен-
него кода и интервала перемежения. К достоинствам системы следу-
ет отнести ее направленность на использование сервисных функций
современной телевизионной техники.
13.3. Телевизионные системы улучшенного
качества
13.3.1. Телевидение высокой четкости (ТВЧ)
Качество ТВ изображения, соответствующее рассмотренному и
действующему в настоящее время стандарту, не является оптималь-
ным. Это заметно, например, в сравнении с изображением в кине-
матографе. Для стандартного ТВ изображения характерны менее
высокая четкость, дрожание строк, мерцание изображения, которое
в определенных случаях заметно при частоте работы кадровой раз-
вертки 50 Гц. Имеются и другие недостатки, связанные, например,
с цветовоспроизведением. Таким образом, изображение в кинемато-
графе, свободное от этих и других недостатков, дает зрителю более
реальное ощущение присутствия на месте событий, особенно при ис-
пользовании широкого формата кадра.
Известно, что поле зрения человека имеет угловые размеры,
ограниченные значением около 150° по вертикали и 200° в гори-
зонтальном направлении. Как было показано, при рассматривании
ТВ изображения с расстояния, примерно равного пятикратной вы-
соте экрана, горизонтальный и вертикальный угловые размеры изо-
бражения соответственно равны 11 и 15°. Полученные соотношения
показывают — если стремиться повысить реальность наблюдаемого
изображения, рассматривая его с расстояния, -в 2,5 раза превышаю-
щего высоту экрана, и под углом, составляющим, по крайней мере,
25° по вертикали, то число строк разложения изображения долж-
но составлять не менее 1000.
Разработанный в Германии стандарт для стран Европы пред-
полагал удвоение числа строк по сравнению с существующим 625-
строчным разложением. Стремясь также сохранить и чересстрочное
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
329
разложение, разработчики предложили выбрать 1249 строк. Фор-
мат кадра из соображений повышения реальности восприятия был
принят равным 5:3.
В странах, где существует 525-строчный стандарт разложения
(например, США, Япония), решили выбрать другое число строк. Как
промежуточное значение между числами 1050 и 1250, было принято
число строк 1125. Одновременно этим стандартом принято число по-
лей в секунду, равное 60, что также способствовало снижению мерца-
ний [43]. Кроме того, по инициативе американских телекомпаний был
еще больше расширен формат кадра — до значения 5,33:3, или 16:9.
Таким образом, определились параметры нового стандарта на теле-
видение высокой четкости HDTV (High Definition Television), предста-
вленного японской телекомпанией NHK (Nippon Hoso Kyokai): 1125
строк, чересстрочное разложение, формат кадра 16:9, частота полей
60 Гц, частота строк 33750 Гц.
Осенью 1987 г. шесть европейских стран выступили с самосто-
ятельной инициативой утвердить следующие студийные нормы на
телевидение высокой четкости [44]: 1152 активные строки, частота
смены кадров 50 Гц, прогрессивная развертка, формат кадра 16:9.
Несмотря на то, что использование прогрессивной развертки спо-
собствует увеличению полосы частот ТВ сигнала, такой способ раз-
вертки сокращает возможные потери качества изображения в процес-
се преобразования стандартов. Для передачи сигнала ТВЧ, однако,
используется чересстрочный способ разложения [43].
В настоящее время, с появлением систем цифрового ТВ вещания,
нормы на ТВ изображение высокой четкости определяются стандар-
том MPEG-2. При этом, однако, технические трудности реализации
систем передачи, съемки и воспроизведения ТВ изображений высо-
кой четкости сдерживают внедрение и, следовательно, развитие та-
ких систем. Для выхода из этой ситуации, в течение последних де-
сятилетий в развитых странах стали появляться так называемые ТВ
системы улучшенного качества. Цель их разработки — не подвер-
гая ТВ систему существенным изменениям, а в некоторых случаях
и сохраняя ее совместимость, добиться доступными техническими
средствами определенного улучшения качества изображения. Кро-
ме того, из-за ряда причин, необходимо заранее «познакомить» те-
лезрителя, а также потенциальных разработчиков, с изображением
нового формата и нового качества.
13.3.2. Телевизионные системы с широкоформатным
изображением
Существует ряд ТВ систем улучшенного качества, позволяющих
воспроизводить изображение с широким форматом кадра, т.е. с соот-
ношением сторон 16:9. Среди таких-систем следует назвать прежде
330
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Рис. 13.25. Принцип кодирования сигнала в ТВ системе PAL-plus
всего систему PAL-plus. К ее достоинствам следует отнести совме-
стимость со стандартным телевидением, предусматривающим фор-
мат кадра 4:3. Кроме того, достаточно широкое применение системы
PAL-plus в наземном ТВ вещании в странах Европы создавало допол-
нительный стимул разработчикам широкоформатных кинескопов и
других воспроизводящих устройств.
Развитие систем широкоформатного телевидения позволило на-
селению приобрести определенный парк широкоформатных ТВ при-
емников. Это связывалось с перспективами появления ТВ систем
высокой четкости и с широкоформатным изображением.
Концепция системы PAL-plus заключается в следующем. На пе-
редающей стороне ТВ системы сигнал, соответствующий широкофор-
матному ТВ изображению, кодируется таким образом, что его можно
принять и на обычный телевизор с соотношением сторон экрана 4:3,
и на специализированный приемник, предназначенный для воспро-
изведения изображений с форматом 16:9.
Схема построения кодирующего устройства системы PAL-plus
показана на рис. 13.25, принцип получения изображения — на
рис. 13.26.
На передающей стороне ТВ системы с помощью широкоформат-
ной техники формируется исходное изображение с форматом 16:9.
Непосредственно оно не может быть передано в эфир, так как при
этом владельцы телевизоров с форматом 4:3 увидят это изображение
с координатными искажениями. Существует способ, позволяющий
«вписать» кадр с форматом 16:9 в экран с форматом 4:3. Способ
этот известен под названием «Letterbox» и заключается в том, что
при воспроизведении кадра с форматом 16:9 на экране с форматом
4:3 свободными (не занятыми изображением) остаются сравнительно
узкие полоски снизу и сверху экрана. Это явление знакомо теле-
зрителям и встречается всегда при демонстрации широкоэкранных
фильмов. При. этом черные полоски сверху и снизу на экране до-
статочно привычны и не отвлекают внимание. Однако кадр формата
16:9 воспроизводится при этом не в полной четкости по вертикали,
так как его вертикальный размер занимает не всю высоту экрана, но
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
331
Рис. 13.26. Принцип получения изображения в системе PAL-plus
при этом весь широкоформатный кадр умещается на экране и там
еще остается место, например, для титров.
Для осуществления этого способа на передаю ищи с тороне переда-
ваемое широкоформатное изображение записывается с/г рока за стро-
кой в специальное устройство памяти и считывается оттуда в другой
последовательности строк. На рис. 13.25 эго показано в виде ком-
мутатора, который работает с периодом в четыре строки и за свой
цикл работы три строки записывает в нижнее по схеме запомина-
ющее устройство, а одну — в верхнее. В результате из 576 строк,
образующих в системе PAL активную часть кадра, исключается ка-
ждая четвертая, в результате чего остаются 432 строки. Эти строки
передаются в эфир в середине поля и на экранах приемников за-
нимают соответственно центральную часть. Остальные 144 строки,
записанные в верхнее по схеме запоминающее устройство, разбива-
ются на две группы по 72 строки, и из них формируется вспомога-
тельный сигнал (Helper), который передается в эфир в начале и в
конце поля. На экране обычного телевизора он занимает соответ-
ственно верхнюю и нижнюю полосы, между которыми и находятся
432 строки с передаваемым изображением.
Таким образом, пространственные соотношения сохраняются, и
на экране обычного телевизора с форматом 4:3 можно видеть кадр
широкоформатного ТВ изображения без геометрических искажений.
Остается принять меры к тому, чтобы передаваемый вспомогатель-
ный сигнал, который занимает по 72 строки сверху и снизу, на экране
обычного телевизора создавал бы изображение черного поля, не от-
влекая зрителя, и при этом передавал бы информацию об «изъятых»
144 строках для восстановления их в специальном ТВ приемнике.
332
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
_Ур£_вень
черного
Вспышка цветовой синхронизации
Рис. 13.27. Осциллограмма двух соседних строк ТВ кадра на нижней грани-
це изображения в системе PAL-plus
Эта задача решается в системе PAL-plus при формировании вспо-
могательного сигнала следующим образом. В «изъятых» 144 строках
сигнала сохраняется только яркостная информация. Она передается
в активной части каждой из 144 строк методом амплитудной моду-
ляции цветовой поднесущей. На рис. 13.27 показана осциллограмма
двух строк ТВ кадра, соответствующих номерам 504 и 505, что соот-
ветствует началу темной полосы в нижней части кадра. Таким обра-
зом, 144 строки, видимые в верхней и нижней частях экрана обычного
телевизора, выглядят примерно так, как показано на рис. 13.27 спра-
ва. Они содержат сигнал яркости, имеющий в активной части строки
уровень черного, и сигнал цветовой поднесущей, промоделированный
по амплитуде сигналом яркости, полученным от строк, «изъятых» в
процессе кодирования и направленных коммутатором в запоминаю-
щее устройство для вспомогательного изображения.
В специализированном ТВ приемнике, предназначенном для вос-
произведения изображения в формате 16:9, также содержится устрой-
ство памяти, запоминающее принятые строки и «переставляющее» их
во времени таким образом, что 144 строки, передаваемые в составе
вспомогательного сигнала, оказываются на своих местах и восстана-
вливают исходную вертикальную четкость изображения. При этом,
правда, оказывается, что информация о цвете в этих строках безвоз-
вратно утрачена и при воспроизведении изображения она берется из
соседних строк, которые передавались в цвете. Это обстоятельство,
однако, не приводит к значительной потере качества воспринимае-
мого цветного изображения из-за известных особенностей цветового
зрения. Например, такой же прием используется в каждой строке на
приеме цветного изображения в системе SECAM.
13.3.3. Телевизионные системы с уплотнением
во времени
Рассмотренные выше системы передачи цветного ТВ изображе-
ния NTSC, PAL, SECAM имеют общий признак — они изначально
должны были удовлетворять требованиям совместимости с системой
черно-белого телевидения. Вместе с тем, попытки избавить их от не-
которых характерных недостатков привели к использованию прин-
ципа последовательной во времени передачи сигналов цветного ТВ
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
333
изображения. Проводимые в этом направлении исследования име-
ли целью улучшить цветопередачу, в особенности, в условиях пло-
хого приема, улучшить качество передачи многоканального звуково-
го сопровождения, снизить уровень перекрестных искажений между
сигналами яркости и цветности.
В 1980 г. способ передачи ТВ сигнала под названием MAC (Mul-
tiplexed Analogue Components) был представлен в Великобритании
фирмой IB A (Independent Broadcasting Authority). Идея тогда заклю-
чалась в разработке единой для всей Европы системы спутникового
ТВ вещания [43]. Стандарт МАС позволяет получить улучшенное
изображение на экране телевизора по сравнению с системами PAL,
SECAM, NTSC, но требует несколько большей полосы частот — она
определяется спектрохм сжатой яркостной компоненты и достигает
значения 8,4 МГц. А с учетом высокочастотных предыскажений,
вводимых на передающей стороне, полоса пропускания радиокана-
ла для приема сигнала D 2-М АС без потери четкости должна соста-
влять не менее 10 МГц.
В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных
различают стандарты В-МАС, С-МАС, D-MAC, D2-MAC, Е-МАС для
телевидения повышенного качества и HD-МАС и HDB-MAC для те-
левидения высокой четкости (ТВЧ). Остановимся подробнее на стан-
дарте D2-MAC, получившем в свое время широкое распространение.
Система D2-MAC заняла достойное промежуточное место на пу-
ти к внедрению цифрового ТВ вещания. По сравнению с традици-
онными аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC для системы
D 2-М АС характерны следующие признаки:
• отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цвет-
ности;
• значительно снижены шумы от ЧМ канала в сигнале цветности
благодаря его переводу в область низких частот;
• сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и
другой служебной и дополнительной информации передаются в
цифровой форме;
• повышена четкость изображения за счет более широкой полосы
частот сигналов яркости и цветности.
Осциллограмму строки ТВ сигнала в системе D2-MAC
(рис. 13.28) можно разделить на две части: аналоговую и цифро-
вую. Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в тече-
ние активной части строки в сжатом во времени виде, а цифровая
часть сигнала ( звук, синхронизация, телетекст и др.) объединена в
пакеты, передаваемые в течение обратного хода по строке и по ка-
дру. Рассмотрим структуру сигналов, передаваемых на одной ТВ
строке в системе D2-MAC, показанную на рис. 13.28. Начальную
часть строки, составляющую около 17,2 мкс, занимает один из цве-
торазностных сигналов, которые передаются поочередно через стро-
ку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая
334
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Цифровые
сигналы
Аналоговые сигналы (ЧМ)
Сигнал
синхронизации
звука и данных
1
Площадка
фиксации
уровня
(15 тактов)
0,5
206
тактов
Чередующиеся
сигналы
цветности
Сигнал яркости
Уровень
белого
Уровень t
черного
1296 тактов (тактовая частота 20,25 МГц)
Рис. 13.28. Осциллограмма строки ТВ сигнала в системе D2-MAC
занимает около 34,4 мкс. Эти аналоговые сигналы имеют одну осо-
бенность по сравнению с обычными — они передаются в сжатом во
времени виде: цветоразностные сигналы сжимаются в 3 раза, а сиг-
нал яркости — в 1,5 раза.
Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием с
некоторой тактовой частотой (6,75 МГц для цветоразностных ком-
понент и 13,5 МГц для яркостной составляющей). Полученные сиг-
налы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего проис-
ходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой
(20,25 МГц). Цифровые данные передаются в так называемом дуоби-
иарном (трехуровневом) коде. В отличие от бинарного (двухуровне-
вого), в нем логической единице соответствует импульс положитель-
ной или отрицательной полярности. Логическому нулю соответству-
ет импульс нулевой амплитуды. Применение такого кодирования в
два раза снижает требуемую ширину полосы пропускания для дан-
ной скорости передачи данных, которая составляет 10,125 Мбит/с.
Обратный ход, в течение которого передаются цифровые данные, за-
нимает интервал порядка 10 мкс. Тактовая частота также составляет
20,25 МГц. Между цифровыми данными и цветоразностным сигна-
лом передается аналоговая площадка для фиксации уровня длитель-
ностью около 0,7 мкс и со значением сигнала, равным 0,5 максималь-
ного размаха яркостного и цветоразностного сигналов.
Следует отметить, что в стандарте D 2-М АС поддерживаются два
формата экрана: 4:3 и 16:9. Также предусмотрено три вида ’звуко-
вого сопровождения:
1) высококачественный стереофонический звук: 40... 15000 Гц
(два канала, частота дискретизации 32 кГц);
2) высококачественный монофонический звук: 40...15000 Гц (че-
тыре канала, частота дискретизации 32 кГц);
3) монофонический звук среднего качества: 40...7000 Гц (восемь
каналов, частота дискретизации 16 кГц).
Поэтому телезритель при приеме в системе D2-MAC может вы-
брать один из нескольких вариантов звукового сопровождения: сте-
рео или моно, на том или ином языке.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
335
Рис. 13.29. Схема кодирования сигнала в системе HD-MAC
В начале 90-х годов была предложена другая система ТВ ве-
щания из семейства МАС — система HD-МАС, ориентированная на
стандарт телевидения высокой четкости, со следующими основными
характеристиками: 1125 строк разложения, частота полей 50 Гц при
чересстрочной развертке. Формат кадра 16:9.
Особенность системы заключается в том, что опа использует
свойство зрения хуже замечать мелкие детали в быстро движущихся
изображениях. На этом и основано сокращение количества инфор-
мации, передаваемой на приемную сторону.
Чтобы сигнал мог быть передан по обычным спутниковым ТВ ка-
налам, как это возможно для других систем, 1250-строчное изображе-
ние должно быть преобразовано в 625-строчное. Кодер выполняет это
преобразование, но делает его адаптивным к движению. При этом ТВ
кадр разделяется на отдельные фрагменты, которые после выполнен-
ной «оценки» движения передаются в приемное устройство с различ-
ной дискретностью во времени. Это позволяет уменьшить передавае-
мую информацию и ограничить полосу частот сигнала изображения.
Структурная схема кодера в системе HD-МАС показана на
рис. 13.29. Кодирование изображения осуществляется по трем «ка-
налам»: Малоподвижные части изображения кодируются так, что
передаются с частотой полей 12,5 Гц (длительность поля 80 мс), од-
нако с полной вертикальной четкостью 1250 строк. В областях с
более быстрым движением объектов в кадре частота полей выбира-
ется 25 Гц (40 мс) и в областях кадра, где движение оказывается
интенсивным, частота полей равна 50 Гц (20 мс) и вертикальная
четкость — 625 строк.
Детектор движения, имеющийся в кодирующем устройстве, ана-
лизирует изображение, разделяет его на фрагменты и выбирает не-
обходимый режим кодирования. Эта дополнительная информация
передается в приемное устройство во время кадрового гасящего им-
пульса в виде специального вспомогательного сигнала DATV (Digital
Assisted Television) со скоростью 20,25 Мбит/с с помощью дуобинар-
ного кода. Приемник декодирует принятые сигналы и после обрат-
ной обработки восстанавливает исходный сигнал, соответствующий
вертикальной четкости 1250 строк.
Информация об изображении передается как последователь-
ность отсчетов изображения, следующих с частотой дискретизации
336
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
20,25 МГц. Минимально необходимая полоса частот составляет, та-
ким образом, 10,125 МГц. При передаче такого сигнала по спутнико-
вому каналу полосой в 27 МГц требуется определенная нелинейная
предкоррекция, позволяющая поднять уровень высокочастотных со-
ставляющих при передаче.
Упрощенный декодер системы HD-МАС не выделяет сигнал
DATV из гасящего импульса, поэтому расшифровывает передавае-
мый сигнал исходя из существующего стандартного 625-строчного
растра, т.е. в данном случае может воспроизводиться 625-строчный
«аналог» передаваемого многострочного изображения. Передача зву-
ка и дополнительной цифровой информации в системе HD-МАС не
отличается от остальных систем семейства МАС.
13.4. Перспективы развития систем
цифрового телевизионного вещания
13.4.1. Возможности интерактивной сети ТВ
вещания
В соответствии с принятой в России концепцией развития веща-
тельного телевидения ближайшее будущее вещательного телевиде-
ния — это цифровая многопрограммная система ТВ вещания [45].
Такая система будет интерактивной, потому что большинство услуг,
предоставляемых системой ТВ вещания населению, могут быть реа-
лизованы только в интерактивной системе.
Интерактивной ТВ системой называют систему, возможности ко-
торой позволяют организовать диалоговый обмен информацией ме-
жду телезрителем и центром подготовки ТВ программ [45]. Ме-
ждународный союз электросвязи определяет интерактивные службы
как службы, позволяющие пользователю реагировать в реальном или
квазиреальном масштабе времени на характер и содержание предо-
ставляемых услуг передачей соответствующих сообщений в пункты
расположения поставщиков услуг [45]. Соответственно, структура
интерактивных систем предусматривает не только наличие прямого
канала для передачи ТВ программ и дополнительной информации,
что характерно для традиционного понятия вещательной ТВ систе-
мы, но также наличие обратного канала передачи сообщений или
другой информации в обратном направлении, т.е. от телезрителей
к источникам ТВ программ [45].
Появление интерактивных ТВ систем значительно расширяет
возможности ТВ вещания, открывается возможность использования
системы вещательного телевидения в ряде новых качеств, в роли
информационно-справочной системы, а также для получения ряда
других услуг. Перечень этих услуг варьируется в зависимости от тех-
нических особенностей той или иной системы и потребностей поль-
зователей сети. Эти услуги принято объединять в пять основных
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
337
групп, по важности, по значимости для пользователя и по сложно-
сти реализации [45]:
А. Услуги, связанные с программами вещания или дополняющие
программы. Сюда входят, например: электронный путеводитель по
программам, различные описания передаваемых программ, телема-
газин, услуга «видео почти по заказу», и т.д.
Б. Вспомогательные данные и сигналы. К этой группе относятся
задачи опознавания достоверности объявлений, подтверждение раз-
личных сообщений, передача сигнала записи на домашний видеомаг-
нитофон, навигационная информация и т.д.
В. Услуги с применением прямого интерактивного канала. К
этим услугам относится передача газет, образовательных программ,
викторины, игры, в том числе и в реальном времени, телетекст.
Г. Услуги приемника при его загрузке информацией по прямому
каналу. К таким услугам относятся также игры, но при помощи теле-
визора с соответствующим программным обеспечением, передача ин-
формации с компакт-дисков, передача каталогов библиотеки аудио-
и видеозаписей, хранящихся у поставщика услуг (провайдера), пере-
дача информации, адресованной, например, для принтера.
Д. Услуги для отдельных индивидуумов или групп пользова-
телей. Примером таких услуг является дистанционное образование,
аудио- и видеоконференции, услуга «видео по заказу», банковские
операции, передача данных и т.д.
Следует заметить, что границы между перечисленными группа-
ми, как и сам перечень услуг, не являются жесткими.
В настоящее время в ряде западных стран накоплен опыт много-
летней коммерческой эксплуатации интерактивных ТВ систем. Этот
опыт позволил выделить ряд наиболее востребованных услуг, а так-
же наметить прогноз их развития с учетом роста возможностей се-
ти ТВ вещания и, как следствие, увеличить степень «интерактив-
ности» за счет совершенствования характеристик обратного канала.
За каждой услугой закрепились определенные названия или обозна-
чения. Ниже приведен ряд важнейших из них [46,47] с указанием
основных признаков.
Pay-per-Channel (РрС) — плата за канал:
• содержание программ и их последовательность определяются
распространителем;
• потребитель платит за возможность получения всего предлагае-
мого выбора программ, т.е. за весь канал целиком;
• отсутствие канала обратной связи «получатель — распростра-
нитель программ».
Pay-per-View (PpV) — плата за просмотр:
• потребитель оплачивает только отдельную просмотренную пере-
дачу, например, по тарифу, зависящему от времени просмотра:
• содержание программ и их последовательность во время вещания
определяются распространителем программ;
338
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
• требуется узкополосный канал обратной связи, например, теле-
фонный, между получателем и распространителем программ для
ежемесячного сбора данных.
Near-Video-on-Demand (NVoD) — «видео почти по заказу»:
• общий перечень предлагаемых программ определяется распро-
странителем;
• список программ передается со сдвигом во времени в виде не-
скольких «копий» таким образом, что в течение нескольких ми-
нут, например каждые 15 мин. зритель может дождаться нача-
ла списка;
• зритель просматривает список и делает выбор по своим интере-
сам и материальным возможностям;
• используется специальная приставка к телевизионному прием-
нику.
Interactive Video-On-Demand (IVoD) — интерактивное «видео по
заказу»:
• общий перечень предлагаемых программ определяется распро-
странителем;
• потребитель сам решает, в какое время и какой список ему лучше
всего заказать, сам составляет себе программу;
• потребитель может сделать запись предлагаемого списка.
Videogames — видеоигры:
• предлагаемые игры и их очередность определяются распростра-
нителем программ;
• потребитель платит фактически за использование программного
продукта («Downloading»).
Services-on-Demand (SoD) — сервис по заказу:
• содержание и объем предложений определяются распространи-
телем;
• потребитель может за определенную сумму заказать товары и
услуги, а также информацию, например: заказ товаров, книг,
банковские услуги, учебное телевидение.
При всех вариантах применения интерактивных средств муль-
тимедиа центральную роль играет дополнительный элемент, при-
ставка к телевизору — Set-Top-Box. Он имеет следующие основ-
ные функции:
1) переключает обычные телевизионные программы;
2) осуществляет MPEG-декодирование и цифро-аналоговое пре-
образование программ мультимедиа;
3) осуществляет связь с источником ТВ программ, к которому
подключен потребитель;
4) включает устройство для расчета оплаты услуг.
Стоимость приставки (Set-Top-Box) в настоящее время снижает-
ся и для некоторых моделей лежит в пределах 300 долл. США. Set-
Top-Box берет на себя функции, свойственные персональному ком-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
339
Рис. 13.30. Эволюция интерактивных служб
пьютеру, связывая при этом телевизионный приемник, телефон и
источник программ.
Перечисленные услуги (рис. 13.30) различаются между собой, в
основном, степенью интерактивности. При этом происходит посте-
пенное формирование служб и услуг с наиболее высоким уровнем
интерактивности.
Таким образом, службы и услуги, предоставляемые интерактив-
ной сетью ТВ вещания, могут различаться:
1) уровнем интерактивности;
2) использованиелМ различных информационных сетей;
3) степенью использования цифровой техники.
В настоящее время в США и странах Европы, а также в России,
действует ряд систем интерактивного телевидения. Такие системы,
успешно прошедшие испытания, например, в Орландо (США), а так-
же в ряде городов Германии, достаточно убедительно доказали свою
способность предоставить населению целый ряд новых услуг, увели-
чить экономическую эффективность и усилить способность наращи-
вать возможности, гибко реагируя на требования формирующегося
рынка такого рода услуг.
13.4.2. Передача дополнительной информации
в вещательных телевизионных системах
Система распределения дополнительной информации «Теле-
текст» является по своей сути системой интерактивной, так как вы-
бор содержания страниц и журналов «Телетекста», а также способ
взаимодействия зрителя с сетью ТВ вещания в процессе заказа и по-
лучения дополнительной информации, является двусторонним про-
цессом, эффективно проходящим только при интерактивном взаи-
модействии.
Вещательное распространение дополнительной информации по
аналоговому ТВ каналу началось в Великобитании в 70-е годы. Лишь
340
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
несколькими годами позже развитие потребностей общества в инфор-
мационно-справочной системе привело к появлению системы «Теле-
текст» [48]. Общим признаком различных модификаций этой систе-
мы является передача дополнительной информации в интервале ка-
дрового гасящего импульса, причем только в те промежутки времени,
когда это не мешает другим передаваемым сигналам [49, 50]. Переда-
ча информации в интервале кадрового гасящего импульса возможна
не во всех системах ТВ вещания в равной степени. Это связано с
использованием интервала гашения, например, для цветовой синхро-
низации в системе SECAM. Кроме того, система передачи дополни-
тельной информации должна учитывать стандарт развертки и другие
необходимые характеристики ПЦТВС для обеспечения безошибочной
передачи и декодирования информационных пакетов.
Первые системы «Телетекст», называвшиеся SEEFAX и
ORACLE, были английскими. В настоящее время функционирование
системы регламентируется рекомендацией [51]. В качестве стандарт-
ных утверждены четыре системы — А, В, С и D.
Система А, известная под названием «Didon-Antiope», разрабо-
тана и используется во Франции. Система В разработана в Велико-
британии и используется там и в других странах. Она известна под
названием WST (World System Teletext — международная система те-
летекста). Система С — североамериканская, она получила название
NABTS (North American Broadcasting Television System — североаме-
риканская вещательная система телетекста). Она была разработана
в Канаде и используется в Канаде и в США. Наконец, система D
разработана и используется в Японии.
Наиболее широкое распространение в настоящее время получи-
ла система WST. В частности, в России активно используется си-
стема «Телетекст» (WST), причем для передачи как информации о
текущих ТВ программах, так и разных других сведений, важных для
повседневной жизни общества [21].
Характер и количество дополнительной информации, передава-
емой в вещательных ТВ системах, определяется, прежде всего, по-
требностями пользователей и статистикой спроса. Поэтому доста-
точно востребованной услугой в таких системах является функция
доступа к ресурсам сети Интернет. Популярность такой услуги свя-
зана с тем, что сеть Интернет является универсальным источником
разнообразной информации, и эта информация представлена в фор-
мате, предполагающем передачу именно по таким низкоскоростным
каналам, каким является канал передачи дополнительной информа-
ции в вещательной ТВ системе.
Пользование услугой доступа в Интернет по каналу вещательно-
го телевидения в данном случае предполагает, что пользователь сна-
чала выбирает интересующий его сайт из определенной «карусели»
наиболее популярных сайтов, перечень которых ему с определенной
периодичностью передается по каналу дополнительной информации.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
341
Затем, выбрав определенный сайт, в качестве следующего шага поль-
зователь указывает интересующую его ссылку. Далее, в зависимости
от характера системы и объема памяти, пользователь может углу-
бить поиск в интересующем его направлении и «скачать» на свой
терминал интересующую его информацию [53].
13.4.3. Возможность передачи телевизионных
программ по узкополосным каналам
Появление новых технологий ТВ вещания, а также новых ка-
налов передачи данных, с развитием информационных технологий в
обществе заставляет вещательное телевидение адаптироваться к но-
вым формам распространения ТВ программ. Это важно, во-первых,
ввиду постоянного роста количества ТВ программ и потребности в
них, а также из-за особенностей цифровой формы распространения
ТВ сигнала, которая предъявляет менее жесткие требования к ха-
рактеристикам канала передачи по сравнению, например, с анало-
говыми ТВ системами.
Как показано в гл. 5, система цифрового телевидения способна,
например, обеспечить кодирование информации и сокращение ско-
рости передачи до заданного значения, определяемой требования-
ми канала.
Если стандарт кодирования MPEG-2, сокращая скорость цифро-
вого потока в десятки раз, позволил снизить скорость потока при
передаче ТВ программы до нескольких мегабит в секунду и получил
широкое распространение в вещательном телевидении, то для пере-
дачи изображения по компьютерной сети или по телефонному каналу
такая скорость все еще велика. Усилия разработчиков группы MPEG
в последние годы были направлены на создание стандарта MPEG-4,
который обладает новыми возможностями кодирования информации
и позволяет снизить цифровой поток при кодировании изображения
до нескольких десятков килобит в секунду. Такое значительное со-
кращение цифрового потока незаменимо для ряда практических за-
дач — в видеоконференцсвязи, при передаче видеоинформации по
узкополосным, например, телефонным каналам, по сети Интернет.
Особенностью стандарта MPEG-4 является так называемый объ-
ектно-ориентированный подход к кодированию изображений, сущ-
ность которого заключается в том, что передаваемое изображение,
а также звуковое сопровождение, могут быть представлены как со-
вокупность аудио- и видеообъектов. Такими объектами могут быть
люди или предметы, находящиеся перед неподвижным фоном, а так-
же сам фон. Аудиообъектами также могут быть голоса людей, му-
зыка, и т.д. Связанные аудио- и видеообъекты, например, изобра-
жение человека и его голос, образуют единицу кодируемой инфор-
мации в стандарте MPEG-4 — «аудио-визуальный объект» (АВО)
(Audio-Visual Object, AVO) [21, 54].
342
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Описание изображения имеет иерархическую структуру. Алго-
ритм анализа изображения, используемый в стандарте MPEG-4, бли-
зок к механизму зрительного анализа изображения, для которого
также характерна определенная иерархия в восприятии отдельных
объектов (по их размеру и значимости). Соответственно, структу-
ра построения кодирующего устройства определяется самой логикой
кодирования образа на передающей стороне: изображение передавае-
мой сцены сначала анализируется, разделяется на отдельные АВО, к
каждому из которых применяются соответствующие средства анали-
за и кодирования. После кодирования информация представляется
в виде специального протокола, который называется DMIF (Delivery
Multimedia Integration Framework, интегрированная система достав-
ки мультимедиа) и управляет потоками данных для мультимедиа.
Этот протокол охватывает три основные сферы применения стандар-
та MPEG-4 — передачу по интерактивным сетям, например, по сети
Интернет, передачу по обычным вещательным каналам, а также за-
пись видеопрограмм на компакт-диски [21].
Стандарт MPEG-4 обладает большим набором средств для ко-
дирования различной информации об объекте. Закодирована также
может быть и дополнительная информация, например, текст, кото-
рый в виде окна может появиться на экране при воспроизведении
сцены. В стандарте предусмотрены методы кодирования изображе-
ний, среди которых есть как традиционные для MPEG-1 и MPEG-2,
так и принципиально новые, основанные на понятии АВО. Стандарт
может эффективно работать как с синтетическими изображениями,
так и с реальными, применяя в каждом случае соответствующие ин-
струменты кодирования.
Стандарт MPEG-4 окончательно был принят только в 1999 г.
[54]. Его более широкое применение в вещательном телевидении зна-
чительно увеличит эффективность использования каналов переда-
чи. Одно из применений стандарта связано с передачей ТВ про-
грамм по сети Интернет.
13.4.4. Передача телевизионных программ по сети
Интернет
Рост потребности общества в новых ТВ программах, в информа-
ции вообще, требует развития новых технологий ТВ вещания и новых
каналов доставки ТВ программ телезрителям. Сеть Интернет в этом
смысле всегда привлекала внимание разработчиков. Например, она
практически свободна от национальных и географических ограниче-
ний, от ограничений по времени, и, самое главное, ее популярность
растет чрезвычайно быстро. Из всех современных информационных
технологий наиболее быстро развивающейся является сеть Интернет.
Достаточно сказать, что число людей, которых по общению с сетью
можно назвать пользователями, ежегодно удваивается. Считается.
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
343
что к 2010 году их число составит один миллиард человек [55]. Кро-
ме того, передача аудиовизуальной информации через Интернет и,
тем более, данных, давно не является технической проблемой.
Все это позволяет считать привлекательной возможность осу-
ществлять вещание ТВ программ через сеть Интернет. Появились
эквивалентные термины — веб-вещание или Интернет-вещание. Су-
ществует также понятие «стриминг» или «видеостриминг», от англо-
язычного слова streaming, обозначающего процесс передачи цифро-
вого потока мультимедийной информации по сети.
Однако в отличие от эфирного вещания распространение инфор-
мации в сети Интернет происходит по другим законам. Особенность
сетей связи (в том числе и сети Интернет) состоит в том, что ин-
формация в них распространяется частями, т.е. пакетами. Каждый
такой пакет, неся в себе (кроме основной информации) адреса отпра-
вления и назначения и проходя через сетевое оборудование, напра-
вляется в пункт назначения по маршруту, который в данный момент
является оптимальным.
Как известно, сеть Интернет изначально строилась но принци-
пу децентрализации. В этом ее разработчики видели залог высокой
надежности и живучести в случае возникновения непредвиденных си-
туаций. Это обстоятельство является достоинством, так как вырав-
нивает нагрузку на различные звенья сети, делая их равноправны-
ми, но оборачивается недостатком, когда в результате оказывается
так, что ни время доставки, ни последовательность доставки паке-
тов не являются жестко определенными. Такую ситуацию можно
сравнить, например, с чтением художественной литературы, публи-
куемой в периодической печати по частям, когда доставка журнала
либо задерживается, либо происходит нарушение последовательно-
сти выхода номеров. Этим объясняются принципиальные сложно-
сти, возникающие при передаче мультимедийной информации по се-
ти Интернет, или, как говорят, мультимедийного трафика — аудио-
или видеоинформации. Например, известная и недорогая услуга —
телефонный разговор по сети Интернет (IP-телефония) имеет плохое
качество звука в основном по этой причине.
Еще одно обстоятельство, влияющее на возможность распростра-
нения ТВ программ по сети Интернет, заключается в способе рас-
пространения (маршрутизации) информационных пакетов. Сеть Ин-
тернет способна доставлять пакеты по адресному принципу, т.е. из
одного компьютера (сервера) в компьютер получателя, или, как го-
ворят, «из точки в точку», как это показано на рис. 13.31,а. Та-
кой способ распространения информации называется unicasting, или
«унивещание» [56]. Для распространения ТВ программ этот способ
плох тем, что попытка большого количества пользователей сети «зай-
ти» на сервер, откуда распространяется интересующая их програм-
ма, не удается, так как сервер может одновременно отправлять ин-
формацию ограниченному числу пользователей. Кроме того, форми-
344
ЧАСТЬ III. Системы цветного телевидения
Сервер 2
Сервер 1
Сервер 2
ровать большое количество почти одинаковых потоков информации
для большого числа пользователей нерационально. В примере, по-
казанном на рисунке, пользователи 1, 4 и 5 запросили информацию
с сервера 7, в результате чего сервер формирует три потока данных,
предназначенных для названных пользователей.
Технология неограниченного распространения информации, на-
зываемая «broadcasting» («широкое вещание») и свойственная, на-
пример, эфирному вещанию, теоретически также может быть реа-
лизована в сетевом варианте (рис. 13.31,6), однако распространение
информации без соответствующего запроса пользователя также при-
водит к нерациональной загрузке участков сети.
Достаточно универсальной является технология «multicasting»
(«мультивещание»), показанная на рис. 13.31,в. Этот способ рас-
пространения мультимедийной информации в сети Интернет счита-
ГЛАВА 13. Аналого-цифровые и цифровые системы ЦТ
345
ется перспективным и позволяет так изменить работу сетевого обо-
рудования, что в процессе маршрутизации информационных пакетов
происходит их размножение (где это нужно) и распространение сре-
ди определенной группы получателей. Это не только разгружает
сервер, являющийся источником распространяемой ТВ программы,
но также позволяет незаметно для получателя организовать «веща-
ние» отдельных частей ТВ программы с разных серверов. Такой
способ позволяет организаторам вещания хранить распространяемую
информацию у ее владельца, а не сосредотачивать ее на одном серве-
ре. Кроме того, этот способ оптимизирует нагрузку на сеть, хотя и
предъявляет повышенные требования к сетевому оборудованию. В
приведенном на рисунке примере пользователи 1, 3, 4 и 5 запроси-
ли информацию с сервера 7, в результате чего получают ее в режи-
ме «мультивещания». Для реализации такого режима в некоторых
узлах обеспечивается не только маршрутизация, но и размножение
пакетов информации и распространение их среди пользователей —
участников группы «мультивещания». В этих же узлах, как видно
из рисунка, могут быть аналогично созданы условия для распростра-
нения информации тем же получателям, но уже с сервера 2, Такой
переход от одного источника информации к другому, при неизменном
составе получателей, может быть осуществлен для них незаметно.
Однако наиболее жесткое требование, предъявляемое возможно-
стями сети Интернет к распространяемой по сети информации, это
ограниченная скорость потока. Дело в том, что по статистике по-
давляющее большинство пользователей сети Интернет способны об-
щаться с сетью с помощью модема и телефонной линии, т.е. по тех-
нологии «dial-up». Скорость передачи информации при этом соста-
вляет в среднем 33 кбит/с. Это определяет требования к способу
кодирования информации, которое должно обеспечить передачу ТВ
программы с заданной скоростью. Разработка стандарта MPEG-4,
позволяющего эффективно сокращать цифровой поток передаваемо-
го изображения, в своем низкоскоростном уровне (Very Low Bitrate
Video, VLBV) допускает передачу изображений небольшого формата
со скоростями от 5 до 64 кбит/с, что соответствует среднестатисти-
ческим скоростям в сети Интернет.
Часть IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
Глава Ц
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ЦЕНТРЫ
14.1. Структура телевизионного центра
Телевизионный центр, или телецентр, представляет собой на-
бор технических средств для создания ТВ программ и осуществле-
ния ТВ вещания. Различают программные и ретрансляционные те-
лецентры, в зависимости от их технических возможностей и выпол-
няемых задач.
Программные телецентры имеют телевизионные студии или
иные средства для создания ТВ программ, ТВ фильмов, реклам-
ных роликов или, как это принято называть, видеопродукции. Они
обладают также техническими возможностями для консервации (за-
писи и хранения) готовых программ, программ других телецентров
и их трансляции.
Ретрансляционные телецентры не создают собственных про-
грамм, а транслируют программы, получаемые от других телецен-
тров по существующим каналам связи.
Укрупненная структурная схема телецентра показана на
рис. 14.1. Достаточно крупный телецентр имеет аппаратно-студий-
ный комплекс (АСК), предназначенный для производства ТВ про-
грамм, радиопередающий комплекс для тех видов вещания, для ко-
торых предназначен данный телецентр (эфирное, кабельное вещание,
и т.д.), а также необходимое оборудование для связи с другими те-
лецентрами, например, с помощью радиорелейной линии связи (ме-
ждугородная аппаратная). Имеется также аппаратная для обслужи-
вания передвижной телевизионной станции (ПТС), предназначенной
для выездных съемок, проводимых вне студии, для трансляции кон-
цертов, спектаклей и т.д.
Телевизионные передачи, которые готовятся на телецентре, по
виду использования технических средств подразделяются на студий-
ные и внестудийные. Студийные передачи создаются в АСК телецен-
тра с использованием сигналов, поступающих из студий, от средств
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
347
Рис. 14.1. Укрупненная структурная схема телецентра
видеозаписи (например, видеомагнитофонов), с использованием теле-
кинопроектора и киноматериалов. Внестудийные передачи создают-
ся с помощью ПТС, репортажных телевизионных установок, а. также
из междугородных программ, принятых по радиорелейным, кабель-
ным и спутниковым ретрансляционным линиям связи. Возможны
смешанные варианты создания программ.
Производство видеопродукции представляет собой процесс созда-
ния самостоятельных сюжетно-законченных частей ТВ программы,
включающий подготовку ТВ передачи в специально оформленной
студии; запись передачи (кроме прямых передач в эфир), включая
дубли и отработку сцен, компоновку и монтаж сюжета передачи из
заранее подготовленных видео- или киноматериалов с необходимыми
спецэффектами, наложением титров и звука [57].
Средства видеозаписи ТВ программ предназначены для видеоза-
писи, монтажа, воспроизведения отдельных фрагментов и полных ТВ
программ. Первичные видеофонограммы или видеоматериал, с нало-
женными титрами, спецэффектами, и т.д., поступают из студийных
аппаратных, а также от внешних источников, монтируются, озвучи-
ваются и хранятся в виде упорядоченных записей. Готовые сюжеты,
записанные на магнитную ленту, запрашиваются из центральной ап-
паратной или источника видеозаписей во время выхода программы в
эфир. Эти же видеосюжеты могут быть скопированы для нужд теле-
центра или обмена с другими организациями. Наиболее ценная ТВ
и видеопродукция поступает на хранение в видеотеку АСК, а затем
348
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
— в специальные архивные хранилища.
Центральная аппаратная представляет собой коммутационно-
распределительный узел телецентра. В ней обеспечивается прием
сигналов изображения и звука от внешних и внутренних источни-
ков программ, коммутация источников сигналов с их потребителя-
ми, организуется оперативная связь со всеми службами телецентра.
В центральную аппаратную поступают сигналы программ от средств
видеозаписи, из телекинопроекционной аппаратной и от передвиж-
ных технических средств.
Качество работы оборудования телецентра контролирует служ-
ба технического контроля с помощью комплекса контрольно-изме-
рительной аппаратуры.
К вспомогательным службам АСК относятся: лаборатории, ре-
монтные мастерские, просмотровые залы, монтажные и перемоточ-
ные стенды, а также артистические, гримерные, костюмерные, репе-
тиционные помещения; декорационные мастерские и склады, каби-
неты журналистов, ведущих программ и т.п.
Телевизионный передающий комплекс (см. рис. 14.1) предназна-
чен для радиопередачи (в эфир, по коаксиальному кабелю, на спут-
никовый ретранслятор, в сеть сотового телевидения, и т.д.) теле-
визионных программ, создаваемых на данном телецентре, а также
программ, поступающих извне на телецентр по внешним линиям свя-
зи. В состав передающего комплекса входят следующие помещения
и оборудование [57].
Телевизионная радиостанция с передатчиками ТВ сигналов (ви-
део) и звукового сопровождения. Каждый ТВ канал имеет свою пару
передатчиков. Кроме того, каждый передатчик состоит из двух полу-
комплектов в одном ТВ канале, мощности которых складываются в
мостовом устройстве. Сигналы передатчиков звука и видео склады-
ваются на выходе и подаются в общую антенно-фидерную систему.
Аппаратная междугородного телевидения (АМТ) обеспечивает
коммутацию сигналов изображения и звука от местного телецентра и
передачу их в кабельные, радиорелейные и спутниковые линии связи.
Аппаратная также принимает центральные и другие программы по
радиорелейным линиям связи и со спутников, для включения их в
передачи местного телецентра.
Аппаратная передвижных телевизионных станций обеспечивает
двустороннюю маломощную связь в ДМВ диапазоне с ПТС.
Радиолаборатория и ремонтная мастерская.
Антенны и фидерные устройства передатчиков и приемников те-
левизионной радиостанции, а также других служб аналогичного на-
значения, размещаются на единой антенной вышке.
Все аппаратные ТВ передающего комплекса связаны с собствен-
ным пультом управления и контроля, двусторонне связанным с пуль-
том центральной аппаратной АСК.
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
349
14.2. Аппаратно-студийный комплекс
Аппаратно-студийный комплекс представляет собой комплекс
помещений и размещенного в них оборудования, предназначенный
для производства видеопродукции — ТВ программ и их отдельных
частей с использованием сигналов от собственных передающих ка-
мер или иных источников видеоинформации, которыми располага-
ет телецентр. При этом применяются превращенные в видеосигна-
лы киноматериалы, диапозитивы, фотографии, видеозаписи с видео-
магнитофонов, от компьютеров, также видеопродукция от внешних
источников [57].
В состав АСК входят студии, которых может быть несколько,
причем они отличаются по размеру, и, следовательно, по назначению.
Каждая студия представляет собой звукоизолированное помещение с
размещенной в нем осветительной, телевизионной и звуковой аппара-
турой, технической аппаратной с пультами видео- и звукоинженеров,
а также аппаратные видео- и звукорежиссеров.
Студия оборудована системой освещения, управляемой с пуль-
та осветителя или вручную, микрофонами на специальных штангах
(«журавлях»). В ней установлены телевизионные камеры на штати-
вах, выносные контрольные видеомониторы, система служебной свя-
зи с персоналом технической аппаратной и режиссерами. В студии
размещены также дикторский пульт, специальная мебель и декора-
ции, или техника для их синтеза.
Студия представляет собой коробку (по размеру соответству-
ющего помещения), установленную на специальных амортизаторах,
позволяющих уменьшить проникновение в студию вибрации здания.
Стены и потолок студии покрываются звуконепроницаемыми и зву-
копоглощающими материалами, создающими естественность звуча-
ния. В стене, прилегающей к видео- и звукорежиссерским аппарат-
ным, имеется большое смотровое окно, обеспечивающее обзор всей
студии творческими работниками, создающими ТВ программу.
В технической аппаратной размещается аппаратура формирова-
ния сигнала. Такая аппаратура, в задачи которой входит дальней-
шая обработка ТВ сигнала, полученного от передающей камеры, на-
зывается камерным каналом. Количество камерных каналов, распо-
ложенных в технической аппаратной, определяется числом камер в
студии. Кроме того, имеется аппаратура контроля и измерений, ап-
паратура синхронизации и микшерного оборудования, а также видео-
мониторы. С пульта видеоинженера производится контроль и упра-
вление работой датчиков сигналов, переход на резервные комплекты
оборудования, координация действий технического персонала в сту-
дии и, если необходимо, — в телекинопроекционной аппаратной. К
технической аппаратной относится также оборудование видеокомму-
таторов, микшерных устройств, знакогенераторов, генераторов элек-
тронной испытательной таблицы, датчиков специальных эффектов и
дополнительной текстовой и графической видеоинформации.
350
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аппаратная звука оснащена звуковыми колонками (звуковыми
мониторами), магнитофонами и другим оборудованием, управляе-
мым с пульта звукорежиссера.
В состав оборудования аппаратной видеорежиссера входят:
пульт видеорежиссера с рабочими местами ассистентов режиссера
с коммутационно-микшерным оборудованием; программное устрой-
ство с набором блоков спецэффектов; органы управления служеб-
ной связью.
При формировании программы используются коммутаторы,
микшеры, генераторы спецэффектов, системы электронной рирпро-
екции, телевизионные знакогенераторы, «световое перо», синтезато-
ры цветных фонов и эффектов, а также видеозаписи, аппаратура
электронного монтажа.
Устройство спецэффектов на основе цифровой техники обеспечи-
вает изменение размеров и наклона растра, вращение изображения в
разных плоскостях, введение участков изображения с масштабиро-
ванием, изменение цвета и фона изображения, образование цветных
тянущихся продолжений и т.д. Спецэффекты могут быть созданы
аппаратурой компьютерной видеографики с мультипликацией и др.
Системы электронной рирпроекции предназначены для форми-
рования комбинированных изображений, в которых объекты перед-
него плана (актеры и предметы реквизита) размещаются перед таким
изображением заднего плана, которое выбирает режиссер и заранее
«вводит» его в устройство рирпроекции [8]. Это можно увидеть па
экране телевизора, когда, например, лицо диктора располагается на
фоне кадров, иллюстрирующих комментируемые им новости. При
этом на самом деле диктор сидит в студии, глядя в объектив каме-
ры, а за его спиной располагается так называемый «условный фон»
— равномерно окрашенная поверхность. Она окрашена таким цветом
(обычно синим), который является статистически редким и не дол-
жен встречаться ни в одежде артистов, ни в реквизите, находящихся
в студии. При обработке ТВ сигнала, полученного от камеры, проис-
ходит следующее: фрагменты ТВ сигнала, соответствующие по цве-
ту условному фону, управляют работой специального коммутатора,
заменяющего их на фрагменты другого сигнала, который в данный
момент используется вместо заднего плана. Такой способ позволяет
использовать при съемке в студии заранее подготовленный задний
план, что, безусловно, значительно расширяет творческие возмож-
ности создателей ТВ программы.
В последние годы появился еще один способ расширения твор-
ческих возможностей режиссера при съемке программы в условиях
студии. Этот способ известен под названием «виртуальной студии»
[58] и представляет собой сочетание технологии рирпроекции с ком-
пьютерным синтезом изображения. Техника рирпроекции позволяет
лишь заменить изображение заднего плана в снимаемой сцене дру-
гим изображением, таким же «плоским» и не меняющимся при из-
ГЛАВА 14, Телевизионные центры
351
менении позиции съемочной камеры в студии. В отличие от это-
го технология виртуальной студии позволяет режиссеру значительно
больше: она предполагает наличие мощного компьютера, который
по заранее введенным данным синтезирует виртуальные изображе-
ния реквизита и других предметов передаваемой сцены и «встраива-
ет» эти изображения в сформированный ТВ сигнал. Синтезирован-
ные изображения для телезрителя оказываются неотличимы от на-
туральных — имеют такие же тени и блики, так же изменяются при
«наезде» камеры на снимаемый объект или группу, «перекрывают»
друг друга, если необходимо. Компьютер, синтезирующий изображе-
ния «виртуальных» объектов сцены, располагает необходимой для
этого информацией и так же, как и при рирпроекции, используется
«условный» задний план, содержащий в этом случае не просто фон с
определенным цветом, а некоторый плоский схематический рисунок
на заднем фоне. Этот рисунок, безусловно, не появляется в кадре
уже готовой ТВ программы, однако он воспринимается съемочной
камерой, а затем — компьютером. По трапецеидальным и другим
перспективным искажениям этого рисунка, компьютер получает ин-
формацию о том, каким пространственным преобразованиям должен
быть подвергнут образ виртуального объекта сцены, находящегося
на месте заднего плана.
Продукцией на выходе АСК являются полный цветовой теле-
визионный сигнал (ПЦТВС), соответствующий требованиям ГОСТ
7845-92, в форме видеозаписи или подготовленный для прямой пере-
дачи в эфир, который окончательно формируется в линейном уси-
лителе, где в видеосигнал вводятся сигналы синхронизации. Для
стабилизации выходных уровней ПЦТВС в линейном усилителе ис-
пользуется система автоматической регулировки усиления.
14.3. Телевизионные передающие камеры
Передающая телевизионная камера предназначена для преобра-
зования светового потока, отраженного от объекта, в электрические
сигналы трех цветоделенных изображений, подаваемые в блок ка-
мерного канала по камерному кабелю. Для работы в составе АСБ и
ПТС предназначены студийные цветные телевизионные камеры [26,
59-61]. Такая камера состоит из оптической головки, самой каме-
ры и электронного видоискателя.
Оптическая головка (рис. 14.2) представляет собой собранные в
единое целое вариообъектив 7, светоделительный блок 5, встроенный
или подключаемый диапроектор, систему подсветки мишени, смены
(чзетофильтров 2 и систему автоматического управления. Штриховы-
ми линиями на рисунке показаны поверхности со светоделительны-
мп покрытиями (дихроическими зеркалами). Принцип работы этих
зеркал основан на интерференции (сложении различных длин волн)
352
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 14.2. Конструкция призмен-
ного цветоделительного блока:
1 — вариообъектив; 2 —
нейтральный светофильтр;
3 — склеенные призмы
В
Диапроектор и подсветка
Рис. 14.3. Структурная схема цветной передающей камеры
света в тонких пленках [26]. Световой поток, попадая на первую ди-
хроическую поверхность, разделяется в соответствии со спектраль-
ной характеристикой покрытия: синяя составляющая отражается,
попадает на вторую отражающую грань призмы и направляется на
передающую трубку синего канала В. Световой поток, прошедший
дихроическую поверхность первой призмы, попадает на дихроиче-
скую поверхность второй призмы, отражающую вторую, зеленую со-
ставляющую изображения. Эта составляющая после полного вну-
треннего отражения на второй поверхности призмы попадает на пе-
редающую трубку яркостного канала W. Третья цветовая составля-
ющая светового потока, красная, проходит прямо на передающую
трубку красного канала R.
Оптическая головка 2 (рис. 14.3) конструктивно объединена с
тремя блоками передающих трубок типа глетикон или плюмбикон
В блок каждой трубки входят фокусирующая и отклоняющая систе-
ма (ФОС) и предварительный усилитель 3. В самой камере разме-
щены блоки: выходных каскадов 5, синхронизации, развертывающих
устройств 6, телеуправления 7, регулировки тока луча Р, высокоча-
стотного уплотнения 10, питания 8. Для контроля изображения на
камере установлен поворотный черно-белый видоискатель (видеокон-
трол ьное устройство с высоким разрешением и яркостью).
На мишени глетиконов через вариообъектив. 1 и светоделитель-
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
353
ную систему 2 проецируются красное (Л), синее (В) и псевдояр-
костное (IV) изображения передаваемого объекта. Использование
псевдояркостного сигнала вместо зеленого (G) позволяет улучшить
чувствительность камеры при допустимом ухудшении цветопереда-
чи. Светоделенные сигналы Er. Ew и Er с сигнальных пластин
передающих трубок поступают на соответствующие предваритель-
ные усилители 3. размещенные непосредственно на ФОС передаю-
щей трубки В предварительных усилителях осуществляется про-
тивошумовая коррекция сигналов. С выходов предварительных уси-
лителей сигналы поступают в блок выходных каскадов 5, где они
усиливаются, ограничиваются их полосы частот, вводятся и ограни-
чиваются строчные гасящие импульсы, замешиваются импульсы те-
леуправления. Усиленные выходные сигналы по камерному кабелю
поступают в камерный канал.
Система уплотнения предназначена для передачи по двум ко-
аксиальным жилам камерного кабеля во встречных направлениях
сигналов: основных цветов Er. Ев, звукового сопровождения, пере-
даваемых из камеры в канал, и сигналов сложного сигнала телеупра-
вления (ССТУ), передаваемых из канала в камеру.
Состав блоков в вещательных камерах существенно различен и
зависит от функционального назначения камеры. Если камера рабо-
тает в составе репортажной телевизионной установки, то в самой ка-
мере должно обеспечиваться только предварительное усиление сиг-
налов, полученных от трубок, а в камерном канале — предусмотре-
ны средства обработки сигналов. Если же назначение камеры —
полное формирование сигнала для ввода в стандартную вещатель-
ную систему (иногда с промежуточной записью), то вся обработка
сигналов происходит в камере.
Разработка новых высокостабильных элементов, стабилизаторов
токов и напряжений, фокусирующих и развертывающих систем, а
также автоматических систем совмещения растров и баланса бело-
го и черного телевизионного сигнала позволила создать достаточно
надежные и удобные в эксплуатации трехтрубочные камеры. Даль-
нейшее развитие передающих камер позволяет улучшить их параме-
тры и уменьшить число фотоэлектрических преобразователей. При-
мером является создание двух- и однотрубочных камер и камер с
твердотельными преобразователями на приборах с зарядовой свя-
зью [61, 62].
14.4. Технические, режиссерские
и центральные аппаратные
Каждая студия на телевизионном центре имеет свою техниче-
скую аппаратную. В аппаратной находится оборудование для уси-
ления, синхронизации и окончательного формирования полного цве-
тового телевизионного сигнала, а также оборудование для низкоча-
стотного звукового сопровождения. В аппаратную также подаются
354
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Камерный канал
Рис. 14.4. Структурная схема блока камерного канала
сигналы от телекинопроектора (телекинопроекционная аппаратная,
см. рис. 14.1), от устройств видеозаписи и т.д.
От каждой из камер в блок камерного канала (рис. 14.4) посту-
пают по коаксиальным парам сигналы Ew с полосой частот 6,5 МГц,
Ев и Ев с полосой частот 1,5 МГц. Сигнал Ew подается непосред-
ственно в усилительный тракт, а Ев и Ев — через блок уплотнения.
В усилительном тракте производится установочная регулировка уси-
ления, замешивание и ограничение гасящих импульсов для удаления
с площадки обратного хода флуктуационных помех, а также пара-
зитных сигналов строчной частоты, предусмотрена схема коррекции
авторассеяния, возникшая из-за рассеяния светового потока в опти-
ческой части камеры и в передающих трубках, а также осуществля-
ется коррекция неравномерности фона изображения по полю заме-
шиванием в видеосигнал сигналов параболической и пилообразной
формы частоты строк и полей и модуляция видеосигнала изменени-
ем коэффициента усиления. Далее сигналы Ев? Ев и Ew поступают
в цветокорректор, причем сигнал Ew сначала проходит через апер-
турный корректор. Цветокорректор из трех сигналов формирует три
новых, каждый — как линейное уравнение с тремя неизвестными,
где в качестве неизвестных используются сигналы на входе, а ко-
эффициенты, называемые коэффициентами цветокоррекции, могут
регулироваться в процессе настройки таким образом, что каждый из
'грех выходных сигналов цветокорректора представляет собой сумму,
в которую в разном соотношении и с разными знаками входят все три
входных сигнала. В цветокорректоре осуществляется как коррекция
ошибки цветоанализа, вызванной несоответствием спектральных ха-
рактеристик камеры кривым смешения основных цветов приемника,
гак и формирование сигналов Ев? Eg и Ев-
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
355
Апертурный корректор предназначен для коррекции искажений,
возникающих из-за конечного размера развертывающего элемента
(например, электронного луча). Эти искажения имеют место, ко-
гда размер изображения, спроецированного па фоточувствительную
поверхность преобразователя оптического изображения в электриче-
ский сигнал, соизмерим с размером развертывающего элемента.
После прохождения гамма-корректора (в обозначение сигналов,
прошедших гамма-корректор, добавляется штрих) в выходном усили-
теле в сигнал изображения замешиваются гасящие импульсы прием-
ной трубки и происходит ограничение гасящих импульсов на уровне
гашения. С выхода усилителя сигналы поступают на кодирующее
устройство и цветные мониторы. На микшер приходят также сигна-
лы от других камерных каналов.
В технической аппаратной располагаются также осциллографы,
измерительная аппаратура и другое вспомогательное оборудование.
Синхрогенератор технической аппаратной может работать как в ре-
жиме централизованной синхронизации, так и в автономном или ве-
домом режиме. В режиссерской аппаратной, которая для создания
наилучших условий работы творческому и техническому персона-
лу располагается отдельно от технической аппаратной, размещаются
пульты режиссера и звукорежиссера, мониторы, акустическое обору-
дование. Пульты режиссера и звукорежиссера находятся непосред-
ственно у смотрового окна, соединяющего студию с режиссерской ап-
паратной, причем так, чтобы удобно было вести наблюдение за игрой
артистов в студии и за телевизионными изобргхжениями, поступаю-
щими на мониторы, на которые подаются также сигналы от всех ис-
точников, в том числе и из центральной аппаратной.
Создание художественных передач требует широкого выбора тех-
нических возможностей телецентра. Для этого используется не-
сколько передающих камер, формирующих изображение под разны-
ми углами (ракурсами) и с разными масштабами (планами), а также
специальное оборудование для создания комбинированных изобра-
жений. Сюда относится аппаратура спецэффектов и видеоэффектов,
электронная и оптическая рирпроекция, датчики электрических сиг-
налов различных заставок, надписей и т.д.
Блок спецэффектов входит в состав видеоусилите/тьных трактов
всех студий и в простейшем случае помогает формировать комбини-
рованное изображение, состоящее из двух составных частей с разны-
ми сюжетами. Для передачи этих сюжетов могут применяться лю-
бые датчики ТВ сигналов. Расположение, относительные размеры и
конфигурация составляющих комбинированного изображения могут
меняться во времени с помощью ручной регулировки или автоматиче-
ски. В настоящее время в распоряжение режиссера предоставляется
несколько десятков различных фигур спецэффектов: прямоуголь-
ные, треугольные, ромбические, круглые и др. Подобные комби-
нированные изображения формируются с помощью быстродейству-
356
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ющего коммутатора, переключающего ТВ сигналы от двух датчиков
во время активной части строки. Переключение сигналов произво-
дится импульсами с переменной длительностью, формирующимися
в специальном генераторе. Длительность импульсов изменяется по
определенному закону в соответствии с выбранной фигурой спецэф-
фекта и ее изменением во времени.
Блок видеоэффектов создается на базе запоминающего устрой-
ства (ЗУ) на кадр или на несколько кадров с предварительным пре-
образованием аналоговой формы телевизионного сигнала в цифро-
вую. В ЗУ записывается цифровой ТВ сигнал с тактовой часто-
той, определяемой строчной частотой сигнала записи. Генератор
этих сигналов управляется синхронизирующими импульсами вход-
ного сигнала.
Информация считывается с ЗУ с произвольной выборкой по за-
кону, определяемому формой, частотой и фазой сигнала считыва-
ния. Последний формируется специальным генератором, управля-
ющимся импульсами от синхрогенератора, и обеспечивает соответ-
ствующий выбор последовательности адресов. Считанный ТВ сиг-
нал преобразуется в аналоговую форму в цифро-аналоговом пре-
образователе, смешивается с сигналами синхронизации и поступает
на выход устройства. Наиболее просто реализуется режим переда-
чи неподвижного — «остановленного» изображения. Для этого за-
пись входного сигнала прекращается и считывается сигнал одного
и того же изображения.
Использование цифровых методов обработки сигналов и возмож-
ности записи и считывания информации по разным (любым) законам
открывают широкие возможности для создания многочисленных ори-
гинальных сюжетов и трансформации ТВ изображений. Например,
в настоящее время организованы следующие видеоэффекты:
• остановка изображения (стоп-кадр);
• электронное увеличение или уменьшение масштаба изображения
и изменение формы изображения;
• переворот изображения (зеркальный эффект);
• формирование «следов» за объектами, движущимися в кадре;
• «размножение» изображения;
• формирование бесконечной галереи из первичного изображения;
• разделение первичного изображения на части и перемещение
этих частей или всего сжатого изображения по кадру по лю-
бому закону;
• создание полиэкранных изображений из нескольких сжатых пер-
вичных изображений и др.
Центральная аппаратная предназначена для контроля, комму-
тации и распределения сигналов телевизионных программ на радио-
передатчик и телецентры, транслирующие центральные и создаю-
щие собственные программы. В центральной аппаратной коммути-
руют сигналы из кинопроекционных аппаратных, приемной аппарат-
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
357
ной внешних программ, АСБ, от собственных датчиков (электронно-
испытательной таблицы УЭИТ и устройства показа времени). Из пе-
речисленных источников сигнала программный режиссер составляет
выходные программы, которые затем передаются на телевизионные
радиостанции и междугородные линии связи. Сигналы датчиков ПЦ-
ТВС через центральную аппаратную могут подаваться в АСБ для ис-
пользования их в студийных программах, в аппаратных видеозаписи,
центральном пункте контроля. В центральной аппаратной распола-
гаются два блока синхрокомплекта — рабочий и резервный.
14.5. Телекинопроекционные аппаратные
Телекинопроекционные аппаратные предназначены для демон-
страции по сети ТВ вещания художественных, научно-популярных и
хроникальных кинофильмов, а также для использования кипофото-
материалов в качестве коротких вставок — фрагментов — в пере-
дачи, подготавливаемые с помощью других источников в ТВ про-
граммы телецентра.
Телекинопроекционные аппаратные являются одним из наибо-
лее важных источников ТВ передач, так как показ кинофильмов за-
нимает сравнительно большую долю в общем объеме программы ве-
щания. Причиной тому служат наличие большого фонда различных
фильмов, возможность демонстрации их в любое время, сравнитель-
ная простота эксплуатации, подготовки хроникальных материалов и
др. Поэтому крупные телецентры, как правило, имеют необходи-
мую телекиноаппаратуру.
Передача кинофильмов по телевидению, несмотря на общность
принципов воспроизведения изображений, связана с известными
трудностями, причина которых в некоторых различиях параметров
кинопроекционных и ТВ систем. В связи с этим для телекинопроек-
ции было разработано большое число различных систем как с пре-
рывистым, так и с плавным движением пленки. До появления пе-
редающих трубок с «памятью» типа видикон передача кинофильмов
в большинстве случаев проводилась методом импульсной засветки
и проекции кинокадра на фотокатод трубки с накоплением зарядов
(супериконоскоп) только во время обратного хода кадровой разверт-
ки. В течение прямого хода развертки электронное изображение,
образованное остаточным потенциальным рельефом на мишени труб-
ки, считывалось коммутирующим лучом по памяти. В это же вре-
мя проводилось и продергивание пленки, т.е. подготовка ее к про-
екции следующего кадра.
Использование передающих трубок типа видикон и плюмбикон
значительно упростило систему телекинопроекции. У этих трубок
сигналы во время проекции кинокадра («записи» изображения) и по-
сле нее, т.е. при работе трубки по «памяти», отличаются незначи-
тельно. Поэтому время экспозиции изображения может быть значи-
358
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 14.5. Оптическая схема кинопроектора
тельно увеличено, и, как результат, снижены требования к чувстви-
тельности передающей трубки.
На рис. 14.5 показана оптическая схема кинопроектора. Свето-
вой поток от источника 1 с помощью отражающего зеркала 2, объ-
ективов 3 и 5 проецируется на поверхность кинофильма 6. Размеры
передаваемого изображения ограничиваются непрозрачной рамкой 7.
Изображение кинокадра с помощью объектива 8 проецируется на ми-
шень передающей трубки 9. Прерывание светового потока произво-
дится обтюратором 4. Прерывистое движение пленки осуществляет-
ся грейфером 7/7, входящим в перфорационные отверстия.
В последнее время для передачи кинофильмов разработаны по-
лупроводниковые кинопередающие камеры на линейных (одностроч-
ных) приборах с зарядовой связью (ПЗС). Основные параметры этих
фотоэлектрических преобразователей — разрешающая способность
и динамический диапазон — в настоящее время превосходят соот-
ветствующие характеристики вакуумных приборов. Кадровая раз-
вертка производится за счет движения кинопленки в вертикальном
направлении. Каждый кинокадр проецируется один раз последова-
тельно, строка за строкой (построчная развертка). Для формирова-
ния ТВ сигнала в соответствий с чересстрочной разверткой сигналы
с ПЗС поступают на запоминающее устройство с объемом памяти
один кадр, где и записываются в цифровом виде. Информация счи-
тывается в два приема: сначала — нечетные строки (первое поле),
а затем — четные (второе поле). Управление системами движения
пленки, сканирования ПЗС, записи и считывания сигналов из ЗУ
осуществляется с помощью микропроцессоров.
В телекинопроекционных аппаратных размещаются три группы
оборудования: кинопосты (кинопроекторы, диапроекторы, передаю-
щие камеры, оптические коммутаторы), аппаратура формирования
полного телевизионного сигнала и пульты управления работой этих
устройств. Однако в связи с трудностями по передаче киноматери-
алов по телевидению в последнее время все чаще практикуется их
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
359
перезапись на магнитную пленку с последующей демонстрацией этих
записей (магнитофильмов) с помощью видеомагнитофонов.
14.6. Синхронизация
В центральной аппаратной расположена аппаратура синхрони-
зации. С пульта программного видеорежиссера осуществляется вы-
ход всех создаваемых на телецентре программ на радиокомплекс со-
гласно расписанию. С пульта видеоинженера ведутся: контроль над
работой оборудования; контроль всех входных и выходных параме-
тров видео- и звуковых сигналов: набор источников программ, по-
ступающих из АСК.
Синхронизация отдельных сигналов на телецентре имеет особое
значение, так как влияет на качественные показатели сигнала гото-
вой ТВ программы, и ее роль возрастает с ростом числа программ
и числа источников информации.
Все источники сигналов, используемые на телецентре для син-
теза ТВ программы, должны быть синхронны и синфазны. Это тре-
бование относится также и к иногородним источникам, к 1ITC и т.д.
Задача синхронизации решается на телецентре по-разному, в зави-
симости от того, где расположены источники сигнала, которые не-
обходимо синхронизировать.
Источники сигнала в здании телецентра синхронизируются ме-
жду собой благодаря тому, что генераторы сигналов синхронизации
(синхрогенераторы), расположенные в аппаратных, способны синхро-
низировать работу студийного оборудования - передающих камер,
телекинопроектора, видеомагнитофона, а также других устройств об-
работки ТВ сигнала. На рис. 14.1 синхрогенераторы не показаны,
чтобы не загромождать рисунок, однако все изображенные на рисун-
ке комплексы имеют собственные источники сигналов синхрониза-
ции. Каждый синхрогенератор содержит высокостабильный (не хуже
10“6), часто даже снабженный специальным термостатом, задающий
генератор. Имеются также делители частоты с дополнительными
логическими элементами, позволяющими получить набор различных
импульсов, необходимый для работы управляемого синхрогенерато-
ром устройства. Синхрогенератор может работать в автономном ре-
жиме — при этом самостоятельно способен специальным сигналом
синхронизировать работу других синхрогенераторов. Возможен так-
же «ведомый» режим, при котором синхрогенератор с помощью спе-
циальной схемы АПЧ «подстраивает» частоту своего задающего ге-
нератора от другого источника опорной частоты или фазы. Кроме
того, предусмотрен режим работы синхрогенератора, при котором он
синхронизируется от другого синхрогенератора с помощью так на-
зываемого «сигнала централизованной синхронизации», содержаще-
го смесь импульсов частот 12,5 Гц и 1 МГц.
Сигналы синхронизации передаются внутри телецентра по вну-
тренней коммуникационной сети и обеспечивают синхронизацию тех
360
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
устройств, которые в данный момент участвуют в формировании
ТВ программы.
Синхронизация источников сигнала, расположенных-вне теле-
центра на относительно большом расстоянии, осуществляется с по-
мощью так называемых «синхронизаторов несинхронных источни-
ков». Такое устройство представляет собой блок памяти на ТВ кадр,
запись информации в который происходит синхронно с сигналом,
поступающим на телецентр от постороннего удаленного источника,
а считывание синхронизируется синхрогенератором телецентра, на-
пример, тем синхрогенератором, который в данный момент синхро-
низирует записывающий видеомагнитофон. Программы телевиде-
ния создаются в основном в крупных городах: столицах, краевых и
областных центрах. При этом предполагается их трансляция и обмен
программами между крупными городами путем создания сетей теле-
визионного вещания. Рассмотренная структурная схема позволяет
всему комплексу сооружений телецентра оптимально функциониро-
вать и обеспечивать ТВ вещание на заданной территории.
Успехи развития ТВ техники за последние годы подвергли зна-
чительному изменению многие устоявшиеся понятия из области те-
левидения и в том числе представления о размерах и роли отдельных
звеньев, входящих в состав телевизионного центра. Тем не менее по-
казанная структура в общих чертах остается неизменной, так как
она в результате многолетнего опыта оптимизирована для выполне-
ния основной задачи — подготовки и выдачи в эфир ТВ программ.
Следует заметить, что основной задачей телецентра является
распространение ТВ программ. Поэтому прогресс последних лет в
области «доставки» ТВ. программ потребителю, а также развитие но-
вых технологий ТВ вещания оказывают влияние на техническое осна-
щение телевизионных центров, их расположение и число, а также на
использование определенных диапазонов частот и на вид их исполь-
зования. Остановимся на важнейших тенденциях этого развития.
14.7. Развитие средств распространения
телевизионных программ
Развитие новых цифровых технологий в вещательном телевиде-
нии, а также реализация принципа интерактивности вносят значи-
тельные изменения в структуру ТВ вещания. Например, термин «се-
ти кабельного телевидения» все чаще заменяется понятием «муль-
тисервисные сети» [52], что справедливо отражает как быстрый рост
возможностей сетей ТВ вещания, так и сопутствующий рост требо-
ваний к ним.
Одним из признаков такого развития являются изменения в ис-
пользовании частотного диапазона. В настоящее время в России, со-
гласно частотному плану, для ТВ вещания отведены полосы частот
ГЛАВА 14. Телевизионные центры
361
48,5...230 МГц в метровом и 470...790 МГц в дециметровом диапазо-
нах волн. По мере развития кабельного телевидения в план вводят-
ся так называемые «специальные» каналы, лежащие в диапазонах
ПО...174 и 230...294 МГц [63].
Кроме того, развитие интерактивного телевидения, которое тех-
нически проще осуществлялось в кабельных сетях, привело к тому,
что в кабельном телевидении установилась полоса частот для обрат-
ного канала 3...5 МГц. Таким образом, действующий в настоящее
время отечественный частотный план содержит всего 68 ТВ каналов,
из которых 28 — в метровом диапазоне, а 40 — в дециметровом [52].
Сравнительно новой формой распространения ТВ программ яв-
ляется также «эфирно-кабельный» принцип, который часто называ-
ют «сотовым телевидением» [52]. К таким системам относят:
• MMDS (Microwave Multipoint Distribution System) — микроволно-
вая многоточечная система распространения ТВ программ, раз-
работанная изначально для диапазона 2,5...2,7 ГГц.
• LMDS (Local Multipoint Distribution System) — локальная много-
точечная система распространения, разработанная в США и экс-
плуатируемая в США и Канаде. Рабочий диапазон — 25...32 ГГц.
• MVDS (Multipoint Video Distribution System) — многоточечная
система распространения ТВ сигнала, разработанная и эксплуа-
тируемая в Западной Европе. Рабочий диапазон — 40,5...
42,5 ГГц.
В России для таких «эфирно-кабельных» распределительных си-
стем выделены следующие частотные диапазоны: 2,5...2,7; 27,5...29,5
и 40,5...42,5 ГГц. Это позволяет использовать как американское, так
и европейское оборудование.
Следует отметить достоинства систем «сотового» телевидения:
• относительно высокое качество принимаемого сигнала и практи-
чески полное отсутствие «мертвых зон» за счет выбора размера
«соты» от 1 до 6 км;
• широкий выбор ТВ программ для пользователя — при наличии
в сети большого количества «сот»;
• высокая надежность сети благодаря рассредоточенным ретранс-
ляторам, что важно, например, при стихийных бедствиях;
• экологически безопасные уровни электромагнитного излучения;
• сравнительно невысокая стоимость абонентской установки бла-
годаря компактной малогабаритной антенне размером 15...25 см;
• сравнительно низкий уровень помех в выделенном диапазоне ча-
стот (десятки гигагерц).
Кроме того, «сотовый» принцип построения сети ТВ вещания по-
зволяет с большей легкостью организовать сбор информации, посту-
пившей по обратному каналу от пользователей в каждой зоне. Это,
в свою очередь, расширяет возможные функции ТВ системы и уве-
личивает набор услуг, предлагаемых пользователю [64].
362
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Глава 15
ФОРМИРОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
15.1. Особенности формирования
аналогового телевизионного сигнала
Вещательные телевизионные системы строят по принципу макси-
мального упрощения линий связи и приемников за счет усложнения
передающего оборудования. В этих системах используется, как пра-
вило, один канат связи, по которому передаются все составляющие
телевизионного сигнала: сигналы яркости и цветности, сигнал гаше-
ния лучей кинескопа во время обратных ходов разверток, сигнал син-
хронизации разверток приемника и сигнал цветовой синхронизации.
В результате преобразования свет-сигнал на выходе фотоэлек-
трических датчиков образуются исходные видеосигналы в аналого-
вой форме, уровни которых пропорциональны значениям световых
потоков. Для дальнейшего использования этих сигналов, и в част-
ности для преобразования их в цифровую форму, они подвергаются
предварительной обработке: усилению, коррекции, формированию
композитных сигналов и т.п.
Особенности аналогового телевизионного сигнала определяются
принципами передачи изображения. В частности, в форме сигналов
заключена информация о яркости и цветности деталей объекта. Осо-
бенностью сигнала является и его униполярность — в соответствии
с яркостью изображения, т.е. наличие «постоянной» составляющей,
пропорциональной средней яркости оригинала. Эту составляющую
приходится передавать по каналу связи специальным методом — с
помощью фиксации уровня черного.
В тракте формирования аналогового ТВ сигнала производятся
следующие основные операции: усиливаются сигналы основных цве-
тов (причем размах их регулируется так, чтобы при передаче белой
детали он был у всех одинаковым); вводятся сигналы компенсации
неравномерности фона растра передающих трубок; осуществляется
противошумовая коррекция, а также уменьшаются апертурные, по-
лутоновые и цветовые искажения изображения; вводятся сигналы га-
шения обратных ходов и синхронизации разверток приемника и огра-
ничивается их уровень; ограничиваются выбросы сигналов, превы-
шающие номинальный уровень белого для предотвращения перегру-
зок последующих каскадов тракта. Постоянство положения уровней
сигналов относительно рабочих точек на характеристиках активных
элементов тракта обеспечивается фиксацией уровня черного.
С помощью указанных операций формируются аналоговые сиг-
налы основных цветов, сигналы яркости и цветности, цветоразност-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 363
ные сигналы, а также полный цветовой телевизионный сигнал (ПЦ-
ТВС) для амплитудной модуляции несущей частоты изображения
одного из 60 радиоканалов сети вещательного телевидения (соглас-
но ГОСТ 7845-79). Для передачи ПЦТВС на большие расстояния
по различным линиям связи, а также для уменьшения избыточности
видеоинформации, реализации видеоэффектов, преобразований стан-
дартов, уменьшения уровня флуктуационных помех и других опера-
ций ПЦТВС (или его составляющие) преобразуется в цифровую фор-
му. Это значительно улучшает качество изображения за счет умень-
шения влияния искажений в протяженных линиях связи и расширя-
ет возможности указанных процедур за счет использования ЭВМ и
устройств с большим объемом памяти для запоминания ТВ сигналов
одного или нескольких кадров.
Рассмотрим особенности реализации основных операций но фор-
мированию аналоговых ТВ сигналов.
15.2. Фиксация уровня черного
телевизионного сигнала
Уровни аналогового ТВ сигнала должны быть пропорциональны
яркости деталей передаваемой сцены. Для этого необходимо, чтобы
ТВ сигнал, модулирующий электронный луч приемной трубки, со-
держал постоянную составляющую, пропорциональную средней яр-
кости изображения. Эта составляющая в процессе передачи меняется
медленно или скачком при смене сюжета ТВ программы. Однако ви-
деоусилительный тракт ТВ системы составлен преимущественно из
усилителей переменного тока и по нему непосредственно «постоян-
ная» составляющая передана быть не может. Поэтому для ее пере-
дачи приходится использовать специальный метод.
Применение метода основано на том, что уровень черного ТВ
сигнала на выходе современных передающих трубок практически не
зависит от содержания изображений и занимает всегда одно и то же
положение при передаче оригиналов с различной средней яркостью.
Другими словами, исходный сигнал яркости передающих трубок со-
держит постоянную составляющую, которая утрачивается в видео-
усилительном тракте. Этот процесс поясняют осциллограммы сиг-
налов (рис. 15.1) от двух передаваемых изображений: первое из них
— черная полоса на белом фоне, а второе — белая полоса на чер-
ном фоне; минимальные Lomin и максимальные Lomax значения яр-
кости изображений одинаковы, а средние — существенно различны
и равны соответственно Lcpi и Тср2 (рис. 15.1,а). Исходные сигна-
лы яркости на выходе передающей трубки показаны на рис. 15.1,6".
Как видно из рисунка, размахи сигналов Uc, пропорциональные пе-
репадам яркости, и положение уровней от равноосвещенных деталей
обоих изображений одинаковы, а постоянные составляющие различ-
ны: Ucp\ = Tcpi; Ucp2 = Тср2 соответственно.
364
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.1. Особенности передачи сигнала «постоянной» составляющей, про-
порционального средней яркости изображения (СГИ —строчные гасящие
им пул ьсы)
Телевизионный сигнал после прохождения через разделитель-
ную цепь RpCp между каскадами усилителя располагается отно-
сительно нулевой оси (или так называемой линии равных площа-
дей) таким образом, что площади, ограниченные положительной ча-
стью сигнала и осью и отрицательной частью сигнала и осью, равны
(рис. 15.1,в). В результате потери постоянной составляющей размах
сигналов от этих изображений не меняется, а положение уровней от
одинаково освещенных деталей различных изображений изменяется
в зависимости от их содержания.
Средняя яркость оригиналов, а следовательно, и постоянная со-
ставляющая могут меняться в широких пределах — почти от мини-
мальной яркости до максимальной. Поэтому при отсутствии этой со-
ставляющей уровни телевизионного сигнала могут занимать различ-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 365
ное положение в области, почти в два раза превышающей его размах
(см. рис. 15.1,в). Для отсутствия нелинейных искажений сигнала
амплитудные характеристики усилителей должны быть линейны в
указанной области динамического диапазона.
Если ТВ сигнал без постоянной составляющей использовать для
модуляции тока луча кинескопа, то яркости деталей изображений
будут искажены. Поэтому в приемнике и в некоторых других точ-
ках тракта, например, в ограничителях уровней сигнала, гамма-
корректоре, модуляторе передатчика и др., приходится вводить по-
стоянную составляющую. Она восстанавливается фиксацией вершин
гасящих импульсов относительно некоторого постоянного потенциа-
ла (уровня фиксации). Из рис. 15.1,г видно, что преобразованные
подобным образом сигналы вновь содержат постоянную составляю-
щую. Таким образом, информация о средней яркости изображений
передается по тракту ТВ системы косвенным методом.
Положение вершин строчных гасящих импульсов фиксируется с
помощью межкаскадных разделительных цепей RPCP с коммутируе-
мыми параметрами, т.е. с различными постоянными времени заряда
и разряда конденсатора Ср.
Особенности работы схем фиксации рассмотрим на примере наи-
более простой схемы на диоде VD (рис 15.2,а), которая предназна-
чена для фиксации ТВ сигнала негативной полярности. Сигнал по-
зитивной полярности фиксируется аналогичными схемами с обрат-
ным включением диода.
В обычном усилительном каскаде постоянное напряжение на
разделительном конденсаторе Ср относительно точек земля — ба-
за (затвор) транзистора следующего каскада определяется в устано-
вившемся режиме лишь напряжением смещения Есм = Еф. Сигнал
располагается относительно этого напряжения по линии равных пло-
щадей (интервал на рис. 15.2,в), так как заряд и разряд кон-
денсатора Ср из-за равенства соответствующих постоянных времени
равны. При этом форма сигнала ?/вх полностью повторяет форму
сигнала ис при достаточно большой постоянной времени цепи RpCp.
Назначение схемы фиксации состоит в том, чтобы во время сле-
дования гасящих импульсов сделать напряжение на входе следующе-
го каскада всегда одним и тем же и равным напряжению смещения
(фиксации) Еф, а весь ТВ сигнал в интервалах между гасящими им-
пульсами «переместить» в область более отрицательных значений.
Это можно достичь, если ключом VS (рис. 15.2,5) подключать во
время следования гасящих импульсов базу транзистора следующе-
го каскада непосредственно к .источнику Еф. В этом случае из-за
дополнительного заряда конденсатора Ср током, пропорциональным
значению ТВ сигнала в момент замыкания ключа, на нем образуется
дополнительное постоянное напряжение заряда U? (рис. 15.2,в). Это
напряжение «запоминается» на конденсатору и перемещает сигнал
в область более отрицательных значений в период между гасящими
366
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.2. Фиксация уровня черного ТВ сигнала негативной полярности:
а — принципиальная схема; 6 — эквивалентная схема; в — эпюры напряжений
импульсами, когда ключ разомкнут. Роль ключа в схеме выполня-
ет диод VD. Он открывается во время следования гасящих импуль-
сов, когда напряжение на его аноде превысит напряжение на катоде
(ключ VS замыкается на сопротивление, равное внутреннему сопро-
тивлению диода в прямом направлении Rin при t = £3, рис. 15.2,£;в).
Однако напряжение смещения не может мгновенно стать равным
напряжению фиксации Еф из-за сопротивлений Ящ и 2?Вых1 и конден-
сатора Ср, т.е. из-за конечного значения постоянной времени заряда
— Ср(7?вых1 + Rin ||7?р) « Ср(2?вых1 + Rin), (1^.1)
где R^ < Rp, ЯгП||-йр — параллельное соединение соответствую-
щих сопротивлений; ЯВых1 — выходное сопротивление предыдуще-
го каскада.
Чтобы напряжение смещения к концу действия сравнительно ко-
роткого строчного гасящего импульса t„ стало равно 0,95...0,99 при-
ложенного напряжения, постоянная времени заряда должна быть
малой: т3 —
К концу действия импульса тока, проходящего через диод (£4), на
конденсаторе Ср образуется дополнительное постоянное напряжение
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 367
С7р, зависящее от мгновенного значения входного сигнала в момент
времени и постоянной времени заряда. Поэтому при t = когда
диод запирается (ключ VS замыкается на внутреннее сопротивление
диода в обратном направлении В7;о, рис. 15.2,б,в), сигнал оказывается
смещенным относительно напряжения Еф на величину Up. Таким
образом, суммарное напряжение смещения Up — Еф + Up зависит от
размаха сигнала между уровнем отпирания диода и уровнем черного
сигнала ис при t — £3, т.е. от Д{7.
Напряжение Up при запертом диоде в период между гасящими
импульсами медленно уменьшается из-за разряда конденсатора Ср
на сопротивления R? = Rp||/?го||Явх2 и 7?ВЬ1Х1, где 7?p||Bio||йВх2 — па-
раллельное включение сопротивлений, ЙВХ2 — входное сопротивле-
ние следующего каскада. Через промежуток времени Тстр - tK (при
t = ^5, рис. 15.2,в) оно уменьшится на ДИ.
Значение напряжения Д£7 определяет все особенности работы
схемы фиксации. Во-первых, в установившемся режиме диод отпи-
рается напряжением сигнала, численно равным ДИ. Следовательно,
от этого напряжения будут зависеть сопротивление диода Rin и зна-
чение г3. Во-вторых, от ДИ зависит «перекос» ТВ сигнала, т.е. изме-
нение яркости изображения вдоль строки (яркости фона) на экране
приемной трубки. Чтобы это изменение не было заметно на изобра-
жении, необходимо, чтобы допустимый относительный перекос сиг-
нала был равен Д = /1Гр 0,05.
Для того чтобы Д 0,05, постоянная времени разряда тр должна
быть большой; при R > RBMXy
тр « Ср7?р « (Тстр — £И)/Д. (15.2)
Значение сопротивления R'p обычно ограничивается входным со-
противлением усилительного каскада. Поэтому условие (15.2) по су-
ществу определяет емкость разделительного конденсатора
Ср ~ (Дзтр ^n)/^Rp
Подставив (15.3) в (15.1), получим
(-^вых! 4“ Rin )(Д:тр ~’^и)
Тз 3...5’
Д-Rp
Двых1 + * (3...5)[(Тстр/<и) - 1]'
(15.3)
(15.4)
(15.5)
Обеспечить выполнение условия (15.5) чрезвычайно трудно, а в
ряде случаев практически и невозможно из-за малого значения Д/7
и, как следствие, из-за большого Rin. Поэтому постоянная времени
заряда сравнительно большая, и конденсатор Ср не успевает заря-
диться за время действия строчного гасящего импульса. В результа-
те уровень фиксации не остается постоянным и равным Еф. а зависит
368
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.3. Упрощенная схе-
ма фиксации на транзисторе
от размаха импульса, т.е. от содержания изображения. Только при
большом размахе телевизионного сигнала Uc, т.е. при большом абсо-
лютном значении ДС7 и малом Rin, изменение уровня фиксации из-за
разной средней яркости изображений практически незначительно.
Для уменьшения 2?Вых1 в качестве предварительного каскада це-
лесообразно использовать эмиттерный повторитель. Часто эмиттер-
ный или истоковый повторитель используется и в качестве последу-
ющего каскада для увеличения RBX2 (т.е. 7?р). Недостатком этой схе-
мы фиксации является и ее инерционность: при резком уменьшении
средней яркости (например, при смене сюжета передаваемого изо-
бражения) уровень черного сигнала не фиксируется до тех пор, пока
напряжение Up не уменьшится настолько, чтобы уровень гасящих
импульсов был достаточным для открытия диода (^...is, рис. 15.3,в).
В результате несколько строк изображения будут воспроизведены с
искаженной яркостью. Поэтому в настоящее время используют более
сложные схемы фиксации, в которых ключ VS выполняется на три-
оде, а управление его проводимостью осуществляется специальны-
ми управляющими импульсами, которые надежно отпирают триоды
при любом мгновенном значении ТВ сигнала. Эти схемы работают
при любой полярности ТВ сигнала. Управляющие импульсы фор-
мируются из строчных гасящих или синхронизирующих импульсов и
следуют во время обратных ходов строчной развертки.
Простейшая подобная схема содержит полевой транзистор VT3,
работающий в ключевом режиме (рис. 15.3). Напряжение на истоке
VT3 образуется на делителе R1R2R3 от источника, питания Ек. На-
пряжение на резисторе R2 является напряжением фиксации и запи-
рает транзистор VT3 в промежутках между управляющими импуль-
сами. Управляющие импульсы положительной полярности поступа-
ют на затвор транзистора VT3 и отпирают его во время обратного
хода строчной развертки.
Повышение стабильности уровня фиксации и уменьшение инер-
ционности схемы достигаются уменьшением постоянной времени за-
ряда « Ср(7?выХ1 + Rcho) из-за малого сопротивления сток-исток
открытого транзистора Ясио- Конденсатор Ср во время активной ча-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 369
Уровень черного а)
_^^/стр max
А £Асадр
Рис. 15.4. Коррекция низкоча-
стотных искажений ТВ сигнала
с помощью фиксирующих схем:
а — неискаженный сигнал; 6— сиг-
нал с утраченными низкочастот-
ными составляющими; в — сиг-
нал после фиксации уровня черного
Рис. 15.5. Изменение отноше-
ния сигнал/фоновая помеха по-
сле фиксации уровня черного:
а — сигнал Uci, линейно сложен-
ный с помехой [7ф; 6— сигнал U'cl
после фиксации уровня черного;
в — сигнал UC2, промодулирован-
ный помехой (7ф; г— сигнал Ulc2
после фиксации уровня черного
сти строки Тстр — разряжается через входное сопротивление RBX2
последующего каскада и выходное RBbIxi предыдущего. Для повыше-
ния тр (за счет RBX2) и предотвращения спада яркости вдоль строк в
качестве следующего каскада целесообразно использовать эмиттер-
ный или истоковый повторитель на полевом транзисторе с высоким
входным сопротивлением.
Фиксирующие схемы используют не только для восстановления
постоянной составляющей телевизионного сигнала. Их применяют
для уменьшения его низкочастотных искажений (рис. 15.4) и умень-
шения уровня аддитивных низкочастотных помех, т.е. помех, кото-
рые линейно суммируются с ТВ сигналом (рис. 15.5,а;б). Однако
(‘ели сигнал промодулирован помехой, то устранить ее этим мето-
дом невозможно (рис. 15.5,в,г).
С помощью фиксации уровня черного удается использовать в
тракте усилительные приборы меньшей мощности, а также снизить
2 1
370
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
нелинейные искажения сигнала, так как сокращается динамический
диапазон изменения уровней входного сигнала: при отсутствии фик-
сации линейный участок входных характеристик усилительного кас-
када должен примерно в два раза превышать значение размаха сиг-
нала Uc, а при наличии фиксации линейный участок может быть
равен величине Uc (см. рис. 15.1). Фиксация уровня сигнала необ-
ходима также при ограничении уровней черного и белого, коррекции
полутоновых искажений, модуляции несуии,ей частоты полным цве-
товым ТВ сигналом и т.п.
15.3. Противошумовая коррекция
В усилительном тракте телевизионных систем принимается ряд
мер для уменьшения зашумленности ТВ сигнала и снижения замет-
ности помех на изображении. В частности, уровень аддитивных низ-
кочастотных помех уменьшается с помощью фиксирующих цепей, а
уровень флуктуационных помех — с помощью рационального кон-
струирования входных каскадов тракта, противошумовой коррекции
и шумоподавителей. Важность этих мероприятий определяется стре-
млением повысить чувствительность ТВ систем с учетом того, что
передача сигнала и коррекция его любых искажений, как правило,
сопровождаются увеличением уровня шумов.
Флуктуационные помехи в основном «засоряют» ТВ сигнал на
участках тракта с малым размахом сигнала: в передающих труб-
ках, во входных цепях предварительных видеоусилителей, в линиях
связи и на входе приемников.
В телевизионных устройствах применяются два критерия оцен-
ки зашумленности сигнала: отношение сигнал/флуктуационная по-
меха и отношение сигнал/взвешенная флуктуационная помеха со-
ответственно: __ ___________
= = (15.6)
где Uc — размах сигнала изображения;
К = \ SMdf (15.7)
V Jfn
— среднеквадратическое (действующее) значение флуктуационных
помех в полосе частот от /н до /в;
— /
иш = Х SMy^Mdf (15.8)
V /н
взвешенное среднеквадратическое значение флуктуационных по-
мех; Snj(cv’) — спектральная плотность мощности помех, В2/Гц; в
частности, для теплового шума согласно Найквисту на любом ак-
тивном сопротивлении R при температуре Т, К, на всех частотах
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 371
полосы пропускания она одинакова — белый шум:
5Ш = (dU'm)2/df = UTR, (15.9)
где к = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; f„, fB — ниж-
няя и верхняя граничные частоты полосы пропускания тракта, Гц:
2/взв(^) г” весовая функция помехи, учитывающая визуальное вос-
приятие различных спектральных составляющих шума и унифици-
рующая учет воздействия флуктуационных помех с различным спек-
тральным распределением мощности на ТВ изображение (см. гл. 4).
Критерий отношения сигнал/помеха применим, если спектраль-
ные распределения шумов всех источников помех одинаковы. В
остальных случаях, и особенно когда приемником информации явля-
ется глаз, а воспроизводящим устройством кинескоп, форма спек-
трального распределения помех (существенно неодинаковая для раз-
личных источников шумов тракта) значительно влияет на визуаль-
ную оценку зашумленности изображения.
Из-за инерционности указанных элементов ТВ системы и зави-
симости чувствительности зрительной системы от размеров и цвета
объектов, детали изображения (в том числе и «ложные» от помех)
воспринимаются глазом по-разному, в частности, более заметны зе-
леные крупные детали. Поэтому заметность помех на экране кине-
скопа зависит от вида шумов и значений параметров элементов ТВ
системы; например, флуктуационные помехи с «треугольным» спек-
тральным распределением (входные каскады предварительных уси-
лителей и др.) менее заметны, чем белый шум одинаковой мощности
(передающие трубки, их сопротивления нагрузки и др.).
Если в системе имеется q источников некоррелированных шумов,
то результирующее значение взвешенных флуктуационных помех
тг
шр
При этом на выходе тракта (или его участков) с заданной по-
лосой пропускания результирующее отношение сигнал/взвешенная
помеха
(15.10)
где 'ipi — Uci/Umi — частный параметр г-го участка (например, пере-
дающей трубки V’t, предварительного видеоусилителя линии свя-
зи приемника и т.д.) — отношение размаха сигнала изображе-
ния Uci на выходе участка тракта с г-м источником флуктуационных
помех к взвешенному действующему значению этих помех Umi.
24*
372
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Например, на выходе предварительного видеоусилителя
I 'Фг'Фч
^у = \7Г?72- (15.11)
У + Фу
Как следует из (15.10), при зашумленность ТВ сиг-
нала в основном определяется флуктуациями в предыдущих звеньях
тракта; при — ^p(i-i) результирующее отношение сигнал/взве-
шенная помеха на выходе г-го звена уменьшается в а/2 раз (на 3 дБ);
при т/л V>p(i-i) зашумленность ТВ сигнала определяется г-м зве-
ном. Поэтому отношение сигнал/взвешенная помеха каждого после-
дующего участка тракта с источником помех должно в несколько
раз превышать результирующее значение этого параметра на выхо-
де предыдущего участка.
Это условие соблюдается далеко не для всех участков тракта.
Например, при использовании передающих трубок без послекомму-
тационного усиления сигнала (видикон, плюмбикон и др.) в предва-
рительном видеоусилителе передающей камеры наблюдается значи-
тельное уменьшение отношения сигнал/взвешенная помеха передаю-
щей трубки -0т. Это происходит из-за того, что размах сигнала на
выходе передающей трубки обычно сравним с уровнем шумов вход-
ной цепи и, как следствие, ф>у тДг- Поэтому результирующее от-
ношение сигнал/взвешенная помеха на выходе усилителя в основном
определяется согласно (15.10) отношением сигнал/взвешенная поме-
ха усилителя фру ~ фу^ что заставляет использовать в нем проти-
вошумовую коррекцию.
Во входной цепи предварительного усилителя имеются по край-
ней мере два некоррелированных источника флуктуационных помех
(рис. 15.6):
1) тепловые флуктуации в сопротивлении нагрузки трубки RH,
при /в > ун равные
__. I rf* _______
ишп = \ / 5ШН df « VlkTRHfB-, (15.12)
V ''/н
2) дробовые флуктуации в активных элементах усилительных
каскадов L/^y; они могут быть оценены как эквивалентные тепло-
вые (пересчитанные на вход усилителя) в соответствующем сопро-
тивлении шумов:
Лшу=7?ш1 + ^ + 7§^2+..., (15.13)
где /?,„], Т?щ2,-.., /G, - • • — эквивалентные сопротивления шумов и
коэффициенты усиления первого, второго и последующих каскадов.
Например, для полевых транзисторов с крутизной S эквивалентное
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 373
Рис. 15.6. Входная цепь предва-
рительного усилителя с простой
противошумовой коррекцией:
а — упрощенная принципиаль-
ная схема; 6— эквивалентная схе-
ма; в — АЧХ входной цепи Увх(ш),
усилителя уу и результирующая з/рез
U'
Входная цепь
сопротивление шумов ~ 0,75 х. Тогда
и
шн
Q
°шу
df « х/4А,ТЛ,пу/в.
(15.14)
Соответствующие генераторы эквивалентных шумов показаны .
на рис. 15.6,61 Там же показана и паразитная емкость Сн = Ст +
ТСМ + Свх, шунтирующая сопротивление нагрузки трубки RH (Ст —
выходная емкость трубки; См — емкость монтажа; Съх — входная
емкость усилительного каскада).
Паразитная емкость Сн и сопротивление нагрузки RH образуют
для сигнала изображения, шумов трубки i'mT и шумов нагрузки и'шн
(кроме шумов усилителя и'шу) интегрирующую цепочку — ФНЧ с
постоянной времени RhCh и коэффициентом передачи
’7вх(ш)
(15.15)
Эта цепочка оказывает большое влияние на параметры сигна-
лов, форму частотной характеристики предварительного усилите-
ля и, главное, на величину отношения сигнал/помеха и характер
спектрального распределения плотности мощности шумов на выхо-
де ПВУ.
Выясним, как можно повысить отношение сигнал/помеха ПВУ.
Рассмотрим случай, когда входная цепь — ФНЧ вносит незначитель-
ные (допустимые) частотные искажения даже на верхней граничной
374
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
частоте полосы пропускания /в, т.е. когда
1
7вхдоп —
= 0,95... 0,98.
Если известно значение Сн, то это условие соблюдается при
*Ч< ДОП
(15.16)
Тогда при 7?ИДоп Rh Яшу на входе ПВУ с учетом его шумов
отношение сигнал/помеха
Фу вх
исвх __ 2C2tH _ -*с
У(П^Н)2 + <у)2 VikTfBy/l/RH + 7?шу/Л2
Д /Б-
н>
(15.17)
где Uc вх = IcRu — размах сигнала на входе усилителя (передающая
трубка является генератором тока сигнала 1С. как ее внутреннее
сопротивление RiT > Rn)\ ^швх = yG^H)2 + (^шу)2 — действую-
щее значение шумов нагрузки и усилительных каскадов, пересчи-
танных на вход усилителя.
В данном частном случае отношение сигнал/помеха на выходе
усилителя не изменится, так как частотные характеристики вход-
ной цепи и ПВУ практически равномерные, и напряжения сигнала и
всех флуктуаций увеличиваются одинаково на всех частотах полосы
пропускания ПВУ. Поэтому и характер спектрального распределе-
ния мощности шумов для всех источников помех останется тем же —
белый шум. Однако, как правило, отношение сигнап/помеха здесь
значительно меньше, чем у предыдущего звена. Для повышения от-
ношения сигнал/помеха ПВУ, как это следует из (15.17), необходимо:
а) увеличить размах входного сигнала UCBX за счет увеличения
размаха тока сигнала передающей трубки 7С;
б) увеличить размах входного сигнала за счет увеличения со-
противления нагрузки трубки Rn — простая противошумовая кор-
рекция Брауде. При этом шумы нагрузки также растут, но увеличе-
ние сигнала для рассмотренного частного случая в y/R^ раз «опе-
режает» рост этих помех;
в) дополнительно с простой противошумовой коррекцией увели-
чить размах отдельных частотных составляющих входного сигнала
включением контура во входной цепи (рис. 15.7), настроенного на
одну из промежуточных частот спектра /р — сложная противошу-
мовая коррекция;
г) уменьшить уровень шумов активных элементов входных кас-
кадов ГИЗУ путем рационального конструирования, а в особых слу-
чаях и с помощью охлаждения деталей входной цепи усилителя.
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 375
в)
Рис. 15.7. Входная цепь предварительного усилителя со сложной противо-
шумовой коррекцией:
а — упрощенная принципиальная схема; б— эквивалентная схема; в — АЧХ вход-
ной цепи Vbx(^), усилителя ?/у(^) и результирующая
Первый из указанных способов реализуется за счет увеличения
освещенности передаваемого изображения и, следовательно, связан с
большими энергетическими затратами, а в ряде случаев (например,
при передаче с натурных сценических площадок) и неосуществим.
Поэтому роль остальных методов весьма велика.
Особенно эффективно повышение Vy = как это следует из
(15.17), за счет увеличения Ru до значения R„ доп для рассмотренного
частного случая, когда не сказывается влияние паразитной емкости
Сн. Но эта мера оказывается недостаточной.
Для противошумовой коррекции необходимо увеличивать RH до
значений, в 103...104 раз превышающих йНДОп (до 1---2 МОм), но
в любом случае меньших RiT — для отсутствия параметрических
искажений. Однако в этом случае АЧХ входной цепи увх(ш) име-
ет значительный спад на высоких частотах полосы пропускания.
Эти искажения необходимо скорректировать в одном из промежуточ-
ных каскадов усилителя так, чтобы результирующая АЧХ «входная
цепь — усилитель» была равномерной в требуемой полосе частот
Ууез = Уж(ы)Уу(ы) я 1. Следовательно, АЧХ усилителя с учетом
(15.15) должна иметь подъем в области высоких частот (рис. 15.6,а):
уУ&) = - v/1 + ^ад. (15.18)
Узх\Ш)
Отношение сигнал/помеха на выходе усилителя при этом не
соответствует выражению (15.17), а определяется из следующих со-
ображений.
376
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Высокочастотные составляющие ТВ сигнала, ослабляющиеся во
входной цепи, усиливаются в ПВУ в большей степени, чем низкоча-
стотные, а коэффициент передачи «входная цепь — усилитель» Kq
не будет зависеть от частоты, и размах сигнала на выходе ПВУ
Псвых = UC3XKQ = IcRhKq. (15.19)
То же самое происходит с флуктуационными шумами нагрузки:
^нвых = \ [fa df « KQ^kTRHfB = Кой’ши. (15.20)
V •'/н
Спектральная плотность мощности этой составляющей шума на
выходе усилителя 5ШНВых = (^Лпнвых)2/^/ — 4кТЯнКц не зависит
от частоты — белый шум.
Шумы активных элементов усилительных каскадов не. ослабля-
ются во входной цепи, а только усиливаются в ПВУ. Поэтому
, I rf* I / cj2R2C2\
Циувых = \ / 5ШУ3/»^О2 df « 7<(и/4И^шу/в 1 + *
V Jf« у \ 6 /
« /<0Дшу . (15.21)
Спектральная плотность мощности шумов активных элементов
каскадов на выходе усилителя определяется формой его АЧХ и про-
порциональна квадрату частоты — «треугольный» шум (рис. 15.6,в):
ЗшувыхМ — $шуУу(ш) ~ ^kTRmyK%(1 4-R^C^).
Отношение сигнал/помеха на выходе ПВУ с учетом (15.19)-
(15.21)
*; = ?= = R / (15 221
и ш вых v J / 1 Rmy I |
У RH + R2 V 3 J
Максимальное значение отношения сигнал/помеха ПВУ опреде-
лится при RH 3/(ojlC^Ruiy как
^ymax = "Ay- УА. (15.23)
V 4кТ fb ^вСн -у/Rmy
Таким образом, шумы усилителя при простой противошумовой
коррекции определяются в основном флуктуациями в активных эле-
ментах первого каскада усилителя и имеют «треугольное» спек-
тральное распределение. Поэтому анализ зашумленности ТВ сиг-
нала в ПВУ по сравнению с вкладом других участков тракта пере-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 377
дачи сигнала (в том числе передающей трубки и входной цепи) дол-
жен проводиться исходя из величины отношения сигнал/взвешенная
помеха.
Выражения для отношений сигнал/помеха и сигнал/взвешенная
помеха предварительного усилителя для простой и сложной коррек-
ции при /в > /н, а также рациональные соотношения параметров
схем для получения максимальных значений и Фу приведены в
табл. 15.1 и 15.2.
В таблицах и на рис. 15.7 использованы следующие обозначения:
?'вх — внутреннее активное сопротивление катушки индуктивно-
сти LBX контура во входной цепи;
U ш г — действующее значение тепловых флуктуаций в сопро-
тивлении гвх;
А = Ic \/l/4fcT/B; d = fs/fp', b = CHi/CH; m = RH/RH-2',
= Rh^h/^b3b\ fp — 1/2%Уj R„ — R^Rrt/^l "Ь W
C'H = Ch1Ch2/Ch; C„ = C„i+CH2; C„i=Ct+C^; Ch2 = Cbx + C";
ti?B = 2тгУв, QB — cjbJ7hC7h; Пвзв ~ ^’в^взв-
С помощью простой противошумовой коррекции удается зна-
чительно — в 20...30 раз (на 25...30 дБ) повысить отношение сиг-
нал/взвешенная помеха. Это и определяет ее широкое использо-
вание в предварительных видеоусилителях. С помощью сложной
коррекции можно дополнительно повысить тру лишь в 1,5 раза (на
3,5 дБ). Однако здесь из-за наличия индуктивности во входной цепи
и паразитных связей уменьшается устойчивость работы усилителя.
Эти причины, а также сложность коррекции АЧХ входной цепи в
ПВУ, т.е. обеспечение равномерной частотной характеристики «вход-
ная цепь — усилитель» (рис. 15.7,в), ограничивают использование
сложной коррекции.
Отношение сигнал/взвешенная помеха можно повысить также с
помощью рационального конструирования входных каскадов усили-
теля, т.е., как это следует из (15.23), табл. 15.1 и 15.2, в основном за
счет уменьшения параметров Сн и Яшу, т.е. произведения С^Лщу.
В качестве входных каскадов предварительных усилителей
обычно используют реостатные каскады на полевых транзисторах с
большим входным сопротивлением — каскады со стоковым выходом,
истоковый повторитель и каскодные схемы.
Реостатный каскад на триоде обладает сравнительно малым шу-
мовым сопротивлением Яш, но вместе с тем относительно большой
входной емкостью Свх. Эта емкость значительно уменьшает отно-
шение сигнал/взвешенная помеха и устойчивость работы усилителя.
Каскад с истоковым выходом имеет сравнительно большое эквива-
лентное сопротивление шумов
Rw « Rlui + (ЙШ2//^П), (15.24)
Таблица 15.1
Вил коррекции Отношение сигнал/помеха Рациональные условия Максимальное отно- шение сигнал/помеха
Некоррек- тированный вход А 1 /Rh + Ruiy /Rh А /1 - «72 НшУ « Ян S V Лх доп- доп А-/Щ
Простая А 3 Е? R 1.73 А
0/Rh + Яшу/В2 + о/2С2Яшу/3 ntT Пн С^в Си Rmy
Сложная Ж X + + 7 со I Ю 01 W | о ю СУ- ' + w % + 3 -I 1 w л л + Гвх(Ь — I)2 о2 , ЗЯ262 » + —1/2 Я Э »• н- „ II ¥ - < ? . fl ¥ ’ £ АТ О । . = w GO - С Ю ? ?. •• 4,33.4 WrC'h RlUy
Таблица 15.2
Вид коррекции Отношение сигнал/взвешенная помеха Рацирнальные условия Максимальное отношение сигнал/взвешенная помеха
Некоррек- тирован- ный вход А 1 Пвзв 0/ЙН + Дшу/Л?, V arctgQB,B /?шу « Rn ^г-^- С‘н3/вх доп A^bJ Пвзпв у arctgf2B3n
Простая А // 1 Ruiy A arctgQB3B С27^шу V \ян /?2 ) Пвэв Т2эв R,T » Ян » С'нПщу ‘^ВЗВ Твзв А Сц Rmy
Сложная \ 1 rarctgQB3B 2bmd2 b2md4\ гък(Ь — l)2u2 Пвзв П2ЗВ 1 3Q23BJ 1 Н2/.2 + Дшу rarct.gQb3B 2 / _ 2rf2 1ДП~1/2 «2 L Пвзь к 3 5 7JJ d= УГ67; b - 1,8; 771 — 1; гпх 2Ншу? Riy D 2(Пвзв arclgQB3B — 3) >яи> 6 -2 ^Сн^шу 1 ?5Твзв-4 Сн 7^1п у
378 ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала
379
Рис. 15.8. Упрощенная каскодная схе-
ма входного каскада предварительного
усилителя
но малую емкость Свх, так как его коэффициент передачи А\ш < 1.
Преимущества этих устройств удачно сочетаются в каскодной
схеме, которая состоит из двух последовательно соединенных поле-
вых транзисторов, работающих в режимах «заземленный исток» и
«заземленный затвор» (рис. 15.8). Нагрузкой первого усилитель-
ного прибора является небольшое входное сопротивление второго
Rbx2 ~ 1/S2 ~ l/g2i, так что при Si = S2 коэффициент усиле-
ния каскада
/<! =^„^12» 51^3X2^2 (15.25)
Эквивалентное сопротивление шумов и входная емкость этой
схемы практически определяются параметрами первого транзистора.
Отмеченные преимущества каскодной схемы и ее высокая устойчи-
вость объясняются незначительной обратной связью между входом
и выходом схемы из-за малого АВХ2.
Коррекция амплитудно-частотных искажений входной цепи, воз-
никающих из-за высокого значения 7?НСН, обычно производится с по-
мощью частотно-зависимого делителя или цепочки частотно-зависи-
мой отрицательной обратной связи, охватывающей несколько первых
каскадов усилителя (рис. 15.9). В первой схеме сигнал поступает на
потенциометрический делитель Rl, Cl, В2, С2. Параметры его вы-
бираются так, что Ri Су С2. Комплексное сопротивление
нижнего плеча Z2 в пределах полосы пропускания практически не
зависит от частоты, а верхнего плеча Z\, меняется в широких преде-
лах: на высоких частотах Zi « Z2, а на нижних в 103...104 раз больше.
Коэффициент передачи делителя при = R\R2I{R\ 4- R2) ~ А2,
С12 = Ci + С2
/ \ /1+ Сг
Уменьшение низкочастотных составляющих сигнала в корректо-
ре' при R1C1 = RHCn соответствует их увеличению во входной це-
пи. Поэтому результирующие частотные характеристики усилите-
380
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.9. Упрощенные принципиальные схемы коррекции частотных иска-
жений входной цепи:
а — с частотно-зависимым делителем; 6— с частотно-зависимой отрицатель-
ной обратной связью, охватывающей несколько первых каскадов усилителя
Предварительный
видеоусилитель
Урез — Увх(ш)Уд(^) ~
ля получаются практически равномерными в заданной полосе ча-
стот (см. рис. 15.6,в):
1+и2Л2С2 _ 1
(1+^Л2С2)(1+й;2Л2С122) ~ у1+а?2й2С22
Для коррекции частотных искажений входной цепи часто ис-
пользуют также глубокую частотно-зависимую отрицательную об-
ратную связь, охватывающую несколько первых каскадов усилите-
ля. Она состоит из цепочки RocCOc с большой постоянной времени
(рис. 15.9,6). Совместно с емкостью Сн эта цепь образует ФНЧ так,
что на высоких частотах отрицательная обратная связь практически
отсутствует, а на низких глубина ее составляет 3...4 порядка (в со-
ответствии с ослаблением высоких частот во входной цепи). Более
точная настройка АЧХ предварительного видеоусилителя (и соот-
ветственно идентичность этих характеристик у всех трех ПВУ ка-
налов основных цветов передающей камеры) в ряде случаев произ-
водится дополнительной регулировкой АЧХ в области высоких ча-
стот с помощью частотно-зависимого делителя в одном из последу-
ющих каскадов ПВУ.
При использовании сложной противошумовой коррекции допол-
нительно применяется «вырезывающий» каскад с режекторным кон-
туром. Каскад корректирует подъем частотной характеристики
входной цепи на частоте /р. Для коррекции обычно используют схе-
мы с параллельным контуром LBpCBprBpRBp в эмиттерной цепи или
с последовательным контуром в коллекторной цепи. Оптимальная
форма результирующей частотной характеристики входная цепь —
корректор получается при следующих соотношениях параметров [8]:
^вр — ЗСо, ^вр^вр — ^вх^н’ ДврСВр — />ВХСН, /tBp — 9LBp/8CBp,
где Со — паразитная емкость схемы корректора; 7?.вр — сопроти-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 381
вление шунта; твр — внутреннее сопротивление катушки индуктив-
ности LBp.
Коррекция частотных искажений входной цепи приводит к зна-
чительному уменьшению размаха сигнала после корректора. Поэто-
му эта коррекция производится на сравнительно высоком уровне сиг-
нала так, чтобы флуктуационные помехи каскадов после корректора
практически не ухудшали отношение сигнал/взвешенная помеха.
15.4. Шумоподавители
Многочисленные преобразования и коррекции ТВ сигнала в про-
цессе его формирования ухудшают отношение сигнал/помеха. Поэто-
му в усилительном тракте ТВ системы может возникнуть необходи-
мость использования шумоподавителей. Принцип действия их осно-
ван на фильтрации ТВ сигнала с помощью гребенчатых фильтров.
Как известно, спектр ТВ сигнала имеет дискретную структуру
с гармониками, кратными частотам повторения строк и кадров; при-
чем последние группируются в виде достаточно узких боковых по-
лос вокруг строчных гармоник. В то же время спектральная плот-
ность шума распределена по всему спектру и практически одинако-
ва как в области спектральных составляющих сигнала, так и ме-
жду ними. Поэтому гребенчатый фильтр с максимумами коэффи-
циента передачи на частотах, кратных частоте строчной развертки
(пространственная фильтрация) или частоте передачи кадров (вре-
менная фильтрация), уменьшает флуктуационные помехи за счет
подавления шумовых составляющих, расположенных в минимумах
коэффициента передачи.
В настоящее время фильтры с узкими максимумами коэффи-
циента передачи, чередующимися через 25 Гц или 15625 Гц в по-
лосе пропускания усилительного тракта /в ~ 6 МГц, реализуются
лишь на базе временных нерекурсивных и рекурсивных фильтров (с
прямыми и обратными связями соответственно — рис. 15.10,а;^ и
рис. 15.11,а,в,г). Они содержат оперативные запоминающие устрой-
ства ОЗУ для задержки входного сигнала на время Tq и сумматоры
для взвешенного сложения входного и задержанного сигналов. Пе-
ред сложением сигналы умножаются на весовые коэффициенты а, /3
или у, изменение которых в пределах от 0 до 1 позволяет менять па-
раметры и характеристики устройства. Алгебраическая сумма всех
весовых коэффициентов должна быть равна 1 для нормирования ко-
эффициента передачи Ктг^ = 1, что позволяет при необходимости
отключать («обойти») шумоподавитель.
Гребенчатая форма коэффициента передачи и АЧХ фильтров
А”(си) является периодической функцией с периодом, равным вре-
мени задержки сигнала в ОЗУ Tq = 2tt/cjq (см. рис. 15.10). Она
образуется за счет суммирования гармоник сигнала, совпадающих
382
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
а)
Рис. 15.10. Структурные схемы нерекурсивных временных гребенча-
тых фильтров первого (а) и второго (6) порядков; в — АЧХ фильтров:
1 — а = 0,1 (0,9); 2 — а = 0,3 (0,7); 3 — а = 0,5; 4 — а = у = 0,25; 5 —
а — у — 0,333; г— переходная характеристика фильтра 6 при а = у = 0,25
г)
в)
Рис. 15.11. Структурные схемы рекурсивного (а) и канонических (в, г)
гребенчатых фильтров первого порядка; АЧХ рекурсивного фильтра (6)
по фазе, т.е. гармоник с частотами kcjo = /с2тг/7о, а также гармо-
ник с частотами (к + 0,5)cjq в противофазе (где к = 0,1,2...). На-
при мор, простое сложение сигналов от двух соседних кадров ста-
тического изображения приводит к двукратному увеличению раз-
маха коррелированного видеосигнала, в то время как действующее'
значение некоррелированных флуктуационных помех увеличивает-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 383
ся лишь в >/2 раз: Ц'ез = y(^Li)2 + (^Ls)2 ~ v/2t7n,- При этом
отношение сигнал/помеха также возрастает в \/2 раз (на 3 дБ). В
более сложных случаях при использовании рекурсивных фильтров
при 0.5 < (3 < 1 выигрыш отношения сигнал/помеха может быть
значительно большим за счет уменьшения полосы пропускания мак-
симумов АЧХ.
Однако движущиеся объекты ТВ изображения при такой обра-
ботке «смазаны», т.е. воспроизведены с меньшей четкостью. Отчасти
это допустимо, так как разрешающая способность восприятия дви-
жущихся деталей и градационная разрешающая способность зрения
для них уменьшаются. В общем случае долю ТВ сигнала от деталей,
изменивших свое положение в соседнем кадре или строке, приходит-
ся ограничивать («взвешивать») при суммировании в зависимости от
размеров деталей и скорости их движения. Очевидно,- при этом и
выигрыш в повышении отношения сигнал/помеха уменьшается.
Переходная характеристика /г(пТЬ) — реакция системы на еди-
ничный скачок сигнала при п = 0 (где п — порядковый номер ин-
тервала времени То) приведена на рис. 15.10,г. Форма ее, в основном,
зависит от значения скачков сигнала, следующих через интервалы
времени Tq. Поэтому длительность фронта характеристики может
быть задана в числе интервалов времени задержки Пф. Форма пере-
ходной характеристики позволяет оценить реакцию системы на еди-
ничный импульс и на последовательность единичных импульсов.
В общем случае АЧХ гребенчатых фильтров первого и второ-
го порядков, используемых в ТВ устройствах и содержащих соот-
ветственно одно или два ОЗУ, может быть найдена с помощью z-
преобразования. В результате решения системы уравнений, связыва-
ющих входное Пвх(г) и выходное /7Вых(^) напряжения (умноженные
на соответствующие весовые коэффициенты, а сигналы, поступаю-
щие с ОЗУ, — дополнительно иа множитель z”1), в общем случае
определяется передаточная функция [66]
д,/ х _ ^вых(^) _ Др + ft] z Т a^z2
URX(z) bn + biz + bzz2
При T<max — 1 АЧХ фильтра
= /Ао + .<! coscATq + -42 coS2ugb'
k ' V Во + Bi cos wT0 + B-2 cos 2wTb '
где A',nax — коэффициент передачи в максимумах АЧХ; Ао = а%+а2 Т
Таз; Ai = 2cii{q.q Т а?); А2 — 2aQCL2'i З-b2; — 25] (5q Т 52);
/?./= 25052.
В результате указанных преобразований для нерекурсивного
фильтра первого порядка (см. рис. 15.10,а) получим
А'нр1М — \/1 - 2а(1 - а) + 2а(1 - а) cos се То =
384
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
= 1 — 4а(1 — a)sin2^^-;
/Gax — 1; -Kmin = 1 — 2а на частотах ZccxJq и (k + 0,5)cjq соответ-
ственно (рис. 15.10,в).
Относительная полоса пропускания максимумов на уровне 0,707
2Д/Т0 = 1 arccos (1 ~ .
7г (1 - 2а)2 — 1
Эффективность подавления шумов оценим с помощью коэффи-
циента фильтрации белого шума
У1-2а(1-а)'
1
Переходная характеристика и ее длительность фронта ПфТо
7 ( гг ч fl-а прип = 01 .
Л(пТ0) = < - r \ Пф = 1.
4 7 [1 прип > 1 J ф
Как следует из выражений для <Эбнр1 и 2Д/7о, их экстремальные
значения будут при а — 0,5. Тогда
CjJo
2
^нр1(^) —
^max — lj -^min — 0j
2A/TOmi„ = 0,5; <ЭбнР1 max - 1,41 (3 дБ).
Для нерекурсивного фильтра второго порядка (см. рис. 15.10,6)
при весовых коэффициентах а — у и 1 — 2а (для симметрии переход-
ной характеристики, малых фазочастотных искажений и Ктлх — 1)
7<нр2 (^) = 11 - 2о 4- 2а cos cuTq | — 1 — 4asin2 ;
2Д/ТЬ = — arccos \ 1 -
7Г \
0,293\
2а J
^бнр2 У(1 — 2а)2 + 2а2 ’
{а
1 - о
1
при п = 0
при п = 1
при п 2
7Тф — 2.
Как показывает анализ, здесь характерны два частных случая
(см. рис. 15.10,в):
1) при о- = 7 = 0,25: Kmin = 0 на частотах (k 4- 0, 5)cjo5
Д„|)2(с) = cos2^; 2Д/7о = 0,364; (?бнр2 = 1,63 (4,2 дБ); пф = 2;
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 385
2) при а — у = 0,333: Z<min — 0 на частотах (/с 4- 0,333)cjq и
(к 4- O,666)cjo; (^) = 0,333 на частотах (к 4- О,5)с^о; 2Д/7Ь min = 0,311;
Фбнр2тах — 1,/3 (4,8 дБ), Пф — 2.
В рассмотренных нерекурсивных фильтрах нельзя получить бо-
лее узкие максимумы АЧХ. Поэтому из-за сравнительно малой эф-
фективности подавления флуктуационных помех они чаще исполь-
зуются в сочетании с рекурсивными (см. рис. 15.11,а) в так называе-
мых канонических фильтрах с прямыми и обратными независимыми
связями (см. рис. 15.11,в,г).
Характеристики рекурсивного фильтра первого порядка (см.
рис. 15.11,а) при /<тах = 1 имеют вид
7<p(w) = (1 - /3)/v/l+/?2 -2/?coswT0;
/<тах = 1 и Kmin = (1 -/?)/(! + 0)
на частотах.fccJo и (fc 4- 0,5)cjq соответственно (см. рис. 15.11,6);
2Д/Т0 = - arccos 1 ~ ;
J тг 2/3
q6p = =1 - ^(п+1) •
Численные значения основных параметров рекурсивного филь-
тра приведены на рис. 15.12. Характерными особенностями фильтра
по сравнению с нерекурсивным являются широкий диапазон измене-
ния параметров при 0 < (3 < 1. Этот диапазон ограничен при /3 —> 1
уменьшением устойчивости устройства и увеличением времени уста-
новления переходной характеристики ПфТЬ. Вместе с тем при /3 —> 1
уменьшается относительная полоса пропускания максимумов и, как
следствие, увеличивается коэффициент фильтрации шума. Напри-
мер, при /3 = 0,9: Пф = 20; 2AfTQt = 0,033; Q6p = 4,36 (12,8 дБ).
Анализ характеристик канонических фильтров рис. 15.11,в,г по-
казывает, что рациональная форма АЧХ (/<max = 1, Amin = 0) для
наибольшего подавления помех имеет место при следующих соотно-
шениях весовых коэффициентов а = 0,5(1 4- /3) и у = 0,5. Тогда
для обоих фильтров
/<K1(w) - ЭДК,» - ^2 у 1 + /32-2/3coscjT0’
1 2/3 / 2
2Д/70 = - arccos ; (?6ki = \ з--------д! h(nT0) = 1 - 0,5/?п(1 + /3).
тг 14-/З2 у 1 ~ Р
Форма АЧХ и параметры канонических фильтров первого по-
рядка приведены на рис. 15.12 и 15.13,а. Отсчет параметров про-
изводится для 2AF7q = const.
25
386
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.12. Параметры рекурсивного (штриховые линии) и канонического
(сплошные линии) фильтров
Рис. 15.13. Амплитудно-частотные характеристики канонических фильтров:
а — первого порядка: 1 — при о = 0,625; /3 = 0.25; у = 0,5; 2 —
при о = 0,75; /3 = 0,5; у = 0,5; 3 — при о = 0,875; (3 = 0,75;
7 — 0,5; б— второго порядка с двумя ОЗУ на ТЬстр ~ То и Tqk = zTq
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 387
Сравнение характеристик рассмотренных фильтров показывает,
что канонические фильтры при одинаковой полосе пропускания мак-
симумов за счет лучшей формы АЧХ обеспечивают несколько боль-
шее подавление помех, чем рекурсивные, но, главное — обладают
большим запасом устойчивости [66], а следовательно, допускают и
больший диапазон изменения параметров.
Повышение эффективности подавления шумов можно получить
одновременным использованием межкадровой, межстрочной и меж-
элементной корреляции ТВ сигналов путем соответственно времен-
ной и пространственной (вертикальной и горизонтальной) фильтра-
ций [67]. Реализация подобного шумоподавителя возможна с помо-
щью гребенчатого фильтра третьего порядка с разными временными
задержками на время длительности кадра, строки и элемента изобра-
жения (т.е. трех последовательно включенных канонических филь-
тров с ОЗУ на ТОк = zTq = 40 мс, 7остр = То = 64 мкс и Тоэ =
— 62,5...85,0 нс). Последний фильтр по существу представляет собой
ФНЧ, понижающий уровень высокочастотных составляющих сигна-
ла и шума.
Характеристики шумоподавителя с использованием двух гребен-
чатых канонических фильтров второго порядка при у = 7к,стр = 0,5
и <Тк,стр = 0,5(1 4- /Зк,стр) описываются выражениями:
/ (1 - cos^cjT0)(1 - COSCjTq)
х У (1 + - 2/3K cos WTo)(1 + /Зс2тр - 2/Зстр cos wT0) ’
T^K2maxmax = 1 на частотах kzcjQ, a Xmin — 0 на частотах (/с + О,5)ио
и (к + О,5)гсио (рис. 15.13,6);
2A/zT0 = 1 arccos ; 2Д/Т0 = - arccos ............
7Г 1 + 7Г 1 + Рстр
(в области частот, где Л'к2(ш) = Кк2тахтах = 1);
<?бк2 = /п я t h^nzT^ ~ 1 “ °’<П^ +
уЦ Ркд! Рстр)
При [3 = (Зк = /Зстр: <2бк2 = <9бк1 = 2/(1 - 0) значительно превы-
шает значения коэффициента подавления шума канонического филь-
тра первого порядка фбк1- Например, при (3 — 0,9: <Эбк2 — 20 (26 дБ).
Как следует из приведенных выражений, эффективность пода-
вления флуктуационных помех гребенчатыми фильтрами при одина-
ковой корреляции между кадрами и строками не зависит от абсолют-
ной величины времени задержки сигнала То в ОЗУ, т.е. от частоты
повторения максимумов АЧХ (/ок — 25 Гц и /остр = 15625 Гц). В дей-
388
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.14. Структурная схе-
ма шумоподавителя на осно-
ве рекурсивного фильтра
ствительности же оно определяется фактическими величинами кор-
реляций сигналов конкретного ТВ изображения. Величина и харак-
тер искажений изображенияг возникающих при временной или про-
странственной фильтрации реальных изображений, будут различны.
Допустимые значения этих искажений и определяют эффективность
подавления помех.
Очевидно, что при передаче статических изображений временная
фильтрация из-за полной корреляции кадров не вносит искажений.
Только появление новых объектов происходит с «задержкой предъ-
явления» их во времени в соответствии с величиной Пф7ок. Исполь-
зование же пространственной фильтрации при сложении сигналов от
некоррелированных участков соседних строк во всех случаях, даже
для статических изображений, сопровождается уменьшением четко-
сти по вертикали (из-за размытия горизонтальных границ и умень-
шения контраста мелких деталей), а также сдвигом объекта по верти-
кали (воспроизведение его на последующих строках в соответствии с
длительностью фронта переходной характеристики ПфТЬСТр)- Напри-
мер, при использовании нерекурсивного фильтра 2-го порядка (см.
рис. 15.10,6) и а = 7 = 0,25 в случае передачи сигнала от одиночной
детали размером в один элемент на на г-й и (г + 2)-й строках (как
это следует из рис. 15.10,г) на выходе фильтра появляются «лож-
ные» детали с размахом сигнала 0,25С7вх, а на (г 4- 1)-й строке —
с размахом 0,5t/BX.
Наконец, при любом виде гребенчатой фильтрации движущие-
ся объекты будут «смазываться» пропорционально скорости их дви-
жения. Поэтому при уменьшении корреляции сигналов необходима
адаптивная перестройка параметров гребенчатых фильтров (в част-
ности, 2AFT0 и ПфТ0) в режиме реального времени так, чтобы обес-
печить лучшее качество изображения за счет рационального обме-
на между частными параметрами — четкостью и отношением сиг-
нал/помеха. Эту задачу выполняет анализатор корреляции сигналов
так называемый детектор движения, в котором в результате срав-
нения сигналов на входе и выходе ОЗУ формируется управляющий
сигнал, изменяющий значения весовых коэффициентов а, 0 или 7.
В качестве примера на рис. 15.14 приведена структурная схема
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 389
одного из простейших вариантов шумоподавителя на основе рекур-
сивного фильтра первого порядка. Она содержит умножители X для
взвешенного сложения сигналов в сумматоре Xi и ОЗУ1 для задерж-
ки выходного сигнала на время ТЬК, а также детектор движения. В
последнем используются ОЗУ2 и сумматор S-2 для получения раз-
ностного сигнала от двух соседних кадров, а также формирователь
сигналов управления (ФСУ) работой умножителей. Использование
подобных устройств [68] позволяет при необходимости повысить от-
ношение сигнал/помеха.
15.5. Апертурная коррекция
Апертурные искажения изображения возникают в фотоэлектри-
ческих преобразователях свет-сигнал из-за конечных поперечных
размеров (апертуры) электронного луча, растекания зарядов и абер-
раций в оптических и электронных системах. Эти искажения при-
водят к уменьшению размаха высокочастотных составляющих ТВ
сигнала и к увеличению длительности фронта переходной характе-
ристики системы. В результате уменьшается четкость телевизион-
ного изображения: размываются резкие границы крупных деталей
и уменьшается контраст мелких деталей. В отличие от частотных
искажений, возникающих в усилительных каскадах тракта, апертур-
ные искажения не сопровождаются фазочастотными искажениями.
Поэтому и методы коррекции здесь используются другие.
Апертурные искажения оцениваются либо по переходной, либо
по апертурной характеристике фотоэлектрического преобразователя
(ФЭП) т/ф(съ>,г) (см. гл. 6). При передаче крупных деталей апертур-
ный корректор должен иметь коэффициент передачи Как = 1 (для
возможности обхода), а его АЧХ т/ак(^) = 1/з/ф(со>) при линейной фа-
зочастотной характеристике.
Апертурная характеристика ФЭП в общем случае может быть
аппроксимирована функцией
/ \ _ k ___ —(oj/cjq)2 _
1С кд 1 + ai(cj/cJo)2 + а2(^/^о)4 + • • • 5
где /скд — размах тока сигнала от крупной детали, размер которой
значительно превышает размеры апертуры; cjq — частота, на которой
размах тока сигнала 1С от деталей меньших размеров уменьшается в
е раз; сц, а2,... — постоянные коэффициенты.
Тогда
1 / ш \2 / ш \ 4
3/ак(^) — -= 1 Н- Л1 ( - I Ч-ОлИ --- ) +...
Уф(и) \<^о/ \^о/
Апертурные искажения корректируются с помощью схем диффе-
ренциальной и разностной коррекций. Принцип действия схем диф-
ференциальной коррекции (рис. 15.15) основан на алгебраическом
390
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.15. Дифференциальный апертурный корректор:
а — структурная схема; 6— принципиальная схема формирования сигнала второй
производной; s — переходные характеристики
сложении в определенных пропорциях входного сигнала uBX(a)) с сиг-
налами его четных производных (для симметрии ПХ):
^вых(^) = ^вх(^) + ^1^2(со»2) + &2^4(^4) + . . . + bn^2n(^2n),
где ^вых(^); ^вх(^), w?(w2), ^(cj4),... — нормированные напряже-
ния в различных точках корректора; &i, Ьг»--- — весовые коэффи-
циенты; п = 1,2,3,...
Сигналы четных производных формируются обычно двухзвен-
ными дифференцирующими цепочками с линейной фазочастотной
характеристикой, например CpLn (рис. 15.15,6), так как напряже-
ние на выходе этих цепочек пропорционально квадрату частоты:
U2(w2) =
В сумматорах Ei, S2, Sn (рис. 15.15,а) входной сигнал алге-
браически складывается с сигналами четных производных, которые
формируются дифференцирующими цепочками ..., Z?2n- Фа-
зовые сдвиги, возникающие при формировании корректирующих сиг-
налов, компенсируются с помощью линий задержки ЛЗ. На практике
часто используют сигнал второй и (или) четвертой производной.
На рис. 15.15,в приведены переходные характеристики до и по-
сле алгебраического сложения входного сигнала с сигналом второй
производной 61?/.-2(с^2). Из рисунка следует, что с помощью подоб-
ной операции (при малых фазочастотных искажениях) может быть
получена симметричная переходная характеристика с существенно
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 391
меньшей длительностью фронта по сравнению с исходной.
Недостатком дифференциальной коррекции является возмож-
ность ее использования только в горизонтальном направлении. Кро-
ме того, на переходной характеристике возникают выбросы (на ТВ
изображении — пластика), но главное, после апертурной коррек-
ции увеличивается зашумленность ТВ сигнала за счет «добавления»
флуктуационных помех из каналов четных производных.
Разностная апертурная коррекц-и.. основе па на вычитании из
входного сигнала «информации» о соседних элементах изображения.
Она реализуется на нерекурсивных гребенчатых фильтрах с линей-
ными фазочастотными характеристиками (см. § 15.4).
При коммутации потенциального рельефа мишени передающей
трубки с помощью электронного луча с относительно большой апер-
турой (превышающей размеры одного элемента) сигнал на выходе
трубки пропорционален яркости нескольких соседних элементов. От-
носительное содержание «ложной информации» в сигнале, очевид-
но, зависит от размеров апертуры и закона распределения плотности
электронов коммутирующего луча.
Для формирования сигнала, пропорционального яркости только
одного г-го элемента изображения, необходимо из суммарного сиг-
нала вычесть «взвешенные» сигналы, пропорциональные яркостям
предыдущих i — п и последующих i + п соседних элементов (по на-
правлению соответствующей развертки), где п = 1,2, ...,д — поряд-
ковые номера соседних элементов. Однако этих сигналов в «чистом»
виде также не существует. В первом приближении вместо них можно
использовать сигналы, которые формируются во время прохожде-
ния луча через соседние элементы, т.е. другие соседние мгновенные
значения того же сигнала.
В общем случае число q и относительные величины a,i±n соста-
вляющих Ui±n полного корректирующего сигнала -икор, а также их
относительное время задержки и (или) опережения ±T0(i±n) зависят
от диаметра апертуры и закона распределения плотности электронов
коммутирующего луча (или зарядов в матрице ПЗС):
я
^кор — CtiUi , (15.27)
?г=1
где Ui> Ui±n — мгновенные значения сигналов во время коммутаций
г-го и (г ± гг)-го элементов изображения.
Для получения симметричной переходной характеристики необ-
ходимо, чтобы коэффициенты
O'i — n ~ di+ni (15.28)
а. для нормирования коэффициента передачи устройства /<ак = 1 на
392
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.16. Форма сигнала от черно-белых полосок различной ширины в
разностном апертурном корректоре
средних частотах полосы пропускания
Q
ai = ^ai±n- (15.29)
П=1
Сигнал на выходе корректора иВых = Щ + ^кор^кор-
В простейшем случае при апертурной коррекции в горизонталь-
ном направлении и акор = аг — 1, сц±п — 0,5 (рис. 15.16) коррек-
тирующий сигнал согласно (15.27) - (15.29) может быть образован
из трех составляющих: ^кор = Ui — 0,51^_а: — 0,5^+^, а сигнал на
выходе корректора
^вых — “Ь ^кор — 214^ 0,5т.6г — к OjSTZ^+fc? (15.30)
где Ui-kt ^г+/с — мгновенные значения сигнала во время коммутации
к-го предыдущего и fc-ro последующего элементов изображения, на-
пример отстоящих по строке от г-го элемента на расстоянии ±0,5</эф
(</эф — эффективный диаметр апертуры с эквивалентной равномер-
ной плотностью распределения электронов).
Так как при реализации корректора можно использовать толь-
ко задержанные сигналы, то Ui+k = представляет собой мгно-
венное значение сигнала, непосредственно поступающего в данный
момент на вход корректора; щ — мгновенное значение сигнала, за-
держанного на время ТЬг ~ 0,5тф (^ф — длительность фронта ПХ
свет--сигнала на входе корректора); гц-к — мгновенное значение сиг-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 393
нала, задержанного на время Tq^_^) ~ = Тф (см. рис. 15.16).
Для совмещения во времени основного и корректирующих сигналов
используются линии задержки. Из рисунка видно, что на выходе
корректора увеличивается размах сигнала от одиночных мелких де-
талей и уменьшается Тф, но на ПХ появляются выбросы. Глубина
апертурной коррекции может регулироваться с помощью изменения
параметров <аКОр и ai (сц±п). Ограничениями являются увеличение
выбросов ПХ и уменьшение отношения сигнал/помеха из-за того, что
при алгебраическом сложении ТВ сигналов флуктуационные поме-
хи всегда увеличиваются.
Достоинством данного метода является возможность коррекции
апертурных искажений как в горизонтальном, так и в вертикальном
направлениях. Однако в вертикальном направлении из-за дискретно-
го характера передачи изображения выбор времени задержки Tq огра-
ничен длительностями, кратными периодам передачи строк ТоСТр —
= 64 мкс и кадров 7qk = 40 мс. Очевидно, более простая реализа-
ция корректора получается при использовании аналоговых сигналов
соседних строк одного поля, так как для их фазирования могут при-
меняться линии задержки на строку. Из-за чересстрочного характера
разложения изображения задержка сигнала на Tqj = Тостр = 64 мкс
означает использование корректирующего сигнала от соседней стро-
ки поля, т.е. от каждой второй строки кадра (п = 2). При этом для
коррекции в вертикальном направлении сигнал Uj должен быть за-
держан на Tbj = 64 мкс, a Uj-2 — на 2T0j = 128 мкс относительно
сигнала Uj+2 (где j — номер строки кадра).
При одинаковой четкости изображения по вертикали и горизон-
тали сигнал горизонтальной коррекции должен содержать составля-
ющую щ, задержанную на Tqz = 2£э = (0,125... 0,170) мкс (где i —
номер элемента строки; t3 — номинальная длительность сигнала от
одного элемента изображения), и составляющую задержанную
на 27Ьг — 4£э относительно сигнала Ui+2-
Сигнал на выходе подобного корректора (рис. 15.17) в частном
случае при а;±п = 0,5 формируется следующим образом:
^вых — 'U'j/i 4" ^кор^кор? (15.31)
где Uj/i — это ивх = ^(j+2)/(i+2), задержанное на время Tqj и Tq^
'М'кор — ^в/г 4“ ^в/г — j/i ~ 0?5^'(j—2)/г /г-> 'U'j/v ~
= Ujfi ~ ~ 0Ф^/(г+2)-
Сигналы вертикальной uB/i и горизонтальной Uj/r коррекций, а
также суммарный корректирующий сигнал г/,кор формируются в со-
ответствующих сумматорах SB, Хг и £кор, а выходной сигнал — в
сумматоре Хвых; ОЗУВ задерживает сигнал вертикальной коррекции
^в/(^+2) на время, равное длительности двух элементов изображения,
и тем самым фазирует сигналы вертикальной и горизонтальной
и7/г коррекций относительно г-го элемента 7-й строки (рис. 15.17,в).
394
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
J-я строка (j+2)-* строка
(j—2)-я строка
0,125 мкс
0,125 мкс
0,125 мкс0,125 мкс
64 мкс
64 мкс
^Начало
б)
отсчета
времени
Рис. 15.17. Двумерный апертурный корректор:
а — упрощенная структурная схема; 6— осциллограмма ТВ сигнала на
входе корректора; в — элементы изображения (заштрихованные окруж-
ности), «взвешенные» сигналы от которых участвуют в формировании
мгновенных значений выходного сигнала (при чересстрочной развертке)
Элементы
Мгновенные значения телевизионного сигнала, обозначенные в со-
ответствии с (15.31) и отмеченные на рис. 15.17,6, формируются во
время прохождения центра апертуры по соответствующим элемен-
там изображения (рис. 15.17,в); причем в формировании сигнала на
выходе корректора в каждый данный момент времени в различных
пропорциях участвуют только те мгновенные значения сигнала, ко-
торые образуются при расположении центра апертуры на заштрихо-
ванных элементах изображения.
Как следует из вышеизложенного, в разностных апертурных кор-
ректорах используются временные нерекурсивные фильтры второго
порядка (см. рис. 15.10,6) с малыми фазочастотными искажениями.
У подобных устройств форма АЧХ — периодическая функция с пери-
одом, равным времени задержки сигналов в ОЗУ То = 2тг/ио- В отли-
чие' от фильтров, рассмотренных в § 15.4, в апертурных корректорах
используются фильтры с отрицательными весовыми коэффициента-
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 395
Рис. 15.18. Зависимость коэффициента передачи от частоты (а)
и переходная характеристика (6) нерекурсивных фильтров второ-
го порядка, использующихся в двумерном апертурном корректоре
ми, вследствие чего у них экстремумы АЧХ меняются местами. В
сумматоре S производится алгебраическое сложение сигналов: на
первый и третий входы они поступают в отрицательной полярности
и умножаются на весовой коэффициент а (одинаковый для обоих вхо-
дов — для симметрии переходной характеристики), а на второй — в
положительной полярности с весовым коэффициентом 1 4- 2а (для
нормирования коэффициента передачи устройства Аак — 1). Ко-
эффициент передачи подобных устройств определяется с помощью
^-преобразования (15.26):
А”(щ») = 11 4- 2а — 2а cos cjTq| = 1 4- 4asin2cj(7o/2);
^min ~ 1? -К^шах — (1 4“ 4q)
на частотах кш0 и (к 4- 0,5)со>о соответственно (рис. 15.18,а).
Переходная характеристика фильтра (рис. 15.18,6)
{—а при п = 0;
1 4- а при п — 1;
1 при п 2.
Анализ этих характеристик позволяет сделать следующие вы-
воды. Эффект повышения резкости воспроизведения вертикальных
границ деталей создается в горизонтальном корректоре при Тщ =
— 0,125.. .0,170 мкс за счет появления выбросов и уменьшения дли-
тельности фронта (см. рис. 15.16 и 15.18) переходной характеристики
/i(nTb), форма которой в реальных системах «сглажена» апертурны-
ми искажениями в ФЭП и линейными искажениями в видеоусили-
тельном тракте. Амплитудно-частотная характеристика корректо-
ра неравномерная (рис. 15.18,а): максимум коэффициента передачи
А'актах = 2...3 (при а = (ц±п — 0,25.. .0,5) обычно располагается на
частоте О,5иой т.е. на 0,5/Ьг = 0,5/ТЬу — 3...4 МГц. Если бы мак-
симум располагался на частоте /в ~ 6,0 МГц (время задержки Гф
равно длительности одного элемента изображения /э « 0,0625 мкс),
то в этом случае четкость по горизонтали превышала бы четкость
в вертикальном направлении.
396
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Однако в горизонтальном апертурном корректоре вместе с высо-
кочастотными составляющими ТВ сигнала увеличиваются и флук-
туационные помехи. Отношение сигнал/помеха для белого шума при
а-кор = 1 уменьшится в корректоре на величину, равную
'Фвх ___ вых
V'Uix Um вх
У(1 + 2а)2 + 2а2.
При а = 0,25... 0,50: Qr = 1,54...2,12 (3,8. ..6,6 дБ) без учета
«веса» помех.
В вертикальном корректоре при Toj = 64 мкс резкость воспро-
изведения горизонтальных границ деталей повышается за счет спе-
цифической формы «пространственной» переходной характеристики
^(пТо), т.е. из-за уменьшения сигнала (яркости фона) на предыдущей
строке — перед деталью, и увеличения сигнала (яркости на границе
детали) на следующей строке (в частности, при а — 0,25... 0,50 на
25...50 %) — «вертикальная пластика».
Из рис. 15.18,а следует, что в этом корректоре — гребенчатом
фильтре с частотой следования минимумов /о; = 1/Toj = 15625 Гц
— размах составляющих ТВ сигнала на частотах kujQj = кшстр в
пределах полосы пропускания ссв не меняется, так как ffaKmin = 1-
Однако уровень флуктуационных помех значительно увеличивается
из-за повышения 7<ак(и) в пустых промежутках спектра ТВ сигна-
ла — в области максимумов на частотах (А; + 0,5)tuCTp. Уменьшение
отношения сигнал/помеха в вертикальном корректоре для белого шу-
ма на входе при акор = 1 ориентировочно как в горизонтальном —
<Эв « У(1 +2а)2 + 2а2, но с другим характером спектрального рас-
пределения мощности помех из-за отличия в формах АЧХ устройств.
Подобное уменьшение отношения сигнал/помеха часто непри-
емлемо из-за ухудшения качества изображения. Поэтому в апертур-
ных корректорах для повышения отношения сигнал/помеха и умень-
шения выбросов используют ряд мероприятий. Наиболее существен-
ными из них являются: нелинейная обработка биполярного коррек-
тирующего сигнала ^кор (см. рис. 15.16) за счет двустороннего ограни-
чения его среднего уровня (т.е. в основном шумов в области ±2...5 %
его размаха), а также применение шумоподавителей и адаптивных
корректоров.
В качестве шумоподавителей используются также нерекурсив-
ные гребенчатые фильтры второго порядка, но с положительными
весовыми коэффициентами (см. рис. 15.10,5), т.е. с измененными по-
ложениями экстремумов АЧХ. Например, в горизонтальном кор-
ректоре (вместо первого ОЗУ на То; вертикального корректора, см.
рис. 15.17) вход,ной сигнал поступает через шумоподавитель (ШП)
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 397
— гребенчатый фильтр с временем задержки Tqj и весовыми коэф-
фициентами а = 0,25 и (1 — 2а) — 0,5, а в вертикальном корректо-
ре вместо фазирующего ОЗУВ (см. рис. 15.17) используют подобный
же шумоподавитель, но с ТОг = 1...2Z3, минимум коэффициента пе-
редачи которого 7<min = 0 находится на частоте l/Tbi = 3...6 МГц.
По существу он представляет собой ФНЧ с линейной фазочастотной
характеристикой. Его недостаток — фильтрация не только шумов,
но и составляющих ТВ сигнала.
Наиболее эффективной из перечисленных мер является примене-
ние адаптивных апертурных корректоров. В них степень коррекции
в вертикальном и горизонтальном направлениях меняется индиви-
дуально с помощью аКорг,; = var в зависимости от уровня шумов,
уровня сигнала изображения (т.е. яркости детали), ее цветности и
других параметров [69]. Алгоритмы работы блока анализа и форми-
рования сигналов управления значениями параметров аКОрм подоб-
ны алгоритмам работы «детектора движения» шумоподавителей на
гребенчатых фильтрах и, несмотря на их сложность, оправданы при
комплексном использовании этих устройств.
Рассмотренные виды апертурных корректоров могут работать с
аналоговыми или цифровыми сигналами яркости и цветности из-за
относительно малых значений Taj и возможности использования
для ОЗУ искусственных линий задержки.
Дальнейшее развитие схем апертурных корректоров базирует-
ся на применении цифровых устройств, где корректирующий сигнал
формируется из цифровых сигналов от соседних строк кадра и от
соседних элементов изображения на основе использования ОЗУ на
кадр. Один из упрощенных вариантов подобного .устройства содер-
жит ОЗУ на поле и дополнительный ОЗУ на строку [69]. В подобных
устройствах, помимо более эффективной апертурной коррекции за
счет формирования корректирующих сигналов от соседних элемен-
тов по горизонтали и вертикали, удается использовать более эффек-
тивные шумоподавители с памятью на кадр, а также учесть статиче-
скую и динамическую неравномерность четкости по полю изображе-
ния (например, в центре и в каждом из углов кадра).
В общем случае целесообразность и эффективность применения
апертурной коррекции в каждом конкретном случае должна оцени-
ваться по интегральному критерию качества изображения, величи-
на которого определяется частными параметрами, и в первую оче-
редь четкостью, отношением сигнал/помеха, значениями выбросов и
т.д. Апертурные корректоры целесообразно использовать не только
в тракте ТЦ, но и в ТВ приемниках для уменьшения протяженно-
сти цветовых переходов.
15.6. Коррекция полутоновых искажений
Полутоновые искажения изображения являются следствием не-
линейных искажений сигнала изображения и различных условий на-
398
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
блюдения передаваемого и воспроизводимого изображений (оригина-
ла и репродукции).
Нелинейные искажения ТВ сигнала возникают в фотоэлектри-
ческих преобразователях и в каскадах видеоусилительного тракта
из-за нелинейности их световых и амплитудных характеристик. В
черно-белых ТВ системах эти искажения приводят к неправильному
воспроизведению градаций яркости (полутонов) передаваемого изо-
бражения, а в цветных — и к искажениям цветности.
Коррекция нелинейных искажений по существу сводится к полу-
чению требуемой формы характеристики передачи уровней яркости
телевизионной системы Тиз — /(Lo), где То, Тиз — яркости оригина-
ла и изображения на экране кинескопа соответственно.
Качество ТВ изображения зависит от числа воспроизводимых
градаций (пороговых перепадов яркости, различаемых глазом) и от
того, как эти градации распределены по динамическому диапазону
изменения яркости репродукции, особенно в отдельных, наиболее
важных участках этого диапазона. Динамический диапазон изме-
нения яркости определяется, как известно, максимальным контрас-
том Z6max = Тщах/Lmin, где Lmax, Tmin — максимальная и мини-
мальная яркости. Номинальное число градаций, различаемых на
изображении, зависит от условий его наблюдения, и в частности от
максимальной яркости Lmax, яркости фона (яркости адаптации) Тф,
контраста К. угловых размеров деталей /Зд и фона изображения Дф.
Причем число градаций уменьшается при уменьшении динамическо-
го диапазона и угловых размеров деталей.
Яркость объектов Lo может достигать нескольких тысяч кан-
дел на квадратный метр, а контраст 1000 и выше. В то же время
современные кинескопы с алюминированными экранами и дымча-
тым стеклом воспроизводят изображения с максимальной яркостью
Z/изтах — 100...300 кд/м2, максимальным контрастом 100...200, а кон-
трастом в мелких деталях 10...30. Из-за указанных причин динами-
ческий диапазон изменения яркости репродукции Ьиз в большинстве
случаев меньше диапазона изменения яркости оригинала Lo. Поэто-
му при воспроизведении изображений число градаций, различаемых
глазом на объекте Ао, уменьшается и число воспроизводимых гра-
даций изображения на экране кинескопа всегда Аиз < Ао. Следо-
вательно, качество изображения может быть существенно увеличено
только за счет улучшения параметров фотоэлектрических преобра-
зователей сигнал-свет.
Однако в ТВ, так же как в кино и фотоизображениях, даже
при ограниченном числе воспроизводимых градаций имеется возмож-
ность несколько улучшить качество изображения. Для этого необхо-
димо перераспределить Аиз по динамическому диапазону изменения
яркости репродукции Тиз так, чтобы увеличить число воспроизводи-
мых градаций в сюжет но важном участке диапазона (за счет умень-
шения числа градаций в остальных участках).
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 399
Рис. 15.19. К опре-
делению формы
характеристики пе-
редачи уровней
яркости ТВ системы
изменения яркости
передаваемого объекта
Перераспределить градации можно изменением формы характе-
ристики передачи уровней яркости LM3 = f(Lo). Требуемая форма
этой характеристики в общем случае (в том числе и для создания
так называемой «градационной лупы» для улучшения опознавания
объектов в определенной ограниченной области динамического диа-
пазона) может быть определена графическим методом [8]. Для этого
в квадранте I (рис. 15.19) строится функция Ао = /(Ьо), характери-
зующая зависимость номинального числа градаций Ао, различаемых
на объекте при определенных условиях его наблюдения, от яркости
Lo. Эта функция находится для заданных значений LOmin> Lomax,
£фо, /Зфо? /Здо п0 соответствующей экспериментальной кривой изме-
нения контрастной чувствительности глаза (AL/L)nop = где
(AL/L)nop — минимальное (пороговое) относительное изменение яр-
кости, замечаемое глазом и являющееся мерой визуального ощуще-
ния яркости — одной градацией (см. гл. 2). Вначале по кривой опре-
деляется значение (AL/L)nopi при Lomin (или Lomax) и рассчитыва-
ется ALnopi = Lo min (AL/L)nOpi; затем для яркости (Lornin ALnopi)
определяются (AL/L)nop2 и ALnop2 и т.д. Число т интервалов ярко-
сти ALnopi, ALnop2,..., ALnopm для каждого значения яркости Lo и
является мерой ее визуального ощущения, т.е. т = Ао.
В квадранте III строится аналогичная зависимость Аиз = /(LH3)
для определенных условий наблюдения телевизионного изображения
на экране приемника. На кривых квадрантов I и III отмечаются диа-
400
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
пазоны изменения яркости оригинала и репродукции (максимальные
и минимальные яркости). В квадранте II находится положение то-
чек а и б на характеристике Аиз = f(Ao). Воспроизводимые гра-
дации Аиз будут равномерно распределены по диапазону изменения
Тиз, если характеристика Аиз = f(Ao) линейна (кривая 7), т.е. если
градиент воспроизведения полутонов G = ДАИЗ/ДЛО = const. При
этом из-за указанных причин в большинстве случаев G < 1, т.е. не-
сколько световых градаций объекта воспроизводится как одна гра-
дация репродукции.
Воспроизведение сюжетно важных полутонов в некотором участ-
ке динамического диапазона улучшается, если увеличить значение G
кля этого участка. Однако при этом в остальных областях диапазона
число воспроизводимых градаций приходится уменьшить. Увеличе-
ние G ограничивается также флуктуационными помехами, маскиру-
ющими перепады яркости. В качестве примера в квадранте II (см.
рис. 15.19) показаны характеристики, при которых улучшено воспро-
изведение полутонов в области малых освещенностей (кривая 2) и в
области больших освещенностей (кривая 5). Требуемая форма ха-
рактеристики передачи уровней яркости определится в квадранте IV
как след вершины прямоугольника, три остальные вершины которо-
го смещаются по кривым квадрантов I, II и III.
В вещательных ТВ системах для большинства изображений сю-
жетно важными являются полутона крупных деталей в области боль-
ших освещенностей. Поэтому форма характеристики Тиз = /(То)
этих систем должна быть подобна кривой 3 (квадрант IV). В частном
случае эта характеристика может быть аппроксимирована степенной
функцией Тиз = kL^, где — показатель степени гамма. Экс-
периментально установлено, что наилучшее качество изображения
для вещательных систем при ~ 1,2...1,3. Как видно из рис. 15.19,
при 7с > 1 (кривая 3) крутизна характеристики передачи уровней
яркости максимальна в области больших освещенностей. Поэтому
полутона наиболее освещенных деталей подчеркиваются и их распо-
знаваемость на изображении улучшается.
Полутоновые искажения изображения корректируются измене-
нием величины и характера нелинейных искажений телевизионного
сигнала с помощью специального гамма-корректора. Форма ампли-
тудной характеристики корректора UBblx = f(UBX) в общем случае
может быть определена по световым характеристикам ФЭП свет-
сигнал UBX = f(Lo) и приемной трубки £из — /(ПВых)> а также по
характеристике передачи уровней яркости ТВ системы £из = f(L3)
графическим методом с помощью аналогичных построений в четы-
рехквадрантной системе координат (рис. 15.20).
В частном случае, если указанные характеристики аппроксими-
рованы ('тененными функциями
1пах — (То/То Шах)^С •> Пвх/^вхтах — (-^o/^omax)Z ?
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 401
Рис. 15.20. К определению формы амплитудной характеристики гамма-
корректора полутоновых искажений
ьиз из max — ^ивых/вых max )
и известны значения показателей степени этих функций ус, 7„, 7„р,
то коэффициент нормированной амплитудной характеристики
корректора иъых/иъыхтлх = (Пвх/ПВХ1пах)Тк может быть определен
из соотношения
•^из/^изтах ~ (^вых/^Лзых тах)^ПР ~ (^вх/^вхтах)^ h^"P ~
= (LO/LOmaX)Tn7KTnP - (^0М0тах)7с,
где 7с = 7п7к7пР; 7с, 7п, 7пР, 7 к — показатели степени функций,
аппроксимирующих характеристику передачи уровней яркости, све-
товые характеристики ФЭП свет-сигнал и сигнал-свет, а также ам-
плитудную характеристику корректора соответственно.
Тогда показатель степени амплитудной характеристики коррек-
тора определится как
7к — 7с/7п7пР- (15.32)
Экспериментально установлено, что для видиконов ус « 0,6...0,7,
плюмбиконов и ПЗС 7П « 1,0, черно-белого и цветного кинескопов
7пР « 2,8. При 7с = 1,2...1,3, 7П = 1,0, 7„р = 2,8 показатель степени
характеристики корректора 7С = 0,4...0,5.
Амплитудная характеристика нормально функционирующего
видеоусилителыюго тракта линейна и поэтому, как правило, не учи-
тывается при расчетах корректора.
В гамма-корректорах полутоновых искажений обычно исполь-
зуются схемы с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи и с
26
402
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 15.21. Упрощенные принципиальные схемы гамма-корректоров:
а — с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи; 6— с амплитудно-зависимым
делителем в двухканальном корректоре с 7K~var
амплитудно-зависимым делителем сигнала (рис. 15.21). Во всех слу-
чаях на входе корректора необходимо фиксировать уровень черно-
го, чтобы этот уровень строго соответствовал определенной — «на-
чальной» точке нелинейной амплитудной характеристики корректо-
ра. При отсутствии фиксации уровни сигналов от одинаково освещен-
ных деталей различных изображений будут занимать разные положе-
ния на его амплитудной характеристике (в зависимости от изменений
средней яркости оригиналов) и яркости деталей будут искажены.
Максимальный размах входного сигнала должен быть l/BXmax =
= const для определенного расположения его относительно рабочей
части амплитудной характеристики гамма-корректора, а максималь-
ный коэффициент передачи корректора Ктлх = ивыхтлх/ивхт^ = 1
для возможности обхода устройства.
В корректоре с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи
(рис. 15.21,а) коэффициент передачи меняется при изменении сопро-
тивления нагрузки каскада. В качестве нелинейной нагрузки ис-
пользуются диоды, отпирающиеся поочередно по мере увеличения
входного сигнала (?к < 1). Корректоры с амплитудно-зависимым
делителем, строятся по таком}' же принципу. Одно из плеч делите-
ля (в частности, нижнее R2 — рис. 15.21,6) шунтируется поочередно
отпирающимися диодами, благодаря чему и реализуется нелинейная
форма амплитудной характеристики корректора (ук < 1).
Для универсальности гамма-корректоров, т.е. для возможности
работы с датчиками ТВ сигнала с разными уп, а также для инди-
видуальной подстройки корректоров в каналах основных цветов и
ГЛАВА 15. Формирование аналогового телевизионного сигнала 403
Рис. 15.22. Структурная схема
цифрового гамма-корректора
(а); формирование амплитудной
характеристики корректора (6)
унификации тем самым световых характеристик трехтрубочных пе-
редающих камер ЦТ, корректоры полутоновых искажений часто вы-
полняются с переменным значением коэффициента гамма (например,
ук = 0,4... 1,0). Схема подобного корректора с плавной регулировкой
гамма приведена на рис. 15.21,6. Изменение значения гамма достига-
ется за счет сложения в разных пропорциях в сумматоре S сигналов
бш'вых + (1 ~ Фвых — ^вых (где а = 0...1), прошедших соответственно
через каналы с линейной (у — 1) и нелинейной (у < 1) амплитудными
характеристиками. Для нормирования выходного сигнапа необходи-
мо, ЧТОбы f/вхтах = Пихтах ~ ^выхтах ~ ^выхтах-
В частных случаях, особенно при натурных передачах, для улуч-
шения качества воспроизведения малокоптрастпых деталей в обла-
сти черного или объектов с повышенным контрастом приходится с
помощью специальных дополнительных корректоров изменять номи-
нальную форму амплитудной характеристики тракта [11] — увеличи-
вать крутизну характеристики в области черного (растяжка черного)
или уменьшать крутизну в области белого (компрессия белого).
Цифровые гамма-корректоры реализуются на базе ПЗУ, в ко-
тором для каждого уровня входного сигнала (определенной кодовой
комбинации) хранится информация о соответствующем уровне вы-
ходного сигнала (или об алгебраическом приращении входного сигна-
ла) — другая кодовая комбинация, соответствующая требуемой фор-
ме амплитудной характеристики корректора. Меньший объем памя-
ти необходим в цифровом корректоре с компараторами (рис. 15.22).
Число последних (так же как и число диодных ячеек в аналоговых
устройствах — рис. 15.21) определяет число отрезков кривой, т.е. точ-
ность кусочно-линейной аппроксимации амплитудной характеристи-
ки корректора. В ПЗУ хранится лишь информация о коэффициентах
усиления входного сигнала ивх и аддитивных констант Ci. Выход-
ное напряжение формируется в сумматоре S как ивых — KiUBK -г Q,
(рис. 15.22,6).
С помощью корректора полутоновых искажений можно улуч-
шить воспроизведение полутонов деталей определенных размеров,
яркость которых заключена в сюжетно важном участке динамиче-
ского диапазона, и повысить тем самым качество телевизионного
изображения.
26*
404
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Глава 16
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СТАНДАРТОВ
16.1. Основные положения и общие
принципы преобразования стандартов
Обмен телевизионными программами имеет важное значение в
развитии современного общества. Благодаря этому обмену открыва-
ются широкие перспективы показа важных политических и культур-
ных событий, происходящих в различных местах земного шара. Это
способствует лучшему познанию людьми друг друга и культурному
их обогащению. Этим широко и ежедневно пользуются при передаче
программ новостей, общественно-политических передач, всякого рода
«телевизионных мостов» и др. Поэтому трудно переоценить значение
международного обмена телевизионной информацией.
При организации международного обмена телевизионными про-
граммами кроме известных сложностей, связанных с передачей широ-
кополосных сигналов на большие расстояния, возникают трудности,
обусловленные особенностями структуры телевизионного сигнала и
методами передачи цветовой поднесущей в системе цветного теле-
видения. Одним из необходимых условий воспроизведения передан-
ного ТВ изображения является идентичность параметров разложе-
ния (число строк и частота полей) передающей и приемной сторон.
При несоответствии этих параметров необходимо на приемной сто-
роне сформировать ТВ сигнал с новыми параметрами разложения в
соответствии с действующим на данной территории стандартом.
Стандарт разложения — это процесс дискретизации телевизион-
ного сигнала в пространстве и во времени, это число строк в кадре,
структура расположения строк и число кадров в секунду. Преобра-
зование видеосигналов с различными стандартами разложения бу-
дем называть преобразованием стандартов. Задача преобразования
состоит в вычислении промежуточных значений отсчетов выходного
стандарта, исходя из имеющихся значений отсчетов входного стан-
дарта (интерполяция).
Проблема преобразования стандартов возникла в 50-х годах —
в начале широкого развития телевизионного вещания, а необходи-
мость в преобразовании — когда телевизионные программы начали
пересекать государственные границы. В то время в Европе действо-
вали три стандарта развертки изображения: 405/50 (Великобрита-
пияя), 819/50 (Франция, одна станция) и 625/50 (другие европей-
ские страны). В рассматриваемом случае для обмена программами
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
405
необходимо преобразовать только число строк. Эта проблема вста-
ла еще острее, когда появилась возможность передачи ТВ сигналов
на большие расстояния, с одного континента на другие, с помощью
искусственных спутников Земли (ИСЗ): в этом случае необходимо
преобразовывать и частоту кадров. На американском континенте
и в Японии при 525 строках разложения частота полей составляет
60 Гц. Следовательно, в этом случае необходимо преобразовывать
и частоту полей, и число строк.
Исторически первоначальным решением этой проблемы было
прямое оптико-электронное преобразование, основанное на считыва-
нии с помощью телевизионной камеры, параметры разложения ко-
торой соответствовали стандарту приемной стороны, с экрана видео-
контрольного устройства с параметрами разложения, соответствую-
щими передающей стороне. Следовательно, преобразование стандар-
тов сводилось к записи изображения в одном стандарте и в считы-
вании его в другом.
Такие преобразователи назывались оптически связанной парой
(ОСП). В качестве элементов памяти в них использовались накопи-
тельные свойства мишени передающих трубок и инерционность лю-
минофоров кинескопов. Преобразование сигналов с помощью ОСП не
могло обеспечить высокого качества изображения, так как использо-
вание дополнительных передающей, приемной трубок и оптики при-
водило к понижению четкости изображения, возникновению новых
геометрических искажений. При преобразовании цветных изображе-
ний трудности усугублялись, так как возникали существенные ис-
кажения цветопередачи.
В настоящее время в мире действуют два стандарта развертки
изображения. На американском континенте, в Японии, Корее, Тай-
ване и др. ТВ передачи ведутся с частотой 60 полей в секунду при 525
строках разложения. На остальных континентах действует стандарт
разложения с частотой 50 полей в секунду при 626 строках.
В мире в настоящее время действуют три системы цветного те-
левидения: NTSC, PAL, SECAM, которые отличаются методами пе-
редачи цветовых сигналов. При обмене программами между государ-
ствами в пределах одного континента, где действует один стандарт
разложения, но различные системы цветного телевидения, процесс
преобразования будет заключаться только в изменении способа коди-
рования сигналов цветности (транскодирование). Когда же цветные
программы принимаются с американского континента или из Япо-
нии, процесс преобразования включает не только транскодирование,
но и изменение параметров разложения — числа строк и кадров.
На смену преобразователям с ОСП пришли электронные систе-
мы, в которых в качестве запоминающих устройств использовалась
магнитная запись или электрические линии задержки. Основное от-
личие систем электронного преобразования стандартов от преобра-
зователей с ОСП заключается в том, что все операции преобразова-
406
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ния производятся непосредственно с ТВ сигналом без формирования
изображения на экране кинескопа. В этих системах использовался
аналоговый сигнал. В электронных преобразователях стандарты с
различным числом строк и кадров согласовывались с помощью нако-
пления информации строки или кадра, с последующим считыванием
этой информации с требуемой скоростью.
16.2. Цифровые преобразователи стандартов
В настоящее время в центрах преобразования стандартов ис-
пользуют электронные устройства, в которых все основные опера-
ции осуществляются на основе цифровых методов обработки теле-
визионных сигналов.
Цифровые преобразователи стандартов (ЦПС) аналогичны ана-
логовым преобразователям, однако цифровые имеют ряд существен-
ных преимуществ. Аналоговые преобразователи неизбежно вносят
в телевизионный сигнал искажения, связанные с дополнительными
операциями в канале передачи, и ухудшают отношение сигнал/по-
меха, тогда как в ЦПС искажения и шумы могут быть сделаны ма-
лыми, так как они определяются параметрами цифровой системы и
могут быть нормированы. Кроме того, при использовании ЦПС резко
повышается стабильность работы и обеспечивается бесподстроечный
режим, тогда как аналоговые преобразователи требуют тщательных
регулировок и настроек в процессе эксплуатации [68].
Цифровые преобразователи должны выполнять три основные
функции: 1) преобразование числа строк и полей с помощью цифро-
вой обработки (для этого имеются АЦП, ЦАП и устройство памя-
ти, интерполяторы строк и кадров); 2) декодирование принимаемого
полного цветового ТВ сигнала на составляющие яркостную и цвето-
разностные (для этого используются три декодера — PAL, SECAM
и NTSC); 3) кодирование яркостного и цветоразностных сигналов в
требуемую систему цветного телевидения — NTSC, PAL, SECAM.
Преобразователь параметров сигнала в общем случае состоит из:
АЦП, преобразующего ТВ сигнал входного стандарта (стандарт I) в
цифровую форму; ЦПС, состоящего из цифровой памяти, интерполя-
торов строк и полей (движения) и устройств управления ими: ЦАП,
преобразующего цифровой сигнал в аналоговый выходного стандарта
(стандарт II). В табл. 16.1 приведены параметры системы цветного те-
левидения, которые подвергаются изменению при преобразованиях.
Для уменьшения объема цифровой памяти ЦПС строятся с учетом
обработки не полной телевизионной строки длительностью 64 мкс,
а только активной ее части.
Все основные операции по преобразованию стандартов, по ин-
терполяции строк и кадров, по коррекции сигналов осуществляются
с помощью устройств с большой емкостью цифровой памяти, явля-
ющейся основным элементом ЦПС. Обычно в АЦП цветовой сигнал
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
407
Таблица 16.1
Параметр Стандарт Режим преобразования
525/60 625/50 625/50—>525/60 525/60—625/50
Частота полей, Гц Число строк в кадре 60 525 50 625 Преобразование полей 5 —* 6 Преобразование полей 6 —> 5
Активное число строк в поле Период строки, мкс 241,5 63,55 287,5 64 Преобразование строк 287—*244: 7—*6 Преобразование строк 240—>290; 5^6
Длительность актив- ной части строки, мкс 52,6 52 54 (648 элементов) 54 (648 элементов)
Система цветного ТВ NTSC PAL, SECAM PAL, SECAM, NTSC NTSC, PAL, SECAM
Рис. 16.1. Искажение наклонных
линий при преобразовании строк
Изображение
дискретизируется на утроенной частоте поднесущей при 25G уров-
нях квантования (8 бит на отсчет). В этом случае цифровой поток
получается равным 106 Мбит/с, а период следования импульсов в
потоке 9,4 нс. Отсюда нетрудно подсчитать, что временной интервал
длительностью в одну ТВ строку содержит 6,8 кбит. Следовательно,
устройство памяти для хранения кадра изображения должно обла-
дать информационной емкостью до 4,26 Мбит [15]
Сопряжение частот строк и кадров при преобразовании стандар-
тов разложения сводится к изъятию лишних или добавлению недо-
стающих строк и кадров. Однако простое изъятие или обычное по-
вторное воспроизведение некоторых строк через равные интервалы
времени при формировании ТВ кадра приводит к специфическим ис-
кажениям, характеризуемым нарушением непрерывности сплошных
наклонных линий (разрыв) в передаваемом изображении (рис. 16.1).
Рассмотрим возникновение этих искажений и их коррекцию. На
рис. 16.2,а сплошными линиями показаны девять строк преобразу-
емого 625-строчного входного кадра. На этих строках представле-
но изображение наклонной линии совокупностью элементов А, Б, В,
Г,..., К. которые для наглядности на рис. 16.2,а показаны в виде им-
пульсов. Штриховыми линиями изображены строки преобразован-
ного 525-строчпого выходного кадра. Из этого рисунка видно, что
местоположение импульса А, находящегося на первой входной стро-
ке, совпадает с импульсом а, воспроизводимым на первой выходной
строке. Однако ввиду того, что положение второй выходной строки
по вертикали изменится относительно второй строки входного кадра
408
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 16.2. Искажение передачи наклонных линий, преобразование частоты
строк и принцип интерполяции строк
Входная строка Выходная строка
(число строк меньше, расстояние между строками больше), импульс
Б воспроизводится на выходной строке импульсом б. Аналогично бу-
дут воспроизведены все последующие импульсы. Поскольку каждая
шестая строка исключается, импульс Е, существующий на шестой
входной строке, не будет воспроизведен в выходном кадре. Точки
Ж, И, К, лежащие на последующих строках выходного кадра, бу-
дут воспроизведены строками выходного кадра аналогично предыду-
щим шести строкам. Отсюда видно, что воспроизведенное выходным
стандартом изображение имеет геометрические искажения в виде на-
клонной линии через каждые пять строк.
Геометрические искажения, возникающие в результате исключе-
ния или добавления части строк из кадра, могут быть значительно
уменьшены, если сигнал изображения каждой строки кадра выход-
ного стандарта будет содержать информацию предыдущей и после-
дующей строк кадра входного стандарта. Этот процесс называется
интерполяцией строк и осуществляется формированием суммарно-
го сигнала от двух соседних строк. Новое положение импульса на
выходной строке вычисляется как взвешенная сумма амплитуд им-
пульсов от двух ближайших строк входного стандарта. Веса опре-
деляются расстояниями от интерполируемой строки выходного стан-
дарта и двумя строками входного стандарта, между которыми ле-
жит интерполируемая строка.
На рис. 16.2,б показан тот же случай передачи изображения на-
клонной линии после интерполяции. В этом примере выходная стро-
ка, но совпадающая по вертикали с входной строкой, несет информа-
цию необходимой амплитуды от двух соседних входных строк. Как и
в предыдущем случае, импульс Л. лежащий на первой входной стро-
ке, совпадает с импульсом а на первой выходной строке. Однако вы-
ходная строка 2, лежащая между второй и третьей входными строка-
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
409
БП-1
БП-2
БП-3
Поля
входного
стандарта
(50)
Поля I
выходного!
стандарта
(60)
16,6
Рис. 16.3. Принцип преобразования частоты полей
БП-1
16,6 мс
БП-2
БП-3
Поля
входного
стандарта
(60)
Поля |
выходного!
стандарта
(50)
20 мс
100 мс
НТВ
I L17L1
ми, на которых показаны импульсы Б и В, воспроизводит импульсы
б и в соответственно. Амплитуда этих импульсов определяется рас-
стояниями Бб и Вв (обратно пропорционально этим расстояниям).
Аналогично будут воспроизводиться импульсы во всех последующих
строках. В результате такого формирования выходного кадра значи-
тельно уменьшаются геометрические искажения, вызванные исклю-
чением или добавлением строк растра.
В техническом отношении наиболее сложным является преобра-
зование частоты полей, а затраты на его реализацию составляют
70 % от общей стоимости преобразователя. Приходится использо-
вать сложные алгоритмы обработки сигналов. К примеру, при изме-
нении частоты полей с 60 иа 50 Гц следует изымать каждый шестой
кадр и вводить интерполяцию движения, которая сглаживает скачки
и разрывы траектории движения объектов. Как было показано, из-
за изменения числа строк, приводящего к излому наклонных линий,
необходима межстрочная интерполяция.
Рассмотрим принцип действия преобразователя частоты полей
в ЦПС. На рис. 16.3,а показаны графики, поясняющие работу пре-
образователя полей с частотами 50 в 60 полей в секунду. Для этого
используются три блока памяти (ВП), каждый емкостью на одно те-
левизионное поле. Эти блоки памяти управляются по определенному
алгоритму. Сигналы входного стандарта в блоки памяти записыва-
ются последовательно: в первый блок БП-1 — первое поле, во второй
БП-2 — второе поле, в третий БП-3 — третье поле, а далее снова — в
первый блок памяти уже четвертое поле и т.д. Считывание произво-
дится также последовательно с каждого блока памяти со скоростью,
соответствующей выходному стандарту. В данном случае необходи-
мо за время передачи пяти полей входного стандарта воспроизвести
шесть полей выходного стандарта. Для этого второе поле входно-
410
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
го стандарта воспроизводится дважды: сначала формируется второе
поле, а затем при повторном считывании — третье поле выходного
стандарта. На рис. 16.3,а показаны распределения полей входного
и выходного стандартов.
На рис. 16.3,5 приведены графики, поясняющие работу преобра-
зователя полей с частотами 60 в 50 полей в секунду. Аналогично
предыдущему используются три блока памяти, в которые записы-
ваются последовательно поля входного стандарта. Счптавание про-
изводится с каждого блока памяти со скоростью, соответствующей
выходному стандарту, для чего необходимо из 6 полей входного стан-
дарта изъять одно поле. Практически это осуществляется пропуском
третьего входного поля, записанного в блоке памяти БП-3. При пре-
образовании частоты 60 в 50 полей в секунду информация из БП-1
и БП-2 считывается, и на входе формируются первое и второе поля
выходного стандарта, а третье поле получается из четвертого поля
входного стандарта и т.д. Блок управления памятью осуществляет
считывание сигналов с определенной скоростью, обеспечивая соот-
ветствующее сжатие или растяжение периода выходного поля.
В случае наиболее простого решения, заключающегося в исклю-
чении каждого шестого входного поля и в соответствующем продол-
жении предыдущих пяти полей, скорость передачи движения в изо-
бражении замедляется в 5-6 раз, и при этом возникнут ускоренное
прерывистое движение, скачки с частотой 6 раз в секунду. Устра-
нить эти недостатки позволяет способ, основанный на интерполя-
ции движения.
Интерполяция полей позволяет сгладить «подергиваниям дви-
жущихся изображений, поэтому этот вид коррекции называют ино-
гда интерполяцией движений. В ЦПС интерполяция поля выходно-
го стандарта производится взвешенным усреднением сигналов двух
ближайших к нему полей входного стандарта, записанных в бло-
ки памяти.
Интерполяция по оси времени существенно сложнее и вносит
большие искажения даже при умеренных скоростях движения объ-
ектов в исходном изображении, приводящие к прерывистости (дерга-
нию) движения на выходе преобразователя. Линейное суммирование
изображений соседних кадров преимущественно понижает качество
изображения движущихся объектов. Применительно к движущимся
объектам взвешенная сумма значений яркости строк и полей на экра-
не* всегда выглядит как смазанное или многоконтурное изображение.
Принципиально более высокое качество обеспечивают преобра-
зователи с компенсацией движения, которая заключается в смеще-
нии каждого этемечта смежных полей по вертикали и горизонта-
ли с величиной и направлением вектора. Вектор движения мож-
но определить, если знать скорость и направление движения всех
двигающихся объектов в кадре. Имея такую информацию, можно
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
411
Рис. 16.4. Структурная схема преобразователя NTSC-^PAL, SECAM
525/60—*625/50
точно вычислить положения объектов в любой момент времени ме-
жду двумя полями. Таким образом, новое поле будет сформирова-
но простым сдвигом изображений объектов в новое положение без
дрожания и размытости.
В заключение рассмотрим укрупненную структурную схему ци-
фрового преобразователя системы NTSC со стандартом разложения
525/60 в систему PAL или SECAM со стандартом разложения 625/50.
Такой преобразователь используется при передаче сигналов цветного
телевидения с американского континента в Европу. Сигнал цветно-
го телевидения NTSC (рис. 16.4) со стандартом разложения 525/60
подается на АЦП, где преобразуется в цифровую форму с частотой
дискретизации 10,7 МГц, соответствующей третьей гармонике под-
несущей NTSC.
В АЦП аналоговый сигнал подвергается линейному кодирова-
нию на 256 уровней. Квантованные значения сигнала выражают-
ся восьмиразрядным параллельным двоичным кодом. Сигнал после
АЦП подается в течение длительности первого поля на запоминаю-
щее устройство ЗУ1, а в течение второго поля — в запоминающее
устройство ЗУ2. Объем требуемой памяти каждого запоминающего
устройства составляет 1,2 Мбит и обеспечивает хранение информа-
ции одного телевизионного поля. Управление блоками памяти и пе-
реключение их с режима записи на считывание осуществляются бло-
ками управления БУХ и БУ2. В дальнейшем сигнал поступает на два
канала в устройства пространственной фильтрации сигнала УПФС1
и УПФС2. В этих устройствах устраняется перемежение строк из-за
использования чересстрочной развертки, разделяются сигналы ярко-
сти и цветности и демодулируется сигнал цветности для получения
цветоразностных сигналов Е\ и Eq. Для устранения перемежения
строк применяется интерполяция трех строк смежных полей. Сиг-
налы яркости и цветности разделяются методами цифровой филь-
трации восьмиразрядных кодовых слов, которые определяют теку-
412
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
щие отсчеты сигнала. В зависимости от структуры применяемого
алгоритма обработки сигнала и числа обрабатываемых отсчетов изо-
бражения определяется форма пространственных частотных харак-
теристик. В дальнейшем в УВЩ и УВЩ три полученных цифро-
вых сигнала объединяются в общий цифровой поток путем уплот-
нения их во времени.
Проблема преобразования телевизионных стандартов связана с
характером обработки сигнала цветного изображения. Фаза цвето-
вой поднесущей сигнала NTSC в каждой последующей телевизион-
ной строке изменяется на 180°. Таким образом, межстрочная ин-
терполяция, пригодная для яркостного сигнала, для сигнала цвето-
вой поднесущей приводит к ошибкам. Поэтому для осуществления
правильной интерполяции полного цветного сигнала NTSC приме-
няются пространственные цифровые фильтры, с помощью которых
цифровой сигнал цветного изображения раскладывается на отдель-
ные цифровые сигналы Еу, Е\ и Eq, которые мультиплексируются
в единый последовательный цифровой сигнал. Таким образом, одно-
му периоду цветовой поднесущей соответствуют пять упорядоченных
кодовых слов (Y, I, Y, Q, I).
Последующая обработка сигнала производится в двухканальном
преобразователе полей И1 и интерполяторе движений, где преобразу-
ются частоты полей 60 Гц в частоту нового стандарта 50 Гц. В интер-
поляторе И2 осуществляются преобразование строк и их интерполя-
ция. На этом преобразование параметров разложения заканчивается,
и на выходе И-2 получается цифровой сигнал, соответствующий стан-
дарту разложения 625/50. В цифровых преобразователях стандартов
разложения получение требуемого числа строк и кадров и их ин-
терполяция осуществляются в соответствии с заданным алгоритмом,
который определяет качество преобразованного изображения [71].
Уплотненный цифровой сигнал в блоке временного разделения
БВР вновь преобразуется в три цифровых потока, соответствующих
сигналам Еу, Ej и Eq с теми же параметрами параллельного ко-
да, что и перед временным уплотнением. Составляющие цифрового
сигнала цветного телевидения получаются с помощью гребенчатых
или полосовых фильтров. Неполное разделение сигналов яркости и
цветности приводит к искажениям цветного изображения. Составля-
ющие сигнала яркости, оставшиеся в сигнале цветности, будут пре-
образованы поднесущей частотой и проявятся на изображении в виде
паразитной цветовой помехи. Поэтому при транскодировании предъ-
являются повышенные требования к системам разделения сигналов
цветности и их преобразованию. В ЦАП сигналы E'R, E’j и Eq пре-
образуются в аналоговые, и все дальнейшие преобразования произво-
дятся с аналоговым сигналом. В матрице М из сигналов Е'у, E'f и Eq
формируются сигналы основных цветов Er, Eg и Ев. В кодирующем
устройстве (КУ) преобразуются сигналы основных цветов в сигналы
ГЛАВА 16. Преобразователи телевизионных стандартов
413
систем SECAM и PAL. Аналогично (за небольшим исключением) осу-
ществляется преобразование стандартов SECAM или PAL в NTSC.
Обычно цифровые преобразователи стандартов формируют так-
же и ввод испытательных сигналов, коррекцию временных искаже-
ний и синхронизацию.
Процесс транскодирования сигналов цветного телевидения при
одинаковых стандартах развертки сводится к следующим основным
операциям: а) разделение полного ТВ сигнала преобразуемой систе-
мы цветного телевидения на составляющие сигналы — яркостный
и цветности; б) изменение частоты поднесущей сигналов цветности;
в) изменение метода модуляции сигналов цветности; г) сложение яр-
костного сигнала и сигналов цветности для получения полного сиг-
нала преобразованной системы цветного телевидения.
С появлением ТВЧ возникли новые задачи у преобразователей
стандартов. Это прежде всего понижение стандарта ТВЧ до уров-
ня действующего, а также повышение уровня действующих — до
ТВЧ. Таким образом, появились три разные группы преобразова-
телей: понижающий (down-converter), повышающий (up-converter) и
перекрестные кросс-преобразователи (cross-converter). Последний из-
меняет частоту строк, полей или то и другое одновременно.
Кроме этого, появились преобразователи формата кадра. Эта
функция стала настолько важной, что выпускается аппаратура, пре-
образующая только формат кадра без преобразования строк и ка-
дров. Такие устройства называются преобразователями формата
кадров.
Глава 17
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ
17.1. Особенности передачи и приема
телевизионных сигналов наземного вещания
Вид модуляции и ширина спектра радиосигналов теле-
визионного вещания. Согласно ГОСТ 7845-92 радиосигнал изо-
бражения формируется с помощью амплитудной модуляции несущей
изображения полным цветовым ТВ сигналом с частичным подавле-
нием нижней боковой полосы частот, а радиосигнал звукового сопро-
вождения — с помощью частотной модуляции несущей звука сигна-
лом звукового сопровождения. При этом номинальная полоса частот
радиоканала изображения составляет 7,625 МГц (ослабление соста-
вляющих — 1,25 и 6,375 МГц относительно несущей на 20 дБ), а
414
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
звукового сопровождения 0,25 МГц; разнос несущих частот звука и
изображения 6,5 МГц (несущая частота изображения /ни меньше не-
сущей частоты звука /нзв; номинальная ширина полосы частот ра-
диоканала ТВ вещания 8 МГц (рис. 17.1,а).
Разные виды модуляции радиосигналов ТВ вещания облегчают
их разделение в телевизионных приемниках. Составляющие спек-
тра каждой боковой полосы — нижней и верхней — содержат всю
информацию о передаваемом сигнале. Поэтому подавление нижней
боковой полосы спектра радиосигнала изображения устраняет избы-
точность информации и позволяет сократить полосу частот, занима-
емую ТВ каналом. В результате в одном и том же диапазоне уда-
ется разместить большее число каналов. Однако практически для
уменьшения квадратурных искажений ТВ сигнала, возникающих в
линейном амплитудном детекторе приемника при подавлении одной
боковой полосы, следует оставить неподавленной небольшую часть
спектра нижней боковой шириной 0,75 МГц (рис. 17.1,а). В этом слу-
чае крупные детали передаются без градационных искажений, а ис-
кажения в мелких деталях глаз не воспринимает, так как имеет ха-
рактеристику ФНЧ в области высоких пространственных частот [72].
При этом несколько усложняется формирование АЧХ радиоканала
изображения ТВ приемника. Она должна соответствовать кривой
рис. 17.1,6, с кососимметричным склоном, так называемым склоном
Найквиста [72], в частности, уровень несущей частоты изображения
должен ослабляться на 6 дБ (в два раза), а составляющая 0,75 МГц
нижней боковой — на 20 дБ (по сравнению с уровнем опорной частоты
спектра 1,5 МГц верхней боковой). В этом случае после детектирова-
ния радиосигнала изображения суммарное номинальное напряжение,
образующееся на нагрузке детектора от симметричных частот соста-
вляющих нижней и верхней боковых полос, на любой частоте спектра
в пределах 0...6 МГц всегда будет равно единице (в относительных
величинах). Это означает, что форма результирующей АЧХ тракта
передачи радиосигнала изображения от модулятора передатчика до
нагрузки детектора приемника (характеристика верности) равномер-
на в заданной полосе частот 6 МГц (рис. 17.1,в).
В связи с большой помехоустойчивостью звукового сопровожде-
ния, передаваемого методом широкополосной ЧМ, и для уменьше-
ния помехи от него в канале изображения мощность излучения не-
сущей звука в 10 раз уменьшена по отношению к мощности несу-
щей изображения.
Полярность модуляции радиосигнала изображения. Ра-
диосигнал изображения может иметь позитивную или негативную
полярность в зависимости от полярности модулирующего ТВ сигна-
ла (рис. 17.2). В большинстве стран принята негативная полярность
модуляции, при которой максимальная амплитуда несущей часто-
ты соответствует уровню сигнала синхронизации, а минимальная —
уровню белого. В этом случае:
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
415
Рис. 17.1. Номинальные АЧХ:
а — боковых полос ТВ радиопередат-
чика; 6— радиоканала изображения
ТВ приемника; в— результирую-
щая тракта передачи радиосигнала
изображения; г—УПЧИ приемника
U ‘
1,0
0,75
-0,15
0
-0,15
-0,75
-1.0
Рис. 17.2. Негативная (а) и по-
зитивная (6) полярности модуля-
ции радиосигнала изображения
а) передатчик излучает в среднем существенно меньшую мощ-
ность, так как по статистике в вещании преобладают светлые сцены
и поэтому огибающая AM несущей изображения прижимается к вре-
менной оси (см. рис. 17.2,а и б):
б) импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек
и визуально менее заметны;
в) повышается помехоустойчивость системы синхронизации из-за
того, что при передаче сигнала синхронизации передатчик излучает
максимальную (пиковую) мощность;
г) облегчается построение АРУ приемников; в качестве опорного
сигнала АРУ используется сигнал синхронизации разверток прием-
ников, так как он не зависит от содержания изображения. Опор-
ный сигнал при негативной полярности соответствует максимально-
му размаху несущей, и поэтому для его выделения можно исполь-
зовать простые устройства.
В телевизионном вещании не допускается 100%-ной модуляции.
Для черно-белого телевидения остаточный уровень непромодулиро-
ванной несущей составляет 15 %, а для цветного вещания — 7 %.
Поляризация волн электромагнитного излучения. Со-
416
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
гласно ГОСТ 7845-92 допускается использовать горизонтальную или
вертикальную поляризацию волн электромагнитного излучения ТВ
радиопередатчика. Преимущество отдается горизонтальной поляри-
зации, так как в этом случае наблюдается несколько меньшее воздей-
ствие промышленных помех. Однако при наличии взаимных помех
между радиопередатчиками использование вертикальной поляриза-
ции позволяет уменьшить взаимные помехи не менее чем на 10 дБ.
Диапазон волн. В телевизионном вещании используют уль-
тракороткие волны: метровые и дециметровые. В пределах пяти ча-
стотных диапазонов размещено 60 радиоканалов:
I диапазон 48,5...66 МГц (радиоканалы 1 и 2);
II диапазон 76...100 МГц (радиоканалы 3-5);
III диапазон 174...230 МГц (радиоканалы 6-12);
IV диапазон 470...582 МГц (радиоканалы 21-34);
V диапазон 582...790 МГц (радиоканалы 35-60).
В настоящее время освоен метровый диапазон (радиоканалы 1-
12) и осваивается дециметровый. Выбор нижней границы I диапазона
определяется тем, что для выделения полного цветового телевизион-
ного сигнала из радиосигнала изображения необходимо, чтобы не-
сущая в несколько раз превышала максимальную частоту спектра
модулирующего сигнала 6 МГц. Кроме того, диапазон примерно до
40 МГц занят для радиовещания, радиосвязи и других целей.
Верхняя граница V диапазона ограничена длинами волн, на ко-
торых начинают сказываться значительное поглощение излучения в
атмосфере и влияние ее неоднородностей — дождя, тумана и т.д. По-
этому диапазон УКВ 30...3 см (1...10 ГГц) используется для передачи
ТВ сигналов только в радиорелейных и космических системах связи,
а также в линиях связи ПТС и ТТП (см. гл. 14).
Зона обслуживания ТВ вещанием определяется границами
зоны уверенного приема радиосигналов, в пределах которых сигнал
не зависит от времени суток, года и других факторов. Эти грани-
цы фиксируются по медианному (среднестатистическому по време-
ни и месту) значению напряженности поля излучения радиосигна-
ла изображения [42].
Чтобы зоны уверенного приема радиосигналов изображения и
звукового сопровождения были примерно одинаковы, номинальная
мощность канала изображения выбирается в 10 раз больше мощности
канала звукового сопровождения ТВ передатчика.
Эффективное значение напряженности поля, мкВ/м, в зоне уве-
ренного приема может быть оценено по формуле Б.А. Введенского
2,18/ц7г2л/РЛ
Е =-------------•
где Л], Ii2-- высоты передающей и приемной антенн, м: г — рас-
стояние между антеннами, км: Р — мощность радиопередатчика.
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
417
кВт; А — длина волны его излучения, м; D — коэффициент усиле-
ния передающей антенны (для турникетной антенны примерно ра-
вен числу ее этажей).
Из-за того, что УКВ при распространении испытывают очень ма-
лую рефракцию в атмосфере, радиус действия телевизионного ра-
диопередатчика примерно ограничен расстоянием прямой видимо-
сти, км:
г » 4,12(\АГ+ у/Ц).
Поэтому увеличение мощности излучения передатчика позволя-
ет повысить напряженность поля в зоне прямой видимости, но почти
не расширяет зону обслуживания ТВ вещанием. Зону можно рас-
ширить с помощью радиорелейных, кабельных и космических линий
связи (с ретрансляцией радиосигналов передающими станциями).
17.2. Особенности структурных схем
телевизионных приемников
Телевизионный приемник предназначен для воспроизведения
изображения и звукового сопровождения нескольких вещательных
программ. Эта задача решается путем приема, усиления и преобра-
зования одновременно двух независимых радиосигналов вещатель-
ного ТВ, их взаимного разделения, а также селекции сигналов син-
хронизации.
В настоящее время все ТВ приемники строятся по супергетеро-
динной схеме с однократным преобразованием несущей изображения
и двукратным преобразованием несущей звукового сопровождения.
Структурная схема приемника черно-белого телевидения приведена
на рис. 17.3. Принципы работы основных узлов радиовещательных и
телевизионных приемников аналогичны. Характерные особенности
последних связаны с относительно широким спектром радиосигнала
изображения и его сложным составом.
Рис. 17.3. Структурная схема приемника черно-белого телевидения
27
418
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Телевизионная антенна А для приема радиосигналов определен-
ных каналов должна иметь соответствующую полосу пропускания,
а ее сопротивление (так же как и сопротивление входной цепи при-
емника) — согласовано с волновым сопротивлением фидера. Эти
параметры, а также диаграмма направленности и коэффициент уси-
ления зависят от конструкции антенны, основой которой чаще всего
является полуволновый вибратор.
Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для предва-
рительного усиления радиосигналов, ее частотная характеристика
равномерная в пределах ширины полосы частот канала, а за пре-
делами полосы выбирается такой, чтобы обеспечивать избиратель-
ность приемника ио зеркальному каналу, т.е. каналу, частота несу-
щей которого совместно с частотой гетеродина образует в смесите-
ле гармоники, равные промежуточной частоте. Шумовые параме-
тры УВЧ во многом определяют чувствительность приемника, по-
этому в УВЧ используют элементы с малым эквивалентным шумо-
вым сопротивлением.
Смеситель (См) и гетеродин (Г) преобразуют несущие изображе-
ния уни и звукового сопровождения /нзв в соответствующие проме-
жуточные частоты. Последние образуются как разность между ча-
стотой гетеродина /г и несущими частотами (согласно ГОСТ 7845-92
для современных ТВ приемников):
/пчи = /г - /ни = 38,о МГц; (17.1)
/пЧзв! ~ /г ~' /нзв — 31,5 Мгц. (1/ .2)
Конструктивно УВЧ, См и Г объединены в один узел — селектор
(переключатель) ТВ каналов (СК, ПТК). Для приема радиосигналов
различных каналов колебательные контуры этого узла в различных
диапазонах перестраиваются с помощью варикапов, которые позво-
ляют осуществить электронный выбор программ и автоматическую
подстройку частоты гетеродина (АПЧГ).
В усилителе промежуточной частоты канала изображения (УП-
ЧИ) происходит основное усиление радиосигнала изображения, фор-
мируется частотная характеристика приемника (см. рис. 17.1, б,г) и
обеспечивается тем самым избирательность по соседнему каналу. Си-
стема автоматической регулировки усиления (АРУ) охватывает се-
лектор УВЧ и УПЧИ. В отличие от приемников звукового радио-
вещания ТВ приемники используют, как правило, ключевую АРУ, в
которой анализ уровня сигнала после детектора происходит только
во время обратного хода строчной развертки по фиксированным уров-
ням видеосигнала. В УПЧИ несколько усиливается и радиосигнал
звукового сопровождения. Уровень последнего на нагрузке ампли-
тудного детектора (АД) должен быть небольшим, так как этот сигнал
является помехой для ТВ сигнала и может проявиться на экране в
виде различных полос, следующих в такт с сигналом звукового сопро-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
419
вождения. Поэтому в последних моделях ТВ приемников радиосиг-
нал звукового сопровождения практически полностью подавляется
режекторным контуром в УПЧИ, а в канале звукового сопровожде-
ния организуется отдельный АДЗВ, включаемый до этой режекции.
Прием двух радиосигналов с помощью однократного преобразо-
вания несущих в настоящее время не используется из-за необходимо-
сти строгого сопряжения настроек и, главное, обеспечения стабильно-
сти параметров УПЧ изображения и звука. Действительно, при одно-
кратном преобразовании несущих звукового сопровождения и изобра-
жения значения соответствующих промежуточных частот зависят от
частоты гетеродина. Поэтому настройки двух отдельных УПЧ долж-
ны быть точно согласованы между собой и это сопряжение — строго
стабильно во времени. Последнее требование выполнить чрезвычай-
но трудно. В то же время взаимная расстройка УПЧ приводит к
ухудшению качества воспроизведения изображения или звука.
Чтобы избежать взаимозависимости настроек каналов и обеспе-
чить при одном гетеродине прием двух независимых сигналов, ис-
пользуют биения междуг промежуточными частотами изображения
и звукового сопровождения. Эти биения возникают па нелинейном
элементе — АД — втором преобразователе частоты радиосигнала
звукового сопровождения, в котором в качестве сигнала второго ге-
теродина используется относительно большой сигнал промежуточной
частоты изображения. Вторая промежуточная частота звука
/пчзв2 = /пчи ~ /пчзвх = 38 - 31,5 — 0,5 МГц. (17.3)
Эта частота не зависит от частоты гетеродина приемника, а опре-
деляется относительной стабильностью несущих изображения и зву-
ка (±500 Гц каждая согласно ГОСТ 7845-92), так как, учитывая
(17,1) и (17,2),
/пЧзв2 — /нзв “ /ни — 6,5 МГц. (1^-4)
Чтобы в процессе второго преобразования частоты даже кратко-
временно не пропадал сигнал звукового сопровождения, ГОСТ 7845-
92 предусмотрено обязательное наличие немодулированного остатка
несущей изображения с уровнем 154=2,0 % при передаче уровня бело-
го (см. рис. 17.2,а), а с цветовой поднесущей 7±2,0 % максималь-
ного уровня радиосигнала.
С нагрузки АД полный ТВ сигнал поступает через видеоусили-
тель (ВУ) на модулятор кинескопа, а сигнал второй промежуточной
частоты звука /пчзв2 — на усилитель промежуточной частоты зву-
ка (УПЧЗ). Так как сигнал «второго гетеродина» модулирован по
амплитуде, сигнал звукового сопровождения на /пчзв2 необходимо
сильно ограничить в амплитудном ограничителе (АО) для устране-
ния паразитной амплитудной модуляции. Обычно эта операция про-
изводится совместно с детектированием в частотном детекторе (ЧД).
420
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.4. Структурная упрощенная схема приемника цветного телевидения
После детектирования сигнал звукового сопровождения через усили-
тель звуковой частоты (У34) поступает на громкоговорители (Гр).
Канал синхронизации содержит амплитудный (АС) и временной
(ВС) селекторы. Первый из них (ограничитель) выделяет из полного
ТВ сигнала сигнал синхронизации разверток, а второй (интегрирую-
щие и дифференцирующие цепочки) — из сигнала синхронизации ка-
дровые и строчные синхронизирующие импульсы. Особенности рабо-
ты селекторов, развертывающих устройств, высоковольтного выпря-
мителя (ВВ) и системы автоматической подстройки частоты и фазы
строчной развертки (АПЧФ) изложены в гл. 8 и 9.
Структурная схема цветного телевизионного приемника.
Общий признак современных вещательных систем цветного ТВ с ча-
стотным уплотнением сигналов — совместимость — позволяет при-
менять для радиоприема аналогичную с черно-белым вещанием схе-
му приемника цветного телевидения. Из-за более сложного по со-
ставу полного цветового ТВ сигнала естественно некоторое ужесто-
чение требований к радиотракту такого приемника, а также введе-
ние необходимых для управления цветным кинескопом цепей обра-
ботки сигналов цветного телевидения и устройства статического и
динамического сведения лучей, характерных для конкретного типа
используемых цветных кинескопов.
Структурная схема приема сигналов цветного телевидения в со-
вместимой системе представлена на рис. 17.4. Радиосигнал, приня-
тый телевизионной антенной, поступает на селектор каналов (СК),
настроенный на соответствующий радиоканал в метровом или деци-
метровом диапазоне вещания. Выделенные и преобразованные по
частоте сигналы изображения и звукового сопровождения затем по-
ступают в общий УПЧИ, входящий в состав блока радиоканала. Сиг-
нал, поступающий с выхода УПЧИ, детектируется АД, усиливается
ВУ блока цветности и в качестве яркостного сигнала Еу подается
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
421
на объединенные катоды (для дельта-кинескопа) цветного кинеско-
па. Получение цветоразностных сигналов E'R_y, E'G_y и Е'в_у осу-
ществляется в блоке цветности декодером соответствующего стан-
дарта, на который цветовой сигнал на модулированной поднесущей
поступает с выхода АД блока радиоканала. Результирующие цве-
тоделенные сигналы Е'ю EG, Е'в для дельта-кинескопов получают-
ся опосредованно на соответствующих парах электродов кинескопа
модулятор — катод, управляя токами лучей. В кинескопах с само-
сведением, где только один общий электрод-модулятор, применяется
внешнее матрицирующее устройство МУ, в котором из входных сигна-
лов E'R_y, EG_y, Е'в_у и Еу получают на выходах, подключенных
к соответствующим катодам, цветоделенные сигналы E'R, EG, Е'в.
Отклоняющие токи для кинескопа формируются в блоке разверток,
а корректирующие токи, обеспечивающие сведение лучей в дельта-
кинескопе, — в блоке динамического сведения БДС и подаются на
катушки сведения КС цветного дельта-кинескопа.
В применяемых кинескопах с самосведением динамическое све-
дение не требуется, что значительно упрощает эксплуатацию цвет-
ного приемника.
Особенности работы разверток для цветных кинескопов были
достаточно освещены в гл. 8. Следует отметить, что радиоканал
цветного приемника должен иметь лучшие характеристики, чем ана-
логичный в приемнике черно-белого телевидения. В частности, к
АЧХ УПЧИ предъявляется требование обеспечить усиление не ме-
нее 1800...2000 раз с допустимой неравномерностью 1,5 дБ в полосе
сигнала, в противном случае может возникнуть паразитная ампли-
тудная модуляция поднесущей цветности и в конечном счете — ис-
кажение цветного изображения.
Характеристика УПЧИ должна обеспечить более глубокую ре-
жекцию звуковой несущей своего и соседнего каналов на частотах
31,5 и 39,5 МГц не хуже 34...40 дБ во избежание помех на изображе-
нии от биений между цветовой поднесущей и несущей звука с часто-
тами 1,75...2,6 МГц. Вследствие того, что звуковая несущая в УП-
ЧИ цветного приемника ослаблена не менее чем в 100 раз по срав-
нению с несущей изображения, эффективное второе преобразование
звуковой частоты выполняют не в видеодетекторе, а в отдельном ди-
одном преобразователе АДЗВ, включенном в тракте УПЧИ там, где
выдерживается соотношение размахов несущих изображения и звука
(10...20):1, т.е. до глубокой режекции. Увеличенная глубина режек-
ции несущей звука в цветном приемнике благоприятно сказывается
на качестве изображения, если точность настройки приемника не ху-
же ±50 кГц от номинальной частоты канала, при которой частота ре-
жекции звука в УПЧИ равна преобразованной частоте несущей зву-
ка. Отсюда следует, что в цветном приемнике необходимо применять
систему АПЧГ, обеспечивающую это условие, и при этом селектор
каналов должен обеспечивать достаточную стабильность гетеродина
422
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
и большую, чем для приемника черно-белого телевидения, равномер-
ность и избирательность АЧХ в принимаемом канале.
Во избежание проявления квадратурных искажений, характер-
ных при использовании линейного АД в системах с однополосной
амплитудной модуляцией, в современных приемниках цветного теле-
видения в УПЧИ применяется квазисинхронный детектор с опорным
контуром, настроенным на промежуточную частоту несущей изобра-
жения 38,0 МГц. Это позволяет при точной настройке контура до-
биться линейной передачи всех составляющих спектра сигнала в по-
лосе приема независимо от их амплитуды и тем самым избежать ин-
термодуляционных искажений сигналов яркости и цветности, свой-
ственных линейному амплитудному детектированию.
Высокие требования к форме АЧХ радиотракта цветного при-
емника в современных схемах реализуются в полосовых фильтрах
УПЧИ и УПЧЗ пьезокристаллических преобразователей на поверх-
ностно-акустических волнах (ПАВ), которые обеспечивают стабиль-
ность АЧХ в процессе эксплуатации и повторяемость при изгото-
влении. Это особенно характерно для многостандартных приемни-
ков, в радиотракте которых необходимо обеспечивать прием и ре-
жекцию звуковых промежуточных несущих на разных частотах раз-
носа (6,5...6...5,5...4,5 МГц). В табл. 17.1 приведены основные пара-
метры стандартов вещания, а в табл. 17.2 — стандарты вещания в
странах мира.
Высокая надежность в эксплуатации и технологичность в изгото-
влении современных телевизионных приемников в немалой степени
обязаны применению в радиоканале интегральных схем, в частно-
сти в УПЧИ, УПЧЗ и, как правило, в СК современной разработки.
Это, в свою очередь, решает задачу унификации радиоканала в при-
менении к телевизионным приемникам среднего и высокого класса,
различие между которыми определяется в основном расширенными
функциональными возможностями, большим удобством управления,
большей надежностью и экономичностью.
С этих позиций, оценивая структурную схему цветного приемни-
ка (см. рис. 17.4), можно сделать вывод, что наиболее значительные
видоизменения, модернизации, связанные с прогрессом в электрони-
ке, технике телевизионного вещания и цифровой и вычислительной
технике, следует ожидать в реализации блока цветности, совершен-
ствовании цепей управления, блоков развертки и питания.
Унифицированный стационарный цветной телевизор
(УСЦТ). Кассетно-модульный принцип конструирования ТВ при-
емника, при котором каждый функциональный узел электрической
схемы конструктивно завершен модулем, позволяет в современных
приемниках отечественного производства с кинескопами с самосве-
дением, начиная с первых выпусков, типа ЗУСЦТ (третье поколе-
ние, унифицированный, стационарный цветной телевизор), функцио-
нально наращивать в пределах единой конструкции и электрической
Таблица 17.1
Параметр В D G Н I К KI L М N
Диапазон волн МВ МВ ДМВ МВ ДМВ ДМВ МВ МВ МВ МВ
Число строк в кадре 625 625 625 625 625 625 625 625 5 2 5 625
Частота полей, Гц 50 50 50 50 50 50 50 50 60 50
Частота строк, Гц 15625 15625 15625 15625 15625 15625 15625 15625 15750 15625
Полоса частот видеосигнала, МГц 5 6 5 5 5,5 6 6 6 4,2 4,2
Полоса частот радиосигнала, МГц 7 8 8 8 8 8 8 8 6 6
Разнос несущих частот видео и звука, МГц 5,5 6,5 5,5 5,5 6 6,5 6,5 6,5 4,5 4,5
Вид модуляции несущей изображения AM AM AM AM AM AM AM AM AM AM
ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП ОБП
Полярность модуляции (негативная, позитивная) Н Н Н Н И И Н П И И
Вид модуляции несущей звука ЧМ ЧМ ЧМ ЧМ ЧМ ЧМ ЧМ AM ЧМ ЧМ
Девиация частоты несущей звука, кГц ±50 ±50 ±50 ±50 ±50 ±50 ±50 - ±25 ±25
Отношение мощностей несущих изобра- жения и звука Система цветного телевидения: 10:1... 20:1 10:1... 5:1 10:1... 20:1 5:1... 10:1 5:1 5:1... 10:1 10:1 10:1 5:1... 10:1 5:1... 10:1
SECAM + + + — - + ± + - -
PAL, поднесущая 4,43 кГц + + + + + + — — - -
3,575 кГц - - - - - - - - т -
3,582 кГц NTSC, поднесущая 3,58 МГц поднесущая 4,43 кГц (для видеозаписи) + +
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники 423
424
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Таблица 17.2
Страна Стандарт Страна Стандарт
Австралия B-PAL Мексика M-NTSC
Австрия B/G-PAL Монголия D/K-SECAM
Бельгия B/H-PAL Никарагуа M-NTSC
Болгария D/K-SECAM Норвегия B/G PAL
Бразилия M-PAL ОАЭ B/G-PAL
Великобритания I-PAL Оман B/G-PAL
Венгрия D/K-SECAM Польша D/K-SECAM
Вьетнам D/K-SECAM Португалия B/G-PAL
Голландия B/G-PAL Румыния D/K-PAL
Дания B/G-PAL Саудовская Аравия B/G-SECAM
Индия B-PAL Россия, СНГ D/K’-SECAM
Индонезия B-PAL США M-NTSC
Ирак B/G-SECAM Таиланд B/G-PAL
Иран B/G-SECAM Турция B/G-PAL
Ирландия I-PAL Филиппины M-NTSC
Италия B/G-PAL Финляндия B/G-PAL
Канада M-NTSC Франция L-SECAM
КНР D-PAL ФРГ B/G-PAL
КНДР D-PAL Чехия, Словакия D/K-SECAM
Куба M-NTSC Швейцария B/G-PAL
Люксембург B/G-PAL Швеция B/G-PAL
Мадагаскар KI-SECAM Южная Корея M-NTSC
Испания B/G-PAL Япония M-NTSC
схемы полезные качества, внедряя новые модули и заменяя уста-
ревшие модифицированными модулями, но сохраняя неизменным все
остальное. Каждый модуль (или субмодуль) содержит одну или не-
сколько интегральных схем и ряд дискретных элементов, смонти-
рованных на одной плате. Однотипные модули взаимозаменяемы и
соединяются разъемами и жгутами проводов. По мере появления
интегральных схем новых поколений с расширенными возможностя-
ми заводы-изготовители, не меняя технологического процесса, могут
существенно улучшить потребительские качества модернизируемых
приемников. На таком принципе осуществляется эволюция унифи-
цированных телевизоров от ЗУСЦТ к телевизорам четвертого и пя-
того поколений (4УСЦТ и 5УСЦТ) [73]. Для этих целей были раз-
работаны следующие устройства: двухстандартные блоки цветности
PAL/SECAM, двухстандартные модули радиоканала с разносом не-
сущих звука и изображения 6,5 и 5,5 МГц, блок выбора программ
с цифровым синтезом частот, дистанционное управление на инфра-
красных лучах, устройство внешней коммутации сигналов для под-
ключения видеомагнитофона и компьютера, импульсный источник
питания с управлением на микросхеме и т.д.
С появлением микросхем третьего и четвертого поколений в оте-
чественном исполнении в телевизорах четвертого и пятого поколений
применяются известные устройства, значительно улучшающие каче-
ство изображения в принимаемых стандартах, такие как устройство
автоматического баланса белого (АББ), корректор цветовых перехо-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
425
дов, динамический регулятор уровня черного, шумоподавитсль в сиг-
нале яркости, ограничитель тока лучей и др. Телевизоры пятого по-
коления, выполненные на аналого-цифровых интегральных схемах
с микропроцессорным управлением, отличаются от своих предше-
ственников наибольшей комфортностью управления и наилучшими
показателями, которые можно получить при воспроизведении цвет-
ного изображения в принимаемом стандарте. Микропроцессор в бло-
ке управления обеспечивает автоматическую настройку на любой из
телевизионных каналов в диапазонах МВ и ДМВ, запоминание до
90 из отобранных программ, переключение их по кольцу в сторону
уменьшения или увеличения номера канала, их прямой выбор, пере-
ключение систем приема, электронную регулировку громкости, яр-
кости, контрастности и насыщенности, запоминание их уровней, пе-
реключение телевизора в режим ожидания при пропадании сигнала
на входе или по истечении предварительно заданного таймером вре-
мени. На экране телевизоров индицируются символы выполняемой
функции (номера программы, принимаемой системы цветного теле-
видения, состояние таймера, уровень регулировки параметра и др.).
Система настройки и управления телевизором построена на ба-
зе БИС микропроцессора, например TVP02065-A4.1, реализующей
функции синтезатора напряжения настройки совместно с функция-
ми дистанционного управления. Принцип синтеза напряжения на-
стройки основан на формировании и запоминании этого напряже-
ния в цифровой форме. Для этого используются генератор меня-
ющегося кода, цифро-аналоговый преобразователь и электрически
стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство. Взаи-
модействие между ними организуется по известной концепции [74]
фирмы Philips при помощи двухпроводной цифровой шины I2C (Inter
Integrated Circuit — между микросхемами). Это позволяет надеять-
ся, что с переходом к цифровым телевизорам, в которых в канале
изображения и звука будут применяться только цифровые схемы и
методы обработки сигнала при пользовании той же шиной 12С, воз-
можно будет эволюционно заменять аналоговые микросхемы третье-
го и четвертого поколений на микросхемы с цифровым интерфейсом
для шины 12С, например, серии 8000 фирмы Phillips. Это позволит
заводам-изготовителям постепенно в традициях унифицированного
телевизора УСЦТ перейти от модели 5УСЦТ с аналого-цифровым
управлением к цифровым телевизорам с цифровой обработкой сиг-
налов видео и звука по шине Г2С, связывающей непосредственно со-
ответствующие модули цифрового исполнения.
На рис. 17.5 представлен общий вид (сзади) цветного телевизора
типа 5УСЦТ, в котором функциональные узлы конструктивно вы-
полнены в кассетно-модульном виде. Это позволяет разместить прак-
тически всю электрическую схему на одном вертикальном шасси с
двумя продольными кассетами слева и справа от прожектора кине-
скопа, кроме модуля видеоусилителей кинескопа, МВК-501, который
426
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Вид сзади
Кассета
обработки
сигналов
КОС
МУС
SCART
L| СКВ |
Отклоняющая
Модуль
синтезатора
напряжений
Модуль
звуковой
частоты
МЗЧ
Кассета
разверток и
питания
КРП
Плата
коммутатора
сети
ПКС
МСН
Блок питания
дежурного
режима
БПД
Рис. 17.5. Размещение функциональных узлов схемы в конструкции телеви-
зора 5УСТЦ
Рис. 17.6. Структурная схема цветного телевизора типа 5УСТЦ
размещается непосредственно на панели кинескопа и благодаря это-
му не угрожает высокими напряжениями и возможными пробоями
в кинескопе управляющим низкочастотным цепям на микросхемах
в блоке цветности.
В соответствии со структурной схемой телевизора 5УСЦТ
(рис. 17.6) кассета обработки сигналов КОС-501 содержит модули
С.К13-41Е2К всеволнового селектора каналов, двухстандартные
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
427
УПЧИ и УПЧЗ радиотракта на 6,5 и 5,5 МГц на микросхеме TDA-
8305 и блок цветности, включающий в себя двухсистемный декодер
PAL/SECAM (174ХА32), видеопроцессор с оперативными регулято-
рами (К174ХАЗЗ) и корректором цветовых переходов сигналов цвет-
ности (174ХА37). Кроме этих узлов в этой же кассете размещаются
кадровая развертка на микросхеме К1021ХА5 и модуль устройства
согласования МУС-501 для коммутации сигналов внешних устройств
(например, компьютера или видеомагнитофона).
Кассета разверток и питания КРП-501 содержит модуль строч-
ной развертки с корректором вертикальных линий и сплиттрансфор-
матором типа TDKC-4 или TDKC-19 для питания накал а и электро-
дов кинескопа и модуль импульсного питания телевизора с устрой-
ством размагничивания кинескопа (УРК).
В состав телевизора модели 5УСЦТ входят кроме указанных
унифицированных узлов также модуль звуковой частоты МЗЧ-50
и синтезатор напряжений МСН-501. Последний, как правило, не
является унифицированным и выполняет функцию блока управле-
ния оперативными электронными регулировками, выбора программ,
стандарта вещания и системы цветного телевидения с помощью ми-
кроЭВМ, например, на базе микросхемы РСА 84С640Р/019В, сообща-
ющейся по цифровой информационной шине 12С с перепрограммируе-
мым запоминающим устройством (ППЗУ) на микросхеме PCF8582A.
Аналого-цифровой принцип управления, осуществляемый в этом бло-
ке, позволяет синтезировать необходимые уровни аналоговых на-
пряжений, которые соответственно управляют аналоговыми цепя-
ми электронных регулировок микросхем в блоке цветности (яркость,
контрастность, насыщенность), уровнем звукового сопровождения в
канале звука, напряжением настройки для варикапов в селекторе
каналов и др.
Различные манипуляции по настройке и регулировке приемни-
ка осуществляются с помощью клавиатуры платы управления ПУ-
51, сопряженной с МСН-501, в которой при помощи наружных кла-
вишных переключателей формируются коды команд для микроЭВМ.
Эти команды переводятся в цифровой сигнал, после чего в результа-
те взаимодействия микропроцессора и ППЗУ цифровой продукт по-
сле АЦП выводится в виде аналогового напряжения на соответству-
ющий управляемый узел, например электронный регулятор уровня
яркости в блоке цветности, регулятор настройки на номер радиока-
нала в СКВ и т.д. Предусмотрено дистанционное управление моду-
лем синтезатора напряжения при помощи фотоприемника на микро-
схеме TDA3048, установленного в модуле, и пульта дистанционного
управления ПДУ-5 с инфракрасным передатчиком, выполненного на
микросхеме SAA 30ЮР.
В телевизоре типа 5УСЦТ применяется система дежурного пи-
тания БПД, которая включает полное питание телевизора при вызо-
ве соответствующей командой с ПДУ либо от запрограммированного
428
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
таймера в блоке МСН-501 посредством платы коммутации управляю-
щей цепи КУЦ-45, информационно связывающей БПД-45 и МСН-501.
На рис. 17.6 показано выделенными штриховкой информацион-
ными шинами взаимодействие блока управления МСН-501 телевизо-
ра с основными узлами телевизора при пользовании функциональной
клавиатурой лицевой панели самого телевизора ПУ-51 либо подобной
клавиатурой на пульте дистанционного управления ПДУ-5.
Очевидно, что следующим шагом в развитии унифицированных
телевизоров будет замена в этих шинах аналоговых управляющих и
коммутирующих сигналов на цифровые коды двухпроводной шины
12С, связывающей микропроцессор блока управления с цифровыми
интерфейсами аналоговых микросхем. Причем возможно сначала
применение специальных интерфейсных микросхем, осуществляю-
щих только адаптацию цифрового сигнала управления применитель-
но к уже используемым типам аналоговых микросхем с аналоговой
обработкой и регулировкой телевизионных сигналов. В последую-
щих поколениях телевизоров может быть полная замена всех функ-
циональных узлов с регулировкой и обработкой сигналов исключи-
тельно на узлы цифрового исполнения, объединенные цифровой ин-
формационной шиной 12С [74].
17.3. Многостандартный блок цветности
телевизоров УСЦТ
В соответствии с общими принципами декодирования стандарт-
ных сигналов цветного телевидения, изложенными в гл. 12, основной
задачей блока цветности современного цветного телевизора являет-
ся восстановление исходных цветоделенных сигналов EfR, E'G, Е'в,
управляющих соответствующими токами лучей в кинескопе с само-
сведением, из декодированных цветоразностных и яркостного сигна-
лов цветного телевидения любой системы принятой программы. Не-
смотря на большое разнообразие вещательных стандартов цветного
телевидения (PAL, SECAM, NTSC с поднесущей 3,58 МГц и NTSC с
поднесущей 4,43 МГц в видеозаписи), структурная схема блока, при-
веденная на рис. 17.7, показывает общие основные функции узлов,
необходимые к исполнению в зависимости от класса телевизора и си-
стемы кодирования цветного сигнала. Как следует из схемы, полный
телевизионный цветовой сигнал (ПЦТВС) разделяется на два напра-
вления — в канал яркости и многостандартный декодер. В канале
яркости осуществляется режекция цветовой поднесущей при помо-
щи фильтров, настройка которых контролируется декодером соот-
ветствующего стандарта [75]. В случае приема сигнала черно-белого
изображения без поднесущей устройство цветовой синхронизации в
декодере отключает фильтр режекции, повышая тем самым четкость
черно-белого изображения. Задержанный в корректоре цветовой рез-
кости КЦР яркостный сигнал и цветоразностные сигналы после КЦР
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
429
Внешние сигналы (PC, ВМ, телетекст)
Er eg ^в
2С2С2С
Коммутация внешних сигналов
Рис. 17.7. Структурная схема блока цветности
поступают в сложное многофункциональное устройство — видеопро-
цессор, в котором осуществляется их матрицирование. Кроме этой
операции в видеопроцессоре происходив электронная регулировка
контрастности, насыщенности и яркости, коммутация внешних сиг-
налов, регулировка баланса белого (возможно, автоматическая —
АББ), ограничение тока лучей (ОТЛ) кинескопа от перегрузки.
Сформированные в видеопроцессоре сигналы Е'ю EG, Е'в упра-
вляют токами лучей при помощи видеоусилителей кинескопа, кото-
рые в телевизорах четвертого и пятого поколений гальванически свя-
заны с видеопроцессором. Б отличие от телевизоров первых выпусков
с применявшимися дельта-кинескопами, в которых управление тока-
ми лучей осуществлялось кондуктивно и раздельно по катоду яр-
костным Еу и по модуляторам цветоразностными сигналами E'R_Y1
E'g_y, Е,в_у. в кинескопах с самосведением правильность цветопе-
редачи, зависящая от сбалансированности модуляционных характе-
ристик кинескопа, имеющего только один общий электрод-модулятор
и общий ускоряющий электрод, должна быть обеспечена установкой
соответствующих уровней черного в сигналах EfRy E'G, Е'в и их раз-
махов во внешних цепях.
Приведенные диаграммы управляющих сигналов и модуляцион-
ные характеристики в схеме с дельта-кинескопом (рис. 17.8) пока-
зывают, что при гальванической связи усилителей цветоразностных
сигналов с модуляторами и усилителя яркостного сигнала, в кото-
ром осуществлена фиксация уровня черного с катодами, баланси-
430
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
фиксации Еу
Баланс _
в черном
t
(AUbr>&Ubg)
Насыщенность -
(размах
EG-Y> EB-y^
Рис. 17.8. Диаграммы упра-
вляющих сигналов в дельта-
кинескопе при балансировке по
уровню белого и уровню черного
ровка по уровню черного достигается за счет относительного измене-
ния режимов видеоусилителей по постоянному току (/\Ubg и AUbr)-
Балансировка по уровню белого достигается выравниванием токов
лучей на белом й, G и В прожекторов регулировкой ускоряющих
напряжений, воздействующих на наклон (крутизну) модуляционной
характеристики. При этом оперативные регулировки насыщенности
(в канале цветности на поднесущей), яркости (уровень фиксации в
канале яркости) и контрастности (размах сигнала Еу) реализуются
в этом случае достаточно легко. К сожалению, вследствие старения
кинескопа и падения эмиссионной способности катодов с течением
времени модуляционные характеристики кинескопа так сильно рас-
ходятся, что указанными выше регулировками не удается их сбалан-
сировать в динамическом диапазоне сигнала. Кроме того, сама по
себе балансировка требует достаточной квалификации.
Видеопроцессор четвертого и пятого поколений УСЦТ.
Отличие в конструкции электронных прожекторов кинескопа с само-
сведением, в частности невозможность раздельно и непосредственно
выравнивать крутизны модуляционных характеристик цветных про-
жекторов (рис. 17.9), более высокие требования к качеству цветных
изображений в современных телевизорах, в частности требование хо-
рошей динамической балансировки по белому, приводят к необходи-
мости раздельной регулировки сигналов и неоднократной фиксации
уровней в процессе обработки сигналов в специальном устройстве —
видеопроцессоре (рис. 17.10). Первая фиксация уровней сигналов Еу,
Е'и_у и Е&_у, пришедших в видеопроцессор после разделительных
цепей с потерей постоянной составляющей, осуществляется по уров-
ню черного во время прохождения задней площадки гасящего им-
пульса в сигнале Е'у и нулевого уровня в сигналах E'R_Y и Е'в_у,
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
431
специальным стробирующим импульсом строчной частоты SSC, вы-
рабатываемым в задающих цепях строчной развертки либо в цепях
амплитудной и временной селекции видеосигнала. Восстановленные
постоянные составляющие в сигналах EY и £д_у, ^в-у позволя-
ют правильно матрицировать сигналы E'R_Yy EG_Yz Eq_y и EY для
получения цветоделенных сигналов E'^Eq, Е'в, осуществлять элек-
тронную регулировку насыщенности в каскадах усилителей сигналов
Eft-y, E'b_y и контрастности сигналов E'R, EG, Е'в.
Введение в сигналы ER, EG, Е'в информации о положении ре-
гулятора яркости производится в каскадах регулировки яркости и
фиксации посредством привязки уровня черного сигнала к уровню
постоянного напряжения, задаваемому от внешней цепи. При этом
внешние конденсаторы Cl, С2, СЗ в каждом канале запоминают этот
уровень в момент фиксации и сообщают его сигналу во время прямо-
го хода по строке в виде постоянной составляющей. В последующих
каскадах после гашения сигналов импульсами стробирования SSC по
строке и кадру осуществляется таким методом передача информа-
ции о положении регулятора яркости в виде разницы между уровнем
черного в сигнале и уровнем опорной площадки гашения, который
должен быть зафиксирован на уровне «чернее черного», обеспечи-
вающим закрывание кинескопа во время обратного хода по строке и
кадрам в положении регулятора яркости на минимуме (рис. 17.11).
При гальванической (кондуктивной) связи выходных каскадов
E'R, Eg, Е'в сигналов с видеоусилителями кинескопа, что характерно
для типов УСЦТ четвертого и пятого поколений, необходимо осуще-
ствить «привязку» опорной площадки гашения в сигналах ER, EG,
432
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
R
В
ЦФ И
R
Регулировка
—Т- размаха
Внешние сигналы
^r^g^b
JC1JC2JC3
РЯ
РЯ
РЯ
1
Пиковое
Регулировка
насыщенности.
E'b-Y
ЦФ
| АББ |
ЦФ
- ЦФ
W ЦФ
SSC АББ
Регулировка яркости
Регулировка контрастности
А Среднее X
ОТЛ Сигнал коммутации
Рис. 17.10. Функциональная схема видеопроцессора:
ЦФ — цепь фиксации; М — матрицирование сигналов; PH — регулировка на-
сыщенности; РК — регулировка контрастности; К — коммутатор сигналов;
РЯ — регулировка яркости; КГ — каскад гашения; РР — регулировка раз-
махов сигналов; АББ —’ система регулирования АББ; S — сумматор сигна-
ла с корректирующим напряжением АББ; Ф1/1 — формирователь импульсов
от SSC; К — ключ в каналах АББ; Д — пороговый дискриминатор уровня
Площадка гашения (опорная)
Рис. 17.11. Диаграмма сигнала на выходе одного из каналов
видеопроцессора
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
433
Ев к напряжениям отпирания (отсечки) лучей в модуляционных ха-
рактеристиках кинескопа. В зависимости от типа микросхемы, при-
меняемой в видеопроцессоре, уровни, к которым осуществляется при-
вязка опорной площадки регулируемого сигнала в каналах, могут
устанавливаться вручную (например, К174ХА17) при помощи внеш-
них резистивных регуляторов, устанавливаемых в плате видеоусили-
телей кинескопа, ответственных за запирание луча в каждом из трех
электронно-оптических прожекторов кинескопа, либо автоматически.
В первом случае динамический баланс белого достигается вручную
подгонкой индивидуально в каждом канале уровней опорных площа-
док в сигналах ER, EG, Ев к напряжениям запирания и подрегули-
ровкой размахов сигналов в каналах на белом (см. рис. 17.11). Оче-
видно. старение кинескопа и расхождение напряжений запираний в
модуляционных характеристиках вызовут нарушение баланса белого
и искажения цветного изображения. В современных микросхемах-
видеопроцессорах типа,К174ХАЗЗ (TDA3505) и им подобных телеви-
зоров четвертого и пятого поколений для устранения ручной регули-
ровки баланса на темных участках применяется система автомата че-
ской балансировки белого АБЕ, т.е. балансировки уровней привязки
в выходных сигналах E'R, EG. Е'в процессора. Для этого в микросхе-
ме формируются в трех последних строках кадрового гасящего им-
пульса измерительные прямоугольные видеоимпульсы положитель-
ной полярности Д^/дбб, которые по одному вводятся в каждый из
сигналов с размахом, соответствующим примерно 10 мкА отпертого
луча соответствующего прожектора. В каждом канале при помощи
селектирующего ключа К происходит отслеживание и регулирование
(АББ) такого положения площадки гасящего импульса в сигнале и
напряжения открывания кинескопа, при котором во всех трех про-
жекторах лучи этими импульсами отперты на 10 мкА, что соответ-
ствует балансу кинескопа по яркости в темных участках. В качестве
датчиков состояния открытости прожектора служит измерительный
резистор в плате ВУ кинескопа, по которому протекают контрольные
импульсные токи всех трех прожекторов последовательно во време-
ни в течение трех строк. Если следящие системы в каналах R, G,B
отметят расхождение в амплитудах контрольных импульсов токов
по каналам, больших или меньших 10 мкА, а значит, и различие
в привязках опорных площадок гашения сигнала к напря-
жению отсечки модулятора, то канальный компаратор системы АББ
с внешними конденсаторами С4, С5, С6 в каждой системе регулиро-
вания выдаст поправочное постоянное напряжение соответствующего
знака, которое в сумматоре Е прибавится к сигналу и скомпенсирует
расхождение в упомянутых напряжениях отсечки луча кинескопа и
напряжения на катоде, соответствующего площадке гашения в сиг-
нале. В моменты прохождения контрольных импульсов оперативная
регулировка яркости отключается, чтобы система балансировки не
срабатывала и не компенсировала изменение яркости.
434
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
а)
б)
Уровень отсечки луча R
Опорная площадка гашения ±1/д
Уровень черного
Д^АББ
&UG
Д17ЛЛ
Уровень отсечки луча G
Д^АББ
Опорная
площадка ±UG
Уровень черного
Д^АББ
Уровень отсечки луча В
В)
Опорная
площадка ±Uq
Уровень черного
Рис. 17.12. Диаграмма напряжений измерительных сигналов на ка-
тодах R, G, В кинескопа (a-в); на измерительном сопротивлении
R? (г); трехуровневого сигнала SSC для фиксации и гашения (д)
На рис. 17.12 представлены диаграммы измерительных сигналов
АББ в каналах и на общем измерительном резисторе RT на плате ви-
деоусилителей кинескопа, поясняющие принцип действия АББ. Оче-
видно, при старении кинескопа и изменении модуляционных харак-
теристик в такой системе поддерживается баланс белого только на
темных участках. Балансировка на светлых участках изображения
должна производиться регулировкой «размахов 77, G и В», осуще-
ствляемой электронным регулированием по каналам в сигналах с
введенной опорной площадкой. В телевизорах четвертого-пятого по-
колений УСЦТ ограничиваются обычно АББ только в одной точке,
вблизи отсечки кинескопа. Однако известны зарубежные микросхе-
мы, например видеопроцессор фирмы Thompson ТЕА5040, в которой
кроме трех измерительных импульсов, контролирующих токи отсеч-
ки кинескопа, вводятся внутри кадрового гасящего импульса еще три
импульса для контроля токов средней яркости. Системы регулиро-
вания в каналах, действующие от этих дополнительных импульсов,
контролируют размах сигналов Е'ю E'G, Е'в в каналах, исключая та-
ким образом ручные подрегулировки размахов Л, G, В, применяемые
в телевизорах четвертого и пятого поколений УСЦТ для динамиче-
ской балансировки на белых участках изображения.
В видеопроцессорах современных микросхем синхронизация всех
процессов фиксации при регулировках насыщенности, яркости, кон-
трастности, размахов сигналов и обеспечении измерительных им-
пульсов для АББ, осуществляется трехуровневыми импульсами SSC
(Super sand castle), имеющими сложную форму и задающими в ин-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
435
тервале уровней 0...2.5 В кадровые импульсы гашения по полю, в
интервале 2,5...4,5 В — строчные импульсы стробирования для гаше-
ния и создания опорных площадок, в интервале 4,5...8 В — строчные
стробирующие импульсы для цепей фиксации по уровню черного в
сигналах на задних площадках гасящих импульсов. Форма импуль-
сов представлена на рис. 17.Г2,<?. Пользование таким импульсом по-
зволяет снизить число выводов микросхемы, что немаловажно для
повышения надежности и микроминиатюризации радиоаппаратуры.
Все составляющие импульсов SSC, необходимые для функциони-
рования видеопроцессора, формируются с помощью детектора, -этих
составляющих по уровням и цифровых логических каскадов, нахо-
дящихся внутри микросхемы.
В видеопроцессоре реализуется обязательное для современно-
го телевизора ограничение среднего тока лучей (ОТЛ) кинескопа.
Это ограничение выполняется с помощью порогового шунтирующе-
го воздействия на регулятор контрастности и затем, каскад!ю, на
регулятор яркости при чрезмерном (более 1 мА) возрастании сред-
него тока кинескопа на очень светлых изображениях (микросхемы
TDA2500, TDA3501—TDA3505, К174ХА17, К174ХАЗЗ). Датчиком
контрольного напряжения токовой перегрузки кинескопа является
либо тот же резистор в плате видеоусилителей кинескопа, что изме-
ряет темновой ток для АББ, либо, как упоминалось в гл. 8, резистор
ограничения тока лучей, установленный в высоковольтном выпря-
мителе строчной развертки последовательно с током нагрузки, т.е.
анодным током кинескопа.
Для отсутствия расфокусировки лучей на очень белых мелких
деталях, на которые не реагирует ОТЛ по среднему току лучей из-за
малого удельного веса этих деталей в средней яркости изображения,
в современных процессорах (TDA3501-TDA3505, К174ХА33) приме-
няется другая разновидность ОТЛ — в пиках тока. Для того чтобы
она действовала эффективно, ограничивая контрастиость и яркость
через известные регуляторы, на определенный вход микросхемы ви-
деопроцессора через разделительный конденсатор с наружного аква-
дагового покрытия кинескопа подается пиковое импульсное напря-
жение, значение которого пропорционально мгновенному значению
полного тока кинескопа. Установленный на определенный предел по-
роговый дискриминатор Д видеопроцессора при каждом превышении
допустимого пикового тока воздействует на электронные регуляторы
контрастности и яркости, уменьшая последние по той же схеме, что
и в случае действия ОТЛ по среднему значению тока [74].
Видеоусилители кинескопа. Характерной особенностью вы-
ходных усилителей сигналов E'R, E'G, Е’в является их широкопо-
лосность при относительно больших выходных сигналах, управля-
ющих лучами прожекторов кинескопа. Возможность пробоев в ки-
нескопе заставила разработчиков современных телевизоров выне-
сти эти усилители на плату, совмещенную с панелью кинескопа.
436
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Rt
Рис. 17.13. Схема видеоусилителя
кинескопа с датчиком темнового тока
При этом существенно уменьшается монтажная емкость соединитель-
ных проводов между выходами усилителей и катодами кинескопа и
уменьшается риск повреждения низковольтных микросхем в блоке
цветности от соседства относительно высоких напряжений выходных
цепей видеоусилителей, особенно при пробоях. Для снижения потре-
бляемой мощности выходные каскады современных телевизоров вы-
полняются, как усилители с активной нагрузкой [75]. На рис. 17.13
показан видеоусилитель одного канала. Первый каскад ВУ с общим
эмиттером на транзисторе VT1, в коллекторе которого развивается
основное усиление (до 150 В размаха), нагружен не на катод кинеско-
па, а на эмиттерный повторитель VT2, который уменьшает действие
паразитных емкостей соединительных проводов и входных емкостей
катодов кинескопа. При этом появляется возможность в той же поло-
се сигнала существенно увеличить резистивную нагрузку каскада на
VT1, сбросив с коллектора VT1 значительную мощность рассеяния.
Это, в свою очередь, позволяет уменьшить паразитную емкость на
выходе VT1 за счет отказа от теплового радиатора. В итоге потребле-
ние мощности от источника в таком усилителе с активной нагрузкой
снижается более чем в 2...3 раза, а из-за противофазности загрузки
транзисторов VT1, VT2 на белом и на черном среднее потребление
тока от источника выравнивается, облегчая требования к пульсации.
Транзистор VT3, включенный как эмиттерный повторитель с общим
для всех трех каналов видеоусилителей резистором RT предназна-
чен для измерения темнового тока луча кинескопа, контролируемо-
го специальными импульсами в кадровохм гасящем (см. рис. 17.12)
для системы АББ. Это же сопротивление RT, на котором суммиру-
ются напряжения от протекающих по нему трех токов лучей, может
выполнять роль датчика, контролирующего максимально допусти-
мый ток кинескопа в системе ОТЛ по среднему значению. Диоды в
эмиттерных переходах VT2 и VT1 защищают от пробоя транзисто-
ры при разрядах в кинескопе.
Корректор цветовой резкости. Задача коррекции цвето-
вых переходов — улучшение цветовой резкости (Colour accutence
improvement, CAI) для всех стандартных цветных систем связана
с необходимостью оптимального совмещения во времени коротких
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
437
фронтов широкополосных сигналов яркости (около 150 нс) с затя-
нутыми фронтами узкополосных цветоразностных сигналов (около
800 нс). В приемниках первых поколений для совмещения фронта
применялась линия задержки в канале яркостного сигнала, однако
качество цветного изображения, особенно в мелких деталях, из-за
размытости цветных границ в насыщенных цветах было недостаточно
хорошим. Кроме того, широкополосная линия задержки в яркостном
канале из-за громоздкости плохо сочеталась с высокой степенью ми-
ниатюризации и интегральной технологией, характерной для совре-
менной схемотехники приемников. Известно, что многостандартные
декодеры в соответствии с разными частотными характеристиками
производимых сигналов требуют варьирования в некоторых преде-
лах времени задержки в яркостном канале. Поэтому в современных
приемниках применяют устройство коррекции цветовой резкости (см.
рис. 17.7), выполняемое по интегральной технологии в виде микросхе-
мы с двумя каналами обработки сигналов, которые должны решить
две функциональные задачи: регулировка задержки яркостного сиг-
нала (Luminance quality improvement, LQI) и улучшение цветовых пе-
реходов в изображении (Colour transient improvement, CTI).
Схемотехнически необходимую величину задержки сигнала в яр-
костном канале КЦР с некоторыми пределами регулирования обес-
печивают набором необходимого числа каскадно-включенных актив-
ных фильтров (гираторов), каждый из которых задерживает сиг-
нал яркости на 90 нс. Число подключаемых гираторов в яркост-
ном канале микросхемы регулируется подачей соответствующего по-
стоянного напряжения из внешней цепи микросхемы. В микросхеме
отечественного производства К174ХА37 и ее зарубежных аналогах
TDA4560 и TDA4565 полное время задержки обеспечивается в пре-
делах 720... 1035 нс, гарантируя точное совпадение яркостного и цве-
торазностных сигналов во времени для любого стандарта.
Улучшение цветовых переходов (CTI) в цветном изображении
достигается специальной обработкой узкополосных сигналов ER_Y
и Ев_у, поступающих на устройство корректора цветовой резко-
сти (CAI). На рис. 17.14,а, б, в приведены диаграммы напряжений
яркостного и цветоразностных сигналов при совмещении их посред-
ством традиционной линии задержки на 330 нс в яркостном кана-
ле и без коррекции фронтов цветоразностных сигналов. Диаграммы
рис. 17.14,г;^, показывающие состояние фронтов цветоразностных и
яркостного сигналов после обработки в корректоре цветовых перехо-
дов, убедительно демонстрируют превосходство цветного изображе-
ния, созданного такими сигналами, над изображением от сигналов
некорректированных (соответственно рис. 17.14,г;<9 и ПЛА,б,в).
Устройство коррекции фронтов (CTI) цветоразностных сигналов,
работа которого поясняется диаграммами рис. 17.15, включает в себя
две одинаковые схемы с каналом (для E'R_Y и Е'в_у) последователь-
ной аналоговой обработки импульсов входного цветоразностного сиг-
438
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.14. Сигналы яркост-
ные и цветоразностные без
коррекции цветовых перехо-
дов (a-в); с коррекцией (г, д)
Рис. 17.15. Диаграммы сигналов в устрой-
стве коррекции
Рис. 17.16. Структурная схема корректора цветовых переходов (CTI)
нала и релейного переключателя, управляемого сформированными
управляющими импульсами [75]. Согласно рис. 17.15 и 17.16 вход-
ной цветоразностный сигнал, имеющий относительно крутой перед-
ний фронт и пологий задний срез, поступает на нормально замкнутый
электронный ключ (ЭК) и дифференцирующую цепь. После диффе-
ренцирования сигнал детектируется двуполярным детектором фрон-
та, поскольку сигналы цветности имеют разную полярность. На ме-
сте фронтов получаются импульсы положительной полярности, ам-
плитуды которых пропорциональны крутизне фронта и среза цве-
торазностного сигнала (Ui на рис. 17.15,6). Импульсы пропускают
через фильтр верхних частот (ФВЧ) с постоянной времени 800 нс
(рис. 17.15,в) и ограничивают в амплитудном ограничителе (АО) на
уровне порога Un. При этом формируются прямоугольные импульсы
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
439
управления (релейные) (рис. 17.15.г), размыкающие ЭК. Конден-
сатор С образует вместе с ЭК цепь выборки и хранения, на выходе
которой поддерживается уровень сигнала, соответствующий моменту
размыкания ключа. В итоге получается сигнал (7ВЫХ, длительность
переходов в котором сокращена. За счет появления более коротко-
го импульса в начале среза цветоразностного сигнала после прохо-
ждения устройства CTI в нем появляется незначительная ступенька
(рис. 17.15,(9), не оказывающая существенного влияния на качество
изображения. Очевидно, что чем более пологий срез (например, плав-
ный, естественный переход цвета в сюжете) в сигнале', чем меньше
проявляется эта ступень. Вообще устройство CTI тем эффективнее,
чем круче фронты импульсов. Естественно, что наиболее эффек-
тивно это устройство в системах NTSC и PAL. В системе SECAM, к
сожалению, из-за ограничения в кодере выбросов от низкочастотной
предкоррекции на цветовых переходах насыщенных цветов возника-
ют затяжки фронтов до 1,8 мкс, при которых эта схема не эффектив-
на. Однако в сюжетах с ненасыщенными цветами изображение и в
системе SECAM после коррекции существенно качественнее. Специ-
фические сколы на фронтах цветоразностных сигналов пасы щен пых
цветов, как следствие амплитудного ограничения в кодере предыс-
каженных сигналов, могут быть существенно снижены адаптивными
корректорами цветовых переходов, которые способны уменьшить за-
тянутый фронт в сигналах системы SECAM от 1,8 до 0,5 мкс [75],
после чего эффективно применение систем коррекции цветовой рез-
кости (CAI). Однако пока такие адаптивные корректоры применяют-
ся лишь в профессиональной аппаратуре.
Многосистемный декодер. Определяющим признаком совре-
менности цветного телевизора, в частности телевизора четвертого-
пятого поколений серии УСЦТ, является его способность принимать
программы ЦТ с кодированием цветности в принятых в мировом те-
левизионном вещании системах PAL, SECAM и NTSC. Развитие ин-
тегральной схемотехники позволяет эффективно решать эту задачу
на базе новейших поколений микросхем самыми прогрессивными ме-
тодами. Это новое качество современного телевизора особенно акту-
ально в связи с широким распространением бытовой видеозаписи с
выходным сигналом различных стандартов, спутниковым многостан-
дартным вещанием в системе СТВ-12,0 и немаловажно для расшире-
ния экспортных возможностей.
Как показал 20-летний опыт зарубежных стран и подтвержда-
ет отечественная практика последних лет, существуют три основных
способа создания многосистемных декодеров цветности:
1) декодер-конвертор с использованием принципа транскодиро-
вания;
2) декодер с использованием параллельных каналов цветности
на разные стандарты;
440
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
R-Y
Рис. 17.17. Упрощенная структурная схема конвертирования SECAM/PAL
3) декодер с общими для разных систем узлами с переключением
режимов их работы (комбинированный декодер).
Декодер конверторного типа [75] был предложен для при-
ема двух стандартов цветного телевидения: PAL как основной и
SECAM, конвертируемый в PAL. Этот способ был предложен в на-
чале 70-х годов и реализовывался в виде приставок-конверторов к
телевизорам стандарта PAL. До настоящего времени этот способ на-
ходит воплощение в разработанных комплектах микросхем TDA3300
и TDA3030 третьего поколения и более совершенных микросхем
четвертого поколения TDA3562 и TDA3590, TDA3591 (отечествен-
ные аналоги КР1021ХА4 и КР1021ХАЗ), способных конвертировать
SECAM в PAL и принимать в основном канале еще и стандарт NTSC.
Как следует из названия, основная идея этого способа заключается
в том, что принимаемый сигнал цветности SECAM по упрощенной
схеме декодируется до низкочастотных сигналов цветности E'R_Y и
Е'в_у и затем кодируется методом квадратурной балансной модуля-
ции в сигналы, похожие на сигналы PAL, которые могут быть приня-
ты основным декодером PAL телевизионного приемника. Упрощен-
ная структурная схема конвертирования сигнала SECAM показана
на рис. 17.17. Если принимается сигнал PAL, входной переключа-
тель Ki от опознавателя системы в блоке цветовой синхронизации
(БЦС) устанавливается в положение Р, и сигнал Un со входа напра-
вляется через полосовой фильтр (ПФ) в кодер PAL, где демодули-
руется стандартным образом.
Если принимается сигнал SECAM, входной переключатель уста-
навливается в положение S, и сигнал Un через контур коррекции ВЧ
предыскажений КВП поступает в упрощенный канал SECAM, где
ограничивается по амплитуде и демодул и руется одиночным частот-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
441
ным детектором. Чтобы выровнять уровни черного в сигналах Ев_у
и Е'в_у, в частотный детектор направляется меандр напряжения
полустрочной частоты /с/2, этим же напряжением с частотой /с/2
управляется инвертор сигнала, который делает полярность череду-
ющихся и разнополярных сигналов Ев_у и Ев_у положительной. В
балансном модуляторе (БМ) эти сигналы подвергаются квадратур-
ной модуляции с помощью генератора опорной частоты 4,43 МГц,
фаза которой меняется на 90° электронным коммутатором от стро-
ки к строке. В результате на выходе БМ образуются радиосигна-
лы, похожие на PAL, так называемый псевдо-PAL, так как па ка-
ждой строке присутствует только одна составляющая Uy (Ев_у),
либо U(j (Ев_у). После прохождения этих сигналов через замкну-
тый в положении S ключ Ki, полосовой фильтр и устройство ли-
нии задержки (УЛЗ) результаты сложения прямых и задержанных
сигналов псевдо-PAL в сумматорах будут отличаться от таковых в
стандартном PAL сигнале. Представленные на рис. 17.17 векторные
диаграммы иллюстрируют это отличие. Видно, что на синхронные
детекторы приходят сигналы Uu и Uy в квадратуре, как в систе-
ме NTSC, а это значит, что в отличие от PAL такие сигналы имеют
сильное изменение от фазовых нестабильностей в опорном генера-
торе, БМ и т.д. Тем не менее такие конверторы-приставки широко
применялись ввиду относительной простоты.
В последующих разработках специальных комплектов микро-
схем-конверторов TDA3030 и TDA3300 этот недостаток был ликви-
дирован за счет применения дополнительных коммутаторов прямого
и задержанного сигналов и синфазной балансной модуляции, вслед-
ствие чего приходящие на синхронные детекторы сигналы Uu и Uy
синфазны и раздельны. Нестабильность фаз в БМ и генераторе
опорной частоты в синхронных детекторах в этом случае сказыва-
ется только на изменении насыщенности, что не так заметно гла-
зу. Однако в дополнительном коммутаторе прямого и задержанно-
го сигналов перекрестные помехи от синфазности Uu и Uy способ-
ны искажать цвет.
Более поздние разработки комплектов микросхем декодеров кон-
верторного типа TDA3590, TDA3591 и TDA3590A (отечественный
аналог КР1021ХАЗ) в паре с видеопроцессором PAL TDA3560,
TDA3561 или TDA3562 (отечественный аналог КР1021ХА4) за счет
дальнейшего совершенствования и усложнения внутренней структу-
ры, возврата к квадратурной БМ позволяют оперировать после кон-
вертирования сигналами Uu и Uy, как и в PAL, раздельно присут-
ствующими на синхронных детекторах. Но поскольку в БМ сигнал
псевдоРАБ в этих микросхемах представлен квадратурно, то элек-
тронный коммутатор прямого и задержанного каналов не вносит та-
ких сильных перекрестных искажений, как в синфазных сигналах Uu
и Uy микросхем TDA3300 и TDA3030. Возможности этого комплек-
та расширены также за счет способности его декодировать и сигнал
442
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
NTSC при замене кварца в генераторе и другой коммутации.
Оценивая достоинства конверторного способа, можно отметить
следующее:
• отсутствуют перекрестные искажения между сигналами цветно-
сти, особенно характерные для последних разработок микросхем:
• понижены требования к качеству ультразвуковых линий задер-
жек с точки зрения эхосигналов:
• недостатки конверторного способа: дополнительные преобразо-
вания понижают отношение сигнал/шум и ухудшают сквозную
АЧХ системы SECAM;
• возможны помехи от интерференции между несущей SECAM. и
опорной частотой PAL при некачественном исполнении монтажа.
Тем не менее конверторный способ декодирования системы
SECAM применяется в современных зарубежных и отечественных
многостандартных приемниках, в частности в телевизорах «Элек-
трон» на микросхемах КР10921ХАЗ и КР1021ХА4 из-за легкости пе-
рехода на изготовление двухстаидартного. приемника PAL, NTSC за
счет изъятия из общей схемы конвертора SECAM без ущерба для
технологичности производства.
Декодеры с параллельными каналами цветности распро-
странены в отечественных телевизорах, например, «Рубин»
51ТВ4УСЦТ на два стандарта — PAL и SECAM, и используют два
независимых взаимно блокирующихся кана^ла цветности, объединя-
емых только общей ультразвуковой линией задержки, к которой
предъявляются требования высокой точности задержки от PAL и
минимального эхосигнала от SECAM. Один из каналов может быть
выполнен в виде отдельного субмодуля. В таком случае завод-
изготовитель может наращивать функциональные возможности те-
левизора для приема дополнительного стандарта по мере необходи-
мости и желания заказчика.
Функциональная схема двухсистемного декодера параллельно-
го типа на базе известных микросхем TDA3510 (отечественный ана-
лог К174ХА28) в канале PAL и TDA3520 или TDA3530 (аналоги
K174XA1G или К174ХА31) в канале SECAM приведена на рис. 17.18.
Каждая микросхема представляет собой пример построения класси-
ческого декодера соответствующей системы, описанного в гл. 12, но
при этом включает в себя дополнительные устройства взаимной бло-
кировки сигналов в декодерах, не участвующих в приеме программы,
а также специальные цепи приоритетного подключения общих для
декодеров элементов — УЛЗ, входных шин видеопроцессора сигна-
лов и Ер_у. в каждой микросхеме. В соответствии с принци-
пом параллельное* ? работы каналов опознавание системы цветного
телевидения принимаемой программы осуществляется независимо в
каждом канале посредством частотного и фазового анализа содер-
жания пакетов поднесущей на задних площадках гасящих строчных
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
443
Рис. 17.18. Структурная схема декодера с параллельными каналами цветно-
сти систем SECAM, PAL (NTSC)
импульсов. В случае опознавания «своей» системы детектор опозна-
вания в каждой микросхеме вырабатывает команду, которая откры-
вает «свой» канал цветности, блокирует «чужой» и придает высокий
потенциал выходным сигнальным тинам микросхемы, связанным с
внешними элементами. Так к а,к все внешние сигнальные цени, обо-
значенные на рис. 17.18, подключаются к микросхеме через внутрен-
ние эмиттерные повторители, то находящийся в активном состоянии
канал цветности за счет более высокого рабочего потенциала на вы-
воде микросхемы получает приоритет в пользовании внешней цепью
(линия задержки, вход видеопроцессора и т.д.), исключая какое-либо
мешающее воздействие аналогичного вывода микросхемы неработа-
ющего канала цветности.
Комбинированный декодер. Наиболее прогрессивной схе-
мой построения многосистемного декодера в современных разработ-
ках цветных телевизоров считается декодер с общими для разных
систем узлами и программным переключением режимов их работы
после опознавания принимаемой системы ЦТ. В современном ис-
полнении эти так называемые комбинированные декодеры выглядят
как большая интегральная микросхема, которая позволяет благода-
ря высокой степени интеграции элементов внутреннего монтажа и
использованию переключаемых общих функциональных узлов рез-
ко уменьшить энергопотребление декодера и сократить общее число
подключаемых внешних элементов.
Популярной микросхемой такого типа, широко используемой в
европейских телевизорах и отечественных пятого поколения, явля-
ется TDA4555 (отечественный аналог К174ХА32). На аналогич-
ном принципе действует, например, и микросхемы фирмы Toshiba
TA8653N (или TA8659N), но включает в себя еще и современный ви-
деопроцессор с селектором синхроимпульсов. Эти микросхемы спо-
собны опознавать в автоматическом режиме и декодировать четы-
ре системы цветного телевидения: PAL, SECAM и NTSC с подне-
сущей 3,58 МГц и NTSC с поднесущей 4,43 МГц, с переключением
444
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
входного фильтра сигнала цветности и соответствующего фильтра
режекции яркостного.
На рис. 17.19 представлена функциональная схема многосистем-
ного комбинированного декодера на базе TDA4555 (отечественный
аналог К174ХА32), который в сочетании с микросхемой корректора
цветовой резкости (CAI) позволяет в современных телевизорах в яр-
костном канале достигнуть оптимальной для принимаемой системы
задержки за счет регулируемой задерживающей гираторной линии
микросхемы TDA4565 (К174ХА37).
Из схемы видно, что в одном корпусе (стандартном, на 28 выво-
дов), таком же как и в микросхемах ранее рассмотренных декодеров,
размещаются универсальный канал цветности (показан выделенной
трассой следования сигналов цветности) и устройства опроса и опо-
знавания. Принцип работы канала цветности состоит в следующем.
Полный цветной ТВ сигнал (ПЦВТС) через входной, переключаемый
под соответствующую систему фильтр поступает на общий усили-
тель с системой АРУ, контролируемой синхронным демодулятором
вспышек поднесущей на строчных гасящих импульсах. Эффектив-
ная работа АРУ позволяет декодировать размахи поднесущей в сиг-
налах цветности от 20 до 200 мВ. Сигналы цветности PAL и NTSC
совместно с сигналами цветовой синхронизации (вспышками) после
усилителя направляются в матрицу PAL (коммутатор SECAM), ко-
торая для системы NTSC пропускает по соответствующей команде
от устройства опознавания только прямой сигнал, а в случае си-
стемы PAL выполняет функцию сложения прямого и задержанного
сигналов и разделения сигнала цветности на компоненты Uu и Uy.
Демодуляторы PAL/NTSC принимают на входы сигналы цветности
PAL/NTSC вместе с соответствующими этим системам опорными ча-
стотами fsR и fsb > соответствующими по сдвигу фазы между ними
в 90° красному и синему цветоразностным сигналам. На выходах
канала после синхронного детектирования получаются низкочастот-
ные сигналы E'R_Y И Е'в_ _у. Включение и варьирование генерато-
ров опорных частот fs (3,58 и 4,43 МГц) осуществляется также ко-
мандным управлением соответствующего генератора от устрой-
ства проверки и опознавания системы.
В случае приема сигнала цветности SECAM прямой и задержан-
ный сигналы на поднесущих 4,406 и 4,25 МГц после ограничения
в коммутаторе SECAM (в который по команде SECAM обращается
матрица PAL) попадают на параллельно включенный демодулятор
SECAM в виде раздельных компонент Dr и Dr. Синхронная демоду-
ляция ЧМ сигналов осуществляется за счет воздействия на вторые
входы демодуляторов сигналов Dr и Dr, прошедших фазосдвига-
ющие контуры, настроенные на «красную» и «синюю» поднесущие
SECAM. Скорректированные фильтрами от НЧ предыскажений сиг-
налы Е'1{_у и Е'в_у поступают на выходные выводы микросхемы.
Фазосдвигающий Фазосдвигающие
Рис. 17.19. Функциональная схема многосистемного комбинированного декодера на базе микросхемы
TDA4555 (К174ХА32)
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники _________445
446
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Устройство опознавания многосистемного декодера действует по-
средством последовательного опроса и анализа характерных призна-
ков сигналов цветовой синхронизации (СЦС), присущих только одной
единственной из четырех возможных систем. Если ориентироваться
на строчные пакеты поднесущей (вспышки) на задней площадке гася-
щих импульсов, то можно заметить, что в системе SECAM уникаль-
ность сигнала вспышек заключается в чересстрочном чередовании
частот покоя «красной» и «синей» поднесущих. Система PAL отлича-
ется от NTSC-4,43 чересстрочным чередованием фаз поднесущих во
вспышках О...9О0. В системе NTSC-4,43 такое чередование отсутству-
ет, а в системе NTSC-3,58 частота вспышек существенно отличается
от частот вспышек в трех других системах.
В принципе эти признаки различаются стандартными приема-
ми и устройствами, которые применяются в цветовой синхронизации
ранее рассмотренных многосистемных декодеров и в канонических
схемах системных декодеров.
Здесь же при анализе используют одновременно частотный де-
модулятор с опорным контуром 4,43 МГц для обнаружения разноча-
стотных вспышек СЦС SECAM, фазовый детектор вспышек для об-
наружения СЦС PAL и NTSC, детектор полустрочной частоты для
обнаружения присутствия меняющихся через строку сигналов СЦС
PAL либо SECAM. Логическое перемножение результатов, обнару-
женных каждым из детекторов, в совокупности определит четыре от-
личительных состояния на двух выходных интеграторах полустроч-
ного детектора, каждое из которых соответствует единственной ко-
манде, отданной устройством проверки систем для опознавания си-
стемы цветности неизвестного сигнала. Эти состояния в устройстве
опознавания при последовательном опросе со стороны устройства
проверки системы обращаются в ответ «да» или «нет» той систе-
ме, которая устанавливается и комбинируется в декодере текущей
командой запроса. Смена команд при последовательном опросе про-
исходит в следующем порядке: PAL, SECAM, NTSC-3,58, NTSC-4,43.
Интервал запроса составляет четыре поля — 80 мс и определяется
в основном постоянной времени АРУ в регулируемом входном уси-
лителе сигналов цветности.
При подтверждении запрашиваемой системы включение кана-
ла цветности происходит еще через 40 мс для исключения ложно-
го срабатывания от чужой системы. Команды опроса систем кроме
внутренних цепей и узлов микросхемы включают соответствующие
внешние входные фильтры, фильтры режекции, генераторы опорных
поднесущих, а также осуществляют оптимальный выбор задержки
яркостного сигнала при использовании схемы цветового корректора,
резкости (TDA4565). В микросхеме TDA4555 возможно по тем же ко-
мандным шинам принудительно открывать внешним постоянным на-
пряжением канал цветности необходимой системы в случае априорно
известной системы принимаемого сигнала цветного телевидения.
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
447
Полностью синхронизация в декодере осуществляется от трех-
уровневого сигнала SSC, который, как известно, содержит хрони-
рующие импульсы стробирования вспышек поднесущих, импульсы
строчного и кадрового гашения. Этот сложный сигнал, введенный в
микросхему декодера по одному вводу, расчленяется пороговым де-
тектором на три указанные составляющие, которые необходимы для
работы канала цветности и устройства опроса и опознавания.
В заключение следует отметить, что телевизоры пятого поко-
ления отечественного производства серии 5УСЦТ («Радуга», «Гори-
зонт») в основном исполняются на комбинированном декодере, под-
тверждая практически более высокую надежность, технологичность
и перспективность этого типа декодера в создании долговечной и
функционально гармоничной модели телевизора.
17.4. Телевизионный приемник с цифровой
обработкой сигналов стандартного цветного
телевидения
Благодаря развитию цифровой техники и прогрессу в производ-
стве интегральных схем в рамках существующего аналогового веща-
ния современные телевизионные приемники используют’ в от дельных
узлах цифровую обработку сигналов. Основной результат приме-
нения цифровой обработки заключается в получении чрезвычайно
устойчивого изображения, которое субъективно воспринимается как
изображение с улучшенным качеством. Подобный метод улучше-
ния конечного продукта стандартного телевизионного вещания по-
лучил на Западе обозначение IDTV (Improved Definition Television),
или ADTV (Advanced Definition Television), а в отечественной терми-
нологии — ТПК (телевидение повышенного качества).
Одно из основных преимуществ цифровой обработки сигналов
связано с процессом производства. В этом смысле массовое производ-
ство аналого-цифровых приемников требует существенно меньших
настроечных операций на этапе производства и в процессе обслужи-
вания. Современное исполнение цифровой обработки сигналов в ТВ
приемниках подразумевает микропроцессорное управление и автома-
тические регулировки, например, баланса белого и пр. В сочетании
с буферной памятью на кадр изображения цифровая обработка по-
зволяет приобрести новые качества воспроизводимого изображения,
такие как стоп-кадр, кадр в кадре, изменение масштаба изображения,
графика из телетекста и других сервисных устройств.
На рис. 17.20 представлена функциональная схема аналого-циф-
рового приемника телевизионного вещания, выполненного на осно-
ве концепции фирмы ITT — Digit-2000 [76]. Как видно из схемы,
аналоговой обработкой сигнала заняты радиотракт приемника (се-
лектор каналов (СК), тракт промежуточной частоты) и оконечные
448
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аудио
Аудио-,
процессор
Видео-
процессор
Ви
I Е,
щео г
8 4'’U/V
Е.
Кодек-
процессор
Выходные
видеоусилители
Шина управления
Аналоговая часть
| Процессор
4—> центральный
Процессор
разверток
СИ
КИ
Выходные каскады
Цифровая часть । Аналоговая часть
7 5
7
Рис. 17.20. Функциональная схема аналого-цифрового приемника Digit-2000
каскады выходных сигналов R, G, В и звука (стерео), а также мощ-
ные каскады строчной и кадровой развертки кинескопа. Цифровую
часть этого приемника составляет комплект микросхем, объединен-
ных общим названием «DIGIT-2000» и представляющих собой СБИС.
Вместе с небольшим числом дополнительных элементов они заме-
няют сотни классических аналоговых функциональных элементов,
которые необходимы в блоках аналоговых телевизоров. При этом, в
частности, достигаются следующие преимущества: малое количество
дополнительных (внешних) элементов контроля и настройки, отсут-
ствие разброса параметров, отсутствие дрейфа и старения, возмож-
ность программирования, удобство обслуживания благодаря упра-
влению с помощью программных средств, возможность автоматиче-
ского балансирования параметров ТВ приемников в процессе произ-
водства, прием звукового сопровождения по любой из существующих
норм вещания, а также многостандартный прием сигналов ТВ си-
стем PAL, NTSC и SECAM.
В структуре проекта «DIGIT-2000» можно выделить следующие
функциональные узлы.
Центральный процессор включает в себя 8-битовый микроком-
пьютер и координирует все процессы в цифровой системе управления.
В его электронной памяти хранятся балансировочные параметры,
выставленные в процессе изготовления телевизора и обеспечивающие
высокое качество изображения. Кроме того, через центральный про-
цессор осуществляется связь с телезрителем и его пультом дистанци-
онного управления. Выбранные пользователем номера каналов, зна-
чения громкости, насыщенности и т.д. воспринимаются, обрабатыва-
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
449
ются и перенаправляются к другим функциональным элементам. В
основном центральный процессор выполняет следующие функции:
• поддерживает системы дистанционного управления на ИК лу-
чах;
• реализует 32 команды непосредственного управления;
• имеет энергонезависимую память для выбора программ;
• управляет индикацией каналов на светодиодах, управляет ра-
ботой микросхем — процессоров цифровой обработки сигналов
изображения, звукового сопровождения и развертки с помощью
последовательных межблочных шин (IM-Bus).
Видеопроцессор выполняет те же функции, что и декодер цвет-
ности, например декодер PAL в аналоговом современном телевизоре,
но работает с цифровыми сигналами на тактовой частоте 17,734 МГц
(учетверенной поднесущей PAL). Входным сигналом видеопроцессо-
ра является полный видеосигнал Еп в виде помехозащищенного 7-
битового кода Грея от кодек-процессора. В процессоре код Грея де-
шифруется и разводится в цифровом виде в каналы яркости, цветно-
сти и синхронизации. Микросхема видеопроцессора содержит пре-
образователь кода Грея, цифровые фильтры сигналов цветности,
фильтры цветовой поднесущей с коррекцией резкости изображения,
умножитель контрастности с ограничителем для яркостного сигна-
ла, систему АРУ и регулировку насыщенности для цветоразностных
сигналов, декодер PAL, а также узлы синхронизации, обеспечиваю-
щие сигналами процессор разверток.
Во взаимодействии с микросхемой видеопроцессора работает ми-
кросхема кодек-процессора, назначение которой — аналого-цифровое
преобразование полного цветного сигнала Etl в код Грея и обрат-
ное цифро-аналоговое преобразование цифровых сигналов яркости
и цветности из видеопроцессора. Кроме того, микросхема кодека со-
держит матрицу сигналов RGB с возможностью преобразования сиг-
налов Y, U, V в сигналы RGB. Микросхема содержит также вспомо-
гательные программируемые цепи для гашения, регулировки ярко-
сти и баланса кинескопа.
Микросхема аудиопроцессора с программным управлением по
последовательной шине выполняет следующие функции: аналого-
цифровое преобразование аудиосигнала, коррекцию предыскажений
(Deemphase), физиологическую коррекцию громкости, формирование
сигнала псевдостереозвука, декодирование сигнала опознавания мо-
нофонической передачи, стереофонической передачи или двухрече-
вого сопровождения.
Процессор разверток осуществляет общее управление вертикаль-
ной и горизонтальной развертками лучей в кинескопе и реализует
следующие задачи системы развертки: фиксация уровня видеосиг-
нала, амплитудная селекция строчных и кадровых импульсов, по-
лучение пилообразных напряжений с коррекцией подушкообразных
искажений.
450
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.21. Функцио-
нальная схема много-
стандартного декодера
PAL, NTSC, SECAM
Одним из первых вариантов реализации рассмотренного цифро-
вого телевизора по проекту ITT был комплект цифровых процессоров
для многостандартного декодера цветности PAL, NTSC и SECAM в
телевизорах «Aiwa TV-1402, Aiwa TV-2002, Aiwa TV-2102» [76].
Функционально декодер состоит из трех микросхем:
• видеопроцессора VSP2860, декодирующего полный цифровой ви-
деосигнал по системам NTSC и PAL;
• декодера SECAM SPU2243, декодирующего параллельно полный
цифровой видеосигнал по системе SECAM;
• кодера-декодера VCU2133, осуществляющего аналого-цифровое
и цифро-аналоговое преобразования входных сигналов в соответ-
ствии с рассмотренной выше концепцией ITT.
Схема взаимодействия этих микросхем в многостандартном де-
кодере показана на рис. 17.21. Аналоговый полный видеосигнал Еп
поступает с видеодетектора радиоканала или внешнего входа телеви-
зора на АЦП кодека VCU2133 и в виде 7-разрядного кода Грея раз-
водится на видеопроцессор VSP2860 и декодер SECAM SPU2243. В
микросхеме VSP2860 вырабатываются запускающие импульсы строч-
ной и кадровой частоты для выходных каскадов разверток кинескопа
и осуществляется цифровое декодирование сигналов яркости и цвет-
ности для систем NTSC и PAL. В микросхеме SPU2243 осуществляет-
ся цифровое декодирование цветности по системе SECAM. Цифровые
декодированные сигналы яркости 8-битовым кодом и сигналы цвет-
ности мультиплексированно 4-битовым кодом из микросхем SPU2243
и VSP2860 вновь поступают на микросхему VCU2133, где преобразу-
ются в аналоговые сигналы основных цветов R, G и В, пригодные
для возбуждения оконечных каскадов видеоусилителей кинескопа.
Параллельно с внедрением цифровых декодеров вещательных
стандартов PAL, NTSC и SECAM в современных ТВ приемниках вы-
сокого класса «High End» с большими экранами, начиная с 90-х годов,
разработчики предложили использовать память на кадр как ключе-
вой элемент в улучшении качества изображения (Improvod Picture
Quality, IPQ).
Цифровая память на кадр используется в системе обработки
сигналов, устраняющей некоторые дефекты изображения в обычном
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
451
Рис. 17.22. Схема работы цифрового процессора для системы PAL
Рис. 17.23. Схема рекурсивного
фильтра
телевизоре существующих вещательных стандартов, например PAL
или SECAM.
Как известно, на изображениях, получаемых по этим стандар-
там, возникают мерцания крупных участков изображения с большой
яркостью с частотой полей 50 Гц. При наличии высокочастотных
пространственных вертикальных составляющих изображения черес-
строчная развертка приводит к межстрочным мерцаниям (flicker) с
частотой 25 или 30 Гц (для NTSC). Кроме того, передача сигналов
яркости и цветности в общей полосе частот вызывает перекрестные
искажения «яркость-цветность» и «цветность-яркость» (crosscolour),
и, наконец, в любой вещательной системе принимаемый сигнал сопро-
вождается шумовой помехой, которая может быть заметна па вос-
производимом изображении.
На рис. 17.22 показана обобщенная структура цифрового про-
цессора, существенно улучшающего качество изображения. Сигналы
Еу. Еу и Еу поступают от PAL-декодера. После фильтрации сиг-
нал Еу разделяется на две составляющие — низкочастотную Еупч
(ниже 3 МГц) и высокочастотную Еувч. Каждая из составляющих
Еунч, Еу. Еу в цифровом виде пропускается через рекурсив-
ные фильтры, использующие память на кадр, принцип работы ко-
торых иллюстрирует рис. 17.23. Подобные временные фильтры ис-
пользуются обычно в современных системах шумоподавления (см.
гл. 15). Однако в данном случае они уменьшают также уровень пере-
крестных искажений между сигналами яркости и цветности, вызы-
вающих появление движущихся паразитных структур. Подавление
происходит путем вычисления на выходе фильтра среднего по време-
452
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 17.24. Функциональная схема цифрового модуля IPQ
ни значения, которое для подобных помех равно нулю. Коэффициент
К фильтров устанавливается для каждого элемента изображения с
помощью детектора движения, что предотвращает смазывание тех
частей изображения, где происходит движение.
Таким образом, низкочастотный рекурсивный фильтр сигнала
•#Унч уменьшает уровень шумов, а высокочастотный фильтр сигнала
подавляет как шумы, так и перекрестные искажения «яркость-
цветность». Рекурсивные фильтры сигналов Еу и Еу подавляют и
шумы, и перекрестные искажения «цветность-яркость» аналогично.
Для уменьшения мерцания больших площадей применяется пре-
образование развертки с удвоением частоты полей до 100 Гц либо
преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную с удвое-
нием строчной частоты.
В настоящее время выпускаются в большом количестве и разно-
образные комплекты микросхем, составляющие модуль улучшения
изображения. Эти модули могут состыковываться как с аналоговы-
ми декодерами стандартных систем, так и с цифровыми.
Функциональные возможности модуля улучшения качества изо-
бражения (IPQ) определяются составом микросхем, обслуживающих
память на кадр. Фирмой Philips выпущен ряд микросхем, которые
во взаимодействии с МС памяти фирмы TEXAS INSTRUMENTS —
TMS4C2970, АЦП типа TDA8709 и микроконтроллером Р83С654 в
составе модуля IPQ способны целенаправленно улучшить качество
изображения стандартной цветной телевизионной системы. В зави-
симости от состава модуля его выходные параметры и степень улуч-
шения качества могут быть разные. В табл. 17.3 приведены неко-
торые особенности вариантов модулей IPQ, а на рис. 17.24 — вари-
ант исполнения модуля IPQ с некоторыми улучшенными свойства-
ми изображения.
Модуль способен работать с цифровыми или аналоговыми сиг-
налами (АЦП — TDA8755) У, U, V в формате 4:1:1, используя две
интегральные схемы памяти — TMS4C2970 (3 Мбит), контроллер
памяти SAA4951 и микроконтроллер S87C652 (PSB83C652). Функ-
ции преобразования развертки и подавление шума с перекрестной
ГЛАВА 17. Телевизионные приемники
453
Таблица 17.3
Параметр модуля Вариант модуля
Полный Расширенный Экономичный
АЦП Микроконтроллер TDA8750 PSB83C654ROM
Контроллер памяти Улучшение изображения, Lineflicker reduction, ЦАП Схема подавления шума и пе- рекрестных помех в цветном сигнале SAA4952H SAA7158WP SAA4990H SAA4 SAA490 951WP —
Требуемый объем памя- ти, Мбит Воможность форматирования кадра (4:3; 16:9) Ос 2x3 6 2x3 3 4
+ обеннос гти модъ + у ля -1- —
Формат сигнала Y, U, V 4:1:1 4:4:4 4:1:1 4:1:1 4:2:2
Разрядность данных, бит 12 24 12 12 16
Увеличенная площадь по- давления «фликкер»-шума при конверсии с 50/60 Гц на 100/120 Гц + + + + 4-
Формат кадра 4:3, 16:9 + + + + +
Режим «стоп - кадр» + + + + 4-
Управление по 12С шине + 4- + + 4-
Подавление «фликкер»-шума + + + - -•
Подавление перекрестных помех цвета + + + - -
Цифровой CTI + + + +
Режим «кадр в кадре» (PIP) + + - - -
Конверсия в прогрессивную развертку + 4- — -
помехой между сигналами У, Uy реализуются в ИС SAA4940 —
PROZONIC (PROgressive scan ZOom and Noise reduction IC). Функ-
ции подавления межстрочного мерцания (Lineflicker reduction, LFR),
улучшение цветовых переходов (CTI), ограничение пиков яркости (Y-
peaking) и ЦАП (DAC) выходных сигналов У, U, V реализуются в
ИС SAA7158 — BENDIC (Back End IC -- финишная обработка ци-
фровых видеосигналов).
Контроллер памяти SAA4951 обеспечивает преобразование раз-
вертки 50/100 (60/120 для NTSC), может поддерживать прогрессив-
ную развертку с удвоенной строчной частотой. Схема обеспечива-
ет все необходимые сигналы (чтение, запись, синхронизация, упра-
вление) для управления различными видами видеопамяти на поле.
Кроме того, схема генерирует сигналы для управления мощными
каскадами строчной и кадровой разверток, программируется через
порт микроконтроллера по 8-битовой шине данных, а управляется
по 12С-шине. Поддерживая одно или два поля видеопамяти, схема
способна обеспечивать видеоэффекты «стоп-кадра», а также «кадр
в кадре» (PIP).
454
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Г л о, в а 18
ЗАПИСЬ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
18.1. Общие принципы и особенности
магнитной записи телевизионных сигналов
Запись видео- и аудиосигналов внесла большие изменения в тех-
нологию ТВ вещания. Телевизионные программы или их фрагменты
подготавливают заблаговременно, их можно компоновать и монти-
ровать, что позволяет эффективно использовать комплекс ТВ аппа-
ратуры и осуществлять независимо от времени передачи более рав-
номерную его загрузку.
Запись облегчает труд творческих работников, открывает ши-
рокие возможности отбора наиболее удачных кадров, фрагментов и
сюжетов. Упрощается репетиционная работа, уменьшается вероят-
ность технического брака, исключается элемент случайности. Кроме
того, при современной видеозаписи творческие работники могут ис-
пользовать в передачах различные художественныё приемы подачи
видеоматериала, спецэффекты, что увеличивает возможности усиле-
ния эмоционального воздействия на зрителя.
Запись ТВ и звуковых сигналов на магнитный носитель бази-
руется на одних и тех же принципах, которые основаны на способ-
ности ферромагнитных материалов намагничиваться под действием
внешнего магнитного поля, создаваемого видео- или аудиосигналом,
и сохранять остаточную намагниченность продолжительное время.
В процессе записи при протекании тока сигнала по обмотке за-
писывающего элемента (магнитной головки) в его сердечнике воз-
никает магнитный поток, силовые линии которого создают рабочее
поле, пронизывающее магнитный слой носителя (магнитной ленты).
При движении магнитной ленты относительно записывающей маг-
нитной головки электрический сигнал, являющийся функцией тока
или напряжения от времени, преобразуется в пространственную по-
следовательность намагниченных участков носителя записи. Таким
образом, на носителе записывается информация в виде магнитного
следа (сигнал ограм мы).
При воспроизведении сигналограммы остаточная намагничен-
ность ферромагнитного носителя создает внешнее магнитное поле.
Вследствие перемещения магнитного носителя с записанной на нем
сигналограммой относительно головки происходит обратное преобра-
зование магнитного поля участков носителя в переменную ЭДС, ко-
торая индуктируется в обмотке вследствие замыкания через сердеч-
ник переменного магнитного потока.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
4-55
Рис. 18.1. Магнитная головка:
1 — магнитопровод; 2 — технологический за-
зор; 3 — обмотка; 4 — рабочий зазор; 5 —
ферромагнитный слой; б — основа носителя
Запись и воспроизведение могут осуществляться с помощью од-
ной и той же магнитной головки (рис. 18.1). Магнитная головка пред-
ставляет собой незамкнутый ферромагнитный сердечник 1 с техноло-
гическим зазором 2, обмоткой 3 и рабочим зазором 4- Через обмотку
3 проходит ток сигнала. Часть магнитного потока, выходящего из
сердечника головки у рабочего зазора, замыкается через немагнит-
ную основу носителя 6, а основная часть потока пронизывает его
ферромагнитный слой 5. Изменения тока в обмотке головки связаны
с изменением магнитного потока в сердечнике и остаточной намаг-
ниченностью магнитного слоя носителя.
К сердечнику головки предъявляются особые требования как по
магнитным характеристикам, так и по механическим свойствам: ма-
териал сердечника головки должен иметь малое значение коэрци-
тивной силы, чтобы остаточная намагниченность сердечника была
небольшой; сердечник должен обладать высокой магнитной прони-
цаемостью, т.е. малым магнитным сопротивлением, а также иметь
малые частотные потери. Материал сердечника должен допускать
точную обработку зазора и рабочих поверхностей и при этом быть
износостойким.
Потери электрической энергии в сердечниках головок обусло-
влены гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Ги-
стерезисные потери малы, так как объем магнитного материала не-
большой. Основные потери определяются вихревыми токами. Для
уменьшения потерь магнитные головки изготавливают из материалов
с высоким удельным сопротивлением (например, из феррита). Рабо-
чий зазор сердечника образован немагнитной прокладкой, обычно в
виде тонкого слоя моноокиси кремния, толщиной около 1 мкм.
Качество записи сигнала в значительной степени зависит от
свойств и характеристик магнитного носителя. Если в качестве но-
сителя используется магнитная лента, ее магнитные и механические
характеристики должны соответствовать определенному набору тре-
бований, определяемых стандартом на данный тип видеозаписи. В
процессе эксплуатации лента подвергается значительным механиче-
456
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ским нагрузкам, испытывая большое давление, деформацию, поэто-
му должна удовлетворять высоким прочностным характеристикам.
Рабочий магнитный слой должен иметь высокую износо- и термо-
стойкость, обладать большой остаточной намагниченностью для по-
лучения высокого отношения сигнал/помеха, большой коэрцитивной
силой, чтобы он не размагничивался под действием магнитных по-
лей соседних участков и не испытывал влияния внешних полей на
записанную сигналограмму. В технике магнитной видеозаписи при-
меняются двухслойные ленты (см. рис. 18.1), состоящие из рабоче-
го магнитного слоя 5 и основы ф придающей ленте механическую
прочность.
Основа ленты изготавливается из эластичной полиэфирной
пленки, отличающейся высокой прочностью на разрыв, износостой-
костью и стабильностью характеристик. Толщина основы составляет
8...37 мкм. Рабочий слой состоит из магнитного порошка и связующе-
го материала, который одновременно является лаковым покрытием и
обладает кроме высокой износо- и термостойкости еще и гладкостью
поверхности. Кроме того, в рабочий слой вводят смазочные вещества,
снижающие трение, и астатические добавки. Например, магнитный
порошок из гамма-окиси железа имеет игольчатую форму длиной
кристалликов не более 0,3...0,5 мкм диаметром примерно 0,03 мкм.
Длина волны записи на магнитном носителе зависит от частоты
сигнала записи и скорости движения носителя относительно запи-
сывающей головки:
A = v//, (18.1)
где А — длина волны записи, м; v — скорость движения носитель-
элемент записи, м/с; f — частота записанного сигнала, Гц.
Легко подсчитать, что для записи А — 1 мкм на частоте f =
= 6 МГц требуемая скорость движения магнитной ленты относитель-
но головки должна составлять 6 м/с, или 360 м/мин. Для продоль-
ного, как в звуковом магнитофоне, расположения дорожек записи на
ленте, такая скорость транспортировки ленты неприемлема.
Скорость движения ленты может быть снижена, как видно из
(18.1), если уменьшить минимальную длину волны записи v — Xf
или понизить частоту записываемого сигнала. Минимальную длину
волны можно получить уменьшением рабочего зазора магнитной го-
ловки а. На практике обычно выполняется условие a/Amin = 0,5 или
Amin = 2а. Отсюда /тах = v/2a. Следует отметить, что для хоро-
шо выполненных головок эффективная ширина щели превышает ее
геометрический размер всего на 10... 15 %. Поэтому можно считать
минимальную длину волны записи равной удвоенной ширине зазо-
ра головки [77]. Однако технологически трудно реализовать эффек-
тивный рабочий зазор столь малой ширины, а уменьшение частоты
записываемого сигнала приводит к снижению качества изображения.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
457
Частотные характеристики записывающего и воспроизводяще-
го устройств ограничиваются в нижней и верхней частях частотно-
го диапазона из-за наличия различных потерь. Основными явля-
ются волновые потери, которые зависят от магнитных и механиче-
ских свойств ленты, электрических и конструктивных параметров
головок и определяются параметрами узла лента-головка и длиной
волны записанного сигнала. К этим потерям относятся щелевые,
слойные, контактные.
Если магнитный слой недостаточно тонок или ухудшается плот-
ность соприкосновения головки с лентой, магнитное поле выходит за
пределы рабочего зазора а, значительно увеличивая эффективную
ширину щели. Это приводит к ухудшению записи высокочастотных
составляющих сигнала. Следовательно, магнитный слой ленты дол-
жен быть тонким и очень гладким, так как только в этом случае
обеспечивается наилучший механический контакт с рабочей поверх-
ностью головки. Плотность прилегания ленты к плоскости головки
зависит также и от материала основы ленты. Ленты с гонкой эла-
стичной основой обеспечивают более плотное прилегание к рабочей
поверхности головки, чем ленты с толстой основой.
Качество магнитной записи ТВ сигналов в основном определяет-
ся мерами по уменьшению волновых потерь. Созданы ленты с топким
магнитным слоем, с хорошей однородностью магнитного порошка, с
гладкой поверхностью и с эластичной основой. Уменьшение щеле-
вых потерь достигается совершенствован нем 'технологии изготовле-
ния головок с узкими рабочими зазорами.
Важным параметром магнитной записи является частотная ха-
рактеристика узла лента-головка. Если па магнитную ленту записан
синусоидальный сигнал с круговой частотой сс, то в идеальной маг-
нитной системе при отсутствии искажений распределение магнитного
потока по оси ленты (координата .т)
Ф = Фо sin(cc/uj).T, (18.2)
где Фо — амплитуда магнитного потока; v3 — скорость перемещения
ленты относительно головки при записи.
При обратном преобразовании магнитного поля участков носи-
теля ЭДС, которая индуктируется в витках обмотки головки дви-
жущейся магнитной лентой, пропорциональна скорости изменения
потока wc/Ф/dt, где w — число витков обмотки головки.
Чтобы продифференцировать выражение (18.2), заменим пере-
менные: вместо изменения магнитного потока по координате х вве-
дем изменение сигнала по времени т.е. х = где v3 — скорость
перемещения ленты относительно головки при воспроизведении.
При v3 = vB (т.е. скорости записи и воспроизведения одинаковы)
б/Ф 7 ч г. \
Е = —w—~ — -Фощсэ coscji, (18.3)
dt
458
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.2. Частотная харак-
теристика ленты-головки
где Е — ЭДС, наводимая в обмотке головки.
Если скорость движения ленты относительно головки постоян-
на, то из (18.3) следует, что ЭДС меняется пропорционально часто-
те сигнала. При увеличении частоты сигнала в два раза, что со-
ответствует ее повышению на одну октаву, ЭДС также возрастает
в два раза (на 6 дБ).
На рис. 18.2 показана идеализированная частотная характери-
стика узла лента-головка (сплошная линия). Это наклонная пря-
мая с крутизной наклона 6 дБ на октаву. Очевидно, что даже при
такой идеализированной форме частотной характеристики возника-
ют искажения ТВ сигнала, которые необходимо корректировать в
электрических цепях записи и воспроизведения. Реальная частотная
характеристика узла лента-головка, показанная на рис. 18.2 штрихо-
вой линией, существенно отличается от идеальной на краях частот-
ного диапазона. В нижней части частотного диапазона искажения
обусловлены тем, что магнитный поток сигналограммы в области
длин волн, превышающих длину контакта рабочей поверхности го-
ловки с лентой, не замыкается полностью через сердечник головки.
Значительная его часть рассеивается или замыкается через одну по-
ловину сердечника, не пересекая обмотку. Чем больше длина волны
записи, тем больше сказываются эти потери.
При записи и воспроизведении сигнала высоких частот неравно-
мерность частотной характеристики ленты-головки обусловливает-
ся искажениями вследствие соизмеримости ширины щели головки и
длины волны записи. При очень малых длинах волн за время прохо-
ждения элемента ленты по всему участку магнитного поля записы-
вающей головки сигнал может измениться и даже переменить поляр-
ность. Обратная полярность сигнала приведет к некоторому размаг-
ничиванию элемента ленты и снижению эффективности записи высо-
кочастотных составляющих сигнала. При различных соотношениях
длины волны записываемого сигнала и рабочей ширины щели при
воспроизведении в магнитной головке меняется значение магнитно-
го потока, обусловленное изменением намагниченности носителя по
длине. Это вызовет резкую неравномерность частотной характери-
стики с максимумами и минимумами в области высоких частот.
Отношение частот /max//min телевизионного сигнала определя-
ет отношение Amax/Amin. Если на магнитной ленте записана сиг-
налограмма с длиной волны Апнп ~ 3 мкм, максимальная дли-
на волны записи при /тах = 6,5 МГц и fmin = 50 Гц составит
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
459
Атах = Amin(/max//min) = 3 • 10-6 • 6, 5 • 106/50 « 0,4 М, ЧТО при-
мерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки. Для
получения достаточного уровня оптимальным является тот сигнал,
длина волны которого не превышает длину рабочей поверхности го-
ловки. При определенных значениях низкочастотных составляющих
сигнала ЭДС воспроизводящей головки ниже уровня шумов Вш, по-
этому полезный сигнал практически полностью маскируется шума-
ми (см. рис. 18.2).
Профессиональные аудиомагнитофоны обеспечивают запись зву-
ковых сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, что составляет
10 октав. Телевизионный сигнал занимает полосу частот от 50 Гц до
6,5 МГц, что составляет 17 октав.
Оптимальные режимы записи для сигналов, отличающихся по
частоте в 10 раз, существенно различны. Осуществить эффектив-
ную запись сигналов в частотном диапазоне, занимающем 17 октав,
еще сложнее. Поэтому при записи видеосигнала необходимо умень-
шить отношение высшей частоты в спектре записываемого сигнала к
низшей, т.е. произвести относительное сжатие спектра. В этом слу-
чае условия записи и воспроизведения тем более благоприятны, чем
выше степень сжатия. Это объясняется двумя причинами: легче вы-
брать оптимальный режим намагничивания; при узкополосном сиг-
нале используется относительно меньшая часть АЧХ тракта, и, сле-
довательно, АЧХ тракта в пределах полосы пропускания оказывает-
ся более равномерной. При этом отношение сигнал/помеха должно
оставаться достаточно высоким во всем диапазоне частот.
Относительное сжатие частотного диапазона обеспечивается пе-
реносом (транспонированием) спектра записываемого ТВ сигнала в
более высокочастотную область. Очевидно, чем дальше вправо по
оси частот перенесен спектр сигнала, тем меньше разница между /тах
И /min) т.е. больше относительное сжатие. Однако при этом растет
требуемая максимальная частота сигнала записи.
Запись высоких частот представляет собой сложную техниче-
скую задачу, поэтому для упрощения и удешевления аппаратуры
спектр частот сигнала переносят вверх по оси частот примерно на
1 МГц, что обеспечивает относительное сжатие спектра записыва-
емого сигнала до трех октав.
Транспонировать спектр можно, используя модуляционный ме-
тод преобразования. В результате улучшаются условия воспроиз-
ведения нижних частот сигнала, сокращается относительный дина-
мический диапазон частот, повышается максимальное значение ча-
стоты записываемого сигнала.
Применять амплитудную модуляцию (AM) при записи телевизи-
онных сигналов нецелесообразно несмотря на то, что она позволяет
минимально расширить спектр частот (в 2 раза при передаче двух
боковых). При AM невозможно устранить паразитную амплитудную
модуляцию, возникающую из-за помех. Такими помехами являются:
460
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
непостоянство контакта лента-головка, неоднородность магнитного
слоя ленты, продольные колебания ленты и др. [78].
При использовании частотной модуляции (ЧМ) паразитная AM
устраняется глубоким ограничением ЧМ сигнала. Однако обычная
ЧМ приводит к значительному увеличению спектра частот выход-
ного сигнала. Если, например, использовать параметры ЧМ, при-
меняемые в радиовещании, спектр частот будет шире в 5... 10 раз.
Запись на магнитную ленту такого широкого спектра частот — тех-
нически сложно реализуемая задача.
При модуляции несущей гармоническим колебанием частотой Q
ЧМ колебание можно представить следующим выражением:
тт . / ъ \
и = U sm(a>o^ + -jy sin Ш),
где U — амплитуда несущей; cjq — круговая частота несущей; Ди —
девиация частоты; Q — модулирующая частота.
Одним из основных параметров ЧМ является индекс модуля-
ции М = — Af/F, где Д/ — девиация частоты; F — мо-
дулирующая частота.
Как известно, при увеличении М растет помехозащищенность
системы, поэтому в радиовещании выбирают М 1. В первом при-
ближении ширина спектра ЧМ сигнала ДРчм — 2Fmax(M + 1), где
Fmax — максимальная частота модулирующего сигнала. Следова-
тельно, выбор большого индекса модуляции М приводит к значи-
тельному расширению спектра частот. При модуляции сложным сиг-
налом, какими являются звуковой и ТВ сигналы, индекс модуляции
— величина переменная. В магнитной записи ТВ сигналов приня-
то использовать узкополосную ЧМ с индексом модуляции М < 1 и
низким отношением несущей частоты /о к высшей модулирующей ча-
стоте Fmax. При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается
от спектра AM сигнала и примерно равна удвоенной ширине спектра
модулирующего колебания. Низкое отношение fo/Fm&x выбирается
для уменьшения максимальной частоты спектра записываемого сиг-
нала. Несущая частота применительно к модуляции видеосигналом
— понятие, которое трудно определить. В магнитной видеозаписи
принято считать частоту ЧМ сигнала, соответствующую мгновенно-
му значению среднего уровня сигнала, несущей частотой /о-
Как видно из рис. 18.3,а, несущая частота /о незначительно выше
модулирующей частоты Fmax. При М — 0,1...0,2 спектр ЧМ сигнала
имеет вид рис. 18.3,6. В некоторых профессиональных устройствах
магнитной записи, где требуется высокое качество воспроизведения,
используются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых — ниж-
няя и частично подавленная верхняя боковая (рис. 18.3,в). Это при-
водит к дополнительным искажениям, которые считаются допусти-
мыми для данного класса устройств.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
461
/о—A/—Fmax
Рис. 18.3. Идеализированные спектры ТВ
ЧМ сигналов
/о /о+2Д/ /
в)
Черное Белое
Рис. 18.4. Преобра-
зование ТВ сигнала в
ЧМ сигнал и его запись
на магнитную ленту:
а — участок изображения по строке (черно-белый переход); б — осциллограмма
видеосигнала; в — осциллограмма ЧМ сигнала; г — результат действия магнит-
ного поля головки
и
Таким образом, используемая в магнитной видеозаписи частот-
ная модуляция отличается от обычных систем ЧМ двумя основны-
ми особенностями:
1) несущая частота незначительно превышает верхнюю модули-
рующую частоту;
2) индекс модуляции значительно меньше, чем в других систе-
мах с ЧМ.
Для обеспечения обмена программами частоты, соответствую-
щие определенным уровням ТВ сигнала, стандартизованы. Это нор-
мирование частоты ЧМ сигнала называется расстановкой частот.
Рассмотрим преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его за-
пись на магнитную ленту (рис. 18.4). Объект передачи (рис. 18.4,а),
состоящий из протяженных черного и белого участков, преобразу-
ется в ТВ сигнал ис. Далее сигналом ис модулируется генератор,
на выходе которого получается ЧМ сигнал ичм, который подается
на записывающие головки; Тч и Тб — периоды ЧМ колебаний, соот-
ветствующие передаче уровней черного и белого. В результате воз-
действия магнитного поля головки на ленту она намагничивается, и
остаточная намагниченность может быть представлена в виде эле-
ментарных магнитов, расположенных по длине ленты (рис. 18.4,г).
Магнитная индукция для черного и белого участков одинакова —
материал доведен до насыщения. Информация отразилась на ленте
в линейной плотности переходов (нулей) намагниченности [79].
462
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
18.2. Частотные модуляторы
и демодуляторы для магнитной записи
ТВ сигналов
Преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал осуществляется в ЧМ
генераторах. Магнитная запись сигналов диктует определенные тре-
бования к параметрам системы ЧМ. Это малые нелинейные искаже-
ния модуляционной характеристики (не более 1...2 %), исключение
прямого прохождения модулирующего сигнала в канал ЧМ, неболь-
шое значение паразитной амплитудной модуляции.
В современных устройствах записи используются два вида ча-
стотных модуляторов: гетеродинные и прямые.
Гетеродинный модулятор (модулятор с переносом спектра) ра-
ботает на высокой частоте (50... 100 МГц), которая в последующем
понижается другим генератором до требуемой частоты. Прямой мо-
дулятор (чаще мультивибратор) работает на той частоте, которая
записывается на ленту.
В профессиональных устройствах записи, где требуется высо-
кое качество изображения, используют гетеродинные модуляторы.
Структурная схема такого модулятора показана на рис. 18.5,а. На
усилитель подается полный ТВ сигнал, который на выходе развет-
вляется на два одинаковых канала, состоящих из двух высокочастот-
ных генераторов Г1 и Г2 со средними частотами 100 и 108 МГц соот-
ветственно. Восстановление постоянной составляющей ТВ сигнала
осуществляется с помощью схем ВПС1 и ВПС2. Далее ТВ сигнал
подается на варикапы Bi иВ2, емкость которых зависит от напряже-
ния. Эта емкость входит в колебательный контур генераторов Г1 и
Г2 и определяет генерируемую ими частоту. Варикапы управляются
противофазно. При увеличении напряжения на входах генераторов
частота одного генератора уменьшается, а другого — повышается.
Если входное напряжение равно 0, то частота выходного сигнала рав-
на разности частот Д — Д = 108 - 100 = 8 МГц.
Если крутизна модуляционной характеристики каждого генера-
тора равна 1 МГц/B, то при увеличении напряжения на 0,5 В выход-
ной разностный сигнал будет иметь частоту Д — Д = 108,5 — 99,5 =
— 9 МГц, а при уменьшении сигнала на 0,5 В Д — Д = 107,5 —100,5 =
= 7 МГц. Следовательно, при ивх = 1 В девиация частоты рав-
на ±1 МГц.
Так как девиация составляет 1,0 % несущей частоты, линей-
ность модуляционной характеристики достаточно высокая, Кроме
того, двойная противофазная модуляция двух генераторов позволя-
ет скомпенсировать нелинейные искажения, возникающие в каждом
генераторе (рис. 18.5,6).
Для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ сиг-
нал от каждого генератора поступает на амплитудные ограничители
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
463
Orpi, Огр2, затем на смеситель См, где выделяется разностная ча-
стота. Фильтр нижних частот и усилитель необходимы для оконча-
тельного формирования ЧМ сигнала.
В бытовых видеомагнитофонах частотные модуляторы чаще все-
го строят по схеме мультивибратора. Частота собственных колеба-
ний мультивибратора, как известно, зависит от постоянной времени
зарядно-разрядной цепи и от напряжения смещения. Если в качестве
смещения подать модулирующий сигнал, то мгновенная частота ко-
лебаний мультивибратора будет меняться в соответствии с размахом
сигнала. Из-за существенных недостатков (нелинейность модуляци-
онной характеристики и др.) ЧМ прямого типа не применяются в
профессиональных видеомагнитофонах.
При выборе метода детектирования ЧМ сигнала, воспроизведен-
ного с магнитной ленты, необходимо учитывать, что демодулятор
должен обеспечивать: линейную демодуляционную характеристику
в широкой полосе частот, возможность разделения спектра модули-
рующего и модулированного сигналов при модулирующих частотах,
близких к несущей. В настоящее время наиболее распространены де-
модуляторы — дискриминаторы в виде счетчика импульсов с удво-
ением частоты. Принцип действия такого дискриминатора заключа-
ется в выделении нулевых пересечений ЧМ сигнала и в определе-
нии частоты повторения этих пересечений. Структурная схема та-
кого демодулятора и графики, поясняющие его работу, показаны на
рис. 18.6. Сигнал ЧМ поступает на фильтр ПФ, ограничивающий по-
лосу частот сигнала Z/чм- Частотно-модулированное колебание по-
сле глубокого двустороннего симметричного ограничения в Огр, где
подавляется паразитная AM, примет вид Uorp. После дифференциру-
ющих цепей (ДЦ) в точках пересечения ЧМ сигнала с нулевой осью
формируются импульсы /7диф. В формирователе сигнала ФС из диф-
464
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.6. Де-
модулятор:
а —- структурная схе-
ма; б — графики,
поясняющие работу
ференцированных импульсов формируются однополярные сигналы с
удвоенной частотой С7фОрМ. Число импульсов, приходящих в едини-
цу времени, прямо пропорционально частоте ЧМ сигнала, поэтому,
выделив низкочастотную составляющую из этой последовательности
импульсов ФНЧ, полоса пропускания которого соответствует полосе
частот ТВ сигнала, на выходе получим исходный ТВ сигнал t/тв-
18.3. Методы магнитной записи
телевизионных сигналов
Общие сведения. Наиболее распространенным в настоящее
время является метод наклонно-строчной магнитной записи телеви-
зионных сигналов на магнитную ленту блоком вращающихся маг-
нитных головок, обеспечивающий высокую скорость перемещения
ленты относительно записывающей (воспроизводящей) головки. Ви-
деомагнитофоны — устройства, обеспечивающие запись телевизион-
ных сигналов на магнитную ленту и воспроизведение телевизионных
изображений, — могут строиться по различным схемам, в зависи-
мости от назначения. Современный видеомагнитофон представляет
собой сочетание сложного механического и электронного устройств.
В него входят: механизмы транспортировки ленты и вращения голо-
вок, которые работают одновременно и синхронно, что обеспечивает-
ся различными по принципу действия следящими системами; блоки
преобразования и обработки широкополосного видеосигнала, устрой-
ства различных видов коррекции и устранения влияния помех на
выходной сигнал.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
465
Техника магнитной записи обеспечивает запись-воспроизведение
сигналов с длиной волны Ainin = 1 мкм и менее. Для записи теле-
визионного сигнала с высшей частотой /тах = 6 МГц потребуется
скорость записи и3 = /max А = 6 м/с. Транспортировка магнитной
ленты с такой скоростью при продольном, как в аудиомагнитофоне,
расположении дорожек записи нецелесообразна из-за сложности ре-
ализации, нерационального использования площади пленки (низка
плотность записи) и большого расхода ленты.
Решающим шагом в развитии техники магнитной записи телеви-
зионных сигналов явилось создание аппаратуры, использующей ме-
тоды поперечно-строчной и наклонно-строчной записи. При этом и
запись, и воспроизведение осуществляются головками, которые рас-
полагаются на вращающемся диске. Следовательно, скорость пере-
мещения ленты-головки г>л_г определяется геометрической суммой
окружной линейной скорости вращения головки vr и скорости посту-
пательного движения ленты ул: т;л_г = vr + ЦдСозб, а колебания
относительной скорости Дг;л_г определяются как сумма двух соста-
вляющих колебаний скорости:
Ддл-г « Дг?г ± Ддл cos 0, (IS.4)
где 0 — угол наклона строчки записи, или угол между векторами
скорости vr и г>л.
Первоначально при'поперечно-строчной записи использовался
блок видеоголовок (БВГ) с четырьмя магнитными головками. В на-
стоящее время при повсеместном использовании принципа наклонно-
строчной записи БВГ могут содержать две, четыре, шесть (а в ци-
фровых видеомагнитофонах и большее число) вращающихся головок.
Название метода записи — «поперечно-строчный» или «наклонно-
строчный» — определяется расположением магнитных строчек на
ленте. Если строчки записи располагаются почти перпендикулярно
основанию ленты, запись называется поперечно-строчной, если же
строчки записи образуют с нижним краем ленты небольшой угол, за-
пись называется наклонно-строчной. Принцип поперечно-строчной и
наклонно-строчной записи показан на рис. 18.7.
В устройствах с поперечно-строчной записью (рис. 18.7,а) плос-
кость ленты 2 перпендикулярна вращающемуся диску 4 с четырьмя
головками 3. В том месте, где головки соприкасаются с поверхно-
стью ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей
камеры 1.
Соприкасаясь с лентой и передвигаясь в поперечном направле-
нии относительно нее, головка оставляет магнитный след в виде вер-
тикальной магнитной строчки. Так как лента движется в продоль-
ном направлении, то следующая головка приходит в контакт с ней
на некотором расстоянии от предыдущей магнитной строчки, образуя
таким образом последовательность магнитных строчек, расположен-
ных под углом 90°33' относительно края ленты.
466
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Аппаратура наклонно-строчной записи (рис. 18.7,6) с двумя вра-
щающимися головками содержит направляющий барабан 6, состоя-
щий из двух частей, между которыми вращается диск с головками 3.
Головки выступают над поверхностью барабана и записывают строч-
ки на ленте. Головки сдвинуты относительно друг друга на 180°.
Лента может охватывать барабан на угол 360° (а-петля, рис. 18.7,6)
и меньше 360° (fi-петля, рис. 18.7,в). В результате того, что диск с
головкой вращается в горизонтальной плоскости, а лента охватывает
направляющий барабан по спирали (лента входит в контакт с напра-
вляющим барабаном на одном уровне, а выходит на другом), сигнало-
грамма на магнитной ленте 5 записывается наклонно к краю ленты.
На магнитной ленте кроме сигналов изображения записывают-
ся еще и сигналы звукового сопровождения, сигналы управления
и режиссерских указаний. В видеомагнитофонах разных стандар-
тов эти сигналы записываются различными методами и в различ-
ных местах ленты.
Однозначно определить метод записи и расположения дорожек
на магнитной ленте позволяет формат записи, который регламен-
тирует упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек
и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
467
Описание формата и его параметров позволяет понять, каким обра-
зом производится запись или воспроизведение информации. Стан-
дартизация параметров записи обеспечивает взаимозаменяемость за-
писей, изготовленных различными фирмами, и делает возможным их
воспроизведение на различных видеомагнитофонах данного формата.
Это позволяет осуществлять обмен телевизионными программами.
За время развития магнитной видеозаписи было разработано
большое количество разнообразных аналоговых и цифровых фор-
матов [80]. Метод поперечно-строчной магнитной записи (формат
Q) устарел и в настоящее время практически не применяется из-за
сложности и громоздкости аппаратуры. Ему на смену пришли но-
вые наклонно-строчные форматы на ленте различной ширины (25,4;
19,01; 12,65; 8,0; 6,35 мм).
Принцип действия наклонно-строчной записи для одноголовоч-
ного видеомагнитофона с а-петлей иллюстрируется рис. 18.7,6 По-
верхность неподвижного барабана облегает по спирали равномерно
движущаяся магнитная лента шириной 25,4 мм. Смещение ленты по
образующей барабана не меньше ширины ленты. Во избежание чрез-
мерных поперечных усилий на ленту и для придания ей естественно-
го положения направляющий барабан несколько наклонен, а подаю-
щая и приемная бобины устанавливаю гея на разных высотах. Бара-
бан состоит из двух частей — верхней и нижней. В зазоре между ни-
ми расположен вращающийся диск с магнитной головкой. Двигатель
внутри барабана вращает выступающую над поверхностью барабана
магнитную головку с частотой 3000 об/мин (число оборотов связано
с числом полей) и прочерчивает на ленте прилегающие друг к другу
наклонные дорожки длиной около 400 мм под углом 3...5° относитель-
но края ленты. За один оборот диска с головкой на магнитной ленте
записывается один полукадр. При этом относительная скорость г>л_г
достигает 40 м/с, а скорость движения ленты около 40 см/с.
Звуковой и контрольный сигналы записываются на краях маг-
нитной ленты. Перекрытие дорожки ТВ сигнала дорожками звуко-
вого и контрольного сигналов не приводит к взаимным искажени-
ям, так как края ленты, где записываются звуковой и контрольный
сигналы, соответствуют месту записи кадрового гасящего импуль-
са, т.е. обратному ходу по кадрам. Проникновение же ТВ сигнала в
канал звука исключается из-за различной полосы частот этих сиг-
налов и различного углового расположения зазоров магнитных доро-
жек. Благодаря этим обстоятельствам взаимное влияние сигналов
значительно ослаблено.
Переход головки от одного края ленты к другому приводит к про-
валу в записи. При использовании одной головки неизбежно часть
информации, достигающая во времени 40...50 мкс, теряется. Что-
бы исключить искажения от этих явлений, время перехода головки
обычно совмещают с длительностью кадрового гасящего импульса.
468
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.8. Формат записи С (ширина ленты 25,4 мм)
При этом потерянные импульсы восстанавливаются с помощью спе-
циального регенератора.
Аналогичен принцип действия одноголовочного видеомагнито-
фона с Q-петлей (см. рис. 18.7,в): магнитная лента облегает барабан
по спирали на угол меньше 360°. Нижний край ленты, покидающий
барабан, располагается несколько ниже верхнего края ленты, посту-
пающей на него. Обычно угол охвата барабана лентой не превышает
350°. Это приводит к выпадению сигнала при переходе видеоголовки
с одного края ленты на другой. Углу 10° соответствует выпадение
примерно восьми строк (около 500 мкс). Восстановление потерянных
строк, приходящихся на первый гасящий импульс, осуществляется
аналогично описанному выше.
Видеомагнитофон наклонно-строчной записи с двумя вращаю-
щимися головками с Q-петлей устроен так же, как и одноголовоч-
ный, но на вращающемся диске размещаются две магнитные голов-
ки, а угол охвата барабана лентой составляет несколько больше 180°,
образуя неполный виток спирали.
На одной магнитной дорожке записывается одно ТВ поле, поэто-
му частота вращения диска с головками для стандарта 50 полей в
секунду должна быть 1500 об/мин. Так как угол охвата больше чем
180°, информация на смежных магнитных дорожках записывается с
взаимным перекрытием, а воспроизводится непрерывно, без потерь.
При записи по формату С применялся одноголовочный, или так
называемый «полутораголовочный» способ записи. Видеомагнито-
фоны, использующие формат С, записывали сигнал на ленту шири-
ной 25,4 мм. Применялись такие видеомагнитофоны, разработанные
фирмами Ашрех (США) и Sony (Япония), на телецентрах, в том чи-
сле и в России («Кадр-103»).
На рис. 18.8 изображен формат записи С одноголовочных и по-
лутораголовочных видеомагнитофонов. Магнитные дорожки 1 и 2
являются дорожками звукового канала; дорожка 3 — каналом упра-
вления (на ней записываются управляющие и монтажные импуль-
сы); дорожка 4 — дополнительная дорожка звукового канала, если
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
469
Рис. 18.9. Схема расположения голо-
вок на барабане (формат записи С):
1-6— головки; угол у = 30°; угол /3 — 120°
на ней не записываются сигналы кадровой синхронизации (показано
на рисунке), которые выпали из видеосигнала в результате перерыва
в записи. Одна вращающаяся видеоголовка записывает наклонную
строчку (угол 2° 33') длиной 411,5 мм, на которой размещается ак-
тивная часть поля и большая часть гасящего кадрового импульса.
Остальная часть кадрового гасящего импульса (10,5 ТВ строк) за-
писывается на коротких наклонных строчках второй вращающейся
головкой (синхроголовкой).
В одноголовочной системе записи часть видеосигнала (кадровые
синхронизирующие импульсы) пропадает, так как переход от верхне-
го края ленты к нижнему не происходит мгновенно, а требует опре-
деленного времени. Часть потерянного сигнала восстанавливается
электронным способом. Во время перехода головки от одного края
к другому генерируются кадровые синхронизирующие импульсы, ко-
торые замешиваются с сигналом, воспроизводимым с ленты.
Барабан диаметром 135 мм вращается с частотой 3000 об/мин.
На этом барабане располагаются шесть головок, из них одна — го-
ловка записи-воспроизведения и пять вспомогательных. На рис. 18.9
показана схема расположения головок на барабане в полутораголо-
вочном видеомагнитофоне: 1 — головка записи-воспроизведения ТВ
сигнала, 2 — головка записи-воспроизведения кадрового синхроим-
пульса. Если работа производится в режиме одноголовочного видео-
магнитофона, то этой головки может и не быть. Тогда на ленте вме-
сто кадровых синхронизирующих импульсов располагается дополни-
тельная звуковая дорожка. Головки 5 и 6 контрольного воспроиз-
ведения видеосигнала и синхросигнала позволяют мгновенно воспро-
изводить запись и контролировать качество изображения. Головки
3 и 4 — стирающие — обеспечивают стирание строчек записи ТВ
сигнала и синхросигнала в режиме монтажа.
Видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью имеют более
высокую плотность записи, чем с поперечно-строчной; кроме того,
они свободны от присущих четырехголовочным видеомагнитофонам
формата Q искажений, вызываемых сегментным способом записи и
коммутацией головок в активной части поля, что приводит к «поло-
470
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сатости» изображения из-за неидентичности характеристик враща-
ющихся магнитных головок.
Основной недостаток видеомагнитофонов формата С — большая
длина магнитной строчки наклонно-строчной записи. Такие видео-
магнитофоны чрезвычайно чувствительны к поперечным колебани-
ям ленты, неравномерности ее натяжения по ширине и значительной
деформации, вследствие трения о поверхность цилиндра. Неравно-
мерность движения ленты влияет на расстояние между магнитными
строчками записи. В результате понижается точность следования
головок по магнитным строчкам при воспроизведении, что приво-
дит к ухудшению отношения сигнал/помеха и к перекрестным ис-
кажениям сигнала. Для устранения этих недостатков применяют-
ся специальные меры.
Уменьшить перекрестные искажения между соседними магнит-
ными дорожками при существующих параметрах записи можно опре-
деленным расположением магнитных строчек. Как известно, пере-
крестные искажения ЧМ сигналов пропорциональны разности частот
полезного и мешающего сигналов. Чем меньше разность между ча-
стотами, тем меньше воздействие соседней мешающей строчки. Опти-
мально такое расположение двух смежных магнитных дорожек, при
котором синхронизирующие импульсы строк перпендикулярны оси
магнитной дорожки на одной линии (рис. 18.10,а). Это достигает-
ся выбором скорости движения магнитной ленты и соответствующим
подбором диаметра направляющего барабана, обеспечивающим по-
зиционное расположение записанных на магнитной ленте строчных
синхронизирующих импульсов по линиям, близким к перпендику-
лярным направлениям дорожек записи. При таком расположении
строчек на магнитной ленте сигналы, записанные рядом на соседних
дорожках, имеют большую корреляцию. Следовательно, разностная
частота между идентичными точками на соседних строчках мини-
мальна и мешающее действие помехи незначительно. Кроме этого,
частичный переход головки с данной магнитной дорожки на сосед-
нюю не приводит к сбою синхронизации. Этот метод получил на-
звание строчной или Н-корреляции.
Следующим мероприятием, позволяющим снизить взаимные по-
мехи от соседних магнитных дорожек, является использование специ-
альной системы автоматического слежения за положением головки
на записанной дорожке (автотрекинг). Для этого головка устана-
вливается на пьезокерамический элемент, на который подается сиг-
нал управления, перемещающий головку по ширине ленты в неко-
торых пределах.
Одним из основных преимуществ наклонно-строчной записи яв-
ляется возможность замедленного воспроизведения или остановки
кадра (стоп-кадр). Многократное воспроизведение одного и того же
поля, записанного на одной и той же магнитной дорожке, дает эф-
фект замедления или остановки темпа движения изображения. Это
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
471
б)
Рис. 18.10. Строчные импульсы на соседних дорожках:
а — оптимальное положение; б— пунктиром показана траектория движе-
ния магнитной строчки при неподвижной ленте (1 — дорожка записи звука;
2 — строчка записи ТВ сигнала; 3 — дорожка записи управляющего сигнала)
достигается замедлением движения или остановкой ленты при со-
хранении частоты вращения видеоголовок. Однако следует учиты-
вать, что при замедлении или остановке движения ленты угол на-
клона траектории движения головки по ленте несколько изменяется
и вследствие этого траектории, по которым движется головка по лен-
те, имеют несколько большую протяженность. На рис. 18.10,^сплош-
ными линиями показаны магнитные дорожки при движении ленты,
а штриховыми — траектория головки при остановленной ленте.
Длина магнитной дорожки может быть уменьшена записью на
ней не целого ТВ поля, а части его. Стремление сохранить преиму-
щества и устранить недостатки наклонно-строчной записи привело к
разработке промежуточного этапа записи — наклонно-строчной за-
писи части поля двумя головками. Такой метод получил название
сегментного. Это позволило при записи двумя головками уменьшить
длину магнитной дорожки и размеры диска с головками пропорцио-
нально числу сегментов. При этом следует увеличить число оборотов
диска также пропорционально числу сегментов.
В видеомагнитофонах с сегментной записью (формата В) угол
охвата лентой барабана с двумя вращающимися головками несколь-
ко больше 180°. Диск с двумя головками вращается с частотой 9000
об/мин. Метод увеличения частоты вращения диска с головками по
сравнению с аналогичным методом наклонно-строчной записи приво-
дит к уменьшению длины магнитной дорожки в шесть раз, а также к
разбивке телевизионного поля на шесть сегментов. Из этого следует,
что при стандарте 625 строк/50 полей на одной магнитной дорож-
ке записываются 52 телевизионные строки. Относительная скорость
перемещения лента-головка в сегментных видеомагнитофонах коле-
блется от 24 до 38 м/с, а скорость движения ленты — от 20 до 25 см/с.
472
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Направление движения ленты
0,8 0,95
Рис. 18.11. Формат записи В (ширина ленты 25,4 мм)
Магнитная дорожка имеет длину 60...85 мм и записывается под углом
14... 19° к базовому краю ленты, в зависимости от параметров записи
и ширины магнитного носителя. Сигналы звукового сопровождения
и управления записываются по краям ленты.
Видеомагнитофоны, использующие формат В (с сегментной за-
писью), разработаны фирмой Bosch. На диске располагаются две
универсальные головки записи-воспроизведения под углом 180° и две
стирающие головки, которые используются при электронном монта-
же программ. Формат В предусматривает запись двух дорожек с
звуковым сопровождением 1 и 3 (рис. 18.11). Дорожка 2 предусмо-
трена для записи сигналов управления и монтажных импульсов, а
дорожка 4 — для записи режиссерских указаний или временного ко-
да. На всей длине дорожки записи сигналов изображения 85,13 мм
размещается сигнал 56 телевизионных строк, т.е. имеется перекрытие
в записи около 4 строк (по номиналу должно быть 52 строки). Это
позволяет записать полное ТВ поле вместе с кадровым импульсом
и своевременно произвести переключение головок. Одна ТВ строка
размещается на 1,52 мм длины магнитной дорожки. Площадь лен-
ты, занимаемая одним полем, в данной системе равна 102,1 мм2. Не-
достатком сегментного метода записи является возможность появле-
ния полос на изображении, аналогично записи на четырехголовочном
видеомагнитофоне формата Q, из-за неидентичности характеристик
магнитных головок. Сегментные видеомагнитофоны не могут обеспе-
чить ускоренное или замедленное воспроизведение изображения или
режим «стоп-кадр» без использования блока памяти на один кадр.
Рассмотренные видеомагнитофоны аналоговых форматов запи-
сывали полный цветовой композитный сигнал. Видеомагнитофоны
форматов Betacam, Betacam SP (Superior Performance — повышенное
качество, рис. 18.12), которые до сих пор широко применяются в про-
фессиональном видеопроизводстве (на телецентрах, в видеостудиях),
используют для записи компонентный сигнал. В отличие от ком-
позитного сигнала, формируемого в совместимых системах цветного
телевидения SECAM, PAL, NTSC, компонентный сигнал имеет суще-
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
473
Рис. 18.12. Видеомагнитофон Betacam SP
ственное преимущество, заключающееся в отсутствии перекрестных
искажений цветность-яркость и яркость-цветность, так как сигналы
цветности и яркости передаются не в общей полосе частот, а раз-
дельно. Композитный сигнал подвержен значительным перекрест-
ным искажениям сигналов.
В видеомагнитофонах форматов Betacam, Betacam SP яркостный
и цветоразностные сигналы записываются раздельно, двумя головка-
ми на двух магнитных дорожках (рис. 18.13,а). По краям ленты свер-
ху записываются дорожки звукового сопровождения 1, 2. а внизу —
дорожки управления 4 и временного кода 5. В средней части лен-
ты наклонными магнитными дорожками записываются яркостный и
цветоразностные сигналы. Ширина видеодорожек равна 0,08 мм, по
длине записывается одно поле ТВ изображения. Две продольные зву-
ковые дорожки имеют ширину 0,6 мм. Нижние продольные дорож-
ки — одна управления шириной 0,4 мм, другая — дорожка времен-
ного кода шириной 0,5 мм, используются для монтажа ТВ программ.
Магнитная лента размещается в кассете, ширина ленты 12,7 мм. Ско-
рость движения ленты 10.15 см/с. Расположение видео и стирающих
головок на барабане видеомагнитофона показано па рис 18.13,6". Как
видно из рисунка, головки записи смещены на угол 6,76°.
Цветоразностные сигналы записываются па магнитную ленту
последовательно, с временным уплотнением. Принцип временного
уплотнения цветоразностных сигналов показан на рис. 18.14. Для
примера взят сигнал генератора цветных полос. Как видно из ри-
сунка, яркостный сигнал занимает полный период строчной разверт-
ки ТСТр, а цветоразностные сигналы Ец-у и Ев-у — по половине
периода строчной развертки. Для пояснения процесса записи и вос-
произведения компонентного сигнала обратимся к рис. 18.15,а и б.
На этом рисунке показано положение сигнала яркости Еу и цвето-
разностных Ев-у, Ев-у сигналов до уплотнения и цветоразност-
ных сигналов после задержки на длительность одной строки и вре-
менного уплотнения в процессе записи. Для записи цветоразност-
ных сигналов с временным уплотнением необходимо эти сигналы,
474
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
1
2
4
5
Видеодорожки сигнала
яркости
Видеодорожки сигналов
цветности
Направление движения
ленты
а?
Рис. 18.14. Временное уплот-
нение R - Y, В - У (сигнал
генератора цветных полос)
Рис. 18.13. Формат записи системы Betacam (а) и расположение головок на
барабане (6)
как показано на рис. 18.15,а, задержать на длительность строки,
а затем провести уплотнение их во времени. При воспроизведении
(рис. 18.15,6) необходимо еще раз задержать на длительность стро-
ки цветоразностные сигналы, чтобы затем можно было совместить
их по времени с яркостным сигналом. Следовательно, общее время
['ЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
475
Яркостный
сигнал Y
на входе
7 с т р Угр Тетр
} п 1 7 п+2
Цветоразностный
сигнал (R. — Y) на входе 1 (Н-У)п (В-У),1+1 (в-У)п+2 |
Сигналы
(В-У) И (В-У) (Д-У)п_! (B-y)n_! (Д-У)„ (В-У)п (Д-У)„+1 (В-У)„+1
после уплотнения Цветоразностный сигнал (В — Y)
(В-У)„ (в - У)п+1 | (В - У)п+2 |
Яркостный
сигнал Y
а)
СТР -*стр ^стр
Yn Уп+1 Кг 4-2
Восстановленный
сигнал (R — Y)
Уплотненные
цветоразностные
сигналы
Восстановленный
сигнал (В — У)
на входе
(Д —У)п J (Д-У)п+1 | (Д-У)п+2
(Д-У),,-! (В-У)п-! (R-Y)n | (В-У)„ (Д-У)„+1 (В-У)п+1|
| (В-У)п (в-У)п+1 (В-Пп+2
б)
Аус
яркостного
сигнала
— Уровень синхроимпульсов 6,8 МГц
— Уровень гасящих импульсов 7,4 МГц
— Максимальный уровень белого 8,8 МГц
2,0 МГц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 /, МГц
АуС
сигнала
цветности
(R-Y,B-Y)
— Максимум позитивного сигнала 5,6 МГц
— Уровень гасящих импульсов 6,1 МГц
— Минимум негативного сигнала 6,6 МГц
— Уровень синхросигнала 7,3 МГц
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 /, МГц
в)
Рис. 18.15. Временные диаграммы компонентной записи (а) и временные
диаграммы при воспроизведении компонентных сигналов (5); частотная ха-
рактеристика формата Betacam SP (в)
476
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
задержки цветоразностных сигналов относительно сигнала яркости
составит длительность двух строк. Для компенсации времени за-
держки необходимо использовать линию задержки в канале Y на две
строки, которая обеспечивает достаточно высокую (±10 нс) точность
временного положения сигналов яркости и цветности после уплот-
нения и восстановления.
Раздельная запись сигналов яркости и цветности и временное
уплотнение цветоразностных сигналов полностью устраняют пере-
крестные искажения между сигналами и позволяют обеспечить по-
лосу частот каждого из цветоразностных сигналов 1,5 МГц (в не-
которых образцах и больше) — в два раза шире, чем в бытовой
видеозаписи.
На рис. 18.15,6 для примера показаны частотные характеристи-
ки видеомагнитофона формата Betacam SP-2000 PRO. Видеомагни-
тофон записывает и воспроизводит сигнал яркости в полосе частот
5,5 МГц, а цветоразностные сигналы — в полосе 1,5 МГц. В отличие
от базовой модели Betacam видеомагнитофоны формата Betacam-SP
характерны тем, что в базовом Betacam девиация частоты составляет
4,4 МГц для вершины синхроимпульсов и 6,4 МГц для пика белого,
а для Betacam-SP, от 5,7 до 7,7 МГц соответственно, а в последних
моделях — от 6,8 до 8,8 МГц. Ширина дорожек на видеоленте оста-
лась неизменной. Частотные диапазоны видеосигналов для улучше-
ния качества записи и воспроизведения увеличены, но не настолько,
чтобы исключить возможность совместимости. Форматы Betacam и
Betacam-SP совместимы «вниз», т.е. видеомагнитофоны Betacam-SP
могут читать и воспроизводить видеокассеты формата Betacam.
На рис. 18.16,а изображена укрупненная структурная схема уз-
ла обработки и записи видеомагнитофона системы Betacam, пояс-
няющая принцип его работы. На вход видеомагнитофона от датчи-
ка сигналов цветного телевидения подаются сигналы яркости Еу,
два цветоразностных сигнала Er-y, Ев-y и сигналы синхрониза-
ции. Сигналы Er_y и Ев-у поступают в устройство временного
уплотнения 1. В этом устройстве каждый сигнал записывается в
блоке оперативной памяти за 64 мкс. Во время следующих 64 мкс
сигнал, записанный в блоке памяти, считывается с удвоенной скоро-
стью. Через смеситель 2 эти сигналы поступают на модулятор 3 и
усилитель записи 4 и на видеоголовки 5. Сигнал яркости поступает
на смеситель 6, куда вводятся сигналы синхронизации от синхроге-
нератора 7. Далее яркостный сигнал после модуляции в модуляторе
8 поступает на усилители записи 9 и видеоголовки 10.
Укрупненная структурная схема воспроизводящего узла систе-
мы Betacam показана на рис. 18.16,5. С двух видеоголовок, воспро-
изводящих сигналы яркости, и двух головок, воспроизводящих цвето-
разностные сигналы 1 подаются на соответствующие усилители вос-
произведения 2, а потом на демодуляторы 3. После демодуляции
сигналы поступают на селекторы сигналов 4 и генераторы тактовых
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
477
б)
Рис. 18.16. Укрупненная схема узла обработки и записи системы Betacam
(а) и укрупненная схема воспроизводящего узла системы Betacam (6)
импульсов 5, а затем на устройство 6, где они фазируются, а сигна-
лы цветности расширяются во времени в 2 раза и подаются на выход
компонентных сигналов Е'у, Е&_у и Е#_у. Для получения компо-
зитного сигнала цветоразностные сигналы Ед_у и Ев-у подаются на
кодирующее устройство 8 и смешиваются с сигналом яркости в сме-
сителе 7. Для синхронизации с внешним источником контрольный
видеосигнал поступает на синхрогенератор Р, который вырабатывает
необходимые импульсы для синхронной работы видеомагнитофона.
Широко распространена аппаратура видеожурналистики (ВЖ),
представляющая собой моноблок, где конструктивно объединены
портативная телевизионная камера и кассетный видеомагнитофон с
автономным электропитанием. Такие моноблочные комплексы назы-
ваются видеокамерами, а в иностранной литературе — камкордера-
ми. Они позволяют вести съемку одному оператору, оперативно пере-
мещаясь, не ограничивая себя длиной кабеля, соединяющего телеви-
зионную камеру с аппаратурой. Иногда портативный видеомагнито-
фон вынесен в отдельный блок. Тогда он соединен с камерой кабелем.
В настоящее время разработано большое число различных кам-
кордеров, выпускаемых множеством фирм. Разработчики видеообо-
рудования создают мобильные видеосистемы, в которые кроме видео-
камеры входят также записывающие и воспроизводящие видеомагни-
тофоны, пульты электронного монтажа видеофонограмм и адаптеры
для совместимой работы видеокамер с существующим оборудованием
видеостудии или телецентра, использующего другие форматы запи-
478
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
си. Мобильные видеосистемы и широкая номенклатура видеокамер
существенно расширяют технологические возможности использова-
ния оборудования различных форматов видеозаписи для видеожур-
налистики, а также для подготовки репортажей, студийных и вне-
студийных ТВ передач.
18.4. Обработка воспроизводимых сигналов
Общие сведения. Полный ТВ сигнал в процессе его формиро-
вания каналом изображения видеомагнитофона подвергается допол-
нительной коррекции. Это объясняется тем, что при записи и вос-
произведении ТВ сигнал в значительной мере искажается. В профес-
сиональных видеомагнитофонах, предназначенных для ТВ вещания,
необходимо добиться идентичности параметров входных и выходных
сигналов. Качество ТВ и аудиосигналов, воспроизводимых видеомаг-
нитофоном, не должно отличаться от студийного сигнала, форми-
руемого оборудованием прямого эфира. В бытовых и репортажных
видеокамерах и видеомагнитофонах требования к качеству сигналов
менее жесткие и определяются их назначением и стоимостью.
Основные искажения, которые необходимо корректировать для
формирования полного ТВ сигнала, пригодного для вещания, это ис-
кажения временного масштаба, выпадение сигнала, искажения син-
хронизирующих и гасящих импульсов. Искажения корректируются в
специальных устройствах, которые выделяются в систему обработки
воспроизводимого сигнала. В профессиональных видеомагнитофонах
система обработки сигнала составляет значительную часть всех его
электронных устройств, в которых широко используется цифровая
техника, позволяющая эффективнее корректировать сигнал и обес-
печивать более надежные условия эксплуатации.
Структурная схема обработки сигналов показана иа рис. 18.17.
Телевизионный сигнал поступает в компенсатор выпадения (КВ). В
нем воспроизводятся сигналы, пропущенные из-за дефекта ленты.
Для определения точного местоположения пропущенного сигнала на
КВ поступает управляющий и воспроизведенный- ЧМ сигналы. Кор-
ректор временных искажений (КВИ) содержит управляемую линию
задержки, изменением времени задержки которой осуществляется
коррекция временных искажений ТВ сигнала. Управляются линии
задержки опорными синхронизирующими импульсами.
Вход ЧМ сигнала
Рис. 18.17. Струк-
турная схема устрой-
ства обработки сигна-
ла видеомагнитофона
сигнала
ССИ
о--
Вход управляющего
Е
Полный
ТВ сигнал
сиТТги
JbpI
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
479
Информация о величине временных искажений получается с по-
мощью фазового детектора, в котором сравниваются по фазе строч-
ные импульсы, выделенные из воспроизведенного сигнала, с опорным
сигналом (ССИ). Скорректированный во времени телевизионный сиг-
нал поступает на сумматор Е, где формируется полный ТВ сигнал.
На сумматор Е из блока регенерации (БР) поступают гасящие и син-
хронизирующие импульсы. В БР регенерируются новые неискажен-
ные импульсы гашения и синхронизации и тем самым исключается
воздействие импульсных и флуктуационных помех на качество син-
хронизации. Эти помехи могут возникнуть в процессе переключения
головок, демодуляции, коррекции временных искажений и др. Для
формирования новых импульсов в БР поступают воспроизведенные
гасящие и синхронизирующие импульсы и опорные импульсы.
Компенсатор выпадений. В магнитной записи выпадениями
ТВ сигналов называют значительное уменьшение уровня или пропа-
дание воспроизводимого ЧМ сигнала. Выпадения ТВ сигнала обычно
возникают из-за дефектов магнитного покрытия ленты или в резуль-
тате нарушения контакта ленты-головки, а также из-за паразитной
амплитудной модуляции ЧМ сигнала. Посторонние вклю’К’ния в маг-
нитный слой ленты, осыпания или отслаивания небольших участков
магнитного слоя, царапины и вмятины приводят к резкому умень-
шению уровня воспроизводимого ЧМ сигнала. Он становится со-
измеримым с уровнем шумов, вследствие этого выпадения заметны
на экранах телевизоров. Можно разделить выпадения на случай-
ные и синхронные. Первые возникало'!' хаотически, они небольшой
длительности; вторые — периодические и вызываются продольны-
ми царапинами ленты.
Выпадения сигнала визуально наблюдаются в виде черных или
белых точек и штрихов различной длительности, появляющихся на
экране. Синхронные выпадения наиболее заметны, поэтому более
неприятны, так как они неподвижны относительно изображения, т.е.
возникают в одном и том же месте экрана. На цветных изображе-
ниях действие помехи, вызванное выпадением, значительно замет-
нее, так как эти участки изображения окрашиваются в произволь-
ный цвет. Незначительные выпадения сигналов, обусловленные де-
фектами или нарушением магнитного слоя ленты, могут быть скор-
ректированы. Для этого все видеомагнитофоны снабжаются ком-
пенсаторами выпадения сигнала.
Принцип действия компенсатора выпадений заключается в за-
мещении информации выпавшей строки ТВ сигналом предыдущей
строки. Из-за того, что между соседними строками ТВ изображе-
ния в преобладающем большинстве случаев имеется большая корре-
ляция, замена одной строки соседней не приводит к заметным для
зрителя искажениям.
Существует несколько методов компенсации выпадений сигна-
лов, отличающихся как по формированию замещающего сигнала, так
480
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Нечетное поле
ER-YEB-Y^R-Y Е B-Y R-Y
0° 0° 180° 0° . 0° t
Четное поле
Е R— Y Е в - Y Er- y Е B-Y Е R-Y
180° 180° 0° 180° 180° t
б)
Рис. 18.18. Компенсатор выпадения ТВ сигнала:
а — структурная схема; 6— чередование цветных сигналов и фазы поднесущей
в системе SECAM
и по методу управления. Любой компенсатор выпадений сигнала
должен обеспечить выполнение следующих задач: точное определе-
ние момента начала и конца участка ленты, где произошло выпаде-
ние сигнала; коммутацию прямого сигнала на замещающий и наобо-
рот; формирование замещающего сигнала; обеспечение идентичности
фазы поднесущей сигнала цветности замещающего и прямого сигна-
лов. В компенсаторах выпадений сигнала должно быть устройство
задержки на строку, которое обеспечивает замещение искаженной
строки предыдущей, неискаженной. Один из вариантов структурной
схемы компенсатора выпадений показан на рис. 18.18,а.
Отличительными особенностями данного компенсатора являют-
ся использование ультразвуковых линий задержки и раздельная за-
держка сигналов яркости и цветности. На электронный коммутатор
4 поступает воспроизводимый ТВ сигнал. Если нет выпадения, то
сигнал проходит через коммутатор и поступает на выход компенса-
тора. На другой вход поступает замещающий сигнал, который через
электронный коммутатор пройдет на выход только в момент выпа-
дения сигнала. Наличие выпадения определяется следующим обра-
зом: на вход амплитудного ограничителя 1 подается воспроизводи-
мый ЧМ сигнал. Если уровень воспроизводимого ЧМ сигнала падает
ниже заданного уровня ограничения, то на выходе амплитудного де-
тектора 2 появляется сигнал, который через цепи формирования 3
переключает коммутатор 4 на вход замещающего сигнала. Так как в
компенсаторе производится раздельная задержка сигналов яркости
и цветности, замещающий сигнал формируется двумя цепями. На
повышающий конвертор 8 поступает яркостный сигнал, который с
помощью гетеродина 9 переносится в область рабочих частот линии
задержки (ЛЗ) на 64 мкс 7. Частота гетеродина выбирается око-
ло середины верхнего склона полосы пропускания линии задержки.
Линия задержки пропускает часть нижней боковой полосы спектра
сигнала яркости Еу. После понижающего частотного преобразова-
ния в блоке6 яркостный сигнал поступает на сумматор 5.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
481
Рассмотрим компенсацию выпадений в канале цветности
SECAM. Сигнал цветности Ец обычно формируется двумя последо-
вательно включенными ЛЗ по 64 мкс каждая или одной 12 на 128
мкс. Задержка сигналов цветности на длительность двух строк в си-
стеме SECAM необходима, так как только в этом случае формируют-
ся идентичные цветоразностные сигналы. Однако фаза поднесущей
сигнала цветности может отличаться на 180° в результате принято-
го в системе SECAM трехстрочного чередования фазы поднесущей
(рис. 18.18,5). Фазовые скачки поднесущей в момент компенсации
выпадений могут привести к заметным искажениям. Чтобы фазы
поднесущих в прямом и замещающем сигналах сделать одинаковыми,
применяют коммутируемый фазовращатель 10. Фазовое соотношение
между поднесущей прямого и задержанного сигналов определяется
фазовым детектором 11. При совпадении фазы фазовращатель 10
включается в положение 0°, а при расхождении — в положение 180°.
Сигнал цветности, задержанный на длительность двух строк и
скорректированный по фазе, поступает на сумматор 5, где образуется
замещающий полный ТВ сигнал.
Из структурной схемы видно, что замещающий сигнал может
циркулировать некоторое время с выхода на вход компенсатора, бла-
годаря чему могут быть скомпенсированы выпадения длительностью
более одной строки.
Принцип действия компенсаторов выпадения для систем цветно-
го телевидения NTSC и PAL идентичен описанному, за исключением
особенностей формирования замещающего сигнала цветности.
Прецизионное изготовление узлов видеомагнитофона и точность
механических регулировок позволяет уменьшить временные искаже-
ния. Однако в процессе эксплуатации меняются условия работы
(температура, влажность и др.), и первоначальные регулировки мо-
гут быть нарушены.
Для коррекции геометрических и других видов временных ис-
кажений, вызванных, например, качанием двигателя головок, ши-
роко применяются электронные методы коррекции. Они основаны
на принципе изменения задержки воспроизводимого сигнала таким
образом, чтобы исключить временные смещения сигнала относитель-
но опорного, т.е. время задержки должно оперативно меняться по
закону, обратному временным искажениям. Рис. 18.19 иллюстриру-
ет формирование задержки видеосигнала. Величина регулируемой
задержки при этом определяется управляющим напряжением. Сле-
довательно, процесс коррекции должен состоять из двух основных
операций: определения необходимого времени задержки и организа-
ции задержки на требуемое время. Устройства, в которых реализу-
ются эти функции, могут строиться по принципу разомкнутой петли
управления или обратной связи. Каждая из этих систем коррекции
имеет свои недостатки и достоинства. Временные искажения опреде-
ляются при сравнении фаз положения воспроизводимых и опорных
31
482
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.19. Регулиру-
емая линия задержки
Рис. 18.20. Структурная схема регенерации гасящих и синхронизирующих
им пул ьсов
сигналов в детекторах ошибок, вырабатывающих напряжения, зна-
чение и знак которых пропорциональны временной ошибке.
Электронные корректоры временных искажений могут коррек-
тировать сигнал с большой точностью. Например, при коррекции
фазы поднесущей в системе NTSC, где на детектор ошибки подаются
поднесущие (опорная и воспроизведенная), точность коррекции по-
ложения поднесущей может быть доведена до 5 нс [81].
Регенерация сигналов гашения и синхронизации. В не-
которых случаях требуется замена искаженных синхронизирующих
и гасящих импульсов, воспроизводимых с ленты, на новые, соответ-
ствующие параметрам ТВ вещания. Укрупненная структурная схе-
ма регенерации гасящих и синхронизирующих импульсов показана
на рис. 18.20.
Телевизионный сигнал после системы коррекции временных ис-
кажений поступает на управляемую схему восстановления постоян-
ной составляющей импульсов (ВПС) и на селектор опорных сигналов
(СОС). С выхода ВПС сигнал поступает на систему разделения сиг-
налов яркости Еу и цветности Ец, состоящую из ФНЧ, фазирующей
линии задержки ЛЗ и вычитающего устройства ВУ. В ФНЧ полный
ТВ сигнал ограничивается по полосе частот, и на выходе получается
яркостный сигнал Еу, который затем поступает на ВУ. На него же
подается полный ТВ сигнал, прошедший через фазирующую цепь,
которая выравнивает задержки сигналов, поступающих на устрой-
ство вычитания для более полного подавления низкочастотных со-
ставляющих в сигнале цветности. Сигнал Е^ получается в резуль-
тате вычитания из полного ТВ сигнала яркостного сигнала. Разде-
ление полного сигнала на составляющие можно получить и другими
методами, однако предпочтение отдают устройству, описанному вы-
ше, так как вычитание сигналов обеспечивает минимальные фазовые
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
483
искажения, которые проявляются при суммировании этих сигналов.
Далее яркостный сигнал поступает на сумматор Ei, где он суммиру-
ется с регенерированными гасящими импульсами, поступающими от
формирователя гасящих импульсов (ФГИ).
Если непосредственно сложить гасящие импульсы с полным ТВ
сигналом, то при ограничении по уровням черного и белого переда-
ваемая поднесущая будет подавлена и возникнут значительные иска-
жения пурпурного, красного и синего цветов сигналов SECAM вслед-
ствие того, что части уровней перечисленных сигналов располагают-
ся выше уровня белого, а части — ниже уровня черного. Поэтому
сигналы яркости и цветности разделяются, а обрабатываются толь-
ко сигналы яркости.
Имеющиеся в яркостном сигнале помехи ограничиваются по нор-
мированным уровням белого и черного в ограничителе Огр, с по-
мощью которого удается устранить помехи ниже уровня черного и
выше уровня белого.
Сигнал цветности обрабатывается в блоке антисовпадения
(БАС): подавляются остатки синхроимпульсов и высокочастотных
компонентов помех, которые попадают в полосу пропускания канала
цветности и искажают форму регенерируемых импульсов. Блок ан-
тисовпадения отключает канал цветности во время поступления на
один вход стробирующего импульса, а на другой - сигнала цветно-
сти. Этот импульс вырабатывается в СОС.
Стробирующий импульс представляет собой последовательность
строчных импульсов, совпадающих по фазе со строчными гасящими
импульсами и имеющих длительность 7 мкс. Следовательно, пода-
вляется помеха от начала гасящего импульса до момента появления
импульса вспышки цветовой поднесущей, расположенной на задней
площадке строчного гасящего импульса.
Обработанные сигналы яркости Еу и цветности Ец суммируются
в сумматоре Е-2. В сумматоре Е3 в сигнал замешиваются регенери-
рованные в Рг строчные синхронизирующие импульсы. После соот-
ветствующего усиления на выходе усилителя (У) получается полный
ТВ сигнал. Регенераторы гасящих и синхронизирующих импульсов
управляются импульсами, выделенными из воспроизводимого сиг-
нала. Предусмотрен режим их работы от внешних источников, от
синхрогенератора телецентра.
Несовершенство отдельных звеньев ТВ канала и помехи, воз-
никающие при записи и воспроизведении, могут вызвать искажения
воспроизводимого сигнала, которые снижают четкость изображения,
нарушают цветопередачу, приводят к появлению цветных окантовок
и муаров. Эти искажения возникают в результате неравномерной
АЧХ канала записи и воспроизведения в пределах полосы пропус-
кания. Нелинейность амплитудной характеристики, низкая несущая
частота ЧМ приводят к перекрытию спектров ЧМ и ТВ сигналов и
484
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
невозможности их полного разделения. Эти так называемые комби-
национные искажения проявляются как помеха при записи цветных
сигналов, для которых характерно наличие спектральных составля-
ющих большой амплитуды на частотах, близких к граничной частоте
телевизионного сигнала (сигнал цветности). Эти искажения коррек-
тируются специальными корректорами линейных и нелинейных ис-
кажений. Для уменьшения комбинационных искажений ЧМ сигнал
цветного телевидения записывают с двумя боковыми.
Показатели качества существующих в настоящее время видео-
магнитофонов удовлетворяют современным требованиям. Это дости-
гается внедрением в аппаратуру записи новейших достижений науки
и техники, использованием цифровой техники в устройствах коррек-
ции искажений и др.
Цифровой корректор временных искажений. Быстрое раз-
витие цифрового телевидения позволяет использовать в магнитной
записи аналоговых ТВ сигналов цифровые корректоры временных
искажений. Эти корректоры выполняются на основе больших инте-
гральных схем, занимают малый объем, работают в бесподстроечном
режиме, обеспечивают более высокую точность и надежность.
Принцип действия цифрового корректора временных искажений
основан на том, что в запоминающее устройство вводится цифро-
вой ТВ сигнал с помощью тактовых импульсов, синхронизирован-
ных воспроизводимыми сигналами, а выводится сигнал из запомина-
ющего устройства с тактовыми импульсами, синхронизированными
внешним опорным генератором. Таким образом устраняются вре-
менные искажения.
Рассмотрим для примера структурную схему одного из вариан-
тов цифрового корректора временных искажений (рис. 18.21). Теле-
визионный сигнал после воспроизведения поступает на АЦП, в кото-
ром фиксируется уровень и сигнал преобразуется в параллельный
код, позволяющий передавать 256 градаций яркости. Управление
АЦП осуществляется тактовыми импульсами с частотой дискрети-
зации /д, которые получаются из выделенных блоком БСИ синхро-
импульсов входного сигнала в формирователе тактовых импульсов
ФТИ. Эти импульсы содержат временные ошибки входного сигнала.
Как известно, частота дискретизации в цветном телевидении вы-
бирается равной третьей или четвертой гармонике цветовой поднесу-
щей. С выхода АЦП цифровой сигнал поступает на демультиплек-
сор (ДмП) 8/24, назначение которого — преобразование исходного
8-битового сигнала в 24-битовый с частотой следования /д/3 по 24
отдельным каналам для согласования скорости передачи цифрового
потока с быстродействием используемых запоминающих устройств.
Далее сигнал подается на точный корректор временных искажений
(ТКВИ) по 24 каналам. В ТКВИ корректируются ошибки в пре-
делах сигнала частоты /д/3. Корректор состоит из 24 триггеров,
на одни входы которых подается цифровой поток, полученный из
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
485
Вход
о—♦—
АЦП
ДмП 8/24
ТКВИ
Мп 24/8
БСИ
—< /д/3
•| ФТИ |
I Onopi
БФА
———«частота
/д
ЦАП
Строчные импульсы
Импульсы А
выпадения ”
~ )ная
□частота /д/3
Опорные
строчные |~q-~
импульсы I____
Опорный?
сигнал I
Синхро-
сигнал у
БОС
Выход
Рис. 18.21. Структурная схема цифрового корректора временных
искажений
воспроизводимого сигнала, а на другой вход — опорная поднесу-
щая частоты /д/3. Следовательно, на выходе точного корректора
получается цифровой сигнал, синхронный с опорной поднесущей. В
результате такой коррекции временная ошибка равна целому числу
периодов опорной поднесущей. Далее цифровой поток поступает в
блок памяти (БП) с объемом, необходимым для коррекции в тре-
буемом временном диапазоне. Если время коррекции перекрывает
временной диапазон 32 мкс, то объем БП должен соответствовать од-
ной ТВ строке. Блок памяти состоит из запоминающих устройств,
которые осуществляют произвольную выборку и одновременную за-
пись и считывание сигнала.
Временные ошибки в БП корректируются следующим образом.
Цифровой сигнал записывается в БП с помощью импульсов опорной
поднесущей /д/3, считывается с помощью тех же импульсов, но спу-
стя некоторое время, которое определяется взаимным расположени-
ем воспроизводимых и опорных строчных импульсов, т.е. временной
ошибкой. Блоком памяти управляет блок формирования адресов за-
писи и считывания (БФА). Как было показано, ошибка, корректи-
руемая в БП, кратна целому числу периодов опорной поднесущей
частоты /д/3. Для ее выделения достаточно определить число пери-
одов опорной поднесущей, которая размещается между воспроизво-
димыми и опорными строчными импульсами. С БФА кодированные
адреса поступают в БП.
В данном устройстве цифровой корректор временных искажений
совмещен с цифровым компенсатором выпадения сигнала, поэтому
после коррекции временных искажений цифровой сигнал поступает
на компенсатор выпадений, в котором выпавшая строка замещается
сигналом предшествующих строк. В отличие от аналогового компен-
сатора выпадения строк, где используются линии задержки, в ци-
фровых компенсаторах для задержки сигнала на время двух строк
применяются регистры сдвига (PC), которые управляются импуль-
сами опорной частоты /д/3. Задержанный и прямой каналы пере-
ключаются импульсами выпадений, выделенными из воспроизводи-
мого ЧМ сигнала.
486
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
После цифрового компенсатора выпадения сигнал поступает на
мультиплексор (МП) 24/8, в которОхМ он преобразуется в 8-разрядный
параллельный код. Далее для получения исходного аналогового сиг-
нала цифровой поток поступает в ЦАП. Восстановленный аналого-
вый сигнал подается на блок обработки сигнала (БОС), в котором
формируется полный телевизионный сигнал требуемой формы. Для
этого от синхрогенератора (СГ) поступают регенерированные гася-
щие и синхронизирующие импульсы стандартной формы.
18.5. Системы автоматического
регулирования (САР) в видеомагнитофонах
Видеомагнитофон имеет в своем составе несколько систем ав-
томатического регулирования, которые в основном определяют ка-
чество воспроизводимого изображения. Записанный на магнитную
ленту сигнал только тогда может быть воспроизведен без искаже-
ний, когда воспроизводящая головка перемещается точно по тем же
элементам ленты, по которым перемещалась записывающая головка.
При этом относительная скорость головка-лента на каждом участке
ленты при воспроизведении должна быть точно такой же, как и при
записи. Эти требования являются общими для любого вида записи.
К магнитной записи сигналов изображения добавляются дополни-
тельные требования: при записи соответствующие участки ТВ сиг-
нала должны попадать на определенные участки ленты; воспроизво-
димый с ленты ТВ сигнал должен быть синхронен с другими (внеш-
ними) источниками ТВ сигнала. Это последнее требование особенно
важно для видеомагнитофонов, применяемых в ТВ вещании.
Основными САР видеомагнитофонов являются системы регули-
рования скорости вращения диска головок (САР-СД), скорости дви-
жения ленты (САР-СЛ), управления натяжением ленты (САР-НЛ),
автоматического поддержания точного следования головки на запи-
санной строке при воспроизведении, так называемая система авто-
трекинга (CAT) и др.
Для обеспечения точного следования видеоголовок по дорожкам
записи при воспроизведении необходимо обеспечить отношение Цп/г>г,
имевшее место при записи. Этого можно достичь, если сравнить фа-
зу опорного сигнала датчика оборотов барабана блока вращающихся
головок с фазой сигнала управления, воспроизведенного с дорожки
сигнала управления. В том случае, когда сигнал рассогласования
равен нулю (а это значит, что отношение гл/гг при записи и воспро-
изведении одинаково), за один оборот блока вращающихся головок
лента при воспроизведении перемещается точно на столько, на сколь-
ко она перемещалась при записи. Однако это условие выполняется и
при параллельности траектории следования головки дорожке записи.
Точное совмещение дорожек записи с траекторией движения головки
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
487
К САР-СЛ <---
Импульсы 250 Гц
Опорные импульсы полей 50 Гц
Воспроизводимые импульсы
________полей 50 Гц__________
Воспроизводимые импульсы
строчной синхронизации 15625 Гц
Опорные импульсы строчной
синхронизации 15625 Гц
Рис. 18.22. Укрупненная структурная схема САР-СД
при воспроизведении будет обеспечено только в том случае, если вза-
имное расположение видеоголовок и головок канала управления при
записи и воспроизведении строго идентичны и каналы сигналов упра-
вления при записи и воспроизведении не вносят фазовых искажений.
Система САР—СД. Укрупненная структурная схема САР-СД
показана на рис. 18.22. Основное ее назначение в режиме записи —
стабилизация скорости вращения диска головок, его фазирование по
отношению к записываемому сигналу изображения и запись синхро-
низирующих импульсов полей точно в необходимом месте. Это важно
потому, что при монтаже видеофонограмм не должна нарушаться ча-
стота следования импульсов синхронизации полей в месте склейки.
В современных видеомагнитофонах с наклонно-строчной запи-
сью используются двигатели постоянного тока. Опорным сигналом
системы САР-СД является сигнал синхронизации полей 50 Гц. При
записи он выделяется из записываемого полного ТВ сигнала, а при
воспроизведении — из опорного сигнала синхронизации. Выделенные
импульсы полей и сигналы датчика оборотов двигателя 1 подаются
на два входа фазового детектора 2. На выходе фазового детекто-
ра получается сигнал рассогласования фаз сравниваемых сигналов,
который через коммутатор 3 поступает на управляемый генератор
Частота генератора 4 изменяется в соответствии с величиной и поляр-
ностью сигнала расстройки и увеличивает или уменьшает скорость
вращения двигателя блока головок 5 до тех пор, пока не произойдет
совпадение фаз. В такой системе возникают качания ротора двига-
теля относительно средней скорости вращения, т.е. имеет место не-
стабильность мгновенной скорости блока головок. Для компенсации
этой нестабильности и улучшения качества регулирования эти кача-
ния выделяются частотным дискриминатором 6 и подаются на фазо-
вый модулятор 7, который управляет напряжением питания двига-
теля. Регулируемое напряжение питания через усилитель мощности
8 поступает на двигатель 5. Выходной сигнал с датчика оборотов 1
488
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
подается на систему регулирования скорости движения ленты (САР-
СЛ), где используется в качестве опорного сигнала при воспроизведе-
нии, а в режиме записи записывается на ленту (сигнал управления).
Эта система регулирования обеспечивает синхронную запись с
частотой полей записываемого сигнала, а при воспроизведении —
синхронизацию воспроизводимого сигнала с источником опорного
сигнала. Точность синхронизации, необходимая в телевизионном ве-
щании, должна быть достаточно высокой, около 50 нс. Описанная
система регулирования, базирующаяся на сравнении частоты датчи-
ка оборотов и частоты полей, такой точности не обеспечивает. Для
повышения точности системы регулирования, предварительно сфа-
зировав систему по импульсам полей, осуществляют синхронизацию
по строчным импульсам. Система регулирования работает после-
довательно, используя различные сигналы синхронизации. Предва-
рительная установка головок на записанные дорожки производит-
ся САР-СЛ. Она обеспечивает совмещение дорожек записи, содер-
жащих импульс синхронизации полей, с сигналом датчика оборотов
блока головок. Однако неизбежные ошибки механической установ-
ки датчика оборотов блока головок при записи и воспроизведении,
а также ошибки при формировании сигналов управления приводят
к ошибкам синхронизации. Поэтому после предварительной регули-
ровки по сигналу датчика оборотов 1 действует вторая ступень более
точной фазировки сигнала управления. Фазовый детектор 9 сравни-
вает фазы воспроизводимых и опорных импульсов полей. При рассо-
гласовании между ними сигнал ошибки подается через коммутатор 3
на управляемый генератор подстраивая положение блока головок.
После регулирования системы по полям включается фазовый де-
тектор 10, сравнивающий фазы воспроизводимых и опорных строч-
ных импульсов. Из-за повышения частоты выделения сигнала ошиб-
ки значительно уменьшается нестабильность вращения блока голо-
вок и снижается временная ошибка частоты следования воспроизво-
димых строчных импульсов. В видеомагнитофонах последних выпус-
ков, где применяют цифровые корректоры временных ошибок с боль-
шим диапазоном коррекции, режим строчной синхронизации обычно
не используется, так как временные ошибки до 30 нс и более коррек-
тируются электронным способом. Это повышает быстродействие си-
стемы регулирования и уменьшает время установки синхронизации.
Система САР-СЛ. Структурная схема САР-СЛ показана на
рис. 18.23. В процессе записи САР должна обеспечить постоянство
во времени отношения v^/v?. В системах наклонно-строчной записи
опорными сигналами САР являются импульсы кадровой синхрони-
зации, которые записываются на магнитную ленту как сигнал упра-
вления. В режиме воспроизведения управление ведущим двигате-
лем должно обеспечить синхронизацию скорости движения ленты с
вращением диска головок. При этом за каждый оборот диска лен-
та должна сместиться точно на шаг записи. Для этого необходимо
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
489
111111111 гг। Г1 и 111111 1.11111£шштгтт11 ililm'Ti
9
Монтажный импульс
12,5 Гц
Воспроизведенный
импульс 12,5 Гц
62,5 Гц
Сигнал выбора режима
Монтажный импульс 12,5 Гц
Кадровый импульс 12,5 Гц
Импульсы датчика оборотов
Опорный импульс 12,5 Гц
Рис. 18.23. Укрупненная структурная схема САР-СЛ
сравнить частоту сигнала датчика оборотов диска и сигнал управле-
ния, который записан на нижнем краю ленты и представляет собой
сигнал датчика оборотов диска головок.
На фазовый детектор 3 подаются два сигнала с частотой 250 Гц.
Один — от датчика оборотов диска головок, а другой — воспроизво-
димый с ленты сигнал управления через усилитель воспроизведения
4 и регулируемую задержку 8. Выходной корректирующий сигнал с
фазового детектора 3 поступает через коммутатор 5 на управляемый
генератор 6 и усилитель мощности 7 — на двигатель 1. Отсутствие
сигнала ошибки после детектора 3 свидетельствует о том, что обеспе-
чивается поддержание такой скорости движения ленты, при которой
лента смещается за один оборот диска головок точно на один период
сигнала управления, что соответствует одному шагу записи.
Для точного попадания видеоголовок на записанные дорожки
необходимо установить определенное фазовое соотношение между
сигналами управления и датчика оборотов диска и головок. Для
этих целей предназначена регулируемая задержка или фазовраща-
тель, изменяющий фазу сигнала управления, с помощью которого
осуществляется электронная регулировка. Точная установка на до-
рожку записи производится по максимуму ЧМ сигнала. Однако в
этом случае может не быть совпадения кадров опорного и воспро-
изводимого сигналов.
В черно-белом телевидении полная информация о каждом ка-
дре содержится в двух полях. При записи сигналов системы SECAM
каждый цветной кадр формируется четырьмя полями, с периодично-
стью 12,5 Гц, поэтому вероятность совпадения импульсов кадровой
синхронизации опорного и воспроизведенного сигналов очень мала.
Для обеспечения кадровой синхронизации в схеме САР-СЛ введена
система установки по монтажным импульсам, записанным на дорож-
ке сигнала управления вместе с сигналом датчика оборотов. Эти
490
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
импульсы складываются в усилителе записи 9 и записываются на
ленту. В режиме воспроизведения в начальный момент частота упра-
вляемого генератора 6 определяется выходным сигналом фазового
детектора 10. На один из входов 10 подается опорный кадровый им-
пульс 12,5 Гц, который выделяется из опорного сигнала, а на второй
вход подается воспроизводимый монтажный импульс 12,5 Гц. Этот
импульс вместе с управляющими импульсами поступает на селектор
11, где он выделяется. Частота управляемого генератора 6 будет ме-
няться, увеличивая или уменьшая скорость двигателя 1 до тех пор,
пока не будет совпадения этих импульсов.
После этого восстанавливается режим работы с фазовым детек-
тором 3 датчика оборотов 250 Гц. Последовательность включения
цепей 3 и 10 осуществляется автоматически коммутатором 5, кото-
рый управляется сигналом выбора режима работы. •
Система. САР-НЛ выполняет несколько функций, и в первую
очередь стабилизацию натяжения ленты (устранение провисания и
рыхлой намотки на катушку или исключение рывков при включении
или выключении при перемотке). Однако значение натяжения в зна-
чительной степени меняется при изменении количества ленты на при-
емной и подающей катушках. Датчиком сигнала ошибки являются
подпружиненные натяжные рычаги, размещенные перед приемным
и подающим узлами лентопротяжного механизма. Угловое положе-
ние оси рычага преобразуется в сигнал, управляющий напряжением,
подаваемым на исполнительный элемент.
В видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью при большой
длине дорожки записи натяжение ленты имеет большое значение, так
как с его увеличением или уменьшением связано растяжение ленты
с записанной на ней информацией. Это ведет не только к ухудшению
точности следования головки по дорожке записи, но и к изменению
частоты следования воспроизводимых строчных синхроимпульсов.
В видеомагнитофонах с наклонно-строчной записью конфигура-
ция дорожек записи не идентична из-за трения в движущихся частях
лентопротяжного механизма, ошибок в работе САР, износа движу-
щихся частей и многих других факторов. Особенно это проявляется
в системах с большой протяженностью магнитной дорожки. Кроме
того, в системах наклонно-строчной записи в режимах ускоренного
или замедленного движения ленты меняется траектория движения
головки при воспроизведении, и она будет сходить с дорожки записи,
так как головка за один оборот перейдет с одной дорожки на другую.
Смещение магнитной головки относительно оси симметрии дорожки
записи приведет к уменьшению воспроизводимого ЧМ сигнала, вы-
зывая увеличение помехи на изображении.
Система CAT. Благодаря применению CAT не только сни-
жаются требования к точности изготовления некоторых механиче-
ских узлов, но и принципиально обеспечивается возможность заме-
дленного и ускоренного воспроизведения изображения в системах с
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
491
Крепление 2
г-
Рис. 18.24. Пьезоэлектрическая пластина Q т~N
с видеоголовкой ?
наклонно-строчной записью. Однако при этом из-за изменения сум-
марной скорости движения ленты-головки изменяется частота сле-
дования воспроизводимых строчных синхронизирующих импульсов.
Для обеспечения точного следования головки по траектории запи-
санной дорожки в видеомагнитофонах необходимо предусмотреть до-
полнительные мероприятия — систему автоматического управления
положением головки на дорожке записи, или автотрекинг. Слово
«автотрекинг» происходит от греческого autos — сам и английского
track — путь, колея. Автотрекинг — это следящая система, под-
держивающая правильное положение головки воспроизведения от-
носительно дорожки записи.
Система автотрекинга CAT обеспечивает перемещение головки
в перпендикулярном к плоскости ее вращения направлении, прину-
дительно удерживая головку на строке записи. Система CAT фак-
тически является экстремальной автоматической системой, обеспе-
чивающей получение максимума огибающей воспроизводимого ЧМ
сигнала и формирующей управляющий сигнал для исполнительного
элемента. При смещении видеоголовки с дорожки записи вырабаты-
вается сигнал управления, с помощью которого головка, возвращает-
ся в исходное положение. Так как амплитуда огибающей ЧМ сигнала
уменьшается при смещениях головки и в сторону предшествующей, и
в сторону последующей магнитной дорожки записи, возникает необ-
ходимость формирования признаков направления смещения головки
с тем, чтобы получить соответствующее управляющее воздействие.
Известны несколько разновидностей CAT, использующих различные
методы формирования указанных признаков и управляющих воздей-
ствий. В видеомагнитофонах различного назначения и конструкции
применяются CAT с использованием поискового сигнала, с записью
сигналов четырех частот, использованием двух дополнительных маг-
нитных головок и др. Исполнительным устройством CAT являются
специальные преобразователи напряжения в перемещение. Выпол-
няются они на основе обратного пьезоэлектрического эффекта. На
рис. 18.24 показана пьезокерамическая пластинка 1 с укрепленной
на ее конце видео головкой 2. К обкладкам пьезоэлемента подводит-
ся напряжение, вызывающее деформацию пластины. Благодаря про-
тивофазному включению обкладок двух частей пьезокристалла они
изгибаются так, чтобы обеспечить отклонение головки от ее среднего
положения на ±0...0,3 мм с сохранением параллельности перемеще-
ния самой головки. Значение и полярность подводимого к пьезоэле-
менту напряжения пропорциональны амплитуде отклонения голов-
492
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ки от строчки записи. Кроме того, CAT практически снимает про-
блему взаимозаменяемости видеофонограмм и позволяет повысить
плотность записи, т.е. уменьшить расход пленки. Использование ав-
тотрекинга’ позволяет вести запись с меньшей, шириной дорожек и
без защитного промежутка между ними.
18.6. Монтаж видеофонограмм
При записи ТВ сигналов на магнитную ленту, так же, как при
записи звуковых сигналов, для составления программ возникает не-
обходимость монтажных операций для создания единой программы-
из номеров и сцен, записанных на различных местах ленты или на
различных лентах. Специфика записи ТВ сигналов требует особых
условий монтажа. На магнитной ленте записано несколько сигна-
лов различными методами: наклонно-строчная запись ТВ сигналов,
продольная запись звуковых и управляющих сигналов. Очевидно,
что принятая в звуковых магнитофонах и в кинотехнике технология
монтажа непригодна для магнитной записи ТВ сигналов. Монтажные
операции при записи ТВ сигналов усложняются тем, что наблюдать
изображение можно только в динамическом режиме, что затрудня-
ет определение точного места склейки ленты. Наконец, к склейке
предъявляются более высокие требования, чем в кино и звукозапи-
си. Необходимо с высокой точностью сохранить все временные и про-
странственные соотношения ТВ и управляющего сигналов.
Еще недавно в кино и звукотехнике использовался механический
монтаж, предполагавший разрезание ленты и ее склейку с другой
лентой, где записана необходимая программа. В технике магнитной
видеозаписи механический монтаж видеофонограмм практически не
используется. В настоящее время в технике магнитной записи ТВ
сигналов используется электронный монтаж, заключающийся в по-
лучении единой программы путем перезаписи на одну ленту фрагмен-
тов, записанных на различных участках одной или разных магнит-
ных лент, с точной стыковкой сигналов синхронизации. Электронный
монтаж позволяет заменить любые сюжеты стиранием и их новой за-
писью, добавить новую запись с другого датчика, не разрезая и не
склеивая ленту. При этом используются два режима работы: «про-
должение» и «вставка». В режиме «продолжение» одна программа
записывается после другой. В месте перехода одной программы в
другую не должно быть сбоя синхронизации. В режиме «вставка» в
записанную программу вставляется другая. Длительность вставки
может быть произвольной — от долей секунды до десятков минут.
Для монтажа видео- и аудиопрограмм в профессиональных ви-
деомагнитофонах имеется встроенный блок электронного монтажа.
Этот блок в необходимые моменты времени вырабатывает команды
на включение и выключение необходимых цепей, которые меняют
режим работы видеомагнитофона. Место склейки на ленте опреде-
ляется заранее при просмотре программы и фиксируется записью
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
493
монтажной метки. Все операции выполняются во время кадровых га-
сящих импульсов. Современные видеомагнитофоны позволяют про-
водить монтажные операции с помощью как встроенного, так и внеш-
него монтажного пульта. Монтажный пульт имеет в своем составе
микропроцессор, который позволяет значительно расширить возмож-
ности монтажных операций и полностью их автоматизировать.
При электронном монтаже необходимо синхронизировать два
или несколько видеомагнитофонов с высокой точностью. Такая син-
хронизация может быть достигнута использованием специального
адресно-временного кода, записываемого на дорожке режиссерских
указаний. Сигнал адресно-временного кода с каждого видеомагнито-
фона контролируется микроконтроллером, куда предварительно вво-
дятся данные о моментах изменения режима того или иного видео-
магнитофона (воспроизведение, запись, поиск необходимого места па
ленте, перемотка вперед, назад и т.д.).
Монтажные операции в видеомагнитофонах с наклонно-строчной
записью позволяют остановить ленту в любом месте, наблюдать не-
подвижное изображение, перемещать ее с замедленной и ускоренной
скоростями. Это значит, что поиск и разметка сюжетов при мон-
таже ТВ программ значительно упрощаются. Для стирания преды-
дущей записи устанавливается дополнительная вращающаяся сти-
рающая головка. Эта головка стирает запись на ленте по наклон-
ной траектории, угол которой соответствует углу наклона записан-
ной магнитной дорожки. Команды переключения головок на необ-
ходимые режимы подаются с встроенного в видеомагнитофон блока
электронного монтажа.
Технология электронного монтажа, в процессе выполнения ко-
торого оператор-монтажер имеет последовательный доступ к отдель-
ным фрагментам видеозаписи на магнитной ленте, и осуществляет
перезапись этих фрагментов с нескольких (как правило — двух, трех)
видеомагнитофонов-«плейеров» на один — «мастер» или «рекор-
дер», получила название технологии линейного монтажа. В насто-
ящее время линейный монтаж вытесняется более совершенной тех-
нологией нелинейного монтажа, осуществляемого на мощных персо-
нальных компьютерах, с высоким быстродействием, большим объ-
емом памяти, оснащенных специально разработанным программным
обеспечением. Монтажным операциям, проводимым на компьютере,
должна предшествовать оцифровка всех исходных видео- и звуковых
материалов (т.е. представление сигналов всех ТВ программ в виде
цифрового потока данных) и загрузка этих данных в память ком-
пьютера — формирование так называемого RAID-массива. Затем
в соответствии с замыслом режиссера видеомонтажа, осуществля-
ется стыковка отдельных фрагментов видеозаписи, наложение зву-
ка, ввод титров и спецэффектов. Все операции могут проводиться
вручную, с участием оператора видеомонтажа, или автоматически,
494
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
по заранее составленной программе. Результаты монтажных опера-
ций могут быть проконтролированы и тут же, в случае необходи-
мости, откорректированы. На всех этапах монтажа оператор имеет
произвольный доступ к любому фрагменту видеозаписи и возмож-
ность многократной перезаписи и копирования сюжетов без ухудше-
ния качества ТВ сигнала, широкий ассортимент разнообразных дву-
мерных и трехмерных спецэффектов, введения или замены реклам-
ных вставок и т.п. Сформированная видеопрограмма может быть
переписана на магнитную ленту в любом из существующих ТВ стан-
дартов или сохранена на видеосервере для последующего архивиро-
вания или выдачи в эфир.
18.7. Принцип ускоренного и замедленного
воспроизведения телевизионных
изображений
В ТВ вещании часто возникает необходимость немедленного по-
вторного показа зрителю происходящего события или просмотра за-
писанных изображений техническим и творческим персоналом. Та-
кая возможность значительно облегчает труд творческих работни-
ков, позволяя оперативно контролировать качество записанных про-
грамм. Потребность повторного и при этом замедленного или уско-
ренного воспроизведения характерна для показа общей динамики
происходящих событий или демонстрации трюков. Замедленное вос-
произведение движения или воспроизведение неподвижного кадра по-
зволяют детально рассмотреть отдельные фазы спортивной борьбы.
При воспроизведении записей с магнитной ленты повторное вос-
произведение изображений требует выполнения операций остановки,
быстрой обратной перемотки ленты на требуемый интервал и вклю-
чения режима воспроизведения. При замедленном или ускоренном
воспроизведении записанных на магнитной ленте изображений необ-
ходимо, сохраняя скорость считывания равной скорости записи, не-
сколько раз воспроизвести один и тот же кадр для замедленного и
пропускать один или несколько кадров для ускоренного воспроиз-
ведения. В видеомагнитофонах, использующих наклонно-строчную
запись, эта задача решается относительно просто: необходимо из-
менить скорость протяжки ленты. Однако в этом случае изменит-
ся траектория движения видеоголовки по отношению к дорожкам
записи, расположенным на ленте, и изменится относительная ско-
рость ленты-головки. Например, при воспроизведении стоп-кадра
или при увеличении скорости протяжки ленты в два раза траекто-
рия движения головки не будет совпадать с дорожкой записи и за
время передачи одного поля сместится на величину шага дорожки
(см. рис. 18.10,6). В режиме воспроизведения при отклонении от но-
минальной траектории, когда головкой пересекаются две дорожки
записи, последовательность строчных синхроимпульсов может и не
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
495
нарушиться из-за соответствующего расположения синхроимпульсов
на дорожках (см. рис. 18.10,а). Однако при переходе магнитной го-
ловки с одной дорожки на другую, т.е. при пересечении межстрочного
интервала сигналограммы, уровень ЧМ сигнала упадет ниже уров-
ня ограничения, па изображении возникнет так называемая шумо-
вая дорожка (шумовые всплески) длительностью в несколько строк.
Необходимо совместить временной интервал появления шумовой до-
рожки с интервалом гашения обратного хода по полю, чтобы помехи
не были видны на экране.
Существует несколько методов уменьшения заметности данного
вида помех. Например, помехи могут быть устранены регулиров-
кой угла протягивания ленты, что компенсирует изменение накло-
на траектории движения ленты. Угол протягивания ленты можно
изменять опусканием или подъемом направляющих барабана блока
вращающихся головок. В системах с автотрекингом изменение ско-
рости движения ленты не вызовет выпадения сигнала, если наклон
траектории лежит в диапазоне перемещения пьезоэлемента, а сле-
довательно, и видеоголовки.
В видеомагнитофонах, использующих форматы записи без меж-
строчного промежутка, для уменьшения перекрестных искажений
между дорожками записи используется встречное наклонное распо-
ложение рабочих зазоров видеоголовок. В этом случае условия заме-
дленного и ускоренного воспроизведения несколько улучшаются. Ви-
деоголовки при движении по этим траекториям захватывают частич-
но и соседние строчки записи, однако помехи не возникают, так как
рабочие зазоры видеоголовок установлены наклонно. В современ-
ных видеомагнитофонах реализация режима «стоп-кадра» без шумо-
вых дорожек происходит за счет введения дополнительных головок
считывания теряемой в двухголовочном видеомагнитофоне инфор-
мации и последующей «электронной сшивки» сигналов, снимаемых
основной и дополнительной видео головкой. В видеомагнитофонах
с сегментным форматом записи режим ускоренного и замедленного
воспроизведения и стоп-кадра может быть реализован только с по-
мощью дополнительных промежуточных запоминающих устройств.
18.8. Запись цифровых сигналов
Общие сведения. Качество современной аналоговой магнит-
ной записи достигло высокого уровня, но ей свойственны недостат-
ки, устранение которых с помощью аналоговой техники трудноосу-
ществимо, а иногда принципиально невозможно.
Запись ТВ сигналов в цифровой форме имеет ряд существен-
ных преимуществ перед методом записи аналоговых сигналов. В
первую очередь это возможность многократной перезаписи без нако-
пления искажений. Если в аналоговых видеомагнитофонах уже при
третьей-четвертой перезаписи растет уровень муара, увеличиваются
496
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
линейные и нелинейные искажения сигнала, ухудшается отношение
сигнал/помеха, то в цифровой видеозаписи число перезаписей одно-
го и того же сюжета на магнитную ленту может быть многократно
увеличено (до нескольких десятков раз) без существенного сниже-
ния качества изображения.
В цифровых видеомагнитофонах, так же как и в других цифро-
вых системах, меньше влияние неидентичности и нестабильности ап-
паратурных характеристик на качество сигнала. Облегчается обслу-
живание аппаратуры, так как не требуются регулировки и подстрой-
ки при эксплуатации. Одно из основных преимуществ цифровой за-
писи обусловлено тем, что она практически не подвержена влиянию
погрешностей, вызванных движением головок относительно ленты.
Эти погрешности проявляются в системах аналоговой видеозаписи и
вызывают повышение уровня шума, некоторую нестабильность изо-
бражения. Даже в тщательно настроенных системах аналоговой ви-
деозаписи ухудшается резкость контуров и границ изображения в ре-
зультате неравномерного вращения блока видеоголовок. Кроме того,
малейшая деформация ленты, представляющая собой гибко-упругий
элемент, приводит к взаимному смещению записанных участков.
При цифровой записи происходит исключение вредных эффек-
тов, связанных с движением ленты и головок, так как в аналого-
цифровом преобразовании при дискретизации аналоговый сигнал по-
лучает форму последовательных очень коротких импульсов-отсче-
тов, нестабильность уровня которых не сказывается на передаче сиг-
нала. В результате в цифровых системах записи и воспроизведения
изображения оказываются стабильными, очень четкими и почти ли-
шенными шума.
Запись цифровых ТВ сигналов на магнитную ленту является
технически сложной задачей. Сложность в первую очередь заключа-
ется в необходимости записи высокоскоростных цифровых потоков.
Запись больших цифровых потоков при том же расходе ленты, как
при аналоговой записи, требует значительного увеличения поверх-
ностной плотности записи (примерно в 10 раз). Если в студийном ана-
логовом видеомагнитофоне для записи видеосигнала с полосой ча-
стот 6,5 МГц требуется записывать ЧМ сигнал полосой частот около
12 МГц, то в цифровом видеомагнитофоне прямая запись цифрового
сигнала без применения различных методов компрессии требует по-
лосы частот более 120 МГц. Созданы цифровые видеомагнитофоны с
уменьшенной длиной волны записываемого сигнала Aniin и высокока-
чественной магнитной лентой с уменьшением ширины магнитных до-
рожек. Освоены технологии изготовления высококачественных голо-
вок и эффективные системы автоматического регулирования. В на-
стоящее время цифровые видеомагнитофоны обеспечивают более вы-
сокие технико-эксплуатационные характеристики, чем аналоговые.
Качество цифровой видеозаписи характеризуется достоверно-
стью записи, определяемой вероятностью появления ошибки (сбоя).
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
497
Ошибки могут быть одиночными, вызванными действием помех в ка-
нале записи-воспроизведения, и групповыми (пакеты ошибок), об-
условленными выпадением сигнала.
Структурная схема канала записи-воспроизведения ци-
фрового видеомагнитофона. Для записи цифрового сигнала на
магнитную ленту необходимо предусмотреть ряд мероприятий, свя-
занных со структурой ТВ сигнала. Аналоговый видеомагнитофон за-
писывает циклические сигналы. Все его следящие системы и устрой-
ства коммутации работают от строчных и кадровых синхронизирую-
щих импульсов. В цифровой последовательности эти сигналы отсут-
ствуют, поэтому для нормальной работы видеомагнитофона сигналы
синхронизации следует включить в структуру цифрового сигнала.
Кроме того, записанный сигнал должен содержать импульсы такто-
вой частоты следования двоичных символов, которые после выделе-
ния и воспроизведения обеспечат правильное декодирование цифро-
вого сигнала. Спектр записываемого сигнала должен быть согласо-
ван с полосой пропускания канала изображения видеомагнитофона.
При цифровой магнитной видеозаписи используют различные мето-
ды цифровой модуляции, в том числе частотную модуляцию, или
канальное кодирование. Следует учесть, что из методов модуляции
цифровых сигналов применим тот, который обеспечивает выделение
импульсов тактовой синхрочастоты непосредственно из записанно-
го цифрового сигнала.
Так как цифровая магнитная запись осуществляется распарал-
леливанием цифрового потока, структура цифрового видеомагнито-
фона в основном определяется числом необходимых каналов записи-
воспроизведения. Число каналов записи определяется скоростью и
плотностью записи. На существующих магнитных лентах для за-
писи аналоговых сигналов плотность записи выпи? 2 кбит/мм полу-
чить затруднительно. В металлопорошковых или металлизирован-
ных лентах можно получить плотность записи 3 кбит/мм с достаточ-
но высоким отношением сигнал/помехе! при ширине дорожки записи
12,5 мкм. Если считать, что скорость записи не должна превышать
предельную скорость 50 м/с при плотности записи 3 кбит/мм, то ока-
зывается возможным использовать два канала записи. При повыше-
нии скорости записи выше 50 м/с увеличиваются износ головок и
центробежные усилия в блоке головок. Естественно стремление к
уменьшению числа каналов записи, так как каждый дополнитель-
ный канал записи усложняет электронную часть видеомагнитофона,
добавляя системы защиты от ошибок, канального кодирования, син-
хронизации и т.д. Звуковые сигналы могут записываться на тех же
дорожках, которые служат для записи видеосигнала. В этом случае
используется общий тракт записи и канального кодирования. Ме-
жду видеосигналом и звуковым сигналом, а также между каждым
из звуковых сигналов оставляются небольшие интервалы, во время
498
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
которых коммутируются токи записи и стирания в процессе монта-
жа. Канальное кодирование существует для согласования с кана-
лом записи-воспроизведения. При магнитной записи это означает,
что энергетический спектр телевизионных сигналов преобразуется в
соответствии со спектральными характеристиками ограниченного по
частоте канала записи-воспроизведения, который может быть пред-
ставлен в виде полосового фильтра. При оптимальном согласовании
сигнал проходит по ограниченному по частоте каналу с минималь-
ными искажениями.
Формирование входного сигнала цифрового видеомагни-
тофона в соответствии с рекомендацией на цифровой код сту-
дии способом БВН (без возврата к нулю). При этом методе
носитель записи перемагничивается до насыщения в двух противопо-
ложных направлениях — при переходе к 1 или 0. Однако этот код не
может быть использован непосредственно для записи на магнитную
ленту. Это связано с тем, что АЧХ канала записи-воспроизведения
имеет спад в области верхних и нижних частот. Спад в области низ-
ких частот обусловлен дифференцирующим действием магнитной го-
ловки индукционного типа и наличием вращающегося трансформа-
тора. Спад в области высоких частот обусловлен в основном вол-
новыми потерями (щелевыми, контактными, слойными). Поскольку
исходный код БВН может содержать длинные последовательности 1
и 0, то постоянная составляющая кодовой последовательности изме-
няется в больших пределах: от 0 до 100 % размаха сигнала. Если та-
кой сигнал записать, то при воспроизведении возникнут большие ис-
кажения в форме импульсов из-за подавления низкочастотных ком-
понентов. Искажения проявляются в протяженных однополярных
последовательностях импульсов и в смещениях средней линии сигна-
лов в результате потери постоянной составляющей. Это исключает
пороговое обнаружение 1 и 0 в воспроизводимом сигнале, поэтому
делает код БВН непригодным для записи. Исходя из этого вытека-
ют основные требования, предъявляемые к выбору канального ко-
да: длительность непрерывных последовательностей 1 и 0 должна
быть минимальной для обеспечения самосинхронизируемости кода,
т.е. возможности выделения из нее тактовой частоты; спектр должен
иметь неизменную постоянную составляющую и небольшой уровень
низкочастотных составляющих; энергетический спектр кода должен
иметь полосовой характер, согласующийся с полосой пропускания
канала записи-воспроизведения, и др.
Реальные цифровые сигналы могут содержать в некоторые мо-
менты времени длинные серии одинаковых символов — единиц или
нулей. В этом случае нарушается работа систем АРУ, тактовой син-
хронизации и усилительных устройств с реактивными разделитель-
ными элементами. Это вызвано тем, что в сигнале отсутствуют из-
менения в каждом такте элементов сигнала, которые используются
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
499
для подстройки перечисленных устройств, что приводит к увеличе-
нию фазового дрожания цифрового сигнала и даже к полному нару-
шению синхронизации приемного устройства.
Для устранения длинных последовательностей 0 и 1 в исходном
коде БВН производится так называемое скремблирование (переме-
шивание), которое заключается в логическом сложении цифрового
сигнала с псевдослучайной последовательностью сигналов (ПСП). В
этом случае длинные серии одинаковых символов сигнала приобрета-
ют структуру соответствующего отрезка ПСП. При скремблировании
передаваемый сигнал независимо от свойств источника приобретает
структуру, близкую к случайной, а код БВН —1 приближается по
свойствам к случайному сигналу (рандомизируется), т.е., имея не-
случайную природу генерирования, отвечает всем свойствам псевдо-
случайных сигналов. Такой сигнал имеет в своем составе составляю-
щие с тактовой частотой, которые отфильтровываются и служат для
автоподстройки тактового синхрогенератора и для управления систе-
мой АРУ. Скремблер — устройство для преобразования структуры
цифрового сигнала без изменения скорости передачи символов этого
сигнала для приближения его свойств к свойствам случайного сиг-
нала. При воспроизведении применяется дескремблер — устройство,
предназначенное для восстановления исходной структуры цифрово-
го сигнала, преобразованной скремблером. Скремблирование может
также использоваться в сочетании с определенным видом канального
кодирования, а также является эффективным средством согласова-
ния цифрового сигнала с характеристикой канала, но при этом закон
перемешивания должен быть жестко задан.
В настоящее время известно множество кодов, применяемых в
цифровой магнитной записи. Каждый из них в той или иной степени
соответствует поставленным требованиям. Однако нельзя выделить
какой-то один код, который имел бы явные преимущества по срав-
нению с другими, поэтому, де-факто, существует несколько обще-
признанных международных стандартов на канальное кодирование.
В цифровых видеомагнитофонах используются различные каналь-
ные коды, удовлетворяющие частным требованиям разработчиков.
Основным фактором, влияющим па снижение достоверности запи-
си, является выпадение сигнала. Для защиты от ошибок в цифро-
вой видеозаписи используют два способа: маскирование ошибок и
коррекция ошибок.
Метод маскирования ошибок аналогичен методу компенсации
выпадения сигнала в аналоговых видеомагнитофонах и сводится к
обнаружению искаженного кодового слова и замене его интерполиро-
ванным кодовым словом предыдущей и последующей строк. Таким
образом возможно маскирование и внутри строки. Однако при мно-
гократной перезаписи маскирование не удовлетворяет требованиям,
предъявляемым к качеству изображения, что сводит на нет основ-
ное преимущество цифровой видеозаписи. В связи с этим наряду с
500
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
маскированием широко применяется коррекция ошибок, обеспечива-
ющая точное восстановление потерянной информации методами по-
мехоустойчивого кодирования, которое предполагает введение избы-
точности при кодировании. Коды, обнаруживающие и исправляющие
ошибки, широко используются в технике связи. Суть их заключается
в следующем. Предназначенная для передачи кодовая комбинация
дополняется в соответствии с определенным алгоритмом провероч-
ными символами, которые располагаются в определенной последо-
вательности. Отсюда следует: чем эффективнее система защиты от
ошибок, тем большее количество информации необходимо передать.
Но для этого следует увеличивать число символов, передаваемых в
единицу времени, которое ограничено конечной полосой пропускания
канала. Необходимость поиска компромисса между степенью коррек-
ции ошибок, обеспечивающей необходимое качество изображения, и
компрессией цифровых сигналов, позволяющей сократить объем дан-
ных при заданной пропускной способности канала ведет к появлению
новых форматов цифровой видеозаписи. На начало 2002 г. извест-
но около двух десятков цифровых форматов записи ТВ сигналов на
магнитную ленту, из которых наиболее широко распространены фор-
маты семейства DV, DVCAM, DVCPRO, DVCPRO50, а также Digital
Betacam, Betacam SX (табл. 18.1).
Упрощенная структурная схема цифрового видеомагнитофона
формата D2 показана на рис. 18.25. На вход видеомагнитофона по-
ступает аналоговый композитный полный цветовой телевизионный
сигнал и в АЦП преобразуется в цифровой. Далее, цифровой сигнал
подвергается помехоустойчивому кодированию в кодере Кд и скрем-
блированию в скремблере Ск. Синхрогенератор (СГ) обеспечивает
систему записи необходимыми сигналами управления. Для введе-
ния синхроимпульсов в структуру записываемого цифрового сигнала
служат блоки буферных запоминающих устройств с последователь-
ным доступом БЗУ1 и БЗУ2. (Если используются ЗУ с произволь-
ным доступом записи и считывания, объем требуемой буферной па-
мяти может быть уменьшен вдвое.) Цифровая последовательность
в БЗУ подвергается сжатию во времени. Цифровой сигнал сжима-
ется благодаря различной скорости записи и воспроизведения его с
БЗУ. Действительно, если скорость считывания информации с БЗУ
больше скорости записи, то в выигранном интервале времени можно
разместить импульсы синхронизации.
Работой БЗУх и БЗУ2 управляют два коммутатора Ki и К2, свя-
занные с генератором импульсов (ГИ). Тактовые импульсы, необхо-
димые для работы БЗУ, вырабатывает специальный генератор так-
товых импульсов (СГ). Цифровой сигнал вместе с тактовыми и син-
хронизирующими импульсами поступает на вход канального кодера
(КК), с помощью которого согласуются характеристики записыва-
емой информации с характеристиками канала записи-воспроизведе-
пия. Канальный кодер выполняет те же функции, что и модулятор
Таблица 18.1
Формат записи Тип записи Сигнал Тип ленты Ширина ленты, мм Скорость движения ленты, мм/с Стандарт кодиро- вания Компрессия Отношение сигнал/шум, дБ
U-matic Аналоговая Y/C Оксидная 19,01 95,3 - 46
VHS Аналоговая Композитный Оксидная 12,65 23,39 — 43
S-VHS Аналоговая Y/C Оксидная 12,65 23,39 — 45
Hi8 Аналоговая Y/C Металлопорошковая 8 20,5 - 44
МП Аналоговая Компонентный Металлопорошковая 12,65 66,2 — 49
Betacam Аналоговая Компонентный Оксидная 12,65 101,5 — 48
Betacam SP Аналоговая Компонентный Металлопорошковая 12,65 101,5 - 51
01 Цифровая К омпонентный Оксидная 19,01 286,9 4:2:2 — 56
D2 Цифровая Композитный Металлопорошковая 19,01 131,7 4fsc - 53
D3 Цифровая Композитный Металлопорошковая 12,65 83,88 4fsc — 54
D5 Цифровая К омпонентный Металлопорошковая 12,65 167,228 4:2:2 Для ТВЧ 4:1 62
Digital Betacam Цифровая Компонентный Металлопорошковая 12,65 96,7 4:2:2 2:1 (внутриполе- вой метод DCT) 55
Betacam SX Цифровая Компонентный Металлопорошковая 12,65 59,575 4:2:2 10:1 (MPEG-2 4:2:2 P@ML) >51
DV Цифровая Компонентный С напылением металла 6,35 18,831 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) 5:1 (вну три- кадровый метод DCT) 54
DVCPRO Цифровая Компонентный Металлопорошковая 6,35 33,813 4:1:1 5:1 (вну три- кадровый метод DCT) 54
DVCPRO50 Цифровая Компонентный Металлопорошковая 6,35 67.626 4:2:2 5:1 (вну три- кадровый метод DCT) 62
DVCAM Цифровая К омпонентный С напылением металла 6.35 28,2 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) 5:1 (вну три- кадровый метод DCT) 54
Digital-S Цифровая Компонентный Металлопорошковая 12,65 57,8 4:2:2 3,3:1 (вну три- кадровый метод DCT) 55
сл
О
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
502
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.25. Структурная схема цифрового видеомагнитофона
в обычном аналоговом видеомагнитофоне.
Сформированный код подается на усилитель записи УЗ, и сигнал
записывается на магнитную ленту универсальной головкой.
В режиме воспроизведения происходит преобразование цифро-
вого сигнала в аналоговый в обратном порядке. Пбсле усиления в
У цифровой сигнал поступает на декодер Дк и дескремблер Дс, пре-
образующий канальный код в исходную структуру сигнала. Для вос-
становления исходной скорости передачи используются блоки БЗУз
и БЗУ4, работающие поочередно. Скорость записи информации в
них больше, чем скорость считывания, причем частота считывания
выбирается равной тактовой частоте входного сигнала. В результа-
те такой работы БЗУз и БЗУ4 цифровой поток вновь оказывается
непрерывным. Коммутаторы Кз и К4 предназначены для переклю-
чения БЗУ, а генератор тактовых импульсов ГТИ — для выборки
информации из БЗУ с тактовой частотой.
После БЗУ цифровой сигнал поступает на декодер корректиру-
ющего кода (ДкКК), в котором обнаруживаются и корректируют-
ся ошибки. Процессы детектирования и декодирования синхронизи-
руются тактовыми импульсами, выделенными из воспроизводимого
кода. В заключение в ЦАП происходит преобразование цифрово-
го сигнала в аналоговый, после чего он поступает на выход кана-
ла изображения.
В канале воспроизведения синхроимпульсы с помощью специ-
ального устройства отделяются от общего цифрового сигнала и по-
даются в соответствующие цепи управления. На структурной схеме
не показан целый ряд узлов и блоков цифрового видеомагнитофона,
предназначенных для коррекции искажений как цифрового сигнала,
так и искажений, характерных для записи на магнитную ленту.
Исследования в области цифровой записи телевизионных сиг-
налов позволили МККР принять рекомендации на некоторые пара-
метры цифровой записи. Исходя из международного стандарта на
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
503
параметры цифрового телевидения предусматривалась дискретиза-
ция раздельных яркостного Еу и цветоразностных сигналов E'R_Y и
Е'в_у с частотами 13,5 и 6,75 МГц соответственно (стандарт 4:2:2).
В этом случае суммарный цифровой поток сигнала изображения ра-
вен 216 Мбит/с при 8 битах на один отсчет. Для записи звуково-
го сопровождения рекомендовалось использовать четыре канала с
частотой дискретизации 48 кГц, квантованные равномерно при 20
разрядах на отсчет. Суммарный цифровой поток звукового сигна-
ла равен примерно 4 Мбит/с.
В 1986 г. на пленарном заседании МККР был утвержден фор-
мат цифровой видеозаписи D1. Рассмотрение принципов работы это-
го формата позволяет разобраться в существе технических решений,
которые лежат в основе функционирования систем цифровой маг-
нитной записи [82].
В формате D1 телевизионный сигнал и звуковые сигналы запи-
сываются на одной наклонно-строчной магнитной дорожке. Запи-
сываются только активные строки по 300 строк в каждом поле для
стандарта 625/50 и по 250 строк в каждом поле для стандарта 525/60.
Число отсчетов изображения, приходящихся на активную часть те-
левизионной строки, равно 720 для сигнала яркости Е'у и 2x360 для
цветоразностных сигналов ER_Y и Ев_у. Одно телевизионное поле
в системе 625/50 записывается на 12 дорожках (в 24 видеосекторах
или шести сегментах), а в системе 525/60 — на 10. Звуковое сопрово-
ждение записывается в 48 звукосекторах, образующих три сегмента.
Используется магнитная лента шириной 19,01 мм. Магнитный
слой образован из окиси металла, он позволяет записывать сигнал с
минимальной длиной волны 0,9 мкм. Продольная плотность записи
2,2 кбит/мм. На магнитной лепте располагаются три продольные до-
рожки (рис. 18.26). Первая дорожка шириной 0,7 мм предназначена
для записи сигналов монтажа звукового сопровождения для слухо-
вого поиска фрагментов фонограммы. На второй дорожке записыва-
ется цифровой сигнал адресно-временного кода, ширина дорожки 0,5
мм. И наконец, на третьей дорожке записывается цифровой сигнал
управления, ширина дорожки 0,3 мм.
На магнитной ленте под углом 5°24,02,/ к базовому краю рас-
положены дорожки записи шириной 40 мкм (защитный промежуток
5 мкм) и длиной 170 мм, на которых записываются видео- и звуковые
сигналы. Любая наклонная дорожка содержит два видеосектора, ка-
ждый длиной 77,79 мм, а также четыре звукосектора в центральной
части шириной по 2,56 мм и с промежутком 1,24 мм, а затем сно-
ва видеосектор. В стандарте разложения 625 строк на 12 дорожках
(одно телевизионное поле) размещается 24 видеосектора и 48 звуко-
вых секторов. При таком расположении информации влияние растя-
жения и механических повреждений магнитной ленты на качество
воспроизводимого звука минимально. Скорость перемещения маг-
нитной ленты 286,9 мм/с.
504
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.26. Формат записи D1 компонентного цифрового ТВ сигнала
При внедрении цифровой записи в технологию видеопроизвод-
ства важно обеспечить возможность цифровой обработки ТВ сигна-
лов в любом из существующих в настоящее стандартах, в том чи-
сле для разных частот разверток. В этом случае обеспечивается со-
вместимость стандартов разверток при записи и воспроизведении в
а I еж д у народном мае ш табе.
Рассмотрим, как достигается это требование в цифровых видео-
магнитофонах. Как известно, плотность записи определяется про-
дольной и поперечной плотностями записи и выражается соотноше-
нием b = mh. где т — коэффициент плотности записи, бит/мкм2.
Л — шаг записи, мкм; если обозначить через г скорость записи сигна-
ла. бит/с. то зная расход носителя записи р. мкм/с. получим с = Ьр.
В этом случае длина дорожки, мкм. необходимая для записи вре-
менного интервала, равного длительности одного ТВ поля Т2п с ча-
стотой f2n = 1/Т2п. будет L = vT2n/b. Если в это выражение подста-
вить реальные значения, то получим длину записи одного поля L.
равную нескольким метрам. Отсюда следует, что реализовать ком-
понентную магнитную запись цифрового сигнала возможно только
путем сегментации на S наклонных дорожек записи или разделения
сигнала на Л' параллельных каналов. Следовательно, длина отдель-
ной дорожки записи I = L/S = vT2n/bS. Если принять, что скорость
записи г соответствует Рекомендации МККР 11/601 по компонент-
ному цифровому кодированию, число каналов Лг постоянно (число
головок записи и воспроизведения постоянно), а частота по.лей равна
50 и 60 Гц. необходимо соблюдение соотношения bS\/bS2. Наличие
одинакового числа сегментов Si = S2 с различной плотностью запи-
си m в системах 625/50 и 525/60 нецелесообразно, так как это приво-
дит к увеличению расхода носителя, вызывает конструктивные труд-
ное ти. изменяется полоса частот в системах 625/50 и 525/60. а это
предъявляет различные требования к коррекции. Поэтому продоль-
ная ii.’ioriKMTb записи сохраняется постоянной величиной, а тробова-
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сйгналов
505
ние совместимости системы 625/50 и 525/60 реализуется изменением
числа сегментов в отношении 6:5.
18.9. Перспективы развития магнитной
записи телевизионных сигналов
Чем совершеннее методы записи, чем выше эксплуатационные
характеристики видеомагнитофонов, тем больше возможности их ис-
пользования. На начало 2002 г. магнитная запись ТВ изображений
является наиболее распространенным способом подготовки и консер-
вации ТВ программ по совокупности технических, эксплуатационных
и экономических свойств.
Дальнейшее развитие систем записи ТВ сигналов пойдет по пути
усовершенствования способов записи, улучшения технических, экс-
плуатационных характеристик головок и лент, применения в элек-
тронных узлах видеомагнитофонов новых интегральных схем и ми-
кропроцессоров.
Уже сегодня в большинстве ТВ компаний осуществлен переход
на цифровые видеомагнитофоны, работающие на лентах шириной
12.65. 8.0 и 6.35 мм. При этом характеристики качества изображе-
ния. воспроизводимого видеомагнитофонами, существенно повыше-
ны в связи с разработкой новых магнитных лент с высокой отдачей,
магнитных головок с увеличенным сроком службы. Применение в
аналоговых видеомагнитофонах цифровых методов обработки и кор-
рекции ТВ сигналов также позволило улучшить их характеристики.
Благодаря автоматизации процесса подготовки программ, твор-
ческие и технические работники получают новые возможности элек-
тронного монтажа с широким набором двумерных и трехмерных
спецэффектов. В аналоговые видеомагнитофоны внедряются устрой-
ства кадровой памяти. С помощью этих устройств улучшаются по-
казатели качества изображения и расширяются технические возмож-
ности видеомагнитофонов. На основе устройств кадровой памяти со-
здано большое число различных спецэффектов, которые позволяют
уменьшать или увеличивать размеры изображений, переворачивать
его по вертикали и горизонтали и др. Это значительно повышает
художественные возможности при создании и оформлении ТВ про-
грамм. Созданы цифровые шумоподавители. которые позволяют уве-
личить число перезаписей одного и того же сюжета в аналоговых
видеомагнитофонах до 10-20 раз. Появилась возможность широко-
го внедрения синхронной работы видеомагнитофонов с различными
датчиками ТВ сигналов, записи отдельных кадров в любое место про-
граммы. создания мультипликационных фильмов и др.
Увеличилась плотность записи, что определяет расход носителя
на 1 ч программы. Плотность записи — один из важнейших технико-
экономических параметров видеомагнитофонов.
•506
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Кассетные видеомагнитофоны, которыми оснащаются современ-
ные видеостудии, имеют встроенные микропроцессорные системы ав-
томатического управления и поиска фрагментов видеозаписи по за-
данной программе, системы автоматической заправки кассет различ-
ной емкости и габаритов. Широкое внедрение цифровых видеомаг-
нитофонов упрощает согласование систем видеозаписи с цифровы-
ми компьютеризированными комплексами — системами нелинейного
монтажа, видеосерверами, системами цифрового ТВ вещания. Мож-
но уверенно предсказать широкое внедрение в технику записи ТВ
сигналов методов сокращения избыточности цифровых потоков ин-
формации на основе дискретного косинусного преобразования, поло-
женного в основу технологий MPEG-2, MPEG-4. За цифровой за-
писью будущее, и цифровая запись со временем полностью вытес-
нит аналоговую.
При внедрении систем магнитной цифровой записи особое внима-
ние необходимо уделить выбору формата записи, обеспечивающего
наиболее высокую плотность записи (бит/мм), стандартные (реко-
мендованные МККР) частоты дискретизации, использующего отра-
ботанные методы компрессии видеоданных и т.д. Вместе с тем цифро-
вые технологии позволяют использовать аналоговую ТВ аппаратуру
и большой архив видеозаписей, накопленный и хранимый телеком-
паниями в аналоговой форме. Применяемый до сих пор в отдельных
телекомпаниях формат магнитной записи D2, разработанный фирма-
ми Ашрех и Sony, предполагает запись композитного сигнала стан-
дарта NTSC и PAL. Записываемый в формате D2 цифровой поток
достигает 154 Мбит/с. Плотность записи в формате D2 выше, чем
формате D1, благодаря азимутальной записи (встречному разворо-
ту рабочих зазоров магнитных головок), позволяющей отказаться от
защитных промежутков между дорожками записи. В формате D3
(также композитном формате, по многим характеристикам подобном
D2) достигнута высокая плотность записи — 13,7 Мбит/см2, что по-
зволило в два раза сократить расход ленты. В формате D3, как и в
D2 используется частота дискретизации, равная 17,73 МГц для пре-
образования в цифровую форму сигналов системы PAL (четвертая
гармоника цветовой поднесущей 4,43 МГц).
Фирмой Panasonic разработан компонентный формат записи D5
при уровневом квантовании 10 бит. Переход к компонентному сиг-
налу вдвое увеличил поток видеоданных, поэтому вдвое повышена
скорость протяжки ленты, т.е. вдвое возрос ее расход. В формате D5
поток видеоданных достигает 270 Мбит/с.
Предварительное сжатие информационного потока перед запи-
сью путем устранения избыточности открывает новые возможно-
сти видеозаписывающей аппаратуры. Примером является формат
Bctacam-SX, объединивший достижения цифровых технологий, отра-
ботанных при создании вещательных систем цифрового ТВ и в пред-
шествующих цифровых форматах видеозаписи. Цифровое кодирова-
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
507
ние осуществляется по стандарту 4:2:2. Коэффициент сжатия видео-
данных достигает значений 10:1. Используется алгоритм компрессии
стандарта MPEG-2. Компрессированный поток данных составляет
18...21 Мбит/с вместе с сигналами звукового сопровождения.
Предварительное сжатие информационного потока перед запи-
сью за счет устранения избыточности используется и в других фор-
матах цифровой профессиональной и бытовой видеозаписи (напри-
мер, цифровые форматы семейства DV — miniDV, DVCAM,
DVCPRO, DVCPRO50). Совершенствование элементной базы от-
крывает широкие возможности упрощения аппаратуры, улучшения
ее габаритно-весовых показателей, снижения потребляемой мощно-
сти. И в дальнейшем цифровая запись телевизионных сигналов будет
развиваться по пути совершенствования методов кодирования, улуч-
шения эксплуатационных и качественных показателей, расширения
функциональных возможностей.
18.10. Бытовые видеомагнитофоны
На первом этапе развития систем бытовой видеозаписи видео-
магнитофоны, предназначенные для использования населением, от-
личались чрезвычайно большим разнообразием как по форматам за-
писи, так и по конструкции. Новые форматы записи разрабатывались
с целью устранения недостатков предыдущих форматов. Первосте-
пенной задачей конструкторов новых бытовых видеомагнитофонов
являлось сокращение расхода ленты. Эта задача решалась умень-
шением скорости движения ленты и ее ширины, уменьшением гра-
ничной длины волны записи Amin, ширины дорожек записи и про-
межутков между ними.
В наиболее распространенных бытовых видеомагнитофонах фор-
мата VHS (Video Home System) используется наклонно-строчная за-
пись двумя диаметрально расположенными вращающимися головка-
ми. На базе такого метода осуществляется запись одного поля те-
левизионного изображения на одной дорожке записи. Благодаря ря-
ду новых технических решений, предложенных фирмой JVC, автора
формата VHS, появилась возможность использования кассеты с ав-
томатической заправкой ленты в лентопротяжный механизм и сокра-
щения расхода ленты за счет уменьшения ширины дорожек записи и
устранения промежутков между ними. Запись сокращенного спектра
сигнала яркости потребовала выделения из него сигнала цветности и
переноса поднесущей сигнала цветности вниз по частоте для записи
его в одном канале с частотно-модулированным сигналом яркости.
В видеомагнитофонах формата VHS осуществлено эффективное по-
давление помех от соседних дорожек записи с помощью встречного
разворота рабочих зазоров видеоголовок по азимуту. Высокая про-
дольная плотность записи благодаря применению улучшенных маг-
нитных лент и головок (Amjn « 1 мкм) позволяет записать на стан-
дартную кассету ТВ программы длительностью до 4 ч в режиме SP
508
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
(Standard playback) и до 8 ч в режиме LP (Long-play). Однако со-
кращение полосы частот по каналу яркости примерно до 3,0 МГц
(с записью одной боковой ЧМ сигнала) и по каналу цветности до
0,5...0,8 МГц, естественно, приводит к ухудшению четкости, что для
любительских целей вполне приемлемо.
Наряду с форматом VHS Международной электротехнической
комиссией (МЭК) стандартизован кассетный аналоговый формат
Video-8 (на пленке шириной 8 мм) фирмы Sony. Основные техни-
ческие решения, используемые в этих видеомагнитофонах, сходны,
однако данный формат наиболее широко применен в любительских
видеокамерах Handy cam.
В нашей стране бытовые видеомагнитофоны формата VHS ста-
ли наиболее популярными благодаря выпуску на отечественных за-
водах лицензионной модели видеомагнитофона типа «Электроника
ВМ-12». В этих видеомагнитофонах используется лента шириной
12,65 мм, помещенная в кассету размерами 188x104x25 мм. Скорость
движения ленты 23,39 мм/с, а скорость лента-головка — 4,84 м/с.
При записи принята следующая расстановка частот для сигналов яр-
кости: уровень белого 4,8 МГц, синхроимпульсов 3,8 МГц. Верхняя
боковая полоса ЧМ сигнала полностью подавляется, а нижняя за-
писывается в диапазоне 1,2...4,3 МГц. Так как из-за ограничения
верхней полосы частот сигнала яркости запись сигналов цветности в
полной полосе непосредственно не представляется возможной, полоса
частот канала цветности сужается до 0,74 МГц. После этого поднесу-
щая сигнала цветности переносится в диапазон частот 0,36...1,1 МГц
и суммируется с ЧМ сигналом яркости. Сигнал яркости записывает-
ся с оптимальным током записи, а сигнал цветности — уменьшенным
на 20...22 дБ током, чтобы не возникли перекрестные искажения.
При воспроизведении сигналы усиливаются, разделяются филь-
трами, ЧМ сигнал яркости демодулируется, а сигналы цветности
переносятся в диапазон частот 3,8...4,5 МГц, суммируются с сигна-
лом яркости и поступают на формирователь композитного сигнала
в одной из стандартных вещательных систем цветного ТВ (NTSC,
PAL, SECAM).
Сигналограмма формата VHS показана на рис. 18.27. В верхней
части ленты располагаются две звуковые дорожки 1 и 3, между ни-
ми — защитный промежуток 2. На нижнем крае ленты записывает-
ся дорожка сигнала управления 4- Видеосигнал записывается двумя
вращающимися головками, расположенными под углом 180° на бара-
бане диаметром 62 мм. Частота вращения барабана 1500 об/мин. Ра-
бочие зазоры видеоголовок развернуты под углом ±6° относительно
перпендикуляра к направлению движения головок. Каждая головка
записывает одно поле изображения, а угол обхвата барабана видео-
головок лентой немного превышает 180°. Это создает перекрытие во
времени сигналов, воспроизводимых видеоголовками, примерно на
три телевизионные строки. Видеоголовки коммутируются сигналом
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
509
Рис. 18.27. Формат записи VHS (ширина ленты 12,65 мм)
датчика оборотов барабана с частотой 25 Гц примерно за 5-8 строк
до начала синхронизирующего импульса полей [82].
Видеомагнитофоны формата VHS имеют, кроме этого, блок не-
подвижных головок (стирающая головка, звуковая головка и голов-
ка управления).
Как было отмечено, запись сигналов изображения без межстроч-
ных промежутков повышает плотность записи и дает выигрыш в рас-
ходовании ленты. Примыкание вплотную дорожек записи, естествен-
но, ухудшает отношение сигнал/помеха, так как видеоголовки при
воспроизведении захватывают часть соседней дорожки. Для подавле-
ния помех от соседних дорожек рабочие зазоры видеоголовок развер-
нуты по азимуту. Эффективность такого решения позволила также
уменьшить ширину дорожек записи. Уменьшение ширины дорожек
записи при воспроизведении видеоголовками с заметно большей ши-
риной полюсных наконечников, т.е. с большей длиной рабочего зазо-
ра, приводит к тому, что видеоголовка одновременно воспроизводит
сигнал со своей и соседней дорожки записи. Как уже отмечалось,
разворот в разные стороны рабочих зазоров видеоголовок на угол
±6° обеспечивает изменение направления намагниченности соседней
дорожки на значение двойного угла наклона рабочих зазоров. При
правильном воспроизведении строчки записи ориентации намагни-
ченности ленты и зазора совпадают, а при воспроизведении соседних
строчек — не совпадают. Возникающие при этом азимутальные по-
тери значительно уменьшают уровень воспроизводимого мешающего
сигнала, следовательно, повышается отношение сигнал/помеха.
Записываемый сигнал разделяется фильтром на яркостную и
цветовую составляющие. На рис. 18.28,а показаны частоты, опре-
деляющие полосы пропускания фильтров, разделяющих сигнал яр-
кости и цветности. На рис. 18.28,5 показаны характеристики сиг-
налов яркости и цветности после преобразования спектра. Сигнал
цветности Вц располагается в нижней части спектра. Девиация ча-
стоты равна 1 МГц.
Упрощенная структурная схема канала изображения видеомаг-
нитофона формата VHS дана на рис. 18.29. Полный сигнал изо-
510
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.28. Амплитудно-частотные характеристики фильтров разделения
сигналов яркости и цветности (а) и АЧХ сигналов яркости и цветности после
преобразования (6)
Рис. 18.29. Укрупненная структурная схема канала изображения видеомаг-
нитофона формата VHS (SECAM)
бражения, кодированный по системе SECAM, поступает на регули-
руемый усилитель 1, обеспечивающий постоянный уровень сигнала,
не зависящий от уровня входного сигнала. Для управления разма-
хом сигнала на регулируемый входной усилитель 1 подается посто-
янное напряжение, пропорциональное амплитуде синхросигнала, от
детектора АРУ 2. С выхода усилителя 1 через коммутатор записи-
воспроизведения (3-В) сигнал изображения поступает на ФНЧ 3 с по-
лосой пропускания 3,3 МГц. При записи черно-белого изображения
сигнал снимается с ФНЧ 4 с полосой пропускания 4,1 МГц. Пере-
ключение осуществляется коммутатором а. Полный сигнал цветного
телевидения также поступает на полосовой фильтр 9. который вы-
деляет сигнал цветности Ц. С выхода ФНЧ 3 или 4 сигнал ярко-
сти через потенциометр, регулирующий девиацию частоты частотно-
го модулятора при записи, поступает на цепи предкоррекции сигнала
яркости 5 и далее на схему фиксации уровня сигнала и ограничите-
ли. Схема НЧ предкоррекции 5 обеспечивает подъем ВЧ составляю-
щих модулирующего сигнала яркости в диапазоне частот 1...3 МГц.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
511
Компенсация предыскажений при воспроизведении улучшает отно-
шение сигнал/помеха за счет ослабления ВЧ составляющих помехи
в полосе частот 1...3 МГц.
При передаче резких перепадов сигнала яркости в результате
подъема высоких частот в 5 возникают значительные выбросы, ам-
плитуда которых превосходит допустимые значения. Выбросы со-
здают помехи на яркостных переходах, поэтому необходимо их огра-
ничение. Сигнал яркости после двустороннего ограничения в бло-
ке 6 поступает на частотный модулятор 7. Далее ЧМ сигнал яр-
кости через включенный при записи цветных программ ФВЧ бло-
ка 8 через регулятор уровня поступает в смеситель 14 и далее на
усилитель записи 15.
Выделенный полосовым фильтром и фильтром коррекции ВЧ
предыскажений с полосой пропускания 0,8 МГц 9 сигнал цветности
системы SECAM поступает на двусторонний ограничитель 10 и на
делитель частоты или гетеродин 11. С помощью этого делителя
(деление на четыре) или гетеродина спектр сигнала цветности пе-
реносится в низкочастотную область частот ТВ сигнала. На выходе
11 получается ЧМ сигнал цветности с постоянной, не зависящей от
уровня входного сигнала амплитудой с поднесущими 1,1 МГц для
сигнала E'R_Y и 1,06 МГц для сигнала Е'в_у. Высокочастотные со-
ставляющие спектра подавляются ФНЧ 12 с полосой пропускания
1,5 МГц. При записи сигналов в системе SECAM ЧМ сигнал цвет-
ности подвергается предкоррекции с минимумом АЧХ корректирую-
щего фильтра, соответствующим частоте 4,286/4 = 1,07 МГц в блоке
18. Сигнал цветности с введенными ВЧ предыскажениями через ре-
гулятор уровня смешивается с частотно-модулированным сигналом
яркости в блоке 14 и далее через усилитель записи 15 и коммутатор
3-В поступает на головки записи Гх и Г2.
Во время отсутствия поднесущей при передаче гасящих и синхро-
низирующих импульсов полей и строк канал цветности запирается
синхронизирующими импульсами.
В режиме воспроизведения ЧМ сигнал с головок Гх и Г2 посту-
пает через коммутатор 3-В на усилители 16 и 17. На выходе этих
усилителей сигналы с обеих видеоголовок выравниваются и объеди-
няются в один непрерывный сигнал с помощью коммутаторов ЭКх и
ЭК2, которые управляются специальным сигналом от датчика оборо-
тов барабана видеоголовок с частотой 25 Гц. Далее регулируют АЧХ
усилителей воспроизведения 16 и 17, компенсируя разброс индуктив-
ностей видеоголовок, вращающегося трансформатора и входной ем-
кости, добиваясь идентичности этих характеристик. С регулятора
баланса Пх воспроизведенный частотно-модулированный сигнал по-
ступает на ФВЧ 18 с нижней граничной частотой 1,5 МГц (для пода-
вления сигнала цветности) или в обход при воспроизведении черно-
белого изображения. В блоке 19 происходит компенсация выпадения
воспроизводимого с ленты сигнала. Пораженный сигнал заменяется
512
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сигналом предыдущей строки. Далее ЧМ сигнал яркости ограни-
чивается по амплитуде с помощью двустороннего ограничителя 20,
устраняющего паразитную AM сигнала, и поступает на демодуля-
тор 21. Демодулированный сигнал яркости подается на схему кор-
рекции НЧ предыскажений 22, вводимых в блоке 5 перед записью.
Спад АЧХ на частотах 1...3 МГц позволяет заметно ослабить вли-
яние помех. Для подавления частотно-модулированного сигнала на
выходе демодулятора сигнал яркости проходит ФНЧ 23 и далее че-
рез переключатель 3-В, ФНЧ 4 и потенциометр регулировки уров-
ня воспроизведения поступает на смеситель 29, где смешивается с
сигналом цветности.
Воспроизводимый сигнал цветности выделяется низкочастотным
фильтром с полосой пропускания 1,5 МГц и далее, в блоке 25, после
коррекции ВЧ предыскажений с центральной частотой 1,07 МГц по-
ступает на ограничитель и умножитель на четыре в блоке 26. Вос-
становленный сигнал цветности выделяется полосовым фильтром 21.
Сигнал цветности подвергается ВЧ предкоррекции фильтром 28 с ми-
нимумом АЧХ на частоте 4,28 МГц. Далее сигнал цветности в блоке
29 смешивается с сигналом яркости. На выходе блока 29 получается
полный цветной ТВ сигнал, который можно подать на низкочастот-
ный вход телевизионного приемника или через ВЧ конвертор, где
он смешивается с сигналом звукового сопровождения, на антенный
вход. Во время отсутствия цветовой поднесущей канал воспроизведе-
ния сигнала цветности запирается импульсами, выделяемыми селек-
тором синхроимпульсов из воспроизводимого сигнала. При записи
черно-белых изображений с помощью детектора 24 каналы записи и
воспроизведения сигнала цветности блокируются, а в канале яркости
включаются фильтры с более широкой полосой пропускания.
Видеомагнитофоны формата VHS широко распространены во
всем мире и составляют примерно 90 % всего парка бытовых ви-
деомагнитофонов.
В связи с тем, что формат записи VHS не обеспечивает веща-
тельное качество изображения по разрешающей способности и отно-
шению сигнал/помеха, особенно для стандарта 625/50, фирмой JVC
был разработан формат S-VHS (Super-VHS). Запись сигналов по это-
му формату обеспечивает более высокое качество изображения. На
рис. 18.30 приведена АЧХ сигналов яркости и цветности для форма-
та S-VHS. Как видно из рисунка, в формате S-VHS существенно рас-
ширена полоса частот сигнала яркости — частота ЧМ поднесущей
увеличена по сравнению с форматом VHS. Частота, соответствую-
щая уровню белого, составляет 7 МГц, а уровень синхроимпульсов
5,4 МГц. Изменяя диапазон девиации частот для записи информации
в канале яркостного сигнала, удалось увеличить частотный диапа-
зон канала яркости от 3,2 МГц (VHS) примерно до 5 МГц (S-VHS).
Это позволило получить разрешающую способность по горизонтали
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
513
Аус
( _ Девиация частоты
Сигнал а 1,6 МГц
цветности Яркостный сигнал h<——-—>
8 Т МГц
Максимальный
уровень белого
Рис. 18.30. Частотная характеристика видеосигнала формата S-VHS
400 ТВл (по сравнению с 240 ТВл для формата VHS) и снизить пе-
рекрестные помехи. Увеличение девиации частоты с 1 до 1,6 МГц
позволило повысить отношение сигнал/помеха и динамический диа-
пазон, т.е. улучшить контраст изображения.
В видеомагнитофонах S-VHS применена очень тонкая магнит-
ная лента с частицами гамма-окиси железа, модифицированная ко-
бальтом (толщина магнитного слоя менее 1 мкм). Применение такой
ленты повысило плотность записи, улучшило частотные характери-
стики, увеличило амплитуду сигналов. Для формата S-VHS (так же
как и для VHS) предусмотрены два режима: SP со скоростью ленты
3,3 см/с и длительностью записи на одной кассете 120 мин и LP —
1,1 см/с и 360 мин соответственно [83].
Повышенные качественные показатели видеомагнитофонов фор-
мата S-VHS позволяют отнести их к полупрофессиональной видео-
аппаратуре.
Видеомагнитофоны формата S-VHS, могут читать и воспроизво-
дить видеозаписи формата VHS. Имеется несколько модификаций
видеомагнитофонов этого формата. Отличия касаются в основном
способов обработки сигналов цветности, что в итоге влияет на воз-
можность многократного копирования с оригинала последующих ко-
пий. Первоначально способ записи и обработки сигналов цветности
не обеспечивал удовлетворительного результата. Это приводило к
одному из существенных недостатков формата S-VHS, заключающе-
муся в том, что уже вторая или третья копия не соответствовала
требованиям к качеству изображения в профессиональном видеопро-
изводстве. Однако последующие усовершенствования формата при-
вели к созданию используемого до настоящего времени полупрофес-
сионального видеомагнитофона формата S-VHS, использующего спо-
собы обработки сигналов цветности, позволяющие повысить эффек-
тивность системы S-VHS при многократном копировании. Последние
модели аппаратуры S-VHS снабжены встроенными блоками дополни-
тельной обработки сигналов цветности, что позволило значительно
улучшить качество ТВ изображения.
514
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
18.11. Цифровая запись видеосигналов
на диски
Первые разработки систем записи видеоинформации на видео-
диски появились в начале 70-х годов. Прежде появились системы,
использующие механическую запись, затем емкостную и, наконец,
оптическую. Устройства для записи и воспроизведения изображений,
видеофильмов и ТВ программ на видеодиски свободны от недостат-
ков, присущих системам записи на магнитную ленту. Достаточно вы-
сокая плотность записи, произвольный и быстрый доступ к любому
фрагменту записи, возможность практически неограниченного числа
воспроизведений без потери информации являются несомненным пре-
имуществом таких систем, благодаря чему они, наряду с кассетными
цифровыми видеомагнитофонами становятся все более популярны-
ми. Другим важным преимуществом видеодисков является низкая
стоимость носителя записи. Ресурс работы в оптических видеопро-
игрывателях (не менее 5000 ч) при бесконтактном считывании инфор-
мации ограничен в основном ресурсом считывающей (записывающей)
лазерной оптической головки. Быстрый доступ к любому участку за-
писанной на диске информации позволяет увеличить быстродействие
систем поиска информации. Возможность воспроизведения относи-
тельно простыми средствами ускоренного, замедленного и неподвиж-
ного изображений — еще одно достоинство дисковых систем.
Звуковые компакт-диски появились в 1982 г., а в 1997 г. — диски
DVD (Digital Versatible Disk). Им предшествовали аналоговые ла-
зерные видеодиски (Laser Vision Discs), очень близкие к цифровым
дискам CD и DVD по технологии изготовления, устройству и принци-
пу действия. Однако они не удовлетворяли требованиям к качеству
воспроизводимого изображения и плотности записи. С появлением
в компьютерной технике дисков CD-ROM возникла необходимость
унификации как параметров записи, так и размеров дисков. Развитие
оптической записи пошло по пути совершенствования как механиз-
ма оптической записи, так и метода записи. Использовались более
современные материалы для дисков и лазеры для видеопроигрыва-
телей, совершенствовались методы цифровой записи [84].
Независимо от записываемого сигнала, аналогового или цифро-
вого, процесс оптической записи имеет дискретный характер. На ра-
бочем слое диска записываются два уровня, соответствующие двум
возможным состояниям активного слоя.
Цифровой многопрофильный диск DVD представляет собой
класс новых оптических дисковых устройств, применяемых в видео-,
аудио-, мультимедиа- и компьютерных системах. Возможность широ-
кого применения системы DVD обеспечивается ее физическими пара-
метрами, а также ее информационной емкостью. Именно в DVD тех-
нологиях наиболее полно воплотились основные преимущества дис-
ковых систем — высокая информационная плотность записи, бы-
страя произвольная выборка необходимого фрагмента программы,
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
515
высокое качество изображения и звука, простота обращения и воз-
можность массового тиражирования без потери качества. В насто-
ящее время видеодисковые системы широко применяются в инфор-
мационных, интерактивных учебных центрах, в видеопроизводстве
и ТВ-вещании, в быту. DVD позволяют воспроизводить изображе-
ния, снятые с различных ракурсов (если они записаны на диске),
выбирать различные сюжетные версии видеофильмов, в зависимо-
сти от действий пользователя (варианты интерактивного просмотра
программ), вводить многоязычное звуковое сопровождение или суб-
титры, в любой момент ускорять или «замораживать» изображения
без потери качества. Все эти операции могут осуществляться с помо-
щью органов дистанционного управления видеопроигрывателем. Ци-
фровой стереозвук или многоканальное звуковое сопровождение —
«звук вокруг» — повышают эффект присутствия.
Длительность записи цифрового ТВ сигнала вещательного ка-
чества на диске DVD информационной емкостью 4,7 Гбайт без при-
менения разработанных в настоящее время методов компрессии (в
виде линейного ИКМ сигнала при 8-битовом квантовании и скорости
цифрового потока 216 Мбит/с) составит всего t = (4700 • 8)/216 =
= 174 с ~ 3 мин (только сигнала изображения). Следовательно, за-
писать цифровую видеоинформацию без использования современных
методов компрессии сигнала практически нереально. В системе DVD
применяется способ компрессии по стандарту MPEG-2. Используя
стандарт MPEG-2, удается записать на диск DVD телевизионную
программу длительностью 120 мин и более (односторонний диск с
одним рабочим слоем). Для повышения плотности записи, сохра-
няя высокое качество изображения, сигнал предварительно обраба-
тывается и компрессируется. Применение компрессии сигналов по
способу MPEG-2, повышение качества коррекции ошибок по срав-
нению с обычным компакт-диском (CD) обеспечивают высокое каче-
ство изображения и звука и позволяют записывать па диске полноме-
тражный художественный фильм с высоким качеством изображения,
многоканальным звуком и дополнительной информацией. Широкая
область возможных применений DVD дисков дает основание назы-
вать их многопрофильными. Это и высококачественная запись кино-
фильмов со стереофоническим или «сэроунд»-звуком, запись только
звука — больших концертов с высокими характеристиками звуко-
передачи, компьютерные программы и другие комбинации изобра-
жений звуков и текстов. Диски с записью видеофильмов называют
DVD-Video, с записью только аудиопрограмм — DVD-Audio, ком-
пьютерных программ — DVD-ROM.
Внешне диски DVD и CD очень похожи: имеют одинаковые раз-
меры (диаметр 120 мм, толщину 1,2 мм и диаметр посадочного отвер-
стия 15 мм) и отличаются только меньшим шагом витков дорожки
записи и меньшими размерами питов (pit — углубление, впадина, ям-
ка) у DVD. Информационная емкость диска DVD значительно боль-
516
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ше, чем у дисков CD, и составляет у однослойных, односторонних
дисков 4,7 Гбайт или примерно 37,6 Гбит. Дорожка записи распола-
гается на диске DVD с шагом а = 0,74 мкм. Приблизительно полную
длину дорожки записи I можно определить из следующих соображе-
ний. Если R и г — радиусы внешней и внутренней границ записи
на диске, то при R = 58 мм и г = 23 мм получим: /внешн = 2тгД =
= 2 • 3,14 • 58 = 364,24 мм; /внутр = 2тгг = 2 • 3,14 • 23 = 144,44 мм;
число дорожек А = (R - г)/а = (58 - 23)/а = 35/0,74 • 10-3 = 47297.
Полная длина дорожек записи (364,24 • 47297 + 144,44 ♦ 47297)/2 =
= (17227,459 + 6810,768)/2 = 24038,227/2 = 12019 м 12 км. Отсю-
да определяется минимальная протяженность элементарной ячейки
(минимальная длина пита): 12 • 109/37,6 • 109 = 0,32 мкм/бит.
Практически реализуемая минимальная длина питов в дисках
DVD составляет значение порядка 0,4 мкм. (В дисках CD шаг записи
а = 1,6 мкм, а минимальная длина пита 0,83 мкм.) Питы могут распо-
лагаться вдоль концентрических круговых дорожек или вдоль одной
спиральной дорожки диска. Информация воспроизводится в первом
случае с постоянной угловой скоростью, во втором — с постоянной
линейной скоростью. Для записи ТВ сигналов первый случай бо-
лее предпочтителен, так как на одной окружности размещается один
кадр. При этом достигается соответствие номера кадра и номера
дорожки, легко и быстро осуществляется поиск необходимого фраг-
мента, возможны разные режимы работы, такие как стоп-кадр и др.
Однако при записи-воспроизведении с постоянной угловой скоростью
практически вдвое уменьшается объем записанной информации. Это
объясняется тем, что при постоянной угловой скорости с увеличе-
нием радиуса дорожки размеры пита пропорционально возрастают,
следовательно, падает плотность записи. Поэтому, если существен
объем информации, используют режим с постоянной линейной ско-
ростью. Очевидно, что в этом случае размеры питов сохраняются
одинаковыми на всех участках записи, поэтому максимальной оста-
ется плотность записи. Но в этом случае телевизионный кадр зани-
мает полную окружность только на самой близкой к центру диска
дорожке, на всех остальных дорожках — только часть окружности.
Угловая скорость в этом случае не постоянна, а падает с увеличением
радиуса круговой дорожки. Следовательно это усложняет конструк-
цию приводов, затрудняет поиск требуемых фрагментов, а воспроиз-
ведение стоп-кадра возможно только через кадровый накопитель [85].
Аббревиатура ROM обозначает Read Only Memory (записанную
па диске информацию можно только считывать — нельзя стирать
и вновь записывать). Практически большинство дисков DVD име-
ют запись, сделанную изготовителем, и ее можно только воспроиз-
водить. Кроме не перезаписываемых дисков получают распростра-
нение диски DVD-R (Recordable — записываемый). На этих дисках
пользователь может записать информацию только один раз и много-
кратно воспроизводить. Диски DVD-RW (Rewritable) или DVD-RAM
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
517
(Random Access Memory) предназначены для многократной записи,
воспроизведения и стирания информации непосредственно пользова-
телем. Перед записью информации (видео-, аудио-, текстов и др.)
на диски DVD сигналы специально обрабатывают: преобразуют в
цифровую форму, подвергают компрессии и т.п. Каждый из записы-
ваемых сигналов обрабатывается отдельно и записывается на отдель-
ных магнитных носителях. После компрессии все сигналы сводятся
на один магнитный носитель, образуя дорожку с одной последова-
тельностью цифровых импульсов. На этой дорожке попеременно за-
писываются все сигналы, сгруппированные в блоки. Каждый блок
содержит весь набор сигналов (видео, аудио и др.), передаваемый в
короткий промежуток времени.
При воспроизведении необходимо предусмотреть возможность
выделения из передаваемых блоков данных каждого сигнала, состы-
ковать эти сигналы и распределить по своим каналам, обеспечивая
синхронизацию изображения и звука. Такую операцию возможно
производить без ухудшения качества воспроизведения благодаря вы-
сокой скорости передачи сигналов (до 9,8 Мбит/с). Для согласования
этих потоков при записи сигналы в каждом блоке разделены импуль-
сами управления и программирования. С обработанного и подгото-
вленного магнитного носителя осуществляется перезапись сигналов
на оригинал диска. Поток данных поступает на аппарат оптиче-
ской записи оригинала. Подложкой оригинала является тщательно
отполированный стеклянный диск с очень тонким слоем фоторези-
ста в виде 'жидкой затвердевающей композиции, толщина которого
составляет 0,12 мкм, что соответствует глубине питов (рис. 18.31).
Сигнал модулирует излучение ультрафиолетового газового лазера с
диаметром пятна менее 0,4 мкм. Газовые лазеры, крупногабаритные
и дорогостоящие, обеспечивают фокальное пятно малого диаметра.
Остросфокусированный луч когерентного монохроматического света
лазера позволяет получить иа поверхности диска метки микронного
размера. Применяются электрооптические модуляторы света. Прин-
цип действия таких модуляторов основан на повороте плоскости по-
ляризации света при изменении величины напряжения приложенного
сигнала. Если на электроды подан сигнал, то возникающая напря-
женность электрического поля вызывает поворот плоскости поляри-
зации света, обеспечивая его прохождение. При отсутствии сигнала
плоскость поляризации не меняется и свет не проходит. В результа-
те модуляции света и при вращении диска на фоторезисте возника-
ют засвеченные и незасвеченные участки, соответствующие питам
и промежуткам между ними.
После окончания записи диск промывается в жидкости, раство-
ряющей засвеченные и не растворяющий незасвеченные.участки фо-
торезиста. В результате этого на диске возникают дорожки записи.
Слой фоторезиста покрывают тонкой пленкой серебра. Затем этот
518
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.31. Структура диска:
а — разрез вдоль дорожки; 1 — прозрачная
подложка; 2— питы; 3 — отражательный
слой; 4 — защитный слой; 6 — вид сверху
Рис. 18.32. Фрагмент ра-
диального разреза диска:
1 — прозрачная подложка; 2 —
пит; 3 — отражательный слой;
4 — попадание луча лазера на
участок диска без питов; 5 —
попадание луча лазера на пит
диск проходит этапы технологического процесса, в результате кото-
рого изготавливаются матрицы для прессования дисков. Вначале
получают заготовку диска, которая представляет собой подложку из
поликарбоната (термопластик с оптимальным для дисков DVD соче-
танием физико-механических и оптических свойств) толщиной 0,6 мм
с отпечатанными питами. Методом напыления в вакууме заготовки
покрывают слоем алюминия толщиной в несколько долей микроме-
тра (отражательный слой), поверх наносят непрозрачный защитный
(холостой) слой также из пластмассы толщиной 0,6 мм (рис. 18.32).
В результате такой технологии изготовления рабочий слой оказыва-
ется защищенныхМ с одной стороны прозрачной пленкой, а с другой
— защитным слоем.
В системах DVD для воспроизведения в видеопроигрывателях
используют полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), которые
являются приборами массового применения, обладают малыми раз-
мерами, низкой стоимостью и длительным сроком службы. Такие
лазеры используют в аппаратуре с однократной и многократной за-
писью.
Записываемые видеодиски подобны DVD только внешне. Они
имеют другое строение и другую форму сигналограммы. Оптическая
запись на этих дисках происходит непосредственно под воздействием
лазерного луча и не требует обработки. Запись лазерным лучом про-
исходив’ на том же носителе, с которого потом воспроизводится. При
изготовлении DVD-R и DVD-RW на поверхности диска-заготовки из
поликарбоната формируются непрерывные круговые канавки с вы-
ступами между ними. Выступы покрываются отражательным слоем,
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
519
Таблица 18.2
Характеристика DVD-ROM DVD-R. DVD-RW
И нфо р м аци о н н ая емкость, Гбайт Диаметр, см Толщина, мм Принцип работы Длина волны лазера, нм Шаг записи, мкм Формат дорожек 4,7 на одну сторону 12 1,2 Записанные питы 650 — вос- произведение 0,74 Последова- тельность питов 3,9, односторонний; 7,9, двусторонний 12 и 8 1,2 Изменение фазового < Модуляция иитенс 635 — запись; 650 — воспроизведение 0,8 Канавки с высту- пами по краям 2,6, односторонний; 5,2, двусторонний ‘ 12 1,2 зостояния рабочего слоя :ивности света лазера 650 — запись и воспроизведение 0,74 Канавки с высту- пами по краям
а в канавках находится рабочий слой. Выступы и канавки исполь-
зуются в системах автотрекинга и автофокусировки и служат для
позиционирования лазерного луча. Основные характеристики дис-
ков DVD-ROM, DVD-R и DVD-RW приведены в табл. 18.2.
Диски для однократной записи DVD-R представляют собой осно-
ву из прозрачного материала, на поверхность которого нанесен ра-
бочий слой и защитное покрытие. Запись основана на изменении
фазового состояния рабочего слоя носителя. Сигнал регистрирует-
ся на очень тонком рабочем слое носителя остросфокусированным
лучом лазера. Под воздействием тепла от лазерного излучения со-
стояние пленки переходит из кристаллической фазы в аморфную,
в результате чего меняется коэффициент отражения света пленкой.
Образующиеся при этом питы представляют собой чередование кри-
сталлических и аморфных участков пленки, которые отличаются от-
ражательной способностью. Такой принцип записи-воспроизведения
принят как в дисках DVD-R, так и DVD-RW, с тем отличием, что
в дисках DVD-R рабочий слой изготовлен из органического мате-
риала, допускающего только однократную запись, т.е. однократное
изменение фазового состояния слоя.
Существуют и другие технологии записи-воспроизведения на
дисках DVD-RW, при которых требуются особые приемы обработки
рабочей поверхности диска. Один из них — использование эффекта
Фарадея при считывании информации с дисков. Этот эффект состоит
в том, что свет, отраженный от поверхности намагниченных участков
рабочего слоя диска, меняет плоскость поляризации. Принцип запи-
си информации на такой диск основан на том, что некоторые матери-
алы намагничиваются при малой напряженности внешнего магнит-
ного поля, если они предварительно были нагреты до температуры,
равной или большей точки Кюри. В качестве носителя информа-
ции используют материалы, обладающие магнитооптической памя-
тью. Запись производится одновременно воздействием на рабочий
слой магнитным полем и лазерным лучом. Постоянное магнитное
520
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 18.33. Оптическое устрой-
ство системы с многократной
перезаписью изображений
поле создается специальными катушками в точке фокусировки опти-
ческой системы на рабочей поверхности диска.
Для осуществления записи импульсами возбуждается лазерный
диод (ЛД) (рис. 18.33). и световой поток фокусируется оптической
системой в пятно диаметром 1...2 мкм на рабочей поверхности диска
(Д). Свойства рабочего слоя таковы, что зона нагрева ограничива-
ется размерами сфокусированного пятна Ф. При этом происходит
локальное повышение температуры материала примерно до 200 °C в
месте контакта со световым потоком, и он намагничивается. Дли-
тельность импульсов, поступающих от блока управления (БУ), опре-
деляется параметрами сигнала записи. Стирание записанной на дис-
ке информации осуществляется с БУ изменением на обратное на-
правления магнитного поля с помощью катушки (К) и диода ЛД,
нагревающего слой диска. При считывании сигнала на поверхность
диска направляется с помощью поляризатора света (П) плоскополя-
ризованный луч лазера, который, отражаясь от поверхности диска,
попадает в анализатор А, оптически связанный с фотоприемником
(ФП). Вследствие того, что диск намагничен по закону изменения
сигнала изображения, происходит поворот плоскости поляризации
отраженной световой волны. В результате этого на выходе анали-
затора происходят колебания энергии светового потока. Фотопри-
емник регистрирует изменение светового потока, пропорционачьное
изменению значения записанного на диске сигнала.
Информационная емкость дисков DVD-R и DVD-RW в полтора-
два раза ниже емкости дисков DVD-ROM, а стоимость значительно
больше, поэтому эти диски пока не находят широкого применения.
Для повышения информационной емкости DVD' разработаны
диски с двумя рабочими слоями на одной стороне (рис. 18.34). Пер-
вый слой 1 — полупрозрачный, изготовлен из напыленного золотд,
второй слой 2 — полностью отражающий, изготовлен из алюминия.
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
521
Рис. 18.34. Принцип устрой-
ства диска с двумя рабочи-
ми слоями на одной стороне:
1 — первый рабочий слой (полупрозрач-
ный); 2— второй рабочий слой (отра-
жающий); 3— разделительный слой
Рис. 18.35. Оптическая система лазерной голов-
ки:
1 — лазерный диод; 2 — поляризацион-
ный расщепитель; 3— коллиматорная лин-
за; 4— четвертьволновая пластинка; 5 —
объектив; 6 — диск; 7—светоприемник
Такое устройство увеличивает информационную емкость двухслой-
ного диска, но его суммарная емкость оказывается меньше удвоенной
емкости однослойного диска (из-за накопления ряда погрешностей
при изготовлении) и составляет 8,5 Гбайт. Такая конструкция диска
удобна, так как при длительных записях диск не требуется менять.
Видеоплейер может иметь одну лазерную головку с регулируемой
глубиной фокусировки. Другой тип диска — двусторонний с рабо-
чими слоями по одному на каждой стороне. Такой диск представля-
ет собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами.
Его суммарная информационная емкость равна удвоенной емкости
одностороннего диска (9,4 Гбайт). Чтобы не переворачивать диск,
требуются две лазерные головки (снизу и сверху). Двусторонний
диск с двумя рабочими слоями на каждой стороне представляет собой
два односторонних диска с двумя рабочими слоями, склеенных тыль-
ными сторонами. Информационная емкость такого диска 17,0 Гбайт.
Основой видеопроигрывателя является лазерная головка с опти-
ческой системой, преобразующей информацию, заключенную в пи-
тах, в видеосигнал. Конструктивно особенности лазерной головки
зависят от ее назначения, применяемого носителя, а также от приня-
того способа управления (автотрекинг, автофокусировка).
При воспроизведении луч лазерного диода 1 (рис. 18.35) прохо-
дит через поляризационный расщепитель 2, линзу коллиматора <7,
четвертьволновую пластинку 4 и фокусируется объективом 5 на от-
ражающем слое диска 6. Отраженный свет, промодулированный пи-
тами на диске, через объектив, четвертьволновую пластинку, колли-
мирующую линзу и призму поляризационного расщепителя попада-
ет на светоприемник 7. Линза коллиматора расширяет пучок лучей
522
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
для полного использования апертуры входного зрачка фокусирую-
щей линзы. Поляризационный расщепитель пропускает линейно по-
ляризованный свет лазера к диску и не пропускает идущий обратно
отраженный луч к лазеру, так как плоскость поляризации его пер-
пендикулярна прямому лучу. Перпендикулярность плоскостей поля-
ризации прямого и отраженного света достигается четвертьволновой
пластинкой. В результате почти весь отраженный диском свет от
расщепителя попадает в светоприёмник.
Лазерная головка выполняет также функции автотрекинга и ав-
тофокусировки. При отсутствии системы автотрекинга незначитель-
ный эксцентриситет диска или его привода приводит к радиальному
биению диска и к сбою процесса записи и воспроизведения. Суще-
ствуют несколько способов автотрекинга, так же как и в системах
магнитной записи, но в отличие от них при оптической записи и вос-
произведении необходимо не только точно вести фокальное пятно по
дорожке, но и точно поддерживать расстояние между ним и фокуси-
рующей линзой, т.е. обеспечивать оптимальный диаметр луча на дис-
ке, что осуществляется системой автофокусировки. Если отсутству-
ют условия динамической фокусировки, неизбежные осевые биения
диска могут привести к значительным расфокусировкам лазерного
луча, что, естественно, ухудшит качество изображения.
Системы автотрекинга и автофокусировки представляют собой
устройства автоматического регулирования, основными узлами ко-
торых являются механизм выработки сигнала ошибки и исполни-
тельный механизм. Принцип работы механизма выработки сигнала
ошибки заключается в получении разностного сигнала, который ра-
вен нулю при правильном расположении лазерного пятна на дорож-
ке (автотрекинг) и при оптимальной его фокусировке (автофокуси-
ровка). При отклонении луча от оптимальных значений параметров
устройство вырабатывает разностный сигнал, который является дву-
полярным. В зависимости от величины и полярности сигнала ошибки
исполнительный механизхм корректирует положение лазерной голов-
ки, смещая ее вправо или влево в радиальном направлении в системе
автотрекинга и вверх .и вниз относительно поверхности диска в си-
стеме автофокусировки. Исходя из этих условий фотоприемник в
данном случае должен выполнять следующие функции: детектиро-
вание видеосигнала, выделение информации для работы автотрекин-
га и автофокусировки. Следовательно, фотоприемники должны быть
многосекционными, обеспечивающими получение разностного сигна-
ла при отклонении оптической системы лазерной головки от центра
дорожки записи и оптимального расстояния до диска.
Так как лазерная головка имеет определенную массу, быстрое
и гочное управление ее перемещением вследствие инерционности си-
стемы затруднено. В видеопроигрывателях используют пьезоэлек-
трическую систему вместе с компенсирующим поворотным зеркалом
ГЛАВА 18. Запись телевизионных сигналов
523
Рис. 18.36. Передача видеоинформации методом ЧМ (а) и ИКМ (6)
(автотрекинг) и электродинамический механизм перемещения лин-
зы (автофокусировка).
Специальные эффекты: ускоренное, замедленное воспроизведе-
ние изображения, стоп-кадр — достигается качающимся зеркалом, с
помощью которого читающий луч может перебрасываться с одной
дорожки на другую.
Для записи на магнитный или оптический носитель видеосигнал
необходимо преобразовать в ЧМ или ИКМ сигнал. Основное отли-
чие цифрового сигнала от аналогового состоит в образовании после-
довательности дискретных импульсов, форма которых не зависит от
амплитуды сигнала изображения и определяется только временной
или пространственной (на носителе) комбинацией импульсов.
При ЧМ информация передается распределением нулевых пе-
ресечений. Так как расстояние между точками нулевых пересече-
ний изменяется плавно, частотный модулятор является аналоговым
преобразователем (рис. 18.36,а). При цифровой записи информация
также передается нулевыми пересечениями, но расстояние между
ними изменяется только дискретно, кратно числу полных периодов
бита (рис. 18.36,6). Таким образом реализуется цифровое предста-
вление информации.
Информация на первых лазерных видеодисках, разработанных
еще в 70-е годы, так же как в DVD, представляла собой последо-
вательность питов, но длила и расстояние между ними определя-
лись нулевыми пересечениями ЧМ сигнала, т.е. это были аналого-
вые видеодиски. Такую запись можно рассматривать и как широтно-
импульсную модуляцию (ШИМ) — аналоговый способ модуляции.
Таким образом, в современных видеодисках, в том числе и DVD,
видео-, аудио- и другие сигналы записываются в цифровой форме.
Воспроизводятся, обрабатываются и разделяются в плеере на соста-
вляющие видео-, звуковые и другие сигналы также в цифровой фор-
ме. Однако видеосигнал подается на телевизор преобразованным в
аналоговую форму. Плеер должен сформировать сигналы изображе-
ния в виде аналоговых композитных и (или) компонентных сигналов.
524
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Многие DVD-плейеры могут записывать и воспроизводить аудио-
сигналы двух форматов — многоканального «сэрроунд-звука»: Дол-
би АС-3 и MPEG-2-Audio [86].
Значение рынка дисков DVD возрастает, так как они широко при-
меняются в различных сферах деятельности, отсюда большая заин-
тересованность в их производстве. Это обстоятельство стимулирует
разработку высокоразрешающих дисков и, следовательно, аппаратов
для их применения, как производителей технических средств, так и
потребителей. Появились новые разработки дисков, получивших на-
звание HD-DVD (High Density — высокая плотность). Новые диски
обеспечивают информационную емкость 15 Гбайт на сторону (это 133
мин программы ТВЧ). Если у DVD (красный лазер) минимальная
длина питов 0,40 мкм, а шаг дорожек 0,74 мкм, то для DVD (голу-
бой лазер) 0,26 мкм — минимальная длина питов, а шаг дорожек
0,44 мкм. Лучшие результаты получены после разработки новых
полупроводниковых лазеров более коротковолнового спектра (уль-
трафиолетовый, с длиной волны 351 нм) и новых способов нанесения
на диск фотослоя толщиной 90 нм, что обеспечивает получение еще
более мелкой и резко очерченной структуры питов (без размытости
границ). В этих экспериментальных устройствах поток данных в ви-
деоплейере преобразуется четырьмя декодерами MPEG-2 и подается
на формирователь сигналов ТВЧ, где частичные изображения соста-
вляются вместе и поступают на монитор.
Диаметр диска HD-DVD аналогичен диаметру диска DVD — 12
см. Внутренний радиус зоны записи, как и для DVD, составляет
24 мм, а внешний — 58 мм. Нормализованная скорость воспроизве-
дения увеличена с 3,49 до 4,72 м/с, канальная скорость передачи
данных при нормализованной скорости воспроизведения составля-
ет от 26,16 до 54,41 Мбит/с. Полезная скорость передачи данных
при нормализованной скорости воспроизведения увеличена с 10,08 до
23,04 Мбит/с. Для записи звука предлагается применение линейной
ИКМ, а также Долби АС-3, MPEG-1 и MPEG-2 [87].
Разработки по созданию дисков с повышенной плотностью за-
писи интенсивно ведутся фирмами Pioneer, Sony и др. Предпола-
гается, что при использовании магнитооптических материалов или
материалов, изменяющих свое фазовое состояние под воздействием
лазерного луча (Phase-Change), в ближайшее время могут быть по-
лучены диски с однократной (реверсивные) или с многократной за-
писью для широкого потребительского рынка. Фирмы Panasonic и
Pioneer демонстрировали новые, пока экспериментальные образцы
телевизионной аппаратуры, которые открывают новые технические
возможности использования DVD-RW дисков (DVD-камкодеры, за-
писывающая и монтажная станции).
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
525
Глава 19
СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ
ВЕЩАНИЕ
19.1. Орбиты спутников ТВ вещания
Как известно из истории развития спутникового вещания, все
многообразие орбит космических аппаратов, различающихся высо-
той, формой и наклонением к плоскости экватора, для целей спут-
никового телевизионного вещания (СТВ) исчерпывается лишь дву-
мя: наклонной эллиптической орбитой типа «Молния» и геостаци-
онарной орбитой.
Объяснением появления и существования ТВ вещания с элли-
птической орбиты может служить относительная маломощность ра-
кет того времени (1965 г.) и возможность обслуживания ТВ вещани-
ем приполярных областей, что для СССР (и до сих пор для России)
весьма актуально по географическим условиям. Однако необходимо
иметь одновременно несколько спутников на такой орбите для эста-
фетной передачи программы, обязательную компенсацию доплеров-
ского эффекта в точке приема. Громоздкие следящие системы в ан-
теннах делают в настоящее время этот способ весьма неэффективным
по сравнению с СТВ на стационарных (геоцентрических) орбитах.
Если запустить спутник на круговую орбиту (рис. 19.1) высотой
35800 км, лежащую в плоскости экватора, и заставить его двигаться в
сторону вращения Земли, то период его обращения будет равен 24 ч,
а сам спутник — стационарен относительно поверхности Земли. Это
Рис. 19.1. Расположение спутников на разных орбитах
526
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-90-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Д-Асп
Рис. 19.2. Номограмма для определения угла места (3 и азимута а антенны
приемной установки
позволяет осуществлять через спутник непрерывное круглосуточное
вещание и использовать земные приемные установки с простыми не-
подвижными антеннами, не требующими автоматического слежения
за положением спутника (в противоположность «Молнии»).
Зона видимости (обслуживания) геостационарного спутника ох-
ватывает почти треть поверхности Земли, при этом полярные районы
обслуживаются плохо, так как спутник виден в этих районах под ма-
лыми углами места /3 к земной поверхности. Угол места ,5 — это угол
в вертикальной плоскости между направлением на спутник й каса-
тельной к поверхности Земли в месте приема. Очевидно, .что угол
места определяется широтой точки наблюдения на Земле и разни-
цей долгот точки стояния спутника и точки наблюдения. Практи-
чески принято, что минимальное значение угла места земных стан-
ций приема в пределах зоны обслуживания должно составлять не
менее 3...50 для частот связи меньше 4 ГГц, а для диапазонов вы-
ше 10 ГГц — не менее 7... 10°.
Положение луча приемной антенны на Земле в пространстве ха-
рактеризуется двумя углами — азимутом а и углом места (возвыше-
ния) [3. Азимут — это угол между направлениями из места приема
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
527
Рис. 19.3. Зависимость угла места ан-
тенны от координат приемной установки
на север и на спутник, отсчитанный по часовой стрелке:
180° + arctg ^£4 А < Асп;
( 180° - arctg А ACII,
где А и Асп — долготы места приема и спутника, град; <р — ши-
рота места приема, град.
Угол места /3 определяется выражением
л cos(A - Асп) cose? — 0,1513
[3 — arctg —. .• ... -----.
^/1 — cos2(А - Acn)cos2(£
На практике эти углы можно определить по номограмме, пред-
ставленной на рис. 19.2, с последующей точной установкой антенны
по максимуму сигнала.
Принципиальная возможность успешного приема сигнала от вы-
бранного спутника для земных станций определяется достаточно
большим углом места расположения спутника к земной поверхности.
При малых углах появляется дополнительное ослабление сигналов в
атмосфере Земли. Повышенный уровень шумов и ухудшение условий
приема возникают из-за отражения сигнала от поверхности Земли и
деталей рельефа. Приведенная па рис. 19.3 номограмма позволяет
оперативно определить угол места для антенны приемной установки
в зависимости от координат места приема и сделать вывод о принци-
пиальной возможности приема сигнала для приполярных областей.
19.2. Диапазон частот спутникового
телевизионного вещания
При определении диапазонов частот для спутникового ТВ ве-
щания необходимо учитывать большое число различных факторов,
таких как ослабление радиоволн в атмосфере Земли, простота ап-
паратурной реализации антенн и приемных установок, возможность
локализации СВЧ излучения бортовыми антеннами и др. Однако
528
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вегцание
наиболее важными и определяющими являются требования электро-
магнитной совместимости (ЭМС) с другими радиослужбами. В соот-
ветствии с этим выбирается и ограничивается уровень излучаемого
со спутника сигнала и уровень сигнала в точке приема. Первый ха-
рактеризуется произведением мощности (в ваттах) передатчика на
коэффициент усиления (в децибелах) бортовой антенны относитель-
но изотропного излучателя. Эта характеристика называется эквива-
лентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ), дБВт.
Уровень сигнала в точке приема характеризуется плотностью
потока мощности (ППМ) у поверхности Земли относительно потока
мощности 1 Вт, проходящего через 1 м2 (дБ-Вт/м2).
При создании практически любой национальной системы спут-
никового ТВ вещания не удается локализовать ее действие только
внутри обслуживаемой зоны. Часть мощности ТВ сигнала, излуча-
емого со спутника, попадает на территорию определенных стран и
может создать помеху их телевизионным или другим радиослужбам.
Кроме того, стремление к увеличению числа систем и числа ретранс-
лируемых ТВ программ приводит к повышению плотности размеще-
ния спутников на геостационарной орбите и увеличению вероятности
взаимных помех между ними. В этих условиях чрезвычайно важной
и практически необходимой является международная координация
спутниковых систем, предусматривающая плановое и координируе-
мое использование геостационарной орбиты и частот каналов, а так-
же регламентацию ряда параметров спутников и приемных устано-
вок, влияющих на ЭМС с другими службами.
В зависимости от организации спутниковое ТВ вещание может
осуществляться двумя службами.
1. Фиксированная спутниковая служба (ФСС) рассчитана на
профессиональный прием спутниковых ТВ сигналов среди других
прочих наземными станциями в заранее зафиксированных пунктах.
С этих станций через наземные ретрансляторы ТВ сигнал доставля-
ется другим телецентрам и индивидуальным потребителям. Действу-
ет ограничение ППМ —111 дБВт/м2 для ясной погоды на краю
зоны обслуживания. Применяется вертикальная и горизонтальная
поляризация. Мощность ретрансляторов в стволе 20...50 Вт.
2. Радиовещательная спутниковая служба (РСС) рассчитана на
непосредственный прием населением ретрансляционных через спут-
ник телевизионных и звуковещательных программ, причем прием
может быть как индивидуальный, так и коллективный (через ка-
бельную сеть). При этом ограничение ППМ в-диапазоне 12 ГГц су-
щественно слабее (103 дБ-Вт/м2), что позволяет организовать при-
ем сигналов на более простые и экономичные антенны и приемни-
ки. Применяется левая и правая круговая поляризация при большой
мощности ретрансляции в стволе, как правило, более 200 Вт.
Полосы частот фиксированной и радиовещательной служб опре-
делены Регламентом радиосвязи в 1977 и 1988 гг. и приведены в
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
529
Таблица 19.1
Диапазон, ГГц Полоса частот Космос-Земля. ГГц Районы
ФСС Ограничения (ППМ, дБВт/м2) РСС Ограничения (ППМ, дБ-Вт/м2)
0,7 0,62. ..0,79 - 1, 2, 3 -129
2,6-S 2,5... 2,69 2 -111 1, 2, 3 -111
2,5.. .2,535 3 -111 1, 2, 3
4-С 3,4. . .4,2 — 111 Координир. -
4,5...4,8 1, 2, 3 — 111 План-88 г. —
12-Ки 10,7. ..10,95 1, 2, 3 — 111 План-88 г. —
10,95. ..11,2 1, 2, 3 — 111 Координир. -
11,2... 11,45 1, 2, 3 — 111 План-88 г. —
11,45...11,7 1, 2, 3 — 111 Координир. —
11,7... 12,2 2 — 111 Координир. — — 111 План-77 г.
11,7. ..12,5 3 — 103 План-77 г.
12,1... 12,3 1 — 107 План-83 г.
12,5... 12,75 2, 3 — 111 Координир. 2 — 111 План-77 г.
12,2...12,5 3 — 111 Координир. 3 — 103 План-77 г.
20-Ка 17,7. ..21,2 1, 2, 3 1 План-77 г.
22,5... 23,0 — 2, 3
40-Ка 37,5... 40,5 1, 2, 3 Пл ан-77 г.
40,5...42,5 — Г 2, 3
80-К 81...84 1, 2, 3 —
84. ..86 - - 1, 2, 3 Пл ан-77 г.
табл. 19.1 для всего земного шара. Согласно решениям Всемирной
Административной конференции по радиосвязи (ВАКР) 1977 г. для
этого выделены районы:
Район 1 (Европа, Африка, Азиатская часть СНГ и Монголия);
Район 2 (Северная и Южная Америка);
Район 3 (Азия — без СНГ, Австралия и Океания).
Из данных таблицы видно, что техническая задача непосред-
ственного ТВ приема зрителем на индивидуальную приемную уста-
новку успешнее может быть осуществлена РСС в диапазоне 12 ГГц,
где гораздо больше может быть размещено ТВ каналов, меньше огра-
ничения ППМ и размеры приемных антенн в среднем составляют
0,6...0,9 м при высокой избирательности в пространстве. Весь опыт
Европейского спутникового непосредственного ТВ вещания (СНТВ)
подтверждает это, поскольку большая плотность населения в запад-
ных странах, высокий уровень жизни и разнообразный этнический
состав населения ориентируют развитие спутникового ТВ вещания
на свободный выбор пользователем разнообразных программ веща-
ния со спутников. В настоящее время наибольший коммерческий
успех СНТВ также обусловлен в диапазоне 12 ГГц, так как совер-
шенные приемные установки позволяют жителю Европы принимать
на персональную антенну размером 0,75 м не только национальные
программы, но и по своему выбору любые информационные, раз-
влекательные, спортивные и пр., предоставляемые ему интернаци-
ональным региональным спутниковым вещанием. Как правило, на-
530
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
циональиые программы вещания в Европе в диапазоне 12 ГГц орга-
низуются на мощных стволах спутников — ретрансляторов (около
200 Вт) в рамках службы РРС.
Однако все большее число стран Европы, в том числе и Россия,
в кооперации эксплуатируют национальные системы СНТВ также
и в службе ФСС с учетом прогресса приемной техники и совершен-
ствования бортовой аппаратуры спутников, позволяющей добивать-
ся в направленном пучке излучения необходимой ППМ в зоне об-
служивания и принимать программу СНТВ на антенну 0,4...0,6 м,
обычную для Европы.
В настоящее время подавляющая часть ретрансляторов, обслу-
живающих Район 1 в системе РСС и ФСС работают в диапазоне Ku
(12 ГГц) и размещаются на спутниках Astra, Eutelsat, Thor, Sirius,
«Горизонт» и др. Число стволов (транспондеров) составляет десятки
на один спутник, некоторые находятся в резерве или ждут коммерче-
ских предложений. Размещаемые на спутнике ретрансляторы могут
относиться (и также одновременно) к диапазону Ku и С, к службам
РСС и ФСС (например, ARABSAT2A — 26° в.д.), излучать аналого-
вые или цифровые ТВ программы (НОТ BIRD — 13° в.д.).
Этот огромный прогресс спутникового вещания контролируется
Международным союзом электросвязи под эгидой ООН. Техниче-
ские вопросы, связанные с использованием частот и выбором позиций
спутников на орбитах, разрешаются в Международных консультатив-
ных комитетах по радио (МККР) и по регистрации частот (МКРЧ).
Начиная с 1977 г., когда был принят Регламент радиосвязи для трех
Районов, для каждой страны закреплены плановые позиции спутни-
ка на орбите и плановые частоты пользования с соответствующими
зонами обслуживания. На специальной сессии ВАКР 1988 г. были за-
фиксированы места спутниковых позиций для действующих систем,
а для новых предусмотрены зоны обслуживания только в пределах
национальных границ каждой страны. Соответственно в настоящее
время в мире используются как плановые каналы согласно ВАКР
1977 г. (около 13 %), так и координируемые согласно ВАКР 1988 г.
Согласно плану РСС, принятому В АКР-77, для непосредственно-
го телевизионного вещания (СНТВ) в диапазоне Ku в Районе 1 выде-
ляется полоса частот 11,7...12,5 ГГц, а также присваиваются угловые
позиции на орбите спутников, обслуживающих национальные терри-
тории. Эта полоса частот разбита на 40 каналов с частотной моду-
ляцией несущей. Разнос между несущими частотами принят равным
19,18 МГц с полосой частот (номинальной) для каждого ТВ сигнала
27 МГц. Очевидно, что на одну зону обслуживания из одной точки
геостационарной орбиты нельзя вести передачу на соседних каналах.
Несущая частота канала, МГц,
f = 1170,30 + 19,18п,
где п — номер канала.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
531
19,18 МГц 11765,84 МГц
27’МГц
11727,48 МГц
1-й канал
Рис. 19.4. Порядок присвоения частот каналов в РСС (11,7...12,5 ГГц)
12475,5 МГц
40-й канал
Для уменьшения интерференционных помех между каналами
применяется левосторонняя и правосторонняя круговая поляриза-
ции соседствующих несущих (рис. 19.4).
По плану РСС ТВ вещание на одну зону осуществляется по
четырем-шести частотным каналам, разнесенным друг от друга на
четыре канала. Например, для одной из зон СНГ в точке орбиты
23° в.д. выделены каналы 27, 31, 35, 39. В свою очередь, для РСС
предусмотрен угловой разнос между соседними по орбите спутника-
ми, равный 6°. Таким образом, ЭМС при многократном использо-
вании одних и тех же перекрывающихся полос частот обеспечивает-
ся благодаря пространственной избирательности узконаправленных
земных приемных антенн (т.е. угловому разносу спутников), про-
странственной избирательности бортовых антенн (разнос зон обслу-
живания), различию по поляризации (круговая с левым или пра-
вым вращением).
В план РСС включены только зоны обслуживания для терри-
тории одного государства (или его части — СНГ) и в редких слу-
чаях — группы государств.
При составлении Плана РСС-1977 предполагалось на границе зо-
ны ограничение ППМ на уровне —103 дБ-Вт/м2, что позволяет ве-
сти непосредственный прием ТВ программ спутникового вещания на
простые установки индивидуального приема с добротностью G/T —
• = 6 дБ/K, (где G — усиление антенны, Т — температура станции)
и шириной луча антенны 2° (диаметр антенны 0,9 м). При этом до-
стигается достаточное отношение ЧМ несущей к шуму (Рс/^ш)вх =
14 дБ, обеспечивающее высококачественное воспроизведение ТВ сиг-
нала на выходе приемника. В современных приемниках снижени-
ем шумовой температуры можно добиться такого же приема на ан-
тенну существенно меньшего диаметра (0,4 м), а использование бо-
лее совершенных схем демодуляторов позволяет снизить величину
(Рс/Рш)вх до значения 10...8 дБ и тем самым значительно расши-
рить зону непосредственного спутникового приема за пределы на-
циональной территории.
Изначально согласно Плану РСС (ВАКР-1977 г.) предполага-
лась для Районов 1,3 необходимая ширина полосы частотного канала
ретранслятора спутника (ствола) 27 МГц (Район 2 — 24 МГц) с рас-
ширением до 36 МГц (соответственно 32 МГц — Район 2), в котором
передаются методом ЧМ цветной телевизионный сигнал со звуковым
532
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
сопровождением на ЧМ поднесущей и дополнительными ЧМ несу-
щими звуковещательных программ. Однако допускаются и иные ви-
ды модуляции (например, цифровая) или другие виды передаваемых
сигналов (например, вместо телевидения — несколько каналов зву-
кового вещания высокого качества — до 8-10 при условии, что уро-
вень помех, создаваемых в других системах, не превышает плановый.
Распределение ТВ сигналов через спутники ФСС получило рас-
пространение раньше чем в РСС и приобрело более широкие мас-
штабы, несмотря на дорогостоящие приемные установки, в которых
осуществляется многофункциональный прием различных сигналов
(телевидение, телефония, дискретные сигналы данных, изображения
газетных полос). Это объясняется несколькими причинами. Спутни-
ки ФСС вследствие известных ограничений (см. табл. 19.1) обладают
меньшей мощностью и поэтому дешевле. На них из-за меньшего энер-
гопотребления и массы можно расположить большое число стволов
и благодаря этому передавать из одной точки орбиты одновременно
много программ, что удобно и зрителям, и организаторам системы ве-
щания. В отличие от РСС, где спутники могут излучать на террито-
рию каждой страны не более пяти программ на частотах Плана РСС,
в системе вещания ФСС в некоторых полосах частот (3,400... 4,200;
10,9... 11,2; 11,45... 11,7 ГГц) спутники при соответствующей коорди-
нации в МККР и МККЧ могут иметь как узкие, так и региональные
и глобальные зоны обслуживания. Они могут располагаться в лю-
бой точке геостационарной орбиты, для которой удалось добиться
координации (т.е. удовлетворительных взаимных помех с ранее за-
явленными и действующими спутниковыми системами).
Другие полосы частот ФСС (4,5... 4,8; 11,2... 11,45; 10,7...
...10,95 ГГц) согласно Плану ФСС — ВАКР-88 г. отводятся на обслу-
живание национальных территорий подобно тому, как это принято
в Плане РСС 1977 г. При этом в Плане-88 зафиксированы позиции
спутников на орбите, указаны частоты каналов ТВ вещания и вво-
дится ограничение ППМ на краю зоны обслуживания в условиях до-
ждя -120 дБ-Вт/м2. Полоса частот канала ФСС составляет от 30 до
72 МГц из-за многофункциональности сигналов передачи.
В заключение следует отметить, что ограничения ППМ в пла-
нируемых и координируемых участках диапазона ФСС, существую-
щие с 1988 г., с прогрессом приемной техники позволяют современны-
ми средствами с малошумящими приемными установками преодолеть
это различие в уровнях сигнала спутников ФСС (ППМ
— 120 дБ-Вт/м2) и РСС (ППМ —103 дБ-Вт/м2) и осуществлять непо-
средственный прием ТВ сигналов от спутников ФСС на недорогие и
сравнительно небольшие антенны диаметром 0,9...1,5 м, доступные
и иди в и ду ал ь ном у або н енту.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание 533
19.3. Методы передачи сигналов
телевидения в спутниковом вещании
Аналоговые сигналы спутникового телевидения в системах
NTSC, PAL, SECAM, повсеместно представленные в наземном веща-
нии с небольшими вариациями в параметрах, естественным образом
с началом спутникового вещания стали использоваться и в спутни-
ковых каналах ФСС и РСС. В этих каналах ТВ вещания ввиду
очевидных преимуществ перед амплитудной модуляцией, применя-
емой в наземном вещании, для аналоговых сигналов рекомендован
частотный метод модуляции несущей канала сигналом цветного те-
левидения (NTSC, PAL, SECAM), представляющим собой комплекс-
ный сигнал, состоящий из видеосигнала яркостного с цветовой мо-
дулированной поднесущей внутри полосы яркостного (4,2...6 МГц) и
ЧМ поднесущей (4,5...6,5 МГц) звукового сопровождения, вынесен-
ной за полосу яркостного сигнала в соответствии с требованиями
совместимости этих систем.
Известно, что выигрыш от применения ЧМ заключается в дости-
жении высоких отношений сигнал/шум на приеме при относитель-
но небольших мощностях принимаемого сигнала за счет расширения
спектра ЧМ выходного транслируемого радиосигнала. Практическая
формула (Карсона) для связи ширины спектра ЧМ сигнала с пара-
метрами модуляции следующая:
Д/чм « 2(Д + Д/д),
где /в — верхняя граница спектра видеосигнала, МГц; /д — деви-
ация частоты, МГц.
Ясно, что выигрыш ЧМ тем больше, чем больше девиация ча-
стоты, и, значит, необходимое значение отношения сигнал/шум иа
выходе приемника достигается при меньшем отношении сигнал/шум
на его входе.
Однако с увеличением девиации частоты приходится расширять
полосу пропускания приемника, вследствие чего растет мощность
шумов приемника согласно формуле
где к — постоянная Больцмана; Тш — шумовая температура прием-
ной установки, К; Д/ш — шумовая полоса приемника, равная по-
лосе пропускания ВЧ тракта.
Во избежание порогового эффекта в работе ЧМ демодулятора,
характерного при понижении отношения (Рс/Рш)вх на входе приемни-
ка меньше чем на 14 дБ для простых схем демодуляторов, приходится
увеличивать мощность сигнала на входе за счет увеличения разме-
ра антенны либо уменьшением полосы частот приемника и потерей
четкости изображения поддерживать достаточную надпороговую по-
мехоустойчивость, уменьшая шумовой вклад приемника. Поэтому в
534
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 19.5. Спектр сигна-
ла на выходе сумматора при
передаче звукового сопрово-
ждения методом двойной ЧМ
Рис. 19.6. Блок-схема передающей земной станции при передаче звукового
сигнала методом двойной ЧМ
системах спутникового телевизионного вещания для сигнала изобра-
жения не применяют девиацию частоты, большую /д = (1,5...2,5)/в-
Например, в Плане РСС 1977 г. принята пиковая девиация часто-
ты 13,5 МГц.
Звуковое сопровождение, а также звуковещательные программы
передаются совместно с видеосигналом методом двойной ЧМ. Он
заключается в следующем: на передающей станции создается специ-
альный генератор дополнительной несущей, имеющей частоту выше
верхней частоты видеосигнала (т.е. меньше 5...6 МГц) — поднесу-
щей Fn. Этот генератор модулируется по частоте сигналом звуко-
вого сопровождения (30...15000 Гц), и затем выходной сигнал Fn4M
суммируется с видеосигналом. Аналогично происходит модуляция
для дополнительных звуковещательных программ. Образующийся
на выходе сумматора частотно-уплотненный сигнал имеет спектр,
показанный на рис. 19.5. Затем этим сигналом модулируется сиг-
нал основной несущей частоты (в частотно-модулирующем генерато-
ре ЧМГ2 рис. 19.6), являющейся промежуточной /прчмг = 70 МГц.
В конверторе канала происходит перенос всего спектра частотно-
модулированного сигнала на рекомендованную частоту передачи «Зе-
мля — Космос» для соответствующего диапазона вещания (6; 14;
18 ГГц). Усилитель мощности (как правило, на лампе бегущей вол-
ны) доводит ЧМ несущую до необходимого уровня, достаточного для
ретрансляции сигнала на спутник.
Телевизионный сигнал с двойной ЧМ звука характеризуется:
• девиацией частоты основного несущего колебания, которое мо-
жет составлять от ±9 до ±15 МГц (в Плане РСС — 12 ГГц
±13,5 МГц):
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
535
• девиацией частоты поднесущей звукового сигнала от ±50 до
±150 кГц;
• девиацией частоты основной несущей, создаваемой сигналом зву-
ковой поднесущей — от 0,5 до 3 МГц.
Последний пункт показывает, что увеличение числа поднесущих
для передачи звуковых программ приводит к уменьшению девиации
несущей от видеосигнала из-за занятости динамического диапазона
полного телевизионного сигнала суммирующимися с ним поднесу-
щими звуковых программ и, следовательно, к ухудшению качества
передачи видеосигнала из-за возможного проявления шумов и пе-
рекрестных помех. В практике вещания обычно применяют не бо-
лее 4-5 частотно-уплотненных совместно с ТВ программой звуко-
вых программ.
Поскольку поднесущие звуковых сигналов расположены в обла-
сти высоких уровней шума, свойственных ЧМ каналам, уменьшить
уровень поднесущих и тем самым перекрестную помеху от их присут-
ствия в видеосигнале можно увеличением девиации самих поднесу-
щих, и тем больше, чем удаленней поднесущая от /в видеосигнала.
Известно, что в каналах с ЧМ сигналов спектральная плотность
шума на выходе частотного детектора растет пропорционально ква-
драту частоты, в то время как спектр мощности сигнала телевизи-
онного изображения быстро падает с ее ростом. Основная мощность
сигнала сосредоточена на низких частотах до 1...2 МГц, что соот-
ветствует крупным деталям изображения. Поэтому при передаче
телевидения методом ЧМ (как и в РРЛ) применяют линейные (ча-
стотные) предыскажения. Ослабляют низкочастотные компоненты
спектра сигнала (до 11 дБ) и поднимают уровень высокочастотных
компонентов (до 3 дБ). Размах сигнала после 'такого преобразова-
ния практически не изменяется. На приемном конце восстанавлива-
ющим фильтром (рис. 19.7) производится обратное преобразование,
при этом ослабляются наиболее мощные высокочастотные составля-
ющие шума. В этом заключается противошумовая функция частот-
ных предыскажений, но кроме того эффективно уменьшаются нели-
нейные искажения по отношению к сложному сигналу цветного теле-
видения со звуковыми поднесущими с характерными показателями
этих искажений — дифференциальной фазой и дифференциальным
усилением. Действительно, ослабление низкочастотной компоненты
сигнала и соответственно вызванной им девиации частоты уменьша-
ет загрузку тракта передачи, способствуя лучшему воспроизведению
высокочастотных компонентов сигнала в тракте ЧМ.
Кроме линейных (частотных) предыскажений передаваемого сиг-
нала в спутниковом телевидении иногда используют нелинейную
обработку видеосигнала. При этом перед частотным модулятором
частотно-предыскажаемый видеосигнал, имеющий вследствие кор-
рекции выбросы на фронтах импульсов, подвергается амплитудному
ограничению. Это уменьшает размах сигнала и позволяет увеличить
536
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 19.7. Частотные пре-
дыскажения видеосигнала:
1 — фильтр предыскажающий;
2 — фильтр восстанавливающий
девиацию, обеспечив тем самым выигрыш по шумам до 2.. .4 дБ без
видимых искажений изображения.
В каналах звука также применяются линейные предыскажения
(подъем высоких частот) простой RC-цепью с постоянной времени
т = 50/75 мкс и нелинейная обработка сигналов звуковых программ
для достижения выигрыша в отношении сигнал/шум с помощью из-
вестных систем компрессии и экспандирования — так называемых
«компандеров».
Наконец необходимо упомянуть способ обработки телевизионно-
го сигнала, применяемый только в спутниковых ЧМ каналах для
обеспечения их ЭМС как друг с другом, так и с наземными служба-
ми радиосвязи. Уровень помех, создаваемых системами СТВ (особен-
но в диапазонах ФСС), не должен превышать установленных МККР
норм. Наиболее сильные помехи системы СТВ вызывают в радиоре-
лейных линиях (РРЛ). Поэтому значение плотности потока мощно-
сти сигналов СТВ у поверхности Земли ограничивается, исходя из
допустимого значения мощности помехи, попадающей в полосу од-
ного телефонного канала РРЛ шириной 4 кГц. Наибольшее меша-
ющее воздействие оказывают дискретные компоненты спектра ЧМ
сигнала, соответствующие, например, синхроимпульсам, так как в
этом случае ППМ на частотах компонентов сигнала сильно возра-
стает. Кроме того, иногда, например, в перерывах передачи излуча-
ется немодулированный сигнал, вся энергия которого сосредоточена
в очень узкой полосе частот.
Для уменьшения помех от СТВ другим системам к видеосигналу
добавляют специальный сигнал дисперсии, обеспечивающий искус-
ственное рассеяние мощности ЧМ сигнала по его спектру, и имеющий
треугольную или пилообразную форму кадровой частоты. В отсут-
ствие сигнала изображения промодулированный сигналом дисперсии
ЧМ сигнал имеет равномерный энергетический спектр. Совместное
действие модулирующего ТВ сигнала и напряжения дисперсии обес-
печивает при больших девиациях частоты снижение мощности ЧМ
сигнала в полосе 4 кГц по сравнению с немодулированной несущей
на 30...36 дБ для разных размахов сигнала дисперсии.
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
537
Аналого-цифровые сигналы спутникового телевидения
типа МАС (см. гл. 13). Системы цветного ТВ типа МАС являют-
ся альтернативными системам с композитной упаковкой (частотным
уплотнением) сигналов цветного телевидения применительно к ка-
налам ЧМ в спутниковом вещании.
Как известно, композитные системы NTSC, PAL и SECAM были
разработаны более 40 лет назад. Их технические решения были ори-
ентированы на передачу методом AM и обеспечение совместимости
между системами черно-белого и цветного телевидения. Это привело
к введению цветовой поднесущей в верхнюю часть полосы частот сиг-
нала яркости, так что цветовая информация оказалась совмещенной
по полосе с высокочастотной информацией о яркости. Именно при-
сутствие этой цветовой поднесущей создает наиболее существенные
ограничения качества сигналов композитных систем, заключающие-
ся в перекрестных помехах, повышенной восприимчивости к шумам
в канале ЧМ и искажениям типа «дифференциальное усиление» и
«дифференциальная фаза».
Перекрестные помехи яркость-цветность и цветность-яркость
проявляются как ограничение эффективной ширины полосы частот
яркостного и цветоразностного сигналов для сравнительно низких
значений (3,5 и 1 МГц для PAL и примерно 2,8 и 0,6 МГц в системе
NTSC). При использовании в ЧМ канале систем с частотным уплот-
нением на сигнал цветности воздействует большая мощность шума,
приходящаяся на единицу полосы частот, чем на сигнал яркости, из-
за треугольного характера распределения шумов по частоте. После
демодуляции вследствие этого нарушается равновесие между шумо-
выми характеристиками канала яркости и цветности и существенно
ухудшается субъективное восприятие изображения.
Новая система компонентного кодирования в ее разных модифи-
кациях была разработана с учетом этих основных недостатков ком-
позитных систем и в соответствии с характеристиками канала ЧМ
спутникового вещания.
Общим для всех модификаций систем МАС является то, что сиг-
нал яркости и один из цветоразностных сигналов активной строки
раздельно сжимаются во времени и размещаются последовательно
в пределах строки для образования сигнала с временным уплотне-
нием аналоговых компонентов. Два сжатых во времени цветораз-
ностных сигнала передаются в чередующихся строках таким обра-
зом, чтобы свести к минимуму необходимые коэффициенты сжатия
всех сигналов и таким образом снизить уровень шумов преобразо-
вания во времени.
При приеме сигнала МАС яркостные и цветностные составляю-
щие восстанавливаются в декодере МАС посредством декомпрессии в
памяти на строку без проявления перекрестных помех и без наруше-
ния равновесия в зашумлении сигналов яркости и цветности каналом
ЧМ. В сравнении с композитными системами NTSC, PAL, SEKAM
538
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
компонентные системы МАС в номинальной полосе спутникового ка-
нала (8,4 МГц до ЧМ) способны передать изображение, близкое по
качеству к цифровому стандарту студии 4:2:2. Так, для D2-MAC
А/у = 5,6 МГц: А// = 2,4 МГц.
В настоящее время в спутниковых каналах СТВ-12 ГГц в основ-
ном применяются системы D2-MAC и В-МАС, общим в которых явля-
ется использование частотной модуляции для аналоговой и цифровой
частей сигналов, что упрощает радиотракты ретранслятора спутни-
ка и наземного приемника, а различие заключается в способах пе-
редачи цифрового потока данных и звука (импульсно-кодовая мо-
дуляция, либо адаптивная дельта-модуляция со средней скоростью
около 1,6 Мбит/с). Поскольку сигналы изображения и цифровых
данных последовательно во времени в этих системах частотно моду-
лируют несущую спутникового канала, в них для повышения отноше-
ния сигнал/шум применяют частотные предыскажения и частотную
коррекцию, как и в композитных системах. Для рассеяния энергии
в спектре излучения также используется известный сигнал диспе-
рсии треугольной формы кадровой частоты для видеосигнала и осу-
ществляется скремблирование (перемешивание) цифрового потока в
виде псевдослучайной последовательности битовых импульсов.
Цифровые сигналы спутникового телевидения. Современ-
ное спутниковое цифровое вещание телевизионных программ при-
меняет для сигналов с высоким уровнем сжатия информации типа
MPEG-2 (см. гл. 13) относительную квадратурную фазовую мани-
пуляцию (ОКФМн), в которой достигается четырехпозиционная фа-
зовая манипуляция несущей канала. Для этого распараллеленным
транспортным потоком манипулируются две несущие, находящиеся
в квадратуре (ортогональные). В итоге модулированная несущая ка-
нала имеет фазу, представленную двухбитовой комбинацией, за счет
чего может быть снижена битовая скорость потока, т.е. сокращена
полоса пропускания канала. Таким образом, в сравнении с ана-
логовым спутниковым каналом, где одна телевизионная программа
занимает транспондер с полосой 27...36 МГц, стандарты MPEG-2 и
ОКФМн позволяют разместить в таком канале четыре программы
студийного качества (9 Мбит/с) или 6-8 программ бытового каче-
ства (типа S-VHS).
В звуковой части стандарт MPEG-2 поддерживает до пяти пол-
ных широкополосных каналов или до семи многоязычных коммен-
таторских каналов.
В цифровом телевидении, использующем сигналы с высоким
уровнем сжатия информации, необходимо применять эффективное
обнаружение и исправление ошибок. Кроме того, для улучшения
ЭМС спутниковых каналов ТВ вещания необходимо обеспечивать
рассеяние энергии спектральных составляющих в полосе канала со-
гласно рекомендациям Регламента радиосвязи для РСС и ФСС. Для
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
539
этого транспортный поток цифровых данных подвергается псевдо-
случайному двоичному скремблированию на передаче так же, как
это происходит в цифровых потоках данных систем МАС при задан-
ных значениях ППМ в зонах обслуживания.
Обнаружение и исправление.ошибок в битах транспортного пото-
ка осуществляется с помощью кода Рида-Соломона в пакетах транс-
портного потока, а также сверточным перемежением и сверточным
кодированием. Очевидно, что эти меры реализуются за счет введе-
ния избыточности в транспортный поток и тем самым уменьшения
пропускной способности канала. Степень увеличения избыточности
от последних двух мероприятий можно регулировать в зависимости
от мощности передатчика, размера антенны и желаемого качества
транслируемого изображения.
19.4. Прием сигналов СНТВ
Современное состояние спутникового телевизионного вещания
характеризуется использованием в транслируемых ТВ программах
аналоговых сигналов типа NTSC, PAL, SEKAM, аналого-цифровых
сигналов типа МАС методом ЧМ с номинальной полосой радиоспек-
тра ЧМ — 27 МГц. Цифровое спутниковое ТВ вещание по систе-
ме MPEG-2/DVD-S, начатое существенно позже упомянутых выше
аналоговых систем для совместимости встроено в существующий ча-
стотный план распределения ТВ каналов, принятый ВАКР-СТВ для
РСС и ФСС. Поэтому приемная установка спутникового вещания для
аналоговых или цифровых программ будет иметь отличие только в
демодуляторе и декодирующем устройстве, которые должны обеспе-
чить на выходе низкочастотные сигналы видео и звука в стандарте
наземного вещания (NTSC, PAL, SEKAM).
Приемник спутникового ТВ представляет собой комплект уст-
ройств для приема ТВ радиосигналов с телекоммуникационных спут-
ников или спутников вещания. Он состоит из наружного блока, ко-
торый содержит антенну и конвертор частоты, и внутреннего блока,
называемого тюнером, а также (при индивидуальном приеме) стан-
дартного ТВ приемника (см. рис. 19.7). При коллективном прие-
ме абонентам доставляются программы вещания от общей приемной
установки с помощью наземной системы распределения, кабельной
либо эфирной (с передатчиком малой мощности).
Для приема ТВ со спутников широкое применение нашли про-
стые осесимметричные параболические антенны и антенны с выне-
сенным облучателем. Такая антенна состоит из рефлектора в виде
фрагмента параболической поверхности и источника излучения (об-
лучателя), размещенного в фокусе рефлектора. Параболическая по-
верхность обладает тем свойством, что пучок лучей, падающих на
рефлектор параллельно его оси, после отражения пересекается в од-
ной точке, называемой фокусом.
540
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
В документах ВАКР-СТВ для НТВ рекомендуется применять
параболические антенны диаметром около 0,9 м с усилением око-
ло 38,5 дБ на частоте 12 ГГц и шириной диаграммы направленно-
сти (ДН) по уровню половинной мощности около 2°. Правильно
спроектированная антенна имеет шумовую температуру в пределах
40...80 К в условиях чистой атмосферы. В условиях сильного погло-
щения электромагнитной волны в атмосфере (свыше 10 дБ) шумо-
вая температура антенны приближается к физической температуре
окружающей среды, т.е. к 290 К. Влияние Солнца на шум антенны
велико и непостоянно во времени.
Добротность приемной системы (коэффициент добротности G/T)
зависит от диаметра и шумовой температуры антенны, а также от
коэффициента шума приемника (конвертора). Если известны зна-
чения двух последних параметров, то диаметр антенны, определяю-
щий мощность сигнала на входе приемника, можно определить из
таблицы зависимостей D = tp^G/T^F) для приема сигналов с ве-
щательных спутников (D = 0,20... 1,23 м при G/T = 15...25 дБ
и F = 1,0...3,0 дБ), приведенной в [88].
Как известно, в частотных планах СНТВ ФСС и РСС частотные
каналы могут использовать два противоположных вида поляриза-
ции. В приемной установке, ее наружном блоке, выбирают сигнал
с одной поляризацией, второй сигнал с ортогональной поляризаци-
ей подавляют в поляризаторе. Поэтому поляризатор следует раз-
местить между поляризационно-изотропным облучателем и входом
конвертора (входным волноводом), обусловливающим определенную
ориентацию плоскости поляризации электромагнитного поля. Пере-
ключение вида линейной поляризации осуществляется механическим
или магнитным поляризатором дистанционно с помощью управля-
ющих сигналов, вырабатываемых во внутреннем блоке. Для прие-
ма сигналов, имеющих вращающуюся поляризацию, необходимо ис-
пользовать дополнительное устройство (отрезок круглого волновода
с плоскими продольными неоднородностями), преобразующее поле с
вращающейся поляризацией в поле с линейной поляризацией. Оно
включается между выходом облучателя антенны и входом механи-
ческого или магнитного поляризатора. Для упрощения входного по-
ляризационного устройства конвертора ведутся разработки по созда-
нию поляризаторов, обеспечивающих прием сигналов как с линейной,
так и с вращающейся поляризацией.
Общепринятой для приемных установок спутникового телевиде-
ния в диапазоне частот 11... 12 ГГц является схема с двойным пре-
образованием частоты (рис. 19.8). Сигнал от ИСЗ, принятый ан-
тенной системой в диапазоне частот 10,95... 11,7 или 11,7... 12,5 ГГц
(мощность около 3 пВт с телекоммуникационных спутников и около
150 пВт с вещательных спутников), проходит через блок выбора ви-
да поляризации и поступает на вход конвертора. Этот блок обычно
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
541
Наружный блок
Поляризатор —t—[ МШУ [-------1 См |—| УПЧ],
' 10,95...11,7 ГГц I |
1 (11,7...12,5 ГГц) | Конвертор I Гет I
L_________________L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Рис. 19.8. Структурная схема индивидуальной приемной установки аналого-
вого ТВ
имеет небольшие габариты, например 40x40x100 мм, и устанавлива-
ется непосредственно на антенну креплением к фланцу поляризатора
для минимизации потерь во входном волноводном тракте и соответ-
ствующего снижения входной шумовой температуры приемной систе-
мы. В состав конвертора входят малошумящий усилитель (МШУ),
фильтр, преобразователь (смеситель См) с гетеродином Гет, стабили-
зированным диэлектрическим резонатором, усилитель УПЧ1. После
первого преобразования принятый сигнал размещается в диапазоне
0,95... 1,75 ГГц, усиливается и по коаксиальному кабелю передается
на вход внутреннего блока. По этому же кабелю на наружный блок
может передаваться напряжение электропитания.
На входе внутреннего блока устанавливают СВЧ соединитель ти-
па N или чаще всего — специально разработанный для этой цели
упрощенный соединитель типа F, рассчитанный на непосредствен-
ное соединение с коаксиальным кабелем без пайки. Малошумящий
усилитель должен обеспечивать усиление 25...30 дБ во всей рабочей
полосе, т.е. в диапазоне 10,9... 11,7, либо 11,7...12,5 ГГц; коэффи-
циент шума МШУ должен быть минимальным. В настоящее время
большинство фирм-производителей выпускают МШУ с шумами ме-
нее 1 дБ. Коэффициент шума усилителя характеризует добавку в
соотношение сигнал/шум, которую дает усилитель. В ряде случа-
ев требуется размерность коэффициента шума F в относительных
единицах, более часто используют логарифмическую размерность —
децибелы: Гдб = 101gF. Кроме того, удобно пользоваться понятием
542
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
«шумовая температура», которая измеряется в градусах Кельвина
и связана с коэффициентом шума в относительных единицах соот-
ношением Тш = (F - 1)ТЬ, где ТЬ — температура окружающей сре-
ды. Значение Тш определяется элементной базой МШУ и лежит в
пределах 100...450 К.
Во внутреннем блоке происходит второе преобразование часто-
ты. В большинстве европейских стран принято значение второй ПЧ
480 МГц, в США — 612 МГц.
Выбор желаемой программы обеспечивается настройкой гетеро-
дина преобразователя на частоту принимаемого сигнала. Перестра-
иваемый гетеродин обычно работает в диапазоне 1,4...2,2 ГГц и вы-
полняется на варакторах. Синхронно с гетеродином перестраивается
и включенный в УПЧ[ фильтр (предселектор). Фильтр пропуска-
ет требуемый канал с ослаблением 3...6 дБ и подавляет все прочие
частоты до —28... — 30 дБ.
Полосно-пропускающий фильтр (ППФ) обеспечивает требуемую
селективность. Наиболее часто для этого применяют фильтры на
поверхностно-акустических волнах (ПАВ), хотя они имеют большое
ослабление в рабочей полосе пропускания. В отдельных моделях
тюнеров применяют несколько ППФ с разными полосами и комму-
тируют их для регулировки полосы.
В представленной на рис. 19.8 версии аналогового приемника ча-
стотный демодулятор (ЧД) является одним из наиболее ответствен-
ных узлов внутреннего блока. Наиболее простая схема — частотный
детектор на расстроенных контурах — используется лишь в радио-
любительских конструкциях. В современных промышленных тюне-
рах в качестве ЧД обычно применяют синхронно-фазовые детекторы
со следящим контуром, которые имеют пороговые отношения сиг-
нал/шум 6... 10 дБ.
На выходе демодулятора получается композитный сигнал в стан-
дарте PAL, SECAM или систем МАС совместно с сигналами подне-
сущих звука. Из композитного сигнала выделяются видеосигналы
в виде сигналов основных цветов R, G, В или в виде сигналов У,
U, V. Эти сигналы совместно с сигналами звука подводятся к со-
единителю типа BNS-75 Ом или универсальному соединителю типа
«Euroconnector» (SCART) стандартного ТВ приемника. Для прием-
ников старого типа, не имеющих такого входа, тюнер снабжают ам-
плитудным модулятором, позволяющим создавать ТВ радиосигнал
в диапазоне УКВ (стандарт PAL или SECAM), который затем под-
водится к антенному гнезду стандартного ТВ приемника. Дополни-
тельные выходы внутреннего блока предусмотрены для подачи ви-
деосигнала и сигнала звукового сопровождения (в ряде случаев и
звукового стереовещания) на специальные входы телевизора, видео-
магнитофона или стереосистемы.
Видеосигнал размещается в полосе частот от 0 до 5 МГц. Восста-
новление предыскажений и подавление сигнала дисперсии (СД) про-
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
543
Цифровое аудио
Аналоговое аудио
ВЧ выход 1 Аналоговое
НЧ выход | видео
Цифровое видео
Рис. 19.9. Обобщенная структурная схема декодера цифрового приемника
MPEG-2/DVB-S
изводится по видеочастоте после частотного демодулятора. Как из-
вестно, при правильном выборе амплитуды и частоты СД спектраль-
ная составляющая с большой амплитудой как бы размывается по
спектру, превращаясь в ряд спектральных составляющих (непрерыв-
ную полосу) со значительно меньшими амплитудами. В соответствии
с Рекомендациями ВАКР введение СД с девиацией частоты 600 кГц
обеспечивает уменьшение интенсивности помехи (наземным службам
связи) в полосе 4 кГц на 22 дБ. Сигнал дисперсии частотой 25...30 Гц
(в разных ТВ сигналах частота его разная) следует исключить из ви-
деосигнала до его передачи в стандартный ТВ приемник. Это можно
сделать с помощью относительно несложной схемы фиксации уровня.
Сигнал звукового сопровождения передается па поднесущей ча-
стоте в диапазоне 5,5...8 МГц. Поэтому тракт звукового сопровожде-
ния состоит из узлов, широко применяемых в УКВ ЧМ приемных
устройствах, и должен обеспечивать возможность плавной настройки
на поднесущую частоту принимаемого канала, адаптацию к различ-
ным стандартам предыскажений и возможность приема ЧМ сигналов
при изменении девиации частоты поднесущей от 50 до 150 кГц.
Конструктивно внутренний блок имеет сходство с тюнером УКВ,
выполняет сходные функции, поэтому его часто называют просто
тюнер.
Приемное устройство цифрового спутникового телевидения си-
стемы MPEG-2/DVB-S имеет устройство радиотракта, аналогичное
тюнеру рис. 19.8, так как частотный план цифрового вещания соот-
ветствует аналоговому. Отличие заключается в способе демодуляции
радиосигнала — ОКФМн и последующем декодировании транспорт-
ного потока в соответствии с процедурой MPEG-2.
На рис. 19.9 представлена декодирующая часть цифрового спут-
никового тюнера в обобщенном виде. После того как выделенный
сигнал цифровой несущей в радиотракте приемника проходит ци-
544
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
фровые цепи демодуляции — ОКФМн, он преобразуется в инфор-
мационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство
исправления ошибок. В демультиплексоре информационный поток
разделяется на два канала: аудио и видео. Декодеры MPEG-2 видео
и аудио поддерживают самые различные форматы и имеют большое
число выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио,
аналоговое аудио, RGB-выход и пр.
Управление работой демультиплексора осуществляет микропро-
цессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок
управления.
В комплект индивидуального приемника спутникового ТВ веща-
ния помимо антенны, поляризатора, конвертора и тюнера входят и
дополнительные устройства с различными сервисными функциями:
блок дистанционного управления антенной, дешифраторы закодиро-
ванных программ, декодер систем с мультиплексированием аналого-
вых компонентов сигнала (МАС) и др.
Для жителей многоквартирных домов в больших городах уста-
новка индивидуальной спутниковой антенны едва ли возможна, и
наиболее приемлемым средством оказывается коллективный прием.
Оборудование для коллективного приема содержит те же составные
части, что и для индивидуального. Отличие заключается в том,
что для каждой программы необходим свой внутренний (канальный)
блок. В коллективных системах обычно используется антенна боль-
шего диаметра (от 2 до 4 м) и двухканальный наружный блок, обес-
печивающий возможность одновременного приема сигналов двух ор-
тогональных поляризаций. Блок состоит из поляризационного де-
лителя и двух конверторов. В состав оборудования для коллектив-
ного приема входят также широкополосные делители мощности для
подключения канальных блоков и устройства для организации рас-
пределительной сети.
Практически используют два возможных способа распределения
спутниковых ТВ программ — передача ЧМ сигналов в полосе первой
ПЧ спутникового приемника 0,95... 1,75 ГГц или передача AM сигна-
лов в стандарте наземного ТВ вещания.
Первый способ предполагает наличие у каждого абонента своего
внутреннего блока; коллективными являются лишь антенна и наруж-
ный блок. Требуется минимальный объем дополнительного оборудо-
вания — усилители и делители мощности сигнала на полосу частот
0,95... 1,75 ГГц. Этот способ имеет серьезные недостатки: несовме-
стимость с наземным ТВ вещанием (требуется отдельная кабельная
сеть), большое затухание сигнала в распределительной сети и др.
Второй способ более универсален — обеспечивает возможность
приема на обычный ТВ приемник программ наземного и спутниково-
го вещания, передаваемых в разных стандартах, с разных ИСЗ, од-
нако требует на головной станции кабельной сети наличия большого
ГЛАВА 19. Спутниковое телевизионное вещание
545
Рис. 19.10. Оборудование для коллективного приема ТВ программ с ИСЗ:
1 — демодулятор; 2 — дешифратор; 3 — транскодер; 4 — ТВ модулятор
объема сложного оборудования. Как показано на рис. 19.10, сигна-
лы с различными поляризациями, принятые одной или нескольки-
ми антеннами, демодулируются, дешифруются (если на передающей
стороне они подверглись зашифровке), в необходимых случаях осу-
ществляется преобразование стандарта цветного телевидения. За-
тем формируются AM сигналы в диапазонах МВ и ДМВ наземного
ТВ вещания или в полосах частот, специально отведенных в Евро-
пе для кабельных сетей. Принципы построения таких сетей будут
рассмотрены в гл. 20.
Подробности реализации аппаратуры и расчета систем спутни-
кового ТВ вещания освещены в [89-91].
Глава 20
СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
20.1. Принципы построения приемной
телевизионной сети
Приемная ТВ сеть состоит из совокупности индивидуальных
устройств приема ТВ программ и радиосигналов УКВ ЧМ вещания и
приемных систем телевидения и радиовещания (систем коллективно-
го приема ТВ). В состав первых входит индивидуальная комнатная
546
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
или наружная приемная ТВ антенна, антенный фидер в виде отрез-
ка радиочастотного кабеля и ТВ приемник. Системы коллективного
приема ТВ (СКПТ) состоят из одной или нескольких наружных ан-
тенн направленного действия, установленных на крышах зданий или
мачтах, одноступенчатой домовой распределительной сети (ДРС) с
одним или двумя последовательно включенными усилителями и не-
скольких десятков (одно жилое или общественное здание) или сотен
(несколько зданий) абонентов ТВ и УКВ ЧМ приемников.
Особенностью приема ТВ передач в крупных городах является
появление между зданиями стоячих волн в результате интерферен-
ции прямых и отраженных от стен зданий и других препятствий лу-
чей, а также возниковение за высокими домами зон радиотени. В ре-
зультате образуются зоны неуверенного приема и искажения в виде
ряда сдвинутых друг относительно друга по горизонтали повторных
изображений и снижения четкости. Особенно это относится к рас-
пространению ДМВ, где длина волны значительно меньше размеров
многих встречающихся на пути распространения препятствий.
Для повышения качества ТВ приема создаются крупные систе-
мы коллективного приема ТВ (КСКПТ) с двухступенчатой PC —
субмагистральная сеть (СМС) и ДРС, объединяющие несколько СК-
ПТ небольшого района с общим числом абонентов до 10000. Все они
работают от одних и тех же направленных ТВ антенн, которые вы-
несены на крышу ближайшего высокого здания, с крыши которого
имеется прямая видимость на передающую антенну ТЦ.
Трехступенчатые PC большой протяженности — магистральная
сеть (МС), СМС и ДРС — с числом абонентов свыше 5000 (боль-
шие районы или целые города) используются в КСКПТ или систе-
мах кабельного ТВ.
Упрощенная структурная схема СКПТ приведена на рис. 20.1,а.
Прием ведется на несколько коллективных одноканальных, многока-
нальных или широкополосных антенн У, соединенных кабелем сни-
жения с домовой распределительной сетью.
Домовая распределительная сеть состоит из: канального или
диапазонного ТВ фильтра 2, предназначенного для подключения
к общей PC двух расположенных на одной мачте антенн, работа-
ющих в различных частотных диапазонах (например, 48,5...100 и
174...230 МГц); канального, диапазонного или широкополосного ТВ
усилителя (УТ) включаемого в ДРС при недостаточном уровне сиг-
нала, поступающего к ТВ приемникам; разветвителя (распределите-
ля) на резисторах или направленных ответвителях обеспечиваю-
щего сохранение согласования при распределении мощности сигнала
между несколькими линиями ДРС; линий ДРС 6 (коаксиальные ка-
бели типа РК или КПТМ с затуханием на частоте 200 МГц не более
130 дБ/км), предназначенных для питания абонентских линий ДРС;
ответвителей 5 (обычно на шесть абонентских выходов, например ти-
па УАР-6), расположенных на лестничной клетке каждого этажа зда-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
547
Рис. 20.1. Структурная схема СКПТ
ния и необходимых для ответвления части энергии радиосигнала из
линии ДРС в абонентские линии; абонентских линий 7 (кабели ти-
па РК и КПТА с »2оо 200 дБ/км), соединяющих ответвители с
абонентскими розетками 10 или при их отсутствии со штеккера-
ми, предназначенными для подключения к абонентским устройствам
— телевизорам Ои УКВ ЧМ приемникам; нагрузочных резисторов <5,
подключаемых к выходу последних, расположенных на. нервом этаже
ответвительных устройств и имеющих сопротивления, равные волно-
вому сопротивлению кабелей в линиях ДРС.
Возможность размещения ТВ каналов в метровом диапазоне
волн очень ограничена и практически уже исчерпана во многих стра-
нах. Увеличить число ТВ каналов можно организацией ТВ вещания в
частотных диапазонах 4 и 5. Здесь возможны два способа приема ТВ
программ. Первый заключается в том, что свободные каналы метро-
вого диапазона т, не используемые в данном районе для ТВ вещания,
заполняются сигналами ТВ программ дециметрового диапазона к пу-
тем их преобразования по частоте (конвертирования). Для каждого
канала необходим свой конвертор к/т (рис. 20.1,6). Достоинством
этого способа является то, что не следует переделывать существую-
щие сети СКПТ Никаких изменений в схемах ТВ приемников также
не требуется. Недостаток заключается в ограничении числа ТВ кана-
лов, так как вместе с действующими каналами метрового диапазона
их число теоретически не будет превышать 12, а практически — рав-
но 5—6 (с учетом существующей практики чередования рабочих и
«нерабочих» каналов для повышения помехоустойчивости).
548
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Сигнал, принятый на дециметровую антенну Адмв, поступает в
УВЧ коллективной приставки — конвертора k/m — и далее в смеси-
тель См, куда подаются также колебания первого гетеродина Г. Вза-
имное расположение несущих изображения и звука приставка менять
не должна, поэтому частота гетеродина должна быть меньше частоты
приходящего сигнала. Стабильность частоты гетеродина достигает-
ся применением кварцевого генератора и последующим умножением
одной из его высших гармоник. На выходе смесителя получается
сигнал первой промежуточной частоты, соответствующий одному из
свободных каналов метрового диапазона. Этот сигнал усиливается в
дополнительном УВЧ и подается на общую распределительную сеть.
При втором способе приема ТВ (рис. 20.1,в) сигналы передаются
по распределительной сети вплоть до ТВ приемника непосредственно
в диапазоне ДМВ, без преобразования. Применяется дополнитель-
ная антенна ДМВ или одна всеволновая антенна. Число ТВ каналов
при этом возрастает и не ограничится емкостью 12-канального селек-
тора каналов СКМ приемника. Это несомненное достоинство такого
способа, так как поставленная задача — увеличение числа каналов
— здесь решается без ограничений. Работа стандартных ТВ прием-
ников обеспечивается установкой в них блоков СКД. Естественно,
что вместо двух селекторов каналов СКМ и СКД удобнее приме-
нить один всеволновый блок СКВ. В связи с расширением переда-
ваемой полосы частот при использовании дециметрового диапазона
ДРС требуют коренной переделки.
Следует отметить, что в СКПТ:
• качество изображения может ухудшаться за счет опережающих
повторов, возникающих в диапазоне МВ (где нет конвертирова-
ния) вследствие приема на фидер ДРС и антенный вход теле-
визора электромагнитных колебаний от местных ТВ радиопе-
редатчиков;
• помехозащищенность уменьшается за счет применения диапазон-
ных и широкополосных антенн;
• в диапазоне МВ возможно использование не более шести рабо-
чих каналов.
Поэтому можно сделать вывод, что системы СКПТ не являются
перспективными. Более предпочтительны КСКПТ с кабельной PC
(до 4 км) и магистральными усилителями (через 500 м), где ком-
плекс передающего оборудования (головная станция — СГ) вклю-
чает в себя канальные узконаправленные антенны, канальные уси-
лители и канальные фильтры выбранного канала, где используется
двойное преобразование частоты (/Пч1 = 31,5...38 МГц), применяет-
ся УПЧ с фильтрами на ПАВ. В КСКПТ частотный набор сигналов
никогда не совпадает с исходным, поэтому сигналы передатчиков на-
земного вещания на качество изображения у абонентов кабельной
сети практически не влияют.
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
549
20.2. Принципы построения систем
кабельного ТВ
Для обеспечения высококачественного ТВ приема в районах с
низкой напряженностью поля и в городах с разноэтажной застрой-
кой, где высок уровень отраженных сигналов, ТВ программы необ-
ходимо передавать по проводным линиям связи — коаксиальным и
волоконно-оптическим кабелям. Поэтому в этих распределительных
системах кабельного телевидения (КТВ) помех меньше, число ТВ ка-
налов может быть увеличено на порядок (до 100 и более) и становится
возможной организация обратного канала. Следует отметить, что в
отечественных системах КТВ (СКТВ) в диапазоне 110...174 МГц, не
используемом для эфирного ТВ вещания, предусмотрено дополни-
тельно восемь спецканалов (СК1-СК8), а в диапазоне 230...294 МГц
— еще восемь (СК11-СК18). Таким образом, в СКТВ максималь-
ное число ТВ каналов 20 при полосе до 230 МГц и 28 при полосе до
300 МГц (12 + 8 + 8). Однако из-за ограничений на возможность
совместного усиления и передачи сигналов максимальное число ис-
пользуемых каналов снижается более чем в два раза. Тем не менее в
рассматриваемых системах существует подача дополнительных про-
грамм от местных мини-студий или видеоаппаратных, а также от
приемных пунктов спутникового ТВ вещания.
Системы КТВ, имеющие свыше 5000 абонентов при большой про-
тяженности распределительной сети, в будущем станут многоцеле-
выми. Телевизионные программы в PC могут передаваться в полосе
частот до 600...700 МГц и выше; возможна автоматизация процесса
управления системой. Таким образом, система КТВ — это по сути
КСКПТ с расширенными возможностями. Основные виды услуг, пре-
доставляемых многофункциональными КТВ, могут быть следующи-
ми: коммерческое и учебное ТВ и радиовещание, в том числе переда-
ча специальных программ (спортивных, информационных, справоч-
ных и др.) и программ, заказанных зрителями по обратному каналу
связи; телефон и видеотелефон; телеграф и фототелеграф; почтовая
корреспонденция; газеты и журналы; доступ в библиотеку; услуги со
стороны вычислительных центров; прочие услуги. Для приема по-
чтовой корреспонденции, включая газеты, журналы и библиотечную
информацию, абонент должен иметь электронное буквопечатающее
устройство для печати на бумагу или на ленту.
Для уменьшения индустриальных помех и отраженных сигна-
лов приемный пункт системы КТВ должен быть вынесен за город и
расположен на холме или установлен в самом высоком здании дан-
ного микрорайона. Полосы частот каналов диапазонов МВ и ДМВ
преобразуются на головной станции в свободные в данной местности
полосы частот каналов метрового диапазона. В этом случае зна-
чительно уменьшается заметность наведенных на входные цепи ТВ
приемников сигналов от ТВ передающих станций.
550
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
В оборудовании станции предусматривается АРУ по каждому ка-
налу. При необходимости используется пилотное регулирование —
автоматическая регулировка уровня и наклона АЧХ в магистраль-
ных усилителях (АРУиН), которые работают по пилот-сигналам с
частотами 110 и 235 МГц, вводимыми в линейный тракт с головной
станции. По магистральным линиям осуществляется также дистан-
ционная подача питающего напряжения для усилителей.
Возможна передача внутрисистемных сигналов, допускается
двунаправленная передача. Есть три варианта решения проблемы
двусторонней связи. Первый — самый надежный, заключается в
том, что используются два отдельных кабеля со своими усилите-
лями: один кабель для прямой передачи, другой — для обратной.
Более экономичным является второй вариант: использование одного
кабеля и установка на ретрансляционных пунктах по два усилителя
(по одному на каждое направление) с соответствующими фильтра-
ми. Принципиально возможно при одном кабеле обойтись всего од-
ним усилителем (третий вариант), если использовать сложную систе-
му фильтров. Однако этот метод из-за высоких перекрестных помех
применим только при небольших уровнях сигнала (распределитель-
ные сети). В магистральных линиях используется второй вариант.
Системы КТВ могут иметь древовидную схему построения рас-
пределительной сети, кольцевую или радиальную. Схема построения
системы КТВ в соответствии с ГОСТ 11216-83 имеет древовидную
структуру и изображена на рис. 20.2. Она состоит из головной стан-
ции, где сигналы обрабатываются, преобразуются по частоте и уси-
ливаются, и распределительных сетей: магистральных сетей (линий)
(МС), субмагистральных сетей (СМС) и домовых распределительных
сетей (ДРС), подсоединяемых к МС и СМС с помощью направлен-
ных ответвителей (ответвителей магистральных ОМ). Абонентские
разветвители (РА) и коробки (КА) служат для подсоединения або-
нентских отводов к линиям ДРС и ТВ и УКВ ЧМ приемникам.
Существенным недостатком КТВ является необходимость уста-
новки промежуточных магистральных усилителей (УМ) в МС и СМС
— примерно через каждые 0,5...1 км. Усилители могут устанавли-
ваться и перед линиями ДРС (УД — домовой усилитель). Для
каждого ТВ канала устанавливается отдельная приемная антенна.
Кроме программ эфирного вещания от местных ТЦ на пункт распре-
деления ТВ программ (станция КТВ или головная станция) поступа-
ют также программы по кабельным, радиорелейным и спутниковым
линиям связи. Блоки дистанционного питания (БП) обеспечивают
питание усилителей PC через кабель.
Платные каналы КТВ на головной станции подвергаются скрем-
блированию (обычно это подавление синхросигнала и инверсия ви-
деосигнала ПСИВ) для предотвращения приема программ абонента-
ми, не желающими оплачивать услуги. При этом значительно снижа-
ется общая мощность несущей и уровень продуктов интермодуляции.
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
551
УМ-202
ОМ-102
Магистральная линия
УМ-221
УМ-222 ‘'У М-201
Домовая распределительная система (ДРС)
УМ-201
ОМ-102
К ДРС
этаж
РА-104
75 Ом
:() РА-102
:()ра-102
У УМ-201
2
этаж
1
этаж
УД-201
КА-102
ОМ-101
О-
:() РА-102
1 подъезд
ОМ-101
о
К подъезд
Дом этажей - п, подъездов - К
Г
о
о
О
Рис. 20.2. Системы КТВ с древовидной схемой построения PC
Поэтому способ ПСИВ широко используется в системах с большой
загрузкой как для ее уменьшения, так и для скремблирования сиг-
нала. Такой сигнал становится почти неразборчивым, пока он не
будет дескремблирован у абонента.
20.3. Головная станция
Рассмотрим принципы построения и основные технические ха-
рактеристики разработанных в нашей стране комплексов оборудова-
ния различных серий для головных станций КТВ (СГ).
Первая система на промышленном оборудовании серии 100 сдана
в эксплуатацию в 1986 г. Головная станция серии 100 предназначе-
на для приема до пяти ТВ программ одновременно в ТВ диапазонах
МВ и ДМВ и до шести программ УКВ ЧМ радиовещания в диапа-
зоне 66...73 МГц, однократного преобразования ТВ каналов в стан-
дартный канал диапазонов МВ и последующей передачи в кабельную
сеть протяженностью до 1,5 км (четыре ступени усиления) с числом
абонентов от нескольких сотен до нескольких тысяч.
Головная станция серии 200 (1987 г.) предназначена для систем
с числом абонентов от 2 до 10 тыс. с подачей ТВ сигнала по ка-
белю на расстояние до 4 км (8-9 ступеней усиления). Структурная
схема станции приведена на рис. 20.3. В состав СГ входят: базовая
стойка с установленными в ней блоком сложения (ВС), приемопере-
датчики (ПП) МВ и ДМВ (по числу принимаемых каналов — на ка-
ждый канал отдельная «корзина» в стойке), диапазонный усилитель
(66...73 МГц) УКВ ЧМ вещания, основной и резервный, выполнен-
ный в виде двух полукомплектов, генератор опорных частот (ГОЧ),
552
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 20.4. Структурная схема ПП станции СГ-200
формирующий стабилизированные по амплитуде и частоте пилот-
сигналы для АРУ и Н (U — 0,16 В, Fni = 110 МГц, Fn2 = 235 МГц)
и сигнал опорной частоты /оп — 31,25 кГц для синхронизации ге-
теродинов всех пяти ПП.
Преобразование частоты ТВ сигналов в наборе ПП (от трех до
пяти) — двойное, в любой канал диапазонов МВ. В тракте пер-
вой ПЧ (31,25 ... 39,25 МГц) использованы фильтры на ПАВ, что
обеспечивает высокую избирательность по соседнему каналу. Но-
минальные входные уровни не менее 70 дБ/мкВ, выходные уровни:
114±3 дБ/мкВ для ТВ каналов, 108±3 дБ/мкВ для УКВ ЧМ веща-
ния и 104 дБ/мкВ для пилот-сигналов.
Головная станция в зависимости от наличия или отсутствия в
эфире программ ТВ или УКВ ЧМ может работать в рабочем или
дежурном режиме.
Блоки ПП — специализированные устройства, предназначенные
для конвертирования сигналов только одной пары канал-канал, о
чем указывается на лицевой панели блока. В состав ПП (рис. 20.4)
входят конверторы (основной и резервный), синтезаторы частот (ос-
новной и резервный), блок автоматики (на рисунке не указан), блок
питания, делитель сигнала, датчик МВ/ДМВ, блок коммутации. На-
личие автоматического резервирования основных блоков станции га-
рантирует высокую надежность ее работы (наработка на отказ не
менее 5000 ч).
В дежурном режиме напряжение питания подается только на
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
553
датчик сигнала (ДС) и компаратор блока автоматики (БА). Как
только начинает работать передатчик на канале настройки ПП и
уровень сигнала на выходе ДС превысит минимально допустимый,
то сразу включаются все узлы ПП и ГОЧ.
Принятый на канальную антенну радиосигнал через ступенча-
тый аттенюатор (дБ) подается на вход ДС; при необходимости вместо
аттенюатора включается антенный усилитель. После двухконтур-
ной избирательной цепи, четырехкаскадного апериодического усили-
теля и детектора сигнал поступает на индикатор уровня БА. Ре-
зультаты сравнения размаха видеосигнала с опорным напряжением
отображаются с помощью светодиодов на лицевой панели конверто-
ра. Предусмотрено пять оценочных градаций: —10, —5, 0 (норма
—70 дБ/мкВ), +5, +10 дБ. Необходимые коррективы можно вне-
сти входным аттенюатором.
Входной трехкаскадный апериодический усилитель (ВхУ) имеет
избирательные Г С1 цепи на входе и выходе и обеспечивает избира-
тельность по зеркальному каналу не менее 50 дБ.
В первом диодном кольцевом балансном смесителе (Cmi ) осуще-
ствляется преобразование частоты сигналов принимаемого канала на
промежуточную частоту (31,5...38 МГц).
На входе УПЧ включен аттенюатор на p-i-n диодах, регулируе-
мый АРУ. С увеличением управляющего напряжения (от 2 до 10 В)
сопротивление p-i-n диодов уменьшается и сигнал проходит с мини-
мальным ослаблением. Усилитель — двухкаскадный, между каска-
дами включен фильтр на ПАВ. Для ТВ сигналов на 1,5 МГц ниже
и на 8 МГц выше несущей изображения обеспечивается избиратель-
ность не менее 25 дБ.
В См2 сигналы ПЧ преобразуются в частотный диапазон вы-
бранного канала. Частоты /Г1 и /Г2 на оба смесителя поступают
от синтезатора частоты (СЧ).
На входе выходного усилителя (Вых У) установлен канальный
LC-фильтр канала конвертирования. Усилитель — апериодический
четырехкаскадный на транзисторах КТ939А с повышенной линейно-
стью характеристик. Все каскады симметричны и охвачены глубокой
комбинированной ООС по постоянному и переменному токам. После
согласующего трансформатора (Т) сигнал подается на блок сложе-
ния (БС) (см. рис. 20.3), а часть его ответвляется в систему АРУ
(детектор и однокаскадный усилитель постоянного тока на операци-
онном усилителе). Предусмотрена возможность отключения системы
АРУ и переход на ручное управление.
Пример условного обозначения головной станции: СГ-215-06, где
первая цифра — принадлежность к серии 200; вторая цифра — на-
личие генератора пилот-сигнала; третья цифра — число принимае-
мых каналов; четвертая и пятая цифры — вариант комбинации при-
емопередатчиков. Габаритные размеры станции, мм: 500x540x1800,
масса 170 кг.
554
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
20.4. Распределительная сеть
Основными элементами PC являются коаксиальные кабели, уси-
лители, магистральные ответвители (ОМ), абонентские разветвители
(РА) и абонентские коробки (КА).
Коаксиальные кабели. Как правило, в СКТВ полоса частот
прямой передачи (от станции к абоненту) 50...300 МГц (частотные
диапазоны 48,5...66, 76...100, 100...174, 174...230 и 230...294 МГц), по-
лоса частот обратной передачи (от абонента к станции) 5...30 МГц,
а протяженность линий МС и СМС составляет несколько десятков
километров. Для линий МС и СМС разработаны специальные ко-
аксиальные кабели с изоляцией из сплошного или пористого поли-
этилена, диаметром внутреннего проводника 1,74...3,75 мм с алюми-
ниевым (толщиной 1,2... 1,4 мм) или медным (0,18 мм) внешним про-
водником и наружным диаметром кабеля 15,3...22,2 мм, например,
РК-75-17-14С, РК-75-11-31С. Затухание кабелей в диапазоне МВ не
превышает 50 дБ/км.
Для линий ДРС и абонентских линий наиболее предпочтитель-
ны кабели РК-75-11-11С (вместо РК-75-9-13), РК-75-4-11, РК-75-4-
113, РК-75-4-37, РК-75-3,7-31 и др. с затуханием на частоте 200 МГц
49(92), 170, 120, 98 и 114 дБ/км соответственно.
Допустимое затухание кабелей на частоте 200 МГц должно быть
не более 25 дБ/км для МС КТВ, в пределах 25... 130 дБ/км для СМС
и линий ДРС и в пределах 130...210 дБ/км для абонентских линий.
В справочниках указывается значение коэффициента затухания ал
на частоте измерения /о при температуре 20 °C, а также температур-
ный коэффициент затухания ащ. Тогда коэффициент затухания а/
на произвольной частоте и коэффициент затухания &ft при любой
температуре t можно вычислить по формулам
ау = ао д////о; a/* = Qff [1 + aot(Z — 20)].
Усилители. Линейные магистральные усилители серии 100 и
200 (например, УМ-101/220, УМ-201/220, УМ-111-60, УМ-221-60) вы-
пускаются на рабочий диапазон частот 40...240 МГц с одним и двумя
выходами, с АРУ и наклона АЧХ (АРУиН) или без нее, с питанием
от сети 220 В и по коаксиальному кабелю напряжением до 60 В —
всего восемь вариантов. Все они имеют единый прочный водонепро-
ницаемый корпус и выполнены в блочно-модульной конструкции, что
обеспечивает удобство смены модулей при обслуживании и ремонте
усилителей. Потребляемая мощность 33...40 В-А. Структурная схе-
ма самого насыщенного магистрального усилителя (двухвыходного
с АРУиН) приведена на рис. 20.5. Другие типы получаются исклю-
чением ряда блоков из этой схемы.
С магистральной линии сигнал поступает на входную плату, ко-
торая обеспечивает согласование входа усилителя с радиочастотным
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
555
Рис. 20.5. Структурная схема УМ
кабелем, а также его питание от дистанционного блока питания по ра-
диочастотному кабелю, для чего служат цепи обвода питания (LiCi).
На плате имеется контрольное гнездо для контроля входных сигна-
лов, а также разъемы для установки сменных аттенюаторов и вырав-
нивателей, назначение которых — обеспечить заданный уровень сиг-
нала на выходе усилителя и компенсировать неравномерность АЧХ
коаксиального кабеля. С входной платы сигнал поступает на блок
основного усилителя У1? состоящего из предварительного усилите-
ля (ПУ), аттенюаторов усиления и наклона и мощного оконечного
усилителя (ОУ).
Для уменьшения нелинейных искажений обе ступени усиления
собраны по двухтактной схеме на транзисторах, работающих в ре-
жиме класса А. В ПУ применены транзисторы типа КТ-399А с ко-
эффициентом шума Кш 2 дБ; в каждом из плеч по два каскада,
собранных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В ОУ, работающем в ре-
жиме большого сигнала, использованы транзисторы тина КТ-939А,
специально разработанные для усилителей с малой нелинейностью
амплитудной характеристики; в каждом из плеч транзисторы вклю-
чены по каскодной схеме.
В усилителях с АРУиН на аттенюаторы подаются управляющие
напряжения с блока автоматических регулировок. В остальных уси-
лителях эти аттенюаторы управляются постоянными напряжениями,
определяемыми положением ручной регулировки, и используются
для плавной регулировки усиления и наклона. Регуляторы усиления
выполнены на p-i-n диодах; регулятор наклона АЧХ — из частотно-
зависимых RС-цепей, управление параметрами которых также осу-
ществляется с помощью p-i-n диодов.
Блок дополнительного усилителя У2 предназначен для обеспече-
ния второго выхода УМ, требуемого часто при проектировании СКТВ
древовидного типа. Схема усилителя У2 практически повторяет схе-
му выходного усилителя блока У1. Выходные платы обеспечивают
согласование выходов усилителей с радиочастотным кабелем и име-
ют контрольные гнезда для контроля выходных сигналов. На этих
556
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
платах имеются также цепи обвода питания (L2C2 и L3C3), анало-
гичные одноименной цепи во входной плате. Кроме того, с выходной
платы основного усилителя часть мощности сигнала ответвляется
на входы блока дополнительного выхода и блока АРУиН. Уровень
сигнала на основном выходе составляет 117... 120 дБ/мкВ, на допол-
нительном — 116 дБ/мкВ.
Блок АРУиН обеспечивает поддержание постоянного рабочего
уровня сигнала при действии дестабилизирующих факторов на ма-
гистральной линии СКТВ. Схема АРУиН работает по контрольным
уровням пи лот-сигнал ов, поступающих с СГ по кабелю. В блоке
АРУиН выделенные частоты пилот-сигналов усиливаются, детекти-
руются и сравниваются с опорным сигналом.
Принципиальным отличием усилителя серии 100 от усилителя
серии 200 является отсутствие устройства автоматической регули-
ровки наклона АЧХ и дополнительного усилителя.
Принципиальная схема домового усилителя (УД-101, УД-201) по-
добна схеме УМ, за исключением введения дополнительного (третье-
го) каскада усиления во входном усилителе вместо схемы АРУиН;
вследствие этого коэффициент усиления УД увеличен до 35 дБ (для
УМ — 18...28 дБ). При этом на входе УД установлен добавочный
аттенюатор для плавной регулировки усиления на резистивном де-
лителе. Уровень сигнала на выходе 117... 119 дБ/мкВ.
Пример условного обозначения усилителей: УМ-222/60 — уси-
литель магистральный серии 200 (первая цифра — 2) с двумя вы-
ходами (последняя цифра перед дробью — 2), с АРУиН (средняя
цифра трехзначного числа — 2), с подачей напряжения питающей
сети 30...60 В по магистральному кабелю (число после дроби — 60);
УМ-111/220 — усилитель магистральный серии 100 (1) с одним вы-
ходом (1), с АРУ (1) и питанием от сети переменного тока 220 В
(220); УД-101 — усилитель домовой серии 100 (1) с одним выходом
(1), без автоматических регулировок (0).и питанием от сети пере-
менного тока 220 В.
Ответвители. Мощность сигналов в магистральных и субмаги-
стральных линиях ответвляется с помощью магистральных напра-
вленных ответвителей ОМ, представляющих собой мостовые устрой-
ства на трансформаторах с ферритовыми сердечниками. В зависимо-
сти от варианта исполнения ответвители выпускаются с одним или
двумя отводами и с переходным ослаблением к отводам 3, 6, 10, 13,
16 дБ. Это необходимо для обеспечения достаточно равных уров-
ней сигналов на отводах ОМ, включаемых в разных точках соеди-
нительных линий МС и СМС.
Ответвители широко используются также для деления ВЧ сиг-
налов в необходимых пропорциях в распределительных сетях СКТВ,
например на выходе УД для подачи сигналов на различные верти-
кальные соединительные линии ДРС (см. рис. 20.4). Кроме того,
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
557
учитывая обратимость ОМ, оии используются для сложения ВЧ сиг-
налов, поступающих в PC от различных источников.
Пример условного обозначения магистральных, ответвителей:
ОМ-101/3, ОМ-102/6 и т.д. Цифра после дроби означает переход-
ное затухание ВЧ сигнала от входа к отводам, дБ; цифра перед дро-
бью — число отводов. Проходное затухание от входа к выходу в
пределах 0,8...3 дБ.
Разветвители. Абонентские разветвители (РА) обеспечивают
распределение мощности по абонентским отводам. В зависимости
от варианта исполнения РА имеют переходное затухание между вхо-
дом и каждым из отводов 10, 13, 16, 22 дБ (для выравнивания уров-
ней сигналов у абонентов). Разветвители построены подобно ОМ по
трансформаторным схемам на основе ферритовых сердечников. Кон-
структивно РА выполняются в корпусах (негерметичных, с учетом
условий установки РА) двух типов — на два и четыре отвода.
Пример условного обозначения абонентских разветвителей: РА-
102/10 — на два отвода, переходное затухание от входа к отводам
10 дБ; РА-204/22 — на 4 отвода, а = 22 дБ. Проходное затухание
от входа к выходу — в пределах 0,8...3 дБ.
Абонентские коробки (КА). На конце абонентской линии
включается КА с двумя развязанными выходами для подключения
ТВ и УКВ ЧМ приемников (КА-102). Коробки так же, как и ОМ и
РА, выполнены по трансформаторной схеме с использованием ферри-
товых сердечников и по схеме подобны ОМ-101/6, а конструктивно
— в корпусе из ударопрочного полистирола, в котором укреплена
печатная плата.
Подробнее вопросы построения СКПТ и КТВ освещены в [92-95].
20.5. Перспективы развития СКТВ
Новый комплекс аппаратуры для распределенных приемных си-
стем телевидения и КТВ (серия 300), разработанный в ПО «Го-
ризонт» взамен оборудования серии 100 и 200, имеет улучшенные
технико-экономические показатели, позволяет создавать приемные
PC телевидения различных классов и категорий сложности - от про-
стых (десятки, сотни абонентов) СКПТ до сложных двусторонних
систем КТВ (до 20000 абонентов и более). Предусмотрены возмож-
ности передачи на СГ сигналов системы дистанционного контроля и
сопряжения с оборудованием спутникового вещания, линиями ВОЛС
и РРЛ. В состав аппаратуры входят: станция (усилитель) антен-
ная, станция головная, модулятор телевизионный, усилители линей-
ные, ответвители магистральные, разветвители абонентские, блок
питания дистанционный, аппаратура диагностики и контроля, ко-
дер/декодер платного ТВ. Для новой системы разработаны специ-
альные двунаправленные линейные усилители (например, УМ-372Д:
558
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 20.6. Распределительная сеть СКТВ с обратными каналами:
а — распределение частот сигналов; 6— перемещение сигналов в PC
усилитель магистральный с прямым и обратным каналами, телео-
тветчиком, блоком автоматических регулировок, блоком дополни-
тельного выхода и с дистанционным питанием (~42В). В полосе
обратного канала (5...30 МГц) они обеспечивают работу системы диа-
гностики и контроля и возможность реализации интерактивного ТВ.
В аппаратуре СКТВ с обратными каналами часть полосы частот
(48...300 МГц в аппаратуре КТВ серии 300) предназначена для ор-
ганизации 28 ТВ радиоканалов, в которых радиосигнал передается
в сторону абонентов (рис. 20.6,а). В этом же направлении переда-
ются внутрисистемные сигналы (ВСС) станции КТВ в полосе частот
40...48 МГц. По обратному каналу, в сторону головной станции, в
полосе частот 5...30 МГц по PC передаются ВСС от различных эле-
ментов системы — УМ, ОМ, УД, РА, КА. Пример передачи прямых
и обратных сигналов в общей распределительной сети КТВ показан
на рис. 20.6,6. Прямой сигнал занимает полосу частот 40...300 МГц
и включает в себя радиотелевизионные и внутрисистемные сигналы
прямого направления; он проходит через линейные усилители УМХ
и УМз. Обратные сигналы /7обР.м и Г/обР.см занимают полосу частот
5...30 МГц и состоят только из формируемых в различных точках
магистральной й субмагистральной линий внутрисистемных сигна-
лов обратного направления; они проходят через усилители УМ2 и
УМ4, образуя суммарный обратный сигнал ПобР£- Все формируемые
в PC обратные сигналы, в том числе 17обР.м и ЙобР.см> передаются на
присвоенных им частотах, поэтому смешения между собой передава-
емых сообщений не происходит.
На головной станции сигнал HO6Ps выделяется фильтром с по-
лосой пропускания 5...30 МГц и подается на декодирующее устрой-
ство. Расшифрованные сигналы всех передаваемых в обратном на-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
559
Рис. 20.7. Структурная схема двунаправленного УМ
правлении сообщений направляются адресату, например устройству
контроля за параметрами усилителей PC.
Структурная схема построенного по такому принципу двунапра-
вленного магистрального усилителя с двумя выходами изображена
на рис. 20.7. Его характерная особенность состоит в том, что вход
УМ для сигналов Unp в полосе частот 40...300 МГц одновременно
является выходом для обратных ВСС в полосе частот 5...30 МГц,
а два его выхода для сигналов Unp являются входами для обрат-
ных сигналов иобр.
Поступающий по магистральным кабелям со стороны СТ группо-
вой радиосигнал телепрограмм проходит контрольный ответвитель
(KOi) и подается на фильтр разделения полос (Ф1), одновременно
выполняющий функции устройства сложения сигналов. Частотная
характеристика пропускания фильтра в направлении аттенюатора
(Атт) — 40...300 МГц, а в направлении усилителя обратных сигна-
лов (Уз) — 5...30 МГц, т.е. сигнал Unp не смешивается с обратным
суммарным сигналом 6обР£- Аттенюатор, выравниватель (В), уси-
литель прямого направления (Ух), направленный ответвитель (НО)
и блок АРУиН аналогичны одноименным блокам усилителя УМ222
(см. рис. 20.5).
После направленного ответвителя включен фильтр ($2), ана-
логичный по своим параметрам фильтру Ф1, поэтому усиленный
групповой сигнал телепрограмм Unp поступает через КО2 на пер-
вый выход усилителя. С выхода НО сигнал Unp поступает на до-
полнительный усилитель (У2), также работающий в полосе частот
40...300 МГц. Включенный на его выходе фильтр (Фз) по своим свой-
ствам подобен фильтрам Ф1 и Ф2, поэтому широкополосный сигнал
Unp (40...300 МГц) проходит через него беспрепятственно к КОз и
далее на второй выход усилителя.
Сигналы Unp на обоих выходах подключаются к разным линиям
одной и той же PC, поэтому совершенно идентичны по спектральному
составу и передаваемой информации. В то же время сигналы Z7O6pi
и t/O6P2 должны быть разными по частотному составу и передавать
некоррелированную информацию, собираемую в этих линиях.
560
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Информационный сигнал обратного направления С7обР1 первой
линии проходит КО2 и фильтром Ф2 направляется на устройство
сложения сигналов (УСС). Частотная характеристика пропускания
фильтра Ф2 в направлении УСС — 5...30 МГц. Сигнал Е/обР2 второй
линии проходит КО3 и фильтром Ф3 (с узкой полосой прозрачно-
сти 5...30 МГц) также направляются в УСС. Обратные сигналы в
УСС объединяются, образуя суммарный ВСС (7O6Ps> который после
устройств Уз, Ф1 и KOi направляется по магистральному кабелю
в сторону станции КТВ.
В некоторых двунаправленных усилителях (УМ-321, 322, 371,
372, УД-321) имеется также телеответчик, содержащий модем (М)’,
контроллер телеответа (КТ) и датчик контроля за параметрами кас-
кадов усилителя (ДК). В модеме из широкополосного (40...300 МГц)
сигнала Unp выделяются прямые ВСС в полосе частот 40...48 МГц,
которые могут нести информацию о командах управления. Служеб-
ный сигнал, например с частотой fCJli = 41 МГц, выделяется в модеме
и через КТ запускает ДК. Контроллер и модем налаживают обмен
информацией между датчиком и оборудованием головной станции.
Для этого в модеме формируется обратный сигнал 17ОбРз с частотой
/обР1, выбранной в диапазоне 5...30 МГц. Этот сигнал поступает в
УСС и в спектре суммарного обратного ВСС t7O6Ps перемещается по
магистральному кабелю в сторону станции КТВ.
С традиционным эфирно-кабельным ТВ вещанием сегодня кон-
курируют СКТВ (как источник видеопрограмм), компьютерные сети
(как источник и банк данных разнообразной информации), а также
интерактивные ТВ сети на основе СКТВ, интегрированные с компью-
терными информационными сетями (например, Интернет).
В системах интерактивного ТВ телевизор не только обеспечива-
ет прием ТВ программ, но и является универсальным средством ото-
бражения разнообразной информации мультимедиа, поступающей с
выхода специальной компьютеризированной приставки — абонент-
ского терминала. Приставка обычно устанавливается сверху теле-
визора и по размерам напоминает видеомагнитофон или приемник
программ спутникового ТВ. Такие абонентские многофункциональ-
ные аналого-цифровые терминалы за рубежом называют STB (set-
top-box — коробка, устанавливаемая сверху). После обработки STB
аудио-, видео- и графическая информация может быть отображена
с помощью бытового телевизора, видеомонитора или любого другого
устройства отображения/регистрации информации. С помощью STB
осуществляется также информационный запрос от абонента к СТ по
специальному обратному каналу (по распределительной сети СКТВ
в полосе частот 5...30 МГц, по телефонной сети, по эфиру с помощью
миниатюрных передатчиков). Управление устройством STB осуще-
ствляется через меню на экране телевизора пультом ДУ.
Сигналы обратного канала передаются в цифровом виде с ма-
лой скоростью. В современных STB используются декодеры MPEG-
ГЛАВА 20. Системы кабельного телевидения
561
1/MPEG-2, что позволяет принимать и декодировать цифровые ви-
део- и звуковые сигналы со сжатием. Передача информационного
запроса осуществляется STB только после получения от СГ сигнала
разрешения на его передачу. Каждый STB имеет свой собственный
идентификационный код, который позволяет СГ надежно определять
адресата полученного запроса.
В настоящее время интерактивное телевидение — наивысшая
ступень эволюции классического ТВ. Наиболее реальным примене-
ние обратного канала наблюдается только в последнее время, ко-
гда заработали абонентские терминалы со встроенными микропро-
цессорами. Появилась возможность заказывать видео по требованию,
пользуясь электронным меню, и платить за просмотр.
Можно считать, что период интерактивного кабельного ТВ в Рос-
сии начался в 1997 г., когда правительство Москвы приняло «Про-
грамму создания единой интерактивной интегрированной телевизи-
онной сети Москвы», призванную обеспечить население города всеми
видами информационных услуг, включая высокоскоростной выход в
Интернет и Video on Demand.
Техническая реализация обратного канала имеет различный
уровень сложности. Наиболее простой и дешевый вариант, который
применяется в России — использование нескольких номеров много-
канального телефона, при этом набор абонентом каждого из номеров
является вариантом ответа на один из нескольких задаваемых во-
просов. На головной станции СКТВ устанавливается относительно
несложное оборудование на базе ЭВМ типа IBM PC, позволяющее
организовать интерактивный режим работы СКТВ. Более совершен-
ные системы интерактивного ТВ требуют разработки и изготовле-
ния специальных компьютеризированных абонентских терминалов,
которые позволят декодировать и воспроизводить на экранах теле-
визоров буквенно-графическую информацию, передаваемую в соста-
ве ТВ сигнала по СКТВ.
Развитие оптоволоконной техники позволило заменить магист-
ральные участки кабельных линий на оптоволоконные вставки дли-
ной в несколько километров с использованием ЧМ лазерного луча
звуковыми и видеосигналами. Данный способ требует больших ап-
паратных затрат, хотя и обеспечивает более высокое качество пе-
редаваемого сигнала. В субмагистральных сетях (с меньшей про-
тяженностью) сигнал оптического передатчика можно модулировать
непосредственно радиосигналом по амплитуде. Все это приближает
стык оптоволокно-коаксиал к абоненту, так как коаксиальный ка-
бель является «узким» местом с точки зрения пропускной способно-
сти по сравнению с оптоволоконными участками сети.
При сегодняшнем уровне технологии и диапазоне частот анало-
говое ТВ начинает исчерпывать свои возможности. Поэтому, чтобы
удовлетворить заинтересованность абонентов в разнообразии видео-
информации, часть частотного диапазона отводится под уплотнен-
562
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ные цифровые ТВ каналы, что позволяет дополнительно принимать
несколько десятков программ. Японские и американские фирмы раз-
работали телевизоры с встроенными блоками доступа в Internet, по-
зволяющими их владельцам получать видеоинформацию в реальном
времени; с той же целью преобразуют и компьютеры. Таким обра-
зом, имеются условия для создания универсального широкополосно-
го абонентского терминала — super STB. Процесс переходам новым
системам займет, очевидно, значительный временной интервал. В пе-
реходный период будет происходить поэтапное наращивание возмож-
ностей серийно выпускаемого оборудования СКТВ в части расшире-
ния перечня представляемых информационных услуг и повышения
качества передаваемого изображения.
Следует также отметить, что передача сигналов в сетях интер-
активного ТВ может осуществляться не только по коаксиальным и
волоконно-оптическим кабелям, но и по беспроводным линиям свя-
зи в диапазонах дециметровых или сантиметровых волн. Экспе-
риментальная система подобного типа действует в США (LMDS-
служба местного многоабонентского вещания, диапазон частот 27,5...
.. .28,5 ГГц; систему в дальнейшем планируется стролть по сотово-
му принципу). В Санкт-Петербурге фирма «Вьюсонике» и ряд дру-
гих фирм разработали аппаратуру MMDS: многоканальная (до 24 ка-
налов) многоточечная распределительная система, диапазон частот
2,5...2,7 ГГц, возможна интеграция MMDS с существующими СКТВ.
Проектированию и эксплуатации современных систем КТВ посвящен
специальный тематический выпуск журнала «Телеспутник» [94].
Глава 21
СТЕРЕОТЕЛЕВИДЕНИЕ
21.1. Основы стереотелевидения
Окружающий реальный мир воспринимается человеком пятью
органами чувств. Но из них доминирующим является зрение, благо-
даря которому человек получает около 80...85 % всей информации.
Объемность предметов, их взаимное расположение по глубине про-
странства и рельефность воспринимаются в основном благодаря на-
личию двух глаз. Для этого используется бинокулярное зрение, при
котором основную роль играет глазной базис Ьо — расстояние между
центрами зрачков правого и левого глаза. Значение глазного базиса
для «среднего» зрителя составляет 65 мм.
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
563
Радиус стереоскопического зрения tq прямо пропорционален
глазному базису Ьо и обратно пропорционален порогу глубинного зре-
ния <5, значение которого 10"...20":
r = bQ/6. (21.1)
Следовательно, для невооруженного глаза радиус (дальность)
стереоскопического зрения в среднем
=___________65_________
Г° 10/206000...20/206000 ~ КМ'
Для увеличения значения радиуса стереоскопического зрения,
т.е. стереоэффекта, используют стереотрубы и бинокли. В этом слу-
чае стереоэффект повышается по двум причинам: из-за увеличения
базиса наблюдения b и остроты стереоскопического (глубинного) зре-
ния 1/6. Базис наблюдения по сравнению с невооруженным глазом
увеличивается в Ъ/Ъ& раз, где b — базис прибора, т.е. расстояние ме-
жду центрами объективов.
Если угловое увеличение бинокля или стереотрубы у, то глаз, ис-
пользуя эти приборы, может различить углы в у раз меньшие. Следо-
вательно, порог стереоскопического зрения уменьшится до значения
6/у. Тогда стереоскопический радиус
т = Ьу/6. (21.2)
Подставляя 6 из (21.1) в (21.2), получаем
(21.3)
Величина
П = 76/60 (21.4)
называется пластикой бинокулярного прибора и показывает, во
сколько раз увеличивается объемность изображения рельефной на-
туры при наблюдении оптическим прибором по сравнению с наблю-
дением непосредственно глазом. Для биноклей Ь = 26о и у — 6,
откуда П = 12, а для стереотруб пластика достигает 120. Биноку-
лярные приборы значительно повышают возможности стереоскопи-
ческого восприятия пространства.
Бинокулярность в ТВ системе достигается съемкой передаваемо-
го объекта с двух позиций. В простейшем случае это могут быть две
передающие камеры, разнесенные на базис съемки, который опреде-
ляется расстоянием между центрами объективов.
На оба фоточувствительных слоя датчиков сигналов будут спро-
ецированы два изображения одной сцены. Эти изображения будут
отличаться друг от друга, и это отличие тем больше, чем больше
базис съемки Вс. Два изображения должны быть переданы и вос-
произведены на двух экранах кинескопов или на одном. В послед-
нем случае эти изображения необходимо разнести во времени или в
564
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
пространстве. Для получения эффекта объемности требуется раз-
дельное рассматривание этих изображений, т.е. левый глаз должен
видеть только то изображение, которое снято с позиции левой каме-
ры, а правый — правой камеры.
Следовательно, для объемного воспроизведения ТВ изображений
необходимы два условия. Во-первых, передача изображений с неко-
торым базисом съемки. Эти два кадра, снятые с разных позиций,
называются стереопарой. Каждый кадр стереопары может переда-
ваться одновременно или последовательно. В первом случае система
стереотелевидения называется одновременной, во втором — последо-
вательной. Во-вторых, необходимо раздельное рассматривание пра-
вым и левым глазом соответствующих кадров стереопары. Деление
(сепарация) изображений стереопары для левого и правого глаза мо-
жет осуществляться с помощью наглазных устройств, очков (инди-
видуальное) и с помощью растровых устройств (коллективное).
Растровые методы сепарации не находят практического приме-
нения из-за узкой зоны избирательного видения каждым глазом, что
значительно ограничивает перемещение головы зрителя и вызывает
утомляемость и большие неудобства. Кроме того, растровые методы
обладают высокими потерями света.
Наглазные устройства — это стереоскопы, зеркальные или лин-
зовые, очки из поляроидов и цветные очки. Стереоскопы приме-
няют ограниченно и только в специальных системах стереотелеви-
дения из-за конструктивных сложностей и неудобств эксплуатации.
Очковый метод сепарации может быть поляроидным (изображения
разделяются с помощью поляризации световых лучей во взаимно
перпендикулярных плоскостях) и цветовым (разделяются по спек-
тральному признаку).
На примере оптической схемы поляроидного метода сепарации
стереопары рассмотрим принцип действия. очковых методов деле-
ния кадров стереопары. На рис. 21.1 изображены два кинескопа
1, 2, которые располагаются перпендикулярно друг другу. Перед
экранами этих кинескопов устанавливаются поляроидные пленки Рц,
Р-. Плоскости поляризации этих пленок взаимно перпендикуляр-
ны. Изображения Л'п, Кл совмещаются на полупрозрачном зерка-
ле 3. Наблюдатель снабжается очками из таких же поляроидов
плоскости поляризации которых соответствуют плоскостям поляри-
зации соответствующих поляроидов на экранах. В результате этого
правый глаз видит правое изображение и не видит левого, а левый
глаз — наоборот. Аналогично можно осуществить сепарацию с помо-
щью цветных очков (анаглифов). В этом случае поляроидную плен-
ку заменяют цветными фильтрами. Если установить перед экранами
черно-белых кинескопов цветные фильтры (или использовать кине-
скопы с одноцветными экранами), например изображение на экране
одного кинескопа КП воспроизводить в красных тонах, а на экра-
не второго кинескопа Кл в синих, то, совмещая оба изображения на
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
565
Рис. 21.1. Оптическая схе-
ма поляризационного ме-
тода сепарации стереопары
полупрозрачном зеркале 3 и рассматривая их через цветные очки с
узкими спектральными характеристиками соответствующих цветов,
получаем пространственный образ в пурпурных тонах.
В результате экспериментальных исследований первой стерео-
скопической телевизионной системы (СТС) получены очень важные
результаты для дальнейших разработок аналогичных систем. На-
пример, было показано, что при различных параметрах левого и пра-
вого изображений стереоизображение приближается по качеству к
лучшему. Это позволило передавать одно изображение в более узкой
полосе частот без ухудшения качества стереоскопического изобра-
жения. Кроме того, помехи, возникающие в электрическом канале,
значительно менее заметны при передаче стереоизображения. Это
объясняется тем, что помехи распределяются в объеме и не совпада-
ют с деталями изображения. Было установлено, что неискаженное
воспроизведение глубины пространства получится только при иден-
тичности разверток изображения передающей и приемной сторон и
кадров стереопары, а неидентичность разверток может увеличить
или уменьшить стереоэффект в зависимости от характера нелиней-
ности. Стереоэффект лучше проявляется при передаче движущихся
изображений, особенно если движение идет в направлении камеры.
Быстрое изменение базиса съемки приводит к тому, что переда-
ваемые предметы кажутся или приближающимися — при увеличении
базиса, или удаляющимися — при его уменьшении. И наконец, если
из-за различных факторов стереоэффект мелких деталей пропадает,
то ощущение объемности сохраняется из-за стереоэффекта крупных
деталей. Дальнейшие разработки СТС подтвердили полученные ре-
зультаты и выявили другие особенности восприятия стереотелевизи-
онных изображений, которые в основном относятся к подготовке и
компоновке объектов передачи. Стереоэффект повышается при соот-
ветствующем освещении, увеличении цветного контраста, подчерки-
вании вертикальных границ передаваемой сцены и др.
Первое черно-белое стереоскопическое телевизионное изображе-
ние было получено в Ленинграде в 1950 г. коллективом кафедры ТВ
ЛЭИС под руководством П.В. Шмакова [96].
566
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
21.2. Стереоэффект телевизионной системы
Основными характеристиками СТС, определяющими стереоэф-
фект ТВ системы, являются: пластика системы, глубина зоны объ-
емной передачи и детальность воспроизводимого пространства по
глубине.
Для определения пластики ТВ системы рассмотрим рис. 21.2,а.
На плоскости М находится деталь N, которая фиксируется в плос-
кости фотокатодов Ф1Ф2 передающих трубок точками п\ и п^- Обо-
значим базис передачи через 6, а расстояние между точками п\ и П2
— через А; Д — фокусное расстояние объективов Ол и Оп.
Линейный параллакс (см. гл. 2)
Рт — А Ь — CLj 0-2 •
С другой стороны, из подобия треугольников niNn^ и ОЛДГОП
найдем Ь/А = 1/(1 -I- Д), и тогда 1 = bfi/(A — b) = bfi/pm. Отсюда
Pm = bf1/l. (21.5)
Из (21.5) можно сделать два важных вывода.
1. Линейный параллакс зависит от расстояния I плоскости М до
плоскости объективов и не зависит от положения точки N на плос-
кости М. Все точки, лежащие на плоскости М, имеют одинаковый
линейный параллакс рт. Следовательно, если разбить все простран-
ство от объектива камеры до бесконечности на ряд зон параллель-
ными плоскостями Mi, М2, М3,..., то предметы, лежащие на этих
плоскостях, характеризуются линейными параллаксами р2, рз и
т.д. При этом следует подчеркнуть, что для бесконечно удаленной
плоскости значение = 0.
Рис. 21.2. К расчету пластики телевизионной системы
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
567
2. Линейный параллакс зависит только от базиса съемки 6, если
заданы расстояние I и фокусное расстояние объективов Д. Следова-
тельно, изменяя базис съемки, можно пропорционально менять ли-
нейный параллакс рт. Если учесть, что линейный параллакс па
экране приемника pk связан с линейным параллаксом съемки рт
соотношением
Pk =
(21.6)
где q — линейное увеличение телевизионной системы (отношение сто-
роны кадра на приемном экране к стороне кадра на фотокатоде),
то, следовательно, изменение рт создает на приемном конце раз-
ный стереоэффект.
Телевизионная система может повышать стереоэффект по срав-
нению с непосредственным рассматриванием натуры. Чтобы опре-
делить это повышение, необходимо знать значение полной пластики
системы 77. Если рассматривать точку N невооруженным глазом на
том же расстоянии I (рис. 21.2,6), то она будет видна под параллак-
тическим углом а = Ьо/1, где Ъо — базис глаз.
Для определения порога глубинного зрения следует продиффе-
ренцировать а по I:
da = -bodl/l2. (21.7)
Для наглядности и простоты расчетов примем, что в приемном
устройстве СТС установлен обычный линзовый стереоскоп с базисом,
равным глазному Ьо, и фокусным расстоянием линз f-2- Изображение
стереопары воспроизводится на одном кинескопе, на экране которо-
го размещаются рядом два кадра Кл и Кп (рис. 21.2,о). Для точки
№, расположенной на плоскости Mk, на основании (21.5) и (21.6)
линейный параллакс приема
Pk=qpm = qbfi/l, (21.8)
где /1 — фокусное расстояние объектива передающей камеры.
Точка N изобразится точкой Nk на расстоянии г от глаз наблю-
дателя. Для нахождения этого кажущегося расстояния обратимся
к рис. 21.2,в. Из подобия треугольников с общей вершиной Nk и
основаниями Ьо и Ak находим
г _ W2 _ Ьр/-2
(Ак - 60) Pk
где /2 — фокусное расстояние линз стереоскопа.
На рис. 21.2,в параллактический угол /3 = bo/г или на основа-
нии (21.8) и (21.9)
(21.9)
(21.10)
568
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Продифференцировав (21.10), получим порог глубинного зрения
системы
= (21.11)
J2
Полная пластика СТС определяется отношением порога глубин-
ного зрения телевизионной системы к порогу глубинного зрения гла-
за (21.7):
п = = АД
da qb0f2'
где b/bo — удельная пластика системы, а /1//2 — увеличение си-
стемы, определяемое оптикой передающей камеры и линзой стерео-
скопа.
Детальность передаваемого пространства по глубине определя-
ется числом раздельно передаваемых планов (плоскостей) и наимень-
шим расхождением их по глубине, которое заметит наблюдатель на
экране приемной трубки.
Число раздельно воспроизводимых системой планов определя-
ется максимальным параллактическим углом /Зтах, который может
воспринимать наблюдатель. При увеличении этого параметра насту-
пает двоение деталей изображения. Следовательно, /?тах определяет
максимальную глубину сцены. Для идеальной СТС число переда-
ваемых планов по глубине можно определить, зная максимальное
и минимальное значения параллактического угла, при которых на-
блюдатель еще ощущает эффект объемности. Число передаваемых
планов для идеальной СТС
Qh ~ Дпах/Длт*
Максимальное значение порогового параллакса /Зтлх было опре-
делено экспериментально в СТС и составило 60..70'. Для идеальной
системы можно считать /Зтах ~ 5, где 6 = 20" — порог стереоско-
пического зрения наблюдателя. Исходя из этих данных, определим
= 70'/20" = 210 планов. В реальных СТС параллактическое сме-
щение точек пространства обусловливается не только наличием па-
раллакса от базиса съемки /?, но еще и дополнительным параллаксом
Д/?(гг) из-за геометрических искажений: /?тах = /3 + ДД(гг). Отсюда
следует, что для реальной системы определяемый базисом съемки и
не вызывающий двоения деталей изображения максимальный парал-
лакс (3 — /Зтлх — А(3(х). Из этого выражения видно, что в реальных
СТС максимально допустимая глубина пространства уменьшается
по сравнению с этой глубиной в идеальной системе, следовательно,
уменьшается и число воспроизводимых планов.
Для реальной СТС число передаваемых планов по глубине
_ Дпах max Д/?(т)
2а
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
569
где (3 = 2а/z; а — угол зрения объектива; z — число строк разложе-
ния. Если задаться значениями Д/3(х) 0,l/3max, z = 625 и а = 45°,
то Qp = 15 планов. Уменьшение числа планов в реальной СТС вы-
звано, во-первых, нелинейностью отклонения лучей передающих и
приемных трубок, т.е. дополнительным «паразитным» параллаксом
ДД(.т), во-вторых, ограниченной полосой частот, т.е. разрешающей
способностью СТС [96].
21.3. Стереоцветное телевидение
Вещательные стереоцветные системы, способные воспроизводить
изображение трехмерным, позволяют иметь более полное представле-
ние о передаваемом объекте, улучшая художественность, достовер-
ность передачи, приближая нас к условиям естественного восприятия
окружающей действительности. Воспроизведение объема в промы-
шленных цветных установках вызывается необходимостью иметь до-
полнительную информацию о пространственном расположении пред-
метов. Такие установки применяют, когда невозможно или опасно
присутствие человека на объекте передачи.
В общем случае любая система стереоцветного телевидения
(СЦТ) требует передачи двух цветных кадров стереопары. Если
исходить из требований обеспечения стандартных параметров СЦТ
изображений и каждый, цветной элемент передавать тремя цветоде-
ленными сигналами, то, очевидно, для такой системы потребуется
шестикратное увеличение полосы частот по сравнению с двумерной
системой черно-белого телевидения. Необходимо передавать по ка-
налу связи шесть сигналов: три Er, Ев и Eg — левый кадр цветной
стереопары и такие же три сигнала от правого. Если взять за основу
любую совместимую систему ЦТ, то полоса частот канала передачи
сигналов СЦТ должна быть вдвое шире полосы частот стандартного
цветного вещательного ТВ канала.
Поиски возможностей сокращения полосы частот без ухудшения
качества цветного, стереоскопического изображения является одним
из важных направлений на пути создания этих систем. В зависимо-
сти от поставленной задачи проблема сокращения полосы передава-
емых частот может решаться по-разному. Если необходимо создать
вещательную систему СЦТ, совместимую с существующей системой
ЦТ, то эта проблема становится первостепенной. При разработке си-
стем СЦТ промышленного и прикладного назначения все зависит от
назначения и области применения системы СЦТ. Тем не менее сокра-
щение полосы передаваемых частот дает целый ряд как экономиче-
ских, так и технических преимуществ. В некоторых промышленных
системах качество воспроизведения цвета может быть снижено, если
это упрощает аппаратуру. Что же касается воспроизведения объема,
то в промышленных установках пространственные формы и объем-
ное изображение должны либо соответствовать реальным объектам,
570
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
либо пропорционально уменьшаться или увеличиваться во всех трех
измерениях. В вещании в зависимости от замысла режиссера вос-
произведенный объем может быть несколько искажен, так как пер-
спективу иногда необходимо изменять для подчеркивания того или
иного плана пространства.
Параметры системы СЦТ для промышленных целей должны
определяться назначением данной системы и могут в некоторых пре-
делах варьироваться в зависимости от требований, предъявляемых
по воспроизведению как цвета, так и стереоэффекта. Поэтому при
разработке систем СЦТ для промышленных целей каждый раз реша-
ется конкретная задача, определяемая назначением системы СЦТ.
Следующим этапом в развитии телевидения как средства мас-
совой информации после внедрения систем высокой четкости (ТВЧ)
явится создание вещательных СЦТ систем. Особые трудности, воз-
никающие при этом, связаны с системой, удовлетворяющей условию
совместимости с существующими цветными системами телевидения.
Это условие является определяющим при разработке системы веща-
тельного телевидения. Однако необходимо учитывать, какой ценой
достигается совместимость. Разработчикам ТВЧ уже на этом эта-
пе выбора параметров системы необходимо предусмотреть возмож-
ность внедрения на базе ТВЧ совместимой системы СЦТ. Это по-
зволит использовать канал передачи сигналов ТВЧ для получения
СЦТ повышенного качества. Основной проблемой в создании совме-
стимой вещательной системы СЦТ является разработка экономич-
ного и простого в эксплуатации стереоцветного ТВ приемника. В
телевизорах СЦТ сепарация изображений левого и правого кадров
может осуществляться двояко: с помощью или оптического растра,
расположенного непосредственно у экрана кинескопа, или очков. В
первом случае конструкция телевизора СЦТ усложняется, так как
при этом необходимо совместить электронный и оптический растры.
Методы сепарации с применением очков просты на практике, но вы-
зывают неудобство у зрителей.
Итак, для обеспечения совместимости необходимо, чтобы раз-
рабатываемая система СЦТ занимала стандартную полосу частот
цветного телевидения и обеспечивала при этом высокое качество изо-
бражения. В результате проведенных исследований установлено, во-
первых, что для получения стереоцветного изображения можно ис-
пользовать бинокулярное смешение цветов. Из колориметрии извест-
но, что бинокулярное смешение цветов подчиняется тем же законам,
что и обычное монокулярное, т.е. при раздражении сетчаток каждого
глаза в отдельности разными цветами возникает ощущение нового,
третьего, цвета, являющегося аддитивной смесью двух первых. Во-
вторых, было доказано, что для получения стереоцветного изображе-
ния можно один кадр стереопары передавать черно-белым (яркост-
ный сигнал), а другой — цветным. При этом эффект восприятия объ-
ема и цвета практически не ухудшается. В-третьих, оказалось, что
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
571
Рис. 21.3. Распре-
деление частотных
спектров сигналов СЦТ
полосу частот сигналов цветного кадра стереопары можно значитель-
но сократить без заметного ухудшения объема, цвета и четкости при
передаче яркостного сигнала другого кадра в полной полосе частот.
В 1962 г. на кафедре телевидения Ленинградского электротех-
нического института связи им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (ЛЭИС)
была разработана стереоцветная система с совмещенными спектрами
частот левого и правого кадров стереопары, занимающая стандарт-
ную полосу частот в 6,0 МГц (рис. 21.3).
Яркостный сигнал левого кадра Еул передается в полной по-
лосе частот 6,5 МГц и несет информацию о четкости изображения.
Яркостный сигнал Еуп в полосе частот 1,5 МГц модулирует коси-
нусоидальную составляющую поднесущей fc построчно, а цветораз-
ностные сигналы Г(д_у)п и £?(в-у)п также в полосе частот 1,5 МГц
модулируют синусоидальную составляющую поднесущей /с пооче-
редно через строку. Сигнал поднесущей промоделированный
в квадратуре сигналами Еуп, Е^_у^п и Б’(в-У)п? можно выразить
следующим образом:
Es = 2EYa cos(wt + </?) + 2Е(Я_у)п[Е(В_у)п] sin(wf + </>) =
= JEYn + ElR-Y)nlE(B-Y)n] cos(w« + </>)+ arctg
* -^Y n
Для системы СЦТ с квадратурной модуляцией поднесущей для
m-й строки полный сигнал
Б’цпг = Еул + ЕУи cos(ut + </>) + E{R_y)n sin(cj£ 4- 99), (21.12)
а для (т + 1)-й строки
^ц(7п+1) = Еу» + [Еуп cos(c^ + </?) + £(я-у)п sin(cji + </?)]. (21.13)
Из (21.12) и (21.13) видно, что в системе СЦТ с квадратурной
модуляцией поднесущей и поочередной передачей цветоразностных
сигналов £?(д_у)п и Е^в_у^п четкость цветовой информации по вер-
тикали уменьшается в два раза по сравнению с номинальной. Од-
нако это не приведет к ухудшению цветовоспроизведения, так как
четкость по горизонтали в цветном кадре стереопары также будет
572
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 21.4. Укрупненные структурные схемы частей СЦТ:
а — передающая; 6— приемная
уменьшена из-за сокращенной полосы до 1,5 МГц. Укрупненные
структурные схемы передающей и приемной частей системы СЦТ
ЛЭИС показаны на рис. 21.4. Датчиком сигналов данной системы
СЦТ в общем случае могут быть две камеры цветного телевидения
1 и 2. разнесенные на базис съемки (рис. 21.4,а). В частном случае
могут использоваться одна черно-белая камера и одна цветная. Сиг-
налы правого кадра стереопары Er и Ев подаются на коммутатор
который управляется симметричными импульсами с периодом повто-
рения, равным длительности двух строк. На выходе коммутатора 4
получается последовательность сигналов Ецп, и Евт следующих че-
рез строку. Эти сигналы вместе с сигналом Еуп, который получает-
ся в результате матрицирования входных сигналов Евп, Есп и Евп
в матрице 5, поступают на матрицу 6, на выходе которой получаем
последовательность цветоразностных сигналов Е^в_у^п и Е(в-У)п-
Эта последовательность поступает на ФНЧ 8, где спектр сигналов
ограничивается до 1,5 МГц. Сигнал Еуп также ограничивается по
частоте до 1,5 МГц ФНЧ 7. Сигналы E^R_y^n и Е(в-у)п последова-
тельно поступают на балансный модулятор 10, а сигнал Еуп — на
балансный модулятор 9. На два балансных модулятора 9, 10 в ква-
дратуре подается поднесущая 4,43 МГц от генератора поднесущей 11.
Яркостный сигнал Еул, полученный матрицированием сигналов Eru,
Е(,'и и Еци в блоке 5, поступает на смеситель 12, где суммируется с
сигналами Еуп, £(д-у)п и Е(В-у)п-
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
573
Полный сигнал СЦТ формируется согласно уравнению Еи =
= Еул + kiEn, где Еп = Eyn sincjc£ + ^2-^(я-у)п coscuc£ для т-й стро-
ки и Еп = Eynsinwct + А;зЕ(5_у)п cosljc/ для (т 4- 1)-й строки; cjc
— круговая частота поднесущей; fc1} и &з — коэффициенты ком-
прессии сигналов.
Коэффициенты /с 2 и к$ такие же, как и в цветной системе NTSC:
/02 = 1/1Д4, = 1/2,03. Коэффициент ki = 0,2...0,3 выбирается
исходя из условия совместимости с системой черно-белого ТВ и до-
пустимого уменьшения помехоустойчивости системы СЦТ.
На приемной стороне (рис. 21.4,6) сигнал поступает на высокоча-
стотную часть приемника 7, усилитель промежуточной частоты 2 и
амплитудный детектор 3. С выхода детектора сигнал разветвляется
на усилитель с режекторным фильтром 9 и на усилитель с полосо-
вым фильтром 4- На выходе полосового фильтра выделяется сигнал
Еп, который одновременно поступает на три синхронных детектора
6, 7, 8, причем на синхронный детектор 6 сигнал поступает после ли-
нии задержки 5 на 64 мкс. В результате синхронного детектирования
на выходе 6 получим последовательность цветоразностных сигналов
^(В-У)п, -^(я-У)п- • •, на выходе 7 E^R_Y^ Е^в_у^п..., а на выходе
синхронного детектора 8 Еу. Ключевое устройство 10 обеспечивает
разделение сигналов Е(д_у)п и Е(в-у)п, которые затем поступают
на соответствующие входы матрицы 11. Синхронными детекторами
управляет генератор поднесущей 12 (см. гл. 12). Приемные трубки
(одна черно-белая, другая цветная) расположены перпендикулярно
друг другу. Совмещение двух изображений и их сепарация осуще-
ствляются в соответствии с рис. 21.1.
В данной системе используется бинокулярное смешение черно-
белого (яркостный сигнал) и цветного изображений, поэтому это при-
водит к некоторому снижению цветового контраста [97]. Кафедрой
телевидения Санкт-Петербургского Государственного университета
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича разрабатывалась
однообъективная система стереоцветного телевидения (ОСЦТ). В
этой системе передается стереоскопическое изображение в цвете, а
информация об объеме кодируется таким образом, чтобы не созда-
вать помех при приеме программы на цветные и черно-белые телеви-
зоры. Следовательно, передачу цветных стереоскопических изобра-
жений можно наблюдать в двумерном виде на стандартных телевизо-
рах без их переделок. Для получения эффекта объемности необходи-
мо надеть специальные цветные очки. Одним из достоинств данной
системы является ее простота: стандартные телевизоры цветного те-
левидения могут без каких-либо переделок использоваться как теле-
визоры СЦТ. Снимая цветные очки, зритель видит на экране цвет-
ного телевизора обычное двумерное цветное изображение. Основной
отличительной особенностью данной системы СЦТ является исполь-
зование в передающей телевизионной камере одного объектива.
574
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Эффект объемности достигается расфокусировкой оптических
изображений предметов, лежащих за пределами глубины резкости
объектива. Информация о глубинном расположении предметов за-
кодирована разноцветной окантовкой вертикальных границ в изо-
бражении, причем степень раздвоенности границ пропорциональна
параллаксу [8].
Во многих странах мира ведутся работы в области стереоцвет-
ного телевидения. Первые попытки проведения за рубежом опытных
стереоскопических телевизионных передач, которые приобрели ши-
рокую известность, были предприняты в 1982 г. в Германии. Это был
анаглифный метод воспроизведения изображений. В Японии также
проводились эксперименты по стереоцветному телевидению, в кото-
рых использовалась передающая камера на ПЗС-структурах. Она
позволяла получать два высококачественных кадра в полном стан-
дарте. Эта система широко использовалась в рекламных целях для
показа новой техники.
Некоторое оживление после определенного застоя получили си-
стемы воспроизведения объемных изображений без очков, так назы-
ваемые растровые системы. Совместными усилиями ученых США,
Японии и Германии были разработаны и изготовлены линзово-раст-
ровые системы. В отличие от предыдущих проектов в нем исходное
кодированное изображение под линзовым растром воспроизводилось
не с помощью электронно-лучевой трубки, а на специально скон-
струированной плазменной панели, конструктивно объединенной с
растровым экраном. Такой способ позволил обойтись в воспроизво-
дящем устройстве без применения специальных мер для стабилиза-
ции положения электронного растра относительно линзового.
Трудности, связанные с созданием вещательной системы стерео-
цветного телевидения, определяются тем, что дополнительные сред-
ства, используемые для разделения изображений кадров стереопа-
ры и совмещения этих кадров на общем экране, либо увеличивают
утомляемость, либо ухудшают качество воспроизводимого изображе-
ния. Кроме этого, характерной особенностью стереотелевизионных
изображений является большая информационная избыточность, со-
держащаяся в кадрах стереопары. Сокращение этой избыточности
позволит использовать стандартные каналы связи для передачи сиг-
налов стереопары и тем самым создать предпосылку к разработке
системы вещательного стереоцветного телевидения.
Известны несколько методов сокращения избыточности, однако
их практическая реализация в разработках вещательных систем сте-
реотелевидения пока не осуществлена.
Значение этой избыточности зависит от класса передаваемых
изображений, сюжета и т.д. Многие предлагаемые способы переда-
чи информации о пространственной глубине расположения объектов
так или иначе связаны с сокращением этой избыточности. Сокращать
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
575
избыточность можно передачей одного из кадров стереопары, явля-
ющегося совместимым изображением для двумерного телевидения, а
формирование второго кадра стереопары для получения стереоско-
пического изображения — восстановлением его из сигнала параллак-
са или другого сигнала, несущего информацию о глубинном располо-
жении предметов на объекте с переданным в полной полосе частот ка-
дром стереопары (совместимым). Может быть использован и другой
метод, названный методом промежуточных строк. Сущность одного
из методов кодирования информации о стереоэффекте состоит в том,
что для каждой точки передаваемого телевизионного изображения
вычисляются значения вспомогательных величин, характеризующих
пространственное расположение этой точки по глубине. Чтобы опре-
делить одноименные точки в обоих кадрах стереопары, необходимо
их выделить из других точек, т.е. идентифицировать. Зрение челове-
ка делает это автоматически. В телевизионной системе необходимо
эту операцию осуществить с помощью специальных алгоритмов обра-
ботки изображений или других технических приемов. Один из таких
методов —.использование в аэрофотосъемках идентификации одно-
именных точек методом корреляционного анализа.
На кафедре телевидения Санкт-Петербургского государственно-
го университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
был разработан метод идентификации, основанный на относитель-
но небольших периодических смещениях точки съемки и формирова-
нии таким образом условного изображения (параллаксограммы), по-
зволяющий в некоторых случаях упростить процесс автоматического
анализа передаваемой сцены для определения ее пространственных
характеристик [98].
В последние годы благодаря прогрессу в области разработки све-
токоммутирующих элементов, обладающих малой инерционностью,
появилась возможность реализации последовательной системы сте-
реотелевидения в замкнутых системах (локальные стереоскопиче-
ские видеосистемы, трехмерная компьютерная графика, развлека-
тельные системы домашнего пользования).
В вещательном телевидении в связи с интенсивными работами
в области ТВЧ открывается возможность использования широкопо-
лосных каналов для передачи стереоцветных изображений без ухуд-
шения их качества.
Широкое развитие техники съемки, передачи и воспроизведения
стереоскопических изображений находит прикладное применение.
Важность продолжения исследований по разработке системы
СЦТ закладывает основы новой культуры передачи зрительной ин-
формации. Для эксплуатации этих новых систем СЦТ необходимо
подготовить технические кадры, а также потребуются новые специ-
фические навыки режиссерской и операторской работы.
576
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
21.4. Перспективы развития
стереотелевидения
Пути и формы развития ТВ вещания определяются исходя из за-
дачи повышения качества ТВ изображения и увеличения степени его
соответствия передаваемому оригиналу. Очередным этапом развития
будет создание систем высококачественного телевидения с повышен-
ным числом строк, увеличение размеров экранов воспроизводящих
устройств с изменением формата кадра — переход к широкоформат-
ному телевидению. Кроме того, телевидение будет развиваться по
пути совершенствования сервисного обслуживания телезрителей —
широкое использование микропроцессорной техники для управления
телевизором, который будет многофункциональным терминалом.
Следующим этапом станет создание систем стереоцветного теле-
видения. Новые системы телевидения должны быть лишены недо-
статков современных систем СЦТ, таких как передача только одно-
го ракурса, невозможность обзора (оглядывания) объекта передачи,
недостаточная глубина пространства воспроизводимых изображений,
наличие очков у зрителей или жесткая фиксация положения зрите-
лей, если используется растровая сепарация изображений, и т.д. [99]
Совершенствование систем СЦТ в этом направлении возможно,
например, по пути создания многоракурсных и голографических си-
стем.
Многоракурсное телевидение. Принцип действия многора-
курсной системы телевидения заключается в съемке объекта переда-
чи с многих позиций несколькими десятками, а может быть, и сот-
нями передающих камер, расположенных определенным образом, в
передаче этих изображений и воспроизведении всех переданных изо-
бражений на общем специальном экране.
Особенностью системы является возможность зрителя, переме-
щаясь в горизонтальном направлении, оглядывать передаваемое изо-
бражение и видеть те предметы, которые заслонялись другими объ-
ектами при определенной позиции рассматривания.
Структурная схема многоракурсной системы показана на
рис. 21.5. Съемка объекта, расположенного в плоскости 00, осу-
ществляется N передающими трубками 7, размещенными по дуге
А Б. Каждая передающая трубка формирует двумерное изображение,
которое отличается от изображения, полученного соседней трубкой,
только горизонтальным параллаксом. Расстояние между передаю-
щими трубками определяется угловой плотностью ракурсов и равно
угловому интервалу Д92 = <p(N — 1), где (/? — угол обзора объекта
совокупностью трубок; N — число передающих трубок.
Одним из основных параметров многоракурсной системы явля-
ется угловая плотность повторения ракурсов, которая тем больше
(т.е. тем меньше угол Д<^), чем большее число ракурсов необходи-
мо передать. В этом случае дискретность ракурсов менее заметна.
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
577
Рис. 21.5. Структурная схема многоракурсной системы телевидения
Действительно, при N —> оо, т.е. когда число передающих трубок
бесконечно, переход от одной позиции рассматривания к другой про-
исходит плавно, как в реальных условиях наблюдения. Если же чи-
сло трубок конечно — значит все передаваемое пространство разбито
на дискретное число ракурсов, поэтому при переходе от одной пози-
ции рассматривания к другой возникает «скачок» ракурса, так как
промежуточные значения между двумя точками зрения не воспроиз-
ведутся. Для обеспечения условия относительно плавного оглядыва-
ния пространственных объектов угловая плотность ракурсов опреде-
ляется экспериментально — ее значение колеблется от 10 до 15.
Сигналы от N передающих трубок могут передаваться одновре-
менно или последовательно, но в том и другом случае общая полоса
частот многоракурсного телевидения AF = TVAFo, где AF0 — по-
лоса частот одного канала.
Сигналы от всех трубок поступают на кодирующее устройство
Кд, а затем по каналу связи на декодирующее устройство Дк.
Приемная сторона состоит из N приемных трубок, изображения с
экранов которых проецируются и совмещаются на общем экране, рас-
положенном в плоскости О'О'. Многоракурсная система определяет-
ся способом технической реализации ее наиболее сложного и прин-
ципиального узла — селектора ракурсов, обеспечивающего раздель-
ное рассматривание изображений левым и правым глазом. Селекция
может осуществляться как непосредственно вблизи плоскости совме-
щения О'О', так и на некотором удалении от нее в пространстве А' Б,
соответствующем месту расположения объективов передающих ка-
мер АБ. Селектор ракурсов может строиться на основе известных
методов разделения левого и правого кадров стереопары в биноку-
лярных стереотелевизионных системах, при этом могут применяться
как растровые, так и голографические методы селекции.
Голографическое телевидение. Голография открывает со-
вершенно новые возможности построения системы объемного теле-
578
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 21.6. Схема голографического телевидения
видения, которые позволяют наиболее полно использовать техниче-
ские средства передачи зрительной информации. Воспроизводимое
голограммой изображение является оптическим аналогом объекта,
позволяющим не только воспроизводить глубину пространства, но и
обеспечивать эффект обзора. На изображение можно смотреть с раз-
ных направлений через голограмму, как через окно в реальный мир.
Размер окна определяется апертурой голограммы. На голограмму
записывается бесконечное число ракурсов, непрерывно переходящих
один в другой, поэтому при обзоре изображений с разных сторон от-
сутствуют «скачки» ракурсов.
На рис. 21.6 показана примерная схема голографической систе-
мы телевидения. На мишени передающей трубки 5 создается голо-
грамма передаваемого объекта 1 с пространственной частотой запи-
си г/ = sin0/A, где 0 — угол между волновым фронтом (предмет-
ным потоком) и опорным потоком лазерных лучей; А — длина све-
товой волны лазера
Предметный и опорный потоки создаются одним лазером ко-
торый с помощью объектива 3 освещает передаваемый объект 1 и
зеркало 2. Следовательно, на мишени передающей трубки наклады-
ваются два потока, отраженные один от объекта, другой — от зер-
кала. Мишень передающей трубки регистрирует волновую картину
когерентного света, рассеянного объектом передачи, а опорный пу-
чок обеспечивает запись информации не только об амплитуде, но и
о фазе отраженного от передаваемого предмета света [100].
Записанная таким образом голограмма поступает на кодирую-
щее устройство 6, а затем передается по каналу связи на декоди-
рующее устройство 7 приемника. Полученный сигнал модулирует
лазерный кинескоп 8. Модулированный когерентный световой по-
ток с кинескопа 8 объективом 9 проецируется на светочувствитель-
ную поверхность. 11. Так осуществляется реконструкция голограм-
мы. Изображение восстанавливают, освещая голограмму световым
потоком от лазера 10.
В лазерном кинескопе вместо люминофорного экрана помещен
ГЛАВА 21. Стереотелевидение
579
полупроводниковый лазер, который под действием электронного лу-
ча излучает когерентный поток света [101]. Следует отметить, что
приведенная схема отражает лишь общие принципы передачи и вос-
произведения голографических изображений.
При рассматривании восстановленных голограммой изображе-
ний можно не только ощутить глубину пространства, но и осмотреть
его с различных сторон. При реализации голографических ТВ си-
стем возникает много технических трудностей, связанных с большой
информационной емкостью голограмм и высокой удельной плотно-
стью информации. Это объясняется тем, что любая точка предме-
та, обращенная к голограмме, освещает ее всю и в кгикдую точку
голограммы попадает информация от всех точек объекта. Следова-
тельно, даже часть голограммы несет полную информацию о пере-
даваемом объекте. Поэтому полоса частот, необходимая для полу-
чения голограммы и определяемая соотношением AF — где S
— площадь голограммы на мишени; п — число кадров в секунду,
получается чрезвычайно широкой. Кроме того, создание анализи-
рующих и синтезирующих устройств с таким высоким разрешением
— задача пока нерешенная.
Голографические методы вызывают большой интерес для ис-
пользования их в объемном телевидении. До сих пор эти методы не
применяются из-за ряда технических ограничений, связанных как со
съемкой, так и с процессом воспроизведения объемных изображений.
Создание голографических ТВ систем — задача будущего. Есте-
ственно предположить, что развитие объемного телевидения может
пойти по пути постепенного усложнения от стереоскопических си-
стем с одной стереопарой через многоракурсные системы к голо-
графическим.
Глава 22
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
И ИЗМЕРЕНИЯ
22.1. Методы и критерии оценки качества
телевизионных изображений
К ТВ измерениям относят измерения световых и электрических
параметров приборов и аппаратуры, обеспечивающих передачу и при-
ем ТВ информации, величин, характеризующих режимы их работы,
а также техническое качество ТВ изображений.
580
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Телевизионная метрика охватывает обширный комплекс свето-
вых и радиотехнических измерений. С помощью световых измерений
оценивают характеристики передаваемого и воспроизводимого изо-
бражений, качество преобразований свет-сигнал и сигнал-свет при
анализе объекта передачи и синтезе ТВ изображений на экране вос-
производящего устройства. Радиотехнические измерения позволяют
оценивать процесс формирования ТВ сигнала, его преобразования
при передаче и приеме, качество ТВ каналов аппаратно-студийных
комплексов телевизионных центров, радиорелейных, кабельных и
спутниковых систем связи, радиопередающих и ретрансляционных
ТВ станций, а также телевизоров систем коллективного приема. Эти
измерения основываются на использовании информационных свойств
ТВ сигнала, а также специальных ТВ измерительных сигналов, пара-
метры которых выбирают из соображений наибольшей чувствитель-
ности к определенным искажениям.
Измерение — это процесс, характеризующийся получением
опытным путем численного отношения между измеряемой, величи-
ной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Ре-
зультат измерения выражается в виде именованного числа (вольты,
амперы и т.п.), совокупности чисел, графиков.
Контроль — это операция, сводящаяся к сопоставлению и уста-
новлению соответствия параметра или характеристики проверяемого
сигнала и пределов задаваемых допусков. Результат контроля — ло-
гическое заключение или некоторое суждение, например «в норме»
— «не в норме», «больше» — «меньше» и т.д.
Различия в этих определениях в связи с быстрым совершенство-
ванием измерительных и контрольных ТВ устройств в некоторой сте-
пени условно, так как методы и технические средства измерений и
контроля взаимно связаны. Например, в цифровых приборах с авто-
матическим выбором диапазона измерений при отыскании требуемо-
го диапазона проводятся операции примерно такие же, как в устрой-
ствах допускового контроля. Использование же цифровых методов
в допусковом контроле позволяет получать результаты сравнения с
допуском в виде не только качественного суждения, но и количе-
ственной меры выявленного отклонения и т.д.
Под точностью понимают близость результатов измерения к ис-
тинному значению измеряемой величины. Погрешность измерения
— отклонение результата измерения от истинного значения измеря-
емой величины. На практике определяют лишь приближенное зна-
чение погрешности измерения, поскольку истинное значение измеря-
емой величины остается неизвестным.
Телевизионную контрольно-измерительную информацию (ин-
формацию о значениях измеряемых физических величин) извлека-
ют из световых, электрических и радиосигналов. Под ее обработкой
понимают процесс, в результате которого контрольно-измерительная
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
581
Таблица 22.1
Оценка качества Контроль в процессе передачи Периодический контроль
Прямая субъективная Прямая объективная Косвенная субъек- тивная Программный материал Программный материал Испытательные строки Испытательные сюжеты Испытательные сюжеты Кадровые испытатель- ные сигналы
информация становится максимально подготовленной для последу-
ющих операций — представления оператору, ввода в ЭВМ и т.д. На
практике основные возможности данного ТВ тракта обычно характе-
ризуют рядом показателей. Это позволяет достаточно надежно пред-
сказать ожидаемое качество воспроизводимого ТВ изображения.
Качественные показатели ТВ изображения условно можно под-
разделить на световые и растровые.
Световые показатели изображения — максимальная яркость,
контраст, число воспроизводимых градаций яркости, диапазон вос-
производимых цветов, качество цветопередачи, четкость, резкость, а
также различные искажения, проявляющиеся в нарушении распре-
деления яркостей и цветностей в изображении.
Растровые показатели — это размеры и формат кадра, нели-
нейные и геометрические искажения растра, возникающие в переда-
ющих и приемных устройствах, которые в основном нарушают гео-
метрическое подобие принятого изображения его оригиналу. Сюда
же можно отнести показатели, характеризующие качество совмеще-
ния растров в передающей и приемной аппаратуре, стабильность их
положения. Качественные показатели ТВ растров практически не
связаны с характеристиками ТВ канала, а определяются разверты-
вающими устройствами передающих и приемных трубок.
Для аналоговых ТВ систем характерны такие виды искажений,
как размытость границ, повторные изображения, цветные окантов-
ки, искажение яркости и цветности, хаотические изменения яркости
и цветности и т.д. Эти искажения обусловлены различными наруше-
ниями работы ТВ тракта, и одной из основных задач ТВ измерений
является оценка их величин и выявление источника искажений.
В цифровом ТВ некоторые искажения изображения, связанные
с процессом кодирования и дефектами цифрового сигнала (дрожа-
ние, цифровые ошибки и т.д.), отличаются от искажений, характер-
ных для аналогового ТВ, и проявляются, например, в виде блочной
структуры, специфических шумов и т.д. Как в аналоговых, так и
в цифровых системах искажения могут зависеть от содержания пе-
редаваемого изображения.
Классификация методов измерения качества изображений пред-
ставлена в табл. 22.1.
В соответствии с представленной классификацией оценка каче-
ства изображений может быть субъективной или объективной, пря-
мой или косвенной. Субъективные измерения являются результатом
582
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
оценки наблюдателями качества изображения. Объективные изме-
рения выполняют с помощью аппаратуры. При этом показания счи-
тываются операторами или автоматически с использованием матема-
тического алгоритма. Прямые измерения выполняют на материале,
представляющем интерес, в данном случае на изображениях. Косвен-
ные измерения осуществляют, обрабатывая специально разработан-
ные тестовые сигналы, при этом оценивается не качество изображе-
ния, а параметры видеосигнала. Субъективные измерения выполня-
ются только прямым способом, так как мнение наблюдателей отно-
сительно тестового сигнала не особенно значимо для оценки качества
изображения. (Однако экспертный взгляд на кадровый тест-сигнал
полезен как способ определить характер искажения сигнала.)
Контроль качества можно осуществлять в процессе передачи во
время отображения программы, непосредственно оценивая программ-
ный материал, или косвенно, по сигналам испытательных строк, а
также периодически в перерывах между передачами. При периоди-
ческом контроле, соответствующие испытательные сюжеты исполь-
зуются для прямых измерений, а кадровые испытательные сигналы
— для косвенных измерений.
Хотя в системах NTSC, PAL, SECAM происходит сокращение
объема передаваемой информации, они рассматриваются как систе-
мы, не использующие сжатие. Измерения качества сигнала (объек-
тивные косвенные) — хороший способ определить качество изобра-
жения для таких систем, поскольку имеется сильная математическая
корреляция между субъективными измерениями, сделанными по изо-
бражениям в системе, и объективными измерениями, сделанными по
соответствующим испытательным сигналам в той же системе. Кор-
реляция несовершенна для всех тестов. Существуют искажения в
композитных системах, типа ложных цветовых сигналов, вызванных
высокочастотной составляющей яркости, которые трудно измерить
объективным способом. Также возможны объективные измерения,
которые не соотносятся прямо с субъективными результатами. Од-
нако такие объективные результаты часто очень полезны, потому
что их эффект будет замечен наблюдателем, если изображения об-
работаны таким же образом неоднократно — например, многократ-
ная перезапись изображения, использующая аналоговое устройство
записи изображений на ленту.
Некомпрессированная аналоговая система и цифровая система в
полной полосе частот являются линейными, т.е. система инвариантна
ко времени, сигнал независим и применима суперпозиция. Качество
сигнала измеряют по соответствующим испытательным сигналам, по
искажениям которых определяют качество канала передачи или ха-
рактеристики обработки изображений. Эти испытательные сигналы
могут быть очень короткими, например, одна строка в вертикаль-
ном интервале. Качество сигнала несжатых изображений остается
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
583
критическим в системах, которые используют компрессию, по не-
скольким причинам:
• видеопоследовательности на входе компрессионного кодека
должны быть точными, в согласии с соответствующими стандар-
тами, а качество — высоким насколько возможно, чтобы обес-
печить эффективное кодирование;
• обработка изображений типа добавления заголовков и специаль-
ных эффектов не может быть выполнена в сжатой области;
• не всегда в производстве целесообразно использовать сжатие из-
за стоимости и качества кодеков сжатия;
• для различных форматов сжатия единственное условие быть об-
мененными — полный уровень скорости передачи информации
(в битах).
Это приводит к жестким требованиям для испытания аналоговой
и цифровой части с полной полосой.
С появлением цифровых систем оценка качества изображений
становится более сложной. Основным преимуществом цифровых ме-
тодов обработки изображений является возможность кардинального
сокращения объема передаваемой информации и обеспечения сжатия
и передачи нескольких ТВ программ в одном радиоканале. При этом
ранее используемые методы испытания качества изображения непри-
менимы для оценки кодеров, так как традиционные испытательные
сигналы и изображения легко сжимаются с небольшими искажени-
ями или потерями. Поэтому измерение оценки качества изображе-
ния требуют прямого метода, использующего естественные сюжеты,
или эквивалентные, которые намного сложнее, чем традиционные
испытательные сигналы.
22.2. Контроль качества изображений
в аналоговых телевизионных системах
22.2.1. Субъективный контроль качества
изображений
При оценке изменения качества ТВ изображения в зависимости
от уровней искажений или помех в ТВ сигнале применяют мето-
ды субъективно-статистических экспертиз. Поскольку основой та-
ких экспертиз является использование специальных и универсаль-
ных испытательных изображений, им должно быть уделено особое
внимание. В качестве испытательных выбирают изображения, близ-
кие по характеру к наиболее часто встречающимся в практике ТВ
вещания. Это изображения человеческого лица (крупный и сред-
ний план), групп людей, пейзажей и архитектурных композиций с
большим числом деталей разного размера. Эти изображения долж-
ны иметь достаточную гамму полутонов и содержать контрастные
переходы (яркостные и цветовые). С учетом требований учебного ТВ
584
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
этот перечень можно дополнить изображениями, содержащими над-
писи, формулы, графический материал и т.д. Для оценки систем
цифрового телевидения требуются подвижные изображения.
При рассмотрении различных видов искажений, как правило,
приводятся зависимости ухудшения качества ТВ изображения от ис-
кажений, возникающих в ТВ тракте. Это важно при установлении
норм, а также при разработке измерителей, в том числе для автома-
тической оценки качества ТВ изображений.
Субъективные экспертизы проводят в соответствии с определен-
ной методикой, которая регламентирует испытательные изображе-
ния, выбор наблюдателей, шкалы оценок, условия наблюдения, по-
рядок проведения измерений и обработку их результатов. В ряде
случаев такие экспертизы могут быть дополнены инструментальны-
ми измерениями, сущность которых заключается в применении спе-
циальным образом сформированных полей сравнения, яркостных и
цветовых отметок.
При выборе наблюдателей предпочтение обычно отдают неспе-
циалистам, особенно, если в результате измерений необходимо опре-
делять допуски на искажение. Следует только избегать участия на-
блюдателей, имеющих значительные пороки зрения. При субъектив-
ных экспертизах наблюдатели должны знать методику проведения
эксперимента, шкалы оценок в диапазоне ухудшений изображений,
используемых в ходе эксперимента. Наблюдателей должно быть,
по крайней мере, десять.
При установлении зависимости качества изображения от иска-
жения МККР рекомендует применять пятиградационные шкалы ка-
чества и ухудшений.
Шкала качества
5 — «отлично»
4 — «хорошо»
3 — «удовлетворительно»
2 — «плохо»
1 — «очень плохо»
Шкала ухудшений
5 — «незаметно»
4 — «заметно», но не мешает
3 — «немного мешает»
2 — «мешает, раздражает»
1 — «сильно мешает»
При эксперименте для сравнения изображений рекомендуется
следующая шкала:
Шкала сравнения
— 1 — «немного хуже»
— 2 — «хуже»
— 3 — «намного хуже»
4-3 — «намного лучше»
4-2 — «лучше»
4-1 — «немного лучше»
О — «одинаково»
Если не требуется определять зависимость качества изображе-
ния от разных уровней помехи (или искажения), а необходимо лишь
установить предельно допустимое значение помехи, например для
выработки допуска, часто применяют двухградационную шкалу оце-
нок. Такая шкала устанавливает соответствие качества изображе-
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
585
иия, предъявляемого наблюдателю, заданному критерию. Критерий
качества изображения в данном случае — это средняя оценка, дан-
ная группой наблюдателей.
В практике проведения субъективных экспертиз наряду с пяти-
балльной шкалой существуют и другие шкалы (шести- и семибалль-
ные). Для сопоставления результатов, полученных с применением
шкал, имеющих разное число баллов, используют нормализованную
шкалу оценок, основанную на преобразовании интервала их измене-
ния в единичный. Оценки нормализованной шкалы связаны с оцен-
ками пятибалльной шкалы:
г г _ 1 м
и=—-—; (7 = 4w+l; = Pi = (22.1)
i=l
М
где щ — число оценок; М — общее число оценок; N = ni\ U —
i=l
средняя экспериментальная оценка.
22.2.2. Контроль качества изображений с помощью
испытательных строк
Качество вещания в процессе передачи программ можно контро-
лировать передачей испытательных сигналов (ИС) во время обрат-
ного хода по кадру. Такой метод контроля получил наименование
метода испытательных строк.
Системы, использующие этот метод, позволяют организовать
сквозной допусковый контроль видеотракта в целом, а также от-
дельно его звеньев, поэтому такие системы выгодно использовать в
качестве источника измерительной информации в телевизионных из-
мерительных информационных системах (ТИИС) [102], предназна-
ченных для контроля ТВ каналов и передающих радиостанций в
процессе передачи. Наличие испытательных строк в сигнале, из-
лучаемом радиопередающей ТВ станцией, позволяет рассматривать
ее как мощный генератор испытательных сигналов, которые могут
приниматься во всей зоне действия станции. Благодаря этому воз-
можен сквозной допусковый контроль ретрансляторов, работающих
от этой станции, а также объективная оценка параметров приемных
антенн индивидуального и коллективного пользования, распредели-
тельных сетей и т.д.
Работы по выбору оптимальной формы контрольных сигналов
и их местоположения в видеосигнале позволили в рамках между-
народных организаций разработать стандартную форму испытатель-
ных сигналов (ИС) и их местоположение в интервале кадрового га-
сящего импульса.
На рис. 22.1 показано местоположение интервалов введения кон-
трольных сигналов в кадровом гасящем импульсе. В 16-ю и 329-ю
586
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.1. Местоположение интервалов введения испытательных строк
в кадровом гасящем импульсе и их расположение на приемном экране
Рис. 22.3. Испытательный сигнал II
строки вводятся сигналы опознавания пункта введения. Строки 17,18
и 330, 331 выделены для сигналов контроля международных ТВ ка-
налов, строки 19, 20, 21 и 332, 333, 334 могут использоваться для
контроля ТВ канала внутри страны. Для контроля основных каче-
ственных показателей телевизионных трактов в процессе передачи в
настоящее время используются ИС (рис. 22.2-22.5) и сигналы опо-
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
587
Рис. 22.4. Испытательный сигнал III
Рис. 22.5. Испытательный сигнал IV
Рис. 22.6. Испытательный сигнал V
знавания (рис. 22.6) в интервале кадрового гасящего импульса.
В состав сигналов, вводимых в одну строку (см. рис. 22.2, 22.4),
входят:
• импульс «белого» — для контроля диаграммы уровней и пере-
ходной характеристики в области среднего времени;
• синусквадратичный импульс длительностью 166±10 нс — для
контроля переходной характеристики в области малого времени;
• импульсный сигнал для контроля сигналов яркости и цветности;
• пятиступенчатый сигнал, на который может быть наложено си-
нусоидальное напряжение частотой 1,2 или 4,3 МГц, для изме-
рения нелинейности амплитудной характеристики, дифферен-
циального усиления и дифференциальной фазы (при насадке
4,43 МГц) и для оценки влияния сигнала цветности на сигнал
яркости (включением и выключением насадки 4,43 МГц). ’
Измерительные сигналы, вводимые в другую строку (см.
588
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
рис. 22.3), состоят из шести серий (пакетов) синусоидальных колеба-
ний частот: 0,5; 1,5; 2,8; 4,43; 5,0 и 5,8 МГц, расположенных на пье-
дестале и предназначенных для контроля АЧХ в шести дискретных
точках. Размахи этих пакетов на выходе контролируемого тракта
измеряются в процентах относительно размаха специального прямо-
угольного импульса, расположенного перед пакетами.
Сигналы опознавания (см. рис. 22.6) пунктов введения рассмо-
тренных сигналов вводятся в строку первого поля, расположенную
перед первой испытательной строкой (см. рис. 22.1), они состоят
из четырех прямоугольных импульсов, длительность которых мо-
жет изменяться в пределах от 1 до 10 мкс дискретно через 1 мкс.
При этом обеспечивается возможность опознавания до 10000 пунк-
тов [103]. Предусмотрено «гашение» ранее замешанных в видеосиг-
нал ИС и помех в интервалах, в которые должны быть введены кон-
трольные сигналы и сигналы опознавания.
22.3. Контроль качества изображений
в цифровых телевизионных системах
22.3.1. Требования к контролю качества
работы цифровых телевизионных систем
Стандарт MPEG-2 и связанные с ним стандарты DVB и ATS С
потребовали не только новой терминологии, но и совершенно новых
методов контроля и измерений. Цифровым телевизионным системам
присущи следующие особенности, важные для организации контро-
ля их работы fl04]:
1. Для передачи цифровых сигналов ТВ вещания по каналам
связи используется сжатие исходной видеоинформации, т.е. доволь-
но сложное нелинейное преобразование. При этом возможны неаде-
кватность и слабая корреляция результатов измерений с помощью
детерминированных измерительных сигналов с субъективными оцен-
ками качества изображений.
2. В отличие от аналогового телевидения субъективное качество
изображения в цифровых системах существенно зависит от содер-
жания сюжета или сцены и может сильно изменяться во времени в
процессе передачи произвольных видеопоследовательностей.
3. Сигналы в цифровых системах ТВ вещания имеют иную
(труктуру, чем в аналоговом телевидении, и представляют собой ци-
фровые транспортные потоки, параметры которых можно измерять
с помощью анализаторов этих потоков.
Для организации контроля качества изображений в ЦТВ требу-
ется решить следующие задачи:
• выбрать систему параметров, позволяющих достаточно полно
оценить качество изображений и работоспособность отдельных
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
589
звеньев и канала передачи в целом при установке и эксплуата-
ции телевизионной аппаратуры;
• разработать методы измерения выбранных параметров;
• выбрать измерительное оборудование, необходимое для измере-
ния выбранных параметров, с требуемыми характеристиками
(точностью, быстродействием, надежностью, габаритами и т.д.).
Стандарты DVB и ATS С основаны на системе сжатия телеви-
зионного сигнала MPEG-2, но определяют множество способов рас-
пространения телевизионных программ (эфирные, кабельные, спут-
никовые и т.д.). В соответствии с этим набор контролируемых па-
раметров включает в себя две группы: первая предназначена для
контроля транспортных потоков MPEG-2 и является общей для всех
сред распространения, вторая предназначена для контроля каналь-
ного оборудования и учитывает специфику различных систем пере-
дачи телевизионных программ.
Учитывая вышесказанное, на первых этапах внедрения ЦТВ,
когда, в первую очередь, необходимо обеспечить работоспособность
системы, следует ограничиться наиболее важными параметрами, в
основном определяющими качество сигнала, и позволяющими кон-
тролировать отдельные звенья канала передачи.
К наиболее информативным измерениям в различных системах
DVB, ATSC, позволяющим диагностировать работу большинства зве-
ньев вещательного тракта, относят: параметры транспортного пото-
ка (TS), частоту ошибочных битов (BER), отношение сигнал/шум и
анализ квадратурных (IQ) сигналов.
Контроль параметров TS на входе и выходе системы или ее от-
дельных каналов позволяет определить работоспособность системы.
Очень полезно для определения зоны действия и качества сигна-
ла измерять зависимости частоты ошибочных битов (BER) от отно-
шения сигнал/шум. Эта зависимость может быть снята па приемной
стороне, чтобы оценить качество принимаемого сигнала, или на пере-
дающей стороне — качества исполнения передатчика. Этот параметр
полезен также при введении в действие системы.
Другим важным источником искажений сигнала является моду-
лятор. Для оценки его работы и исследования причин, вызывающих
искажения сигнала, используют анализ /Q-сигналов.
На рис. 22.7 представлена обобщенная схема цифрового трак-
та передачи и приема современной цифровой ТВ системы. Задачей
систем контроля в таких системах является контроль и поиск ис-
точника битовых ошибок, как в цифровой, так и в радиочастотной
области. Рисунок указывает путь, по которому цифровые данные,
полученные от источника сигнала (например, видеокамеры), пере-
даются на приемник, цифровой телевизор или цифровую приставку
для аналогового телевизора, и точки контроля, где можно подклю-
чить измерительное оборудование.
Рис. 22.7. Контроль параметров современной ТВ системы
590 ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
591
22.3.2. Основные параметры, контролируемые
в ЦТВ
1. BER перед декодером Рида- Соломона. Основным параметром,
который описывает качество цифрового канала связи, является BER
перед декодером Рида-Соломона, который определяется отношени-
ем между числом ошибочных битов и числом передаваемых битов.
Обычно стремятся достичь BER на уровне 10~9. Искажения, на-
блюдаемые во время эксплуатации, повышают BER до значений,
больших 10-4.
Частоту ошибочных битов можно измерить двумя методами:
• на вход кодера подается известная последовательность и срав-
ниваются ожидаемый и полученный сигналы;
• в процессе нормальной работы канала (в режиме вещания) срав-
ниваются битовые последовательности на входе и выходе декоде-
ра Рида-Соломона. Счетчики сбрасываются, если встречаются
некорректируемые ошибки. Измерение считается ненадежным,
если относительная частота ошибок превышает 10“3.
2. BER после декодера Рида-Соломона позволяет оценить, явля-
ется ли TS MPEG-2 свободным от ошибок. Измерения производят
по испытательной последовательности, как и в первом методе пре-
дыдущего случая. Отличие заключается в том, что подсчитывается
число ошибочных битов, а не отношение.
3. Мощность сигнала измеряют на входе или выходе ВЧ пре-
образователя тепловым датчиком в заданной полосе пропускания, ис-
пользуя калиброванный ответвитель. При использовании спектраль-
ного анализатора или измерительного приемника мощность сигнала
оценивается в номинальной полосе пропускания сигнала.
4. Мощность шума. Мешающие сигналы вызываются различны-
ми источниками и имеют разную природу. К ним относятся случай-
ный шум (тепловой), псевдослучайный (интерференция цифровых
модулированных несущих) или периодические сигналы (гармониче-
ские сигналы или узкополосная интерференция). Мощность шума
измеряется спектральным анализатором при выключенной поднесу-
щей. В процессе вещания мощность шума оценивается по глазковой
диаграмме или диаграмме множества IQ-сигналов. В этом измере-
нии все различные типы шума измеряются одновременно, и результат
измерения выражается как нежелательная мощность.
5. Измерение параметров IQ-сигналов производится по всему
множеству точек {Ij^Qj}, j = 1...М (М — число допустимых со-
стояний модулятора). Для получения достоверных результатов не-
обходимо анализиовать N принятых символов, причем N М. Ко-
ординаты каждого полученного символа представляются в форме
I3=I3+6I3- Q3=Q3+6I3. (22.2)
где Д, Qj — ожидаемые («идеальные») координаты символа; 613, 6Q3
— смещение измеренных координат (вектор ошибки); j = 1...1V.
592
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Общее качество модуляции сигнала оценивается двумя параме-
трами:
• коэффициентом ошибок модуляции (MER);
• величиной вектора ошибок (EVM).
Для более детального анализа искажений для каждой точки j
из М символьных точек необходимо определить параметры функ-
ций распределения векторов ошибок dj — среднего значения и
— среднеквадратического отклонения вектора, исходя из 61 j, 6Qj,
принадлежащих точке j.
Коэффициент ошибок модуляции (MER) указывает на ухудше-
ние сигнала на входе приемника и позволяет оценить способность
этого приемника правильно декодировать сигнал. Собирается инфор-
мация о N парах координат (Ij,Qj) принимаемых символов. Идеаль-
ное положение выбранного символа (центр блока принятия решений)
представляется вектором (Ij, Qj). Вектор (6Ij,6Qj) определяется как
расстояние между идеальным и реальным положением принимаемого
символа. Другими словами, принимаемый вектор является
суммой идеального вектора (7j, Qj) и вектора ошибок (61 j, 6Qj).
Сумма квадратов идеального вектора символов делится на сум-
му квадратов вектора ошибок символов. Результат, выраженный от-
ношением мощностей в децибелах, определяется как коэффициент
ошибок модуляции (MER):
(22.3)
(22.4)
(22.5)
где Smax — максимальное значение модуля векторов (Zi,Qt), i =
Эти параметры однозначно связаны:
MERV х EVMv
(22.6)
Таким образом, достаточно измерить один из них, однако MER
ближе к традиционному отношению сигнал/помеха (SNR), хотя учи-
тывает большее число мешающих факторов, а при наличии в канале
только нормальных шумов совпадает с SNR. Измерения этих пара-
метров должны проводиться как в передатчике, так и в приемнике.
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
593
Рис. 22.8. Определение вектора выходной
ошибки (TEV)
Смещение центров пятен (STE) совокупности принимаемых то-
чек от положения идеальной символьной точки снижает запас систе-
мы по шуму и указывает на существование вида искажений, напри-
мер, остатка несущей, разбаланса амплитуд, квадратурной ошибки,
нелинейных искажений. Параметр STE дает индикацию общих иска-
жений необработанных данных, принимаемых системой.
Для каждой из М символьных точек рассчитывается расстояние
di между теоретической символьной точкой и точкой, соответствую-
щей середине пятна от этой частной символьной точки. Величина (di)
называется вектором ошибки объекта (TEV) и показана на рис. 22.8.
По значениям М векторов ошибок объектов рассчитываются их
среднее значение и стандартное отклонение (нормализованное к Srms,
определяемое как среднеквадратичное значение координат точек в
диаграмме), называемые как системная средняя выходная ошибка
(STEM), и системная девиация выходной ошибки (STED):
‘-’rms
EW+<??):
7 = 1
STEM =
STED =
MSr2ms
м
^2 Й2 - STEM2.
2=1
(22.7)
(22.8)
(22.9)
Измерение джиттера. Существенный вклад в ошибки TS вно-
сит джиттер. Джиттер может прибавлять ошибки в любой точке
передачи TS, как и при любой передаче данных. В TS джиттер про-
исходит на битовом уровне и на уровне пакетов.
Джиттер оказывает прямой эффект на видео и звуковое каче-
ство, потому что декодирующее устройство использует программные
эталонные часы (PCR), чтобы запускать телевизионный и звуковой
ЦАП. Как правило, отклонение скоростей от номинала не долж-
но превышать 0,5 нс. Джиттер, который превышает 0,5 нс, вызовет
размытие видео и искажения звука. Джиттер проявляется в бито-
вых ошибках TS.
594
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Для контроля качества работы ЦТВ разработан ряд приборов:
генераторы и анализаторы транспортных потоков, мониторы сигна-
лов, векторные анализаторы ZQ-сигналов, широкополосные осцил-
лографы, анализаторы спектра и т.д.
Для контроля кодеров и декодеров необходимо использовать
MPEG-2 анализаторы и генераторы TS. Анализаторы захватывают
пакеты от выхода кодера и проверяют их на совместимость с MPEG-2
стандартом. Анализаторы также декодируют TS MPEG-2 в их компо-
ненты — видеопрограммы, аудиопрограммы и информацию, которая
сообщает декодерам, как декодировать TS и правильно объединить
видео- и аудиопрограммы. Анализаторы могут измерять параметры
TS, и они помогают решить, сколько буферной памяти необходимо
декодирующему устройству.
В системе MPEG-2 генераторы TS могут записывать и воспро-
изводить MPEG-2 кодированное видео. Эти инструменты можно ис-
пользовать, чтобы проверить модуляторы и MPEG-2 декодирующие
устройства (см. рис. 22.8). Тестируемые потоки могут приходить из
кодеров или мультиплексоров.
Для измерения коэффициента битовых ошибок (BER) в TS мож-
но использовать MPEG-2 анализаторы. На битовом уровне джит-
тер контролируется осциллографом с использованием глазковой диа-
граммы [102]. Если раскрытие глазковой диаграммы слишком малое
или исчезает, то декодирующее устройство не будет восстанавливать
закодированную программу. Изделия и программы должны быть с
BER на уровнях ниже того, при котором зрители могут заметить
искажения. Даже одна битовая ошибка в ТВ кадре — слишком
много. На уровне пакетов джиттер относится к временным отли-
чиям между временами поступления пакетов. MPEG-2 декодирую-
щее устройство содержит буферы, чтобы захватывать поступающие
пакеты перед выходом ими с постоянной скоростью передачи бита,
так что декодирующее устройство может обрабатывать их. MPEG-
2 анализаторы могут проверить буферы, чтобы гарантировать, что
декодирующее устройство имеет достаточное пространство памяти.
Декодирующие устройства должны иметь минимум 512 байтов для
хранения поступающих TS.
Для контроля цифровых систем передачи используются также
MPEG-2 мониторы. Их отличием от анализаторов является воз-
можность проверки для MPEG-2 совместимости для множества TS.
MPEG-2 мониторы проверяют качество TS после того, как они пере-
даются через локальную сеть ТВ студии, региональную сеть, сеть
общего пользования или линию микроволновой связи к ТВ пере-
датчику.
После того как TS становится модулированным радиочастотным,
это — модулированный аналоговый сигнал, эффективно передающий
биты. Модуляция и демодуляция сигнала ЦТВ повышают вероят-
ность увеличения числа ошибок данных.
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
595
Рис. 22.9. 8-VSB (а) и 64-QAM (6)
диаграммы сигнального созвездия
В отличие от аналогового ТВ, где сигнал постепенно ухудша-
ется, в ЦТВ сигнал либо принимается, либо не принимается. Под
последним следует понимать, что при достижении сигналом опреде-
ленного барьера он содержит слишком много битовых ошибок для
приемного декодера, чтобы восстановить программу. Это происхо-
дит, когда принимаемый TS содержит более, чем 10 битовых оши-
бок в пакете MPEG-2.
Модулированный сигнал должен вписаться в ширину полосы
6 МГц, иначе сигнал может интерферировать с сигналами в сосед-
них каналах. Монитор сигнала ЦТВ или векторный анализатор сиг-
налов могут измерить сигнал, чтобы удостовериться, что он вписы-
вается в маску.
Высокочастотный модулированный ЦТВ сигнал также необхо-
димо контролировать. Полезным измерением является анализ диа-
граммы сигнального созвездия (рис. 22.9). Эталонный 8-VSB сигнал
напоминает восемь вертикальных колонок точек, в которых каждая
точка соответствует присутствию символа, и восемь вертикальных и
горизонтальных колонок для эталонного 64-QAM сигнала. Если ко-
лонки расширяются, то сигнал содержит шум, превышающий норму,
и искажения. Кривизна в строках точек указывает на фазовый шум.
Цифровые телевизионные сигнальные мониторы могут оцени-
вать модуль вектора ошибок (EVM), который характеризует каче-
ство вещательного сигнала. Когда увеличиваются результаты изме-
рения EVM, расстояние от идеального положения символа до барье-
ра уменьшается, и зрители в некоторых зонах слабого приема могут
потерять DTV прием. Как правило, пытаются поддерживать EVM
на уровне 7 % или меньше.
22.3.3. Контроль качества изображений в цифровых
телевизионных системах
Очевидно, что для контроля качества работы ЦТВ системы не-
достаточно анализа протоколов цифрового потока и измерения пара-
метров модулированного сигнала. Основным критерием испытаний
ЦТВ систем является качество восстановленного после декодирова-
ния изображения, оценка которого используется для проверки ра-
ботоспособности системы сравнения кодеков, выбора эффективных
596
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.10. Оценка качества изображения с использованием сравнения эта-
лонной и испытуемой видеопоследовательностей
алгоритмов кодирования и декодирования видеоинформации и ре-
шения других задач.
Для оценки качества изображений в ЦТВ системах использу-
ют субъективные экспертизы. Существующие методы субъективной
оценки качества основаны на визуальном сравнении изображений,
соответствующих видеосигналам на входе и выходе проверяемой си-
стемы или определении качества изображений, отвечающего сигналу
на выходе системы. Такие экспертизы используют в качестве испы-
тательных неподвижные изображения, которые слабо характеризуют
качество сжатого изображения. Для субъективной оценки качества
изображений в современных ЦТВ системах может применяться про-
цедура с одним стимулом и непрерывной оценкой качества. Эта про-
цедура, в которой качество непрерывно оценивается за длительный
период: от 10 до 20 минут. Данные берутся на непрерывной шкале
каждые несколько секунд. Оценкой является распределение количе-
ства времени, которое занимает частная оценка. Этот метод хорошо
согласуется с изменением во времени качества сегодняшних цифро-
вых систем, однако при использовании этого метода содержание про-
граммы сильно влияет на оценку качества изображения.
Такие экспертизы требуют большого объема испытаний и значи-
тельных затрат времени. Это затрудняет практическое применение
стандартных методов в процессе эксплуатации систем и в аналогич-
ных случаях, когда требуется достаточно быстрая оценка качества
ТВ изображений, в том числе в реальном времени.
Длительность процесса оценки и объем испытаний заметно
уменьшаются, если перейти к объективным методам определения ка-
чества изображения. Они основываются на инструментальном изме-
рении изменений параметров цифрового видеосигнала, вносимых си-
стемой, включая выпадение отдельных его фрагментов и появление
новых компонентов в виде помех [105].
Существуют следующие системы для объективной оценки и из-
мерений качества изображений в цифровом телевидении.
1. Системы с применением источника эталонного сигнала, соот-
ветствующего видеопоследовательности до ее кодирования
(рис. 22.10). В этих системах, отличающихся высокой точностью ре-
зультатов измерений, используется сравнение эталонного сигнала с
сигналом на выходе проверяемого участка тракта или всего трак-
та. Очевидным методом сравнения сигналов является вычисление
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
597
Видеокомпрессия, системы записи или передачи
Рис. 22.11. Оценка качества с использованием сравнения параметров на
входе и выходе проверяемого тракта
разности между ними без какой-либо фильтрации или обработки.
Если разность нулевая, то изображения идентичны. Когда сигналы
отличаются, может быть рассчитана средпеквадратическая ошибка.
Другим способом выражать отличие сигналов является вычисление
отношения сигнал/шум, при котором рассчитывается логарифм от-
ношения квадрата максимального сигнала, к среднеквадратической
ошибке. Однако хорошо известно, что такой критерий может давать
ошибочные показания. Например, рассмотрим сравнение двух ти-
пов искажений: один — добавление шумов, которые вызывают из-
менение пяти уровней квантования, и второй добавление несколь-
ко меньшего числа блоковых ошибок, которые вызывают изменение
двух уровней квантования. Последнее искажение имеет меньшее зна-
чение среднеквадратической ошибки, однако субъективно восприни-
мается значительно хуже.
Из-за этого был предложен! ряд методов улучшения оценки каче-
ства, основанных на разности сигналов, например, метод моделиро-
вания зрительной системы человека. Базирующийся на этом методе
качественный показатель изображения был разработан для автома-
тической и точной оценки воспринимаемой величины различия ме-
жду эталонной и испытуемой последовательностью.
Общим недостатком этих и подобных им методов является то, что
результаты зависят от выбора эталонных видеопоследовательностей.
Поэтому для их использования необходимо иметь набор стандарти-
зованных видеопоследовательностей. Кроме того, необходимо очень
точно совмещать сравниваемые последовательности.
Такие системы не предназначены для работы в реальном време-
ни и их используют, например, для исследований качества ТВ изобра-
жений в цифровых кодеках или системе в целом, включая устройства
для кодирования, передачи и декодирования сигналов.
2. Системы, основанные на сравнении параметров эталонного
и проверяемого цифровых сигналов (рис. 22.11). Эти системы имеют
меньшую точность, работают в реальном времени и могут применять-
ся для проверки готовности службы для гарантии прозрачности про-
цесса передачи цифровых сигналов, а также при контроле цифровых
сетей передач. Очевидным преимуществом этого метода по сравне-
нию с предыдущим является то, что измерительная информация о ка-
598
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
Рис. 22.12. Оценка качества изображения по выходной видеопоследователь-
ности
честве эталонной видеопоследовательности занимает небольшой объ-
ем. Ее можно легко передать в пункт измерений вместе с цифровым
сигналом программы ТВ вещания или каким-либо другим способом,
где она сравнивается с аналогичной информацией, соответствующей
проверяемому сигналу. В этом случае не требуется иметь в пункте
измерений прямой доступ к эталонной видеопоследовательности.
3. Системы, основанные на анализе лишь проверяемого цифрово-
го сигнала (рис. 22.12). Так как сведения об эталонной видеопоследо-
вательности в пункте приема отсутствуют, то результаты измерений
отражают ухудшение качества изображения, как в процессе цифро-
вого кодирования, так и при передаче по каналу. Разделить эти виды
искажений практически невозможно. Однако такие методы широко
применяются для проверки готовности службы.
Методы объективной оценки качества ТВ изображений исполь-
зуются в следующих цифровых системах:
1. Испытания кодеков и устройств для статистического мульти-
плексирования цифровых сигналов многопрограммного ТВ вещания.
2. Контроль ЦТВ сетей в перерывах между передачами и в про-
цессе передачи.
3. Контроль эталонных видеопоследовательностей до их коди-
рования.
4. Непрерывный контроль и прогнозирование качества изобра-
жений в процессе вещания в реальном масштабе времени.
22.3.4. Испытательные таблицы для контроля
качества работы ЦТВ
С появлением цифровых технологий использовавшиеся ранее в
аналоговом ТВ таблицы устарели, и возникла необходимость в раз-
работке новых испытательных таблиц.
Основная проблема, связанная с оценкой качества ЦТВ, заклю-
чается в новых принципах цифровой обработки динамических изо-
бражений: цифровое кодирование очень хорошо передает статиче-
ские изображения и хуже — изображения, быстро меняющиеся во
времени.
Поэтому попытки определить качество телевизионных коде-
ров/декодеров различных фирм с помощью статических таблиц, со-
держащих меры различного пространственного разрешения, обычно
не приводят к положительному результату — разрешение принимае-
мого сигнала оказывается высоким практически независимо от скоро-
сти выходного потока кодера. С другой стороны, просмотр реального
ГЛАВА 22. Телевизионный контроль и измерения
599
видеоматериала показывает, что кодеры различных фирм отличают-
ся по качеству. При этом наблюдаемые шумы и искажения носят
новый характер и не выражаются в старых аналоговых терминах,
таких как разрешение в «числе линий», количество воспроизводи-
мых градаций яркости и др.
Следует отметить, что возможны два основных вида таблиц: , ди-
намические последовательности MPEG-2 [106] и испытательные по-
следовательности для проверки кодеров [107]. Основное отличие та-
блиц, предварительно закодированных MPEG-2 тестовыми последо-
вательностями, в том, что они используются для оценки качества
канала передачи после кодера, для которого характерна некоторая
вероятность потери данных. Назначение этих таблиц — определить,
насколько хорошо канал передачи подходит для цифрового вещания
в стандарте MPEG-2. Поэтому данные таблицы не могут характери-
зовать потери качества на этапе цифрового кодирования и связанных
с ним аналоговых искажений. Основное назначение вторых таблиц
— это прежде всего оценка качества и визуальных искажений, вно-
симых MPEG-2 кодером телевизионного сигнала.
К элементам испытательных таблиц для анализа специфических
искажений изображений при цифровом кодировании элементов необ-
ходимо отнести следующие: области с плавными градациями ярко-
сти (так называемые «волны»), движущиеся в разных направлениях
и с разными скоростями; движущиеся участки с резкими граница-
ми; цветные вращающиеся кольца с постоянной яркостью и изме-
нением цветности.
Характерной чертой двумерных базисных функций ДКП являет-
ся то, что значение функции на границе блока отлично от нуля и тем
больше, чем меньше номер функции. Искажения на границе приво-
дят к блокинг-эффекту. Отсюда следует, что для анализа блокинг-
эффекта больше подходят сигналы содержащие, главным образом,
низкочастотные компоненты, какими являются плавные волны. Та-
ким образом, эти части таблиц служат для анализа блокинг-эффекта
и связанных с ним вторичных искажений (ложные границы). Суще-
ственно также, что скорости движения волн должны различаться,
иметь целочисленные, с точностью до полпиксела, и действитель-
ные значения в различных частях таблицы. Такой выбор позволя-
ет оценить максимальное значение векторов движения, обрабатыва-
емых кодером, определить, проводится ли кодером MPEG-2 компен-
сация движения с точностью до пиксела или полпиксела, а также
насколько хорошо кодер может обрабатывать движение, неприводи-
мое к плоскопараллельному смещению на вектор движения, выра-
жающийся в пикселах/полупиксел ах.
Особенную сложность для кодирования представляют объекты,
которые имеют резкие границы и наклонную ориентацию по отноше-
нию к внешней рамке испытательных таблиц. В этом случае спектр
ДКП блоков, на которые попадают наклонные границы объектов.
600
ЧАСТЬ IV. Телевизионное вещание
содержит ненулевые компоненты, как по горизонтальному, так и по
вертикальному направлению. Поскольку ДКП сохраняет энергию
сигнала (сумма квадратов яркостей пикселов в блоке равна сумме
квадратов коэффициентов ДКП), то спектр ДКП будет содержать
большое число гармоник небольшой амплитуды, и, следовательно,
относительные ошибки квантования окажутся заметными уже при
небольших коэффициентах квантования. Искажения в кодировании
рассмотренных элементов таблиц будут проявляться как окантов-
ки на границах, искажения типа ступеньки, размытие изображения.
Возникшие искажения могут накапливаться вслед за движущимся
объектом в виде эффекта «комаров».
Если в алгоритм кодера MPEG-2 заложен поиск векторов дви-
жения макроблоков только по яркостному компоненту или критерий
оценки максимально допустимой ошибки кодирования производится
только по сигналу яркости, то на цветных вращающихся кольцах с
постоянной яркостью и изменением цветности возможны цветовые
искажения в виде размытия цвета, неправильных цветов макробло-
ков, эффекта «привидений».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Урвалов В.А. Очерки истории телевидения. — М.: Наука,
1990. - 215 с.
2. Шмаков П.В. Введение в космическое телевидение: Учебное
пособие. — Л.: ЛЭИС, 1971. — 91 с.
3. Брацлавец П.Ф., Росселевич И.А., Хромов Л.И. Космиче-
ское телевидение. — М.: Связь, 1973. — 248 с.
4. Новаковский С.В. Новая эра ТВ вещания // Электросвязь.
1997. № 10. С. 20-21.
5. Кривошеев М.И. Новый подход к ТВ вещанию // Электро-
связь. 1997. № 12. С. 10-16.
6. Горохов П.К. Рози и г Б. Л. основоположник электронного
телевидения. — М.: Наука, 1964. - 120 с.
7. Домбругов Р.М. Телевидение. — Киев: Вища Школа, 1988.
— 213 с.
8. Телевидение: Учебник для вузов / Под ред. В.Е. Джаконии.
— М.: Радио и связь. 1997. — 640 с.
9. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. Телевидение: Учебник для ву-
зов. — М.: Связь, 1975. — 400 с.
10. Кулаков П.Н., ГЦелованов Л.Н., Орловский Е. Л. и др. Вос-
произведение полутонов в крупных, средних и мелких деталях теле-
визионного изображения // Техника кино и телевидения. 1965. № 12.
11. Петропавловский В.А., Постникова Л.Н., Хесин А.Я;,
Штейнберг А.Л. Передающие телевизионные камеры. — М.: Радио
и связь, 1988. — 304 с.
12. ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основ-
ные параметры. Методы измерений.
13. Певзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображе-
ний. — М.: Радио и связь, 1988. — 224 с.
14. Кривошеев М.И. Цифровое телевидение: Учеб, пособие. —
М.: ВЗЭИС, 1984. — 95 с.
15. Цуккерман И.И., Кац Б.М., Лебедев Д.С. и др. Цифро-
вое кодирование телевизионных изображений. — М.: Радио и связь,
1981. — 240 с.
16. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изо-
бражений / Под ред. Ю.Б. Зубарева и В.П. Дворковича. — М., 1997.
— 255 с.
17. Ряхин А. Видеостандарт MPEG // Журнал «625». 1996. № 6.
602
Список литературы
18. Гласман К.Ф. Видеокомпрессия // Журнал «625». 1997. № 7.
19. Быков Р.Б. Теоретические основы телевидения: Учебник для
вузов по направлению «Радиотехника». — СПб.: Лань, 1998. — 288 с.
20. Тимофеев Б.С. Цифровое телевидение: Учеб, пособие. —
СПб.: СПбГУАП, 1998. — 49 с.
21. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное по-
собие. — М.: Горячая линия-Телеком, 2001. — 224 с.
22. Харатишвили Н.Г., Чхеидзе И.М., Ронсен Д., Инджия Ф.И.
Пирамидальное кодирование изображений. — М.: Радио и связь,
1996. — 191 с.
23. Пресс Ф.П. Формирование видеосигнала на приборах с за-
рядной связью. — М.: Радио и связь, 1981. — 136 с.
24. Ангафоров А.П. Цветные кинескопы. — М.: Радио и связь,
1986. — 128 с.
25. Самохин В., Ивин Л. Мультимедийные проекторы // Жур-
нал «625». 2000. № 2.
26. Техника цветного телевидения / Под ред. С.В. Новаковско-
го. — М.: Связь, 1976. — 496 с.
27. Баскир И.Н. Бестрансформаторные транзисторные схемы
кадровой развертки. — М.: Связь, 1977. — 104 с.
28. Новаковский С.В. Цвет в цветном телевидении. — М.: Ра-
дио и связь, 1988. — 288 с.
29. Новаковский С.В. Стандартные системы цветного телевиде-
ния. — М.: Связь, 1976. — 267 с.
30. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизо-
ров. — М.: Радио и связь, 1998. — 513 с.
31. Пескин А.Е., Конов А.А. Многосистемный декодер на ми-
кросхемах TDA 4650, TDA 4670, TDA 4680 // Зарубежная радио-
электроника. 1993. № 3. С. 76-78.
32. Гласман К.Ф. MPEG — это просто! // Журнал «625». 2000.
№ 3. С. 5.
33. Reimers U. Digit ale Fernsehtechnik. Datenkompression und
Ubertragung fur DVB. 2. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New
York, 1997.
34. Гласман К.Ф. Цифровая видеотехника: кодирование, обнару-
живающее и исправляющее ошибки // Журнал «625». 1997. № 8.
35. Мамаев Н.С., Мамаев Ю.Н., Теряев Б.Г. Цифровое теле-
видение. М.: Горячая линия-Телеком, 2001.
36. Кантор Л.Я., Соколов А.В., Кривошеев М.И. и др. Прини-
маем непосредственно из космоса: Под общ. ред. А.В. Гороховского и
А.В. Соколова. — М.: ЗАО Журнал «Радио», 1998.
37. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки: Пер.
с англ. — М.: Мир, 1976.
38. Freyer U. DVB. Digitales Fernsehen. — Berlin: Verlag Technik,
1999.
39. Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телеви-
дении. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB-Т // Жур-
нал «625». 1999. № 9. С. 72.
Список литературы
603
40. Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телеви-
дении. Стандарт цифрового телевидения ATSC // Журнал «625».
1999. № 7. С. 68.
41. Варгаузин В. А. Принципы цифрового телевидения стандарта
ATSC // Теле-Спутник. 1999. № 9. С. 53-58.
42. Гласман К.Ф. Методы передачи данных в цифровом телеви-
дении. Система цифрового наземного телевизионного вещания ISDB-
Т // Журнал «625». 2000. № 2. С. 78.
43. Mausl R., Fernsehtechnik. — Heidelberg : Hiitig, 1991.
44. Stenger L., Die europaische Alternative // Funkschau. 1988.
H. 16. S. 26-28.
45. Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевиде-
ние. — М.: Радио и связь, 2000.
46. Гоголь А.А., Джакония В.Е., Украинский О.В. Новые воз-
можности систем «сотового» телевидения // TeleMultiMedia. 2000.
№ 1.
47. Harder К. Digitales Fernsehen mid Multimedia // Fernseh- und
Kinotechnik. 1996. № 3.
48. Егоров С.И., Типикин А.П. Вещание цифровых данных по
аналоговым телевизионным каналам: от телетекста до IP-пакетов //
Телекоммуникации. 2000. № 1. С. 26-40.
49. ITU-R Recommendation ВТ.470-5. Conventional television sys-
tems.
50. ГОСТ 50861-96. Система телетекст. Основные параметры и
методы измерений.
51. ITU-R Recommendation ВТ.653-2 (11/93). Teletext systems.
52. Барабаш П.А., Воробьев С.П. и др. Мультисервисные сети
кабельного телевидения. — СПб.: Наука, 2000.
53. Лопато С., Цифровое телевидение. Абонентский интерактив-
ный терминал // Журнал «625». 2002. Я5 1. С. 52.
54. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11. Coding of moving pictures and
audio. № 2201. MPEG-4 Systems. Final Committee Draft of International
Standard. 15 May 1998.
55. Лавен Ф. Интернет и интерактивное телевидение // Техника
кино и телевидения. 2002. № 1. С. 14.
56. Иванов А. Интерактивное телевидение // Мир Интернет.
2001. № 1. С. 18.
57. Батист И.И., Новицкий С.П. Современные системы теле-
видения. Ч. I. Телевизионный центр. Междугородная передача ТВ
сигналов. Системы спутникового ТВ вещания. Курс лекций. — Но-
восибирск: Изд-во Новосибирского техническ. университета, 1998 г.
58. Татарников О. Виртуальные студии сегодня // Журнал
«625». 2001. № 8. С. 5.
59. Однолько В.В. Новая камерная система вещательного теле-
видения // Техника кино и телевидения. 1983. № 3. С. 4-11.
60. Оптические головки передающих камер цветного цветного те-
левидения / Под ред. С.В. Новаковского. — М.: Связь, 1976. — 496 с.
604
Список литературы
61. Однолько В.В., Ожигин А.Ф., Харитонов Ю.А. Портатив-
ные камеры цветного телевидения. — М.: Радио и связь, 1984. —
104 с.
62. Миленин Н.К. Современные камеры цветного телевидения
на матрицах ПЗС // Техника кино и телевидения. 1983. № 1.
63. ГОСТ 28324. Сети распределительные приемных систем ТВ
и радиовещания.
64. Westerkamp D. Microwave Multipoint Distribution System
(MMDS) // Fernseh und Kinotechnik. 1997. № 5. S. 215.
65. Брауде Г.В. Коррекция телевизионных и импульсных сигна-
лов: Сб. статей. — М.: Связь, 1967. — 246 с.
66. Финкельштейн М.И. Гребенчатые фильтры. — М.: Сов. ра-
дио, 1969. — 320 с.
67. Адаптивные методы обработки изображений. — М.: Наука,
1988. — 252 с.
68. Цифровое телевидение / Под ред. М.И. Кривошеева. — М.:
Связь, 1980. — 264 с.
69. Шерайзин С.М. Адаптивная коррекция и фильтрация теле-
визионного сигнала. — М.: Радио и связь, 1987. — 90 с.
70. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. — М.:
Радио и связь, 1990. — 528 с.
71. Штейнберг В. Преобразование стандартов // Журнал «625».
2001. № 5.
72. Кириллов В.И., Ткаченко А.П. Телевидение и передача изо-
бражений. — Минск: Вышэйшая Школа, 1988. — 318 с.
73. Ельяшевич С.А., Пескин А.Е. Телевизоры ЗУСЦТ, 4УСЦТ,
5УСЦТ. — М.: Символ-Р, 1993. — 280 с.
74. Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной
аппаратуры: Учеб, пособие./ Под ред. С.В. Новаковского. — М.: Ра-
дио и связь, 1994. — 348 с.
75. Хохлов Б.Н. Декодирующие устройства цветных телевизо-
ров. — М.: Радио и связь, 1992. — 368 с.
76. Пескин А.Е., Войцеховский Д.В. Современные зарубежные
телевизоры. — М.: Радио и связь, 1999. — 228 с.
77. Техника магнитной записи. 2-е изд. / Под ред. В.И. Пархо-
менко. — М.: Энергия, 1978. — 398 с.
78. Гончаров А.В., Харитонов М.И. Канал изображения видео-
магнитофона. 2-е изд. — М.: Радио и связь, 1987. — 261 с.
79. Кинотелевизионная техника / М.В. Антипин, Ю.С. Комаров-
ский, Л.Л. Полосин, Д.А. Таранец. — М.: Искусство, 1984. — 288 с.
80. Вайда 3. Современная видеозапись: Пер. с вен г. — М.: Ра-
дио и связь, 1987. — 171 с.
81. Гитлиц М.В., Лишин Л.Г. Видеомагнитофоны и их приме-
нение. — М.: Связь, 1980. — 168 с.
82. Бытовая радиоэлектронная техника. / Под ред. А.П. Ткачен-
ко. — Минск: Беларуская энцыклапедыя, 1995. — 825 с.
83. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Бытовые видеомагни-
тофоны формата VHS. — СПб.: 1994. — 145 с.
Список литературы
605
84. Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические диско-
вые сиситемы. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1988. — 344 с.
85. Василевский Ю.А. Империя DVD. — М.: Леруша, 1999.
— 79 с.
86. Василевский Ю.А. Цифровой многопрофильный диск DVD
— основные технические характеристики // Техника кино и теле-
видения. 1998. № 2. С. 9.
87. Василевский Ю.А. HD-DVD — новая генерация цифровых
многопрофильных дисков // Техника кино и телевидения. 1998. № 9.
С. 19.
88. Прием телевидения и радиовещания со спутников /
Д.Ю. Бэм, М.Е. Ильченко и др. — М.: Радио и связь, 1993. — 216 с.
89. Левченко В.Н. Спутниковое телевидение. — СПб.: ВНV-С.-
Петербург, 2000. — 288 с.
90. Системы спутниковой связи: Учеб, пособие для вузов /
А.М. Бонч-Бруевич, В.Л. Баков, Л.Я. Кантор и др. / Под ред.
Л.Я. Кантора — М.: Радио и связь, 1992. — 224 с.
91. Спутниковое телевидение. Новые методы передачи / Н.Т. Ха-
ратишвили, Э.И. Кумыш и др. / Под род. Н.Т. Харатишвили. — М.:
Радио и связь, 1993. — 244 с.
92. Кабельное телевидение / Под ред. В.Б. Витевского. — М.:
Радио и связь, 1994. — 200 с.
93. Телевизионная техника: Справочник / Под общей ред.
Ю.Б. Зубарева и Г.Л. Глориозова. М.: Радио и связь, 1994. — 312 с.
94. Телеспутник. Системы кабельного телевидения. Справоч-
ник. 1999-2000.
95. Реушкин Н.А. Системы коллективного телевизионного при-
ема. — М.: Радио и связь, 1992. — 168 с.
96. Шмаков П.В., Колин К.Т., Джакония В.Е. Стереотелеви-
дение. — М.: Связь, 1968. — 207 с.
97. Джакония В.Е. Вещательные системы стереоцветного теле-
видения: Учеб, пособие. — Л.: Изд. ЛЭИС, 1979. — 51 с.
98. Формирование сигналов вещательной системы объемного те-
левидения / В.Е. Джакония, К.Т. Колин и др. // Техника кино и
телевидения. 1988. № 12.
99. Мамчев Г.В. Теория и проектирование стереотелевизионных
устройств. — Сибирский государственный университет телекомму-
никаций и информатики, 1999.
100. Копылов П.М., Тачков А.Н. Телевидение и голография.
— М.: Связь, 1976. — 166 с.
101. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: Учебн. по-
собие для вузов. — СПб.: Политехника, 2000. — 277 с.
102. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. — М.:
Радио и связь, 1989. — 608 с.
103. Виленчик Л.С. Измерения в цифровом телевидении // Тру-
ды НИИР. 1985. № 1. 608 с.
606
Список литературы
104. Кривошеев М.И., ’Мкртумов А.С., Федунин В.Г. Методы
оценки качества изображения в цифровом телевидении // Материа-
лы международного конгресса «Прогресс технологий телерадиовеща-
ния». Тезисы докладов HAT, Москва, 1-3 ноября 1999 г. «TRBE-99»,
М., 4-6 ноября 1999. — С. 189-190.
105. Devin В., Walland Р. Test Card «М» — Bitstreams for DVB
Test and Measurment. — Snell&Wilcox Ltd., UK.
106. Дворкович А.В., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Новин-
ский Н.Б., Иртюга В.А. Компьютерная методология аналогового и
цифрового телевизионного вещания // Материалы международного
конгресса «Прогресс технологий телерадиовещания». Тезисы докла-
дов HAT, Москва, 1-3 ноября 1999 г. «TRBE-99», М., 4-6 ноября
1999. — С. 193-199.
107. Gogol A., Zaharov К., Mishnenkov I., Cherny V. Methods of
Television Picture Quality Surveillance. — TCSET’2000, February 14-19,
2000, Lviv, Ukraine.su «Lvivska polytechnika».
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автотрекинг 486
Баланс белого 81
Базис глазной 45
Вектор движения 104
- ошибки объекта 593
Видеостриминг 343
Видикон 117
Время релаксации 128
Вспышка защитная цветовая 283
Выпадение сигнала 479
Гамма-корректор 43, 235
Глубина резкости 32
Градации яркости 41
Девиация поднесущей частоты 266
Деквантование 99
Дельта-кинескоп 144
Дескремблер 499
Детектор движения 388
Диаграмма цветности 219
Диафрагмирование 32
Доминанта 44
Дорожка шумовая 495
Заворот изображения 54
Запись наклонно-строчная 465
- полутораголовочная 468
- поперечно-строчная 465
Избыточность визуальная 91
- внутрикадровая 95
- временная 95
~ межкадровая 95
- пространственная 95
- статическая 91
- структурная 91
Излучение инфракрасное 208
• монохроматическое 204
ультрафиолетовое 208
Импульс уравнивающий 193
- гасящий 30
Инерционность 49
- зрения 22
- кинескопа 139
Интервал защитный 318
- дискретизации 84
Интерполяция движения 410
строк 408
Интерференция апертурная 52
межсимвольная 318
Искажение апертурное
геометрическое 32, 63, 173, 180
• - дифференциальное 261
- дифференциально-фазовое 262
- комбинационное 484
- перспективы 33
- перекрестное 255
- полутоновое 65
Кадр опорный 103
Канал камерный 349
- квазибезошибочный 92
- специальный 361
Катодолюминесценция 139
Кинескоп компланарный 144
- масочный 144
Код внешний 305
- внутренний 305
- дуобинарный 334
- Рида-Соломона 323, 591
- Хаффмана 100
Кодирование 34, 86
- источника 305
- канальное 305
- помехоустойчивое 92, 499
- треллисное (решетчатое) 323
- энтропийное 100
608
Предметный указатель
Компандер 536
Компенсация движения 104
Компрессия белого 403
- сигнала 9
Контраст пороговый 40
Конус цветов 212
Координата удельная 215
Корректор апертурный 397
- перекрестных искажений 275
- с амплитудно-зависимым делите-
лем 402
Коррекция апертурная 389
- Брауде 374
Коэффициент компрессии 266
- Кэлла 56
- отражения 207
- поглощения 207
- пропускания 207
- удельный цветовой 215
- цветокоррекции 354
Кривая относительной видности 26
Кроссовер 138
Линии равных площадей 364
Локус спектральный 212, 219
Лупа градационная 399
Люминофор 139
Метод коммутации фазы 279
- маскирования ошибок 499
- промежуточных строк 575
Модуляция амплитудная 309
- балансная 247, 310
- импульсно-кодовая 87
- многопозиционная 308
- квадратурная амплитудная 313
- фазовая 311
Мощность изотропно-излучаемая 528
- разрывная 161
Мультивещание 344
Насыщенность 204
Острота глубинного зрения 34
Ошибка пакетная 306
предсказания 101
Пакет транспортный 303
Параллакс 566
Пара метаметрическая 205
- оптически связанная 405
Параллакс линейный 46
- угловой 46
Перемежение 92
- спектров 253
Перспектива 33
Пластика прибора 563
Плотность спектральная 206
Плюмбикон 123
Поляризация света 148
Порог глубинного зрения 46
- квантования 86
- световой чувствительности 40
Поток лучистый 206
- транспортный 303
Предыскажение 268
Преобразование временное 113
- стандартов 404
- Фурье 319
Преобразователь аналого-цифровой 87
- формата кадров 413
- цифро-аналоговый 87
Прожектор антикометный 126
- пентодный 137
- электронный 137
Пространство цветовое 211
Пятно желтое 36
Развертка изображения 23, 47
- - кадровая 178
- линейно-строчная 48
- обратный ход 48
- построчная 60
- прямой ход 48
- чересстрочная 59
Разрешающая способность 31
Рандомизация 323
Расстановка частот 461
Растр 48
Растяжка черного 403
Резкость 81
Сведение лучей 80
Светоотдача 141
Сдвиг гармоник четвертьстрочный 297
Сигнал опознавания 277
- первичных цветов передачи 242
- синхронизации приемника 49, 199
- - централизованной 359
- цветоразностный 240
- цветовой синхронизации 249
- яркости 30, 239
- яркостной 29
Синхронизатор несинхронных источ-
ников 360
- цифровой телевизионный 201
Предметный указатель
609
Синхронизация инерционная 195
- кадровая цветовая 288
- непосредственная 195
- принудительная 29
- строчная цветовая 288
- частотная 276
Система телевидения растровая 594
Сканирование 100
Склон Найквиста 414
Скорость цифрового потока 87
Скремблирование 92, 499
Смешение бинокулярное 209
Созвездие 313
Спаривание строк 192
Спектр видеосигнала 54
Сплиттрансформатор 427
Стереопара 564
Стриминг 343
Структура дискретизации ортогональ-
ная 90
Телевинение интерактивное 336
- сотовое 361
Телетекст 339
Теорема Котельникова-Найквиста 85
Тон цветовой 204
Точка схода 33
Трансдуктор 174
Тремор 34
Треугольник цветовой 213
- первичных цветов 242
Тюнер
Угол зрения 35
- конвергенции 46
Унивещание 343
Уровень квантования 86
Устройство светоклапанное 147
Факел 290
Фильтр канонический 385
- рекурсивный 111
- цифровой 111
Фокус 539
Фон условный 350
Форма видеосигнала 50
Фотоэффект 27, 117
Характеристика апертурная 52
- апертурно-импульсная частот-
ная 53
- переходная 383
- световая 116
- спектральная 116, 237
Цвет единичный 212
- нереальный 212
- основной 209
- пурпурный 212
Цветность 20, 205
Цветокоррекция матричная 233
Частота дискретизации 84
Четкость 31, 80
- цветовая 81
Чистота цвета. 205
Шкала квантования 86
Шум квантования 87
Электролюминофор 139
Элемент развертывающий 23
Эффект пороговый 274, 289
Яркость 20, 44
- адаптации 38
AFD-декодер 325
ASK 307
ATSC 321
BPSK 312
COFDM 320
DVB 320
FSK 307
MPEG 341
OFDM 316
PSK 307
QPSK 312
RAID-массив 493
VSB-AM 312
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................... 3
К читателю............................................ 5
Введение.............................................. 6
ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ................ 19
Глава 1. Основные принципы телевидения..................... 19
1.1. Поэлементные анализ и синтез оптических изображений. 19
1.2. Преобразование оптического изображения в электриче-
ский сигнал......................................... 26
1.3. Обобщенная структурная схема телевизионной системы . 28
Глава 2. Характеристики оптического и телевизионного
изображений................................................ 30
2.1. Характеристики оптического изображения.............. 30
2.2. Зрительная система. Основные параметры телевизионно-
го изображения.................................... 33
2.3. Особенности восприятия цвета и объема............... 43
Глава 3. Форма и спектр видеосигнала....................... 47
3.1. Принципы построчной (прогрессивной) развертки.. 47
3.2. Форма видеосигнала.................................. 50
3.3. Спектр видеосигнала и его особенности............... 54
3.4. Чересстрочная развертка............................. 59
Глава 4. Искажения телевизионного изображения......... 62
4.1. Нормирование основных параметров систем и искажений
телевизионного изображения......................... 62
4.2. Геометрические (координатные) искажения............. 63
4.3. Полутоновые (градационные) искажения................ 65
4.4. Искажения яркости мелких деталей и вертикальных гра-
ниц крупных деталей (искажения четкости и резкости).. 68
4.5. Искажения яркости средних и крупных деталей.... 71
4.6. Цветовые искажения.................................. 73
4.7. Флуктуационные помехи............................... 74
4.8. Оценка искажений изображения по телевизионным табли-
цам ................................................ 77
Оглавление
611
Глава 5. Основы цифрового телевидения.................. 82
5.1. Общие принципы.................................. 82
5.1.1. Импульсно-кодовая модуляция............... 84
5.1.2. Компрессия................................ 91
5.1.3. Канальное кодирование..................... 92
5.1.4. Модуляция................................. 93
5.1.5. Обобщенная структурная схема системы цифрового
телевидения...................................... 93
5.2. Методы видеокомпрессии.......................... 95
5.2.1. Дискретно-косинусное преобразование....... 96
5.2.2. Квантование коэффициентов дискретно-косинусно-
го преобразования................................ 99
5.2.3. Кодирование коэффициентов дискретно-косинусно-
го преобразования............................... 100
5.2.4. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция 101
5.2.5. Компенсация движения в динамических изображе-
ниях ........................................... 104
5.2.6. Типы изображений......................... 109
5.3. Цифровая фильтрация телевизионного сигнала..... 110
5.4. Временные преобразования цифровых сигналов..... 113
ЧАСТЬ II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОВРАЗОВАТЕ-
ЛЕЙ СВЕТ-СИГНАЛ И СИГНАЛ-СВЕТ......................... 115
Глава 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал ... 115
6.1. Датчики телевизионных сигналов и их характеристики.. 115
6.2. Видикон........................................ 117
6.3. Плюмбикон...................................... 123
6.4. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изо-
бражения............................................ 126
Глава 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет.
Общие сведения........................................ 135
7.1. Кинескопы черно-белого телевидения............. 136
7.2. Электронный прожектор.......................... 137
7.3. Экраны кинескопов.............................. 138
7.4. Кинескопы цветного телевидения................. 143
7.5. Жидкокристаллические и плазменные экраны....... 147
7.6. Проекционные системы........................... 150
Глава 8. Развертывающие устройства.................... 152
8.1. Отклонение электронного луча................... 152
8.2. Эквивалентная схема отклоняющей системы........ 158
8.3. Выходной каскад строчной развертки на двустороннем
ключе............................................... 159
8.4. Практическая схема генератора строчной развертки на
транзисторе......................................... 163
612
Оглавление
8.5. Особенности выходных каскадов строчной развертки в
цветных телевизорах................................ 171
8.6. Генераторы кадровой развертки.................. 178
Глава 9. Синхронизация развертывающих устройств и
источников сигнала.................................... 187
9.1. Общие положения................................ 187
9.2. Форма сигналов синхронизации................... 190
9.3. Синхронизация генераторов электрических колебаний ... 195
9.4. Формирование сигналов синхронизации............ 197
9.5. Синхронизация источников сигнала путем временного
преобразования..................................... 201
ЧАСТЬ III. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ............... 204
Глава 10. Методы передачи информации о идете....... 204
10.1. Понятие о цвете................................ 204
10.2. Фотометрия и свойства зрительного аппарата человека.. 206
10.3. Колориметрическое определение цвета............ 208
10.4. Геометрическое представление цвета............. 211
10.5. Система RGB.................................... 213
10.6. Цветовая система XYZ........................... 217
10.7. Равноконтрастная цветовая диаграмма............ 221
10.8. Способы получения цветного телевизионного изображе-
ния................................................. 222
10.9. Особенности восприятия цвета в телевидении..... 225
10.10. Условия правильной цветопередачи в телевидении. 226
10.11. Матричная цветокоррекции....................... 231
10.12. Светоделительная система передающей камеры..... 235
Глава 11. Методы формирования полного сигнала цветного
телевидения........................................... 238
11.1. Основные требования к вещательной системе цветного те-
левидения .......................................... 238
11.2. Первичные цвета передачи..................... 239
11.3. Структурная схема совместимой системы цветного теле-
видения ........................................... 243
Глава 12. Аналоговые системы вещательного телевидения 246
12.1. Система цветного телевидения NTSC.............. 246
12.1.1. Общие принципы системы................... 246
12.1.2. Выбор частоты поднесущей................. 251
12.1.3. Цветоразностные сигналы Ei и Eq.......... 254
12.1.4. Структурная схема кодирующего устройства. 257
12.1.5. Структурная схема декодирующего устройства .... 259
12.1.6. Эксплуатационные характеристики системы.. 261
12.2. Система цветного телевидения SECAM............. 262
Оглавление
613
12.2.1. Общие принципы системы................... 263
12.2.2. Основные параметры системы............... 265
12.2.3. Структурная схема кодирующего устройства... 278
12.2.4. Структурная схема декодирующего устройства .... 284
12.2.5. Эксплуатационные характеристики системы.... 289
12.3. Система цветного телевидения PAL............... 291
12.3.1. Общие принципы системы................... 291
12.3.2. Структурная схема кодирующего устройства... 296
12.3.3. Структурная схема декодирующего устройства .... 299
12.3.4. Эксплуатационник' характеристики системы... 302
Глава 13. Аналогово-цифровые и цифровые системы цвет-
ного телевидения...................................... 303
13.1. Передача телевизионного сигнала в цифровой форме. 303
13.1.1. Формирование потоков цифрового ТВ сигнала.. 303
13.1.2. Канальное кодирование.................... 305
13.1.3. Цифровые способы модуляции............... 307
13.2. Цифровое ТВ вещание............................ 320
13.2.1. Развитие цифрового ТВ вещания............ 320
13.2.2. Система ATSC............................. 321
13.2.3. Система DVB.............................. 325
13.2.4. Система ISDB............................. 327
13.3. Телевизионные системы улучшенного качества..... 328
13.3.1. Телевидение высокой четкости (ТВЧ)....... 328
13.3.2. Телевизионные системы с широкоформатным изо-
бражением ...................................... 329
13.3.3. Телевизионные системы с уплотнением во времени 332
13.4. Перспективы развития систем цифрового телевизионного
вещания............................................. 336
13.4.1. Возможности интерактивной сети ТВ вещания.. 336
13.4.2. Передача дополнительной информации в вещатель-
ных телевизионных системах....................... 339
13.4.3. Возможность передачи телевизионных программ по
узкополосным каналам............................. 341
13.4.4. Передача телевизионных программ по сети Интер-
нет ............................................. 342
ЧАСТЬ IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ....................... 346
Глава 14. Телевизионные центры........................ 346
14.1. Структура телевизионного центра................ 346
14.2. Аппаратно-студийный комплекс................... 349
14.3. Телевизионные передающие камеры................ 351
14.4. Технические, режиссерские и центральные аппаратные.. 353
14.5. Тслекинопроекционные аппаратные................ 357
614
Оглавление
14.6. Синхронизация.................................. 359
14.7. Развитие средств распространения телевизионных про-
грамм ............................................... 360
Глава 15. Формирование аналогового телевизионного сиг-
нала.................................................. 362
15.1. Особенности формирования аналогового телевизионного
сигнала.............................................. 362
15.2. Фиксация уровня черного телевизионного сигнала.. 363
15.3. Противошумовая коррекция....................... 370
15.4. Шумоподавители............................... 381
15.5. Апертурная коррекция........................... 389
15.6. Коррекция полутоновых искажений................ 397
Глава 16. Преобразователи телевизионных стандартов ... 404
16.1. Основные положения и общие принципы преобразования
стандартов....................................... 404
16.2. Цифровые преобразователи стандартов............ 406
Глава 17. Телевизионные приемники..................... 413
17.1. Особенности передачи и приема телевизионных сигналов
наземного вещания.................................... 413
17.2. Особенности структурных схем телевизионных приемни-
ков.................................................. 417
17.3. Многостандартный блок цветности телевизоров УСЦТ... 428
17.4. Телевизионный приемник с цифровой обработкой сигна-
лов стандартного цветного телевидения................ 447
Глава 18. Запись телевизионных сигналов............... 454
18.1. Общие принципы и особенности магнитной записи телеви-
зионных сигналов..................................... 454
18.2. Частотные модуляторы и демодуляторы для магнитной
записи ТВ сигналов.................................. 462
18.3. Методы магнитной записи телевизионных сигналов.. 464
18.4. Обработка воспроизводимых сигналов............. 478
18.5. Системы автоматического регулирования (САР) в видео-
магнитофонах......................................... 486
18.6. Монтаж видеофонограмм.......................... 492
18.7. Принцип ускоренного и замедленного воспроизведения те-
левизионных изображений.............................. 494
18.8. Запись цифровых сигналов....................... 495
18.9. Перспективы развития магнитной записи телевизионных
сигналов............................................. 505
18.10. Бытовые видеомагнитофоны....................... 507
18.11. Цифровая запись видеосигналов на диски......... 514
Глава 19. Спутниковое телевизионное вещание........... 525
19.1. Орбиты спутников ТВ вещания.................... 525
19.2. Диапазон частот спутникового телевизионного сигналов. 527
Оглавление
615
19.3. Методы передачи сигналов телевидения в спутниковом ве-
щании ............................................... 533
19.4. Прием сигналов СНТВ............................ 539
Глава 20. Системы кабельного телевидения.......... 545
20.1. Принципы построения приемной телевизионной сети. 545
20.2. Принципы построения систем кабельного ТВ....... 549
20.3. Головная станция............................... 551
20.4. Распределительная сеть......................... 554
20.5. Перспективы развития СКТВ...................... 557
Глава 21. Стереотелевидение........................... 562
21.1. Основы стереотелевидения....................... 562
21.2. Стереоэффект телевизионной системы............. 566
21.3. Стереоцветное телевидение...................... 569
21.4. Перспективы развития стереотелевидения......... 576
Глава 22. Телевизионный контроль и измерения.......... 579
22.1. Методы и критерии оценки качества телевизионных изо-
бражений............................................. 579
22.2. Контроль качества изображений в аналоговых телевизи-
онных системах....................................... 583
22.2.1. Субъективный контроль качества изображений .... 583
22.2.2. Контроль качества изображений с помощью-испы-
тательных строк.................................. 585
22.3. Контроль качества изображений в цифровых телевизион-
ных системах......................................... 588
22.3.1. Требования к контролю качества работы цифровых
телевизионных систем............................. 588
22.3.2. Основные параметры, контролируемые в ЦТВ.. 591
22.3.3. Контроль качества изображений в цифровых теле-
визионных системах............................... 595
22.3.4. Испытательные таблицы для контроля качества ра-
боты ЦТВ......................................... 598
Список литературы............................... 601
Предметный указатель............................ 606
УДК 621.397 (075.8)
Ы>1< 32.94
Г 31
Р е ц с н з с н т ы : доктор техн, наук, профессор Б. П. Хромой (МТУСИ); доктор
техн, наук, профессор Р. Е. Быков (СПбГЭУ)
Л в I о р ы : |В. Е. Джаконпя|, Л. Л. Гоголь, Я. В. Друзин, Н. А. Ерганжисв,
С. Э. Коганср, П. М. Копылов, В. И. Лисогурский, О. В. Украинский
ТЗ 1 Телевидение: Учебник для вузов / В. Е. Джакония, А. А. Гоголь,
Я. В. Друзин и др.; Под ред. В. Е. Джаконии. 4-е изд., стереотип. -
М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 616 с: ил.
ISBN 978-5-9912-0004-2.
Излагаются теоретические основы телевидения и анализируются фи-
зические процессы в важнейших узлах телевизионной аппаратуры фото-
электрических и оптоэлектрических преобразователях, модулях ТВ прием-
ников и др. Рассматриваются основные современные ТВ системы: цветного
телевидения, спутникового ТВ вещания, кабельного ТВ, стереотеле-
видения, телевидения высокого и повышенного качества, телевизионного
контроля и измерения. Особое внимание уделяется проблемам цифрового
ТВ вешания, технологии интерактивного телевидения, передачи телевизи-
онных программ по сети Пиiернсi и в перспективе интеграции всех теле-
коммуникационных служб в единую систему.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекомму-
никации» и специальное 1 и «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».
Учебник будет также полезен дам инженеров, работающих в области
телевизионной техники.
ББК 32.94
Адрес издательства в Интернет и и и //< н/ннж Л’Г
ISBN 47S-5-O912-0004-2
© Джакония В. Г.. Гоголь Л. Л.,
Друзин Я. В. и др.. 2003, 2007
© Оформление издательства
«Горячая линия - Телеком», 2007
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru
Учебное издание
Джакония Владимир Ермилевич, Гоголь Александр Александрович,
Друзин Ярослав Валериевич, Ерганжиев Николай Аркадьевич,
Коганер Сергей Эйзерович, Копылов Павел Максимович,
Лисогурский Василий Иванович, Украинский Олег Владимирович
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Учебник
4-е издание, стереотип.
Редактор В. А. Лазарева
Технический редактор Т. Н. Зыкина
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышов
Подписано в печать 28.05.2007. Формат 60x90 1/16.
Гарнитура Computer Modem. Усл. печ. л. 38,5. Тираж 1000 экз. (1 завод 500 экз.)
Изд. № 7004 Заказ 539
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ООО ’’Типография Полимаг”
127242. Москва, Дмитровское шоссе. 107
Книги издательства «Горячая линия - Телеком»
можно заказать через почтовое агентство DESSY: 107113, г.Москва, а/я 10,
а также интернет-магазин: www.dessy.ru
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Настоящее издание учебника является юбилейным
и посвящается 70-летию кафедры телевидения и видео-
техники Санкт-Петербургского государственного универ-
ситета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Кафедра телевидения и видеотехники была создана
в сентябре 1937 г. Организатором её был заслуженный
деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государст-
венной премии СССР, доктор технических наук, профес-
сор Павел Васильевич Шмаков, руководивший кафедрой
в течение 45 лет. Более 20 лет кафедру возглавлял его
ученик профессор В. Е. Джакония. В настоящее время
кафедрой руководит доктор технических наук, профессор
А. А. Гоголь.
ISBN 978-5-9912-0004-2
Сайт издательства:
www.techbook.ru