/
Автор: Джакония В.Е. Гоголь А.А. Друзин Я.В. Ерганжиев Н.А. Коганер С.Э. Копылов П.М.
Теги: телевидение электротехника
ISBN: 5-93517-070-1
Год: 2002
Текст
УЧЕБНИК,
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
ВОЗВРАТИТЕ КНИГУ НЕ ПОЗЖЕ
обозначенного здесь срока
5&Ч
ПЛИИ1ЕКИ1
Под редакцией профессора
В.Е.Джаконии
Рекомендовано
Государственным комитетом по высшему образованию
Российской Федерации
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
"Телекоммуникации ", специальности "Радиосвязь ",
радиовещание и телевидение"
Москва
Горячая линия - Телеком
2002
ББК 32.94
Т31
В. Е. Джакония, А. А. Гоголь, Я. В. Друзин, Н. А. Ерганжиев,
С. Э. Коганер, К. Т. Колин, П. М. Копылов, В. И. Лисогурский
Телевидение: Учебник для вузов/В. Е. Джакония, А. А. Гоголь,
ТЗ1 Я. В. Друзин и др.; Под ред. В. Е. Джаконии. - М.: Горячая
линия-Телеком, 2002. - 640 с.: ил.
ISBN 5-93517-070-1.
Рассматриваются физические основы телевидения, преобразование и
формирование телевизионного сигнала, системы цветного телевидения, те-
левизионное вещание, спутниковое телевидение, консервация телевизион-
ных программ, кабельное телевидение, телевизионные измерения, перспек-
тивные и прикладные системы телевидения.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекоммуни-
кации», специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».
ББК 32.94
Адрес издательства в Интернет radios@cityline.ru.
ISBN 5- 3517-070-1
БИБЛИОТЕКА!
УНИВЕРСИТЕТА
Й|ЙОИТЕЛ0ИГГ-'Л
УЧЕЬНЫ
© Джакония В. Е., Гоголь А.А., Друзин Я. В. и др„ 2002
© Оформление издательства
«Горячая линия-Телеком», 2002
Посвящается Учителю профессору
Павлу Васильевичу Шмакову
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник по содержанию соответствует программе кур-
са "Телевидение” специальности ’’Радиосвязь, радиовещание и теле-
видение”. Он может быть использован для других радиотехнических
специальностей, где читается курс "Телевидение”. Пять изданий
учебника, выпущенные кафедрой за истекшие тридцать с лишним лет,
сослужили свою службу.
Телевидение как современная область знаний развивается и об-
новляется очень быстро. За несколько лет коренным образом измени-
лась не только техника, но и появились новые направления в телеви-
дении. Это все необходимо учитывать и отражать при чтении лекций
и проведении практических занятий. Вместе с тем количество часов,
отводимых на курс, сокращается в расчете на активизацию самосто-
ятельной работы студентов. В силу этого необходимо интенсифициро-
вать обучение, применять новые методики и, наконец, исключать из
курса разделы, потерявшие актуальность. Все эти доводы заставили
коллектив кафедры, который к тому же в значительной степени обно-
вился, написать новый учебник, а не переиздавать старый.
Настоящий учебник содержит разделы основ телевидения и отра-
жает его современное состояние. Методически учебник построен и
написан с таким расчетом, чтобы студент мог самостоятельно изучить
отдельные разделы курса, которые иа лекциях не освещаются из-за
ограниченности времени. Это заставило авторов некоторые новые на-
правления в телевизионной технике изложить более подробно.
Авторы учебника являются учениками и продолжателями С.-Пе-
тербургской телевизионной школы проф. П. В. Шмакова. При напи-
сании этого учебника авторы стремились сохранить преемственность
и традиции кафедры телевидения и видеотехники С.-Петербургского
Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А.
Бонч-Бруевича.
Учебник написан проф. В. Е. Джаконией (предисловие, введение,
гл. I, 15, 17, 23), проф. А. А. Гоголем (гл. 4 совместно с доц. В. И.
Лисогурским, гл. 7 совместно с доц. Н. А. Ерганжиевым и гл. 20), доц.
Я- В. Друзиным (гл. 8, 16, 21), доц. Н. А. Ерганжиевым (гл. 6, гл. 7
совместное проф. А. А. Гоголем, гл. 10,11), проф. С. Э. Коганером (гл.
5,9, 12,22), доц. К. Т. Колиным (гл. 13,24), доц. П. М. Копыловым (гл.
3, 18, 19), доц. В. И. Лисогурским (гл. 2 по материалам доц. А. Г.
Кондратьева), гл. 4 совместно с проф. А. А. Гоголем, гл. 14).
Авторы выражают глубокую благодарность профессору С. В. Но-
ва ковскому за ряд полезных, конструктивных советов по содержанию
учебника.
3
ВВЕДЕНИЕ
Термин ’’телевидение” возник в 1890 г. Его впервые употребил
русский инженер электрик К- Д. Перский в докладе ’’Электрическое
телевидение” на Международном конгрессе в Париже.
Телевидением называется область современной радиоэлектрони-
ки, которая занимается передачей и приемом движущихся и непод-
вижных изображений предметов, расположенных в пространстве
электрическими средствами связи в реальном и измененном масшта-
бе времени.
Общая задача телевидения состоит в дистанционном отображе-
нии в сознании человека событий, происходящих в мире. Для полноты
восприятия необходимо было бы воздействовать на весь арсенал ор-
ганов чувств.
Решение задачи в такой постановке весьма сложно и экономиче-
ски нецелесообразно, поэтому современное телевидение ограничива-
ется Воздействием только на зрение и слух. Но и в этом качестве оно
значительно расширило человеческие возможности. Так, телевидение
позволяет видеть предметы, освещенные невидимыми лучами: рент-
геновскими, ультрафиолетовыми, инфракрасными, а также облучае-
мые ультразвуковыми волнами, позволяет нам в обычных условиях
видеть под землей, под водой, в космосе.
Конечным звеном, приемным индикатором в телевидении в подав-
ляющем большинстве случаев служит глаз. Поэтому телевизионная
система должна строиться с учетом нашего зрительного органа. Ре-
альный мир мы воспринимаем в красках и в динамике. Эти замеча-
тельные свойства наш глаз получил в процессе длительного биологи-
ческого развития. Поэтому телевизионная передача натурных сцен
должна сопровождаться воспроизведением указанных свойств про-
странства. Для более совершенной ориентировки в пространстве при-
рода сдублировала зрительный орган, наделив его парой глаз. Теле-
визионная техника использовала этот принцип бинокулярного зрения
для передачи рельефности предметов.
Задачей телевидения на современном этапе развития техники яв-
ляется получение на приемном телевизионном устройстве изображе
ния, соответствующего объекту передачи. Эта задача решается слож-
ным комплексом аппаратуры преобразования, передачи,
кодирования, декодирования, отображения и другими операциями по
обработке визуальной информации.
Телевидение базируется на достижениях многих смежны* обла-
стей знаний, таких как радиотехника, электронная техника, светотех-
ника и других. Вместе с тем телевидение решает частные задачи,
4
опираясь на математику, физику, химию, теорию информации и дру-
гие науки. Поэтому телевидение тесно связано с общим развитием
науки и техники [ 1 ].
Как только человеческое общество делало шаг вперед в своем
развитии, происходило усовершенствование средств связи. Телевиде-
ние, прежде всего как средство связи, также прошло длительный путь
развития, начиная от первых нереализованных проектов через этап
механического телевидения до современного электронного. Если
учесть, что примерно 85% информации о внешнем мире человек полу-
чает благодаря зрительному аппарату, то станет ясно, что проблема
передачи зрительной информации на расстояние издавна занимает
умы изобретателей.
В основе телевидения лежат три физических процесса: преобразо-
вание световой энергии в электрические сигналы; передача их по ка-
налу связи и прием электрических сигналов; преобразование элект-
рических сигналов в оптическое изображение.
Примерно к 1875 г. были открыты или изобретены все основные
элементы для создания примитивных по современным меркам систем
передачи изображений на расстояние. Надо отметить, что оптическое
изображение было получено учеными еще в средние века.
В 1832 г. русский ученый П Л. Шиллинг изобрел электромагнит-
ный телеграф — прообраз современного электрического канала свя-
зи. В 1858 г. немец Г. Гейслер разработал газоразрядные трубки,
получившие в дальнейшем название ”гейслеровские трубки”. В отли-
чие от ламп накаливания они были безынерционными, что важно для
воспроизведения движущихся изображений. Эти трубки могут счи-
таться первыми образцами преобразователей электрических сигна-
лов в оптические.
Фотоэлектрический эффект — это открытие, которое позволило
осуществить одну из основных трех функций телевидения — преобра-
зование световой энергии в электрический сигнал. Первый, кто осу-
ществил преобразование светового излучения в электрический ток в
1839 г., был французский физик Э. Беккерель.
В 1817 г. известный химик Й. Берцелиус открыл химический эле-
мент селен, а в 1873 г. англичане техник К. Мэй открыл, а инженер
компании У. Смит объяснил явление фотопроводимости селена (внут-
ренний фотоэффект). Это было последним звеном в цепи системы
передачи изображений.
После этих открытий возникало много идей создания системы пе-
редачи изображений. Предлагались различные варианты, которые в
основном остались идеями и не были реализованы в силу несовершен-
ной материальной базы и низкого уровня техники Но уже к концу
XIX-го столетия все предпосылки к разработке систем телевидения
были. В 1878 — 1880 гг. были опубликованы первые проекты переда-
чи изображений с натуры и в движении. Всего до 1900 г. изобретатели
11 стран вынесли иа суд общественности 25 проектов таких устройств,
из них 4 — в России [1]. Из идейных предшественников телевидения
5
наиболее известны в разных странах: Керри, Герберт Айвс (США),
Кемпбелл Суинтон, Джон Бэрд (Англия), Дикман, Шретер( Германия),
Костелани (Италия), де Пайва (Португалия), Б. Л. Розинг, П. И. Бах-
метьев (Россия). Многие другие специалисты разных стран внесли свои
идеи и попытки реализации многочисленных проектов телевидения.
В 1875 г. американцем Дж. Керри была предложена идея создания
системы передачи изображения, копирующая глаз. Система предпо-
лагала наличие на передающей стороне панели с мозаикой фотоэле-
ментов, на которую проектировалось изображение. Каждый фотоэле-
мент соединялся линией связи со своей газоразрядной лампой.
Приемная сторона представляла собой аналогично передающей час-
ти панель с газоразрядными лампами Проект Керри не был реализо-
ван. так как предполагал одновременную передачу сигналов со всех
фотоэлементов.
Каждый фотоэлемент нес информацию одного элемента изобра-
жения, и чем их больше, тем выше по четкости передаваемое изобра-
жение. Наличие такого количества каналов связи, на которое было
разбито изображение на передающей стороне, практически нереали-
зуемо. Современное телевидение передает изображение, которое со-
держит около полумиллиона элементов.
Ценность данного проекта заключается втом, что в нем оптическое
изображение разбивалось на элементарные участки (элементы) и сиг-
нал от каждого элемента передавался отдельно. Такая система, есте-
ственно, представляет теоретическую ценность, но практически не
была реализована из-за необходимости создания большого количест-
ва линий связи с абонентом.
В отличие от одновременной системы передачи сигналов изобра-
жения в 1878—1880 гг. появилось несколько проектов так называемой
поочередной передачи сигналов изображения. Среди авторов этих
проектов были португалец А. де Пайва (1878 г.), русский П. И. Бахмен-
тьев(1880 г.), француз К. М. Сенлек (1879 г.). Их проекты интересны тем,
чтоони предложили поочередную поэлементную передачу сигналов изо-
бражения по одному каналу связи. Возможность синтеза на приемном
конце при последовательном восстановлении изображения элемент за
элементом основана на инерционности человеческого зрительного аппа-
рата. Оказывается, что человеческий глаз видит мелькающий источник
света немелькающим (непрерывно светящимся) при достаточно высо-
кой частоте мельканий. Эта особенность зрения позволяет передавать
сигналы элементов изображения последовательно, а на приемном конце
видеть изображение слитным.
Это второй основной принцип, который лежит в основе современ-
ного телевидения, — последовательная передача сигналов от каждо-
го элемента изображения. Такую систему можно получить, преобра-
зовав систему Керри, снабдив ее вращающимися коммутаторами иа
передающей и приемной сторонах.
. Надо обеспечить синхронное и синфазное вращение этих коммута-
торов, тогда в каждый момент времени элемент на передающей сто-
6
роне будет связан линией с соответствующим источником света на
приемной стороне. Все эти проекты отличались один от другого техни-
ческими решениями, но ни один из них не был реализован из-за несо-
вершенства или отсутствия соответствующей материально-техниче-
ской базы.
Практическое решение проблемы последовательной передачи
сигналов от элементов изображения было осуществлено в проекте
немецкого гражданина польского происхождения П. Нипкова в 1884 г. в
оптико-механическом устройстве, получившем название ’’диск Нип-
кова”. Это непрозрачный диск большого диаметра, около внешнего
края которого расположены отверстия по спирали Архимеда. Диа-
метр отверстия определяет размер элемента. Каждое отверстие опре-
деляет размер элемента и смещено по радиусу к центру диска отно-
сительно предыдущего на диаметр отверстия (рис. В. 1). Перед диском
с отверстиями устанавливается ограничительная рамка, определяю-
щая размер изображения. Высота рамки будет равна расстоянию по
вертикали между началом и концом спирали, а ширина — расстоя-
нию между отверстиями в диске. При вращении диска отверстия внут-
ри рамки перемещаются по дуге, при этом в поле рамки оказывается
только одно отверстие. Каждое отверстие чертит строку, и число строк
развертки изображения равно числу отверстий в диске. Количество
элементов, на которое будет разбито изображение, будет равно при
одинаковой высоте и ширине рамки л2, где л — число отверстий в
диске. За один оборот диска передаются все элементы изображения.
Идея и главное, практическое осуществление системы Нипкова
оказались настолько простыми, что первые практические системы
были после целого ряда усовершенствований осуществлены в 1925 г.
Дж. Бердом в Англии и Ч. Ф. Дженкинсом в США, а в 1926 г.
Л. С. Термеиом в СССР. В 1926 г. Дж. Берд начал опытные телевизи-
онные передачи через радиостанции вблизи Лондона с четкостью
30 строк. В Германии в 1929 г. концерн ’’Телегор АГ” во главе с
Д. Михали вышел в эфир и осуществил передачу телевизионного изо-
бражения с четкостью 30 строк.
В Москве в апреле 1931 г. коллектив лаборатории Всесоюзного
электротехнического института под руководством П. В. Шмакова осу-
Рис. В.1. Диск Нипкова
7
Рис. В.2. Укрупненная
структурная схема систе-
мы с диском Нипкова
ществил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения
в Ленинград, а с октября 1931 г. начались регулярные телевизионные
передачи с четкостью 30 строк и частотой кадров 12,5 Гц на волне
379 м, и звуком на волне 720 м. Сигналы московской телестанции
принимались в Ленинграде, Одессе, Харькове, Н. Новгороде, Томске
и в других городах.
На рис. В. 2 показана укрупненная структурная схема системы с
диском Нипкова, которая им была названа электрическим телеско-
пом. Изображение передаваемой сцены с помощью объектива фоку-
сируется в плоскости диска /, пройдя через ограничительную рамку 2.
За диском устанавливается селеновый фотоэлемент 3. Когда диск
вращается, то каждое его отверстие по очереди пропускает световой
поток от отдельных элементов изображения, образуя на выходе фото-
элемента последовательность электрических импульсов, пропорцио-
нальных световому потоку, прошедшему через отверстие от каждого
элемента изображения. Далее сигнал поступает иа передатчик. В
приемном устройстве сигнал усиливается и поступает на плоскую
газосветную лампу 4, вызывая изменение яркости свечения. Между
лампой и зрителем располагается диск 5 с рамкой 6, аналогичный
передающей стороне. Диски на приемной и передающей сторонах
идентичны, поэтому при их синхронном и синфазном вращении в каж-
дый момент времени положение отверстий на них будет одинаковым.
Световой поток, прошедший через отверстие приемного диска в каж-
дый момент времени будет соответствовать яркости элементов пере-
даваемого изображения. При высокой скорости вращения дисков со-
вокупность движущихся светящихся точек будет восприниматься как
слитное изображение.
К 1934—1935 гг. были разработаны и практически реализованы
системы с использованием зеркальных барабанов, винтов и др. Были
созданы оптико-механические системы с разверткой изображения на
180 и даже на 375 строк. Чувствительность системы резко падала с
увеличением числа элементов разложения, так как эти системы рабо-
тали без накопления зарядов в течение кадра, а генерировали сигнал
только во время прохождения светового потока через развертываю-
щий элемент (отверстия диска).
К этому времени стало ясно, что оптико-механические системы
бесперспективны и никакие дальнейшие усовершенствования не мо-
8
гут привести к заметному улучшению качества изображения в силу
органических недостатков оптико-механических систем. Эти недо-
статки были видны значительно раньше, на заре развития телевиде-
ния, но состояние техники еще не позволяло использовать электрон-
ные системы для реализации проектов. Еще в 1907 г. преподаватель
С.-Петербургского Технологического института Б. Л. Розинг предло-
жил и запатентовал устройство, на котором согласно патентной фор-
муле ”на станции получения изображения воспроизводится последо-
вательно точка за точкой на флуоресцирующем экране трубки
Брауна или другого подобного прибора пучком катодных лучей, со-
вершающим движения, подобные и синхронные с движением осей
световых пучков, идущих на станции отправления от элементов изо-
бражаемого поля к фотоэлектрическому приемнику”. Приемная
трубка, предложенная Б. Л. Розингом, выполняет две функции: после-
довательно разворачивает изображение на экране, т. е. заменяет диск
с отверстиями в оптико-механической системе, и является источником
\:вечения, т. е. заменяет, например, газосветную лампу.
Существенным отличием трубки Розинга от трубки Брауна явля-
ется введение элемента, осуществляющего регулировку плотности
тока пучка. Пара пластин располагались перед диафрагмой, через
которую проходил электронный луч. В зависимости от величины сиг-
нала электронный луч отклонялся, и через отверстие диафрагмы про-
ходило различное количество электронов, вызывая тем самым раз-
личное свечение экрана. На передающей стороне Розинг использовал
оптико-мехаиическую систему.
В мае 1911 г. Б. Л. Розинг продемонстрировал изображение про-
стых движущихся геометрических фигур на действующей установке.
В это же время в Англии был опубликован проект телевизионной
установки ученого Кемпбелла Суинтона, в котором предлагалось исполь-
зовать электронно-лучевую трубку для передачи и приема. Кемпбелл
Суинтои представил'доклад в ноябре 1911 г. Рентгеновскому обще-
ству и опубликовал в 1912 г. схему электронного телевидения.
В предложенной телевизионной системе электронно-лучевая
трубка в приемнике практ! чески не отличалась от трубки Розинга. На
передающем конце размещалась аналогичная электронно-лучевая
трубка, в которой на месте люминофорного экрана помещалась моза-
ика из большого числа фотоэлементов. В отличие от Розинга Суинтон
не создал действующей модели своей системы. Б. Л. Розинг справед-
ливо считается основоположником электронного телевидения, а
К- Суинтон — автором первого неосуществленного проекта полно-
стью электронной телевизионной системы.
Первый проект полностью электронной системы телевидения в
нашем отечестве был предложен группой изобретателей во главе с
Б. П. Грабовским в 1925 г. Этот проект отличался тем, что и на пере-
дающей части использовалась электронио-лучевая трубка, которая
представляла собой вакуумную колбу, внутри которой устанавлива-
лась пленка легких щелочных металлов, обладающая фотоэффектом,
9
устройство, формирующее электронный луч, и система отклонения
электронного луча. В 1928 г. Б. П. Грабовский продемонстрировал на
своей опытной установке простейшие движущиеся изображения [1].
Заметным успехом явилась в феврале 1935 г. демонстрация элек-
тронной системы телевидения с четкостью 180 строк разложения
группой, руководимой Я. А. Рыфтиным. Широкое развитие и практи-
ческое внедрение электронное телевидение получило после изобрете-
ния передающих трубок с высоким разрешением и чувствительностью —
иконоскопа В. К. Зворыкина и с трехслойной мишенью С. И. Катаева
и супериконоскопа П. В. Шмакова и П. В. Тимофеева.
Еще до начала второй мировой войны в России были созданы
предпосылки для развития электронного телевизионного вещания. В
1937 г. было завершено строительство двух телевизионных центров: в
Ленинграде — полностью на отечественном оборудовании со стан-
дартом разложения 240 строк и в Москве — на импортном оборудо-
вании со стандартом 343 строки. 7 мая 1945 г. первым в Европе возоб-
новил работу Московский телецентр. С 1948 г. началось вещание
Московского телецентра по стандарту разложения 625 строк, предло-
женного в 1944 г. С. И. Катаевым и С. В. Новаковским.
Важным этапом в развитии телевидения явилось внедрение цвет-
ного телевизионного вещания, регулярные передачи которого у нас
начались 1 октября 1967 г. по совместимой советско-французской
системе цветного телевидения SECAM.
Автором проекта первой цветной телевизионной системы механи-
ческого типа является русский инженер-электрик А. А. Полумордви-
нов. В декабре 1899 г. он предложил систему цветного телевидения,
которая, как и современные системы, основывается на трехкомпо-
нентной теории цветного зрения Ломоносова — Юнга — Гельмголь-
ца. А. А. Полумордвинов считается первым изобретателем системы
цветного телевидения с последовательной передачей цветов. Проект
системы с одновременной передачей цветовых сигналов предложил
в 1907 г. О. А. Адамян.
Развитие техники цветного телевидения шло неравномерно — от
предложения первых проектов до современных систем. На первом
этапе широкое развитие получили так называемые последовательные
системы цветного телевидения, как наиболее экономичные и простые
в реализации. По этой системе в некоторых странах, в том числе и у
нас, велось недолгое время опытное телевизионное вещание.
В 1938 г. английский изобретатель Д. Берд осуществил демонст-
рацию цветного изображения с четкостью 120 строк на большом экра-
не. Это была комбинированная система, использующая элементы ме-
ханического и электронного телевидения. Во время второй мировой
войны в США в научно-исследовательском отделе CBS под руковод-
ством П. К. Голдмарка была разработана последовательная система
цветного телевидения с четкостью 343 строки. В 1951 г. в Нью-Йорке
по данной системе началось телевизионное вещание с четкостью 405
строк. Однако последовательная система просуществовала недолго.
Ю
и телевизионное вещание было прекращено. Основной причиной этого
была несовместимость цветной системы с существующей системой
черно-белого телевидения и невозможность получения большого эк-
рана ввиду наличия в этой системе в приемном устройстве вращаю-
щегося диска с цветными фильтрами.
В 1953 г. в США была введена для вещания одновременная совме-
стимая система цветного телевидения NTSC. Впоследствии этот стан-
дарт был принят Японией, Канадой и другими странами Американ-
ского континента.
В нашей стране в ноябре 1952 г. состоялась первая опытная пере-
дача цветного телевидения по последовательной системе, разрабо-
танной под руководством В. Л. Крейцера. В 1954—1956 гг. опытные
передачи вела Московская станция цветного телевидения. Было вы-
пущено небольшое количество цветных телевизоров "Радуга” с кине-
скопом диаметром 18 см с вращающимся трехцветным диском.
На кафедре телевидения Ленинградского электротехнического
института связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича с начала 50-х гг.
проводились исследовательские работы по разработке одновремен-
ной совместимой системы цветного телевидения под руководством
проф. П. В. Шмакова. В марте 1956 г. были проведены опытные пере-
дачи цветного изображения через типовой ретрансляционный пере-
датчик. В 1956 г. установка была перевезена в Москву для демонстра-
ции ее работы специалистам и членам правительства. В это же время
лаборатория научно-исследовательского института радио (Москва),
возглавляемая С. В. Новаковским, продемонстрировала свою аппа-
ратуру цветного телевидения.
В 1958 г. делегатам XI Исследовательской комиссии Международ-
ного консультативного комитета по радио(МККР) в Москве и Ленин-
граде демонстрировались результаты работы по цветному телевиде-
нию, получившие высокую оценку международной телевизионной
общественности.
В дальнейшем работы по внедрению в вещание цветного телевиде-
ния проводились Всесоюзным научно-исследовательским институтом
телевидения (Ленинград).
В начале 60-х гг. было пр дложено и опубликовано в печати боль-
шое количество систем цветного телевидения, разработанных в раз-
личных странах. После ряда экспериментальных проверок и длитель-
ных дискуссий наша страна выбрала для вещания систему SECAM —
совместную разработку с французами. Эту же систему выбрали неко-
торые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Систему PAL вы-
брали некоторые страны Западной Европы, Австралии, Азии и Афри-
ки. В настоящее время в мире действуют три стандарта цветного
телевидения: NTSC, SECAM и PAL, поэтому при передаче сигналов
одной системы в страны, где принят другой стандарт, необходимо
осуществлять преобразование одного стандарта цветного телевиде-
ния в другой (транскодирование).
В развитии науки и техники отчетливо видно взаимное обогащение
11
и проникновение одной науки в другую. Наиболее наглядно такое
взаимовлияние можно наблюдать при использовании телевизионной
техники в освоении космоса — космическое телевидение [2]. Искусст-
венные спутники Земли в качестве ретрансляторов телевизионных
программ позволяют значительно раздвинуть границы телевизионно-
го вещания — спутниковое телевидение.
Телевизионная техника широко используется при изучении и осво-
ении космического пространства. В октябре 1959 г. впервые в истории
была осуществлена передача на Землю изображения обратной сторо-
ны Луны. Телевизионная техника в значительной мере обеспечивала
управление движением луноходов. Кроме того, телевидение помогает
наблюдать за жизнедеятельностью космонавтов в полете, за их рабо-
той в открытом космосе, в невесомости. Все это показывает грандиоз-
ность экспериментов и уникальность результатов. Телевидение при-
общило к научному космическому эксперименту многомиллионную
аудиторию зрителей, популярность этих передач огромна [3].
Благодаря успехам космической техники спутниковое телевиде-
ние становится глобальным. В настоящее время-стала обычной пере-
дача телевизионных программ с одного континента на другой. Широ-
кая разветвленная сеть наземных спутниковых приемных станций
позволяет смотреть программы телецентра Останкино в отдаленных
районах нашей страны. Действуют системы спутникового телевиде-
ния, которые обеспечивают непосредственный прием программ с син-
хронных спутников Земли на телевизоры индивидуального пользова-
ния.
Первое предложение о системе малокадрового телевидения, на-
шедшее практическое применение в космическом телевидении при
передаче изображений удаленных планет, было выдвинуто проф.
С. И. Катаевым. Проф. П. В. Шмаков предложил метод ретрансляции
сигналов телевизионного вещания прн помощи самолетов и искусст-
венных спутников Земли. Эти предложения уже с успехом реализова-
ны.
Трудно найти область человеческой деятельности, где прямо или
косвенно не используется телевидение. Очевидно, с ростом автомати-
зации производственных процессов и научных исследований роль те-
левидения будет возрастать, так как оно повышает эффективность
человеческого труда, а иногда позволяет получить результаты, кото-
рые без применения телевидения недостижимы.
Телевидение является самым массовым и действенным средством
передачи информации. Ежедневно телевизионные программы в на-
шей стране смотрят десятки миллионов зрителей. Ни одно из средств
массовой информации не может сравниться с телевидением по степе-
ни воздействия на зрителя. Возможности телевидения в области аги-
тации и пропаганды практически неограниченны. Телевидение позво-
ляет проводить познавательные, информационные, художественные,
музыкальные, спортивные, детские, развлекательные и другие пере-
дачи. Оно сочетает в себе оперативность передачи информации и
12
визуальное восприятие, что в какой-то степени делает зрителя соуча-
стником происходящих событий Ни с помощью печати, ни радио и
других средств информации невозможно так полно и быстро воспро-
изводить события, как с помощью телевидения. Многолетний опыт
телевизионного вещания у нас и за рубежом подтверждает сказанное.
В становление телевизионной науки и техники и в ее развитие
внесли большой вклад видные отечественные ученые, профессора
П. В. Шмаков, С. И. Катаев, Я. А. Рыфтин, Г. В. Брауде, С. В. Нова-
ковский, М. И. Кривошеев и др.
В ближайшем будущем телевидение перейдет на новую качествен-
ную ступень развития. Цифровое телевидение получит дальнейшее
развитие и будет проникать все глубже в телевизионную аппаратуру.
Широкое развитие получат кабельное и спутниковое телевидение.
Работы в области телевидения высокой четкости продолжаются Бу-
дем надеяться, что международный стандарт на ТВЧ будет принят, и
тогда объединенными усилиями ученых различных стран будет раз-
работана единая система ТВЧ [4].
Функции телевизора значительно расширятся, и его роль в жизни
человека существенно возрастет. Телевизор превратится в многоце-
левое видеоустройство. Вместе с видеотехнической аппаратурой теле-
визор будет работать с компьютером и памятью и печатным устрой-
ством [5].
Разработки по стереоцветному телевидению совместно с работа-
ми по ТВЧ могут дать практический выход. Наряду с совершенство-
ванием вещательного ТВ предполагается шире использовать ТВ в
науке и производстве. Разработка твердотельных преобразователей,
переход на цифровое телевидение и системы высокой четкости, ис-
пользование телевизора как многофункционального устройства, бы-
строе развитие новых систем видеозаписи, в том числе и бытовой,
внедрение кабельного и спутникового телевидения при широкой мик-
роминиатюризации телевизионной аппаратуры коренным образом
преобразуют телевидение, приведут его к более широкому использо-
ванию.
Выдающийся русский ученый, основоположник электронного те-
левидения Б. Л. Розинг, ксгорый еще на заре развития телевидения
предсказал его большое будущее, писал: ’’Несомненно наступит нако-
нец такое время, когда электрическая телескопия распространится
повсеместно и станет столь же необходимым прибором, каким явля-
ется в настоящее время телефон. Тогда миллионы таких приборов,
таких "электрических глаз” будут всесторонне обслуживать обще-
ственную и частную жизнь, науку, технику и промышленность.... Тог-
да, конечно, электрическая телескопия как наука займет подобающее
ей место среди других наук техники слабых токов. Возможно даже, ей
будут посвящены специальные институты” [6].
13
I. 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. Получа-
телем вещательной телевизионной информации является зритель, на-
блюдатель; поэтому параметры и характеристики телевизионной си-
стемы должны выбираться из условий ее согласования со свойствами
и характеристиками зрительной системы человека. При разработке
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 случа-
ев — это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркаль-
ное отражение, характерное для так называемых зеркальных
поверхностей, к которым относят полированные и лакированные по-
верхности, поверхности жидкостей и др. Способность каждого пред-
мета или его деталей различно отражать световой поток или излучать
(самосветящиеся предметы) является оптическим свойством объек-
та, а отраженный (излученный) каждой деталью предмета световой
поток является источником зрительной информации о предмете, вос-
принимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описыва-
ют коэффициентом отражения
q(X) = F0(1)/F(X),
где F0(l) — отраженный световой поток; F(X)— световой поток,
падающий на отражающую поверхность.
Световой поток, облучающий предметы, определяет их освещен-
ность £0(лк). Освещенность различных участков трехмерного объекта
будет различна, так как участки расположены на разных расстояниях
от облучающего источника, одни детали затеняют другие и т.д. Боль-
шую роль играет характер освещения, т.е число источников света, их
мощность и пространственное размещение. Иными словами, зритель-
ная информация обобъек1е, воспринимаемая наблюдателем, опреде-
14
ляется световой энергией, отражаемой (излучаемой) каждой точкой
(элементом) объекта в сторону наблюдателя. Интенсивность и спект-
ральный состав элементарного потока характеризуют воспринимае-
мые зрителем яркость и цвет каждой точки объекта, а направление
потока — пространственное расположение той же точки. Одновре-
менно наблюдатель видит ограниченную часть пространства, опреде-
ляемую 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=fL(x.y,z,t);
P=fp(x,y,z,i),
(1.1)
где х, у, z — пространственные координаты; t — время.
Эти уравнения определяют яркость L и цветность (А и р) как фун-
кцию пространственных координат х,у и z каждой точки движущегося
объекта и времени.
Главной задачей телевидения является нахождение способов та-
кого преобразования изображения объекта, чтобы его можно было
передавать методами электросвязи. При этом необходимо добиваться
того, чтобы изображение, созданное приемным телевизионным уст-
ройством, как можно более соответствовало объекту передачи.
Одним из основных свойств электрического канала связи является
возможность передавать в каждый момент времени только одно зна-
чение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией только
одного независимого переменного — времени, т.е. электрический ка-
нал связи характеризуется одномерной зависимостью напряжения от
времени:
* = /.(/)
(1.2)
На выходе телевизионной системы воспроизводится изображение,
которое математически описывается совокупностью трех многомер-
ных функций:
V = 1'Дх,у,2,$
К = f\(x,y,z,t);
Р' = f'P(x,y,z,t).
(1.3)
В общем случае выходные параметры могут не совпадать со вход-
ными. Изуравнеиий(1.1)и(1.3)следует,чтозадача синтеза телевизи-
15
онной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы
выходное изображение (1.3) с заданной степенью точности соответст-
вовало 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 переда-
ваемого изображения, упрощая и их математические описания.
При передаче плоского черно-белого неподвижного изображения
математическое описание упрощается до вида
L = fL(x,y), (1.4)
что показывает распределение яркости в плоскости изображения, т.е.
изменение яркости в координатной системе х,у. Даже в этом простей-
шем случае оно описывается двумерным распределением яркости
(1.4) и не может быть непосредственно преобразовано в одномерный
сигнал.
Если рассматривать передачу движущихся изображений, что яв-
ляется основным назначением телевидения, то задача еще больше
усложняется. При передаче черно-белых плоских движущихся изо-
бражений распределение яркости будет являться функцией трех пе-
ременных
L = fL(x,y,t).
В телевидении кроме информации о мгновенном значении яркости
L необходимо точно знать, из какой точки передаваемой сцены эта
информация получена, т.е. его геометрическое место.
Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала водно-
мерный используются два фундаментальных принципа, которые ле-
жат в основе телевидения, — дискретизация изображения и его раз-
вертка, т.е. в телевидении используется пространственная и
временная дискретизация.
Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего
поля передаваемого изображения на конечное число дискретных эле-
ментов. На рис. 1.1,а и б показаны фотографии женской головы (круп-
ный план), разбитые примерно на 1000 и 250000 элементов соответст-
венно. Теоретически количество элементов на изображении может
быть бесконечно большим. На практике в связи с ограниченной раз-
решающей способностью зрения любое изображение может быть
представлено определенным числом элементов с конечными размера-
ми.
В заданном угле зрения существует наименьшая деталь, которую
может различить зритель, т.е. такая деталь, внутри которой яркость
неизменна по всей поверхности данной детали и размеры которой
определяются минимальным углом С, называемым углом разреше-
ния. Анализу зрительной информации (распознаванию зрительного
образа) наблюдателем предшествует построение двумерного изобра-
жения на сетчатке глаза, которое может быть описано как распреде-
16
ление освещенностей, эквивалентное распределению элементарных
значений в пространственном угле. Конечные значения угла зрения и
угла разрешения позволяют представить плоское изображение как
совокупность конечного числа элементарных площадок различной
яркости.
Телевизионному преобразованию изображений в электрический
сигнал предшествует построение плоского оптического изображения
/ и поэлементный его анализ. Плоское Оптическое изображение может
быть представлено множеством интегральных источников, интенсив-
ность каждого из которых может принимать т различных значений,
л Число элементарных источников N тем больше, чем выше предельно
у? различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть
“ достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно
велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры 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 будут
различаться глазом.
Первый основной принцип телевидения заключается в разбивке
изображения на отдельные элементы и поэлементной передаче всего
изображения. Однойременная передача сигналов всех элементов не-
приемлема, 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 време-
ни передача по каналу связи информации о яркости элементов. Этот
принцип называется разверткой. Возможностьддсдедовательной пе-
БИБЛ^ОТГК
УНИВг’» ГГЛ
и.л
Iу ФОНД
редачи телевизионного изображения по одному каналу связи базиру-
ется на явлении инерционности зрения. Инерционностью зрения на-
зывается способность зрительного аппарата сохранять зрительное
ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воз-
действия. Инерционность проявляется в том, что мелькающий источ-
ник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светя-
щимся. Поэтому при достаточно высокой частоте передачи
мелькающих сигналов они будут казаться зрительному аппарату че-
ловека непрерывно светящимися.
Процесс последовательной, поочередной передачи элементов изо-
бражения называется разверткой (сканированием) изображения.
Следовательно, принцип развертки, который превращает изображе-
ние в чередование последовательных электрических сигналов, решает
поставленную задачу, т е. получение слитного изображения.
Развертку можно осуществлять, перемещая развертывающий
элемент (электронный луч, сканирующее отверстие и др.) по поверх-
ности изображения по определенному закону.
Координаты развертываемых точек изображения являются функ-
циями времени:
х = ч>х(0; у = фДО. (Ьб)
где фх(/) и фу(/) — произвольные однозначные функции времени.
Если подставить (1.5) в (1.4), получим необходимую для передачи
функцию времени L = fL(x,y) = /Цфх(/),Ф,(01 = МО-
Следовательно, процесс развертки решает задачу превращения
изображения в последовательность электрических сигналов. Эта по-
следовательность передачи выбирается в зависимости от назначения
системы. Развертка может быть детерминированная, когда траекто-
рия движения развертывающего элемента строго определена и напе-
ред задана. Недетерминированная развертка предполагает такое
движение развертывающего элемента, которое автоматически уста-
навливается в зависимости от содержания изображения. Такие раз-
вертки используются в системах обработки изображений или с целью
оптимизации систем передачи.
При детерминированной развертке разложение изображения мо-
жет происходить по различным траекториям движения развертыва-
ющего элемента, т.е. движение может быть произвольным. Необходи-
мо лишь, чтобы движение развертывающих элементов в
оптико-электронном и электронно-оптическом преобразователях
осуществлялось по одному закону. В зависимости от закона движения
развертывающего элемента по поверхности изображения возможны
различные виды разверток: линейные, зигзагообразные, спиральные,
синусоидальные, радиальные и др.
При выборе типа разверток к телевизионной1 системе предъявля-
ются определенные требования, основные из которых: одинаковое
1 Здесь и далее будет широко использоваться сокращение слова телевизионный как
ТВ, например, ТВ система — телевизиоииая и др.
18
Рис. 1.2. Виды детерминированных разверток:
а — линейная; б — зигзагообразная: в — спиральная; г — синусоидальная; д — радиально-кругова я
время передачи каждого элемента, минимальные потери на обратный
ход и простота технической реализации. Как видно из рис. 1.2, ни один
тип разверток не удовлетворяет этим требованиям, за исключением
линейной развертки. Поэтому в вещательном телевидении и в боль-
шинстве случаев прикладного телевидения используется линейная
развертка, в частности прогрессивная и чересстрочная.
Недетерминированная развертка в настоящее время применяется
в телевизионной автоматике. Там имеют дело с более простыми, чем
в телевизионном вещании, изображениями. Это позволяет достаточно
просто согласовать законы движения развертывающих элементов с
геометрическими или оптическими характеристиками различных
объектов. Это является шагом на пути создания ТВ систем со стати-
стическим согласованием. Такие системы широко применяются при
исследовании биологических микрообъектов, петрографии, исследо-
вании 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 вто-
ром — развертка обеспечивает получение упорядоченной информа-
ции о каждом объекте в отдельности [7].
Основная задача в телевидении — передача движущихся изобра-
жений — осуществляется так же, как и в кино, методом последова-
тельной передачи большого количества неподвижных изображений в
секунду. Благодаря быстрой смене кадров, каждый из которых
представляет собой неподвижное изображение, запечатленное с оп-
ределенной фазой движения объекта передачи, у зрителя создается
иллюзия непрерывного движения. Передача цветных и объемных объ-
ектов, которые описываются тремя и более функциями, может осуще-
ствляться одновременно по трем или более каналам или последова-
19
тельно во времени по одному каналу связи. Метод последовательной
передачи большого количества информации позволяет передавать по
одному каналу более сложные изображения, но при этом необходимо
уменьшить шаг дискретизации во времени, т.е. повысить частоту пе-
редачи кадров в секунду, чтобы изображение воспринималось зрите-
лем немелькающим.
Как было сказано выше, законы развертки ТВ изображения могут
быть выбраны любыми. Но при этом необходимо, чтобы закон развер-
тки на приемном и передающем преобразователях был одинаковым.
Кроме этого, требуется строгая синхронность и синфазность развер-
ток на передающем и приемных устройствах. Если эти условия не
будут соблюдаться, то получить на приемном конце слитное 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 пере-
даваемом 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 направле-
нием и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью чередования
строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра передаются синх-
ронизирующие сигналы, определяющие начало разверток по строке и
кадру. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по
строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического
соответствия деталей изображения на приеме и передаче.
След электронного пятна, оставляемый им при быстром движении
по экрану, называется строкой. Вследствие инерции зрительного ап-
парата зритель одновременно видит всю совокупность следов движе-
ния электронного пятна на экране. Совокупность видимых строк на
экране называется растром. Полный цикл обхода анализирующим
и синтезирующим устройством всех элементов изображения называ-
ется кадром. При линейно-строчной развертке телевизионную
систему обычно характеризуют числом строк z в кадре и числом кад-
ров п-полных изображений в секунду.
Качество ТВ изображения может быть охарактеризовано сте-
пенью приближения восприятия его наблюдателем к непосредствен-
ному наблюдению передаваемого объекта. Очевидно, качество
телевизионного изображения определяется параметрами и харак-
теристиками ТВ системы. Так, воспроизведение мелких деталей и
резких границ раздела полей разной яркости (контуров изображе-
ния) находится в прямой связи с числом передаваемых ТВ системой
элементов или, что то же самое, с числом строк в телевизионном
растре. Слитность восприятия яркости и плавность движения объек-
тов связаны с числом передаваемых изображений (кадров) в единицу
времени и с выбором временного закона развертки. Число воспроиз-
водимых ступеней яркости на изображении — число световых града-
ций — определяется динамическим диапазоном системы. Геометри-
20
ческое подобие переданного и принятого изображений определяется
точностью синхронизации и дифференциальным подобием растров
преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, т.е. относительным ра-
венством координат любого элемента растра как по полю растра, так
и по времени.
Выбор параметров системы, таким образом, определяется задан-
ным качеством изображения. С другой стороны, любое повышение
качества влечет за собой удорожание системы. Следовательно, каче-
ство системы и выбор ее параметров должны быть экономически обос-
нованы.
1.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
Для восприятия окружающего нас реального мира природа наде-
лила человека пятью чувствами, три из которых (зрение, слух, обоня-
ние) являются дистантными, а два (осязание и вкус) — контактными.
Значение стимулов, доводимых до нашего сознания разными органа-
ми 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 рассеи-
вает 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 ле-
жит в области оптического диапазона и составляет лишь узкий уча-
сток (380...760 нм). На этом участке размещаются все видимые цвета:
от фиолетового до красного (рис. 1.3,а). На рис.1.3,б показана кривая
относительной спектральной чувствительности глаза, или, как иногда
ее называют, стандартной кривой относительно видности глаза [8].
Максимальная спектральная чувствительность глаза находится в об-
ласти желто-зеленой части видимого спектра частот (0,55 мкм). Слева
и справа от максимума кривой видности глаза, где располагаются
синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза падает.
Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона различает оди-
наково. Это обстоятельство было учтено при создании совместимых
систем цветного телевидения (см. гл. 11 ).
Телевизионная система может расширить зрительные возможно-
сти человека, т.е. ойа способна видеть то, что человек не может видеть
невооруженным глазом. Источником ТВ сигнала может быть любое
излучение не только в оптическом диапазоне электромагнитных волн.
Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный преобразователь
имел соответствующую чувствительность.
Следовательно, с помощью телевидения можно сделать видимыми
объекты, невидимые простым глазом.
При передаче черно-белого ТВ изображения каждый элемент ха-
21
Электромагнитные |
колебания низкой |
частоты I
Радиоволны
10е io7 101 ._
Длина Волны, м
Частота, Гц
10°10’ю'г W3 10* 105 Кв 107 10в 10я 10юЮп 10п 10nWw10,510,S10r'w'B10n10it,10v10n10a
J—Н---‘----1--1- I. I j-----1__! | ______L
[Инфракрасные ^uo^\Pe4mBe' 1
лучи пХе^^» I |
лучи | n44U I
J---L-J-|--1--‘---1--‘--‘---1--1---1-----J-ll I I I----1---1__uJ-j___I_
105 10* 103 Ю2 IO1 10° 10’’ 1Q?103 10* iff5 tff5ffO71ffa1O'9 Ю^Ю'^Ю77 Юп10'7*
<ы, М paguog0/JHtli I Оптический диапазон
Видимый
свет
Рис. 1.3. Спектр электромагнитных волн (а) и стандартная кривая относительной спек-
тральной чувствительности глаза (6)
рактеризуется мгновенным значением яркости. В процессе разверт-
ки, т.е. последовательной во времени передачи элементов изображе-
ния, образуется сигнал яркости как функция времени. Для получения
этого сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в элект-
рический сигнал, что осуществляется в современном телевидении ус-
тройствами, использующими фотоэффект. Под фотоэффектом, пони-
мается возможность освобождения электронов в веществе под
действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать веще-
ство, тогда это называется внешним фотоэффектом, или оставаться
свободными внутри вещества, увеличивая его проводимость, тогда это
называется внутренним фотоэффектом. В первом случае процесс вы-
лета электронов из вещества называется фотоэмиссией, а во втором —
электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в нем, называются
электронами фотопроводимости.
Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении элек-
тронной эмиссии с поверхности некоторых металлов, облучаемых лу-
чистым потоком [9].
Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, пре-
одолевая работу выхода. Ясно, что световые лучи, обладающие не-
большой энергией световых квантов, неспособны вырвать ни одного
электрона из вещества, следовательно, во внешней цепи не будет тока.
Если световой квант обладает большой энергией, то он способен осво-
бодить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмиссионный
ток. Он будет пропорционален световому потоку, если прибор работа-
ет в режиме насыщения. Тогда все электроны, испускаемые данным
веществом, попадают во внешнюю цепь. Преобразование светового
22
потока 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 излуче-
ния увеличивается энергия отдельных электронов вещества и нару-
шаются связи электронов с ядром своего атома, в результате чего
внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны не покидают
вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в
зону проводимости. Это приводит к изменению сопротивления фото-
слоя. Возбужденный светом электрон через некоторое время реком-
бинирует, т.е. возвращается в заполненную зону. Скорость этого про-
цесса 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
новых 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. Следова-
тельно, оптико-электронные преобразователи, использующие явле-
ние внутреннего фотоэффекта, обладают более высокой
чувствительностью и поэтому современные датчики телевизионных
сигналов используют в основном принцип внутреннего фотоэффекта
[Ю].
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 иа приемном устройстве зрительной информации о переда-
ваемом объекте. В зависимости от назначения системы объем и уст-
ройство технических средств могут быть различными, но они характе-
ризуются общими для всех систем свойствами. Обобщенные,
23
Анализирующее
устройство
Синтезирующее
устройства
Рис. 1.4. Структурная схема телевизионной системы:
1 — объектив; 2 — оптико-электронный преобразователь; J — развертывающее устройство; 4 — синхрогенератор;
5 — усилитель;6 — передающее устройство; 7 — канал связи;8 — приемное устройство ,9— видеоусилитель; 10—
преобразователь сигиал-свет. 11 — селектор импульсов синхронизация; 12 — развертывающее устройство
характерные для ТВ системы устройства и их взаимосвязь представ-
лены в структурной схеме рис. 1 4.
Объектив / преобразовывает световой поток, создавая оптическое
изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико элек-
тронного преобразователя 2 (передающей трубки). Это устройство
преобразует световую энергию в электрическую, используя явление
внешнего фотоэффекта. Оно называется фотокатодом передающей
трубки. Для получения ТВ сигнала необходимо устройство, с которого
с помощью системы разверток снимаются заряды, пропорциональ-
ные световому потоку. Это устройство называется мишенью передаю-
щей трубки. Если эти два устройства разделены, то в передающей
трубке предусмотрена система переноса сфокусированного элект-
ронного потока с фотокатода на мишень, с которой снимаются элект-
рические заряды, пропорциональные падающему на них электриче-
скому потоку.
В современных передающих трубках эти два элемента — фотока-
тод и мишень — совмещены. Оптическое изображение проектирует-
ся на мишень передающей трубки, и с этой мишени снимаются заря-
ды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал. С помощью
развертывающего устройства 3 получают последовательные электри-
ческие импульсы. Электрические импульсы, несущие информацию об
изображении, называются исходным яркостным сигналом.
Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синтези-
рующих устройств, обеспечивающих идентичность положения коор-
динат точек на передающем и приемных устройствах, необходимо
генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации.
Синхронность достигается при равенстве частоты разверток на ана-
лизирующем и синтезирующих устройствах, а синфазность — при точ-
ном начале их работы. Для выполнения этих условий в телевидении
используется принудительная синхронизация. Сигналы синхрониза-
ции вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой
24
импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синх
ронизации вырабатываются один раз в течение длительности строки,
другие — один раз в течение длительности кадра. Эти импульсы по-
ступают в развертывающее устройство 3, а также в усилитель 5, где
суммируются сигналом яркости и поступают в передающее устройст-
во 6.
В ТВ системе развертывающие устройства на анализирующей и
синтезирующей сторонах работают в автоколебательном режиме. По-
этому сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются
на телевизионные приемники и обеспечивают работу развертываю-
щих устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройст-
вами передающей части.
Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения обрат-
ных ходов электронных лучей в передающих и приемных трубках,
обеспечивающие запирание передающей и приемных трубок в это
время. На вершинах гасящих импульсов располагаются синхронизи-
рующие импульсы.
Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения называ-
ется сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сиг-
нала синхронизации, называется полным телевизионным сигналом.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей.
Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль кана-
ла связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, ка-
бельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие линии
связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сиг-
нала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может подвергать-
ся различным преобразованиям, но на выходе должен восстанавли-
ваться 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 9, где происходит усиление сигнала до необ-
ходимой величины для управления преобразователем сигнал-свет
(кинескоп, приемная трубка) 10, и на селектор импульсов синхрони-
зации //.В этом устройстве осуществляется выделение из видеосиг-
нала импульсов синхронизации. Эти импульсы управляют разверты-
вающими устройствами 12, обеспечивая синхронность и синфазность
движения сканирующих элементов анализирующего и синтезирую-
щих устройств.
25
ГЛАВА 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ОПТИЧЕСКОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Процесс телевизионной передачи включает в себя построение дву-
мерного оптического изображения трехмерных предметов, располо-
женных в пространстве.
Качество оптического изображения определяется рядом факторов
и не имеет единой, обобщенной количественной оценки. Рассмотрим
наиболее существенные для телевизионного преобразования харак-
теристики оптического изображения.
Освещенность в плоскости оптического изображения Ео опреде-
ляется освещенностью объекта £об, его отражательными свойствами,
характеризуемыми коэффициентом отражения qo6 и параметрами
объектива. Она может быть определена как
_ Чобгоб^об^
°- 4(1 4-т)2 ’
где тг>6 — прозрачность объектива; О— относительное отверстие объ-
ектива, определяемое отношением диаметра его входного зрачка D к
фокусному расстоянию f’\ m = уа/уо6 — линейный масштаб изображе-
ния; уа6 и уо — линейные размеры объекта и изображения соответст-
венно.
Относительное отверстие объектива делается обычно регулируе-
мым с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка.
Расстояние Ао от объекта до объектива (рис. 2.1) выбирается исходя
из необходимого масштаба изображения, который может быть с доста-
точной точностью для малых значений m определен как т«/'А0.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством
воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей спо-
собностью объектива.
Рнс. 2.1 К определению
глубины резкости
26
Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в оп-
тических системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в виде
некоторого кружка и две близко расположенные светлые точки на
объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние
между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся
отдельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обрат-
ная ему, — разрешающей способностью объектива. Разрешающая
способность оценивается максимальным числом пар черно-белых ли-
ний на 1 мм, воспроизводимых на изображении. Аберрации уменьша-
ются с приближением пучков к параксиальным, поэтому разрешаю-
щая способность объектива увеличивается при диафрагмировании,
т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако это справед-
ливо до тех пор, пока 0> 1/20. Дальнейшее уменьшение относитель-
ного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, сни-
жающих разрешающую способность.
При передаче изображений объектов, протяженных по глубине,
разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей,
расположенных на одном от него расстоянии Ло, т.е. в плоскости So,
сопряженной с плоскостью резкого изображения (см. рис.2.1). Точки,
расположенные дальше и ближе к этой плоскости, например в плоско-
стях S, и S2 соответственно, будут воспроизводиться на изображении
кружками различных диаметров (кружки размытия). Глубина резко-
сти— глубина воспроизводимого пространства ДЛ = Л1—_Л2, для
которого максимально допустимый диаметр кружка размытия d при-
нимают обычно равным линейному размеру одного элемента разло-
жения изображения d — h/z, где й — высота изображения на свето-
чувствительном слое (мишени) передающей трубки; z — число строк
разложения.
Из уравнения тонкой линзы 1/Ло + \/ао — \/f' следует, что при
Ло > f' глубина резкости
ДА = ДА,+ДА2=Л,—Л2=2Ы0/(й2-1), (2.1)
где k=f2C)/dA0 =zf2O/hA0; ДА = А( — Ао; ДЛ2 = Ло — Л2;
ДА ,/ДЛ2 = (й+!)/(*- 1).
При k >£>1: ДЛ,«ДЛ2 и ДЛ«2ДЛ |2«2ЛО/k.
Выбор параметров объектива определяется характером и разме-
ром передаваемого изображения. Заданное значение ДЛ можно обес-
печить только диафрагмированием объектива. Из (2.1) при Л20 >
>ДЛ2 и a0i2^f' следует, что
О = 2A2oh/b.Af'2z = 2й/ДАзт2. (2.2)
Для каждого типа преобразователя свет-сигнал высота изобра-
жения й задана и остается постоянной, как и число строк для данной
телевизионной системы. В этих условиях глубина резкости и относи-
тельное отверстие объектива однозначно связаны и определяются
27
только квадратом линейного масштаба изображения на светочувст-
вительной поверхности (мишени).
Геометрические (координатные) искажения, создаваемые объек-
тивом, обычно пренебрежимо малы, но могут оказаться заметными
при некоторых нарушениях нормальных условий оптической проек-
ции. Так, при передаче изображений плоских объектов (графики, кар-
тины, чертежи, фасады зданий и т.д.) возникают трапецеидальные
искажения прямоугольных форм из-за несоблюдения параллельно-
сти плоскостей светочувствительной мишени и объекта (наклон каме-
ры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг оптической оси
(наклон камеры влево или вправо) приводит к диагональной компози-
ции и т.д.
По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб
их изображения, удаленное пространство как бы сжимается; две па-
раллельные линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну точку.
Такая точка называется точкой схода, а сама трансформация про-
странства на изображении называется перспективой. Точка схода тем
ближе, чем больше угол зрения системы.
Искажения перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же
ограниченное пространство рассматривается под разными углами
зрения — глазом и передающей ТВ камерой.
Названные искажения часто вводятся искусственно как средство
художественного выражения содержания. Например, диагональная
композиция может создавать впечатление динамики объекта; измене-
ние углового масштаба создает эффект приближения или удаления
зрителя от объекта (наезд камеры). Вместе с тем в прикладных теле-
визионных системах, когда необходима документальная точность, в
частности в измерительных, все эти искажения должны жестко регла-
ментироваться. Количественное номирование параметров оптиче-
ских изображений, к которым относится и изображение на экране
кинескопа, может быть сделано лишь с учетом параметров и характе-
ристик зрения.
2.2. ВОСПРИЯТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Зрительная система. Зрение, т.е. получение зрительной информа-
ции о внешнем мире — форме вещей, их пространственном располо-
жении, цвете, движении и т.д., осуществляется с помощью зрительной
системы. Зрительная система состоит из органа зрения — глаза, нер-
вной системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз пред-
ставляет собой оптическую систему, с помощью которой формируется
изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя
образует светочувствительную поверхность дна глазного яблока. Оп-
тическая система глаза довольно проста, она легко управляется с
помощью хорошо организованного мышечного аппарата. Так, путем
изменения кривизны хрус ялика глаз автоматически фокусирует изо-
бражение тех предмете <оторые мы хотим рассмотреть в данный
28
момент. Диапазон фокусировки охватывает предметы, удаленные от
наблюдателя на десятки сантиметров и до бесконечности. Кроме того,
автоматически устанавливается оптическая ось глаза так, чтобы под-
вергающееся рассматриванию изображение проецировалось на цен-
тральную часть сетчатки(фовеа), обладающую наибольшей разреша-
ющей способностью.
Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из свето-
чувствительных нервных окончаний. В соответствии с теорией двойст-
венного зрения существует два вида нервных окончаний — фоторе-
цепторов. Колбочки — рецепторы аппарата дневного зрения, харак-
теризуемого малой световой чувствительностью, но большой разре-
шающей способностью и цветоразличительными свойствами Палоч-
ки — рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего спо-
собностью различать цвета, имеющего малую разрешающую
способность, но большую световую чувствительность. Центральная
часть сетчатки (с угловыми размерами 1...30) содержит только кол-
бочки, а периферия — колбочки и палочки. Причем плотность колбо-
чек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти посто-
янна. Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со
зрительным центром головного мозга.
Световое раздражение сетчатки вызывает появление электриче-
ских импульсов с различными частотами повторения, которые по
сложным цепям проводящей системы поступают к головному мозгу.
Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, он подвергает-
ся сложной обработке — кодированию. Механизм анализа поступа-
ющей извне зрительной информации, ее обработки, кодирования и
дешифровки еще далеко не изучен.
Создавая ту или иную систему воспроизведения изображений, не-
обходимо обеспечить на ее выходе максимальное приближение изо-
бражения к образу, непосредственно воспринимаемому зрением. По-
этому при построении ТВ системы необходимо наилучшим образом
согласовать ее параметры со свойствами зрительной системы.
Рассмотрим характеристики зрительного восприятия и оценим
номинальные значения основных параметров ТВ изображения.
Число строк. Формат кадра. Предельная способность человека
видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью зри-
тельной системы (остротой зрения). Различают два вида остроты
зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине
деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного или сте-
реоскопического зрения. И та, и другая острота зрения зависит от
разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы.
Для нормального зрения доминирующую роль играет разрешение
сетчатки. Однако определять остроту зрения по характеристикам
оптической системы глаза и структуре сетчатки глаза нельзя. Г лаз —
динамическая оптическая система. Процесс зрения сопровождается
непроизвольными движениями глазного яблока — тремором Кроме
того, оптическая ось глаза обегает контуры (границы раздела полей
29
Рнс. 2.2. Зависимость относительной ос-
троты зрения V/ Vo от яркости L
^4
Рис. 2.3. Изменение относительной ост-
роты зрения от углового расстояния на-
блюдаемых объектов а до центрально-
го углубления сетчатки
разной яркости) изображения, как бы выбирая наиболее существен-
ную информацию. Эти движения глаза оказывают весьма существен-
ное 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
между двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит
эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние изменя-
ется в значительных пределах при изменении яркости наблюдаемых
точек и их контраста относительно фона. На рис. 2.2 приведена экспе-
риментальная зависимость остроты зрения V(величины, обратной б),
отнесенной к значению Уо, соответствующему б = Г, от яркости L.
Характер этой зависимости может быть объяснен следующим обра-
зом. Малые световые сигналы не в состоянии"вызывать водном нерв-
ном окончании (рецепторе) сигнал, надежно отличающийся от собст-
венных шумов и флуктуаций квантов падающего света. Поэтому при
малых световых раздражениях сигналы от нескольких рецепторов,
объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное поле), сум-
мируются, что и приводит к уменьшению разрешающей способности.
По мере увеличения освещенности площадь рецептивного поля (число
объединенных рецепторов) уменьшается и разрешающая способ-
ность растет. Однако площадь рецептивного поля может убывать
лишь до значения площади одного рецептора, поэтому предельная
разрешающая способность ограничивается раздельным возбуждени-
ем двух рядом лежащих нервных окончаний сетчатки. Этим объясня-
ется верхний загиб кривой рис. 2.2.
В практике телевидения максимальные значения яркостей экрана
приемной трубки достигают примерно 100...300 кд/м . При этом для
стандартного глаза разрешающая способность определяется ми-
нимальным угловым рг стоянием б = Г при достаточно большом кон-
трасте и неограниченном времени наблюдения.
30
Из-за неоднородности структуры сетчатки острота зрения умень-
шается по мере удаления а° от центрального углубления этой оболоч-
ки (рис. 2.3). Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка
120...1300), основная зрительная информация, поступающая в глаз,
сосредоточена в пространственном угле ясного зрения а,. Приняв
размеры поля ясного зрения а,в = 12° по вертикали и аяг = 16° по
горизонтали и положив разрешение глаза б = Г, получим число реги-
стрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зре-
ния N, = (аяг/6Хаяв/б) = (16-60/1X12-60/1) = 0,7-106.
Назначением ТВ системы является создание репродукции оптиче-
ского изображения. Телевизионное изображение должно обеспечи-
вать отображение передаваемого образа таким, каким его восприни-
мает зритель при непосредственном наблюдении. Однако начальный
этап построения ТВ систем характеризуется двумя противоречивыми
тенденциями статистического согласования параметров изображе-
ния со свойствами зрительной системы как получателя информации.
С одной стороны, очевидно стремление сократить объем передавае-
мой информации в первую очередь за счет уменьшения поля зрения,
разрешающей способности ТВ системы и числа мельканий изображе-
ния, отсутствия информации о цвете, объеме и т.д., а с другой —
построение более простых систем с постоянными неадаптируемыми
параметрами* которые должны обеспечить высокое качество переда-
чи обширного ансамбля всевозможных ТВ изображений, что, естест-
венно, увеличивает информационную избыточность. В частности, ре-
ализованные вещательные ТВ системы предусматривают
наблюдение изображений только в пространственном угле, равном
углу ясного зрения ая.
Исходя из этого условия и в соответствии с форматом центральной
зоны сетчатки (так называемого желтого пятна) производится выбор
величины формата кадра k — b/h — 4/3, где b, ft — ширина и высота
кадра соответственно (рис. 2.4). Для рассматривания ТВ изображе-
ния в угле ясного зрения наблюдатель должен находиться от экрана
приемной трубки на определенном расстоянии, при котором изобра-
Рнс. 2.4. К определению числа строк разложения изображения (а) и вертикальной
четкости изображения (6)
31
жение полностью проецируется в зону ясного зрения. Из геометриче-
ских соображений оптимальное расстояние рассматривания можно
определить как /опт а* 5Л. При меньшем расстоянии изображение не
полностью проецируется в зону сетчатки с максимальной разрешаю-
щей способностью, а при большем — в эту зону попадают и посторон-
ние объекты, окружающие экран ТВ приемника.
Число элементов разложения изображения N также должно соот-
ветствовать числу элементарных участков поля ясного зрения N„.
Если принять конфигурацию элемента разложения в виде квадрата
или окружности (для одинаковой четкости изображения в вертикаль-
ном и горизонтальном направлениях), то число элементов разложения
изображения определится как N — fez2(где z — число строк — число
элементов по вертикали; fez — число элементов в строке).
Тогда для опознавания NK деталей в ТВ системе с неподвижным
(статическим) растром число элементов разложения должно быть
N 2N„ из-за того, что между деталями должны воспроизводиться и
промежутки размером не менее одного элемента разложения. Отсюда
требуемое число строк разложения изображения при данных услови-
ях определится как
z^2y[NJk=2}/0,7 • 106 • 3/4«1400.
Однако взаимное расположение деталей и строк растра может
быть различным (см. рис. 2.4,6). В зависимости от этого в вертикаль-
ном направлении будут воспроизводиться детали размером либо h/z,
либо Тк/г. Это делает неоднозначным оценку четкости изображения
по вертикали; поэтому для уверенного различения 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 тормозится необходимостью весьма значительного увели-
чения полосы пропускания каналов связи из-за соответствующего
расширения спектра ТВ сигнала. Для вещательной системы, исполь-
зующейся в нашей стране, в конце 40-х годов было выбрано число
строк разложения изображения z = 625 (ГОСТ 7845-92).
Число строк разложения z = 625 определяет номинальную чет-
кость ТВ изображения. При этом различимость строчной структуры
растра на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается
вблизи порога разрешающей способности глаза. В то же время по-
добная система в принципе обеспечивает воспроизведение как оди-
ночных деталей, так и множества черно-белых деталей Л/«0,5-106 с
шахматной структурой расположения, по размеру равных одному
элементу разложения h/z. Размер воспроизводимых деталей обычно
оценивается в относительных единицах как определенная часть высо-
ты изображения h.
Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота мельканий.
Зрительное восприятие чискретно во времени. Одиночный световой
32
Рис. 2.5. Визуальное ощущение ярко-
сти Лвиз(0 / ^-виз та* периодически из-
лучающего источника
импульс длительностью t0 может быть обнаружен только при условии,
что время действия его на глаз конечно, т. е. t0 /кр (рис. 2.5). Причем
время /кр зависит от освещенности сетчатки Е& т.е. от мощности сиг-
нала. Иными словами, установлено, что Е0/кр — const. При перемен-
ном значении E^t) суммарное воздействие светового сигнала должно
достигнуть вполне определенного значения для его обнаружения:
EJfidt = const.
Время накопления имеет граничное значение /кр, называемое кри-
тической длительностью. Различные исследования дают большие рас-
хождения в значениях /кр, что объясняется различными условиями
проведения опытов: /кр меняется в пределах от сотых (при больших
яркостях) до десятых (при малых яркостях) долей секунды.
После прекращения действия светового потока, возбуждающего
сетчатку (рис. 2.5), глаз как бы продолжает ’’видеть" источник с ярко-
стью, спадающей во времени поэкспоненциальному закону Em3(t)/Lm3max=
= Lo/Lo max ехр(—t/ т), где Lm3(t)/Lm3 таж — значение визуальной
яркости во время t, прошедшее после прекращения возбуждения;
L0/L0max — яркость возбуждения; т« 0,1...0,15 с — постоянная време-
ни, характеризующая инерцию зрения и отсчитываемая как т = t, при
котором кажущаяся яркость уменьшается в е раз. Постоянная време-
ни т является функцией яркости и уменьшается при ее увеличении.
Параметр т определяет критическую частоту мельканий fKV, пред-
ставляющую собой наименьшую частоту повторения импульсных воз-
буждений сетчатки, при которой наблюдатель перестает замечать
изменение светового потока и воспринимает его как непрерывное из-
лучение.
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 закону зри-
тельных восприятий, т.е. логарифмическому закону:
/кР = o0lg4+fco. (2-3)
33
где Lrp — средняя яркость экрана, кд/м2; а0 = 9,6, Ьо — 26,8 — коэф-
фициенты, установленные опытным путем.
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:
т
LCf = (2.4)
о
Для яркостей современных ТВ экранов /кр = 46...48 Гц.
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 критическому числу лф 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 объектов в большинстве случаев достаточно пере-
давать 16...24 отдельных фаз движения в одну секунду. Поэтому в ТВ
вещании принято число кадров п, передаваемых в одну секунду, рав-
ным 25. При этом частота мельканий яркости экрана = 2л = 50 Гц
и соответствует частоте кадровой развертки (при использовании че-
ресстрочного разложения, см. гл.З). Это сделано из соображений ра-
венства ее частоте промышленной сети с целью уменьшения замет-
ности характерных помех от электросети — динамических искажений
геометрии и яркости изображения.
Для распознавания образ должен удерживаться на экране от 4 до
10 с, что определяется пропускной способностью зрительной систе-
мы. Это справедливо как для движущихся, так и для неподвижных
объектов передачи — заставок, титров, пейзажей. Последние доста-
точно было бы передать один раз и воспроизводить в течение несколь-
ких секунд. Аналогично можно уменьшить число передаваемых фаз
движения для воспроизведения изображений медленно движущихся
объектов. Однако это не реализовано в современных ТВ системах, что
приводит к информационной избыточности сообщения и усложнению
каналов связи.
Контраст. Число полутонов (градаций яркости). При наблюдении
объектов или их изображений существенную роль играет диапазон
изменения яркости — от минимальной Lmln до максимальной Lmm.
Его принято характеризовать контрастом k = Lm„/Lmln. Однако
глаз не способен обнаружить сколь угодно малые приращения ярко-
сти. Контрастная различительная способность глаза так же дискрет-
на, как и его разрешающая способность. Она ограничивается кванто-
выми флуктуациями света и собственными шумами зрительной
системы.
Минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, об-
наруживаемое глазом на черном*фоне при темновой адаптации, назы-
34
Рис. 2.6. Зависимость порогового
контраста от яркости фона и размеров
деталей (п > гг)
-5-4 -2 0 2 4 IffL^
вают абсолютным порогом световой чувствительности. На практике
чаще приходится различать отдельные детали на некотором фоне с
яркостью Ьф-, при этом глаз реагирует на относительное приращение
яркости (L—LJ/L^ = Д£/£ф. Отношение (ДЛ/Ц)пор при Д£ = Д£т1Л
называют дифференциальным порогом, или пороговым контрастом,
который зависит от яркости фона, угловых размеров деталей и фона
и других параметров. Зависимость порогового контраста от измене-
ния яркости фона и размера деталей г показана на рис. 2.6. В рабочем
диапазоне изменения яркости фона (яркости адаптации) в первом
приближении можно считать, что (Д^/А-ф)^ = <т = 0,02—0,05 = const—
закон Вебера-Фехнера.
При заданном контрасте k зритель может воспринять вполне оп-
ределенное количество ступеней изменения яркости — полутонов,
т.е. градаций яркости. Оценим их величину. Первая различимая сту-
пень яркости Lt — LmM 4- = (14- Следующая ступень
яркости L2 будет также определяться приращением яркости первой
ступени на величину L2=^L{-\-oLl=(\-\-o^Lmin и т.д. Наконец, по-
следняя ступень яркости Lmax = (14- o)mLmin, отсюда число ступеней
m или число градаций А определится как А = (1п-~1п(1 4- о)-
Lfnin
Разлагая 1п(14-о) в ряд и ограничиваясь первым членом этого ряда
вследствие малости а, получаем
2,3 ^max
Afa-----а-----(2-5)
В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 10s
раз. Зрительная система неспособна одновременно воспринять весь
этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей
на сетчатке благодаря адаптации — приспособлению к различным
яркостям. Адаптация происходит за счет снижения освещенности сет-
чатки путем непроизвольного изменения диаметра зрачка (быстрая
адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального поглощаю-
щего фильтра на поверхности сетчатки (медленная — инерционная
адаптация).
Полагая, что максимальный контраст, ограничиваемый глазом,
LmaJLmin = 100, а а — 0,05, получаем, что максимальное число града-
35
ций, которое глаз будет различать при данных условиях,
A=2,31gl00/0,05 « 92.
Яркостными параметрами ТВ изображения являются его средняя
яркость (яркость адаптации) LH3 ,д, максимальная яркость L„3 mav контр-
аст kK3 = L m и число полутонов — различимых градаций
яркости Лнз. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприя-
тию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от содержания
изображений. Практикой установлено, что средняя яркость LV3tR =
=30кд/м2 вполне достаточна для наблюдения изображения и рассмат-
ривания его деталей без особого утомления зрения. При этом яркость в
белых местах изображения может достигать LH3 =100...300 кд/м2.
Изображение одной и той же сцены будет иметь различную среднюю
яркость в зависимости от того, в какое время дня она воспроизводится:
в солнечный полдень или в сумерки. Но в каждом изображении в боль-
шинстве случаев должны быть детали с яркостью, близкой к Lm тах.
Средняя яркость ТВ изображения должна изменяться при изменении
средней яркости передаваемого объекта. Для этого по каналу связи от
телевизионного центра на приемник передается сигнал, пропорциональ-
ный средней яркости оригинала (см. гл. 14).
При воспроизведении ТВ изображений динамический диапазон
изменения яркости — контраст /гнз и число воспроизводимых града-
ций Лнз ограничиваются:
параметрами кинескопа: размером экрана, максимальной ярко-
стью LK3 тах, контрастом в крупных и мелких деталях и др. (см. гл.7);
рациональным выбором режима работы кинескопа: яркостью и
контрастностью (размахом ТВ сигнала при фиксированном уровне
черного), устанавливаемых с помощью оперативных органов управле-
ния;
условиями наблюдения изображения: расстоянием рассматрива-
ния, внешней и внутренней (от соседних участков) паразитными за-
светками экрана, размерами деталей и всего изображения в целом;
повышением значения порогового контраста зрительной системы
из-за ухудшения условий наблюдения и др.
Паразитные засветки Lnip снижают контраст репродукции kK3, ко-
торый в свою очередь в большинстве случаев меньше контраста ори-
гинала Ло:
, , 1"КЗ таж -Ь £п»р ~ , .
*из = 7---< *•>- (2-6)
*^из min ьпар
Перечисленные причины приводят к тому, что в репродукции на
экране кинескопа в соответствии с (2.5) уменьшается и число града-
ций оригинала Ло, т.е. Лнз <А0. Поэтому повысить качество изображе-
ния в ТВ системе можно только за счет улучшения параметров кине-
скопа, перераспределения градаций по динамическому диапазону
изменения яркости репродукции LH3 „ип...Ью та1 и адаптацией ТВ сис-
темы при формировании сигнала на ТЦ, к конкретным передаваемым
изображениям из широкого ансамбля изображений с разными ярко-
36
стными параметрами. Последнее производится 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 передающих трубок, уровня черного, контраста
и т.д. [12].
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. 14).
Эта характеристика, за исключением небольшого участка вблизи
уровня черного, может быть аппроксимирована степенной функцией
L I L \Vc
_^= , (2.7)
^Отах у^мзтах]
где Lo, LK3 — яркости объекта и ТВ изображения соответственно.
Очевидно, что при ус = 1 имеет место линейная зависимость ярко-
сти деталей изображения от яркости соответствующих деталей ори-
гинала L„3 = Т0,т.е. пропорциональное воспроизведение полутонов по
всему диапазону изменения яркости репродукции (рис. 2.7). Однако в
этом случае, если /1нз < До, то несколько градаций объекта воспроиз-
водятся лишь как одна градация репродукции. Как следствие, распоз-
наваемость объектов ухудшается.
При тс<1 за счет увеличения крутизны характеристики в области
уровня черного подчеркивается различие и улучшается опознавание
мало освещенных деталей, но за счет уменьшения полутонов и ухуд-
шения распознаваемости деталей, яркость которых лежит вблизи
уровня белого. При ус>1 улучшается опознавание "белых” деталей
(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. Практикой ки-
но и ТВ установлено, что наилучшее качество изображения в большин-
стве случаев наблюдается при ус = 1,2 ... 1,3.
Рис. 2.7. Форма характери-
стики передачи уровней ярко-
сти ТВ системы при различ-
ных значениях
1 Lo/Lomu
37
2.3. ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА И ОБЪЕМА
Восприятие цвета. Ощущение белого цвета соответствует раздраже-
нию сетчатки зрительной системы световым потоком, имеющим равно-
мерный спектр в видимом диапазоне Хяь 380...780 нм. Равные по мощно-
сти, но различные по спектральному составу световые раздражения
вызывают различное яркостное восприятие. Относительное визуальное
восприятие яркости в зависимости от длины волны У(Х)(см. рис. 1.3,6)
характеризует относительную спектральную чувствительность глаза и
называется кривой относительной видности. Максимум чувствительно-
сти лежит в области X = 555 нм (желто-зеленая область). Как в сторону
коротких волн (сине-фиолетовая область), так и в сторону длинных волн
(красная область) чувствительность зрительной системы 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.
Например, два равноизлучающих поля (желтое и синее) воспринима-
ются 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. Дополнение
любого цвета белым не меняет его цветового тона, а создает лишь
впечатление блеклой окраски (пастельного цвета). Таким образом,
физиологически (субъективно) световой поток характеризуется свет-
лотой — определенным количеством цветового излучения, эквивален-
тным излучению некоторого поля серой шкалы, и цветностью — ка-
чественным отличием данного цвета от других. Цветность светового
потока, в свою очередь, определяется цветовым тоном и насыщенно-
стью. Цветовым тоном называют характерное свойство потока, отли-
чающее его от белого и серого, а насыщенностью — степень различия
ощущения цветности данного излучения от ощущения цветности бе-
лого.
Физическими (объективными) параметрами светового потока яв-
ляются. яркость L, доминирующая длина волны k-доминанта и чисто-
та цвета р, определяющая степень разбавленности его белым. Доми-
нанта, т.е. длина волны монохроматического излучения X, которое в
смеси с белым создает ощущение данного цвета, численно определяет
его цветовой тон, а чистота цвета р численно определяет насыщен-
ность цвета и равна отношению яркости спектрального цвета LK к
суммарной яркости смеси: p=LK/(LK -|- L6), где L6 — яркость белого
цвета, входящего в смесь.
Каждый из субъективных параметров является качественным от-
ражением в нашем сознании соответствующих физических парамет-
ров светового потока. Между объективными и субъективными пара-
метрами существует качественное соответствие, но отождествлять их
нельзя.
38
Рис. 2.8. Кривые чувствительно-
сти глаза к основным цветам: си-
нему В, зеленому G, красному R
В основе изучения цветового зрения лежит трехкомпонентная те-
ория цветового восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ломо
носовым еще в 1756 г. и наиболее полно разработанная спустя более
полутора столетий Г. Гельмгольцем. Трехкомпонентная теория допу-
скает существование в нашем органе зрения трех видов рецепторов,
селективно (раздельно) реагирующих иа красный R, зеленый G и си-
ний В цвета (рис. 2.8). Масштаб кривых выбран таким, чтобы ограни-
чиваемые ими площади были равны в предположении, что одинаковое
возбуждение всех трех приемников вызывает ощущение белого цвета.
Существует ряд других теорий светового восприятия — четырех
компонентная, семикомпонентная, а в последнее время разрабатыва-
ется нелинейная теория восприятия цветов. Однако в теории и прак-
тике цветного телевидения, цветных фотографий и кино в настоящее
время широко используется трехкомпонентная теория цветового зре-
ния. Согласно ей красный R, зеленый G и синий В цвета являются
основными, взаимонезависимыми, т.е. ни один из них не может быть
получен путем смешения 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 изображениях,
соответствующую содержанию передаваемого изображения. В про-
стейшем случае для этого достаточно передать три сигнала основных
цветов Ек,' Ес' и Ев'. Особенности построения цветных ТВ систем
рассмотрены в гл.10,11, 12.
Восприятие объема. Объемность детален и их расположение в
пространстве воспринимаются как при монокулярном зрении (одним
глазом), так и прй бинокулярном зрении в результате жизненного
опыта и обработки физиологической информации [13]. При моноку-
лярном зрении объем оценивается через степень напряженности
мышц, управляющих поворотом глаз, кривизной хрусталика (аккомо-
дация) и размером зрачка (адаптация), изменяющихся при наблюде-
нии разноудаленных предметов. Все эти факторы не могут быть ис-
пользованы для построения стереоскопической ТВ системы,
являющейся некоторой статической моделью зрения.
39
Рис 2 9. Бинокулярное наблюдение одиноч-
ных предметов
Рис. 2.10. К определению по-
рога глубинного зрения
Доминирующую роль в глубинном зрении играет бинокулярное
наблюдение оценочных предметов (рис. 2.9), а определяющей его ха-
рактеристикой является глазной базис — расстояние между оптиче-
скими осями глаз. Для ’’стандартного” глаза глазной базис принима-
ется равным 65 мм.
При рассмотрении удаленных предметов оптические оси глаз па-
раллельны. По мере приближения предмета к наблюдателю оптиче-
ские оси сводятся (конвергируют), оставаясь скрещенными на наблю-
даемом предмете. Угол 0, под которым скрещиваются оси, называется
углом конвергенции. При наблюдении разноудаленных объектов М и
Q (рис.2.10) углы конвергенции (параллактические) для каждого
предмета а, и а2 различны. Разность параллактических углов
Aa=a]—a2, называемая угловым параллаксом, определяет восприя-
тие глубинного расположения предметов.
Минимальный угловой параллакс 6Г, которому соответствует ми-
нимально различимое восприятие глубины, называется порогом глу-
бинного зрения. Среднее его значение 10 ... 20". Острота глубинного,
или стереоскопического, зрения определяется как величина, обрат-
ная порогу глубинного зрения 1/бг.
Наличие углового параллакса приводит к тому, что отрезок MQ
имеет различные по длине проекции на сетчатки левого и правого
глаза, т.е. тлул mnfqnf. Если глаза сконвергированы на точку М, то
ее проекции в левом и правом глазу будут на равноудаленных (по
величине и направлению) точках сетчаток от центральных углубле-
ний. Точка Q при этом будет проецироваться на разноудаленные от
центральных углублений (и от проекций точки М) точки и qaf на
сетчатках левого и правого глаза, называющихся несоответствующи-
40
мн или диспаратными. Разность длин отрезков тпр<?пр — тлЦл называ-
ется линейным параллаксом и определяет механизм восприятия глу-
бины.
Из краткого анализа особенностей восприятия объема зрительной
системой следует, что для реализации стереоскопической ТВ системы
необходимо передавать два изображения — для правого и левого
глаза с помощью двух ТВ камер с базисом 65 мм (не менее). Особен-
ности построения подобных систем рассмотрены в гл.23.
ГЛАВА 3
ФОРМА И СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА
3.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЧНОЙ (ПРОГРЕССИВНОЙ) РАЗВЕРТКИ
Разверткой изображения назыввется перемещение развертываю-
щего элемента в процессе анализа или синтеза изображения по опре-
деленному периодическому закону. Оптическое изображение снача-
ла фотоэлектрическим преобразователем^ виде электронно-лучевой
трубки или твердотельной передающей матрицы превращается в
электрический сигнал, ''мгновенные значения которого пропорцио-
нальны яркости передаваемых участков изображения, — видеосиг-
нал. В ТВ приемнике электрический сигнал снова превращается в
оптическое изображение с помощью электронно-оптического преоб-
разователя в виде кинескопа У1ли с помощью плоской матрицы свето-
излучающих 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 электриче-
ские 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 твердо-
тельном 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, синусо-
идальную, линейно-строчную и другие виды разверток. Однако во всех
случаях закон развертки на передающей и приемной сторонах должен
бытьодинаков, иначе появятся координатные искажения воспроизво-
димого изображения. Кроме того,развертки должны быть синхронны-
41
ми (равенство частот) и синфазными (совпадение фаз). Невыполнение
первого требования, fne. отличие частот строчной или (и) кадровой
развертки воспроизводящего устройства от таковых на передающей
стороне ТВ тракта влечет за собой невозможность получения и про-
смотра устойчивого изображения на экране телевизора или монитора.
Если же частоты разверток равны, но есть фазовые различия, т.е.
моменты начала разверток не совпадают, то изображение будет сдви-
нутым 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, ког-
да разложение изображения осуществляется с постоянной скоростью
слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход строч-
ной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход кадровой
Строчная разВертка
Сигнал синхронизации ♦
Генератор
разверток
Рис. 3.1. Линейно-строчная развертка:
а — прмвцкп л el ко-строчкой разверти; б — сммхроквзацав разверток
42
развертки)(рис. 3.1,а). Быстрый возврат развертывающего элемента
справа налево и снизу вверх происходит во время обратных ходов
разверток; сумма времени прямого и времени обратного ходов состав-
ляет период развертки, причем период строчной развертки намного
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
иметь одинаковые координаты в пределах растров(рис. 3.1,6), если по
ТВ каналу будет передаваться не только видеосигнал, но и дополни-
тельный (служебный) сигнал — сигнал синхронизации приемника,
содержащий импульсы строчной и кадровой частот. Обычно оба эти
сигнала совмещаются, а в приемнике разделяются по уровню. Совме-
щенный 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 (ix)
и кадровой (iK) частот в случае построчной развертки показана на
рис. 3.2. Видно, что периоду кадровой развертки соответствует
целое число периодов строк Тг Во время прямых ходов (7"]) токи ли-
нейно нарастают, т.е. скорости разверток по горизонтали и вертикали
постоянны: vt = const и и, — const. Это позволяет избежать некоторых
искажений воспроизводимого изображения — изменения яркости и
четкости по полю изображения. Действительно, при нелинейном зако-
не развертки время нахождения развертывающего электронного луча
на отдельных элементах растра будет различно и яркость этих эле-
ментов на люминофорном экране кинескопа тоже будет неодинакова.
Кроме того, при этом меняется скорость развертки (/M=var) и для
некоторых элементов, для которых скорость развертки максимальна,
Рис. 3.2. Форма отклоняющих токов при построчной развертке
43
ВЧ составляющие спектра видеосигнала могут превысить 6,0 МГц и
в канале связи будут ограничены. Что же касается обратных ходов
(Т2), то линейную форму, изображенную для простоты на рис. 3.2,
выдерживать не обязательно, так как возврат электронного луча в
исходное состояние к началу прямого хода зритель не видит — на
воспроизводящее устройство подаются специально сформированные
гасящие импульсы (ГИ), причем тги>7’2.
На рис. 3.2 показана также зависимость положения воспроизводи-
мого элемента на строке от величины тока развертки. При отсутствии
постоянной составляющей тока его среднее (нулевое) значение соот-
ветствует середине строки, а максимумы положительных и отрица-
тельных амплитуд — правому и левому краям растра.
В табл. 3.1 приведены номинальные значения некоторых парамет-
ров разложения изображения для горизонтальной Н и вертикальной
V разверток, в том числе абсолютные (тги) и относительные (тги/Т )
длительности ГИ и длительности активной части строки и кадра TtKr.
Точные значения (с допусками) этих и других параметров, определя-
ющих систему вещательного ТВ, приведены в [90]. Здесь отметим
только, что средняя нестабильность частоты строк f2 в сигнале
отечественной системы цветного ТВ SECAM не должна превышать
10~6, т.е. 4-15625-10-6« 4-0,016 Гц. Этому соответствует нестабиль-
ность периода импульсов с частотой строк Д7’г=7’г(Д/г//г)=
=(1/15625)-10-6«0,06 нс, что необходимо для международного обме-
на программами цветного ТВ со странами, в которых принята другая
система цветного ТВ — PAL.
Таблица 3.1
Параметры разверток
Параметр Л Гц Г, мс Гр мс Г^мс Гакт, мс гги-“с
н 15625 0,064 0,057 0,007 0,052 0,012 а =0,18
V 50 20 19 1 18,4 1,6 ₽=0,08
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 воспроизво-
дящее устройство не подавать ГИ. На рис. 1.1,а и 1.2 для упрощения
графических построений обратный ход кадровой развертки значи-
тельно уменьшен — до величины 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 тр'акта; отклонение
частоты строк от номинальной не должно превышать 4-0.016 Гц.
44
3.2. ФОРМА ВИДЕОСИГНАЛА
Величина видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектриче-
ского преобразователя (преобразователя свет-сигнал), является
функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых эле-
ментов изображения. На рис. 3.3 приведен простейший пример преоб-
разования яркости передаваемого изображения L в электрический
сигнал (видеосигнал) Uz для объекта, содержащего вертикальные
черно-белые полосы (в левой части строки), и для градационного кли-
на (справа). Видеосигнал £/с(/) = <р(1), как видно из рисунка, точно
повторяет значения яркости каждой точки изображения на сканиру-
емой строке. Изменению яркости от черного (Lmin) до белого (Lmtu)
соответствует изменение видеосигнала в диапазоне U4...U6. При этом
предполагается, что в ТВ тракте отсутствуют нелинейные искажения
ТВ сигнала, а апертура развертывающего элемента (электронного
луча) исчезающе мала. Следует отметить, что длительность импуль-
сов сигнала яркости обратно пропорциональна скорости передачи
элементов, т.е. скорости развертки изображения.
Рассмотрим структуру совмещенного сигнала (полного сигнала
яркости) для произвольно выбранного объекта. Его форма за период
строки Tz (строчная осциллограмма видеосигнала) приведена на
рис. 3.4,а, а за период кадра (кадровая осциллограмма) — на рис. 3.4,6.
Видно, что видеоинформация передается только во время активной
части 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...7 % 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 тгсинх —
=4,7 мкс, кадрового тк сиих = 160 мкс = 2,5 Н, где Н — период строки.
Остальные временные пар; метры приведены в табл. 3.1. Если при-
нять размах полного сигнала яркости (видеосигнал + синхросигнал)
за 100 %, то полезная видеоинформация — от уровня ГИ до уровня
белого — занимает 70 % его амплитудного диапазона, а сигнал син-
хронизации приемника — 30 %.
Диаметр апертуры электронного луча d, даже хорошо сфокусиро-
ванного, "математической точкой” считать нельзя. Более того, он да-
же может превышать размеры некоторых мелких деталей изображе-
ния. Это приводит к апертурным искажениям — размытию резких
границ (контуров) на изображении (уменьшению резкости) и умень-
шению размаха сигнала от мелких деталей (ухудшению четкости).
Последнее вызывает уменьшение контраста в мелких деталях, и при
уменьшении его до порога различимости детали вообще не воспроиз-
водятся на изображении. Иными словами, конечные размеры аперту-
45
Рис. 3.3. Процесс образования видеосигнала:
а — передаваемое изображение; б — сигнал при развертке строки аа
Рис. 3.4. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и кадра (б)
46
ры 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 (c^—d',
a2<Zd\ a3<3Cid; б — форма видеосигнала на выходе преобразователя
свет-сигнал; в — форма апертурной характеристики для различных
передающих ТВ трубок. Сигнал в каждый момент времени пропорци-
онален средней яркости в пределах апертуры диаметром d. Относя
значение сигнала к положению ее центра, легко построить зависи-
мость^/) при прохождении границы раздела черно-белых полей.
Резкому перепаду яркостей Lmin и Lmax (рис. 3.5,а) соответствует
сигнал с плавным переходом от значения imta к imax длительностью туст.
Если размеры деталей меньше размеров развертывающего пятна,
размах сигнала уменьшается. Если чередуются черно-белые детали с
размером, равным половине (или менее) диаметра апертуры, то сиг-
нал пропорционален их средней яркости. Поэтому детали подобных
размеров не воспроизводятся. Это иллюстрируется рис. 3.5,6, на кото-
ром построен сигнал изображения от полос с чередующейся яркостью
^*т<л max'
Зависимость глубины модуляции сигнала т = А/(где Ai—i^—imin)
от размера элемента (числа строк разложения г) называется апер-
турно-импульсной частотной характеристикой (рис. 3.5,в); в научно-
технической литературе широко используется сокращенное название —
апертурная характеристика.
Таким образом, вследствие конечного размера апертуры элект-
ронного луча видеосигнал содержит не только полезную информацию
о яркости передаваемого в данный момент времени элемента изобра-
жения, но и паразитную составляющую от соседних элементов по
горизонтали и вертикали.
Анализируя форму видеосигнала, можно сделать следующие вы-
воды:
1. Видеосигнал не является гармоническим колебанием, а имеет
импульсный характер: в нем могут присутствовать резкие переходы
между уровнями (фронты) и плоские (одноуровневые) части импуль-
сов.
2. Исходный видеосигнал по своей природе униполярен и содержит
постоянную составляющую.
3. Видеосигнал можно представить как периодическую функцию с
частотами повторения fz = 1/Тг и fK — \/Тк.
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 Г, прину-
Рнс. 3.6. Взаимосвязь видеосигнала (а), тока развертки (б) и растра (в)
48
дительно прерывается и начинается обратный ход Т2. Обязательное
требование — обратный ход должен закончиться до окончания ГИ?
иначе (штриховая линия обратного хода Т2) конец обратного хода Т2
совпадет с началом активной части строки Тг ,кт 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 ОСОБЕН НОСТИ
Определим границы спектра видеосигнала А/. Он должен содер-
жать частотные составляющие в полосе от fmin до fmax и низкие частоты
А/о в частотном интервале 0...2 Гц, необходимые для передачи сред-
ней, очень медленно меняющейся составляющей сигнала:
&f=bf0+fmin... fmax. Нетрудно представить, что при построчной раз-
вертке спектр сигнала от простейшего (по вертикали) изображения,
показанного на рис. 3.7, содержит наинизшую составляющую =
= 1/Тк, равную частоте кадров/к. Эта нижняя граница спектра сохра-
няется и при передаче любого сложного изображения, что объясняет-
ся условиями покадровой передачи изображения.
Значительно сложнее определить верхнюю границу спектра. Вы-
сокие частоты определяют тонкую структуру сигнала, т.е. воспроиз-
ведение контуров и мелких деталей изображения. Структура сигнала
зависит как от скорости развертки, так и от размеров, формы и "про-
зрачности” апертуры, которая определяется распределением плотно-
сти электронов по сечению развертывающего луча в плоскости раз-
вертки изображения. С достаточной точностью форму апертуры
можно принять за круг с постоянной плотностью распределения элек-
тронов.
Примем, что время установления туст равно времени развертки
одного элемента изображения (см. рис. 3.5); получим, что верхняя
граничная частота спектра сигнала
/тОх=1/2тус1=1/2/м. (3.1)
Если формат кадра k, число строк разложения г, номинальная
частота кадров то число элементов в кадре NK — Nzz = kz2(вдоль
Рис. 3.7. К определению fmin (а) и fmax (б)
49
строки растра укладывается Nz — kz элементов), число элементов,
передаваемых в одну секунду, No = NJK = kz2fK и время передачи
одного элемента изображения определяется
t __1_____!_
” "0 kffK (3.2)
Из (3.1) получим, что верхняя граничная частота спектра
• max 2
Как было показано ранее(см. гл.2), разрешение мелких деталей по
вертикали из-за дискретности растра несколько снижается, поэтому
при условии равенства горизонтальной и вертикальной четкости мож-
но несколько сократить полосу частот в р = 0.75...0.85 раз, где р —
коэффициент Кэлла (Кэлл-фактор), определяемый методом субъек-
тивных испытаний как отношение чисел разрешаемых черных и белых
горизонтальных линий и строк. И тогда
fmai = pkz2fJ2. (3.4)
Вы вод (3.4) сделан для идеализированной развертки. В действитель-
ности изображение развертывается в течение не всего периода строки
Тг, а только во время прямого хода строчной развертки (1—а) 7г, где
а=тгги/^г — относительная длительность строчного ГИ (рис. 3.7,6).
Время аТг затрачивается на возврат луча к началу последующей
строки. То же относится и к развертке по кадру. Время рГк затрачи-
вается на возврат луча к началу следующего кадра (Р=ткГИ/Гк —
относительная длительность кадрового ГИ).
Телевизионным стандартом задаются число строк z и частота кад-
ров /к, которые будем называть номинальными. В действительности
за длительность кадра полезно развертываемых (активных) строк
будет za = (1 — p)z, a pzстрок будет потеряно за время обратного хода
кадровой развертки. Реальное число строк, определяющее четкость
по вертикали, таким образом, получается ниже номинального. Для
отечественного стандарта номинальное число строк 625, в действи-
тельности 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, следова-
тельно, иа воспроизведение мелкой структуры изображения, т.е. не
сказывается на ширине спектра сигнала изображения. При желании
сохранить одинаковыми четкости по вертикали и по горизонтали по-
следнюю можно искусственно уменьшить путем сокращения полосы
частот в 1/(1 — р) раз.
Иначе обстоит дело со строчной разверткой. Желая передать но-
минальное число элементов в строке kz и сокращая длительность
развертки строки за счет длительностей обратного хода, будем
50
расширять спектр ТВ сигнала. Реальное время развертки одного эле-
мента
р = - a )/Nz = (1 - а )/Лг2/к == /м(1 - а),
так как Тг — ^/fz — a N2 = kz. В этом случае граничная частота
спектра сигнала
*г2/к
fmax=P 2(1 — а) ’ (3-5)
т.е. она выше номинальной, так как величина а всегда положительная
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 .*/(|_wpa3, т.е.
kz^l - ₽)
fmax—P 2 (1 — а) (3-6)
Подставив в это уравнение значения коэффициентов рх 0,8, а =
=0,18 и 0 = 0,08, получим более простую формулу:
— (3.7)
Итак, сигнал яркости — сигнал широкополосный. Его спектр ох-
ватывает полосу частот от до /тдх. Нижняя граница видеочастот
fmm = fк — 30 Гц. Значение fmax для построчной развертки подсчитаем,
если в формулу (3.7) подставим значения параметров разложения
k = 4/3, г = 625 и fK = 50 Гц:
~6252-50
fmax = 0.9 --j-=°19' ,3> ,()6 ГЦ = 1 *’7 МГЦ’
Как видим, при построчной развертке значение fmax достаточно
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 убыва-
ет с ростом частоты (рис. 3.8,а), т.е. размах ВЧ составляющих видео-
сигнала обычно невелик. Поэтому в цветном ТВ именно в этом участке
видеоспектра располагают цветовые поднесущие частоты — влияние
яркостного сигнала на сигнал цветности будет незначительным.
Попытаемся оценить тонкую структуру видеоспектра. Из теорети-
ческого анализа спектра видеосигнала с учетом законов развертки
следует, что его спектр прерывистый, содержащий гармоники, крат-
ные частоте повторения строк (рис. 3.8,6). Вокруг этих гармоник
строчной частоты группируются достаточно узкие полосы сигналов
боковых частот, обусловленных вертикальной (в данном случае —
кадровой) разверткой и движением деталей изображения. Гармоники
51
Рис. 3.8. Спектры видеосигнала в общем виде (а, б) и при построчном (в) и чересстроч
ном (а) разложении
строчной частоты со своими боковыми образуют дискретные зоны
энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
Такой характер спектра позволяет совместить два и более спектра
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 свойство спектра
видеосигнала использовано в цветном телевидении и в ТВ измери-
тельных 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
(/г =zfK) и каждая строка повторяется каждый кадр. Это значит, что
расстояние между двумя соседними линиями спектра гармоник
строчной частоты кратно целому числу fK. Поэтому при перекрытии
спектров будет точное попадание друг на друга боковых линий верх-
ней 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 повторяющимися.
Периодичность импульсов сигнала определяется принципом его раз-
вертки. Если передается неподвижное изображение, сигнал периоди-
чен с частотой повторения кадров и частично с частотой повторения
52
полей. Так как развертка производится 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
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 увеличива-
ется. Новое значение периода Т'г будет относиться к периоду строки
Тг как T'JTZ = (1 — о/ох)-1, где vt — средняя скорость развертки по
строке.
Выразим частоту повторения сигнала f'z через частоту строчной
развертки [г:
Если положить наибольшую относительную скорость движения
изображения объекта = 2b в секунду, где Ь — длина строки, то
наибольшее отклонение частоты сигнала от частоты развертки
д/ЯОж= | =f"Z Т^Ь =2Гц
Эти изменения, наряду с изменениями среднего значения яркости
объекта, составляют низкие частоты спектра видеосигнала. Они ле-
жат в интервале от 0 до 2...3 Гц и не передаются непосредственно в
видеоканале, а воспроизводятся косвенным методом.
В заключение отметим, что значение fmax однозначно определяет
горизонтальную четкость ТВ изображения (по строке), так как именно
ВЧ составляющие видеосигнала определяют качество передачи мел-
ких деталей передаваемого объекта и резкость переходов между раз-
личными 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 пропорци-
ональна числу передаваемых в секунду кадров ((3.3) — (3.7)), избы-
точное их число необходимо ограничивать.
53
Рис. 3.9. Образование чересст-
рочного растра:
а — построчная развертка при г = 7, /к =
=50 Гц, /и = 350 Гц, б — чересстрочная раз-
вертка при z — 7. /к = 25 Гц. /п = 50 Гц,
/г =175 Гц
Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устраня-
ется путем применения чересстрочной развертки, сущность которой
заключается в том, что полный кадр изображения развертывается,
т.е. передается и воспроизводится за два поля. В первом поле развер-
тываются 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 f обеспечивает восприятие изображения без мелька-
ний, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В ТВ
вещании приняты номинальная частота полей —50 Гц и номинальная
частота кадров — 25 Гц.
Снова проследим процесс образования построчного растра. Он
иллюстрируется рис. 3.9,а. Если развертывающий элемент движется
по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра,
и одновременно смещается по вертикали, то к исходу строки он сме-
стится вниз относительно ее начала на Л/z, т.е. на ширину одной
строки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обрат-
ного хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положе-
ние, соответствующее 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 горизонтали, то
в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число строк
(рис. 3.9,6), но из-за разности в полстроки строки растров первого 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 вертикальной развертки
образуется полный растр, аналогичный по числу строк исходному.
Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при
неизменных числе строк и частоте мельканий в 2 раза снизить скорость
строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем
самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спектра сигнала
изображения. В результате спектр сигнала для отечественного стан-
дарта занимает полосу частот от — 50 Гц до fmax~6 МГц (см. (3.7)):
/™ж=0,9[|-6252.25р2 « 6,0-106 Гц.
54
При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через
z
поле (/г = zfK = — /„), т.е. каждый кадр один раз. Поэтому расстояние
между двумя соседними спектральными линиями гармоник строчной
частоты кратно целому числу [к, а поскольку при чересстрочном раз-
ложении г является нечетным, то соответственно нечетному числу /к.
Учитывая, что боковые полосы вокруг строчных линий находятся на
расстояниях, кратных частоте вертикальной развертки — /п, при пе-
рекрытии спектров боковые линии соседних гармоник строк не будут
совпадать (рис. 3.8,г). Соответственно расстояние между гармоника-
ми строчной частоты через одну равно четному числу т.е. целому
числу /п, так как /п — 2fK, и боковые 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. 2fz =
=zf„ = (2m-f-1 )/п, 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 гене-
ратора с частотой 2fz путем деления на 2fz и на z соответственно.
Чересстрочная развертка, кратность которой равна 2:1, применя-
ется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы час-
тот, занимаемой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее со-
кращение полосы частот путем применения чересстрочного
разложения с кратностью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состо-
ять из трех или четырех отдельных полей, строки которых последова-
тельно воспроизводятся друг под другом. По ряду причин такие раз-
вертки не применяются. Становятся заметными мелькания строк, так
как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при
кратности 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля
становится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьша-
ется четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном
направлении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспро-
изведение вертикальных границ объектов, движущихся с относитель-
но большой скоростью в горизонтальном направлении (границы ста-
новятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется
эффект 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 соответственно в
третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по яркости во
времени характер. Создается эффект последовательного во времени
разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение строк.
Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при
кратности 2:1 они менее заметны.
55
В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров, зна-
чительно возросли яркость, контраст и четкость изображения. В этих
условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной раз-
вертки — мелькания изображения с частотой полей и мелькания от-
дельных строк четного(или нечетного) поля с частотой 25 Гц. Мелька-
ние с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с
повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях боль-
шой внешней засветки. Это явление усугубляется 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, обладающие меньшей инерционно-
стью к световому возбуждению.
Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизон-
тальных границах и наклонных структурах изображения, особенно
при наблюдении буквенно-графической информации с близкого рас-
стояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости
изображения rto 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. КАЧЕСТВО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, тож-
дественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта цель может
быть достигнута с помощью стереоцветной системы со значительно
более высокими качественными показателями, чем реализуемые в
настоящее время. Поэтому в первую очередь качество ТВ изображе-
ния ограничивается основными параметрами системы вещательного
телевидения, регламентированными ГОСТ 7845-92 (формат кадра,
разрешающая способность — число строк, число кадров, передава-
емых в одну секунду, число мельканий, число полутонов и их распре-
деление в динамическом диапазоне изменения яркости репродукции,
цветовой охват и др.). Эти параметры определяют номинальное каче-
ство ТВ изображения, воспроизводимого данной системой.
Кроме этих ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу
нарушается и из-за искажений изображения, возникающих практиче-
ски во всех элементах ТВ системы.
В настоящее время объективная и субъективная оценки парамет-
ров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также условия
его наблюдения и обработка результатов измерений регламентирова-
56
ны документами МККР и ГОСТ 7845-92, 26320-84 и др. Большинство
норм на искажения изображения базируется на свойствах зрительной
системы человека и экспериментальных статистических исследованиях
по определению допустимых значений этих искажений. Параметры
электрических сигналов и их искажений в разных точках тракта, как
правило, оцениваются объективными методами с помощью специаль-
ных измерительных приборов, а результирующее качество ТВ изобра-
жений — визуально, по изображению универсальных оптических или
электронных телевизионных испытательных таблиц УЭИТ.
Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и методи
ку их оценки.
4.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ (КООРДИНАТНЫЕ) ИСКАЖЕНИЯ
Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за из-
менения координат передаваемых элементов. Эти искажения прояв-
ляются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимо-
го ТВ изображения его оригиналу. Геометрическое подобие
нарушается в основном из-за неидентичности формы растра и относи-
тельных скоростей строчной или (и) кадровой разверток при анализе
и синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет-
сигнал и сигнал-свет.
Номинальный формат растра £=6//i=4/3 и относительные скоро-
сти разверток икстр(/) = const жестко заданы. Поэтому оценка величин
геометрических искажений производится по отклонению от номи-
нальных значений указанных параметров с помощью коэффициентов
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 фотоэлектрических
преобразователей (рис. 4.1,а,б)
fer д.=7‘100 % илн fer д г = 100 %: (4 1 j
при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за нарушения
ортогональности оптической или электрической оси к плоскости изо-
бражения (рис. 4.1,в):
/2 — /.
(4-2)
при искажениях типа "параллелограмм”, возникающих из-за на-
рушения ортогональности отклоняющих полей строчной или кадровой
развертки (рис. 4.1,г):
D|—D2
^п = 2Тм^-100%- (4-3)
57
Рис. 4.1. Геометрические искажения изображения "шахматное поле”, возникающие
из-за искажений формы растра
при несоответствии формата кадра на передаче и приеме
(b/h)=£(bjhn) из-за нарушения соотношения размеров растра по вер-
тикали или по горизонтали, т.е. величин отклоняющих полей кадровой
или строчной развертки (рис. 4.1,<?,е). Оценка величин искажений
здесь нецелесообразна, так как искажения этого вида легко коррек-
тируются с помощью оперативных регулировок размеров изображе-
ния по вертикали и горизонтали;
при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных периоди-
ческих помех (рис. 4.1,ж).
Геометрические искажения возникают также из-за неидентично-
сти относительных скоростей движения лучей передающей и прием-
ной трубок по вертикали или (и) горизонтали. Практически это чаще
всего происходит при нарушении на одной из сторон условия постоян-
ства скоростей движения лу< а по вертикали или (и) горизонтали
гкстр(О = var.T.e. из-за нелинейности токов кадровой или (и) строчной
развертки. В этом случае геометрические искажения в вертикальном
и горизонтальном направлениях соответственно (рис. 4.2, а,б) оцени-
ваются следующим образом:
*г. = >00%; *гг = 2^" T V • >00% , (4.4)
птах ' итах ' umin
ГДв — ЭКСТрвМ ЭЛЬНЫе ЗНЭЧеНИЯ ВЫСОТЫ (ширины)
специальных элементов телевизионной испытательной таблицы на
экране кинескопа.
Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практиче-
ски незаметна для зрительного анализатора человека; при нелиней-
ности 8...12 % изображение воспринимается как хорошее.
М
Рис. 4.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за нелинейности
сигналов кадровой (а) и строчной (б) разверток приемника (при линейных развертках
на ТЦ)
Измерение величин геометрических искажений изображений про-
изводится по квадратным или прямоугольным испытательным эле-
ментам, входящим в состав специализированных (например, "шах-
матное поле”, см. рис. 4.8) или универсальных испытательных таблиц.
Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее проводить по
испытательным элементам в виде окружностей, так как искажения
формы этих испытательных элементов более заметны: оценка произ-
водится дифференциально по сравнительно большой площади табли-
цы и нарушение любой части окружности в любом участке поля изо-
бражения четко отмечается зрительной системой.
4.3. ПОЛУТОНОВЫЕ (ГРАДАЦИОННЫЕ) ИСКАЖЕНИЯ.
Полутоновые искажения ТВ изображения возникают, как было
отмечено в §2.2, из-за уменьшения динамического диапазона измене-
ния яркости оригинала — контраста Ло(см. (2.6)), изменения условий
наблюдения изображения (паразитных засветок, размеров изображе-
ния и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за увеличения величины
порогового контраста (Д£/£ф)пор.
В результате число полутонов (число пороговых градаций ярко-
сти) А,3 в ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом полу-
тонов при непосредственном наблюдении объектов До. В связи с этим
ухудшается и опознавание объектов.
Для улучшения распознаваемости деталей при Днэ = const (£нз=
=const) приходится перераспределять число градаций по динамиче-
скому диапазону изменения яркости репродукции — увеличивать
число полутонов в сюжетно важном участке диапазона в области
59
бел ого, т.е. дляхорошо(испециально)освещенных деталей изображения
(за счет ухудшения распознаваемости объектов — уменьшения числа
градаций в области черного). Подобная операция производится с по-
мощью гамма-корректора (см. гл.14). Она сводится к тому, что форма
характеристики передачи уровней яркости ТВ системы изменяется гам-
ма-корректором так, чтобы она соответствовала параболической функ-
ции с показателем степени, равным ус — 1,2 ...1,3(см. рис. 2.7).
Форма характеристики передачи уровней яркости системы опре-
деляется формой световых характеристик фотоэлектрических преоб-
разователей свет-сигнал и сигнал-свет, а также формой амплитудной
характеристики (АХ)тракта передачи сигнала яркости. Как правило,
АХ тракта передачи ТВ сигнала — зависимость выходного напряже-
ния от входного = f(U„) выполняется линейной. Поэтому нели-
нейные искажения сигнала яркости в тракте передачи сравнительно
мало влияют на число воспроизводимых градаций.
Со световыми характеристиками преобразователей дело обстоит
сложнее. Помимо того, что форма этих характеристик многочислен-
ных датчиков ТВ сигнала различна, большое значение имеет и раз-
брос характеристик передающих и приемных трубок, так же как и
выбор рациональных режимов их работы. Поэтому каждый датчик ТВ
сигнала содержит гамма-корректор, форма АХ которого выбирается
с учетом номинальной усредненной формы световой (модуляционной)
характеристики кинескопов.
Все эти причины создают большие трудности по реализации опти-
мальных условий воспроизведения полутонов, число которых сильно
зависит и от конкретной индивидуальной настройки режима работы
кинескопа (органы управления ’’Яркость” и ’’Контрастность” ТВ при-
емника).
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,
как правило, 10-градационньн клин — горизонтальную шкалу уров-
ней (перепадов) яркости от Lmm до Lmox, 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 ли-
нейным распределением яркости вдоль шкалы. В электронных ТИТ
эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с равномер-
ными 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 выделяется
60
Рис. 4.3. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яркости на эк-
ране ТВ приемника ис1 (и) и для измерения нелинейных искажений сигнала яркости
Uc2(6); ис2>ых — синусоидальная насадка, выделенная полосовым фильтром нз сигна-
ла ис2 на выходе тракта нли его участка (в)
полосовым фильтром (рис. 4.3,в). Коэффициент нелинейных искаже-
ний определяется по формуле
=_2~-----— 100 %,
mmai
(4-5)
(4.6)
где тта1, тт1я— 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 величин коэффициентов нелинейных
искажений для областей белого и черного [15]:
mco ~ m6 , mCD — тч
Ч.б=--------• |00%; ч =—----'• юо %.
где тб, 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).
Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображе-
ния вызывает также неравномерность яркости фона, возникающую
из-за специфических искажений в передающих трубках (’’черное пят-
но”, см. гл.6) и нарушений работы схем фиксации уровня черного
(см. гл.14).
Наилучшее качество изображения получают установкой (методом
последовательных приближений) оптимальных значений яркости и
контрастности изображения на экране кинескопа так, чтобы добиться
максимально возможного числа различимых глазом уровней яркости
градационной шкалы (см. рис. 4.9). При разрешении 8...9 градаций
яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим.
61
4.4. ИСКАЖЕНИЯ ЧЕТКОСТИ И РЕЗКОСТИ
(ИСКАЖЕНИЯ ЯРКОСТИ МЕЛКИХ ДЕТАЛЕЙ)
Четкость изображения оценивается относительным размером ми-
нимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость — отно-
сительным размером границы между фоном и деталью с равномерной
яркостью; причем длительность сигнала от этой детали должна пре-
вышать длительность переходных процессов в системе (см. гл.2). Раз-
меры деталей и границ измеряются в относительных единицах — по
отношению к высоте изображения Л, а четкость — в условных едини-
цах — строках или ТВ линиях. Например, если визуально на репро-
дукции различаются детали размером не менее(1/500)Л, то четкость
изображения составит 500 ТВ линий. Параметры четкость и резкость
изображения связаны между собой, так как характеризуют способ-
ность системы реагировать на быстрые изменения яркости оптическо-
го изображения.
В отличие от фото- и кинорепродукций четкость ТВ изображения
оценивают раздельно по вертикали и горизонтали из-за того, что их
величины обусловлены разными факторами.
Номинальная четкость изображения по вертикали определяется
дискретной структурой растра — числом строк разложения изобра-
жения z = 625. Так как конфигурация одного элемента изображения
принимается в виде квадрата или окружности размером h/z, то вдоль
строки изображения должно содержаться пропорциональное число
элементов разложения: в соответствии с форматом кадра k = b/h —
=4/3 оно определится как kz » (4/3) 625 «г 800.
Номинальная четкость изображения по горизонтали зависит в
основном от ширины спектра сигнала яркости, так как высокочастот-
ные составляющие спектра несут информацию о мелких деталях изо-
бражения и качество их передачи определяет разрешающую способ-
ность ТВ системы.
Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать
номинальное значение из-за ограничений, накладываемых нормиро-
ванными параметрами системы, в частности числом строк г = 625 и
шириной спектра A/sss 6,0 МГц сигнала яркости, определяющих вос-
произведение минимальной детали в вертикальном и горизонтальном
направлениях соответственно. Поэтому искажения четкости (резко-
сти) всегда связаны с уменьшением ее номинального значения, огра-
ничиваемого реальными параметрами данной ТВ системы, и в част-
ности:
качеством фокусировки, наличием аберраций и формой апертур-
ных (контрастно-частотных) характеристик электронно-оптических
систем фотоэлектрических преобразователей (см. гл.6 и 7);
качеством чересстрочной развертки;
реальной шириной спектра ТВ сигнала, т.е. линейными искажени-
ями в области высоких частот тракта передачи сигнала яркости.
Как известно, линейные искажения тракта и его участков описы-
ваются с помощью разных, ио полностью равноправных методов ана-
62
лиза с помощью частотных характеристик: у(о>) — амплитудно-час-
тотной (АЧХ), ф(й>) — фазо-частотной (ФЧХ), а также с помощью
h(t) — переходной характеристики ПХ как реакции системы на еди-
ничный скачок яркости (или сигнала изображения). ’’Язык” частот-
ных характеристик более удобен для анализа конкретных причин,
способов коррекции и определения результирующих искажений трак-
та по частным параметрам его участков. Недостаток этого метода -
трудность интерпретации (отождествления) влияния величин и харак-
тера линейных искажений на проявление их в изображении. Достоинст-
во ПХ — четкая качественная связь искажений изображения с искаже-
ниями 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 области
высоких частот полосы пропускания тракта и качественно соответст-
вующие им формы ПХ в области малых времен, соизмеримых со
временем передачи одного элемента изображения. Пусть форма кри-
вых / этих характеристик соответствует номинальным, нормирован-
ным в соответствии с принятыми параметрами ТВ системы и допусти-
мыми искажениями изображения: спадом АЧХ на верхней граничной
частоте /, (или о>в) полосы пропускания ув1 и длительностью фронта
ПХ тф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9 ее установившегося
значения.
Спад АЧХ ул < ytX и соответствующее увеличение длительности
фронта ПХ Тф2>Тф| приводит к уменьшению уровня высокочастотных
составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от мел-
ких деталей и увеличению длительности перепадов. Как следствие,
четкость и резкость изображения уменьшаются, так как контраст
самых мелких деталей становится ниже порогового, а протяженность
границ деталей увеличивается.
Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ у^ > уяХ и соответствующее
уменьшение длительности фронта ПХ Тфз<тф1, приводит к некоторому
Рис. 4.4. Искажения АЧХ в области высоких частот полосы пропускания тракта пере-
дачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области малых времен (б)
63
повышению четкости. При этом на горизонтальной части ПХ может
возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответствии с
искажениями формы ПХ искажаются и детали изображения: после
резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возник-
нуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей интенсивно-
стью (ложные контуры). Если же колебательный процесс апериоди-
чен, т.е. имеется только один первый выброс б, то границы детали как
бы подчеркиваются. Эти искажения называются ’’пластика". В ряде
случаев небольшая пластика может быть даже полезна, так как за
счет подчеркивания границ деталей улучшается распознаваемость
объектов.
Следует еще раз отметить, что существенное повышение четкости
можно получить только за счет увеличения числа строк разложения и
расширения спектра ТВ сигнала /, > 6 МГц (при соответствующем
увеличении полосы пропускания канала связи), что практически реа-
лизуется только в специальных системах телевидения высокой четко-
сти (ТВЧ) при г = 1000...3000 и /в = кг^п/Ч = 15...150 МГц.
Для оценки четкости по горизонтали ТВ изображения используют-
ся 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 ( и подобными
же промежутками между ними, см. рис. 4.9). В электронных ТИТ для
этой цели используются пакеты синусоидальных колебаний с часто-
тами 2,8...5,8 МГц. Около этих мир, как правило, нанесены числа
условных единиц измерения четкости, соответствующие примерно от-
носительной толщине штрихов й/</=200...500 ТВ линий. Для количе-
ственной оценки четкости наблюдатель определяет область, где
штрихи миры перестают различаться. Резкость воспроизведения вер-
тикальных границ оценивается по осциллограмме длительности
фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ.
Оценка четкости по вертикали с помощью горизонтальных штри-
ховых мир затруднена муаром, возникающим из-за биений достаточно
близких пространственных частот, которые образуются дискретными
структурами ТВ растра и штрихов миры. Поэтому с помощью ТИТ
оценивается только качество чересстрочной развертки по искажени-
ям 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 изображения,
так же как и мелких, возникают в большинстве случаев из-за линей-
ных искажений в тракте передачи сигнала. Но в данном случае изме-
нение яркости и цветности деталей является следствием искажений
АЧХ в области низких частот полосы пропускания, т.е. ПХ в области
средних и больших времен, сравнимых соответственно с длительно-
64
Рис. 4.5. Искажения АЧХ в области низких частот полосы пропускания тракта (а) и ис
кажение сигнала от ’’средней" белой детали на сером фоне (б)
стями строки и кадра. Поэтому термины ’’средние” и ’’крупные” дета-
ли в достаточной мере условны, так как речь идет об искажениях
яркостей деталей (и фона за ними), размеры которых по горизонтали
сравнимы с длиной активной части строки b (рис. 4.5), а по вертикали
и с высотой кадра h соответственно. Практически вместо ПХ анали-
зируется реакция системы на П-образные импульсы, длительности
которых сравнимы с указанными временными интервалами.
В широкополосных резисторных видеоусилителях переменного то-
ка линейные искажения в области низких частот (спад АЧХ,
см. рис. 4.5,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепо-
чек R„Cn между каскадами. Эти дифференцирующие цепочки пред-
ставляют собой частотно-зависимые делители сигнала, практически
проявляющие свои свойства только на низких частотах полосы пропу-
скания. В результате сравнительно слабого дифференцирования им-
пульса от детали средних размеров на вершине его появляется спад,
а за ним — тянущееся продолжение с постепенно убывающей интен-
сивностью. Так как при этом передний и задний фронты импульса
(перепады яркости) передаются без искажений, то уменьшение на-
пряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение ярко-
сти фона за деталью) численно равно величине спада вершины им-
пульса (уменьшению яркости детали — Дсп, рис. 4.5,6).
Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при пере-
даче детали с наибольшей яркостью (размером примерно Ь/2) на
сером фоне, так как если яркость детали уменьшится на единицы
процентов, то это приведет к значительному уменьшению яркости
фона за деталью (на десятки процентов). Например, при
L„ - L'
Дсп = ^5---100=1%
и контрасте детали ka = La/L^ = 20 яркость фона после нее уменьшит-
ся на
65
Дсп Д^ф Дс|Лл . ,
д* = ТГ = 7Г = -ЕГ = а^я = 2о%
ф ф ф
(4.7)
Это четко отмечается глазом как медленно уменьшающееся черное
тянущееся продолжение вдоль строки ”за белым — черное” (или за
черными деталями — ”за черным — белое”). Если допустимое измене-
ние яркости фона принять равным величине порогового контраста
(см. гл.2), то тянущиеся продолжения согласно (4.7) возникнут при
изменении яркости белой детали всего на
Ая_<^_2 5_010 ода%
(4.8)
kn
Подобные величины спада ТВ сигнала (яркости изображения) да-
же инструментальными объективными измерениями оценить затруд-
нительно.
При перекоррекции АЧХ (рис. 4.5, кривые 3) за деталями возни-
кают тянущиеся продолжения другого "знака” (”за белым — белое”,
”за черным — черное”).
Длительность сигнала изображения от крупных деталей, размер
которых составляет некоторую часть кадра, во много раз превышает
длительность сигнала от средних деталей. Поэтому он искажается
значительно больше при прочих равных условиях. Максимальные ис-
кажения будут наблюдаться при передаче белой и серой горизонталь-
ных "деталей” с размерами каждой, примерно равными половине
кадра (см. рис. 14.5). При этом тянущиеся продолжения могут весьма
заметно исказить яркость серой части кадра на значительной его
площади. Однако эти искажения корректируются с помощью фикса-
ции уровня черного ТВ сигнала во время следования строчных гася-
щих импульсов (см. гл. 14). В результате фиксации уровня черного
величина остаточных изменений яркости деталей и фона получается
такого же порядка, как и у деталей средних размеров. Заметим, что с
помощью фиксации уровня черного изменения яркости внутри актив-
ной части строки не корректируются.
Таким образом, специфика искажений средних и крупных деталей
заключается в четкой заметности даже весьма малых значений этих
искажений, а также в необычном проявлении их на изображении. Они
воспринимаются в основном как тянущиеся продолжения за деталя-
ми, т.е. как появление заведомо ложных "узоров”, не содержащихся в
подавляющем большинстве передаваемых изображений и не возника-
ющих 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 15625 Гц (средние де-
тали) и с частотой следования 50 Гц, прорезанными строчными гася-
66
щими импульсами (крупные детали) (см рис. 14.5). Визуально эти
искажения оцениваются по качеству воспроизведения наибольших но
размеру черно-белых деталей, входящих в состав универсальных
ТИТ, или по бело-серо-черным и черно-серо-белым испытательным
элементам УЭИТ (см. рис. 4.9).
4.6. ЦВЕТОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие яркости,
и оцениваются числом порогов цветоразличимости (см. гл.2, 10). Ис-
кажения цветности изображения в ТВ системах возникают из-за:
использования реальных красного, зеленого и синего люминофо-
ров цветных кинескопов, спектральные характеристики и насыщен-
ность которых ограничивают воспроизведение максимального цвето-
вого охвата (диапазона воспроизводимых цветов, который может быть
реализован в рамках трехкомпонентной ТВ системы);
использования реальных источников освещения, светоделитель-
ных устройств и передающих трубок, спектральные характеристики
которых не полностью обеспечивают верность цветопередачи;
линейных и нелинейных искажений ТВ сигнала, возникающих в
фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, а
также в тракте передачи и особенно в устройствах формирования и
селекции сигналов яркости и цветности;
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 соответствующих каналов
тракта), которые вызывают цветные окантовки, повторы (ложные
контуры) и т.п., нарушения в репродукциях деталей изображения;
специфических особенностей передачи и селекции сигналов цвет-
ности в различных системах цветного телевидения (ЦТ).
С помощью специальных устройств — цветокорректоров, коррек-
торов нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров,
см.гл.14)и др. — на телецентрах производится компенсация цветовых
искажений при условии использования на приемной стороне цветного
кинескопа со среднестатистическими нормированными характери-
стиками (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
67
разной насыщенностью использованы для визуальной оценки верно-
сти цветопередачи и в УЭИТ. Более подробно вопросы возникновения
и коррекции цветовых искажений в различных системах ЦТ рассмот
рены в гл.10 и в [15].
4.7. ВЛИЯНИЕ ПОМЕХ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Помехи, возникающие в процессе формирования, передачи и при
ема ТВ сигналов, могут значительно ухудшить качество изображения.
Влияние разнообразных помех на качество изображения проявля
ется в основном в двух видах: воздействие помех на сигналы изобра-
жения вызывают нарушение яркости и цветности деталей изображе-
ния, а воздействие на сигналы синхронизации разверток приводит к
нарушению формы растра, т.е. к искажению координат элементов
изображения (вплоть до полного разрушения его структуры).
Конкретные формы проявления мешающего действия помехи за-
висят от ее вида. К числу наиболее характерных помех относятся:
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.;
импульсные помехи различного происхождения в виде точек,
штрихов разной протяженности;
перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а
также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровождения;
эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизи-
онных сигналов и рассогласования линий связи;
шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возника-
ющие при использовании ТВ сигнала в цифровой форме для передачи
и коррекции сигналов, 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 отличие
от других видов помех они в принципе присущи всем электронным
устройствам. Причиной возникновения флуктуационных помех явля-
ется хаотическое движение электронов в активных сопротивлениях —
тепловой шум, а также флуктуации светового потока и тока в фото-
электрических преобразователях, усилительных элементах и т.п. За-
сорение 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 приемников и др.), а
68
также, как правило, при коррекции любых искажений ТВ сигнала
(см.гл.14).
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 ухудша-
ются все параметры изображения — четкость, резкость, уменьшает-
ся контраст (особенно мелких деталей), число полутонов и т.д.
Флуктуационные помехи имеют непрерывный спектр. Поэтому ве-
личина помех и их визуальное восприятие зависят от ширины полосы
пропускания канала связи и от характера распределения мощности
шумов по спектру.
Спектральная плотность мощности тепловых помех на активном
сопротивлении R не зависит от частоты — ’’белый шум”— и равна
5ш6 = dU2Jdf = 4kTR, (4.9)
где 1/ш —действующее напряжение помех; k = 1,38-10-23 Дж/К —
постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура, К-
Действующее значение напряжения флуктуационных помех
Пё Р*
S^df « у $ S^df = 4kTf„ (4.10)
0
где /н, /в— граничные частоты полосы пропускания устройства (как
правило, принимают /н = 0, так как /в >£>/„).
Спектральная плотность мощности флуктуаций тока также не
зависит от частоты (белый шум). Эти помехи принято оценивать как
эквивалентные тепловые по (4.10) в соответствующем эквивалентном
сопротивлении шумов Rw.
Однако подобная энергетическая оценка величины помехи не учи-
тывает визуальное восприятие различных спектральных составляю-
щих шумов. Из-за меняющейся чувствительности глаза взависимоети
от размеров и цветности деталей низкочастотные составляющие ’’зе-
леной” флуктуационной помехи создают большее мешающее дейст-
вие, чем высокочастотные (да еще окрашенные в красные или синие
тона). Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью экспе-
риментально определенных весовых функций помех 114]:
для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис.4.6, кривая
/) эта функция
Уюв(<,,) = 1 + <Л21К = 1 + 4,29/2’ (411)
где тмв = 0,33 мкс — постоянная времени взвешивающей цепи; / —
частота, МГц;
69
для композитных сигналов {сигналов яркости, в высокочастотной
области которых размещены сигналы цветности) различных систем
ЦТ (рис.4.6, кривая 2)
1 + fcW-tjL, 1 4-0,117/2
1+(1+^)2^- 1+3.54/2-
(4.12)
где тмв = 0,245 мкс; b = 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 величи-
ной отношения сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха:
$=UjU„, ф = ис/иш, (4.13)
где Uc— размах сигнала изображения;
К = иш^\В5ш(ПУт(М
о о
— 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 белого
шума (передающая трубка, ее сопротивление нагрузки и др.) и "тре-
угольного шума” (предварительный усилитель передающей камеры и
др., см.гл.14).
Различное восприятие "красных”, "зеленых” и "синих” флуктуа-
ционных помех оценивается с помощью экспериментально установ-
Рис. 4.6. Весовые функции вид-
ности флуктуационных помех:
/ — для сигналов яркости и сигналов ос-
новных цветов; 2 — для композитных сиг-
налов различных систем ЦТ; 3 — для ком-
позитного сигнала системы SECAM
Рис. 4.7. Весовая функция видио-
сти флуктуационных помех каиа
ла цветности системы SECAM
70
ленных коэффициентов относительной видности [15], соответственно
равных а = 0,40; (3 = 1,0; е = 0,35. При этом напряжения визуально
одинаковых помех соотносятся как
~О^/иша/ишВ = 2,50/1,00/2,86. (4.14)
Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью
достаточно сложных специальных приборов. Качество изображения
считается хорошим, если ф' = 30. 40 дБ.
4.8. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ
ПОТЕЛЕВИЗИОННЫМ ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ ТАБЛИЦАМ
Оперативная оценка качества изображения поТИТ широко прак-
тикуется в ТВ системах. С помощью специализированных ТИТ оцени-
вается обычно один-два качественных параметра (рис.4.8), а с по-
мощью универсальных — все основные (рис.4.9). Преимущество
универсальных ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо
уменьшается точность оценки качественных параметров за счет ог-
рубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных ло-
кальных местах кадра из-за ограниченных возможностей размещения
в поле таблицы большого числа различных испытательных элементов.
Рис. 4.8. Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных) искажений
71
I
а б В г В е ж з и к л м н о п р с т у tp х ц и ш щ э
I
II
Белый
Черный
□□□□□□□□□□
Желтый Голубой
Зеленый П^ь^р' Красный Синий
Серый
Черный.
LP
II
Ц5
И6
Г|7
| Школа
перепадов \яркости
«ПППППИ1 белый
□□
Белый
□□□□и®
Радуга
laiiiiiiiiiiiiiiiiBiiiiiiiiiiiiiiiaiiiMiiiiiiiiiiiiina.......ч iiiiiiiiiaiiiiiiimiiiiiiiiiiiiiiiiaiiiiiiiiiiiiiiiiiiii
;зП
яГ
Z5
«I
5т|
,в\
19 \
201______________________________________________ ____________________
а 6 Б г О X/ з и к л м но п р с лт\1у <р/ х цч ш щ э
белый Серый
Рис. 4 9. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ
белый Желтый Голубой Зеленый Красный
ипсь,
Синий
Черный
13
||®
15
16
17
18
19
20
5
В
В
К
I
Указанные ТИТ могут быть оптическими (см.рис.4.8) или элект-
ронными (см.рис.4.9). Преимуществом оптических таблиц является
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, да еще в многочис-
ленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно из-за срав-
нительно быстрого старения цветных испытательных элементов —
изменения их спектральных характеристик. Поэтому в ЦТ для оценки
искажений, возникающих в видеоусилительном тракте телецентра,
линиях связи и в приемниках, используются лишь электронные ТИТ.
Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) состав-
ляется из эталонных электрических сигналов, формируемых специ-
альным генератором. Искажения в передающем оборудовании оцени-
ваются по монохромным ТИТ и специальными методами.
Универсальная электронная таблица предназначена для объек-
тивного и субъективного контроля основных параметров и их искаже-
ний в тракте передачи черно-белого и цветного телевидения [16], На-
значение испытательных элементов таблицы, как правило,
многофункционально. В то же время оценка тех или иных искажений
72
производится по разным испытательным элементам или по одинако-
вым, но расположенным в разных местах рабочего поля для диффе-
ренциальной оценки этих нарушений.
Рамка таблицы (см.рис.4.9) состоит из черно-бело-черных штри-
хов, расположенных по периметру УЭИТ и образованных сигналами
с уровнями (0/100/0)% от максимального размаха сигнала. Белые
штрихи между черными полосами служат реперными линиями рабо-
чего поля таблицы форматом 4/3.
Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное двадцатью
(1...20) горизонтальными и 26(а...э) вертикальными серыми полосами и
белыми линиями между ними. Вертикальные линии создаются синус-
ква дра тичн ым и и м пул ьса м и дл ител ьностью 0,16. .0,17 м кс; тол щи н а го-
ризонтальных линий — две строки; размах сигнала линий и серых
полос составляет (75/37,5)%.
Рассмотрим методику о ц е н к и величин основных пара-
метров ТВ изображения по УЭИТ на экране кинескопа
приемника. Обычно этой оценке предшествует несколько подготови-
тельных операций, которые проводятся методом последовательных
приближений (неоднократным повторением). Ориентировочно поря-
док их проведения может быть следующим.
Установка размеров (формата) и центровка рабочей части табли-
цы. Эти операции проводятся по реперным линиям и центральному
перекрестию сетчатого поля с помощью регуляторов ’’Размер по вер-
тикали”, ’’Размер по горизонтали” и специального магнита центровки
на горловине черно-белого кинескопа. При формате 4/3 реперные
белые линии совмещаются с обрамлением экрана трубки. При фор-
мате 5/4 (используемом в большинстве кинескопов по конструктив-
ным соображениям) с горизонтальным обрамлением экрана совме-
щаются наружные черные края рамки, а с вертикальным —
внутренние черные края. Правильность установки формата изобра-
жения визуально оценивается по квадратам сетчатого поля и цент-
ральной окружности. При нарушении квадраты воспроизводятся как
прямоугольники, а окружность напоминает эллипс (при сравнитель-
но небольших искажениях линейности строчной и кадровой развер-
ток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы центральное
перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.
Коррекция геометрических (координатных) искажений из-за не-
линейности разверток. Коррекция производится с помощью регули-
ровок ’’Линейность по вертикали” и ’’Линейность по горизонтали”;
инструментальная оценка ее результата — по квадратам сетчатого
поля (см. §4.2), а визуальная — по окружностям в центре и в углах
таблицы.
Статическое и динамическое сведение лучей цветного кинескопа.
Проверка производится соответственно по центральному перекре-
стию осевых вертикальной и горизонтальной линий сетчатого поля и
осевым линиям на краях растра, а также по перекрестиям белых
линий в окружностях по углам таблицы. При рассовмещении лучей
73
кинескопа необходимо провести ряд операций по регулировке сведе-
ния лучей (см.гл.7).
Минимизация полутоновых (градационных) искажений. Эта опе-
рация проводится с помощью выбора оптимальных значений яркости
и контрастности изображения (максимального размаха ТВ сигналов)
для наилучшего воспроизведения шкалы уровней яркости 86..,8ц (см.
§ 4.3). Один из методов установки этих параметров заключается в
следующем. Вначале с помощью регуляторов "Контрастность” и "Яр-
кость” устанавливается минимальное значение контрастности, а за-
тем — величина яркости изображения так, чтобы испытательный
элемент шкалы 8в (уровень сигнала на 3 % ’’чернее” уровня черного)
визуально отличался по яркости от черных элементов 86 и 8г (0 %).
После этого яркость уменьшается до потери различимости этих трех
испытательных элементов, а контрастность устанавливается в поло-
жение, при котором воспроизводится наибольшее число(как правило,
8—10) градаций шкалы. Черный и белый испытательные элементы
шкалы являются опорными уровнями минимальной и максимальной
яркости, определяющими контраст изображения.
После выполнения этих операций можно приступить к оценке зна-
чений других качественных параметров. Рассмотрим особенности
оценки наиболее важных из них.
Четкость по горизонтали (качество воспроизведения мелких чер-
но-белых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четко-
сти 136...13щ и подобным же испытательным элементам мир внутри
окружностей по углам таблицы (см. § 4.4). В центральной части таб-
лицы штрихи образованы семью пакетами синусоидальных колеба-
ний с частотами 2,8; 3,8; 4,8 и 5,8 МГц, что соответствует четкости 200,
300, 400 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами 2,3, 4 и 5), а
в углах — колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ
линий). Отсчет четкости производится по разрешению наименьших по
размеру 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 квад-
ратов 16и...16т.
Цветовая четкость (воспроизведение цветных деталей в горизон-
тальном направлении) оценивается по воспроизведению пурпурных и
зеленых, желтых и синих, а также красных и голубых штрихов 9е...9х.
Искажение цветности штрихов и ее неоднородность чаще всего возни-
кают из-за неточной настройки контура селекции сигнала цветности
из спектра сигнала яркости в ТВ приемнике. Частота следования
сигналов штрихов 0,5 МГц.
Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по ка-
честву чересстрочной развертки с помощью оценки воспроизведения
наклонных белых лин- в испытательных элементах 10с...10х и
74
11е...11к. При нарушении чересстрочной развертки линии воспроизво-
дятся с изломами.
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 Не...Их испытательным элементам, а
также по черно-белым квадратам и деталям с плавно изменяющими-
ся горизонтальными размерами 166...16u^
Баланс белого определяется соотношением токовтрехлучей цветно-
го кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (градационной
мире)5б...<?о<, все элементы которой должны воспроизводиться как чер-
но-белые, т.е. не должны окрашиваться. Кроме того, баланс белого кон-
тролируется по совпадению цветового тона одноименных участков цве-
товых шкал 6—76...6—7щ и 14 — 156... 14 — 15щ, которые выполнены с
разными яркостью и насыщенностью. Баланс белого регулируется с
помощью изменения напряжений на электродах кинескопа.
Однородность цвета по рабочему полю изображения контролиру-
ется по крупным белым, серым и черным участкам большой протя-
женности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках
наблюдаются обширные пятна с малой насыщенностью.
Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум
цветовым шкалам: шкале 6— 7б...6 — 7щ с пониженной насыщенно-
стью — уровень ’’белого” 75%, уровень ’’черного” 37,5%, экстремальные
уровни сигнала цветных полос (75/37,5)% (т.е. уровни всех сигналов
составляют 75/37,5/75/37,5); шкале 14—156...14—15щ с повышенной
насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями 75/0/75/0. Че-
редование цветов испытательных элементов шкалы: белый, желтый,
голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, серый (черный). По-
следовательность и цветовой тон элементов обеих шкал должны соот-
ветствовать указанным цветам.
Искажения изображения типа ’’эхо" — многоконтурность, окан-
товки и т.п., возникают из-за перекоррекции АЧХ в области высоких
частот(см. § 4.4), приема прямого и отраженного радиотелевизионных
сигналов, рассогласования линий связи, несовпадения во времени
сигналов яркости и цветности. Они оцениваются по воспроизведению
одиночных черных и белых штрихов (например, 10е и Не), вертикаль-
ных линий сетчатого поля, цветных испытательных элементов и др.
Наряду с УЭИТ часто используется испытательное изображение
в виде восьми широких вертикальных цветных полос, аналогичных
испытательным элементам цветовых шкал УЭИТ. Подобный сигнал
формируется специальным генератором электрических сигналов
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 п ара метров качества [ 15]. В ажность подобного критерия обуслов-
лена тем, что только на его основе возможно научно обоснованное
75
нормирование параметров ТВ системы в целом и 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 использовать адап-
тивную автоматическую коррекцию искажений в отдельных звеньях
тракта, и особенно в ТВ приемниках. Без подобной адаптации невоз-
можно учесть все многообразие индивидуальных особенностей обра-
ботки сигналов, работы конкретных ТВ устройств и возникающих в
них искажений.
Однако до настоящего времени разработать реально приемлемый
интегральный критерий качества не удалось из-за чрезвычайно слож-
ной формализации связей между субъективными обобщенными оцен-
ками качества ТВ изображения и частными объективными парамет-
рами ТВ устройств. Использование мини-ЭВМ, формализация связей
между частными параметрами и разработка алгоритма для опреде-
ления интегрального критерия качества ТВ изображения помогут
решить задачу повышения качества изображения.
ГЛ АВА 5
ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
5.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ
ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Основные понятия. Как было показано в гл.З, форма ТВ сигнала в
соответствии с его природой и характером повторяет распределение
яркости на пути, по которому производится развертка изображения,
т.е. он является электрическим аналогом изображения. Поэтому сис-
темы телевидения, в которых используется для передачи, консерва-
ции или каких-либо других задач обработки аналоговый сигнал, на-
зываются системами аналогового телевидения. На протяжении
нескольких десятилетий телевидение было аналоговым, и только в
80-х годах разработчикам ТВ систем пришлось столкнуться с ограни-
чениями аналоговых методов, серьезно сужающих возможности даль-
нейшего развития телевидения.
Одной из главных причин этих ограничений следует считать сла-
бую помехозащищенность аналогового сигнала, который подвергает-
ся в каждом из многочисленных устройств телевизионного тракта
воздействию шумов и других помех. А ведь современная вещательная
ТВ система представляет собой весьма длинную цепь устройств для
преобразования и передачи сигналов, число звеньев которой с разви-
тием телевидения сильно увеличивается.
В каждом звене этой сложной цепи возникает неизбежная потеря
качества изображения. Связано это с тем, что в любом устройстве, при
любом из преобразовг' , которому подвергается сигнал, на него
76
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 обработки и перепри-
ема сигнала. Пока этих преобразований немного, суммарные искаже-
ния еще могут быть незаметны. Но с развитием телевидения число
преобразований очень быстро возрастает. Увеличиваются расстоя-
ния между передающим и приемным пунктами, растут номенклатура
и число различных видеоэффектов, разнообразящих передачу, но тре-
бующих дополнительного преобразования, усложняется технология
монтажа ТВ программ. В таких системах проблема обеспечения не-
обходимой помехоустойчивости становится главенствующей.
Существенно уменьшить искажения от помех при формировании
и передаче ТВ сигналов, а также решить ряд других задач, о которых
будет сказано ниже, позволяют цифровые методы, уже известные в
технике связи. Именно поэтому в последние годы все большее внима-
ние уделяется так называемому цифровому телевидению. Цифровое
телевидение —область телевизионной техники, в которой операции
обработки, консервации и передачи телевизионного сигнала связаны
с его преобразованием в цифровую форму.
Можно представить системы цифрового телевидения двух типов.
В системе первого типа, полностью цифровой, преобразование пере-
даваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразова-
ние цифрового сигнала в изображение на приемном экране осущест-
вляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и
сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информа-
ция 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 аналоговый ТВ сигнал, получаемый
с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей не-
обходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова при-
обретает аналоговую форму. При этом используются существующие
датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в
телевизионных приемниках. Именно системам второго типа будет
уделено основное внимание в данной главе.
В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает
аналоговый ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в
цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс
операций, наиболее существенными из которых являются дискрети-
зация, квантование и непосредственно кодирование.
Дискретизация — замена непрерывного аналогового ТВ сигнала
u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигна-
ла.
Наиболее распространена равномерная дискретизация, имеющая
постоянный период, основанная на теореме Котельникова. Согласно
этой теореме любой непрерывный сигнал u(t), имеющий ограничен-
ный спектр частот (рис.5.1,а), может быть представлен значениями
77
Рис. 5.1. Преображение сигнала из аналоговой формы в цифровую
этого сигнала и(/я), взятыми в дискретные моменты времени (отсчеты)
/я = пТ (рис.5.1,б), где п = 1,2,3,... — целые числа; Т — период или
интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Котельни-
кова: Т 0,5// . Здесь/гр — максимальная частота спектра исход-
ного сигнала u(Z). Величина, обратная периоду дискретизации, назы-
вается частотой дискретизации. Минимально допустимая частота
дискретизации по Котельникову /д = 2/гр. Аналитическое выражение
теоремы Котельникова имеет вид
" sin2nL (/ — пГ)
= (5,)
П = — оо '
Предполагается, что отсчеты и(пТ) являются б-импульсами (беско-
нечно короткими).
Для восстановления ходного аналогового сигнала u(t) из после-
довательности отсчето. пТ) последние необходимо в соответствии с
78
(5.1) пропустить через идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) со
срезом на частоте /гр. Множитель [ sin 2 л!гр(/—пТ)]/[2л /гр(/—пТ)]
представляет собой реакцию такого фильтра на единичный импульс
и(пТ). Из теоремы Котельникова следует, что для точного восстанов-
ления исходного сигнала необходимо наличие бесконечно большого
числа отсчетов. На практике же сигнал, всегда имеющий конечную
длительность, описывается конечным числом отсчетов. Несмотря на
несоответствие условиям теоремы, такой способ восстановления сиг-
нала широко используется в цифровом телевидении и точность вос-
становления при соблюдении определенных требований оказывается
достаточной.
За процессом дискретизации при преобразовании аналогового
сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантова-
ние (термин этот заимствован из атомной физики) заключается в за-
мене полученных после дискретизации мгновенных значений отсчетов
ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уров-
ней (рис.5.1,в). Квантование также представляет собой дискретиза-
цию ТВ сигнала, но осуществляющуюся не во времени, а по уровню
сигнала u(t) Для устранения путаницы между этими понятиями и
введена разная терминология.
Фиксированные уровни, к которым ’’привязываются” отсчеты, на-
зывают уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон из-
менения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области
значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу кванто-
вания. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в
зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до од-
ного или двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) определя-
ется положением порогов квантования (рис. 5.1,в).
Возможность восстановления в зрительном аппарате человека ис-
ходного изображения по его квантованному приближению (в теореме
Котельникова эта операция не предусматривается) вытекает из огра-
ниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной
системы, рассмотренной в предыдущих главах.
Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал
икв(пТ)уже является цифровым. Действительно, если амплитуда им-
пульсов дискретизированного сигнала и(пТ) может принимать любые
произвольные значения в пределах исходного динамического диапа-
зона сигнала u(t), то операция квантования привела к замене всех
возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом зна-
чений, равным числу уровней квантования. Таким образом, кванто-
ванная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе
счисления с основанием т, где т — число уровней квантования. Но
цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выиг-
рывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. Для
увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобра-
зовать в двоичную форму, т е. каждое значение уровня сигнала запи-
сать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня)
79
будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1
(рис.5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция по пре-
образованию аналогового сигнала ц(/)в цифровой ии(пТ), называемая
операцией кодирования Кодирование, таким образом, есть преобра-
зование квантованного значения отсчета икк(пТ) в соответствующую
ему кодовую комбинацию символов ии(пТ). Наиболее распространен-
ный способ кодирования ТВ сигнала — представление его дискрет-
ных и проквантованных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот
способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На
рис.5.1,г показан результат преобразования фрагмента исходного
сигнала u(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразряд-
ного кода.
Часто всю совокупность перечисленных операций — дискретиза-
ции, квантования и кодирования — для краткости называют кодиро-
ванием телевизионного сигнала. Это имеет определенные технические
основания, поскольку все эти три операции выполняются одним тех-
ническим устройством — аналого-цифровым преобразователем
(АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый
производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобра-
зователем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобра-
зователи - непременные блоки любых цифровых систем передачи,
хранения и обработки изображений.
Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно,
первые предложения относятся еще к 30-м годам нашего столетия. Но
только недавно этот метод стал применяться в вещательном телеви-
дении. Причина столь длительного внедрения, без сомнения, самого
перспективного для телевидения принципа обработки и передачи ин-
формации объясняется жесткими требованиями к быстродействию
устройства преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы
пояснить это, оценим скорость передачи цифровой информации по
каналу связи.
При непосредственном кодировании телевизионного сигнала ме-
тодом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной часто-
те отсчетов, т.е. частоте дискретизации /д. Каждая кодовая комбина-
ция соответствует определенному отсчету и содержит некоторое
число k двоичных символов (битов).
Скоростью передачи цифровой информации называется число пе-
редаваемых двоичных символов в единицу времени. За единицу ско-
рости принимается 1 бит/с. Таким образом, скорость передачи ТВ
сигнала в цифровой форме будет равна произведению частоты диск-
ретизации /д и числа двоичных символов в одном дискретном отсчете:
С = fak. (5.2)
Если верхняя граничная частота ТВ сигнала равна 6 МГц, то ми-
нимальная частота дискретизации, определяемая по теореме Котель-
никова, равна 12 МГц. Ка* правило, в системах цифрового телевиде-
ния с ИКМ частоту /д ;бирают выше минимально допустимой,
80
определяемой теоремой Котельникова. Связано это с необходимостью
унификации цифрового ТВ сигнала для различных стандартов теле-
видения. В частности, для студийного цифрового оборудования реко-
мендована для всех стран частота дискретизации /д = 13,5 МГц.
Число двоичных символов k в кодовой комбинации одного отсчета
связано с числом уровней квантования т исходного сигнала соотно-
шением
k = log2m « 3,31gm. (5.3)
Число уровней квантования сигнала должно быть выбрано не
меньше максимального числа градаций яркости, различимых глазом,
которое в зависимости от условий наблюдения колеблется в пределах
100...200. Отсюда k = 3,31 gm = 3,3lg( 100...200) «6,6...7,6.
Очевидно, число символов в кодовой комбинации может быть толь-
ко целым, а значит, выбор разрядности кодовой комбинации ограни-
чится числом k = 7 или 8. В первом случае кодовая комбинация может
нести информацию о 128 возможных уровнях сигнала (градациях яр-
кости). Во втором случае (соответствующем лучшему качеству в пере-
даче градаций)^ = 2*=256. Если принять fe=8, из(5.2)и(5.3)следует,
что скорость передачи цифровой информации с=/дй=13,5 • 8 =
= 108Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть
передана информация о цвете, то общий цифровой поток, формируе-
мый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 216Мбит/с. Столь высо-
ким быстродействием должны обладать как устройства преобразова-
ния ТВ сигнала, так и каналы связи. Тем не менее нельзя считать
экономически целесообразной передачу такого большого цифрового
потока по каналам связи. Важной задачей для построения экономич-
ных ТВ систем является "сжатие” ТВ сообщения.
Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству
воспроизводимого изображения, безусловно, существуют. Эти резер-
вы заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показыва-
ют исследования, значительной информационной избыточностью. Эту
избыточность обычно разделяют, несмотря на некоторую условность
такого деления, на статистическую и физиологическую. Статистиче-
ская избыточность определяется свойствами изображения, которое
не является в общем случае хаотическим распределением яркости, а
описывается законами, устанавливающими определенные связи
(корреляцию) между яркостями отдельных элементов. Особенно ве-
лика корреляция между соседними (в пространстве и во времени)
элементами изображения. Знание корреляционных связей позволяет
устранить избыточность* в ТВ сигнале, не передавать многократно
одну и ту же информацию, сократить цифровой поток.
Второй тип — физиологическая избыточность ТВ сигнала обус-
ловливается ограниченностью возможностей зрительного аппарата.
Использовать физиологическую избыточность — значит не переда-
вать в сигнале ту информацию, которая ие будет воспринята нашим
зрением.
81
Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения
избыточности в ТВ изображении осуществляется в цифровом телеви-
дении путем применения более эффективных методов кодирования по
сравнению с ИКМ. Так же как и процессы дискретизации и квантова-
ния, эти методы представляют предмет самостоятельного рассмотре-
ния в данной главе.
Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения.
Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход
цифровой ТВ системы (рис.5.2). Этот сигнал подвергается предвари-
тельной обработке для упрощения последующих цифровых преобра-
зующих устройств. Например, полный цветовой сигнал разделяется в
устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цвето-
разностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования произво-
дились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести в анало-
говый 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 подготов-
ленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на АЦП, в
котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодиру-
ется (например-, по методу ИКМ). Как указывалось, в полученном
таким образом сигнале содержится значительная избыточность, ко-
торая может быть в определенной степени сокращена путем дополни-
тельного, более эффективного кодирования в блоке цифровой обра-
ботки сигнала. Далее сигнал поступает в кодирующее устройство
канала. Под каналом здесь понимаются линия связи, устройство кон-
сервации ТВ сигнала, устройства коррекции ТВ сигнала и другие
звенья, в которых сигнал обрабатывается. Кодирующее устройство
канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала отвозмож-
ных помех в канале путем применения специальных, более помехоза-
щищенных кодов. Наконец, сигнал в цифровой форме поступает на
Рис. 5.2. Обобщенная структурная схема тракта цифрового телевидения
82
выходной преобразователь (например, на модулятор передающего
устройства) и далее в канал. Принятый приемным устройством сиг-
нал демодулируется, подвергается обратному преобразованию в де-
кодирующем устройстве канала и поступает в блок цифровой обра-
ботки декодирующего устройства цифрового сигнала. В нем
лишенный избыточной информации на передающем конце сигнал
приобретает исходную форму, затем в ЦАП преобразуется в аналого-
вый сигнал. Если на передающем конце тракта использовалась пред-
варительная аналоговая обработка сигнала, то на приемном конце
может производиться обратная операция.
Приведенная на рис.5.2 схема является обобщенной. В зависимо-
сти от задач, стоящих перед цифровой системой, она может видоизме-
няться. Например, система вообще не будет содержать аналоговых
звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и оигнал-
свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом виде. В
другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехо-
устойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии
протяженных линий связи, и в частности при цифровой обработке
сигнала внутри одного телецентра. В этом же случае нет необходимо-
сти и в устройствах, устраняющих в ТВ сигнале избыточность и сокра-
щающих цифровой поток.
Б.2. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Общие сведения. Дискретизация — первая операция из всего ком-
плекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. Исходный
сигнал и(?) после дискретизации можно представить в виде суммы:
и(л7) = £и(06{/-«Л. (5.4)
/1 = — со
где 6(/) — дельта-функция; Т — период дискретизации.
Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то получим
со
S/f) = £S(f -nfa), (5.5)
п —• — со
где S(f) и Хд(/) — спектры исходной и дискретизированной функций
соответственно [19].
Из (5.6) следует, что спектр дискретизированного сигнала пред-
ставляет собой сумму исходного спектра (л=0) и "побочных" или
дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относи-
тельно другого иа /д, 2/д и т. д. (рис.5.3). Из рисунка видно, что с
помощью идеального фильтра нижиих частот (ФНЧ) с частотой среза
/фнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выполняются
два условия:
И /гр^/фНЧ^/д /гр-
83
Рис. 5.3. Спектр сигнала после дискретизации
Рис. 5.4. Перекрытие спектров
при /д <2/гр
Если же частота отсчетов выбрана из условия /д < /гр, то после
дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной, и в
общем виде восстановить исходный сигнал без помех (рис. 5.4) невоз-
можно. Однако к настоящему времени разработаны такие методы
дискретизации ТВ сигнала, которые позволяют и в этом случае вос-
становления исходного сигнала избавиться от побочных продуктов.
Значимость этих методов сегодня очень велика, поскольку возможное
снижение частоты дискретизации позволяет пропорционально умень-
шить цифровой поток, т.е. сделать систему цифрового телевидения
более экономичной.
Прежде чем рассмотреть эти методы, следует указать на то, что
при кодировании телевизионного сигнала чаще всего применяется
дискретизация с постоянной частотой. В свою очередь, частота диск-
ретизации может быть связана или не связана с частотой строчной и
кадровой разверток. При жесткой связи получается постоянное число
отсчетов в строке, соответствующих одним и тем же элементам изо-
бражения. На изображении при этом образуется фиксированная
структура отсчетов (структура дискретизации).
Ортогональная структура дискретизации. Если частоту отсчетов в
сигнале выбрать кратной частоте строк, то на изображении будет
образована ортогональная структура дискретизации, в которой от-
счеты располагаются в узлах прямоугольной решетки (рис.5.5).
В цифровых устройствах ТВ вещания этот способ дискретизации
в настоящее время является наиболее распространенным. Если при-
нять частоту дискретизации fa = 2/гр, то число отсчетов в изображении
будет равно числу его условных телевизионных элементов, составля-
ющих около 300 тыс. Попытаться сократить число отсчетов — значит
пропорционально уменьшить разрешающую способность ТВ системы
и соответственно ухудшить качество изображения. Это рассуждение
предполагает, что наш зрительный аппарат воспринимает изображе-
ние как хаотическое распределение различных яркостей в структуре
отсчетов и анализирует это изображение точка за точкой. На самом
деле это не так. В изображениях существуют значительные статисти-
ческие связи, к которым в результате эволюционного развития при-
84
способился наш зрительный аппарат. В частности, установлено [19],
что зрительный анализатор содержит совокупности рецепторов (ре-
цептивные поля), кодирующие одновременно большие группы эле-
ментов изображения, реагируя при этом не столько на их яркость,
сколько на форму, выделяя из фона изображения наиболее его инфор-
мативную часть: контуры, перепады яркости. Важно заметить, что
такие свойства зрительного аппарата позволяют ему восстановить
целостные контуры даже при их распаде на отдельные элементы
вследствие дискретизации или из-за действия случайных помех.
Эти свойства зрительного анализатора позволяют допустить, что
в ТВ системе не Обязательно обеспечивать условия для передачи каж-
дого из элементов изображения. Можно удовлетвориться передачей
определенного ансамбля конфигураций, при этом с пониженным (по
отношению к стандартному) числом элементов.
Оценим с таких позиций возможности ортогональной структуры
отсчетов при получении изображения. Для этого нанесем на ней са-
мые элементарные конфигурации: вертикальные, горизонтальные и
наклонные линии, представляющие собой детали некоего ТВ изобра-
жения (рис.5.6).
Условимся, что минимальное расстояние между соседними конту-
рами, расположенными по вертикали или горизонтали (линии 1 и 2
или 5 и б на рис.5.6), равно шагу дискретизации — расстоянию между
соседними отсчетами. Из рисунка видно, что наклонные контуры, ори-
ентированные по диагонали (линии 3, 4), содержат меньшее число
элементов на одном и том же участке по сравнению с вертикальными
и горизонтальными линиями. Тем не менее глаз благодаря развитой
системе нейронов их объединяет в общие диагональные линии. Эти
линии не распадаются на отдельные элементы, а воспринимаются
слитно. Обратим внимание также на следующее. При ортогональной
Рис. 5.5. Ортогональная структура дис-
кретизации
Рис. 5.6. К определению разрешающей
способности системы с ортогональной
структурой дискретизации
структуре отсчетов расстояние между наклонными линиями меньше,
чем между вертикальными и горизонтальными в л/2 раз, т.е. ортого-
нальная структура отсчетов обеспечивает в диагональных направле-
ниях большую разрешающую способность по сравнению с горизон-
тальным и вертикальным направлениями. В этом обнаруживается
несовершенство ортогональной структуры дискретизации. Известно,
что разрешающая способность зрения анизотропна, т.е. неодинакова
в различных направлениях. Она максимальна вдоль вертикальной и
горизонтальной осей, примерно в 1,5 раза превышая разрешающую
способность в диагональных направлениях. В этом проявляется адап-
тация зрения к статистике изображений, в которых преобладают пе-
репады яркости в вертикальных и горизонтальных направлениях.
Таким образом, ортогональная структура дискретизации изобра-
жения с шагом дискретизации, удовлетворяющим условиям теоремы
Котельникова, характеризуется заметной избыточностью в разреша-
ющей способности системы по диагональным направлениям. Устра-
нить эту избыточность путем уменьшения числа отсчетов (т.е. умень-
шая частоту дискретизации) нельзя, так как при этом ухудшится
четкость изображения в самых важных направлениях по горизонтали
и вертикали.
Рассмотрим другую, более совершенную с этих позиций структуру
дискретизации.
Шахматная структура дискретизации. Зададимся, как и в преды-
дущем случае, числом отсчетов в изображении, соответствующим ча-
стоте дискретизации /д = 2/гр. Тогда каждому элементу изображения,
как и раньше, будет соответствовать определенный отсчет. Если рас-
положить эти отсчеты таким образом, чтобы в соседних строках они
были смещены друг относительно друга на половину шага дискрети-
зации (половину размера одного элемента изображения)й/2, то будет
образована структура отсчетов, называемая шахматной (рис.5.7). На-
несем на этой структуре простейшие конфигурации изображения из
Рис. 5.7. К определению разрешающей
способности системы с шахматной
структурой дискретизации
86
горизонтальных, вертикальных и наклонных линий. Оценим качество
их воспроизведения и минимально возможные расстояния между ни-
ми.
Горизонтальные линии 5 и 6 воспроизводятся, как и при ортого-
нальной структуре дискретизации, с той же детальностью, т.е. состоят
из такого же числа отдельных элементов изображения. Минимальное
расстояние между ними также не изменилось. Оно равно расстоянию
между соседними строками, т.е. шагу дискретизации d. Таким обра-
зом, разрешающая способность системы в вертикальном направле-
нии сохранилась прежней.
Вертикальные линии 1 и 3 воспроизводятся теперь в виде более
грубой структуры, содержащей в 2 раза меньшее число элементов.
Однако, как показывает эксперимент, зрительно на качестве воспро-
изведения вертикальных контуров это почти не сказывается. Зато
очень существенно увеличилась разрешающая способность системы
по горизонтали. Она характеризуется при шахматной структуре дис-
кретизации в 2 раза меньшим расстоянием между двумя соседними
вертикальными линиями d/2. В диагональных направлениях (линии 3
и 4) интервалы между контурами примерно в 1,8 раза больше, чем в
горизонтальном направлении. Но именно в этих направлениях суще-
ственно ниже и разрешающая способность зрения. Шахматная струк-
тура дискретизации оказывается лучше согласована с особенностями
зрительного аппарата и позволяет за счет понижения разрешающей
способности в направлениях, где это не скажется заметно на воспри-
ятии, понизить общее число отсчетов в кадре, т.е. уменьшить частоту
дискретизации.
Напомним, что уменьшение частоты дискретизации ниже 2/гр при-
водит к перекрытию основного и побочного спектров дискретного сиг-
нала (см.рис.5.4), а значит, к невозможности в общем случае безыска-
женного восстановления исходного сигнала. Однако шахматная
структура дискретизации при определенных условиях позволяет в
значительной степени избавиться от помех, связанных с перекрытием
основного и побочного спектров.
Чтобы понять механизм устранения помех при перекрытии спект-
ров в шахматной структуре отсчетов, обратимся к гл.З, где описан
дискретный спектр ТВ сигнала. Он состоит из гармоник, кратных
частоте строк, около которых группируются узкие полосы боковых
частот, обусловленные кадровой разверткой и перемещением деталей
изображения. На участке спектра соответствующих гармоник строч-
ной частоты сосредоточены максимумы энергии сигнала, а посереди-
не между ними — минимумы. В зависимости от содержания изобра-
жения отношение максимума к минимуму лежит в пределах 2...35дБ.
Аналогичную структуру имеет спектр и побочных продуктов дискре-
тизации. Поэтому если Частота дискретизации ТВ сигнала кратна
полустрочной частоте, то энергия мешающих составляющих сосредо-
точивается в зоне минимума энергии исходного сигнала. На рис.5.8
сплошными линиями показано распределение максимумов энергии
87
Рис. 5.8. Перекрытие основного и побочного спектров при шахматной структуре диск-
ретизации
сигнала основного спектра, а штриховыми — побочного. С помощью
гребенчатого фильтра удаляются мешающие составляющие в диапа-
зоне от (/д—/гр) до /гр. Гребенчатый фильтр должен быть рассчитан
таким образом, чтобы иметь максимальное затухание на мешающих
частотах и минимальное затухание на частотах полезных составляю-
щих.
При ортогональной дискретизации максимумы энергии составля-
ющих основного и побочного спектров накладываются друг на друга,
что делает невозможным разделение их с помощью гребенчатого
фильтра.
Таким образом, шахматная структура дискретизации отсчетов по-
зволяет без существенного ущерба качеству изображения снизить
минимально допустимую частоту дискретизации с 12 МГц (при орто-
гональной структуре) до 8...8,5 МГц и соответственно пропорциональ-
но уменьшить цифровой поток ТВ сигнала. В этом ее главное достоин-
ство.
Шахматная структура дискретизации, конечно, не свободна от
помех, которые могут проявляться в виде зазубренности границ пере-
падов яркости и муаров. Однако в настоящее время разработаны
способы временной и пространственной фильтрации, сводящие эти
помехи к минимуму.
5.3. КВАНТОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Полученные после дискретизации исходного сигнала u(t) отсчеты
и(пТ) могут принимать произвольные значения в пределах своего ди-
намического диапазона. Как следует из определения, данного в § 5.1,
в результате операции квантования должна быть произведена замена
всех возможных значений и(пТ) рядом разрешенных значений, на-
званных уровнями квантования (см.рис. 5.1,6). По своему смыслу опе-
рация квантования, таким образом, обязательно предполагает появ-
ление ошибки между истинным значением сигнала u(t) и его
88
квантованным приближением и„(пТ). Эта ошибка Д = и(лГ) —и„(пТ)
называется ошибкой квантования. Ошибка Д в существенной степени
зависит от того, до какого из двух ближайших уровней квантования
(верхнего или нижнего) округляется истинное значение сигнала. Уст-
ройство квантования сделает выбор между этими двумя уровнями
путем сравнения истинного значения квантуемого сигнала с выбран-
ными порогами квантования. Если истинное значение меньше некото-
рого уровня, называемого порогом квантования, то оно округляется
до ближайшего уровня квантования, расположенного ниже данного
порога (см.рис.5.1,в). Таким образом, от того, как расположены поро-
ги квантования внутри шкалы квантования, образованной ее уровня-
ми, будет зависеть максимальная ошибка квантования. Например,
если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то
ошибка квантования может быть равна разности между двумя этими
уровнями, т.е. шагу квантования. Нетрудно доказать, что среднеквад-
ратическая ошибка квантования будет минимальна, если пороги
квантования располагаются посередине между уровнями квантова-
ния.
Ошибки квантования, называемые также шумами квантования,
на изображении могут проявляться по-разному, в зависимости от
свойства кодируемого сигнала. Если собственные шумы аналогового
сигнала невелики по сравнению с шагом квантования, то шумы кван-
тования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие
искажения хорошо заметны при "грубом” квантовании, когда число
уровней квантования недостаточно. В этом случает плавные яркост-
ные переходы превращаются в ступенчатые и качество изображения
ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с
крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изобра-
жениях.
Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восп-
риниматься, если число уровней квантования превышает 100...200,т.е.
шум квантования не превышает 0,5... 1 % размаха сигнала. Эти данные
хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности
зрения, рассмотренными в предыдущих главах, и выбором разрядно-
сти кодовой комбинации для передачи цифрового сигнала, сделанным
в §5.1. Действительно, семи- или восьмиразрядному коду соответст-
вует квантование на 128 или 256 уровней соответственно, что превы-
шает полученный экспериментальным путем необходимый минимум
числа градаций, при котором отсутствуют ложные контуры в изобра-
жении.
Выше было рассмотрено влияние шумов квантования на качество
изображения в условиях, когда собственные шумы в аналоговом сиг-
нале невелики. Когда же они превышают шаг квантования, искаже-
ния квантования проявляются уже не как ложные контуры, а как
шумы, равномерно распределенные по спектру. Флуктуационные по-
мехи исходного сигнала как бы подчеркиваются, изображение в целом
начинает казаться более зашумленным.
89
Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно
сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования проявля-
ются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сюжетах, как
лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и т.д.
Сократить цифровой поток телевизионного сигнала можно путем
применения нелинейной шкалы квантования. Как известно, по закону
Вебера-Фехнера ощущение приращения яркости от L\ до L2 пропор-
ционально логарифму отношения L2 к Lv Поэтому шкала, в которой
шаги квантования увеличиваются от нижней части к верхней, более
соответствует природе зрения. Эксперимент подтверждает, что при-
менение логарифмической шкалы квантования позволяет уменьшить
число уровней квантованйя вдвое по сравнению с линейной шкалой
без ущерба качеству изображения, т.е. уменьшить на один разряд
кодовую группу при ИКМ. Иными словами, квантование на 27 уровней
по логарифмическому закону дает изображение того же качества, что
и квантование на 2е уровней при равномерной шкале. Равномерная
шкала оказывается более избыточной относительно логарифмиче-
ской.
Сокращения цифрового потока можно достичь, используя и другие
особенности зрения. При оценке необходимого числа уровней кванто-
вания сигнала яркости в расчет принималось значение порогового
контраста 6 = 0,02 ...0,05. Однако эти данные справедливы только для
крупных деталей. В общем случае пороговый контраст существенно
зависит от размера наблюдаемого объекта. Для объектов, угловые
размеры которых примерно несколько минут, пороговый контраст
возрастает в десятки раз и приближается к единице; маленькое пятно
становится заметным, когда его яркость превышает фон на величину,
сравнимую с яркостью самого фона. Это означает, что небольшие
детали в изображении, места резких перепадов яркости можно кван-
товать на значительно меньшее число уровней, чем крупные участки
изображения с постоянной или плавно меняющейся яркостью.
В этой особенности зрительного восприятия, как и в факторе нали-
чия сильных корреляционных связей между элементами изображе-
ния, кроется большой резерв по сокращению числа уровней квантова-
ния, реализация которых, однако, методами ИКМ невозможна..
Должны быть применены более эффективные приемы кодирования
сигнала, рассматриваемые в одном из последующих параграфов гла-
вы.
5.4. ЦИФРОВОЕ КОДИРОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Общие сведения. Заключительной операцией в преобразовании
аналогового сигнала в цифровой является кодирование квантованных
отсчетов в виде последовательности импульсов. Чаще всего эта после-
довательность реализуется в двоичной форме, где т уровням кванто-
вания входной видеоинформации соответствует k = log2m кодовых
импульсов. Как уже отмечалось, такой метод кодирования получил
название импульсно-кодовой модуляции. Он стал классическим и
90
универсальным методом, применяемым при обработке и передаче
видеоинформации. К достоинствам ИКМ следует отнести универ-
сальность двоичной формы представления, используемой для всех
операций над ТВ сигналами, низкую чувствительность к шумам, ин-
терференционным помехам и искажениям, связанным с передачей и
записью сигналов, а также простоту восстановления цифрового сиг-
нала путем регенерации его формы. Однако с точки зрения скорости
передачи ИКМ недостаточно эффективна, так как ее практическое
применение связано с необходимостью обеспечения высоких скоро-
стей передачи. Объясняется это тем, что импульсно-кодовой модуля-
ции в телевидении присуща значительная избыточность в передавае-
мой информации. Ведь несмотря на равновероятность любых из
возможных уровней яркости (цветности) для одного элемента изобра-
жения, содержание соседствующих с ним элементов мало отличается
или не отличается вовсе. Статистический анализ телевизионного изо-
бражения устанавливает сильные корреляционные связи между со-
седними элементами. При поэлементной передаче яркости или цвет-
ности изображения, присущей методу ИКМ, в канал, таким образом,
посылается одна и та же илн мало отличающаяся по содержанию
информация.
В настоящее время существует много приемов по сокращению
избыточности телевизионного сигнала. Эти приемы связаны с более
эффективным кодированием по сравнению с ИКМ. Весьма условно их
можно разделить на три класса: кодирование ТВ сигнала с предска-
занием, групповое кодирование с преобразованием и адаптивное
групповое кодирование. Пока не выработалась твердая позиция о
перспективности того или иного кодирования. Кроме того, сами мето-
ды эффективного кодирования порой очень сильно переплетаются
друг с другом. Поэтому целесообразно рассмотреть все три принципа
кодирования.
Кодирование с предсказанием. Как уже отмечалось, наличие силь-
ных корреляционных связей между близко расположенными элемен-
тами изображения определяет нецелесообразность передачи полной
информации о каждом элементе. Можно ограничиться передачей от-
счета одного элемента, а остальные элементы, используя статистиче-
ские законы, предсказать, т.е. вычислить с помощью специальных
технических устройств на приемном конце системы.
Однако, как бы ни был совершенен аппарат, определяющий ста-
тистические связи в изображении, предсказание элементов по пре-
дыдущему отсчету или их совокупности всегда будет нести ошибку,
обусловленную случайным характером распределения в изображе-
нии яркости и цветности. Эта ошибка должна быть для каждого эле-
мента изображения учтена, скорректирована. Только при этом усло-
вии на приемном конце системы будет воссоздано изображение,
соответствующее оригиналу.
Отсюда вытекает принцип кодирования сигнала с предсказанием:
передача в каждом отсчете не истинного значения элемента, а коди-
91
Кодирующая часть Декодирующая часть
Рис. 5.9..Структурная схема системы с предсказанием
рованной разности между истинным значением и предсказанным,
называемой ошибкой предсказания. Логично ожидать, что в сигна-
ле ошибки содержится меньший объем информации, чем в полном от-
счете.
Чтобы сформировать сигнал ошибки е(пТ), на передающем конце
системы устанавливаются устройство предсказания, такое же, как и
на приемном конце, и вычитающий каскад. На рис.5.9 вместо послед-
него изображено суммирующее устройство, на входы которого пода-
ются истинное значение отсчета и(пТ) и его приближенно предсказан-
ное значение и(пТ) со знаком "минус”. Сигнал ошибки е(пТ),
содержащий в общем случае меньший объем информации по сравне-
нию с сигналом и(пТ), будучи принят на другом конце системы, скла-
дывается в суммирующем устройстве с предсказываемым значением
и(пТ). В результате на приемном конце восстанавливается истинное
значение сигнала и(пТ).
Из принципа работы системы с предсказанием следует, что чем
точнее предсказывается сигнал и(пТ), тем меньше диапазон измене-
ния сигнала ошибки е(пТ), тем меньшим числом бит может быть он
передан, а значит, кодирование будет с этих позиций более эффектив-
ным.
В простейшем случае в качестве предсказанного значения можно
использовать значение предыдущего отсчета. Тогда ’’предсказатель"
реализуется в виде задержки сигнала на время передачи одного эле-
мента изображения. Указанный прием предсказания на первый
взгляд не дает сокращения избыточности. Ведь сигнал ошибки е(пТ)
при таком предсказании может принимать любые значения, вплоть до
максимальных амплитуд самого сигнала и(п7’),даеще при этом меняя
знак (разность между и(пТ) и и(пТ) может быть положительной и
отрицательной). Однако, несмотря на увеличенный динамический ди-
апазон, сигнал ошибки распределяется внутри него не равновероят-
но. Вероятность его распределения аппроксимируется экспоненци-
альной функцией с максимумом вероятности вокруг нуля и быстрым
спадом вероятности для значений, отличных от него. Следовательно,
сигнал ошибки с достаточно высокой достоверностью может быть
проквантован значительно меньшим числом уровней, чем исходный
отсчет. Это и обеспечивает экономию в объеме передаваемой инфор-
мации.
Конечно, данный прием дает хорошие результаты лишь в средне-
92
статистическом смысле, т.е. для всего изображения. Для деталей же
изображения, содержащих резкие яркостные переходы и контуры,
будут характерны (хотя и редкие в статистическом плане) всплески
сигнала ошибки. При грубом квантовании они обусловят появление
на изображении соответствующих искажений. Однако, как показыва-
ет эксперимент, эти искажения благодаря особенностям зрения ока-
зываются малозаметными. Известно, что зрительный аппарат хуже
различает яркость мелких деталей; более того, физиологи обнаружи-
ли явления, называемые латеральным (боковым) торможением, кото-
рые подавляют фоновую составляющую изображения и подчеркива-
ют в нем контуры и мелкие детали, выделяя тем самым наиболее
информативную его часть. На фоне этих "искажений”, обусловливае-
мых алгоритмом работы зрительного аппарата, искажения из-за гру-
бого квантования сигнала ошибки в области его больших значений
становятся менее заметными. Сокращение числа уровней квантова-
ния сигнала ошибки оказывается допустимым, таким образом, и для
деталей изображения, содержащих резкие переходы и контуры.
Число уровней квантования сигнала ошибки для разных систем
кодирования с предсказанием выбирается неодинаковым. Но что
важно: шкала квантования существенно нелинейна и несимметрична
относительно нуля.
Итак, принцип действия систем кодирования с предсказанием за-
ключается в передаче вместо истинного значения сигнала закодиро-
ванной разности истинного и предсказанного значений. В соответст-
вии с этим принципом подобные системы кодирования получили еще
одно название — системы с дифференциальной импульсно-кодовой
модуляцией (ДИКМ).
Простейшей из систем ДИКМ является система с дельта-модуля-
цией. В этой системе сигнал ошибки квантуется всего на Два уровня,
т.е. фиксируется только знак ошибки. В качестве предсказателя при
дельта-модуляции применяется интегратор, который линейно сумми-
рует подаваемые на его вход с частотой дискретизации сигналы ошиб-
ки ±б(рис.5.10). Поскольку последние втечение интервала дискрети-
зации постоянны, суммирование их во времени обусловит
образование сигнала ступенчатой формы. Этот сигнал используется
в качестве сигнала предсказания u(t). Вычтя его из исходного сигнала,
получим после сумматора разностный сигнал е{1). Квантователь ог-
раничивает этот сигнал всего двумя уровнями.
После преобразования полученного сигнала ошибки в двоич-
ный код его можно передавать. На приемном конце системы двоичный
код сначала превращается в биполярные отсчеты ±б, а в кодирую-
щем устройстве, представляющем собой описанный выше интегра-
тор, формируется сигнал u(t). Этот "игнал и используется в качестве
восстановленного, хотя он заметно от чичается от исходного сигнала.
На рис.5.10,6 изображены сигналы, формируемые в системе с
дельта-модуляцией. Участок А характеризуется передачей относи-
тельно резкого перепада яркости. Квантователь в этом случае выдает
93
Рис. 5.10. Дельта-модуляция:
а — структурная схема системы; б — форма сигналов
сигнал ошибки С только одного знака. Интегратор последовательно во
времени их суммирует, образуя напряжение ступенчато-пилообраз-
ной формы. При этом последнее ”не успевает" за изменением исход-
ного сигнала, поскольку скорость нарастания сигнала предсказания
не может превзойти некоторого значения, определяемого б и частотой
дискретизации. В результате фронты в сигнале предсказания затяги-
ваются по отношению к возможным быстрым перепадам в исходном
сигнале. На участке Б, где исходный сигнал имеет сравнительно мед-
ленные изменения, сигнал предсказания достигает примерного ра-
венства с ним. Однако при этом значение сигнала предсказания не-
прерывно колеблется вокруг значения исходного сигнала. Эти
колебания происходят с амплитудой б и частотой дискретизации. Ис-
кажения, характеризующие затягивание фронтов в сигнале предска-
зания, получили название перегрузки по крутизне. Второй вид иска-
жений, обусловленный ступенчатостью формы сигнала, определяет
гранулярный шум изображения. Для уменьшения этих искажений в
системах с дельта-модуляцией приходится по сравнению с ИКМ зна-
чительно увеличивать частоту дискретизации, что снижает эффектив-
ность системы в целом. Поэтому дельта-модуляция применяется
только в видеотелефонных системах.
Снижения частоты дискретизации по сравнению с рассмотренным
случаем удается добиться в системах ДИКМ с многоуровневым кван-
тованием сигнала ошибки (рнс.5.11). На вход вычитающего устройст-
94
Кодирующая часть
Рис. 5.11. Структурная схема системы с ДИКМ
Декодирующая часть
ва 2! поступают в аналоговой форме исходный сигнал u(t) и его пред-
сказанное значение u(t). Полученный сигнал ошибки e(t) квантуется
на определенное число уровней (обычно не более 16) и преобразуется
в двоичный код. Эти операции выполняются в АЦП, после чего пере-
дается закодированный сигнал ошибки e(t). Этот же сигнал в ЦАП
подвергается обратному преобразованию в аналоговую форму и по-
дается на сумматор 22> в котором складываются ошибка и сигнал
предсказания. На выходе сумматора таким образом будет восстанов-
лено исходное значение сигнала с погрешностью, определяемой ошиб-
кой квантования (наличие ошибки квантования учтено в обозначениях
e'(t) и u'(t) на рис.5.11). По этому значению (а чаще по совокупности
предыдущих значений отсчетов) в предсказателе формируется сигнал
предсказания u(t) последующего отсчета, который подается на вычи-
тающее устройство Е,.
На приемной стороне в декодирующем устройстве после цифро-
аналогового преобразования сигнал ошибки e'(t) поступает на деко-
дирующее устройство, состоящее из аналогичных передающему кон-
цу системы сумматора и предсказателя.
В целом методами ДИКМ удается сократить число бит на один
элемент до 3...5 по сравнению с 7...8 битами при использоваийй-ИКМ.
Устранение избыточности в системах с предсказанием не может не
сказаться на их помехоустойчивости. Помеха, поразившая один из
переданных отсчетов, явится причиной искажений не только этого
отсчета, но и всех последующих, поскольку они вычислялись(предска-
зывались) по предыдущему значению. На изображении образуются
характерные искажения — треки ошибок. Уменьшить эти искажения
можно более частой передачей "опорных" отсчетов, т.е. самих значе-
ний элементов изображения, а не их ошибок. В этом случае действие
помехи на изображении прекращается с появлением ближайшего ис-
тинного значения сигнала. Конечно, увеличение числа опорных значе-
ний в сигнале ДИКМ снижает эффективность кодирования.
Повышает помехоустойчивость системы с предсказанием двумер-
ное кодирование, при котором предсказание производится как по
совокупности предшествующих элементов в строке, так и по значени-
ям соответствующих элементов в предыдущих строках. В этом случае
95
улучшается также качество воспроизведения вертикальных яркост-
ных переходов.
Групповое кодирование с преобразованием. Групповое кодирова-
ние с преобразованием предполагает передачу вместо каждого из
дискретных отсчетов сигнала определенных линейных комбинаций из
совокупности этих отсчетов. При этом указанная замена производит-
ся внутри одного небольшого участка изображения, содержащего
группу из ограниченного числа элементов.
Для уяснения принципа кодирования с преобразованием рассмот-
рим фрагмент изображения, состоящий из п2 дискретных элементов
(рис.5.12,а). Каждый из них характеризуется своей яркостью Lj;. Каж-
дому из этих элементов соответствует в ТВ сигнале свой дискретный
отсчет. Совокупность этих отсчетов можно представить как матрицу
исходного распределения яркости L = X, где составляющие матрицы
Lif =s Xtl. Попробуем из сигнала, образованного данной группой отсче-
тов, для сокращения цифрового потока изъять часть отсчетов или
заменить их на очень грубо квантованные значения. Очевидно, такой
способ сокращения объема передаваемой информации несостояте-
лен, так как изъятие из сигнала отдельных отсчетов соответствует
изъятию из изображения отдельных элементов. На участках изобра-
жения, соответствующих изъятым элементам, возникнут пропуски
или заметные искажения при грубом квантовании. Попытка изъятия
отдельных элементов из группы равноправных слагаемых изображе-
ния как с информационной, так и с энергетической точки зрения при-
ведет к необратимой потере качества изображения.
Рассмотрим возможность преобразования исходного изображе-
ния (или исходного сигнала) в такую совокупность отсчетов, в которой
вклад каждого отсчета в общее содержание изображения был бы
различным. Перераспределив таким образом функциональную зна-
чимость между отдельными отсчетами, можно будет выделить глав-
ные отсчеты, несущие основной объем информации, обеспечив им на-
илучшие условия передачи, а на остальных отсчетах "сэкономить”, не
|передавая их илн передавая с минимальным числом градаций.
Рис. 5.12. Ортогональное преобразование изображения:
а — матрица исходного распределении яркости; б — матрица из пространственных значений (трансформанта)
96
Такая постановка вопроса вполне правомочна, поскольку извест-
на, например, возможность разложения любой функции в ряд Фурье
и обратного синтеза из членов этого ряда исходной функции. Значи-
мость каждого из членов ряда при обратном синтезе исходной функ-
ции различна. Если какой-либо из членов ряда имеет малую амплиту-
ду, то им можно пренебречь или фиксировать его с меньшей по
отношению к другим членам ряда точностью. Использование данного
свойства преобразования Фурье применительно к нашей задаче по-
зволит таким образом сократить объем передаваемой информации. В
связи с этим оценим возможности двумерного преобразования Фурье
группы элементов изображения, представленной на рис.5.12,а. Из
чисел, полученных в результате преобразования, можно по образу и
подобию исходной матрицы чисел X составить новую таблицу чи-
сел — матрицу Y (рис. 5.12,6). В этой матрице отдельные ее отсчеты
соответствуют уже не значениям яркости, как в матрице X, а являются
коэффициентами ряда Фурье.
Сама матрица Y получила название трансформанты. Ее компо-
ненты, как известно, являются линейными комбинациями компонен-
тов матрицы X, т.е. любой из компонентов матрицы Y равен арифме-
тической сумме всех значений матрицы X, взятых с определенными
весовыми коэффициентами:
л я
1.2,3.п. (5.6)
•=|/ = |
Весовые коэффициенты а*И; определяются с помощью алгоритма
гармонического анализа по Фурье. Число компонентов в трансфор-
манте равно числу элементов в исходной матрице яркостей.
В канал связи будем передавать вместо отсчетов матрицы X ком-
поненты трансформанты Y. Очевидно, изображение, составленное из
этих компонентов, не имеет ничего общего с исходным изображением.
Поэтому на приемном конце необходимо из трансформанты Y восста-
новить матрицу исходных значений X. Обратное преобразование бу-
дет представлять собой совокупность арифметических операций, по-
добных (5.6):
Л л
ьч=Е • *•/= 1-2-3- <5-7)
*=п= 1
Здесь bijU —’соответствующие весовые коэффициенты. Общее ко-
личество информации, содержащееся в отсчетах исходной матрицы X
и трансформанты Y, равно друг другу.
Выгоду же от применения рассмотренных довольно сложных опе-
раций прямого и обратного преобразований Фурье нужно искать
только в сокращении объема передаваемой информации. Если при
передаче отсчетов матрицы X нельзя этого сделать без ущерба каче-
97
ству изображения, то при передаче отсчетов трансформанты Y такое
сокращение возможно.
Объясняется это тем, что в результате преобразований при сохра-
нении общего числа отсчетов в трансформанте сильно изменилось
соотношение амплитуд между ними. Почти вся энергия сигнала рас-
пределяется между компонентами не равновероятно, как в исходной
матрице X, а сосредоточивается в отсчетах, соответствующих малым
номерам строк и столбцов трансформанты Значения других отсчетов,
соответствующих компонентам с большими номерами, для широкого
класса изображений близки к нулю. Следовательно, их можно пере-
давать с числом уровней квантования, значительно меньшим по срав-
нению с компонентами левого угла трансформанты, или не переда-
вать совсем.
В этом и состоит смысл эффективного кодирования ТВ сигнала с
преобразованием, заключающийся в выявлении избыточных компо-
нентов сигнала и их частичном изъятии. Естественно, что полное изъ-
ятие этих компонентов нежелательно, поскольку, как следует из фи-
зики преобразования, они ’’отвечают” за передачу мелких деталей, а
значит, может ухудшиться четкость изображения. Но передача значе-
ний этих компонентов с меньшей точностью вполне правомочна.
На рис.5.13 изображена структурная схема системы, в которой реа-
лизуются принципы эффективного кодирования с преобразованием. На
вход устройства поступает аналоговый сигнал u(t). В АЦП он подверга-
ется преобразованию по методу ИКМ в полной шкале квантования (не
менее 7...8 бит на элемент). Затем цифровой поток поступает на вход
блока ортогональных преобразований БОП, где выполняются вычисли-
тельные операции по нахождению значений компоненты трансформан-
ты Y Преобразования ортогональны, поскольку разложение произво-
дится в двумерный ряд (по двум осям). В блоке вторичного квантования
БВК производится отбор компонентов
В качестве математического аппарата преобразования было рас-
смотрено преобразование Фурье, при котором разложение осуществ-
ляется по совокупности синусоидальных и косинусоидальных функ-
ций, называемых ортогональными базисными функциями. Однако
большое распространение получили также преобразования с по-
мощью других базисных функций. К таким преобразованиям следует
отнести преобразования Адамара, Хаара, Уолша и некоторые другие.
Формы базисных функций в этих преобразованиях различны. Напри-
мер, базисные функции Адамара-Уолша близки по форме к прямо-
угольным, т.е. двухградационным, функции Хаара — к трехградаци-
онным и т.д
Кодирующая часть
Декодирующая часть
Рис. 5.13. Структурная схема устройства с ортогональным преобразованием
98
Непосредственно базисные функции не участвуют в технической
реализации системы. Они определяют лишь алгоритм пересчетов.
Поэтому суть кодирования сигнала с преобразованием от формы ба-
зисных функций не меняется. Во всех преобразованиях производится
сепарирование компонентов преобразованного сигнала по частотно-
му признаку с последующим сокращением избыточности. Отличие
заключается только в большей или меньшей сложности преобразова-
ния (в этом плане предпочтительнее преобразования Адамара), а
также в более или менее выгодном распределении информационной
значимости между компонентами трансформанты. Заметных пре-
имуществ у того или иного преобразования нет: для одного класса
изображений лучше один, для другого — другой.
Обратим внимание на то, что сокращение передаваемой информа-
ции при групповом кодировании с преобразованием целиком базиру-
ется на специфике статистического распределения частотных состав-
ляющих изображения в его пространственном спектре. Поэтому если
такому преобразованию подвергнуть ’’нетипичный” сюжет, то качест-
ву его может быть нанесен ущерб, заметный для наблюдателя.
Хорошие результаты для более широкого класса изображений
позволяют получить методы адаптивного кодирования.
Адаптивное групповое кодирование. Сущность этого метода, как
и при кодировании с преобразованием, сводится к замене истинных
значений отсчетов комбинациями из отсчетов небольшой группы эле-
ментов. Однако в отличие от предыдущего алгоритм преобразования
при адаптивном кодировании более глубоко учитывает некоторые
физиологические особенности нашего зрения, что и нашло отражение
в названии метода.
Предполагается, что в процессе рассматривания изображения
зрительный аппарат организует два приближения. Сперва глаз рабо-
тает как фильтр нижних пространственных частот, усредняя яркость
внутри небольшого участка изображения. Затем, на втором этапе,
выделяется разность между первым приближенным значением ярко-
сти и действительным распределением яркости между отдельными
элементами. Эта разность носит характер контурного изображения,
на котором проявляются все подробности в изображении, его мелкие
детали. При этом глаз регистрирует не отдельные элементы, а целые
контурные отрезки, не различая изменения яркости внутри контура.
Учитывая эти особенности работы глаза, можно считать, что он не
заметит подмены истинного распределения яркостей внутри неболь-
шого участка изображения усредненным значением яркости этого
участка, на которое наложено изображение мелких деталей и конту-
ров, также усредненных по яркости. Эксперименты показывают, что
такая замена одного изображения другим остается незамеченной,
если фрагменты не превышают размеры 4X4 ТВ элемента.
В соответствии с этим при адаптивном групповом кодировании
передается информация о средней яркости участка изображения и
средней яркости контуров и мелких деталей в нем, для чего вместо
99
группы отсчетов, соответствующих данному фрагменту изображения
(4X4 эл.), передается его средняя яркость. Затем находится разность
между истинными значениями яркостей каждого элемента группы и
данным средним значением. Если сигнал от такой разности наблю-
дать на экране, то изображение будет носить ярко выраженный кон-
турный характер. Определяется и передается среднее значение ярко-
сти этих контуров (как для положительных, так и для отрицательных
значений разности). На приемной стороне системы суммируются два
сигнала: средней яркости и усредненной контурной разности. В ре-
зультате затраты информации составляют порядка 1...2 бит на эле-
мент изображения (против 7...8 бит при ИКМ)
В заключение следует отметить, что групповые методы кодирова-
ния обеспечивают более высокие качественные показатели, чем мето-
ды кодирования с предсказанием. Их эффективность в меньшей сте-
пени зависит от статистических свойств изображения, они более
устойчивы к канальным ошибкам. В наиболее совершенных системах
кодирования с преобразованием затраты информации составляют
всего 0,5... 1 бит на элемент изображения [75]. Их недостатком являет-
ся сложность реализации.
5.5. ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Одной из важных особенностей цифрового сигнала является воз-
можность осуществления различных преобразований над ним, что
позволяет во многих случаях улучшить качество изображения, обога-
тить технологию ТВ вещания, сделать более надежным и простым в
эксплуатации оборудование. Конечно, и в аналоговом телевидении,
как будет видно из дальнейших разделов, осуществляется разнооб-
разная обработка сигнала. Однако цифровые методы во многих слу-
чаях имеют преимущества в точности, простоте алгоритма преобра-
зования, в компактности оборудования.
Рассмотрим обобщенную структурную схему устройства обработ-
ки ТВ сигнала (рис.5.14). В АЦП производятся рассмотренные опера-
ции дискретизации, квантования и кодирования. Скорость цифрового
Рис. 5.14. Структурная схема устройства цифровой обработки ТВ сигнала
100
потока ИКМ сигнала весьма значительна, и для того, чтобы процес-
сор, осуществляющий обработку сигнала, мог работать в реальном
масштабе времени, этот поток распределяют на несколько парал-
лельных каналов. В каждом из них тактовая частота ниже тактовой
частоты преобразованного в АЦП сигнала и пропорциональна числу
каналов. Операция распараллеливания цифрового потока выполня-
ется в демультиплексоре ДМ. Процессор состоит из запоминающего
устройства ЗУ, арифметического устройства АУ и устройства управ-
ления УУ, согласующего работу составных частей процессора. Ариф-
метическое устройство, управляясь по заданной программе УУ, реа-
лизует совместно с ЗУ заданный алгоритм обработки, другими
словами выполняет цифровую фильтрацию сигнала. Совокупность
ЗУ и УУ обеспечивает требуемые временные преобразования сигна-
ла. Эти преобразования связаны с требованием согласования во вре-
мени поступающего входного сигнала с процессом обработки, с необ-
ходимостью устранения временных искажений во входном сигнале, с
разнообразными задачами, возникающими при создании спецэффек-
тов, при синхронизации источников сигнала и пр. Сигналы, снимае-
мые с параллельных каналов процессора, объединяются в один циф-
ровой поток в мультиплексоре М. При необходимости обратного
преобразования цифрового сигнала в аналоговый после мультиплек-
сора включают цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Как таковая, цифровая фильтрация осуществляется в устройстве,
объединяющем в себе функции памяти отдельных отсчетов сигнала и
логических элементов, в которых выполняются арифметические опе-
рации иад этими отсчетами. Эту совокупность устройств называют
цифровыми фильтрами. Сама же фильтрация сводится к преобразо-
ванию последовательности отсчетов входного сигнала х0, xlt х2,...хт в
последовательность отсчетов выходного сигнала у0, уи у^...ут в соот-
ветствии с выбранным алгоритмом преобразования.
От аналоговой фильтрации цифровая фильтрация сигнала отли-
чается лишь способом физической реализации. К достоинствам циф-
ровой фильтрации относятся: высокая временная и температурная
стабильность характеристик; простота перестройки фильтра путем
изменения частоты дискретизации; возможность повторения фильтра
с идентичными параметрами. Однако не во всех случаях техническая
реализация цифровых фильтров проще аналоговых; кроме того, циф-
ровая фильтрация может сопровождаться проявлением в изображе-
нии шумов квантования.
Различают рекурсивные (с обратной связью) и нерекурсивные
цифровые фильтры (без обратной связи).
При нерекурсивной фильтрации выходной сигнал в любой момент
определяется как сумма взвешенных предшествующих значений
входного сигнала:
У, = ^i+alx^1+a2x^2-b--+amX|_(B.
где at — коэффициенты передачи.
№1
Рис. 5.15. Цифровые фильтры:
а — нерекурсивный; б — рекурсивный
Более сложную структуру имеет рекурсивный фильтр (рис. 5.15).
В нем выходной сигнал является функцией предшествующих значе-
ний как входного, так и выходного сигнала:
У, = aoxi+alxi_i+...+amxi_m-{-biyi_l+b2y^2+...-^bnyi_l,.
Символ г~' обозначает оператор задержки сигнала на один период
дискретизации.
Процесс фильтрации сводится к операциям умножения и сложе-
ния, выполняемым с задержанными отсчетами сигнала с помощью АУ
и ЗУ. Арифметическое устройство по заданной программе умножает
отсчеты сигнала на весовые коэффициенты и суммирует их. Запоми-
нающее устройство используется для хранения отсчетов сигналов,
весовых коэффициентов, интервалов временного сдвига, а также ко-
манд программы обработки, управляющих АУ и ЗУ.
Цифровая фильтрация во многих случаях помогает улучшить ис-
ходные параметры искаженного ТВ изображения, избирательно по-
давляет шумовые составляющие в сигнале, эффективно корректирует
апертурные искажения. Примеры использования цифровой фильтра-
ции для улучшения качества ТВ изображения даются в соответству-
ющих раздел ах книги.
102
5.6. 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 зна-
чений. Наряду с цифровой фильтрацией временные преобразования
имеют значительное распространение в вещательном телевидении.
Так, широкое применение временные преобразования получили при
коррекции временных искажений, возникающих в процессе воспроиз-
ведения изображений в видеомагнитофонах. На основе временных
преобразований строятся современные синхронизаторы источников
сигналов, цифровые преобразователи телевизионных стандартов, ус-
тройства видеоэффектов, системы с компонентной передачей или за-
писью сигналов цветного телевидения и др. (см.гл. 9, 13, 14, 15, 16, 20).
Здесь же целесообразно отметить только характерные особенности
тех или иных преобразований.
Временные преобразования цифрового сигнала реализуются в ус-
тройстве цифровой обработки сигнала путем записи этого сигнала в
ЗУ и выборкой отдельных его значений из ЗУ в соответствии с задан-
ным алгоритмом преобразования. В результате сигнал будет перене-
сен в нужную временную область. При этом временные преобразова-
ния можно классифицировать на два вида: без изменения частотного
спектра (или небольшим его изменением) и с заметным влиянием на
спектр [18].
К первому виду можно отнести корректоры временных искажений,
и телевизионные синхронизаторы источников сигнала. В этих устрой-
ствах время записи и время считывания строк изображения не отли-
чаются или отличаются очень мало. Во втором виде преобразований,
(характерном для систем с временным уплотнением сигналов яркости
и цветности, устройств видеоэффектов и в какой-то степени для пре^
образователей стандартов) эти интервалы времени могут значите л ь~
но отличаться, что и приводит к изменению частотного спектра.
Принципиально временные преобразования отличаются друг.дт
друга алгоритмом обращения к ЗУ, который в свою очередь опреде1
ляется задачей преобразования. Алгоритм преобразования обуслов-
ливает емкость ЗУ. Структура и объем ЗУ значительно усложняются
при несинхронных процессах записи и считывания.
В цифровых устройствах временного преобразования применяют
цифровые ЗУ двух типов: с последовательным и произвольным досту-
пом. При использовании ЗУ с последовательным доступом запись и
считывание происходят последовательно и отсутствует возможность
изменения порядка записи и считывания информации. Для разделе-
ния процессов записи и считывания приходится в таких устройствах
увеличивать емкость ЗУ в 2...3 раза по отношению к информационно-
му объему преобразуемого фрагмента сигнала. Запоминающие уст-
ройства с произвольным доступом позволяют обходиться меньшей
емкостью, поскольку в иих реализуется считывание записанной в них
103
информации по любому заданному адресу. Примером такого ЗУ мо-
жет служить ЗУ в телевизионном синхронизаторе (см.гл.9), в котором
процессы записи и считывания разделяются во времени путем регу-
лируемой задержки входного преобразуемого сигнала в зависимости
от моментов считывания выходного сигнала.
При временных преобразованиях с изменением спектра сигнала
процедура преобразования состоит в изменении параметров дискре-
тизации исходного сигнала, т.е. в изменении числа дискретных значе-
ний, которыми представляется данный сигнал. Например, при реали-
зации видеоэффектов, связанных с изменением масштаба
изображения, исходный дискретный сигнал должен быть преобразо-
ван в выходной с другим шагом дискретизации. Интервалы дискрети-
зации во входном и выходном сигналах изменяют в зависимости от
изменения масштаба изображения. При отсутствии отсчетов входного
сигнала в точках расположения отсчетов выходного сигнала их или
заменяют ближайшими входными отсчетами (если ошибка незамет-
на), или подвергают входной сигнал цифровой фильтрации, восста-
навливающей его значения в точках вторичной дискретизации (напри-
мер, выполнением интерполяции соседних элементов входного
сигнала).
104
II. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Г Л А В А 6
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ОПТИЧЕСКИХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
6.1. ДАТЧИКИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Преобразователи оптических изображений в электрические сиг-
налы — датчики ТВ сигнала — преобразуют световую энергию, отра-
женную от объекта и спроецированную на фоточувствительную по-
верхность преобразователя, в последовательность электрических
сигналов с определенными параметрами, обеспечивающими обрат-
ное преобразование. Яркость спроецированного на фоточувствитель-
ную поверхность оптического изображения является функцией не
только времени t, но и координат х, у в горизонтальном и вертикаль-
ном направлениях. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать спо-
собностью оценивать значения яркостей отдельных элементов изо-
бражения. Для последовательного считывания ТВ сигнала от
отдельных элементов изображения в преобразователе одновременно
с фотопроцессом осуществляется процесс развертки изображения.
Закон развертки является одним из основных параметров ТВ сигнала,
обеспечивающих возможность его преобразования в телевизионное
изображение.
Датчики ТВ сигнала могут быть построены с использованием оп-
тико-механических систем развертки, систем бегущего светового лу-
ча, электронно-лучевых трубок и твердотельных фотоэлектрических
преобразователей ФЭП. Оптико-механические системы используют-
ся в фототелеграфии и при передаче неподвижных изображений. Си-
стемы бегущего светового луча применяются в ТВ устройствах при-
кладного назначения, объекты передачи которых могут быть
изолированы от внешнего источника света. В современной телевизи-
онной технике оптические изображения преобразуются в ТВ сигналы
с помощью электроино-лучевых передающих трубок и твердотельных
фотоэлектронных преобразователей (ФЭП).
Качество ТВ изображения во многом определяется характеристи-
ками фотоэлектрических преобразователей оптических изображе-
ний: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и
спектральной характеристиками, инерционностью.
Чувствительность передающей трубки — величина, обратная осве-
щенности фоточувствительной поверхности преобразователя, необхо-
105
ходимой для получения ТВ сигнала с заданным соотношением сиг-
нал/шум. В инженерной практике чувствительность фотоэлектриче-
ских преобразователей оценивают по освещенности фоточувствитель-
ной 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 ic=f(E). Она позволяет судить об интервале освещенности, в кото-
ром способен работать данный фотопреобразователь.
Спектральная характеристика преобразователя ic = f(k) — зави-
симость ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фоточувст-
вительную поверхность равноинтенсивного излучения. Требования к
спектральной характеристике преобразователя определяются конк-
ретным его назначением. При использовании преобразователя в при-
кладных ТВ системах область его спектральной чувствительности
может выходить за пределы видимого глазом спектрального интерва-
ла длин волн. Если преобразователь используется в камерах веща-
тельного телевидения, его спектральная чувствительность должна
соответствовать спектральным свойствам зрительного аппарата че-
ловека.
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 движу-
щихся объектов передачи. Оценивается инерционность значением ос-
таточного сигнала относительно его максимального значения в про-
центах спустя кадр после прекращения экспозиции.
Рассмотренные характеристики позволяют выбрать ФЭП при
проектировании конкретных ТВ систем. Они определяются принци-
пом построения ФЭП, их конструктивными особенностями, а также
типами фоточувствительных поверхностей, являющихся входным эле-
ментом ФЭП. Работа фоточувствительных поверхностей основывает-
ся на использовании внешнего и внутреннего фотоэффектов, в основе
которых лежит способность световых лучей освобождать в каком-ли-
бо веществе электроны. При внешнем фотоэффекте освобожденные
электроны покидают облученное светом вещество, вылетая в свобод-
ное пространство (фотоэлектронная эмиссия). При внутреннем фото-
эффекте освобожденные светом электроны остаются внутри твердого
тела, изменяя его проводимость (фотопроводимость).
106
6.2. ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Испускание электронов веществом под действием электромагнит-
ного излучения называется фотоэлектронной эмиссией или внешним
фотоэффектом. Открытие фотоэлектронной эмиссии позволило раз-
работать приборы, преобразующие световую энергию в электриче-
ские сигналы, такие как фотоэлементы, фотодиоды, фотоумножители,
передающие телевизионные трубки. Фоточувствительиые поверхно-
сти этих приборов называются фотокатодом.
Между светочувствительным элементом (фотокатодом) и коллек-
тором (анодом) создается электрическое поле, напряженность кото-
рого выбирается достаточной для отбора всех вылетевших с фотока-
тода электронов, что обеспечивает фототок насыщения. Для фототока
насыщения установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:
1. Закон Столетова (первый (основной) закон фотоэффекта). Фото-
ток в цепи фотоэлемента пропорционален интенсивности вызываю-
щего его светового потока, т.е.
*ф=5Ф, (6.1)
где Ф — световой поток, лм; S — коэффициент пропорциональности,
называемый чувствительностью фотокатода, мкА/лм.
2. Безынерционность фотоэлектронной эмиссии. Фототок следует
за изменением светового потока-практически без запаздывания с ча-
стотой 100 МГц.
3. Закон Эйнштейна. Максимальная кинетическая энергия фото-
электрона прямо пропорциональна частоте падающего на фотокатод
светового потока и не зависит от его интенсивности. Она определяется
энергией кванта света
hv = е<р0 4- mvLz/2 • (6-2)
где h — постоянная Планка; v — частота; m — масса электрона;
vmai — максимальная скорость, с которой электрон покидает повер-
хность металла; е<р0 — работа выхода; е — заряд электрона; <р0 — по-
тенциал выхода; rnu2max/2 — кинетическая энергия, с которой элект-
рон покидает поверхность металла.
Из (6.2) следует, что для вылета электрона из вещества энергия
кванта должна быть больше работы выхода, т.е.
ftv > фое. (6.3)
Невыполнение этого условия ведет к прекращению фотоэлектрон-
ной эмиссии. Следовательно, существует частота электромагнитного
колебания v, при которой фотоэлектронная эмиссия невозможна. Ус-
ловие (6.3) позволяет определить длинноволновую красную границу
фотоэмиссии
Ч = c/v™ == hc/e^ (6.4)
где с — скорость света. При фотоэмиссия отсутствует.
107
Разные значения Хгр для разных металлов фотокатодов (из-за раз-
ности потенциалов выхода электронов <р0) обусловливают разницу в
спектральных характеристиках. Фотокатоды, изготовленные из чис-
тых металлов, имеют монотонно возрастающие спектральные харак-
теристики, ио обладают малой чувствительностью. Чувствительность
фотокатодов может быть выражена либо в микроамперах иа люмен
светового потока, падающего на фотокатод, либо определяется чис-
лом фотоэлектронов на один квант возбуждающего излучения —
квантовый выход фотокатодов, изготовленных из чистых металлов,
мал. Для увеличения чувствительности в современных передающих
трубках используются сложные многослойные и многокомпонентные
фотокатоды. Красная граница таких фотокатодов смещена в длинно-
волновую область, квантовый выход увеличен, а спектральная харак-
теристика вместо монотонного возрастания имеет один или несколько
максимумов, значения и положения которых на оси зависят от состава
сложного фотокатода. На рис.6.1 представлены спектральные харак-
теристики сложных фотокатодов.
Эффективность различных типов фотокатодов принято сравни-
вать по интегральной чувствительности S, мкА/лм, значение которой
обычно приводится в паспортах фотоэлектрических преобразовате-
лей. Она определяется как отношение фототока насыщения 1ф, мкА, к
падающему световому потоку Ф, лм:
^2
_________Ч_________
Ф *2
683$1/(Х)Р(Х7>/Х
*1
где У(Х)— стандартная относительная видность глаза.
Для получения сопоставимых результатов в качестве источника
излучения Р(А,7)при измерении интегральной чувствительности выби-
рается 100-ваттная газонаполненная лампа накаливания, имеющая
цветовую температуру 2854 К.
(6.5)
Рис. 6.1. Спектральные характеристи-
ки различных фотокатодов:
/ — сурьмяио-цезиевый; 2 — внсмуто-серебряно-це-
змевый; 3 — многощелочной, 4 — окснцно-серебря-
но-цезиевый
108
Рис. 6.2. Типы фо-
токатодов:
а — непрозрачный; б —
мозаичный; а — полу-
прозрачный
Диэлектрик
В фотоэлектрических преобразователях и ТВ передающих труб-
ках использовались следующие типы фотокатодов, различающиеся
по конструкции.
1. Массивный непрозрачный фотокатод (рис.6.2,а), в котором плен-
ка полупроводникового материала нанесена на внутреннюю поверх-
ность стеклянной колбы. Толщина пленки обычно несколько микро-
метров. Фотоэмиссия в непрозрачном фотокатоде происходит со
стороны падения света, т.е. фотокатод работает на отражение. Мас-
сивные фотокатоды использовались в фотоэлементах и фотоэлектрон-
ных умножителях.
2. Непрозрачный мозаичный фотокатод (рис.6.2,б), состоящий из
металлической сигнальной пластины и слоя диэлектрика в виде тон-
кой пластинки слюды, на которую нанесены мельчайшие изолирован-
ные друг от друга фоточувствительные зерна серебра. Каждое такое
зерно является элементарным фотоэлементом, связанным через ем-
кость слоя слюды с сигнальной пластиной. Размеры зерен обычно
значительно меньше одного элемента изображения.
3. Полупрозрачный фотокатод (рис.6.2,в) отличается от массивно-
го фотокатода тем, что пленка полупроводникового материала имеет
значительно меньшую толщину, примерно 25...40 нм. Полупрозрач-
ные фотокатоды работают на просвет, т.е. фотоэлектроны эмиттиру-
ются катодом в сторону, противоположную той, на которую воздейст-
вует поток излучения. Полупрозрачные фотокатоды получили
наиболее широкое распространение в фотоэлектронных умножителях
и современных ТВ передающих трубках. Типы и некоторые парамет-
ры используемых в телевидении фотокатодов приведены в табл.6.1.
Таблица 6.1
Фотокатод Интегральная чувствитель- ность. мкА/лм Максим вл ь- ный квантовый выход, % Номер характе- ристики спект- рвльиой чувст- вительности НВ рнс.6.1
Сурьмяно-цезиевый 80... 120 12 1
Висмуто-серебряно-цезиевый 60...90 10 2
Миогощел очной 90...200 35 3
Оксндио-серебря ио-цезиевый 40. .70 1 4
109
6.3. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
И ФОКУСИРОВКА РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ЛУЧА
Под электронным изображением понимается поток электронов с
поверхности фотокатода, распределение плотности которого соответ-
ствует распределению освещенности в оптическом изображении,
спроецированном на фотокатод. В некоторых ТВ передающих прибо-
рах электронный поток с поверхности фотокатода должен быть пере-
несен на поверхность плоскости, параллельной фотокатоду и удален-
ной от него на некоторое расстояние. Необходимо, чтобы каждый
элементарный пучок фотоэлектронов, вышедший из одной точки фо-
токатода, собрался в соответствующей точке плоскости переноса. В
результате этого электронное изображение в плоскости переноса ста-
нет подобным первичному.
Для переноса электронных изображений и фокусировки электрон-
ных лучей применяют длинные фокусирующие катушки, создающие
однородное магнитное поле, параллельное оси переноса и охватыва-
ющее всю область движения электронов. Рассмотрим работу вакуум-
ного прибора. Прибор имеет полупрозрачный фотокатод в плоскости
S и мишень в плоскости переноса S, (рис.6.3,а). Он помещен внутри
длинной фокусирующей катушки L, создающей магнитное поле Н с
продольно расположенными силовыми линиями, параллельными оси
прибора oz. При облучении фотокатода световым потоком F возника-
ет эмиссия фотоэлектронов. Поток фотоэлектронов оказывается в
продольном магнитном поле Нг. Условия для переноса электронного
потока обеспечиваются созданием ускоряющего электрического по-
ля, сообщающего электронам скорость vz в направлении оси oz. Рас-
смотрим движение потока электронов, эмиттируемых из точки Oj по-
верхности S. В зависимости от угла вылета с поверхности фотокатода
б)
В)
Рис. 6.3. Фокусировка электронных лучей длинной магнитной линзой
110
фотоэлектроны будут иметь различные радиальные составляющие
скорости vr. Магнитное поле будет воздействовать только на электро-
ны, вылетающие с фотокатода под углом а к оси г. Возникающая при
этом радиальная составляющая скорости vr при взаимодействии с
продольным магнитным полем образует силу Лоренца
F„ = evrHz, (6.6)
гдее — заряд электрона. Сила Лоренца направлена перпендикуляр-
но векторам vz и Hz и заставляет электрон, вылетающий под углом а,
закручиваться вокруг оси z в плоскости, перпендикулярной этой оси
(см.рис.6.3,6). Как следует из рис.6.3,б, сила Рл направлена к центру
О2 окружности, описываемой электроном, является центростреми-
тельной и может быть определена из формулы
Fa=mv\/R, (6.7)
где т — масса электрона; R — радиус окружности, описываемой
электроном.
Радиус R определяется из условия равенства выражений (6.6) и
(6-7):
R = mvr/eHr (6.8)
Время прохождения электроном полной окружности
t = 2nR/vr = 2пт/еНг. (6.9)
Из (6.9) следует, что все электроны независимо от угла вылета
описывают полную окружность за одно и то же время. Одновременно
электрон перемещается в направлении мишени со скоростью vz. Вы-
летев из точки О), он пересекает ось в точке, встречаясь с осью в точке
О"1 , и, наконец, попадает в точку О'"1.
На пути движения из точек Oj до точки О'"1 электрон оказывается
в пучностях и узлах. В плоскости мишени проекция траектории дви-
жения электрона, вылетающего под углом а, представляет собой ок-
ружность (рис.6.3,6). Все электроны вылетают из точки О( в разных
направлениях под различными углами относительно прямой линии
поэтому проекции г.х траекторий в пределах всего пучка изо-
бразятся семейством окружностей с разными радиусами (рис.6.3,в,
справа). Окружности располагаются вокруг линии OtO"'l и соприка-
саются с ней. Центры окружностей располагаются на расстоянии R
от оси. Диаметр пучка в его пучности равен 4/?тах. Траектория каждо-
го электрона (исключая те, у которых а = 0) является винтовой ли-
нией. Траектории электронов, движущихся со скоростью ur=0, явля-
ются прямыми линиями.
Радиус витка винтовой линии определяется скоростью v,; чем
больше vr, т.е. чем больше угол вылета электронов а, тем больше
радиус витка винтовой линии. Поверхности плоскостей S', S", S'"
являются как бы фокальными плоскостями для электронных изобра-
111
zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz
-°1 EZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZI
Рис 6.4. Отклонения электронного луча в поле длинной фокусирующей катуШки*
/ — выходное отверстие электронного прожектора, 2 — отклоняющая катушка; 3 — фокусирующая система, 4 —
мн тень
жений. Расстояние между фотокатодом и фокальной плоскостью
электронного изображения на мишени
I = Шг = 2пт/еНг. (6.10)
Чем больше vz (или определяющее его значение ио), тем больше
фокусное расстояние линзы /. Это позволяет регулировать фокуси-
ровку изменением продольного электрического поля. Если продоль-
ное электрическое поле ускоряющее, то электронный пучок вытягива-
ется, приобретая форму веретена (см.рис. 6.3,в). При переносе в поле
длинной фокусирующей катушки электронное изображение будет
прямым и будет иметь размеры и ориентацию такие же, что и оптиче-
ское изображение. Перенос электронного изображения применяют в
передающих трубках мгновенного действия —диссектор и в трубках,
использующих принцип накопления зарядов,— суперортикон.
Фокусировка развертывающего луча с помощью длинной фокуси-
рующей катушки подобна фокусировке фотоэлектронов. Отличие за-
ключается в том, что источником электронов является не фотокатод,
а электронная пушка. Траектории электронов развертывающего луча
также образуют винтовые линии и несколько пучностей и узлов вокруг
магнитныхсиловыхлиний длинной фокусирующей катушки. Изменяя
направление магнитных силовых линий, можно изменять траектории
движения электронов, осуществляя тем самым отклонение пучка
электронов. Для этого наряду с фокусирующей катушкой использует-
ся отклоняющая катушка (рис.6.4). В пространстве MN результирую-
щее магнитное поле Нр определяется геометрической суммой векто-
112
ров отклонения Но и фокусировки Нф, и силовая линия приобретает
направление вектора Нр. Пучок электронов отклоняется на расстоя-
ние Л, определяемое отношением напряженностей двух полей Н и НЛ
[Ю].
6.4. ДИССЕКТОР
Диссектор (рассекатель) — передающая телевизионная трубка
мгновенного действия. Схематически современный диссектор изобра-
жен на рис.6.5. Внутри трубки имеется полупрозрачный фотокатод 1,
ускоряющий электрод 2, диафрагма с отверстием 3, диноды вторично-
электронного умножителя (ВЭУ) 4, коллектор 5. Снаружи трубки
располагаются: отклоняющая система строчной и кадровой развер-
ток 6 и фокусирующая катушка 7, создающая вдоль трубки однород-
ное магнитное поле. В отличие от других передающих трубок в диссек-
торе отсутствует электронный прожектор и развертка осуществ-
ляется отклонением электронного изображения перед отверстием ди
афрагмы 3, которое является развертывающей апертурой и обычно
называется вырезывающим отверстием. В диссекторе различают три
секции: преобразование оптического изображения в электронное, пе-
ренос и отклонение электронного изображения, вторично-электрон-
ное умножение. Световое изображение преобразуется в электронное
на полупрозрачном светочувствительном слое — фотокатоде, нане-
сенном на внутреннюю поверхность планшайбы трубки. Электронное
изображение переносится в плоскость диафрагмы 3 с помощью уско-
ряющего напряжения, приложенного к электроду 2 в магнитном поле
длинной фокусирующей катушки 7 (см. § 6.3). В плоскости диафраг-
мы под действием отклоняющего поля электронное изображение пе-
ремещается относительно вырезывающего отверстия в соответствии
с законом развертки. При этом фотоэлектроны с различных участков
фотокатода поочередно попадают через вырезывающее отверстие на
Рис. 6.5. Схема устройства трубки типа диссектор
113
первый динод ВЭУ, в котором мгновенные значения фототока усили-
ваются. Секция умножения состоит из динодов4 и коллектора 5, в цепь
которого включен резистор нагрузки /?н.
Питание на диноды диссектора подается таким образом, что по-
тенциал каждого последующего динода оказывается выше предыду-
щего, а потенциал коллектора 5 — выше потенциала последнего ди-
нода. Это обеспечивает эффективный отбор вторичных электронов на
коллектор. Вторичные электроны образуют ток сигнала, который
протекает через резистор нагрузки /?н в направлении, указанном
стрелками, и создает на нем напряжение сигнала uc = icR„. При этом
потенциал в точке нагрузочной цепи, с которого снимается напряже-
ние сигнала для дальнейшего усиления, равный UA = U—icR„, будет
уменьшаться при увеличении тока сигнала. Так как ток сигнала про-
порционален освещенности участков фотокатода, увеличению осве-
щенности фотокатода соответствует уменьшение потенциала в точке
А. Таким образом, уровень сигнала, соответствующий максимальной
освещенности фотокатода, — уровень белого — оказывается ниже,
чем уровень черного (соответствует минимальной освещенности).
Следовательно, полярность ТВ сигнала, который генерирует переда-
ющая трубка типа диссектор, отрицательна.
Коэффициент усиления вторично-электронного умножителя до-
стигает 107, что позволяет получить на резисторе нагрузки RH значи-
тельный ток сигнала ic« 100 мкА.
Диссекторы имеют линейную световую характеристику при осве-
щенности фотокатода от десятых долей люкса до нескольких тысяч
люкс. Они обеспечивают хорошее воспроизведение градаций яркости,
передают без искажения информацию о средней яркости изображе-
ния, имеют высокую разрешающую способность. Современные дис-
секторы обладают высокой механической прочностью, виброустойчи-
востью, устойчивостью к большим перепадам температур,
воздействию повышенной влажности. После включения питающего
напряжения диссектор мгновенно готов к работе, так как в нем нет
инерционного термокатода.
Положительные качества обусловили широкое применение дис-
сектора в прикладных ТВ системах, обеспечивающих автоматизацию,
контроль и управление производственными процессами, слежение за
слабосветящимися точечными объектами в аппаратуре астронавига-
ции, в устройствах для исследования прозрачных сред, чтения графи-
ков, микрофильмов и т.п. Промышленностью выпускается свыше пят-
надцати типов диссекторов, отличающихся потаким параметрам, как
спектральная характеристика фотокатода, размер и форма вырезаю-
щего отверстия, размер рабочей зоны фотокатода и т.д.
Недостатком диссектора является его невысокая чувствитель-
ность в широкополосном режиме работы, соответствующем стандар-
ту вещательного телевидения, что является недостатком всех систем
мгновенного действия.
114
6.5. ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯДА
В системах мгновенного действия фотоэлектронная эмиссия с
каждого элемента изображения используется в интервале времени,
равном времени коммутации одного элемента и, следовательно, мгно-
венные значения тока сигнала изображения i(/s) пропорциональны
световому потоку F3, падающему на один элемент изображения в
течение времени коммутации этого элемента t3. Тогда напряжение
сигнала на нагрузке R„ фотоэлемента BL при замыкании ключа К на
время коммутации этого элемента (рис.6.6) определяется протекаю-
щим по сопротивлению нагрузки R„ током фотоэмиссии 1ф:
Ue —SFtR„ —i^RK, (6.11)
где S — интегральная чувствительность фотокатода. Световая энер-
гия, воздействующая на элемент изображения в промежутках между
коммутациями, в образовании сигнала не участвует, что существенно
снижает эффективность использования светового потока.
Повысить эффективность можно использованием принципа на-
копления заряда, заключающегося в том, что световая энергия, облу-
чающая элемент изображения в межкоммутационный период, не про-
падает бесполезно, а накапливается иа элементе. Принцип
накопления заряда может быть пояснен с помощью эквивалентной
схемы (рис.6.7,а), отражающей образование сигнала с одного элемен-
та изображения. При облучении фотоэлемента BL световым потоком
Рис. 6.6. Образование сигнала в систе-
ме мгновенного действия
115
из-за фотоэмиссии емкость Сэ накапливает заряд за время кадра Т„.
Ток заряда i3ap равен току фотоэмиссии хф, а заряд
<2з«р = ч7'„- * (6.12)
Напряжение сигнала ис на нагрузке образуется при разряде эле-
ментарного конденсатора С3 за время коммутации t3, в течение кото-
рого ключ зам кнут К и конденсатор С3 разряжается через резистор /?„.
Допуская, что конденсатор за время коммутации — время передачи
одного элемента изображения — разряжается полностью, т.е. считая,
что Qpa3p = Q3ap, можно определить средний ток разряда
Qpa.ip . Л.
‘р.зр = — = ^— = ^N. (6.13)
Следовательно, ток разряда накопительного конденсатора, созда-
ющий напряжение ТВ сигнала на нагрузке, превышает ток фотоэмис-
сии в N раз и среднее значение ТВ сигнала:
«ср = ^Ф^, (6.14)
где N — число элементов в кадре.
Сравнивая (6.11) и (6.14), нетрудно определить выигрыш, обеспе-
чиваемый накоплением зарядов. В идеальном случае накопление уве-
личивает напряжение сигнала в N раз. В реальных приборах эффект
накопления зарядов полностью использовать не удается, однако
принцип накопления положен в основу работы всех передающих тру-
бок, за исключением трубки мгновенного действия типа диссектор.
В качестве примера реализации этого принципа рассмотрим ра-
боту мозаичной фотомишени — одного из основных элементов первых
телевизионных передающих трубок. Мозаичная фотомишень, эквива-
лентная схема которой показана на рис.6.7,б, состоит из изолирован-
ных друг от друга элементарных ячеек, каждая из которых содержит
отдельный фотоэлемент и накопительный конденсатор. Когда на ми-
шень проецируется оптическое изображение, в цепи фотоэлементов
под воздействием света возникает фототок. Фототок с каждого эле-
мента пропорционален его освещенности, поэтому элементарные кон-
денсаторы заряжаются до различных значений напряжений, образуя
на мозаичной поверхности потенциальный рельеф. Преобразование
потенциального рельефа в сигнал изображения происходит путем
последовательной коммутации накопительных конденсаторов в цепь
нагрузки. Коммутирующим элементом в ТВ передающих трубках,
использующих принцип накопления, является электронный луч. Токи
накопительных конденсаторов, коммутируемых лучом, протекают че-
рез нагрузку R„, создавая на ней сигнал изображения.
6.6. видикон
Общие сведения. Фоточувствительные поверхности, исполь-
зующие явление внешнего фотоэффекта, обладают малой чувстви-
тельностью, так как квантовый выход для внешнего фотоэффекта
116
меньше 1. При внутреннем фотоэффекте значение квантового выхода
может превышать 1, что потенциально позволяет существенно увели-
чить чувствительность передающих трубок, использующих явление
фотопроводимости. Кроме того, мишень из фотопроводящих слоев,
являясь фоточувствительным элементом, одновременно накапливает
световую энергию, что значительно упрощает конструкцию передаю-
щей трубки. Идея создания передающей трубки с фотопроводящей
мишенью принадлежит А.А.Чернышову, который высказал 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 фоточувствительные
слои, изменяющие электрическую проводимость под действием пада-
ющего светового потока. Это изменение проводимости происходит в
результате увеличения энергии отдельных электронов вещества за
счет поглощения энергии излучения и нарушения связи этих электро-
нов с ядром своего атома. При этом электроны не покидают вещество,
как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри него, переходя из
заполненной зоны взону проводимости, в результате чего значительно
изменяется сопротивление вещества. Возбужденный светом электрон
спустя некоторое время рекомбинирует— возвращается взаполнен-
ную зону, скорость рекомбинации возрастает по мере увеличения
концентрации фотогенерированных электронов. Поскольку скорость
генерации носителей постоянна при неизменном потоке излучения, а
скорость рекомбинации возрастает, через определенные промежутки
времени интенсивность рекомбинации становится равной интенсив-
ности генерации новых фотоэлектронов. Наступает равновесное со-
стояние, характеризующееся стационарным значением проводимо-
сти. При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не
мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя неко-
торое время. Это означает, что нарастание и спад фотопроводимости
происходят не мгновенно, а являются процессами инерционными.
Инерционность фотопроводника зависитотего химического соста-
ва, конструкции, а также от значения воздействующего на фотопро-
водник светового потока. Фототок i, обусловленный внешним фотоэф-
фектом, связан с освещенностью Е:
i = kE»,
где*— коэффициент пропорциональности; р— величина,зависящая
от химического состава и конструкции фотопроводника, ее значение
обычно лежит в пределах 0.5...1.
Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрального
состава воздействующего излучения. Энергия светового излучения
ftv должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной
зоны в зону проводимости Длина волны, при которой начинается
фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. По мере
уменьшения длин волн и соответственно увеличения ftv излучение
воздействует на все большее число электронов заполненной зоны, и
117
фотоэффект усиливается. Конкретные спектральные характеристики
фотопроводящих мишеней определяются свойствами вещества слоя и
конструктивными особенностями фотомишени.
Конструкция и принцип де й с т в и я. Видикон отличается
простотой конструкции, небольшими размерами и массой и является
высоконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа види-
кон (рис.6.8) содержат два основных узла: фотомишень и электронный
прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень / состо-
ит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя представляет со-
бой тонкий проводящий прозрачный слой золота, платины или окиси
олова, нанесенный на внутреннюю поверхность планшайбы. Прозрач-
ность сигнальной пластины превышает 90 %. Поверхностное сопро-
тивление 2000м - см. Выводом сигнальной пластины служит металли-
ческое кольцо, вваренное между планшайбой и колбой трубки. На
сигнальную пластину испарением в вакууме нанесен фотослой тол-
щиной 1...3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью, в
качестве которого используются соединения сурьмы, селена, мышья-
ка, серы. Материал, из которого изготовлена мишень, а также его
Рис. 6.8. Видикон:
а — устройство трубки; б — эквивалентная схема мншени
118
толщина определяют чувствительность, спектральную характеристи
ку и инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупровод-
ника зависит от тех характеристик, которыми должен обладать конк-
ретный тип видикона, т.е. от назначения передающей трубки.
Электронно-оптическая система видикона содержит электронный
прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, помещен-
ную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогрев-
ного катода 2, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5 ано-
дов. 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 обеспечивает равно-
мерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на всей
поверхности мишени, что является одним из условий получения рав-
номерного сигнала по полю изображения. Фокусировка, отклонение 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. 6.8,6). На этой
схеме каждый элементарный участок фотопроводящей мишени пред-
ставлен в виде емкости Сэ, конденсатора, образованного элементами
сигнальной пластины и правой стороны мишени. Емкость шунтирова-
на резистором, сопротивление /? которого изменяется в зависимости
от освещенности этого участка. При проекции на мишень трубки оп-
тического изображения распределение освещенности на ее поверхно-
сти вызовет соответствующее распределение сопротивлений, т.е.
рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф сопро-
тивлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника может
быть очень велико (порядка 1012 Ом • см). При максимальном освеще-
нии 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 мед
ленных и быстрых электронов. Чаще используется режим медленных
электронов. В режиме развертки медленными электронами потенци-
ал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммутации
потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддерживается
постоянным, поэтому ’’под лучом” элементарные конденсаторы С3
заряжаются до напряжения (/сп. При проекции на мишень оптическо-
го изображения сопротивления R3 шунтирующие элементарные кон-
денсаторы С, изменяются, так как R3 = /(Ёэ), где Е3 — освещенность
элементарного участка. При этом наиболее освещенным элементам
мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наоборот, тем-
ным участкам мишени — наибольшее сопротивление. В период между
двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы С3 разря-
119
жаются через резистор А“эс постоянной времени тр = С3/?э. Чем силь-
нее освещен участок мишени, тем меньше /?3 и быстрее разряжается
С3. При этом потенциал обкладок конденсаторов С3, обращенных к
лучу, увеличивается, приближаясь в пределе (в наиболее освещенных
участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины. На неосвещен-
ных участках мишени он остается практически равным нулю. Таким
образом, на поверхности мишени, обращенной к лучу, создается по-
тенциальный рельеф — распределение потенциалов, соответствую-
щее распределению освещенности по поверхности мишени.
Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохож-
дении (коммутации) участков поверхности мишени электронным лу-
чом, 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 R„ и Сэ
в направлении, указанном стрелкой (рис.6.8,б), и является током сиг-
нала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным участкам ми
шени будут соответствовать разные токи дозаряда, которые, протекая
через RH, при последовательной коммутации участков мишени элект-
ронным лучом, образуют сигнал изображения.
Характеристики видикона. Спектральная характеристика види-
кона определяется свойствами фотомишени. Имеются видиконы, чув-
ствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рен-
тгеновскому излучениям. Спектральные характеристики некоторых
типов видиконов изображены на рис.6.9.
Световая характеристика видикона определяется зависимостью
фотопроводимости мишени от ее освещенности: R = f(E) и зарядом
элементарного конденсатора Сэ. Заряд при прочих равных условиях
Рис. 6.9. Спектральные характеристи
ки видиконов:
I — ЛИ-421;2 — ЛИ 418,3- ЛИ-426
Рис. 6.10 Световые характеристики види
кона ЛИ-415 при различных напряжениях
на сигнальной пластине
(ис„| > Ысп2 > НспЗ)
120
зависит от напряжения на сигнальной пластине Ucn, в связи с чем
световые характеристики видикона обычно приводят для различных
значений Uc„ (рис.6.10). Приведенные на рис.6.10 характеристики со-
ответствуют максимальной чувствительности (при (7СГ||), средней чув-
ствительности (t/cn2) и минимальной чувствительности, обычно ис-
пользуемой в телекинопроекции (Ucn3). Из рисунка следует, что
зависимость^ = /(£)для трубки видикон нелинейна, причем нелиней-
ность различна для различных напряжений на сигнальной пластине.
В приведенном примере у изменяется в пределах 0,6...0,8. Световая
характеристика видикона мало зависит от характера распределения
освещенности на мишени и позволяет обеспечить высокий контраст
изображения.
Передача информации о средней яркости. При
коммутации мишени медленными электронами видикон воспроизво-
дит информацию о средней яркости изображения, так как уровень
сигнала во время обратного хода луча соответствует уровню черного.
Действительно, от неосвещенных участков мишени (при темновом
сопротивлении элемента /?эт = оо) луч возвращается обратно и в цепи
сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда элек-
тронный луч заперт гасящим импульсом Практически /?эт =/= со, и
конденсатор Сэ при отсутствии света также несколько разряжается.
Электронный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и
создает темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных
мест изображения (уровень черного) несколько отличается от уровня
гасящих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряже-
ния на сигнальной пластине и может быть неодинаков для разных
участков мишени. Поэтому при выборе режима работы трубки стре-
мятся к обеспечению минимального темнового тока, что увеличивает
равномерность ТВ сигнала в целом.
Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме комму-
тации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее ос-
вещенным участкам фотомишени соответствует максимальный ток
коммутирующего луча — ток сигнала, который, протекая по нагрузке
RH (см.рис.6.8,6), понижает потенциал точки А, с которой снимается
сигнал изображения. Значит, увеличению освещенности соответству-
ет уменьшение потенциала точки А, т.е. полярность сигнала отрица-
тельна.
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
создании трубки основная задача состояла в получении наименьшего
диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при разме-
ре рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения луча не
должен превышать 15мкм при токе луча 0,5 мкА. Сложность техниче-
ской реализации этих требований заставила разработчиков на опре-
деленном этапе разни гия техники ТВ передающих приборов для уве-
121
Рис. 6.11. Апертурная харак-
теристика видикона ЛИ-421
личения разрешающей способности видикона увеличивать диаметр
его мишени до 40 мм. Дальнейшее совершенствование электронно-оп-
тической системы видикона, установление жестких допусков на изго-
товление и сборку отдельных деталей и всего электронно-оптического
узла в целом решило задачу повышения удельного разрешения труб-
ки. Так, апертурная характеристика одного из видиконов, рекомендо-
ванных разработчиками для ТВ вещания (рис.6.11), показывает, что
на отметке 600 строк видикон обеспечивает глубину модуляции сиг-
нала изображения 20%.
Высокое качество изображения обеспечивается при освещенности
мишени трубки видикон в пределах 1...10 лк, что соответствует макси-
мальной и средней его чувствительности. Увеличение освещенности
фотомишени желательно также для уменьшения инерционности
трубки. Инерционность видикона является его недостатком, который
проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося
за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения
контраста. Обычно инерционность оценивается отношением (в про-
центах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения экспо-
зиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектрическую
и коммутационную составляющие инерционности.
Фотоэлектрическая составляющая инерционности обусловлена
физическими процессами в фотомишени. Она зависит от материала,
применяемого фотопроводника, количества примеси в нем, техноло-
гии изготовления и уровня освещенности. Коммутационная составля-
ющая 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 путем уменьше-
ния емкости Сээлементарного конденсатора, так как увеличение тока
луча приводит к ухудшению разрешающей способности трубки вслед-
ствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. Инерцион-
ность может быть существенно уменьшена при увеличении освещен-
ности мишени.
К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствитель-
ность, способность к передаче информации о постоянной составляю-
122
щей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эф-
фектом перераспределения электронов.
Промышленностью выпускается около тридцати модификаций пе-
редающих трубок типа видикон с размерами диаметра колбы 13,6; 26,7;
30,4; 38,4 мм, которые благодаря простоте коммутации, малым габари-
там и высоким эксплуатационно-техническим параметрам нашли широ-
кое применение в прикладных телевизионных системах различного на-
значения, а также используются в ТВ вещании для передачи
кинофильмов, где возможность обеспечения высокой освещенности по-
зволяет преодолеть основной недостаток видикона — инерционность.
6.7. 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 составляю-
щей инерционности, связанной с конечным временем перезарядки
элементарного конденсатора мишени С„ стремятся уменьшить его
емкость путем изменения геометрических параметров мишени, что
приводит к уменьшению времени дозаряда этого конденсатора.
Однако уменьшение емкости конденсатора С, приводит одновре-
менно к уменьшению постоянной времени его разряда т = C3R3 и для
сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым
сопротивлениям R3, постоянная времени разряда может оказаться
меньше длительности кадра, что приведет к неполному использова-
нию эффекта накопления. Следовательно, уменьшение емкости уча-
стка мишени должно сопровождаться одновременным увеличением
сопротивления R3. При этом необходимо позаботиться о сохранении
потенциального рельефа, определяемого отношениями максимально-
го и минимального значений элементарных сопротивлений, т.е. соот-
ветственно этому изменить свойства мишени. Разумеется, изменение
свойств мишени не должно сопровождаться увеличением фотоэлект-
рической составляющей инерционности. Упомянутые условия выпол-
няются при замене фоторезистивной мишени мишенью фотодиодного
типа, имеющей электронно-дырочный p-i-n переход, включенный в
обратном направлении. Это обеспечивает малую инерционность фо-
тоэффекта, высокое темновое сопротивление и близкую к линейной
световую характеристику.
*Плюмбикои — название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца (фирмы
"Филлипс”, Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпускаемой в России, —
глетикон.
123
Рис. 6.12. Плюмбикон:
а — устройство мишени; б — эквивалентная схема мишени
Мишень плюмбикона состоит из трех слоев и схематически изобра-
жена на рис.6.12,а. Тонкая прозрачная сигнальная пластина 3 нане-
сена на стеклянную планшайбу 2с внутренней стороны баллона труб-
ки 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 собственной
проводимостью (типа i) и образующий основную толщину мишени.
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 прозрачны
для прохождения световых лучей. Слой i выполнен из химически чис-
той окиси свинца с упорядоченной кристаллической структурой. Кри-
сталлы 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 уменьша-
ет вероятность рекомбинации носителей тока [24]. Благодаря этому, а
также высокой напряженности поля в слое i все носители тока прохо-
дят 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-
щей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению
падающего на мишень света, что повышает чувствительность мишени.
Эквивалентная схема элементарного участка мишени плюмбико-
на представлена на рис.6.12,6. Она отличается от схемьК на рис.6.8,б
включением фотодиода p-i-n типа. Из-за большой ширины запрещен-
ной зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока мала, что
существенно уменьшает темновой ток, а следовательно, увеличивает
124
темновое сопротивление мишени R31. В момент коммутации p-i-n пе-
реход смещается в обратном направлении, что дополнительно увели-
чивает /?эт.
Повышенное диффузное рассеяние света вызывает образование
ореолов и бликов вокруг ярких деталей изображения. Для устранения
этого явления трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца снаб-
жены противоореольным стеклянным диском 1 (рис.6.12,о)толщиной
около 6 мм, закрепленным на входном окне 2 с помощью оптической
склейки.
Световая характеристика плюмбикона линейна (рис.6.13) в широ-
ком диапазоне освещенности (штриховая линия) Показатель нели-
нейности у (гамма) для этой трубки лежит в пределах 0,95±0,05.
Малый разброс этого параметра указывает на высокую его воспроиз-
водимость, что является большим достоинством фотодиодной мишени
при работе 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
после выключения света не превышает 5%. Для снижения инерцион-
ности при передаче движущихся объектов с низким уровнем освещен-
ности применяется дополнительная подсветка мишени.
Спектральные характеристики плюмбикона приведены на рис.
6.14. Кривая 1 характеризует спектральную чувствительность трубки
Рис. 6.13. Световая характеристика
плюмбикона с дополнительным считы-
ванием пересвеченных мест изображе-
ния
Рис. 6.14. Спектральная характеристи
ка чувствительности плюмбикона
125
с нелигированной мишенью. Спад характеристик в длинноволновой
части видимого спектра затрудняет использование трубки с такой
мишенью в ’’красном” канале многотрубочной камеры цветного теле-
, видения. Легирование окиси свинца серой способствует смещению
спектральной характеристики в длинноволновую область (кривая 2).
При этом мишень приобретает чувствительность и к невоспринимае-
мому глазом излучению ближней инфракрасной области спектра.
Для подавления излучения с длиной волны свыше 720 нс на притиво-
ореольный диск трубки нанесен интерференционный светофильтр с
полосой пропускания в области 400...720 нм. Кривая 3 соответствует
спектральной чувствительности такой трубки.
Линейная световая характеристика плюмбикона (см.рис.6.13)
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 дефекта
в последних выпусках трубок (ЛИ-457, ЛИ-458) используется так на-
зываемый антикометный прожектор, с помощью которого ’’пересве-
ченные” участки мишени дополнительно считываются лучом с увели-
ченным 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.6.13, сплошная линия).
Высокие показатели трубок с окисно-свинцовой мишенью в соче-
тании с минимальной инерционностью и линейностью световой харак-
теристики сделали их наиболее подходящими отечественными прибо-
рами для передающих камер ЦТ.
6.8. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры тормозится
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 работы
в направлении безвакуумных анализирующих устройств — аналогов
ТВ передающих электронно-лучевых трубок. Развитие твердотельной
технологии, технологии тонкопленочных покрытий позволило разра-
ботать твердотельные матричные фотоэлектрические преобразовате-
ли ФЭП изображения, в которых в качестве элементов матрицы ис-
пользовались фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы [22,23].
Изобретенные в 1969 г. приборы с зарядовой связью позволили со-
здать твердотельные ФЭП с числом элементов разложения, соответ-
ствующим стандарту ТВ вещания.
126
В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства струк-
туры металл - окисел - полупроводник (МОП-структура), способной
собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носи-
телей в локализованных потенциальных ямах, образующихся у по-
верхности полупроводника поддействием электрического поля. Заря-
довые 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 достоин-
ством ПЗС является принцип последовательного переноса зарядовой
информации от отдельных элементов матрицы к единственному вы-
ходному 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 геометри-
ческий шум, возникающий от этих помех, легко компенсируется.
Объясним принцип работы прибора с зарядовой связью. Основ-
ным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, одной из
обкладок которого служит металлический электрод, а второй — по-
лупроводниковая подложка (р- или п -проводимости). Диэлектриком
является окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде
тонкого слоя на подложку. В изображенном на рис.6.15 МОП-конден-
саторе в качестве полупроводника использован кремний дырочного
типа проводимости. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния
толщиной 0,1 мкм. В полупроводнике дырочного типа проводимости
основными носителями заряда являются дырки. При приложении к
металлическому электроду положительного потенциала основные но-
сители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с окислом,
будут отталкиваться от электрода и, покинув поверхностный слой,
отойдут в толщину полупроводника. Под электродами образуется
область, обедненная основными носителями, — потенциальная яма,
глубина которой зависит от приложенного напряжения (напряжение
на затворе U), степени легирования полупроводника, толщины слоя
Рис. 6.15. Конденсатор МОП-
структуры
1?7
окисла. Таким образом, выбирая значения напряжения затвора,
плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно управ-
лять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциальной ямы
ограничено паразитным процессом термогенерации неосновных носи-
телей, так как в кремнии при данной температуре всегда генерируют-
ся пары электрон-дырка, которые под действием электрического поля
разделяются: основные носители ’’отгоняются” в толщину, а неоснов-
ные — накапливаются, заполняя постепенно потенциальную яму.
Накопление в потенциальных ямах термогенерированных носителей
является паразитным процессом. Время, необходимое для заполне-
ния потенциальной ямы из-за термогенерации, называется временем
релаксации. Следовательно, промежуток времени, существенно мень-
ший по сравнению со временем релаксации, может быть использован
для хранения в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих
информацию о значении полезного сигнала, а МОП-конденсатор мо-
жет служить элементом, запоминающим информацию, представлен-
ную зарядом потенциальной ямы. Таким образом, максимальное вре-
мя хранения зарядовой информации /жр таж, а следовательно, и
минимальная частота работы цифровых и аналоговых устройств на
ПЗС определяются процессами накопления паразитного заряда в
потенциальной яме.
Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим путем
или с помощью световой генерации. При световой генерации фото-
электрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоп-
лению неосновных носителей в потенциальных ямах. Накопленный
заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направ-
ленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположением
МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что
их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соеди-
няются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет на-
капливаться в том месте, где глубже потенциальная яма(рис.6.16). На
металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов
поданы положительные потенциалы Ut и U2- В начальный момент
потенциал U} > U2. В образовавшуюся глубокую потенциальную яму
левого конденсатора может быть помещена зарядовая информация
(рис.6.16,а). Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенци-
ал правого — увеличим. Тогда под правым электродом образуется
глубокая потенциальная яма, в которую перетечет зарядовый пакет.
Рис. 6.16. Перенос зарядовых пакетов
путем перемещения потенциалов элек-
тродов двух рядом расположенных
МОП-конденсаторов
128
помещенный ранее в потенциальную яму левого конденсатора
(рис.6.16,б). Следовательно, изменяя определенным образом потен-
циалы на электродах близко расположенных конденсаторов, можно
направленно перемещать зарядовую информацию.
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 одной из
трех тактовых шин с фазами Ф„Ф2, Ф3, как показано на рис.6.17. Один
элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП-конденсато-
ров. В течение первого такта работы (момент /() на электроды фазы
Ф, подано положительное напряжение U2. Под этими электродами
образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и
храниться заряды, образованные неосновными носителями. Это мо-
жет происходить как в результате воздействия светового излучения —
тогда заряды будут носителями полезной информации, так и вследст-
вие паразитного процесса термогенерации. При этом термогенериро-
ванные заряды составляют паразитную добавку к информационному
заряду и являются источником темнового тока сигнала изображения.
Время хранения зарядов равно времени действия напряжения U2,
а режим работы ячейки под электродами фазы Ф] в это время назы-
ф2 <л3
Рис. 6.17. Перемещение зарядовых па
кетов в трехфазном сдвиговом регист-
ре:
а — трехфазный регистр; б — идеальная тактовая
диаграмма; в — реальней форма управляющих им-
пульсов
129
вается режимом хранения. В момент /2 (второй такт) на электроды
фазы Ф2 подается напряжение U3, значение которого превышает в
1.5...2 раза напряжение U,2. Это напряжение называется напряжением
записи. Оно вызывает появление под электродами фазы более глубо-
ких потенциальных ям, в которые и перетекают электроны из-под
электродов фазы Ф,. Режим, при котором электроны перетекают из
одних потенциальных ям в другие, называется режимом записи. В
момент t3(третий такт) напряжение на электродах фазы уменьшится
до значения иъ соответствующего режиму хранения, а напряжение на
электродах фазы Ф2 уменьшится от значения (72до Ut, что предотвра-
щает возврат зарядового пакета под электроды фазы Ф,. Из рис.6.17,а
видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так
как под электродами фазы Ф, потенциал остается низким, равным Uv
Такой направленный перенос зарядовых пакетов является одним из
достоинств трехтактных регистров. В регистрах, работающих по двух-
тактной схеме, направленный перенос зарядов приходится обеспечи-
вать путем усложнения структуры ПЗС.
Последовательность смены потенциалов на тактовых группах по-
казана на тактовой диаграмме (рис.6.17,б), на которой форма управ-
ляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Одиако для
повышения эффективности переноса зарядов тактовые импульсы, по-
даваемые на электрод, должны перекрываться и иметь пологий
фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потенци-
альной ямы. Поэтому практически для управления используют им-
пульсы трапецеидальной формы (рис.6.17,в). При этом остатки заря-
да (последние носители) успевают перетечь в соседнюю
потенциальную яму, и в результате повысится эффективность перено-
са заряда.
Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делят-
ся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные).
В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль
одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение
объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использованы при кон-
троле за технологическими процессами производства, при специаль-
ном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъек-
тов. 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 ска-
нированием по строке и кадру является матричный формирователь
сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординатный
массив светочувствительных элементов, осуществляющих электрон-
ное сканирование по координатам х и у.
При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается
вопрос организации ее считывания. Существует несколько способов
130
Рис. 6.18. Способ организации покадро-
вого считывания
Выходное
устройство
организации считывания матричных формирователей. Наиболее
предпочтительна организация с кадровым переносом (рис. 6.18). Ха-
рактерной ее особенностью является наличие секции хранения или
памяти, которая защищена от света и равна по площади секции на-
копления — фотоприемной секции. Накопленные заряды фотоприем-
ной секции за время обратного хода по кадру последовательно сдви-
гаются в секцию хранения. 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 осуществляется во время обратного хода
горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэле-
ментно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, пре-
образующему заряды в сигнал изображения. После считывания всей
видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующе-
го кадра.
Одним из основных достоинств покадрового считывания является
устранение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая
информация считывается из защищенной от света секции хранения и
дополнительной засветки при сканировании не происходит. При по-
кадровой организации просто осуществляется чересстрочное разло-
жение изображения, проста также 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.
На рис.6.19 приведена схема серийно выпускаемой отечественной
промышленностью матрицы ПЗС с числом элементов 288x232, рабо-
тающей с покадровым переносом накопленной информации и трех-
тактным регистром управления. Матрица содержит фоточувстви-
тельную секцию накопления, состоящую из 144x232 элементов,
секцию памяти, состоящую из 144x233 элементов, сдвиговый регистр
на 235 элементов и выходное устройство, состоящее из двухтранзисто-
131
Ограничительные
апоп-каналы
Рис. 6.19. Схемы матрицы ПЗС
ров. В состав выходного устройства входит также вспомогательный
регистр, с помощью которого компенсируются помехи от тактовых
импульсов. Как видно из рисунка, для усиления сигнала изображения
с матрицы используется дифференциальное устройство, в котором
происходит компенсация тактовых импульсов, поступающих на его
входы в противофазе.
Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать
чересстрочное разложение изображения. Для этого в течение дли-
тельностей нечетных полей накопление производится под электрода-
ми Ф|, а в течение длительностей четных — под электродами фазы
Ф2. Во время обратного хода по полям зарядовая информация нечет-
ного поля переносится в секцию хранения (памяти). В период следу-
ющего четного поля в режим накопления переводятся электроды фа-
зы Ф2, и в секции накопления начинается новый цикл работы. В то же
время из секции хранения последовательно, строка за строкой, пере-
носятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиговый) регистр,
который сдвигает элементы строки один за другим к выходному уст-
ройству. Перенос зарядов отдельных строк из секции памяти в сдви-
говый регистр осуществляется во время обратного хода строчной раз-
вертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство —
во время прямого хода строчной развертки.
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос
зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три
132
приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос
из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового реги-
стра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число переносов для
разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет
для первого элемента верхней строки и минимальным — для послед-
него элемента нижней. Максимальное число переносов для одного
зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организа-
ции считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов Nmax =
=2-3z-|-2n, 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. Подставляя пара-
метры вышеприведенной матрицы, получаем Nmax = 2-3-144-|-3-235
= 1569. Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не
полностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках,
существующих 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 е накла-
дывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное
число переносов, которые можно совершить без существенного разру-
шения сигнала; е — относительная величина и характеризует часть
заряда, отставшую от пакета на один перенос. Умножив е на число
переносов в приборе N, получим результирующую неэффективность
переноса We всего прибора. Приемлемым считается значение е =
= 1 • 10-4...5-10-5. При числе переносов N = 1569 суммарная эффек-
тивность переноса т]= 1—We = 84 %.
Как видим, принцип последовательного переноса, являющийся
одним из основных достоинств ПЗС и обеспечивающий на определен-
ном этапе преимущества перед двухкоординатными матрицами в та-
ком важном параметре, как существенное повышение отношения сиг-
нал/шум и улучшение однородности изображения, тормозит
дальнейшее увеличение качества матрицы. Кроме этого, используе-
мое в ПЗС самосканирование требует бездефектности всех элементов
матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю инфор-
мации всего передающего столбца или строки.
Световая характеристика ПЗС в рабочем диапазоне освещенно-
сти линейна (рис.6.20). Точка / соответствует выходному сигналу в
отсутствие освещения и определяет темновой ток, обусловленный в
большой степени термогенерацией неосновных носителей. Точка 2
характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное за-
полнение потенциальной ямы неосновными носителями. Глубина по-
тенциальной ямы определяется конструктивными параметрами мат-
рицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено
напряжением пробоя МОП-конденсатора.
Спектральная чувствительность матричного формирователя
(рис.6.21) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в
области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая ./), который обусловлен силь-
ным поглощением на этом участке спектра нанесенными на полупро-
133
Рис. 6.20. Световая характе-
ристика матрицы ПЗС
3(Л)
1,0
0,2
0,1
0,04
0,02
0,01 —I
ЦЗ 0,5 0,7 00 1,1Л,нм
Рис. 6.21. Спектральная ха
рактеристика матрицы ПЗС
водниковую подложку поликремниевыми электродами. Для повыше-
ния чувствительности в этой области спектра в поликремниевых элек-
тродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно 15...20 %
от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло
чувствительность матрицы на длине волны А, = 0,4 мкм до 20 % (кри-
вая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении.
Разрешающая способность определяется числом элементов на-
копления в матрице ПЗС. Увеличению числа элементов матрицы пре
пятствуют технологические трудности, а также ухудшение парамет-
ров сигнала изображения, связанное с неэффективностью переноса
изображения. Разработанная отечественная матрица с числом эле-
ментов 580x532 обеспечивает в стандартном телевизионном режиме
разрешение 450 ТВ линий. Чувствительность матрицы достигает
50 мкА/лм и соизмерима с чувствительностью современных передаю-
щих ЭЛТ.
Совершенствование телевизионных передающих трубок направ-
лено на улучшение их качественных показателей, особенно разреша-
ющей способности, которая определяется структурой и конечным
значением поверхностной проводимости мишени, а также сечением
коммутирующего (считывающего) луча. Необходимость повышения
разрешающей способности трубки становится очевидной при разра-
ботке телевизионной аппаратуры систем высокой четкости (ТВЧ). С
этой целью фирма ’’Hitachi” разработала трубки типа сатикон, где в
качестве фотопроводящего слоя использована аморфная среда в виде
халкогенидного стекла Se, Ag, Те, состоящего главным образом из
селена, особо легированного мышьяком и теллуром. Малая толщина
слоя мишени и особенности ее структуры позволяют существенно
увеличить разрешение трубки. Уменьшение апертуры луча трубки
путем совершенствования ее электронно-оптической системы допол-
нительно увеличило ее разрешающую способность и сделало трубку
типа сатикон пригодной для использования в системе ТВЧ.
134
ГЛABA 7
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Преобразователи электрических сигналов в оптическое изображение — устройства
воспроизведения ТВ изображения — могут быть разделены на устройства прямогоиаблю-
деиия и проекционные. Наиболее распространены устройства прямого наблюдения —
монохромные и цветные электронно-лучевые приемные трубки — кинескопы. Они обеспе-
чивают получение ТВ изображения площадью до 0,25...0,5 м , предназначенного для про-
смотра небольшим числом зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует увели-
чения размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков квадратных метров.
Для этого используются проекционные воспроизводящие устройства: высокойркне проек-
ционные кинескопы, лазерные проекторы и светоклапаиные системы.
Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам воспроизведения ТВ
изображения, являются: необходимые размеры экрана, достаточная яркость, способ-
ность к созданию изображения с высоким контрастом, высокая разрешающая способ-
ность, позволяющая различать наиболее мелкие детали изображения, а также размеры
воспроизводящих устройств, стабильность их характеристик и т.д.
7.1. КИНЕСКОПЫ ЧЕРНО-БЕЛОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Кинескоп — приемная электронно-лучевая трубка с люминофор-
ным экраном, преобразующая мгновенные значения сигнала изобра-
жения в последовательность световых импульсов, совокупность кото-
рых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в
кинескопе является сфокусированный электронный луч. Воспроизве-
дение изображения на экране обеспечивается отклонением тока луча
по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображе
ния.
По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в ко-
торых изображение создается непосредственно на экране, и проекци-
онные. Последние используются для проекции изображения иа боль-
шой экран и в системах бегущего светового луча. Наиболее широко
распространены кинескопы прямого наблюдения. Они применяются
в индивидуальных ТВ приемниках, видеоконтрольных устройствах
(ВКУ), используемых на ТВ центрах, и в промышленных телевизион-
ных устройствах (ПТУ), видоискателях передающих телевизионных
камер и др.
Устройство кинескопа схематически изображено на рис.7.1,а. Ос-
новными частями являются: стеклянная колба 8, электронно-оптиче-
ская система 2, формирующая электронный луч, и люминофорный
экран 7. На горловине кинескопа помещается отклоняющая система
3, с помощью которой формируется магнитное поле, обеспечивающее
перемещение электронного луча в процессе развертки изображения.
Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тонкой
пленкой алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы помещен
электронный прожектор 2. Второй аиод прожектора соединен с про-
135
б)
Рис 7 1. Кинескоп черно-
белого телевидения
водящим покрытием 4, нанесенным на внутреннюю поверхность кол-
бы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а осталь-
ных электродов— через цоколь/.
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 тока луча. Электронный прожектор должен сформиро-
вать электронный луч с током в несколько сот микроампер и диамет-
ром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также обеспечить
возможность модуляции тока луча сигналом изображения. Причем
для получения изображения с требуемой контрастностью при прием-
лемых уровнях модулирующего сигнала прожектор должен обладать
достаточно крутой модуляционной характеристикой. Электронный
луч может быть сфокусирован с помощью электромагнитных или
электростатических полей. Преобладающая часть современных кине-
скопов имеет электронный прожектор с электростатической фокуси-
ровкой, которая не требует увеличения габаритов отклоняющих сис-
тем за счет размещения в их корпусе фокусирующей катушки,
дополнительного увеличения мощности источников питания, менее
чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна во вре-
мени, в связи с чем не требует оперативной регулировки.
Конструктивно электронный прожектор представляет собой сис-
тему цилиндрических электродов (см.рис.7.1,б)и состоит из подогре-
вателя 1, термокатода 2, модулятора 3, ускоряющего электрода 4,
фокусирующего электрода 5, второго анода 6. Построенный по такой
схеме прожектор называется пентодным. Применение пентодного
прожектора в кинескопе позволяет ослабить влияние изменения по-
тенциала ускоряющего электрода на качество фокусировки элект-
ронного луча.
Большинство прожекторов современных кинескопов строят по
двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электронного
136
Рис. 7.2. Фокусировка электронного луча.
а — выход электронов из прожектора; б — даухлинзовая оптическая система
луча осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объектива и
в поле главной фокусирующей линзы.
Иммерсионный объектив (рис.7.2) состоит из термокатода /.моду-
лятора 2 и ускоряющего электрода 3. Благодаря высокой разности
потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (Ц, =
=500—800 В) и малому расстоянию между этими электродами в зоне
иммерсионного объектива создается сильная напряженность элект-
рического поля, конфигурация сечения эквивалентных поверхностей
которого на рис.7.2,а обозначена штриховыми линиями. Эмиттируе-
мые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерсионного
объектива (рис.7.2,а,б) и собираются в плоскости его фокуса в узкий
пучок, сечение которого называется кроссовером (Кр). Диаметр крос-
совера оказывается значительно меньше диаметра той части катода,
с которой электроны попадают в отверстие модулятора. После крос-
совера пучок электронов снова расходится и попадает в фокусирую-
щее поле главной фокусирующей линзы, которая переносит изобра-
жение Кр в плоскость экрана, при этом сечение пучка в плоскости
экрана имеет размер Кр. Таким образом, использование двухлинзо-
вой оптической схемы (рис.7.2,б) позволяет сравнительно просто полу-
чить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при
существенно большем радиусе эмиттирующей поверхности катода.
137
7.3. ЭКРАН КИНЕСКОПА
Для преобразования сигнала в световое изображение использует-
ся 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 такими свойствами,
называются люминофорами (lumen — свет (лат.), phonos — несущий
(греч.)).
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, представля-
ют собой кристаллические вещества различного химического состава.
Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цинка, кад-
мия, магния, кальция, активированные различными металлами. Ак-
тивацией добиваются повышения эффективности и необходимого
спектрального состава излучения. Электрооптические характеристи-
ки люминофорных экранов зависят от химического состава вещества
люминофора, технологии его нанесения и условий возбуждения. Хи-
мический состав люминофора обозначается обычными символами: на
первом месте —основное вещество, затем — в скобках— активатор.
Например, сульфид цинка, активированный медью, записывается 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 %; GdS (Ag) 53 %. Спек-
тральная характеристика излучения данной смеси имеет два макси-
мума (рис.7.3, кривая /). Первый максимум находится в области из-
лучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй
максимум совпадает с кривой стандартной относительной видности
глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет
свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответст-
вует цветовой температуре 9700 К.
Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа явля-
ется его инерционность, определяющая длительности возгорания и
138
Рис. 7.3. Спектральные характерной
кн люминофора черно-белых кинеско-
пов
Рнс. 7.4. Характеристика послесвече-
ния люминофора
послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофора
тэ достаточно мала. Основным параметром инерционности люмино-
фора является длительность послесвечения Тк, в течение которой
яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения после
прекращения *&озбуждения люминофора (рис 7.4, кривая /'). Длитель-
ность послесвечения является существенным параметром при выборе
люминофора для экранов электронно-лучевых приборов различного
назначения. Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь
длительность послесвечения, равную времени передачи одного кадра
изображения. Требование это становится очевидным, если вспомнить,
что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Тальбота
(см. § 2.2):
г
О
где L(t) — функция изменения яркости элемента изображения во
времени, которой в данном случае соответствует кривая, характери-
зующая возгорание и затухание люминофора; Т — период повторения
световых импульсов, равный времени передачи кадра Тк. Если L(t)
аппроксимировать треугольной функцией (см.рис. 7.4, штриховая ли-
ния), что в первом приближении допустимо, то
^нэ = 0.5^ + 0.5^£ям,,
К к
т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых —
яркости элемента при возгорании люминофора и яркости элемента
при его затухании. Учитывая, чтотэ/7’к = \/N, где N — число элемен-
тов в кадре, примерно равное для вещательного телевизионного стан-
дарта N = 0,5-106, а ГПС/7К — 1 .можем записать — 0,25- +
+0,5Lm„.
139
Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется
послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвече-
ния для приемных телевизионных трубок Твс желательно иметь рав-
ной длительности кадра Тк. Увеличение длительности послесвечения
приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене кад-
ров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения нежела-
тельно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображения
движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдущего
кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если оста-
точный сигнал не превышает 5%.
Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойст-
вам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры
экранов этих кинескопов должны иметь малую длительность после-
свечения, не превышающую время коммутации одного элемента изо-
бражения (около 7,7• 10-8с). 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 усилителя (ФЭУ) определяется
яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амп-
литуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания
передаваемого элемента изображения. При Гпс> тэ сигнал на выходе
ФЭУ будет определяться не только яркостью пятна передаваемого
элемента изображения, но яркостями соседних, уже скоммутирован-
ных элементов, что приведет к потере четкости и контрастности мел-
ких деталей изображения. Так как получить необходимую длитель-
ность послесвечения для экранов, излучающих в видимом диапазоне,
не удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусмат-
ривается схема коррекции послесвечения.
Эффективность преобразования энергии электронов луча в свето-
вое излучение характеризуется светоотдачей экрана fe, определяемой
отношением силы света /, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт,
электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электронов луча,
типа люминофора, способов его нанесения и может изменяться от
десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт.
Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпи-
рической зависимостью
1 = (7.1)
где k — светоотдача; 1Я — ток луча; и2 — напряжение второго анода
кинескопа; и0 — пороговое напряжение второго анода, при котором
происходит возбуждение люминофора.
Для современных люминофорных экранов и0^= 1...2кВ;л — пока-
затель степени, определяемый физическими свойствами люминофо-
ров и условиями его возбуждения. При токе луча 1Я = 100...150 мкА и
ускоряющем напряжении и2> 10 кВ; л = 1. Современные кинескопы
работают при и2 = 12...18 кВ и более, поэтому напряжение и0 < и2 и
140
им можно пренебречь. Принимая п = 1, с достаточной для практики
точностью можно считать, что сила света
^ki^kP,, (7.2)
где Ра — мощность электронного луча.
При принятых условиях светоотдача k оказывается постоянной
величиной. Поэтому сила света /, а следовательно, и яркость экрана
^k = //S,k = *P./Sm,
(где SSK — площадь экрана кинескопа, м2) могут быть увеличены по-
вышением мощности электронного луча Рл. Поскольку увеличение
тока луча свыше 100... 150 мкА приводит к заметной расфокусировке,
яркость экрана увеличивают путем повышения ускоряющего напря-
жения и2. Потенциал экрана необходимо принудительно поддержи-
вать 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, элек-
трически соединенное со вторым анодом прожектора. Это позволяет
эффективно отводить вторичные электроны с экрана кинескопа, обес-
печивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран совре-
менного кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесен-
ный на дно колбы кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрыт
пленкой алюминия толщиной 0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электри-
ческий контакт между люминофором и вторым анодом прожектора.
Пленка практически прозрачна для электронов луча, которые при
ускоряющих напряжениях свыше 8...10 кВ беспрепятственно прони-
кают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение.
Для световых лучей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как
зеркало, отражает световое излучение люминофора, повышая свето-
отдачу экрана более чем в 1,5 раза.
Кроме увеличения эффективности металлизированный экран по-
зволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при уст-
ранении подсветки экрана от внутренних поверхностей колбы, дета-
лей электронного прожектора и соседних участков, расположенных
на сферической поверхности. Он также предохраняет люминофор от
Рис. 7.5. Влияние дымчатого
стекла на контраст мелких дета-
лей
141
бомбардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необ-
ходимость введения в электронный прожектор ионных ловушек.
Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изобра-
жения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть
расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люмино-
фора (рис.7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, на границе
стекло — воздух отражается обратно, освещая соседние с точкой
участки (рис.7.5, точка Г). В результате ярко светящаяся точка экра-
на оказывается окруженной менее ярким кольцом — ореолом, что и
является причиной снижения контраста. Для увеличения контраста
изображения экран колбы современного кинескопа изготовляют из
специального стекла, являющегося нейтральным фильтром. Такое
стекло называют дымчатым, контрастным, протицрореольным.
Ослабление ореола происходи/за счет поглощения части света в
толще экрана колбы. Прямой световой луч Ц от светящейся точки
люминофора проходит путь ДБ (рис.7.5), а световой луч вредной под-
светки /2, вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь
АВГД и поглощается значительно больше. Использование противо-
ореольного стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в
15 раз.
Промышленностью выпускается большая номенклатура кинеско-
пов с диагональю экрана 6...71 см. Гостированное условное обозначе-
ние электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, напри-
мер 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана;
буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характеризует тип
электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана —
белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указывает на то, что
кинескоп цветной.
7.4. КИНЕСКОПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Общие сведения. Для получения цветного изображения в большинстве современ-
ных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств используется один элект-
ровакуумный прибор — цветной кинескоп, в котором цветные изображения формиру-
ются из трех цнетоделенных методом пространственного смешения цветов. В
большинстве разработанных кинескопов используется трехрастровая система, при ко-
торой на экране кинескопа формируются три одноцветных растра — красный, зеленый
и синий, совмещенные с достаточной степенью точности друг с другом. Трехрастровая
система предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов и трех
люминофорных групп, спектральное излучение которых соответствует красному, зеле-
ному и синему цветам. Разделение цветов, т.е. обеспечение правильного попадания
каждого из лучей на люминофорные элементы экрана "своего" цвета, обеспечивается
с помощью теневой маски. Такие кинескопы часто называют масочными. По способу
расположения прожекторов кинескопы делятся на дельта-кинескопы, прожекторы ко-
торых, а также люминофорные группы расположены в вершинах равностороннего
треугольника, и на компланарные кинескопы с расположением прожекторов в одной
плоскости и линейчатыми люминофорными группами.
142
Масочный кинескоп с дел ьтавидиым расположением прожекторов. Схематическое
изображение цветного масочного дельта-кинескопа представлено на рис.7.6. Особен-
ностью его устройства является расположение трех электронных прожекторов в горло-
вине колбы симметрично относительно оси и наличие мозаичного люминофорного экра-
на. Прожекторы кинескопа крепятся в вершинах равностороннего треугольника
(см.разрез А — Л) и наклонены к оси кинескопа на угол примерно 1°. Экран кинескопа
представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю
поверхность которой в определенной последовательности нанесены группы люмино-
форных зерен трех цветов: красного, зеленого и синего. Люминофорная группа, состо-
ящая из трех разноцветных зерен, называется триадой. Диаметр каждого люминофор-
ного зерна примерно 0,45 мм. Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры с
внутренней стороны экрана покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со
вторым анодом.
Для направления электронных лучей на "свои” люминофорные зерна используется
теневая маска, установленная на расстоянии 12 мм от экрана. Она изготовлена из
листовой стали толщиной 0,15 мм и практически повторяет форму экрана. В маске
вырезаны круглые отверстия диаметром 0,25 мм, число которых равно числу люмино-
форных триад, т.е. 550-103.
Принцип попадания электронных лучей на "свои" люминофорные зерна заключа-
ется в том, что три луча, направленные из трех разнесенных на плоскости XOY точек
(рис.7.7), являющихся центрами электронных прожекторов, пересекаются в одной точ-
ке, геометрическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь
нее, попадают на соответствующие люминофорные зерна триад. Центры люминофор-
ных зерен триад располагаются в вершинах равностороннего треугольника и являются
143
Рис 7 7 Принцип попадания лучей на
люминофорные зерна своего цвета
проекцией центров электронных прожекторов. Для осуществления этого принципа
взаимное расположение прожекторов, их наклон к оси кинескопов, расстояние от цент-
ра отклонения электронного луча до теневой маски и от теневой маски до экрана
должны быть связаны определенными геометрическими соотношениями [25] Точность
попадания электронных лучей на свои люминофорные зерна зависит от точности реа
лнзацнн этого соотношения, т.е. от технологической точности изготовления кинескопа
Недостаточная точность реализации приводит к нарушению правильности попадания
лучей, которое вызывает следующие специфические для цветного кинескопа искаже
ння изображения.
1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием электронного луча час-
тично или полностью на "чужие" люминофорные зерна, которое возникает прн боковом
смещении или наклоне блока электронных прожекторов относительно'осн кинескопа,
неправильном положении отклоняющей системы относительно экрана кинескопа, а
также под влиянием внешних магнитных полей, в частности магнитного поля Земли.
Нарушение чистоты цвета, вызванное недостаточно точной установкой блока элек
тронных прожекторов н влиянием внешних магнитных полей, корректируется с по
мощью расположенного на горловине кинескопа магнита чистоты цвета (МЧ) 7
(см.рнс.7.6), позволяющего изменять величину и направление магнитного поля
(рис.7.8,а) и тем самым осуществлять одновременное перемещение трех лучей в одном
направлении, добиваясь их правильного попадания на люминофорные зерна. Конструк-
тивно МЧ обычно выполняются ввидедвух намагниченных по диаметру колец, вложен-
ных одно в другое и допускающих одновременный или независимый поворот их относи-
тельно осн кинескопа (рис.7.8,а, /).
Магнитное поле изменяется от максимального до минимального поворотом колец
друг относительно друга на угол а (рис.7 8,а //). Магнитное поле максимально прн а =
—О и минимально при а = 180°. Для изменения направления магнитного поля оба
кольца поворачиваются вместе (рис.7.8,а,///).
2. Несовмещение изображений от разных растров, обусловленное попаданием не-
отклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в соседние или отстоящие друг
от друга на некотором расстоянии, которое возникает при неточном изготовлении и
сборке блока электронных прожекторов, например несоблюдении заданных угловых
величин и т.д. Для коррекции этого несовмещения, т.е. сведения трех неотклоненных
электронных лучей в одну люминофорную триаду, служат постоянные магниты регу-
144
лятора сведения 6 (рис.7.8,6), обеспечивающие возможность независимого перемеще-
ния лучей в радиальном направлении, корректирующего их траекторию.
3 Рассовмещенне электронных лучей при их отклонении от центра к краю экрана,
обусловленное следующими основными причинами:
а) наличием трех электронных прожекторов, с мешенных относительно оси кинеско-
па и имеющих с ней угол наклона 1°; это приводит к появлению на экране кинескопа
трех смешенных друг относительно друга трапецеидальных растров (рнс.7 9);
б) нахождением геометрических мест пересечения трех лучей прн их отклонении на
поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом наклона прожекторов
(1°) и значительно меньше радиуса кривизны экрана. Поэтому при отклонении от цен-
тра к периферии экрана электронные лучи будут достигать плоскости маски в виде
расходящихся пучков (рис.7.10) и попадать на люминофорные зерна разных трнад[25).
Помимо рассовмещення изображений наличие относительно плоского экрана приво-
дит, как и в случае с черно-белым кинескопом, к подушкообразным искажениям растра
Рнс. 7.9. Рассовмещенне
цветных растров на экра-
не кинескопа
Рис. 7.10. Рассовмеще-
нне электронных лучей
прн отклонении
145
Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведе-
ния лучей, для коррекции которого используется система динамического сведения,
конструктивно объединенная с системой статического сведения.
Устройство динамического и статического сведения 5,6 (рис.7.6) состоит из введен-
ного в конструкцию электронного прожектора цилиндра сведения 1 (см.рис.7.8,б), со-
держащего внутри экраны 2 и полюсные наконечники 3, и трех пар П образных магии
топроводов регуляторов сведения 4. Динамическое сведение обеспечивается путем
пропускания через обмотки электромагнитов 5 регулятора сведения токов кадровой и
строчной частот специальной формы. Статическое сведение достигается вращением
помещенных в зазорах средней части П-образного сердечника постоянных магнитов 6
обеспечивающих независимое радиальное перемещение лучей. В некоторых случаях
только радиальное смещение лучей не обеспечивает полное их сведение в одну триаду
Требуется дополнительное тангенциальное перемещение одного из лучей, которое
Обычно обеспечивается с помощью магнита бокового смещения синего луча, помещен-
ного на горловине кинескопа (рис. 7.8,в).
Масочный кинескоп с триадным дельтавидным расположением прожекторов в
настоящее время применяется в большинстве эксплуатируемых телевизоров и ВКУ,
однако имеет существенные недостатки, основными из которых являются иеобходи
мость сложных схем динамического сведения лучей и малая прозрачность теневой
маски, задерживающей более 80 % тока в каждом электронном луче.
Масочный кинескоп с компланарным расположением прожекто-
ров. В масочном кинескопе с компланарным расположением прожек-
торов /оси трех электронных прожекторов находятся водной горизон-
тальной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого)
совпадает с осью кинескопа, а оси двух других прожекторов поверну-
ты к оси кинескопа на угол 1,5° (рнс.7.11,а). Кинескоп имеет линейча-
тую структуру люминофорного покрытия экрана 3(рис.7.11,6) и тене-
вую щелевую маску 2. Отверстия в теневой маске выполнены в виде
кзскзс
Z. _ 1 _ “7/° 1 а) кзс \ е<ю 1 г) 1 гл о°п° и 0и 0 ВМ lnM S) 6) Рис. 7.II. Кинескоп с компла- нарной оптикой и щелевой мас- кон: / — электронные прожекторы; 2 — щеле- вая маска; 3 — экран с люминофорным по- крытием
146
вертикальных прорезей — щелей и имеют горизонтальные перемыч-
ки, увеличивающие ее механическую прочность (рис.7.11,в).
Основные преимущества кинескопа с компланарным расположе-
нием прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключаются в
следующем.
1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости де-
лает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает меха-
низм 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-
ченные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать
с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении.
2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как щеле
вая маска обладает более высокой прозрачностью для возбуждаю-
щих люминофорный экран электронов, чем маска, имеющая круглые
у отверстия.
3 Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на ’’чужую”
люминофорную полосу может попадать только водном (горизонталь-
ном) направлении. По этой же причине на чистоту цвета в компланар-
ных кинескопах значительно меньшее влияние оказывает магнитное
поле Земли, конкретно — только ее вертикальная составляющая,
сдвигающая луч в горизонтальном направлении.
4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу са-
мосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и схе-
мы статического и динамического сведения. Действительно, в комп-
ланарном кинескопе отклонение трех лучей в равномерном
магнитном поле приводит к расслоению вертикальных линий слева и
справа (рис.7.11,г). Такое расслоение может быть скорректировано с
помощью неравномерного магнитного поля, обладающего астигма-
тизмом при отклонении пучка электронов. Астигматизм, как извест-
но, проявляется в том, что сечение пучка электронов при его отклоне-
нии от центра экрана к периферии становится не круглым, а
эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована в
направлении отклонения (положительный астигматизм) или перпен-
дикулярно к нему (отрицательный астигматизм). Такое изменение
формы сечения электронного луча при отклонении можно рассматри-
вать как сближение крайних нитей пучка, образующих вытянутую
часть его сечения (эллипса). Аналогичное явление происходит с элек-
тронными лучами синего и красного прожекторов, которые при откло-
нении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом, сближа-
ются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав заданную
степень астигматизма, можно полностью скомпенсировать рассовме-
щение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компланарных
кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в центре
экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их в не-
равномерном поле, обладающем заданным астигматизмом. Требуе-
147
мое поле создается подбором формы и плотности распределения вит-
ков 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 конфи-
гурации магнитного поля отклоняющих систем. Для выполнения это-
го требования блок прожектора должен быть выполнен в виде единого
конструктивного узла, а сам кинескоп выпускается в комплекте с
закрепленной к горловине отклоняющей системой, положение кото-
рой предварительно тщательно юстируется с целью получения опти-
мальных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом,
используемым при настройке комплекса кинескоп — отклоняющая
система, является также магнитостатическое устройство, включаю-
щее в себя магниты чистоты цвета и статического сведения, установ-
ленные на горловине кинескопа позади отклоняющей системы. По
принципу действия эти устройства аналогичны подобным устройст-
вам, работающим в кинескопе с треугольным расположением про-
жекторов. Однако оптимальное положение их регулирующих элемен-
тов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе комплекса
кинескоп — отклоняющая система и в дальнейшем в процессе экс-
плуатации не регулируется.
7.5. СИСТЕМЫ БОЛЬШОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ЭКРАНА
Общие сведения. Одним из направлений улучшения качества ТВ
изображения является увеличение размеров экрана. Большой экран
позволяет производить коллективный просмотр ТВ передач в домах
отдыха, клубах, санаториях, общежитиях или в специально созданных
телевизионных театрах. Он широко применяется и в прикладных ТВ
системах, например, для имитации окружающей визуальной обста-
новки в телевизионных тренажерах, а также при слежении за работой
и управлении космическими летательными аппаратами. Телевизион-
ное изображение увеличенного размера оказывает существенно боль-
шее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект при-
сутствия при наблюдении демонстрируемых событий. Потребность в
увеличении размеров экрана, безусловно, возрастает в случае внед-
рения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения.
Системы с большим ТВ экраном по требуемой площади могут быть
условно разделены на две группы: 1) экран с площадью до 12 м2;
2) экран площадью от 12 м2 и выше (обычно не более 100 м2).
Принципиально ТВ изображение таких размеров может быть полу-
чено как с помощью устройств непосредственного наблюдения с пло-
скими экранами, так и с помощью проекционных устройств. Плоские
ТВ безвакуумные экраны могут быть реализованы на основе газовых
и светодиодных самосканирующих панелей, эффекта электролюми-
несценции в пленочных люминофорах, динамического рассеяния све-
та в жидких кристаллах и т.д. Однако устройства с такими экранами
148
до настоящего времени не вышли из стадии лабораторных разрабо-
ток.
В настоящее время для получения ТВ изображения на большом
экране используют проекционные системы. Причем для получения ТВ
изображения с размерами, относящимися к первой группе устройств,
его проецируют непосредственно с экрана кинескопа с помощью лин-
зовых или зеркально-линзовых оптических устройств. Яркость изо-
бражения в таких устройствах определяется яркостью свечения кине-
скопа, площадью экрана и его отражательными свойствами, а также
коэффициентом оптической передачи (КОП) проекционной оптики.
Коэффициент оптической передачи зеркально-линзовых систем в
среднем в 3 раза выше линзовых. Поэтому для получения предельной
площади экрана первой группы систем применяют зеркально-линзо-
вое проекционное устройство, чаще всего наиболее светосильное из
них — оптику Шмидта, позволяющую использовать до 30 % светового
потока, излучаемого кинескопом. Трудоемкость изготовления и на-
стройка зеркально-линзовой оптики делает нецелесообразным при-
менение ее в проекционных системах с площадями экрана менее 3 м2.
В таких системах применяется обычная линзовая оптика, КОП кото-
рой не превышает 7...Э %.
В проекционных ТВ системах кинескоп является устройством,
обеспечивающим излучение, отклонение и модуляцию светового луча
по интенсивности сигналом изображения. Увеличение яркости экрана
в них при данной светоотдаче может быть получено за счет увеличения
мощности возбуждающего люминофор тока луча путем увеличения
анодного напряжения до 25...50 кВ. Дальнейшее увеличение анодного
напряжения усложняет конструкцию проекционного устройства и его
обслуживание, а также уменьшает срок службы проекционного кине-
скопа. Таким образом, яркость, а следовательно, и размер ТВ изобра-
жения, полученного с помощью проекционной системы, имеет опреде-
ленный предел. Практика использования проекционных ТВ систем на
кинескопе показала, что их целесообразно применять для получения
изображения на экране размером до 12 м2.
Поиск путей создания более эффективных проекционных систем
привел к разработке так называемых светоклапанных устройств, в
которых функции излучения и модуляции светового потока разделе-
ны. В этих устройствах ТВ сигнал воздействует на пространственные
модуляторы света(ПМС), модулирующие световой поток от внешнего
источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. Это
позволяет практически неограниченно повысить интенсивность излу-
чения, которая определяется лишь мощностью внешнего источника
света. Подразделяются ПМС на модуляторы с прямой модуляцией
светового потока, в которых под действием модулирующего ТВ сигна-
ла меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирую-
щей среды, в результате чего ПМС становится носителем "промежу-
точного изображения” (аналогичного по своим оптическим свойствам
изображению диапозитива). Такое ’’промежуточное изображение”
149
проецируется на большой экран с помощью внешнего мощного источ-
ника света. При этом световой поток, проходящий через ПМС, изме-
няется по интенсивности в соответствии с распределением плдтностей
отдельных участков ПМС.
В модуляторах другого типа под действием модулирующего ТВ
сигнала меняются такие оптические свойства модулирующей среды,
которые без применения специальных дополнительных устройств не
дают изменений интенсивности светового потока, а следовательно, и
воспринимаемого глазом изображения. К таким свойствам следует
отнести изменение формы поверхности модулирующей среды, приво-
дящей к оптической разности хода лучей, изменение плоскости поля-
ризации проходящего сквозь модулятор светового потока и т.д. В
таких ПМС для модуляции светового потока по интенсивности на пути
оптической проекции кроме модулирующей среды необходимо уста-
новить дополнительные устройства, преобразующие изменение ука-
занных параметров в изменение интенсивности светового потока. На-
пример, при изменении формы поверхности модулирующей среды
таким устройством должна быть щелевая оптика, а при изменении
угла поляризации — два взаимно перпендикулярных поляризатора.
Отечественной промышленностью выпускаются два типа телеви-
зионных устройств с большим экраном: цветной проекционный теле-
визор и ТВ проекционное светоклапанное устройство ’’Аристон”
(Ariston (греч.)— наилучший).
Цветной проекционный телевизор. Цветной проекционный телеви-
зор ТВ 01-ПЦ предназначен для коллективного просмотра цветных
передач в общежитиях, домах отдыха, санаториях, а также может
быть использован в домашних условиях. Цветное изображение полу-
чается совмещением посредством оптической проекции на отража-
тельный экран красного, зеленого и синего изображений, полученных
на экранах трех планарно расположенных проекционных кинескопов
с люминофорами соответственно красного, зеленого и синего свечения
(рис.7.12). Проекционные кинескопы представляют собой высокояр-
кие электронно-лучевые приборы с прямоугольными экранами, диа-
гональ которых равна 16см. Для проекции изображения использова-’
на линзовая оптика, причем проектор и экран объединены в единую
конструкцию (рис.7.13). Наблюдение изображения осуществляется
на светорассеивающем направленном экране, отражающем основ-
ную часть падающего на него светового потока в пределах небольшого
угла, который по горизонтали составляет 30°, а по вертикали 10°.
Такая направленная отражательная способность экрана увеличива-
ет яркость изображения в 8 раз по сравнению с яркостью, получаемой
от диффузно рассеивающего экрана, что позволяет получить на экра-
не с диагональю 115 см яркость 50 кд/м2. Компенсация неравномер-
ности яркости по поверхности экрана, возникающей в результате ши-
рокоугольной проекции трех геометрически разнесенных растров,
обеспечивается приданием поверхности экрана сферической формы
с большим радиусом кривизны. Три цветоделенных изображения —
150
Рис. 7.12. Оптическая схема получения
цветного изображения проекцией цве-
тоделеиных изображений на отража-
тельный экран
Рнс. 7.13. Цветной проекционный теле-
визор
красного, зеленого и синего свечения — совмещаются на отражатель-
ном экране с помощью специальных электронных устройств. Геометри-
ческие искажения изображения (см.рис.7.12), вызываемые разностью
хода лучей от кинескопов до экрана, устраняются с помощью специаль-
ных устройств для коррекции растра. Для уменьшения габаритов теле-
визора в конструкции применен широко используемый принцип излома
оптической оси с помощью плоского зеркала (см.рис.7.13).
Телевизионное проекционное светоклапанное устройство ’’Ари-
стон”. В СССР было разработано светоклапанное проекционное уст-
ройство, в котором для пространственной модуляции светового пото-
ка используются слой вязкой жидкости (масло ’’Эйдофор”),
деформирующийся под воздействием электронного пучка, и щелевая
оптика. Упрощенная оптическая схема такого устройства схематиче-
ски представлена на рис.7.14. Мощная ксеноновая дуговая лампа 2 с
помощью зеркального отражателя /, конденсора 3, линз 4 и зеркала
"холодного света” 5 равномерно освещает диафрагму 6. Свет, прошед-
ший через отверстие диафрагмы, проецируется линзой 7 и растровым
(щелевым) зеркалом 8 на мишень, состоящую из сферического зерка-
ла 9, покрытого тонким слоем модулирующей среды (масло ’’Эйдо-
фор”) 10. Площадь освещенной мишени определяется величиной ди-
афрагмы. Растровое зеркало состоит из шести зеркал в виде полосок
151
Рнс. 714. Оптическая схема проекцнон
ной телевизионной установки "Ари-
стон”
Рис. 7.15. Изменение угла преломле-
ния обратного светового луча при де-
формации слоя масла:
/ — металлическое зеркало; 2 — слой масла; 3 —
деформированная поверхность масла: а и а — уг-
лы, под которыми световые лучи покидают поверх
ность пленки
и совместно с поверхностью сферического зеркала и слоем нанесенной
на нее вязкой жидкости является световым клапаном Зеркальные
полоски щелевой системы расположены в фокусе сферического экра-
на мишени так, что лучи, отраженные от сферического зеркала, про-
шедшие через недеформированную поверхность модулирующей жид-
кости, отражаются полосками растрового зеркала обратно к
источнику света и поэтому не попадают в проекционный объектив 12
и зрительный экран 13. Если поверхность жидкости 2 на металличе-
ском зеркале / окажется деформированной (рис.7.15), световые лучи,
проходя сквозь разную толщину модулирующей жидкости (в соответ-
ствии с глубиной деформации жидкости в данной точке), будут отра-
жены от мишени под различными углами а, отличными от первона-
чального значения. Часть этих лучей пройдет мимо зеркальных полос
и попадет через объектив 12 на экран 13. Освещенность экрана тем
больше, чем больше глубина деформации. Деформация поверхности
жидкости образуется под действием электростатических сил, кото-
рые вызываются электрическими зарядами, возникающими на участ-
ке поверхности жидкости в момент коммутации ее развертывающим
электронным лучом. Глубина деформации слоя жидкости определя-
ется интенсивностью электронного луча, поэтому при модуляции его
сигналом изображения на поверхности мишени возникает рельеф де-
формаций 3. т.е. каждому элементу изображения соответствует опре-
деленная глубина деформации слоя жидкости. Лучи света, отклонен-
ные благодаря этим деформациям от первоначального направления,
создают на экране 13 ТВ изображение. Деформация участка поверх-
ности светомодулирующей среды сохраняется и после ухода с этого
152
участка электронного луча. Время сохранения деформации опреде-
ляет скорость исчезновения заряда участка мишени, зависящую от
электропроводности среды, а также механические свойства среды —
вязкость и поверхностное натяжение. Соответствующим подбором
проводимости и вязкости жидкости обеспечивают сохранение релье-
фа деформации втечение большей части периода кадровой развертки.
Это приводит к тому, что лучи света, проходящие через пространст-
венный модулятор, освещают каждую точку изображения на экране
13 в течение активной части кадра, что в соответствии с законом
Тальбота существенно увеличивает яркость экрана.
К достоинствам установки ’’Аристон” относится возможность вос-
произведения черно-белых и цветных изображений на экране разме-
рами до 50 м2 с высокими яркостью, четкостью и контрастом. При
использовании ксеноновой лампы мощностью 3000 Вт световой поток,
падающий на экран, достигает 5500 лм. Контраст изображения дости-
гает 100:1, четкость изображения может быть обеспечена до 1000
строк.
Существенными недостатками установки являются большие габа-
риты (1000x940x460 мм) и масса (более 100 кг), высокая стоимость и
сложность обслуживания, связанная с наличием ряда вспомогатель-
ных устройств — вакуумного насоса непрерывной откачки, замкну-
той системы водяного охлаждения мишени, системы воздушного ох-
лаждения.
Матричные плоские экраны. Широко распространенным и знако-
мым видом плоского экрана является матричное табло с растром из
большого числа ламп накаливания, яркость свечения которых регу-
лируется методом шнротно-импульсной модуляции (ШИМ). Такие
видеопанели матрично-лампового типа отличаются умеренной сто-
имостью, сравнительно высокой яркостью и достаточно большими
размерами экрана. Основной недостаток матрично ламповых видео-
панелей — малая четкость и низкая надежность ламп, приводящая к
появлению точечных дефектов.
Значительно более высокое качество изображения обеспечивает
многокинескопная (многоэкранная) видеопанель, состоящая из набо-
ра кинескопов, расположе .ных вплотную друг к другу так. чтобы
общий формат панели совпадал с форматом телевизионного изобра-
жения. Число кинескопов для разных моделей различно — от 4 (2x2)
до 100(10x10). Диагональ экрана каждого кинескопа обычно превы-
шает 60 см.
Телевизионное изображение в такой видеопанели разбито на от-
дельные фрагменты, число которых равно числу кинескопов. При вос-
произведении полного ТВ изображения лучи всех кинескопов откло-
няются синхронно, а видеосигнал для модуляции этих лучей
соответственно фрагменту изображения поступает от специального
блока обработки на основе кадровых ЗУ. С помощью этого блока
осуществляется ’’расщепление” полного ТВ изображения на отдель-
ные фрагменты.
153
Кинескопная видеопанель обеспечивает высокую яркость изобра-
жения (порядка 100 кд/м), большой срок службы, стабильность пара-
метров и простоту смены отдельных модулей (кинескопов). Использо-
вание программного управления позволяет наряду с режимом
большого изображения получать дополнительные эффекты: осущест-
влять увеличение или уменьшение изображения; создавать полиэк-
ранный эффект, когда на каждый кинескоп подается отдельный ви-
деосигнал от разных источников, и режим размножения изображения,
в котором на все кинескопы подается один и тот же видеосигнал;
осуществлять ’’смывание” изображения чистым цветом и "заморажи-
вание” его, а также различные эффекты при монтажных переходах.
Основной недостаток многокинескопных видеопанелей — замет-
ность решетки, образуемой зазорами между изображениями на от-
дельных кинескопах. Для устранения заметности зазоров используют
тонкие пластмассовые линзы, устанавливаемые перед экранами ки-
нескопов. Необходимое оптическое увеличение изображения каждого
кинескопа этими линзами приводит к тому, что фрагменты наблюда-
емых изображений соприкасаются. Требуемое увеличение приблизи-
тельно равно 1,1 раз.
Высокое качество изображения обеспечивают матричные видео-
панели (экраны), состоящие из большого числа люминесцентных (све-
тоизлучающих) H4eeic(Trini-Lita - TL). Каждая ячейка содержит три-
ады вертикальных прямоугольных люминофорных полосок красного,
зеленого и синего свечения. Возбуждение люминофоров происходит
под действием неотклоняемого потока электронов, излучаемых триа-
дами встроенных в ячейки катодов. Управление яркостью свечения
люминофорных ячеек осуществляется методом ШИМ.
В зависимости от размера экрана используются ячейки трех ти-
пов, отличающиеся количеством и размерами люминофорных поло-
сок (триад). Самые крупные люминофорные полоски имеет ячейка
TL-1, содержащая всего одну триаду и предназначенная для матрич-
ных экранов большой площади. Ячейка TL 2, имея такие же габариты,
как и у TL-1, содержит две триады и предназначена для экранов
меньшей площади — от 48 до 233 м2. Экраны площадью до 48 м2
составляются из ячеек TL-8, которые содержат восемь триад, скомпо-
нованных в два ряда по четыре триады. Серия таких экранов разного
размера и назначения, изготовленная фирмой Sony, получила фир-
менное название Jumbotron.
Экраны Jumbotron, принципиально свободные от ошибок рассов-
мещения, потребляют небольшую мощность и обеспечивают высокую
яркость изображения. Широтно-импульсная модуляция позволяет
получить 256 градаций яркости, а малая инерционность ячеек втрое
увеличивает частоту кадров, что устраняет мелькание яркости при
высокой (до 4000 кд/м2) яркости экрана. Четкость изображения, полу-
чаемого на люминофорных экранах, зависит от их размеров. Экраны
меньших размеров имеют меньшее число триад, а следовательно, и
меньшую четкость. Однако даже самый большой экран площадью
154
1000 м2 имеет 400 триад по горизонтали и 378 рядов по вертикали.
Такая несколько пониженная четкость изображения компенсируется
высокой яркостью и контрастностью люминофорного экрана.
Перспективным является создание цветных просветных видеопа-
нелей, освещенных с тыльной стороны равномерным световым пото-
ком, который сначала проходит через мозаику цветных светофильт-
ров, а затем через мозаику жидкокристаллических элементов. С
помощью последней осуществляется модуляция элементарных цве-
тоделенных световых потоков по интенсивности. Управление жидко-
кристаллическими элементами производится индивидуально соот-
ветствующим отсчетом видеосигнала.
ГЛ А В А 8
РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
8.1. ОТКЛОНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА
Отклоняющая система. Развертка изображений в ТВ устройствах
осуществляется путем отклонения электронного луча по определен-
ному закону. Электронный луч может быть отклонен как с помощью
изменяющихся электрического (используются отклоняющие пласти-
ны), так и электромагнитного (используются отклоняющие катушки
индуктивности) полей. При линейно-строчном законе развертки на
отклоняющие пластины подается отклоняющее пилообразное напря-
жение, а в отклоняющих катушках создается отклоняющий пилооб-
разный ток.
На заре развития электронного телевидения применялись оба спо-
соба отклонения электронного луча. Однако по мере увеличения раз-
меров экрана кинескопа и увеличения угла отклонения стала ясна
непригодность отклонения электронного луча в кинескопе электриче-
ским полем. В этом случае предельный угол отклонения, при котором
еще можно считать дефоку- ировку луча допустимой, составляет ие
более 30°. Для больших экранов современных телевизоров угол откло-
нения электронного луча в кинескопах достигает 110° и более. Элект-
ромагнитное отклонение электронного луча в кинескопе позволяет
получать указанные углы отклонения без существенной дефокусиров-
ки электронного луча. При отклонении электрическим полем для раз-
мера экрана 67 см длина колбы кинескопа будет 123 см, а при откло-
нении электромагнитным полем она равна 24 см, т.е. выигрыш
составляет почти 5 раз.
При отклонении электронного луча электрическим полем необхо-
димо подавать на отклоняющие пластины напряжение, составляю-
щее примерно одну треть от напряжения на главном аноде. Но так как
напряжение на главном аноде в современных кинескопах равно 16...25кВ,
155
отклоняющее напряжение должно быть 5...8 кВ, что достигнуть труд-
но и нецелесообразно экономически. В связи с этим в кинескопах
современных телевизоров используется исключительно электромаг-
нитное отклонение электронного луча. Для электромагнитного откло-
нения луча на ЭЛТ устанавливается отклоняющая система (рис.8.1,
слева изображено равномерное магнитное поле в сечении отклоняю-
щей системы), создающая магнитное поле, которое отклоняет элект-
ронный луч так, чтобы он перемещался по поверхности экрана (мише-
ни) в соответствии с требуемым законом развертки. Закон развертки
определяет изменение во времени напряженности отклоняющего по-
ля и тем самым изменение тока, протекающего по катушкам отклоня-
ющей системы и создающего указанное поле. Объясним воздействие
магнитного поля на электронный луч.
При отклонении электронного луча равномерным электромагнит-
ным полем траектория движения электронов имеет вид окружности с
радиусом
R=±;^2mU /е,
п
где — напряжение на втором аноде; т и е — масса и заряд элект-
рона; Н — напряженность магнитного поля.
Перемещение луча в плоскости экрана у = Ltg а. Из подобия
треугольников ОАВ и CEF следует, что
sina = Я1о/ V2(m/e)U, (8.1)
ИЛИ
(8.2)
где L — расстояние от центра отклоняющего поля до экрана; 10 —
длина отклоняющего поля.
Анализ выражения (8.2) показывает, что при линейном перемеще-
нии луча напряженность поля должна изменяться во времени по
сложному закону. Это особенно важно учитывать при построении
развертывающих устройств для кинескопов еуглом 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 (сплошная кривая), чем от-
клоняющий ток; появляются симметричные геометрические искаже-
ния растра, т.е. края растра получаются растянутыми. Чтобы умень-
шить эти искажения, необходимо добиваться неравномерности
воздействия на луч отклоняющего поля внутри горловины кинескопа,
что достигается либо соответствующей динамической коррекцией
формы тока отклонения (S-коррекция), либо рациональным размеще-
нием витков кадровых катушек (КК) и строчных катушек (СК)
(рис.8.3,а) по сечению.
156
Рис. 8.1. Отклонение электронного лу-
ча в электронно-лучевой трубке
Рис. 8.2. Зависимость отклонения луча
от отклоняющего тока
Связь между напряженностью магнитного поля Н и числом ампер-
витков йо, создающих это поле, определяется интегралом Ампера
§>Hdl = О,4лйо. (8.3)
Интегрирование ведется по замкнутому контуру (/).
Для нашего случая I — замкнутая силовая линия (рис.8.3,а), при-
чем число ампер-витков определяется произведением тока, протека-
ющего в катушках, на число витков, расположенных внутри контура
I. Магнитный сердечник (на рис.8.3,а не показан) имеет магнитную
Рис. 8.3. Поперечное сечение отклоняющей катушки:
а — создание равномерного магнитного поля; б — упрощенный вид пары седловидных катушек
157
проницаемость, в сотни раз большую, чем магнитная проницаемость
вакуума, поэтому и напряженность магнитного поля в сердечнике
оказывается в сотни раз меньшей. Это позволяет пр i вычислении
интеграла (8.3) пренебречь той его частью, которая относится к участ-
ку силовой линии, находящейся внутри сердечника. Кроме того, при
линейном законе развертки на участке силовой линии внутри горло-
вины трубки поле должно быть равномерным, т.е. напряженность
поля Н = const в любой точке горловины. Поэтому
Б
(^Hdl » H^dl = Hdsin q> = 0,4лйоф,
I A
откуда
Hd
,^=^sin<₽’
где d — диаметр горловины трубки.
Для силовой линии, проходящей по диаметру горловины, т.е. при
<р = 90°, полное число ампер-витков пары отклоняющих катушек
iwn = /У(<//0,4л). (8.4)
Подставляя значение Н из(8.4) в(8.1) и зная заряд и массу элект-
рона, получаем
£Х -
i(dn = 2,7 — sin а \
‘0
(8.5)
Таким образом, полное число ампер витков отклоняющей системы
пропорционально синусу угла отклонения электронного луча.
С достаточной для практических расчетов точностью индуктив-
ность пары отклоняющих катушек, Гн,
Ln = /X10-« (8.6)
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 должна располагаться в месте этого перехода. Таким
образом увеличивается электрическая длина катушки и согласно
(8.5) необходимое число отклоняющих ампер-витков может быть
уменьшено. При этом уменьшаются искажения изображения на пери-
ферии экрана за счет краевых эффектов и затенения.
Выведенные соотношения (8.2) и (8.5) основываются на предполо-
жении, что магнитное поле отклоняющей системы однородно и откло-
няющий ток линейно изменяются в течение прямого хода развертки.
Однако, изменив распределение магнитного поля, сделав его неодно-
родным, можно получить другие результаты.
При неоднородности магнитного поля возникают подушкообраз-
158
ные либо бочкообразные искажения. Следовательно, можно, подби-
рая характер неоднородности поля в горловине кинескопа, компенси-
ровать искажения, вносимые плоским экраном кинескопа. Требуемая
для компенсации искажений кинескопа неоднородность поля созда-
ется изменением распределения витков в сечении отклоняющей ка-
тушки. Как видно из рис.8.3,а, для получения равномерного поля рас-
пределение 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<p или cos3q>. Однако введение неоднородных полей
для компенсации геометрических искажений приводит к некоторому
ухудшению фокусировки луча на краях вследствие астигматизма по-
ля. Поэтому часто для черно-белых кинескопов принимают такое рас-
пределение витков, чтобы добиться хорошей фокусировки, а коррек-
тировку поля осуществляют одной или двумя парами
вспомогательных 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
тока, обеспечивающей нужное 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 телеви-
зорах кроме S-коррекции в токах отклонения применяется 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 задан-
ных размеров изображения, создать хорошую фокусировку луча в
пределах всего поля изображения, избежать подушкообразных и дру-
гих геометрических искажений. При этом конструкция должна быть
простой, габариты, масса и стоимость — малыми.
Современная конструкция отклоняющей системы широкоуголь-
ного кинескопа выполнена н i тороидальном панцире из феррита, име-
ющем раскрыв по форме перехода от горловины к раструбу кинеско-
па. Внутрь тора вложена пара катушек СК седловидной формы
(рис.8.3,б), плотно прилегающих к стеклу колбы. В окнах этой пары
катушек (ортогонально) размещаются две встречно включенные КК,
намотанные непосредственно на торе ферритового панциря. При та-
ком исполнении отклоняющая система получается очень компактной
и с минимальными потерями в меди КК, однако с относительно боль-
шой реактивностью, что необходимо учитывать при конструировании
генераторов кадровой развертки.
К конструкции отклоняющих систем для цветных масочных кине-
скопов предъявляется ряд дополнительных требований по сравнению
с отклоняющими системами для черно-белых кинескопов. В них сле-
159
дует обеспечить такое сведение лучей при отклонении, которое позво-
лило бы осуществить необходимое динамическое сведение лучей по
полю экрана, чистоту цвета изображения на экране при соблюдении
жестких допусков на электрические и конструктивные параметры.
Для сравнения отклоняющих систем вводится понятие эффектив-
ности и электрической прочности. Эффективность отклоняющих сис-
тем характеризуется максимальной энергией магнитного поля, необ-
ходимой для полного отклонения лучей:
1) по горизонтали СК
W = LI2 /2U ,
стр maxz/ a’
где 1тах г — амплитуда отклоняющего тока, A; L — результирующая
индуктивность, Гн; Ua— ускоряющее напряжение на втором аноде
кинескопа, кВ;
2) по вертикали КК
WKaap=RI2maxk/Ua,
где 1тах k — амплитуда отклоняющего тока, A; R — результирующее
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 телеви-
зоров в 1,5...2,5 раза меньше, чем отклоняющих систем черно-белых
телевизоров.
Электрическая прочность отклоняющих систем, измеряемая в
вольтах, должна быть больше максимального напряжения Umax на СК
во время обратного хода Тох.
8.2. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
В связи с большой разницей рабочих частот (частота строчной
развертки равна 15625 Гц, а частота полей — 50 Гц, т.е. они отличают-
ся примерно в 300 раз) генераторов развертки строчного и кадрового
отклонений принципы действия и схемы их также различны.
Для воспроизведения неискаженной формы импульсов с точно-
стью, удовлетворяющей практические инженерные расчеты, доста-
точно воспроизвести 20-ю гармонику сигнала. При этом для строчного
генератора верхняя граничная частота спектра сигнала составит
15625x20 = 300 кГц, а для кадрового — всего 50x20 = 1 кГц.
На рис.8.4,а изображена эквивалентная схема отклоняющей сис-
темы. Здесь LK, гк и Ск — соответственно индуктивность, активное
сопротивление и межвитковая емкость катушек отклонения. Емко-
стью Ск в схеме кадровой развертки можно пренебречь, на строчной
же частоте паразитная межвитковая емкость может оказать значи-
тельное влияние на форму и размах отклоняющего тока и напряжения.
160
a) a
Рис. 8.4. Получение пилообраз-
ного тока в отклоняющих катуш-
ках:
а — эквивалентная схема; б — форма на-
пряжений нтока
Пренебрегая емкостью Ск, можно легко определить, какие управ-
ляющие напряжения нужно подавать на отклоняющую систему:
Так как ток, протекающий через катушки, меняется по линейному
закону (рис.8.4,б), то i = ft/T и, следовательно, UK = (LK/T)f +rKI(t/T),
где Т — длительность одной строки или кадра; / — размах тока.
Для получения пилообразного тока в отклоняющих катушках не-
обходимо на катушки подавать напряжение, содержащее пилообраз-
ную и импульсную составляющие.
Когда гк>»>й>Ек, приложенное напряжение практически соответ-
ствует форме протекающего тока, т.е. будет пилообразным (рис.8.4,в).
При rK <5C.wLK напряжение должно иметь импульсную форму, так как
форма его определяется производной тока (рис.8.4,г). Если ыЬк и гк
соизмеримы, то для получения пилообразного тока в катушках откло-
нения требуется подавать напряжение пилообразно-импульсной фор-
мы (рис.8.4,б). Соотношение импульсной и пилообразной составляю-
щих напряжения определяется соотношением значений LK и гк.
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 путем преобразования синхронизирующих им-
пульсов. Однако практически в схему развертывающего устройства
всегда входит специальный генератор напряжений импульсной фор-
мы (генератор импульсов), который синхронизируется приходящими
импульсами. Такая система является более помехоустойчивой, и ее
работа не зависит 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.
161
8.3. ВЫХОДНОЙ КАСКАД СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ
НА ДВУСТОРОННЕМ КЛЮЧЕ
Рассмотрим работу выходного каскада строчной развертки, в ко-
торой в качестве активного прибора выступает ключ К, прерывающий
протекание тока через отклоняющую катушку, как показано на экви-
валентной схеме рис.8.5,а. Для простоты рассуждений можно пред-
ставить, что сопротивление потерь гк от реального ключа и реальной
катушки в цепи выходного каскада равно бесконечно малой величине,
т.е.. гк = 0. В таком случае при замыкании ключа через катушку LK
потечет ток, определяемый как
При достижении некоторого значения 1тах, определенного для дан-
ной отклоняющей катушки, в момент времени (рис. 8.5,6) ключ
размыкается и в контуре из индуктивности LK катушки и емкости С
возникнут свободные колебания. При идеальном контуре эти колеба-
ния будут незатухающими с периодом То. При этом ток изменяется по
косинусоидальному закону, а напряжение по синусоидальному:
4 = UL =
На диаграмме токов и напряжений отмечены моменты времени
/2 и /3, фиксирующие максимальную энергию в катушке магнитного
поля
Wl=LJ*/2
и в конденсаторе электрического поля
Wc=CU*/2
Рис. 8.5. Выходной каскад строч-
ной развертки:
а — эквивалентная схема; б, в — формы
напряжения и тока
162
При следующем замыкании ключа в момент времени /3 перемаг-
ниченная катушка с запасенной энергией магнитного поля будет раз-
ряжаться на источник питания, у которого внутреннее сопротивление
/?, = 0. Следовательно, с момента /3 до момента /4 катушка будет
освобождаться от запасенной энергии по тому же закону изменения
тока, что и до момента но в другой полярности. Момент времени /4
характеризует перемену в направлении тока, так как катушка снова
начинает запасать энергию до очередного выключения ключа в мо-'
мент /4. Как видно из диаграммы тока, идеализированная схема с
ключом способна генерировать пилообразный ток, в среднем не по-
требляя энергию от источника, так как отрицательная полуволна
тока симметрична ее положительной части. Необходимо только со-
блюдать определенную синхронизацию в работе ключа (моменты tt,
/3), обязательную двустороннюю проводимость его и правильность
выбора реактивных параметров схемы L* и С. Правильность выбора
этих параметров состоит в том, чтобы в контуре полупериод свобод-
ных колебаний укладывался в длительность Т2 обратного хода строч-
ной развертки, тогда при Т = (1/2)7’0 и То = 2лд/Г7С параметры
колебательного контура в схеме развертки будут определяться соот-
ношением Т2 — n\L~C.
При определении пригодности активных приборов, используемых
в качестве ключа, в подобной схеме можно воспользоваться двумя
оценочными параметрами: максимальным током /тох замкнутого
ключа (см.рис.8.5,б) и максимальным напряжением Umax разомкну-
того ключа.
Для этого обратимся к диаграмме рис.8.5,б и обозначим пределы
интегрирования для тока в катушке во время прямого хода Г,:
W т
lL = Y\Edt'< '™х =
к О к
Таким образом,
/ =/
max кл max 2 '
В свою очередь, за время свободных колебаний напряжение на
индуктивности достигает величины
di
u=L*Yt = sin “°Г
При этом амплитуда колебаний напряжения
У max = Ш0^к^тах»
и после подстановки известных <оо и Imax получим
163
Как видно из схемы рис.8.5,а и диаграммы рис.8.5,в, максимумы
напряжения на разомкнутом ключе вовремя обратного хода убудут
определяться как
Uгпах кл max
Как правило, это напряжение многократно превышает напряже-
ние источника питания и в практических схемах эта кратность при-
ближается к 10...15, т.е. Umaxiul = 10...15 Е.
Произведение и характеризующее работоспособ-
ность ключа в такой схеме, называется ’’разрывной мощностью” Рразр =
= lmaxWmax + ^)-
В практических схемах строчной развертки при выборе в качестве
ключа ламп, транзисторов или тиристоров необходимо руководство-
ваться следующими неравенствами:
доп Umax1 доп max ** 'допдоп ‘ разр*
где /доп и Uaon — допустимые ток и напряжения для прибора.
Рассмотрим влияние активного сопротивления потерь гДкатушек
отклонения и ключа) на форму тока при прямом ходе. Влиянием ем-
кости обратного хода С на прямом ходе можно пренебречь. Таким
образом, эквивалентная схема выходного каскада строчной разверт-
ки приобретает простой вид (рис.8.6). Конечное значение сопротивле-
ния гк является причиной потерь мощности, а также привадит к гео-
метрическим искажениям изображения, проявляющимся обычно в
растяжении его левого края и сжатии правого. Ток в катушке будет
изменяться по эксионенциальному закону (рис.8.7)
где т = LJrK — постоянная времени катушки. Нелинейность откло-
няющего тока на прямом ходе оценивается коэффициентом нелиней-
ности
И|
di di
мого хода соответственно. Формы тока и напряжения на обратном
ходе будут почти такими же, как и в идеализированной схеме, посколь-
ку источник питания Ео отключается и образуется колебательный
контур CLK, но с потерями от активного сопротивления катушки. По-
этому | +/тах| > | — /тах| из-за затухания колебаний в контуре,
вследствие чего весь цикл пилообразного тока в реальной цепи с
• 164
n
£o
0
Рис. 8.7. Формы тока и напряжения
при г = О
Рис. 8.6. Эквивалентная схема генера-
тора строчной развертки на прямом
ходе
потерями смещается вверх относительно нуля. Другими словами, по-
является постоянная составляющая тока отклонения /0. Зависимость
коэффициента нелинейности от параметров схемы (см.рис.8.6) можно
определить, продифференцировав по времени выражение тока на
прямом ходе:
откуда
Подставляя эти значения скорости изменения тока в выражение
для коэффициента нелинейности, получаем
Тх
= 1 — ехр (—у)
При малых нелинейностях, учитывая, что 1 — ехр(—х)«х , при
х «1
rJ\
т.е. для уменьшения нелинейности нужно стремиться к уменьшению
гк и увеличению индуктивности LK отклоняющих катушек. Практиче-
ски при /<и^0,05 геометрические искажения для глаза незаметны.
Допустимыми считаются искажения при К^ОД.-ОДб в черно-белом
телевидении и /(„^О.ОЗ-.О.Об в цветном телевидении.
165
8.4. ПРАКТИЧЕСКАЯ СХЕМА ГЕНЕРАТОРА
СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ НА ТРАНЗИСТОРЕ
Из существующих активных электронных приборов —ламп, тран-
зисторов и тиристоров — в настоящее время в наибольшей степени
соответствуют свойствам двустороннего ключа специально разрабо-
танные биполярные транзисторы большой мощности с малой инерци-
онностью. Это позволяет реализовать описанный принцип получения
пилообразного тока наиболее экономично, чего невозможно было до-
биться на лампах и тиристорах вследствие их специфических особен-
ностей. Так, лампа неспособна быть хорошим ключом с двусторонней
проводимостью, а тиристор требует усложнения схемы из-за трудно-
стей управления его проводимостью. В силу этого современные гене-
раторы строчной развертки для черно-белых и цветных кинескопов
исполняются в основном на транзисторах.
Выходной каскад. Отметим особенности работы выходного каска-
да строчной развертки на транзисторе. Как отмечалось выше, из-за
потерь в цепях выходного каскада от источника тока потребляется
некоторая мощность Ро = Е10. Следовательно, во избежание протека-
ния постоянного тока /0через катушку необходимо трансформаторное
или дроссельное включение отклоняющей системы в цепь генератора.
Как правило, используется дроссельное включение. При этом обеспе-
чивается более высокий КПД, так как практически вся колебатель-
ная мощность будет выделяться в отклоняющей системе.
Рассмотрим работу выходного каскада на транзисторе типа п-р-п,
собранного по схеме с дроссельным включением катушки отклонения.
Как видно из рис.8.8, на базу транзистора VT подводятся управляю-
щие импульсы, периодически открывающие и закрывающие транзи-
стор. Эти импульсы должны быть достаточного размаха, чтобы тран-
зистор был либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Для
иллюстрации процессов в схеме на рис.8.9 представлены диаграммы
токов и напряжений в характерных ее точках, т.е. процесс развертки
на транзисторе вполне укладывается в теоретические посылки, кото-
рые были сделаны в § 8.3. Отметим лишь ряд практических особенно-
стей схемы выходного каскада.
Ввиду маловитковости современных отклоняющих катушек (что
позволяет уменьшить потери в меди), допускающих наибольшие зна-
чения постоянной времени т=1к/гк и, следовательно, наименьшую
нелинейность, приходится в схему включать отдельный конденсатор
С, емкость которого существенно больше межвитковой и определяет-
ся требуемой длительностью обратного хода Т2 = п~\ГЬкС. Параллель-
но транзистору включают в обратной полярности диод VD, который
по традиции от ламповой схемотехники называют демпферным, что
можно принять весьма условно. У этого диода два основных назначе-
ния. Во-первых, своей прямой проводимостью он уравнивает обрат-
ную и прямую проводимости транзистора, находящегося в насыщении
и под воздействием ЭДС переполюсованной катушки во время первой
166
Рис. 8.8. Выходной каскад строч-
ной развертки на транзисторе
Рис. 8.9. Диаграммы токов и на-
пряжений в схеме рис. 8.8
Рнс. 8.10 Выходные характери-
стики пары диод — транзистор
половины прямого хода. Выбор диода осуществляется из условия
согласования выходных ВАХ транзистора для положительной и отри-
цательной полуволн тока. На рис. 8.10 приведен пример такого сопря-
жения, из которого видно, что у биполярного транзистора выходные
характеристики iK = /( (7К) в первом и третьем квадрантах существенно
неодинаковы. Проводимости, определяемые для насыщенного состо-
яния транзистора линиями критического режима с разными углами
наклона, уравниваются при подсоединении соответствующего диода
и обеспечивают таким образом одинаковость формы 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
схемы с идеальным ключом. Очевидно, что использование дополни-
167
тельного диода избавляет от этой трудно реализуемой инженерной
задачи, так как ЭДС переполюсованной катушки в начале прямого
хода автоматически включит диод в прямом направлении (рис. 8.9, /д)
и начнется формирование пилообразного тока в его отрицательной
полуволне. При этом момент включения транзистора (рис. 8.9, zTp)
может быть произвольно отодвинут вплоть до середины прямого хода.
Обычно соблюдают условие
Тг < *з.п < 0.5Л + Тг или тотп > 0,57",.
В этом случае инженерное обеспечение момента включения тран-
зистора не требует прецезионной схемотехники. Кроме того, форма
тока в отклоняющей катушке при одновременной работе диода итран
зистора в первой половине прямого хода практически всегда бывает
лучше, чем при поочередном включении диода и транзистора на полу-
волнах тока, так как в этом случае исключается определяющее влия-
ние нелинейности ВАХ диода в момент перехода тока отклонения
через нуль (см. рис. 8.9, (д).
Разделительный конденсатор Cs кроме основной функции блоки;
рования постоянной составляющей тока, как правило, решает задачу
коррекции геометрических искажений изображения при больших
углах отклонения на плоском экране. Как упоминалось выше
(см. рис. 8.2), эти искажения можно скомпенсировать, если придать
отклоняющему току S-образную форму (рис. 8.11,в) с тем, чтобы с
ростом угла отклонения скорость нарастания тока замедлялась. В
последовательной цепи LKCS, как в контуре, возникает синусоидаль-
ный ток собственных колебаний (рис. 8.11,6), который складывается с
пилообразным током (рис. 8.11,а), создаваемым в катушке LK откло-
няющей системы генератором развертки. При правильно подобран-
ных амплитуде, фазе и частоте этого синусоидального тока суммар-
168
ный отклоняющий ток получает на прямом ходе желательную S-об-
разиую форму (рис. 8.11,в). Контур LKCS должен быть настроен на
частоту более низкую, чем строчная частота. Зависимость степени
изгиба 6 отклоняющего тока от частоты настройки контура LKCS
(рис.8.11,г) и сравнительный график (рис. 8.11, в) л инейного 1тах и S-об-
разного /s тах токов[28] имеет вид
Г, о>Г|
I — 1 ь>"7* ~ sin “й-
л ‘max * Smax 2 2
— 'sma, ~ «оГ,
sin 2
Эта зависимость и график позволяют определить необходимую
S-образную форму суммарного тока в контуре LKCS, которая будет
включать фрагменты двух синусоид, сопряженных на границах пря-
мого и обратного ходов.
Следует отметить, что емкость конденсатора Cs во много раз боль-
ше конденсатора С обратного хода и не оказывает существенного
влияния на процессы формирования тока во время обратного хода. С
учетом большой реактивной мощности, пропускаемой конденсатором
Cs, необходимо употреблять лишь конденсаторы с малым тангенсом
угла потерь в диэлектрике, тем более что верхняя граничная частота
спектра колебаний в генераторе строчной развертки составляет не
менее 300 кГц. Это же замечание относится и к выбору типа конден-
сатора С для формирования обратного хода развертки.
Сердечник дросселя выбирается также из соображений умень-
шить потери от вихревых токов на высокой частоте и уменьшить габа-
риты и массу конструкции при общем требовании Lap>LK. В наиболь-
шей степени способствуют этому ферритовые материалы
среднечастотиого диапазона, за счет высокой магнитной проницаемо-
сти позволяющие 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 транзи-
стора, определяющими допустимую инерционность переключения с
прямого на обратный ход развертки в токе отклонения. Поскольку
транзистор реализует функцию ключа по схеме управления с общим
эмиттером, то собственная частота fa транзистора должна быть по
крайней мерена порядок больше максимальной частоты всхеме/то1=
= 300 кГц с учетом малого коэффициента усиления транзистора в
режиме переключения больших токов. Таким образом, класс исполь-
зуемых транзисторов относится к- среднечастотному с диапазоном
3...5 МГц. В зависимости от назначения развертки для малых или
больших кинескопов ток отклонения /к тах может колебаться от долей
ампера до десятков ампер, и соответственно напряжение обратного
хода на отклоняющей катушке UKmax — от сотни вольт до единиц кило-
169
Таблица 8.1
Тип транзистора ГТ905А ГТ806Д КТ809А КТ840А КТ808А КТ812А КТ828А КТ839А
t/ктах ,В 130 140 400 800 250 700 1400, 1500
/ кт ах s А 3 15 5 8 10 12 7,5 10
/?иас .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
вольт. В табл.8.1 приведены данные на отечественные транзисторы,
применяемые с разными кинескопами.
Известно, что допустимое пробивное напряжение 17, доп на коллек-
торе транзистора существенно зависит от величины сопротивления по
постоянному току между базой и эмиттером. Исходя из этих сообра-
жений, выходной транзистор управляется по базе только через транс-
форматорную связь с буферным каскадом. При таком решении дости-
гается ряд положительных эффектов: увеличивается U* доп, так как
/?БЭ«0; обеспечивается хорошее согласование буферного каскада с
низкоомным входом ключевого транзистора выходного каскада, так
как иа входе его надо создать большой импульс тока относительно
малой величины по напряжению. Более того, для ускорения рассасы-
вания зарядов в базе в конце прямого хода, когда ток в коллекторе
максимален, необходимо применять форсирование управляющих им-
пульсов при запирании транзистора, т.е. создать дополнительный
всплеск напряжения на импульсе запирания (рис.8.9,U6). Обязатель-
ным требованием к такому трансформаторному каскаду является
противофазное включение обмоток, т.е. чтобы обмотки были всегда
нагружены либо на открытый вход выходного каскада, либо иа откры-
тый транзистор буферного каскада. В этом случае исключаются па-
разитные свободные колебания от реактивных элементов в тран-
сформаторе Тр. Тем не менее даже при использовании достаточно
высокочастотных транзисторов и форсирующих цепей в базе выходно-
го транзистора не удается полностью избавиться от проявления инер-
ционности выхода транзистора из глубокого насыщения, необходимо-’
го для достижения минимального остаточного сопротивления ключа,
а следовательно, малых активных потерь в схеме и малой нелинейно-
сти в токе отклонения. Задержка между командой на закрывание и
началом обратного хода в токе отклонения достигает в современных
транзисторах в зависимости от мощности 3...5 мкс. Этот неприятный
фактор приводит, с одной стороны, к увеличению потерь, так как это
эквивалентно шунтированию колебательного контура L,C во время
обратного хода проводимостью невыключившегося транзистора, с
другой стороны, возникает задержка в формировании обратного хода
тока отклонения относительно видеосигнала, а следовательно, и на-
рушение синфазности развертки изображения иа экране по отноше-
нию к передаваемому изображению. Так как в телевизионных прием-
никах гасящий импульс формируется из импульсов обратного хода,
170
при большой инерционности возможна потеря части изображения в
левой части экрана. Во избежание этого приходится в задающих гене-
раторах вырабатывать управляющие импульсы, передний фронт ко-
торых опережает строчные синхроимпульсы. Величина этого упреж-
дения (фазы) устанавливается при регулировке системы АПЧиФ,
осуществляющей одновременно помехоустойчивую синхронизацию
задающего генератора.
Схема генератора строчной развертки для черно-белого кинеско-
па. Приведенные соображения по обеспечению правильной работы
выходного каскада транзисторной строчной развертки можно прак-
тически проиллюстрировать на конкретной схеме рис.8.12. Здесь
представлена современная реализация генератора строчной развер-
тки черно-белого телевизионного приемника. Как видно из схемы, в
качестве разделительного дросселя выступает первичная обмотка
трансформатора Тр2, вторичные обмотки которого используются для
получения высоких напряжений, обеспечивающих цепи питания кине-
скопа (анод, фокусирующий и ускоряющий электроды, подогреватель
катода) и выходного видеоусилителя. Для этих целей служат выпря-
мители во вторичных обмотках, в которых трансформированные им-
пульсы напряжения обратного хода в соответствующей полярности
выпрямляются и фильтруются до необходимой величины пульсаций.
Такой способ получения питающих напряжений особенно эффективен
в портативных телевизорах с автономным питанием, так как задача
фильтрации напряжений на частоте 15 кГц решается существенно
проще, чем на 50 Гц питающей сети переменного тока.
Постоянное напряжение для питания анода черно-белого кинеско-
па 20... 15 кВ целесообразно получать при помощи диодно-емкостного
многоступенчатого умножителя. Поскольку ток луча черно-белого
Рис. 8.12. Практическая схема генератора строчной развертки для черно-белого кине-
скопа
171
кинескопа не превышает 200 ..300 мкА, габариты такого умножителя
весьма малы и можно добиться большой электрической прочности
всей цепи выпрямителя анодного питания, включая повышающую
обмотку трансформатора, напряжение на которой получается не бо-
лее 5...6 кВ переменного тока.
Использование выходного каскада для обеспечения питания по-
стоянного тока других цепей телевизора приводит к существенным
потерям и снижению КПД каскада. Возрастает мощность рассеяния
на транзисторе, увеличивается постоянная составляющая через об-
мотку дросселя трансформатора Тр2, ухудшая условия его работы
из-за угрозы насыщения феррита, увеличивается в конечном итоге
нелинейность отклоняющего тока из-за замедления скорости нара-
стания тока в конце прямого хода. Для уменьшения искажений изо-
бражения от нелинейности тока служит так называемый регулятор
линейности строк (РЛС), состоящий из намотанной на ферритовом
сердечнике катушки, находящейся в поле постоянного магнита. Этот
сердечник под воздействием переменного поля отклоняющего тока и
поля постоянного магнита может менять степень насыщения, а зна-
чит, магнитную проницаемость и в конечном счете индуктивность ка-
тушки.
При определенной величине и направлении отклоняющего тока
магнитное поле, создаваемое им, компенсирует поле постоянного маг-
нита либо складывается с ним. При этом индуктивность либо резко
возрастает, либо становится очень малой. Изменяя магнитнцй поток
в сердечнике путем перемещения постоянного магнита относительно
катушки, можно менять положение регулируемой области на экране
кинескопа.
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 гармоники частоты этих импульсов. Это
позволяет получить более высокие значения выпрямленных напряже-
ний от вторичных обмоток при меньших коэффициентах трансформа-
ции и уменьшить величину импульса обратного хода в первичной цепи,
так как эта гармоника будет вычитаться из первичного импульса и
складываться с ним во вторичных обмотках. С этой целью к первичной
обмотке подключается соответствующим образом компенсирующая
обмотка на трансформаторе Тр2, нагруженная на регулируемый
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 применяют
понижающий согласующий трансформатор с коэффициентом транс-
формации 4...5 так, чтобы обеспечить при этих токах размах напряже-
ния не менее 4...5 В. Форсирование выключения выходного транзисто-
ра VT2 достигается включением /?С-цепи либо в базу транзистора
VT2(R3C2), либо в эмиттер транзистора VT1 (R2C1). При этом управ-
172
ляющее напряжение в базе получает желаемую форму
(см.рис.8.9,(/6). Учитывая специфику трансформаторного каскада,
работающего с понижением, в качестве усилительного транзистора
VT1 можно использовать маломощный транзистор, что существенно
упрощает подключение его к задающему генератору непосредствен-
но, без усиления по току. В современных черно-белых и цветных теле-
визорах задающий генератор и система автоподстройки частоты и
фазы исполняются в виде интегральной микросхемы, например
174АФ1, 174ГФ1, 174ХА11 отечественного исполнения, на соответст-
вующие входы которых поступают импульсы обратного хода с выход-
ного каскада и импульсы строчной синхронизации из видеосигнала,
выделяемые в амплитудном селекторе. Как правило, в этих микросхе-
мах осуществляются две автоматические регулировки. Регулировка
частоты "R2” при помощи отдельного фазового детектора производит-
ся при сравнении частоты задающего генератора и строчных синхро-
импульсов. Регулировка фазы импульсов ”R1” управления задающе-
го генератора осуществляется при помощи другого фазового
детектора, сравнивающего импульсы обратного хода выходного кас-
када с импульсами задающего генератора. Такая независимая регу-
лировка позволяет осуществить, кроме того, и генерацию специаль-
ных импульсов для управления системой цветовой синхронизации,
синхронных с пакетами поднесущей на площадках строчного гасяще-
го импульса, что весьма актуально для современных многостандарт-
ных цветных телевизоров.
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 отклоняющей
системы(примерно в 1,5раза)посравнениюсгенераторами черно-бе-
лых кинескопов.
Необходимость увеличения напряжения второго анода обусловле-
на малой прозрачностью теневой маски для электронов и необходимо-
стью иметь большую мощгость электронных лучей для обеспечения
требуемой яркости изображения. Например, для трубок с диаго-
налью экрана, большей или равной 60 см, суммарный ток трех лучей
/ = 1,0 ...1,22 мА и ускоряющее напряжение второго анода 25 кВ. При
этом мощность, необходимая для питания высоковольтной цепи, до-
стигает 25...30 Вт, что значительно больше, чем в черно-белых телеви-
зорах.
Увеличение напряжения питания второго анода, естественно, при-
водит к необходимости увеличения энергии отклоняющего поля. Кро-
ме того, генератор строчной развертки должен обеспечить получение
напряжения фокусировки трубки 4,7...5,5 кВ и напряжения питания
ускоряющего электрода 0,5...1,0 кВ, коррекцию геометрических иска-
жений растра до 3 %, более высокую линейность отклонения, а также
173
формирование импульсов напряжения для управления схемами ди-
намического сведения лучей, каналом сигнала цветьоси и для гаше-
ния лучей кинескопа.
В современных цветных телевизорах с экранами кинескопов 51 см
и больше предъявляются существенно более высокие требования к
линейности развертки и геометрическим искажениям изображения,
так как с этими требованиями связано качество динамического све-
дения лучей в дельта кинескопах и тем более в планарных кинескопах
с самосведением. Для этих целей в выходных каскадах должны быть
предусмотрены цепи коррекции подушкообразных искажений, элек-
трической центровки растра, а также элементы линеаризации раз-
вертки, такие как S-корректоры тока.
Поскольку большие изменения токов трех лучей при изменении
яркости приводят к колебаниям напряжения питания второго анода,
применяются специальные меры по ограничению тока лучей и стаби-
лизации напряжения второго анода. Отсюда понятно, почему потреб-
ляемая генератором строчной развертки Цветного телевизора мощ-
ность оказывается в 3...4 раза большей, чем в черно-белом телевизоре
сопоставимого размера экрана. Поэтому выходные каскады традици-
онно для цветных телевизоров выполнялись на более мощныхлампах,
тиристорах и транзисторах с использованием качественных феррито-
вых сердечников в дросселях-трансформаторах, способных работать
при больших токах подмагничивания. Представленные втабл.8.1 дан-
ные по техническим характеристикам современных отечественных
транзисторов позволяют сделать вывод, что существует большой вы-
бор среди этих транзисторов для реализации наиболее эффективной
и экономичной схемы выходного каскада на двустороннем ключе. Не
случайно поэтому в современных разработках цветных телевизоров,
не говоря уже о профессиональных мониторах, транзисторы в развер-
тках абсолютно вытеснили своих предшественников — лампы и тири-
сторы.
Генераторы строчной развертки могут выполняться по схеме либо
с одним совмещенным генератором отклоняющего тока и анодного
напряжения питания, либо с отдельными генераторами с различными
функциями, что характерно для профессиональной аппаратуры теле-
центров. В цветных телевизорах как достаточно массовой продукции
исключительно широко применяется генератор по совмещенной схе-
ме, так как он экономически эффективен из-за меньшего числа доро-
гих комплектующих изделий и, кроме того, более надежен и энергети-
чески выгоден.
Принцип действия выходного каскада строчной развертки для
цветного кинескопа по току отклонения и его коррекции подобен тому,
что был изложен в §8.4 применительно к черно-белым кинескопам.
Поэтому целесообразно остановиться на некоторых, присущих
исключительно цветным телевизорам схемных особенностях транзи-
сторного выходного каскада.
174
Высоковольтный выпрямитель. Получение высокого напряжения
для питания второго анода кинескопа и фокусирующего электрода в
современных генераторах телевизоров 4-го и 5-го поколений связано
либо с использованием диодно-емкостных умножителей в отдельном
конструктивном исполнении от дросселя-трансформатора (аналогич-
но черно-белому телевизору), либо с использованием последних раз-
работок в этой области — композитных монолитов из выходного
трансформатора-дросселя сдйодными выпрямителями второго ано-
да, фокусирующего и ускоряющего электродов, например ТДКС-19
(так называемые сплиттрансформаторы). В последнем высокое на-
пряжение получается от последовательного соединения трех отдель-
ных однополупериодных выпрямителей с тремя независимыми высо-
ковольтными обмотками. Такая реализация позволяет максимально
увеличить надежность всего выпрямителя по электрической прочно-
сти и уменьшить общее внутреннее сопротивление источника высоко-
вольтного питания. Использование в высоковольтных цепях совре-
менных диодных выпрямительных столбов позволяет резко
уменьшить выходное сопротивление высоковольтного выпрямителя,
тем самым частично решить задачу стабилизации высокого напряже-
ния аиода и напряжения фокусировки при изменении токов лучей
кинескопа. Эффективным способом стабилизации указанных напря-
жений является включение в цепь нагрузки выпрямителей варисто-
ров, обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой, спо-
собствующей 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 ухудшения
качества изображения. Напряжение обратной связи с этого сопротив-
ления в цветных телевизорах обычно используется в цепях видеоуси-
лителей, меняя в предельных случаях режим работы кинескопа на
участке катод — модулятор в сторону запирания по постоянному то-
ку и ограничивая размах сигналов за счет регулировки контрастности
в соответствующих цепях обработки видеосигналов. Эта же контроль?
ная цепь высоковольтного выпрямителя используется в современных
цветных телевизорах 4-го и 5-го поколений для стабилизации размера
строки и стабилизации высокого напряжения для разноярких сюже-
тов изображений, дающих большие колебания в токах лучей цветного
кинескопа.
Коррекция геометрических искажений*растра. Как было рассмот-
рено в § 8 1, геометрические искажения растра типа ’’подушка” воз-
никают в широкоугольных кинескопах из-за нарушения пропорцио-
нальности между отклоняющим током и углом отклонения и из-за
уплощения экрана. Это приводит к изгибу вертикальных и горизон-
тальных границ растра, тем большему, чем больше угол отклонения.
В современных цветных кинескопах с отклонением 90 и 110° эти
175
искажения совершенно неприемлемы и.должны быть скорректирова-
ны. Очевидно, что упомянутые в § 8.1 способы коррекции растра при
помощи постоянных магнитов, употребляемые в черно-белых кине-
скопах, не годятся для цветных, так как вызывают несведение лучей
из-за нарушения однородности отклоняющего поля. Поэтому в цвет-
ных телевизорах применяются специальные цепи, которые дополни-
тельно к разверткам воздействуют соответствующим образом на про-
цесс 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 Н, V —длительность строки и поля. Для коррекции по-
душкообразных искажений горизонтальных линий (рис.8.13,б) пило-
образный ток частоты полей должен быть промодулирован возраста-
ющей к периферии экрана строчной параболой. При этом отклонение
по полю возрастает в центральной части каждой строки, и тем больше,
чем дальше от центра.
В кинескопах с дельтаобразным расположением прожекторов, в
которых применяются отклоняющие системы с однородным полем
отклонения (косинусная укладка витков по сечению), широкое приме-
нение для коррекции нашел так называемый трансдуктор (корректи-
рующий трансформатор). Особенностью этого трансформатора, со-
I
6)
Рис. 8.13. Коррекция подушкообразных искажений:
а, б — форма растра и форма корректирующего тока для горизонтальной и вертикальной коррекций; в — принци-
пиальная схема коррекции подушки иа двух трансформаторах
176
бранного на ферритовом сердечнике, является нелинейная зависи-
мость между магнитной проницаемостью сердечника и напряженно-
стью магнитного поля (тока в обмотке)[29].
Подушкообразные искажения по горизонтали и вертикали можно
корректировать с помощью одного или двух отдельных трансформа-
торов (рис.8.13,в). Индуктивность обмоток трансформатора Т, изме-
няется с частотой полей, что приводит к изменению с этой частотой
размаха строчного тока в строчных катушках LKC отклоняющей систе-
мы. Ток строчной частоты проходит через обмотку // Т2 и обмотку III
ТВК , придавая необходимую форму тока для кадровых катушек
отклоняющей системы LKK.
Эта схема показывает принцип взаимной модуляции в трансдук-
торах 7\ и Т2. Цепи, формирующие в схеме параболу в строчном и
кадровом токах, опущены, чтобы пояснить только принцип.
В телевизорах с кинескопами с самосведением лучей вертикаль-
ная коррекция осуществляется за счет введения астигматизма в поле
вертикального отклонения, которого добиваются определенным рас-
пределением витков катушки по сечению, отличным от косинусного.
В связи с этим современные модели телевизоров, использующие в
основном кинескопы с самосведением, включают в блок строчной раз-
вертки только цепь горизонтальной коррекции, основанной на работе
диодного модулятора. Это позволяет попутно улучшить регулировку
и стабилизацию горизонтального размера растра, а значит, и ста-
бильность высокого напряжения.
В состав диодного модулятора входят составной демпфер
УД1УД2, конденсаторы С2, СЗ, настраиваемая катушка индуктивно-
сти L. Рассматривая схему диодного модулятора (рис.8.14), представ-
ленную в одном из вариантов реализации, присущих для телевизоров
4-го и 5-го поколений, можно заметить, что в нее включены два коле-
бательных контура для интервала формирования обратного хода: ос-
новной контур — строчная катушка LK с, емкость обратного хода С1
(Cs и РЛС не являются определяющими), дополнительный контур —
177
дроссель L, емкость обратного хода С2. Как известно, при дроссель-
ном включении отклоняющей системы в обычной схеме двустороннего
ключа разделительная емкость Cs выполняет роль источника питания
и напряжение на ней (без учета S-коррекции) в среднем равно источ-
нику питания схемы Е, так как в первой половине прямого хода она
принимает ток заряда от перемагниченной катушки, а во второй —
разряжается на катушку отклонения. В рассматриваемой схеме при
помощи дополнительного контура последовательно с Cs включается
конденсатор СЗ большой емкости (соизмеримой с Cs), который нагру-
жен управляемой проводимостью транзистора VT2от схемы управле-
ния. При включенном транзисторе VT1 через последовательно соеди-
ненные LKC и L потечет ток iK пилообразной формы, определяемый
суммарной индуктивностью от LKC и L и величиной напряжения источ-
ника Е, устанавливающегося в сумме на конденсаторах Cs и СЗ. Не-
трудно заметить, что при запертом транзисторе VT2 (схема управле-
ния отключена) напряжение на конденсаторе СЗ будет определяться
известным соотношением исз as uL = dijdt, так как при идеализации
представленной схемы с точки зрения потерь заряд на конденсаторе
СЗ восполняется током диода VД2 в первой половине прямого хода и
уменьшается во второй, в среднем поддерживая некое установившее-
ся напряжение задержки uCJ для запирания диода УД2 во второй
половине прямого хода.
Во время обратного хода при запертом транзисторе VT1 в
каждом из этих контуров осуществится полупериод свободных
колебаний, определяемый соответственно параметрами С/, LKC и
С2, L. В первой половине прямого хода перемагниченные катуш-
ки LKZ и L своей энергией в этих контурах через прямые проводи-
мости диодов VД1 и VД2 восполнят заряды на конденсаторах Cs
и СЗ, потраченные во второй половине прямого хода. Подключа-
ющийся транзистор VT1 в этот же интервал времени через общую
проводимость для последовательно включенных катушек LKC и L
также дозарядит конденсаторы Cs и СЗ до стационарных напря-
жений, определяемых в сумме величиной приложенного через
дроссельную обмотку выходного трансформатора ТВС напряже-
ния питания Е.
Ток отклоняющей катушки в этом случае будет минимально воз-
можным: lKmin = -j—ту • ~£", где /к— амплитуда тока, Тт— время
*кс + L
прямого хода развертки.
Если параллельно конденсатору СЗ подключить проводимость в
виде управляемого транзистора VT2, то в схеме не разовьется на
конденсаторе СЗ адекватное напряжение задержки (запирания диода
Д2), соответствующее uL = L(di.Jdi). В этом случае ток tK во второй
половине прямого хода в дополнительном контуре будет протекать через
дроссель L и отпертый диод VД2 до тех пор, пока не установится новое
соотношение напряжений на конденсаторах Cs и СЗ, а в отклоняющей
178
системе LKC не установится больший ток отклонения, определяемый
возросшим удельным весом основного колебательного контура С/,
LKC. В пределе, если конденсатор СЗ замкнут накоротко очень большой
проводимостью транзистора VT2, дроссель L шунтируется во вторую
половину прямого хода открытым диодом Д2, колебания совершают-
ся только в основном контуре, и ток в катушке LK достигает макси-
мальной величины:
= —
1 к max j ’ о ‘
^кс х
Если изменять напряжение на конденсаторе СЗ, шунтируя его
управляемой проводимостью параллельно подключенного транзи-
стора VT2, то в известных пределах можно изменять величину откло-
няющего 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 развер-
тки. Для надежности работы схемы обычно на базу ключевого тран-
зистора VT2 подают широтно-модулированные отпирающие
импульсы, у которых ширина в каждой строке в течение поля меняет-
ся по закону параболы (см. рис. 8.13,а). Средняя ширина импульса
при этом будет соответствовать номинальному размеру растра, кото-
рый по петле автоматического регулирования будет стабилизиро-
ваться в допустимых пределах.
Горизонтальная центровка растра. В отличие от черно-белых ки-
нескопов, в которых центровка растра по горизонтали осуществляет-
ся 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 со-
риентированных в горловине кинескопа. Поэтому горизонтальная (и
вертикальная) центровка в цветных кинескопах, если она применяет-
ся, осуществляется только введением в отклоняющую катушку допол-
нительного постоянного тока. На рис. 8.15,а приведена схема центров-
ки растра, выполняемая обычно в портативных цветных телевизорах
с относительно небольшими отклоняющими токами горизонтального
отклонения. Цепь центровки, образованная обмотками 2—3, 1—4
дросселя Ы и потенциометром R, подключена одной диагональю к
отклоняющей катушке LKC, а другой включена между источником пи-
тания и выходным каскадом строчной развертки. Когда мост сбалан-
сирован потенциометром R в среднем положении, в строчных катуш-
ках постоянный ток не протекает. Благодаря блокировочному
конденсатору отклоняющие катушки по переменному току подключе-
ны паралл'-льно обмоткам дросселя L1, но поскольку индуктивность
179
Рис. 8.15. Схема горизонтальной центровки растра:
а — дроссельная; б — диодная
этих обмоток много больше индуктивности строчных катушек, то су-
щественного влияния на работу выходного каскада генератора они не
оказывают.
Другой вариант осуществления центровки реализуется за счет
выпрямления импульсов с выходного каскада строчной развертки.
Элементы центровки диодов УД1, УД2 через фильтрующую катушку
L1 подключены к строчным катушкам Lw и выходному каскаду
(рис. 8.15,6). В среднем положении движка переменного резистора R
выпрямленные полуволны напряжения прямого хода от диодов УД1
и У Д2 образуют равные и направленные навстречу друг другу посто-
янные токи. Ток центровки в катушках равен нулю. При сдвиге движ-
ка переменного резистора R от среднего положения напряжение на
резисторе становится полярно преобладающим, и через строчные ка-
тушки £кс на ’’корпус” протекает ток положительного или отрицатель-
ного знака, от чего растр смещается вправо или влево.
8.6. ГЕНЕРАТОРЫ КАДРОВОЙ РАЗВЕРТКИ
Особенности генераторов кадровой развертки. Как упоминалось в
§ 8.2, частотный диапазон генератора кадровой развертки ограничи-
вается в практических схемах 20-й гармоникой кадрового тока, про-
текающего в отклоняющих кадровых катушках, и составляет пример-
но 50x20= 1000 Гц. Постоянная времени кадровых катушек
современных черно-белых и цветных отклоняющих систем седловид-
ного 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 составляет
примерно 19 мс, реактивной составляющей кадровой катушки можно
пренебречь. При этом выходной каскад работает как усилитель толь-
ко на активное сопротивление катушки со всеми вытекающими требо-
ваниями к форме управляющего напряжения и его размаху. Поэтому
необходимая для широкоугольных кинескопов S-коррекция пилооб-
180
разного напряжения возбуждения достигается либо за счет простей-
ших нелинейных цепей (например, диодных ограничителей), либо при-
менением частотно-зависимых отрицательных обратных связей, кото-
рыми охватывается предварительный усилительный тракт
генератора кадровой развертки. В качестве синхронизируемого зада
юшего генератора пилообразного напряжения может использоваться
автогенератор на базе мультивибратора, фантастрон с отдельным
или включенным в схему интегратором.
Однако при анализе работы выходного каскада во время обратно-
го хода присутствие относительно большой реактивности в течение
малой длительности (1 мс) должно быть учтено и должны быть сфор-
мулированы особые требования к исполнению выходного каскада.
Принципиально выходной каскад кадровой развертки может быть
выполнен по любой классической схеме усилителей мощности, изве-
стных в звукоусилительной технике, так как и по абсолютной мощно-
сти, и по частотному диапазону эти устройства значительно перекры-
вают потребности кадровых цепей отклонения современных
черно-белых и цветных телевизоров. Такой подход применялся рань-
ше в ламповых схемах и применяется сейчас в портативных черно-бе-
лых телевизорах с диагональю кинескопа 11..,16см. В них реализуется
выходной каскад, который рассчитан на полный ток отклонения в
диапазоне частот 50...1000 Гц. Форма управляющего напряжения,
возбуждающего выходной каскад, определяется типом выходного ка-
скада (трансформаторный или бестрансформаторный) и величиной
постоянной времени кадровой катушки т = LJ/?к. Поскольку в ста-
рых ламповых телевизорах доля мощности кадрового генератора со-
ставляла 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
генератора. Кроме того, для тех схем еще применялись многовитко-
вые седлообразные отклоняющие системы, в которых активная со-
ставляющая катушек была значительна. Трансформаторное подклю-
чение катушки к выходной лампе, работающей в классе А, позволяло
получить хорошее согласование относительно большого тока отклоне-
ния и малого тока эмиссии катода выходной лампы. Проблема отно-
сительно быстрого переключения тока во время обратного хода в
таких каскадах решалась за счет свободного колебательного процес-
са, возникающего на переломе тока в индуктивности катушки и транс-
форматора, подключенных к выходному генератору (тетроду, пенто-
ду) с высоким внутренним сопротивлением /?, > 1/2уА/С, где L и С
— эквивалентные индуктивность и емкость схемы выходного каскада.
Развитие транзисторной техники и переход на интегральные тех-
нологии привели к необходимости в современных телевизорах исполь-
зовать наиболее экономичные и технологичные выходные каскады
кадровой развертки. Таковыми, как известно из усилительной техни-
ки, являются двухтактные бестрансформаторные каскады. В них при
наличии большого выбора современных подходящих по току коллек-
181
Рис. 8.16. Обобщенная схема выходного каскада кадровой развертки:
а — принципиальная схема; б —.форма напряжений и токов
тора транзисторов достигается по мощности КПД» 50 % в режиме
класса А и КПД» 78,5 % в режиме класса В для идеальной схемы. В
связи с тем, что современные кадровые катушки отклоняющих систем
вследствие тороидального оформления имеют маловитковое исполне-
ние, в выходном каскаде требуется развивать значительные токи от-
клонения. Поэтому подавляющее число бестрансформаторных кас-
кадов кадровой развертки современных телевизоров выполняется
для повышения экономичности по двухтактной схеме в режиме класса
В, либо близком к нему классу АВ.
В генераторах кадровой развертки, как следует из § 8.2, полезной
частью переменного напряжения, приложенного к катушке, является
только активная (пилообразная) составляющая Ur Дополнительная
импульсная составляющая UL, необходимая для формирования от-
клоняющего тока обратного хода, к сожалению, требует увеличения
общего напряжения питания выходного каскада и, следовательно,
приводит к уменьшению КПД. В этом состоит отличие двухтактных
кадровых генераторов разверток, работающих на реактивную нагруз-
ку (LK, RK), от двухтактных аналогичных усилителей звуковой частоты,
нагруженных на активное сопротивление звуковой катушки и работа-
ющих с симметричным по форме акустическим сигналом.
Для обобщенной схемы выходного бестрансформаторного каска-
да величина источника питания, необходимого для функционирова-
ния схемы, будет складываться из составляющих (рис.8.16, а,б)
E = 2UK+ Ul + 2U^
где UK = (IK/2)RK — амплитуда пилообразного напряжения на катуш-
ках; UL = LJJTm — размах импульсов напряжения обратного хода
на КК; — допустимое остаточное напряжение и„.
182
Из этого равенства следует, что для обеспечения необходимой
длительности Тт обратного хода развертки по кадру необходимо оп-
ределенное значение Е.
LJK
Tm = Е — (2(/r + 21/ост)
Однако и КПД каскада, как известно, определяется из выражения
_ р- U2r/Rk
П Ро Е10 ’
где Р~—мощность, выделяемая в нагрузке; Ри = Е10—мощность
потребления от источника; /0 — 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 источни-
ка питания Е и тем самым уменьшать КПД каскада. Как видно из
схемы, верхний транзистор VT1, открытый во время обратного хода
развертки, рассеивает значительно большую мощность, чем нижний,
через который происходит разряд конденсатора С за время второй
половины прямого хода развертки. Эта несимметрия загрузки тран-
зисторов выходного каскада тем больше, чем больше постоянная вре-
мени катушек т — LK/R„ т.е. чем больше импульсная составляющая
UL на катушках.
Из этих рассуждений следует, что КПД каскада можно увеличить
за счет уменьшения напряжения питания Е при уменьшении постоян-
ной времени катушек. В современных кадровых катушках цветных
отклоняющих систем 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 коллек-
торным токам и напряжениям, статическим коэффициентам усиле-
ния Л21э, рассеиваемой мощности, линейности вольт-амперных вход
ных и выходных характеристик, частотным характеристикам
остаются такими же, как и в аналогичных схемах звукоусилительной
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.
183
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
Представленный на рис.8.17,а выходной каскаде дополнительной
симметрией использует парные (комплементарные) транзисторы, об-
ладающие идентичными характеристиками, но разным типом прово-
димости. Как правило, такие транзисторы включаются по Схеме с
общим коллектором, обеспечивая глубокую отрицательную обрат-
ную связь и тем самым стабильность. Высокая линейность передачи
возбуждающего импульсно-пилообразного напряжения в цепи эмит-
теров каскада обусловлена рдзносом 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,б представлен выходной двухтактный каскад кадро-
вой развертки, работающий в режиме АВ, с однотипными выходными
транзисторами и последовательным возбуждением. Характерной
особенностью его работы является то, что транзистор VT3 (ведомое
плечо) работает только в первую половину прямого хода, возбуждаясь
от коллекторного напряжения транзистора VT2 и пропуская ток за-
ряда конденсатора С1 через катушку LK. В другую половину прямого
хода конденсатор С/(при запертом УГ<?)разряжается через диод VД1
и работающий в классе А транзистор VT2 и катушку отклонения L„.
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 нагружает-
ся большим током во вторую половину прямого хода во время разряда
конденсатора С1 и сравнительно малым током базы транзистора VT3
184
для его открывания в первой половине. Таким образом обеспечивает-
ся двухтактность работы выходной цепи.
Наконец, на рис.8.17,в представлена очень известная в звукотех-
нике и характерная для портативных телевизоров черно-белого изо-
бражения схема выходного двухтактного каскада на однотипных
транзисторах, сопряженная с двухтактным усилителем на разнопо-
лярных транзисторах. Как известно из теории усилительных уст-
ройств, эквивалентные характеристики верхнего и нижнего плечей,
состоящих из пар VT2, VT4 и VT3, VT5, обладают высокой идентично-
стью, поэтому принято считать эту схему от входа VT2, VT3 аналогич-
ной рассмотренной схеме рис.8.17,а, но превосходящей ее по входной
чувствительности вследствие усилительных транзисторов VT2, VT3.
Возбуждение также осуществляется по параллельной схеме (от одно-
го источника VT1).
Повышение эффективности выходного каскада. Увеличение КПД
выходного каскада с бестрансформаторным выходом напрямую свя-
зано с уменьшением бесполезных потерь, обусловленных завышением
напряжения источника питания Е из-за присутствия в катушке зна-
чительной реактивности, которая проявляется на обратном ходу раз-
вертки. Величина этого напряжения определяется как
E = 2Ur + Il + 2Um.
Если каким-либо схемным решением добиться уменьшения или
исключения из равенства составляющей UL, то значительная часть
напряжения источника (при малых U^) будет затрачиваться только
на достижение необходимого тока отклонения в катушках, в пределе
достигая равенства
Е = lKRK + 2Um.
Очевидно, что КПД при этом будет максимальным.
Рассмотрим приведенную на рис.8.18 схему, использующую прин-
цип свободных колебаний в отклоняющей катушке, отключенной во
время обратного хода развертки от выходной цепи при помощи диода
[30]. Как следует из рис.8.18,а, выходной каскад, выполненный по
известной схеме, пояснение i на рис.8.17,а, отличается от нее тем, что
соединен с источником питания через прямосмещенный диод VД2, а
выход генератора через конденсатор СЗ подключен к поделенной на-
грузке R2, R1 предвыходного возбуждающего усилителя на транзи-
сторе VT1. При указанных на рис.8.18,а полярностях сигнала на элек-
тродах 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 время
обратного хода. Эта ЭДС положительной полярности через конденса-
тор связи СЗ как усугубляющий фактор вместе с отпирающим напря-
жением от предвыходного усилителя VTI быстро вводит транзистор
VT2 в насыщение, уравнивая напряжение на его коллекторе с расту-
185
Рис. 8.18. Схема выходного каскада с отключением питания
щим напряжением самоиндукции на катушке После достижения
ЭДС величины, равной напряжению источника Е и более, диод V Д2
оказывается запертым; нижний транзистор VT3 также заперт поло-
жительной полуволной напряжения. В результате катушка и ем-
кость С2через насыщенный (замкнутый) транзистор образуют после-
довательный колебательный контур. При правильно выбранном
значении емкости С2 вследствие накопленной энергии магнитного
поля в катушке к концу прямого хода в контуре возникнут свободные
колебания, за счет которых в первой половине обратного хода ток в
катушке достигнет некоторого положительного значения из-за значи-
тельного затухания колебаний (шунтирование транзисторами VT2,
VT3 и цепью обратной связи), меньшего, чем необходимый ток откло-
нения в кадровой катушке Однако поскольку полупериод колебаний
составляет только часть обратного хода, то за оставшееся время, так
как на эмиттере VT2 будет поддерживаться управляющим напряже-
нием по-прежнему напряжение источника Д.ток обратного хода на-
драстет по экспоненте до величины 1ктах. Варьируя параметры контура
LKC2, можно регулировать в конечном счете общую длительность об-
ратного хода в токе развертки при неизменном напряжении источника
Е. Другими словами, при неизменной длительности обратного хода
развертки рассмотренный прием с отключением питания позволяет
уменьшить напряжение источника и существенно улучшить КПД.
При значительных реактивностях в катушках с т^З мс может быть
достигнуто уменьшение напряжения источника питания до 50 %. Од-
нако при мс эффективность этого приема весьма мала, так как
при этом трудно обеспечить добротность колебательного контура и
выигрыш получается малым.
186
Другим способом повышения экономичности выходного каскада
кадровой развертки является широко применяющийся в последних
разработках цветных телевизоров способ удвоения напряжения пита
ния каскада на время обратного хода развертки. На рис.8.19,а приве-
дена схема с удвоением напряжения, из которой видно, что выполнен-
ный по одной из схем рис.8.17 выходной каскад VT2, УТЗ дополняется
коммутирующим диодом УД, транзистором VT4 и накопительным
конденсатором С2, который за время прямого хода заряжается до
напряжения источника Е, а во время обратного хода коммутирующи-
ми импульсами при помощи ключевого транзистора VT4 и диода УД
присоединяется как вольтдобавочный источник к основному. Посто-
янная времени заряда конденсатора С2через резистор R1 выбирается
так, чтобы он за прямой ход зарядился до напряжения источника и
величины его заряда при этом хватило бы на питание выходного кас-
када во время обратного хода. Во время действия коммутирующих
'импульсов, по длительности равных обратному ходу (см.рис.8.19,6),
открытый до насыщения транзистор УТ4(достаточно мощный потоку
для питания выходного каскада) подключает обкладку конденсатора
С2 с положительным потенциалом к катоду диода УД. Тем самым
запертый диод отключает коллектор УТ2 от шины источника Е и
вместо себя включает последовательно с источником Е еще один эк-
вивалент источника (заряженный до величины Е конденсатор С2).
Таким образом, рассмотренная схема позволяет использовать источ-
ник питания с достаточно низким исходным напряжением и тем са-
мым существенно увеличить КПД каскада. Очевидно, такая схема
особенно эффективна в применении с катушками кадрового отклоне-
ния с малой т^1 мс.
Общее требование к транзисторам выходных каскадов этих двух
187
рассмотренных схем — способность выдерживать увеличенное на-
пряжение, приложенное к катушкам во время обратного хода.
Практическая схема генератора кадровой развертки. Как отмеча-
лось в § 8.2, любая практическая реализация генератора кадровой
развертки должна включать в себя задающий автогенератор, синхро-
низируемый кадровыми синхроимпульсами из полного видеосигнала,
если это касается развертки в телевизионном приемнике. Зачастую
схема автогенератора объединяется с генератором пилообразного на-
пряжения, если применяется задающий генератор на базе фантаст-
рона. Важно отметить, что в современных схемах телевизоров для
достижения высокой технологичности исключено применение бло-
кинг-генераторов в задающих каскадах в пользу резистивно-емкост-
ных схем типа мультивибраторов или фантастронов. В зарубежных
приемниках часто применяются автогенераторы на тиристорах и
двухбазовых диодах, обладающих более высокой температурной ста-
бильностью. Последнее очень важно, так как именно это свойство’
зачастую гарантирует высокое качество чересстрочного разложения.
В зависимости от типа выходного бестрансформаторного каскада
и постоянной времени катушки в устройстве кадровой развертки дол-
жны быть предусмотрены генератор пилообразного напряжения (ес-
ли автогенератор — мультивибратор) и формирователь такого уп-
равляющего напряжения выходного каскада, которое бы
гарантировало протекание в отклоняющих катушках тока требуемой
формы (например, с S-коррекцией) и необходимого размаха.
Очевидно, применение отрицательных обратных связей в каска-
дах формирования и усиления способствует успешному решению та-
кой задачи применительно к интервалу прямого хода, так как было
показано ранее, что на прямом ходу устройство кадровой развертки
представляет собой усилитель мощности. В соответствии с известны-
ми приемами регулирования и стабилизации усиления применяемые
обратные связи могут быть множественными и достаточно многооб-
разными по исполнению (местными и общими, частотно зависимыми
и независимыми, по току и напряжению).
В обобщенном виде функциональная схема генератора кадровой
развертки представлена на рис.8.20. Выделенные квадратами основ-
Рис 8 20 Обобщенная структурная схема кадровой развертки
188
ные элементы схемы, такие как ЗГ — автогенератор, Г ПН — генера-
тор пилообразного напряжения, ФУН — формирователь управляю-
щего напряжения, ФОХ — формирователь обратного хода для повы-
шения эффективности выходного каскада, ВК — выходной каскад
любого рассмотренного вида, являются непременными составляющи-
ми практической схемы генератора современного черно-белого или
цветного телевизора. Следует обратить внимание, что приведенная
отрицательная обратная связь ООС, как правило, является обяза-
тельным элементом для поддержания стабильности размера и линей-
ности развертки, в то время как частотно-зависимая отрицательная
обратная связь(ЧЗООС)имеет альтернативный характер и применя-
ется, в частности, для S-коррекции тока отклонения путем соответст-
вующего воздействия на формирующееся пилообразное напряжение.
Если в формирователе 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 поколе-
ний ("Горизонт”, "Электрон”), как правило, представлен схемой удво-
ения питания (см.рис.8.19), однако зарубежные модели цветных теле-
визоров широко используют и другой способ повышения
эффективности выходного каскада на обратном ходу — способ с от-
ключением питания (см.рис.8.18).
В заключение можно отметить, что в зависимости от типа ФОХ и
постоянной времени катушек отклоняющей системы ОС форма воз-
буждающего напряжения на входе выходного каскада может варьи-
роваться. Если в выходном каскаде не применяются средства для
формирования тока обратного хода, т.е. ФОХ отсутствует, напряже-
ние возбуждения на выходном каскаде должно иметь импульсно-пи-
лообразную форму в точном соответствии с постоянной времени кад-
ровых катушек (см.'§8.2). Если применяется схема выходного
каскада с отключением питания либо с удвоением напряжения пита-
ния, это требование значительно смягчается и в среднем можно воз-
буждать выходные каскады практически только пилообразным на-
пряжением, так как импульсная часть напряжения на катушках
создается внешней цепью ФОХ, как пояснялось на рис. 8.18, 8.19.
В заключение отметим, что представленная структурная схема
практически легко реализуется на известных в импульсной и усили-
тельной технике элементах, а с учетом высокой экономичности выход-
ных каскадов за счет применения ФОХ может быть выполнена цели-
ком по интегральной технологии. Например, микросхема К174ГЛ1А,
рассчитанная на обслуживание черно-белых кинескопов с углом от-
клонения 90° и диагональю 31 см, имеет функциональное 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 габари-
тов всей развертки.
189
ГЛABA 9
СИНХРОНИЗАЦИЯ РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
И ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛА
9.1. ТРЕБОВАНИЯ К СИГНАЛАМ СИНХРОНИЗАЦИИ
Развертывающие устройства ТВ системы должны работать синх-
ронно и синфазно. Это требование выполняется принудительной син-
хронизацией, для чего на все развертывающие устройства в конце
каждой строки и каждого поля подаются специальные синхронизиру-
ющие импульсы, которые заставляют срабатывать их в строго опре-
деленный момент. Способы синхронизации разверток передающих 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 специ-
альный сигнал синхронизации приемников, который передается в од-
ном общем канале с сигналом изображения. Кроме этого сигнала в
сигнал изображения вводят гасящие импульсы, запирающие элект-
ронные лучи приемных и передающих трубок на длительность обрат-
ного хода по строкам и по 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 создавалась дополнительная засветка экрана и не снижался
контраст изображения.
Длительности обратных ходов развертки по строке и по полю су-
щественно различны. Поэтому гасящие импульсы должны представ-
лять собой смесь узких импульсов, следующих с частотой строк, и
широких, следующих с частотой полей. Длительность гасящих им-
пульсов приемной трубки должна быть больше длительности гасящих
импульсов передающей трубки, так как при попеременной работе от
разных камер с неодинаковой длиной камерных кабелей могут воз-
никнуть непредвиденные сдвиги сигналов изображения относительно
сигнала 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 каналу с сигналом изображения во
190
время обратного хода луча (время передачи гасящих импульсов). Вер-
шины гасяших импульсов служат как бы пьедесталами, на которых
располагаются импульсы синхронизации. Поскольку уровень гаше-
ния примерно соответствует уровню черного в сигнале, часто говорят,
что синхронизирующие импульсы располагаются в области «чернее
черного». При таком расположении импульсы синхронизации легко
могут быть отделены от сигнала изображения приобычном амплитуд-
ном ограничении.
Не менее важной задачей является разделение строчных синхро-
низирующих импульсов и импульсов синхронизации полей друг от
друга. Для этого они должны отличаться либо по уровню, либо по
длительности. В первом случае (рис.9.1) импульсы синхронизации
полей можно выделять с помощью ограничителя. Однако из-за увели-
чения общего размаха сигнала значительно возрастает мощность ра-
диопередатчика. Поэтому лучше делать синхронизирующие импуль-
сы разными по длительности (длительность строчных синхро-
низирующих импульсов значительно меньше длительности импульсов
синхронизации полей). Разница в длительности строчных импульсов
и импульсов полей преобразуется с помощью дифференцирующих и
интегрирующих цепей в разницу напряжений, как показано на
рис.9.2. При этом разница в напряжении может быть сделана столь
Строчный гасящий имульс
о
Веоое
Черное
Импупьс Импупьс синхронизации
синхронизации полей
строк
Рис. 9.1. Полный телевизионный сигнал
Рис. 9.2. Разделение импульсов синхронизации с помощью цепей:
а — интегрирующем; б — дифференцирующая, е — форма сигналов
191
значительной, что остатки строчных импульсов после интегрирования
не будут оказывать никакого влияния на синхронизацию кадровой
развертки.
Выделение синхронизирующих импульсов полей с помощью интег-
рирующей цепи наряду с простотой обладает еще одним положитель-
ным качеством — большой помехоустойчивостью. Импульсы помех,
имеющие малую длительность, не успевают создавать на конденсато-
ре значительных напряжений, как бы сглаживаются интегрирующей
цепью, не оказывая влияния на работу генератора вертикальной раз-
вертки. Недостатком такого выделения синхронизирующих импуль-
сов является невозможность получения крутого фронта интегриро-
ванных импульсов и, как следствие, — возможная нестабильность
момента синхронизации.
Й.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 больше
периода строки (рис.9.3). После прохождения сигнала ивх через диф-
ференцирующую цепь получим сигнал идц, положительные импульсы
которого могут использоваться для синхронизации строчной развер-
тки приемника, а отрицательные — никакого действия на работу ге-
нератора развертки оказывать не будут.
Во время действия кадрового синхронизирующего импульса в ка-
нале строчной синхронизации импульсы отсутствуют. Синхронизация
строчной развертки в этот промежуток времени будет отсутствовать
и генератор импульсов строчной развертки ТВ приемника будет ра-
ботать в автономном режиме. В результате несколько первых строк
растра после окончания действия кадрового импульса могут оказать-
ся ’’сбитыми”.
Рис. 9.3. Сигналы синхронизации при построчной развертке
192
Для сохранения непрерывности следования строчных импульсов
в кадровый синхронизирующий импульс вводят прямоугольные врез-
ки, следующие со строчной частотой. Срез врезки должен совпадать
с фронтом строчного импульса, который должен был бы быть в этом
месте. После дифференцирования такого сигнала ив/ положительные
импульсы используются для синхронизации. Таким образом, они сле-
дуют без перерыва со строчной частотой (ид1|'на рис. 9.3), кадровые
синхронизирующие импульсы выделяются интегрирующей цепью.
Наличие врезок приводит к получению на выходе интегрирующей
цепи "зубчатой" формы кривой инц'. Такое искажение формы будет
одинаковым у всех кадровых синхронизирующих импульсов. Поэтому
при постоянном уровне срабатывания кадрового генератора развер-
тки 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 m-j-1/2 периодов
строчной частоты где т — число целых строк в одном поле. Эта
одна вторая периода строчной частоты обусловливает соответствую-
щий временной сдвиг строчных врезок относительно синхронизирую-
щего импульса четного поля (поля, в котором разворачиваются чет-
Рис. 9.4. Нарушение идентичности синхронизирующих импульсов полей с врезками
строчной частоты при чересстрочной развертке
193
ные строки). В результате форма синхронизирующих импульсов чет-
ных и нечетных полей оказывается неодинаковой (рис.9.4): в импульсе
нечетных полей время от фронта импульса до первой врезки равно
длительности почти целой строки (за вычитанием длительности врез-
ки), а в импульсе четных полей это время составляет половину дли-
тельности строки. Из-за этого формы интегрированных импульсов днц
для четных и нечетных полей также будут различными. Их различие
хорошо видно на рисунке при совмещении обоих интегрированных
импульсов на одном графике и„цсовм.
При синхронизации кадрового генератора такими импульсами мо-
жет произойти нежелательный сдвиг во времени начала обратных
ходов развертки по полям. Этот сдвиг, как видно из рис.9.4, равен Д] и
может достигать долей длительности строки. Наличие сдвига приве-
дет к нарушению чересстрочности развертки, т.е. растры полей будут
сдвинуты по вертикали не точно на половину расстояния между сосед-
ними строками, и появится так называемое спаривание строк. Спари-
вание строк ухудшает качество изображения. Становится заметной
структура строк, уменьшается четкость по вертикали. Поэтому необ-
ходимо так изменить форму синхронизирующих импульсов, чтобы
исчезло различие между четными и нечетными импульсами полей и
сдвиг Д, стал равен нулю. Для устранения различия в форме синхро-
низирующих импульсов четных и нечетных полей врезки в них целесо-
образно сделать с двойной строчной частотой (рис.9.5). Форма четных
и нечетных импульсов синхронизации полей становится как до, так и
после интегрирования идентичной.
Во время действия синхронизирующего импульса полей строчные
импульсы будут следовать с удвоенной частотой. Для устойчивой син-
Рис. 9.5. Кадровая синхронизация с врезками двойной строчной частоты
194
хронизации генератор импульсов строчной развертки настраивается
так, чтобы частота его колебаний в режиме без синхронизации была
ниже частоты строк. При этом, если амплитуда импульсов синхрони-
зации не чрезмерно велика, генератор не будет реагировать на допол-
нительные импульсы, и во время их передачи он будет работать в
режиме деления частоты с коэффициентом 2. Таким образом, при
полной идентичности синхронизирующих импульсов полей импульсы
после интегрирования ииц получаются тоже одинаковыми и при нало-
жении совпадают. Однако при более строгом рассмотрении процессов
приходится сделать заключение, 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 распола-
гаются на разных расстояниях от начала и конца синхронизирующего
импульса полей, то они, естественно, оказывают разное влияние на
ход кривой накопления заряда на конденсаторе в четных и нечетных
полях.
Рассмотрим нарушение идентичности возрастающих участков ин-
тегрирования кривой. На рис.9.6 в увеличенном масштабе изображе-
ны участки кривых, обведенные кружками на рис.9.5. В то время как
в синхронизирующих импульсах нечетных полей (сплошная линия на
графике ииц) остаточный заряд конденсатора от последнего строчного
импульса почти равен нулю, в импульсах четных полей ои значителен
(штриховая линия). Начальные условия интегрирования кадровых
импульсов в нечетных и четных полях получаются различными, а это
также приводит к нежелательному временному сдвигу Д2. Правда, в
этом случае он мал (А2<Д|), но достаточен, чтобы нарушить регуляр-
ность развертки.
К нарушению одинаковости начальных условий интегрирования
приводит и наличие строчных импульсов, следующих за синхронизи-
Рнс. 9.6. Нарушение идентичности на-
чальных участков интегрированных им-
пульсов нз-за влияния строчных синх-
ронизирующих импульсов
195
рующими импульсами полей. На рис.9.5 видно, что разряд конденса-
тора в четном поле несколько запаздывает (штриховой участок спа-
дающей части ииц). Из-за этого к началу следующего синхронизирую-
щего импульса полей в четных и нечетных полях на конденсаторе
будут оставаться различные напряжения. Из-за наличия большого
промежутка времени между соседними импульсами полей этот оста-
ток заряда будет сказываться еще меньше, чем остаток от последнего
строчного импульса 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 называются уравнивающими. Чем больше
уравнивающих импульсов, тем точнее может быть выдержано условие
идентичности интегрированных импульсов.
Таким образом, для получения устойчивой чересстрочной развертки
приходится усложнять форму синхронизирующего импульса полей
(рис.9.7). Моменты синхронизации строчной развертки для наглядности
отмечены знаками "пилы”. Длительность импульса синхронизации кад-
ровой развертки и число уравнивающих импульсов до и после него вы-
бираются в зависимости от требований к точности синхронизации. Пе-
риод строчной развертки обозначен на рисунке Н.
Отечественным стандартом длительность импульса кадровой син-
хронизации определяется 2,5 Н(160 мкс), а длительность уравниваю-
щих импульсов делается в 2 раза меньше строчных синхронизирую-
щих импульсов. Стандартом устанавливается, что число передних и
задних уравнивающих импульсов, а также импульсов, составляющих
сигнал кадровой синхронизации, должно быть равно пяти.
Импульсы синхронизации расположены на вершинах гасящих им-
пульсов и составляют 43 % размаха сигнала изображения от уровня
черного до уровня белого. Помещаются они не в середине гасящих
импульсов, а несколько ближе к их левому краю. Для работы развер-
Начапо
Строчные нечетного поля
м ______синхронизированные / Врезки
H/t Начало четного поля
ишшлпгтшш
К X х К К К ч X к
УраВниВаюшре Сигнал каВровой УраВниВающие
импульсы
синхронизации
импульсы
Рис. 9.7. Сигнал синхронизации приемника при чересстрочной развертке
196
тывающих устройств желательно, чтобы синхронизирующие импуль-
сы располагались как можно ближе к левому краю гасящих импуль-
сов. Действительно, в момент прихода синхронизирующего импульса
в приемном устройстве начинается обратный ход развертки. На все
время обратного хода экран должен быть погашен гасящим импуль-
сом. Если синхронизирующий импульс будет сдвинут вправо, то на
обратный ход луча приемной трубки будет отведено меньше времени.
При превышении этого времени вследствие каких-либо причин обрат-
ный ход луча на экране не будет полностью погашен. С другой сторо-
ны, нельзя расположить строчные синхронизирующие импульсы не-
посредственно у левого края гасящего импульса. Сдвиг фронта
строчного синхронизирующего импульса вправо необходим для пред-
отвращения влияния содержания передаваемого изображения на
форму синхронизирующего импульса. Этот сдвиг, образующий уступ
перед началом строчного синхронизирующего импульса, должен за-
ведомо превосходить длительность переходных процессов в сравни-
тельноузкополосном канале синхронизации. Полоса пропускания ка-
нала синхронизации в приемниках составляет 2...3 МГц, и,
следовательно, длительность нестационарных процессов 0,5 мкс;
сдвиг импульса, образующего уступ перед строчным синхронизирую-
щим импульсом, таким образом, не может быть меньше 0,5 мкс; стан-
дартом установлено 1,5 мкс.
На уступе перед синхронизирующим импульсом полей должны
быть расположены пять уравнивающих импульсов. Этим и определя-
ется длительность уступа на кадровом импульсе.
Итак, в сигнале синхронизации телевизионных прием ников наибо-
лее сложным по форме является сигнал кадровой синхронизации. Его
форма, принятая отечественным стандартом, а также большинством
европейских стран и США, является наиболее совершенной. При ее
установлении были учтены все факторы, даже в незначительной сте-
пени влияющие на точность синхронизации. Такая форма позволяет
получить хорошее качество чересстрочной развертки при наиболее
простом способе разделения сигналов — с помощью интегрирующей
цепи — и большую помехоустойчивость.
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-
ческая синхронизация получили соответственно названия непосред-
ственной и инерционной синхронизации.
При непосредственной синхронизации импульс воздействует на
автогенератор, непосредственно навязывая ему вынужденные коле-
бания с определенными частотой и фазой. Наиболее просто непосред-
ственная с» нхроиизация реализуется при использовании в качестве
197
задающих генераторов мультивибраторов, блокинг-генераторов и
других релаксационных генераторов. Непосредственная синхрониза-
ция в реализации проще инерционной. Однако в телевидении она
используется редко.
Вспомним, что по линии связи между ТВ центром и приемником,
если не учитывать звукового сопровождения, передаются два сигна-
ла: сигнал изображения и сигналы синхронизации разверток ТВ при-
емника. Наличие в этой линии помех по-разному сказывается на сиг-
налах изображения и синхронизации. Если синхронизация
развертывающих устройств не нарушается, то изображение можно
получить и при очень больших помехах. Если же нарушена синхрони-
зация, то даже при малых помехах практически невозможно синтези-
ровать изображение вообще.
Помехи в радиоканале будут неодинаково сказываться на синхро-
низации кадровой и строчной разверток. Синхронизация кадровой
развертки будет меньше подвержена влиянию импульсных помех, так
как синхронизирующие импульсы полей выделяются из синхросмеси
интегрирующей цепью, являющейся фильтром нижних частот. Диф-
ференцирующая цепь, выделяющая строчные синхронизирующие им-
пульсы, не может защитить генератор импульсов строчной развертки
от импульсных помех, и канал строчной синхронизации оказывается
значительно менее помехозащищенным, чем канал кадровой. Поэто-
му в первую очередь принимаются меры по защите от помех канала
строчной синхронизации. Для этого в нем используется инерционная
синхронизация.
Метод инерционной синхронизации автогенератора является па-
раметрическим. Под воздействием внешнего сигнала изменяется тот
или иной параметр генератора, определяющий частоту и фазу его
колебаний. Этим параметром может быть не только элемент схемы
генератора, но и питающие его напряжения. Управление параметром
генератора, используемым для синхронизации колебаний, произво-
дят с помощью системы автоматического регулирования, получившей
название фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В литературе
получила применение также аббревиатура АПЧиФ — автоматиче-
ская подстройка частоты и фазы. Структурная схема ФАПЧ приведе-
на на рис.9.8.
каскада
Рис. 9.8. Структурная схема системы ФАПЧ
198
Синхронизирующие импульсы и колебания синхронизируемого
автогенератора (например, с задающего генератора развертки или
его выходного каскада) поступают на импульсный фазовый детектор,
где сравниваются их фазы и вырабатывается выходное напряжение,
пропорциональное разности мгновенных значений этих фаз. Из-за
импульсного характера поступающего на детектор сигнала выходное
напряжение получается также импульсным. Поэтому после детекто-
ра устанавливается интегрирующий элемент (фильтр нижних частот),
на выходе которого образуется постоянное напряжение с величиной и
знаком, соответствующими разности фаз синхронизирующих импуль-
сов и колебаний генератора. Это напряжение, воздействуя на управ-
ляемый параметр автогенератора, перестраивает частоту его колеба-
ний, обеспечивая необходимую синхронизацию.
Интегрирующий элемент в значительной мере подавляет влияние
хаотических помех, так как среднее изменение фазы, вызванное та-
кими помехами, за достаточно большой промежуток времени равно
нулю.
Применение системы ФАПЧ позволяет обеспечить не только вы-
сокую помехоустойчивость, но и удобство установки любого заданного
значения фазы автогенератора. В частности, ручной регулировкой
можно в автогенераторе добиться опережения строчных синхронизи-
рующих импульсов, что очень важно, например, в устройствах строч-
ной развертки, построенных на транзисторах.
9.4. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ СИНХРОНИЗАЦИИ
Для получения синхронизирующих и управляющих импульсов ис-
пользуется специальное устройство — синхрогенератор, с помощью
которого формируются импульсы с требуемыми формой и временны-
ми параметрами. Число независимых друг от друга выходов для каж-
дого вида импульса устанавливается в соответствии с числом потре-
бителей на ТВ центре. Эти задачи решаются путем выполнения
синхрогенератором следующих функций: в задающем устройстве
(хронизаторе) устанавливается жесткая связь между частотами пе-
ременных напряжений, из которых впоследствии будут сформирова-
ны импульсы. В формирующем устройстве создаются импульсы тре-
буемой формы и временных сдвигов между ними. В устройствах
согласования и распределения импульсов каждый из видов импуль-
сов распределяется по нескольким кабельным линиям, соединяющим
синхрогенератор с многочисленными потребителями.
Хронизатор синхрогенератора состоит из задающего генератора и
формирователя набора (сетки) опорных частот.
Частота задающего генератора определяется стандартом развер-
тки. При построчной развертке частота кадров /к = п (п — число
кадров в секунду), число строк в кадре z и частота строк /г связаны
простым соотношением fz = nz, которое определяет структуру зада-
ющей части (рис.9.9). С помощью ряда делителей строчная частота fz
делится на z, в результате чего на выходе получается сигнал с кадро-
199
Рис. 9.9. Структурная схема за-
дающего устройства
синхрогенера-тора при
построчной развертке
Рис. 9.10. Структурная схема задающе-
го устройства синхрогенератора при
чересстрочной развертке
вой частотой /к. Таким образом, частоты fz и /к оказываются жестко
связанными между собой, что и обеспечивает постоянство числа строк
в каждом кадре изображения.
При чересстрочной развертке каждый кадр изображения состоит
из двух полей. Частота, с которой работает кадровая развертка, ока-
зывается вдвое больше, чем частота кадров, т.е. fn = 2fK. Эта частота
связана с числом строк в одном поле и частотой строк соотношением
/z = |z/n.
Чтобы получить частоту полей fn из частоты строк /2, необходимо
строчную частоту разделить на z/2, т.е. на число строк в одном поле.
Но при чересстрочной развертке число строк в кадре берется нечет-
ным, и z/2 получится дробным. Способов же точного деления частоты
с дробным коэффициентом деления не существует. Поэтому поступа-
ют следующим образом. Задающий генератор работает на удвоенной
частоте строк 2/2(рис.9.10). Эта частота делится на целое число z, и на
выходе устройства получается частота полей fn. Для получения час-
тоты строк fz частоту задающего генератора 2fz делят на 2. С выхода
устройства снимаются три напряжения с частотами: двойной строч-
ной 2fz, строчной fz и полей /п.
Значение частоты колебаний задающего генератора, равное двой-
ной строчной частоте, является минимально возможным. В современ-
ных синхрогенераторах, как будет показано ниже, для обеспечения
работы формирующего устройства необходима широкая номенклату-
ра импульсов с разными частотами, значительно превышающими
строчную ил и двойную строчную частоту. Значения этих частот колеб-
лются от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Тем не менее из
приведенных выше рассуждений следует, что частота задающего ге-
нератора должна быть кратной fz при построчной развертке и 2fz —
при чересстрочной.
Стабильность работы задающих генераторов должна быть доста-
точно высока, чтобы обеспечить в соответствии состандартом погреш-
ность частоты строк не более 0,016 Гц, что в пересчете в относительную
погрешность составит величину С = 10 ®.
200
Обобщенная структурная схема современного синхрогенератора
(рис.9.11) претерпевает определенные изменения в зависимости от
режима работы синхрогенератора.
Существует три основных режима работы синхрогенератора: ав-
тономный, ведомый и режим централизованной синхронизации.
В автономном режиме в качестве задающего генератора в хрони-
заторе используется высокостабильный (кварцованный) автогенера-
тор. Переключатель В1 устанавливается в этом случае в положение
Авт. Задающий генератор работает с высокой стабильностью, опре-
деляемой стандартом. Этот режим применяется, когда телевизион-
ная программа создается аппаратурой, обслуживаемой одним синх-
рогенератором. В создании телевизионной программы на крупном
телевизионном центре используется очень большой объем оборудова-
ния, размещенного в различных аппаратных. Оно должно работать
ССЦ9
Сигнал ошибки
от ведущего
внешнего источника
\\ронизатор
Высокостабильный генератор
(1МГц)
СС11\ Перестраиваемый генератор
опорной частоты (1МГи)
Л -------------------------------
АЛп t
1 Bed
Формирователь опорных частот
Формирующее устройство
I 9ССИ | | ФКСИ |
| ФССП
I ФСГ | | ФСС |
Устройство, распределения и согласования ।,
I Л, I
I J I I
ФТГ КН
I вк
ЧНПЧ1 !
9АПЧ?
В2
Сигнал ошибки
ССП
От ведомых
> внешних источников
Сигнал ошибки
Сигнал ошибки
К ведомым
внешним
источникам
ж
ССП "!
J
J
Рис. 9.11. Обобщенная структурная схема синхрогенератора: ФССИ, ФКСИ, ФССП,
ФСГ, ФСС — формирователи сигналов строчных синхронизирующих, кадровых синх-
ронизирующих, синхронизации приемника, гашения, служебных соответственно; ВК —
выходные каскады
201
строго синхронно и синфазно, т.е. от одних и тех же синхронизирующих
импульсов. Это требование означало бы необходимость иметь на те-
левизионном центре сложнейшую разветвленную сеть распределения
синхросигналов от одного синхро^енервтора. На практике поступают
иначе. В каждой из аппаратных телецентра имеется свой синхрогене-
ратор, структура которого определена рис.9.11. Каждый из синхроге-
нераторов обслуживает оборудование только данной аппаратной. Ес-
ли при создании телевизионной программы требуется участие
нескольких аппаратных, то их синхрогенераторы переводятся в ре-
жим централизованной синхронизации (переключатель В1 в положе-
нии ССЦ). В этом случае задающие генераторы синхрокомплектов
отключены, а на вход формирователей опорных частот поступает по
кабелю сигнал от одного, общего для телецентра задающего генера-
тора. Таким образом, вместо сложной разветвленной сети распреде-
ления синхросигналов каждая аппаратная работает от одной линии,
по которой поступает исходная, 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 или даже
со.станций разных городов. Телевизионные сигналы внешних источни-
ков из-за несинхронности нельзя микшировать (смешивать) с сигна-
лом местной станции, в них нельзя вводить ее титры и видеоэффекты.'
Это сужает творческие и художественные возможности создателей
комбинированной программы. Кроме того, несинхронность сигналов
местного и внешнего источников при их смене будет приводить к скач-
кам фазы синхронизирующих импульсов, что обусловит возможные
кратковременные сбои синхронизации в телевизионных приемниках,
нарушит работу в линиях связи и ретрансляторах, устройствах видео-
записи и др. Таким образом, необходимо синхронизировать различ-
ные источники программы. Для этого синхрогенератор местного ис-
точника ставится в автономный режим. Из полученного от внешнего
источника по радиоканалу или другой линии связи телевизионного
сигнала выделяется с помощью амплитудного селектора сигнал син-
хронизации приемника ССП, который подается на фазовый детектор
системы ФАПЧ, имеющийся в синхрогенераторе. На второй вход этого
детектора подаются импульсы ССП от местного синхрогенератора.
Происходит сравнение двух сигналов синхронизации: от местного и
внешнего источников. Системой ФАПЧ вырабатывается сигнал ошиб-
ки, который представляет собой постоянно или медленно меняющееся
напряжение. Этот сигнал по отдельному каналу связи, в качестве
которого можно использовать обычную телефонную линию, направ-
ляется обратно к внешнему источнику программы и подается на вход
перестраиваемого генератора опорной частоты хронизатора. Пере-
ключатель В1 в хронизаторе внешнего источника должен быть пере-
веден в положение Вед. Сигнал ошибки, воздействуя на генератор,
подстраивает его частоту и фазу до тех пор, пока ошибка не станет
202
равной нулю, т.е. до равенства частот и фаз синхроимпульсов местно-
го и внешнего источников. Внешний источник, таким образом, как бы
’’ведется” местным, отчего и режим работы, внешнего синхрогенера-
тора называется ведомым.
На рис. 9.11 в качестве примера изображены элементы двух систем
ФАПЧ, позволяющих подчинить местному синхрогенератору два
внешних источника программы.
Возможен вариант ведомого режима работы синхрогенератора, в
котором источник местной программы должен быть синхронизирован
источником внешней программы без использования отдельного кана-
ла синхронизации между ними. В этом случае сигнал ССП внешнего
источника должен быть подан в соответствии с рис.9.11 на вход
ФАПЧ2, а полученный сигнал ошибки, скоммутированный переклю-
чателем В2 на собственный генератор опорной частоты, подстроит
частоту и фазу местного источника под внешний источник. Этот ре-
жим оказывается эквивалентным режиму синхронизации телевизи-
онного приемника. Использован он может быть, когда в программу
местного источника необходимо включить только фрагменты про-
граммы внешнего источника, а не осуществлять его полную ретранс-
ляцию.
9.5. СИНХРОНИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛА
ПУТЕМ ВРЕМЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Как отмечалось выше, все ТВ сигналы источников программ теле-
визионного центра и сигналы, поступающие извне (с репортажных
установок, передвижных станций, от других телецентров и пр.), долж-
ны быть синхронны и синфазны. Только при этом условии возможны
создание комбинированных из этих сигналов программ, бесперебой-
ная работа развертывающих устройств приемников при коммутации
местных и внешних сигналов. При этом рассматривались способы
синхронизации источников сигналов с помощью синхронизирующих
импульсов. Однако возможен и нашел практическое применение еще
один способ синхронизации, основанный на временном преобразова-
нии ТВ сигналов от автономно (независимо) работающих источников.
Устройство, в котором решается данная задача, называется циф-
ровым телевизионным синхронизатором. Его работа основана на пре-
образовании входного сигнала в цифровую форму и записи его в кад-
ровую память по адресам, формируемым для каждого дискретного
отсчета изображения. Последовательность записи по сформирован-
ным адресам периодически повторяется, и, таким образом, содержи-
мое ЗУ постоянно обновляется и старая информация заменяется но-
вой. При считывании этой информации из памяти по адресам, которые
формируются в соответствии с опорными (местными) сигналами син-
хронизации, на выходе синхронизатора формируется ТВ сигнал, син-
хронный с местными источниками сигналов. Частота и фаза синхро-
низации выходного сигнала не зависят от частоты и фазы сигнала
203
Рис. 9.12. Структурная схема цифрового синхронизатора сигналов
на входе синхронизатора, что достигается благодаря относительной
независимости операций записи и считывания из запоминающего ус-
тройства.
Упрощенная функциональная схема группового синхронизатора
представлена на рис.9.12. На его вход поступает сигнал от внешнего
источника, который должен быть синхронизирован с частотой местно-
го сигнала, называемого в данном случае опорным. В качестве опор-
ного сигнала может служить как полный ТВ сигнал, так и сигнал
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 демультиплек-
сирован. Дискретизация входного сигнала в АЦП производится с
частотой тактовых импульсов, вырабатываемых в формирователе /,
который "ведется” внешним сигналом. Вэтом же формирователе фор-
мируются импульсы, определяющие моменты записи, и коды адресов
памяти, по которым производится запись.
Считывание осуществляется с частотой и фазой, определяемыми
местным сигналом. Соответствующие импульсы с тактовой частотой,
частотой считывания и коды адресов, по которым производится счи-
тывание, создаются формирователем 2. Считанный из ЗУ цифровой -
сигнал приобретает аналоговую форму в ЦАП. Если при записи сиг-
нала применялось демультиплексирование, то после считывания дол-
жен 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. С
этой целью процессы записи и считывания в каждой из секций ЗУ
доллГны быть разнесены во времени. Обычно используют следующий
алгоритм считывания. Если разность фаз между кадровыми синхро-
204
низирующими импульсами не превышает времени записи одной сек-
ции 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 считывается
четное, и наоборот. Если разность фаз превысила время записи одной
секции, то считывать можно то же поле, которое записывается в дан-
ный момент, т.е. доступ к секции, в которой информация уже обнови-
лась, открыт. Команды на запись и считывание вырабатываются уст-
ройством управления, в котором анализируется взаимное временное
положение сигналов синхронизации входного и опорного сигналов.
Устройство управления по этому признаку с помощью коммутатора
переключает режим работы соответствующих секций памяти.
Кроме рассмотренной основной функции синхронизации внешних
источников программ в синхронизаторе можно осуществлять и специ-
альную обработку ТВ сигнала (получение "стоп-кадра”, видеоэффек-
тов, преобразование стандартов разложения). Наконец, синхрониза-
тор позволяет улучшить качество приема ТВ сигналов наземными
станциями спутниковой связи благодаря возможности коррекции эф-
фекта Доплера, возникающего при работе с удаляющимся или при-
ближающимся к станции приема спутником. Благодаря перечислен-
ным и некоторым другим преимуществам временного преобразования
перед способом синхронизации импульсными сигналами цифровые син-
хронизаторы сигналов получили значительное распространение на те-
левизионных центрах.
205
III. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
ГЛАВА 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 от 380 до 780 нм. Этот диапазон излучения принято считать
видимым спектром
Глаз является селективным приемником излучения. Это значит,
что в видимом диапазоне он воспринимает различные длины волн не
одинаково. Ощущение цвета зависит от спектрального состава воз-
действующего на глаз излучения. Если излучение содержит все длины
волн видимого диапазона и является равноинтенсивным, т.е. все со-
ставляющие спектра излучения имеют одинаковую мощность, то в
зрительном аппарате возникает ощущение белого цвета. Ощущение
цвета, отличное от белого, возникает лишь в том случае, если излуче-
ние содержит не все длины волн указанного диапазон либо является
существенно неравномерным. Предельным случаем неравномерного
излучения можно считать излучение в малом интервале длин волн
АХ, так называемые монохроматические излучения. Монохроматиче-
ские излучения разной длины волны вызывают у человека ощущение
различных спектральных цветов, обладающих максимальной (100 %)
насыщенностью. Насыщенность — характерное свойство цвета —
цветовой параметр, обозначающий степень разбавленности монохро-
матического цвета белым. Насыщенность белого цвета равна нулю.
Спектр монохроматических излучений условно разбит на семь глав-
ных цветов (табл. 10.1), названия которых могут служить приблизи-
тельным обозначением цветового тона. Под цветовым тоном понима-
ют 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 характеризуют качество
цвета, которое называется цветностью. Количество цвета связано
206
с величиной лучистого потока, воздействующего на орган зрения из
лучения.
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 Хд 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 является
трехмерной величиной. Во многих случаях оказывается удобным раз-
дельно оценивать качественную и количественную характеристики
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 определен-
ной пропорции со световым потоком данного цвета дает белый цвет.
Так, для желтых, оранжевых, зеленых цветов дополнительными цве-
тами 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 цвета,
т.е. известный спектральный состав и интенсивность излучения пол-
ностью определяют цвет излучения. Однако по цвету излучения нель-
зя судить о его спектральном составе, так как ощущение одного и того
же цвета может быть получено при различных спектральных составах
воздействующих излучений. Зрительный аппарат человека не всосто-
янии, например, отличить оранжевый цвет монохроматического излу-
чения с длиной волны около 600 нм от желтого цвета смеси источников
излучения красного (Хк==700 нм) и зеленого (Х3=500 нм). Два различ-
ных по спектральному составу излучения, создающих ощущение од-
ного и того же цвета, называются метаметрической парой.
Количество различимых глазом цветов очень велико и зависит от
многих факторов, таких как условия наблюдения, тренированность
наблюдателя и др. Наш глаз способен различать около 10 мли. раз-
личных цветов, отличающихся один от другого по трем параметрам —
светдоте, цветовому тону и насыщенности. Описание такого множест-
ва цветовых оттенков невозможно без их классификации и символи-
ческого обозначения. С этой целью разрабатываются системы цвето-
вых шкал в виде таблиц и цветовых атласов, которые служат для
Таблица 10.1
Длина волны, нм 780 .605 605.590 590..560 560.500 500...470 470...430 430...380
Цвет красный оранже- вый желтый зеленый голубой синий фиолето- вый
207
безынструментального определения цвета рассеивающей поверхно-
сти. Наиболее известны цветовые атласы Оствальда, Менселла и Раб-
кина [31]. Их общим недостатком является неточность. Цветовая сис-
тема, позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета,
была создана иа основе теоретических и экспериментальных работ
многих поколений ученых, осветивших природу цветового зрения и
положивших в основу построения науки об измерении цвета — коло-
риметрии — теорию трехкомпонентного цветового зрения и понятие о
трехмерном 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 излу-
чением в единицу времени, называют лучистым потоком Ф, единицей
которого является ватт (Вт). Спектр лучистого потока может иметь
различный характер: быть линейчатым (частным случаем такого
спектра является поток монохроматических излучений), сплошным,
прерывным или смешанным.
Спектральную характеристику лучистого потока удобно характе-
ризовать с помощью так называемой спектральной плотности лучи-
стого потока, Вт/нм:
(px = d®/dX. (10.1)
Для примера на рис. 10.1 приведена спектральная плотность ис-
точника белого света типа С. На этом рисунке заштрихованная часть,
заключенная между абсциссами X и Х-}-сГХ и имеющая высоту Ф(Х),
дает значение </Ф, соответствующее данной X. Площадь под кривой
Ф(Х) дает всю величину лучистого потока
*2
Ф = J Ф(Х)</Х.
Ч
Спектральный состав излучения, воздействующего на светопри-
емники, зависит не только от спектральной плотности потока, но и от
380 «го «60 500 560 580 620 660 700 740 \ЦМ
Рис. 10.1. Спектральная интен-
сивность источника белого света
типа С
208
спектральных свойств тел. В зависимости от этих свойств тело может
частично или целиком пропустить, а также поглотить падающий 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 отраженной, пропу-
щенной и поглощенной частей лучистого потока ко всему лучистому
потоку, падающему на предмет, называют соответственно коэффици-
ентами отражения (q), пропускания (т) и поглощения (а). Функции
спектральных коэффициентов отражения q(X) и пропускания т(Х) оп-
ределяются следующими выражениями:
С(Х) = Фв(Х)/Ф(Х); (10.2)
т(Х) = Фх(Х)/Ф(Х), (10.3)
где Фе и Фх — отражаемый и пропускаемый лучистые потоки соответ-
ственно.
Таким образом, если поток излучения, падающий на объект, запи-
сывается как
Ф=^ФОДО; (Ю.4)
Х1
то отраженный от объекта или пропущенный им лучистый поток за
пишется соответственно как
Фв = ^СкФ(Х)аХ; (10-5>
ч
ч
ФХ = ^Ф(Л,)<А. (10.6)
х|
Для оценки воздействия лучистой энергии на светочувствитель-
ный элемент нормального глаза необходимо учитывать особенности
егосветового восприятия. По определению, данному МКО(Междуна-
родная комиссия по освещению) в 1924 г., светом называется электро-
магнитное излучение, оцененное глазрм по тому действию, KOTopot
оно на него производит. Световой поток F связан с лучистым потоком
Ф через спектральную световую чувствительность глаза, так называ
емую стандартную относ-тельную видность глаза V(X):
780
F=VmW (10.7)
380
Единица измерения светового потока — люмен (лм).
209
Рис. 10.2. Кривая видности гла-
за стандартного наблюдателя
Стандартная относительная видностьглаза(рис.10.2)определена
в результате усреднения экспериментальных данных, полученных
для большого числа наблюдателей. Коэффициент Vm(X), являющийся
максимумом кривой стандартной относительной видности с длиной
волны X = 555 нм, устанавливает количественную связь между свето-
вым и лучистым потоком. В результате точных измерений установле-
но, что 1 Вт лучистого потока монохроматического излучения с длиной
волны X = 555 нм равен 683 люменам светового потока. Следователь-
но, Vm(X) = 683, и выражение для светового потока принимает следу-
ющий вид:
780
F = 683$ Ф(Х)У(ХМЬ-
380
(10.8)
Пределы интегрирования выбраны в соответствии с минимальным
значением ординат У(Х).
Излучение, длины волн которого лежат за этими пределами, прак-
тически не вызывает раздражения зрительного аппарата. В диапазо-
не длин волн от 10 до 380 нм излучение называется ультрафиолето-
вым, 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 М.В. Ломоносовым в
1756 г. Согласно этой теории мы допускаем существование на сетчат-
ке глаза трех видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает
преимущественной чувствительностью к определенному участку ви-
димого спектра — коротковолновому (синему), средневолновому (зе-
леному), длинноволновому (красному).
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
210
разной спектральной интенсивностью. Это приводит к раздражению
не одного, а двух или трех световоспринимающих аппаратов одновре-
менно. При этом волны различной длины возбуждают эти аппараты в
различной степени. Различное соотношение возбуждений световос-
принимающих аппаратов вызывает ощущение цвета. Таким образом,
анализ воздействующего излучения тремя селективными светочувст-
вительными аппаратами глаза и последующий синтез результатов их
возбуждений корой головного мозга вызывает ощущение большого
числа цветовых оттенков окружающих нас предметов. Теория эта
хорошо согласуется с законами смешения цветов, которые косвенно
ее подтверждают.
В телевидении используется локальное, пространственное и бино-
кулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть одно-
временным (оптическим), когда на одну поверхность проецируются
два или несколько излучений, вызывающие каждый в отдельности
ощущение разных цветов, и последовательным, когда аналогичные
излучения воздействуют на глаз последовательно одно за другим. При
быстрой смене излучений в зрительном аппарате возникает ощуще-
ние единого результирующего цвета. При пространственном смеше-
нии участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами, имеют доста-
точно малые размеры и глаз воспринимает их как единое целое.
Примером этому могут служить мелкие штрихи, мозаика и др. Вос-
произведение цветного изображения на телевизионном экране в боль-
шинстве случаев основано на пространственном смешении цветов.
Бинокулярным смешением называется смешение двух или несколь-
ких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза
разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цве
та.
В основном законе смешения утверждается, 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 4- b'B ; (10.9)
здесь f'F — излучение произвольного состава, единица которого
обозначена через F, а количество единиц— че; , R, G, В — еди-
ничные количества основных цветов; г', g', b' — множители, указыва-
ющие количества излучений, соответствующих цветам R, G, В,— или
’’модули этих цветов”.
Основными цветами называются взаимно-независимые цвета, ко-
торые нельзя получить смешением дгх других, т.е. они не могут быть
связаны уравнениями типа
r'R = g'G + b'B g'G = r'R + b'B; b'B = r'R + g'G. (10.10)
Примером взаимно-независимых цветов являются красный (R)
зеленый (G) и синий (В).
Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобнс
производить путем установления тождества цветов полей сравнение
211
с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из
граней которой проецируется излучение исследуемого источника, а на
другую грань — излучение от трех источников: красного /?, зеленого
G и синего В. Зрительная труба, при помощи которой ведутся наблю-
дения, направлена на ребро призмы, разделяющее освещенные грани.
Следовательно, поле зрения трубы разделено на два поля сравнения:
одно, освещаемое исследуемым цветом, другое — освещаемое
смесью трех источников. Между каждым из трех источников R, G, В и
призмой стоит устройство, ослабляющее полное излучение данного
источника в определенное число раз. Меняя интенсивность потоков
излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника,
колориметрист добивается уравнивания цвета (т.е. цветности и ярко-
сти) полей сравнения.
Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя
получить цветового равенства (10.9) ни при каких значениях основных
цветов R, G, В. Согласование для этих цветов наступает 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 + r'R = g'G + b'B, (10.11)
или
f'F = -r'R 4- g'G 4- b'B.
(10.12)
Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью урав-
нения (10.9) коэффициенты г', g', //могут иметь отрицательные значе-
ния. Это позволяет расширить применимость форм цветового уравне-
ния (10.9), показывающего, что в общем случае цвет определяется
тремя независимыми переменными r',g',b', что подтверждает его
трехмерность.
Знание численных значений цветовых коэффициентов г', g', b' пол-
ностью определяет воздействующее на глаз излучение и количествен-
но, и качественно. Для определения только качественной характери-
стики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные,
а относительные количества основных цветов г, g, b , определяемые
из выражений
г. г
r'+g+b' т ’
r+g+b nt
ь = ^^,
r+g+b m
где m = r' 4- g' 4- b' — цветовой модуль.
Очевидно, что
r4-g4-b= 1-
(10.13)
(10.14)
212
Символы г, g, b носят название координат цветности.
В уравнении (10.9) множитель указывает f' — количество цвета F,
необходимое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яр-
кость смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.
f'= г'+ g'+ b'= т. (10.15)
Тогда, разделив (10.9) на цветовой модуль, получим
F = rR + gG + bB. (10.16)
Цвет F носит название единичного цвета", сумма его.координат
равна единице.
Координаты цветности являются зависимыми величинами, так
как, зная две из них, третью находим из равенства (10.14). Это подтвер-
ждает двумерность параметра цвета — цветности и позволяет ото-
бразить 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',Ь',с'. Необходимость и достаточность трех чисел
для полной характеристики цвета позволяет рассматривать его как
точку в трехмерном цветовом пространстве или как вектор, проводи-
мый в эту точку из начала координат. Если основные цвета А, В, С
представить в виде векторов А, В, С, то уравнение цвета может быть
записано в виде
D = а'А + b'B 4- с'С. (10.17)
В этом уравнении цвета смеси определяются суммарным векто-
ром D, имеющим координаты а',Ь',с' в системе координат АВС. Коор-
динаты каждой точки цветового пространства численно равны проек-
ции вектора цвета на координатные оси. Начало всех векторов цвета
расположено в общей точке О, являющейся началом системы коорди-
нат цветового пространства, которому соответствует черный цвет
(рис. 10.3). В качестве координат цветового пространства могут быть
выбраны направления векторов любых трех линейно независимых
цветов. Для обеспечения этого условия векторы выбранных основных
цветов не должны лежать в одной плоскости и, следовательно, объем
параллелепипеда, построенного на них, не равен нулю. Вследствие
того что все векторы цвета имеют общее начало, их можно рассматри-
вать как радиусы — векторы точек, каждая из которых будет одно-
значно определять цвет. Тогда каждой точке цветового пространства
будет соответствовать определенное значение яркости и цветности.
Прн этом длина вектора характеризует количество цвета — яркость,
а направление — его качество — цветность.
Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называет-
213
Рис. 10.3. Вектор цвета и его
компоненты
ся цветовым. Совокупность цветовых векторов в цветовом простран-
стве занимает телесный угол менее 2л, 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 иллю-
стрирует рис. 10.4, где в колориметрической системе, построенной на
векторах трех основных цветов АВС, изображена коническая поверх-
ность, образованная векторами цветов монохроматических излуче-
ний. Поверхность имеет выпуклую форму, так как не один спектраль-
ный цвет не может быть получен смешением двух других. Видимый
спектрограничен, с одной стороны, красным (А. = 700 нм), а с дру-
гой — синим (А = 400 нм) излучением, поэтому поверхность спект-
ральных цветов незамкнута. Проведя плоскость через векторы моно-
хроматических цветов с А = 400 нм и А = 700 нм, получим плоскость,
в которой расположены векторы всех возможных смесей этих цветов,
которые принято называть пурпурными цветами.
Поскольку цветов более чистых, чем спектральные, не существует,
векторы всех реальных цветов расположены в пределах части цвето-
вого пространства, которое ограничено конической поверхностью, об-
разованной векторами цветов монохроматических излучений и пло-
скостью чистых пурпурных цветов. Совокупность направлений
векторов реальных цветов принято называть конусом реальных цве-
тов. Все 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 указыва-
лось, что качественная характеристика цвета — цветность — являет-
ся двумерной величиной и, следовательно, может быть определена
точкой на плоскости. Одной из характерных плоскостей цветового
пространства является плоскость единичных цветов. Единичным цве-
том в колориметрии называют любой цвет, сумма координат (моду-
лей) которогр равна единице. Поскольку отношение модуля каждого
214
основного цвета к сумме модулей основных цветов представляет со-
бой соответствующие трехцветные коэффициенты или координаты
цветности
а'/т = а; Ь'/т = Ь; с'/т = с, где т = a' 4- b' 4- с',
а сумма трехцветных коэффициентов а-|-£>-|-с=1, координаты любого
единичного цвета равны его соответствующим трехцветным коэффи-
циентам или, что то же самое, координатам цветности. Положение
плоскости единичных цветов в цветовом пространстве определяется
единичными значениями их отрезков, отсекаемых плоскостью иа ко-
ординатных осях АВС. Следовательно, плоскость пересекающая оси
координат в точках А£а' = 1; Ь' = 0; с' = 0),В(а' — 0; b' = 1; с' = 0),
С^а' = 0-,Ь' = 0; с' = 1) (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 направле-
ние цветового вектора, пронизывающего в этой точке плоскость.
Следовательно, цветности любого излучения соответствует един-
ственно возможная точка этой плоскости. Треугольник Л0В0С0, обра-
зованный следами пересечения единичной плоскости с координатны-
ми плоскостями системы, называется цветовым треугольником и
является равносторонним, а положение точки в треугольнике опреде-
ляет цветность описываемого цвета. Если положение точки внутри
равиостороинего треугольника задано, то перпендикуляры, опущен-
ные из нее на противоположные стороны вершин АВС, дадут непос-
редственно трехцветные коэффициенты (координаты цветности) а, b
с, сумма которых равна единице (рис. 10.5). Если же, наоборот, задань
координаты цветности а,Ь,с, то положение точки в треугольнике най
дется по правилу определения центра тяжести. Удобно для нахожде
Рис. 10.4. Цветовое пространст-
во
Рис. 10.5. Цветовой треугольник АВС
215
ния точки цветности по известным трехцветным коэффициентам поль-
зоваться равномерной сеткой, нанесенной на цветовом треугольнике.
Пользуясь сеткой, легко определить, что цветность равноинтенсивно-
го цвета Е (точка Е) описывается уравнением ФЕ = — A -J-—— С,
а, например, в точке D цветность Фс = 0,34 4~ 0,5С 4- 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 в целях
устранения неопределенности измерения цвета в 1931 г. Международ-
ная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве основ-
ных цветов — основных стимулов — три монохроматических излучения
с длинами волн Хр=700 нм, Хс=546,1 нм и А,в=435,8 нм. Выбранные
основные цвета удобны тем, что два из них Rm В близки к краям видимого
спектра, а третий G — к его середине, поэтому каждый из них действует
преимущественно на свой цветочувствительный аппарат. Кроме того,
излучение Хс и кв с большой интенсивностью испускается парами ртути,
что упрощает проведение колориметрических измерений.
Любой цвет в системе R, G, В определяется по аналогии с (10.9)
выражением
f'F = r'R 4- g'G 4- b'B, (10.18)
где R,G, В — обозначения выбранных основных цветов, а г', g', b' — их
количества, т.е. координаты цвета. Координаты цвета г', g', b' могут
быть выражены в энергетических или световых единицах, но удобнее
их выражать в количествах единичных цветов R, G, В. При этом сим-
волы R, G, В являются наименованием единиц измерения цвета. Аб-
солютные (количественные) значения единичных цветов колоримет-
рической системы не устанавливают, нормируют лишь их соотно-
шение. Его выбирают таким, чтобы при сложении единичных цветов в
численно равных количествах получилось ощущение равноэнергети-
ческого белого цвета Е:
Е= 1R + 1G + IB. (10.19)
Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как будет
показано ниже, оказывается удобным при представлении цвета точ-
кой в трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения
цветов известно, что для получения цветового ощущения белого от
равноэнергетического излучения — источника типа Е необходимо к
единице цвета R прибавить 4,5907 единицы цвета G и 0,0601 единицы
цвета В. Тогда если через LR, Lc, LB обозначить относительные ярко-
стные коэффициенты основных цветов, то количественное соотноше-
ние компонентов смеси можно записать как
216
LR r’E : Lc g'E : LB b'E = 1:4,5907:0,0601, (10.20)
где r'E,g’E,b'E—координаты белого цвета равноэнергетического
излучения Е, которые в системе RGB будут:
rE = g'E = bE = ~. (10.21)
Координаты цвета г\ g‘, b' любого сложного излучения могут быть
определены, если известен спектральный состав этого излучения
Р(Х):
*2
г' = J
ч
*2
g' = \PWg(^dk,
Ч
*2
b' = I P(X)fc(K)dX.
ч
(10.22)
Величины r(X), g(X), Ь(Х) представляют собой цветовые свойства
среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равен-
ства (10.18), которые были стандартизованы в 1931 г. МКО на основе
экспериментальных результатов, полученных Райтом и Гилдом. Цве-
товые свойства наблюдателей были стандартизованы для монохрома-
тического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин
волн. В результате были получены удельные координаты или удель-
ные цветовые коэффициенты, которыми называются коэффициенты
цветового уравнения (10.18), необходимые для получения ощущения
цвета, соответствующего монохроматическому излучению мощно-
стью в 1 Вт. Графическая зависимость удельных координат длины
волны или кривые смешения изображены на рис.10.6. Они связывают
воздействующее на глаз излучение данного спектрального состава с ре-
Рис. 10.6. Удельные координаты цвета
в системе RGB
217
зультатом этого воздействия — ощущением цвета, выраженным в
цветовых координатах r", g', b'.
Для равноэнергетического белого цвета и РЕк = const и r'E=g'E=b'E,
откуда
*2 *2 *2
(10.23)
Х| 1| Х|
а следовательно, площади под кривыми r(k),g(ty,b(K) равны.
Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают,
что в цветовом уравнении (10.18) величины г', g', Ь'для чистых спект-
ральных 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 тело,
построенное на векторах основных цветов колориметрической систе-
мы RGB. Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точках,
соответствующих единичным количествам основных цветов, и, следо-
вательно, является единичной плоскостью. Вектор равноэнергетиче-
ского белого цвета Е равноудален от векторов основных цветов, чем
достигается равномерность заполнения цветового пространства.
След пересечения плоскости Q с конической поверхностью цвето-
вого тела образует локус чистых спектральных цветов. Следы пересе-
чения этой плоскости с координатными плоскостями образуют цвето-
вой треугольник RGB. Любой точке в плоскости треугольника RGB
соответствует вполне определенная цветность, координаты которой
определяются путем деления модулей цвета г', g', Ь'на их сумму в
соответствии с (10.13).
Для опорного равносигнального цвета Е координаты цветности
ге = g^ = ЬЕ — 1/3.
Следовательно, точка белого цвета Е является центром тяжести
треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматривая
положение цветового конуса в пространстве координат RGB, видим,
что значительная часть цветового тела, содержащая векторы моно-
хроматических 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 пло-
скостью Q — спектральный локус выходит за пределы цветового тре-
угольника RGB. Следовательно, чистые спектральные цвета не могут
быть получены смешением основных цветов RGB и входящие в цвето-
вые уравнения модули г', g', Ь'для этих цветов могут иметь отрица-
тельные значения. Кривые смешения (см.рис. 10.6) подтверждают это
положение.
Колориметрическая система RGB удобна для проведения экспе-
риментальных исследований, так как её основные цвета являются
реальными, физически существующими цветами. Однако наличие в
218
Рис. 10 8. Цветовое пространство XKZ
и получение диаграммы цветности МКО
Рис. 10 7. Цветовое тело, построенное
иа векторах реальных цветов RGB
кривых смешения RGB (см.рис.10.6) положительных и отрицательных
ветвей значительно затрудняет их реализацию при создании цветоиз-
мерительных приборов — колориметров. Вторым недостатком систе-
мы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цве-
та при определении его яркости:
L = 683(LrR+LcG+LbB),
где R, G, В — координаты цвета; LR, Lc, LB — яркостные коэффициенты
основных цветов системы RGB. Поэтому в 1931 г. МКО была принята
более удобная колориметрическая система нереальных 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 определяются поло-
жительными значениями модулей основных цветов выбранной коор-
динатной системы и, следовательно, координаты цветности всех ре-
альных цветов должны лежать внутри координатного треугольника
основных цветов.
2. Количественная характеристика цвета — яркость — должна
полностью определяться одним его компонентом.
3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения дол-
жны быть равными, т.е. точка цветности этого излучения должна
лежать в центре тяжести треугольника основных цветов.
219
Для обеспечения первого требования в качестве основных цветов
были выбраны три теоретических (реально не воспроизводимых) цве-
та XYZ. Координатная система XKZ выбрана так, чтобы векторы
основных цветов находились в цветовом пространстве вне тела реаль-
ных цветов, т.е. тело реальных цветов находится внутри координатной
системы XXZ, которая может быть пояснена с помощью рис. 10.8. Оси
X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координатных
осей в цветовом пространстве — координата Y полностью определя-
ется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в
плоскости нулевой яркости. Вектор координаты перпендикулярен
равноярким плоскостям, и в частности, плоскости нулевой яркости
XOZ, что обеспечивает выполнение второго условия.
Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:
f' F = х'Х + y'Y + z'Z (10.24)
и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами х',
у', 2<или вектором, проведенным в эту точку из начала координат.
Модули основных цветов х', у', z'определяются выражениями, анало-
гичными (10.22):
х2
х = $ P(A.)x(X)4X)dA.;
*т
*2
y=\P(X)^X)dX,
Ч
х2
z = J P(X)z(X)dX.
*т
(10.25)
Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ
показаны на рисЛО.9. Кривая у(к) тождественна кривой стандартной
Рис. 10.9. Удельные координаты цвета Рис. 10.10. Координаты цветности в сис-
в системе XYZ теме XYZ
220
относительной видности глаза У(Х). Две другие кривые х(Х) и z(X)
получены в результате пересчета удельных координат z'(X), g(k), b(X)
системы RGB в координатную систему XYZ. Подынтегральные пло-
щади всех трех кривых равны между собой, что обеспечивает выпол-
нение третьего условия построения системы.
Цветовое пространство XYZ (рис. 10.8) рассечено единичной пло-
скостью, определяемой уравнением
Х+ Y + Z=1
и отсекающей на осях координат отрезки, равные Х=\, У=1, Z=l.
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'/АГ, у — у'/М; z = z'/М,
где М = х' у' 4- г' — модуль цвета, а х, у, z — координаты цветно-
сти. Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены и
стандартизованы МКО. Значения х, у, z для монохроматических из-
лучений изображены графически на рис. 10.10.
Геометрическое место координат цветности чистых спектральных
цветов представляет собой кривую, лежащую на единичной плоскости
и именуемую спектральным локусом (см.рис. 10.8). Прямолинейный
участок, замыкающий эту кривую в точках В и R, представляет цвет-
ности пурпурных цветов. Изображение цветностей на единичной пло-
скости или ее проекции называется диаграммой цветности — цвето-
вым 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 век-
торами чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в себе
ту часть цветового пространства, где располагаются векторы всех
реальных цветов, визуально воспринимаемых глазом. Все остальные
векторы, расположенные за пределами этой конической поверхности,
представляют формальные цвета, которые не могут быть визуально
восприняты. Такими являются и сами первичные цвета XYZ МКО.
Благодаря такому выбору первичных цветов цветовые компоненты
всех реальных цветов в системе XYZ выражаются только положитель-
ными величинами. Соответственно на диаграмме цветности все точки,
заключенные внутри спектрального локуса, представляют реальные
цветности. Все точки вне спектрального локуса соответствуют фор-
мальным цветностям.
Так как одна из координат цветности является зависимой от двух
других (x4-^4-z=l), то для определения цветности достаточно двух
координат, например хну. Тогда, проектируя диаграмму цветности
единичной плоскости на плоскость ху в направлении оси г (см. рис.
221
Рис 10 11. Диаграммы цветности в еди-
ничной плоскости XYZ
Рис. 10.12. Диаграмма цветности МКО
10.8) , получим известную диаграмму цветности МКО(рис.10.12). Ана-
лизируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее.
1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри
спектрального локуса и определяются положительными значениями
хи#.
2. Равноэнергетический белый цвет Е находится в центре тяжести
треугольника хоу. Его координаты цветности будут 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, лежащей 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 ХД 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 /\):
Р-7^Т.-т%-
где F6 — световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. Насы-
222
щенность максимальна (Р = 100 %) для чистых спектральных и пур-
пурных цветов и минимальна (Р = 0)для белого цвета.
10.7. РАВНОКОНТРАСТНАЯ ЦВЕТОВАЯ ДИАГРАММА
Для определения точности измерения цвета или воспроизведения
его на телевизионном экране необходимо выбрать правильную меру
оценки разности сравниваемых цветов. Различие между цветами це-
лесообразно оценивать в порогах цветоразличения, которые наблю-
датель в состоянии заметить. Экспериментальные данные о чувстви-
тельности зрения к изменению цветности для разных точек цветового
графика представлены на рис.10.13 в виде эллипсов различной вели-
чины и ориентации, внутри которых глаз не ощущает разницы в цвете.
Полуоси эллипсов пропорциональны порогам цветоразличения. Для
большей наглядности эллипсы на рисунке изображены с десятикрат-
ным увеличением. Пороги в разных участках цветовой диаграммы XY
резко различны, что затрудняет использование ее при оценке разницы
цветов. Для устранения этого недостатка была разработана и реко-
мендована МКО равноконтрастная диаграмма цветности (рис. 10.14),
полученная из диаграммы цветности XY путем проекции её на новую
плоскость uV. Координаты цветности в новой системе цветов опреде-
ляются из соотношения
1/ =---; У =---------------
бу — х +1,5 бу — х + 1,5
В результате такого преобразования на равноконтрастном графике
пороги цветоразличения представляют собой равные окружности, а
величина порога составляет 0,0038 единиц и V.
В телевидении для оценки цветовых различий, обусловленных ис-
кажениями не только цветности, но и яркости, используют рекомендо-
ванное МКО в 1964 г. равноконтрастное цветовое пространство. Коор-
Ц1 Ц2 QJ 0,4 Ц5 0,6 0,7 OJBH
Рис. 10.13. Пороги различимости цве-
тов иа графике МКО
Рис. 10.14. Равнокоитрастиая диаграм -
ма цветности и, U
223
динатами пространства являются индексы яркости W* и цветности
U* и V*, определяемые из следующих соотношений:
W* =25( *"),/3~ 17, U* =131Г*((У— Uo)-, Р=13№*( V—Уо), (10.26)
где У' — относительная яркость исследуемого цвета к яркости белого
в процентах, Uo, Ро и U, V — координаты цветности опорного белого и
оцениваемых цветов, соответственно, в системе U VW*. Разность меж-
ду двумя цветами определяется в равноконтрастном цветовом про-
странстве МКО как расстояние между двумя точками:
ДЕ = [(АС/')2 + (At/*)2 4- (А1Г)2]'/2, (10.27)
где AC/*, At/*, AIT'* — разности соответствующих координат сравни-
ваемых цветов в системе U*, V*, №*. Выражение для АЕ дает только
разность между цветами в равномерном цветовом пространстве. Для
количественной оценки качества цветопередачи введен индекс цвето-
передачи
Я = 106 — 4,6 АЕ. (10.28)
Для оценки качества цветопередачи по совокупности испытатель-
ных цветов используют общий индекс цветопередачи Ra
т т
/?а = ^£/? = ^(юо-4,бдгу (10.29)
4=1 4= 1
где i — номер испытательного цвета из набора т цветов, ДЕ, — цве-
товое различие, определяемое по формуле (10.27). Экспериментально
установлено, что расчетным значениям Ra соответствуют следующие
оценки качества цветопередачи:
Ra
80... 100
65...80
50...65
30... 50
Оценка
"отлично”
"очень хорошо"
"хорошо”
"удовлетворительно"
10.8. ЦВЕТОВОЙ РАСЧЕТ КООРДИНАТ ЦВЕТА И ЦВЕТНОСТИ
Расчет цвета или цветности сводится к аналитическому определе-
нию их координат в выбранной системе по заданному спектральному
распределению излучения. Пусть требуется определить координаты
цветности излучения, отраженного от белого экрана, который осве-
щен лампой накаливания, прикрытой светофильтром СЗС-16 толщи-
ной 3 мм. Цветовая температура излучения лампы 2854 К; координат-
ная система XYZ. Ординаты спектральных характеристик излучения
лампы Р(к) и пропускания светофильтров т(Х) сведены в табл.10.2.
224
Т а б л и ц в 10.2
X Удельные координаты РХ т xPi
X У Z
380 0,01 0,000 0,007 9.779 0,60 0,006 0,000 0,041
400 0,014 0,000 0,068 14,71 0,68 0,140 0,000 0,680
420 0,134 0,004 0,646 21,00 0,72 2,026 0,060 9,768
440 0,348 0,023 1,747 28,70 0,73 7,291 0,482 36,601
460 0,291 0,060 1,669 37,82 0,76 8,364 1,725 47,972
480 0,096 0,139 0,813 48,25 0,79 3,659 5,298 30,990
500 0,005 0,323 0,272 58,86 0,80 0,239 15,468 13,025
520 0,063 0,710 0,078 72,50 0,80 3,654 41,180 4,525
540 0,290 0,954 0,200 85,95 0,78 19,442 63,957 1,341
560 0,595 0,995 0,004 100,00 0,73 43,435 72,635 0,292
580 0,916 0,870 0,002 114,44 0,69 72,331 68,698 0,158
600 1,062 0,631 0,001 129,04 0,62 84.965 50,483 0,080
62Q 0,854 0,381 0,000 143,62 0,55 67,458 30,096 0,000
640 0,448 0,175 0,000 157,98 0,48 33,972 13,270 0.000
660 0,165 0,061 0,000 171,96 0,40 11,349 4,196 0,000
680 0,047 0,017 0,000 185,43 0,31 2,702 0,977 0,000
700 0,011 0,005 0,000 198,26 0,25 0,567 0,206 • 0,000
720 0,003 0,001 0,000 210,36 0,20 0,126 0,042* 0,000
740 0,001 0,000 0,000 221,66 0,14 0,031 0,000 0,000
Сумма — — — — 361,757 368,773 145,472
Спектральную характеристику отражения экрана qx будем счи-
тать постоянной в интервале видимых длин волн. Тогда выражение
(10.25) примет вид
Ч
ч
Ч
Ч
ч
г = J z(X)P(X)T(X)dl.
Ч
Решение уравнения выполняется методом численного интегриро-
вания. Интегралы заменяются суммами, а весь спектр видимого из-
лучения разбивают на п узких интервалов ДЛ, в пределах которых
излучения можно считать однородными. Тогда
225
i=l
l—П
У = ДХ£
i*=l
i—л
z' = AX££w/\/tw.
i=i
Для решения примера составим расчетную таблицу, приняв ин-
тервал АХ = 20 нм. Координаты цвета х= 361,757; у — 368,773;
z = 145,427, т = х + у + z = 876,002, откуда координаты цветно-
сти отраженного от экрана излучения
361,757
876,002
0,414;
368,773
У ~ 876,002
= 0,421.
10.9. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦВЕТНОГО
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Для получения цветного телевизионного (ЦТ) изображения дат-
чик ТВ сигнала (ЦТ камера, диапроектор, эпипроектор), кроме по-
элементного анализа должен осуществлять спектральное разложе-
ние воздействующего излучения на три составные части аналогично
тому, как это делает наш зрительный аппарат. На приемной стороне
должно совершаться обратное действие — синтез ЦТ изображения из
грех основных цветов. Анализ воздействующего излучения на три
составляющие и синтез ЦТ изображения могут быть осуществлены
одновременным либо последовательным способом.
Последовательный способ. Способность зрительного аппарата
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, упрощенная структур-
ная схема которого изображена на рис.10.15.
Изображение передаваемого объекта при помощи объектива про-
ецируется на фотокатод передающей телевизионной трубки последо-
вательно в трех цветах — красном, зеленом и синем. Для разложения
светового потока на три основных цвета используется вращающийся
диск со светофильтрами, устанавливаемый между объективом и пе-
редающей трубкой. На приемном конце наблюдатель видит изобра-
жение на экране приемной трубки также через вращающиеся свето-
226
Рис. 10.15. Схема последовательного способа передачи и воспроизведения основных
цветов
фильтры. При этом оба диска должны вращаться с одинаковой
скоростью (синхронно) и фильтры одного и того же цвета должны
проходить перед обеими трубками одновременно (должна соблюдать-
ся синфазность вращения дисков). Таким образом, наблюдатель ви-
дит последовательно телевизионное изображение в трех разных цве-
тах. Благодаря инерции зрительного восприятия возникает
впечатление слитного изображения в натуральных цветах.
Для того чтобы мелькания не были заметны, необходимо, чтобы
общее время передачи трех цветоделенных изображений, образую-
щих в совокупности 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 3 раза. Соответственно в 3 раза возрастает
и полоса частот передаваемого видеосигнала.
Последовательному способу присущи недостатки: он не совме-
стим с системой черно-белого телевидения, так как частоты кадровой
и строчной разверток, а также спектр частот ТВ сигнала при таком
способе передачи увеличены в 3 раза по сравнению с аналогичными
параметрами черно-белой системы; при быстром перемещении объ-
ектов на изображении наблюдается цветная бахрома, так как следу-
ющие друг за другом изображения в трех основных цветах оказыва-
ются несовмещенными. Кроме этого, применение диска со
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 нашел применение в замкнутых телевизионных системах при-
кладного назначения.
Одновременный способ передачи цветов требует в общем случае
трех передающих и трех приемных трубок. Разложение светового
потока, воздействующего на ЦТ датчик излучения,на три составляю-
щие может осуществляться непосредственно светофильтрами, уста-
новленными перед фотокатодами передающих трубок, либо с по-
мощью специальной цветоделительной системы, содержащей
227
Рис. 10.16- Схема одновременного способа передачи и воспроизведения основных цве-
тов:
1,2 — дихроичные зеркала; 3 — канал связи
дихроичные зеркала. Упрощенная структурная схема одновременно-
го Способа показана на рис. 10.16.
Воздействующий на ЦТ датчик световой поток разделяется на три
с Помощью двух дихроических зеркал, цветоизбирательные свойства
которых таковы, что они отражают одну часть спектра и почти без
потерь пропускают остальную часть. Так, дихроическое зеркало /
отражает синюю составляющую светового потока к соответствующей
трубке и пропускает остальную часть излучения. Дихроическое зер-
кало 2 отражает красную составляющую ко второй трубке и пропу-
скает зеленую составляющую к третьей трубке. Полученные от трех
трубок видеосигналы передаются к приемному устройству, где три
цйётоделенных 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 четко-
сти и появлению цветных окантовок.
10.10. ОСОБЕННОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной систе-
мы важно установить, к какому идеалу верности цветовоспроизведе-
ния следует стремиться. Качество телевизионного изображения, как
и любой репродукции, определяется степенью соответствия этой ре-
продукции оригиналу. Вопрос о точности воспроизведения изображе-
ния оригинала детально рассмотрен Н.Д. Нюбергом, который предло-
жил три критерия точности соответствий изображения оригиналу:
физическая точность, при которой спектральные составы и мощ-
ности излучения оригинала и изображения одинаковы;
228
физиологическая точность, при которой зрительные ощущения,
вызываемые оригиналом и его репродукцией, одинаковы;
психологическая точность, при которой изображение оценивается
наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точ-
ность не соблюдается.
При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполнению
физической точности нет необходимости, так как одинаковые ощуще-
ния цвета могут быть получены при воздействии различных спект-
ральных составов; требование точности изображения оригиналу не
может быть в полной мере выполнено в телевизионной системе из-за
ограничений, наложенных синтезирующим воспроизводящим устрой-
ством, которые обусловлены двумя основными причинами:
а) диапазон абсолютных значений яркостей YH, воспроизводимых
синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как диапа-
зон абсолютных значений яркости Уо передаваемых объектов, т.е.
телевизионное воспроизводящее устройство не может практически
воспроизвести столь большие абсолютные значения яркости, какие
имеют место на объекте;
б) телевизионное устройство не может воспроизвести цветности,
находящиеся вне треугольника его первичных цветов.
При разработке вещательных систем цветного телевидения следу-
ет иметь в виду, что ЦТ изображение имеет меньшие размеры деталей,
чем объект, заключено в ограничивающую рамку, которой нет в пере-
даваемом объекте, яркость фона, окружающего изображение, обычно
мала по сравнению с яркостью изображения. В этих условиях важную
роль играют адаптация глаза и относительность наших зрительных
оценок, что и позволяет не воспроизводить абсолютное значение ярко-
стей отдельных элементов изображений, соответствующих оригина-
лу, и сохранить лишь соотношение между яркостями отдельных эле-
ментов изображения и цветности.
Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании по-
нятие колориметрической тождественности изображения оригиналу,
которое означает выполнение следующих условий:
цветность каждого элемента изображения не должна отличаться
от цветности элемента оригинала, т.е. хи=х0; уц=у& zH =z0;
отношение яркостей соответствующих элементов изображения и
оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветностей,
т.е. Ув=лУ0, где «=const при любой цветности.
Необходимо отметить, что требование колориметрически точного
воспроизведения цветности выполнимо лишь в пределах треугольни-
ка первичных цветов воспроизводящего устройства. Цветности ориги-
нала, лежащие вне треугольника, будут воспроизведены с искажени-
ями насыщенности и цветового тона. Для качественной оценки
допустимости цветовых искажений относительно оригинала пользу-
ются критерием психологической точности цветного изображения
При этом учитывают, что восприятие цветности знакомых предметов
229
(кожи лица и рук, волос, воды, листьев, травы, хорошо известных
цветов фруктов и овощей, мяса, различных белых поверхностей и др.)
является более критичным, чем восприятие цветности малознакомых
предметов [31]. Эти особенности широко используются при выборе
параметров 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 сущест-
венно меняются. Так, при уменьшении угловых размеров предметов
до 10...25' их цвета воспринимаются как цвета смеси оранжевого и
юлубого цветов. Полная потеря ощущения цветности происходит при
углах зрения 6...10'. Учитывая, что телевизионное изображение обыч-
но воспринимается в пределах угла ясного зрения (12...15®), детали,
меньшие, чем 4—6 элементов, могут воспроизводиться в черно-белом
виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, позволяет
уменьшить ширину требуемой полосы частот канала связи.
10.11. УСЛОВИЯ ПРАВИЛЬНОЙ ЦВЕТОПЕРЕДАЧИ В ТЕЛЕВИДЕНИИ
В § 10.10 были сформулированы необходимые условия верности
цветовоспроизведения, которым, учитывая особенности зрительного
восприятия и телевизионного цветовоспроизведения, следует считать
колориметрическую тождественность изображения оригиналу. Это
означает, что цветность каждого элемента изображения не отличает-
ся от цветности соответствующего элемента оригинала, а отношение
яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала яв-
ляется величиной постоянной для всех передаваемых цветностей, т.е.
х'н= пх'о; у'я = пу'о, z'„= nz'o,
где п — коэффициент пропорциональности.
Очевидно, что выполнение этих условий определяется всеми звень-
ями телевизионного тракта от света до света, структурная схема ко-
торого изображена на рис.10.17. Телевизионный трдкт включает в
себя передающую камеру, преобразующую воздействующий свето-
вой поток Fq в сигнал ы основных цветов ER, Ес, Ев, канал передачи этих
трех сигналов и три кинескопа, преобразующие усиленные сигналы
основных цветов в соответствующие световые потоки FRh, FCh, FBh,
которые с помощью оптической системы совмещаются в одно много-
цветное изображение.
Передающая камера содержит светоделительную систему (СДС)
которая разделяет световой поток Fo, отраженный от передаваемой
сцены, на три составляющие: красную FR0, зеленую F00, синюю FB0,
образуя на фоточувствительной поверхности передающих трубок ЦТ
три оптических изображения в основных цветах. Таким образом, теле-
визионная камера или любой другой датчик цветных телевизионных
сигналов (кинопроектор, диапроектор, эпипроектор), помимо анали-
за изображения на отдельные элементы, осуществляет еще и трехком-
230
Рис. 10-17. Структурная схема ЦТ тракта от света досвета
понентный анализ элементарных излучений, отображая каждый эле-
мент передаваемой сцены электрическими сигналами ER, Ес, Ев.
Совокупность последних должна содержать качественную и количе-
ственную характеристики каждого элементарного лучистого потока.
Для того чтобы электрические сигналы на выходе ТВ камеры
несли верную информацию о цветах (т.е. о яркостях и цветностях)
воздействующих на нее излучений, необходимо обеспечить прямую
пропорциональность между величинами этих сигналов и координа-
тами цвета этих излучений, в выбранной колориметрической си-
стеме. Тогда в системе RGB величины сигналов основных цветов
будут равны:
Er = К^; Ес = K2g'; Ев = К3Ь',
где г', g', b' — модули основных цветов, a Klt R2, К3— постоянные
коэффициенты.
Учитывая (10.22), можем записать:
Хд Хд
ER = К Ц P(X)r(X)dX; EG=K2\ РЩМк
Х( Х|
*2
ЕВ=КЗ^ P(X)b(X)dX,
К1
где г(Х), g(X), Ь(Х) — удельные координаты (кривые смешения), связы-
вающие воздействующее на глаз излучение Р(Х) с результатом этого
воздействия ощущением цвета.
Отсюда следует, что телевизионная камера будет колориметриче-
ской, если характеристики ее спектральной чувствительности
S'(X)tS'(X)c S'(X)e будут тождественны по форме удельным координа-
там r(X),g(X),h(X) в выбранной системе основных цветов. Следователь-
но, телевизионная камера, а также любой другой датчик цветных
телевизионных сигналов должны обладать свойствами объективного
колориметра (измерителя цвета), но усложненного телевизионной
разверткой.
Датчик цветных телевизионных сигналов может осуществлять
231
цветовой анализ передаваемого объекта в любой колориметрической
системе RGB, XYZ, UVW и т.д., поскольку все колориметрические
системы связаны линейной зависимостью с характеристиками спект-
ральной чувствительности глаза. При этом характеристики спект-
ральной чувствительности датчика должны быть тождественны по
форме кривым удельных координат (кривым смешения) соответству-
ющей колориметрической системы.
Очевидно, для целей телевизионного вещания, если тракт переда-
чи цветоделенных сигналов от камеры к приемному устройству не
изменяет соотношение этих сигналов, удобно разлагать воздействую-
щее на камеру излучение на такие же первичные цвета, из каких
приемное устройство синтезирует воспроизводимое цветное изобра-
жение.
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, охваты-
вал наибольшую возможную площадь этой диаграммы. Однако чем
ближе вершины треугольника будут лежать к локусу спектральных
цветов, тем меньшую яркость будут давать основные цвета из-за ма-
лой полосы спектра излучения.
Сказанное иллюстрирует рис.10.18, где внутри спектрального ло-
куса диаграммы цветности XY изображены два треугольника основ-
ных цветов приемника R„, G„, Вп Европейского стандарта ЕС (сплош-
ная линия) и Американского стандарта NTSC (штриховая линия),
построенных по значениями координат цветности излучений трех лю-
минофоров, приведенных в табл. 10.3 для двух стандартов. Как видим,
треугольник NTSC охватывает большую гамму цветов за счет смеще-
ния координаты G в сторону увеличения насыщенности зеленого цве-
та. Однако светоотдача зеленого люминофора NTSC оказывается в
3—3,5 раза ниже, чем в стандарте ЕС, что затрудняет достижение
высокой яркости свечения кинескопа. Поэтому в качестве Европей-
ского стандарта принят треугольник цветов ЕС, являющийся разум-
ным компромиссом между указанными двумя условиями.
На рис.10.19 приведены спектральные характеристики излучения
трех люминофоров красного К-77, зеленого К-74 и синего К-75 свече-
ния. На графике МКО (см.рис.10.18) показана область цветов, вос-
производимая в цветной полиграфической печати. Сравнение показы-
вает, что телевизионная система может воспроизвести большую
гамму цветов, чем цветная печать. Тем не менее и в телевидении часть
реальных цветов, лежащая вне треугольника, будет воспроизведена с
пониженной насыщенностью и искаженным цветовым тоном внутри
треугольника основных цветов приемника. Это касается главным об-
разом оттенков зеленых и голубых цветов. Однако это обстоятельство
не играет большой роли в цветовоспроизведении, так как порог цве-
торазличимости в данной области цветов для нашего глаза имеет
232
Рис. 10.18. Треугольник основных цве-
тов приемника Rn, Gn, Вп.
а — гуашь; б акварель
Рнс. 10.19. Спектральные кривые лю-
минофоров К-75, К-74, К-77
наибольшее значение (см.рис. 10.13), т.е. большему перемещению по
цветовому графику соответствует небольшое изменение в ощущении
цвета.
Таблица 10.3
Треугольник основных цветов приемника Координаты цветности основных цветов
fin Gn вп
X У X У X 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
Если первичные цвета, на которые телевизионный датчик разла-
гает воздействующее на него излучение, соответствуют основным цве-
там приемника R„, G„, Вп, то характеристики спектральной чувстви-
тельности этого датчика будут представлять собой кривые удельных
координат гп gn ba в системе основных цветов Rn, Gn, Вп. Результат
количественного расчета их для треугольника основных цветов при-
емника стандартов NTSC и ЕС(см.табл.Ю.З) приводит к выражениям
(10.30) и (10.31) соответственно:
Гп = 1,91 Ох — 0,532у — 0,228z;
gn = — 0,985х + 1,999j/ — 0,028z;
b„ = 0,058x — 0,118y + 0,898z;
(10.30)
233
Рис. 10.21. Спектральные характери-
стики камеры при треугольнике основ-
ных цветов приемника типа ЕС и опор-
ном белом Dgsoo
Рис. 10.20. Спектральные характе-
ристики камеры при треугольнике ос-
новных цветов приемника типа NTSC
и опорном белом С
Гп = 7,263х - 3,304g - 1,128z; '
gn = - 1,31 Ox 4- 2,536g + 0,056?;
Kn = 0,091x - 0,307g + 0,1435z,
(10.31)
где x, y,z — 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 сложе-
ния — спектральные характеристики камеры для треугольника ос-
новных цветов стандартов NTSC и ЕС изображены на рис. 10.20 и
10.21.
10.12. МАТРИЧНАЯ ЦВЕТОКОРРЕКЦИЯ
Вследствие реальности первичных цветов R„, Gn, В„ полученные
кривые сложения имеют участки отрицательных значений ординат.
Практическая реализация датчика с кривыми сложения, имеющими
побочные положительные и отрицательные ветви, предполагает нали-
чие для каждой ветви отдельного фотоэлектрического преобразовате-
ля и поэтому является чрезвычайно сложной задачей. Из-за невоз-
можности реализации побочных отрицательных и положительных
ветвей разработчики ранних ЦТ систем в качестве спектральных ха-
рактеристик камеры использовали лишь основные положительные
ветви кривых сложения. Анализ искажений цветовоспроизведения
из-за отсутствия побочных ветвей кривых сложения показывает, что
скорректировать эти искажения полностью для всех возможных цвет-
ностей невозможно.
Сточки зрения практической реализации в качестве кривых спек-
тральной чувствительности датчика удобно использовать кривые
сложения, которые применяются в объективной колориметрии
(рис. 10. 22). Две из этих кривых у(К), z(k) аналогичны удельным ком-
234
(10.32)
понентам МКО, а третья х„(Х) является линейной комбинацией всех
трех кривых сложения МКО, имеющей (практически) только положи-
тельные ординаты и только один максимум. Поскольку первичные
цвета Хн, Y, Z формальные и не совпадают с реальными основными
цветами Rn, Gn, Вп приемника, сигналы на выходе камеры будут не
такие, какие требуются на входе приемного устройства, поэтому в
телевизионный тракт следует .включить матричное устройство, осу-
ществляющее преобразование сигналов из координат системы Хц, Y,
Z в систему /?п, Gn, В„, теория которого подробно изложена в (31].
Зависимость выходных сигналов ЕВп, ЕСа, ЕВп от вводимых на мат-
рицу сигналов Ех„, EY, Ег описывается в общем виде уравнениями
£Яп ~ + .012^Г + °13^
£сп = аЧЕХи + a22EY + °23£z>
Евп “ а31ЕХн + a32EY + a33Ez<
где яи—Язз — коэффициенты матрицы, которые могут быть рассчита-
ны в соответствии с теорией преобразования координатных систем.
Действие матричного устройства эквивалентно изменению формы
характеристик спектральной чувствительности телевизионного дат-
чика. Таким образом, принимая форму кривых спектральной чувст-
вительности датчика, удобную для практической реализации
(см.рис. 10.22) и включая в тракт передачи матричные пересчетные
устройства, получаем на выходе этого устройства сигналы ЕВп, ЕСп,
ЕВп, пропорциональные кривым смешения основных цветов приемни-
ка и, как следствие, неискаженную цветопередачу всех цветностей в
пределах треугольника основных цветов приемника.
Кривые сложения, успешно используемые в объективной колори-
метрии, все же оказываются малопригодными в качестве спектраль-
Рис. 10.22. Кривые сложе-
ния, применяемые в объек-
тивной калориметрии
Рис. 10.23. Спектральные характеристики
чувствительности RWB камеры:
кривые RWB, — кривые Ян. Gn, вп
235
ных характеристик ЦТ камер, так как с целью уменьшения потерь
света и достижения максимальной чувствительности цветоделение в
них осуществляется с помощью дихроических зеркал. Причем наи-
большая эффективность достигается, когда спектральные кривые
двух цветовых каналов пересекаются на уровне 50 %. Спектральные
кривые Хи, У (рис.10.22) не отвечают этому условию, так как пересе-
каются 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 спектраль-
ной чувствительности камер используются кривые, не связанные ли-
нейной зависимостью, с кривыми спектральной чувствительности
глаза, а именно несколько расширенные основные положительные
ветви кривых смешения первичных цветов приемника RaGaBn. Выбор
конкретной формы этих кривых — рис. 10.23 (сплошная линия) опре-
деляется следующими соображениями. Известно, что глаз не разли-
чает цвет мелких деталей, поэтому полоса частот каналов передачи
сигналов Ек и Ев может быть сокращена до 2...3 МГц (см. § 11.2), что
уменьшает уровень шума в этих каналах, а также позволяет снизить
требование к точности совмещения трех растров. Для получения пол-
ной информации о неокрашенных мелких деталях должен быть сфор-
мирован сигнал яркости Ег, передаваемый в полной полосе. С этих
позиций положительную ветвь кривой Gn желательно расширить до
кривой стандарной относительной видности глаза У, что увеличивает
чувствительность камеры, но ухудшает качество цветопередачи. По-
этому кривые спектральной чувствительности камеры RWB выбраны
из условий компромисса между допустимым ухудшением качества
цветопередачи и максимальным увеличением чувствительности ка-
меры. Ошибки цветопередачи, вызванные отклонением кривых спек-
тральной чувствительности камеры RWB от кривых смешения основ-
ных цветов приемника R„G0Bn, корректируются 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 нм 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
путем поиска оптимальных коэффициентов, при которых ошибки цве-
тоанализа для совокупности испытательных цветов оказываются ми-
нимальны. В качестве испытательных цветов используются эталон-
ные цвета, рекомендованные МКО. Применение цветокоррекции
позволяет снизить среднюю ошибку цветоанализа для совокупности
цветов до нескольких цветовых порогов, но для отдельных цветов они
236
Рис. 10.24. Спектральное распределе-
ние мощности в излучении нормирован-
ных источников А. В, С
рЩ,Вт/нн
могут оказаться значительными, что снижает эффективность цвето-
коррекции.
Существенную роль при определении параметров воспроизводя-
щего устройства играет выбор равносигнального 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
звеньев телевизионного тракта, а также, как будет показано ниже,
позволяющий уменьшить заметность цветовой поднесущей на экране
черно-белого телевизора при передаче неокрашенных илн малоокра-
шенных объектов.
В рассмотренных ранее колориметрических системах в качестве
эталонного белого цвета использовался равноэнергетический белый
цвет Е, 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.10.4), разным спектральным
распределением мощности излучения (рис. 10.24).
Зритель наблюдает изображение этой натуры на экране телевизи-
онного приемника, где кажущаяся цветность белого зависит от цвето-
вой адаптации глаза к окружающему освещению и, конечно, от инди-
видуальных особенностей зрителя. В связи с этим был выполнен ряд
работ по определению цвета свечения телевизионного экрана, кото-
рый зритель расценивает как белый. В результате за эталонный
источник света (опорный белый) в США принят источник С, а в Евро-
пе — источник Д6500. По координатам цветности они близки друг к
другу (см.табл.10.4). Цвет оригинала будет воспроизведен кинеско-
пом без искажений, если тип источника освещения объекта (опорный
равносигнальный цвет камеры) соответствует опорному равносиг-
нальному цвету приемного устройства. В противном случае все дета-
ли телевизионной репродукции приобретут дополнительную окраску.
Согласование источника освещения объекта и опорного белого прием-
ника может быть осуществлено оптически с помощью приводных све-
тофильтров или электронным методом, учитывая разницу в опорном
237
Таблица 10.4
Источник освещения Цветовая темпериту- ра Характеристика излучен и к Координаты цветности ва цветовом графике ХУ
X У
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 (солнеч- ный день при голубом небе) 0,310 0,316
D6500 6500 Европейский эталонный источник для ЦТ (свечение люминофоров телевизора) 0,313 0,329
белом камеры и приемника при расчете коэффициентов матрицы
(10.32).
Условия правильной цветопередачи рассматривались в предполо-
жении линейности характеристик преобразования всех звеньев теле-
визионного тракта от света до света. Отдельные звенья реальной те-
левизионной 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 искажениям
цветности, в основном в сторону увеличения насыщенности при у>1
и уменьшения насыщенности при у<1. Поэтому сигналы основных
цветов ERn, EGn, ЕВп, кроме матричного преобразования должны быть
подвергнуты нелинейной гамма-коррекции (см. § 13.5). Результирую-
щее значение ус учетом включенного в тракт передачи гамма-коррек-
тора, рекомендуется принимать несколько больше единицы
(7^= 1,2... 1,3). Это приводит к небольшому увеличению насыщенно-
сти цвета по сравнению с оригиналом, но повышает психологическую
точность цветопередачи, частично компенсируя снижение абсолютно-
го значения яркости и контраста на телевизионном экране.
10.13. 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 характеристик
преобразователей свет-сигнал.
Упрощенная светоделительная система камеры изображена на
рис. 10.25. Отраженный от передаваемого объекта световой поток,
пройдя объектив /, разделяется на три с помощью двух интерферен-
238
Рис. 10.25. Схема цветоде-
ления в ЦТ камере:
/ — объектив; 2,3 — двхронческне
зеркала; 4 — корректврующне све-
тофильтры
ционных дихроических зеркал, обладающих высоким коэффициентом
отражения в определенном участке спектра и пропускающих почти
без потерь остальную его часть. Так, зеркало 2 отражает красную
составляющую светового потока к соответствующему преобразовате-
лю свет-сигнал (передающей трубке или матрице ПЗС) и пропускает
остальную часть спектра излучений. Зеркало 3 отражает синюю со-
ставляющую ко второму преобразователю и пропускает оставшуюся
зеленую часть к третьему. Способ разделения светового потока на три
с помощью дихроических зеркал весьма эффективен, так как коэффи-
циент отражения (или пропускания) многослойных интерференцион-
ных покрытий близок к 100 %, что наглядно иллюстрирует рис.10.26,
на котором приводятся спектральные характеристики отражения
красного и синего дихроических зеркал.
Спектральные характеристики отражения зеркала зависят от уг-
ла падения лучей на его поверхность, поэтому для неискаженной цве-
топередачи оптическая схема ЦТ камеры должна обеспечить в про-
странстве цветоделения одинаковые углы падения лучей на
дихроические зеркала от всех точек передаваемого объекта. Искаже-
ния цветопередачи возникают также вследствие частичной поляриза-
ции света, попадающего в светоделительную систему, так как спект-
ральные характеристики дихроических зеркал изменяются в
зависимости от степени поляризации света. Поляризация минималь-
на при малых углах падения лучей на светоделительную поверхность,
Рис. 10.26. Спектральные характе-
ристики отражения красного и сине-
го дихроических зеркал
239
что и стремятся обеспечить при конструировании светоделительных
систем датчика ЦТ сигналов. Обычно при конструировании оптиче-
ской и светоделительной системы камеры отражающие покрытия
расположены так, чтобы угол падения осевого луча не превышал 20°,
а разница между углами падения для крайних точек не превышала
4...6°.
Требуемые спектральные характеристики ЦТ камеры не могут
быть получены применением в схеме светоделения одних дихроиче-
ских зеркал, так как с помощью последних, как это видно из рис.10.26,
формируется только одна из ветвей спектральных характеристик ка-
налов R и В. Заданные характеристики светоделения достигаются
установкой перед фоточувствительной поверхностью передающих
трубок специальных корригирующих светофильтров 4, окончательно
формирующих спектральные характеристики ЦТ камер. Таким обра-
зом, характеристика спектральной чувствительности телевизионной
камеры является произведением спектральных характеристик эле-
ментовегосветоделительной системы и спектральных характеристик
передающих трубок. Для схемы светоделения, изображенной на
рис. 10.25, выражения для спектральных характеристик трех цвето-
вых каналов ЦТ камеры имеют следующий вид:
eRK ~ Еох = 0 Qrk) О бвх)тфохех>
% = 0 — Qrk) Qb хтфвкех. (10.33)
где е^, еОх> ев> — спектральная чувствительность трех цветовых ка-
налов; — спектральные коэффициенты отражения цветодели-
тельных зеркал;тА , тА ,
F ф^’
фвк
— спектральные коэффициенты про-
пускания корригирующих светофильтров; ех— спектральная
чувствительность преобразователя свет-сигнал, которая в общем слу-
чае может быть разной для разных цветовых каналов. Выражения
(10.33) позволяют рассчитать требуемую форму спектральных харак-
теристик пропускания корригирующих светофильтров:
eRx eGK % z, n о л х
:ф/^=ЧУ ^ = (‘-Qrk)(1-QbxK: Тф^ = (1-е«>вЛ (1°‘34)
Телевизионная камера должна обеспечивать получение равных
сигналов при передаче эталонной белой поверхности, освещенной ис-
точником света, имеющим определенную цветовую температуру,
обычно 6500 К (источник типа Д6500). Если передаваемый объект
освещен искусственным источником света, отличным от выбранного
опорного белого, то в состав светоделительной системы следует вклю-
чить приводной светофильтр, спектральная характеристика пропу-
скания которого определяется следующим образом: тф = Р^/РкК,
где РлК и Р^ —спектральное распределение мощности излучения
240
Рис. 10.27. Оптическая система трехтрубочиой
WRB камеры
В 7
источника освещения и источника типа Д6500 соответственно. Несо-
ответствие источников освещения может быть скорректировано так-
же электронным путем, если изменить при смене источника освеще-
ний объекта значения коэффициентов матрицы (10.32).
Светоделительная система камеры, включающая в себя светоде-
лительные зеркала, приводные и нейтральные светофильтры, вспомо-
гательные отраженные поверхности и т.д., располагается в пределах
заднего рабочего отрезка объектива. Поэтому длина хода светового
луча, проходящего через перечисленные узлы, не должна оказаться
больше этого отрезка. Кроме этого для уменьшения цветовых иска-
жений желательно обеспечить параллельность пучков света, падаю-
щих на светоделительные поверхности. Эта задача удачно решается
применением для разделения световых потоков светоделительного
призменного 0лока, представляющего собой единую конструкцию из
нескольких призм, на гранях которых нанесены дихроические покры-
тия с изменяющимися по спектру коэффициентами отражения и про-
пускания.
На рис.10.27 изображена схема оптической системы трехтрубоч-
ной WRB камеры. Световой поток, пройдя через вариообъектив /,
сменные приводные светофильтры 2, корректирующие при необходи-
мости источник освещения, поступает на компоненты призменного
светоделительного блока 4. Нанесенные на грани призмы дихроиче-
ские слои 5 и 6 расщепляют световой поток на три разделенные по
спектру составляющие, которые образуют на фоточувствительной по-
верхности передающих трубок 7 цветоделенные изображения. Свето-
фильтры 8, наклеенные на грани призм, корректируют спектральные
характеристики оптических каналов.
Применение призменного блока позволяет реализовать более же-
сткую конструкцию цветоделительной системы, упростить юстировку
схемы, снизить потери света, вызываемые отражением от границы
воздух — стекло, а также ввести световой поток от диапроектора,
проецирующего изображение тест-таблицы на фотокатоды трех пере-
дающих трубок.
241
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 кото--
рой понимается возможность высококачественного приема без помех
черно-белым телевизионным приемником ЦТ программ в черно-бе-
лом 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 теле-
видения. Основные параметры этого стандарта — частоты строчной
и кадровой разверток и полоса частот, занимаемая телевизионным
каналом связи.
2. Высокое качество цветовоспроизведения, которое оценивается
степенью соответствия ТВ изображения оригиналу. В телевидении
идеалом верности цветовоспроизведения принято считать колоримет-
рическую тождественность изображения оригиналу, означающую,
что цветность каждого элемента изображения не отличается от цвет-
ности соответствующего элемента оригинала, а отношение яркостей
соответствующих элементов изображения и оригинала является ве-
личиной постоянной для всех передаваемых цветностей (см. § 10.10).
Критерий колориметрической тождественности целесообразно
использовать в ЦТ системах, предназначенных для научных целей при
классификации объектов по их цветовым характеристикам, при теле-
визионной объективной колориметрии и т.д. В ТВ вещании, где коло-
риметрическая точность воспроизведения цвета недостижима из-за
известных ограничений, накладываемых воспроизводящим устройст-
вом, а зритель лишен возможности сравнивать изображение с ориги-
налом, используют психологический критерий точности, учитываю-
щий, что восприятие цветности знакомых предметов является более
критичным, чем незнакомых, что широко используется при определе-
нии допусков на отдельные параметры системы.
3. Дальнейшее совершенствование, развитие и расширение функ-
циональных возможностей ТВ системы, включающие повышение ка-
чества преобразования, обработки и передачи изображения, а также
передачу зрителю дополнительной информации с выводом ее на теле-
визионный экран.
242
11.2. КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Яркостный сигнал. Для воспроизведения цветного
изображения на телевизионном экране необходимо передать по кана-
лу связи в полной полосе частот сигналы основных цветов E'R, Е'с,
Е'в, полученные от цветной передающей камеры и подвергнутые гам-
ма-коррекции. Кроме того, для обеспечения требования совместимо-
сти по тому же каналу связи должен быть передан сигнал, создающий
иа экране монохромного телевизора черно-белое изображение цвет-
ного объекта. Этот сигнал, называемый сигналом яркости Е'у, 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 схемным путем в телевизионном тракте, где сигналы основных
цветов E'r, Е'в, Е'с суммируются в определенном соотношении, кото-
рое определяется спектральной чувствительностью глаза (кривой
стандартной относительной видности) к основным цветам излучения
трех люминофоров цветного кинескопа. Математически яркостный
сигнал определяется выражением
Е'г=аЕ'к+^Е'с+уЕ'в, (11.1)
где а,₽,у — относительные яркости L'R, L'c, L'B основных цветов при-
емника, смесь которых образует равносигнальный (эталонный) белый
цвет
ER /
а = L'r = р = Lc = —; y = LB = —; Lo — LR + La + LB,
где L'r, L'c, L'b — сигналы основных цветов, подвергнутые гамма-кор-
рекции. Для основных цветов приемника и опорного равносигнально-
го белого цвета стандартов NTSC и ЕС эти коэффициенты вычислены
и представлены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Треугольник основных цветов Координаты цветности основных цветов а Р т Опор- ный белый цвет
/?п Gn вп
X У X У X У
NTSC ЕС 0,67 0,33 0,21 0,71 0,14 0,08 0,2989 0 0,5866 2 0,1144 8 с
ЕС 0,64 0,33 0,29 0,60 0,15 0,06 0.2227 2 0.706С 0 0,0712 8 D6500
В соответствии с данными табл.11.1 яркостный сигнал для тре-
угольника NTSC
Е'г = 0,2ЮЕ'к + 0,587Е'с + 0,114£'fl, (11.2)
для треугольника ЕС яркостный сигнал
243
E’y = 0,222E'R + 0,706E'c + 0,071 E'B (11.3)
но отечественным стандартом для формирования сигнала яркости
стандартизован сигнал (11.2). Это не оказывает влияния на качество
ЦТ изображения, так как декодирующая матрица в ЦТ приемнике
восстановит точное значение исходного первичного сигнала, но приво-
дит к небольшому искажению градаций яркости на экране черно-бе-
лого телевизора.
Цветоразностные сигналы. При наличии сигнала Е'г,
необходимого для реализации условия совместимости с черно-белой
системой, нет надобности в дополнительной передаче по каналу связи
трех сигналов Е'к, Е'с, Е'в. Достаточно передать любые два из них, а
информацию о третьем получить в декодирующем устройстве путем
вычитания из E'Y двух других. Причем, учитывая свойства зрительно-
го восприятия. Мелкие детали могут быть переданы в черно-белом
виде, что подтверждают графики рис.11.1. Из рисунка видно, как
падает воспринимаемая зрительным аппаратом насыщенность ос-
новных цветов R, G, В с повышением частоты, требуемой для передачи
мелких деталей изображения. Для зеленоокрашенных деталей цвет
сохраняется с небольшим понижением насыщенности практически до
верхней частоты /в телевизионного спектра. Это позволяет значитель-
но сократить требуемую общую полосу частот цветного ТВ тракта,
передав сигнал яркости E'Y в полной полосе частот, а два других,
например E'R и Е'в в существенно сокращенной. Кроме этого, по-
скольку сигнал E'y несет полную информацию о яркостных соотноше-
ниях передаваемых элементов изображения, она может быть в значи-
тельной степени исключена из двух других передаваемых сигналов.
Поэтому по каналу связи передают три сигнала — яркостный Е'г и
два из трех цветоразностных сигналов:
Е R_Y = Е R E'y ; E'c_y = E'g E'y, E'B_Y— E'B E'Y, (11-4)
преимущества которых перед сигналами основных цветов E'R, Е'а,
Е'в следующие.
1. Вследствие того, что из цветоразностных сигналов частично ис-
ключена избыточная информация о яркости, их амплитуда обращает-
ся в нуль при передаче белых и серых деталей (амплитуды сигналов
основных цветов на белом равны, т. е. £7₽в = Е'Сб = Е'вв = Е'у)и мала
на слабонасыщенных деталях.
Рис. 11.1. Зависимость насыщен-
ности цветов R, G, В мелких де-
талей от частоты, необходимой
для их воспроизведения
Уменьшение амплитуды цветоразностных сигналов желательно по-
тому, что во всех совместимых системах ЦТ информация передается на
поднесущей в спектре яркостного сигнала. Различие между системами
заключается в способах модуляции поднесущей и выборе сигналов цве-
тового кодирования. Используется метод взаимного уплотнения спект-
ров яркостного и цветоразностных сигналов, имеющих линейчатую
структуру. Как показано в§ 3.5, линейно-строчная развертка изображе-
ния приводит к сосредоточению основной энергии сигнала.по спектру в
зонах строчной частоты и ее гармоник, оставляя свободные промежутки
между ними. Это позволяет уплотнить спектр частот яркостного сигна-
ла, заполнив свободные частотные промежутки сигналом цветности —
напряжением поднесущей, промодулированной цветоразностными сиг-
налами, и при правильно выбранной частоте поднесущей произвести в
цветном телевизионном приемнике эффективное разделение сигналов.
Однако на экране черно-белого телевизора сигнал цветности вос-
принимается как помеха (мешающая мелкоструктурная сетка), за-
метность которой тем больше, чем больше амплитуда сигнала цветно-
сти. Поскольку обычно в ТВ передачах преобладают изображения с
многочисленными слабонасыщенными и черно-белыми деталями, ам-
плитуда цветоразностных сигналов от которых мала или равна нулю,
передача цветоразностных сигналов вместо сигналов основных цве-
тов намного улучшает помехозащищенность и совместимость цветной
телевизионной системы.
2. Цветоразностные сигналы упрощают построение декодирую-
щих устройств приемника, так как исходные сигналы основных цветов
формируются простым суммированием цветоразностных сигналов с
яркостным сигналом:
Е й Е у; Е с — Е Q_r~^~E у, Е в= Е B_Y-}-E Y.
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 E'R и Е'в, что усложнило бы схему декоди-
рования.
Из трех цветоразностных сигналов по каналу связи передаются
сигналы E'R_Y и E'B_Y, имеющие в результате преобразования (11.4)
наилучшее отношение сигнал/шум.
В приемном устройстве третий цветоразностный сигнал E'C_Y по-
лучают из первых двух в соответствии с выражением
Е'о_г = — 0,51 0,19Е'8 у. (11.5)
Первичные цвета передачи. По каналу связи полная
телевизионная информация о цветовом объекте передается с по-
мощью трех сигналов: сигнала яркости Е'у и цветоразностных сигна-
лов E'R_Y и Е'в_у, называемых сигналами первичных цветов переда-
чи. Цветоразностные сигналы часто называют сигналами цветности,
245
Рис. 11.2. Треугольник основных
цветов передачи на диаграмме
цветности МКО
что не совсем точно, так как информация о яркости из них исключена
не полностью. Значения сигналов Е'R_Y и Е'B_Y зависят от значения
сигнала яркости Е'г. Сигналами истинной цветности являются отно-
сительные значения цветоразностных сигналов
£,Л_у/Е/у И Е,в_у/Е/р (Н.6)
которые не зависят от яркости и в силу этого могут быть отображены
на диаграмме цветности МКО. Треугольник первичных цветов пере-
дачи Y, R—Y, В—Y, построенный на диаграмме цветности МКО в
соответствии с методикой, приведенной в [15], представлен на рис.
11.2. Из рисунка видно, что первичные цвета R—Y и В—Y лежат в
точках Ro и Во пересечения с осью X продолжения двух сторон треу-
гольника основных цветов приемника GR и GB. Третьей точкой треу-
гольника первичных цветов передачи является точка Y, соответству-
ющая равноинтенсивному белому цвету D, в которой оба
цветоразностных сигнала равны нулю. Прямые RBY hBbYназываются
осями кодирования. Цвета, содержащиеся внутри треугольника
ROYBO, передаются положительными значениям и сигналов ER_Y и EB_Y.
Цвета, расположенные на диаграмме цветности вне пределов треу-
гольника RBYB0, передаются отрицательными значениями одного или
двух цветоразностных сигналов. Таким образом, вся информация,
необходимая для воспроизведения цвета внутри треугольника основ-
ных цветов приемника R, G, В, содержится в первичных цветах пере-
дачи У, R—Y, B—Y.
11.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СОВМЕСТИМОЙ СИСТЕМЫ
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов ос-
новных цветов E’r, E'g, Е'в по одному каналу связи, изображенная на
рис.11.3, является общей для всех современных совместимых систем
ЦТ. Различие между системами заключается в методах передачи
информации о цветности в спектре частот яркостного сигнала Е'Х,
подробно рассмотренного в гл.12.
246
На вход кодирующей матрицы Ml (рис.11.3) подаются прошедшие
обработку и коррекцию в камерном канале (см. 14.1) сигналы основ-
ных цветов E'R, Е'с, Е'в. Матрица преобразует сигналы основных цве-
тов в сигналы первичных цветов передачи E'Y, Е'R_r, Е'в-v в соответ-
ствии с выражениями
E'Y=aE'R+№'c+yE'B.
E/S_t,=(l а)Е'R РЕ'С уЕ в
Е'в_у= — a.E’R— ₽Е'с+(1— у)Е'в
Подставляя в эти выражения округленные до второго знака зна-
чения а,р,у для треугольника основных цветов приемника системы
NTSC из табл. 11.1, получаем
Е'у = О.ЗОЕ'я 4- 0,59Е'о4- 0,1 \Е'В,
E'R_y = 0,70E'r —0,59Е'с —0,1 lEze;
Е'в_у= —0,30E'R —0,59Е'с 4- 0,89£'в.
Яркостный и цветоразностные сигналы формируют в соответствии
с (11.7) матричную схему (рис.11.4), состоящую из ряда линейных
цепей с серией резисторов Rl, R2 и т.д. Каждая цепь формирует одну
из составляющих сигнала с заданным числовым значением коэффи-
циентов а,р,у. Для формирования сигналов с отрицательными значе-
ниями коэффициентов а,р,у необходимо в соответствующую цепь
включить инвертор полярности.
Сформированные сигналы трех первичных цветов передачи
(см.рис.11.3) поступают в кодирующее устройство КУ, которое форми-
рует полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТВС), передаваемый
по одному каналу связи с полосой частот, не превышающей полосу
частот сигнала яркости. Сигнал ПЦТВС содержит сигнал яркости
Е'у в полной полосе частот и два цветоразностных сигнала Е'R_Y и
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 поднесущей
называется сигналом цветности uu. Помимо перечисленных сигналов
ПЦТВС содержит сигнал синхронизации развертывающих устройств
247
Рис. 11.4. Структурная схема коди-
рующей матрицы
приемника Еся и сигнала цветовой синхронизации на поднесущей uuc,
необходимой для правильного детектирования сигнала цветности. Та-
ким образом, передаваемый в приемнике полный телевизионный сиг-
нал
еп = e'y 4- «ц 4- £<= + ц*.
Переданный по каналу связи сигнал ев преобразуется в декодиру-
ющем устройстве ДКУ в сигналы первичных цветов передачи Е'у,
Е'к_г, Е'в_г. Третий цветоразностный сигнал Ес_у получают путем
суммирования в матрице М2 двух других в соответствии с выражением
F' = —F' —Р
с G—Y ^ R-Y~pCB-Y’
Подставляя значение коэффициентов а,р,у из таблицы, получаем
Е'0_у = 0,51Е'к_у — 0,19Е'в_у.
В матрице М3 для получения сигналов E'R, Е'в, Е'с к цветоразност-
ным сигналам добавляются сигналы яркости
Е ц = Е К_у4“ E'y = Е'R Y 4" Е'у,
£ с = Е с—к4" E'y = Е с— E'y 4~ Е'у,
Е в— Е в_у Е у — Е в Е'у -|- Е'у.
Сигналы Е'к, Е'с, Е'в иа выходе матрицы М3 являются широкопо-
лосными, так как к узкополосным цветоразностным сигналам добав-
ляются высокочастотные составляющие сигнала яркости Е'у. По-
248
следнее объясняется тем, что сигнал яркости —Е'г, входящий в состав
цветоразностных сигналов, является узкополосным и компенсирует
сигнал +Е'у только в узкой полосе частот.
В цветных телевизорах первых поколений преобразование цвето-
разностных сигналов в сигналы основных цветов совершалось непос-
редственно в кинескопе, для чего сигнал Е'у подавался на катоды
кинескопа, а три цветоразностных сигнала Ё'я_г, Е'с_г, Е'в_у — на
его модуляторы. В результате между модуляторами и катодами кине-
скопа действуют сигналы основных цветов Е'я, Е'с, Е'в, а кинескоп
помимо основного назначения осуществляет функции матрицы Af3.
Матрицирование на электродах кинескопа имело определенные пре-
имущества (см. § 16.3), которые в настоящее время являются мало-
значимыми.
ГЛАВА 12
ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
12.1. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛ ЕВИДЕН ИЯ NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в США в
1950—1953 гг. Национальным Комитетом Телевизионных систем
(National Television System Committee) и утверждена в стране как
национальный стандарт. Позднее система NTSC была принята в ка-
честве стандарта в Канаде, в большинстве стран американского кон-
тинента, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.
12.1.1. Общие принципы системы
В качестве сигналов в системе NTSC передаются яркостный и два
цветоразностных сигнала. Передача цветоразностных сигналов осу-
ществляетя в спектре яркостного на одной цветовой поднесущей час-
тоте/, (рис. 12.1). Напряжение поднесущей частоты, промодулирован-
ное цветоразностными сигналами, называется сигналом цветности.
Сумма сигналов яркости EY и сигнала цветности и, образует полный
цветовой сигнал ив. Для того чтобы модулировать двумя цветоразно-
стными сигналами одну поднесущую частоту, применен метод квад-
ратурной амплитудной модуляции. Сущность его заключается в сум-
мировании двух напряжений поднесущей частоты ик_г и ив_г,
Рис. 12.1. Частотный спектр полного
цветового сигнала
249
a)
Рис. 12 2. Квадратурная амплитудная модуляция:
а — структурная схема; б — векторная диаграмма
промодулированных каждым из цветоразностных сигналов в отдель-
ных амплитудных модуляторах (рис.12.2). Поднесущая частота на
модуляторы поступает в квадратуре, т.е. с фазовым сдвигом 90°. По-
лученный в результате сложения сигнал цветности оказывается про-
модул и рова иным не только по амплитуде, но и по фазе.
Действительно, амплитуда сигнала цветности us
l/S“Kr + (12.1)
а фазовый сдвиг <р вектора Us относительно одного из колебаний Ue_y
как
UK_Y
<р = arctg—-, (12.2)
UB-Y
где в свою очередь UB и UK_Yопределяются модулирующими цвето-
разностными сигналами Ев_у и EK_Y.
Сигнал цветности us, таким образом, с равным правом можно
рассматривать либо как одну поднесущую с амплитудио-фазовой мо-
дуляцией, либо как пару независимых квадратурных составляющих.
В дальнейшем изложении в зависимости от обстоятельств будет при-
меняться тот или другой подход.
В системе NTSC используются не обычные амплитудные модуля- .
торы, а балансные, которые, подавляя саму поднесущую, оставляют
только боковые составляющие спектра. Балансная модуляция имеет
определенные преимущества перед обычной амплитудной модуля-
цией. При одном и том же по сравнению с обычной модуляцией
размахе модулирующих сигналов балансная модуляция формирует,
как минимум, в 2 раза меньший по амплитуде сигнал цветности, что
снижает ее заметность на экране черно-белого телевизора, для кото-
рого сигнал цветности следует рассматривать как помеху, т.е. 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 равны
250
Рис. 12.3. Форма сигнала:
а — при обычной амплитудной модуляции; б —
при балансной амплитудной модуляции
Рис. 12.4. Векторная диаграмма
сигнала цветности U, и его квад-
ратурных составляющих
11#—у.Ов при балансной моду-
ляции
нулю или невелики по амплитуде и на выходе балансных модуляторов
сигнал также устремляется к нулю (рис.12.3).
Векторная диаграмма, изображающая сигнал цветности и его
квадратурные составляющие, будет отличаться от рассмотренной на
рис. 12.2,6 возможностью перемены знаков у составляющих UB_Y и
Ury(b зависимости от знака цветоразностных сигналов) и в соответ-
ствии с этим возможностью расположения вектора сигнала цветности
Us не в одном, а во всех четырех квадрантах диаграммы (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 Ев_г и ER_Y. Посколь-
ку UB_Y — f7scos<p; UR_Y = t7ssin<p , то разделение сигналов можно
представить как операции проецирования вектора Us на две ортого-
нальные оси, совпадающие с осями модуляции.
Задачу втаком представлении можно решить с помощью синхрон-
ного детектора. При синхронном детектировании, как известно, осу-
ществляется перемножение двух сигналов, подаваемых на входы де-
тектора. Если одним из этих сигналов будет принятый телевизионным
приемником сигнал цветности us, а другим так называемое опорное
напряжение ит, представляющее колебание поднесущей частоты fs с
начальной фазой «р= 0, то напряжение на выходе детектора ивык будет
равно
“ВЫх = ^ssin(ws< + <p)L/onsin<osf,
где Uon — амплитуда указанного выше опорного напряжения.
Используя известное тригонометрическое соотношение
sina-sinp = ^[cos(a — р) — cos(a + р)],
251
получаем
и.ыж = | L'on^scosq) - | l/ont/scos(2wsZ + <f).
Полагая амплитуду опорного напряжения постоянной и поставив
на выходе синхронного детектора фильтр нижних частот, исключаю-
щий второй член в правой части равенства, убедимся, что задача
выделения одной из квадратурных составляющих решена:
иыа = kEB_y,
где k — коэффициент пропорциональности.
Если же в качестве опорного напряжения на синхронный детектор
подать напряжение ит = l/onsin(<as/ + 90°), то
«.ыж = | C'oot'sSinq) = kEK_Y,
т.е. будет выделена вторая квадратурная составляющая.
Таким образом, устройство для разделения квадратурных состав-
ляющих, т.е. получения из сигнала цветности и, исходных цветоразно-
стных сигналов, должно состоять из двух синхронных детекторов и
генератора опорной поднесущей частоты со строго определенными
частотой и фазой, равными соответственно частоте и фазе поднесущей
генератора иа передающем конце системы (рис. 12.5). Одиако именно
этой принципиально важной информации о частоте и фазе и не содер-
жится в принимаемом телевизионном сигнале. Поскольку в системе
NTSC применяется балансная модуляция, сама поднесущая fs отсут-
ствует в спектре сигнала, а боковые частоты являются продуктом
модуляции, зависящим от передаваемого цвета, а значит, с фазовыми
сдвигами, отличающимися от немодулированного значения fs.
Для того чтобы генератор опорной поднесущей fs в приемнике мог
бы работать с заданной на телецентре фазой, его синхронизируют
специальным сигналом, называемым сигналом цветовой синхрониза-
ции. Цветовая синхронизация так же, как квадратурная балансная
модуляция и синхронное детектирование, является принципиальной
особенностью системы NTSC. Сигнал цветовой синхронизации пере-
дается в интервале обратного хода строчной развертки за синхрони-
Рис. 12.5. Разделение сигнала цветности иа квадратурные составляющие
252
Рис. 12.6. Положение сигнала цветовой
сиихроиизации ицв на площадке строч-
ного гасящего импульса СГИ (ССП —
строчный синхронизирующий импульс)
Рис. 12.7 Положение сигнала цветовой
сиихроиизации иш на векторной диаг-
рамме
зирующим импульсом строк. Он представляет собой пакет колебаний
цветовой поднесущей из 8... 10 периодов (рис. 12.6). Этот пакет называ-
ется также цветовой вспышкой. Частота колебаний вспышки равна
Фаза колебаний вспышки равна 180° (вектор колебаний пакета сов-
падает с отрицательным направлением оси В—Y (рис.12.7)).
Определив возможность передачи с помощью квадратурной моду-
ляции на одной поднесущей двух цветоразностных сигналов, выясним,
как в сформированном таким образом сигнале цветности закодирова-
ны параметры самой цветности: насыщенность и цветовой тон. Для
этого на векторной диаграмме квадратурио-модулированных колеба-
ний определим положение векторов сигнала для некоторых характер-
ных цветов. В качестве таких цветов выберем основные: красный
(Ер = \,ЕС = 0, Ев = 0), синий (Ер = 0, Ес = 0, Ев= 1), зеленый (Ек = 0,
Ео = 1, Ев = 0) и дополнительные к ним: голубой (Ек = 0,Ео= 1, Ев =
= 1), желтый (Ел = 1,ЕС= 1,Ев = 0) и пурпурный (Ед= 1, Ес = 0,Ев =
= 1). В соответствии с выражениями (11.2) и (11.4) определим для
каждого цвета амплитуды яркостного и цветоразностных сигналов, а
Таблица 12.1
Цвет ey er—y ЕВ— Y Us ф’
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 —
253
-1,0 -0,8 -0.В -Ofi -V/-
Синий
-0,8-
-Ц).
Рис. 12.8. Векторная диаграмма сигналов цветности различных цветов
в соответствии с (12.1) и (12.2) — амплитуды и фазы сигнала цветно-
сти Us. Результаты расчета сведены в табл. 12.1 и отражены иа вектор-
ной диаграмме рис.12.8. Из последней видно, что каждому передава-
емому цвету соответствует строго определенное место на диаграмме.
Дополнительный к рассматриваемому цвет лежит с ним на одной
прямой, но в противоположном направлении. Наконец, угловое поло-
жение <р любого вектора определяет цветовой тон, а длина вектора
характеризует насыщенность передаваемого цвета. Чем больше дли-
на вектора, тем больше насыщенность. Ахроматическим цветам соот-
ветствует на диаграмме точка, расположенная в начале координат
диаграммы. Из этого следует, что искажения в процессе передачи
сигнала цветности, связанные с изменением его амплитуды, приведут
к искажению насыщенности, а ошибка в фазе принятого сигнала или
опорного генератора поднесущей в синхронных детекторах — к иска-
жению цветового тона.
12.1.2. Выбор частоты поднесущей
Выбор частоты поднесущей обусловлен целым рядом условий, оп-
ределяющих качество изображения на цветных и черно-белых телеви-
зионных приемниках. При этом стремление обеспечить более высокое
качество изображения на черно-белых приемниках (т.е. обеспечить
наилучшую совместимость систем)обычно находится в противоречии
с возможностью реализации наивысшего качества цветного изобра-
жения. В этих случаях разработчикам систем приходится искать ра-
зумный компромисс. Рассмотрим наиболее важные условия выбора
частоты поднесущей.
254
1. Для снижения заметности на изображении в черно-белом теле-
визоре помехи от сигнала цветности us частота цветовой поднесущей
fs должна быть по возможности более высокой, так как в этом случае
структура рисунка от помехи будет мельче, а следовательно, и менее
заметной. С другой стороны, значение fs должно быть существенно
меньше максимальной частоты в спектре яркостного сигнала Ек
(см. рис.12.1), чтобы выполнялось требование профессиональной со-
вместимости систем, т.е. чтобы полный цветовой сигнал размещался
в полосе стандартного черно-белого сигнала. Разность fmai— fs опре-
деляет максимальную ширину боковой полосы сигнала цветности, а
значит, и максимально возможную ширину спектра цветоразностных
сигналов. Как показала практика, эта величина не может быть мень-
ше 0,6 МГц, так как иначе на цветном изображении в приемнике
появятся заметные цветные окантовки на вертикальных границах
между различными цветами [33].Поскольку в американском стандар-
те /тех = 4,18 МГц, то fs должна быть не менее 3,58 МГц.
2. С той же целью уменьшения заметности рисунка на экране черно-
белого телевизора, получаемого от воздействия на него поднесущей ча-
стоты, ее частота fs жестко связывается с частотой развертки изображе-
ния. Тогда рисунок помехи имеет менее заметную неподвижную
структуру. При этом данная связь подчиняется соотношению
fs = (2n+ 1).^, (12.3)
где п — целое число; /2 — частота строк. Тогда в интервале строки
размещается нечетное число полупериодов поднесущей, и рисунок от
помехи имеет вид расположенных в шахматном порядке темных и
светлых участков (рис. 12.9). За счет пространственной компенсации в
зрительном аппарате такая структура значительно менее заметна,
чем, например, рисунок из чередующихся вертикальных темных и
светлых полос.
Нетрудно показать, что при выполнении соотношения (12.3) поляр-
ность поднесущей в смежных кадрах изменяется на противополож-
ную, и темные участки чередуются со светлыми с частотой кадров, что
делает еще меньшей заметность рисунка помехи. В этом случае эф-
фект достигается за счет временной взаимной компенсации помехи в
зрительной системе наблюдателя.
Важной особенностью является характер размещения спектраль-
ных составляющих сигнала цветности внутри спектра сигнала ярко-
сти. При выполнении условия (12.3) спектральные составляющие сиг-
нала цветности размещаются точно по середине между строчными и
кадровыми гармониками яркостного сигнала. Происходит так назы-
ваемое перемежение частотных спектров сигналов яркости и цветно-
сти, что в принципе дает возможность с большой точностью разделять
эти два сигнала в приемном устройстве.
3. Помехи на изображении из-за присутствия в спектре полного
телевизионного сигнала поднесущей частоты могут возникнуть также
255
Рис. 12.9. Помеха от поднесущей частоты:
л — текущее нэменеяне в строках четного н нечетного полей; б — вяд помехи нв экране в двух смежных кадрах
из-за биений между поднесущей частотой сигнала цветности и второй
промежуточной частотой звукового сопровождения (см.гл.16). Для
уменьшения заметности помехи ее частоту, равную разности частот
поднесущей fs и второй промежуточной частоты звука /"пзв по тем
же соображениям, что были изложены в предыдущем пункте, также
делают равной нечетной гармонике полустрочной частоты:
/'п»-/з = (2*4-(12.4)
где k — целое число. Из (12.3) и (12.4) следует, что
(Гв»-/з)//з = (2Л4-1)/(2п+1).
Заменив fs его значением из (12.3), получим
f'nJfz = k + n+\. (12.5)
Таким образом, требование (12.4) обязательно влечет за собой
требование (12.5) к соотношению второй промежуточной частоты зву-
ка и частоты строк. Но вторая промежуточная частота звука/"пзв, как
будет показано в гл. 16, в любой вещательной системе телевидения
определяется разносом несущих частот изображения и звука, и (12.5)
можно записать как
(7н (12-6)
где т — целое число. В стандарте США на черно-белое телевидение,
в отличие от любого из европейских стандартов, это условие не выпол-
256
нялось. В США в черно-белом телевидении fK за — f„K3 = 4,5 МГц; fz =,
= 15750 Гц. Таким образом, их соотношение составляло величину
285,71428. Для выполнения условия (12.6) это соотношение необходи-
мо было округлить до ближайшего целого числа, т.е. до 286, что заста-
вило разработчиков системы NTSC изменить частоты разверток соот-
ветственно на 0,1 %: [г = 15734,26573 Гц; f2n = 59,940059 Гц (вместо
исходных 60 Гц). Такое незначительное, но принципиальное измене-
ние частот разверток в цветной системе не потребовало переделывать
генераторы разверток черно-белых телевизоров, поскольку указан-
ные новые значения частот разверток находятся заведомо в полосе
захвата синхронизируемых ими генераторов разверток телевизора.
4. Установлению жесткой связи между частотами разверток и ча-
стотой цветовой поднесущей в соответствии с (12.3) должны сопутст-
вовать условия наиболее простой ее технической реализации. Таким
условием является выбор числа (2л -)- 1) в (12.3), состоящего по воз-
можности из наиболее простых сомножителей. В этом случае облег-
чается достижение устойчивого деления частоты при получении в син-
хрогенераторе частоты строк [г из частоты задающего генератора, вы-
рабатывающего частоту Д. Оптимальным оказалось число (2п -(- 1) =
=455(13x7x5), что и обусловило выбор частоты поднесущей fs =
=455 fz/2 = 3,579545 МГц. Стандартом была предусмотрена допусти-
мая нестабильность этого значения не более 0,0003 %, т.е. не хуже 10 Гц.
12.1.3. Цветоразностные сигналы £/ и Eq
Выбор частоты цветовой поднесущей поблизости от максимальной
частоты в спектре яркостного сигнала обусловил относительную уз-
кополосность цветоразностных сигналов. Максимальная ширина их
частотных спектров не может превышать 0,6 МГц. При этом цветовая
четкость по горизонтали оказывается неудовлетворительной. Опре-
деленные возможности в ее увеличении имеются в некотором расши-
рении спектра нижней боковой сигнала цветности. Как показали экс-
перименты, такое расширение допустимо примерно до 1,3 МГц без
существенного ухудшения совместимости. Несимметричное усиление
боковых колебаний амплитудно-модулированного сигнала имеет ши-
рокое распространение. Однако при квадратурной модуляции этот
прием встречает серьезные ограничения.
На рис.12.10изображена векторная диаграмма, иллюстрирующая
процесс несимметричной передачи боковых частот одного из квадра-
турных сигналов UR_r. Из рисунка видно, что ослабление или полное
подавление одного бокового колебания приводит к ошибке в фазовом
угле вектора Пл_г. Он перестает совпадать с направлением оси R—Y.
В результате при синхронном детектировании в канале R—Y умень-
шается амплитуда выделяемого цветоразностного сигнала ER—Y
(проекция UR у на ось R—У), а детектирование в канале В—Y выде-
ляет постороннюю для этого канала составляющую Ев Y(проекция
на о< ь В—У). Аналогично в канале R—У появится помеха от
257
Рис. 12.10. Искажения прн асимметрии боковых колебаний сигнала U₽_у
а — колебания боковых частот равны; б — колебание верхней боковой частоты уменьшено
сигнала UB_y, если и он передается с асимметричными боковыми
колебаниями. Возникают, как следствие, искажения в цветовом тоне
и насыщенности передаваемого цвета, получившие название перекре-
стных искажений между каналами R—Y и В—Y.
Тем не менее и при квадратурной модуляции допустимо несиммет-
ричное расширение спектра нижнего бокового колебания, если это
расширение производится только для одного из квадратурных сигна-
лов. Второй сигнал должен передаваться с симметричными боковыми
в более узкой полосе частот (рис.12.11).
Назовем последний сигнал узкополосным, в отличие от более ши-
рокополосного сигнала с разными боковыми. При такой передаче
сигналов узкополосная симметричная квадратурная составляющая
не создает перекрестной помехи в канале широкополосного сигнала.
От несимметричной квадратурной составляющей возникают описан-
ные выше перекрестные помехи. Однако эти помехи присутствуют
только на тех частотах, где подавлена одна боковая, т.е. вне полосы
пропускания узкополосного цветоразностного канала. Напомним,
что после синхронного детектора должен устанавливаться фильтр
нижних частот (ФНЧ), подавляющий вторую гармонику поднесущей
частоты. Если полосу пропускания ФНЧ ограничить максимальной
частотой спектра узкополосного сигнала, то в канале последнего пе-
рекрестная помеха от второго цветоразностного сигнала будет подав-
лена.
Широкополосный г сигнал! —1 rX-hk 1' 1 । Узкополосный 1 1 | х сигнал Q 1 [о.б У,2 ^МГц Рис. 12.11. Частотный спектр полно- го цветового сигнала NTSC при раз- нополосных цветоразностных сигна- лах
258
Таким образом, расширение частотного спектра одного нз квадра-
турных сигналов позволяет рассчитывать на соответствующее увели-
чение цветовой четкости изображения. Однако использование этого
приема для цветоразностных сигналов ER_Y и EB_Y не дает положи-
тельного результата.
Действительно, предположим, что расширена ннжняя боковая по-
лоса сигнала Er_y, а симметричным узкополосным сигналом останет-
ся сигнал Ев_г. Тогда в полосе частот от 0 до 0,6 МГц синхронное
детектирование осуществляется без ошибок, и искажений в цветовос-
произведении не будет. В полосе частот от 0,6 до 1,3 МГц (это соответ-
ствует угловым размерам деталей изображения 10 22') сигнал Ев_к
отсутствует, и все детали таких размеров будут окрашены в цвета,
расположенные только на оси R—У. Изображение становится для
таких деталей двухцветным, в малиново-голубых цветах (см. рис. 12.8).
Разрешающая способность зрительного аппарата в этих цветах не-
высока, и реально заметного увеличения цветовой четкости за счет
расширения полосы сигнала ER Y не происходит. Результаты будут
еще хуже, если в качестве широкополосного сигнала использовать
сигнал Eb_y.
Разработчиками системы NTSC опытным путем были найдены
такие цвета, при которых зрительный аппарат обнаруживает наи-
большую разрешающую способность. Они оказались лежащими на
так называемой оси / (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 /. Цветоразностные сигна-
лы, соответствующие этим осям, получили обозначения Е, и Eq. Сиг-
нал Е, передается в широкой полосе, a EQ — в узкой (см. рис.12.11).
Детектирование в полосе частот от 0 до 0,6 МГц не отличается от
случая использования цветоразностных сигналов ER_Y и Ев Y и не
приводит к принципиальным цветовым ошибкам в изображении. В
полосе же от 0,6 до 1,3 МГц из-за отсутствия сигнала Ео детали соот-
ветствующих размеров передаются только в оранжево-голубых цве-
тах. Но это не вызывает заметных искажений при цветовосприятнн
из-за малости деталей, соответствующих указанным частотам. И при
этом изображение воспринимается обладающим большей цветовой
четкостью. В полосе от 1,3 до 4,18 МГц цветоразностные сигналы
равны нулю, и соответствующие этим частотам детали изображения
(от 3 до 10 угловых минут) воспроизводятся черно-белыми.
Цветоразностные сигналы Е, и EQ можно считать производными от
сигналов ER_Y и Ев_г. Нетрудно осуществить их взаимный пересчет:
Е, = Er_y cos 33° — EB_r cos 57°;
Eo = Er_y cos 57° 4- EB_Y cos 33°.
Эти соотношения получены путем тригонометрических преобразо-
ваний с ис юльзованием цветового графика на рис.12.8. Однако в эти
259
: 12.12 Полный цветовой сигнал NTSC
соотношения разработчиками системы введены дополнительные ко-
эффициенты а, и а2, названные коэффициентами компрессии. Тогда
£, = а^Ед-уСозЗЗ0—a2£e_ycos57°;l
£с = al£R_t,cos57°-|-a2£B_yCos330.| 02.7)
Здесь а,=0,877, а2=0,493. С учетом численных значений тригоно-
метрических членов имеем
£i = 0,74£r_k—0,27£в_у;'|
£0 = 0,48£в У+О,41£в_г.| <12-8)
Необходимость коэффициентов компрессии вызвана следующим
обстоятельством. Полный цветовой сигнал (композитный сигнал) ип
представляет собой сумму сигналов яркости и цветности. Его динами-
ческий диапазон существенно больше, чем в черно-белом телевиде-
нии. На определенных цветах он превышает уровень белого, а на
других заходит в область ниже уровня черного. Превышение динами-
ческого диапазона и в ту, и в другую сторону выше допустимых значе-
ний нежелательно из-за вероятности нелинейных искажений или
ухудшения синхронизации приемных устройств. Поэтому сигнал
цветности с помощью коэффициентов компрессии уменьшен настоль-
ко, чтобы полный сигнал в экстремальных случаях не превышал уро-
вень белого вверх и уровень 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 £, и EQ из сигналов ос-
новных цветов выполняется по соотношениям
£, = 0,60£в—0,28£с—0,32£в;|
EQ = 0,21£в—0,52£о+0,31£в.1 <129)
260
На приемном конце системы NTSC может потребоваться вернуть-
ся от сигналов Е, и Eq к исходным цветоразностным сигналам ER_Y,
E0_r, Eb-y- Легко показать, что
Ек у = 0,96£,-)-0,62£о;
£с_у = —0,27£,—0,65£о;
£e_y=-l,ll£14-l,70£<?.
(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 Е'к, Е'с и Е'в. Штрихи в обозначениях сигналов означают,
что сигналы были предварительно подвергнуты гамма коррекции.
На выходе матрицирующей схемы М сформированы яркостный
сигнал Е'г и цветоразностные сигналы Е', и Е'о. В сигнал яркости
Е'у вводится сигнал синхронизации приемника ССП. Фильтрами ниж-
них частот ФНЧ1 и ФНЧ2 ограничиваются полосы частот сигналов
E'i и E'q соответственно до 1,3 и 0,6 МГц. Генератором поднесущей
частоты вырабатывается синусоидальный сигнал с частотой 3,579545
МГц и фазой 180°, соответствующей отрицательному направлению
оси В—Y. На балансный модулятор БМ сигнала £', поднесущая час-
тота поступает от генератора с задержкой на 57°, которая создается
фазовращателем ФВ1. На балансный модулятор БМ сигнала £'о ко-
лебание поднесущей частоты поступает с дополнительной задержкой
на 90°, получаемой в ФВ2, тем самым обеспечивая условия квадра-
Рис. 12.13. Структурная схема кодирующего устройства системы NTSC
261
турной модуляции одной поднесущей сигналами Е', и £'о. С выходов
балансных модуляторов квадратурные составляющие и, и uQ подаются
на сумматор Е„ в котором образуется сигнал цветности us. В сумматоре
Х2 сигнал цветности us складывается с яркостным сигналом. На выходе
этого сумматора общая полоса частот определяется ФНЧ в границах от
Одо 4,18МГц. В результате такого ограничения квадратурная составля
ющая uQ будет содержать две боковые полосы по 0,6 МГц, а составляю-
щая и, — 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 E'r, Е', и E'Q
проходит в процессе формирования через цепи с разными полосами
пропускания: сигнал Е'г-- через самую широкополосную цепь0...4,18
МГц, сигналы Е', и E'Q — через узкополосные цепи 0...1.3 МГц и 0...0.6
МГц соответственно. В результате сигнал Е'у имеет наименьшее из
трех сигналов время прохождения, а сигнал EQ — наибольшее. Для
выравнивания этих трех сигналов во времени устанавливаются линии
задержки: в канале Е'г — Л31 примерно на 0,7 мкс, а в канале £',
—Л32 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 ицв формируется в клапанном ус-
тройстве К с помощью стробирующих импульсов, временное положе-
ние которых соответствует положению цветовой вспышки на задней
площадке строчного гасящего импульса (см. рис.12.6). В сумматоре
Х2сигнал цветовой синхронизации складывается с сигналами яркости
и цветности.
Для выполнения условия (12.3) строчные синхронизирующие им-
пульсы получают путем многократного деления частоты поднесущей
fs в делителе частоты ДЧ.
12.1.5. Структурная схема декодирующего устройства
Композитный сигнал ип, содержащий сигналы яркости и цветно-
сти, а также вспышки цветовой синхронизации и сигнал синхрониза-
ции приемника, поступает на усилитель сигнала яркости и полосовой
фильтр ПФ сигнала цветности (рис. 12.14). В канале яркостного сиг-
нала с помощью режекторного фильтра РФ, настроенного на частоту
поднесущей, подавляется сигнал цветности, устраняя помеху от него
в виде рассмотренного в разд. 12.1.2 рисунка шахматной структуры.
Полосовой фильтр в канале цветоразностных сигналов выделяет из
полного сигнала ип сигнал цветности и сигнал цветовой синхрониза-
ции При этом уделяется также внимание максимальному подавле-
нию в сигнале второй промежуточной частоты звукового сопровожде-
ния (4,5 МГц), которая может вызывать нежелательные биения с
262
Рис. 12.14. Структурная схема декодирующего устройства системы NTSC
цветовой поднесущей. Сигнал цветности us, содержащий две квадра-
турные составляющие и, и uG, поступает через усилитель на два синх-
ронных детектора СД1 и CUQ, на которые подается опорное напряже-
ние поднесущей частоты со сдвигом 90°, обеспечиваемым фазо-
вращателем ФВ2. Как будет показано ниже, эти колебания имеют
фазы, соответствующие осям I и Q. В результате на выходах синхрон-
ных детекторов создаются сигналы и E'Q, которые ограничиваются
по полосе частот в каналах 1 и Q фильтрами ФНЧ1 и ФНЧ2. В матри-
цирующем устройстве М из сигналов E'Y, Е', и E'Q формируются ис-
ходные сигналы E'R, E'g и Е'в: E'r=E'r_y+Ey; Е'g=E'0_y-}-E'y,
Е'в=Е'в _y-}-E'y, где величины Е'R_Y, E’G_Y и Е'B_Y определяются со-
отношениями (12.10).
Для компенсации различных по длительности задержек в сигна-
лах E'r, Е'j и E'q в каналы первых двух сигналов включены линии
задержки Л31 и Л32.
Сигнал цветовой синхронизации отделяется от сигнала цветности
клапанным устройством К, которое пропускает на свой выход цвето-
вые вспышки, при поступлении стробирующих импульсов, создавае-
мых в устройстве ФСИ. В свою очередь, формирующее устройство
управляется строчными синхронизирующими импульсами, выделяе-
мыми из полного сигнала в селекторе синхроимпульсов.
Цветовые вспышки предназначены для синхронизации генерато-
ра цветовой поднесущей Д, который для обеспечения необходимой
точности работы имеет кварцевую стабилизацию. Синхронизация яв-
ляется параметрической, управляющее напряжение вырабатывает-
ся фазовым детектором ФД, в котором сравниваются по частоте и
263
фазе колебания от генератора и цветовых вспышек. Фазовая автопод-
стройка схемотехнически наиболее просто осуществляется к значе-
нию 90° по отношению к фазе вспышек, т.е. коси R—У. Таким образом,
чтобы обеспечить детектирование на ось / (в синхронном детекторе
СД1), необходимо колебаниям автогенератора создать в фазовраща-
теле ФВ1 опережение на 33°. Дополнительная задержка в ФВ2 на 90°
обеспечит детектирование в CJJQ на ось Q.
В усилителе сигнала цветности с помощью стробирующих импуль-
сов подавляются колебания цветовых вспышек, чтобы устранить их
огибающую на выходе синхронных детекторов. В противном случае на
краю изображения эта огибающая может создать цветную вертикаль-
ную полоску, соответствующую положению вспышки на площадке
строчного гасящего импульса.
Канал сигнала цветности необходимо запирать также, когда про-
изводится прием черно-белого изображения, поскольку иначе на эк-
ране цветного кинескопа возникли бы цветные крупноструктурные
муары. Последние являются продуктом биений в синхронных детек-
торах высокочастотных составляющих сигнала яркости с колебания-
ми автономно работающего генератора поднесущей. Выключатель
цветности ВЦ получает управляющее напряжение на запирание ка
нала с фазового детектора. При вещании цветной программы, т.е. при
наличии цветовых вспышек, с фазового детектора на ВЦ поступает
постоянное напряжение одного знака, при черно-белом вещании это
напряжение меняет свой знак.
Если из рассмотренной структурной схемы исключить фазовра-
щатель ФВ1 на 33°, то синхронное детектирование будет осуществ-
ляться на оси R—Y и В—Y, а следовательно, на выходах детекторов
будут получены сигналы Е'R_Y и E'B_Y. Но в этом случае из-за разно-
полосности составляющих и, и uQ могут возникнуть перекрестные
искажения между сигналами Е'R_Y и Е'в_г.
Для предотвращения этих искажений оба ФНЧ на выходе детек-
торов должны быть узкополосными: 0.0,6 МГц, что заметным обра-
зом ухудшит цветовую четкость. Поэтому такой вариант декодирую-
щего устройства распространен меньше.
12.1.6. Эксплуатационные характеристики системы
Несмотря на то что система NTSC была разработана и введена в
эксплуатацию значительно раньше других вещательных систем,
принципы, заложенные в ее основу, позволяют ей оставаться конку-
рентноспособной и в настоящее время, а по некоторым параметрам и
превосходить другие системы. К основным достоинствам системы
можно отнести:
хорошую совместимость, достигаемую за счет жесткой связи час-
тот разверток с частотой поднесущей и удачного выбора самого зна-
чения поднесущей;
возможность эффективного разделения сигналов яркости и цвет-
ности путем применения в декодирующем устройстве вместо полосо-
264
вого и режекторного фильтров гребенчатых фильтров, позволяющих
избирательно подавлять или выделять частотные сеставляющие двух
перемежающихся спектров яркости и цветности;
высокую помехоустойчивость канала цветности к флуктуацион-
ным помехам благодаря применению синхронного детектирования
цветоразностных сигналов,
эффективное использование канала передачи, позволяющее при
сравнительно узкополосных сигналах Е, и EQ получить изображение
с удовлетворительной цветовой четкостью;
простоту микширования полных видеосигналов, поскольку изме-
нение амплитуды полного сигнала обусловливает одинаковое измене-
ние 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 представляет со-
бой синусоидальную насадку колебаний поднесущей частоты к ярко-
стному сигналу (см. рис. 12.12). В процессе передачи такого сигнала в
отдельных звеньях тракта может возникнуть модуляция сигнала
цветности (как по амплитуде, так и по фазе) сигналом яркости. Изме-
нение амплитуды us в зависимости от уровня Е'г получило название
дифференциальных искажений амплитуды, а изменение фазы сигна-
ла цветности под действием сигнала Е'у — дифференциально-фазо-
вых искажений.
Дифференциальные искажения амплитуды приводят к различию
в насыщенности светлых и темных участков изображения. Причем эти
искажения нельзя устранить в приемном устройстве с помощью авто-
матической регулировки усиления сигнала цветности по размаху
вспышки, поскольку проявляются они внутри одной и той же строки.
Дифференциально-фазовые искажения вызывают изменение цве-
тового тона в зависимости от яркости изображения. Например, чело-
веческое лицо, к цвету которого особенно чувствителен телезритель,
может приобретать зеленоватый оттенок на ярких участках и красно-
ватый — на темных.
Отсюда вытекают довольно жесткие требования к тракту переда-
чи в отношении дифференциальных искажений. Для фазовых ошибок
считается допустимой величина не более 4...5°. К искажениям насы-
щенности глаз менее критичен. Амплитудные ошибки допускаются
порядка 12 %.
Жесткие требования к параметрам канала передачи NTSC, в оп-
ределенной 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 предло-
жений, появившихся к началу 60-х годов, признание получили цвет-
ные системы SECAM и PAL.
265
12.2. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ SECAM
Разработка системы была начата во Франции в 50-х годах. В
1965—1966 гг. при сотрудничестве с советскими специалистами была
доработана. С октября 1967 г. в СССР и во Франции одновременно
было начато регулярное вещание 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, Чехословакии, Польше, Люксембурге, Греции,
ряде стран Африки, Ближнего и Среднего Востока. Название системы
представляет собой аббревиатуру из французских слов Sequentiel
Couleur a Memoire, что означает "поочередность цветов и память”.
12.2.1. Общие принципы системы
Так же как и в системе NTSC, сигналами передачи в системе
SECAM являются три сигнала: яркостный Е'г и два цветоразностных
Е'R_r и Е'в_г. Однако в системе SECAM (и это главная ее особенность)
в течение каждого строчного интервала передается только один из
цветоразностных сигналов, которые поступают в канал передачи по-
очередно. Такой принцип передачи позволяет избежать присущих
системе NTSC перекрестных искажений между двумя цветоразност:
ными сигналами, которые в системе SECAM благодаря разновремен-
ной передаче не могут взаимодействовать друг с другом. На
Рис. 12.15. Упрощенные функциональные схемы устройств SECAM:
а — кодирующего, б — декодирующего
266
рис. 12.15,а изображена упрощенная структурная схема кодирующего
устройства системы SECAM.
Исходными сигналами являются сигналы основных цветов E'R,
Е'с и Е'в, из которых в матрице М формируются яркостный сигнал
Е'у и два цветоразностных сигнала Е'R_Y и Е'в_г. Последние, как и в
системе NTSC, ограничивают по полосе частот в ФНЧ и подают на
электронный коммутатор ЭК, переключаемый управляющими им-
пульсами с частотой /г/2. На выходе ЭК в любой момент будет при-
сутствовать только один из двух цветоразностных сигналов: в течение
одной строки Е'R_Y, в течение другой — Е'B_Y. Таким образом, под-
несущая частота, с помощью которой будет уплотняться спектр
яркостного сигнала, будет модулироваться поочередно сигналами
Е' R-Y И В—Y-
Второй важной особенностью системы SECAM является способ
модуляции поднесущей частоты. В современном варианте системы
SECAM выбрана частотная модуляция, осуществляемая в частотном
модуляторе ЧМ. Выбор частотной модуляции предполагал повыше-
ние устойчивости системы к влиянию амплитудных и фазовых иска-
жений тракта передачи, к чему особенно была чувствительна система
NTSC.
С выхода ЧМ частотно-модулированный сигнал цветности us, скла-
дываясь в сумматоре X с яркостным сигналом Е'г, образует полный
цветовой сигнал, пригодный для передачи в вещательную сеть.
В приемном устройстве (рис. 12.15,б) полный цветовой сигнал ип,
получаемый с выхода видеодетектора, подается ^а усилитель яркост-
ного сигнала Е'у (рис.12.16,а) и полосовой фильтр ПФ, с помощью
которого из полного сигнала выделяется ЧМ сигнал цветности us
(рис.12.16,б). Его дальнейшая обработка принципиально отличается
от декодирования сигнала цветности в системе NTSC. В системе
SECAM в каждый момент времени продетектированный ЧМ сигнал
содержит только один из двух цветоразностных сигналов: или E'R_r,
или Е'в_у. Для восстановления же исходных цветоделенных сигналов
Е’ R, Е'а и Е'в необходимо обязательно иметь оба цветоразностных
сигнала одновременно. (Напомним, что третий цветоразностный сиг-
нал Ес_у получается матрицированием из сигналов Е'R_Y и Е'в_г.)
Получение недостающего в каждый момент времени цветоразно-
стного сигнала достигается в приемном устройстве SECAM использо-
ванием линии задержки ЛЗ на длительность одной строки и электрон-
ного коммутатора ЭК, осуществляющего переключение его входов и
выходов с частотой строк.
На один из входов электронного коммутатора сигнал цветности
подается прямо с полосового фильтра. Назовем этот сигнал прямым
и обозначим его uSnp. На второй вход коммутатора поступает тот же
сигнал цветности, но задержанный на длительность одной строки (64
мкс). На рис.12.15 и 12.16,в он обозначен и5з1Д. В результате переклю-
чения электронного коммутатора с частотой строк на каждом из вы-
267
Ey
а)
ходов ЭК и соответственно после каждого из частотных дискримина-
торов в любой момент времени будут присутствовать сигналы Е'R_Y и
Е'в_у одновременно. Однако, выбрав для рассмотрения любой из
строчных интервалов, нетрудно убедиться, что на выходе декодирую-
щего устройства одновременно существуют цветоразностные сигна-
лы не одной и той же строки, а двух смежных строк. Например, при
передаче (п-|-5)-й строки иа выходы декодера поступают яркостный
сигнал Е'у(„ + 5) и цветоразностные сигналы Е' R_Y(n + 5) и Е' B_Y(n + 4). Сиг-
нал Е'а_у получится как результат матрицирования сигналов
Е'к-У(п + 5)и Е'в-у(П + о 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 замечено,
поскольку уменьшение четкости в цвете по вертикали здесь будет не
более чем в 2 раза по сравнению с яркостным сигналом. Напомним,
вполне допустимым является снижение цветовой четкости в 4 раза,
что и происходит с горизонтальной цветовой четкостью в результате
ограничения цветоразностных сигналов по спектру до 1,5 МГц. Одна-
ко принятый в системе SECAM прием использования цветоразност-
ных сигналов двух смежных строк приводит к другим, действительно
268
заметным для глаза искажениям, о которых будет говориться в после-
дующих разделах,
В заключение отметим, что переключение электронного коммутато-
ра в декодирующем устройстве должно происходить синхронно с пере-
ключением цветоразностных сигналов на передающем конце системы.
12.2.2. Основные параметры системы
Цветоразностные сигналы D'R и D'B. В системе SECAM цветораз-
ностные сигналы E'R_Y и E'b_y заменены сигналами D'R и D'B, опре-
деляемыми как
D'r = -WE'r_y-,D'b= \,5E'b_y. (12.11)
Из соотношений (12.11) видно, что сигналы D'R и D'B отличаются от
сигналов Е'R_Y и E'B_Y как амплитудой, так и полярностью. Штрихи в
(12.11)означают, как и ранее, что передаваемые сигналы подвергнуты
гамма-коррекции. Коэффициенты, связывающие значения сигналов
между собой, получили название коэффициентов компрессии (по ана-
логии с системой NTSC). Выбор этих коэффициентов обусловлен
стремлением увеличить помехозащищенность сигнала цветности и
улучшить совместимость системы SECAM.
Действительно, помехоустойчивость частотно-модулироваиного
сигнала, каковым является сигнал цветности в системе SECAM, на-
прямую связан с девиацией поднесущей частоты, которая в свою оче-
редь зависит от амплитуды модулирующих ее цветоразностных сиг-
налов. Размах цветоразностных сигналов определяется содержанием
изображения, однако в общем случае максимальные значения сигна-
ла E'R_r существенно меньше, чем сигнала E'B_Y. Если амплитуда
в максимуме (для красного и голубого цветов) составляет 0,7 от
уровня исходных сигналов на белом, то амплитуда Е'й_к(для синего
и желтого цветов) — 0,89. Отношение составляет 1,27. Это означает,
что соответственно ЧМ сигнал, полученный от модуляции сигналом
E'R_r, уступает по помехоустойчивости сигналу цветности, модулиро-
ванному сигналом Е'B_Y. Для выравнивания условий передачи сигна-
ла цветности в двух строках коэффициенты компрессии соотносят как
1,9/1,5 = 1,27. Выбор абсолютных значений коэффициентов компрес-
сии сделан 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'd = 1,5(±0,89) = ±1. Этим значениям сигналов D'R и D'B будет
соответствовать так называемая номинальная девиация поднесущей
частоты.
Отрицательная полярность сигнала D'R выбрана из следующих
соображений. Статистические данные показывают, что для большин-
269
ства сюжетов значения сигналов Е'R_Y и Е'B_Y находятся в диапазоне
—0,15^£'₽_^0,40, —0,50^Е'е_г^0,20
от уровня исходных сигналов на белом, т.е. преобладают положитель-
ные значения для сигнала Е'R_Y и отрицательные — для сигнала
Е'B_Y . Изменением полярности E'R_Y достигают того, что в среднем в
обеих строках преобладает отрицательная девиация частоты и тем
самым повышается устойчивость к ограничению верхней боковой по-
лосы сигнала цветности (что особенно.важно для стандарта тех стран,
где уменьшена полоса частот яркостного канала). Кроме того, умень-
шается средняя разность мгновенных значений частоты поднесущей
между соседними строками, и это уменьшает ее заметность на экране
черно-белых приемников, т.е. улучшает совместимость.
Коррекция цветоразностных сигналов в системе SECAM. В систе-
ме SECAM с целью устранения наиболее уязвимых для системы
NTSC амплитудных и фазовых искажений применена частотная мо-
дуляция поднесущей. При соответствующих условиях частотная мо-
дуляция дает также большой выигрыш по сравнению с амплитудной
модуляцией и в отношении помехоустойчивости. Однако в системе
SECAM эти условия не выполняются. Действительно, с целью разме-
щения спектра сигнала цветности в высокочастотной части спектра
яркостного сигнала недопустимо применение широкополосной ЧМ с
индексом модуляции больше единицы. В этом случае в спектр ЧМ
сигнала войдут кроме боковых частот первого порядка боковые более
высоких порядков. При большой девиации поднесущей частоты ее
заметность на экране сильно увеличивается. 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 приемника
практически незаметна, то частотно-модулированная поднесущая в
системе SECAM зрительно воспринимается гораздо хуже. Ее размах
желательно ограничить значениями, не превышающими 20...25 % от
размаха яркостного сигнала.
Малый индекс модуляции и небольшая амплитуда сигнала цвет-
ности делают систему SECAM крайне уязвимой к шумовым помехам,
и без применения специальных коррекций сигнала она не могла бы
конкурировать по качеству изображения с системами NTSC и PAL.
Одной из таких коррекций, известной в практике ЧМ радиовещания,
является коррекция в приемном устройстве цветоразностных сигна-
лов. Она получила еще название низкочастотной (НЧ) коррекции,
поскольку реализуется в низкочастотном канале декодирующего ус-
тройства, после частотного дискриминатора.
Основывается НЧ коррекция на специфическом для частотной
модуляции спектральном распределении шума цш на выходе частот-
270
Рис. 12.17. Зависимость уровня шу-
ма от частоты на выходе частотного
дискриминатора (/), АЧХ цепей НЧ
коррекции (2) и НЧ предыскажений
(3}
иш,А(А
ного дискриминатора, имеющего треугольный характер (рис.12.17).
Таким образом, максимальная шумовая помеха Сосредоточена в вер-
хней части полосы пропускания. Если после частотного дискримина-
тора установить в канале цепь коррекции, АЧХ которой А(/)
(рис. 12.17, кривая 2) имеет спад на верхних частотах, то можно достичь
заметного улучшения отношения сигнал/шум.
Однако действию НЧ подвергаются не только шумы, но и сам цвето-
разностный сигнал. Его верхние частоты, как и шумы, цепью коррекции
будут ослаблены, что вызовет соответствующее уменьшение цветовой
четкости. Для того чтобы в полезном сигнале не возникали искажения,
на передающем конце системы, в кодирующем устройстве осуществля-
ют предкоррекцию (предыскажения) цветоразностных сигналов. По
аналогии с НЧ коррекцией в приемнике эти предыскажения называют
часто низкочастотными. Предыскажения создаются пропусканием цве-
торазностных сигналов через звено с АЧХ, обратной АЧХ низкочастот-
ной коррекции в приемнике (рис. 12.17, кривая 3). Результирующая АЧХ
цепей коррекции и предыскажений для сигнала оказывается в пределах
полосы пропускания равномерной и не вносит искажений в сигнал; АЧХ
цепи НЧ предыскажений в кодирующем устройстве описывается выра-
жением
»нч(/) =
1 + if/К
1 + if /ЗЦ
(12.12)
где /, = 85 кГц.
В приемнике же АЧХ цепи НЧ коррекции описывается выражени-
ем,обратным по отношению к (12.12). На рис.12.18 изображены вари-
Рис. 12.18. Цепи НЧ пред-
ыскажений (а) и НЧ кор-
рекции (б)
271
Рис 12.19. Результирующая АЧХ
низкочастотной фильтрации и преды-
скажений цветоразностных сигна-
лов
анты цепей НЧ предыскажений и коррекции, с помощью которых
могут быть реализованы указанные АЧХ.
Последовательно с цепью НЧ предыскажений в кодирующем уст-
ройстве для ограничения полосы пропускания цветоразностных сиг-
налов до значения 1,5 МГц включается ФНЧ. Результирующая АЧХ
цепи предыскажений и ФНЧ стандартизована (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 подне-
сущих частот. Применение в приемном устройстве коррекции сигнала
цветности увеличивает помехоустойчивость сигнала SECAM к шумам
дополнительно еще на 8 дБ. В совокупности с НЧ коррекцией цвето-
разностных сигналов достигается примерно одинаковая с системой
NTSC устойчивость к флуктуационным помехам. Поскольку коррек-
ция сигнала цветности выполняется в относительно высокочастотной
части тракта декодирующего устройства (до частотного декодирова-
ния), то этот вид коррекции получил еще название 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 некой гармонической помехой
можно рассматривать как дополнительную частотную девиацию сиг-
нала 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 сигнала и помехи. При
этом величина помехи на выходе детектора не зависит от знака разно-
сти частот (расстройки) помехи и сигнала (рис. 12.20). Следует отме-
тить, что указанная прямая зависимость между величиной помехи на
272
выходе и расстройкой справедлива для случая, когда амплитуда по-
мехи мала по сравнению с амплитудой сигнала.
Если сигнал цветности, пораженный флуктуационными шумами,
пропустить через цепь с амплитудно-частотной характеристикой, ос-
лабляющей шумы, имеющие наибольшую расстройку (рис. 12.20, кри-
вая 2), то так же, как и при НЧ коррекции, будет достаточно эффек-
тивно уменьшена суммарная мощность шумов, проникающих на
выход частотного дискриминатора. Так как коррекции подвергается
и полезный сигнал, то на передающем конце системы сигнал цветно-
сти должен быть предыскажен цепью, имеющей АЧХ, обратную АЧХ
корректора в приемнике (рис. 12.20, кривая 3).
Предыскажение сигнала цветности в кодирующем устройстве,
получившее также название высокочастотных предыскажений, сво-
дится к увеличению амплитуды ЧМ сигнала в зависимости от величи-
ны девиации, и сигнал цветности приобретает дополнительно к час-
тотной модуляции еще и амплитудную. После прохождения сигнала
цветности через цепь ВЧ корректора в приемном устройстве эта амп-
литудная модуляция исчезает и сигнал цветности восстанавливает
свою исходную форму.
Выше было отмечено, что в среднем эффект от применения ВЧ
коррекции выражается в увеличении отношения сигнал/шум пример-
но на 8 дБ. Однако в отдельных случаях, при передаче определенных
цветов, эффективность работы ВЧ корректора может заметно сни-
жаться. Объясняется это несовершенством самого принципа коррек-
ции, при котором максимум АЧХ корректора соответствует строго
определенной частоте fs его настройки, а частота поднесущей fs не-
прерывно меняется в зависимости от передаваемого цвета. Вместе
с частотой сигнала меняется и частотное распределение шумов на
выходе детектора' из всех частотных составляющих шума минималь-
Рис. 12.20. Зависимость величи-
ны помехи на выходе частотного
дискриминатора от ее частоты
(/), АЧХ цепи высокочастотной
коррекции (2) и цепи высокоча-
стотных предыскажений (<?); fs —
частот । сигнала
Рис. 12.21. Расстройка сигнала относи-
тельно АЧУ корректора:
у«’тот1 настройки ВЧ корректора, /* текущее
значение частоты сигнала цветности; Л/ — девиация час-
тоты
273
ное мешающее действие оказывают те, которые равны или близки к
текущему значению частоты полезного сигнала (рис.12 21). Матема-
тический анализ действия коррекции при рассовмещении максимума
АЧХ с частотой сигнала показывает, что эффективность коррекции
снижается, и тем больше, чем больше это рассовмещение.
В ранних вариантах системы SECAM максимум АЧХ корректора
настраивался на частоту покоя поднесущей частоты (когда сигналы
D'R и D' в равны нулю). Соответственно на эту же частоту настраива-
лась и цепь ВЧ предыскажений в кодирующем устройстве. С точки
зрения достижения наилучшей совместимости это оправдано, так как
при передаче неокрашенных или малонасыщенных цветов амплитуда
сигнала цветности, принимаемого черно-белыми приемниками как
помеха, была минимальной. Однако при передаче насыщенных цветов
из-за девиации частоты А/ = fs — fSo рассовмещение АЧХ корректо-
ра и частоты сигнала становилось значительным, эффективность кор-
рекции уменьшалась и возрастала заметность шумов Оказалось, что
особенно заметными шумы были при передаче красного цвета.
Для того чтобы корректор работал эффективно при передаче того или
иного насыщенного цвета, необходимо частоты сигналов цветности, соот-
ветствующие передаче сигналов D'R и D'B этих цветов, располагать под
максимумом АЧХ корректора, а значит, настройку цепи корректора
смещать относительно немодулированного значения поднесущей. За-
дача оказалась трудноразрешимой, так как для разных цветов и даже
для сигналов D'R и D'B одного и того же цвета девиация отличается, и
порой не только по абсолютной величине, но и по знаку.
В табл.12 2 приведены значения сигналов D'R и D'B для испыта-
тельного изображения цветных полос со 100 %-ной насыщенностью и
75 %-ным уровнем исходных сигналов Е'R,E'а,Е'в. Эти значения полу-
чены в соответствии с (12.11).
Таблица 12.2
Сигнал Цвет белый желтый голубой зеленый пурпур- ный красный СИНИЙ черный
E’r-h 0,00 0,08 0,52 -0,44 0,44 0,52 -0,08 0,00
Е'в-у 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
Из таблицы видно.что для зеленого и пурпурного цветов сигналы
D'r и D'b, а значит, и девиация разнополярны. Сигналы для синего и
голубого цветов имеют полярность, противоположную желтому и
красному. Поэтому задача улучшения работы ВЧ корректора на всех
цветах поиском наиболее оптимальной частоты его настройки оказа-
лась практически неразрешимой. В варианте системы SECAM-III6
перешли на модуляцию сигналами D'R и D'B двух отличающихся по
иастоте поднесущих fR и /в, а максимум АЧХ ВЧ корректора настра-
274
ивают на частоту, лежащую между двумя этими значениями. При
таком компромиссе удалось создать относительно удовлетворитель-
ные условия для работы корректора для большинства цветов. При
этом предпочтение было отдано таким цветам, где заметность шума
выше. К таким цветам были отнесены красный и пурпурный, для
которых расстройка максимума АЧХ корректора по отношению к
частоте сигнала цветности в обеих строках была выбрана минималь-
ной.
В результате были выбраны следующие значения немодулирован-
ных поднесущих при передаче красной и синей строк:
fR = 4406,25 кГц -(282/^);
fB = 4250 кГц -(272^).
Настройка максимума АЧХ ВЧ корректора в приемнике и мини-
мума АЧХ ВЧ предысказителя в кодирующем устройстве произво-
дится на частоту 4286 кГц.
На рис.12.22 показаны АЧХ корректора и предысказителя и не мо-
дулированные значения поднесущих частот при передаче сигналов
D'r и D'b . Обратим внимание на несимметричное расположение не-
модулированных значений поднесущих относительно максимума
АЧХ цепи предыскажений. При передаче ахроматических (неокра-
шенных) деталей изображения сигнал цветности в красной и синей
строках будет поэтому несколько отличаться по амплитуде. В красной
строке (при передаче сигнала D'R) размах немодулированной подне-
сущей составит 0,307, а в синей — 0,238 от размаха яркостного сигна-
ла на белом.
Ниже приводится аналитическое описание АЧХ цепи ВЧ преды-
скажений (АЧХ корректора описывается обратной зависимостью):
лвч(Л=1 + /126Г (12.13)
275
Рис. 12.23. Цепи предыскажений снгна
ла цветности (а) и коррекции (б)
На рис.12.23 приведены примеры построения цепей предыскаже-
ний и коррекции. Они представляют собой частотно-зависимые дели-
тели, одним из плечей которых является последовательный или па-
раллельный контур с резонансной частотой /0=4,286 МГц.
Добротность контуров Q= 16, отношение R/RI =11,7.
В процессе эксплуатации системы SECAM выяснилось, что, не-
смотря на осуществляемые коррекции, помехоустойчивость канала
цветности при принятой номинальной девиации поднесущей частоты,
равной 230 кГц, все же оставалась неудовлетворительной, особенно
для сигнала D'R . Поэтому для ее улучшения номинальную девиацию
в красных строках увеличили до 280 кГц. (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 деви-
ация. Увеличение девиации при передаче сигнала D'R эквивалентно
увеличению самого модулирующего сигнала в 280/230 = 1,22 раза,
что формально соответствует изменению коэффициентов компрессии;
вместо-1,9 и 1,5 они должны быть равны -2,3 и 1,5. Однако на практике
в матрицирующем устройстве, формирующем сигналы D'R и D'B,
обычно сохраняют старые значения коэффициентов, а увеличение де-
виации при передаче сигнала производят в дальнейших узлах тракта.
Амплитудное ограничение сигналов D'R и D'B. Амплитудно-час-
тотной характеристике цепи НЧ предыскажений цветоразностных
сигналов (рис. 12.17, кривая 3) соответствует характеристика, изобра-
женная на рис.12.24(кривая /). Как видно из рисунка, характеристика
имеет очень большой, 200 %-ный выброс с достаточно продолжитель-
ным спадом (постоянная времени т = 0,63 мкс). Таким образом, в
цветоразностных сигналах, соответствующих резким вертикальным
цветовым переходам, появляются выбросы, суммарная амплитуда
которых может превышать исходный сигнал в 3 раза. Действиб цепи
предыскажений можно рассматривать в некоторой степени как диф-
ференцирующее. На приемном конце системы после прохождения НЧ
корректора сигнал должен восстановить исходную форму, однако при
условии, что весь процесс преобразований и передачи сигнала будет
линейным. На практике трехкратное превышение амплитуды моду-
лирующего сигнала недопустимо, поскольку ему соответствует такое
же увеличение девиации частоты в модуляторе.
276
Рис. 12.24. Переходные характеристики цепи НЧ предыскажений без учета ФНЧ (/) и
с учетом фильтра (2)
Некоторое уменьшение выбросов происходит под влиянием ФНЧ,
устанавливаемого после цепи предыскажений, но это полностью не
снимает проблемы, и поэтому размах выбросов на цветовых перехо-
дах уменьшают с помощью амплитудного ограничения. Стандартизо-
ваны следующие относительные уровни ограничения для сигналов
DrmDb-
_ ( 4- 1,25 _ (-1,52. (12.14)
R 1 —1,81 ’ * i 4-2,20 *
Предельные значения девиации, достигаемые при передаче вы-
бросов, становятся равными
(4-350 кГц _(—350 кГц
° к = 1—500 кГц’ D в ~ 14-500 кГц ’
Так как средняя частота fR выше, чем /в, примерно на 150 кГц,
такое несимметричное ограничение выбросов обеспечивает использо-
вание одного и того же диапазона девиации частот (около 3,9 ...4,8
МГц) каждым из сигналов.
Рассмотренное амплитудное ограничение выбросов цветоразност-
ных сигналов привело к тому, что сквозная переходная характеристи-
ка (с учетом обеих цепей: предыскажения и коррекции) искажается,
ее фронт затягивается и сигнал после коррекции в декодирующем
устройстве не сможет восстановить свою исходную форму. Фронты,
соответствующие цветовым переходам в сигнале, могут быть затяну-
ты до 2 мкс. Правда, это нельзя рассматривать как пропорциональное
сокращение полосы частот канала цветности. Начальный участок
перехода имеет нормальную крутизн (до момента срабатывания ог-
раничителя). Однако вторая часть срехода сильно затянута, что
приводит к скруглению плоской части импульса (рис.12.25).
Рассмотренные искажения цветовых переходов отчетливо видны в
испытательном изображении цветных полос, особенно на границах
277
4,28
Рнс. 12.26. Корректор перекрестных искажений
"яркость — цветность”
Рис. 12.25. Влияние амплитудно-
го ограничения на форму сигна-
лов после НЧ коррекции:
а — сигнал на выходе цели НЧ предыска-
жений; б — сигнал на выходе НЧ корректо-
ра в приемнике
между белым и желтым, желтым и голубым, зеленым и пурпурным
цветами. Это наиболее ’’неприятный” для такого рода искажений
сюжет. В реальных сценах сочетания таких насыщенных цветов встре-
чаются не часто.
Уменьшение перекрестных искажений яркость — цветность. Сиг-
нал цветности в системе SECAM, как и в системе NTSC, передается в
общей полосе частот с сигналом яркости. Полосовой фильтр в декоди-
рующем устройстве не может полностью освободить сигнал цветности
от составляющих сигнала яркости. Высокочастотные компоненты по-
следнего вместе с сигналом цветности проникают на вход частотного
детектора, взаимодействуя в нем с сигналом цветности как помеха.
Амплитуда прошедших в канал цветности яркостных компонентов в
зависимости от сюжета может становиться весьма значительной, пре-
вышающей существующий для частотной модуляции так называемый
пороговый эффект. (В этом случае резко возрастает паразитная деви-
ация детектируемого сигнала.) На изображении возникают характер-
ные искажения. Они проявляются в виде зубцов или ’’бахромы” за
вертикальными яркостными переходами или участками с большой
детальностью, приобретая порой характер мерцающих синих или
красных факелов. Эти помехи получили название ’’кроссколор”.
Стандартом на систему SECAM-III6 рекомендуется ослаблять
спектральные составляющие сигнала яркости в зависимости от их
амплитуды в полосе частот сигнала цветности. Предназначенное для
этого устройство называют корректором перекрестных искажений
яркость — цветность. Он устанавливается в яркостном канале коди-
рующего устройства и может иметь структуру, изображенную на
278
рис.12.26. Яркостный сигнал Е'у поступает одновременно на два кана-
ла, один из которых содержит цепь, режектирующую компоненты
сигнала, расположенные около частоты 4,28 МГц, а другой селектив-
но пропускает именно эти компоненты. Если амплитудный ограничи-
тель в последнем канале не воздействует на сигнал, то на выходе
сумматора яркостный сигнал не будет отличаться 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, как раз и представляют
потенциальную помеху для сигнала цветности. Поэтому если эти ком-
поненты превышают по амплитуде определенное допустимое значе-
ние (цифра стандартом не оговаривается), то они должны быть огра-
ничены. Это ограничение и выполняется подбором соответствующего
уровня ограничения в ограничителе. Таким образом, рассмотренный
корректор адаптивно, в зависимости от передаваемого сюжета, воз-
действует 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 разд.12.1.2, минимальная заметность
поднесущей в изображении достигается при жесткой связи частоты
поднесущей с частотами разверток. При этих условиях рисунок от
помехи имеет менее заметную неподвижную структуру. Поэтому ь
системе NTSC частоты разверток образовывались с помощью делите
лей частоты поднесущей. Этот метод получил название частотной
синхронизации.
В системе SECAM этот метод неприемлем, так как частота подне-
сущей вследствие частотной модуляции непостоянна и никак не мо
жет быть связана с частотой разверток. Тем не менее добиться непод
вижности структуры помехи и в этом случае возможно. если
фиксировать фазу колебаний поднесущей в начале каждо' троки.
Это выполняемся путем ударного запуска генератора поднесущей
специально сформированными импульсами. Для получения желае-
мого характера рисунка, наименее 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 системе
NTSC, однако при этом достигается несколько меньшая стабильность
поднесущей частоты, которая в си "еме NTSC яр яется определяю-
щим параметром.
При разработке системы SECAM очень важно было подобрать
такой закон коммутации фазы, которы” позволил бы обеспечить наи-
лучшую ссвместимость ее сигнала. Перемена фазы поднесущей г
279
каждой второй строке, как в системе NTSC, невыгодна, так как тогда
все строки с сигналом D'R оказались бы в одной фазе, а строки с
сигналом D'B — в другой, но тоже для всех строк в одинаковой фазе.
Структура рисунка от поднесущей имела бы достаточно выраженную
штриховую структуру. При этом и временной компенсации, как в
системе NTSC, не происходило бы, так как в следующем кадре крас-
ные строки поменяются местами с синими строками (из-за нечетности
строк в растре).
В результате теоретических и экспериментальных исследований
был принят следующий порядок изменения фазы цветовой поднесу-
щей (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 (по-
ля). Немодулированные значения частот поднесущих выбраны рав-
ными четным гармоникам строчной частоты, указанным ранее. В ре-
зультате такой коммутации в каждом из полей формируется своя
структура поднесущей на изображении, однако с определенной пери-
одичностью, цикл которой составляет 12 полей. Таким образом, уда-
лось в изображении получить относительно жесткую структуру поме-
хи от поднесущей, в некоторой степени хаотичную из-за девиации
частоты, однако в реальных сюжетах малозаметную. В заключение
отметим особенности частотного спектра сигнала цветности в системе
SECAM. Напомним, что модулирующие поднесущую частоту цвето-
разностные сигналы имеют, как и яркостный сигнал, ярко выражен-
ную линейчатую структуру спектра. При выборе поднесущей часто-
ты, равной нечетной гармонике полустрочной частоты (как это
сделано в NTSC), спектр модулированного сигнала сохраняет свою
линейчатую структуру, но его компоненты соответствуют уже не
строчным, а полустрочным гармоникам. В результате в системе NTSC
и достигалось отмеченное в предыдущих разделах перемежение спек-
тров яркостного сигнала и сигнала цветности. В системе SECAM
поднесущие частоты кратны строчной частоте, и в результате их мо-
дуляции цветоразностными сигналами спектр сигнала цветности дол-
жен был бы состоять из гармоник строчной частоты. Переплетения
спектров с яркостным сигналом не получилось бы. Однако принятый
закон коммутации фазы поднесущих, как показывает анализ, форми-
рует такой спектр сигнала цветности, компоненты которого в основ-
ном не совпадают с составляющими спектра яркостного сигнала, и
спектры перемежаются. Можно показать, что в спектре сигнала цвет-
ности SECAM в значительной степени (примерно в 6 раз) гармоники
строчной частоты подавлены. Спектр в целом более густой, чем спектр
яркостного сигнала. Он содержит гармоники частот/^/би/^др/бЦб].
Вопрос о спектре сигнала цветности SECAM носит не только тео-
ретический характер. Развитие элементной базы, особенно цифровой,
280
позволяет рассчитывать на возможности построения фильтров с из-
бирательной гребенчатой селекцией даже таких сложных по структу-
ре спектра сигналов, как в системе SECAM. Это в свою очередь дает
возможность лучшего разделения сигналов яркости и цветности в
декодирующем устройстве.
Сигнал цветовой синхронизации. В системе SECAM поочередная
передача сигналов D'R и D'B требует согласованной работы элект-
ронных коммутаторов кодирующего и декодирующего устройств
(см. рис. 12.15). Эти коммутаторы должны переключаться синхронно
и синфазно. Фазировка электронного коммунатора в декодирующем
устройстве строится на распознавании цветности (D'R или D'B) при-
нимаемого сигнала с помощью сигнала цветовой синхронизации uuc
или, как его часто называют, сигнала опознавания. Он формируется
из серии 9 импульсов и SB трапецеидальной формы, замешивае-
мых в сигналы D'r и D'b, с 7 по 15 строку одного поля и с 320 й по 328-ю
строку второго в кодирующем устройстве (рис. 12.27). Начало и конец
каждого импульса совпадают соответственно с началом и концом
активной части строки. Амплитуда импульсов равна уровням ограни-
чения цветоразностных сигналов, вызванных НЧ предыскажениями,
т. е.-|-125 для сигнала D'R и—1,52 для сигнала D'B. Таким образом,
при их поступлении на частотный модулятор они займут весь диапа-
зон девиации частоты. В строках D'R частота сместится вверх до 4,756
МГц, а в строках D'B — вниз до 3,9 МГц. Различие в полярности
сигналов и SB или соответственно частот в сигнале цветовой
синхронизации является признаком передачи той или иной цветности,
Рис. 12.27. Формирование сигнала световой синхронизации:
а — формирующие сигналы SR и SB; б — сигнал цветовое синхронизации после частотного модулятора
281
который используется для распознавания сигналов в приемнике. По-
скольку сигнал цветовой синхронизации передается в соответствии с
указанными 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 Е'в,
Е'о и Е'в полного видеосигнала ип, содержащего яркостный сигнал
Е'у, сигнал цветности us и сигнал синхронизации приемника. Работу
кодирующего устройства проиллюстрируем осциллограммами сиг-
налов испытательного изображения цветных полос. Эти полосы состо-
ят из основных цветов приемника: красного К, зеленого 3 и синего С и
дополнительных к ним цветов — голубого Г, пурпурного П и желтого
Ж- Белая и черная полосы позволяют иметь опорные уровни в сигна-
лах. С помощью испытательных сигналов цветных полос рассчитыва-
ются, нормируются и проверяются важнейшие параметры трактов
цветного телевидения. На рис.12.29 и 12.30 приведены формы наибо-
лее часто применяемых на практике сигналов цветных полос с
75 %-ной амплитудой и 100 %-ной насыщенностью (сигнал 75 %-ной
яркости).
Сигнал яркости Е'у (рис.12.29) и цветоразностные сигналы D'B и
Л'в(рис. 12.30,б)формируются в матричном устройстве в соответствии
с приведенными ранее соотношениями. Канал яркостного сигнала
включает в себя корректор перекрестных искажений (см.рис.12.26) и
широкополосную линию задержки, выравнивающую во времени ши-
рокополосный сигнал Е'у, и относительно узкополосный сигнал цвет-
ности us. Затем сигнал яркости Е'у поступает на сумматор, где смеши-
вается с сигналом цветности и импульсами синхронизации
приемника.
Цветоразностные сигналы D’ R и D'B в цепях НЧ предыскажений
подвергаются линейной коррекции с подъемом на верхних частотах.
Амплитудно-частотная характеристика этих цепей была приведена
на рис.12.17. После предыскажений в цветоразностные сигналы во
время обратного хода по кадру замешиваются сигналы цветовой син-
хронизации и 5в(см. рис. 12.27). Дальнейшая обработка и передача
сигналов D'B и D'в осуществляются поочередно, с частотой строк,
реализуемой электронным коммутатором. Последний переключает-
ся симметричными прямоугольными импульсами (меандром), часто-
та которого в 2 раза ниже частоты переключения, т.е. равна /х/ 2.
Ограничение цветоразностных сигналов по полосе частот и устра-
нение нежелательных коммутационных помех, возникающих при ра-
боте электронного коммутатора, производятся с помощью ФНЧ.
Сквозная АЧХ ::епи НЧ предыскажений и ФНЧ приведена на
рис. 12.19. Далее цветоразностные сигналы поступают на амплитуд-
ный ограничитель, в котором ограничиваются выбросы, вызванные
НЧ предыскажениями. Как следует из (12.14), уровни ограничения
282
Рис. 12.28. Структурная схема кодирующего устройства системы SECAM
283
Рис. 12.29. Сигналы основных цветов и сиг-
налы яркости испытательного изображе-
ния цветных полос 100 %-ной насыщенно-
сти и с 75 %-ной яркостью
для сигналов D' R и D'B отличают-
ся. Поэтому на амплитудный огра-
ничитель дополнительно подаются
симметричные прямоугольные им-
пульсы, которые с частотой строк
смещают на соответствующую ве-
личину сигналы D'R и D'b относи-
тельно постоянных уровней огра-
ничения. Кроме того, размах
сигнала D'R увеличивается в 1,22
раза (см.разд.12.2.2).
С выхода ограничителя сигнал
поступает на частотный модуля-
тор, на входе которого включена
схема фиксации уровня. Основной
особенностью частотного модуля-
тора в системе SECAM является,
во-первых, модуляция сигналами
D'r и D'B двух отличающихся по
частоте поднесущих, во-вторых,
необходимость поддержания с вы-
сокой степенью точности номинальных значений поднесущих
(fR = 4406,25±2 кГц; fB = 4250±2 кГц). Непосредственная стабили-
зация этих частот невозможна. В схеме рис.12.28 используется им-
пульсная автоподстройка по сигналам опорных эталонных генерато-
ров. Такой способ позволяет стабилизировать не только частоту, но и
начальные фазы колебаний, что необходимо для реализации метода
коммутации фазы (см.разд.12.2.2).
Обычно в качестве модулятора используется генератор с самовоз-
буждением, обеспечивающий достаточно хорошую стабильность на-
чальной частоты (в момент его включения) и линейность модуляционной
характеристики. Автоподстройка частоты и фазы колебаний модулято-
ра по опорным частотам производится во время обратного хода постро-
ке, когда модулирующие цветоразностные сигналы равны нулю и, сле-
довательно, должна генерироваться частота с номинальным значением
одной из поднесущих. Сравнение колебаний модулятора с колебаниями
эталонных генераторов осуществляется в фазовом детекторе. Сигнал
ошибки А через схему фиксации уровня поступает на частотный моду-
лятор только во время обратного хода по строке благодаря подаваемым
в это время н; схему импульсам фиксации (ИФ).
Частотный модулятор во время фиксирующих импульсов должен
подстраиваться к эталонному генератору не только по частоте, но и по
фазе. При этом равенство фаз колебаний должно быть обеспечено в
самом начале строки. Для обеспечения этого процесса колебания
284
Рис. 12.30. Формирование сигналов в системе SECAM
а - цветоразностные сигналы Efl— у , ЕВ- У; б — сигналы Dr, DB в — сигналы Dr', DB. после НЧ пред
коррекции; г — сигнал цветности; д — полный сигнал
285
частотного модулятора в конце каждой строки срываются импульса-
ми срыва, и запуск генератора начинается всегда с одной и той же
фазы.
Эталонные генераторы подключаются к фазовому детектору поо-
чередно, с помощью коммутатора, работающего синхронно с комму-
татором сигналов D'r и D'b. Стабильность частоты колебаний эталон-
ных генераторов обеспечивается с помощью кварцевых фильтров.
Неизменность фазы колебаний в начале каждой строки достигается
путем возбуждения генераторов короткими импульсами, следующи-
ми с частотой строк.
Таким образом, стабилизация частоты и фазы ЧМ генератора
обеспечивается схемой автоподстройки только в течение интервала
обратного хода строчной развертки. Дальнейшее поддержание точно-
го значения частоты и фазы поднесущей в интервале активной части
строки зависит от точности поддержания задаваемого фиксирующей
схемой опорного уровня. Поэтому стабильность всего узла модулято-
ра в большой степени определяется качеством работы фиксирующей
схемы.
С выхода частотного модулятора сигнал цветности поступает на
устройство коммутации фазы, в котором с целью уменьшения замет-
ности поднесущей на изображении производится изменение фазы ко-
лебаний по рассмотренному в разд. 12.2.2 закону. Цепь высокочастот
ных предыскажений, АЧХ которой изображена на рис. 12 22 и
соответствует зависимости (12.13), обусловит, как отмечалось, воз-
никновение в ЧМ сигнале дополнительной амплитудной модуляции
(рис. 12.30,г). Далее сигнал подается в устройство подавления подне-
сущей. Подавление осуществляется с помощью импульсов, формиру-
емых генератором управляющих импульсов. Подавление необходимо
для того, чтобы колебания поднесущих частот не наложились на син-
хронизирующие импульсы приемника. Поэтому оно производится во
время кадровых гасящих импульсов, за исключением периодов, когда
передается сигнал цветовой синхронизации, и во время строчных га-
сящих 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
286
амплитудных ограничителях сигнала цветности (включаемых перед
частотными детекторами) режим ограничения успел установиться до
начала активной части строки. При отсутствии защитных цветовых
вспышек изображение у левого края экрана будет искажено сильны-
ми шумами и переходными процессами [33]. Последние имеют место
в НЧ корректоре частотного дискриминатора. Окончательно сформи-
рованный сигнал цветности поступает на сумматор, где складывается
с сигналами яркости и синхронизации приемника.
Менее распространенной схемой является схема кодирующего ус-
тройства, где коммутация красной и синей строк производится после
частотной модуляции. Имея некоторые преимущества, такая схема
более громоздка, так как содержит двойной комплект устройств фор-
мирования и обработки сигналов D'R и D'B и частотных модуляторов.
12.2.4. Структурная схема декодирующего устройства
Декодирующее устройство системы SECAM, так же как и кодиру-
ющее, содержит два канала: яркостного сигнала и цветности
(рис.12.32). Рассматриваемая схема является упрощенной. На ней
изображены узлы обработки сигнала, имеющие только принципиаль-
ное значение, и не включены, например, усилительные устройства.
Выходными сигналами являются яркостный сигнал и три цветоразно-
стных сигнала, дальнейшее использование которых является одина-
ковым во всех вещательных системах и рассмотрено в гл.11.
Канал цветности. Полный цветовой сигнал ипс видеодетектора по-
ступает на ВЧ корректор сигнала цветности, с помощью которого
достигается, во-первых, увеличение отношения сигнал/шум, во-вто-
Рис. 12.32. Структурная схема декодирующего устройства системы SECAM
287
рых, выделение из полного сигнала сигнала цветности В профессио-
нальных декодерах для лучшего подавления яркостных компонентов
включается дополнительно полосовой фильтр. Амплитудно-частот-
ная характеристика корректора является обратной АЧХ цепи ВЧ
предыскажений (см.рис. 12.22). В результате в сигнале цветности на-
блюдается устранение той амплитудной модуляции, которая возник-
ла на передающем конце после прохождения цепи ВЧ предыскаже-
ний. Остаточные явления амплитудной модуляции позволяют судить
о качестве настройки ВЧ корректора и устраняются амплитудным
ограничителем, включенным после корректора. Поддерживаемое с
помощью амплитудного ограничителя постоянство размаха сигнала
цветности независимо от уровня принятого сигнала при глубоком
ограничении может сопровождаться увеличением заметности шумов.
Поэтому в лучших образцах устройств, уменьшая уровень ограниче-
ния, в канал цветности вводят цепь автоматической регулировки уси-
ления.
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 строки.
В качестве устройства задержки широко используется ультразвуко-
вая линия задержки (УЛЗ). В ней сигнал цветовой поднесущей преоб-
разуется в волну ультразвука, которая распространяется внутри спе-
циального звукопровода. На приемном конце звукопровода звуковые
колебания вновь преобразуются в электрические. Основным матери-
алом звукопровода является стекло. Для возбуждения ультразвуко-
вых колебаний и обратного их преобразования в электрический сиг-
нал используются пьезопреобразователи из керамики с различными
добавками. Полоса пропускания устройств задержки должна соот-
ветствовать ширине частотного спектра сигнала цветности, т.е. 3 МГц.
К сожалению, даже наиболее совершенные образцы зарубежных УЛЗ
имеют полосу 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 задер-
жки другого типа предполагают обработку уже демодулированных
цветоразностных сигналов. Функции задержки в них обеспечиваются
либо регистрами на приборах с зарядовой связью, л ибо оперативным и
запоминающими устройствами. В последнем случае цветоразностные
сигналы обрабатываются или в цифровой форме [32], или в аналоговой
(путем запоминания отдельных отсчетов сигнала в устройстве из со-
вокупности переключаемых конденсаторов) [84]. Эти типы устройств
задержки являются более перспективными, чем УЛЗ.
Во всех случаях для системы SECAM устройство задержки долж-
но удовлетвориib 1ребованию точности и стабильности задержки с
погрешностью АтьС 30 нс, где т — время задержки, равное 64 мкс.
Невыполнение этого требования приводит к заметным на экране ис-
кажениям в виде зубчатости на вертикальных цветовых переходах.
288
Электронный коммутатор перераспределяет прямой и задержан-
ный сигналы таким образом, что на один из выходов всегда поступает
сигнал, соответствующий передаче D'R, а на другой — D'B. Коммута-
тор содержит четыре ветви, из которых две замкнуты, а две разомкну-
ты. С частотой строк состояние ветвей изменяется на противополож-
ное. Запирание и отпирание ветвей коммутатора производятся с
помощью симметричных меандров полустрочной частоты и противо-
положной полярности.
После электронного коммутатора разделенные сигналы цветно-
сти поступают на вторую ступень амплитудного ограничения, устра-
няющую помехи и паразитную амплитудную модуляцию, вызванную
неравномерностью АЧХ линии задержки и коммутатора, а также воз-
никающими в линии задержки отраженными сигналами. В ранних
вариантах декодеров SECAM изменением уровня ограничения доби-
вались также регулировки цветовой насыщенности, так как амплиту-
да 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 преобразова-
ний получают сигналы и Е'в_у(а не D' R и D'B, которые переда-
вались на поднесущей). С этой целью АЧХ детектора в канале R—Y
придается противоположный наклон по отношению к АЧХ детектора
в канале В—Y (так как D'R— —l,9E'R_Y). Соответственно коэффици-
ентам компрессии подобраны и размахи сигналов цветности на входах
частотных детекторов. В большинстве частотных детекторов исполь-
зуются колебательные контуры. Их настраивают на номинальные
значения двух поднесущих частот.
После детектирования цветоразностные сигналы подвергаются
низкочастотной коррекции, повышающей отношение сигнал/шум.
Амплитудно-частотные характеристики корректоров обратны АЧХ
цепей НЧ предыскажений (см.рис.12.17). Часто с НЧ корректором
совмещают цепь подавления поднесущей частоты, присутствующей
на выходе частотного детектора. Эта цепь представляет собой ФНЧ
со срезом FB = 2 МГц.
Наконец, с помощью матрицы G—Y из цветоразностных сигналов
E'R_Y и E'b-y формируется сигнал E'C_Y.
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 достигает-
ся с помощью устройства цветовой синхронизации. Из большого мно-
гообразия вариантов его построения в качестве примера рассмотрим
функциональную схему рис.12.33. Цветоразностные сигналы с выхо-
дов каналов R—Y и В—Y складываются в матрице, состоящей из двух
резисторов. Так как сигналы цветовой синхронизации и SB разно-
полярны (см.рис.12.27), а АЧХ частотных детекторов имеют разный
289
Рис. 12.33. Формирование корректирующего импульса цветовой синхронизации:
а — функциональная схема устройства цветовой сиихроиизации; б — сигнал Sfi м SB на входах устройства; в —
импульсы иа интегрирующей емкости
знак наклона, то на выходах каналов сигналы SR и SB будут иметь
одинаковую полярность. Если коммутатор сфазирован правильно, то
полярность отрицательная, если неправильно, — положительная.
Включенный в среднюю точку матрицы интегрирующий конденсатор
образует одиночный импульс отрицательной или положительной по-
лярности. Этот импульс или подтвердит правильность работы генера-
тора коммутирующих импульсов, илн скорректирует его, сменив фазу
двух меандров, подаваемых на коммутатор. Ключом К на устройство
цветовой синхронизации пропускаются только импульсы сигнала
цветовой синхронизации. Для этого он открывается импульсами час-
тоты полей с 7-й по 15-ю и с 320-й по 328-ю строки. Рассмотренная
схема достаточно помехоустойчива, поскольку импульсные помехи на
выходе матрицы вычитаются, а флуктуационные ослабляются путем
интегрирования.
Устройство цветовой синхронизации служит также для того, чтобы
выключать канал цветности, если передается сигнал черно-белого
или цветного телевидения, но другой системы. В схеме рис.12.32 вы-
ключение производится подачей запирающего напряжения на ампли-
тудные ограничители. Выключение канала цветности в указанных
обстоятельствах является необходимым, поскольку в противном
290
Рис. 12.34. Амплитудно-частот-
ная характеристика режектор-
ного фильтра
К.дб
4,071 Ч.М
; ”...w
случае на экране наблюдаются помехи импульсного и шумового ха-
рактера.
Рассмотренный метод цветовой синхронизации, называемой кад-.
ровой, не является современным. Рекомендациями МККР предусмот-
рено исключение сигналов кадровой цветовой синхронизации SB и SB
с тем, чтобы освободить соответствующие интервалы кадрового гася-
щего импульса для передачи дополнительной информации, например
телетекста (см.гл.22). Для цветовой синхронизации в этом случае мо-
гут быть использованы защитные цветовые вспышки (рис.12.31 и
12.30,д). Последние в строках D'K и D'B отличаются по частоте. Путем
использования частотного дискриминатора, настроенного на ту или
иную частоту, получают с частотой строк импульсы, несущие инфор-
мацию о том, какая строка передается — красная или синяя. Этот
метод получил название строчной, цветовой синхронизации.
Канал яркости содержит в себе широкополосную линию задержки
на0,4...0,7 мкс для выравнивания времени распространения 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. Действительно, из-за нелиней-
ности модуляционной характеристики кинескопа неподавленные ко-
лебания поднесущей детектируются, вызывая подсветку изображе-
ния. Амплитуда поднесущей в строках D'R и D'B принципиально
различна. В связи с этим возникает разнояркость, заметно ухудшаю-
щая изображение. 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 голу-
бого цветов, для которых из-за ВЧ предкоррекции амплитуды подне-
сущих достигают максимального значения..
Для того чтобы режекция не ухудшила четкость изображения при
передаче черно-белых программ, она отключается с помощью управ-
ляющего напряжения с устройства цветовой синхронизации.
291
12.2.5. Эксплуатационные характеристики системы 115; 33]
Основные преимущества системы SECAM вытекают из ее принци-
па последовательной передачи цветоразностных сигналов и примене-
ния частотной модуляции. Они позволяют теоретически полностью
исключить перекрестные искажения между этими сигналами, в то
время как в системе NTSC искажения типа ’’дифференциальная фа-
за” или ограничение частотного спектра цветового сигнала могут при-
водить к сильным перекрестным искажениям, заметным в изображе-
нии. Это преимущество системы SECAM не всегда эффективно
реализуется на практике. Несовершенство электронного коммутато-
ра сигналов цветности в декодирующем устройстве может приводить
к ощутимому взаимному проникновению сигналов в каналах R—Y и
B—Y.
Система SECAM практически нечувствительна к дифференциаль-
но-фазовым искажениям сигнала цветности. Если для системы NTSC
предельным значением дифференциально-фазовых сдвигов является
10 ...12°, то для системы SECAM эти значения могут в несколько раз
превышены, за исключением передачи цветовых переходов с больши-
ми 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
частотной модуляции значительно меньшую чувствительность к изме-
нению амплитуды сигнала цветности, вызываемому неравномерно-
стью АЧХ тракта (в системе NJSC это приводит к искажению насы-
щенности). По той же причине система SECAM лучше защищена от
дифференциально-амплитудных искажений и непостоянства скоро-
сти магнитной ленты в видеомагнитофонах.
Наряду с этими весьма важными достоинствами системе SECAM
присущ ряд недостатков. Если при благоприятных условиях приема
помехоустойчивость систем SECAM и NTSC к флуктуационным шу-
мам примерно одинакова, то при отношении размаха сигнала к шуму
18 дБ и менее качество цветного изображения в системе SECAM
заметно ухудшается. Проявляется так называемый пороговый эф-
фект частотной модуляции, когда помеха ’’захватывает” частотный
детектор, т.е. обусловливает непропорционально большую паразит-
ную девиацию частоты. При этом спектр шумов преобразуется таким
образом, что максимум их спектральной плотности приходится на
низкие частоты, вызывая на изображении более заметную крупно-
структурную помеху.
Система SECAM, несмотря на значительно меньший, чем в NTSC,
размах сигнала цветности, обладает худшей совместимостью. В чер-
но-белых телевизорах, где отсутствует режекция поднесущей, ее ри-
сунок более заметен, особенно на вертикальных границах между цве-
тами.
В системе SECAM сильнее проявляются перекрестные искажения
между каналами яркости и цветности, тем более что качественное
292
разделение сигналов яркости и цветности затруднено из-за частотной
модуляции. Искажения ’’цветность-яркость”, как отмечалось, прояв-
ляются в виде разнояркости строк, причем на гладких полях изобра-
жения эта разнояркая структура как бы плывет по вертикали. Иногда
заметны такие муары, образуемые за счет биений точечного рисунка
поднесущей со структурой точечного растра масочной трубки. Еще
более заметными могут быть искажения ’’яркость-цветность”. Не-
смотря на применение в кодирующем устройстве корректора пере-
крестных 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 совершенно
неудовлетворительным. Поэтому в системе SECAM с большой осто-
рожностью применяют апертурную коррекцию, а также не допускают
превышения первичными сигналами уровня белого, так как при пре-
вышении уровня белого происходит ограничение размаха Поднесу-
щей, что усугубляет указанные явления.
Уже отмечалось, что низкочастотная предкоррекция в совокупно-
сти с последующим ограничением приводит в системе SECAM к затя-
гиванию вертикальных цветовых переходов, уменьшая таким образом
горизонтальную цветовую четкость. Это явление проявляется только
на цветах с большой насыщенностью, что на практике, к счастью,
встречается не так часто.
Принцип поочередной передачи цветов в системе SECAM с после-
дующим одновременным использованием сигналов двух последова-
тельно передаваемых строк существенно ухудшает и вертикальную
цветовую четкость. Однако такое уменьшение четкости оказывается
практически незаметным. К гораздо худшим последствиям этот прин-
цип передачи сигналов приводит при воспроизведении горизонталь-
ных границ между двумя насыщенными цветами. В этом случае пер-
вая за границей цветового перехода строка воспроизводится как
комбинация сигналов, соответствующих разным цветам по обе сторо-
ны от перехода. Эта строка воспроизводится в некоем третьем, иска-
женном цвете. С цветовыми искажениями воспроизведется н сосед-
няя строка из второго поля. Это увеличивает длительность перехода,
но самое главное, из-за нечетности строк в растре в следующем кадре,
когда расположение красных и синих строк меняется местами, изме-
няется и цвет перехода. Это изменение происходит с частотой 12,5 Гц
и воспринимается как очень заметное дрожание по вертикали гори-
зонтальных цветовых переходов на высоту двух строк.
Наконец, следует отметить возможные характерные искажения
изображения в системе SECAM из-за неточности линии задержки на
длительность строки. Хотя эти искажения не являются принципиаль-
ными, а возникают лишь вследствие несовершенства аппаратуры, они
все же являются достаточно специфичными: на вертикальных грани-
цах цветовых переходов возникает зубчатость. Толщина зубцов, отли-
293
чающихся по цвету от обоих цветов перехода, равна двум строкам.
Длина 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). Учи-
тывая возможную эксплуатационную нестабильность ультразвуко-
вой линии, требования к неточности задержки делают более жесткими
(Лт=±30 нс).
Несмотря на перечисленные недостатки здесь, при благоприятных усло-
виях приема (сигнал/шум 18 дБ) для большинства сюжетов система
SECAM обеспечивает весьма высокое качество изображения, не усту-
пающее системам NTSC и PAL.
12.3. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ PAL
Система PAL была разработана немецкой фирмой Telefunken и
принята в 1966 г. в качестве стандарта в большинстве стран Западной
Европы (Германия, Великобритания, Швеция, Австрия, Норвегия,
Бельгия, Дания, Испания, Италия и др.). В настоящее время система
PAL является самой распространенной в мире системой цветного
телевидения. Ее используют, помимо европейских государств, в боль-
шинстве стран Африки, Азии, Австралии, в некоторых странах Юж-
ной Америки. Название системы представляет собой аббревиатуру из
начальных букв английской фразы ’’Phase Alternation Line” (чередо-
вание 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 теле-
видения, а передача этих сигналов производится так же, как и в NTSC,
путем квадратурной балансной амплитудной модуляции поднесущей
частоты, расположенной в спектре яркостного сигнала. Отличие от
системы NTSC заключается в том, что фаза одной из квадратурных
составляющих сигнала цветности меняется от строки к строке на 180°.
Это позволило устранить основной недостаток системы NTSC — чувст-
вительность к дифференциально-фазовым искажениям, а также
получить еще ряд важных преимуществ.
На рис.12.л5 показан способ формирования сигнала цветности в
системе PAL. Так же как и в системе NTSC, он образуется из двух
квадратурных составляющих UR_Y и UB_Y. Однако одна из этих со-
ставляющих, UR_Yc началом каждой следующей строки меняет фазу
на 180°. Результирующие векторы сигнала цветности Us и U$ оказы-
ваются в соседних строках комплексно-сопряженными. Чтобы пра-
вильно декодировать такую последовательность сигналов, в прием-
ном устройстве, в синхронном детекторе сигнала E'R_Y необходимо с
такой же периодичностью, что и иа передающем конце, коммутиро-
вать на 180° фазу опорного генератора поднесущей частоты. Действи-
294
(п-1)-я строка п-я строка (тг)-я строка (п*2)-я строка
Рис. 12.35. Коммутация фазы поднесущей при передаче сигнала цветности в система
PAL
тельно, если такой коммутации не делать, то на выходе детектора
сигнал E'r_y будет от строки к строке менять свою полярность. Ком-
мутация фазы опорного генератора в синхронном детекторе R—Y
эквивалентна обратному превращению векторов U и в их исход-
ные комплексно-сопряженные с ними векторы U₽_y и Us соответст-
венно. Условия работы синхронного детектора В—Y не отличаются
от его работы в системе NTSC.
Выясним, как при такой процедуре коммутации фазы сказывают-
ся дифференциально-фазовые искажения, возникающие в тракте пе-
редачи сигнала цветности. Рассмотрим для примера передачу изо-
бражения ровного поля пурпурного цвета. На рис. 12.36,а иа цветовой
диаграмме в осях R—Y/B—Y отмечены некоторые характерные цве-
та и вектор Us , соответствующий передаче пурпурного цвета. В обоз-
начении вектора определена его принадлежность л-й строке. В соот-
ветствии с принципом передачи сигналов в системе PAL в (л+1)-й
строке будет передаваться вектор Uj(n + 1), комплексно-сопряжен-
ный с вектором Us . Если в тракте возникнут дифференциально-фа-
зовые искажения, то независимо от их причин векторы USn и
US(n +1) изменят свое положение по отношению к исходным на одну и
ту же величину А<р(рис.12.36,6). На рисунке фазовая ошибка сместила
оба вектора против часовой стрелки (штриховыми линиями показаны
неискаженные векторы). В приемном устройстве коммутация фазы
опорного генератора поднесущей в канале R—Y превратит вектор
и^п + 1) в сопряженный с ним вектор US(n+1) (рис. 12.36,в). Для ана-.
лиза возникших в процессе передачи искажений совместим векторы
Us„ и US(n + ^на одном графике (рис. 12.36,г). Из него видно, что сосед-
ние л-я и (л-|-1)-я строки искажены по-разному. Цвет л-й строки сме-
стился в сторону красного, а цвет (л-|-1)-й строки — в сторону
синего цвета. Неискаженный цвет (в нашем примере пурпурный) со-
ответствует среднему между векторами LSn и US(n+1) положению.
Таким образом, усреднение двух этих векторных величин позволило
бы скомпенсировать возникшие в процессе передачи фазовые иска-
жения. Наиболее простым способом усреднения может явиться ус-
реднение ощущений самим зрительным аппаратом. Благодаря близо-
сти расположения друг к другу л-й и (л-(-1)-й строк работает
295
Рис. 12.36. Компенсация дифференциально-фазовых искажений в система PAL:
а — цветовая диаграмма; б — фазовая ошибка при передаче сигнала; в — сигналы в приемнике после ком му та
цнн фазы опорного колебании; г — совмещение сигналов двух смежных строк
механизм пространственного сложения цветов. Разные из-за искаже-
ний цветовые оттенки двух соседних строк складываются, вызывая
ощущение среднего между ними цвета, компенсируя таким образом
искажения.
Рассмотренный способ зрительной компенсации искажений реа-
лизуется в так называемом ’’простом” приемнике PAL (Simple PAL
или PALS). Этот приемник практически ничем не отличается от при-
емника NTSC, кроме добавленного в устройство синхронного детекто-
ра R—Y коммутатора фазы опорного генератора. Изображение в
приемнике PALS оказывается вполне удовлетворительным, если фа-
зовые ошибки Аф не превышают 25°. (Напомним, что в системе NTSC
ошибка не должна быть больше 5°.) При больших значениях ошибки
интегрирующего действия глаза уже оказывается недостаточно, по-
является заметное различие цветности соседних строк поля, особенно
иа желтом, голубом и синем цветах(эффект ’’жалюзи”). Нелинейность
модуляционных характеристик кинескопа усугубляет этот эффект.
Поэтому способ зрительной компенсации фазовых искажений в сис-
теме PAL не нашел распространения.
Лучшие результаты позволяет получить электрическое сложение
векторов цветности Us„ и US(n +|( двух соседних строк поля(рис.12.37).
Геометрическая сумма (точнее, полусумма) этих векторов соответ-
ствует на цветовой диаграмме положению неискаженного цвета.
296
Заметим, скомпенсированными оказываются искажения только цве-
тового тона, поскольку длина результирующего вектора US1 зависит
от величины фазовой ошибки Дф. Из рисунка видно, что с увеличением
ошибки (Дф2>Дф1) длина суммарного вектора уменьшается
(USI2 < USI1). Это уменьшение пропорционально соэЛф. Поскольку
длина вектора определяет насыщенность передаваемого цвета, мож-
но сделать вывод о том, что в системе PAL искажения цветового тона
из-за фазовых ошибок трансформируются в изменение насыщенно-
сти, которые менее заметны. Так, если порог заметности по цветовому
тону соответствует угловому сдвигу на цветовой диаграмме ф =
=5... 10°, то порог по насыщенности равен примерно 20 %, что соответ-
ствует углу Дф = 37°.
Механизм компенсации фазовыхошибок в системе PAL устраняет
не только дифференциально-фазовые искажения (главное, для чего
первоначально он был разработан). Таким же образом уменьшается
влияние на качество изображения точности восстановления поднесу
щей опорным генератором в приемнике. Ошибка Дф в фазе колебаний
опорного генератора эквивалентна повороту осей цветового графика
относительно передаваемых векторов цветности USn и US(n + на тот
же угол Дф. А это, как было показано, компенсируется путем усред-
нения этих векторов.
Способ усреднения, основанный на суммировании, предполагает
одновременное присутствие сигналов двух последовательно переда-
ваемых строк. Поэтому приемное устройство PAL должно включать
блок задержки сигнала на длительность одной строки. Если на его
вход в данный момент поступает сигнал (л-|-1)-й строки, то одновре-
менно на его выходе присутствует сигнал предшествующей л-й стро
ки Подавая эти сигналы на сумматор, можно получить желаемую
компенсацию искажений. Однако в декодере PAL часто используют
несколько иную схему (рис.12.38), содержащую не один, а два сумма-
тора. Такая схема позволяет не только проводить усреднение сигна-
Рис. 12.37. Компенсация цве-
товых искажений путем сло-
жения сигналов соседних
строк
Рис 12.38. Блок задержки сигнала в системе PAL
297
N‘строки
a)
№ строки.
б)
В)
№ строки
^В-У
п-1
&в-у
’' й'ы
2йвг
иЦу
п
Or-у
П*2
Or-у
I йв-у
П»1
К
’ ' Or-у
™В-У
Or-У
___Or-y
П'З
гл
Wr-У
йв-у
п*3 пгр п*5
Ug-r
Or-y
Щ-у
й;.г
Ой-у
'^г
йв-у
Or-Y
-2Ur.y
Or-y
UB-y
ь
<-r
Рис. 12.39. К работе блока задержки сигнала в системе PAL
лов двух строк, но и разделять между собой две квадратурные состав-
ляющие сигнала цветности. Это разделение оказывается более эф-
фективным, чем разделение в синхронных детекторах (как это дела-
ется в системе NTSC), а значит, возникновение перекрестных
искажений между сигналами E'R_Y и E'B_Y менее вероятно. Изобра-
женный на рис.12.38 блок задержки PAL иногда называют демодуля-
тором с линией задержки. На рис.12.39 показана последовательность
сигналов цветности, поступающая на вход блока задержки PAL (точ-
ка А, рис.12.38). В точке Б эта последовательность сигналов задержа-
на на один строчный интервал. Сложение сигналов в сумматоре 1 этих
двух последовательностей приводит к компенсации квадратурной со-
ставляющей UR_Y. С выхода сумматора (точка В) снимается удвоен-
ная амплитуда сигнала UB_Y.
Второй сумматор выполняет функции вычитания прямого сигнала
из задержанного. Для этого в прямом сигнале предварительно изме-
няется полярность в инверторе, и он поступает на сумматор 2 со
знаком минус (точка Г). В результате операции вычитания на выходе
этого сумматора (точка Д) будет отсутствовать составляющая UB_Y и
останется только последовательность чередующихся сопряженных
векторов UR_Y, U*R_Y- Амплитуда их также будет удвоенной. Квадра-
турные составляющие UR_Y и UB _г оказываются полностью разде-
ленными еще до синхронного детектирования.
298
12.3.2. Структурная схема кодирующего устройства
Основные параметры системы PAL. В системе PAL передаются
яркостный сигнал E'Y и два цветоразностных сигнала U и V. Сигналы
U и V равны цветоразностным сигналам E'B_Y и E'R r, уменьшенным
на коэффициенты компрессии:
U = 0,493Е'в /,1
V = 0,877E\_J (12.15)
Назначение и величины коэффициентов компрессии такие же, как
и в системе NTSC.
Формирование сигналов E'r, U и V производится в матрицирую
щем устройстве (рис. 12.40). Полосы частот видеосигналов U и V огра-
ничиваются ФНЧ до 1,3 МГц на уровне —2 дБ. В сумматорах / и 2
цветоразностные сигналы смешиваются с импульсами, формирую-
щими цветовую вспышку, и поступают на два балансных модулятора,
которые работают в квадратуре, т.е. сдвиг между колебаниями под-
несущей частоты в обоих модуляторах составляет 90°. Этот сдвиг
обеспечивается фазовращателем 90°, включенным в цепь балансного
модулятора составляющей uv. Смена фазы этой составляющей через
строку осуществляется коммутатором, соединяющим модулятор или
непосредственно с фазовращателем 90°, или с дополнительным ин-
вертором на 180°. Коммутация обеспечивается с помощью генератора
коммутирующих импульсов, синхронизируемого с частотой строк.
Квадратурные составляющие ии и uv, складываясь в сумматоре 3,
образуют сигнал цветности us, который вместе с сигналами яркости и
синхронизации приемника представляет собой полный цветовой (ком-
Рис. 12.40. Структурная схема кодирующего устройства системы PAL
299
позитный) сигнал ип. Линия задержки в тракте яркостного сигнала
имеет то же назначение, что и в системах NTSC илн SECAM.
Генератор поднесущей является высокостабильным устройством
с кварцевой стабилизацией частоты, значение которой /s=4,43361875
МГц. Так же как и в системе NTSC, обеспечивается жесткая связь
между частотой поднесущей и частотами разверток. Однако выбор
самого значения поднесущей в системе PAL имеет свои особенности.
Прежде всего они связаны с коммутацией фазы сигнала uv(каж-
дую строку на 180°). Такая коммутация делает невозможным выбор
поднесущей, равной нечетной гармонике полустрочной частоты (12.3).
В этом случае нечетность полупериодов поднесущего колебания в
строчном интервале плюс коммутация фазы на 180° обусловили бы
совпадение по фазе сигнала uv во всех строках изображения. А это
привело бы к увеличению заметности поднесущей на изображении в
виде вертикальной линейчатой структуры. В свою очередь, нельзя
выбрать значение поднесущей, кратной строчной частоте, так как
составляющая ии, передаваемая без коммутации фазы, создает та-
кую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение.
Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечетной гармоники чет-
вертьстрочной частоты [г и частоты кадров fn:
Л=1135/г/4+/кадр. (12.16)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как
/5=(283-|-3/4)/г, что определяет размещение в строчном интервале
284 периодов поднесущей без одной четверти. Таким образом, в систе-
ме PAL реализуют в отличие от системы NTSC не полустрочный сдвиг,
а так называемый четвертьстрочный сдвиг гармоник сигнала цветно-
сти относительно гармоник строчной частоты (рис.12.41). Слагаемые
кадровой частоты /кадр в(12.16)обусловливают дополнительную смену
полярности поднесущей в каждом поле на 180°. Эксперименты пока-
зали, что такой выбор поднесущей обеспечил высокое качество совме-
стимости системы PAL.
Показанная на рис. 12.41,6 структура спектра цветового сигнала в
системе PAL отличается от спектра сигнала в системе NTSC прибли-
жением гармоник цветности к гармоникам яркостного сигнала (ин-
тервал между ними составляет 1 /4/J. Это несколько усложняет, но не
исключает возможности гребенчатой фильтрации при разделении
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
300
Рис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:
а — с полустрочиым сдвигом в системе NTSC; б — с четвертъстрочиым сдвигом в системе PAL; Y — гармоники
яркостного сигнала; И — гармоники сигнала цветности
информацию о том, в какой фазе (90° или 270°) передается в данной
строке составляющая uv. Эта информация кодируется изменением
фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала uv, совпа-
дающего по фазе с положительным направлением оси R—Y, фаза
цветовой вспышки делается равной 135° (рис. 12.42,а). В следующей
строке сигнал uv меняет свою фазу на 180°; соответственно изменяет-
ся фаза вспышки (—135°) (рис.12.42,б).
Формирование цветовой вспышки в кодирующем устройстве сво-
дится к замешиванию в сигналы U и V прямоугольных импульсов
отрицательной и положительной полярности соответственно. Этими
а)
Рис. 12.42. Сигналы цветовой синхронизации на векторной диаграмме:
а — a-я строка; б — (л+ 1>-я строка
301
позитный) сигнал ип. Линия 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, значение которой /s=4,43361875
МГц. Так же как и в системе NTSC, обеспечивается жесткая связь
между частотой поднесущей и частотами разверток. Одиако выбор
самого значения поднесущей в системе PAL имеет свои особенности.
Прежде всего они связаны с коммутацией фазы сигнала uv (каж-
дую строку на 180°). Такая коммутация делает невозможным выбор
поднесущей, равной нечетной гармонике полустрочной частоты (12.3).
В этом случае нечетность полу периодов поднесущего колебания в
строчном интервале плюс коммутация фазы на 180° обусловили бы
совпадение по фазе сигнала uv во всех строках изображения. А это
привело бы к увеличению заметности поднесущей на изображении в
виде вертикальной линейчатой структуры. В свою очередь, нельзя
выбрать значение поднесущей, кратной строчной частоте, так как
составляющая ии, передаваемая без коммутации фазы, создает та-
кую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение.
Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечетной гармоники чет-
вертьстрочной частоты fz и частоты кадров
/s= 1135/г/44-/кадр. (12.16)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как
/s=(283-|-3/4)/2, что определяет размещение в строчном интервале
284 периодов поднесущей без одной четверти. Таким образом, в систе-
ме PAL реализуют в отличие от системы NTSC ие полустрочный сдвиг,
а так называемый четвертьстрочный сдвиг гармоник сигнала цветно-
сти относительно гармоник строчной частоты (рис. 12.41). Слагаемые
кадровой частоты /кадр в (12.16) обусловливают дополнительную смену
полярности поднесущей в каждом поле на 180°. Эксперименты пока-
зали, что такой выбор поднесущей обеспечил высокое качество совме-
стимости системы PAL.
Показанная на рис. 12.41,6 структура спектра цветового сигнала в
системе PAL отличается от спектра сигнала в системе NTSC прибли-
жением гармоник цветности к гармоникам яркостного сигнала (ин-
тервал между ними составляет 1 /4/г). Это несколько усложняет, но не
исключает возможности гребенчатой фильтрации при разделении
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
300
Рис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:
а — с пол у строчным сдвигом в системе NTSC; б — с четвертьстрочным сдвигом в системе PAL; Y — гврмоннки
яркостного сиги вл а; Ц — гармоники сигнала цветности
информацию о том, в какой фазе (90° или 270°) передается в данной
строке составляющая uv. Эта информация кодируется изменением
фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала uv, совпа-
дающего по фазе с положительным направлением оси R—Y, фаза
цветовой вспышки делается равной 135° (рис.12.42,а). В следующей
строке сигнал uv меняет свою фазу на 180°; соответственно изменяет-
ся фаза вспышки (—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. Этими
Рнс. 12.42. Сигналы цветовой синхронизации иа векторной диаграмме:
а — я-я строке; б — («+1 )-и строке
301
fs S,0 f,Mru
4,43
Phc. 12.43. Сгнктр полного цве-
тового сигнала в системе PAL
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 направлением
оси В—Y (180°), другая — с положительным или отрицательным на-
правлением оси R—Y (90 или 270°). Результирующий вектор цветовой
вспышки при равных по амплитуде импульсах будет иметь фазу
4-135°.
В заключение отметим, что в наиболее распространенном европей-
ском стандарте системы PAL полный цветовой сигнал ограничивает-
ся по полосе в пределах О...5МГц(рис. 12.43). При указанном значении
поднесущей частоты верхние боковые колебания сигнала цветности
для обеих квадратурных составляющих ии и uv оказываются несим-
метрично подавленными. В системе NTSC такое ограничение двух
квадратурных сигналов привело бы в приемном устройстве к перекре-
стным искажениям между ними. В системе PAL принцип построчной
коммутации сигнала делает эти искажения минимальными, практи-
чески 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 широко распространенного варианта, в котором используется
рассмотренный в разд. 12.3.1 блок задержки. Этот канал получил на-
звание PALd (от слова delay - задержка).
Полный цветовой сигнал ип разделяется с помощью режекторного
и полосового фильтров на два сигнала: яркости E'Y и цветности us.
Фильтры настроены на частоту цветовой поднесущей fs = 4,43 МГц.
Канал яркостного сигнала практически ничем не отличается от соот-
ветствующих каналов в декодерах NTSC и SECAM. Сигнал цветности,
прежде чем поступить иа блок задержки, подвергается автоматиче-
ской регулировке усиления (АРУ), производимой по амплитуде цве-
товой вспышки. Последняя выделяется из полного сигнала клапанной
схемой Кл с помощью стробирующих импульсов, формируемых из
импульсов строчной синхронизации. Блок задержки, содержащий
ультразвуковую линию задержки (УЛЗ), инвертор иа 180° и два сум-
матора, был рассмотрен ранее.
Однако следует отметить некоторые дополнительные особенности
его работы. В частности, необходимо уточнить время задержки УЛЗ.
302
Рнс. 12.44 Декодирующее устройство системы PAL
Принцип действия системы PAL предполагает время задержки рав-
ным длительности строчного интервала, т.е. 64 мкс. Однако для пра-
вильной работы сумматоров необходимо еще учитывать фазовые со-
отношения прямого и задержанного сигналов. А они таковы, что сдвиг
по фазе между этими сигналами в соответствии с выбором поднесу-
щей частоты составляет четверть периода поднесущего колебания
(12.16). При таких условиях в сумматорах не произойдет разделения
квадратурных составляющих ии и uv. Для правильного функциониро-
вания сумматоров необходимо, чтобы прямой и задержанный сигна-
лы находились либо в фазе, либо в противофазе. Только тогда сложе-
нием или вычитанием компенсируется одна из квадратурных
составляющих, и сигналы разделяются. Достичь этого можно, если
задержка будет составлять целое число полупериодов поднесущей
частоты. Ближайшими к длительности строчного интервала являют-
ся значения задержки т = 5687^/2 или т = 5KJTJ2, где Ts— период
поднесущей частоты. Было выбрано второе значение, и УЛЗ системы
PAL изготовляют с задержкой
т = 5677"s/2 = 63,94325 мкс. (12.17)
Отличие величины задержки от длительности строки оказывается
очень небольшим, примерно 57 нс, и не приводит к появлению упоми-
наемых ранее искажений в виде зазубренности вертикальных цвето-
вых переходов. Напомним, что подобные искажения становятся за-
метными, если рассовмещение прямого и задержанного сигналов
303
будет превышать размеры одного элемента изображения (80 нс). Тре-
бование к погрешности задержки составляет в УЛЗ PAL около 5 нс,
что позволяет использовать эту линию в декодерах SECAM.
Выбор величины задержки в системе PAL, равной нечетному чис-
лу полупериодов поднесущей, обусловливает противофазность сигна-
ла ии в двух соседних строках и соответственно синфазность сигнала
uv. Поэтому в структурной схеме рис. 12.44 инвертор на 180° перенесен
из канала uv в канал «„(для сравнения см. рис.12.38).
Разделенные в блоке задержки сигналы uv и ии подаются на входы
двух синхронных детекторов, осуществляющих демодуляцию цвето-
разностных сигналов Е'R_y и Е'B_Y.
Необходимые для работы синронных детекторов опорные колеба-
ния поднесущей вырабатываются генератором fs, частота и фаза ко-
торого управляются сигналом цветовой синхронизации (цветовой
вспышкой). Управляющий сигнал вырабатывается в устройстве фа-
зовой автоподстройки частоты, содержащем кроме генератора fs фа-
зовый детектор (ФД) и ФНЧ. Колебания генератора сравниваются по
частоте и фазе с колебаниями цветовой вспышки в ФД. Генератор
вырабатывает колебания, фаза которых совпадает с положительным
направлением оси R—Y (90°). При этом на выходе ФД вырабатыва-
ются симметричные разнополярные импульсы, соответствующие че-
редованию фазы вспышки ±135°. Напряжение на выходе ФНЧ, выде-
ляющего постоянную составляющую из этих импульсов, будет равно
в этом случае нулю. Если фаза колебаний генератора fs не совпадет с
осью R—У, амплитуды импульсов на выходе ФД не будут равны, и
ФНЧ выработает управляющее напряжение, которое подстроит фазу
генератора. Сдвиг фазы генератора на —90° обеспечит опорное коле-
бание для синхронного детектора В—Y. На этот детектор подается
поднесущая, у которой фаза коммутируется через строку (90/270°).
Коммутатор фазы в приемном устройстве должен работать син-
фазно с коммутацией сигнала uv на передающем конце системы. Для
этого генератор коммутирующих импульсов управляется устройст-
вом цветовой синхронизации. В этом устройстве в качестве признака
того, какой в данный момент времени передается сигнал (С/Гили 1/^.),
передаются разнополярные импульсы с выхода ФД.
Кроме того, устройство цветовой синхронизации закрывает канал
цветности и выключает режекцию в яркостном канале, если переда-
ется черно-белая программа или принимается сигнал другой веща-
тельной системы.
12.3.4. Эксплуатационные характеристики системы
Система PAL, в основе которой лежит передача цветоразностных
сигналов путем квадратурной балансной амплитудной модуляции,
обладает теми же достоинствами, что и система NTSC: хорошая со-
вместимость, эффективность разделения сигналов яркости и цветно-
сти, высокая помехоустойчивость к флуктуационным шумам и др.
(см.разд.12.1.6). Наряду с этим принцип коммутации фазы одной из
304
квадратурных составляющих и применение блока задержки в декоди-
рующем устройстве позволяют получить еще ряд преимуществ. Ос-
новным из них следует считать малую чувствительность системы к
фазовым искажениям сигнала цветности. Для рассмотренного в
разд. 12.3.3 декодера PAL с задержкой допускается ошибка в фазе 40°.
В некоторых вариантах декодеров PAL этот допуск еще больше.
Важным достоинством следует также считать возможность рабо-
ты системы с частично подавленной верхней боковой обеих квадра-
турных составляющих сигнала цветности. Такие условия работы со-
ответствуют стандартам большинства стран, где разнос несущих
звука и изображения составляет 5,5 МГц. Напомним, что в системе
NTSC один из сигналов обязательно должен иметь симметричные
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 NTSC, и тем более SECAM, подавля-
ются составляющие яркостного сигнала, создающие перекрестные
помехи в канале цветности.
Использование задержанного сигнала в системе PAL не приводит,
как в системе SECAM, к мерцанию границ на горизонтальных цвето-
вых переходах, поскольку в системе PAL усредняются цветности двух
соседних строк, а не их отдельные цветоразностные составляющие.
Для системы PAL не характерна, как для системы SECAM, разнояр-
кость строк и их мерцание. Приемник PAL менее чувствителен к эхо-
сигналам.
К недостаткам системы PAL можно отнести несколько большую
сложность приемника по сравнению с системой NTSC (наличие блока
задержки) и уменьшение цветовой четкости по вертикали.
305
IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
ГЛАВА 13
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ЦЕНТРЫ
13.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМАТЕЛЕВИЗИОННОГО ЦЕНТРА
Телевизионный центр (ТЦ) представляет собой комплекс радио-
технических средств, помещений и служб, предназначенных для со-
здания программ и проведения телевизионного вещания.
По назначению ТЦ делятся на программные и ретрансляционные.
Программные ТЦ располагают собственными студиями и другими
источниками ТВ программ. Они предназначаются для создания и
передачи собственных телевизионных программ как по своей телеви-
зионной сети, так и на другие ТЦ, трансляции программ других ТЦ,
консервации программ путем их записи на магнитную ленту или ки-
нопленку, для передачи телевизионных фильмов. Основной ’’продук-
цией” ТЦ является полный цветовой телевизионный сигнал. Парамет-
ры сигнала регламентируются ГОСТ. Сигналы по специальным
местным, междугородным наземным и космическим линиям связи
поступают на радиопередающие станции и другие ТЦ.
Ретрансляционные центры собственной программы не создают, а
служат для ретрансляции программ, получаемых по космическим,
радиорелейным или кабельным линиям связи. К этой группе также
относятся маломощные телевизионные ретрансляторы, предназна-
ченные для расширения зоны уверенного приема.
Структурная схема ТЦ строится так, чтобы решить перечисленные
задачи (рис.13.1). В ее состав, как правило, входят: аппаратно-студий-
ные блоки АСБ, аппаратно-программные блоки (АПБ), аппаратные
магнитной видеозаписи (АМВ), телекинопроекционные аппаратные,
блоки записи программ, междугородная аппаратная внешних про-
грамм, блок внестудийного вещания, центральная аппаратная. Кроме
того, на ТЦ имеются служба технического контроля, ремонтная служба,
фильмо- и фонотека, просмотровые и репетиционные залы, гримерные и
артистические, декоративно-художественное производство, электроси-
ловой цех и другие вспомогательные службы.
Основным технологическим звеном современного программного
ТЦ является АСБ, обеспечивающий подготовку передач, а иа ряде ТЦ
и выдачу программы в эфир (рис.13.2). Аппаратно-студийный блок
содержит почти все виды датчиков ТВ сигнала: студийные телевизи-
306
Рис. 13.1 Обобщенная структурная схема телевизионного центра
Рис. 13.2. Структурная схема аппаратно-студийного блока
307
онные камеры (КТ) и кинопередающие камеры с соответствующими
камерными каналами, диапроекторы и эпипроекторы, датчики уни-
версальных электронных испытательных таблиц (УЭИТ). Эти источ-
ники ТВ сигналов и соответствующая аппаратура управления, конт-
роля и синхронизации, а также звуковое, осветительное и прочее
оборудование размещены в ТВ студии, телекинопроекционной, ре-
жиссерской и технической аппаратных.
Студии АСБ оснащены четырьмя — шестью телевизионными ка-
мерами КТ с соответствующими камерными каналами. Кроме собст-
венных датчиков сигналов в АСБ из центральной аппаратной (АЦ)
могут быть предоставлены несколько ’’внешних” источников телеви-
зионных сигналов. Видеомагнитофоны (ВМ), как правило, сосредото-
чены в специализированном блоке записи программ В этом блоке
имеется несколько типов аппаратных с разным числом ВМдлязаписи
и воспроизведения магнитофильмов, для перезаписи, записи с элект-
ронным монтажом и тиражирования.
Весьма важной автономной производственной единицей телецен-
тра является АПБ, предназначенный для формирования программы
вещания в целом из отдельных, в основном заранее подготовленных
фрагментов и трансляции этой программы на радиопередающую
станцию или междугородную аппаратную внешних программ. Аппа-
ратно-программный блок, так же как и АСБ, оснащен, как правило,
всеми видами датчиков телевизионных сигналов, включая ВМ. Он
организуется на базе небольшой студии для актуальных ’’живых”
передач — объявлений диктора, интервью и т.д.
Блок внестудийного вещания имеет в своем составе передвижные
телевизионные станции (ПТС), передвижные видеозаписывающие
станции (ЛВС), передвижные телевизионные видеозаписывающие
станции (ПТВС) и другое оборудование.
Таким образом, источниками телевизионных программ являются
студии, телекинопроекционные, аппаратные магнитной видеозаписи,
передвижные телевизионные станции, передвижные телевизионные
видеозаписывающие репортажные станции.
13.2. СТУДИИ
Студия представляет собой специальное акустически оборудован-
ное и изолированное помещение, предназначеииое для использования
музыкальных, речевых и смешанных программ, входящих в телевизи-
онную передачу. В студиях размещают телевизионные передающие
камеры КТ, видеоконтрольные устройства (ВКУ), сценические пло-
щадки с соответствующим декорационным оформлением, осветитель-
ную технику и микрофонное оборудование. По назначению студии
делят на большие — площадью 600... 1000 м2с пятью — шестью каме-
рами; средние —300...450 м2с четырьмя — пятью камерами; малые —
50... 150 м2с двумя — тремя камерами; макетно-дикторские и диктор-
ские — с одной — двумя камерами.
308
При проектировании студий обращается серьезное внимание на
звукоизоляцию их от посторонних внешних шумов. Студийный блок
планируется с таким расчетом, чтобы рядом со студиями не было
шумных помещений. Внутренние стены студий, располагаемых на
первом этаже, опираются на самостоятельный фундамент и не связа-
ны с наружными стенами зданий.
Наружные окна в студиях отсутствуют, поэтому применяются ис-
кусственное освещение и система кондиционирования воздуха. Смот-
ровые звуконепроницаемые окна соединяют студии с техническими и
режиссерскими аппаратными и служат для непосредственного на-
блюдения за работой артистов и технического персонала в студиях.
Двери в студии делаются массивными, многослойными, со специаль-
ной конструкцией уплотнителей.
К системам освещения студий предъявляется ряд жестких требо-
ваний, наиболее существенным из которых является использование
светильников с определенным спектральным составом излучения.
Правильная передача цветности объекта будет иметь место лишь при
освещении сцены стандартными источниками белого цвета МКО типа
D^c цветовой температурой 650 К. При использовании источников
освещения с цветовой температурой 3200 и 4600° К в передающих
телевизионных камерах необходимо для согласования спектральных
характеристик системы цветоделения камеры с цветовыми координа-
тами цветного кинескопа провести установочную цветокоррекцию.
Осветительные приборы располагаются так, чтобы занять мини-
мальную полезную площадь и не ослеплять исполнителей. Кроме ос-
новного, преобладающего, художественная передача требует органи-
зации дополнительного освещения верхнего света, подсветки фона и
других, создающих ощущение реальности сцены и рельефности пред-
метов (рис. 13.3). Большинство источников света управляется дистан-
ционно со специального пульта. Часто здесь используется автомати-
ческая система с запоминающим устройством, программа для
которой составляется во время световых и трактовых репетиций.
Для обеспечения разнообразных замыслов режиссера, например
организации сцен иа берегу моря, в горах, в другой стране и т.п.,
широко используется в студиях рирпроекция.
В аппаратуре электронной рирпроекции для создания специфиче-
ской обстановки — декораций, на фоне которых развертывается дей-
ствие, с помощью быстродействующего коммутатора, переключаю-
щего ТВ сигналы в активной части строки, формируется комби-
нированное изображение. Здесь коммутирующие импульсы форми-
руются из сигнала от силуэта исполнителей; нормальное изображе-
ние актеров вписывается быстродействующим коммутатором в изо-
бражение декораций, чтобы исключить эффект ’’прозрачности”
актера. Изображение декораций может быть получено от любого дат-
чика ТВ сигналов — студийной камеры, кино- или камеры ПТС, эпи-
или диапроектора, видеомагнитофона и т.д. Помимо большой эконо-
309
Рис. 13.3. Один из возможных вариантов размещения осветительных приборов в теле-
визионной студии:
а — вид сбоку; б — вид сверху
мии средств и времени на изготовление и монтаж декораций подобный
способ создания интерьера значительно обогащает творческие возмож-
ности режиссера, так как позволяет использовать в передаче разнооб-
разный ассортимент изобразительных материалов из заранее подготов-
ленных реальных неподвижных и движущихся изображений фона.
Наиболее сложной задачей электронной рирпроекции является
формирование силуэтного сигнала. Он образуется из сигнала каме-
ры, передающей изображение исполнителей на равномерном фоне,
путем ограничения ТВ сигнала на определенных уровнях. Для уверен-
ного отличия сигнала исполнителя от сигнала фона межлу ними необ-
ходимо создать достаточно большую разницу в уровнях, т.е. достаточ-
но большой контраст между фоном и актером (точнее, любыми его
’’деталями”). Для этого за сценической площадкой размещается рав-
номерный синий экран, тем самым в зависимости от наличия соответ-
310
ствующих деталей исполнителя создается уровень фона ’’белее бело-
го” или ’’чернее черного”.
Недостатком электронной рирпроекции является возможность
появления специфических искажений комбинированного изображе-
ния в виде окантовок, пропусков, а также то, что актер не видит
декорационного оформления сцены. Свое положение относительно
деталей ’’интерьера” он должен запоминать и контролировать с по-
мощью специальных меток. Поэтому в телевизионных студиях иногда
используется и оптическая рирпроекция. Здесь изображение декора-
ций проецируется иа большой полупрозрачный экран. С другой сто-
роны экрана на сценической площадке располагаются исполнители.
Тут же размещаются и студийные передающие камеры, снимающие
изображение актеров на фоне экрана рирпроекции. Для уменьшения
паразитной засветки декораций от источников, освещающих исполни-
телей, перед экраном помещают нейтральный светофильтр — сетку
из черного нейлона. В качестве проектора ’’декораций” используется
проекционный ВКУ. Сигнал иа это ВКУ может быть подан с любого
датчика телевизионных сигналов. Одинаковый синхронный режим
работы проекционного ВКУ и передающих камер является сущест-
венным преимуществом оптической рирпроекции по сравнению с дру-
гими известными системами, в которых используются кинопроекто-
ры. В то же время с помощью оптической рирпроекции можно
сформировать высококачественное изображение без недостатков, ха-
рактерных для электронной. Однако светоклапанные проекционные
устройства очень сложны в эксплуатации (см. § 7.5). Использование
же других видов проекторов, например кинопроекционных, ограничи-
вает возможности рирпроекции и создает ряд дополнительных труд-
ностей.
В целом возможность удовлетворения разнообразных творческих
замыслов режиссеров при организации передач в телевизионных сту-
диях определяет широкие перспективы использования оптической и
электронной систем рирпроекции.
13.3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ КАМЕРЫ
Передающая телевизионная камера КТ предназначена для преоб-
разования светового потока, отраженного от объекта, в электриче-
ские сигналы трех цветоделенных изображений, подаваемых в блок
камерного канала по камерному кабелю. Для работы в составе АСБ,
АПБ, ПТС и ПТВС предназначены студийные цветные телевизионные
камеры [29, 34, 35,36]. Такая камера состоит из оптической головки,
самой камеры и электронного видоискателя.
Оптическая головка (рис. 13.4) представляет собой собранные в
единое целое вариообъектив 1, светоделительный блок 3, встроенный
или подключаемый диапроектор, систему подсветки мишени, смены
светофильтров 2 и систему автоматического управления. Штриховы-
ми линиями на рисунке показаны поверхности с светоделительными
311
Рис. 13.4. Конструкция призмен-
ного цветоделнтельного блока:
/ — вариообъектнв; 2 — нейтральный све-
тофильтр; 3 — склеенные призмы
покрытиями (дихроическими зеркалами). Принцип работы этих зер-
кал основан на интерференции (сложении различных длин волн)света
в тонких пленках [29]. Световой поток, попадая на первую дихроиче-
скую поверхность, разделяется в соответствии со спектральной ха-
рактеристикой покрытия: синяя составляющая отражается и попада-
ет 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 цветовую (зе-
леную) составляющую изображения. Эта составляющая после полно-
го внутреннего отражения на второй поверхности призмы попадает на
передающую трубку яркостного канала W. Третья цветовая состав-
ляющая светового *Потока проходит прямо на передающую трубку
красного канала R.
Оптическая головка 2 (рис.13.5) конструктивно объединена с тре-
мя блоками передающих трубок типа глетикон или плюмбикон 4. В
блок каждой трубки входят фокусирующая и отклоняющая система
(ФОС) и предварительный усилитель 3. В самой камере размещены
блоки: выходных каскадов 5, синхронизации, развертывающих уст-
ройств 6, телеуправления 7, регулировки тока луча 9, высокочастот-
ного уплотнения 10, питания 8. Для контроля изображения на камере
установлен поворотный черно-белый видоискатель (ВКУ с высоким
разрешением и яркостью).
На мишени глетиконов через вариообъектив 1 и светоделительную
систему 2 проектируются красное (/?), синее (В) и псевдояркостное
( U7)(cm. § 10.12) изображения передаваемого объекта. Использование
псевдояркостного сигнала вместо зеленого (G) позволяет улучшить
чувствительность камеры при допустимом ухудшении цветопередачи.
Светоделенные сигналы ER,EW и ЕВ с сигнальных пластин передаю-
щих трубок поступают на соответствующие предварительные усилите-
ли 3, размещенные непосредственно на ФОС передающей трубки 4. В
предварительных усилителях осуществляется противошумовая кор-
рекция сигналов. С выходов предварительных усилителей сигналы
поступают в блок выходных каскадов 5, где они усиливаются, ограни-
чиваются их полосы частот, вводятся и ограничиваются строчные
312
Рис. 13.5. Структурная схема цветной передающей камеры
гасящие импульсы, замешиваются импульсы телеуправления. Уси-
ленные выходные сигналы по камерному кабелю поступают в камер-
ный канал.
Система уплотнения предназначена для передачи по двум коакси-
альным жилам камерного кабеля во встречных направлениях сигна-
лов: основных цветов Ек, Ев, звукового сопровождения, передаваемых
из камеры в канал, и сигналов сложного сигнала телеуправления
(ССТУ), передаваемых из канала в камеру. Сигнал ССТУ представ-
ляет собой смесь сигналов, уплотненных по времени: сигнала яркости
для электронного видоискателя, сигнала синхронизации разверток
передающих трубок, сигнала звука для служебной связи с операто-
ром и сигналов телеуправления. Сигналы яркости, звука и ССТУ
передаются на своей несущей частоте.
Транспортирование сигналов осуществляется передатчиками и
приемниками сигнала яркости, сигнала ССТУ и сигнала звука. Раз-
деление сигналов и согласование входных и выходных сопротивлений
приемников, передатчиков и усилителей сигналов основных цветов с
волновым сопротивлением камерного кабеля осуществляются систе-
мой фильтров.
Камера соединяется со шкафом камерных каналов либо триак-
сильным кабелем ТКТ-1,8/8,0 длиной до 1 км при работе камеры в
составе ПТС и ПТВС, либо многожильным кабелем ММКТЦ 40/1
длиной до 300 м при работе камеры в составе АСБ и АПБ. При работе
камеры в составе ПТС и ПТВС ее блок уплотнения сигналов заменяют
иа заглушку, а блок камерного канала — на блок коррекции искаже-
ний кабеля. Система уплотнения используется при работе камеры в
составе АСБ и АПБ.
313
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
камере должно обеспечиваться только предварительное усиление
сигналов, полученных от трубок, а в камерном канале должны быть
предусмотрены средства обработки сигналов. Если же назначение
камеры — полное формирование сигнала для ввода в стандартную
вещательную систему (иногда с промежуточной записью), вся обра-
ботка сигналов должна входить в камеру.
Разработка новых высокостабильных элементов, стабилизаторов
токов и напряжений, фокусирующих и развертывающих систем, а
также автоматических систем совмещения растров и баланса белого
и черного телевизионного сигнала позволила создать достаточно на-
дежные и удобные в эксплуатации трехтрубочные камеры. Дальней-
шее развитие передающих камер идет по пути улучшения их парамет-
ров и уменьшения числа фотоэлектрических преобразователей.
Примером является создание двух- и однотрубочных камер и камер с
твердотельными преобразователями на приборах с зарядовой связью
[36, 37].
В одно- и двухтрубочных камерах для формирования сигнала яр-
кости и двух сигналов основных цветов используются оптические
штриховые фильтры, встроенные в передающие трубки. Из-за разли-
чия спектральных характеристик, а также углов наклона и ширины
штрихов этих фильтров производится пространственное кодирование
светового потока, попадающего на фотокатод трубки. Исходные сиг-
налы яркости, красного и синего цветов формируются с помощью
электрических фильтров и матричного устройства.
В перспективных разработках передающих камер применяются ма-
логабаритные твердотельные фотоэлектрические преобразователи —
фотодиодные матрицы и приборы с зарядовой связью. Находят приме-
нение линейные(однострочные)и полноформатные матричные полупро-
водниковые преобразователи. Первые из них, сравнительно простые по
устройству, используются для передачи цветных кинофильмов. Разра-
ботка же передающих камер на полноформатных матрицах ПЗС для
передачи высококачественных изображений с параметрами, соответст-
вующими ГОСТ, еще встречает ряд трудностей.
На рис.13.6 показана структурная схема цветной камеры на трех
полноформатных матрицах ПЗС. Изображение передаваемого объ-
екта вариообъективом проецируется на светоделительный блок, ко-
торый осуществляет разделение светового потока на три составляю-
щие. Принцип получения сигнала изображения рассмотрим для
одного из каналов.
Основной элемент каждого из каналов — матрица ПЗС. Она пре-
образует распределение светового потока в плоскости матрицы в по-
верхностное распределение фотогенерированных неосновных носите-
лей заряда — потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во
время следования кадрового гасящего импульса все поле зарядов
314
Рис. 13 6. Упрощенная структурная схема цветной камеры на трех полноформатных
ПЗС
перемещается в соответствующие зоны хранения, экранированные от
светового потока (секция памяти). В течение следующего периода
накопления во время следования строчных гасящих импульсов заря-
ды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру
сдвига. В нем в период активной части строки заряды продвигаются
к выходному устройству, образованному полупроводниковыми струк-
турами по типу полевых транзисторов. Таким образом, на выходе
матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной последователь-
ности импульсов различной величины, пропорциональной освещенно-
сти элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице
ПЗС — развертка изображения — производится с помощью такто-
вых импульсов синхрогенератора, образующихся в формирователях
импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного
регистра (ФИВ). При этом отпадает необходимость коммутации эле-
ментов мозаики передающей трубки внешним электронным лучом, а
следовательно, и наличия термокатода, электронной оптики, отклоня-
ющей системы, вакуумной колбы, относительно высоковольтных ис-
точников питания и мощных выходных каскадов разверток — генера-
торов тока. Все это приводит к значительному уменьшению габаритов,
массы и потребляемой мощности, а также к весьма существенному
315
повышению надежности фотоэлектрических преобразователей. На-
личие раздельных обособленных секций накопления и памяти и отно-
сительно быстрый перенос зарядов из первой секции во вторую позво-
ляют устранить специфические искажения изображения типа
’’инерционность”.
13.4. ТЕХНИЧЕСКИЕ, РЕЖИССЕРСКИЕ И ЦЕНТРАЛЬНАЯ АППАРАТНЫЕ
Каждая студия на телевизионном центре имеет свою техническую
аппаратную. В аппаратной находится оборудование для усиления,
синхронизации и окончательного формирования полного цветового
телевизионного сигнала, а также иизкочастотиое оборудование зву-
кового сопровождения. В аппаратную также подаются сигналы из
телекинопроекционной (см.рис. 13.2), из АМВ, АЦ и т.д.
От каждой из камер (рис.13.7) поступают по коаксиальным парам
сигналы£гсполосойчастот6,5МГц,£'виЕ/?с полосой частот 1,5 МГц.
Сигнал Ev подается непосредственно в усилительный тракт, а Ев и ER
— через блок уплотнения. В усилительном тракте производится ус-
тановочная регулировка усиления, замешивание и ограничение гася-
щих импульсов для удаления с площадки обратного хода флуктуаци-
онных помех, паразитных сигналов строчной частоты. В нем
предусмотрена также схема коррекции авторассеяния, возникшая
из-за рассеяния светового потока в оптической части камеры и в
передающих трубках. Здесь же осуществляется коррекция неравно-
мерности фона изображения по полю путем замешивания в видеосиг-
нал сигналов параболической и пилообразной формы частоты строк
и полей и модуляции видеосигнала путем изменения коэффициента
усиления. Далее сигналы ER и Ев непосредственно поступают на цве-
токорректор, а сигнал Ev — через апертурный корректор. В цвето-
корректоре осуществляется как коррекция ошибки цветоанализа,
вызванной несоответствием спектральных характеристик камеры
кривым смешения основных цветов приемника, так и формирование
сигналов Er, Ес и Ев. После гамма-корректора в выходном усилителе
в сигнал изображения замешиваются гасящие импульсы приемной
трубки и производится ограничение гасящих импульсов на уровне
гашения. С выхода усилителя сигналы поступают на кодирующее
устройство и цветные ВКУ. На микшер поступают также сигналы от
других камерных каналов.
В технической аппаратной располагаются также синхрогеиератор
ВКУ, осциллографы, измерительная аппаратура и другое вспомога-
тельное оборудование. Синхрогенератор технической аппаратной мо-
жет работать как в режиме централизованной синхронизации, так и в
автономном или ведомом (см. § 13.8). В режиссерской аппаратной,
которая для создания наилучших условий работы для творческого и
технического персонала располагается отдельно от технической, раз-
мещаются пульт режиссера, пульт звукорежиссера, стеллаж с ВКУ,
акустическое оборудование. Пульты режиссера и звукорежиссера
располагаются непосредственно у смотрового окна, соединяющего
316
студию с режиссерской аппаратной. Пульты располагаются так, что-
бы удобно было вести наблюдение за игрой артиста в студии и за
телевизионными изображениями, поступающими на видеоконтроль-
ные устройства. На ВКУ подаются сигналы от всех датчиков ТВ сиг-
налов, в том числе и из АЦ.
Создание художественных передач требует широкого комплекса
технических средств и приемов, расширяющих творческие возможно-
сти режиссеров по формированию разнообразных фрагментов, созда-
ющих иллюзию реальности сцены и даже эффект присутствия зрите-
ля. Для этого используется несколько передающих камер,
формирующих изображение под разными углами (ракурсами) и с
разными масштабами (планами), а также специальное оборудование
для создания комбинированных изображений. Сюда относится аппа-
ратура спецэффектов и видеоэффектов, электронная и оптическая
рирпроекция, датчики электрических сигналов различных заставок,
надписей и т.д.
Блок спецэффектов входит в состав видеоусилительиых трактов
всех АСБ. В простейшем случае с его помощью можно сформировать
комбииироваиное изображение, состоящее из двух составных частей
с разными сюжетами. Для передачи этих сюжетов могут использо-
ваться любые датчики ТВ сигналов. Расположение, относительные
размеры и конфигурация составляющих комбинированного изобра-
зи
жения могут меняться во времени с помощью ручной регулировки или
автоматически. В настоящее время в распоряжение режиссера пре-
доставляется несколько десятков различных фигур спецэффектов:
прямоугольные, треугольные, ромбические, круглые и др. Подобные
комбинированные изображения формируются с помощью быстродей-
ствующего коммутатора, переключающего ТВ сигналы от двух датчи-
ков во время активной части строки. Переключение сигналов произ-
водится 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 устройст-
ва на кадр или на несколько кадров с предварительным преобразова-
нием аналоговой формы телевизионного сигнала в цифровую с по-
мощью АЦП (см.рис. 10.6). В запоминающее устройство записывается
цифровой ТВ сигнал с тактовой частотой, определяемой строчной
частотой сигнала записи. Генератор этих сигналов управляется син-
хронизирующими импульсами входного сигнала.
Информация считывается с ЗУ с произвольной выборкой по зако-
ну, определяемому формой, частотой и фазой сигнала считывания.
Последний формируется специальным генератором, управляющим-
ся импульсами от синхрогенератора, и обеспечивает соответствую-
щий выбор последовательности адресов. Считанный ТВ сигнал преоб-
разуется в аналоговую форму в цифро-аналоговом преобразователе,
смешивается с сигналами синхронизации и поступает на выход устрой-
ства Наиболее просто реализуется режим передачи неподвижного —
’’остановленного” изображения. Для этого запись входного сигнала пре-
кращается 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 любому закону;
создание полиэкранных изображений из нескольких сжатых пер-
вичных изображений и др.
Центральная аппаратная предназначена для контроля, коммута-
ции и распределения сигналов телевизионных программ на радиопе-
редатчик и телецентры, транслирующие центральные и создающие
318
собственные программы. В АЦ коммутируют сигналы из кинопроек-
ционных аппаратных, аппаратных видеозаписи, приемной аппарат-
ной внешних программ, АСБ, АПБ, от собственных датчиков (элект-
ронно-испытательной таблицы УЭИТ и устройства показа времени).
Из перечисленных источников сигнала программный режиссер со-
ставляет выходные программы, которые затем передаются на телеви-
зионные радиостанции и на междугородные линии связи. Сигналы
датчиков ПЦТВС через АЦ могут подаваться в АСБ для использова-
ния их в студийных программах, в аппаратных видеозаписи, цент-
ральном пункте контроля. В центральной аппаратной располагаются
два блока синхрокомплекта — рабочий и резервный.
13.5. ТЕЛ ЕКИНОПРОЕКЦИОННЫЕ АППАРАТНЫЕ
Телекинопроекционные аппаратные предназначены для демонст-
рации по сети ТВ вещания художественных, научно-популярных и
хроникальных кинофильмов, а также для использования кинофотома-
териалов в качестве коротких вставок — фрагментов — в передачи,
подготавливаемые с помощью других источников в ТВ программы ТЦ
(в студиях, видеомагнитофонных аппаратных и т.д.).
Телекинопроекционные аппаратные являются одним из наиболее
важных источников ТВ передач, так как показ кинофильмов занимает
сравнительно большую долю в общем объеме программы вещания.
Причиной тому служат наличие большого фонда различных фильмов,
возможность демонстрации их в любое время, сравнительная просто-
та эксплуатации и подготовки хроникальных материалов и др Поэто-
му крупные ТЦ, как правило, имеют в своем составе цех телекинопро-
изводства для создания художественных и хроникальных фильмов, а
также ихтиражирования. В последнее время для этой цели привлека-
ются и киностудии.
Передача кинофильмов по телевидению, несмотря на общность
принципов воспроизведения изображений, связана с известными
трудностями. Причиной этих трудностей являются некоторые разли-
чия параметров кинопроекционных и ТВ систем. Основные из них
следующие.
1. Число кадров, передаваемых в секунду, в кино 24, в телевидении
25 при 48 и 50 мельканиях изображений соответственно (в кино — с
помощью обтюратора, перекрывающего кадровое окно как при смене
кадров, так и при его проекции; в телевидении — с помощью чересст-
рочной развертки). Это различие сравнительно легко преодолевается
при небольшом увеличении скорости работы кинопроектора. Как
следствие, время демонстрации фильма по телевидению уменьшается
на 4 %; кроме того, несколько изменяется тональность звукового со-
провождения, что практически незаметно для зрителя.
2. Время продергивания пленки в кинопроекторе составляет около
10,6 мс, а в телевидении длительность обратного хода кадровой раз-
вертки около 1,6 мс. Это в основном и затрудняет демонстрацию кино-
319
фильмов по телевидению, так как увеличение скорости продергива-
ния пленки резко увеличило бы динамические нагрузки на перфори-
рованные отверстия и вывело пленку из строя; с другой стороны,
увеличение длительности обратного хода кадровой развертки умень-
шило бы число активных строк и значительно ухудшило бы четкость
изображения в вертикальном направлении.
В связи с этим для телекинопроекции было разработано большое
число различных систем как с прерывистым, так и с плавным движе-
нием пленки. До появления передающих 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 об-
ратного хода кадровой развертки. В течение длительности прямого
хода развертки электронное изображение, образованное остаточным
потенциальным рельефом на мишени трубки, считывалось коммути-
рующим лучом по памяти. В это же время проводилось и продергива-
ние пленки, т.е. подготовка ее к проекции следующего кадра.
Использование передающих трубок видикон и плюмбикон значи-
тельно упростило систему телекинопроекции. У этих трубок сигналы
во время проекции кинокадра (’’записи” изображения) и после нее, т.е.
при работе трубки по ’’памяти”, отличаются незначительно. Поэтому
время экспозиции изображения может быть значительно увеличено и
как результат — снижены требования к чувствительности передаю-
щей трубки. „
На рис.13.8 показана оптическая схема кинопроектора. Световой
поток от источника / с помощью отражающего зеркала 2, объективов
3 и 5 проецируется на поверхность кинофильма 6. Размеры передава-
емого изображения ограничиваются непрозрачной рамкой 7. Изобра-
жение кинокадра с помощью объектива 8 проецируется на мишень
320
передающей трубки 9. Прерывание светового потока производится
обтюратором 4. Прерывистое движение пленки осуществляется грей-
фером 10, входящим в перфорационные отверстия.
На рис.13.9,а изображены временная диаграмма работы ленто-
протяжного механизма, телекинопроектора с импульсной засветкой,
равной 10,6 мс, а на рис.13.9,6 — временные диаграммы засветки
мишени передающей трубки и считывания изображения. Длитель-
ность засветки мишени видикона обычно составляет 30...50 % от вре-
мени передачи одного телевизионного поля.
В последнее время для передачи кинофильмов разработаны полу-
проводниковые кинопередающие камеры на линейных (одностроч-
ных) ПЗС. Основные параметры этих фотоэлектрических преобразо-
вателей — разрешающая способность и динамический диапазон —
уже сейчас превосходят соответствующие характеристики вакууг
ных приборов. Кадровая развертка производится за счет движения
кинопленки в вертикальном направлении. Каждый кинокадр проеци-
руется один раз последовательно, строка за строкой (построчная раз-
вертка). Для формирования ТВ сигнала в соответствии с чересстроч-
ной разверткой сигналы с ПЗС поступают на запоминающее
устройство с объемом памяти один кадр, где и записываются в циф-
ровом виде. Информация считывается в два приема: сначала — нечет-
ные строки(первое поле), азатем — четные(второе поле). Управление
системами движения пленки, сканирования ПЗС, записи и считыва-
ния сигналов из ЗУ производится с помощью микропроцессоров.
'В Телекинопроекционных аппаратных размещаются три группы
оборудования: кинопосты (кинопроекторы, диапроекторы, передаю-
Рис. 13.9. Временные диаграммы:
а — работв лентопротяжного механизма телекинопроектора с импульсной засветкой; б — засветка мишени пере-
дающей трубки н считывание изображения
321
Рис. 13.10. Вариант организации кинопоста телекинопроекционной аппаратной
(цие камеры, оптические коммутаторы), аппаратура формирования
полного телевизионного сигнала и пульты управления работой этих
устройств. Организация кинопостов отличается большим разнообра-
зием. Часто одна передающая камера работает на несколько кино-
проекторов 35- и 16-мм кинофильмов. Максимальное время непре-
рывной проекции одной части 35-мм фильма составляет 10 мин, а для
16-мм — 45. Поэтому один пост для непрерывного воспроизведения
полнометражных фильмов обычно содержит два-три проектора 35-м я
пленки и для демонстрации главным образом хроникальных материа-
лов — диапроектор или один проектор 16-мм пленки (рис.13.10). От-
дельные кадры и диапозитивы передаются с помощью тех же уст-
ройств (с использованием дополнительных тепловых фильтров), либо
диапроекторов. Оптические коммутаторы выполняются в виде зеркал
и призм, поворачивающихся или сдвигающихся по направляющим.
Пуск кинопроекторов обычно осуществляется дистанционно со спе-
циального пульта телекинопроекционной или с пульта блока, форми-
рующего передачу. Оптическая коммутация и запуск проекторов во
время демонстрации полнометражных фильмов производятся авто-
матически с помощью специальных меток из фольги, наклеиваемых
на пленку в конце каждой части. В телекинопроекциоином обору-
довании используются различные автоматические системы регули-
ровки усиления тракта, светового и электрического режимов види-
конов и др.
В связи с указанными трудностями по передаче киноматериалов
по телевидению в последнее время все чаще практикуется их переза-
пись на магнитную пленку с последующей демонстрацией кинофиль-
мов (магнитофильмов) с видеомагнитофонных аппаратных с по-
мощью видеомагнитофонов.
322
13.6. АППАРАТНЫЕ МАГНИТНОЙ ВИДЕОЗАПИСИ
В настоящее время на всех телецентрах около 85 % программ
формируются с помощью видеомагнитофонов (ВМ). Это позволяет
заранее создавать фонд записей, автоматически управлять процес-
сом формирования и выдачи программ в эфир. Видеомагнитофонные
аппаратные бывают двух типов: аппаратные записи и воспроизведе-
ния (АЗВ) и аппаратные электронного монтажа (АЭМ). В каждой
аппаратной может устанавливаться до восьми ВМ. Коммутаторы,
1ерез которые осуществляется выбор датчика ТВ программ на ВМ
для записи и подачи сигналов с видеомагнитофонов, обычно распола-
гаются в центральной аппаратной. Это удобно, так как в центральную
аппаратную подаются сигналы всех датчиков ТВ программ. Управле-
ние набором сигналов на конкретные видеомагнитофоны, а также
управление подачей воспроизводимых сигналов к потребителям мо-
жет осуществляться непосредственно и с пульта видеомагнитофонной
аппаратной путем их включения на коммутаторе, расположенном в
центральной аппаратной. Аппаратная АЭМ, в отличие от АЗМ, мо-
жет использоваться независимо от системы телецентра и работать с
помощью своих ВМ; АЭМ может работать также в качестве АЗВ.
Аппаратные АЗВ обеспечивают запись и воспроизведение на ВМ
телевизионных программ; коррекцию искажений АЧХ, вносимых сое-
динительными кабелями; контроль качества сигналов на входах и
выходах аппаратной на ВКУ, осциллографе и измерителях уровней.
Кроме того, система управления и коммутации совместно с коммута-
тором центральной аппаратной обеспечивает запись ТВ сигналов от
одного источника на два или группу синхронно работающих ВМ и
воспроизведение сигналов с двух или группы синхронно работающих
ВМ.
Аппаратная АЭМ предназначена для создания видеофильмов и
фрагментов передачи с помощью электронного монтажа; она также
обеспечивает последовательный автоматический монтаж отдельных
фрагментов на общую видеоленту от Любых семи ВМ на любой вось-
мой; переход от одного фрагмента к другому через аппаратуру мик-
ширования и спецэффектов; тиражирование видеопрограмм с одного
на группу синхронно работающих ВМ; независимое воспроизведение
сигналов от восьми ВМ; коррекцию искажений, вносимых длинным
входным кабелем; контроль качества сигналов на входах и выходах
аппаратной.
13.7. ВНЕСТУДИЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПРОГРАММ
При формировании ТВ програм на телецентрах большое значе-
ние имеют внестудийные передачи, полученные непосредственно с
предприятия, спортивных сооружений, стройплощадок, концертных
залов, театров и т.д. В зависимости от об ьектов передачи, значимости
и актуальности событий, а также длительности передачи все техниче-
323
скне средства внестудийного вещания можно разделить на следую-
щие технологические группы: репортажные телевизионные комплек-
сы (РТК), передвижные телевизионные станции, передвижные видео-
записывающие станции, передвижные телевизионные видеозаписы-
вающие станции. Репортажные телевизионные комплексы подразде-
ляются на репортажные телевизионные станции (РТС) и репортаж-
ные телевизионные установки (РТУ).
Репортажные телевизионные станции, выполненные на базе лег-
ких малогабаритных машин, применяют для оперативного'формиро-
вания ТВ передач из труднодоступных районов, мест, удаленных от
телецентра на большое расстояние, с плохими подъездными дорога-
ми, для оперативной передачи текущих новостей Станция РТС осна-
щается одной или двумя репортажными телекамерами. Большинство
РТС имеет автономное электропитание от аккумуляторов или генера-
тора, работающего от двигателя машины. В состав РТС входит видео-
магнитофон или радиолиния для передачи сигнала на телецентр.
Репортажные телевизионные установки предназначены для опе-
ративного сбора новостей. Аппаратура РТУ состоит из ранцевого
комплекта и приемного оборудования. Ранцевый комплект содержит
малогабаритную камеру (три плюмбикона, усилители, вариообъек-
тив, светоделительная система, видоискатель) и ранцевый блок (сис-
тема разверток, управления, синхронизации и питания). Окончатель-
нотелевизионный сигнал формируется в приемном устройстве, после
чего он поступает на ПТС илн ПТВС.
Передвижные телевизионные станции в зависимости от числа пе-
редающих камер и функциональных возможностей можно разделить
на две группы: ПТС на базе двух-трех студийных камер; большие
многокамерные ПТС с расширенными функциональными возможно
стями. Станции ПТС первой группы применяют для передачи собы-
тий, имеющих высокую художественную ценность (из театров, концер-
тных залов и т.д.). Такие ПТС обеспечивают высокое качество
передачи, оборудованы видеомагнитофоном или радиолинией для пе-
редачи изображений на телецентр. Большинство станций оборудова-
но устройствами микширования, спецэффектов, рирпроекции, ввода
в программу титров Все станции оборудованы системой кондициони-
рования и отопления.
Большие многокамерные ПТС применяют для автономной работы
в отдаленных от телецентра районах в случае формирования передач,
имеющих высокую художественную ценность, историческое и между-
народное значение. Такие ПТС размещены обычно в двух транспорт-
ныхсредствах. По функциональным возможностям близки к аппарат-
но-студийным блокам, оборудованы системой микширования,
рирпроекции, введения титров, спецэффектов. Число телекамер от
трех до шести; в составе имеется радиолиния. Ряд станций имеет
систему стоп-кадр, замедленного воспроизведения изображений,
блоки звуковых спецэффектов, магнитофон. Все ПТС оборудованы
системой кондиционирования и отопления. Салон основной автома-
324
шины имеет два отсека, что позволяет разделить режиссерский н
технический персонал станции.
Станции ПВС предназначены для записи и воспроизведения во
внестудийных условиях видеосигнала и сигнала звукового сопровож-
дения от ПТС. Они оборудованы двумя ВМ, имеют системы электрон-
ного монтажа, контроля и коммутации сигналов, а также систему
кондиционирования и отопления. Полученный от ПТС сигнал тут же
записывается на ПВМ, что позволяет получить высокое качество изо-
бражения и возможность работы ПТС без привязки к телецентру.
Передвижные телевизионные видеозаписывающие станции
(ПТВС) оборудованы как аппаратурой формирования, так и аппара-
турой записи телевизионной программы, т.е. они объединяют функции
ПТС и ПВС.
13.8. СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ НА ТЕЛ ЕЦЕНТРАХ
Основное требование при работе телецентра — синхронность и
синфазность всех источников видеосигналов, используемых для со-
здания телепередач (сигналов студийных аппаратных, телекино, ви-
деомагнитофонных аппаратных, внешних программ). Чтобы выпол-
нить это требование, на телецентре применяют режим центра-
лизованной синхронизации, который обеспечивает фазирование сиг-
налов телецентра с сигналами внешних источников программ. Основ-
ным задающим звеном является синхрогенератор (СГ) центральной
аппаратной, работающий в автономном режиме. Требуемая высокая
стабильность частоты строк (Fc = 156254-0.016 Гц, т.е. нестабиль-
ность частоты строк не хуже -)-10 6) обеспечивается кварцевым тер
мостатированным генератором, вырабатывающим импульсы часто
ты 1,0 МГц, которые подаются на синхрогенератор. В
синхрогенератор* путем деления этой частоты формируется сетка
опорных частот (500, 250 кГц, 125, 62,5 и 15,625 кГц), из которых фор-
мируются все необходимые управляющие импульсы. При использова
нии в качестве высокочастотного генератора автономного датчика
нестабильность частоты строк оказывается не хуже 4~ 10 ~12
Вырабатываемый синхрогенератором сигнал централизованной
синхронизации ССЦ-2 (смесь импульсов частоты 1,0 МГц с импульса-
ми частоты 12,5 Гц) поступает во все аппаратные телецентра, за
исключением аппаратных видеозаписи. Сигнал ССЦ-2 содержит ин-
формацию о фазах строчных и кадровых импульсов и о сигнале опо-
знавания цвета. Приходящий из центральной аппаратной АЦ в каж-
дую аппаратную телецентра сигнал ССЦ-2 поступает на блок,
обеспечивающий ведомый режим работы синхрогенератора. Этим
обеспечивается синхронность видеосигналов всех ппаратных.
Синфазность сигналов в каждой аппаратной осуществляется с
помощью специального блока, который корректирует задержки сиг-
налов ССЦ-2. Ее устанавливают такой, чтобы все сигналы в АЦ при-
ходили в о; инаковой фазе. Для синхронизации ВМ применяют специ
325
альный сигнал ’’черного поля” (СЧП), формируемый кодирующим
устройством в АЦ. Фазирование производится отдельно в каждом
магнитофоне специальным устройством. Для повышения надежности
в АЦ предусмотрено два блока синхрокомплекта — рагэчий и резерв-
ный. Резервный блок находится также во включенном состоянии. Вы-
ходные сигналы с обоих блоков поступают на блок переключений, а с
его выходов сигналы рабочего комплекта поступают на блоки распре-
деления импульсов.
Синхрогенераторы аппаратных могут работать как в режиме цен-
трализованной синхронизации от ССЦ-2, так и в автономном н ведо-
мом. При работе СГ в автономном режиме с высокостабильного квар-
цевого термостатированного генератора импульсы частоты 1,0 МГц
подаются на синхрогенератор, чем обеспечивается нестабильность
частоты строк не хуже 4-10~6.
В ведомом режиме на СГ подается полный цветовой телевизион-
ный сигнал. В этом случае СГ формирует импульсы,синхронные н
синфазные с полным цветовым телевизионным сигналом, а импульсы
частоты 1,0 МГц отключаются. В режиме централизованной синхро-
низации он формирует импульсы, синхронные с сигналом ССЦ-2, а
импульсы частоты 1,0 МГц также отключаются. Аналогичные СГ ус-
танавливаются на ПТС и ПТВС.
ГЛАВА 14
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
14.1. ОСОБЕННОСТИ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ЦЕНТРОВ
В нидеоусилительном тракте телевизионного центра (рис. 14.1)
формируется полный цветовой телевизионный сигнал ПЦТВС путем
усиления, коррекции и преобразования исходных сигналов основных
цветов Ек, Ео и Ев, а также сложения их с сигналами гашения и
синхронизации.
Вещательные телевизионные системы строятся по принципу мак-
симального упрощения линий связи и приемников за счет усложнения
передающего оборудования. В этих системах используется одни ка-
нал связи, по которому передаются все составляющие ПЦТВС: сигна-
лы яркости и цветности, сигнал гашения лучей кинескопа во время
обратных ходов разверток, сигнал синхронизации разверток прием-
ника и сигнал цветовой синхронизации. Сигнал цветности передается
в высокочастотной области спектра сигнала яркости, а сигналы син-
хронизации — на вершинах гасящих импульсов в области, находящей-
ся ниже уровня черного ("чернее черного”). Это уменьшает перекре-
326
Рис. 14.1. Упрощенная структурная схема видеоусилнтельного тракта ТВ центра
Сигналы ПЦ.ТВС
синхронизации от других камерных
каналов
стные искажения между сигналами и упрощает их разделение в при-
емниках.
Принципы передачи изображения определяют и особенности те-
левизионного сигнала. В частности, в форме сигнала заключена ин-
формация о яркости и цветности деталей объекта. Спектр этого сиг-
нала занимает сравнительно широкую полосу частот. Поэтому для
усиления ПЦТВС используются широкополосные резисторные уси-
лители, незначительно искажающие его форму.
Особенностью телевизионного сигнала является и его униполяр-
ность — в соответствии с яркостью изображения, т.е. наличие ’’посто-
янной” составляющей, пропорциональной средней яркости изобра-
жения. Эта составляющая передается по каналу связи специальным
методом — с помощью фиксации уровня черного.
Телевизионное изображение отличается от оригинала из-за иска-
жений, возникающих в фотоэлектрических преобразователях и кана-
ле связи. Допустимые искажения оцениваются по их заметности на
экране приемника. Как правило, большинство искажений, в том числе
и возникающих в приемнике, корректируются на телевизионном цен-
тре. Это существенно упрощает приемник.
Исходные сигналы основных цветов Ек, Ев и ^(или псевдояркост-
ный £г), сформированные в передающих трубках (ПТ), поступают на
предварительные видеоусилители (ПВУ) (рис.14.1). Назначение
ПВУ — усиление этих сигналов с возможно меньшим увеличением
флуктуационных помех. Для этого в ПВУ осуществляется противошу-
мовая коррекция. В камерном канале производятся следующие ос-
новные операции: сигналы основных цветов усиливаются (причем раз-
мах их регулируется так, чтобы при передаче белой детали он был у
всех одинаковым); вводятся сигналы компенсации неравномерности
фона растра передающих трубок; корректируются апертурные, полу-
тоновые и цветовые искажения изображения; вводятся сигналы гаше-
ния обратных ходов и синхронизации разверток приемника и ограни-
чивается их уровень; ограничиваются выбросы сигналов, превы-
шающие номинальный уровень белого для предотвращения перегру-
327
зок последующих каскадов тракта. Постоянство положения уровней
сигналов относительно рабочих точек на характеристиках активных
элементов тракта обеспечивается фиксацией уровня черного.
С камерного канала скорректированные сигналы основных цветов
£'я, Е'с и Е' в подаются на кодирующее устройство. Из них формиру-
ется сигнал яркости E'Y — 0,3E'R + 0,59Е'о + 0,1 \Е'В со спектром
0—6,0 МГц и два цветоразностных сигнала£>'₽ = — 1,9(£'я — E'Y) и
D'B = \,5(Е'В — E'Y) со спектрами 0—1,5 МГц. Цветоразностные сиг-
налы модулируют цветовые поднесущие и образуют сигнал цветно-
сти. Частоты цветовых поднесущих выбираются так, чтобы они нахо-
дились в высокочастотной области спектра сигнала яркости для
уменьшения заметности перекрестных искажений ’’яркость — цвет-
ность”. Другими словами, эта операция сводится к переносу спектров
цветоразностных сигналов в область верхних частот сигнала яркости.
Сформированный подобным образом сигнал цветности складывается
с сигналами яркости, синхронизации разверток и цветовой синхрони-
зации. Сумма этих составляющих и образует полный цветовой теле-
визионный сигнал — ’’продукцию” телевизионного центра.
Все ПЦТВС от источников, участвующих в создании ТВ програм-
мы, поступают на коммутационно-микшерное устройство. Сигнал,
выбранный режиссером для определенного фрагмента программы,
подключается плавно или скачком на выход микшера и по кабелю
подается в центральную аппаратную АЦ телевизионного центра.
Кроме перечисленных элементов видеоусилительные тракты ТЦ
содержат многочисленные дополнительные устройства, например,
усилители-распределители сигналов, коммутаторы, шумоподавите-
ли, блоки видеоэффектов и др. Некоторые операции (шумоподавле-
ние, видеоэффекты, преобразование стандартов, коррекция искаже-
ний) могут производиться с ТВ сигналами в цифровой форме. Это
значительно расширяет возможности и улучшает качество изображе-
ния в основном за счет использования устройств с большим объемом
памяти, в которой запоминаются значения ТВ сигнала за один или
несколько кадров. Некоторое усложнение оборудования из-за исполь-
зования в этих устройствах аналого-цифровых и цифро-аналоговых
преобразователей телевизионного сигнала, как правило, бывает оп-
равданным.
Для унификации оборудования на входах и выходах всех блоков
выбрана позитивная полярность ТВ сигнала; номинальное значение
входных и выходных сопротивлений составляет 75 Ом в соответствии
с волновым сопротивлением коаксиального кабеля.
14.2. ФИКСАЦИЯ УРОВНЯ ЧЕРНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Уровни ТВ сигнала должны быть пропорциональны яркости дета-
лей передаваемой сцены. Для этого необходимо, чтобы сигнал ярко-
сти, модулирующий электронный луч приемной трубки, содержал
постоянную составляющую, пропорциональную средней яркости изо-
328
бражения. Эта составляющая в процессе передачи меняется медлен-
но или скачком при смене сюжета ТВ программы. Однако видеоуси-
лительный тракт ТВ системы составлен преимущественно из усили-
телей переменного тока и по нему непосредственно ’’постоянная”
составляющая передана быть не может. Поэтому для ее передачи
приходится использовать специальный метод.
Применение этого 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 содер-
жит постоянную составляющую, которая потом утрачивается в видео-
усилительном тракте. Этот процесс поясняют осциллограммы сигналов
(рис.14.2) от двух передаваемых изображений: первое из них— черная
полоса на белом фоне, а второе — белая полоса на черном фоне;
минимальные Lo и максимальные Lo та1 яркости изображений оди-
наковы, а средние существенно различны и равны соответственно Z.cp,
и Lt 2 (рис. 14.2,а). Исходные сигналы яркости на выходе передающей
трубки показаны на рис. 14.2,6. Как видно из рисунка, размахи сигна-
лов Uc, пропорциональные перепадам яркости, и положение уровней
от равноосвещенных деталей обоих изображений одинаковы, а посто-
янные составляющие различны: соответственно.
ТВ сигнал после прохождения через разделительную цепь RfC
между каскадами усилителя располагается относительно нулевой
оси(или так называемой линии равных площадей)таким образом, что
площади, ограниченные положительной частью сигнала и осью и от-
рицательной частью сигнала и осью, равны (рис.14.2,в). В результате
потери постоянной составляющей размах сигналов от этих изображе-
ний не меняется, а положение уровней от одинаково освещенных де-
талей различных изображений изменяется в зависимости от их содер-
жания.
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
различное положение в области, почти в два раза превышающей его
размах (см.рис.14.2,в). Для отсутствия нелинейных искажений сигна-
ла амплитудные характеристики усилителей должны бытьлинейны в
указанной области динамического диапазона.
Если ТВ сигнал без постоянной составляющей использовать для
модуляции тока луча кинескопа, то яркости деталей изображений
будут искажены. В принципе эти искажения можно корректировать
регулировкой яркости изображения на экране приемной трубки. Од-
нако практически это невыполнимо. Поэтому в приемнике (если в нем
используется видеоусилитель переменного тока)и в некоторых других
точках тракта, например в ограничителях уровней сигнала, гамма-
корректоре, модуляторе передатчика, приходится вводить постоян-
329
Рис. 14.2. Особенности передачи сигнала "постоянной” составляющей, пропорцио-
нального средней яркости изображения (СГИ — строчные гасящне импульсы)
ную составляющую. Она восстанавливается путем фиксации вершин
гасящих импульсов относительно некоторого постоянного потенциа-
ла (уровня фиксации). Из рис. 14.2,г видно, что преобразованные подо-
бным образом сигналы вновь содержат постоянную составляющую.
Таким образом, информация о средней яркости изображений переда-
ется по тракту ТВ системы косвенным методом.
Положение вершин строчных гасящих импульсов фиксируется с
помощью межкаскадных разделительных цепей /?рСр с коммутируе-
мыми пар. летрами, т.е. с различными постоянными времени заряда
и разряда конденсатора Ср. Различают неуправляемые и управляе-
мые схемы фиксации.
Особенности работы схем фиксации рассмотрим на примере наи-
более простой неуправляемой схемы, так как в ней наиболее четко
330
проявляются возникающие в этих схемах характерные искажения
сигнала изображения.
Неуправляемая схема (рис.14.3,а) предназначена для фиксации
ТВ сигнала негативной полярности. Сигнал позитивной полярности
фиксируется аналогичными схемами с обратным включением диода.
Рассмотрим основные принципы работы неуправляемой схемы фик-
сации.
В обычном усилительном каскаде постоянное напряжение на раз-
делительном конденсаторе Ср относительно точе'к земля — база (за-
твор) транзистора следующего каскада определяется в установив-
шемся режиме лишь напряжением смещения £см = £ф. Сигнал
располагается относительно этого напряжения по линии равных пло-
щадей (интервал tv..t2 на рис.14.3,в), так как заряд и разряд конден-
сатора Ср из-за равенства соответствующих постоянных времени рав-
ны. При этом форма сигнала ип полностью повторяет форму сигнала
ис при достаточно большой постоянной времени цепи /?рСр.
Назначение схемы фиксации состоит в том, чтобы во время следо-
вания гасящих импульсов сделать напряжение на входе следующего
каскада всегда одним и тем же и равным напряжению смещения
(фиксации) £ф, а весь ТВ сигнал в интервалах между гасящими им-
пульсами ’’переместить” в область более отрицательных(или положи-
Рис. 14.3. Фиксация уровня чериогоТВ сигнала негативной полярности:
а — принципиальная схема; 0 — эквивалентная схема; а — эпюры напряжений
331
тельных — при фиксации сигнала позитивной полярности) значений.
Это можно достичь, если ключом VS (рис. 14.3,6) подключать во время
следования гасящих импульсов базу транзистора следующего каска-
да непосредственно к источнику Еф. При этом из-за дополнительного
заряда конденсатора Ср током, пропорциональным значению ТВ сиг-
нала в момент замыкания ключа, на нем образуется дополнительное
постоянное напряжение заряда и'р (рис.14.3,в). Это напряжение запо-
минается на конденсаторе и перемещает сигнал в период между гася-
щими импульсами, когда ключ разомкнут. Роль ключа в неуправля<
мой схеме фиксации выполняет диод VD. Он открывается во время
следования гасящих импульсов, когда напряжение на его аноде пре-
высит напряжение на катоде (ключ VS замыкается на сопротивление,
равное внутреннему сопротивлению диода в прямом направлении /?1П
при /=/3, рис. 14.3,б,в).
Однако напряжение смещения не может мгновенно стать равным
напряжению фиксации Еф из-за сопротивлений Rin и /?вых । и конденса-
тора Ср, т.е. из-за конечного значения постоянной времени заряда
Ъ = СР(ЕВЫК1 + Rin ||/?р) « Ср(/?,ых1 + Rm), (14.1)
где R,n<Rp, Rin || Rp—- параллельное соединение соответствующих со-
противлений; /?вых । — выходное сопротивление предыдущего каскада.
Чтобы напряжение смещения к концу действия сравнительно ко-
роткого строчного гасящего импульса /и стало равно 0,95...0,99 прило-
женного напряжения, постоянная времени заряда должна быть ма-
лой: т3 = /и/(3.„5).
К концу действия импульса тока, проходящего через диод, на кон-
денсаторе Ср образуется дополнительное постоянное напряжение и'р,
зависящее от мгновенного значения входного сигнала в момент вре-
мени i3 и постоянной времени заряда. Поэтому при /=/4, когда диод
запирается (ключ VS замыкается на внутреннее сопротивление днода
в обратном направлении Ri0, рис. 14.3,б,в), сигнал оказывается сме-
щенным относительно напряжения Еф на величину и'р . Таким обра-
зом, суммарное напряжение смещения Up = Еф+ U'p зависит от раз-
маха сигнала между уровнем отпирания диода н уровнем черного
сигнала ис при /=/3.
Напряжение U' прн запертом диоде в период между гасящими
импульсами медленно уменьшается нз-за разряда конденсатора Ср
на сопротивления/?^ =/?р||/?ю||/?вх2 и /?вых1, где /?р||/?ю||/?вх2 —
параллельное включение сопротивлений, /?вх2—входное сопротив-
ление следующего каскада. Через промежуток времени Тпр — /и (при
t=t5, рис. 14.3, в) оно уменьшится на AU.
Велнчь а напряжения А// определяет все особенности работы
неуправляемей схемы фиксации. Во-первых, в установившемся режи-
ме диод будет отпираться напряжением сигнала, численно равным
AL/. Следовательно, от этого напряжения будут зависеть сопротивле-
ние диода Rin и значение т3. Во вторых, от &U зависит ’’перекос” ТВ
332
сигнала, т.е. изменение яркости изображения вдоль строки (яркости
фона) на экране приемной трубки. Чтобы это изменение не было за-
метно на изображении, допустимый относительный перекос сигнала
должен быть Д=Д(//U'р^0,05 .
Постоянная времени разряда при Д^ 0,05 должна быть большой
и при /?'р > /?вых , равной
тр«СрЛ'р«(7’сл,-/11)/Д. (14.2)
Величина сопротивления /?'р обычно ограничивается входным со-
противлением усилительного каскада. Поэтому условие (14.2) по су-
ществу определяет емкость разделительного конденсатора
Ср^сг^-и/д./?;. (14.3)
Подставив (14.3) в (14.1), получим
(^вых! + ^inX^erp — <н)
Л-/?‘р ~3...5’
О | R ~----------------------В----------
“ык + ™ ~ (3...5X(7'CTp/tH) - 1]
(14.5)
Обеспечить выполнение условия (14.5) чрезвычайно трудно, а в
ряде случаев практически и невозможно из-за малого значения Д U и,
как следствие, из-за большого Rln. Поэтому постоянная времени заря-
да получается сравнительно большой и конденсатор Ср не успевает
зарядиться за время действия строчного гасящего импульса. В ре-
зультате уровень фиксации не остается постоянным и равным Еф, а
зависит от размаха импульса, т.е. от содержания изображения. Толь-
ко при большом размахе телевизионного сигнала Uc, т.е. при большом
абсолютном значении Д1/ и малом Rin, изменение уровня фиксации
из-за разной средней яркости изображений практически незначи-
тельно.
Для уменьшения /?ВЬ1К, в качестве предварительного каскада целе-
сообразно использовать эмиттерный повторитель. Часто эмиттерный,
или истоковый, повторитель используется и в качестве последующего
каскада для увеличения /?в, 2(т.е. R'f). Недостатком неуправляемой
схемы фиксации является и ее инерционность: при резком уменьше-
нии средней яркости при смене сюжета передаваемого изображения
уровень черного сигнала не фиксируется до тех пор (76.../g, рис.14.3,в),
пока напряжение U'p не уменьшится настолько, что уровень гасящих
импульсов будет достаточным, чтобы открыть диод. В результате
несколько строк изображения будут воспроизведены с искаженной
яркостью. Поэтому в настоящее время в основном используются уп-
равляемые схемы фиксации, для которых приведенные выражения
также справедливы.
В управляемых схемах фиксации управление проводимостью ди-
одов (триодов) осуществляется специальными импульсами, которые
333
Рис. 14.4. Управляемые схемы фиксации на транзисторах:
а — на одном; б — на двух
надежно отпирают диоды (триоды) при любом мгновенном значении
ТВ сигнала. Поэтому они работают при любой полярности ТВ сигна-
ла. Управляющие импульсы формируются из строчных гасящих или
синхронизирующих импульсов и следуют во время обратных ходов
строчной развертки.
Простейшая управляемая схема содержит полевой транзистор
VT3, работающий в ключевом режиме (рис.14.4,а). Напряжение на
истоке VT3 образуется на делителе RIR2R3 от источника питания £к.
Напряжение на резисторе R2 является напряжением фиксации и за-
пирает транзистор VT3 в промежутках между управляющими им-
пульсами. Управляющие импульсы положительной полярности по-
ступают на затвор транзистора VT3 и отпирают его во время
обратного хода строчной развертки.
Повышение стабильности уровня фиксации и уменьшение инерци-
онности схемы достигаются уменьшением постоянной времени заряда
т3« Ср(7?вых ( + /?си 0) из-за малого сопротивления сток-исток открыто-
го транзистора /?си 0. Конденсатор Ср во время активной части строки
—1„ разряжается через входное сопротивление Т?вх2 последующего
каскада и выходное 7?выя ( — предыдущего. Для повышения тр (за счет
/?г, 2) и предотвращения спада яркости вдоль строк в качестве следу-
ющего каскада целесообразно использовать эмиттерный повтори-
тель. Тогда RM 2»Л21э/?э2 и тр«Ср(Л21э₽,2-Ь/?вых ,). Последующий каскад
целесообразно выполнить по схеме с истоковым выходом на полевом
транзисторе с высоким входным сопротивлением.
При фиксации сигнала большого размаха последовательно с
транзистором VT3 (рис. 14.4,6) иногда включают транзистор VT4 для
предотвращения отпирания цепи фиксации непосредственно самим
телевизионным сигналом в промежутках между управляющими
импульсами.
334
Уровень белого
Рис. 14.5. Коррекция низкочастотных
искажений ТВ сигнала с помощью фик-
сирующих схем:
а — неискаженный сигнал; б — сигнал с утраченны-
ми и низкочастотными составлиющнмн; в — сигнал
после фиксации уровни черного
Рис. 14.6. Изменение отношения сигнал/фоновая помеха после фиксации уровня чер-
ного:
а — сигнал Uq\, лннейно сложенный с помехой (7ф, б — сигнал U'c[ после фиксации уровни черного; в — сигнал
t/c2> промодулнрованный помехой l/ф; г — сигнал (/'с2 после фиксации уровни черного
Фиксирующие схемы используются не только для восстановления
постоянной составляющей телевизионного сигнала. Они применяются
для уменьшения его низкочастотных искажений (рис.14.5) и для умень-
шения уровня аддитивных низкочастотных помех, т.е.помех, которые
линейно суммируются с ТВ сигналом (рис. 14.6,а,6). Теоретически мож-
но скорректировать относительный наклон Амдр = АГ/мдр/Г/с = 0,75
симметричных П-образных импульсов с частотой следования 50 Гц, воз-
никающий из-за искажения АЧХ в области низких частот (если допу-
стить максимальный спад ТВ сигнала за длительность одной строки
равным AtnpmdI = = 0,01).
Когда входной сигнал представляет собой сумму ТВ сигнала и
синусоидальной помехи с частотой 50 Гц, теоретически отношение
сигнал/фоновая помеха можно повысить в 50 раз при Астряих =
=0,01 (рис. 14.6,а,6). Однако если сигнал промодул и ров ан помехой, то
устранить ее этим методом невозможно (рис.14.6,в,г).
335
При фиксации уровня черного удается использовать в тракте уси-
лительные приборы меньшей мощности, а также снизить нелинейные
искажения сигнала, так как сокращается динамический диапазон
изменения уровней входного сигнала: при отсутствии фиксации ли-
нейный участок входных характеристик усилительного каскада дол-
жен примерно в2 раза превышать величину размаха сигнала Uc, а при
наличии фиксации линейный участок может быть равен Uc
(см.рис.14.2). Фиксация уровня сигнала необходима также при огра-
ничении уровней черного и белого, коррекции полутоновых искаже-
ний, модуляции несущей частоты полным цветовым ТВ сигналом и т.д.
14.3. ПРОТИВОШУМОВАЯ КОРРЕКЦИЯ
В усилительном тракте телевизионных систем принимается ряд мер
для уменьшения зашумленности ТВ сигнала и снижения заметности
помех на изображении. В частности, уровень аддитивных низкочастот-
ных помех уменьшается с помощью фиксирующих цепей, а уровень
флуктуационных помех — с помощью рационального конструирования
входных каскадов тракта, противошумовой коррекции и шу моподавите-
лей.- Важность этих мероприятий определяется стремлением повысить
чувствительность ТВ систем с учетом того, что передача сигнала и кор-
рекция его любых искажений, как правило, сопровождается увеличени-
ем уровня шумов.
Флуктуационные помехи в основном ’’засоряют” ТВ сигнал на уча-
стках тракта с малым размахом сигнала: в передающих трубках, во
входных цепях предварительных видеоусилителей, в линиях связи, на
входе приемников.
В телевизионных устройствах применяются два критерия оценки
зашумленности сигнала: отношение сигнал/флуктуационная помеха
и отношение сигнал/взвешенная флуктуационная помеха соответст-
венно:
V=UjU'm,y=UJUm, (14.6)
где t/c — размах сигнала изображения;
^W = VSS*“(“W (14'7)
— среднеквадратическое (действующее) значение флуктуационных
помех в полосе частот от/и до/в;
(14-8)
/н
— взвешенное среднеквадратическое значение флуктуационных по-
мех;
£ш(<о) —спектральная плотность мощности помех, В2/Гц; в част-
ности, для теплового шума согласно Найквисту, на любом активном
336
сопротивлении 7? при температуре Т (К) на всех частотах полосы
пропускания она одинакова — белый шум:
Хш = (dU'J/df = 4kTR, (14.9)
где k = 1,38-10'23 Дж/К — постоянная Больцмана;
— нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания
тракта, Гц;
ув „(со) — весовая функция помехи, учитывающая визуальное вос-
приятие различных спектральных составляющих шума и унифициру-
ющая учет воздействия флуктуационных помех с различным спект-
ральным распределением мощности на ТВ изображение (см.гл.4).
Критерий отношения сигнал/помеха может применяться, когда
спектральные распределения шумов всех источников помех одинако-
вы. В остальных случаях, и особенно когда приемником информации
является глаз, а воспроизводящим устройством кинескоп, форма
спектрального распределения помех (существенно неодинаковая для
различных источников шумов тракта) оказывает значительное влия-
ние иа визуальную оценку зашумленности изображения.
Из-за инерционности указанных элементов ТВ системы и зависи-
мости чувствительности зрительной системы от размеров и цвета объ-
ектов детали изображения (в том числе и "ложные” от помех) воспри-
нимаются глазом по-разному: в частности, более заметны зеленые
крупные детали. Поэтому заметность помех на экране кинескопа за-
висит от вида шумов и величин параметров элементов ТВ системы;
например, флуктуационные помехи с "треугольным” спектральным
распределением (входные каскады предварительных усилителей, ли-
нии связи 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
и = д/у^2 •
шр V Л ш<
•=1
При этом результирующее отношение сигнал/взвешенная помеха
на выходе тракта (или его участков) с заданной полосой пропускания
может быть определено из выражения
гдеф,= Ua/U„u — частный параметр i-ro участка (например, переда-
ющей трубки фт, предварительного видеоусилителя фу, линии связи
фл, приемника и т.д.) — отношение размаха сигнала изображения
t/dHa выходе участка тракта ci-м источником флуктуационных помех
к взвешенному действующему значению этих помех
Например, для предварительного видеоусилителя
337
(ЫИ)
Как следует из (14.10), при ф<»ф^_|) зашумленность ТВ сигнала
в основном определяется флуктуациями в предыдущих звеньях трак-
та; при результирующее отношение сигнал/взвешенная по-
меха на выходе i-ro звена уменьшается в у/2 раз (на 3 дБ); при
зашумленность ТВ сигнала определяется i-м звеном. По-
этому отношение сигнал/взвешенная помеха иа выходе каждого по-
следующего участка тракта с источником помех должно в несколько
раз превышать результирующее значение этого параметра на выходе
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 предвари-
тельном видеоусилителе передающей камеры наблюдается значи-
тельное уменьшение отношения сигнал/взвешениая помеха
передающей трубки фт. Это происходит из-за того, что размах сигнала
на выходе передающей трубки обычно сравним с уровнем шумов вход-
ной цепи и, как следствие, фу«фт. Поэтому результирующее отно-
шение сигнал/взвешенная помеха на выходе усилителя в основном
определяется согласно(14.10) отношением сигнал/взвешенная поме-
ха усилителя фру~фу, что заставляет использовать в нем противошу-
мовую коррекцию. Во входной цепи предварительного усилителя име-
ются по крайней мере два некоррелированных источника
флуктуационных помех (рис.14.7):
а) тепловые флуктуации в сопротивлении нагрузки трубки Re, при
/в>/н равные
V- = ^SaHdf ~ ДОКЛ- (»4-12)
б) дробовые флуктуации в активных элементах усилительных ка-
скадов £/'шу; оии могут быть оценены как эквивалентные тепловые
(пересчитанные на вход усилителя) в соответствующем сопротивле-
нии шумов:
„ — , ^ш2 , ^шЗ
«шу = Лш1+-^- + -^ +.... (14.13)
*'1^'2
где /?ш1, /?ш2,...,К|, /С2— — эквивалентные сопротивления шумов и коэф-
фициенты усиления первого, второго и последующих каскадов. На-
пример, для полевых транзисторов с крутизной S эквивалентное со-
противление шумов « 0.7S-’. Тогда
й'шя = ~ ^kTRayfe. (14.14)
338
Рис 14 7 Входная цепь предварительного усилителя с простой противошумовой кор
рекцией
а — упрощенная принципиальная схема; б — эквивалентная схема; в — АЧХ входной цели , усилители
Уу(ю) и результирующая урез
Соответствующие генераторы эквивалентных шумов показаны на
рис.14.7,б. Там же показана и паразитная емкость Ск = Ст 4- Си + Си,
шунтирующая сопротивление нагрузки трубки 7?и (Ст — выходная
емкость трубки; С* — емкость монтажа; С„ — входная емкость уси-
лительного каскада.
Паразитная емкость С„ и сопротивление нагрузки /?„ образуют для
сигнала изображения, шумов трубки i'tur и шумов нагрузки и'шн
(кроме шумов усилителя и'шу) интегрирующую цепочку — ФНЧ с
постоянной времени 7?„СН и коэффициентом передачи
*“(<0)= (14.15)
Эта цепочка оказывает большое влияние на параметры сигналов,
форму.частотной характеристики предварительного усилителя и, глав-
ное, на величину отношения сигнал/помеха и характер спектрального
распределения плотности мощности шумов на выходе ПВУ.
Выясним, как можно повысить отношение сигнал/помеха ПВУ.
Рассмотрим вначале случай, когда входная цепь — ФНЧ — вносит
иезначительные(допустимые)частотные искажения, даже на верхней
граничной частоте полосы пропускания т.е. когда
^вх доп
1
^1+«да.
0,95.. 0,98.
Если известно значение С„, то это условие будет соблюдаться при
доп
V1 Увхдоп
Увх доп^в^н
(14.16)
Тогда при /?н доп отношение сигнал/помеха на входе
ПВУ
339
'Л, '< 4
Ушвх Ж^ + ^'шу)2 + ^кТК "' (1417)
“н Ян
где t/c Ы=1СНК — размах сигнала на входе усилителя, так как переда-
ющая трубка является генератором тока сигнала /с , ее внутреннее
сопротивление
£/'швх = ^ш)2 + (^шу)2— действующее значение шумов нагруз-
ки и усилительных каскадов на входе усилителя.
В данном частном случае отношение сигнал/помеха на выходе
усилителя будет таким же, 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 остается тем же —
белый шум.
Для повышения отношения сигнал/помеха ПВУ, как это следует
из (14.17), необходимо:
а)увеличить размах входного сигнала t/CBX за счет увеличения тока
сигнала передающей трубки /с;
б) увеличить размах входного сигнала за счет увеличения сопро-
тивления нагрузки трубки — простая противошумовая коррекция
Брауде. При этом шумы нагрузки тоже растут, но увеличение сигнала
для рассмотренного частного случая в \R^раз ’’опережает” рост этих
помех;
в) дополнительно с простой противошумовой коррекцией увели-
чить размах отдельных частотных составляющих входного сигнала за
счет включения контура во входной цепи (рис.14.8), настроенного на
одну из промежуточных частот спектра /р,— сложная противошумо-
вая коррекция;
г) уменьшить уровень шумов активных элементов входных каска-
дов ПВУ за счет их рационального конструирования, а в особых слу-
чаях и с помощью охлаждения входной цепи и усилителя.
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 ресьма велика.
Особенно эффективно повышение как это следует из
(14.17), за счет увеличения RK до значения /?н яоп для рассмотренного
частного случая, когда не сказывается влияние паразитной емкости
Сн. Но эта мера оказывается недостаточной.
Для противошумовой коррекции приходится увеличивать /?„ до
значений, в Ю3...!!)4 раз превышающих R„ доп (до 1...2 МОм < Rh).
Однако в этом случае АЧХ входной цепи (ФНЧ) уи(<о) имеет весьма
значительный спад на высоких частотах полосы пропускания. Эти
искажения необходимо скорректировать в одном из промежуточных
340
каскадов усилителя так, чтобы результирующая АЧХ ’’входная цепь
— усилитель” была равномерной в требуемой полосе частот
Следовательно, АЧХ усилителя с учетом (14.15)
должна иметь подъем в области высоких частот (рис.14.7,а):
i'y(“) = jSw = ^' + “V"C" (14.18)
Отношение сигнал/помеха на выходе усилителя ф'у уже не будет
соответствовать (14.17), а определится из следующих соображений.
Высокочастотные составляющие ТВ сигнала, ослабляющиеся во
входной цепи, усиливаются в ПВУ в большей степени, чем низкочастот-
ные. Поэтому коэффициент передачи ’’входная цепь-усилитель” Ко не
зависит от частоты, и размах сигнала на выходе ПВУ будет равен
Ucm=Uc„K0 = leRHK0. (14.19)
То же самое происходит с флуктуационными шумами нагрузки
__________ -* [К________________________________________ _
и'шк ,ых = V( 5ШН^Х(Ш)К^/ « = А01/'шн. (14.20)
Спектральная плотность мощности этой составляющей шума на
выходе усилителя 8ШН выв =*= (4и'шкпа)2/(Ц = 4kTRltK20 не зависит от
частоты — белый шум.
Шумы активных элементов усилительных каскадов не ослабляют-
ся во входной цепи, а только усиливаются в ПВУ. Поэтому
— -» Р* , I ,а2Р2Г2
шу »ых = у V 4ЛГ/?шу/в( 1 + в ” ") х
о
Спектральная плотность мощности шумов активных элементов
каскадов на выходе усилителя определяется формой его АЧХ и про-
порциональна квадрату частоты — ’’треугольный” шум (рис. 14.7,в):
«шу вы. (<>) = 5шу у\ (<в) = 4ЙГ/?шуА02 (1 + <п2 Я2ХС2Х).
Отношение сигиал/помеха иа выходе ПВУ с учетом (14.19)—
(14.21) будет
, вых 1
"422>
’» < + з
Максимальное значение отношения сигнал/помеха определится
при /?в^8>3/<о2С2₽шу как
да!; ‘ Ивсн<«шу- (14.23)
341
Таким образом, шумы усилителя при простой противошумовой
коррекции определяются в основном флуктуациями в активных эле-
ментах первого каскада усилителя и имеют треугольное спектральное
распределение. Поэтому анализ зашумленности ТВ сигнала в ПВУ по
сравнению с вкладом других участков тракта передачи сигнала (в том
числе передающей трубки и входной цепи) должен проводиться по
величине 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 ф'у и фу приведены в табл.14.1
и 14.2 [9]. В таблицах и на рис. 14.8 использованы следующие обозна-
чения: гвх — внутреннее активное сопротивление катушки индуктив-
ности LBX контура во входной цепи; ишг — действующее значение теп-
ловых флуктуаций в сопротивлении гвх; А = lcy]l/4kTj*; d = /,//р; b =
=СН1/С„; т = RJR^, и = RhCm/t^, fv = 1/2л ^R„CH; RH =
С'н = Сн|Сн2/Сн; Сн = Сн1 + Сн2; СИ1 = Ст+С'„;
^"н2 Свх+С м, <ов 2л/в, Q в Ыдзв» йвзв WjT^B-
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 использование
в предварительных видеоусилителях. С помощью сложной коррекции
можно дополнительно повысить лишь в 1,5 раза (на 3,5 дБ); кроме
Рис. 14.8. Входная цепь предварительного усилителя со сложной противошумовой кор-
рекцией:
а — упрощенная принципиальная схема; б — эквивалентная схеме, в — АЧХ входной цепи усилителе
0у(и)н результирующая ^рез
342
Таблица 14.1
343
Таблица 14.2
344
того, из-за наличия индуктивности во входной цепи и различных пара-
зитных связей уменьшается устойчивость работы усилителя. Эти при-
чины, а также сложность коррекции АЧХ входной цепи в ПВУ, т.е.
обеспечение равномерной частотной характеристики ’’входная цепь—
усилитель” (рис.14.8,а), ограничивают использование сложной кор-
рекции.
Отношение сигиал/взвешеиная помеха можно повысить также с
помощью рационального конструирования входных каскадов усили-
теля, т.е., как это следует из (14.23), табл. 14.1 и 14.2, в основном за счет
уменьшения параметров Сн и /?шу, т. е. произведения Сн/?шу.
В качестве входных каскадов предварительных усилителей обыч-
но используются 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 /?ш, ио вместе с тем относительно большой
входной емкостью Ст. Эта емкость значительно уменьшает отношение
сигнал/взвешеиная помеха и устойчивость работы усилителя. Каскад
с истоковым выходом имеет сравнительно большое эквивалеитиое
сопротивление шумов:
(14.24)
иа малую емкость С„, так как его коэффициент передачи Ккп < 1.
Преимущества этих устройств удачно сочетаются в каскодной схе-
ме, которая состоит из двух последовательно соединенных полевых
*Рис. 14.9. Упрощенная каскодная
схема входного касквда предвари-
тельного усилителя
Рис. 14.10. Упрощенные принципи-
альные схемы коррекции частотных
искажений входной цепи:
а — с чвстотно-эависимым делителем; б — с ча-
стотно-зависимой отрицательно* обратно*
связью, охватывающей несколько первых каска-
дов усилителя
Предварительный
& Видеоусилитель
б)
345
транзисторов, работающих в режимах ’’заземленный исток” и ’’зазем-
ленный затвор” (рис.14.9). Нагрузкой первого усилительного прибора
является небольшое входное сопротивление второго /?вх2 asl/S»
«l/g21;так что при S]=S2 коэффициент усиления каскада
К12«
S]/?2.
(14.25)
ИМ2 ^2 Ri~
Эквивалентное сопротивление шумов и входная емкость этой схе-
мы 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 Явх2.
Коррекция амплитудно-частотных искажений входной цепи, воз-
никающих из-за высокого значения /?„СН, обычно производится с по-
мощью частотно-зависимого делителя или цепочки частотно-зависи-
мой отрицательной обратной связи, охватывающей несколько первых
каскадов усилителя (рис.14.10). В первой схеме сигнал поступает на
потенциометрический делитель /?/, Cl, R2, С2. Параметры его выби-
раются так, что R1»R2, С1таС2. Комплексное сопротивление ниж-
него плеча Z2 в пределах полосы пропускания практически не зависит
от частоты, а верхнего плеча меняется в широких пределах: на
высоких частотах 2]«72, а на нижних в 103...104 раз больше. Коэффи-
циент передачи делителя при R12 = RlR2/(Rl-\-R2)^R2, С12 =
=С1-\-С2 равен
Уд<“) ~
д/1 +
1 l+u^R^CIS2 '
Уменьшение низкочастотных составляющих сигнала в корректоре
при R1CI — R„CH соответствует их увеличению во входной цепи. Поэ-
тому результирующие частотные характеристики усилителя получа-
ются практически равномерными в заданной полосе частот
(см.рис.14.7,в):
Урез = УМ(“)Уд(“) «
1+ы2/?/гС/г______ 1
+ <о2/?„с2Х1 + ш^с/г2) Vi Л^с/г2
Для коррекции частотных искажений входной цепи часто исполь-
зуется также глубокая частотно-зависимая отрицательная обратная
связь, охватывающая несколько первых каскадов усилителя. Она ор-
ганизуется с помощью цепочки RKCK с большой постоянной времени
(рис. 14.10,6). Совместно с емкостью Сн эта цепь образует ФНЧ так, что
иа высоких частотах отрицательная обратная связь практически от-
сутствует, а иа низких глубина ее составляет 3 ...4 порядка (в соответ-
ствии с ослаблением высоких частот во входной цепи). Более точная
настройка АЧХ предварительного видеоусилителя (и соответственно
идентичность этих характеристик у всех трех ПВУ каналов основных
цветов передающей камеры) в ряде случаев производится дополни-
тельной регулировкой АЧХ в области высоких частот с помощью час-
тотно-зависимого делителя в одном из последующих каскадов ПВУ.
346
В случае использования сложной противошумовой коррекции до-
полнительно применяется ’’вырезывающий” каскад с режекториым
контуром. Каскад корректирует подъем частотной характеристики
входной цепи на частоте /р. Для коррекции используются обычно схе-
мы с параллельным контуром L^C^r^R^ в эмиттерной цепи или с
последовательным контуром в коллекторной цепи. Оптимальная фор-
ма результирующей частотной характеристики входная цепь — кор-
ректор получается при следующих соотношениях параметров:
Свр = ЗС0; гврСвр =гвхС/н; LBpCBp = RBp =
где Co — паразитная емкость схемы корректора; /?вр — сопротивление
шунта; лвр — внутреннее сопротивление катушки индуктивности LBp.
Коррекция частотных искажений входной цепи приводит к значи-
тельному'уменьшению размаха сигнала после корректора. Поэтому
эта коррекция производится на сравнительно высоком уровне сигна-
ла так, чтобы флуктуационные помехи каскадов после корректора
практически не ухудшали отношение сигнал/ взвешенная помеха.
14.4. ШУМОПОДАВИТЕЛИ
Многочисленные преобразования и коррекции ТВ сигнала в про-
цессе его формирования и передачи по каналу связи ухудшают отно-
шение сигнал/помеха. Поэтому в усилительном тракте ТВ системы
может возникнуть необходимость использования шумоподавителя.
Принцип действия их основан на фильтрации ТВ сигнала с помощью
гребенчатых фильтров.
Как известно, спектр ТВ сигнала имеет дискретную структуру с
гармониками, кратными частотам повторения строк и кадров; причем
последние группируются в виде достаточно узких боковых полос вок-
руг строчных гармоник. В то же время спектральная плотность шума
распределена по всему спектру и практически одинакова как в обла-
сти спектральных составляющих сигнала, так и между ними. Поэтому
гребенчатый фильтр с максимумами коэффициента передачи на час-
тотах, кратных частоте строчной развертки (пространственная филь-
трация) или частоте передачи кадров (временная -фильтрация),
уменьшает флуктуационные помехи за счет подавления шумовых со-
ставляющих, расположенных в минимумах коэффициента передачи.
В настоящее время фильтры с узкими максимумами коэффициен-
та передачи, чередующимися через 25 Гц или 15625 Гц в полосе про-
пускания усилительного тракта /в«6,0 МГц, реализуются лишь на
базе нерекурсивных и рекурсивных временных гребенчатых фильтров
(см.гл.5).
Принцип действия этих фильтров основан на взвешенном сложе-
нии ТВ сигналов от соседних кадров или строк, а возможность их
применения — на использовании высокой кадровой и строчной корре-
ляции ТВ изображений [ 17]. Например, простое сложение сигналов от
347
двух соседних кадров статического изображения приводит к двукрат-
ному увеличению размаха сигнала, в то время как действующее зна-
чение флуктуационных помех увеличивается лишь в ^2 раз (на 3
дБ):(7'шррз = V(t7' 4- (U'ul2)'2 ~ ^2U' Однако движущиеся объек-
ты при такой обработке будут ’’смазаны”, т.е. будут воспроизведены
с меньшей четкостью. Отчасти это допустимо, так как разрешающая
способность восприятия движущихся деталей и градационная разре-
шающая способность зрения для них уменьшаются [17]. В общем слу-
чае долю ТВ сигнала от деталей, изменивших свое положение в сосед-
нем кадре или строке, приходится ограничивать (’’взвешивать”) при
суммировании, в зависимости от размеров деталей и скорости их дви-
жения. Очевидно, при этом и выигрыш в повышении отношения сиг-
нал/помеха уменьшается. Рассмотрим эти вопросы более подробно.
Структурные схемы временных нерекурсивных гребенчатых
фильтров (с прямыми связями) первого и второго порядков приведе-
ны на рис.14.11,а,б. Они содержат оперативные запоминающие уст-
ройства ОЗУ для задержки входного сигнала на время То и сумматор
/, с умножителями для взвешенного сложения входного и задержан-
ного сигналов. Перед сложением сигналы умножаются на весовые
коэффициенты а или у, изменение которых в пределах 0<п<1 и
0<у< 1 позволяет менять параметры и характеристики устройства.
Алгебраическая сумма всех весовых коэффициентов должна быть
Рис. 14.11. Структурные схемы нерекурсивных временных гребенчатых фильтров
первого (а) и второго (б) порядков; АЧХ (в) фильтров "а” и "б";
г — переходная характеристика фильтра ’б” при а=у=0,25;/ — а=0,1(0,9); 2 —
а=0,3(0,7) ;<? — а=0,5; 4 — а=у=0,25; 5 — а=у=0,333
348
равна 1 для нормирования коэффициента передачи К.тах = 1, что дает
возможность при необходимости отключать ("обойти") шумоподави-
тель.
Гребенчатая форма коэффициента передачи и АЧХ фильтров
/С(<о) — периодическая функция с периодом, равным времени задерж-
ки сигнала в ОЗУ То = 2л/<о0(рис. 14.11), образуется за счет суммиро-
вания в фазе гармоник сигнала с частотами к(л0—к2п/Т^ а гармоник
с частотами (ft-|-0,5)<o0 в противофазе (где k — 0,1,2,...). Для фильтра
второго порядка (рис.14.11,6), использующегося водном из вариантов
двумерного апертурного корректора, форма АЧХ в принципе может
быть более сложной. Переходная характеристика h(nT0) — реакция
системы на единичный скачок сигнала при л = 0(где л — порядковый
иомер интервала времени Уд) приведена иа рис. 14.11,г. Форма ее, в
отличие от ПХ других элементов тракта формирования аналогового
ТВ сигнала, определяется не только линейными искажениями в пре-
делах полосы пропускания устройства шв (в частности, огибающей
максимумов, т.е. относительными величинами максимумов АЧХ, и
искажениями фазочастотиой характеристики). Она зависит и от вели-
чины скачков сигнала, следующих через интервалы времени То. Поэ-
тому длительность фронта характеристики может быть задана в чис-
ле интервалов времени задержки лф. Форма переходной характе-
ристики позволяет также оценить реакцию системы иа единичный
импульс и на последовательность единичных импульсов [83].
В общем случае АЧХ гребенчатых фильтров первого и второго
порядков, используемых в ТВ устройствах и содержащих соответст-
венно одно или два ОЗУ, может быть найдена с помощью г-преобра-
зования. В результате решения системы уравнений, связывающих
входное Un(z) и выходное (7BbUt(z) напряжения (умноженные на соот-
ветствующие весовые коэффициенты, а сигналы, поступающие с ОЗУ,—
дополнительно на множитель z_|), находится передаточная функция
в общем случае вида
_ ^.ыЛ2) “о + oi2 + “г22
ад ьо + ь1г + ь^-
Тогда форма АЧХ при Amax = 1 определится из выражения [83]:
V/4n + d.cosioT'n 4- i4,cos2b>rn
^+-B;Cos<o7;+4os2<oV (14-26)
где Kgu, = 1 — коэффициент передачи в максимумах АЧХ;
Ао = а2о + а21 + а2* Л| = 2at(a0 + а2); А2 = 20^
Во = Ь2о + Ь21 + В, = 2Ь,(Ь0 + Ь2); В2 = 2Ь0Ь2.
В результате указанных преобразований для нерекурсивного
фильтра первого порядка (рис.14.11,а) получим
349
,_________________________ , I JOTT
Кнр1(<о) = V' — 2a(l — a) + 2a(l — ajcosiofo = у 1 — 4a(l — a)sin2——;
Kmax = 1 — 2a на частотах fta)0 и (ft + 0,5)<d0 соответствен-
но (рис.14.1 l,e).
Относительная полоса пропускания максимумов на уровне 0,707
определится из выражения
2Д/70 = — arccos —.
° л (1 - 2a)2 - 1
Эффективность подавления шумов оценим с помощью коэффици-
ента фильтрации белого шума, равного
♦'вых U'uibx \ / 0_______1
6" ₽‘ ” “ й'ш “ \ / “» <l-2a(l-a) •
у ^HP(“)d“
Переходная характеристика и ее длительность фронта лф70
П — а при п = 01
Л<"Г«)=(1 „рип>| I”.-1-
Как следует из выражений дляфбнр1и 2А/70, экстремальные значе-
ния их будут при a = 0,5. Тогда
I ш7о1
*„₽!<<>) = |cos— |;Km„= l;Kmia = 0;2A^Omi„ = 0,5;Q6Hplmei= 1,41(3 дБ).
Для нерекурсивного фильтра второго порядка (рис.14.11,6) при
весовых коэффициентах а = у и 1 — 2a (для симметрии переходной
характеристики, малых фазочастотных искажений и Ктах = 1) пара-
метры определятся по следующим формулам:
9ш7о
Кнр2(<°) =|1 — 2a + 2асо5ы^= 1 — 4asin/—,
1 °.293'
. 2A/r0 = -arccos
°бн₽2 = V(1 - 2а)2 + 2а2’
А(лТ0) =
а при л = 0
1 — а при л = 1
1 при л 2
лА = 2.
ф
Как показывает анализ, здесь характерны два частных случая
(рис.14.11,в):
350
а) при a = y= 0,25; KmiB = 0 на частотах (Л4-О,5)<о0;
„ШГП
Кнр2 (ы) = cos2—; 2Д/Г0 = 0,364; Q6h₽2 = 1,63 (4,2 дБ у, Яф = 2;
б) при а = у = 0,333; Ктш = 0 на частотах (£4-О,333)й)о и
(£+0,666)<оо, а на частотах (ЛЧ-О,5)и)о; А(ы)= 0,333; 2Л/ То mill = 0,311;
СбнР2 mox = Ь73 (4,8 дБ); лф = 2.
В рассмотренных нерекурсивных фильтрах нельзя получить более
узкие максимумы АЧХ. Поэтому из-за сравнительно малой эффек-
тивности подавления флуктуационных помех они чаще используются
в сочетании с рекурсивными (рис. 14.12,а) в так называемых канониче-
ских фильтрах с прямыми и обратными независимыми связями
(рис.14.12,в,г).
Характеристики рекурсивного фильтра первого порядка
(рис.14.12, а) при Kmoj = 1 имеют вид
Ap(<n) = (1 - p)/Vl + ₽2 - 2₽cos<o70;
= 1 и Kmin = (1 — ₽)/(!+₽) на частотах Лш0 и (Л + 0,5)<о0
соответственно (рис.14.12,б);
2Д/гй = 1 arsccos —;
Qep = V(1 + ₽)/(! - ₽); Л(яТ’о) = 1 - ₽<я+,)-
Рис. 14.12. Структурные схемы рекурсивного (а) и канонических (в, г) гребенчатых
фильтров первого порядка; АЧХ рекурсивного фильтра (б)
351
Рис. 14.13. Параметры рекурсивного (пунктир) и канонического (сплошные линии)
фильтров
Рис. 14.14. Амплитудно-частотные характеристики канонических фильтров:
а — первого порядив; I — нря 0=0,25, <=0,625/т=0,5; 2 — при 0=ОД в=0,75/т=0,5, 3 — при
0=0,75, в=0,в75/т=0.5; б — второго порядив с раэиына ОЗУ ва Гостр = Го и Гон = яТд
352
Численные значения основных параметров рекурсивного фильтра
приведены на рис.14.13. Характерными особенностями фильтра по
сравнению с нерекурсивным являются широкий диапазон изменения
параметров при 0^р<1. Этот диапазон ограничен при р->-1 уменьше-
нием устойчивости устройства и увеличением времени установления
переходной характеристики лф70; вместе с тем при ₽—»-1 уменьшается
относительная полоса пропускания максимумов и, как следствие,
увеличивается коэффициент фильтрации шума. Например^ при 0 =
=0,9 лф = 20, 2NfT0 = 0,033; Q6p = 4,36(12,8 дБ).
Анализ характеристик канонических фильтров рис.14.12,в,г пока-
зывает, что рациональная форма АЧХ(Атах= 1,АП1,л = 0)для наиболь-
шего подавления помех будет при следующих соотношениях весовых
коэффициентов а=0,5 (1 + ₽ и у=0,5 ). Тогда для обоих фильтров
'<к1(“) = Ар(<о)^р1(И) = -^г&
1 + cosioTq
1 4- р2 — 2pcos<i)7'0
2Д/Г0 = - arccos <?бк1 = д/2/(1 - Р); й(пГ0) = 1 - 0,5₽л(1 + р).
л • + Р
Форма АЧХ и параметры канонических фильтров первого порядка
приведены на рис. 14.13 и 14.14,о. Отсчет параметров производится
для 2А/Т0 = const. Сравнение характеристик рассмотренных фильт-
ров показывает, что канонические фильтры при одинаковой полосе
пропускания максимумов за счет лучшей формы АЧХ обеспечивают
несколько большее подавление помех, чем рекурсивные, но, главное,
они обладают большим запасом устойчивости [83], а следовательно,
допускают и больший диапазон изменения параметров.
Повышение эффективности в давления шумов можно достигнуть
за счет одновременного использования межкадровой, межстрочной и
межэлементной корреляции ТВ сигналов путем соответственно вре-
менной и пространственной (вертикальной и горизонтальной) фильт-
раций [39] Реализация подобного шумоподавителя возможна с по-
мощью гребенчатого фильтра третьего порядка с разными
временными задержками на время длительности кадра, строки и эле-
мента изображения (т.е. трех последовательно включенных канониче-
ских фильтров с ОЗУ на 7’OK=zT0= 40 мс; То стр = То = 64 мкс и Тоз =
= 62,5... 85,0 нс). Последний фильтр по существу представляет собой
ФНЧ, понижающий уровень высокочастотных составляющих сигнала
и шума. Характеристики подобного шумоподавителя (без учета ФНЧ)
с использованием гребенчатого канонического фильтра второго по-
рядка при у = = устр= 0,5 описываются выражениями
(1 - РкХ1 - Ретр)-. / (» - совгыГрХ! - cosmT-p)
2 Y (1 + й — 2PKcos(oz7pXl + Рстр — 2pcTpcoso7'p)’
max max = 1 На ЧаСТОТЭХ ftZ(00, Э Kmin = 0 НЭ ЧЭСТОТаХ (*+0,5)(O0 И
(£+0,5)z(o0(’)hc.14.14,6);
353
VAfzT,. = — arccos-5; VAfTr, = — arccos-5—
° П I + P2 Л 14-p^
(в области частот, где Кк2(<о) = Кк2тахтах = 1);
2
' -<,эд'' W
Пр» ₽ — ₽. — ₽„,: <?,й — = 2/(1 — ₽) значительно нреныша-
етзначения коэффициента подавления шума канонического фильтра
первого порядка Q6h].
Как следует из приведенных выражений, эффективность подавле-
ния флуктуационных помех гребенчатыми фильтрами при одинако-
вой корреляции между кадрами и между строками не зависит от
абсолютной величины времени задержки сигналаТо в ОЗУ, т.е. от
частоты повторения максимумов АЧХ (fOK = 25 Гц и = 15625 Гц).
В действительности же оно определяется фактическими величинами
корреляций сигналов конкретного ТВ изображения. Поэтому величи-
на и характер искажений изображения, возникающих при временной
или пространственной фильтрации реальных изображений, будут
различны. Допустимые значения этих искажений и будут определять
эффективность подавления помех.
Очевидно, что при передаче статических изображений временная
фильтрация из-за полной корреляции кадров не вносит искажений.
Только появление новых статических объектов при временной фильт-
рации происходит с ’’задержкой предъявления” их во времени в соот-
ветствии с величиной пфТОк. Использование же пространственной
фильтрации при сложении сигналов от некоррелированных участков
соседних строк во всех случаях (даже для статических изображений)
сопровождается уменьшением четкости по вертикали (из-за размы-
тия горизонтальных границ и уменьшения контраста мелких дета-
лей), а также ’’задержкой предъявления” (сдвигом) объекта по верти-
кали (воспроизведение его на последующих строках в соответствии с
величиной длительности фронта переходной характеристики ифГОстр).
Например, при использовании нерекурсивного фильтра 2-го порядка
(рис.14.11,6) иа = у = 0,25 в случае передачи одиночной детали раз-
мером в один элемент на предыдущей и последующей строках поля
(как это следует из рис.14.11,г) появляются ложные детали с разма-
хом сигнала 0,25(/вх, а на основной строке — с размахом 0,5 t/M.
Наконец, при любом виде временной гребенчатой фильтрации дви-
жущиеся объекты будут ’’смазываться” пропорционально скорости
их движения. Поэтому эффективное подавление шумов может прово-
диться с помощью временной фильтрации и только для неподвижных
участков изображений. Следовательно, в общем случае при измене-
нии корреляции сигналов и при передаче мелких деталей необходима
адаптивная перестройка параметров гребенчатых фильтров в режи-
354
Рис. 14.15. Структурная схема циф-
рового шумоподавителя на основе
рекурсивного фильтра
ме реального времени (в частности, 2Д/7'О и пф7'0)так, чтобы обеспечить
максимально возможное качество изображения (см.гл.4) за счет ра-
ционального обмена между частными параметрами — четкостью и
отношением сигнал/помеха. Эту задачу в шумоподавителе выполняет
анализатор корреляции сигналов, так называемый детектор движе-
ния, в котором в результате сравнения сигналов на входе и выходе
ОЗУ формируется управляющий сигнал, изменяющий значения весо-
вых коэффициентов а,р и у.
В отличие от пространственной фильтрации, где можно применять
любую форму сигналов — аналоговую или цифровую (из-за относи-
тельной простоты реализации задержки сигнала на = 64 мкс с
помощью линий задержки), в шумоподавителях с временной фильтра-
цией приходится использовать цифровую фоому сигнала из-за необ-
ходимости задержки сигнала на кадр ТОк= 40 мс.
Известные примеры реализованных цифровых шумоподавителей
с ОЗУ на кадр построены на основе рекурсивных и канонических
фильтров [20,40]. Шумоподавитель с рекурсивным фильтром
(рис.14.15) отличается простотой реализации детектора движения, в
общем случае достаточно сложного цифрового устройства с высоким
быстродействием. Здесь детектор движения представлен ОЗУ на 7^,
формирователем разностного сигнала соседних кадров V , формиро-
‘-‘2
вателем сигналов управления ФСУ, умножителями X для взвешенно-
го сложения сигналов в сумматоре £ . Как показывает опыт, исполь-
зование подобных шумоподавителей позволяет существенно (до 12
дБ) повысить отношение сигнал/помеха.
Уменьшение зашумленности изображений можно достигнуть так-
же с помош jio методов статистической фильтрации и эвристических
методов пространственной обработки изображений иа основе исполь-
зования так называемых шумоподавляющих масок [85].
355
14.5. АПЕРТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ
Апертурные искажения изображения возникают в фотоэлектриче-
ских преобразователях из-за конечных размеров сечения (апертуры)
электронного луча и аберраций в оптических и электронных системах.
Эти искажения приводят к уменьшению размаха высокочастотных
составляющих ТВ сигнала, т.е. к увеличению длительности фронта
переходной характеристики системы. В результате уменьшается чет-
кость телевизионного изображения: размываются резкие границы
крупных деталей и уменьшается контраст мелких деталей. В отличие
от частотных искажений, возникающих в усилительных каскадах
тракта, апертурные искажения не сопровождаются фазочастотными
искажениями. Поэтому и методы коррекции здесь используются дру-
гие.
В современных ТВ системах апертурные искажения в основном
обусловлены искажениями, возникающими в фотоэлектрических пре-
образователях "свет-сигнал”. Размеры апертуры электронного луча
приемных трубок с большими экранами невелики по сравнению с
размерами элемента изображения. Апертурные искажения оценива-
ются либо по переходной, либо по апертурной характеристике трубки
^т(<о)или 1/Дз)(см.гл.6). Очевидно, коэффициент передачи апертурно-
го корректора при передаче крупных деталей должен быть Как = 1, а
его АЧХ ^вк(<о)должна быть такой, чтобы при линейной фазочастотной
характеристике г/вк(<о)х/т(<о)= 1.
Апертурная характеристика передающей трубки в общем случае
может быть аппроксимирована функцией
где /с кр — размах тока сигнала от крупной детали, размер которой
значительно превышает размеры апертуры; <о0—частота, на которой
размах тока сигнала /с уменьшается в е раз; а„ а2,...—постоянные
коэффициенты.
Тогда
2 4
Апертурные искажения корректируются с помощью схем диффе-
ренциальной и разностной коррекций с использованием устройств
запоминания (задержки) ТВ сигнала. Принцип действия схем диффе-
ренциальной коррекции (рис.14.16) основан на алгебраическом сло-
жении в определенных пропорциях входного сигнала uBX(w) с сигнала-
ми его четных производных:
= и» 4- bjU^w2) 4- b2u4(w4) 4- - + Ьпи2п(ы2п).
356
Сигналы четных производных формируются обычно двухзвенны-
ми дифференцирующими цепочками с линейной фазочастотной ха-
рактеристикой, например CpLn (рис.14.16,6), так как напряжение на
выходе этих цепочек пропорционально квадрату частоты:
“2(“2)s(“/“o)2-
В сумматорах Е1,Х2,...,Еп(рис. 14.16,а) входной сигнал алгебраиче-
ски складывается с сигналами четных производных, которые форми
руются дифференцирующими цепочками D2, D^...,D2n. Фазовые сдви-
ги, возникающие при формировании корректирующих сигналов,
компенсируются с помощью линий задержки ЛЗ. На практике часто
ограничиваются использованием сигнала второй и (или) четвертой
производной.
На рис.14.16,в приведены переходные характеристики до и после
алгебраического сложения входного сигнала с сигналом второй про-
изводной 6,и2(ь.2). Из рисунка следует, что с помощью подобной опера-
ции (при малых фазочастотных искажениях) может быть получена
симметричная переходная характеристика с существенно меньшей
длительностью фронта по сравнению с исходной. Но на ней возникают
выбросы (т.е. на ТВ изображении — пластика). Кроме того, после
апертурной коррекции увеличивается и зашумленность ТВ сигнала за
счет ’’добавления” флуктуационных помех из каналов четных произ-
водных.
Разностная апертурная коррекция основана на вычитании из
входного сигнала ’’информации” о соседних элементах изображения.
Оиа реализуется на нерекурсивных гребенчатых фильтрах с линейны-
ми фазоча< тотными характеристиками (см. § 14.4).
357
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, очевидно,
зависит от размеров апертуры и закона распределения плотности
электронов коммутирующего луча.
Для формирования сигнала, пропорционального яркости только
одного /-го элемента изображения, необходимо из суммарного сигна-
ла вычесть ’’взвешенные” сигналы, пропорциональные яркостям
предыдущих /—п и последующих 1-\-п соседних элементов (по направ-
лению соответствующей развертки), где п = 1,2....q —порядковые
номера соседних элементов. Однако этих сигналов также в ’’чистом”
виде не существует. В первом приближении вместо них можно исполь-
зовать сигналы, которые формируются во время прохождения луча
через соседние элементы, т.е. другие соседние мгновенные значения
того же сигнала.
В общем случае число q и относительные величины а^п составля-
ющих uiin полного корректируклЦего сигнала икор, а также их относи-
тельное время задержки (опережения) + 7^,зависят от диаметра
апертуры и закона распределения плотности электронов коммутиру-
ющего луча:
ч
“кор = - £ “i±n“i±n- (14.27)
Л=1
где и,, ui±n — мгновенные значения сигналов во время коммутаций /-го
и (/4-л)-го элементов изображения.
Для получения симметричной переходной характеристики необхо-
димо, чтобы коэффициенты
^_я = а1+л, (14.28)
а для нормирования коэффициента передачи устройства на сред-
них частотах полосы пропускания Квв = 1:
ч
= (14.29)
Л=1
Сигнал на выходе корректора иВЫ1 = и, -|- аКОрикор-
В простейшем случае при апертурной коррекции в горизонталь-
ном направлении и акор = at = 1 (а^ = 0,5; рис.14.17) корректирую-
щий сигнал согласно (14.27) — (14.29) может быть образован из трех
составляющих: икор = и, — 0,5ц_* — 0,5u,+k, а сигнал на выходе
корректора
“кых = “. + "кор = 2и,. — 0,5ц_* — 0,5ui+t, (14.30)
где ц_й, ui+k — мгновенные значения сигнала во время коммутации
k-ro предыдущего и k-ro последующего элементов изображения, на-
358
Рнс. 14.17. Форма сигналов от черно-белых полосок различной ширины в разностном
апертурном корректоре
пример отстоящих по строке от i-ro элемента на расстоянии 4-0.5г/зф
(где d.^ —эффективный диаметр апертуры с эквивалентной равно-
мерной плотностью распределения электронов).
Так как при реализации корректора можно использовать только
задержанные сигналы, то ui+k—uBX представляет собой мгновенное зна-
чение сигнала, непосредственно поступающего в данный момент на вход
корректора; и, — мгновенное значение сигнала, задержанного на время
7’ш«0,5тф (тф — длительность фронта ПХ свет-сигнала на входе коррек-
тора); и. А — мгновенное значение сигнала, задержанного на врем».
(см.рис.14.17). Для совмещения во времени основного и
корректирующих сигналов используются линии задержки. Из рисунка
видно, что на выходе корректора увеличивается размах сигнала от оди-
ночных мелких деталей и уменьшается тф, но на ПХ появляются
выбросы. Глубина апертурной коррекции может регулироваться с по-
мощью изменения параметров акор и a/a,in). Ограничениями являются
увеличение выбросов ПХ и уменьшение отношения сигнал/помеха из-за
того, что при алгебраическом сложении ТВ сигналов флуктуационные
помехи всегда увеличиваются в соответствии с (14.9).
Достоинством данного метода является возможность коррекции
апертурнь» искажений как в горизонтальном, так и в вертикальном
направлении. Однако в вертикальном направлении из-за дискретного
характера передачи изображения выбор времени задержки То огра
359
ничен длительностями, кратными периодам передачи строк ГОстр = 64
мкс и кадров 7'0к= 40 мс. Очевидно, более простая реализация коррек-
тора получается при использовании аналоговых сигналов соседних
строк одного поля, так как для их фазирования могут применяться
линии задержки на строку. Из-за чересстрочного характера разложе-
ния изображения задержка сигнала на Т01 = ТОстр = 64 мкс означает
использование корректирующего сигнала от соседней строки поля,
т е. от второй строки кадра (п = 2). При этом для коррекции в верти-
кальном направлении сигнал и; должен быть задержан на TOj = 64
мкс, а и;_2 — на 2TOj = 128 мкс относительно сигнала и/+2 (где j —
номер строки кадра).
При одинаковой четкости изображения по вертикали и горизонта-
ли сигнал горизонтальной коррекции должен содержать составляю-
щую и„ задержанную на Тп = 2/э — (0,125...0,170) мкс (где i — номер
элемента строки; t3 — номинальная длительность сигнала от одного
элемента изображения), и составляющую и,_2, задержанную на
27'0~4/э относительно сигнала ui+2.
Сигнал на выходе подобного корректора (рис.14.18)в частном слу-
чае при а1±п = 0,5 формируется следующим образом:
^выя ^j/i ^кор^кор»
где Ы//1 — это ию = и0+2)/(,+2), задержанное на время TOj и Ты; uBop = uB/( +
+ ui[r'< u„/i = u,/i 0,5u(/_2)/i — 0,5u(/+2)/i; uj/r = ut/i — 0,5u//(j_2) 0,5u//(i+2).
Сигналы вертикальной uB/1 и горизонтальной u//r коррекций, а так-
же суммарный корректирующий сигнал икор формируются в соответ-
ствующих сумматорах V У и у , а выходной сигнал — всумматоре
2ВЫХ; ОЗУВ зг ^ерживает сигнал вертикальной коррекции ив/(1+2> на
время, равно длительности двух элементов изображения, и тем са-
мым фазируг г сигналы вертикальной ue/i и горизонтальной u//r кор-
рекций относ ггельно i-ro элемента /-й строки (рис. 14.18,в). Мгновен-
ные значения телевизионного сигнала, обозначенные в соответствии с
(14.31) и отмеченные на рис.14.18,6, формируются во время прохожде-
ния центра апертуры по соответствующим элементам изображения
(рис.14.18,в); причем в формировании сигнала на выходе корректора
в каждый данный момент времени в различных пропорциях участву-
ют только те мгновенные значения сигнала, которые образуются при
нахождении центра апертуры на заштрихованных элементах изобра-
жения.
Как следует из вышеизложенного, в настоящее время в разност-
ных апертурных корректорах используются временные нерекурсив-
ные фильтры второго порядка (см.рис.14.11,6) с малыми фазочастот-
ными искажениями. У подобных устройств форма АЧХ —
периодическая функция с периодом, равным времени задержки сиг-
налов в ОЗУ 7'0=2л/<о0. В отличие от фильтров, рассмотренных в
§ 14.4, в апертурных корректорах используются фильтры с отрица-
тельными весовыми коэффициентами, вследствие чего у них экстре-
360
Элементы
Рис. 14.18. Двумерный апертурный корректор:
а — упрощенная структурная схема; б — осциллограмма ТВ сигнала на входе корректора; в — элементы изобра
женин (заштрихованные окружностиX "взвешенные” сигналы от которых участвуют в формировании мгновенных
значений выходного сигнала
мумы АЧХ меняются местами. В сумматоре £ производится алгебра-
ическое сложение сигналов: на первый и третий входы они поступают
в отрицательной полярности и умножаются на весовой коэффициент
а (одинаковый для обоих входов — для симметрии переходной харак-
теристики), а на второй — в положительной полярности с весовым
коэффициентом 1 -f- 2а (для нормирования коэффициента передачи
устройства К.м = 1). Коэффициент передачи подобных устройств опре-
деляется с помощью z-преобразования (14.26):
,о>Г0
Х(<|>) —11 + 2а — 2acos<i>TJ — 1 -f- 4asin2 ;
= 1, Kmnr — 1 4- 4a на частотах Л<о0 и (Л4-О,5)<о0 соответственно
(рис.14.19, а).
361
Рис. 14.19. Зависимости коэффициента передачи от частоты (а) и переходная характе-
ристика (б) нерекурсивных фильтров 2-го порядка, использующихся в двумерном
апертурном корректоре
Переходная характеристика фильтра (рис.14.19, 6)
h(nT0) =
а прип = О;
1 + а при п = 1;
1 при 2.
Анализ этих характеристик позволяет сделать следующие выво-
ды. Эффект повышения резкости воспроизведения вертикальных
границ деталей создается в горизонтальном корректоре при Та =
=0,125—0,170 мкс за счет появления выбросов и уменьшения длитель-
ности фронта (рис.14.17 и 14.19) переходной характеристики h(nT0),
форма которой в реальных системах ’’сглажена” апертурными иска-
жениями в передающей трубке и линейными искажениями д видео-
усилительном тракте. Частотная характеристика корректора неравно-
мерная (рис.14.19,а): максимум коэффициента передачи Какпшх = 2...3
(при а = = 0,25—0,5)обычно располагается на частоте 0,5<оа, т.е. на
0,5/м=0,5/Ти = 3...4 МГц. Если бы максимум располагался на частоте
/в « 6,0 МГц (время задержки Та равно длительности одного элемента
изображения /,«0,0625 мкс), то в этом случае четкость по горизонтали
превышала бы четкость в вертикальном направлении.
Однако в горизонтальном апертурном корректоре вместе с высо-
кочастотными составляющими ТВ сигнала увеличиваются и флукту-
ационные помехи. Отношение сигнал/помеха для. белого шума на
входе при а = 1 уменьшится на величину, равную
в
A .
«Ve + 2а)2 + 2а2.'
“в
Д du)
Jo
При а = 0,25—0,50: QT = 1,54-2,12(3,8...6,6 дБ).
В вертикальном корректоре при Т0; = 64 мкс повышение резкости
воспроизведения горизонтальных границ деталей достигается за счет
362
специфической формы ’’пространственной” переходной характери-
стики h(nTOj), т е. за счет уменьшения сигнала (яркости фона) на преды-
дущей строке — перед деталью, и увеличения сигнала (яркости на
границе детали) на следующей строке (в частности, при а = 6,25...0,5
на 25...50 %) — ’’вертикальная пластика”.
Из рис. 14.19,а следует, что в этом корректоре — гребенчатом филь-
тре с частотой следования минимумов fOj = \/TOj = 15,625 Гц — размах
составляющих ТВ сигнала на частотах &<о0/=£<остр в пределах полосы
пропускания «„не меняется,так как КактМ=1. Однако уровень флук-
туационных помех значительно увеличивается за счет повышения Аак
(со) в пустых промежутках спектра ТВ сигнала — в области максиму-
мов на частотах (k4-0,5)о>стр. Уменьшение отношения сигнал/помеха в
вертикальном корректоре для белого шума на входе при акор = 1 будет
ориентировочно таким же, как в горизонтальном
жд/( 1 -|-2а)2-!-2а2, но с другим характером спектрального распределе-
ния мощности помех из-за отличия в формах АЧХ устройств.
Без учета веса помех результирующее уменьшение отношения сиг-
нал/помеха согласно (14.9) при одинаковых а = 0,25...0,50 и акор = 1
в обоих корректорах будет
Q„ « ^Q2+Q2B » V2QrB = 2,17...3,0 (6,8...9,5 дБ).
Подобное уменьшение отношения сигнал/помеха часто неприем-
лемо из-за ухудшения качества изображения. Поэтому в апертурных
корректорах для повышения отношения сигнал/помеха и уменьше-
ния выбросов используют ряд мероприятий. Наиболее существенны-
ми из них являются: нелинейная обработка биполярного корректиру-
ющего сигнала икор (рис. 14.17) за счет двустороннего ограничения его
среднего уровня (т.е.в основном шумов в области ±2..,5 % его разма-
ха), а также применение шумоподавителей и адаптивных корректо-
ров.
В качестве шумоподавителей используются также нерекурсивные
гребенчатые фильтры второго порядка, нос положительными весовы-
ми коэффициентами (рис.14.11,6), т.е. с измененными положениями
экстремумов АЧХ. Например, в горизонтальном корректоре (вместо
первого ОЗУ на Г0/-вертикального корректора, рис.14.18) входной сиг-
нал поступает через шумоподавитель(ШП) — гребенчатый фильтр с
временем задержки TOj и весовыми коэффициентами а = 0,25 и
(1—2а) = 0,5, а в вертикальном корректоре вместо фазирующего ОЗУ„
(рис. 14.18)используют подобный же шумоподавитель, нос 70| = 1...2/э,
минимум коэффициента передачи которого Kmin = 0 находится на
частоте l/TOj = 3...6 МГц. По существу он представляет собой ФНЧ с
линейной фазочастотной характеристикой. Его недостаток — фильт-
рация 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 индивиду-
363
ально с помощью акор ,у = var в зависимости от уровня шумов, уровня
сигнала изображения, т.е. яркости детали, ее цветности и других па-
раметров [41]. Алгоритмы работы блока анал-иза и формировани»
сигналов управления величинами параметров акор1/-подобны алгорит-
мам 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 TOij и возможности использования для
ОЗУ искусственных линий задержки.
Дальнейшее развитие схем апертурных корректоров базируется
на применении цифровых устройств. Здесь формирование корректи-
рующего сигнала производится из цифровых сигналов от соседних
строк кадра и от соседних элементов изображения на основе исполь-
зования ОЗУ на кадр. Один из упрощенных вариантов подобного
устройства содержит ОЗУ на поле и дополнительный ОЗУ на строку
[41 ]. В подобных устройствах, помимо более эффективной апертурной
коррекции за счет формирования корректирующих сигналов от сосед-
них элементов по горизонтали и вертикали, удается использовать
более эффективные шумоподавители с памятью на кадр, а также
учесть статическую и динамическую неравномерность четкости по
полю изображения (например, в центре и в каждом из углов кадра).
В общем случае целесообразность и эффективность использова-
ния апертурной коррекции в каждом конкретном случае оценивается
по интегральному критерию качества изображения, величина которо-
го определяется частными параметрами, и в первую очередь четко-
стью, отношением сигнал/помеха, величиной выбросов и т.д. Апертур-
ные корректоры целесообразно использовать не только в тракте ТЦ,
но и в ТВ приемниках для уменьшения протяженности цветовых пере-
ходов [41 ].
14.6. КОРРЕКЦИЯ ПОЛУТОНОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ
Полутоновые искажения изображения являются следствием не-
линейных искажений сигнала изображения и различных условий на-
блюдения передаваемого и воспроизводимого изображений (оригина-
ла и репродукции).
Нелинейные искажения ТВ сигнала возникают в фотоэлектриче-
ских преобразователях и в каскадах видеоусилительного тракта из-за
нелинейности их световых и амплитудных характеристик. В черно-бе-
лых ТВ системах эти искажения приводят к неправильному воспроиз-
ведению градаций яркости (полутонов) передаваемого изображения,
а в цветных — и к искажениям цветности.
Коррекция нелинейных искажений по существу сводится к получе-
нию требуемой формы характеристики передачи уровней яркости те-
левизионной системы Ью = f(L0), где Lo, L,,3 — яркости оригинала и
364
изображения на экране кинескопа соответственно. Форма этой харак-
теристики зависит не только от форм световых и амплитудных харак-
теристик элементов тракта, но и в значительной степени определяется
условиями наблюдения изображений. В общем случае она должна
быть выбрана такой, чтобы обеспечить наилучшее качество изобра-
жения. Рассмотрим это более подробно. -
Качество ТВ изображения зависит от числа воспроизводимых гра-
даций (пороговых перепадов яркости, различаемых глазом) и от того,
как эти градации распределены по динамическому диапазону изме-
нения яркости репродукции, особенно в отдельных, наиболее важных
участках этого диапазона. Динамический диапазон изменения ярко-
сти определяется, как известно, контрастом К — Lmax/Lmin, где Lmax,
Lmin — максимальная и минимальная яркости. Номинальное число гра-
даций, различаемых на изображении, зависит от условий его наблю-
дения, и в частности от максимальной яркости Lmax, яркости фона
(яркости адаптации) £ф, контраста К, угловых размеров деталей 0Д и
фона изображения 0ф. Причем число градаций уменьшается при
уменьшении динамического диапазона и угловых размеров деталей
[9].
Яркость объектов Lo может достигать нескольких тысяч кандел на
квадратный метр, а контраст 1000 и выше. В то же время современные
кинескопы с алюминированными экранами и дымчатым стеклом вос-
производят изображения с максимальной яркостью LH3max = 100...300
кд/м2, максимальным контрастом 100... 200, а контрастом в.мелких
деталях всего 10...30. В силу указанных причин динамический диапа-
зон изменения яркости репродукции LH3 в большинстве случаев мень-
ше диапазона изменения яркости оригинала Lo. Поэтому при воспро-
изведении изображений число градаций, различаемых глазом на
объекте До, уменьшается и число воспроизводимых градаций изобра-
жения на экране кинескопа Лнз Ло. Следовательно, качество изобра-
жения принципиально может быть увеличено только за счет улучше-
ния параметров приемных трубок.
Однако в ТВ системах, так же как в кино и фотографиях, даже прн
ограниченном числе воспроизводимых градаций имеется возмож-
ность несколько улучшить качество изображения. Для этого необхо-
димо перераспределить Лиз по динамическому диапазону изменения
яркости репродукции LK3 так, чтобы увеличить число воспроизводи-
мых градаций в сюжетно важном участке диапазона (за счет умень-
шения числа градаций в остальных участках).
Перераспределить градации можно путем изменения формы ха-
рактеристики передачи уровней яркости LH3=/(L0). Требуемая форма
этой характеристики в общем случае (в том числе и для создания так
называемой "градационной лупы” для улучшения опознавания объ-
ектов в определенной ограниченной области динамического диапазо-
на) может быть определена графическим методом [9]. Для этого в
квадранте I (рис. 14.20) строится функция A0—f(L0), характеризую-
щая зависимость номинального числа градаций А№ различаемых на
365
Рис 14.20. К определению фор
мы характеристики передачи
уровней яркости ТВ системы
объекте при определенных условиях его наблюдения, от яркости Lo.
Эта функция находится для заданных значений Lo тт, Lo тах, L^, 0^, ₽д0
по соответствующей экспериментальной кривой изменения контраст-
ной чувствительности глаза (AL/L)nop = f(L), где (ДЬ/£)пор — мини-
мальное (пороговое) относительное изменение яркости, замечаемое
глазом и являющееся мерой визуального ощущения яркости —
одной градацией (см. гл. 2). В начале по кривой находится зна-
чение (ДЛ/Л)пор| при £Оти (или LOmax) и рассчитывается
= ^omin (А^/^) порй затем для яркости (L^ + Д£пор1) определя-
ются (Д£/£)пор2 и Д£пор2 и т.д. Число т интервалов яркости
Д£пор|, Д£пор2,...,Д£порт для каждого значения яркости Lo и является
мерой ее визуального ощущения, т.е. т=А0.
В квадранте III строится аналогичная зависимость Л ИЗ=Д£ИЗ) для
определенных условий наблюдения телевизионного изображения на
экране кинескопа. На кривых квадрантов I и III отмечаются диапазо-
ны изменения яркости оригинала и репродукции (максимальные и
минимальные яркости). В квадранте II находится положение точек а
и b на характеристике Лнз = f(A0). Число воспроизводимых градаций
Лнз будет равномерно распределено по диапазону изменения £из, если
характеристика Л Н3=/(ЛО) линейна (кривая /), т.е. если градиент вос-
произведения полутонов О=ДЛнз/ДЛ0 = const. При этом из-за ука-
занных причин в большинстве случаев G < 1, т.е. несколько световых
градаций объекта воспроизводится как одна градация репродукции.
366
Воспроизведение сюжетно важных полутонов в некотором участке
динамического диапазона улучшается, если увеличить значение G
для этого участка. Однако при этом в остальных областях диапазона
число воспроизводимых градаций уменьшится. Увеличение G ограни-
чивается также флуктуационными помехами, маскирующими пере-
пады яркости. В качестве примера в квадранте II (см.рис.14.20) пока-
заны характеристики, при которых улучшено воспроизведение
полутонов в области малых освещенностей (кривая 2) и в области
больших освещенностей (кривая 3). Требуемая форма характеристи-
ки передачи уровней яркости определится в квадранте IV как след
вершины прямоугольника, три остальные вершины которого смеща-
ются 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 L„3—f(L0) этих
систем должна быть подобна кривой 3 (квадрант IV). В частном слу-
чае эта характеристика может быть аппроксимирована степенной
функцией L„3—kLyoc, гдеус — показатель степени гамма. Эксперимен-
тальным путем установлено, что наилучшее качество изображения
для вещательных систем будет при усх 1,2...1,3. Как видно из
рис.14.20, при ус> 1 (кривая 3) крутизна характеристики передачи
уровней яркости максимальна в области больших освещенностей. По-
этому полутона наиболее освещенных деталей подчеркиваются и их
распознаваемость 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 в общем случае мо-
жет быть определена по световым характеристикам передающей
(7BX=/(LO) и приемной L„3=f( трубок и по характеристике переда-
чи уровней яркости ТВ системы LH3= f(Lo) графическим методом с
помощью аналогичных построений в четырехквадрантной системе ко-
ординат (рис.14.21).
В частном случае, если указанные характеристики аппроксимиро-
ваны степенными функциями
= / Ьо р U„ = / Lo р £нз = / t/MX р
max (^Omaxl ^вхтах 1^*0maxi ^нз max l^Buxmaxj
и известны значения показателей степени этих функций ус, уп, упр, то
коэффициент ук нормированной амплитудной характеристики кор-
ректора 1/,ыт/ и,™ таг = (и„/иютах) Сможет быть определен из соотно-
шения
367
Рис. 14.21. К определению формы амплитудной характеристики корректора полутоно-
вых искажений
где Тс=ТпУкТПр> Тс.Тп,Тпр.Тк — показатели степени функций, аппрокси-
мирующих характеристику передачи уровней яркости, световые ха-
рактеристики передающей и приемной трубок, а также амплитудную
характеристику корректора соответственно.
Тогда показатель степени амплитудной характеристики коррек-
тора определится как ук=ус/упупр. Экспериментально установлено,
что для видиконов уп« 0.6...0.7, плюмбиконов и ПЗС уп» 1,0, черно-бе-
лого и цветного кинескопов упр» 2,8. При ус = 1,2... 1,3, уп = 1,0, упр =
=2,8 показатель = 0,4...0,5.
Амплитудная характеристика видеоусилительного тракта долж-
на быть линейной и поэтому, как правило, не учитывается при расче-
тах корректора.
В гамма-корректорах полутоновых искажений обычно использу-
ются схемы с амплитудно-зависимой отрицательной обратной
связью, с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи и с амплитудно-
зависимым делителем сигнала. Во всех случаях на входе корректора
необходимо фиксировать уровень черного телевизионного сигнала,
чтобы этот уровень строго соответствовал определенной — "началь-
ной” точке нелинейной амплитудной характеристики корректора.
При отсутствии фиксации уровни сигналов от одинаково освещенных
368
Рис. 14.22. Упрощенные принципиальные схемы гамма-корректоров:
а — с ампллтудно-завнсямоЙ отрицательной обратной связью по эмнттерной цепи; б — с нелинейной нагрузкой в
коллекторной цепи
деталей различных изображений будут занимать разные положения
на его амплитудной характеристике (в зависимости от изменений
средней яркости оригиналов) и яркости деталей будут искажены.Ко-
эффициент передачи гамма-корректора должен быть Кгк = 1 для воз-
можности его обхода.
В корректоре с амплитудно-зависимой отрицательной обратной
связью последняя возникает на нелинейном сопротивлении в эмиттер-
ной цепи (рис. 14.22,а). Нелинейное сопротивление создается с по-
мощью диодов, на которые подаются различные запирающие напря-
жения от источников питания Ек. По мере увеличения входного
сигнала напряжение на Эмиттере VT1 увеличивается, диоды пооче-
редно отпираются и шунтируют резистор R3. Как следствие, глубина
ООС при отпирании диодов уменьшается, а коэффициент передачи
каскада увеличивается (ук> 1). Требуемая нелинейная форма ампли-
тудной характеристики корректора получается при использовании
нескольких диодов с различными последовательно включенными ре-
зисторами Rl', R2, R3 и за счет выбора определенных запирающих
потенциалов на катодах диодов (резисторы R4, R5, R6).
В корректоре с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи
(рис.14.22,б) коэффициент передачи меняется при изменении сопро-
тивления нагрузки каскада. В качестве нелинейной нагрузки исполь-
зуются диоды, отпирающиеся поочередно по мере увеличения входно-
го сигнала (тк< 1). Корректоры с амплитудно-зависимым делителем
строятся по такому же принципу. Одно из плеч делителя (в частности,
ннжнее/?2 — рис.14.23)шунтируетсяпоочередноотпирающимисядио-
дамн, благодаря чему и реализуется нелинейная форма амплитудной
характеристики корректора (ук< 1).
Для универсальности гамма-корректоров, т.е. для возможности
369
Рис. 14.23. Упрощенная принципиальная схема двухкаиальиого корректора с
Тк = var с использованием амплитудно-зависимого делителя
работы с многочисленными датчиками ТВ сигнала с разными уп, а
также для индивидуальной подстройки корректоров в каналах основ-
ных цветов и унификации тем самым световых характеристик трех-
трубочных передающих камер ЦТ, корректоры полутоновых искаже-
ний часто выполняются с переменным значением коэффициента
гамма (например, ук = 0,4...1,0). Схема подобного корректора с плав-
ной регулировкой гамма приведена на рис.14.23. Изменение значения
гамма достигается за счет сложения в разных пропорциях в суммато-
ре 2 сигналов аи'ВЬ1х -Т (1 — а) и"кт = и"вых(где а = 0...1), прошедших
соответственно через каналы с линейной (у = 1) и нелинейной (у< 1)
амплитудными характеристиками. Для нормирования выходного
сигнала необходимо, чтобыmaxU\mтах = U"Bmmax = Ummax.
В частных случаях, особенно при натурных передачах, для улуч-
шения качества воспроизведения малоконтрастных деталей в области
черного или объектов с повышенным контрастом приходится с помощью
специальных дополнительных устройств изменять номинальную форму
амплитудной характеристики корректоров [12] — увеличивать крутизну
характеристики в области черного (растяжка черного) или уменьшать
крутизну в области белого (компрессия белого).
Цифровые гамма-корректоры реализуются на базе ПЗУ, в кото-
ром для каждого уровня входного сигнала (определеннзй кодовой
комбинации) хранится информация о соответствующем уровне вы-
ходного сигнала (или о приращении входного сигнала) — другая ко-
довая комбинация, соответствующая требуемой форме амплитудной
характеристики корректора. Меньший объем памяти необходим в
370
Рнс. 14.24. Структурная схема цифрового гамма-корректора (а); формирование амп-
литудной характеристики корректора (б)
цифровом корректоре с компараторами (рис. 14.24)] 17]. Число послед-
них (так же как и число диодных ячеек в аналоговых устройствах —
рис.14.22 и 14.23) определяет число отрезков кривой, т.е. точность
кусочно-линейной аппроксимации амплитудной характеристики кор-
ректора. В ПЗУ хранится лишь информация о коэффициентах усиле-
ния входного сигнала и аддитивных констант С,. Выходное напря-
жение формируется в сумматоре 2 как ивых = /<;им~|-С;(рис.14.24,б).
С помощью корректора полутоновых искажений можно улучшить
воспроизведение полутонов деталей определенных размеров, яркость
которых заключена в сюжетно важном участке динамического диапа-
зона, и повысить тем самым качество телевизионного изображения.
14.7. СЛОЖЕНИЕ, КОММУТАЦИЯ И МИКШИРОВАНИЕ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
В видеоусилительном тракте телецентра при формировании пол-
ного цветового ТВ сигнала производится сложение исходного сигнала
яркости с сигналами гашения, синхронизации, цветности и др. Сигна-
лы складываются, как правило, на общей коллекторной нагрузке
усилительных резисторных каскадов. В качестве примера на
рис.14.25 приведена упрощенная схема сложения исходного сигнала
яркости с сигналом гашения. Эти сигналы поступают на базы транзи-
сторов VT2 и VT3. Суммарный сигнал образуется на общей коллек-
торной нагрузке R3.
Исходный сигнал яркости поврежден флуктуационными и им-
пульсными помехами. Поэтому после сложения его с сигналом гаше-
ния необходимо ограничить гасящие импульсы, так как в дальнейшем
в процессе формирования полного цветового ТВ сигнала на вершинах
этих импульсов размещаются сигналы синхронизации. Уровень гася-
щих импульсов обычно ограничивается с помощью диодов (VD3,
рис. 14.25), а положение сигнала яркости стабилизируется относи-
тельно уровня ограничения с помощью схемы фиксации. Уровень ог-
раничения регулируют изменением напряжения фиксации. С по-
371
0«5^ ^Уровень П
I___Д 1 {ограничениям
iC4
\jW2
и Сигнал
гашения
Я7
J~C5
vn
USblt
Wk
. Сигнал
\РЮ яркости
Рис. 14.25. Упрощенная принципиальная схема сумматора исходного сигнала ярко-
сти с сигналом гашения
мощью аналогичных схем в тракте ограничивается сигнал в области
белого, когда он превышает номинальный уровень.
На телевизионном центре в процессе формирования программ
используются мгновенная (ручная и автоматическая) и плавная
(микширование) коммутации ТВ сигналов. Для всех коммутаторов
необходимо, чтобы коэффициенты передачи включенного канала
Хвк«1, а выключенных каналов КВЫ1О1<<1. Последнее требование
особенно важно для уменьшения перекрестных искажений, которые
возникают за счет проникновения паразитных сигналов соседних ка-
налов при больших коммутационных полях, содержащих несколько
десятков — сотен коммутационных ячеек.
Для мгновенной ручной коммутации сигналов от различных источ-
ников используются коммутаторы на диодных и триодных ячейках
(рис.14.26). При наличии положительного напряжения в точке А
(рис.14.26,а) диоды VD1 и VD3 открыты, a VD2 закрыт. Сигнал с
делителя R1R2 поступает на выход коммутатора. Если изменить по-
лярность напряжения источника питания Е„ с помощью ключа VS1,
то диоды VD1 и VD3 запираются, a VD2 открывается и шунтирует
источник входного сигнала. Этим обеспечивается значительное ос-
лабление сигнала на выходе коммутатора. Чтобы переходные процес-
сы не искажали передаваемого изображения, ручная коммутация
сигналов чаще осуществляется во время обратного хода кадровой
развертки независимо от момента нажатия ключа VS2. Для этого на
цепочку /?фСф (рис. 14.26,6) подаются импульсы с частотой полей от
специального генератора разнополярных импульсов. Импульсы за-
ряжают конденсатор Сф положительным или отрицательным напря-
жением в зависимости от их полярности. Постоянная времени разря-
да конденсатора Сф выбирается такой, чтобы за время передачи
кадра напряжение на нем надежно управляло проводимостью диодов
коммутирующей ячейки: при подаче положительных импульсов ячей-
ка открывается, а при подаче отрицательных — запирается. Переза-
рядка конденсатора Сф и, как следствие, коммутация сигнала осуще-
372
/и Ra
импульсы
Рис. 14.26. Упрощенные принци-
пиальные схемы коммутирую-
щих ячеек:
а, б — на диодах; в на триодах
в)
ствляются только во время поступления импульса, т.е. во время об-
ратного хода развертки по кадру.
Коммутатор содержит несколько подобных ячеек по числу пере-
ключаемых каналов. Все ячейки включены параллельно на общую
нагрузку /?„. С помощью ключа VS2 на одну из них подаются управ-
ляющие импульсы положительной полярности, а на все остальные —
импульсы отрицательной полярности. Таким образом, на выход ком-
мутатора всегда поступает сигнал только с одной ячейки.
Использование триодных электронных ключей позволяет еще бо-
лее уменьшить паразитные сигналы отключенных каналов на выходе
коммутатора за счет увеличения соотношения сопротивлений плеч
делителя (составленных из закрытых и открытых транзисторов) и
уменьшения проходных паразитных емкостей. На рис. 14.26,в показа-
на упрощенная принципиальная схема подобной ячейки. При наличии
положительного напряжения в точке А, т.е. на базе триода VT2, он
открыт, a VT3 — закрыт, и входной сигнал через два эмиттерных повто-
рителя на VT1 и VT4 поступает на выход ячейки. Коэффициент пере-
дачи "открытой” ячейки Квк = 0,95. При подаче отрицательного на-
пряжения на базу триода VT2 он закрывается, VT3 открывается и
шунтирует резистор /?,так, что коэффициент передачи ключа значи-
тельно уменьшается: 10~*. Это обеспечивает практически пол-
ное отсутствие сигналов выключенных каналов на выходе коммутато-
ра, даже если он содержит несколько десятков подобных ячеек.
Мгновенная автоматическая коммутация сигналов применяется
для смены сюжетов телевизионной передачи переключением различ-
ных источников по заданной программе. Коммутаторы выполняются
373
на электронных ячейках; управление переключением производится во
время обратного хода кадровой развертки с помощью специальных
команд с ЭВМ.
Более сложные схемы коммутаторов приходится использовать
для мгновенной автоматической коммутации сигналов во время ак-
тивной части строки. Этот метод применяется для формирования ком-
бинированных изображений при создании спецэффектов и рирпроек-
ции (см.гл. 13). Комбинированные изображения, как правило,
составляются из нескольких частей. В простейшем случае на некото-
ром участке кадра воспроизводится изображение одного сюжета, а на
остальной площади — изображение другого. Момент коммутации сиг-
налов в каждой строке.меняется по определенному закону в соответ-
ствии с изменением длительности и фазы специальных управляющих
импульсов. Сложность реализации такого переключения сигналов
заключается втом,что время коммутации должно быть небольшим —
порядка длительности одного элемента изображения. Иначе граница
между частями комбинированного изображения будет размыта. Кро-
ме того, должны отсутствовать и резкие окантовки границ из-за неста-
ционарных процессов, возникающих во время коммутации. Поэтому
данный вид коммутации обычно реализуется с помощью мостовых
схем (рис.14.27). В этих устройствах удается нейтрализовать паразит-
ные емкости между коммутируемыми каналами и тем самым обеспе-
чить малое время переключения и отсутствие паразитных сигналов на
выходе коммутатора. Телевизионные сигналы Un , и UM 2 поступают
на эмиттер VT2 и базу VT3. В коллекторы этих транзисторов включе-
ны коммутирующие диоды VD1 и VD2. Триод VT2 и диод VD1 (и
соответственно VT3 и VD2) запираются или отпираются одновремен-
но с помощью однополярных коммутирующих импульсов, формирую-
щихся в специальном генераторе. Комбинированный сигнал, состоя-
щий из чередующихся напряжений первого и второго ТВ сигналов,
снимается с коллекторной нагрузки R3.
Рис. 14.27. Упрощенная принципиальная схъема быстродействующего коммутатора
ТВ сигналов во время активной части строки для формирования комбинированных
изображений
374
Рис. 14.28. Упрощенная принципиаль-
ная схема ячейки микшера
Плавная коммутация — микширование сигналов — производит-
ся для смены сюжетов ТВ передачи, наплывом путем медленного вы-
теснения в течение нескольких секунд одного изображения другим.
В простейшем случае это достигается с помощью электронных
аттенюаторов, работающих в соответствии с выражением
V .д = (1 ~ a)UM , + aU„2(a = (14.32)
Например, в схеме рис. 14.28 микширование сигнала , реализу-
ется перераспределением тока триода VT1 между транзисторами
VT2 и VT3. При изменении напряжения на базе VT3 (потенциометр
R7) проводимость VT3 меняется, и он в большей или меньшей степени
шунтирует транзистор VT2 и резистор R4. В результате меняются ток
сигнала через R4 и выходной сигнал (/вы,,. Одновременно в аналогич-
ной ячейке с помощью RT меняется величина второго сигнала (Увш2
так, что сумма выходных сигналов на общем сопротивлении нагрузки
R4 равна номинальному размаху. Подобные же ячейки используются
также для ручной и автоматической регулировок размаха ТВ сигнала
в различных точках в идеоусилительно го тракта.
Более сложные устройства приходится использовать для микши-
рования полных цветовых ТВ сигналов системы SECAM. Так как
сигнал цветности передается с помощью частотной модуляции, изме-
нение его размаха не дает необходимого эффекта. Поэтому в подобном
микшере (рис.14.29) вначале из Unl и 2 выделяется и детектирует-
ся сигнал цветности (с помощью полосовых фильтров ПФ1 и ПФ2 и
частотных детекторов ЧД1 и ЧД2). Затем цветоразностные и яркост-
ные сигналы микшируются соответствующими микшерами (потенцио-
метры Rl, R2, сумматор цветоразностных сигналов Ец и потенциомет-
ры R3, R4, сумматор сигналов яркости X,).
Существенным недостатком подобного микшера является умень-
шение четкости изображения из-за ограничения спектра.сигнала яр-
кости до 3 МГц в ФНЧ при его селекции из полного ТВ сигнала.
Поэтому с целью некоторого улучшения качества изображения во
время микширования в канале сигнала яркости предусмотрен кор-
ректор резкости (КР), в качестве которого обычно используется апер-
турный корректор. Результирующий полный цветовой сигнал форми-
375
Рис. 14.29. Структурная схема микшера аналоговых полных цветовых телевизионных
сигналов систем SECAM
руется путем сложения сигналов яркости и цветности в сумматоре
21Ц. Для устранения отмеченного недостатка в схеме предусмотрен
’’обход” микшера с помощью переключателя VS. Во время микширо-
вания сигналы проходят через все элементы микшера (положение /
переключателя); по окончании процесса микширования (в любых
крайних положениях потенциометров R1...R4) сигнал от выбранного
режиссером источника программы проходит через микшер без преоб-
разований, так как переключатель VS автоматически переводится в
положение 2. Линия задержки ЛЗ служит для временного согласова-
ния сигналов на выходе микшера при любых положениях переключа-
теля; полный цветовой ТВ сигнал в цепи обхода микшера задержива-
ется на время, равное запаздыванию сигнала в блоках ФНЧ, КР и
2яи-
Цифровые микшеры работают также в соответствии с выражени-
ем (14.32) с предварительным преобразованием аналоговых сигналов
в цифровые. За счет использования запоминающего устройства на
один или несколько кадров возможно микширование сигналов с ис-
пользованием разнообразных видеоэффектов, так как считывание за-
писанной информации может производиться по любому закону, в том
числе и с цифровым преобразованием координат элементов изобра-
жений по соответствующим алгоритмам. Поэтому в подобных устрой-
ствах в сочетании с микро-ЭВМ создаются эффекты, не реализуемые
при использовании аналоговых сигналов: динамическое изменение
масштаба, положения, конфигурации, перемещения по любой траек-
тории, формирование эффектов ’’стоп-кадр”, "размножение”, "беско-
нечная галерея", зеркальных эффектов, полиэкранных изображений,
’’следов” за движущимися объектами и т.д. Набор видеоэффектов
ограничивается практически фантазией разработчиков алгоритмов
преобразования изображений.
376
ГЛАВА 15
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СТАНДАРТОВ
15.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТАНДАРТОВ
Обмен телевизионными программами имеет важное значение в
развитии современного общества. Благодаря возможности обмена
телевизионными программами открываются широкие перспективы
показа важных политических и культурных событий, происходящих в
различных местах земного шара. Это способствует лучшему позна-
нию людьми друг друга и культурному их обогащению. Этим широко
и ежедневно пользуются при передаче программ новостей, обще-
ственно-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 ши-
рокополосных сигналов иа большие расстояния, возникают трудно-
сти, обусловленные особенностями структуры телевизионного
сигнала и методами передачи цветовой поднесущей в системе цветно-
го телевидения. Одним из необходимых условий воспроизведения пе-
реданного ТВ изображения является идентичность параметров раз-
ложения (число строк и частота полей) передающей и приемной
сторон. При несоответствии параметров разложения передающей и
приемной сторон необходимо преобразовать ТВ сигнал. Для этого на
приемной стороне формируют ТВ сигнал с новыми параметрами раз-
ложения в соответствии с Действующим на данной территории стан-
дартом.
Проблема преобразования стандартов возникла в 50-х годах в
начале широкого развития телевизионного вещания и вызвала необ-
ходимость применения специального звена в тракте передачи — аппа-
ратуры преобразования ТВ стандартов. В то время в Европе действо-
вали три стандарта развертки изображения: 405/50(Англия), 819/50
(Франция, одна станция) и 625/25 (другие европейские страны). В
рассматриваемом сдучае для обмена программами необходимо пре-
образовать только количество строк. Эта проблема встала еще ост-
рее, 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 таком случае необходимо преобразовывать и частоту полей , и коли-
чество строк.
Истбрически первоначальным решением этой проблемы было
прямое оптико электронное преобразование, основанное на считыва-
нии с помощью телевизионной камеры, параметры разложения кото-
377
рой 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
считывании 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 люми-
нофоров 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 иска-
жения цветопередачи. Поэтому для некоторой компенсации цветовых
искажений аппаратуру преобразователей ОСП для цветного телеви-
дения усложняли и применяли две камеры с раздельным преобразо-
ванием сигнала яркости и сигналов цветности.
В настоящее время в мире действуют два стандарта развертки
изображения. На американском континенте, в Японии, Корее, Тайва-
не 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 связи с появлением цветного телевидения международный об-
мен программами между странами и континентами еще более услож-
нился, так как возникла дополнительная проблема — необходимость
преобразования систем цветного телевидения. В мире в настоящее
время действуют три системы цветного телевидения: NTSC, PAL,
SECAM, которые отличаются методами передачи цветовых сигналов.
При обмене программами между государствами в пределах одного
континента, где действует один стандарт разложения, но различные
системы цветного телевидения, процесс преобразования будет заклю-
чаться только в изменении способа кодирования сигналов цветности
(транскодирование). Когда же цветные программы принимаются с
американского континента или из Японии, процесс преобразования
включает не только транскодирование, но и изменение параметров
разложения — числа строк и кадров.
Преобразователями ТВ стандартов развертки называются уст-
ройства, осуществляющие преобразование телевизионного сигнала
системы вещательного телевидения с одними частотами строк и полей
в ТВ сигнал системы вещательного телевидения с другими частотами
строк и полей. Транскодирующее устройство предназначено для пре-
образования сигнала одной системы цветного телевидения в сигнал
другой при одинаковых частотах строк и полей в обеих системах.
На смену преобразователям с ОСП пришли электронные системы,
в которых в качестве запоминающих устройств использовалась маг-
нитная запись или электрические линии задержки. Основное отличие
378
систем электронного преобразования стандартов от преобразовате-
лей с ОСП заключается в том, что все операции преобразования
производятся непосредственно с ТВ сигналом без формирования на
экране кинескопа изображения. В этих системах использовался ана-
логовый сигнал. В электронных преобразователях стандарты с раз-
личным числом строк и кадров согласовывались с помощью накопле-
ния информации строки или кадра с последующим считыванием этой
информации с требуемой скоростью. Простейший способ построения
электронного преобразователя стандартов — это использование емко-
стного накопителя.
Электронный коммутатор (рис.15.1) первичного стандарта /.име-
ющий число контактов, равное числу элементов в строке, разбивает
строку входного первичного стандарта на соответствующее число по-
следовательных дискретных значений. Каждый контакт коммутатора
первичного стандарта соединен с конденсатором или иным накопите-
лем 2 и соответствующим контактом коммутатора вторичного стан-
дарта 3.
Время одного цикла (полного оборота) коммутатора / равно дли-
тельности строки первичного стандарта, а цикл коммутации второго
коммутатора равен длительности строки вторичного стандарта.
Принцип действия этого преобразователя основан на накоплении ин-
формации одной строки поэлементно на накопителях, которые запо-
минают отсчет, поступающий в момент замыкания контакта, на весь
период строки первого стандарта с последующим считыванием этих
отсчетов со скоростью второго стандарта.
При преобразовании растра в 625 строк в растр с 525 строками
избыточные строки, а их в данном случае будет 100, исключаются
путем изъятия из 625-строчного растра каждой шестой строки. При
обратном преобразовании (т.е. 525 в 625 строк) недостающее число
строк восполняется повторным воспроизведением некоторых строк.
Электронное преобразование аналоговых ТВ сигналов, имеющих
различные частоты кадров, представляет собой более сложную про-
блему. В этом случае преобразователь должен быть способен запом-
нить ТВ сигнал одного поля, что требует устройства памяти с емко-
стью примерно в 300 раз больше, чем в преобразователе строк. В
379
качестве элементов памяти использовались дискретные кварцевые
ультразвуковые линии задержки, магнитные устройства памяти или
линии задержки с подвижным токосъемником. Принцип действия
преобразователя стандартов кадровой частоты заключается в повто-
рении каждого пятого поля дважды или исключении каждого пятого
поля в зависимости от параметров преобразуемых стандартов (50-+-
60 или 60-+50 ).
15.2. ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СТАНДАРТОВ
В настоящее время в центрах преобразования стандартов исполь-
зуются электронные устройства, в которых все основные операции
осуществляются на основе цифровых методов обработки телевизион-
ных сигналов.
По принципу действия цифровые преобразователи стандартов
(ЦПС) аналогичны аналоговым преобразователям, однако цифровые
имеют ряд существенных преимуществ. Аналоговые преобразовате-
ли неизбежно вносят в телевизионный сигнал искажения, связанные
с дополнительными операциями в канале передачи, и ухудшают отно-
шение сигнал/помеха, тогда как в ЦПС искажения и шумы могут
быть сделаны малыми, так как они определяются параметрами циф-
ровой системы и могут быть нормированы. Кроме того, при использо-
вании ЦПС резко повышается стабильность работы и обеспечивается
бесподстроечный режим, тогда как аналоговые преобразователи тре-
буют тщательных регулировок и настроек в процессе эксплуатации
119].
Цифровые преобразователи должны выполнять три основные
функции: а) преобразование числа строк и полей с помощью цифровой
обработки (для этого имеются АЦП, ЦАП и устройство памяти, ин-
терполяторы строк и кадров); б)декодирование принимаемого полно-
го цветного ТВ сигнала на составляющие яркостную и цветоразност-
ные (для этого используются три декодера — PAL, SECAM и NTSC);
в) 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. 15.1 показаны параметры системы цветного те-
левидения, которые подвергаются изменению при преобразованиях.
Из таблицы видно, что в общем случае необходимо преобразовать
не только параметры разложения (число строк, кадров), но и систему
цветного телевидения.
Для уменьшения объема цифровой памяти ЦПС строятся с учетом
обработки не полной телевизионной строки длительностью 64 мкс, а
только активной ее части.
380
Таблица 15 1
Параметр Стандарт \ Режим преобразовании
525/60 625/50 625/50—525/60 525/60—625/50
Частота полей, Гц Число строк а 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
Все основные операции по преобразованию стандартов, по интер-
поляции строк и кадров, по коррекции сигналов осуществляются с
помощью устройств с большой емкостью цифровой памяти, являю-
щейся основным элементом ЦПС. Обычно в АЦП цветовой сигнал
дискредитируется на утроенной частоте поднесущей при 256 уровнях
квантования (8 бит на отсчет). В этом случае цифровой поток получа-
ется равным 106Мбит/с, а период следования импульсов в потоке 9,4
нс. Отсюда нетрудно подсчитать, что временной интервал длительно-
стью в одну ТВ строку содержит 6,8 кбит. Следовательно, устройство
памяти для хранения кадра изображения должно обладать информа-
ционной емкостью до 4,26 Мбит [18]. _ ____
Практическая реализация устройств памяти с большим быстро-
действием, позволяющим работать в реальном масштабе времени, и
использование микропроцессоров, которые осуществляют интерпо-
ляцию строк и кадров, позволили в настоящее время перейти к ЦПС.
Как уже отмечалось, сопряжение частот строк и кадров при пре-
образовании стандартов разложения сводится к изъятию лишних или
добавлению недостающих строк и кадров. Однако простое изъятие
или обычное повторное воспроизведение некоторых строк через рав-
ные интервалы времени при формировании ТВ кадра приводит к спе-
цифическим искажениям, характеризуемым нарушением непрерыв-
ности сплошных наклонных линий (разрыв) в передаваемом
изображении (рис.15.2).
Рассмотрим подробно возникновение этих искажений и их
коррекцию. На рис. 15.3,а сплошными линиями показаны 9 строк
Рис. 152.. Искажение наклонных ли-
ний при преобразовании строк
Оригинал
Изображение
381
Рис. 15.3. Искажение передачи наклонных линий, преобразование частоты строк и
принцип интерполяции строк
преобразуемого 625-строчного входного кадра. На этих строках пред-
ставлено изображение наклонной линий совокупностью элементов А,
Б, В, Г,..., К, которые для наглядности на рис. 15.3,а показаны в виде
импульсов. Штриховыми линиями изображены строки преобразован-
ного 525-строчного 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
(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, будут вос-
произведены строками выходного кадра аналогично предыдущим ше-
сти строкам. Отсюда видно, что воспроизведенное выходным стандар-
том изображение имеет геометрические искажения в виде наклонной
линии через каждые 5 строк.
Геометрические искажения, возникающие в результате исключе-
ния или добавления части строк из кадра, могут быть значительно
уменьшены, если сигнал изображения каждой строки кадра выходно-
го стандарта будет содержать информацию предыдущей и последую-
щей строк кадра входного стандарта. Этот процесс называется интер-
поляцией строк и осуществляется путем формирования суммарного
сигнала от двух соседних строк. Новое положение импульса на выход-
ной строке вычисляется как взвешенная сумма амплитуд импульсов
382
от двух ближайших строк входного стандарта. Веса определяются
расстояниями от интерполируемой строки выходного стандарта и
двумя строками входного стандарта, между которыми лежит интер-
полируемая строка.
На рис.15.3,6 показан тот же случай передачи изображения на-
клонной линии после интерполяции. В этом примере выходная строка,
не совпадающая по вертикали с входной строкой, будет нести инфор-
мацию нужной амплитуды от двух соседних входных строк. Как и в
предыдущем случае, импульс А, лежащий на первой входной строке,
совпадает с импульсом а на первой выходной строке. Однако выход-
ная строка 2, лежащая между второй и третьей входными строками,
на которых показаны импульсы Би В, будет воспроизводить импуль-
сы б и в соответственно. Амплитуда этих импульсов будет определять-
ся расстояниями Бб и Be (обратно пропорционально этим расстояни-
ям). Аналогично будут воспроизводиться импульсы во всех
последующих строках. В результате такого формирования выходного
кадра значительно уменьшаются геометрические искажения, вызван-
ные исключением или добавлением строк растра.
В техническом отношении наиболее сложным является преобразо-
вание частоты полей, а затраты на его реализацию составляют 70 % от
общей стоимости преобразователя.
Рассмотрим принцип действия преобразователя частоты полей в
ЦПС. На рис. 15.4,а показаны графики, поясняющие работу преобра-
зователя полей с частотами 50 в60 полей в секунду. Для этого исполь-
зуются три блока памяти БП, каждый емкостью на одно телевизион-
ное поле. Эти блоки памяти управляются по определенному
алгоритму. Сигналы входного стандарта в блоки памяти записывают-
ся последовательно; в первый блок Б/7-1 — первое поле, во второй БД-2 —
второе поле, в третий БД-3 —третье поле, а далее снова — в первый блок
50-+-60
Б0—50
Поля
входного
стандарта
(S0)
6П-1
БП2
БП-3
Поля
Выходного
стандарта
(60)
Рис. 15.4. Принцип преобразования частоты полей
383
памяти уже четвертое поле и т.д. Считывание производится также
последовательно с каждого блока памяти со скоростью, соответству-
ющей выходному стандарту. В данном случае необходимо за время
передачи пяти полей входного стандарта воспроизвести шесть полей
выходного стандарта. Для этого второе поле входного стандарта вос-
производится дважды: сначала формируется второе поле, а затем при
повторном считывании — третье поле выходного стандарта. На
рис. 15.4,а показаны распределения полей входного и выходного стан-
дартов.
На рис. 15.4,6 показаны графики, поясняющие работу преобразо-
вателя полей с частотами 60 в 50 полей в секунду. Аналогично пред-
ыдущему используются три блока памяти, в которые записываются
последовательно поля входного стандарта. Считывание производится
с каждого блока памяти со скоростью, соответствующей выходному
стандарту, для чего необходимо из 6 полей входного стандарта изъять
одно поле. Практически это осуществляется пропуском третьего
входного поля, записанного в блоке памяти БП-3. При преобразова-
нии частоты полей 60 в 50 в секунду информация из БП-\ 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 соответствующее
сжатие или растяжение периода выходного поля.
В случае наиболее простого решения, заключающегося в исключе-
нии каждого шестого входного поля и в соответствующем продолже-
нии предыдущих пяти полей, скорость передачи движения в изобра-
жении замедляется в 5...6 раза, и при этом возникнут ускоренное
прерывистое движение, скачки с частотой 6 раз в секунду. Устранить
эти недостатки позволяет способ, основанный на интерполяции дви-
жения.
Интерполяция полей позволяет сгладить ’’подергивания” движу-
щихся изображений, поэтому этот вид коррекции называют иногда
интерполяцией движений. В ЦПС интерполяция поля выходного
стандарта производится путем взвешенного усреднения сигналов
двух ближайших к нему полей входного стандарта, записанных в бло-
ки памяти.
В заключение рассмотрим укрупненную структурную схему циф-
рового 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 цветного
телевидения NTSC (рис.15.5) со стандартом разложения 525/60 пода-
ется на АЦП, где преобразуется в цифровую форму с частотой диск-
ретизации 10,7 МГц, соответствующей третьей гармонике поднесу-
щей NTSC.
В АЦП аналоговый сигнал подвергается линейному кодированию
на 256 уровней. Квантованные значения сигнала выражаются восьми-
384
Рис. 15.5. Структурная схема преобразователя
NTSC—PAL, SECAM 525/60 — 625/50
разрядным параллельным двоичным кодом. Сигнал после АЦП пода-
ется в течение длительности первого поля на запоминающее устрой-
ство ЗУ1, а в течение второго поля — в запоминающее устройство ЗУ2.
Объем требуемой памяти каждого запоминающего устройства со-
ставляет 1,2 Мбит и обеспечивает хранение информации одного теле-
визионного поля. Управление блоками памяти и переключение их с
режима записи на считывание осуществляются блоками управления
БУ1 и БУ2. В дальнейшем сигнал поступает на два канала в устрой-
ства пространственной фильтрации сигнала УПФС1 и УПФС2. В этих
устройствах устраняется перемежение строк из-за использования че-
ресстрочной развертки, разделяются сигналы яркости и цветности и
демодул и руется сигнал цветности для получения цветоразностных
сигналов Е', и E'Q. Для устранения перемежения строк применяется
интерполяция трех строк смежных полей. Сигналы яркости и цветно-
сти разделяются методами цифровой фильтрации восьмиразрядных
кодовых слов, которые определяют текущие отсчеты сигнала. В зави-
симости от структуры применяемого алгоритма обработки сигнала и
числа обрабатываемых отсчетов изображения определяется форма
пространственных частотных характеристик. В дальнейшем в устрой-
ствах УВП1 иУВП2три полученных цифровых сигнала объединяются
в общий цифровой поток путем уплотнения их во времени.
Проблема преобразования телевизионных стандартов связана с
характером обработки сигнала цветного изображения. Фаза цветовой
поднесущей сигнала NTSC в каждой последующей телевизионной
гтроке изменяется на 180°. Таким образом, межстрочная интерполя-
ция пригодна для яркостного сигнала, для сигнала цветовой поднесу-
щей приводит к ошибкам. Поэтому для осуществления правильной
интерполяции полного цветного сигнала NTSC применяются про-
странственные цифровые фильтры, с помощью которых цифровой сиг-
нал цветного изображения раскладывается на отдельные цифровые
сигналы Е'у, Е') и E'Q, которые мультиплексируются в единый после-
385
довательный цифровой сигнал. Таким образом, одному периоду цве-
товой поднесущей соответствуют пять упорядоченных кодовых слов
(У, /, У, QJ).
Последующая обработка сигнала производится в двухканальном
преобразователе полей И1 и интерполяторе движений, где преобра-
зуются частоты полей 60 Гц в частоту нового стандарта 50 Гц. В
интерполяторе И2 осуществляются преобразование строк и их интер-
поляция. На этом преобразование параметров разложения заканчи-
вается, и на выходе И2 получается цифровой сигнал, соответствую-
щий стандарту 625/50 разложения. В цифровых преобразователях
стандартов разложения получение требуемого числа строк и кадров
и их интерполяция осуществляются в соответствии с заданным алго-
ритмом. Этим алгоритмом определяется качество преобразованного
изображения [ 16].
Уплотненный цифровой сигнал в блоке временного разделения
БВР вновь преобразуется в три цифровых потока, соответствующих
сигналам Е'у, Е', и E'Q с теми же параметрами параллельного кода,
что и перед временным уплотнением. Составляющие цифрового сиг-
нала цветного телевидения получаются с помощью гребенчатых или
полосовых фильтров. Неполное разделение сигналов яркости и цвет-
ности приводит к искажениям цветного изображения. Составляющие
сигнала яркости, оставшиеся в сигнале цветности, будут преобразо-
ваны поднесущей частотой и проявятся на изображении в виде пара-
зитной цветовой помехи. Поэтому при транскодировании и предъяв-
ляются повышенные требования к системам разделения сигналов
цветности и их преобразованию. В ЦАП сигналы Е'к, Е', и Е'Q преоб-
разуются в аналоговые, и все дальнейшие преобразования произво-
дятся с аналоговым сигналом. В матрице М из сигналов E'Y, Е', и E'Q
формируются сигналы основных цветов Ек, Ео и Ев. В кодирующем
устройстве (КУ) преобразуют я сигналы основных цветов в сигналы
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 в него испытательных сигналов, коррекцию временных ис-
кажений 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 ярко-
стного сигнала и сигналов цветности для получения полного сигнала
преобразованной системы цветного телевидения.
386
ГЛАВА 16
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ
16.1. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ НАЗЕМНОГО ВЕЩАНИЯ
Вид модуляции и ширина спектра радиосигналов телевизионного
вещания. Согласно ГОСТ 7845-92 радиосигнал изображения форми-
руется с помощью амплитудной модуляции несущей изображения
полным цветовым ТВ сигналом с частичным подавлением нижней
боковой полосы частот, а радиосигнал звукового сопровождения — с
помощью частотной модуляции несущей звука сигналом звукового
сопровождения. При этом номинальная полоса частот радиоканала
изображения составляет 7,625 МГц (ослабление составляющих — 1,25
и 6,375 МГц относительно несущей на 20 дБ), а звукового сопровожде-
ния 0,25 МГц; разнос несущих частот звука и изображения 6,5 МГц
(несущая частота изображения /Н|1 меньше несущей частоты звука
/изв)> номинальная ширина полосы частот радиоканала ТВ вещания 8
МГц (рис. 16.1, а).
Разные виды модуляции радиосигналов ТВ вещания облегчают их
разделение в телевизионных приемниках. Составляющие спектра
каждой боковой полосы — нижней и верхней — содержат всю инфор-
мацию о передаваемом сигнале. Поэтому подавление нижней боковой
полосы спектра радиосигнала изображения устраняет избыточность
информации и дает возможность сократить полосу частот, занимае-
мую ТВ каналом. В результате в одном и том же диапазоне удается
разместить большее число каналов. Однако практически для умень-
шения квадратурных искажений ТВ сигнала, возникающих в линей-
ном амплитудном детекторе приемника при подавлении одной боко-
вой полосы, оставляют неподавленной небольшую часть спектра
нижней боковой шириной 0,75 МГц (рис.16.1, а). В этом случае круп-
ныелетали будут передаваться без градационных искажений, а иска-
жения в мелких деталях глаз не воспринимает, так как имеет харак-
теристику ФНЧ в области высоких пространственных частот [8]. При
этом несколько усложняется формирование АЧХ радиоканала изо-
бражения ТВ приемника. Она должна соответствовать кривой
рис.16.1, б, с кососимметричным склоном, так называемым склоном
Найквиста [8], в частности уровень несущей частоты изображения
должен ослабляться на 6 дБ (в 2 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 напряже-
ние, образующееся на нагрузке детектора от симметричных частот
составляющих нижней и верхней боковых полос, на любой частоте
спектра в пределах 0...6 МГц всегда будет равно единице (в относи-
тельных величинах). Это означает, что форма результирующей АЧХ
тракта передачи радиосигнала изображения от модулятора передат-
387
I '
61
Ъ<з!
ЧМ
О,мГц
о) Hafi^r
i Xc\
-Ц73 0,75
g) Ktep
H
fm38
ge \кутн
0
-6
31,5
3Sp 5, мГц
Рнс. 16.1. Номинальные АЧХ:
а — боковых полос ТВ радиопередатчика; б — ра-
диоканала изображения ТВ приемника; в — резуль-
тирующая тракта передачи радиосигнала изобра-
жении; г — УПЧИ приемника
u t
1,0
0,75
0,15
0
-0J5
-0,75
-1,0
1,0
6)
0,40
0,15
0
0,40
-1,0
УроЗень синхроимпульса!
синхроимпульсы
Рис. 16.2. Полярности модуляции радио-
сигнала изображения:
а — негативная; б — позитивная
ДйЬ.ЛТ Г,ЙГц
чика до нагрузки детектора приемника (характеристика верности)
будет равномерной в заданной полосе частот 6 МГц(рис.16.1, в).
В связи с большой помехоустойчивостью передаваемого методом
широкополосной ЧМ звукового сопровождения и для уменьшения по-
мехи от него в канале изображения мощность излучения несущей
звука в 10 раз уменьшена по отношению к мощности несущей изобра-
жения.
Полярность модуляции радиосигнала изображения. Радиосигнал
изображения может иметь позитивную или негативную полярность в
зависимости от полярности модулирующего ТВ сигнала (рис. 16.2). В
большинстве стран принята негативная полярность модуляции, при
которой максимальная амплитуда несущей частоты соответствует
уровню сигнала синхронизации, а минимальная — уровню белого. В
этом случае:
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. 16.2, а и б);
б) импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек и
визуально менее заметны;
в) повышается помехоустойчивость системы синхронизации из-за
ЧАЯ
ООО
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. Опорный
сигнал при негативной полярности соответствует максимальному
размаху несущей, и поэтому для его выделения можно использовать
простые устройства.
В телевизионном вещании не допускается 100 %-ной модуляции.
Для черно-белого телевидения остаточный уровень непромодулиро-
ванной несущей составляет 15 %, а для цветного вещаиия — 7 %.
Поляризация волн электромагнитного излучении. Согласно ГОСТ
7845—92 допускается использовать горизонтальную или вертикальную
поляризацию волн электромагнитного излучения ТВ радиопередат-
чика. Преимущество отдается горизонтальной поляризации, так как
в этом случае наблюдается несколько меньшее воздействие промыш-
ленных помех. Однако при наличии взаимных помех между радиопе-
редатчиками использование вертикальной поляризации дает воз-
можность уменьшить взаимные помехи ие менее чем на 10 дБ.
Диапазон волн. В телевизионном вещании используют ультрако-
роткие волны: метровые и дециметровые. В пределах пяти частотных
диапазонов размещено 60 радиоканалов:
1 диапазон 48,5...66 МГц (радиоканалы 1 и 2);
JI диапазон 76...100 МГц (радиоканалы 3 — 5);
111 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 нижией границы 1 диапазона
определяется тем, что для выделения полного цветового телевизион-
ного сигнала из радиосигнала изображения необходимо, чтобы несу-
щая в несколько раз превышала максимальную частоту спектра мо-
дулирующего 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 кото-
рых начинают сказываться значительное поглощение излучения в
атмосфере и влияние ее неоднородностей — дождя, тумана и т.д. Поэ-
тому 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. 13).
Зона обслуживания ТВ вещанием определяется границами зоны
уверенного приема радиосигналов, в пределах которых сигнал не за-
висит от времени суток, года и других факторов. Эти границы фикси-
руются по медианному (среднестатистическому по времени и месту)
значению напряженности поля излучения радиосигнала изображе-
ния [42].
389
Чтобы зоны уверенного приема радиосигналов изображения и зву-
кового сопровождения были примерно одинаковы, номинальная мощ-
ность 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,l8h.h,yfPD
Е =-----4----,
Хг2
где Л], Л2, — высоты передающей и приемной антенн, м; г — расстоя-
ние между антеннами, км; Р — мощность радиопередатчика, кВт; X —
длина волны его излучения, м;£) — коэффициент усиления передающей
антенны (для турникетной примерно равен числу ее этажей).
Из-за того, что УКВ при распространении испытывают очень ма-
лую рефракцию в атмосфере, радиус действия телевизионного радио-
передатчика примерно ограничен расстоянием прямой видимости,
км:
г « 4,12(д/й7 + VM-
Поэтому увеличение мощности излучения передатчика позволяет
увеличить напряженность поля в зоне прямой видимости, но почти не
расширяет зону обслуживания ТВ вещанием. Эта зона может быть
увеличена с помощью радиорелейных, кабельных и космических ли-
ний связи (с ретрансляцией радиосигналов передающими станция-
ми).
16.2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ
Телевизионный приемник предназначен для воспроизведения изо-
бражения и звукового сопровождения нескольких вещательных про-
грамм. Эта задача решается путем приема, усиления и преобразова-
ния одновременно двух независимых радиосигналов вещательного
ТВ, их взаимного разделения, а также селекции сигналов синхрониза-
ции.
В настоящее время все ТВ приемники строятся по супергетеродин-
ной схеме с однократным преобразованием несущей изображения и
двукратным преобразованием несущей звукового сопровождения.
Структурная схема приемника черно-белого телевидения приведена
на рис. 16.3. Принципы работы основных узлов радиовещательных и
телевизионных приемников аналогичны. Характерные особенности
последних связаны с относительно широким спектром радиосигнала
изображения и его сложным составом.
Телевизионная антенна А для приема радиосигналов определен-
ных каналов должна иметь соответствующую полосу пропускания, а
ее сопротивление (так же как и сопротивление входной цепи приемни-
ка) должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидера.
390
Канал зВукового сопровождения
Рис. 16.3. Структурная схема приемника черно-белого телевидения
Эти параметры, а также диаграмма направленности и коэффициент
усиления зависят от конструкции антенны, основой которой чаще
всего является полуволновый вибратор.
Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для предвари-
тельного усиления радиосигналов. Частотная характеристика УВЧ
равномерная в пределах ширины полосы частот канала. Форма ее за
пределами полосы выбирается такой, чтобы обеспечить избиратель-
ность приемника по зеркальному каналу, т.е. каналу, частота несу-
щей которого совместно с частотой гетеродина образует в смесителе
гармоники, равные промежуточной частоте. Шумовые параметры
УВЧ во многом определяют чувствительность приемника, поэтому в
УВЧ должны использоваться элементы с малым эквивалентным шу-
мовым сопротивлением.
Смеситель (См) и гетеродин (Г) служат для преобразования несу-
щих изображения и звукового сопровождения /иэв в соответствую-
щие промежуточные частоты. Последние образуются как разность
между частотой гетеродина /г и несущими частотами (согласно ГОСТ
7845-92 для современных ТВ приемников):
/пч и =/г ~ Ли = 38,0 МГц; (16.1)
/пч»1 = /г-/Из. = 31,5МГц. (16.2)
Конструктивно УВЧ, См и гетеродин объединены в один узел —
селектор (переключатель) ТВ каналов (СК, ПТК). Для приема радио-
сигналов различных каналов колебательные контуры этого узла в
диапазонах перестраиваются с помощью варикапов, которые позво-
ляют осуществить электронный выбор программ и автоматическую
подстройку частоты гетеродина (АПЧГ).
391
В усилителе промежуточной частоты канала изображения (УПЧИ)
производится основное усиление радиосигнала изображения, форми-
руется частотная характеристика приемника (см.рис. 16.1, б, г) и обес-
печивается тем самым избирательность по соседнему каналу. Систе-
ма автоматической регулировки усиления охватывает селектор УВЧ
и УПЧИ. В отличие от приемников звукового радиовещания ТВ при-
емники используют, как правило, ключевую АРУ, в которой анализ
уровня сигнала после детектора происходит только во время обратно-
го хода строчной развертки по фиксированным уровням видеосигна-
ла. В УПЧИ несколько усиливается и радиосигнал звукового сопро-
вождения. Уровень последнего на нагрузке амплитудного детектора k
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 сопровождения. Поэтому в
последних моделях ТВ приемников радиосигнал звукового сопровож-
дения практически полностью подавляется режекторным контуром в
УПЧИ, а в канале звукового сопровождения организуется отдельный
АДЗВ, включаемый до этой режекции.
Прием двух радиосигналов с помощью однократного преобразова-
ния несущих в настоящее время не используется из-за необходимости
строгого сопряжения настроек и, главное, обеспечения стабильности
параметров УПЧ изображения и звука. Действительно, при одно-
кратном преобразовании несущих звукового сопровождения и изо-
бражения значения соответствующих промежуточных частот зависят
от частоты гетеродина. Поэтому настройки двух отдельных УПЧ дол-
жны быть строго согласованы между собой и это сопряжение должно
быть строго стабильно во времени. Последнее требование выполнить
чрезвычайно трудно. В то же время взаимная расстройка УПЧ приво-
дит к ухудшению качества воспроизведения изображения или звука.
Чтобы избежать взаимозависимости настроек каналов и обеспе-
чить при одном гетеродине прием двух независимых сигналов, исполь-
зуются биения между промежуточными частотами изображения и
звукового сопровождения. Эти биения возникают на нелинейном эле-
менте — амплитудном детекторе — втором преобразователе частоты
радиосигнала звукового сопровождения, в котором в качестве сигна-
ла второго гетеродина используется относительно большой сигнал
промежуточной частоты изображения. Вторая промежуточная часто-
та звука
/пч зв2 = /пч н /пч а»! = 38 — 31,5 = 6,5 МГц. (16.3)
Эта частота не зависит от частоты гетеродина приемника, а опре-
деляется только относительной стабильностью несущих изображения
и звука (+500 Гц каждая согласно ГОСТ 7845-92), так как, учитывая
(16.1) и (16.2),
/пч зв2 = /и за /в и = 6,5 МГЦ
Чтобы в процессе второго преобразования частоты даже кратко-
временно не пропадал сигнал звукового сопровождения, ГОСТ 7845-92
392
предусмотрено обязательное наличие немодулированного остатка не-
сущей изображения с уровнем 15-}-2,0 % при передаче уровня белого
(см.рйс.16.2, а), а с цветовой поднесущей 7-4-2,0 % максимального
уровня радиосигнала.
С нагрузки АД полный ТВ сигнал поступает через видеоусилитель
ВУ на модулятор кинескопа, а сигнал второй промежуточной частоты
звука /пч зв2 — на УПЧЗ. Так как сигнал ’’второго гетеродина” моду-
лирован по амплитуде, сигнал звукового сопровождения на /пч ,в9
необходимо глубоко ограничить в амплитудном ограничителе (АО)
для устранения паразитной амплитудной модуляции. Обычно эта
операция производится совместно с детектированием в частотном
детекторе (ЧД). После детектирования сигнал звукового сопровожде-
ния через усилитель звуковой частоты (УЗЧ) поступает на громкого-
ворители.
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 кад-
ровые и строчные синхронизирующие импульсы. Особенности работь
селекторов, развертывающих устройств, высоковольтного выпрями-
теля (ВВ) и системы автоматической подстройки частоты и фазы
строчной развертки (АПЧиФ) изложены в гл.8 и 9.
Структурная схема цветного телевизионного приемника. Общий
признак современных вещательных систем цветного ТВ с частотным
уплотнением сигналов — совместимость — позволяет применять для
радиоприема аналогичную с черно-белым вещанием схему приемии
ка цветного телевидения. В силу более сложного по составу полного
цветового ТВ сигнала, естественно, некоторое ужесточение требова-
ний к радиотракту такого приемника, а также введение необходимых
для управления цветным кинескопом цепей обработки сигналов цвет
ного телевидения и устройства статического и динамического сведе
ния лучей, характерных для конкретного типа используемых цветных
кинескопов.
Структурная схема приема сигналов цветного телевидения в со-
вместимой системе представлена на рис.16.4. Радиосигнал, принятый
телевизионной антенной, поступает на селектор каналов (СК), на.
строенный на соответствующий радиоканал в метровом или децимет-
ровом диапазоне вещания. Выделенные и преобразованные по часто-
те сигналы изображения и звукового сопровождения затем поступают
в общий УПЧИ, входящий в состав блока радиоканала. Сигнал, по-
ступающий с выхода УПЧИ, детектируется АД, усиливается ВУ бло
ка цветности и в качестве яркостного сигнала Е'у подается на объеди
ненные катоды (для дельта-кинескопа) цветного кинескопа
Получение цветоразностных сигналов Е'д-),, Е'к_у и Е' в_у осуществля-
ется в блохе цветности декодером соответствующего стандарта, на
который цветовой сигнал на модулированной поднесущей поступает
с выхода АД блока радиоканала. Результирующие цветоделеиные
зез
Рис. 16.4. Структурная упрощенная схема приемника цветного телевидения
сигналы Ео, Ев для дельта-кинескопов получаются опосредован-
но на соответствующих парах электродов кинескопа модулятор —
катод, управляя токами лучей. В кинескопах с самосведением, где
только один общий электрод-модулятор, применяется внешнее мат-
рицирующее устройство МУ, в котором из входных сигналов
Е'д_у, E'g_y, Е'в_у и Е'у получают на выходах, подключенных к соответ-
ствующим катодам, цветоделенные сигналы Е'р, Е'о, Е'в. Отклоняю-
щие токи для кинескопа формируются в блоке разверток, а корректи-
рующие токи, обеспечивающие сведение лучей в дельта-кинескопе,
формируются в блоке динамического сведения БДС и подаются на
катушки сведения КС цветного дельта-кинескопа.
В применяемых кинескопах с самосведением динамическое сведе-
ние не требуется, что значительно упрощает эксплуатацию цветного
приемника.
Особенности работы разверток для цветных кинескопов были до-
статочно освещены в гл.8. Следует отметить, что радиоканал цветного
приемника должен иметь лучшие характеристики, чем аналогичный
в приемнике черно-белого телевидения. В частности, к АЧХ УПЧИ
предъявляется требование обеспечить усиление не менее 1800...2000
раз с допустимой неравномерностью 1,5 дБ в полосе сигнала, в про-
тивном случае может возникнуть паразитная амплитудная модуля-
ция поднесущей цветности и в конечном счете — искажение цветного
изображения.
Характеристика УПЧИ должна обеспечить более глубокую режек-
цию звуковой несущей своего и соседнего каналов на частотах 31,5 МГц
и 39,5 МГц не хуже 34 ... 40 дБ во избежание помех на изображении от
биений между цветовой поднесущей и несущей звука с частотами
394
1,75...2,6 МГц. Вследствие того что звуковая несущая в УПЧИ цветно-
го приемника ослаблена не менее чем в 100 раз по сравнению с несу-
щей изображения, эффективное второе преобразование звуковой ча-
стоты выполняют не в видеодетекторе, а в отдельном диодном
преобразователе АДЭ„ включенном в тракте УПЧИ там, где выдержи-
вается соотношение размахов несущих изображения и звука 10...20...1,
т.е. до глубокой режекцни. Увеличенная глубина режекции несущей
звука в цветном приемнике будет благоприятно сказываться иа каче-
стве изображения, если точность настройки приемника будет не хуже
4-50 кГц от номинальной частоты канала, при которой частота режек-
ции звука в УПЧИ будет равна преобразованной частоте несущей
звука. Отсюда следует, что в цветном приемнике должна быть обяза-
тельно применена система АПЧГ, обеспечивающая это условие, а
селектор каналов должен обеспечивать достаточную стабильность
гетеродина и большую, чем для приемника черно-белого телевидения,
равномерность и избирательность АЧХ в принимаемом канале.
Во избежание проявления квадратурных искажений, характер-
ных при использовании линейного амплитудного детектора в систе-
мах с однополосной амплитудной модуляцией, в современных прием-
никах цветного телевидения применяется в УПЧИ квазисинхронный
детектор с опорным контуром, настроенный на промежуточную час-
тоту несущей изображения 38,0 МГц. Это позволяет при точной на-
стройке контура добиться линейной передачи всех составляющих
спектра сигнала в полосе приема независимо от их амплитуды и тем
самым избежать интермодуляционных искажений сигналов яркости
и цветности, свойственных линейному амплитудному детектирова-
нию.
Высокие требования к форме АЧХ радиотракта цветного прием-
ника в современных схемах реализуются в полосовых фильтрах УПЧИ
и УПЧЗ пьезокристаллических преобразователей на поверхностно-
акустических волнах (ПАВ), которые обеспечивают стабильность
АЧХ в процессе эксплуатации и повторяемость при изготовлении. Это
особенно характерно для миогостаидартиых приемников, в радио
тракте которых необходимо обеспечивать прием и режекцию звуко-
вых промежуточных несущих на разных частотах разноса (6,5...6...5,5...
...4,5 МГц). В п'абл.16.1 приведены основные параметры стандартов
вещания, а в табл.16.2 — стандарты вещания в странах мира.
Высокая надежность в эксплуатации и технологичность в изготов-
лении современных телевизионных приемников в немалой степени
обязана применению в радиоканале интегральных схем, в частности
в УПЧИ, УПЧЗ и, как правило, в СК современной разработки. Это, в
свою очередь, решает задачу унификации радиоканала в применении
к телевизионным приемникам среднего и высокого класса, различие
между которыми определяется в основном расширенными функцио-
нальными ъозможностями, большим удобством управления, большей
надежностью и экономичностью.
395
Таблица 16.1
L0 _ ж еч S ср lo i T! 1 CD 1/5 Й Tt тГ J- ZT -H Ю з । । + +
“ 8 g § 2 i S S S 1 in ° m J" 3" - 11+1 + 1-
s S 8 1 00 £ 5g e * | 5 + I 1
S 0 8 | 00 £ 5g 1 * ? 1 +1 1
* i § 3 § °° £ у S “ 5. + + • 1
1 s s § S00 «= 5g 1 1 5 s i + 1
S g 8 I « ® £ 5g X 5?^ i 1+1 • 1
о | g 8 1 » « £ 5g x 5 S ° s + + 1 1
о S g 3 § « « £ 5gx * 44 “1 й + + 1 1
«а 5gs|«3-£ 5g X 8 + + 1 1
Параметр Диапазон волн Число строк в кадре Частота полей, Гц Частота строк, Гц Полоса частот видеосигнала, МГц Полоса частот радиосигнала, МГц Разнос несущих частот видео и звука, МГц Вид модуляции несущей изображения Полярность модуляции (негативная, позитивная) Вид модуляции несущей звука Девиация частоты несущей звука, кГц Отношение мощностей несущих изо- бражение и звука Система цветного телевидения: SECAM PAL, поднесущая 4,43 кГц 3.575 3,582 NTSC, поднесущая 3,58 МГц поднесущая 4,43 (для видеозаписи)
Таблица 162
Страна Стандарт Страна Стандарт
Австралия В PAL Мексика М NTSC
Австрия B/G-PAL Монголия D/K-SECAM
Бельгия В/Н 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/К SECAM Польша D/К 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 В PAL Россия, СНГ D/K-SECAM
Индонезия В 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
С этих позиций оценивая структурную схему цветного приемника
(см.рис.16.4), можно сделать вывод, что наиболее значительные видо-
изменения, модерннзацин, связанные с прогрессом в электронике,
технике телевизионного вещания и цифровой и вычислительной тех-
нике, следует ожидать в реализации блока цветности, совершенство-
вании цепей угравления, блоков развертки и питания.
Унифицированный стационарный цветной телевизор (УСЦТ).
Кассетно-модульный принцип конструирования ТВ приемника, при
котором каждый функциональный узел электрической схемы конст-
руктивно завершен модулем, позволяет в современных приемниках
отечественного производства с кинескопами с самосведением, начи-
ная с первых выпусков типа ЗУСЦТ (третье поколение, унифициро-
ванный, стационарный цветной телевизор), функционально наращи-
вать в пределах единой конструкции и электрической схемы полезные
качества, внедряя новые модули и заменяя устаревшие модифициро-
ванными модулями, но сохраняя неизменным все остальное. Каждый
модуль (или субмодуль) содержит одну или несколько интегральных
396
397
схем и ряд дискретных элементов, смонтированных на одной плате.
Однотипные модули взаимозаменяемы и соединяются разъемами и
жгутами проводов. По мере появления интегральных схем новых по-
колений с расширенными возможностями заводы-изготовители, не
меняя технологического процесса, могут существенно улучшить по-
требительские качества модернизируемых приемников. На таком
принципе осуществляется эволюция унифицированных телевизоров
от ЗУСЦТ к телевизорам четвертого и пятого поколений (4УСЦТ и
5УСЦТ)[43]. Для этих целей были разработаны следующие устройст-
ва: двухстандартные блоки цветности PAL/SECAM, двухстандарт-
ные модули радиоканала с разносом несущих звука и изображения
6,5 и 5,5 МГц, блок выбора программ с цифровым синтезом частот,
дистанционное управление на инфракрасных лучах, устройство внеш-
ней коммутации сигналов для подключения видеомагнитофона и ком-
пьютера, импульсный источник питания с управлением на микросхе-
ме и т.д.
С появлением микросхем третьего н четвертого поколений в отече-
ственном исполнении в телевизорах четвертого и пятого поколений
находят применение известные устройства, значительно улучшающие
качество изображения в принимаемых стандартах, такие как устрой-
ство автоматического баланса белого (АББ), корректор цветовых пе-
реходов, динамический регулятор уровня черного, шумоподавление в
сигнале яркости, ограничитель тока лучей и др. Телевизоры пятого
поколения, выполненные на аналого-цифровых интегральных схемах
с микропроцессорным управлением, отличаются от своих предшест-
венников наибольшей комфортностью управления и наилучшими по-
казателями, которые можно достигнуть при воспроизведении цветно-
го изображения в принимаемом стандарте. Микропроцессор в блоке
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 умень-
шения или увеличения номера канала, их прямой выбор, переключе-
ние систем приема, электронную регулировку громкости, яркости,
контрастности и насыщенности, запоминание их уровней, переключе-
ние телевизора в режим ожидания при пропадании сигнала на входе
или по истечении предварительно заданного таймером времени. На
экране телевизоров индицируются символы выполняемой функции
(номера программы, принимаемой системы цветного телевидения,
состояние таймера, уровень регулировки параметра и др.).
Система настройки и управления телевизором построена на базе
БИС микропроцессора, например TVP02065-A41, реализующей фун-
кции синтезатора напряжения настройки совместно с функциями ди-
станционного управления. Принцип синтеза напряжения настройки
основан на формировании и запоминании этого напряжения в цифро-
вой форме. Для этого используются генератор меняющегося кода,
цифро-аналоговый преобразователь и электрически стираемое пере-
программируемое запоминающее устройство. Взаимодействие меж-
398
ду ними организуется по известной концепции [44] фирмы Phillips при
помощи двухпроводной цифровой шины I2C (Inter Integrated Circuit —
между микросхемами). Это позволяет надеяться, что в будущем с
переходом к цифровым телевизорам, в которых будут применяться в
канале изображения и звука только цифровые схемы и методы обра-
ботки сигнала при пользовании той же шиной 12С, возможно будет
эволюционно заменять аналоговые микросхемы третьего и четвертого
поколений на микросхемы с цифровым интерфейсом для шины 12С,
например, серии 8000 фирмы Phillips. Это даст возможность заводам-
изготовителям безболезненно постепенно в традициях унифициро-
ванного телевизора УСЦТ перейти от модели 5УСЦТ с аналого-циф-
ровым управлением к цифровым телевизорам с цифровой обработкой
сигналов видео и звука по шине 12С, связывающей непосредственно
соответствующие модули цифрового исполнения.
На рис.16.5 представлен общий вид (сзади) цветного телевизора
5УСЦТ, в котором функциональные узлы конструктивно выполнены
в кассетно-модульном виде. Это позволяет разместить практически
всю электрическую схему на одном вертикальном шасси с двумя про-
дольными кассетами слева и справа от прожектора кинескопа, кроме
модуля видеоусилителей кинескопа МВК-501, который размещается
Вид сзади
Рис 16.5. Структурная схема цветного телевизора типа 5УСЦТ
399
непосредственно на панели кинескопа и благодаря этому не угрожает
высокими напряжениями и возможными пробоями в кинескопе уп-
равляющим низкочастотным цепям на микросхемах в блоке цветно-
сти.
В соответствии со структурной схемой телевизора 5УСЦТ
(рис.16.6) кассета обработки сигналов КОС-501 содержит моду-
ли СКВ-41Е2К всеволнового селектора каналов, двухстандартные
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 КЮ21ХА5 и модуль устройства
согласования МУС-501 для коммутации сигналов внешних устройств
(например, компьютера или видеомагнитофона).
Кассета разверток и питания КРП-501 содержит модуль строчной
развертки с корректором вертикальных линий и сплиттрансформато-
ром типа TDKC-4 или TDKC-19 для питания накала и электродов
кинескопа и модуль импульсного питания телевизора с устройством
размагничивания кинескопа (УРК).
В состав модели 5УСЦТ входят кроме указанных унифицирован-
ных узлов также модуль звуковой частоты МЗЧ-50 и синтезатор на-
пряжений МСН-501. Последний, как правило, не является унифици-
рованным и выполняет функцию блока управления оперативными
электронными регулировками, выбора программ, стандарта веща-
Рис. 16.6. Размещение функциональных узлов схемы в конструкции телевизора
5УСЦТ
400
ния и системы цветного телевидения при помощи микроЭВМ, напри
мер, на базе микросхемы РСА 84С640Р/019В, сообщающейся по циф-
ровой информационной шине 13С с перепрограммируемым запо-
минающим устройством (ППЗУ) на микросхеме PCF8582A.
Аналого-цифровой принцип управления, осуществляемый вэтом бло-
ке, позволяет синтезировать необходимые уровни аналоговых напря-
жений, которые соответственно управляют аналоговыми цепями
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 приемника
осуществляются при помощи клавиатуры платы управления ПУ-51,
сопряженной с МСН-501, в которой при помощи наружных клавиш-
ных переключателей формируются коды команд для микроЭВМ. Эти
команды переводятся в цифровой сигнал, после чего в результате
взаимодействия микропроцессора и ППЗУ цифровой продукт после
АЦП выводится в виде аналогового напряжения на соответствующий
управляемый узел, например электронный регулятор уровня яркости
в блоке цветности, регулятор настройки на номер радиоканала в СКВ
и т.д. Предусмотрено дистанционное управление модулем синтезато-
ра напряжения при помощи фотоприемника на микросхеме TDA3048
установленного в модуле, и пульта дистанционного управления ПДУ-5
с инфракрасным передатчиком, выполненного на микросхеме SAA
30 ЮР.
В телевизоре 5УСЦТ применяется система дежурного питания
БПД, которая включает полно», питание телевизора при вызове соот
ветствующей командой с ПДУ либо от запрограммированного тайме
ра в блоке МСН-501 посредством платы коммутации упрагляющей
цепи КУЦ-45, информационно связывающей БПД-45 и МСН-501.
На рис. 16.6 показано выделенными информационными шинами
взаимодействие блока управления МСН-501 телевизора 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 теле
визоров будет замена в этих шинах аналоговых управляющих и ком мути
рующих сигналов на цифровые коды двухпроводной шины 12С, связываю
щей микропроцессор блока управления с цифровыми интерфейсами
аналоговых микросхем. Причем возможно на первых порах применение
специальных интерфейсных микросхем,осуществляющих только адапта
цию цифрового сигнала управления применительно к уже используемым
типам аналоговых микросхем с аналоговой обработкой и регулировкой
телевизионных сигналов. В последующих поколениях телевизоров воз
можна пол! ая замена всех функциональных узлов с регулировкой и обра
боткой сигналов исключительно на узлы цифрового исполнения, объе
диненные лифровой информационной шиной 12С[44].
401
16.3. МНОГОСТАНДАРТНЫЙ БЛОК ЦВЕТНОСТИ ТЕЛЕВИЗОРОВ УСЦТ
В соответствии с общими принципами декодирования стандарт-
ных сигналов цветного телевидения, изложенными в гл.9, основной
задачей блока цветности современного цветного телевизора является
восстановление исходных цветоделенных сигналов E'R, Е'о, Е'в, управ-
ляющих соответствующими токами лучей в кинескопе с самосведени-
ем, из декодированных цветоразностных и яркостного сигналов цвет-
ного телевидения любой системы принятой программы. Несмотря ка
большое разнообразие вещательных стандартов цветного телевиде-
ния (PAL, SECAM, NTSC с поднесущей 3,58 МГц и NTSC с поднесу-
щей 4,43 МГц в видеозаписи), структурная схема блока, приведенная
на рис. 16.7, показывает общие основные функции узлов, необходимые
к исполнению в зависимости от класса телевизора и системы кодиро-
вания цветного сигнала. Как следует из схемы, полный цветовой сиг-
нал ПЦТВС разделяется на два направления — в канал яркости и
многостандартный декодер. В канале яркости осуществляется ре-
жекция цветовой поднесущей при помощи фильтров, настройка кото-
рых контролируется декодером соответствующего стандарта [32]. 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 резкости КЦР яркостный сиг-
нал и цветоразностные сигналы после КЦР поступают в сложное
многофункциональное устройство — видеопроцессор, в котором осуще-
ствляется их матрицирование. Кроме этой операции в видеопроцес-
соре осуществляется электронная регулировка контрастности, насы-
щенности и яркости, коммутация внешних сигналов, регулировка
Внешние сигналы (PC, ВМ телетекст)
Ь Ес Ь
402
баланса белого (возможно, автоматическая АББ), ограничение тока
лучей ОТЛ кинескопа от перегрузки.
Сформированные в видеопроцессоре сигналы Е' R, Е'с, Е'в управля
ют токами лучей при помощи видеоусилителей кинескопа, которые в
телевизорах четвертого и пятого поколений гальванически связаны с
видеопроцессором. В отличие от телевизоров первых выпусков с при
менявшимися дельта-кинескопами, в которых управление токами лу
чей осуществлялось кондуктивно и раздельно по катоду яркостным
Е'у и по модуляторам цветоразностными сигналами Е'R_Y, Е'с_у, Е'в_у
в кинескопах с самосведением правильность цветопередачи, завися
щая от сбалансированности модуляционных характеристик кинеско
па, имеющего только один общий электрод-модулятор и общий
ускоряющий электрод, должна быть обеспечена установкой соот-
ветствующих уровней черного в сигналах E'R, Е'с, Е'в и их разма
хов во внешних цепях.
Приведенные диаграммы управляющих сигналов и модуляцион
ные характеристики в случае применения дельта-кинескопа (рис
16.8) показывают, что при гальванической связи усилителей цветораз
ностных сигналов с модуляторами и усилителя яркостного сигнала, в
котором осуществлена фиксация уровня черного с катодами, балан
сировка по уровню черного достигается за счет относительного изме
нения режимов видеоусилителей по постоянному току (ДОВС и MJBR)
Балансировка по уровню белого достигается выравниванием токов
лучей на белом R, G и В прожекторов регулировкой ускоряющих
напряжений, воздействующих на наклон (крутизну) модуляционной
403
характеристики. При этом оперативные регулировки насыщенности
(в канале цветности на поднесущей), яркости (уровень фиксации в
канале яркости) и контрастности (размах сигнала E'Y) 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.
Видеопроцессор4-5 УСЦТ. Отличие в конструкции электронных про-
жекторов кинескопа с самосведением, в частности невозможность раз-
дельно и непосредственно выравнивать крутизны модуляционных ха-
рактеристик цветных прожекторов (рис. 16.9), более высокие требования
к качеству цветных изображений в современных телевизорах, в частно-
сти требование хорошей динамической балансировки по белому, застав-
ляют прибегать к раздельной регулировке сигналов и к неоднократной
фиксации уровней в процессе обработки сигналов в специальном уст-
ройстве — видеопроцессоре (рис.16.10). Первая фиксация уровней сиг-
налов E'y, E'R_r и Е'в_у, пришедших в видеопроцессор после раздели-
тельных цепей с потерей постоянной составляющей, осуществляется по
уровню черного во время прохождения задней площадки гасящего им-
пульса в сигнале Е'г и нулевого уровня в сигналах Е' R_Y и Е'в_у специ-
альным стробирующим импульсом строчной частоты SSC, вырабатыва-
емым в задающих цепях строчной развертки либо в цепях амплитудной
и временной селекции видеосигнала. Восстановленные постоя-нные со-
ставляющие в сигналах Е'у и Е'R_Y Е'B_Y позволяют производить пра-
вильное матрицирование сигналов £'Л_,,, E'0_r, E’B_Y и £\для получе-
ния цветоделенных сигналов Е' R, Е'с, Е'д, осуществлять электронную
регулировку насыщенности в каскадах усилителей сигналов
E'R_r, Е'в_у и контрастности сигналов E'R, Е'с, Е'в.
Введение в сигналы E'R, Е'с, Е'R информации о положении регуля-
тора яркости производится в каскадах регулировки яркости и фикса-
ции посредством привязки уровня черного сигнала к уровню постоян-
ного напряжения, задаваемому от внешней цепи. При этом внешние
конденсаторы С„ С2, С3 в каждом канале запоминают этот уровень в
момент фиксации и сообщают его сигналу во время прямого хода по
строке в виде постоянной составляющей. В последующих каскадах
после гашения сигналов импульсами стробирования SSC построке и
кадру осуществляется таким методом передача информации о поло-
жении регулятора яркости в виде разницы между уровнем черного в
сигнале и уровнем опорной площадки гашения, который должен быть
зафиксирован на уровне ’’чернее черного”, обеспечивающим закрыва-
ние кинескопа во время обратного хода по строке и кадрам в положе-
нии регулятора яркости на минимуме (рис.16.11).
При гальванической (кондуктивной) связи выходных каскадов
£'й, Е'с, Е'в сигналов с видеоусилителями кинескопа, что характерно для
последующих типов УСЦТ (четвертого и пятого поколений) необходимо
404
р
лиВ6
Б
В
РегулировксьВаланса
В Белом
Баланс
в черном
(E^lgUfBUgg)
Рис. 16.9. Диаграммы управляю-
щих сигналов в кинескопе с са-
мосведеиием
Рис. 16.10. Функциональная схе-
ма видеопроцессора:
ЦФ — цепь фиксации; М — матрицирова-
ние сигналов; PH — регулировка насыщен-
ности; РК — регулировка контрастности; К
— коммутатор сиг алов; РЯ — регулиров-
ка яркости; КГ - каскад гашения; РР —
регулировка размаха сигналов; АББ — сис
тема регулирования АББ; Z — сумматор
сигнала с корректирующим напряжением
АББ; ФИ — формирователь импульсов от
SSC; К — ключ а каналах АББ; Д — порото
аый дискриминатор
-4—р- Регулировка
размаха
Контрастность
(размах Е?)
Яркость
(уровень ,
(фиксации Ег)
Насыщенность
(размах
им(к}
Внешние сигналы
Er Ес Ев
КГ
РЯ
Ев
<РН
АББ
Регулировка
-^контраста
Регулировка
- яркости
ОГР Сигнал SSC
коммутации
ца> PH
Регулировка
naci(ценности
* РК -*
рк -*
I
-* РЯ
и<Р
РЯ
с5
АББ
а
Z
АББ J
'-А АББ
И
Е
405
осуществить ’’привязку” опорной площадки гашения в сигналах
E'R, Е'с, Е'в к напряжениям отпирания (отсечки)лучей в модуляцион-
ных характеристиках кинескопа. В зависимости от типа микросхемы,
применяемой в видеопроцессоре, уровни, к которым осуществляется
привязка опорной площадки регулируемого сигнала в каналах, мо-
жет устанавливаться вручную (например, К174ХА17) при помощи
внешних резистивных регуляторов, устанавливаемых в плате видео-
усилителей кинескопа, ответственных за запирание луча в каждом из
трех электронно-оптических прожекторов кинескопа, либо автомати-
чески. В первом случае динамический баланс белого достигается
вручную подгонкой индивидуально в каждом канале уровней опорных
площадок в сигналах E'R, Е'в, Е'с к напряжениям запирания и подре-
гулировкой размахов сигналов в каналах на белом (см.рис. 16.11). Оче-
видно, старение кинескопа и расхождение напряжений запираний в
модуляционных характеристиках вызовут нарушение баланса белого
и искажения цветного изображения. В современных микросхемах-ви-
деопроцессорах телевизоров четвертого и пятого поколений типа
К174ХАЗЗ (TDA3505) и им подобных для устранения ручной регули-
ровки баланса на темных участках применяется система автоматиче-
ской балансировки белого АББ, т.е. балансировки уровней привязки
в выходных сигналах E'R, Е'с, Е'в процессора. С этой целью в микросхе-
ме формируются в трех последних строках кадрового гасящего им-
пульса измерительные прямоугольные видеоимпульсы положитель-
ной полярности EUabb, 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 соответст-
вует балансу кинескопа по яркости в темных участках. В качестве
Регулировка контрастности
Рис. 16.11. Диаграмма сигнала на выходе одного из каналов видеопроцессора
406
датчиков состояния открытости прожектора служит измерительный
резистор в плате ВУ кинескопа, по которому протекают контрольные
импульсные токи всех трех прожекторов последовательно во времени
в течение трех строк. Если следящие системы в каналах R, G, В отме-
тят расхождение в амплитудах контрольных импульсов токов по ка-
налам, больших или меньших 10 мкА, а значит, и различие Д(7^св) в
привязках опорных площадок гашения сигнала к напряжению отсеч-
ки модулятора, то канальный компаратор системы АББ с внешними
конденсаторами С4, С5, С6 в каждой системе регулирования выдаст
поправочное постоянное напряжение соответствующего знака, кото-
рое в сумматоре £ будет добавлено к сигналу и скомпенсирует рас-
хождение в упомянутых напряжениях отсечки луча кинескопа и на-
пряжения на катоде, соответствующего площадке гашения в сигнале.
В моменты прохождения контрольных импульсов оперативная регу-
лировка яркости отключается, чтобы система балансировки не сра-
батывала и не компенсировала бы изменение яркости.
На рис.16.12 представлены диаграммы измерительных сигналов
АББ в каналах и на общем измерительном резисторе Rr на плате
видеоусилителей кинескопа, поясняющие принцип действия АББ.
Очевидно, в случае старения кинескопа и изменения модуляционных
характеристик в такой системе будет поддерживаться баланс белого
только на темных участках. Балансировка на светлых участках изо-
бражения должна производиться регулировкой ’’размахов R, G и В”,
осуществляемой электронным регулированием по каналам в сигна-
лах с введенной опорной площадкой. В телевизорах четвертого-пятого
поколений 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 отсечки
кинескопа, вводятся внутри кадрового гасящего имцульса еще три
импульса для контроля токов средней яркости. Системы регулирова
ния в каналах, действующие от этих дополнительных импульсов, кон
тролируют размах сигналов Е' к, Е'с, Е'в в каналах, исключая таким
образом ручные подрегулировки размахов R, G, В, применяемые в
телевизорах четвертого и пятого поколений УСЦТ для динамической
балансировки на белых участках изображения.
В видеопроцессорах современных микросхем синхронизация всех
процессов фиксации, осуществляемых при регулировках насыщенно-
сти, яркости, контрастности, размахов сигналов и обеспечении изме-
рительных импульсов для АББ, осуществляется трехуровневыми им
пульсами SSC (Super sand castle), имеющими сложную форму и
задающими в интервале уровней О...2,5 В кадровые импульсы гашения
по полю, в интервале 2,5...4,5 В — строчные импульсы стробирования
для гашенчя 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
407
Уровень отсечки лу
Уровень отсечки луча В
Уровень отсечки луча G
—к- -1Л_^
1*
кк’ччн -лпщадка гашения едив
Уровень черного
лииб
Опорная
площадка tAUE
Уровень черного
Опорная
, площадка *BUB
Уровень черного
j-^-Н ччь Z5S
пЧ
.__________।--! ,--1[—I [\ Г\ Г черного
° SSC 2J5t t
СГИ ‘ «,5В 8В
Рис. 16.12. Диаграммы напряжений:
а, б, a — измерительных сигналов иа катодах Я, G, В кинескопа; г — иа измерительном сопротивлении Rt; д —
трехуровневого сигнала SSC для фиксации и гашения
импульсов представлена на рис.16.12,д. Пользование таким импуль-
сом позволяет сэкономить на количестве 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, находя-
щихся внутри микросхемы.
В видеопроцессоре реализуется обязательное для современного
телевизора ограничение среднего тока лучей (ОТД) кинескопа. Это
ограничение исполняется посредством порогового шунтирующего
воздействия на регулятор контрастности и затем, каскадно, на регу-
лятор яркости при чрезмерном (более 1 мА) возрастании среднего
тока кинескопа на очень светлых изображениях (микросхемы
TDA2500, TDA3501,...,35Q5, K174XAI7, К174ХАЗЗ). В качестве датчика
контрольного напряжения токовой перегрузки кинескопа служит ли-
бо тот же резистор в плате видеоусилителей кинескопа, что измеряет
темновой ток для АББ, либо, как упоминалось в гл.8, резистор огра-
ничения тока лучей, установленный в высоковольтном выпрямителе
строчной развертки последовательно с током нагрузки, т.е. анодным
током кинескопа.
Для недопущения расфокусировки лучей на очень белых мелких
деталях, на которые не реагирует ОТД по среднему току лучей из-за
408
малого удельного веса этих деталей в средней яркости изображения,
применяется в современных процессорах (TDA3501, 3505, К174ХАЗЗ)
другая разновидность ОТЛ - в пиках тока. Для того чтобы она дейст-
вовала эффективно, ограничивая контрастность и яркость через изве-
стные регуляторы, на определенный вход микросхемы видеопроцес-
сора подается пиковое импульсное напряжение через
разделительный конденсатор с наружного аквадагового покрытия
кинескопа, величина которого пропорциональна мгновенному значе-
нию полного тока кинескопа. Установленный на определенный предел
пороговый дискриминатор D видеопроцессора при каждом превыше-
нии допустимого пикового тока будет воздействовать на электронные
регуляторы контрастности и яркости, уменьшая последние по той же
схеме, что и в случае действия ОТЛ по среднему значению тока [44].
Видеоусилители кинескопа. Характерной особенностью выходных
усилителей сигналов E'R, Е'с, Е'в является их широкополосность при
относительно больших выходных сигналах, управляющих лучами про-
жекторов кинескопа. Возможность пробоев в кинескопе заставила
разработчиков современных телевизоров вынести эти усилители на
плату, совмещенную с панелью кинескопа. При этом уменьшается
существенно монтажная емкость соединительных проводов между
выходами усилителей и катодами кинескопа и уменьшается риск по-
вреждения низковольтных микросхем в блоке цветности от соседства
относительно высоких напряжений выходных цепей видеоусилителей,
особенно при пробоях. С целью уменьшения потребляемой мощности
выходные каскады современных телевизоров выполняются как уси-
лители с активной нагрузкой [32]. На рис.16.13 показан видеоусили-
тельодного канала. Первый каскад ВУ с общим эмиттером на тран-
зисторе VT1, в коллекторе которого развивается основное усиление
(до 150 В размаха), нагружен ие на катод кинескопа, а на эмиттерный
повторитель VT2, который уменьшает действие паразитных емкостей
соединительных проводов и входных емкостей катодов кинескопа.
При этом достигается возможность в той же полосе сигнала сущест-
венно увеличить резистивную нагрузку каскада на VT1, сбросив с
коллектора VT1 значительную мощность рассеяния. Это в свою оче-
редь позволяет уменьшить паразитную емкость на выходе VT1 за счет
отказа от теплового радиатора. Е[ итоге потребление мощности от
Рис. 16.13. Схемы видеоусилителя ки-
нескопа с датчиком темнового тока
409
источника в таком усилителе с активной нагрузкой может уменьшить-
ся более чем в2...3 раза, а из-за противофазности загрузки транзисто-
ров VTI, VT2 на белом и на черном среднее потребление тока от
источника выравнивается, облегчая требования к пульсации. Транзи-
стор VT3, включенный как эмиттерный повторитель с общим для всех
трех каналов видеоусилителей резистором /?т, служит для измерения
темнового тока луча кинескопа, контролируемого специальными им-
пульсами в кадровом гасящем (см.рис.16.12) для системы АББ. Это
же сопротивление /?т, на котором суммируются напряжения от проте-
кающих по нему трех токов лучей, может исполнять роль датчика,
контролирующего максимально допустимый ток кинескопа в системе
ОТЛ по среднему значению. Диоды в эмиттерных переходах VT2 и
VT1 защищают от пробоя транзисторы при разрядах в кинескопе.
Корректор цветовой резкости. Задача коррекции цветовых перехо-
дов, улучшение цветовой резкости (СА1 — Colour accutence
improvement) для всех стандартных цветных систем связана с необ-
ходимостью оптимального совмещения во времени коротких фронтов
широкополосных сигналов яркости(около 150 нс)сзатянутыми фрон-
тами узкополосных цветоразностных сигналов (около 800 нс). В при-
емниках первых поколений применялась для совмещения фронта ли-
ния задержки в канале яркостного сигнала, однако качество цветного
изображения, особенно в мелких деталях, из-за размытости цветных
границе насыщенных цветах оставляло желать много лучшего. Кроме
того, широкополосная линия задержки в яркостном канале из-за гро-
моздкости плохо сочеталась с высокой степенью миниатюризации и
интегральной технологией, характерной для современной схемотех-
ники приемников. Известно, что многостандартные декодеры требу-
ют в соответствии с разными частотными характеристиками произво-
димых сигналов варьирования в некоторых пределах времени
задержки в яркостном канале. Поэтому в современных приемниках
применяют устройство коррекции цветовой резкости (см.рис.16.7), ис-
полняемое по интегральной технологии в виде микросхемы с двумя
каналами обработки сигналов, перед которыми ставятся две функци-
ональные задачи: регулировка задержки яркостного сигнала (LQ1 —
Luminance quality improvement), улучшение цветовых переходов в
изображении (CTI — Colour transient improvement).
Схемотехнически необходимую величину задержки сигнала в яр-
костном канале КЦР с некоторыми пределами регулирования обес-
печивают набором нужного числа каскадно-включенных активных
фильтров (гираторов), каждый из которых задерживает сигнал ярко-
сти на 90 нс. Число подключаемых гираторов в яркостном канале
микросхемы регулируется подачей соответствующего постоянного
напряжения из внешней цепи микросхемы. В микросхеме отечествен-
ного производства К174ХА37 и ее зарубежных аналогах TDA4560 и
TDA4565 полное время задержки обеспечивается в пределах
720...1035 нс, гарантируя точное совпадение яркостного и цветоразно-
стных сигналов во времени для любого стандарта.
410
Рис. 16.15. Диаграммы сигналов в уст-
ройстве коррекции
Рис. 16.14. Сигналы яркостные и
цветоразностные:
а, б, в — без коррекции цветовых переходов; t,
д — с коррекцией
Улучшение цветовых переходов (CTI) в цветном изображении до-
стигается специальной обработкой узкополосных сигналов
Е'р_г и Е'в_у, поступающих на устройство корректора цветовой резко-
сти (CAI). На рис.16.14, а, б, в приведены диаграммы напряжений
сигналов яркостного и цветоразностных при совмещении их посредст-
вом традиционной линии задержки на 330 нс в яркостном канале и без
коррекции фронтов цветоразностных сигналов. Диаграммы рис.16.14,
г, д, показывающие состояние фронтов цветоразностных и яркостного
сигналов после обработки в корректоре цветовых переходов, убеди-
тельно демонстрируют превосходство цветного изображения, создан-
ного такими сигналами, над изображением от сигналов некорректи-
рованных (рис.16.14, г, д и 16.14, б, в), ч
Устройство коррекции фронтов (CTI) цветоразностных сигналов,
работа которого поясняется диаграммами рис.16.15, включает в себя
две одинаковые схемы с каналом (для E'R_y и Е' в_у) последовательной
аналоговой обработки импульсов входного цветоразностного сигнала и
релейного перекл ючателя, управляемого сформированными управляю-
щими им пульсам и [32]. Согласно рис. 16.15 и 16.16 входной цветоразност-
ный сигнал, имеющий относительно крутой передний фронт и пологий
задний срез, поступает на нормально замкнутый ключ ЭК и дифферен-
цирующую цепь. После дифференцирования сигнал детектируется дву-
полярным детектором фронта, поскольку сигналы цветности имеют раз-
ную полярность. На месте фронтов получаются импульсы
положительной полярности, амплитуды которых пропорциональны
411
Рис. 16.16. Структурная схема корректора цветовых переходов (СТ1)
крутизне фронта и среза цветоразностного сигнала (С/, на рис. 16.15,
б). Импульсы пропускают через фильтр верхних частот ФВЧ с посто-
янной времени 800 нс (рис.16.15, в) и ограничивают в амплитудном
ограничителе АО на уровне порога U„. При этом формируются прямо-
угольные импульсы управления(релейные) (/3(рис.16.15,г),размыка-
ющие ключ ЭК. Конденсатор С образует вместе с ЭК цепь выборки и
хранения, на выходе которой поддерживается уровень сигнала, соот-
ветствующий моменту размыкания ключа. В итоге получается сигнал
Цвыз, длительность переходов в котором сокращена. За счет появления
более короткого импульса в начале среза цветоразностного сигнала
после прохождения устройства CTI в нем появляется незначительная
ступенька (рис. 16.5, д), не оказывающая существенного влияния на
качество изображения. Очевидно, что чем более пологим будет срез
(например, плавный, естественный переход цвета всюжете)всигнале,
тем меньше будет проявляться эта ступень. Вообще же устройство
CTI тем более эффективно, чем круче фронты импульсов. Естествен-
но, что наибольший эффект это устройство дает в системах NTSC и
PAL. В SECAM, к сожалению, из-за ограничения в кодере выбросов
от низкочастотной предкоррекции на цветовых переходах насыщен-
ных цветов возникают затяжки фронтов до 1,8 мкс, при которых эта
схема не эффективна. Однако в сюжетах с ненасыщенными цветами
изображение и в SECAM существенно прибавляет в качестве после
коррекции. Специфические сколы на фронтах цветоразностных сиг-
налов насыщенных цветов, как следствие амплитудного ограничения
в кодере предыскаженных сигналов, могут быть существенно умень-
шены адаптивными корректорами цветовых переходов, которые спо-
собны уменьшить затянутый фронт в сигналах SECAM от 1,8 до 0,5
мкс [32], после чего эффективно применение систем коррекции цвето-
вой резкости (CAI). Однако пока такие адаптивные корректоры при-
меняются лишь в профессиональной аппаратуре.
Многосистемный декодер. Определяющим признаком современ-
ности цветного телевизора, в частности телевизора четвертого-пятого
поколений серии УСЦТ, является его способность принимать про-
граммы ЦТ с кодированием цветности в принятых в мировом телеви-
412
знойном вещании системах PAL, SECAM и NTSC. Развитие интег-
ральной схемотехники позволяет эффективно решать эту задачу на
базе новейших поколений микросхем самыми прогрессивными мето-
дами. Это новое качество современного телевизора особенно актуаль-
но в связи с широким распространением бытовой видеозаписи с вы-
ходным сигналом различных стандартов, спутниковым
многостандартным вещанием в системе СТВ-12,0 и немаловажно для
расширения экспортных возможностей.
Как показал 20-летний опыт зарубежных стран и подтверждает
отечественная практика последних лет, существуют три основных
способа создания многосистемных декодеров цветности:
1) декодер-конвертор с использованием принципа транскодирова-
ния;
2) декодер с использованием параллельных каналов цветности на
разные стандарты;
3) декодер с общими для разных систем узлами с переключением
режимов их работы (комбинированный декодер).
Декодер конверторного типа [32] был предложен для приема двух
стандартов цветного телевидения: PAL как основной и SECAM, кон-
вертируемый в PAL. Этот способ был предложен в начале 70-х гг. и
реализовывался в виде приставок-конверторов к телевизорам стан-
дарта PAL. С той поры этот способ нашел воплощение в разработан-
ных комплектах микросхем TDA3300 и TDA3030 третьего поколения
и более совершенных микросхем четвертого поколения TDA3562 и
TDA3590, TDA3591 (отечественные аналоги КРЮ21ХА4 и
КРЮ21ХАЗ), 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 низ-
кочастотных сигналов цветности EK_Y и Ев_у и затем кодируется мето-
дом квадратурной балансной модуляции в сигналы, похожие на сиг-
налы PAL, которые могут быть приняты основным декодером PAL
телевизионного приемника. Упрощенная структурная схема конвер-
тирования сигнала SECAM показана на рис.16.17. Если принимается
сигнал PAL, входной переключатель К1 от опознавателя системы в
блоке цветовой синхронизации БЦС устанавливается в положение Р,
и сигнал Un со входа направляется через полосовой фильтр (ПФ) в
кодер PAL, где демодулируется 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 демодулируется одиночным частот-
ным детектором. Чтобы выровнять уровни черного в сигналах Ев_у и
Ев_у в частотный детектор направляется меандр напряжения полу-
строчной частоты /с/2, этим же напряжением с частотой /с/2управля-
ется инвертор сигнала, который делает полярность чередующихся и
разнополярных сигналов Ек_у и EB_Y положительной. В балансном мо-
413
Рис. 16.17. Упрощенная структурная схема конвертирования SECAM/PAL
дуляторе (БМ) эти сигналы подвергаются квадратурной модуляции
при помощи генератора опорной частоты 4,43 МГц, фаза которой
меняется на 90° электронным коммутатором от строки к строке. В
результате на выходе БМ образуются радиосигналы, похожие иа
PAL, так называемый псевдо-PAL, так как на каждой строке присут-
ствует только одна составляющая t/v(£R_l,) либо После про-
хождения этих сигналов через замкнутый в положении S ключ К,
полосовой фильтр и линию задержки УЛЗ результаты сложения пря-
мых и задержанных сигналов псевдо-PAL в сумматорах будут отли-
чаться от таковых в стандартном PAL сигнале. Представленные на
рис.16.17 векторные диаграммы иллюстрируют это отличие. Видно,
что на синхронные детекторы приходят сигналы иии Uv в квадратуре,
как в системе NTSC, а это значит, что в отличие от PAL такие сигналы
имеют сильное поражение от фазовых нестабильностей в опорном
генераторе, БМ и т.д. Тем не менее такие конверторы-приставки име-
ли широкое хождение ввиду относительной простоты.
В последующих разработках специальных комплектов микро-
схем-конверторов TDA3030 и TDA3300 этот недостаток был ликвиди-
рован за счет применения дополнительных коммутаторов прямого и
задержанного сигналов и синфазной балансной модуляции, вследствие
чего приходящие на синхронные детекторы сигналы 1/и и Uv стали син-
фазны и раздельны. Нестабильность фаз в БМ и генераторе опорной
частоты в синхронных детекторах в этом случае сказывается только на
изменении насыщенности, что не так заметно глазу. Однако в дополни-
тельном коммутаторе прямого и задержанного сигналов перекрестные
помехи от синфазности Uv и Uv способны искажать цвет.
Более поздней разработки комплекты микросхем декодеров кон-
414
верторного типа TDA3590, TDA3591 и TDA3590A (отечественный ана-
лог КРЮ21ХАЗ) в паре с видеопроцессором PAL TDA3560, TDA3561
или TDA3562 (отечественный аналог КР 1021ХА4) за счет дальнейшего
совершенствования и усложнения внутренней структуры, возврата к
квадратурной балансной модуляции позволяют оперировать после
конвертирования с сигналами ии и Uv, как и в PAL, раздельно при-
сутствующими на синхронных детекторах. Но поскольку в балансном
модуляторе БМ сигнал псевдо-PAL в этих микросхемах представлен
квадратурно, то электронный коммутатор прямого и задержанного
каналов не вносит таких сильных перекрестных искажений, как в
синфазных сигналах ии и Uv микросхем TDA33009 и TDA3030. Воз-
можности этого комплекта расширены также за счет способности его
декодировать и сигнал 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 задержек
с точки зрения эхосигналов;
недостатки конверторного способа: дополнительные преобразова-
ния 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 находит применение в современных зарубежных и отечест-
венных многостандартных приемниках, в частности в телевизорах
’’Электрон” на микросхемах КР10921ХАЗ и КР1021ХА4. Оправдани-
ем тому служит легкость перехода на изготовление двухстандартного
приемника PAL, NTSC за счет изъятия из общей схемы конвертора
SECAM без ущерба для технологичности производства.
Декодеры с параллельными каналами цветности нашли рас-
пространение в отечественных телевизорах, например, "Рубин"
51ТВ4УСЦТ на два стандарта — PAL и SECAM, и используют два
независимых взаимно блокирующихся канала цветности, объединяе-
мых только общей ультразвуковой линией задержки, к которой предъ-
являются требования высокой точности задержки от PAL и мини-
мального эхосигнала от SECAM. Один из каналов может быть
выполнен в виде отдельного субмодуля. В таком случае завод-изгото-
витель может наращивать функциональные возможности телевизора
для приема дополнительного стандарта по мере необходимости и же-
лания заказчика.
Функциональная схема двухсистемиого декодера параллельного
типа на базе популярных микросхем TDA3510 (отечественный аналог
К174ХА28) в канале PAL иТОА3520или TDA3530(аналоги К174ХА16
или К174ХА31) в канале SECAM приведена на рис.16.18. Каждая
415
Рис 16.18. Структурная схема декодера с параллельными каналами цветности сис-
тем SECAM, PAL(NTSC)
микросхема представляет собой пример построения классического
декодера соответствующей системы, описанного в гл.12, но при этом
включает в себя дополнительные устройства взаимной блокировки
сигналов в декодерах, не участвующих в приеме программы, а также
специальные цепи приоритетного подключения общих для декодеров
элементов — УЛЗ, входных шин видеопроцессора сигналов Е'R_r и
Е'в_г, в каждой микросхеме. В соответствии с принципом параллель-
ности работы каналов опознавание системы цветного телевидения
принимаемой программы осуществляется независимо е каждом ка-
нале посредством частотного и фазового анализа содержания пакетов
поднесущей на задних площадках гасящих строчных импульсов. В
случае опознавания ’’своей” системы детектор опознавания в каждой
микросхеме вырабатывает команду, которая открывает канал цвет-
ности "свой”, блокирует ’’чужой” и придает высокий потенциал выход-
ным сигнальным шинам микросхемы, связанным с внешними элемен-
тами. Так как все внешние сигнальные цепи, обозначенные на рис.16.18,
подключаются к микросхеме через внутренние эмиттерные повторите-
ли, то находящийся в активном состоянии канал цветности за счет более
высокого рабочего потенциала на выводе микросхемы получает приори-
тет в пользовании внешней цепью (линия задержки, вход видеопроцес-
сора и т.д.), исключая какое-либо мешающее воздействие аналогичного
вывода микросхемы неработающего канала цветности.
Комбинированный декодер. Наиболее прогрессивной схемой по-
строения многосистемного декодера в современных разработках
цветных телевизоров считается декодер с общими для разных систем
узлами и программным переключением режимов их работы после
опознавания принимаемой системы ЦТ. В современном исполнении
эти так называемые комбинированные декодеры выглядят как боль-
шая интегральная микросхема, которая позволяет благодаря высо-
кой степени интеграции элементов внутреннего монтажа и использо-
416
ванию переключаемых общих функциональных узлов резко умень-
шить энергопотребление декодера и сократить общее количество под-
ключаемых внешних элементов.
Популярной микросхемой такого типа, используемой широко в
европейских телевизорах и отечественных пятого поколения, являет-
ся TDA4555 (отечественный аналог К174ХА32). На аналогичном прин-
ципе действует, например, и микросхема фирмы Toshiba TA8653N
(или TA8659N), но включает в себя еще и современный видеопроцес-
сор с селектором синхроимпульсов. Эти микросхемы способны опоз-
навать в автоматическом режиме и декодировать четыре системы
цветного телевидения: PAL, SECAM и NTSC с поднесущей 3,58 МГц и
NTSC с поднесущей 4,43 МГц, с переключением входного фильтра
сигнала цветности и соответствующего фильтра режекции яркостно-
го.
На рис.16.19 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, чтоводном корпусе (стандартном, на 28 выводов),
таком же как и в микросхемах ранее рассмотренных декодеров, раз-
мещаются универсальный канал цветности (показан выделенной
трассой следования сигналов цветности) и устройства опроса и опоз-
навания. Принцип работы канала цветности состоит в следующем.
Полный цветной ТВ сигнал ПГЛВС через входной, переключаемый
под соответствующую систему фильтр поступает на общий усилитель
с системой АРУ, контролируемой синхронным демодулятором вспы-
шек поднесущей га строчных гасящих импульсах. Эффективная рабо-
та АРУ позволяет декодировать размахи поднесущей в сигналах цвет-
ности от 20 до 200 мВ. Сигналы цветности PAL и NTSC совместно с
сигналами цветовой синхронизации (вспышками) после усилителя
направляются в матрицу PAL (коммутатор SECAM), которая для
системы NTSC пропускает по соответствующей команде от устройст-
ва опознавания только прямой сигнал, а в случае системы PAL выпол-
няет функцию сложения прямого и задержанного сигнала и разделе-
ния сигнала цветности на компоненты Uu и Uv. Демодуляторы
PAL/NTSC принимают на входы сигналы цветности PAL/NTSC вме-
сте с соответствующими этим системам опорными частотами fSR и
fSB, соответствующими по сдвигу фазы между ними в 90° красному и
синему цветоразностным сигналам. На выходах канала после синх-
ронного детектирования получаются низкочастотные сигналы
Е'R_Y и Е'в_у. Включение и варьирование генераторов опорных частот
fs (3,58 и 4,4 3 МГц) осуществляется также командным управлением
соответствующего генератора Ts от устройства проверки и опознава-
ния систем j.
417
Рис. 16.19. Функциональная схема многосистемного комбинированного декодера на базе микросхемы TDA4555 (К174ХА32
418
В случае приема сигнала цветности SECAM прямой и задержан-
ный сигналы на поднесущих 4,406 МГц 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 DB. Синхронная демодуля-
ция ЧМ сигналов осуществляется за счет воздействия на вторые вхо-
ды демодуляторов сигналов DR и £>в, прошедших фазосдвигающие
контуры, настроенные на ’’красную” и ’’синюю” поднесущие SECAM.
Скорректированные фильтрами от НЧ предыскажений сигналы
Е'r-y и Е'B_Y поступают на выходные выводы микросхемы.
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 будет заключаться в чересстрочном чередова-
нии частот покоя ’’красной” и ’’синей” поднесущих. Система PAL
будет отличаться от NTSC-4,43 чересстрочным чередованием фаз под-
несущих во вспышках 0...900. В системе NTSC-4,43 такого чередования
не будет, а в системе NTSC-3,58 частота вспышек существенно отли-
чается от частот вспышек в трех других системах.
В принципе различение этих признаков осуществляется стандар-
тными приемами и устройствами, которые применяются в цветовой
синхронизации ранее рассмотренных многосистемных декодеров и в
канонических схемах системных декодеров.
Здесь же при анализе используются одновременно .астотный де-
модулятор с опорным контуром 4,43 МГц для обнаружения разноча-
стотных вспышек сигналов цветовой синхронизации СЦС SECAM,
фазовый детектор вспышек для обнаружения СЦС PAL и NTSC, де-
тектор полустрочной частоты для обнаружения присутствия меняю-
щихся через строку сигналов СЦС PAL либо SECAM. Логическое
перемножение результатов, обнаруженных каждым из детекторов, ь
совокупности определит четыре отличительных состояния на двух
выходных интеграторах полустрочного детектора, каждое из которых
соответствует единственной команде, отданной устройством провер-
ки систем для опознавания системы цветности неизвестного сигнала.
Эти состояния в устройстве опознавания при последовательном опро-
се со стороны устройства проверки системы обращаются в ответ ”да”
или ’’нет” той системе, которая устанавливается и комбинируется в
декодере текущей командой запроса. Смена команд при последова-
тельном опросе производится 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 регули-
руемом вхо 1ном усилителе сигналов цветности.
При подтверждении запрашиваемой системы включение канала
цветности происходит еще через 40 мс с целью исключения ложного
419
срабатывания от чужой системы. Команды опроса систем кроме внут-
ренних цепей и узлов микросхемы включают соответствующие внеш-
ние входные фильтры, фильтры режекции, генераторы опорных под-
несущих, а также осуществляют оптимальный выбор задержки
яркостного сигнала в случае использования схемы цветового коррек-
тора резкости (TDA4565). В микросхеме TDA4555 возможно по тем же
командным шинам принудительно открывать внешним постоянным
напряжением канал цветности нужной системы в случае априорно
известной системы принимаемого сигнала цветного телевидения.
Вся синхронизация в декодере осуществляется от трехуровневого
сигнала SSC, который, как известно, содержит хронирующие импуль-
сы стробирования вспышек поднесущих, импульсы строчного и кад-
рового гашения. Этот сложный сигнал, введенный в микросхему
декодера по одному вводу, расчленяется пороговым детектором на
три указанные составляющие, которые необходимы для работы кана-
ла цветности и устройства опроса и опознавания.
В заключение следует отметить, что телевизоры пятого поколения
отечественного производства серии 5 УСЦТ ("Радуга”, "Горизонт”) в
основном исполняются на комбинированном декодере, подтверждая
практически более высокую надежность, технологичность и перспек-
тивность этого типа декодера в создании долговечной и функциональ-
но гармоничной модели телевизора.
ГЛАВА 17
КОНСЕРВАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРОГРАММ
17.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСОБЕННОСТИ
МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
В связи с быстрым развитием и совершенствованием ТВ вещания
вопрос записи и консервации ТВ программ приобретает исключи-
тельно важное значение в социальном, творческом и техническом
смысле. Социальный аспект заключается в приобщении практически
всего населения к событиям политической, культурной и научной жиз-
ни страны. Запись является единственным средством, позволяющим
обеспечить программами Центрального телевидения обширную тер-
риторию нашей страны с различными временными поясами в удобное
для населения время Консервация ТВ программ внесла большие
изменения в технологию ТВ вещания. Программы подготавливаются
заблаговременно, их можно компоновать и монтировать. Это дает
возможность более эффективно использовать весь телевизионный
комплекс, так как позволяет осуществлять независимо от времени
передачи равномерную его загрузку.
Запись облегчает труд творческих работников, открывает широ-
кие возможности отбора наиболее удачных кадров, фрагментов и сю-
420
жетов. Упрощается репетиционная работа, исключается элемент слу-
чайности. Кроме того, современная запись позволяет творческим ра-
ботникам использовать в передачах различные приемы и спецэффек-
ты, что увеличивает их возможности и повышает художественную
ценность.
В ТВ вещании в настоящее время используется в основном один
вид записи — магнитная. Запись изображений с экрана кинескопа
(оптическая запись) утратила свое значение и практически не приме-
няется. После внедрения в вещание цветного телевидения оптическая
запись не могла конкурировать с магнитной по целому ряду техниче-
ских и экономических параметров,
Запись ТВ и звуковых сигналов на магнитный носитель базируется
на одних и тех же принципах. Они основаны на способности ферромаг-
нитных материалов намагничиваться под действием изменяющегося
электрического сигнала и сохранять остаточную намагниченность
продолжительное время.
В сердечнике записывающего элемента (магнитной головки) при
протекании тока сигнала по обмотке возникает магнитный поток,
силовые линии которого создают рабочее поле, пронизывающее маг-
нитный слой носителя. При движении записывающего элемента отно-
сительно магнитного носителя электрический сигнал, являющийся
функцией тока или напряжения от времени, преобразуется в про-
странственную последовательность намагниченных участков носите-
ля записи. Таким образом, иа носителе записывается информация в
виде магнитного следа — сигналстраммы.
При воспроизведении остаточная намагниченность ферромагнит-
ного носителя создает внешнее магнитное поле. Вследствие переме-
щения магнитного носителя с записанной на нем сигналограммой
относительно головки происходит обратное преобразование магнит-
ного поля участков носителя в переменную ЭДС, которая индуктиру-
ется в обмотке вследствие замыкания через сердечник переменного
магнитного потока.
Электрический сигнал на носитель записывается с помощью маг-
нитной головки (рис. 17.1). Магнитная головка представляет собой
незамкнутый ферромагнитный сердечник / с технологическим зазо-
ром 2, обмоткой 3 и рабочим зазором 4. Через обмотку 3 проходит ток
записывающего 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. Если ток в обмотке головки меняется, то
соответственно меняется магнитный поток в сердечнике, а следова-
тельно, и остаточная намагниченность магнитного слоя носителя.
К материалу сердечника головки предъявляются особые требова-
ния как по магнитным характеристикам, так и по механическим свой-
ствам: сердгчник головки должен быть сделан из магнитомягкого
материала, т.е. иметь малое значение коэрцитивной силы с тем, чтобы
уменьшить остаточную намагниченность сердечника; должен обла-
421
.2
Рис. 17.1. Магнитная головка:
/ — магннтопровод, 2 — технологический
зазор; 3 — обмотка;4 — рабочий зазор;5 —
ферромагнитный слой; б — основа носителя
дать высокой магнитной проницаемостью для получения малого маг-
нитного сопротивления, а также малые частотные потери, допускать
точную обработку зазора и рабочих поверхностей и, наконец, должен
быть износостойким.
Потери электрической энергии в сердечниках головок обусловле-
ны гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Гистере-
зисные потери малы, так как объем магнитного материала неболь-
шой. Основные потери определяются вихревыми токами. Эти потери
приводят к уменьшению магнитной проницаемости, а следовательно,
к увеличению магнитного сопротивления сердечника. Для уменьше-
ния потерь выбирают материал сердечника головок из феррита, обла-
дающего высоким удельным сопротивлением. Применяют также сер-
дечники из износостойкого магнитного сплава—сеидаста,
содержащего железо, алюминий, кремний и легирующие добавки.
Рабочий зазор сердечника образован немагнитной прокладкой, обыч-
но в виде тонкого слоя моноокиси кремния, толщиной около 1мкм.
Качество записи сигнала в значительной степени зависит от магнит-
ного носителя. В качестве носителя используются магнитная леита,
магнитные и механические характеристики которой должны соответ-
ствовать определенным требованиям. В процессе эксплуатации лен-
та подвергается значительным механическим нагрузкам, испытывая
большое давление, деформацию, поэтому должна удовлетворять вы-
соким прочностным характеристикам. Рабочий магнитный слой дол-
жен иметь высокую изиосо- и термостойкость, обладать большой ос-
таточной намагниченностью для получения высокого отношения
сигнал/помеха, большой коэрцитивной силой, чтобы он-не размагни-
чивался под действием магнитных полей соседних участков и не испы-
тывал влияния внешних полей на записанную сигиалограмму. В маг-
нитной записи применяются двухслойные ленты (см.рис. 17.1),
состоящие из рабочего магнитного слоя 5 и основы 6, придающей
ленте механическую прочность.
Основа ленты изготавливается из эластичной полиэфирной плен-
ки, отличающейся высокой прочностью на разрыв, износостойкостью
422
и стабильностью характеристик. Толщина основы составляет 14...37
мкм. Рабочий слой состоит из магнитного порошка и связующего
материала, который одновременно является лаковым покрытием и
обладает кроме высокой износо- и термостойкости еще и гладкостью
поверхности. Кроме этого в рабочий слой вводят смазочные вещества,
снижающие трение, и астатические добавки. 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 записы-
вающей головки:
X = (17.1)
где X — длина волны записи, м, v — скорость движения носитель-эле-
мент записи, м/с; f — частота записанного сигнала, Гц.
Если для магнитной записи ТВ сигналов использовать аппаратуру
записи звука, то потребовалось бы увеличить скорость движения лен-
ты до 200 \л/с. Очевидно, что такая скорость транспортировки ленты
неприемлема.
Скорость движения ленты может быть пониже, как видно из
рис.17.1, если уменьшить минимальную длину волны записи v = Xf.
Минимальную длину волны можно получить за счет уменьшения ра-
бочего зазора магнитной головки а. На практике обычно выполняется
условие а/Хтоп = 0,5 или = 2а. Отсюда fmax = vl^a. Следует
отметить, что для хорошо выполненных головок эффективная ширина
щели превышает ее геометрический размер всего на 10 ..15 %. Поэ-
тому можно считать минимальш ю длину волны записи равной удво-
енной ширине зазора головки [45].
Частотные характеристики записывающего и воспроизводящего
устройства ограничиваются в нижней и в верхней частях частотного
диапазона из-за наличия различных потерь. Основными являются
волновые потери, которые зависят от магнитных и механических
свойств ленты, электрических и конструктивных параметров головок
и определяются относительными параметрами лента-головка и дли-
ной волны записанного сигнала. К этим потерям относятся щелевые,
сбойные, 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 будет
наилучший механический контакт с рабочей поверхностью головки.
Плотность прилегания ленты к плоскости головки зависит также от
материала »сновы ленты. Тонкие эластичные основы лент обеспечи-
вают более плотное прилегание к рабочей поверхности головки, чем
ленты с toj стой основой.
423
Качество магнитной записи ТВ сигналов в основном определяется
мерами, принятыми по уменьшению волновых потерь. Созданы ленты
с тонким магнитным слоем, с хорошей однородностью магнитного
порошка, с гладкой поверхностью и с эластичной основой. Уменьше-
ние щелевых потерь достигается совершенствованием технологии из-
готовления головок с узкими рабочими зазорами.
Важным параметром магнитной записи является частотная ха-
рактеристика узла лента-головка. Если на магнитную ленту записан
синусоидальный сигнал с круговой частотой о>, то в идеальной магнит-
ной системе при отсутствии искажений распределение магнитного
потока по оси ленты (координата х)
Ф=Ф05ш((о/и3)х, (17.2)
где Фо —амплитуда магнитного потока; v3 —скорость перемещения
узла лента-головка при записи.
При обратном преобразовании магнитного поля участков носите-
ля ЭДС, которая индуктируется в витках обмотки головки движущей-
ся магнитной ленты, будет пропорциональна скорости изменения по-
тока wdQ/dt, где w — число витков обмотки головки.
Чтобы дифференцировать выражение (17.2), необходимо заменить
переменные: вместо изменения магнитного потока по координате х
ввести изменение сигнала по времени I, т.е. х = vtt, где и, — скорость
перемещения узла лента-головка при воспроизведении.
При о3=о, (т.е. скорости записи и воспроизведения одинаковы)
получим
</Ф
£ = — UI - — Ф0и)Ц)СО5(|>/, (17 3)
где Е — ЭДС, наводимая в обмотке головки.
Если скорость движения ленты относительно головки постоянна,
то из( 17.3) следует, что ЭДС будет меняться пропорционально частоте
сигнала. При увеличении частоты сигнала в 2 раза, что будет соответ-
ствовать ее повышению на одну октаву, ЭДС также возрастет в 2 раза
(на 6 дБ).
На рис.17.2 показана идеализированная частотная характеристи-
ка ленты-головки (сплошная линия). Это наклонная прямая с крутиз-
ной наклона 6 дБ на октаву. Очевидно, что даже при такой идеализи-
Рнс. 17.2. Частотная характери-
стика ленты-головки
424
рованной форме частотной характеристики возникают искажения ТВ
сигнала, которые необходимо корректировать в электрических цепях
записи и воспроизведения. Реальная частотная характеристика лен-
ты-головки показана на рис. 17.2 штриховой линией, которая сущест-
венно отличается от идеальной на краях частотного диапазона. В
нижней части частотного диапазона искажения обусловлены тем, что
магнитный потоксигналограммы вобласти длин волн, превышающих
длину контакта рабочей поверхности головки с лентой, не замыкается
полностью через сердечник головки. Значительная его часть рассеи-
вается или замыкается черезодну половину 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 обусловливается
искажениями, наступающими вследствие соизмеримости ширины
щели головки и длины волны записи. При очень малых длинах волн за
время прохождения элемента ленты по всему участку магнитного
поля записывающей головки сигнал может измениться и даже пере-
менить полярность. Обратная полярность сигнала приводит к некото-
рому размагничиванию элемента ленты и тем самым — понижению
эффективности записи высокочастотных составляющих сигнала. При
различных соотношениях длины волны записываемого сигнала и ра-
бочей ширины щели при воспроизведении в магнитной головке будет
меняться значение магнитного потока, обусловленное напряженно-
стью поля носителя по длине. Это вызывает резкую неравномерность
частотной характеристики с максимумами и минимумами в области
высоких частот.
Современные устройства магнитной записи обеспечивают воспро-
изведение ТВ сигнала с минимальной длиной волны kmi„ = 1...3 мкм.
При этом низкочастотный компонент спектра ТВ сигнала, т.е. макси-
мальная длина волны, будет
& 400 ММ
max mtn z
• min
и примерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки.
Оптимальным же для получения достаточного уровня является тот
сигнал, длина волны которого не превышает длину рабочей поверхно-
сти головки. При определенных значениях низкочастотных составля-
ющих сигнала ЭДС воспроизводящей головки будет ниже уровня шу-
мов Еш, поэтому полезный сигнал практически полностью
маскируется шумами (см.рис.17.2).
Профессиональные магнитофоны обеспечивают запись звуковых
сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, что составляет 10
октав. Телевизионный сигнал занимает полосу частот от 50 Гц до 6,0
МГц, что составляет 16 октав. Оптимальные режимы записи для сиг-
налов, отличающихся по частоте в 10 раз, существенно различны.
Осуществить эффективную запись сигналов в частотном диапазо-
425
не, занимающем 16 октав, в настоящее время практически невозмож-
но. Поэтому при записи видеосигнала необходимо уменьшить отноше-
ние высшей частоты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е.
осуществить относительное сжатие спектра. В этом случае условия
записи и воспроизведения тем более благоприятны, чем выше степень
сжатия. Это объясняется двумя причинами — легче выбрать режим
намагничивания и при узкополосном сигнале используется относи-
тельно меньшая часть АЧХ тракта. Следовательно, АЧХ тракта в
пределах полосы пропускания оказывается более равномерной и, что
не менее важно, отношение сигнал/помеха может оставаться доста-
точно высоким на протяжении всего диапазона частот.
Относительное сжатие частотного диапазона обеспечивается
транспонированием спектра в более высокочастотную область. Очевид-
но, чем дальше вправо по оси частот перенесен спектр сигнала, тем
больше относительное сжатие. Однако в этом случае транспонирование
спектра сигнала приведет к росту максимальной частоты записи.
Запись высоких частот представляет собой сложную техническую
задачу, поэтому целесообразно смещать спектр частот сигнала при-
мерно на 0,5... 1 МГц, что обеспечивает относительное сжатие до 3,5...
... 3 октав.
Транспонировать спектр можно, использовав модуляционный ме-
тод преобразования. В результате такого транспонирования улучша-
ются условия воспроизведения нижних частот сигнала, резко снижа-
ется относительный динамический диапазон частот, повышается
максимальное значение частоты сигнала.
Применять амплитудную модуляцию (AM) телевизионных сигна-
лов при магнитной записи не представляется возможным, несмотря
на то, что она дает минимальное расширение спектра частот (в 2 раза
при передаче двух боковых). При AM невозможно устранить паразит-
ную амплитудную модуляцию, возникающую из-за помех. Такими
помехами являются непостоянство контакта лента-головка, неодно-
родность магнитного слоя ленты, продольные колебания ленты и др.
[46].
Если использовать частотную модуляцию (ЧМ), то можно устра-
нить паразитную AM глубоким ограничением ЧМ сигнала. Однако
обычная ЧМ приводит к значительному увеличению спектра частот
выходного сигнала. Если, например, использовать параметры ЧМ,
применяемые в радиовещании, то расширение спектра частот будет в
5...10 раз. Современные методы не обеспечивают записи на магнитную
ленту такого широкого спектра частот.
При модуляции одной частотой ЧМ колебание представляется
следующим выражением:
Дш
и = + ~^~sinQ/),
где U — амплитуда несущей; <о0 — круговая частота несущей; Д<о —
девиация частоты; Q — модулирующая частота.
426
Одним из основных параметров ЧМ является индекс модуляции
М =Д<о/й=Д//Р,гдеД/ — девиация частоты;/7 — модулирующая частота.
Как известно, при увеличении М растет помехозащищенность си-
стемы, поэтому в радиовещании выбирают индекс модуляции значи-
тельно больше единицы. В первом приближении ширина спектра ЧЛ|
сигнала
^F4K = 2Fmax(M^\),
r^Fmax — максимальная частота модулирующего сигнала.
Следовательно, выбор большого индекса модуляции М приводит к
значительному расширению спектра частот. При модуляции слож-
ным сигналом, каким являются звуковой и ТВ сигналы, индекс моду-
ляции — величина переменная. В магнитной записи ТВ сигналов при-
нято использовать узкополосную ЧМ с индексом модуляции меньше
1 и низким отношением несущей частоты /0 к высшей модулирующей
частоте Fmax. При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается
от спектра AM сигнала и примерно равна удвоенной ширине спектра
модулирующего колебания. Низкое отношение f0/Fmax выбирается
для уменьшения максимальной частоты спектра модулирующего сиг-
нала. Несущая частота применительно к модуляции видеосигналом —
понятие, которое трудно определить. В магнитной видеозаписи при-
нято считать частоту ЧМ сигнала, соответствующую мгновенному
значению среднего уровня сигнала, мгновенной величиной несущей
частоты /0.
Как видно из рис. 17.3, а, несущая частота /0 незначительно выше
модулирующей частоты Fmax. При М = 0,1 ... 0,2 спектр ЧМ сигнала
Рис. 17.3. Идеализированные спектры ТВ и ЧМ сигналов
427
будет иметь вид рис.17.3,б. В профессиональных устройствах магнит-
ной записи, где требуется высокое качество воспроизведения, исполь-
зуются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых — нижняя и
частично подавленная верхняя боковая (рис.17.3,в). Это приводит к
дополнительным искажениям, которые считаются допустимыми для
данного, класса устройств.
Как видно, используемая в магнитной видеозаписи частотная мо-
дуляция отличается от обычных систем ЧМ двумя основными особен-
ностями:
1) несущая частота незначительно превышает верхнюю модулиру-
ющую частоту;
2) индекс модуляции значительно меньше, чем в других системах
частотной модуляции.
Для обеспечения возможности обмена программами частоты, со-
ответствующие определенным уровням ТВ сигнала, стандартизова-
ны. Это нормирование частоты ЧМ сигнала называется расстановкой
частот.
В профессиональных видеомагнитофонах с поперечно-строчной
записью используются три стандарта полос: узкая, широкая и сверх-
высокая. На рис.17.4 показана в качестве примера расстановка час-
тот ЧМ сигнала для ВЧ стандарта.
Рассмотрим преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись
на магнитную ленту. Для этого обратимся к рис. 17.5. Объект передачи
(рис.17.5,а), состоящий из протяженных черного и белого уч тков,
преобразовали в ТВ сигнал ис. Далее сигналом ис модулируется гене-
ратор, на выходе которого получается ЧМ сигнал ичм который пода-
ется на записывающие головки; Тч и Гв — периоды 4М колебаний,
соответствующие передаче уровней черного и белого. Вследствие воз-
действия магнитного поля головки на ленту она намагничивается, и
Черное белое
Область девиации
| 2,16 МГц J
7.16 V
Рис. 17.4 Расстановка час-
тот .ЧМ сигнала дли ВЧ стан-
дарта 625/50
нал и его запись на магнитную ленту:
а — участок изображении по строке (черно-белый переход^ 6 —
осциллограмма видеосигнала; в — осциллограмма ЧМ сигнала;
л — результат действии магнитного поли головки
428
остаточная намагниченность может быть представлена в виде эле-
ментарных магнитов, расположенных по длине ленты (рис.17.5,г).
Магнитная индукция для черного и белого участков одинакова — ма-
териал доведен до насыщения. Информация нашла свое отражение на
ленте в линейной плотности переходов (нулей) намагниченности [47].
17.2. 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-
шая величина паразитной амплитудной модуляции, большая величи-
на девиации частоты.
В современных устройствах записи используются два вида частот-
ных модуляторов: гетеродинные и прямые.
Гетеродинный модулятор (модулятор с переносом спектра) рабо-
тает на высокой частоте (50... 100 МГц), которая в последующем пони-
жается другим генератором до требуемой частоты. Прямой модуля-
тор (чаще мультивибратор) работает на той частоте, которая
записывается на ленту.
В профессиональных устройствах записи, где требуется высокое
качество изображения, используются гетеродинные модуляторы.
Структурная схема такого модулятора показана на рис. 17.6, а. На
усилитель подается полный ТВ сигнал, который на выходе разветвля-
ется на два одинаковых канала, состоящих из двух высокочастотных
генераторов П и Г2 со средними частотами 100 и 108 МГц соответст-
венно. Восстановление постоянной составляющей ТВ сигнала осуще-
ствляется с помощью схем ВПС1 и ВПС2. Далее ТВ сигнал подается
на варикапы, емкость которых зависит от напряжения на обкладках;
оиа входит в колебательный контур генераторов П и Г2 и определяет
генерируемую ими частоту. Варикапы включены противополярно.
При увеличении напряжения на входах генераторов частота одного
генератора уменьшается, а другого — повышается. Если входное на-
пряжение равно 0, то частота выходного сигнала равна разности час-
тот f?—fi = 108 — 100 — 8 МГц.
Если крутизна модуляционной характеристики каждого генерато-
ра равна 1 МГц/B, то при увеличении напряжения на 0,5 В выходной
разностный сигнал будет иметь частоту /,—= 108,5 — 99,5 = 9 МГц, а
при уменьшении сигнала на 0,5 В /2—Д = 107,5 — 100,5 = 7 МГц.
Следовательно, при ию = 1 В девиация частоты равна ±1 МГц.
Так как девиация составляет 0,5 % несущей частоты, линейность
модуляционной характеристики может быть достаточно высокой.
Кроме того, двойная противофазная модуляция двух генераторов по-
зволяет скомпенсировать нелинейные искажения, возникающие в
каждом генераторе (рис. 17.6,6).
429
Рис. 17.6. Гетеродинный частот-
ный модулятор:
а — структурная схема; б — получение ли-
нейной модуляционной характеристики
Рис. 17.7. Демодулятор:
а — структурная схема; б — графики, поясняющие работу
Для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ сигнал
от каждого генератора поступает на амплитудные ограничители
Огр1, Огр2, затем на смеситель См, где выделяется разностная час-
тота. Фильтр нижних частот и усилитель необходимы для окончатель-
ного формирования ЧМ сигнала.
В бытовых видеомагнитофонах частотные модуляторы чаще всего
строятся по схеме мультивибратора. Частота собственных колебаний
мультивибратора, как известно, зависит от постоянной времени за-
рядно-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. В силу 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 дол-
430
жен обеспечивать: линейную демодуляционную характеристику в ши-
рокой полосе частот, возможность разделения спектра модулирую-
щего и модулированного сигналов при модулирующих частотах, близ-
ких к несущей. В настоящее время наибольшее распространение
получили демодуляторы — дискриминаторы в виде счетчика импуль-
сов с удвоением частоты. Принцип действия такого дискриминатора
заключается в выделении нулевых пересечений ЧМ сигнала и в опре-
делении частоты повторения этих пересечений. Структурная схема
такого демодулятора и графики, поясняющие его работу, показаны на
рис. 17.7. Сигнал ЧМ поступает на фильтр Ф, ограничивающий полосу
частот сигнала {/чм. Частотно-модулированное колебание после глу-
бокого двустороннего симметричного ограничения в Огр, где подав-
ляется паразитная AM, примет вид Uorp. После дифференцирующих
цепей ДЦ формируются импульсы С/днф в точках пересечения ЧМ
сигнала с нулевой осью. В формирователе сигнала ФС из дифферен-
цированных импульсов формируются однополярные сигналы с удво-
енной частотой {/форм. Число импульсов, приходящихся на единицу
времени, прямо пропорционально частоте ЧМ сигнала, поэтому, вы-
делив постоянную составляющую из этой последовательности им-
пульсов ФНЧ, полоса пропускания которого соответствует полосе
частот ТВ сигнала, на выходе получим исходный ТВ сигнал t/TB [48].
17.3. МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
Общие сведения. Видеомагнитофоны — устройства, обеспе-
чивающие магнитную запись и воспроизведение телевизионных изо-
бражений, — могут строиться по различным схемам, в зависимости
от назначения. Современный видеомагнитофон представляет собой
сочетание сложного механического и электронного устройства. В него
входят: механизмы транспортировки ленты и вращения головок, ко-
торые работают одновременно и синхронно, что обеспечивается раз-
личными по принципу действия следящими системами; блоки преоб-
разования и обработки широкополосного видеосигнала, устройства
различных видов коррекции и устранения влияния помех на выходной
сигнал.
Техника магнитной записи обеспечивает запись-воспроизведение
сигналов с длиной волны 1 мкм и менее. Для записи высшей частоты
телевизионного сигнала fmax = 6 МГц потребуется скорость записи и3=
= /тах^ = *2 м/с. Перемещать ленту с такой скоростью технически
сложно, и не может быть обеспечена высокая надежность. Кроме того,
запись с такой скоростью экономически невыгодна из-за нерацио-
нального использования площади пленки (низка плотность записи) и
большого расхода ленты.
Поэтому необходимо было снизитьскорость записи. Первоначаль-
но пошли по пути временного и частотного разделения широкополос-
ного сигнала, хорошо известных в технике связи. Однако эти методы
не дали ощутимых результатов вследствие сложной конструкции ап-
431
паратов и неудовлетворительных характеристик. Решающим шагом
в развитии магнитной записи телевизионных сигналов явилось созда-
ние аппаратуры, использующей методы поперечно-строчной и на-
клонно-строчной записи. При этих методах записи сигнал не подвер-
гается временному или частотному делению, а записывается целиком
на носитель. Запись и воспроизведение осуществляются головками,
которые располагаются на вращающемся диске Следовательно, ско-
рость перемещения ленты-головки ил_г определяется геометрической
суммой окружной линейной скорости вращения головки о, и скорости
поступательного движения ленты ил и будет равнаил_г = vT + ол cos в, а
колебания относительно скорости Дол_г определяются как сумма
двух составляющих колебаний скорости:
Дил_г » Дог ± Дилсоз0, (17.4)
где 6 — угол наклона строчки записи, или угол между векторами
скорости vr и ил.
При поперечно-строчной записи используется устройство с че-
тырьмя, а при наклонно-строчной преимущественно с одной или дву-
мя вращающимися головками. Название метода записи — ’’поперечно-
строчный” или "наклонно-строчный” — определяется расположением
магнитных строчек на ленте. Если строчки записи располагаются
почти перпендикулярно основанию ленты, запись называется попе-
речно-строчной, если же строчки записи образуют с нижним краем
ленты небольшой угол, запись называется наклонно-строчной. Прин-
цип поперечно-строчной и наклонно-строчной записи показан на
рис. 17.8.
В устройствах с поперечно-строчной записью (рис.17.8, а) плоско-
сть ленты 2 перпендикулярна вращающемуся диску 4 с четырьмя
головками 3. В том месте, где головки соприкасаются с поверхностью
ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей каме-
ры 1.
Соприкасаясь с лентой и передвигаясь в поперечном направлении
относительно нее, головка оставляет магнитный след в виде верти-
кальной магнитной строчки. Так как лента движется в продольном
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.
Аппаратура наклонно-строчной записи (рис.17.8, 6) с одной или
двумя вращающимися головками содержит направляющий барабан
6, состоящий из двух частей, между которыми вращается диск с голо-
вками 3. Головки выступают над поверхностью барабана и записыва-
ют строчки на ленте. Если применяются две головки, то они сдвинуты
относительно друг друга на 180°. Лейта может охватывать барабан
на угол 360° (а — петля, рис 17.8, б) и меньше 360(0 — петля, рис. 17.8,
в). В результате того, что диске головкой вращается в горизонтальной
плоскости, а лента охватывает направляющий барабан по спирали
432
(лента входит в контакт с направляющим барабаном на одном уровне,
а выходит на другом), сигналограмма на магнитной ленте 5 записы-
вается наклонно к краю ленты.
Одним из основных узлов видеомагнитофона поперечно-строчной
записи является узел вращающихся головок, представляющий собой
диск диаметром около 52 мм, изготовленный из прочного немагнитно-
го материала (рис.17.9). По периметру диска 7 со сдвигом 90° относи-
тельно друг друга вмонтированы четыре магнитные головки 5, кото-
рые соприкасаются в направляющей камере 3 с изогнутой по окруж-
ности магнитной лентой 6.
В профессиональных видеомагнитофонах поперечно-строчной за-
писи используется магнитная лента шириной 50,8 мм. В направляю-
щей камере 3 имеются щели 9 для вакуумного присоса ленты. Из этих
щелей насосом откачивается воздух, вследствие чего лента 6 плотно
прилегает к цилиндрической поверхности / камеры и удерживается
на ней.
В том же месте, где головка соприкасается с лентой, вдоль цилин-
дрической поверхности направляющей камеры сделана маленькая
433
Рис. 17.9. Диск с головками и направляющая камера
канавка 2. Магнитные головки 5 выходят за окружность диска 7 на 0,1
мм, вследствие чего они вдавливают магнитную ленту в канавку, со-
здавая постоянную плотность соприкосновения. Наверху направляю-
щей камеры сделан скос 4 для плавного начального соприкосновения
головки с лентой. Внизу камеры имеется упор 8, к которому лента
прижимается усилием от вращения диска с головками.
На магнитной ленте кроме сигналов изображения записываются
еще и сигналы звукового сопровождения, сигналы управления и ре-
жиссерских указаний. Эти сигналы записываются различными мето-
дами и в различных местах ленты.
Для того чтобы однозначно определить метод записи и расположе-
ния дорожек на магнитной ленте, вводят понятие ’’формат записи”.
Формат записи — это упорядоченное расположение на поверхности
ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообраз-
ных сигналов. Описание формата и его параметров дает однозначное
указание, каким образом производится запись или воспроизведение
информации. Стандартизация форматов записи позволяет обеспе-
чить взаимозаменяемость записей, изготовленных различными фир-
мами, и возможность их воспроизведения на различных видеомагни-
тофонах. Это позволяет осуществлять обмен телевизионными
программами между телецентрами.
За время развития магнитной видеозаписи было разработано
большое количество разнообразных форматов, и только в профессио-
нальной области наблюдалась определенная стабильность [49].
В настоящее время имеется много форматов записи. На смену попе-
речно-строчному формату приходят новые наклонно-строчные форматы
на ленте различной ширины (25,4,19,12,65,8 мм).
На рис.17.10 показан формат поперечно-строчной записи. Цент-
ральная часть ленты занята сигналограммой, представляющей собой
ряд расположенных поперечно к краю ленты магнитных строчек за-
писи ТВ сигнала 2. Ширина каждой магнитной строчки составляет
0,25 мм, интервал между ними 0,15 мм. Следовательно, шаг записи
будет равен 0,4 мм. На дорожке 1 записываются сигналы звукового
сопровождения. Этой части ленты головки записи телевизионных сиг-
налов не касаются, так как она попадает на скос направляющей
434
камеры. На дорожке 3 записываются режиссерские отметки, а на
дорожке 4 — контрольные сигналы канала управления от датчика
оборотов.
Для стандарта 625/50 частота вращения диска с головками равна
250об/с. Скорость перемещения лента — головка при этом будет около
40 м/с. Если принять шаг записи равным 0,4 мм, то скорость транс-
портировки ленты может быть низкой: ил = 39,7 см/с. Эти скорости
выбраны так, чтобы получить определенный наклон магнитных стро-
чек и минимально допустимый интервал между соседними записан-
ными магнитными строчками с возможностью их сепарации при вос-
произведении.
Если в общем случае считать, что по периметру диска располага-
ется k головок, вращающихся со скоростью т при скорости транспор
тировки ленты ил, то можно определить интервал между центральны-
ми линиями записанных магнитных строчек (шаг записи) I = vj(km)
Этот интервал складывается-из ширины самой строчки и промежутка
между краями строчек. Если принять длину одной магнитной дорож
ки поперек ленты равной рабочей ширине ленты Ь, то тогда в одна
секунду запишется магнитная строчка длиной, равной bmk. Зная зна-
чения этих величин, можно определить длину магнитной дорожки,
соответствующую записи одной телевизионной строки. Число строк в
секунду 2га = 625x25= 15625, где 2 —число строк в кадре; л —число
кадров в секунду. Следовательно, для записи одной телевизионной
строки при 6~40 мм, т — 250 с-1 и k = 4 длина магнитной строчки
feznfe/15625 = 2,56 мм. На одной магнитной строчке уместится 15625
b/bmk = 15,625 ТВ строк. За одну секунду записывается mb магнит-
ных строчек. На запись полного ТВ кадра придется mkjn = 40 доро-
жек магнитной записи.
Далее можно определить необходимую для записи одного ТВ кад-
ра длину магнитной ленты
mk рд 397
л mk п 25
15,9 мм,
43S
где vjtnk — шаг записи. В поперечно-строчной системе записи пло-
щадь ленты, занимаемая одним телевизионным полем, равна 368,5
мм2. Как было показано, на одной магнитной строчке умещается
15,625 ТВ строк. Следовательно, переключать одну магнитную голо-
вку на другую необходимо во время активной части телевизионной
строки. Вследствие того что мгновенное переключение осуществить
невозможно, обязательно будет пропуск записи, а на изображении
возникнут помехи в виде черных или белых штрихов. Для устранения
этого нежелательного явления в системе предусмотрено устройство,
которое переключает головки во время действия строчного гасящего
импульса. Поэтому это переключение не будет заметно на изображе-
нии. Для этого диаметр диска выбран таким, что время записи каждой
строчки превышает четверть оборота диска, поэтому в нижней (конеч-
ной) части предыдущей и в верхней (начальной) части последующей
строчки записывается одна и та же информация, так как две головки
некоторое время находятся одновременно в контакте с лентой. С уче-
том такого перекрытия на каждой магнитной строчке длиной 46,2 мм
записывается 17,5 ТВ строк.
Коммутируется головка по определенному закону через 15 или 16
строк, чтобы ошибка в 0,4 строки не накапливалась.
В последние годы видеомагнитофоны наклонно-строчной записи
находят широкое применение на ТВ центрах. Это стало возможным
потому, что качество воспроизводимого изображения повысилось за
счет улучшения параметров этих видеомагнитофонов, а простота и
малые габариты позволяют оперативно использовать их для репорта-
жей, что очень важно при актуальных передачах и для видеожурнали-
стики. На первых порах развития магнитной видеозаписи возникли
трудности внедрения наклонно-строчной записи в телевизионное ве-
щание. В видеомагнитофонах наклонно-строчной записи возрастает
относительная нестабильность скорости перемещения ленты-головки
по сравнению с видеомагнитофонами поперечно-строчной записи. Это
объясняется тем, что относительная нестабильность скорости при
наклонно-строчной записи в сильной степени зависит от скорости
транспортировки ленты, неравномерность которой возникает из-за
несовершенства лентопротяжного механизма, неидентичности растя-
жения ленты из-за температуры, влажности и изменения коэффици-
ента трения ленты о барабан с большим диаметром. Все эти факторы,
влияющие на стабильность движения леиты, приводят к искажению
временного масштаба воспроизводимого сигнала.
Для определения коэффициента относительной нестабильности
скорости перемещения ленты-головки преобразуем (17.4):
Для наклонно-строчной записи угол 0 близок к 90°, a cos0=O,
ил_г=иг. Поэтому
436
Лод-г Лог
°Л-г ~ “г '
Следовательно, стабильность перемещения ленты-головки прак-
тически определяется только стабильностью частоты вращения дис-
ка. Диск с головками закреплен непосредственно на валу двигателя,
следовательно, линейная окружная скорость головок определяется
стабильностью частоты вращения двигателя,"которая может быть
сделана достаточно высокой.
Для наклонно-строчной записи, когда cos0» 1, относительная не-
стабильность скорости
Несмотря на то, что ил<ол_г, стабильность скорости перемещения
ленты-головки будет в значительной степени зависеть от стабильно-
сти скорости движения ленты. В этом случае ил_г будет менее стабиль-
на, так как она определяется и лентой — гибким элементом, способ-
ным к растяжению и деформации [50].
В последующем эти проблемы были решены благодаря достиже-
ниям техники и усовершенствованной технологии, а в настоящее вре-
мя видеомагнитофоны наклонно-строчной записи получили широкое
распространение и постепенно вытесняют аппаратуру поперечно-
строчной записи.
Принцип действия наклонно-строчной записи для одноголовочно-
го видеомагнитофона са-петлей иллюстрируется рис. 17.8,6. Поверх-
ность неподвижного барабана облегает по спирали равномерно дви-
жущаяся магнитная лента шириной 25,4 мм. Смещение ленты по
образующей барабана будет не меньше ширины ленты. Во избежание
чрезмерных поперечных усилий на ленту и для придания ей естествен-
ного положения направляющий барабан несколько наклонен, а пода-
ющая и приемная бобины устанавливаются на разных высотах. Бара
бан состоит из двух частей — верхней и нижней. В зазоре между ними
находится вращающийся диск с магнитной головкой. Двигатель внут
ри барабана вращает выступающую над поверхностью барабана маг-
нитную 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 ил_г
достигает 40 м/с, а скорость движения ленты около 40 см/с.
Звуковой и контрольный сигналы записываются на краях магнит-
ной ленты. Перекрытие дорожки ТВ сигнала дорожками звукового и
контрольного сигналов не приводит к взаимным искажениям, так как
края ленты, где записываются звуковой и контрольный сигналы, со-
ответствуют месту записи кадрового гасящего импульса, т.е. обратно-
му ходу по кадрам Проникновение же ТВ сигнала в канал звука
исключается из-за различной полосы частот этих сигналов и различ-
437
ного углового расположения зазоров магнитных дорожек. Благодаря
этим обстоятельствам взаимное влияние сигналов значительно ос-
лаблено.
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. Чтобы
исключить искажения от этих явлений, время перехода головки обыч-
но совмещают с длительностью кадрового гасящего импульса. При
этом потерянные импульсы восстанавливаются с помощью специаль-
ного регенератора.
Аналогичен принцип действия одноголовочного видеомагнитофо-
на с й-петлей (см.рис. 17.8,в): магнитная лента облегает барабан по
спирали на угол меньше 360°. Нижний край ленты, покидающий ба-
рабан, располагается несколько ниже верхнего края ленты, поступа-
ющей 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 8 строк (около 500 мкс). Восстановление потерянных строк,
приходящихся на первый гасящий импульс, осуществляется анало-
гично описанному выше.
Видеомагнитофон наклонно-строчной записи с двумя вращающи-
мися головками с й-петлей устроен так же, как и одноголовочный, но
на вращающемся диске размещаются две магнитные головки, а угол
охвата барабана лентой составляет несколько больше 180°, образуя
неполный виток спирали.
На одной магнитной строчке записывается одно ТВ поле, поэтому
частота вращения диска с головками для стандарта 50 полей в секун-
ду должна быть 1500 об/мин. Так как угол охвата больше чем 180°,
информация на смежных магнитных дорожках записывается с взаим-
ным перекрытием, а воспроизводится непрерывно, без потерь.
При записи по формату ”С” применяется одноголовочный или
полутораголовочный способ записи. Видеомагнитофоны, использую-
щие формат ”С”, записывают сигнал на ленту шириной 25,4 мм. При-
меняются такие видеомагнитофоны на телецентрах, т.е. являются
профессиональными. Разработаны они фирмами Атрех (США) и
Sony (Япония), а впоследствии стали выпускаться и другими фирма-
ми, в том числе и у нас (”Кадр-103”).
На рис. 17.11 изображен формат записи ”С” одноголовочных и полу-
тораголовочных видеомагнитофонов. Магнитные дорожки / и 2 явля-
ются дорожками звукового канала; дорожка 3 — каналом управления
(на ней записываются управляющие и монтажные импульсы); дорож-
ка 4 — дополнительная дорожка звукового канала, если на ней не
записываются сигналы кадровой синхронизации (показано на рисун-
ке), 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 активная часть
поля и большая часть гасящего кадрового импульса. Остальная часть
438
Направление ВВижения
ленты ------------------
Рис 17.11. Формат записи "С" (ширина ленты 25,4 мм)
кадрового гасящего импульса (10,5 ТВ строк) записывается на корот-
ких наклонных строчках второй вращающейся головкой (синхрого-
ловкой).
В одноголовочной системе записи часть видеосигнала (кадровые
синхронизирующие импульсы) пропадает, так как переход от верхне-
го края ленты к нижнему не может происходить мгновенно, а требует
определенного времени. Восстановление части потерянного сигнала
производится электронным способом. Во время перехода головки от
одного края к другому генерируются кадровые синхронизирующие
импульсы, которые замешиваются с воспроизводимым с ленты сигна-
лом.
Барабан диаметром 135 мм вращается с частотой 3000 об/ мин. На
этом барабане располагаются 6 головок, из них одна головка записи-
воспроизведения и пять вспомогательных головок. На рис.17.12 пока-
зана схема расположения головок на барабане в полутораголовочном
видеомагнитофоне: / — головка записи-воспроизведения ТВ сигнала,
2 — головка записи-воспроизведения кадровогосинхроимпульса. Ес-
ли работа производится в режиме одноголовочного видеомагнитофо-
на, то этой головки может и не быть. Тогда на ленте вместо кадровых
синхронизирующих импульсов будет располагаться дополнительная
Рис. 17.12. Схема расположения
головок иа барабане (формат за-
писи ”С”):
/, 2.3.4,5.6 — головки; угол у—30°. угол
0—120*
439
звуковая дорожка. Головки 5 и 6 контрольного воспроизведения видео-
сигнала и синхросигнала позволяют мгновенно воспроизводить за-
пись и контролировать качество изображения. Головки 3 и 4 — стира-
ющие, обеспечивающие стирание строчек записи ТВ сигнала и
синхросигнала в режиме монтажа.
Видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью имеют более вы-
сокую плотность записи; кроме того, они свободны от присущих четы-
рехголовочным видеомагнитофонам искажений, вызываемых неиден-
тичностью характеристик вращающихся магнитных головок,
приводящих к ’’полосатости” изображения.
Однако в видеомагнитофонах большая длина магнитной строчки
была основным недостатком наклонно-строчной записи. Такие видео-
магнитофоны чрезвычайно чувствительны к поперечным колебаниям
ленты, неравномерности ее натяжения по ширине и значительной
деформации вследствие трения о поверхность цилиндра. Дефекты
лентопротяжного механизма, которые приводят к неравномерности
движения ленты, влияют на расстояние между магнитными строчка-
ми записи. В результате этого понижается точность следования голо-
вок по магнитным строчкам при воспроизведении, что приводило к
ухудшению отношения сигнал/помеха и к перекрестным искажения м
сигнала. Для устранения этих недостатков применяются специаль-
ные меры.
Уменьшить перекрестные искажения при существующих пара-
метрах записи можно определенным расположением магнитных
строчек. Как известно, перекрестные искажения ЧМ сигналов про-
порциональны разности частот полезного и мешающего сигналов.
Чем меньше разность между частотами, тем меньше воздействие со-
седней мешающей строчки. Оптимальным будет такое расположение
двух смежных магнитных строчек, при котором синхронизирующие
импульсы строк располагаются перпендикулярно оси магнитной
строчки на одной линии (рис.17.13, а). Это достигается выбором ско-
рости движения магнитной ленты и соответствующим подбором диа-
метра направляющего барабана, обеспечивающим позиционное рас-
положение записанных на магнитной ленте строчных
синхронизирующих импульсов по линиям, близким к перпендикуляр-
ным направлениям строчек записи. При таком расположении строчек
на магнитной ленте сигналы, записанные рядом на соседних строчках,
будут иметь большую корреляцию. Следовательно, разностная часто-
та между идентичными точками на соседних строчках будет мини-
мальна и мешающее действие помехи незначительно. Кроме этого,
частичный переход головки с магнитной строчки на соседнюю не при-
ведет к сбою синхронизации. Этот метод получил название строчной
или Н-корреляции.
Следующим мероприятием, позволяющим снизить взаимные по-
мехи от соседних магнитных строчек, является использование специ-
альной системы автоматического слежения за положением головки
на записанной строчке (автотрекинг). Для этого головка устанавли-
440
Рис. 17.13. Строчные импульсы на соседних дорожках:
а — оптимальное положение; б — пунктиром показана траектория движения магнитной строчки прн неподвиж-
но! ленте (/ — дорожка записи звука; 2 — строчка записи ТВ сигнала; 3 — дорожка записи управляющего сиги а
ла)
вается на пьезокерамический элемент, на который подается сигнал
управления, перемещающий головку по ширине ленты в некоторых
пределах (см. рис. 17.5).
Одним из основных преимуществ наклонно-строчной записи явля
ется возможность замедленного воспроизведения или даже остановки
кадра (стоп-кадр). Многократное воспроизведение одного и того же
поля, записанного на одной и той же магнитной строчке, дает эффект
замедления или остановки темпа движения изображения. Это дости-
гается замедлением движения или остановкой ленты при сохранении
частоты вращения видеоголовок. Однако следует учитывать, что при
замедлении или остановке движения ленты угол наклона траектории
движения головки по ленте несколько изменяется и вследствие этого
строчки записи будут иметь несколько большую протяженность. На
рис. 17.13, б сплошными линиями показаны магнитные дорожки при
движении ленты, а штриховыми — траектория головки при останов-
ленной ленте.
Длина магнитной строчки может быть уменьшена записью на ней
не целогоТВ поля, а только части его. Стремление сохранить преиму-
щества и устранить недостатки наклонно-строчной записи привело к
разработке промежуточного этапа записи — наклонно-строчной запи-
си части поля двумя головками. Такой метод получил название сег-
ментного. Это позволило при записи двумя головками уменьшить дли-
ну магнитной строчки и размеры диска с головками пропорционально
числу сегментов. При этом следует увеличить число оборотов диска
также пропорционально числу сегментов.
Видеомагнитофоны с сегментной записью работают на ленте ши-
риной 50,8 и 25,4 мм. Угол охвата лентой барабана с двумя вращаю-
щимися головками несколько больше 180°. Диск с двумя головками
вращается с частотой 9000 об/мин.
441
Метод увеличения частоты вращения диска с головками по срав-
нению с аналогичным методом наклонно-строчной записи в 6 раз при-
водит к уменьшению длины магнитной строчки, а также к разбивке
телевизионного поля на 6 сегментов. Из этого следует, что при стан-
дарте 626 строк/50 полей на одной магнитной строчке записываются
52 телевизионные строки. Относительная скорость перемещения лен-
ты-головки в сегментных видеомагнитофонах колеблется от 24 до 38
м/с, а скорость движения ленты — от 20 до 25 см/с. Магнитная строч-
ка имеет длину 60...85 мм и записывается под углом 14...19° к базовому
краю ленты, в зависимости от параметров записи и ширины магнит-
ного носителя. Сигналы звукового сопровождения и управления запи-
сываются по краям ленты. Уменьшение числа вращающихся головок
по сравнению с поперечно-строчным методом записи значительно уп-
рощает конструкцию не только диска, но и всего лентопротяжного
механизма.
Видеомагнитофоны, использующие формат ”В", как реализация
сегментной записи разработаны фирмой Bosh. На диске располага-
ются две универсальные головки запись-воспроизведение под углом
180° и две стирающие головки, которые используются при электрон-
ном монтаже программ. Формат ”В” предусматривает запись двух
дорожек с звуковым сопровождением 1 и 3 (рис.17.14). Дорожка 2
предусмотрена для записи сигналов управления и монтажных им-
пульсов, а дорожка 4 — для записи режиссерских указаний или времен-
ного кода.
На всей длине строчки записи сигналов изображения 85,13 мм
размещается сигнал 56телевизионных 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 (рис.17.14). Одна ТВ
строка размещается на 1,52 мм длины магнитной дорожки. Площадь
леиты, занимаемая одним полем, в данной системе равна 102,1 мм2.
Рис. 17.14. Формат записи "В” (ширина леиты 25,4 мм)
442
Недостатком сегментного метода записи является возможность
появления полос на изображении, аналогично четырехголовочным
видеомагнитофонам, из-за разницы характеристик магнитных голо-
вок. Сегментные видеомагнитофоны не могут обеспечить воспроизве-
дение замедленного или остановленного изображения без использо-
вания сложного блока памяти на один кадр изображения.
Стр-уктурная схема профессионального четырех-
головочного видеомагнитофона. Современные
профессиональные видеомагнитофоны независимо от конструктив-
ных особенностей содержат следующие основные узлы: лентопротяж-
ный механизм, блок вращающихся головок, каналы записи и воспро-
изведения сигналов ТВ и звукового сопровождения. Надежную и
стабильную работу видеомагнитофона обеспечивают системы авто-
матического регулирования (САР) и другие вспомогательные устрой-
ства. Это САР частоты вращения головок, САР движения магнитной
ленты, системы обработки сигналов, системы коррекции временных
искажений и целый ряд других узлов и блоков. Видеомагнитофон
представляет собой сложный комплекс, в который входят высокоточ-
ные механические узлы, радиотехнические устройства и системы
электронного управления. Структурная схема четырехголовочного
видеомагнитофона показана на рис.17.15.
Полный ТВ сигнал поступает на частотный модулятор /, усили-
тель записи ЧМ сигналов 2 и далее на переключатель записи-воспро-
изведения 3. В режиме записи сигнал по четырем каналам поступает
на токосъемник 15, соединяющий выходные каскады усилителей за-
писи с четырьмя вращающимися головками 14. Запись производится
в каждый момент времени одной головкой, находящейся а контакте с
лентой. В современных видеомагнитофонах применяются бесконтак-
тные токосъемники, которые представляют собой вращающиеся
трансформаторы 15. Одна обмотка трансформатора вращается вме-
сте с диском головок. Другая часть магнитопровода, выполненного из
Рнс. 17.15. Структурная схема четырехголовочного видеомагнитофона
443
ферри । а, закреплена неподвижно, и ее обмотка соединена с выходом
усилителя. Вращение диска с головками осуществляется двигателем
13. На одном валу с двигателем размещен датчик оборотов /2, дающий
информацию о частоте и угловом положении диска с головками. Эта
информация необходима для САР частоты вращения диска, САР дви-
жения ленты и др. Частота вращения диска с головками регулируется
с помощью фазового дискриминатора 20, на который поступают им-
пульсы опорного сигнала от телецентра (сигнал синхронизации) и
импульсы с датчика оборотов 12. После сравнения этих импульсов
полученный сигнал ошибки управляет генератором 21, напряжение с
которого поступает на усилитель питания двигателя 22.
Магнитная лента транспортируется двигателем 27, к ведущему
валу 19 которого с помощью прижимного ролика 18 леита прижима-
ется и из-за трения движется в направлении от подающей к приемным
катушкам 10 и 11.
В режиме записи отдатчика оборотов /2 сигнал управления посту-
пает также в канал управления 24 и с помощью универсальной голо-
вки 23 записывается на нижней кромке магнитной ленты. На струк-
турной схеме не показана стирающая головка, которая находится
впереди диска с головками и в режиме записи стирает всю предыду-
щую информацию, находящуюся на магнитной ленте.
В режиме воспроизведения сигнал, полученный с помощью диска
с вращающимися головками 14, через токосъемник 15 поступает на
переключатель 3, который находится в данном случае в положении
воспроизведения Частотно-модулированный сигнал поступает на '
усилитель воспроизведения 4 Полезный сигнал поступает во время
контакта головки с лентой. Чтобы исключить попадание помехи от
других головок, которые в данный момент не находятся в соприкосно-
вении с леитой, используется коммутатор головок 5 (электронный
переключатель), который подключает к демодулятору 6 головку, на-
ходящуюся в данный момент в соприкосновении с лентой.
Головки коммутируются во время строчного гасящего импульса,
поэтому возникающие в момент переключения помехи в виде вспле-
сков напряжений положительной или отрицательной полярности на
изображении не проявляются. После демодуляции ТВ сигнал подвер-
гается различной обработке в устройстве 7. На выходе получается
полный ТВ сигнал.
При воспроизведении с помощью универсальной головки 23 им-
пульсы управления, записанные на магнитной ленте, воспроизводят-
ся и поступают на фазовый детектор 24, в котором оии сравниваются
с импульсами, полученными от датчика оборотов 12. Напряжение
сигнала ошибки, полученное после фазового детектора, управляет
генератором 25, частота которого меняется в зависимости от выходно-
го напряжения фазового детектора. Сигнал от управляемого генера-
тора поступает на усилитель питания двигателя 26, а затем на двига-
тель 27.
При воспроизведении сигналограммы скорость движения леиты и
444
частота вращения диска с головками должны быть точно согласова-
ны. Необходимо, чтобы при воспроизведении вращающиеся головки
точно следовали бы по строчкам магнитной записи на ленте. Обеспе-
чивает это САР скорости движения ленты. Воспроизводимый с ленты
сигнал управления является контрольным: частота и фаза этого сиг-
нала дают точную информацию о скорости движения лентьГ и частоте
вращения головок при записи. Во время воспроизведения частота
(фаза) контрольного сигнала подстраивается по опорному сигналу
датчика частоты вращения диска с головками.
Частота вращения ведущего двигателя изменяется в соответствии
с сигналом ошибки. Система управления будет действовать, пока не
уравняются частоты контрольной и сигналов датчика частоты враще-
ния диска. А это будет соответствовать одинаковой скорости переме-
щения ленты относительно головки при записи и воспроизведении.
Запись и воспроизведение звука осуществляются с помощью уси-
лителей 8 и 9, а также записывающей и воспроизводящей головок
/6 и 17.
В отечественном телевизионном вещании используются видеомаг-
нитофоны, выпускаемые промышленностью нашей страны и некото-
рыми зарубежными фирмами. Для профессиональной записи ТВ про-
грамм используются видеомагнитофоны с поперечно-строчной
записью иа 50,8-мм ленте и наклонно-строчной записью на 25,4-мм
ленте. Это определяется тем, что большое количество фондовых запи-
сей, значительная стоимость существующих видеомагнитофонов в ка-
кой-то мере тормозят внедрение новой, более экономной технологии
наклонно-строчной записи одно- или двухголовочным видеомагнито-
фоном. Однако принятие международных рекомендаций для записи
на ленту шириной 25,4 мм и увеличение выпуска аппаратуры, работа-
ющей иа этой ленте, приведут в ближайшие годы к изменению состава
видеомагнитофонов на телецентрах. На телецентрах нашей страны
используются видеомагнитофоны отечественного производства
”Кадр-ЗПМ” и ’’Кадр -103” и зарубежные ’’Betacam SP”. На рис.17.16
показаны фотографии отечественного профессионального видеомаг-
нитофона ”Кадр-ЗПМ” (рис.17.16, а) и зарубежного ’’Betacam SP”
(рис. 17.16, б).
Видеомагнитофоны системы ’’Betacam SP” (Superior Performance —
повышенное качество), которые широко применяются на современ-
ных телецентрах, используют так называемый компонентный метод
записи. В отличие от композитного, который используется при форми-
ровании цветного сигнала в совместимых системах SEKAM, PAL,
NTSC, компонентный сигнал имеет существенное преимущество, за-
ключающееся в том, что композитный сигнал подвержен значитель-
ным перекрестным искажениям сигналов, а в компонентном сигнале
эти искажения отсутствуют, так как сигналы цветности и яркости
передаются раздельно, с временным уплотнением сигналов.
В видеомагнитофонах системы ’’Betakam SP” записываются яркост-
ный и цветоразностные сигналы раздельно двумя головками на двух
445
Рис. 17.16. Видеомагнитофоны:
а — "Кадр-ЗПМ", б — "Betacam SP"
446
Рис. 17.17. Формат записи системы Betacam (а) и расположение
головок иа барабане (б)
магнитных дорожках (рис. 17.17, а). По краям ленты сверху записыва-
ются дорожки звукового сопровождения /, 2, а внизу — дорожки уп-
равления 4 и временного кода 5, в средней части ленты наклонными
магнитными строчками записываются яркостный и цветоразностные
сигналы на отдельных дорожках. Ширина видеодорожек равна 0,08
мм, а подлине записывается одно поле ТВ изображения. Две продоль-
ные звуковые дорожки имеют ширину 0,6 мм. Нижние продольные
дорожки — одна управления шириной 0,4 мм, другая — дорожка времен-
ного кода шириной 0,5 мм — используются для монтажа ТВ йрограмм.
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 на рис.17.17, б. Как
видно из рисунка, головки записи смещены на угол 6,76е. При этом на
0,07... 0,08 мм поперек плоскости видеоленты и на 4,4 мм вдоль нее.
Принцип временного уплотнения цветоразностных сигналов пока- ’
зан на рис.17.18. Для примера взят сигнал генератора цветных полос.
447
Рис. 17.18. Временное уплотнение
R — Y, В — Y (сигнал генератора
цветных полос)
Как видно из рисунка, яркостныйсигнал занимает полный период
строчной развертки Т^, а цветоразностные сигналы ER_r иЕв_у— по
половине периода строчной развертки. Для пояснения процесса запи-
си и воспроизведения компонентного сигнала обратимся к рис.17.19,
а и б. На этом рисунке показано положение сигнала яркости Еу и
цветоразностныхЕ₽_у, Ев_у сигналов до уплотнения и цветоразностных
сигналов после задержки на длительность одной строки и временного
уплотнения в процессе записи. Для записи цветоразностных сигналов
с временным уплотнением необходимо эти сигналы, как показано на
рис.17.19, а, задержать на длительность строки, а затем провести
уплотнение их во времени. При воспроизведении (рис.17.19, б) необхо-
димо еще раз задержать иа длительность строки цветоразностные
сигналы, чтобы потом можно было совместить их по времени с ярко-
стным сигналом. Следовательно, общее время задержки цветоразно-
стных сигналов относительно сигнала яркости составит длительность
двух строк. Для компенсации времени задержки используется линия
задержки, которая обеспечивает точность временного положения сиг-
налов яркости и цветности после уплотнения и восстановления доста-
точно высокой ± Ю нс.
Раздельная запись сигналов яркости и цветности и временное уп-
лотнение цветоразностных сигналов полностью устраняют перекре-
стные искажения между сигналами и позволяют обеспечить полосу
частот каждого из цветоразностных сигналов 1,5 МГц (в некоторых
образцах и больше) — в 2 раза шире, чем при обычной частотной
модуляции на несущей частоте.
На рис.17.19, в для примера показаны частотные характеристики
видеомагнитофона формата ’’Betakam SP-2000 PRO”. Полоса частот
448
Яркостный
сигнал Y
на входе
Тетр _________ Тсгр _________ Тетр
Уп,е I
Уп Упм
Цветоразностный
CXTY)
(в-У)п.т
Сигналы '
(Я-У)и(В-У)
после уплотнения
Цветоразностный
сигнал (В-У)
на входе
(R У)п*2
1/2 Тетр
(В-У)„-1 \(ЯУ)п \(8У)п,т\(Я-1)лм (В-У)лм
| ?Л-У)л
(В-У)пн
а)
(В-У)п+!
Яркостный
сигнал У
Восстановленный
сигнал (Я-У),
Уплотненные
цветоразностные
сигналы
восстановленный
сигнал (В-У)
Кус
яркостного
сигнала
___Уровень синхроимпульсов 6,8 МГц,
—Уровень гасящих импульсов 7,0МГЦ
—Максимальный уровень белого В,8 МГц
1 2 3 « 5 6
7 8 9 10 11 12 13 10 15 Г,МГц
Кус
сигнал
цветности
(я У,в'У)
—-Максимум позитивного сигнала 5,6МГц
— Уровень гасящих импульсов
—Минимум негативного сигнала 6,6МГц
—Уровень синхросигнала 7,3 МГц
1,7МГц
Рис. 17.19. Временные диаграммы компонентной записи (а) и временные диаграммы
при воспроизведении компонентных сигналов (б); частотная характеристика формата
Betacam SP(e)
Г, МГц
449
сигнала яркости равна 5,5 МГц, а цветоразностных 2,0 МГц. В отличие
от базовой модели Betakam видеомагнитофон ”Betakam-SP” характе-
рен тем, что в базовом Betakam девиация частоты составляет 4,4 МГц
для вершины синхроимпульсов и 6,4 для пика белого, а для ’’Betakam-
SP” дл я некоторых образцов от 5,7 до 7,7 МГц соответственно, а в послед-
них моделях — от 6,8 до 8,8 МГц. Ширина строчек на видеоленте оста-
лась неизменной. Частотные диапазоны видеосигналов для улучшения
качества записи и воспроизведения увеличены, но ие настолько, чтобы
исключить возможность совместимости, т.е. аппараты ”Betakam-SP”
совместимы с базовыми аппаратами Betakam.
На рис.17.20, а изображена укрупненная структурная схема узла
обработки и записи видеомагнитофона системы Betakam, поясняю-
щая принцип его работы. На вход видеомагнитофона отдатчика сиг-
налов цветного телевидения подаются сигналы яркости Ег, два цвето-
разностных сигнала ER_Y, EB_Y и сигналы синхронизации. Сигналы ER_Y
и Ев_г поступают в устройство временного уплотнения 1. В этом уст-
ройстве каждый сигнал записывается в блоке оперативной памяти за
64 мкс. Во время следующих 64 мкс сигнал, записанный в блоке памя-
Рнс. 17.20. Укрупнеиная-структурная схема узла обработки и записи системы
Betacam (а) и укрупненная структурная схема воспроизводящего утла системы .
Betacam (б)
450
ти, считывается с удвоенной скоростью. Через смеситель 2 эти сигна-
лы поступают на модулятор 3 и усилитель записи 4 и на видеоголовки
5. Сигнал яркости поступает на смеситель 6, куда вводятся сигналы
синхронизации от синхрогенератора 7. Далееяркостный сигнал после
модуляции в модуляторе 8 поступает иа усилители записи 9 и видео-
головки 10.
Укрупненная структурная схема воспроизводящего узла системы
Betakam показана на рис.17.20, б. С двух видеоголовок, воспроизво-
дящих сигналы яркости, и двух головок, воспроизводящих цветораз-
ностные сигналы / подаются иа соответствующие усилители воспро-
изведения 2, а потом не демодуляторы 3. После демодуляции сигналы
поступают на селекторы сигналов^ и генераторы тактовых импульсов
5, а затем на устройство 6, где они фазируются, а сигналы цветности
расширяются во времени в 2 раза и подаются на выход компонентных
сигналов Еу, ER_Y и Ев_г. Для получения композитного сигнала цвето-
разностные сигналы ER_Y и RB_r подаются иа кодирующее устройстве
.8 и смешиваются с сигналом яркости в смесителе 7. Для синхрониза-
ции с внешним источником контрольный видеосигнал поступает иа
синхрогенератор 9, который вырабатывает необходимые импульсы
для синхронной работы видеомагнитофона.
Широкое распространение получила аппаратура видеожурнали-
стики (ВЖ). представляющая собой моноблок, где конструктивно
объединены портативная телевизионная камера и кассетный видео-
магнитофон с автономным электропитанием. Такие моноблочные
комплексы называются видеокамерами, а в иностранной литературе
камкордерами. Они позволяют вести съемку одному оператору, one
ративно перемещаясь, ие ограничивая себя длиной кабеля, соедини
ющего телевизионную камеру с аппаратурой. Иногда портативный
видеомагнитофон вынесен в отдельный блок. Тогда он соединен с
камерой кабелем.
В настоящее время разработано большое количество различных
камкордеров, выпускаемых множеством фирм. Разработчики видео
камер создают видеосистемы, в которые кроме видеокамеры входят
также воспроизводящие видеомагнитофоны, пульты электронного
монтажа видеофонограмм и адаптеры для совместимой работы видео
камер с существующим оборудованием телецентра, использующие
другие форматы записи. Видеосистемы и гибкая конструкция видео-
камер существенно расширяют технологические возможности их ис-
пользования. В профессиональной технике наибольшее распростра
некие получили такие видеокомплексы, которые используют методы
записи по формату Betakam и VHS.
Видеокамеры получили широкое распространение не только е
профессиональной, но и в любительской практике.
45!
17.4. ОБРАБОТКА ВОСПРОИЗВОДИМЫХ СИГНАЛОВ
Общие сведения. Полный ТВ сигнал, полученный на выходе
видеомагнитофона, ие может быть использован для телевизионного
вещания без дополнительной коррекции. Это объясняется тем, что
при записи и воспроизведении сигнал в значительной мере искажает-
ся и его параметры не соответствуют тем нормам, которые предъяв-
ляются для вещания. Поэтому в видеомагнитофонах, а особенно в
профессиональных, предназначенных для ТВ вещания, необходимо
добиться идентичности параметров входных и выходных сигналов. В
этом случае качество передач, воспроизводимых с видеомагнитофона,
не будет отличаться от передач прямого эфира. В бытовых и репор-
тажных видеомагнитофонах эти требования менее жестки и опреде-
ляются простотой конструкции, стоимостью и назначением.
Основные искажения, которые необходимо корректировать до
формирования полного ТВ сигнала, пригодного для вещания, — это
искажения временного масштаба, выпадение сигнала, искажения
, синхронизирующих и гасящих импульсов. Искажения корректируют-
ся в специальных устройствах, которые выделяются в систему обра-
ботки воспроизводимого сигнала. В профессиональных видеомагни-
тофонах система обработки сигнала составляет значительную часть
всех его электронных устройств, в которых широко используется циф-
ровая техника, позволяющая эффективнее корректировать сигнал и
обеспечивать более надежные условия эксплуатации.
Укрупненная структурная схема системы обработки сигналов по-
казана на рис. 17.21. Телевизионный сигнал поступает в компенсатор
выпадения КВ. В нем воспроизводятся сигналы, пропущенные из-за
дефекта ленты. Для определения точного местоположения пропущен-
ного сигнала на КВ поступает ТВ и воспроизведенный ЧМ сигнал.
Корректор временных искажений КВИ содержит управляемую ли-
нию задержки, изменением времени задержки которой осуществляет-
ся коррекция временных искажений ТВ сигнала. Управляются линии
задержки опорными синхронизирующими импульсами.
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 телецентра ССИ. Скорректированный во времени телевизи-
онный сигнал поступает на сумматор Е, где формируется полный ТВ
Вх. ЧМ сигнала
Рис. 17.21. Структурная схема
устройства обработки сигнала
видеомагнитофона
452
сигнал. На £ из блока регенерации БР поступают гасящие и синхро-
низирующие импульсы. В БР регенерируются новые неискаженные
импульсы гашения и синхронизации и тем самым исключается воз-
действие импульсных и флуктуационных помех иа качество синхрони-
зации. Эти помехи могут возникнуть в процессе переключения голо-
вок, демодуляции, коррекции временных искажений и др. Для
формирования новых импульсов в БР поступают воспроизведенные
гасящие и синхронизирующие импульсы и опорные импульсы теле-
центра.
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
модуляции ЧМ сигнала. Посторонние включения в магнитный слой
ленты, осыпания или отслаивания небольших участков магнитного
слоя, царапины и вмятины приводят к резкому уменьшению уровня
воспроизводимого ЧМ сигнала. Он становится соизмеримым с уров-
нем шумов, вследствие этого выпадения делаются заметными на эк-
ранах телевизоров. Можно разграничить выпадения на случайные и
синхронные. Первые возникают хаотически, они небольшой длитель-
ности; вторые возникают периодически и вызываются продольными
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 не-
приятны, так как они неподвижны относительно изображения, т.е.
возникают в одном и том же месте экрана. При воспроизведении
цветных изображений действие помехи, вызванное выпадением, зна-
чительно заметнее, так как эти участки изображения окрашиваются
в произвольный цвет. Выпадения сигналов, обусловленные дефекта-
ми или нарушением магнитного слоя ленты и работой видеомагнито-
фона, могут быть скорректированы. Для этого все видеомагнитофоны
снабжаются компенсаторами выпадения сигнала.
Принцип действия компенсатора выпадений заключается в заме-
щении информации выпавшей строки ТВ сигналом предыдущей стро-
ки. В силу того, что между соседними строками ТВ изображения в
преобладающем большинстве случаев имеется большая корреляция,
замена одной строки соседней не приводит к заметным для зрителя
искажениям.
Существует несколько методов компенсации выпадений сигналов,
отличающихся как по формированию замещающего сигнала, так и по
методу управления. Любой компенсатор выпадений сигнала должен
обеспечить выполнение трех основных задач: точное определение мо-
мента возникновения выпадения и коммутация прямого сигнала на
замещающий и наоборот; формирование замещающего сигнала и,
наконец, обеспечение идентичности фазы поднесущей сигнала цветности
453
Нечетное ‘"J” fr-r fr-r _fr-L_
поле Q- 0‘ 180‘ 0- 0‘ t
Четное ^Jb-y £™ £В-У ^-У .
поле w 1в0‘ О’ 180' 180° t
б)
Рис. 17.22. Компенсатор выпадания ТВ
сигнала:
а — структурная схема; б — чередование цветовых
сигналов н фазы поднесу щей в системе SECAM
замещающего и прямого сигналов. В компенсаторах выпадений сиг-
нала должно быть устройство задержки. Эта задержка должна обес-
печить замещение искаженной строки предыдущей неискаженной^
Одна из структурных схем компенсатора показана на рис.17.22, а.
Отличительными особенностями данного компенсатора являются
использование ультразвуковых линий задержки и раздельная задер-
жка сигналов яркости и цветности.
На электронный коммутатор 4 поступает воспроизводимый ТВ
сигнал. Если нет выпадения, то сигнал проходит через коммутатор и
поступает на выход компенсатора. На другой вход поступает замеща-
ющий сигнал, который через электронный коммутатор пройдет на
выход только в момент выпадения сигнала. Наличие выпадения опре-
деляется следующим образом: на вход амплитудного ограничителя /
подается воспроизводимый ЧМ сигнал. Если уровень воспроизводи-
мого ЧМ сигнала ладает ниже заданного уровня ограничения, то на
выходе амплитудного детектора 2 появляется сигнал, который через
цепи формирования 3 переключает 4 на вход замещающего сигнала.
Так как в компенсаторе производится раздельная задержка сигналов
яркости и цветности, замещающий сигнал формируется двумя цепя-
ми. На амплитудный модулятор 8 поступает ТВ сигнал, который с
помощью гетеродина 9 переносится в область рабочих частот линии
задержки на 64 мкс 7. Частота гетеродина выбирается около середи-
ны верхнего склона полосы пропускания линии задержки. Линия за-
держки пропускает часть нижней боковой полосы спектра AM сигна-
ла яркости Еу. После двухполупериодного детектирования в 6
яркостный сигнал поступает на сумматор 5.
Сигнал цветности Ец обычно формируется двумя последовательно
включенными ЛЗ и задержками по 64 мкс каждая или одной 12 на 128
мкс. Задержка сигналов цветности на длительность двух строк опре-
деляется системой SECAM, для которой будут передаваться идентич-
ные цветоразностные сигналы. Однако фаза поднесущей может отли-
чаться на 180° в результате принятого в системе SECAM
трехстрочиого чередования фазы поднесущей (рис. 17.22,6).
454
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 под-
несущей прямого и задержанного сигналов определяется фазовым
детектором И. 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 цир-
кулировать некоторое время с выхода на блок компенсатора, благо-
даря чему могут быть скомпенсированы выпадения длительностью
более строки.
Принцип действия компенсаторов выпадения для систем цветного
телевидения NTSC и PAL идентичен описанному, за исключением осо-
бенностей формирования замещающего сигнал а цветности, где фазовые
соотношения поднесущих частот в строках и полях различны.
Корректор временных искажений. В системе записи
телевизионных сигналов на магнитную леиту возникают искажения,
обусловленные преобразованием временного масштаба в линейный
при записи и линейного во временной при воспроизведении. Наиболее
характерные искажения в видеомагнитофонах с поперечно-строчным
расположением магнитных дорожек с четырьмя вращающимися го-
ловками возникают в результате нарушения взаимного расположе-
ния направляющих камер и дисков с головками, а также головок на
диске. Возникающие при этом искажения называют геометрически-
ми. При правильной установке вакуумной направляющей камеры
центр ее кривизны и центр вращения диска видеоголовок находятся
на одной линии. Если при записи вакуумная направляющая была
установлена точно (рис. 17.23, а — сплошная линия), а при воспроизве-
дении оиа будет удалена от диска головок по оси х на Ах (штриховая
линия), то возникают искажения, обусловленные продольным эксцен-
триситетом. В начале магнитной строки сигнал будет воспроизво-
диться с запаздыванием, а в конце — с опережением. Из рисунка видно,
что диск с головками при воспроизведении смещен по горизонтали
вправо относительно оси х на Ах, поэтому головка Г войдет в сопри-
косновение с магнитной лентой позже, чем это было при записи (голо-
вка /). Обратная картина получится при воспроизведении последних
строк магнитной дброжки; в этом случае сигнал при воспроизведении
будет опережать. Только в середине магнитной строки сигнал будет
воспроизводиться точно в необходимый момент времени. Визуально
эти временные искажения будут проявляться в виде наклонных зуб-
цов при воспроизведении вертикальной линии. Опережение или за-
паздывание сигнала при воспроизведении, т.е. характер наклона зуб-
цов, будет определяться значением х±Ах. Каждому зубцу будет
соответствовать воспроизведение сигнала одной головкой (15...16 ТВ
455
Рис. 17.23. Возникновение временных искажений:
а — продольный эксцентриситет ("зубчижовый" эффект); б — поперечный эксцентриситет ("гребешковый" эф-
фект); в — квадратурные жскажения; / — 2,1 — 2 — положение головок при правильной я неправильной уста-
новках; 3 — направляющая камера; 4 — 15...16 ТВ строк (одна магннтнав строчка)
строк) (рис.17.23, а). Такой вид искажений называется зубчиковым
эффектом.
Временные ошибки, возникающие при смещении вакуумной направ-
ляющей по оси у, получаются вследствие неравномерного вдавливания
головкой магнитной ленты при воспроизведении (рис. 17.23, б).
Если ось направляющей камеры располагается ниже оси диска с
головками на Лг/ (сплошная линия), то окружность диска не будет
концентрической по отношению к профилю направляющей камеры
(положение направляющей камеры при записи показано штриховой
линией). Эти искажения возникают вследствие поперечного эксцент-
риситета. При воспроизведении вдавливание головок в ленту в начале
магнитной дорожки будет больше нормы, а в конце — меньше, следова-
тельно, в начале магнитная лента будет растягиваться больше, а в
конце — меньше. Эта деформация ленты приводит к искажениям,
показанным на рис. 17.23, б. Визуально эти временные искажения
будут проявляться в виде маленьких дуг при воспроизведении верти-
кальной линии. Характер дуги — его выпуклость или вогнутость — будет
определяться значением у ± Ку. Каждой дуге соответствует воспро-
изведение сигнала одной головкой. Такой вид временных искажений
называется гребешковым эффектом.
Временные искажения возникают и при неточной установке маг-
нитных головок по окружности диска. Точная установка соответству-
ет углу между соседними головками 90°. Если этот угол ие выдержи-
вается, то часть изображения воспроизводится смещенной по
горизонтали от номинального положения. На рис.17.23, в показано
смещение одной головки относительно номинального значения на
угол у. Визуально эти временные искажения будут проявляться как
456
ломаные линии при воспроизведении вертикальных границ. Такие
временные искажения называются еще квадратурными. Кроме того,
квадратурные искажения могут возникнуть, если плоскость зазора
головки не совпадает с диаметром диска, в этом случае угловая ошиб-
ка появится по мере износа головки.
Прецизионное изготовление узлов видеомагнитофона и точность
механических регулировок позволяет уменьшить временные искаже-
ния. Однако достичь требуемой точности затруднительно, так как в
процессе эксплуатации меняются условия работы (температура,
влажность и др.) и первоначальные регулировки могут быть наруше-
ны. Например, точность установки вакуумной направляющей в про-
дольном направлении должна быть около 4 мкм. Направляющая ка-
мера является подвижным элементом, поэтому обеспечить такую
точность очень сложно. Точность установки направляющей камеры
обеспечивается с помощью системы автоматического регулирования.
Однако эта система не может устранить некоторые виды искажений
из-за механической инерционности.
Для коррекции геометрических и других видов временных искаже-
ний, например качания двигателя головок, кроме механического ре-
гулирования широко применяются электронные методы коррекции.
Они основаны на принципе изменения задержки воспроизводимого
сигнала таким образом, чтобы исключить временные смещения сиг-
нала относительно опорного, т.е. время задержки должно оперативно
меняться по закону, обратному временным искажениям. Следова-
тельно, процесс коррекции должен состоять из двух основных опера-
ций: определения необходимого времени задержки и организации за-
держки. Устройства, в которых реализуются эти функции, могут
строиться по принципу разомкнутой петли управления или обратной
связи. Каждая из этих систем коррекции имеет свои недостатки и
достоинства. Временные искажения определяются при сравнении
фаз положения воспроизводимых и опорных сигналов в детекторах
ошибок, вырабатывающих напряжения, величина и знак которых про-
порциональны временной ошибке.
Напряжение управления Uynp подается на переменную линию за-
держки (рис. 17.24). Емкость варикапов С изменяется пропорциональ-
но д/1/упр, а задержка тмр пропорциональна , следовательно, задер-
жка Т31д V^ynp •
Электронные корректоры временных искажений могут корректи-
ровать сигнал с большой точностью. Например, при коррекции фазы
поднесущей цветной системы NTSC, где на детектор ошибки подают -
Рис. 17.24. Принципиальная схе-
ма фрагмента управляющей ли-
нии задержки
457
ся поднесущие (опорная и воспроизведенная), точность коррекции
положения поднесущей может быть доведена до 5 нс.
Следует отметить; временные корректоры являются весьма слож-
ными электронными устройствами, требуют периодической регули-
ровки и подстройки, включают ряд дополнительных сложных уст-
ройств [51].
Регенерация гасящих и синхронизирующих им-
пульсов. Следующий этап обработки сигналов заключается в за-
мене искаженных синхронизирующих гасящих импульсов, воспроиз-
водимых с ленты, на новые, соответствующие параметрам ТВ веща-
ния. Укрупненная структурная схема регенерации гасящих и
синхронизирующих импульсов показана на рис.17.25.
Телевизионный сигнал после системы коррекции временных иска-
жений поступает на управляемую схему восстановления постоянной
составляющей импульсов ВПС и на селектор опорных сигналов СОС.
С выхода ВПС сигнал поступает иа систему разделения сигналов
яркости EY и цветности Ец, состоящую из ФНЧ, фазирующей линии
задержки ЛЗ, и вычитающее устройство ВУ. В ФНЧ полный ТВ сиг-
нал ограничивается по полосе частот, и на выходе получается яркост-
ный сигнал Еу, который затем поступает на ВУ. На него же подается
полный ТВ сигнал, прошедший через фазирующую цепь, которая вы-
равнивает задержки сигналов, поступающих на устройство вычита-
ния для более полного подавления низкочастотных составляющих в
сигнале цветности. Сигнал Еи получается в результате вычитания из
полного ТВ сигнала яркостного сигнала. Разделение полного сигнала
на составляющие можно получить и другими методами, однако пред-
почтение отдают устройству, описанному выше, так как вычитание
сигналов обеспечивает минимальные фазовые искажения, которые
проявляются при суммировании этих сигналов. Далее яркостный сиг-
нал поступает на сумматор 21, где ои суммируется с регенерирован-
ными гасящими импульсами, поступающими от формирователя гася-
щих импульсов ФГИ.
Если непосредственно сложить гасящие импульсы с полным ТВ
сигналом, то при ограничении по уровням черного и белого передава-
Рнс. 17.25. Структурная схема регенерацин гасящнх и синхронизирующих импульсов
458
емая поднесущая будет подавлена и возникнут значительные искаже-
ния пурпурного, красного и синего цветов сигналов SECAM вследст-
вие того, что части уровней перечисленных сигналов располагаются
выше уровня белого, а части — ниже уровня черного. Поэтому сигналы
яркости и цветности разделяются, а обрабатываются только сигналы
яркости.
Далее имеющиеся в яркостном сигнале помехи ограничиваются по
нормированным 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 антисовпадеиия БАС:
подавляются остатки синхроимпульсов и высокочастотных компонен-
тов помех, которые попадают в полосу пропускания канала цветности
и искажают форму регенерируемых импульсов. Блок аитисовпадения
отключает канал цветности во время поступления на один вход стро-
бирующего импульса, а на другой — сигнала цветности. Этот импульс
вырабатывается в СОС. 1
Стробирующий импульс представляет собой последовательность
строчных импульсов, совпадающих по фазе со строчными гасящими
импульсами и имеющих длительность 7 мкс. Следовательно, подавля-
ется помеха от начала гасящего импульса до момента появления
импульса вспышки цветовой поднесущей, расположенной иа задней
площадке строчного гасящего импульса.
Обработанные сигналы яркости Еу и цветности Еп суммируются
22, и далее в ЕЗ в этот сигнал замешиваются от регенерации Рт строч-
ные синхронизирующие импульсы. После соответствующего усиле-
ния на выходе усилителя Ус получается полный ТВ сигнал. Регенера-
торы гасящих и синхронизирующих импульсов управляются
импульсами, выделенными из воспроизводимого сигнала. Предус-
мотрен режим их работы от внешних источников, от синхрогенератора
телецентра.
Несовершенство отдельных звеньев ТВ канала и помехи, возника-
ющие при записи и воспроизведении, приводят к искажениям воспро-
изводимого сигнала, которые снижают четкость изображения, нару-
шают цветопередачу, приводят к появлению цветных окантовок и
муаров. Эти искажения возникают в результате неравномерной АЧХ
канала записи и воспроизведения в пределах полосы пропускания,
нелинейной амплитудной характеристики, низкой несущей частоты
ЧМ, что приводит к перекрытию спектров ЧМ и ТВ сигналов и возмож-
ности их полного разделения. Называются эти искажения комбинаци-
онными, и они особенно проявляются как помеха при записи цветных
сигналов, для которых характерно наличие спектральных составляю-
щих большой амплитуды на частотах, близких к граничной частоте теле-
визионного сигнала (сигнал цветности). Эти искажения корректируются
специальными корректорами линейных и нелинейных характеристик.
Кроме того, чтобы уменьшить комбинационные искажения, ЧМ сигнал
цветного телевидения записывают с двумя боковыми.
459
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 развитие цифрового телевидения позволяет уже в настоящее
время использовать в магнитной записи ТВ сигналов цифровые кор-
ректоры временных искажений. Эти корректоры выполняются на ос-
нове больших интегральных схем, занимают малый объем, работают
в бесподстроечном режиме, обеспечивают более высокие точность и
надежность.
Принцип действия цифрового корректора временных искажений
основан на том, что в запоминающее устройство вводится цифровой
ТВ сигнал с помощью тактовых импульсов, синхронизированных вос-
производимыми сигналами, а выводится сигнал из запоминающего
устройства с тактовыми импульсами, синхронизированными внеш-
ним опорным генератором. Таким образом устраняются временные
искажения.
Рассмотрим для примера структурную схему одного из вариантов
цифрового корректора временных искажений (рис.17.26). Телевизион-
ный сигнал после воспроизведения поступает на АЦП, в котором
фиксируется уровень и сигнал преобразуется в параллельный код,
позволяющий передавать 256 градаций яркости. Управление А ЦП осу-
ществляется тактовыми импульсами с частотой дискретизации /д,
которые получаются из выделенных блоком БСИ синхроимпульсов
входного сигнала в формирователе тактов импульсов ФТИ. Эти им-
пульсы 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 демультиплексор
ДмП 8/24, назначение которого — преобразование исходного8-бито-
вого сигнала в 24-битовый с частотой следования /д/3 по 24 отдель-
ным каналам для согласования скорости передачи цифрового потока
460
с быстродействием используемых запоминающих устройств. Далее
сигнал подается на точный корректор временных искажений ТК.ВИ
по 24 каналам. В ТКВИ корректируются ошибки в пределах сигнала
частоты fJ3. Корректор состоит из 24 триггеров, на одни входы кото-
рых подается цифровой поток, полученный из воспроизводимого сиг-
нала, а на другой вход — опорная поднесущая частоты /д/3. Следова-
тельно, на выходе точного корректора получается цифровой сигнал,
синхронный с опорной поднесущей. В результате такой коррекции
временная ошибка равна целому числу периодов опорной поднесу-
щей. После этого цифровой поток поступает в блок памяти БП с
емкостью, необходимой для коррекции в требуемом временном диа-
пазоне. Если время коррекции перекрывает временной диапазон 32
мкс, то объем блока памяти БП должен соответствовать одной ТВ
строке. Блок памяти состоит из запоминающих устройств, что позво-
ляет осуществлять произвольную выборку и одновременную запись
и считывание сигнала.
Временные ошибки в БП корректируются следующим образом.
Цифровой сигнал записывается в БП с помощью импульсов опорной
поднесущей fJ3, считывается с помощью тех же импульсов, ио спустя
некоторое время, которое определяется взаимным расположением
воспроизводимых и опорных строчных импульсов, т.е. временной
ошибкой. Блоком памяти управляет блок формирования адресов за-
писи и считывания БФА. Как было показано, ошибка, корректируе-
мая в БП, кратна целому числу периодов опорной поднесущей часто-
ты /д/3. Для ее выделения достаточно определить число периодов
опорной поднесущей, которая размещается воспроизводимыми и
опорными строчным импульсами. С БФА кодированные адреса посту-
пают в БП.
В данном устройстве цифровой корректор временных искажений
совмещен с цифровым компенсатором выпадения сигнала, поэтому
после коррекции временных искажений цифровой сигнал поступает
иа компенсатор выпадений, в котором выпавшая строка замещается
сигналом предшествующих строк. В отличие от аналогового компен-
сатора выпадения строк, где используются линии задержки, в цифро-
вых компенсаторах для задержки сигнала на время двух строк при-
меняются регистры сдвига PC, которые управляются импульсами
опорной частоты fJS. Переключение задержанного и прямого кана-
лов осуществляется импульсами выпадений, выделенными из воспро-
изводимого ЧМ сигнала.
После цифрового компенсатора выпадения сигнал поступает на
мультиплексор Л1/7-24/8, в котором он преобразуется в 8-разрядный
параллельный код. Далее для получения исходного аналогового сиг-
нала цифровой поток поступает в ЦА П. Восстановленный аналоговый
сигнал подается на блок обработки БОС, в котором формируется
полный телевизионный сигнал требуемой формы. Для этого от синх-
рогенератора СГ поступают регенерированные гасящие и синхрони-
зирующие импульсы стандартной формы.
461
17.5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)
В ВИДЕОМАГНИТОФОНАХ
Видеомагнитофон имеет в своем составе несколько систем автома-
тического регулирования, которые в основном определяют качество
воспроизводимого изображения. Записанный на магнитную ленту
сигнал только тогда может быть воспроизведен без искажений, когда
воспроизводящая головка перемещается точно по тем же элементам
'ленты, по которым перемещалась записывающая головка. При этом
относительная скорость головки-ленты на каждом участке ленты при
воспроизведении будет точно такой же, как и при записи. Эти требо-
вания являются общими для любого вида записи. К магнитной записи
сигналов изображения добавляются дополнительные требования:
при записи соответствующие участки ТВ сигнала должны попадать
на определенные участки ленты; воспроизводимый с ленты ТВ сигнал
должен быть в синхронизме с внешними другими источниками ТВ
сигнала. Это последнее требование особенно важно для видеомагни-
тофонов, применяемых в ТВ вещании. Основными САР видеомагнито-
фонов являются системы регулирования скорости вращения диска
головок (САР-СД), скорости движения ленты (САР-СЛ), управления
натяжением ленты (САР-НЛ), автоматического поддержания точного
следования головки на записанной строке при воспроизведении
(CAT), так называемая система автотрекиига и др.
Для обеспечения точного следования видеоголовок по строчкам
записи при воспроизведении необходимо обеспечить отношение vJvT,
имевшее место при записи. Этого можно достичь, если сравнивать
фазы сигнала датчика оборотов барабана блока вращающихся голо
вок опорного сигнала с фазой сигнала управления, воспроизведенно-
го с дорожки сигнала управления. В том случае, когда сигнал рассог-
ласования будет равен нулю, а это значит, что отношение ия/иг при
записи и воспроизведении одинаково, за один оборот блока вращаю-
щихся головок лента при воспроизведении перемещается точно на
столько, на сколько она перемещалась при записи. Однако выполне-
ние этого условия обеспечивает параллельность траектории следова-
ния головки при воспроизведении строчек записи. Точное совмещение
строчки записи с траекторией движения головки при воспроизведе-
нии будет обеспечено только в том случае, если взаимное расположе-
ние видеоголовок и головок канала управления при записи и воспро-
изведении будет строго идентичным и каналы сигналов управления
при записи и воспроизведении не будут иметь фазовых искажений.
Система САР-СД. Укрупненная структурная схема САР-СД
показана на рис. 17.27. Основным ее назначением в режиме записи
являются стабилизация скорости вращения диска головок, его фази-
рование по отношению к записываемому сигналу изображения и за-
пись синхронизирующего импульса полей точно в необходимом месте.
Это важно потому, что при монтаже видеофонограмм не должна на-
462
К СИР Ы
1
Имп.
250Гц
Опорные
импульсы
полей 50Гц
Воспроизводимые
импульсы
полей 50 Гц
Рис. 1727. Упрощенная струв-
туриая схема САР - СД
Воспроизводимые
импульсы строчной 1
Опорные импильсыТ
строчной синхро- [
низании 15Б25 Гц
рушаться частота следования импульсов синхронизации полей в мес-
те склейки.
В четырехголовочных видеомагнитофонах чаще всего применя-
лись синхронные электродвигатели, которые приводятся во вращение
с помощью мощных трехфазных усилителей, имеющих значительные
габариты и низкую надежность. В современных видеомагнитофонах с
наклонно-строчной записью используются двигатели постоянного то-
ка, вследствие чего конструкция привода упрощается [51].
Опорным сигналом системы САР-СД является сигнал синхрони-
зации полей 50 Гц. При записи он выделяется из записываемого пол-
ного ТВ сигнала, а при воспроизведении — из опорного сигнала син-
хронизации. Выделенные импульсы полей и сигналы датчика
оборотов двигателя 1 подаются на два входа фазового детектора 2. На
выходе фазового детектора получается сигнал рассогласования фаз
сравниваемых сигналов, который через коммутатор 3 поступает на
управляемый генератор 4. Частота генератора 4 изменяется в соот-
ветствии с величиной и полярностью сигнала расстройки и увеличи-
вает или уменьшает скорость вращения двигателя блока головок 5 до
тех пор, пока не произойдет совпадение фаз. В такой системе возни-
кают качания ротора двигателя относительно средней скорости вра-
щения, т.е. нестабильность мгновенной скорости блока головок. Для
компенсации этой нестабильности и улучшения качества регулирова-
ния эти качания выделяются частотным дискриминатором б и пода-
ются на фазовый модулятор 7, который соответствующим образом
изменяет напряжение питания двигателя и через усилитель мощности
8 поступает на двигатель 5. Выходной сигнал с датчика оборотов /
подается на систему регулирования скорости движения ленты (САР-
463
СЛ), где используется в качестве опорного сигнала при воспроизведе-
нии, а в режиме записи записывается на ленту (сигнал управления).
Эта система обеспечивает синхронную запись с частотой полей
записываемого сигнала, а при воспроизведении система регулирова-
ния обеспечивает синхронизацию воспроизводимого сигнала с источ-
ником опорного сигнала.
Точность синхронизации, необходимая в телевизионном вещании,
должна быть достаточно высокой, выше 50 нс. Описанная система
регулирования, базирующаяся на сравнении частоты датчика оборо-
тов и частоты полей, такой точности не обеспечивает. Для повышения
точности системы регулирования, предварительно сфазировав систе-
му по импульсам полей, осуществляют синхронизацию по строчным
импульсам. Система регулирования работает последовательно, ис-
пользуя различные сигналы синхронизации. Предварительная уста-
новка головок на записанные строчки производится САР-СЛ. Она
обеспечивает совмещение строчки записи, содержащей импульс син-
хронизации полей, с сигналом датчика оборотов блока головок. Одна-
ко неизбежные ошибки механической установки датчика оборотов
блока головок при записи и воспроизведении, а также ошибки при
формировании сигналов управления приводят к ошибкам синхрони-
зации. Поэтому после предварительной регулировки по сигналу дат-
чика оборотов 1 осуществляется вторая ступень более точной фази-
ровки сигнала управления. Фазовый детектор 9 сравнивает фазы
воспроизводимых и опорных импульсов полей. При рассогласовании
между ними сигнал ошибки подается через коммутатор 3 на управля-
емый генератор 4, подстраивая положение блока головок.
После регулирования системы по полям включается фазовый де-
тектор 10, сравнивающий фазы воспроизводимых и опорных строчных
импульсов. За счет повышения частоты выделения сигнала ошибки
значительно уменьшается нестабильность вращения блока головок и
снижается временная ошибка частоты следования воспроизводимых
строчных импульсов. В видеомагнитофонах последних выпусков, где
применяются цифровые корректоры временных ошибок с большим
диапазоном коррекции, режим строчной синхронизации обычно не
используется, так как временные ошибки до 30 нс и более корректи-
руются электронным способом. Это повышает быстродействие систе-
мы регулирования и уменьшает время установки синхронизации.
Система САР-СЛ. Структурная схема САР-СЛ показана на
рис.17.28. В процессе записи САР должна обеспечить постоянство во
времени отношения ил/иг. В системе САР-СЛ в режиме записи в каче-
стве опорного сигнала используются импульсы кадровой синхрониза-
ции. Скорость вращения ведущего двигателя синхронизуется сигна-
лами датчика оборотов блока вращения головок. Эти же сигналы
записываются на магнитную ленту в качестве сигналов управления.
Такой метод чаще всего применяется в поперечно-строчной записи. В
системах наклонно-строчной записи опорными сигналами САР явля-
464
Монтажный
Кадровый импульс иМП^ЬС
12,5Гц -----
Импульсы датчика 9
оборотов
62,5 Гц
Монтажный
импульс 12,5 Гц
Воспроизведенный
импульс 12,5 Гц
Опорный импульс 12,5 Гц
10
Сигнал
выбора режима
Рис. 17.28. Укрупненная структурная схема САР-СЛ
ются импульсы кадровой синхронизации, которые записываются на
магнитную ленту как сигнал управления.
В режиме воспроизведения управление ведущим двигателем дол-
жно обеспечить синхронизацию скорости движения ленты с вращени-
ем диска головок. При этом за каждый оборот диска лента должна
сместиться точно на шаг записи. Для этого необходимо сравнить час-
тоту сигнала датчика оборотов диска и сигнал управления, 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 — воспроизводи-
мый с ленты сигнал управления через усилитель воспроизведения 4 и
регулируемую задержку 8. Выходной корректирующий сигнал с 3
поступает через коммутатор 5 на управляемый генератор 6 и усили-
тель мощности 7 — на двигатель /. Отсутствие сигнала^шибки после
детектора 3 говорит о том, что обеспечивается поддержание такой
скорости движения лен гы, при которой лента смещается за один обо-
465
рот диска головок точно на один период сигнала управления, что
соответствует одному шагу записи.
Для точного попадания видеоголовок на записанные строчки не-
обходимо установить определенное фазовое соотношение между сиг-
налами управления и датчика оборотов диска и головок. Для этих
целей может служить регулируемая задержка или фазовращатель,
изменяющий фазу сигнала управления, с помощью которого осущест-
вляется электронная регулировка. Точная установка на строчку за-
писи осуществляется по максимуму ЧМ сигнала. Однако в этом слу-
чае может не быть совпадения кадров опорного и воспроизводимого
сигналов.
Для черно-белого телевидения каждый кадр состоит из двух по-
лей, а для системы SECAM каждый цветной кадр формируется че-
тырьмя полями, из-за чередования сигналов DR и DB 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 им-
пульсы складываются в усилителе записи 9 и записываются на ленту.
В режиме воспроизведения в начальный момент частота управляемо-
го генератора 6 определяется выходным сигналом фазового детекто-
ра 10. На один из входов 10 подается опорный кадровый импульс 12,5
Гц, который выделяется из опорного сигнала, а на второй вход пода-
ется воспроизводимый монтажный импульс 12,5 Гц. Этот импульс
вместе с управляющими импульсами усиливается 5 и поступает на
селектор //, где он выделяется. Частота управляемого генератора 6
будет меняться, увеличивая или уменьшая скорость двигателя 1 дотех
пор, пока не будет достигнуто совпадение этих импульсов.
После этого восстанавливается режим работы с фазовым детекто-
ром 3 датчика оборотов 250 Гц. Последовательность включения цепей
3 и 10 осуществляется автоматически коммутатором 5, который уп-
равляется сигналом выбора режима работы.
Система CAP-HJ1 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 величина натяжения в зна-
чительной степени меняется при изменении количества ленты на при-
емной и подающей катушках. Датчиком сигнала ошибки являются
подпружинные натяжные рычаги, размещенные перед приемным и
подающим узлами лентопротяжного механизма. Угловое положение
оси рычага преобразуется в сигнал, управляющий напряжением, по-
даваемым на исполнительный элемент (электродвигатель бокового
узла).
Особое значение САР-НЛ приобретает в видеомагнитофонах с
наклонно-строчной записью. При большой длине строчки записи на-
тяжение ленты имеет большое значение , так как с его увеличением
466
или уменьшением связано растяжение ленты с записанной на ней
строкой. Это ведет не только к ухудшению точности следования голо-
вки по строке записи, но и к изменению частоты следования воспроиз-
водимых строчных синхроимпульсов.
В существующих видеомагнитофонах конфигурация строчек запи-
си всегда отличается из-за наличия трения в движущихся частях лен-
топротяжного механизма, ошибок в работе САР, износа движущихся
частей и многих других факторов. Особенно это проявляется в систе-
мах с наклонно-строчной записью из-за большой протяженности маг-
нитной дорожки. Кроме того, в системах наклонно-строчной записи в
режимах ускоренного или замедленного движения ленты меняется
траектория движения головки при воспроизведении, и она будет схо-
дить со строчки записи, так как головка за один оборот перейдет с
одной строки записи на другую. Смещение магнитной головки относи-
тельно оси симметрии строчки записи приведет к уменьшению вели-
чины воспроизводимого ЧМ сигнала, вызывая увеличение помехи на
изображении.
Система CAT. Благодаря применению CAT не только снижа-
ются требования к точности изготовления некоторых механических уз-
лов, но и принципиально обеспечивается возможность замедленного и
ускоренного воспроизведения изображения в системах с наклонно-
строчной записью. Кроме этого из-за изменения суммарной скорости
движения ленты-головки изменится частота следования воспроизводи-
мых строчных синхронизирующих импульсов.
Для обеспечения точного следования головки по записанной стро-
ке в видеомагнитофонах необходимо предусмотреть дополнительные
мероприятия — систему автоматического управления положением го-
ловки на строке записи или автотрекинг.
Система автотрекинга CAT обеспечивает перемещение гбловки в
перпендикулярном к плоскости ее вращения направлении, принуди-
тельно удерживая головку на строке записи. Система CAT по сути
своей является экстремальной автоматической системой, обеспечи-
вающей получение максимума огибающей воспроизводимого ЧМ сиг-
нала и формирующей управляющий сигнал для исполнительного эле-
мента. При смещении видеоголовки со строчки записи
вырабатывается сигнал управления, с помощью которого головка
возвращается в исходное положение. Так как амплитуда огибающей
ЧМ сигнала уменьшается при смещениях головки и в сторону пред-
шествующей, и в сторону последующей магнитной строчки записи,
возникает необходимость формирования признаков направления
смещения головки с тем, чтобы получить соответствующее управляю-
щее воздействие. Известны несколько разновидностей CAT, исполь-
зующих различные методы формирования указанных признаков и
управляющих воздействий. В видеомагнитофонах различных назна-
чений и конструкции применяются CAT с использованием поискового
сигнала, записью сигналов четырех частот, использованием двух до-
полнительных магнитных головок и др.
467
Рис. 17.29. Пьезоэлектрическая
пластина с видеоголовкой
Исполнительным устройством CAT являются специальные преоб-
разователи напряжения в перемещение. Выполняются они на основе
обратного пьезоэлектрического эффекта. На рис.17.29 показана пье-
зокерамическая пластинка / с укрепленной на ее конце видеоголов-
кой 2. К обкладкам пьезоэлемента подводится напряжение, вызыва-
ющее деформацию пластины. Благодаря противофазному
включению обкладок двух частей пьезокристалла они изгибаются
так, чтобы обеспечить отклонение головки от ее среднего положения
на величину 0,3 мм с сохранением параллельности перемещения са-
мой головки. Величина и полярность подводимого к пьезоэлементу
напряжения пропорциональны амплитуде отклонения головки от
строчки записи. Кроме того, CAT практически снимает проблему вза-
имозаменяемости видеофонограмм и позволяет повысить плотность
записи, т.е. уменьшить расход пленки. Использование автотрекинга
позволяет осуществлять запись без межстрочного промежутка и с
меньшей шириной дорожки.
17.6. МОНТАЖ ВИДЕОФОНОГРАММ
При записи ТВ сигналов на магнитную ленту, так же как при
записи звуковых сигналов, для составления программ возникает не-
обходимость монтажных операций с целью создания единой програм-
мы 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 сигналов
различными методами: поперечно-строчная или наклонно-строчная
запись ТВ сигналов, продольная запись звуковых и управляющих
сигналов. Очевидно, что принятая в звуковых магнитофонах и в кино-
технике технология монтажа коренным образом отличается и непри-
годна для магнитной записи ТВ сигналов. Монтажные операции при
записи ТВ сигналов усложняются тем, что наблюдать изображение
можно только в динамическом режиме, что затрудняет определение
точного места склейки ленты. Наконец, к склейке предъявляются
более высокие требования, чем в кино и звукозаписи. Необходимо с
высокой точностью сохранить все временные и пространственные со-
отношения ТВ и управляющего сигналов.
Механический монтаж предусматривает разрезание ленты и ее
склейку с другой лентой, где записана необходимая программа. Ме-
ханическая склейка должна быть выполнена так, чтобы сохранился
интервал между кадровыми импульсами, а в момент прохождения
468
дейты в месте склейки не нарушалась кадровая синхронизация. Не-
обходимо, чтобы фазы управляющих импульсов относительно доро-
жек записи были бы одинаковыми на склеиваемых лентах, иначе
нарушится работа видеомагнитофона.
Для монтажных операций первоочередной задачей является вы-
бор места разреза и склейки ленты. Наиболее подходящим местом
является промежуток между двумя магнитными дорожками, точнее,
между пятой и шестой дорожками перед кадровым импульсом (на
рис.17.30 изображены: / — монтажная метка, 2 —линия склейки, 3 —
кадровый синхроимпульс,4 — видеодорожки). Разрезать пленку необ-
ходимо под углом наклона дорожек.
В настоящее время в технике магнитной записи ТВ сигналов ис-
пользуется электронный монтаж, заключающийся в получении еди-
ной программы путем перезаписи на одну ленту фрагментов, записан-
ных на разных местах ленты с очень точной их стыковкой.
Электронный монтаж позволяет заменить любые сюжеты стиранием
и их новой записью, добавить новую запись с другого датчика, не
разрезая и не склеивая ленту. При этом используются два режима
работы: ’’продолжение” и ’’вставка”. В режиме ’’продолжение” одна
программа записывается после другой. В месте перехода одной про-
граммы в другую не должно быть сбоя синхронизации. В режиме
"вставка” в записанную программу вставляется другая. Длитель-
ность вставки может быть произвольной — от долей секунды до не-
скольких минут.
Для обеспечения электронного монтажа в профессиональных ви-
деомагнитофонах имеется блок электронного монтажа. Этот блок в
необходимые моменты времени вырабатывает команды на включение
и выключение нужных цепей, которые меняют режим работы видео-
магнитофона. Место склейки на ленте определяется заранее при про-
смотре программы и фиксируется записью монтажной метки. Все
операции выполняются во время кадровых гасящих импульсов
см.рис.17.30). Современные видеомагнитофоны снабжаются пульта-
ми автоматического монтажа. Этот пульт имеет в своем составе ЭВМ,
которая позволяет значительно расширить возможности монтажных
операций и полностью их автоматизировать.
Рис. 17.30. Взаимное расположение им-
пульсов для монтажа
/\ '
7 х _______
Направление
ВВижения ленты
469
При электронном монтаже необходимо синхронизировать два или
несколько видеомагнитофонов с высокой точностью. Такая синхрони-
зация может быть достигнута использованием специального адресно-
временного кода, записываемого на дорожке режиссерских указаний.
Воспроизводимый сигнал адресно-временного кода с каждого видео-
магнитофона подается на ЭВМ, куда предварительно вводятся дан-
ные о моментах изменения режима того или иного видеомагнитофона
(воспроизведение, запись, поиск необходимого места на ленте, пере-
мотка вперед, назад и т.д.).
Монтажные операции в видеомагнитофонах с наклонно-строчной
записью более просты, чем в видеомагнитофонах поперечно-строчной
записи. Наклонно-строчная запись позволяет остановить ленту в лю-
бом месте, наблюдать неподвижное изображение, перемещать ее с
замедленной и ускоренной скоростями. Это значит, что поиск и раз^-
метка сюжетов при монтаже ТВ программ значительно упрощаются.
Для стирания предыдущей записи устанавливается вращающаяся
дополнительная стирающая головка. Эта головка стирает запись на
ленте по наклонной траектории, угол которой соответствует углу на-
клона записанной магнитной дорожки. Команды переключения голо-
вок на необходимые режимы подаются с блока электронного монта-
жа, встроенного в видеомагнитофон.
17.7. ПРИНЦИП УСКОРЕННОГО И ЗАМЕДЛЕННОГО
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
И УСТРОЙСТВО ДИСКОВОГО ВИДЕОМАГНИТОФОНА
В ТВ вещании часто возникает необходимость немедленного по-
вторного показа зрителю происходящего события или просмотра за-
писанных изображений техническим и творческим персоналом. Такая
возможность значительно облегчает труд творческих работников, по-
зволяя оперативно контролировать качество записанных программ.
Потребность повторного и при этом замедленного или ускоренного
воспроизведения характерна для показа общей динамики происходя-
щих событий или демонстрации трюков. Замедленное воспроизведе-
ние движения или воспроизведение неподвижного кадра позволяет,
детально рассмотреть отдельные фазы спортивной борьбы.
В магнитной записи воспроизвести повторно изображение просто:
остановкой, быстрой обратной перемоткой ленты на требуемый ин-
тервал с последующим воспроизведением. Как известно, скорости
записи и воспроизведения изображений на магнитной ленте должны
быть строго одинаковы.
При замедленном или ускоренном воспроизведении записанных
на магнитной ленте изображений необходимо, сохраняя скорость счи-
тывания равной скорости записи, несколько раз воспроизвести один
и тот же кадр для замедленного и пропускать один или несколько
кадров для ускоренного воспроизведения.
В видеомагнитофонах, использующих наклонно-строчиую не сег-
ментную запись, эта задача решается относительно просто: необходи-
470
мо изменить скорость протяжки ленты. В этом случае изменится тра-
ектория движения видеоголовки по отношению к строчкам записи
расположенным на ленте, и изменится относительная скорость лен-
ты-головки. Например, при воспроизведении стоп-кадра или при уве-
личении скорости протяжки ленты в 2 раза траектория движения
головки удлинится по сравнению со строчками записи и за время
передачи одного поля сместится на величину шага строчки записи
(см.рис.17.13, б). В режиме воспроизведения при отклонении от номи
нальной траектории, когда головкой пересекаются две строчки запи-
си, не нарушится последовательность строчных синхроимпульсов из-
за соответствующего расположения синхроимпульсов на строчках
записи (см.рис.17.13, а). Однако, когда головка пересечет межстроч-
ный интервал снгналограммы и уровень ЧМ сигнала упадет ниже
уровня ограничения, возникнут и шумовые всплески длительностью в
несколько строк. Эти помехи простыми методами могут быть переме-
щены из активных строк в интервалы гашения, следовательно, не
будут видны на экране. Полностью помехи могут быть устранены
регулировкой угла протягивания ленты, что компенсирует изменение
наклона траектории движения ленты.
Изменение угла протягивания ленты может, например, осуществ-
ляться опусканием или подъемом направляющих барабана блока
вращающихся головок. В системах, где используется автотрекинг,
изменение скорости движения ленты не вызовет выпадения сигнала,
если наклон траектории находится в диапазоне перемещения пьезоэ-
лемента, а следовательно, и видеоголовки.
В видеомагнитофонах, использующих форматы записи без меж-
строчного промежутка, для уменьшения перекрестных искажений
между строчками записи используется наклонное расположение го-
ловок. В этом случае условия замедленного и ускоренного воспроиз-
ведения несколько улучшаются. Видеоголовки при этих траекториях
захватывают частично и соседние строчки записи, однако помехи не
возникают, так как видеоголовки установлены наклонно. В видеомаг-
нитофонах с сегментным форматом записи режим ускоренного и за-
медленного воспроизведения и стоп-кадра может быть реализован
только с помощью дополнительных промежуточных запоминающих
устройств или при помощи специальных дисковых видеомагнитофо-
нов.
В ТВ вещании иногда используются специальные дисковые видео-
магнитофоны, которые обеспечивают воспроизведение изображения
в нормальном и замедленном темпах, в обратной последовательности,
в ускоренном темпе, а также воспроизведение остановленного кадра
(стоп-кадр). Замедление изображений в таких устройствах можно
получить трех-, пяти-, семи- и одиннадцатикратным. Записываются
изображения на дисках диаметром 300... 400 мм. Диск изготовляется
из алюминия, покрытого с обеих сторон никелево кобальтовым и маг-
нитным слоями, поверх которых нанесен слой радиевой полировки,
защищающий его от механического стирания магнитными головками.
471
Рис. 17.31. Кинематическая схема дис-
кового видеомагнитофона
Частота вращения диска составляет 3000 об/мин, следовательно, од-
ному обороту соответствует время одного поля телевизионного кадра.
Диск вращается между двумя универсальными магнитными головка-
ми, которые поочередно записывают или воспроизводят ТВ сигнал.
На одной стороне диска записываются нечетные поля, а на другой —
четные в виде концентрических окружностей. При записи или воспро-
изведении магнитная головка неподвижна, а в промежутках между
записями скачкообразно перемещается с помощью винтовой переда-
чи в радиальном направлении (рис.17.31).
Винтовая передача работает от двух реверсивных шаговых двига-
телей РД со ступенчатым переключением. В начале записи головки
расположены ближе к центру диска. Первое нечетное поле записыва-
ется верхней головкой, и после окончания его записи ТВ сигнал пере-
ключается электронным коммутатором на нижнюю головку, которая
записывает очередное четное поле. Одновременно перемещается не-
работающая головка по радиусу от центра диска на ширину двух
дорожек. Перемещение головок длится не более 2...3 мс и заканчива-
ется раньше, чем начинается следующее поле. Таким образом, сигнал
записывается по всему диску (на это уходит 15 с). Когда верхняя и
нижняя головки приближаются к наружному краю диска, замыка-
ются контакты / и 0 и логическое устройство «/7У переключает шаго-
вые реверсивные двигатели (см.рис. 17.31), меняя направление движе-
ния головок по радиусу к центру диска. Головка первый скачок делает
на один ufar записи, а дальше перемещается на ширину двух дорожек.
Таким образом, при движении в обратном направлении головка запи-
сывает дорожки между теми, которые были записаны ранее. Когда
головки снова придут в исходное состояние (на это уйдет 15 с) и все
дорожки будут заполнены информацией, замкнутся контакты 2 и 0,
цикл записи может повториться, однако предварительно сотрется
записанная стирающей головкой информация. Стирающие головки
закреплены вместе с записывающими головками на одном перемеща-
ющем устройстве. В результате этого на диске всегда бывает записа-
но изображение последних 1500 полей, т.е. запись последних 30 с. На
каждой стороне диска образуется 750 концентрических окружностей.
Это позволяет получить большую плотность записанной информации
и дает возможность непрерывно ее считывать. Эффект замедленного
воспроизведения движущихся изображений осуществляется методом
многократного воспроизведения записанного кадра. Степень замед-
ления будет определяться числом циклов воспроизведения одних и тех
472
же кадров. Например, если требуется воспроизвести записанное изо-
бражение с трех- или пятикратным замедлением, то один записанный
кадр должен быть воспроизведен 3 или 5 раз. Практически это дела-
ется следующим образом: первая головка воспроизводит 3 раза под-
ряд один и тот же полу кадр (при трехкратном замедлении), после чего
вторая нижняя головка воспроизводит 3 раза подряд другой полу-
кадр. Следовательно, первый полный телевизионный кадр будет со-
стоять из двух одинаковых полукадров (нечетных), второй полный
кадр — из двух разных полукадров (нечетного и четного) и третий
полный кадр — из двух одинаковых полукадров (четных). Если вос-
производить оба поля последовательно, — четное и нечетное, Как
обычно, то может возникнуть дрожание изображения из-за смещения
между полями быстро движущихся деталей изображения. Для устра-
нения этого воспроизводится одно и то же поле разложения. Однако
метод восстановления ТВ кадра одинаковыми полями приведет к
нарушению чересстрочного растра. Для восстановления чересстроч-
ной развертки предусмотрена задержка на 1/2 строки через каждое
поле. Для обеспечения правильности коммутации фазы поднесущей
сигнала цветности от строки к строке используется коммутируемая
линия задержки на одну строку. Ускоренное воспроизведение или
воспроизведение в обратном направлении осуществляется соответст-
вующим режимом перемещения головок.
Данное устройство позволяет воспроизводить стоп кадр, т.е. пока-
зать в течение длительного времени один записанный кадр неподвиж-
ным. Режим воспроизведения выбирается оператором с помощью
пульта управления.
Характеристики записи и воспроизведения дискового видеомагни-
тофона аналогичны характеристикам обычных профессиональных
видеомагнитофонов, поэтому они могут работать совместно с другими
датчиками сигнала изображения.
Для повышения эффективности и улучшения характеристик качест-
ва дисковых видеомагнитофонов наибольшее распространение получи-
ли двухдисковые видеомагнитофоны. В однодисковых устройствах
шаг записи был 0,12 ... 0,15 мм, а ширина магнитной дорожки — около
0,1 мм. В двухдисковых видеомагнитофонах увеличилась общая по-
верхность, поэтому появилась возможность магнитную дорожку сде-
лать шире, до 0,18 мм, а шаг записи 0,254 мм. Запись и воспроизведе-
ние осуществляются четырьмя универсальными головками на двух
дисках, укрепленных на одном валу. Первая головка записывает на
одной стороне верхнего диска первое поле. После перемещения голо-
вки по радиусу эта же головка запишет пятое поле, а второе, третье и
четвертое поля будут записаны второй, третьей и четвертой головка-
ми на нижней стороне верхнего диска и на двух сторонах нижнего
диска соответственно. Следовательно, на нижней стороне верхнего
диска второй головкой будут записаны второе и шестое и т.д. поля,
третьей головкой на верхней стороне нижнего диска — третье и седьмое
поля, а на другой стороне нижнего диска четвертой головкой — четвер-
473
тое, восьмое поля. Режим воспроизведения аналогичен режиму одно-
дисковой системы. Основной недостаток дисковых видеомагнитофо-
нов — низкая поверхностная плотность записи и сложность, поэтому
они используются только на телецентрах, т.е. для профессиональных
целей.
17.8. ЗАПИСЬ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
Общие сведения. Качество современной аналоговой магнит-
ной записи достигло высокого уровня, но ей свойственны некоторые
недостатки, устранение которых с помощью аналоговой техники труд-
ноосуществимо, а иногда принципиально невозможно.
Запись ТВ сигналов в цифровой форме имеет ряд существенных
преимуществ перед методом записи аналоговых сигналов. Это возмож-
ность многократной перезаписи без накопления искажений. Если в ана-
логовых видеомагнитофонах при перезаписи растет уровень муара, уве-
личиваются линейные и нелинейные искажения, ухудшается
отношение сигнал/помеха, то в цифровых из-за восстановления циф
рового сигнала число перезаписей практически не влияет на качество
изображения.
В цифровых видеомагнитофонах, так же как и в других цифровых
системах, можно уменьшить влияние неидентичности и нестабильно-
сти аппаратурных характеристик на качество сигнала. Облегчается
обслуживание аппаратуры, так как отпадает необходимость в регу-
лировках и подстройках при эксплуатации.
Запись цифровых ТВ сигналов на магнитную ленту является тех-
нически чрезвычайно сложной задачей. Сложность в первую очередь
заключается в необходимости записи высокоскоростных цифровых
потоков. Запись больших цифровых потоков при том же расходе лен-
ты, как при аналоговой записи, требует значительного увеличения
поверхностной плотности записи (примерно в 10 раз). Это достигается
как уменьшением длины волны записываемого сигнала X, так и умень-
шением ширины магнитных дорожек. К сожалению, это приводит к
усложнению изготовления головок и повышает требования к системе
автоматического регулирования. Отметим, что цифровые видеомаг-
нитофоны должны обеспечивать технико-эксплуатационные характе-
ристики не хуже существующих аналоговых.
Кроме этого реализация достоинств цифровой видеозаписи связа-
на с высокими требованиями к достоверности записи, определяемой
вероятностью появления ошибки (сбоя). Ошибки могут быть одиноч-
ными, вызванными действием помех в канале записи-воспроизведе-
ния, и групповыми (пакеты ошибок), обусловленными выпадением
сигнала.
Структурная схема к а'нала записи-воспроизве-
дения цифрового виде о магни то фон а. Для записи цифрового
сигнала на магнитную ленту надо предусмотреть ряд мероприятий,
связанных со структурой ТВ сигнала.
474
Аналоговый видеомагнитофон записывает циклические сигналы.
Все его следящие системы и устройства коммутации работают от
строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. В цифровой по-
следовательности эти сигналы отсутствуют, поэтому для нормальной
работы видеомагнитофона сигналы синхронизации надо включить в
структуру цифрового сигнала. Кроме того, записанный сигнал дол-
жен содержать импульсы тактовой частоты следования двоичных
символов, которые после выделения и воспроизведения обеспечат
правильное декодирование цифрового сигнала. Спектр записываемо-
го сигнала должен быть согласован с полосой пропускания видеомаг-
нитофона. При цифровой магнитной видеозаписи используют различ-
ные методы цифровой модуляции, в том числе частотную модуляцию,
или канальное кодирование. Следует, учесть, что из методов модуля-
ции цифровых сигналов применим тот, который обеспечивает выделе-
ние импульсов тактовой синхрочастоты непосредственно из записан-
ного цифрового сигнала.
Структура цифрового видеомагнитофона в основном определяет-
ся числом необходимых каналов записи-воспроизведения. Число ка-
налов записи определяется скоростью и плотностью записи. В суще-
ствующих магнитных лентах для записи аналоговых сигналов
плотность записи выше2кбит/мм получить затруднительно. В метал-
лопорошковых или металлизированных лентах можно получить плот-
иость записи Зкбит/мм с достаточно высоким отношением сигнал/по-
меха при 12,5-мкм ширине строчки записи. Если считать, что
скорость записи не должна превышать предельную скорость 50 м/с
при плотности записи 3 кбит/мм, то оказывается возможным исполь-
зовать два канала записи. При повышении 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 дополнительный канал записи усложняет электронную
часть видеомагнитофона, добавляя системы защиты от ошибок, ка-
нального кодирования, синхронизации и т.д. Запись звуковых сигна-
лов производится на тех же строчках, которые служат для записи
видеосигнала. В этом случае используется общая аппаратура записи
и канального кодирования. Между видеосигналом и звуковым сигна-
лом, а также между каждым из звуковых сигналов оставляются не-
большие интервалы, во время которых производится коммутация то-
ков записи и стирания в процессе монтажа.
Канальное кодирование осуществляется с целью преобразования
двоичных символов цифрового телевизионного сигнала для согласо-
вания с каналом записи-воспроизведения. При магнитной записи это
означает, что энергетический спектр телевизионных сигналов преоб-
разуется в соответствии со спектральными характеристиками огра-
ниченного по частоте канала записи-воспроизведения, который мо-
жет быть представлен в виде полосового фильтра. При оптимальном
согласовании сигнал по ограниченному по частоте каналу проходит с
минимальными искажениями.
475
Входной сигнал цифрового видеомагнитофо-
на, который формируется в соответствии с реко-
мендацией на цифровой код студии способом
БВН (без возврата к нулю). При этом методе носительзаписи перемаг-
ничивается до насыщения в двух противоположных направлениях —
при переходе 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 вер'
них и нижних частот. Спад в области низких частот обусловлен диц>
ференцирующим действием магнитной головки индукционного типа г
наличием вращающегося трансформатора. Спад в области высоки,
частот обусловлен в основном волновыми потерями (щелевыми, кон-
тактными, слойными). Поскольку исходный код БВН может содер-
жать длинные последовательности 1 и 0, то постоянная составляющая
кодовой последовательности изменяется в больших пределах. Она
может меняться от 0 до 100% размаха сигнала. Если такой сигнал
записать, то при воспроизведении возникнут большие искажения в
форме импульсов за счет подавления низкочастотных компонентов.
Искажения проявляются в протяженных однополярных последова-
тельностях импульсов и в смещениях средней линии сигналов из-за
потери постоянной составляющей. Это исключает пороговое обнару-
жение 1 и 0 в воспроизводимом сигнале, поэтому делает код БВН
непригодным для записи. Исходя из этого вытекают основные требо-
вания, предъявляемые к выбору канального кода; длительность не-
прерывных последовательностей 1 и 0 должна быть минимальной для
обеспечения самосинхронизируемости кода, т.е. возможности выде-
ления из нее тактовой частоты; спектр должен иметь неизменную
постоянную составляющую и небольшой уровень низкочастотных со-
ставляющих; энергетический спектр кода должен иметь полосовой
характер, согласующийся с полосой пропускания канала записи-вос-
произведения и др.
Реальные цифровые сигналы могут содержать в некоторые момен-
ты времени длинные серии одинаковых символов — единиц или нулей
В этом случае нарушается работа систем АРУ, тактовой синхрониза-
ции и усилительных устройств с реактивными разделительными эле-
ментами. Это вызвано тем, что в сигнале отсутствуют изменения в
каждом такте элементов сигнала, которые используются для целей
подстройки перечисленных устройств, что приводит к увеличению
фазового дрожания цифрового сигнала и даже к полному нарушению
синхронизации приемного устройства.
Для устранения длинных последовательностей 0 и 1 в исходном
коде БВН производится так называемое скремблирование (переме-
шивание). Скремблирование заключается в логическом сложении
цифрового сигнала с псевдослучайной последовательностью сигна
лов(ПСП). В этом случае длинные серии одинаковых символов сигна-
ла приобретают структуру соответствующего отрезка ПСП. При
скремблировании передаваемый сигнал независимо от свойств источ-
ника приобретает структуру, близкую к случайной. В результате
476
скремблирования код БВН приближается по свойствам к случайному
сигналу (рандомизируется), т.е., имея неслучайную природу генери-
рования, он отвечает всем свойствам псевдослучайных сигналов. Та-
кой сигнал имеет в своем составе составляющие с тактовой частотой,
которые отфильтровываются и служат для автоподстройки тактового
синхрогенератора и для управления системой АРУ. Скремблер —
устройство для преобразования структуры цифрового сигнала без
изменения скорости передачи символов этого сигнала с целью при-
ближения его свойств к свойствам случайного сигнала. При воспро-
изведении применяется дескремблер — устройство, предназначен-
ное для восстановления исходной структуры цифрового сигнала,
преобразованной скремблером. Скремблирование может также ис-
пользоваться в сочетании с определенным видом канального кодиро-
вания.
В настоящее время известно множество кодов, применяемых в
цифровой магнитной записи. Каждый из них в той или иной мере
соответствует поставленным требованиям. Однако нельзя выделить
какой-то один код, который имел бы явные преимущества по сравне-
нию с другими, поэтому международных стандартов на канальное
кодирование пока не существует. В принятых образцах цифровых
видеомагнитофонов используются различные канальные коды, удов-
летворяющие частным требованиям разработок. Основным факто-
ром, влияющим на снижение достоверности записи, является выпаде-
ние сигнала. Для защиты от ошибок в цифровой видеозаписи
используются два способа: маскирование ошибки и коррекция оши-
бок.
Метод маскирования ошибок аналогичен методу компенсации вы-
падения сигнала в аналоговых видеомагнитофонах. Метод сводится к
обнаружению искаженного кодового слова и замене его интерполиро-
ванным кодовым словом предыдущей и последующей строк. Таким
образом можно осуществить маскирование и внутри строки. Однако
при многократной перезаписи маскирование не удовлетворяет требо-
ваниям, предъявляемым к качеству изображения, что сводит на нет
основное преимущество цифровой видеозаписи. В связи с этим наряду
с маскированием широко стали применять коррекцию ошибок, обес-
печивающую точное восстановление потерянной информации метода-
ми помехоустойчивого кодирования, которое предполагает введение
избыточности при кодировании. Коды, обнаруживающие и исправля-
ющие ошибки, широко используются в технике связи. Суть их заклю-
чается в следующем. Предназначенная для передачи кодовая комби-
нация дополняется в соответствии с определенным алгоритмом
проверочными символами, которые располагаются в определенной
последовательности. Отсюда следует: чем эффективнее система за-
щиты от ошибок, тем большую информацию необходимо передать.
Надо увеличить число символов, передаваемых в единицу времени,
которое ограничено конечной полосой пропускания канала. Очевид-
но здесь необходим компромисс между степенью коррекции ошибок,
477
обеспечивающей необходимое качество изображения, и полосой про-
пускания.
Структурная схема видеомагнитофона цифровой записи ТВ сигна-
ла показана на рис.17.32. На вход видеомагнитофона поступает ана-
логовый телевизионный сигнал и в А ЦП преобразуется в цифровой.
Далее цифровой сигнал подвергается помехоустойчивому кодирова-
нию в кодере Кд и скремблированию в скремблере Ск для повышения
достоверности записи. Для работы следящих систем видеомагнито-
фона необходимы импульсы синхронизации требуемой длительности
и заданного интервала. Синхрогенератор СГ обеспечивает систему
записи необходимыми сигналами управления Для четырехголовоч
ных видеомагнитофонов это строчные и кадровые импульсы, для од-
но-двухголовочных — только кадровые. Для введения импульсов в
структуру записываемого цифрового сигнала служат блоки буфер-
ных запоминающих устройств с последовательным доступом БЗУ1 и
БЗУ2. Если использовать ЗУ с произвольным доступом записи и счи-
тывания, то можно обойтись одним БЗУ. Цифровая последователь-
ность сигнала подвергается сжатию во времени, для чего она подается
на буферное запоминающее устройство. Цифровой сигнал сжимается
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 разме-
стить импульсы синхронизации.
Работой двух БЗУ1 и БЗУ2 управляют два коммутатора X/ и К2,
связанные с генератором импульсов ГИ. Тактовые импульсы, необхо-
димые для работы БЗУ, вырабатывает специальный генератор так-
товых импульсов СГ. Цифровой сигнал вместе с тактовыми и синхро-
низирующими импульсами поступает на вход канального кодера К.К,
с помощью которого согласуются характеристики записываемой ин-
формации с характеристиками канала записи-воспроизведения. Ка-
нальный кодер выполняет те же функции,что и модулятор в обычном
Рис. 17.32 Структурная схема цифрового видеомагнитофона
478
Сформированный код подается на усилитель записи Усз, и сигнал
записывается на магнитную ленту универсальной головкой.
В режиме воспроизведения происходит преобразование цифрово-
го сигнала в аналоговый в обратном порядке. После усиления в Ус
цифровой сигнал поступает на декодер Дк и дескремблер Дс, преоб-
разующий канальный код в исходную структуру сигнала. Для восста-
новления исходной скорости передачи используются блоки БЗУЗ и
БЗУ4, работающие поочередно. Скорость записи информации в них
больше, чем скорость считывания, причем частота считывания выби-
рается равной тактовой частоте входного сигнала. В результате такой
работы БЗУЗ и БЗУ4 цифровой поток вновь оказывается непрерыв-
ным. Коммутаторы КЗ и К4 служат для переключения БЗУ, а генера-
тор тактовой частоты ГТИ —для выборки информации из БЗУ с
тактовой частотой.
После БЗУ цифровой сигнал поступает на декодер корректирую-
щего кода ДкКК, в котором обнаруживаются и корректируются
ошибки. Процессы детектирования й декодирования синхронизиру-
ются тактовыми импульсами, выделенными из воспроизводимого ко-
да. В заключение в ЦАП происходит преобразование цифрового сиг-
нала в аналоговый, после чего он поступает на выход канала
изображения.
В канале воспроизведения синхроимпульсы с помощью специаль-
ного устройства отделяются от общего цифрового сигнала и подаются
в соответствующие цепи управления. На структурной схеме не пока-
зан целый ряд узлов и блоков цифрового видеомагнитофона, предназ-
наченных для коррекции искажений как цифрового сигнала, так и
искажений, характерных для записи на магнитную ленту.
Исследования в области цифровой записи телевизионных сигна-
лов позволили МККР принять рекомендации на некоторые парамет-
ры цифровой записи. Исходя из международного стандарта на пара-
метры цифрового телевидения предусматривается дискретизация
раздельных яркостного E'Y и цветоразностных сигналов E'R_Y и Е'B_Y
с частотами 13,5 и 6,75 МГц соответственно (стандарт 4:2:2). В этом
случае суммарный цифровой поток сигнала изображения будет равен
216 Мбит/с. Для записи зь/кового сопровождения рекомендуется
использовать четыре канала с частотой дискретизации 48 кГц, кван-
тованные равномерно при 20 разрядах на отсчет. Суммарный цифро-
вой поток звукового сигнала будет равен примерно 4 Мбит/с.
В 1986 г. на пленарном заседании МККР был утвержден формат
цифровой видеозаписи Д1. Следует заметить, что принятый формат
записи разработан на основе исследовательских работ, а не готового
промышленного образца, кроме того, без достаточного опыта эксплу-
атации. Поэтому некоторые параметры точно не определены.
Телевизионный сигнал и звуковые сигналы записываются на од-
ной наклонно-строчной магнитной дорожке. Записываются 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
479
изображения, приходящихся на активную часть телевизионной стро-
ки, равно 720 для сигнала яркости Е'у и 2x360 для цветоразностных
сигналов Е'R_Yи Е' B_Y. Одно телевизионное поле в системе 625/50
записывается на 12 дорожках (на 24 видеосекторах или 6 сегментах),
а в системе 525/60 — на 10. Звуковое сопровождение записывается на
48 звукосекторах, образующих три сегмента.
Используется магнитная лента шириной 19 мм. Магнитный слой
образован из окиси металла, он позволяет записывать сигнал с мини-
мальной длиной волны 0,9 мкм. Продольная плотность записи 2,2
кбит/мм.
На магнитной ленте располагаются три продольные дорожки
(рис.17.33). Первая дорожка шириной 0,7 мм предназначена для запи-
си сигналов монтажа звукового сопровождения для слухового поиска
фрагментов фонограммы. На второй дорожке записывается цифро-
вой сигнал адресно временного кода, ширина дорожки 0,5 мм. И, на-
конец, на третьей дорожке записывается цифровой сигнал управле-
ния, ширина дорожки 0,3 мм.
На магнитной ленте под углом 5°24'02" к базовому краю располо-
жены дорожки записи шириной 40 мкм (защитный промежуток 5 мкм)
и длиной 170 мм, на которых записываются видео- и звуковые сигна-
лы. Каждая наклонная дорожка содержит видеосектор длиной 77,79
мм, а также четыре звукосектора в центральной части ширины ленты
по 2,56 мм и промежутком 1,24 мм, а затем снова видеосектор. При
таком расположении информации влияние растяжения и механиче-
ских повреждений магнитной ленты на качество воспроизводимого
звука будет минимальным. Скорость перемещения магнитной ленты
286,9 мм/с.
Основная задача внедрения цифровой записи в мировую практику
заключается в стандартизации единого формата для различных су-
------------------------Направление движения ленты
7ZZ2^ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZX
З-Т 2 J
Рис. 17.33. Формат записи DI компонентного цифрового ТВ сигнала
480
шествующих в настоящее время частот разверток. В этом случае
будет обеспечена совместимость стандартов разверток при записи и
воспроизведении в международном масштабе.
Рассмотрим, как достигается это требование в цифровых видео-
магнитофонах последних разработок. Как известно, плотность записи
определяется продольной и поперечной плотностями записи и выра-
жается следующим соотношением:
b = mh,
где т, h — коэффициенты продольной и поперечной плотностей запи-
си, бит/мкм.
Если обозначить через v скорость записи сигнала (бит/с), то, зная
расход носителя записи р (мкм /с), получим
v = Ь/р.
В этом случае длина строчки (мкм) для записи одного ТВ поля с
частотой [п будет
т
Если в это выражение подставить реальные значения, то получим
длину записи одного поля L, равную нескольким метрам. Отсюда
следует, что реализовать компонентную магнитную запись можно
только путем сегментации на S наклонных строчек записи и разделе-
ния сигнала иа N параллельных каналов.
Следовательно, длина отдельных наклонных строчек записи
z = -k = —E_
S/V mfnSN
По нашим условиям для удовлетворения совместимости стандар-
тов 625/50 и 525/60 необходимо, чтобы
Если принять, что величина скорости записи v должна соответст-
вовать Рекомендации МККР 11/601 по компонентному цифровому
кодированию, число каналов N является постоянным (число головок
записи и воспроизведения постоянно), а частота полей равна 50 и 60
Гц, необходимо соблюдение соотношения
(т^)ао гц 60
(mS)eo Гц 50
Иметь одинаковое число сегментов S с различной плотностью за-
писи т в системах 625/50 и 525/60 нецелесообразно, так как это
приводит К’ величеиию расхода носителя, вызывает конструктивные
трудности, изменяется полоса частот в системах 625/50 и 525/60, а это
предъявляв различные требования к коррекции. Поэтому продоль-
481
ная плотность записи сохраняется постоянной величиной, а требова-
ние совместимости системы 625/50 и 525/60 реализуется путем изме-
нения числа сегментов в отношении 6:5.
17.9. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
Значение магнитной записи в ТВ вещании будет возрастать, и тем
больше, чем совершеннее будут методы записи, чем выше эксплуата-
ционные характеристики видеомагнитофонов, больше возможности
их использования. Это можно объяснить тем, что магнитная записьТВ
изображений пока является наиболее разработанным и лучшим спо-
собом консервации программ по совокупности технических, эксплуа-
тационных и экономических свойств. Дальнейшее развитие магнит-
ной записи пойдет по пути усовершенствования способов записи,
улучшения технических, эксплуатационных характеристик головок и
лент, применения в электронных узлах видеомагнитофонов интег-
ральных схем и микропроцессорной техники.
Осуществляется постепенный переход на видеомагнитофоны, ра-
ботающие на ленте шириной 25,4; 12,65 мм и более узких. При этом
характеристики качества изображения, воспроизводимого видеомаг-
нитофоном, улучшаются в связи с разработкой новых магнитных лент
с высокоэнергетическим покрытием, ферритовых магнитных головок
с увеличенным сроком службы и применением в аналоговых видео-
магнитофонах цифровых корректоров с большим диапазоном коррек-
ции временных искажений.
Эксплуатационные характеристики улучшаются благодаря авто-
матизации подготовки программ. Творческие и технические работни-
ки получают возможность осуществлять ’’зримый” монтаже широким
набором его режимов. В аналоговые видеомагнитофоны внедряются
кроме цифровых корректоров временных искажений устройства кад-
ровой памяти. С помощью этих устройств можно значительно улуч-
шить показатели качества изображения и увеличить технические воз-
можности видеомагнитофонов. Кадровая память позволяет
режиссерам создавать большое количество различных спецэффектов:
уменьшать или увеличивать размеры изображений, переворачивать
его по вертикали и горизонтали и др. Это значительно повышает худо-
жественные возможности творческих работников телевидения. Шу-
моподавители позволяют увеличить число перезаписей в аналоговых
видеомагнитофонах до 10...20 раз, что обеспечивает высокое качество
монтажных работ. Появилась возможность широкого внедрения син-
хронной работы видеомагнитофонов с различными датчиками ТВ сиг-
налов, записи отдельных кадров в любое место программы, мульти-
пликационных фильмов и др.
Увеличилась плотность записи, что определяет расход носителя на 1 ч
программы. Это один из важных экономических параметров не только
для бытовых видеомагнитофонов, но и для профессиональных.
482
На ТВ центрах одноголовочные и двухГоловочные видеомагнито-
фоны с наклонно-строчной записью на узкую магнитную ленту посте-
пенно вытесняют многоголовочные видеомагнитофоны с поперечно-
строчной записью, как имеющие более высокую плотность записи,
простые в конструкции и обеспечивающие более широкие возможно-
сти в эксплуатации. Получили широкое распространение кассетные
видеомагнитофоны с автоматическим управлением и поиском по за-
данной программе и с автоматической заправкой кассет. Запись циф-
ровых сигналов имеет значительные преимущества перед записью
сигналов в аналоговой форме. Широкое внедрение цифровых видео-
магнитофонов— дело ближайшего будущего. Опытные установки,
предназначенные для практической проверки и решения основных
проблем цифровой записи — методов сокращения потока информации
и способов его записи, уже сейчас показали, что за цифровой записью
будущее и что цифровая запись со временем вытеснит аналоговую.
На пути практического внедрения цифровых видеомагнитофонов,
предназначенных для вещательного телевидения, стоит ряд сложных
задач. Параметры и методы преобразования аналогового ТВ сигнала
в цифровые и обратно являются общими и хорошо изученными в теле-
видении и магнитной записи. Поэтому при разработке метода магнит-
ной цифровой записи будет уделено особое внимание выбору способа
канального кодирования и синхронизации сигналов, формата записи,
обеспечивающего оптимальную плотность записи (бит/мм), частоты
дискретизации и т.д. Записываемый цифровой информационный по-
ток составляет около 140 Мбит/с. Снизить это значение можно путем
одного из существующих методов предварительного сжатия инфор-
мационного потока перед записью за счет сокращения избыточности.
В дальнейшем цифровая записьтелевизионных сигналовбудет разви
ваться по пути улучшения и совершенствования методов кодирования
и уменьшения избыточности в сигнале.
17.10. БЫТОВЫЕ ВИДЕОМАГНИТОФОНЫ
В настоящее время некоторую стандартизацию имеют только про-
фессиональные видеомагнитофоны, а бытовые, предназначенные для
использования населением, отличаются чрезвычайно большим разно-
образием как по форматам записи, так и по конструкции аппаратуры.
Новые форматы записи разрабатываются с целью устранения недо-
статков предыдущих форматов записи. Первостепенной задачей кон-
структоров новых бытовых видеомагнитофонов является сокращение
расхода ленты. Это возможно при уменьшении скорости движения
ленты и ее ширины, т.е. снижении граничной длины волны записи,
ширины строчек записи и межстрочных промежутков.
В бытовых видеомагнитофонах используется наклонно-строчная
запись двуия диаметрально расположенными вращающимися голо-
вками. На базе такого метода осуществляется запись одного поля
телевизиог ного изображения на строчке дорожке записи. Благодаря
483
этому возникла возможность реализации ряда новых технических ре-
шений: использование кассеты с автоматической заправкой ленты в
лентопротяжный механизм; сокращение расхода ленты за счет умень-
шения ширины строчек записи и устранения межстрочных промежут-
ков; разделение ТВ сигнала на сигнал яркости и цветности и перенос
поднесущей сигнала цветности вниз по частоте для записи его в одном
канале с частотно-модулированным сигналом яркости; подавление
помех от соседних строчек записи с помощью разворота рабочих зазо-
ров видеоголовок по азимуту; увеличение продольной плотности запи-
си благодаря применению улучшенных магнитных лент и головок
(Xm„ « 1 мкм); сокращение полосы частот по каналу яркости до 2,5...
...3,5 МГц(с записью одной боковой ЧМ сигнала) и по каналу цветности
до 0,5...0,8 МГц. Естественно, сокращение полосы частот ухудшит
разрешающую способность, но для любительских целей такое качест-
во изображения вполне приемлемо.
В настоящее время широко распространены бытовые видеомагни-
тофоны форматов записи, стандартизованных Международной элек-
тротехнической комиссией (МЭК): VHS (Video Home System), ’’Video-
s’’. Основные технические решения, используемые в этих
видеомагнитофонах, сходны, однако имеются существенные разли-
чия, поэтому взаимозаменить эти форматы невозможно.
Наибольшее распространение получили бытовые видеомагнито-
фоны формата VHS (Япония), к которым принадлежит аппарат оте-
чественного производства типа ’’Электроника”. В этих видеомагнито-
фонах используется лента шириной 12,65 мм, помещенная в кассету
размерами 188x104x25 мм. Скорость движения ленты 23,39 мм/с, а
скорость ленты-головки 4,84 м/с. При записи принята следующая
расстановка частот для сигналов яркости; уровень белого 4,8 МГц,
синхроимпульсов 3,8 МГц. Верхняя боковая полоса ЧМ сигнала пол-
ностью подавляется, а нижняя записывается в диапазоне 1,2 ... 4,3
МГц. Так как запись сигналов цветности в полной полосе непосредст-
венно не представляется возможной, полоса их сужается до 0,74 МГц,
после этого переносится в диапазон частот 0,36... 1,1 МГц и суммиру-
ется с ЧМ сигналом яркости. Сигнал яркости записывается с опти-
мальным током записи, а сигнал цветности — уменьшенным на 20...22
дБ током, чтобы не возникли перекрестные искажения.
При воспроизведении сигналы усиливаются, разделяются фильт-
рами, ЧМ сигнал яркости демодулируется, а сигналы цветности пере-
носятся в диапазон частот 3,8 ... 4,5 МГц, суммируются с сигналом
яркости и поступают на выход.
Сигналограмма формата VHS показана на рис.17.34.
В верхней части ленты располагаются две звуковые дорожки 1 и 3,
между ними — защитный промежуток 2. На нижнем крае ленты за-
писывается дорожка сигнала управления 4. Видеосигнал записыва-
ется двумя вращающимися головками, расположенными под углом
180° на барабане диаметром 62 мм. Частота вращения барабана 1500
об/мин. Рабочие зазоры видеоголовок развернуты под углом Ц-6°
484
Рис. 17.34. Формат записи VHS (ширина ленты 12,65 мм)
относительно перпендикуляра к направлению движения головок.
Каждая головка записывает одно поле изображения, а угол обхвата
барабана видеоголовок лентой чуть превышает 180°. Это создает пе-
рекрытие во времени сигналов, воспроизводимых видеоголовками,
примерно на три телевизионные строки. Видеоголовки коммутируют-
ся сигналом датчика оборотов барабана с частотой 25 Гц примерно за
5...8 строк до начала синхронизирующего импульса полей.
Видеомагнитофоны формата VHS имеют, кроме этого, блок непод-
вижных головок (стирающая головка, звуковая головка и головка
управления).
Запись сигналов изображения без межстрочных промежутков да-
ет повышения плотности записи и выигрыш в расходовании ленты.
При примыкании вплотную дорожек записи, естественно, должно
ухудшиться отношение сигнал/помеха, так как видеоголовки при вос-
произведении будут захватывать часть соседней дорожк i. Л ля подав-
ления помех от соседних дорожек рабочие зазоры видеоголовок раз-
вернуты по азимуту. Эффективность такого решения позволила еще
уменьшить ширину строчек записи.
Уменьшение ширины дорожек записи при воспроизведении видео-
головками с заметно большей шириной полюсных наконечников, т.е.
с большей длиной рабочего зазора, приводит к тому, что видеоголовка
одновременно воспроизводит сигнал с двух-трех строчек записи. Как
уже отмечалось, разворот в разные стороны рабочих зазоров видеого-
ловок на угол ±6° обеспечивает изменение направления намагничен-
ности от строчки на значение двойного угла наклона рабочих зазоров.
При правильном воспроизведении строчки записи ориентации намаг-
ниченности ленты и зазора совпадают, а при воспроизведении сосед-
них строчек — нет. Возникающие при этом азимутальные потери зна-
чительно уменьшают уровень воспроизводимого мешающего сигнала,
следовательно, повышается отношение сигнал/помеха. Записывае-
мый сигнал разделяется фильтром на яркостную и цветовую состав-
ляющие. На рис.17.35, а показаны частоты, определяющие полосы
пропусканья фильтров, разделяющих сигнал яркости и цветности. На
485
Рис. 17.35. Амплитудно-частотные характеристики фильтров разделения сигналов яр-
кости и цветности (а) и АЧХ сигналов яркости и цветности после преобразования (б)
рис.17.35, б показаны характеристики сигналов яркости и цветности
после преобразования спектра. Сигнал цветности Еи располагается в
нижней части спектра. Девиация частоты равна 1 МГц.
Обобщенная структурная схема канала изображения видеомаг-
нитофона формата VHS показана на рис.17.36. Полный сигнал изо-
бражения, кодированный по системе SECAM, поступает на регулиру-
емый усилитель /, обеспечивающий постоянный уровень сигнала, не
зависящий от уровня входного сигнала. Для управления размахом
сигнала на регулируемый входной усилитель / подается постоянное
напряжение, пропорциональное амплитуде синхросигнала, от детек-
тора АРУ 2. С выхода усилителя 1 через коммутатор записи-воспро-
изведения (3-В) сигнал изображения поступает на ФНЧ 3 с полосой
пропускания 3,3 МГц. При записи черно-белого изображения сигнал
снимается с ФНЧ 4 с полосой пропускания 4,1 МГц. Переключение
осуществляется коммутатором а. Полный сигнал цветного телевиде-
Рис. 17.36. Укрупненная структурная схема канала изображения видеомагнитофона
формата VHS (SECAM)
486
ния также поступает на полосовой фильтр 9, который выделяет сигнал
цветности Ц. С выхода ФНЧ 3 или 4 сигнал яркости через потенцио-
метр, регулирующий девиацию частоты частотного модулятора при
записи и уровень воспроизводимого сигнала при воспроизведении,
поступает на цепи предкоррекции сигнала яркости 5 и далее на схему
фиксации уровня сигнала и ограничители 6. Схема предкоррекции 5
обеспечивает подъем ВЧ составляющих сигнала яркости в диапазоне
частот 1...3МГц. Компенсация предыскажений при воспроизведении
улучшает отношение сигнал/помеха за счет ослабления ВЧ составля-
ющих помехи в полосе частот 1...3МГц.
При передаче резких перепадов сигнала яркости в результате
подъема высоких частот в 5 возникают значительные выбросы, амп-
литуда которых превосходит допустимые значения. Это резко ухуд-.
шает отношение сигнал/помеха на яркостных церехрдах, поэтому не-
обходимо ограничение этих выбросов. Сигнал яркости после
двустороннего ограничения в блоке 6 поступает на ЧМ 7. Далее ЧМ
сигнал яркости через включенный при записи цветных программ ФВЧ
блока 8 через регулятор уровня поступает в смеситель 14 и далее на
усилитель записи 15.
Выделенный фильтром 9 с полосой пропускания 0,8 МГц сигнал
цветности проходит через цепи ВЧ предкоррекции и поступает на
двусторонний ограничитель 10 и на делитель частоты или гетеродин
//. С помощью этого делителя (деление на 4) или гетеродина спектр
сигнала цветности переносится 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 Е'R_y и 1,06 МГц для сигнала Е'в_ у. Высокоча-
стотные составляющие спектра подавляются ФНЧ 12 с полосой про-
пускания 1,5 МГц. Частотно-модулированный сигнал цветности под-
вергается предкоррекции с минимумом АЧХ корректирующего
фильтра соответствующей частоты 4,286 : 4 = 1,07 МГц в блоке 13.
Сигнал цветности с введенными ВЧ предыскажениями через регуля-
тор уровня смешивается с частотно-модулированным сигналом ярко-
сти в блоке 15 и далее через коммутатор 3-В поступает на головки
записи Г1 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 Г1 и Г2 поступает через коммутатор 3-В иа усилите-
ли 16 и 17. На выходе этих усилителей сигналы с обеих видеоголовок
выравниваются и объединяются в один непрерывный сигнал с по-
мощью коммутаторов ЭК1 и ЭК2, которые управляются специальным
сигналом от датчика оборотов барабана видеоголовок с частотой 25
Гц. АЧХ усилителей воспроизведения 16 и 17 регулируют, компенси-
руя разброс индуктивностей видеоголовок, вращающегося трансфор-
матора и входной емкости, добиваясь идентичности этих характери-
стик. С регулятора баланса П1 воспроизведенный частотно-
487
модулированный сигнал поступает на ФВЧ 18 с нижней граничной
частотой 1,5МГц(для подавления сигнала цветности) или в обход при
воспроизведении черно-белого изображения. В блоке 19 осуществля-
ется компенсация выпадения воспроизводимого с ленты сигнала. По-
раженный сигнал заменяется сигналом предыдущей строки. Далее
ЧМ сигнал яркости ограничивается по амплитуде с помощью двусто-
роннего ограничителя 20, устраняющего паразитную AM сигнала, и
поступает на демодулятор 21. Демодулированный сигнал яркости
подается на схему коррекции предыскажений 22, вводимых перед
записью. Спад АЧХ на частотах 1...3 МГц позволяет заметно ослабить
влияние помех. Для подавления частотно-модулированного сигнала
на выходе демодулятора он подается на ФНЧ 23, и далее через пере-
ключатель 3-В на ФНЧ 4 сигнал яркости поступает на смеситель 29,
где смешивается с сигналом цветности.
Сигнал цветности выделяется низкочастотным фильтром с поло-
сой пропускания 1,5 МГц и далее в блоке 25 после коррекции ВЧ
предыскажений с центральной частотой 1,07 МГц поступает на огра-
ничитель и умножитель на 4 в блоке 26. Восстановленный сигнал
цветности выделяется полосовым фильтром 27. Сигнал цветности
подвергается ВЧ предкоррекции фильтром 28 с минимумом 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 низкочастотный вход телевизионно-
го приемника или через ВЧ конвертор, где он смешивается с сигналом
звукового сопровождения, на антенный вход. Во время отсутствия
цветовой поднесущей канал воспроизведения сигнала цветности за-
пирается импульсами, выделяемыми селектором 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 примерно90 % всего парка составляют видеомагнитофо-
ны формата VHS.
В связи с тем, что формат записи VHS не обеспечивает вещатель-
ное качество изображения по разрешающей способности и отноше-
нию сигнал/помеха, особенно для стандарта 625/50, в последние годы
разработан формат S-VHS (Super-VHS). Запись сигналов по этому
формату обеспечивает более высокое качество изображения. На
рис.17.37 приведена АЧХ сигналов яркости и цветности для формата
S-VHS. Как видно из рисунка, в формате S-VHS существенно расши-
рена полоса частот сигнала яркости — частота ЧМ поднесущей увели-
чена по сравнению с форматом VHS. Частота, соответствующая уров-
ню белого, составляет 7 МГц, а уровень синхроимпульсов 5,4 МГц.
Изменяя диапазон девиации частоты для записи информации в кана-
ле яркостного сигнала, удалось увеличить частотный диапазон кана-
ла яркости от 3,2 (VHS) примерно до 5 МГц. Это позволило достичь
488
Рис. 17.37. Частотная ха
рактеристика видеосиг-
нала формата S-VHS
кус
Девиация
vac/поты
Сигнал । _ 1,6 МГц ~ ]
цветности Яркостный сигнал
кГц
8 б,МГц
1 Максимальный
уровень Белого
5 б
Уровень,
-иг синхроимпульсов
5МГЦ
разрешающей способности по горизонтали 400 ТВл (по сравнению с
240 ТВл для формата VHS) и снизить перекрестные помехи. Увеличе-
ние девиации частоты с I до 1,6 МГц позволило повысить отношение
сигнал/помеха и динамический диапазон, т.е. улучшить контраст изо-
бражения.
В видеомагнитофонах S-VHS применена очень тонкая магнитная
лента с частицами гамма-окиси железа модифицированная кобаль-
том (толщина магнитного слоя менее 1 мкм). Применение такой ленты
повысило плотность за писи — воспроизведения, улучшило частотные
характеристики, увеличило амплитуду сигналов. Для формата
S-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.
Повышенные качественные показатели видеомагнитофонов фор-
мата S VHS позволяют использовать их в профессиональных целях.
Они нашли широкое применение как в студиях телецентров, так и в
видеокамерах. Все видеокамеры формата S-VHS используют в каче-
стве преобразователей свет-сигнал ПЗС матрицы с увеличенным ко-
личеством элементов. Такие матрицы позволяют повысить разреша-
ющую способность аппаратуры.
Бытовые и профессиональные видеомагнитофоны формата S-VHS,
хотя и взаимозаменяемы, имеют разный принцип работы. Отличия
касаются в основном способов обработки сигналов цветности, что в
итоге влияет на возможность многократного копирования с оригина-
ла последующих копий. Первоначально способ записи и обработки
сигналов цветности не обеспечивал удовлетворительного результата.
Это приводило к одному из существенных недостатков формата
S-VHS, заключающемуся в том, что уже вторая или третья копии не
соответствовали требованиям к качеству изображения в профессио-
нальном видеопроизводстве. Однако последующие усовершенствова-
ния формата привели к созданию используемого в настоящее время в
профессиональных целях формата S-VHS, заключающегося в обра-
ботке сигналов цветности, способной повысить эффективность систе-
мы S-VHS при многократном копировании. Последние модели аппа-
489
ратуры S-VHS снабжены встроенными блоками обработки сигналов
цветности, что позволило значительно улучшить этот параметр видео-
магнитофона
17.11. ВИДЕОПРОИГРЫВАТЕЛИ
В начале 70-х г. появились первые разработки систем записи ви-
деоинформации на видеопластинках, где использовался принцип зву-
ковой записи на грампластинке. Эти устройства для воспроизведения
готовых записей ТВ программ называются видеопроигрывателями. В
них нет недостатков, присущих системам записи, где в качестве носи-
теля информации применяется лента. Они имеют преимущества по
сравнению с наиболее распространенными аудиовизуальными сред-
ствами.
Видеопроигрыватели широко используются для воспроизведения
изображения и другой информации в телевидении, вычислительной
технике, системах обучения и для других целей.
Высокая плотность записи информации является несомненным
преимуществом таких систем, благодаря чему они наряду с магнит-
ной записью станут наиболее распространенным аудиовизуальным
средством в быту, научных исследованиях и др. Для сравнения отме-
тим, что на воспроизведение одного телевизионного кадра требуется
в четырехголовочном видеомагнитофоне формата Q 645 мм5 магнит-
ной ленты, в видеомагнитофоне формата С 148 мм2, в 16-мм кинокаме-
ре 98,1 мм2, а в оптическом видеодиске 0,52 мм2. К другим важным
преимуществам видеопроигрывателей можно отнести низкую сто-
имость носителя записи, значительный ресурс работы (в оптических
видеопроигрывателях не менее 5000 ч) и, что очень важно, быстрый
доступ к любому участку записанной на диске информации. И нако-
нец, возможность воспроизведения относительно простыми средства-
ми ускоренного, замедленного и неподвижного изображений.
При воспроизведении звука колебания иглы определяются изги-
бами звуковых дорожек на грампластинке. Острие иглы перемещает-
ся по канавке, и с помощью электромеханического преобразователя
вырабатываются электрические сигналы. При воспроизведении ТВ
сигналов радиус закругления острия иглы должен быть около 1 мкм,
чтобы игла огибала все мельчайшие отклонения канавки. Такая ост-
рая игла может разрушить канавку. Кроме того, масса иглы, а следо-
вательно, ее инерция не позволяют получить механические колебания
иглы выше определенной частоты (наивысшая частота сигнала, кото-
рую можно воспроизвести с обычной грампластинки, 5О...8ОкГц). По-
этому в качестве преобразователя в механических видеопроигрыва-
телях должны использоваться не датчики перемещения, а датчики
давления.
При механической глубинной записи ТВ сигналов резец совершает
колебания в перпендикулярном направлении к поверхности пластин-
ки. Таким образом, на диске образуется канавка, глубина которой
490
меняется в соответствии с амплитудой ТВ сигнала. Используется
частотная модуляция, при которой все впадины располагаются не
ниже одного постоянного уровня, а все возвышения — не выше другого.
В зависимости от размаха ТВ сигнала меняется расстояние между
соседними впадиной и возвышением, т.е. частота сигнала записи, что
дает возможность увеличить плотность записи, так как уменьшается
ширина канавки в местах наибольшего углубления.
Технологический процесс записи и изготовления видеопластинок
такой же, как и при изготовлении грампластинок. Сигналы изображе-
ния и звукового сопровождения поступают на два частотных модуля-
тора, а после сумматора сигнал подается на записывающее устройст-
во (рекодер), который нарезает на диске канавки. Для записи ЧМ
сигнала используются те же устройства, что и для записи на грамп-
ластинку. Обычный механический резец обладает инерционностью и
не может записать высокочастотные составляющие сигнала изобра-
жения, поэтому спектр ЧМ сигнала приходится транспонировать в
низкочастотную область. С диска гальваническим способом изготов-
ляется негативная копия. Далее формируются металлические матри-
цы, с которых на поливинилхлоридной пленке штампуются вндеопла-
стинки. Видеоинформация записывается на одной стороне пластинки.
На одной концентрической дорожке размещается один ТВ кадр. Сле-
довательно, частота вращения диска должна быть равной 1500
об/мин.
Упрощенная кинематическая схема видеопроигрывателя приве-
дена на рис.17.38. Видеопластинка 2 приводится во вращение с по-
мощью электродвигателя 6 и ведущего вала 5. Видеосниматель 5 с
помощью направляющего устройства принудительно перемещается
вдоль направляющей. За один оборот видеосниматель перемещается
на ширину канавки. Вращение гибкой видеопластинки осуществляет-
ся с помощью небольшого центрального диска 4. Под действием цен-
тробежной силы видеопластинка принимает горизонтальное положе-
ние, образуя маленький зазор между неподвижным столом /.
Из-за большой частоты вращения между столом и видеопластин-
кой образуется воздушная подушка, благодаря которой уменьшается
Рис. 17.38. Видеопроигрыватель с механической записью
а — кинематическая схема; б — головка выдеоснимателя
491
вибрация и повышается стабилизация движения. Видеосниматель
представляет собой алмазную иглу сложной конфигурации 9. Она*
имеет вдоль дорожки форму санного полоза: передний край ее закруг-
лен, а задний — вертикален (острое ребро). К верхней части иглы
прикреплена пьезоэлектрическая пластина 8. При вращении видеоп-
ластинки гребни канавок 7 набегают на пологое закругление полоза
и в какой-то мере сжимаются (пластинка упругая), а затем, когда
задний край сходит с возвышения, она (пластинка) упруго восстанав-
ливает свою форму, при этом создается электрический импульс. Ра-
диус закругления острого ребра иглы, которое перпендикулярно к
поверхности видеопластинки, меньше половины минимальной длины
волны записи. При выходе из-под острого ребра иглы очередного греб-
ня канавки на постоянное давление накладывается высокочастотное.
Вертикальное перемещение алмазной иглы при воспроизведении со-
ставляет несколько десятитысячных долей микрона, однако этого до-
статочно, чтобы датчик развивал переменное напряжение 10...20 мВ
при отношении сигнал/помеха 60 дБ.
После съема информации в видеопроигрывателе сигнал обраба-
тывается. Вначале отделяются сигнал изображения от сигнала звуко-
вого сопровождения, сигналы яркости и цветности. После этого фор-
мируется полный цветной ТВ сигнал нужного стандарта, который
подается на амплитудный модулятор маломощного передатчика. По-
сле введения ЧМ сигнала звука на выходе видеопроигрывателя пол-
учается радиосигнал вещательного телевидения, который подается
на антенный вход телевизора. Увеличение плотности записи на видео-
пластинках для механического воспроизведения ограничивается тех-
нологическими трудностями. В процессе массового производства по-
ливинилхлоридных видеопластинок на поверхности рабочего слоя
образуются микрошероховатости, приводящие к необходимости
иметь канавку шириной 3,5 мкм, тогда как при идеально гладкой
поверхности ширину канавки можно было бы довести до 0,5 мкм.
Видеопластинка для емкостного воспроизведе-
ния сигнала представляет собой диск, на поверхности которого
нанесены микроскопические изменения рельефа. Воспроизведение
сигналов изображения в нем базируется на эффекте изменения емко-
сти конденсатора, образованного элементами поверхности диска, яв-
ляющегося носителем информации, и металлическим электродом, за-
крепленным на игле видеоснимателя. Устройство было названо
Capacitive Elektronics Disc — CED (емкостной электронный диск).
Однако система CED имела целый ряд существенных недостатков:
ограниченный ресурс работы диска (500 раз), необходимость защиты
поверхности от повреждений, невозможность простыми средствами
получить спецэффекты (замедление, ускорение, стоп-кадр, воспроиз-
ведение кадров в порядке убывания номеров, присвоенных при запи-
си) и др.
Эти недостатки были вызваны тем, что в системе CED питы распо-
лагались вдоль направляющих канавок глубиной 0,5 мкм, благодаря
492
которым алмазная игла с металлическим электродом совмещалась с
дорожкой записи. Движение алмазной иглы вдоль направляющих
канавок приводило к быстрому изнашиванию как иглы, так и поверх-
ности самого диска. Под понятием пит понимается одно из углублений
на механическом видеодиске, последовательность которых образует
дорожку записи. Длина каждого пита и расстояние между ними ото-
бражает записанную информацию В настоящее время выпускаются
емкостные видеопроигрыватели системы Video High Dencity or Video
Home Disc (VHD) — видео высокой плотности, или домашний видеодиск,
разработанный японской фирмой Japan Victor Company (JVC).
Видеопроигрыватели этой системы обладают следующими досто-
инствами: большой длительностью воспроизводимой программы; вы-
сокой надежностью; невысокой стоимостью дисков; возможностью
воспроизведения информационных сигналов любых видов; обеспече-
нием любого специфического режима воспроизведения, а также про-
извольной выборкой нужных фрагментов записанной телевизионной
программы.
Рабочий слой видеопластиики покрыт тонкой металлической
пленкой, поверх которой нанесен слой пластмассы, являющейся диэ-
лектриком между обкладками конденсатора. Другой обкладкой кон-
денсатора является тонкий металлический электрод, вставленный в
видеосниматель (рис.17.39). При перемещении видеопластинки отно-
сительно видеоснимателя меняется расстояние между обкладками
конденсатора и, следовательно, меняется его емкость. Величина этой
емкости мала, так как площадь обкладки конденсатора составляет
всего 1 мкм. Если электрод иглы видеоснимателя располагается над
питом глубиной 0,1 мкм, то емкость указанного конденсатора изме-
нится на 10-4 пФ. Но эта емкость все же достаточна для воспроизве-
дения сигналов.
В видеопроигрывателях VHD была достигнута плотность записи
информации, превосходящая примерно вдвое этот параметр в систе-
ме CED.
Воспроизводящий элемент головки изготовляется из твердого ма-
териала — сапфира. Чтобы головка неоказывала большогодавления
на видеопластинку и не нарушала изоляционный слой, площадь ее
контакта с поверхностью видеопластинки берется значительно боль-
Рис. 17.39. Головка емкостного
воспроизведения:
/ — поливинилхлоридная основа; 2 — слой
металла;3 — слой полистирола;# — слой
смазки; 5 — насадка из сапфира; 6 — ме-
таллический электрод
493
ше площади поперечного сечения металлического электрода. Шири-
на металлического электрода, прикрепленного к игле, обеспечивает
считывание не только информационного сигнала, но и трех сигналов
сопровождения со сравнительно низкими частотами Износ сапфиро-
вой головки в значительной степени уменьшен благодаря нанесению
на поверхность видеопластинки слоя смазки. Движение видеоголовки
происходит по дорожке записи на диске, не имеющем направляющих
канавок. С этой целью при изготовлении диска одновременно записы-
ваются как информационные сигналы, так и сигналы управления. Эти
сигналы необходимы для обеспечения автоматического совмещения
иглы с информационной дорожкой записи. Поэтому при записи сигна-
лов на диск световой поток лазера расщепляется на два луча, один из
которых используется для формирования питов сигналов изображе-
ния и звука, а другой — для записи дорожек сигналов управления, с
помощью которых обеспечивается процесс автотрекинга при воспро-
изведении изображения. Поскольку направляющих канавок на диске
нет, то появляется возможность за очень короткое время перемещать
иглу видеоснимателя с одной дорожки на другую, легко получать
спецэффекты.
Запись сигналов на видеопластинки емкостного типа осуществля-
ется по сложному технологическому циклу. На металлический диск,
покрытый слоем фоторезистивного материала, лазерным лучом, ин-
тенсивность которого с помощью электронно оптического модулято-
ра меняется в соответствии с уровнем ТВ сигнала, осуществляется
запись суммарным частотно-модулированным сигналом звука и
изображения. Промодулированный луч лазера попадает на вращаю-
щийся стеклянный диск и выжигает на тонком металлическом покры-
тии толщиной несколько сотых долей микрона по спирали последова-
тельность углублений шириной 0,8 мкм и глубиной 0,16 мкм. Запись
информации осуществляется изменением длины этих углублений в
направлении записи (в пределах от 0,6 до 4 мкм) и расстояний между
ними. От размеров питов, однозначно определяемых параметрами
записываемого сигнала, зависят характеристики выходного напря-
жения фотоприемника. Таким образом, существует связь между
параметрами записываемого и воспроизводимого сигналов. После
фотохимической обработки фоторезистивного слоя с диска изготавли-
ваются металлические матрицы. После того каке матриц прессуются
из поливинилхлоридной пленки двусторонние видеопластинки, на ее
рабочий слой в вакууме наносится тонкий слой металла, повторяю-
щий рельеф записи. Далее на металлизированную поверхность нано-
сится тонкий слой изолирующего материала (0,05 мкм), который за-
полняет углубления в металлизированном покрытии, образуя
гладкую поверхность видеопластинки. На изолирующий слой нано-
сится смазывающее вещество для уменьшения его износа. Конструк-
ция емкостного видеопроигрывателя подобна конструкции других ви-
деопроигрывателей. При воспроизведении движущий механизм
перемещает видеопластинку относительно воспроизводящей головки
494
видеоснимателя. В то же время головка видеоснимателя медленно
смещается вдоль радиуса видеопластинки к центру со скоростью
25 мкм за каждый оборот. При шаге записи 2 мкм на видеопластинке
диаметром 30 см можно разместить до 60 000 дорожек, что обеспечи-
вает воспроизведение 40-минутной программы. За один оборот видео-
пластинки записывается ТВ кадр. Перед записью полный ТВ сигнал
вместе с сигналом звукового сопровождения подвергается обработке.
Яркостный сигнал ограничивается до частоты 3 МГц и модулирует по
частоте несущую 6 МГц. Спектр этого частотно-модулированного сиг-
нала яркости частично ограничивается до 2,5...6,5 МГц. Нижняя часть
спектра используется для записи цветовых и звуковых сигналов. Цве-
торазностные сигналы методом квадратурной модулягии с частотой
поднесущей, равной 1,46 МГц, переносятся в нижнюю часть спектра и
поступают на частотный модулятор. Звуковое сопровождение записы-
вается на двух поднесущих также методом ЧМ. По этим каналам может
также записываться стереофоническое звуковое сопровождение, а один
канал использоваться такие для записи звука на другом языке.
Уровни ЧМ сигналов яркости, цветности и звукового сопровожде-
ния суммируются в пропорции 20:4:1. Такое соотношение выбрано для
уменьшения влияния сигналов звука и цветности на яркостный сиг-
нал.
Суммарный ЧМ сигнал симметрично ограничивается, в результа-
те чего получаются импульсы прямоугольной формы с постоянными
уровнями и переменными длительностями. Эти импульсы управляют
электронно-оптическим модулятором света, и луч лазера последова-
тельно выжигает на металлизированной поверхности диска отверстия
различной длины. На рис. 17.40 показано формирование суммарного
ЧМ сигнала для записи на видеопластинку оптическим способом.
В видеопроигрывателе с оптическим методом
воспроизведения используется маломощный лазер, световой
луч от которого фокусируется микрообъективом на рабочую поверх-
ность видеопластинки. Диаметр сфокусированного пятна (0,8 мкм)
равен диаметру углублений в дорожке записи.
Оптическое воспроизведение сигналов с видеопластинки, иа кото-
рой записанная информация представлена изменениями формы ра-
бочего слоя, основано на явлении дифракции света. При этом нет
принципиальной разницы в том, как происходит изменение светового
потока: в результате отражения от рабочего слоя или прохождения
через него. В первом .случае информационные сигналы считываются
путем измерения интенсивности светового потока, отраженного от
поверхности диска системы LOR (Lazer Optical Reflective) или про-
шедшего через диск системы LOT(Lazer Optical Transparence).
Существуют различные модификации лазерных видеопроигрыва-
телей. Они продаются в комплекте с дисками. В настоящее время в
мире доминируют видеопроигрыватели двух систем LOR и VHD, как
удовлетворяющие требованиям потребителей.
495
A
Рис. 17.40. Формирование суммарного ЧМ сигнала:
а — ЧМ сигнал яркости; б — ЧМ сигнал цветности, я — ЧМ сигнал звука; г — суммарный сигнал ЧМ; д — от-
верстия в диске записи
В системе LOR световой поток попадает на металлизированный
слой видеопластиики, весь отражается от гладкой поверхности этого
слоя и улавливается объективом. Когда же сфокусированное световое
пятно попадает в углубление, то в результате дифракции оно отразит-
ся в различных направлениях. Следовательно, отраженный световой
поток будет промодулирован сигналом, записанным на дорожке. Этот
промодулироваииый световой поток попадает на фотодиод, который
преобразует его в суммарный сигнал. Сигнал демодулируется и обра-
батывается, из него выделяется сигнал звукового сопровождения, а
сигнал цветности корректируется. После этого несущая модулирует-
ся по амплитуде. В таком виде ТВ сигнал подводится к антенному
входу телевизора.
Оптический метод, как и емкостной, дает возможность получить
специальные эффекты: ускоренное, замедленное, прямое и обратное
воспроизведение изображения; стоп-кадр. Это достигается качаю-
щимся зеркалом, с помощью которого читающий луч может перебра-
сываться с одной дорожки на другую.
Одним из основных достоинств оптического метода является бес-
контактное воспроизведение. Дорожка записи видеопластиики не де-
формируется при эксплуатации, и качество изображения не ухудша-
496
ется. Поэтому записанное изображение можно воспроизводить сколь
угодно много ра£[52].
Структурная схема оптического видеопроигрывателя показана на
рис.17.41. Лазер /, корректор ошибок 2 и фокусирующая линза 3
располагаются на подвижной оптической системе 4. С помощью опти-
ческой системы луч лазера попадает на поверхность вращающегося
диска. Отраженный от поверхности диска, на котором произведена
запись в виде углубления, луч попадает на фотоприемник 5, сигнал от
которого поступает на декодирующее устройство 6. После декодиро-
вания сигнал параллельно поступает на декодер изображения 8, де-
кодер звука 9 и декодер номера кадра 7. Сигналы изображения и
звука поступают в устройство 10, где формируется полный телевизи-
онный сигнал со звуковым сопровождением. Этот сигнал поступает на
передатчик 11 и дальше на антенный вход телевизора.
Вращение диска осуществляется электродвигателем 13, который
управляется синхронизатором 12, на который поступают импульсы от
генератора сигналов опорной синхронизации 14. Управление видео-
проигрывателем осуществляется микропроцессором 20, на который
поступают сигналы от пульта управления 19 и цифровая информация
от декодера номера кадра 7. Оптическая система 7 медленно переме-
щается в радиальном направлении с помощью устройства 15. Точное
положение луча лазера на строчке записи устанавливается с по-
мощью датчика радиального положения 16, который управляет уст-
ройством медленного перемещения 15, и корректора ошибок2. Управ-
ляется радиальный датчик перемещения микропроцессором 20, на
который в свою очередь приходят сигналы номера кадра от 7.
497
Устройство 18 предназначено для быстрого радиального переме-
щения луча лазера по рабочей поверхности видеодиска. Перемещение
осуществляется скачкообразно для быстрого отыскания нужного
фрагмента или для других эффектов. Управляется устройство 18 с
помощью микропроцессора, на который необходимый сигнал подает-
ся с пульта управления 19. Для точной фокусировки луча лазера
используется фокусирующая линза 3, управляемая сигналом от дат-
чика фокусировки 17. Эта система автоматически компенсирует рас-
фокусировку луча в результате вертикального биения диска и поддер-
живает постоянство диаметра считывающего пятна на дорожке
записи. Кроме этого, в видеопроигрывателе предусмотрена система
регулирования скорости вращения диска. Эта система поддерживает
постоянной линейную скорость в зоне считывания за счет увеличения
скорости вращения диска по мере смещения считывающего луча к
центру диска. В видеопроигрывателях так же, как в видеомагнитофо-
нах, происходит выпадение сигнала в результате повреждения питов
дорожек записи или загрязнения поверхности диска. Компенсация
выпавшего сигнала осуществляется так же, как и в видеомагнитофо-
нах. При наличии выпадения ЧМ сигнала изображения замещаются
задержанным с помощью линии задержки сигналом предыдущей
строки.
На рис.17.42 показано наиболее характерное распределение спек-
тра воспроизводимого ЧМ сигнала в видеопроигрывателях.
Основное преимущество оптического лазерного видеопроигрыва-
теля состоит в том, что на его базе легче, чем на базе аналогичных
устройств других типов, создать аппаратуру не только для воспроиз-
ведения, но и для записи программ в домашних условиях.
Пока технология изготовления большинства серийных видеопла-
стинок и видеопроигрывателей такова, что запись новой информации
Рис. 17.42. Спектр воспроизводимого ЧМ сигнала в видеопроигрывателях
498
на уже выпущенной в продажу видеопластинке осуществить невоз-
можно
В последнее время повились видеопроигрыватели, в которых сти-
рание и запись информации может многократно осуществлять сам
потребитель. Перезапись информации в таких видеопроигрывателях
основывается на использовании эффекта Керра, при котором фазовое
состояние вещества рабочего слоя видеопластинки меняется в зави-
симости от интенсивности воздействующего на него лазерного луча.
При небольшой интенсивности кристаллический материал рабочего
слоя с высокой отражательной способностью в месте попадания све-
тового пучка становится аморфным и анизотропным (низкая отража-
тельная способность). Такое преобразование фазового состояния ра-
бочего слоя видеопластинки и его оптических свойств выполняется
при записи. При воспроизведении в фотоприемник попадает отражен-
ный от поверхности диска световой поток, интенсивность которого
зависит от оптических свойств материала рабочего слоя и от парамет-
ров записанного сигнала. Стирание записанной информации осуще-
ствляется с помощью более мощного лазера, луч которого движется
также вдоль информационных дорожек.
Видеопластинка имеет несколько слоев, материал каждого выби-
рается в зависимости от его назначения. Подложка диска делается
обычно из стекла или более перспективных материалов ,— полимеров
или сополимеров. Так как поверхность стекла не может быть идеально
обработана, ее покрывают под давлением тонким слоем поликарбо-
ната. На этот слой пластинки наносится тонкий отражающий слой из
алюминия.
Далее следуют два слоя — защитный и информационный — из диэ-
лектрика. Фазовое состояние информационного слоя меняется при
записи и воспроизведении. Между защитным и информационным сло-
ями помещен диэлектрический, имеющий высокую теплопровод-
ность. Он служит для рассеяния излишней тепловой энергии при за-
писи и считывании информации. Информационный слой прозрачный,
толщиной несколько десятков микрометров.
Для записи и воспроизведения используют лазер с длиной волны
0,8 мкм; лазерный луч образует пятно диаметром 0,8 мкм. Мощность
излучения при записи 8 мВт, при воспроизведении 1 мВт. Для стира-
ния используют второй лазер с длиной волны 0,78 мкм мощностью
10 мВт. Для обоих лазеров служит одна и та же фокусирующая систе-
ма, что позволяет стирание и запись делать почти одновременно.
Однако такие видеопроигрыватели не получили распространения
и не нашли серийного производства, так как при многократном пере-
ходе из одного фазового состояния в другое ухудшаются физические
свойства материалов поверхности дисков, следовательно, ухудшается
качество изображения. Значительнолучшие результаты были получены
при исполь. овании эффекта Фарадея при считывании информации с
дисков. Этот эффект состоит в том, что свет, отраженный от поверхно-
сти намагниченных участков рабочего слоя диска, меняет плоскость
499
поляризации. Принцип записи информации на такой диск основье
том, что некоторые материалы намагничиваются при малой напря-
женности внешнего магнитного поля, если они предварительно бы 1и
нагреты дотемпературы, равной нли большей точки Кюри. В качес. зе
носителя информации используются материалы, обладающие маг. и-
тооптической памятью. Запись производится одновременно воздейст-
вием на рабочий слой магнитным полем и лазерным лучом. Постоян-
ное магнитное поле создается специальными катушками в точке
фокусировки оптической системы на рабочей поверхности диска. Дл>
осуществления записи импульсами возбуждается лазерный цно^ЛД
(рис.17.43), и световой поток фокусируется оптической системой в
пятно диаметром 1 ...2 мкм на рабочей поверхности диска Д. Свойства
рабочего слоя таковы, что зона нагрева ограничивается размерами
сфокусированного пятна Ф. При этом происходит локальное повыше-
ние температуры материала примерно до 200°С в месте контакта со
световым потоком, и он намагничивается. Длительность импульсов,
поступающих от блока управления БУ, определяется параметрами
сигнала записи.
Стирание записанной на диске информации осуществляется с бло-
ка БУ изменением на обратное направления магнитного поля с по-
мощью катушки К и диода ЛД, нагревающего слой диска. Перед
записью новой информации сначала за один оборот стирается ранее
записанная информация.
При считывании сигнала на поверхность диска направляется с
помощью поляризатора света П плоско поляризованный луч лазера,
который, отражаясь от поверхности диска, попадает в анализатор А,
оптически связанный с фотоприемником Ф/7. Вследствие того, что
диск намагничен по закону изменения сигнала изображения, проис-
ходит поворот плоскости поляризации отраженной световой волны. В
результате этого на выходе анализатора будут происходитьколеба-
500
ния энергии светового потока. Фотоприемник ФП будет регистриро-
вать изменение светового потока, пропорциональное изменению вели-
чины записанного на диск сигнала 151 ].
Видеопроигрыватели, обеспечивающие перезапись сигналов, вы-
пускаются японскими фирмами Matsushita, Sony, NHK. Эти устрой-
ства еще дороги, поэтому пока распространение получили видеопро-
игрыватели, в которых используются диски с нанесенной на них
записью. Видеопроигрыватели выпускаются серийно, хотя объем их
продажи относительно невелик — значительно меньше, чем объем
продажи видеомагнитофонов. Отечественная промышленность выпу-
скает лазерные видеопроигрыватели ’’Русь ВП-201” с оптическим
воспроизведением сигнала с помощью лазера.
Сопоставляя преимущества и недостатки видеомагнитофонов и
видеопроигрывателей в настоящее время, следует отметить, что ви-
деомагнитофоны получили широкое распространение у населения,
они позволяют, имея бытовую видеокамеру, создавать собственные
программы и снимать и смотреть их в любое удобное время. Можно
записывать телевизионные программы с телевизора. Однако видео-
проигрыватели имеют свои достоинства. Прежде всего это низкая
стоимость носителя записи, качественные показатели изображений
более высокие. В видеопроигрывателе можно в десятки раз быстрее
разыскать нужный фрагмент изображения. Работа видеопроигрыва-
теля не сопровождается износом диска.
Видеопроигрыватели находят широкое применение в диалоговых
обучающих системах, они входят всистему ЭВМ в качестве запомина-
ющих устройств. Все это способствует возрастающей популярности
видеопроигрывателей. После того как видеопроигрыватели, позволя-
ющие многократно перезаписывать изображение, будут соизмеримы
по стоимости с видеомагнитофонами, они будут на рынке конкуриро-
вать с ними.
ГЛАВА 18
СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
18.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Задача охвата населения многопрограммным ТВ вещанием реша-
ется путем комплексного использования отечественных спутниковых
распределительных систем ’’Москва” (вместо ’’Орбиты”) и ’’Экран” со-
вместно с наземными техническими средствами ТВ вещания, в первую
очередь мощными ТВ радиопередатчиками и радиорелейными линиями
(РРЛ), которые являются основой передающей сети страны.
Вся наи а страна разбита на пять вещательных зон, каждая из
которых охватывает территорию двух часовых поясов (рис.18.1); в
каждую зочу центральную ТВ программу (первую) необходимо пода
501
исэ
Средства
распределения
ТВ программ
Зоны вещаний
Часовые пояса
Средства
распределений
ТВ программ
ИСЗ
Рис. 18.1. Использование технических средств в распределительной системе спутни-
кового ТВ вещания
вать с временным сдвигом 2п часов, где п — целое число: зона М, О
(часовые пояса 0 и 4-1 — европейская территория страны); зона Г, 4-2
(пояса 4-2 и 4-3); зона В, 4-4 (4-4 и 4-5); зона Б, -|- 6(4-6 и 4-7); зона
А, 4-8(-|-8, 4-9, 4-Ю — Дальний Восток). Первая телевизионная про-
грамма, формируемая в Москве, подается в зону М, а ее четыре дуб-
ля — ”Орбита-1”, ”Орбита-2”, ”Орбита-3” и ”Орбита-4” ("Восток”)
подаются в соответствующие зоны А, Б, В и Г. При этом необходимы
пять одновременно действующих ТВ каналов. Опережение во времени
достигается путем записи программ и их повторения в следующие
сеансы (практически на следующие сутки). Отдельные наиболее ак-
туальные передачи транслируются в момент протекания событий не-
зависимо от времени.
Программа России и четыре ее копии (”Дубль-4”, ”Дубль-3”,
” Дубль-2” и ”Дубль-1”) распределяются аналогично. Во многих реги-
онах страны в диапазонах МВ и ДМВ организовано многопрограм м-
ное вещание за счет трансляции дополнительных программ, в частно-
сти зарубежных, республиканских и местных (областных, краевых).
Для обеспечения оптимального временного режима для всех оте-
чественных программ и расширения их количества за счет ретрансля-
ции зарубежных ТВ программ необходимо искать новые технические
средства, например системы спутникового ТВ вещания в наиболее
выгодном в экономическом отношении диапазоне 12 ГГц. В этом диа-
пазоне для непосредственного телевизионного вещания (НТВ) с ис-
кусственных спутников Земли (ИСЗ) выделен диапазон частот
11,7...12,5 ГГц, где плотность потока мощности со спутника практиче-
ски не ограничена и составляет у поверхности Земли 100...103
дБВт/м2. Это позволяет использовать в приемных установках антен-
ны с диаметром зеркала около 1 м и простые входные устройства,
502
начинающиеся со смесителя. Новая система спутникового ТВ веща-
ния в диапазоне 12 ГГц (СТВ-12) создается и в нашей стране.
В 1977 г. в Женеве состоялась Всемирная административная кон-
ференция по планированию радиовещательной спутниковой службы
вдиапазоне 12 ГГц(ВАКР-77), которая приняла План распределения
частотных каналов и орбитальных позиций для 143 стран Районов 1 и
3(34 — вЕвропе,52 — вАфрикеи57 — в Азии). Орбитальные позиции
расположены на дуге геостационарной орбиты от 37° з.д. до 170° в.д.
и на 160° з.д. Полоса 11,7...12,5 ГГц разделена на 40 каналов с разно-
сом между несущими 19,18МГц; благодаря многократному использо-
ванию каналов удалось обеспечить их общее число, равное 984. Ши-
рина полосы канала 27 МГц. Для передачи сигналов ТВ вещания
рекомендован метод ЧМ. Для бывшего СССР на геостационарной
орбите предусмотрено пять позиций (23, 44, 74, ПО и 140° в.д.) и 36
ном и налов'частот, что обеспечивает возможность одновременной пе-
редачи 70 ТВ программ (с учетом территориального разноса между
каналами с одинаковыми частотами).
Второй План Района 2 был разработан на ВАКР в 1983 г. для
радиовещательной спутниковой службы в полосе частот 12,2...12,7
ГГц. Для перспективных систем спутникового ТВ вещания выделены
также полосы частот 40,5 ...42,5 и 84 ...86 ГГц.
Спутниковые линии связи (СЛС) — это РРЛ с одним активным
ретранслятором, поднятым на большую высоту и вращающимся вок-
руг Земли по круговой. Это ИСЗ типа ’’Экран” (3 — на рис.18.1),
’’Горизонт” (Г), EUTELSAT ECS-2, ASTRA и другие или эллиптиче-
ской (ИСЗ типа ’’Молния”) орбите. Рядом с обозначением спутника
на рис.18.1 указана его позиция на геостационарной орбите вградусах
восточной долготы (например, Э99°), за исключением одного ИСЗ,
расположенного западнее нулевого меридиана (Г14° з.д.).
Уравнение свгзи для двух участков СЛС (Земля (з) — борт ИСЗ (б)
и ИСЗ — Земля) соответствуют известной формуле, применяемой для
расчета радиолиний прямой видимости:
16л2^Ур,Рш6 /РА
*перз -2Г г IP I
пер з1!пер 3*1 пр б17пр б \ ш/вхб
для первого участка (Земля — спутник) и
16л242Гр2Ршз /РД
'пер б . 2 г ~ г I Р I
^г^пер б1!пер 6*1 пр з^пр з \ / вх 3
для второго участка (спутник — Земля), где Р — мощность; G = 4nS/А2 —
коэффициенты усиления антенн по мощности (3 — действующая пло-
щадь антенны);т]— КПДантенио-фидерныхтрактов;^,^— расстояние
от ИСЗ до семной передающей и приемной станций соответственно;
А — рабочая длина волны; Ур1 и Vp2 — коэффициенты ослабления по
мощностигля первогои второгоучастков(Ур=У2н);(Рс/Рш) —отноше-
503
ние сигнал/шум, которое часто бывает задано: (Рс/Р )т6«
~ (6...10 )(РС/РШ)2 и (Рс/Рш)вхз «(1,1... 1^5)(Рс/Рш)£; Ршв = *7'1Д/Шб;
Надежность спутниковой связи определяется вероятностью безот-
казной работы
P(t) = е-'/’-о
и коэффициентом готовности
к Т
г Т+Тв.
где/ —заданноевремяэксплуатации(например,одингод);7'0 —среднее
время наработки на отказ, или среднее время активного существова-
ния спутника (до 5—7 лет) — определяется надежностью работы всех
подсистем спутника; ГЕ — время восстановления.
Если i = 1 год и То = 3 года, то P(t) — 0,72. Для наземных систем
Кг« 1 за счет резервирования и профилактического ремонта оборудо-
вания. В то же время для спутников Тв велико и стоимость запуска
ИСЗ большая; однако для важных спутниковых связей запускают
новый спутник, не дожидаясь выхода из строя рабочего. Достигнутый
уровень надежности (Аг): космический сегмент — 0,99999; земная стан-
ция — 0,99949; канал в целом — 0,99894.
Мощность бортового передатчика ограничивается мощностью ис-
точника энергии — панелей солнечных батарей и подключенных к ним
буферов-аккумуляторов. Аппаратура спутника представляет собой
приемно-передающее устройство гетеродинного типа (без демодуля-
ции приходящих сигналов). Кроме рабочего ретранслятора есть ре-
зервные. Ширина диаграммы направленности общей приемо-переда-
ющей антенны соответствует заданной. Простейшая антенна
формирует луч кругового сечения, а более совершенные бортовые
антенны с многорупорными облучателями могут формировать лучи
сложной формы, повторяющие очертания обслуживаемых географи-
ческих областей на поверхности Земли. Связь осуществляется в поло-
се СВЧ или УВЧ с использованием ЧМ.
У спутников, вращающихся по эллиптической орбите, плоскости
орбиты и экватора не совпадают. Примером может служить запущен-
ный на заре спутникового ТВ вещания ИСЗ ’’Молния”, эллиптическая
орбита которого имеет апогей 40000 км и перигей 500 км; при этом
большая полуось орбиты с учетом радиуса Земли (Р3 = 6380 км),
а«26500 км. Период обращения спутника Г (в часах) согласно треть-
ему закону Кеплера Т = 0,087^аЗ[тыс. км] составляет около 12 ч, т.е.
за сутки ИСЗ совершает вокруг Земли два оборота, причем над раз-
ными регионами. Время связи 6...10 ч в сутки при одном спутнике и
18...24 ч — при двух-четырех, запущенных через равномерные интер-
валы времени на одинаковые эллиптические орбиты, плоскости кото-
рых могут быть взаимно смещены. Непрерывная связь при этом под-
504
держивается двумя следящими антеннами, одна из которых ведет
связь, а другая ожидает появления следующего спутника.
Синхронные спутники связи с геостационарной экваториальной
орбитой (Г = 24 ч ), обеспечивают круглосуточную связь с более
простыми приемными устройствами (с одной антенной без системы
слежения), хотя являются более сложными и дорогими (имеют боль-
шие массы и запасы горючего для вывода на орбиту и ее периодиче-
ской коррекции). При периоде обращения спутника вокруг Земли,
равном одним суткам Т = 24 ч, высота орбиты ИСЗ составляет 35800
км. Для глобальной спутниковой связи достаточно трех ИСЗ, зона
обзора каждого из которых не охватывает только арктические и ан-
тарктические приполярные зоны.
Сигнал, поступающий на частотный модулятор земной передаю-
щей станции, предварительно подвергается стандартным частотным
предыскажениям (как на РРЛ) — размах НЧ составляющих сигнала
уменьшается, а ВЧ — увеличивается. Необходимость коррекции пояс-
няется на рис.18.2,а,б, где показаны спектр видеосигнала и его осцил-
лограмма. Амплитуда ВЧ составляющих обычно мала, к тому же и
шумы в ЧМ системе наибольшие именно на высоких частотах. Поэто-
му высокочастотные компоненты видеосигнала на передающей сто-
роне усиливают (’’уравнивают” с низкочастотными) на 14,5 дБ. Так
как при этом общий размах видеосигнала увеличивается (рис.18.2,в),
уменьшают усиление на 11,5 дБ, чтобы размахи сигналов после кор-
рекции (рис. 18.2,г) и до нее (рис. 18.2,6) были одинаковы.
В результате коррекции размах ВЧ составляющих сигнала увели-
чился на 3 дБ, а НЧ — уменьшился на 11,5 дБ (рис.18.2,6, сплошная
кривая). В приемнике осуществляют обратную коррекцию (рис. 18.2,д.
505
штриховая) и восстанавливают исходную форму видеосигнала. Таким
образом, на высоких частотах имеет место небольшое увеличение по-
мехоустойчивости по отношению к флуктуационным помехам. Мень-
ший размах передаваемых НЧ составляющих значительно снижает
линейные и нелинейные искажения группового сигнала и позволяет
обойтись без схемы восстановления постоянной составляющей видео-
сигнала (ВПС) на входе частотного модулятора. В то же время опас-
ность действия фона переменного тока возрастает.
Кроме линейных (частотных) предыскажений передаваемого сиг-
нала в спутниковых систем ах связи иногда используется еще нелиней-
ная обработка видеосигнала для получения дополнительного выиг-
рыша в помехоустойчивости на 2...4 дБ без видимых искажений
изображения.
Структурная схема линейной и нелинейной обработки видеосигна-
ла приведена на рис. 18.3, а. Видеосигналы Ut и U2 после блоков низ-
кочастотных предыскажений НЧП и ВПС подаются на амплитудный
ограничительно, срезающий выбросы, полученные после дифферен-
цирования сигнала. Размах ограниченного сигнала О3 меньше макси-
мально допустимого Umax = О). Поэтому его усиливают в k=Umax:U3
раз, благодаря чему и получают выигрыш в помехоустойчивости для
НЧ составляющих сигнала. Напряжение с выхода усилителя t/4 и
сигнал звукового сопровождения U3t подаются на сумматор 2 и затем
поступают к модулятору Мд передатчика.
Осциллограммы сигналов в различных точках схемы корректора
изображены на рис.18.3,6. Показана также форма напряжения видео-
сигнала в приемнике 17пр после демодулятора Дм и корректора пре-
Рис. 18.3. Линейные и нелинейные предыскажения видеосигнала
506
дыскажений /(77. Видно, что частичное ограничение выбросов сигнала
на передающей стороне приводит к некоторому увеличению длитель-
ности фронта сигнала в приемнике.
Выигрыш в увеличении помехоустойчивости в результате компро-
мисса между увеличением размаха НЧ составляющих видеосигнала
и снижением четкости изображения составляет 3...4 дБ, а в ЦТ 2 дБ.
Меньший выигрыш при передаче программ ЦТ объясняется тем, что
нельзя допускать ограничения цветовой поднесущей и появления ис-
кажений типа дифференциального усиления.
Сигнал звукового сопровождения может передаваться методом
временного (во время строчных гасящих импульсов, как в ранней
системе ’’Орбита”) или частотного уплотнения — на одной из подне-
сущих в интервале 5,5...8,5 МГц с девиацией Д/ = 100...150 кГц.
18.2. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ
Промежуточный этап на пути к НТВ — вещание наколлективиые
приемные устройства, которые совмещаются с ретрансляторами и с
ТВ узлами систем кабельного ТВ. Такие устройства по сравнению с
индивидуальными приемниками в системе НТВ являются более
сложными и поэтому не требуют повышенной мощности ретранслято-
ра ИСЗ.
В 1967 г. была создана первая очередь приемной сети ’’Орбита”
(новый комплекс оборудования ”Орбита-2” разработан в 1972 г.) для
обслуживания ТВ вещанием удаленных районов, прилегающих к бе-
регам Северного Ледовитого океана от Мурманска до Анадыря и к
южным границам от Каспийского моря до Сахалина. Сеть ’’Орбита”
является косвенной распределительной сетью, т.е. наземные станции
принимают через ИСЗ программы из Москвы и по ТВ соединитель-
ным линиям передают на ближайший ТЦ, который в МВ или ДМВ
диапазонах доводит их до местных зрителей.
Приемные станции, довольно сложные и громоздкие, строились
недалеко от ТЦ (в радиусе 10 км ), там, где уровень промышленных
помех невелик. В то же время строительство таких станций в малых
населенных пунктах с населением в несколько тысяч человек практи-
чески не окупается. Поэтому дальнейшее развитие системы ’’Орбита”
прекращено.
В 1976 г. на геостационарные орбиты запущены ИСЗ для передачи
первой программы по распределительной системе ’’Экран” (точки
стояния 99±1° в.д.), работающие раздельно на два пояса вещания в
системе связи с параметрами: /пер = 620±12 МГц; /„' = 714±12 МГц
(52...54 ТВ каналы) и/"= 754±12МГц; передача сигналов звукового
сопровождения на поднесущей 6,5 МГц с девиацией -|-50 кГц; частот-
ная модуляция несущей с пиковой девиацией
= Д/из 4-Д/Зв = ± 9±2 = ±11 МГц; стандартные линейные
предыскажения сигнала; мощность ретранслятора 200 Вт (мощность
солнечных батарей не менее 2 кВт); коэффициент усиления бортовой
507
Рис. 18.4. Приемная установка системы "Экран” 1 класса
антенны 34 дБ; напряженность поля на краю зоны обслуживания 29
мкВ/м. В системе "Экран” используются приемные устройства двух
типов— упрощенные (II класса) и более сложные (I класса).
Установки I класса (рис. 18.4) комплектуются антеннами ’’волно-
вой канал”, содержащими 32 полотна. В качестве высокочастотного
блока используется недорогой малошумящий двухкаскадный усили-
тель на серийных транзисторах ГТ362Б. Приемная установка обеспе-
чивает демодуляцию и разделение сигналов изображения и звука.
Выходные видео-и звуковые сигналы с высоким качеством подаются
на мощные ТВ станции, обслуживающие достаточно большие насе-
ленные пункты.
В комплект установки II класса (рис. 18.5) входят антенна из четы-
рех полотен и малогабаритное приемное устройство, в котором спектр
сигнала с принятой частоты 714± 12 МГц переносится вспектр одного
из каналов метрового диапазона и сигнал ЧМ преобразуется в AM.
Установки предназначены для подачи ТВ радиосигнала на маломощ-
ные ТВ ретрансляторы или в кабельную сеть. Модифицированные
установки II класса объединены с передающим устройством мощно-
стью 1 или 10 Вт.
При номинальном уровне сигнала на входе приемного устройства
I класса 45 мкВ и II класса — 20 мкВ отношение сигнал/шум в канале
изображения не менее 54 и 47 дБ, а в звуковом канале не менее 54 и
48 дБ соответственно.
Приемные установки системы ’’Экран” работают в диапазоне 0,7
ГГц. Они имеют низкую стоимость, поэтому система является весьма
508
Рис. 18.5. Приемная установка системы "Экран” II класса
эффективным средством организации ТВ вещания в районах Сибири
и Крайнего Севера страны. Сеть станций продолжает расширяться.
Однако в других районах страны использовать систему ’’Экран” не-
возможно из-за больших помех наземным средствам на территориях
сопредельных государств.
В 1979 г. была введена в эксплуатацию новая распределительная
спутниковая система ’’Москва” в диапазонах 6/4 ГГц (рис.18.6). По-
дача ТВ программ на сеть земных приемных станций ведется через
специальные стволы ИСЗ из новой серии ’’Горизонт” с повышенной
мощностью бортового передатчика.спутники располагаются на пози-
циях, восточная долгота которых указана на рис.18.1.
Основные технические параметры системы "Москва”
Диапазон частот, ГГц................................................. 4
Мощность передатчика ИСЗ, подводимая к антенне, Вт................... 40
Коэффициент усиления передающей антенны ИСЗ, дБ...................... 30
Шумовая температура Тш приемной станции, К ......................... 200
Коэффициент усиления антенны приемной станции, дБ.................. 37,5
Метод модуляции ...:.................................................. ЧМ
Отношение сигнал/взвешеиный шум на выходе
приемника в канале изображения, дБ................................... 53
Отношение сигиал/шум на выходе приемника
в канале звукового сопровождения, дБ ................................ 57
Повышенная до 40 Вт мощность бортового передатчика в сочета-
нии с узконаправленной бортовой передающей антенной обеспечива-
ет максимально допустимое значение эквивалентной изотропно-излу-
509
лятор
Рис. 18.6. Распределительная спутниковая система ”Москва”
510
Рис. 18.8. Структурная схема устройст-
ва с ОСЧ
чаемой мощности (ЭИИМ). Особенностью системы ’’Москва” являет-
ся то, что для электромагнитной совместимости ее с существующими
наземными и спутниковыми средствами было использовано искусст-
венное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Несущая до-
полнительно отклоняется с частотой 2,5 Гц и девиацией ±4 МГц. Это
позволило соблюсти установленные МККР нормы на допустимую
спектральную мощность потока (—152 дБВт/м^ в полосе 4 кГц) при
высокой интегральной плотности потока мощности у поверхности
Земли —120 дБВт/м2. В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входит
два-три часовых пояса, т.е. ее размер выбран с учетом принятых
принципов организации многозонового ТВ и звукового вещания
в стране.
Приемная антенна земной станции имеет небольшой диаметр зерка-
ла (2,5 м) и массу не более 400 кг; ширина диаграммы направленности
±1°. В качестве входного устройства стало возможным применять не-
охлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100°К-
Все остальное радиотехническое оборудование размещается в неболь-
шой стойке (рис.18.7). Таким образом, создана распределительная ТВ
система с приемом на сравнительно простые станции в диапазоне 4 ГГц,
не требующие постоянного квалифицированного обслуживания.
Сигнал дисперсии в приемнике эффективно выводится с помощью
устройства узкополосной обратной связи по частоте (ОСЧ) (рис.18.8).
Выбранное значение частоты дисперсии позволяет отделить его от ТВ
сигнала и замкнуть цепьобратной связи (См — УПЧ — демодулятор Дж —
узкополосный фильтр УФ — управляемый гетеродин УГ) только по
сигналу дисперсии. При этом девиация частоты за счет сигнала дис-
персии в значительной степени уменьшается и полосу приемника рас-
считывают на пропускание ЧМ сигнала, модулированного только по-
лезным сообщением (около 40 МГц). Остаточный сигнал дисперсии
удаляется путем применения схем восстановления постоянной со-
ставляющей сигнала.
Общая пиковая девиация частоты в системе ’’Москва” без учета
дисперсии составляет ±15МГц(±13МГцдля ТВ сигнала и по ±1 МГц
для сигналов звукового сопровождения и радиовещания, передаваемых
методом ЧМ на поднесущих частотах 7 и 7,5 МГц с девиацией ± 150 кГц).
На поднесущей частоте 8,2 МГц с такой же девиацией ± 1 МГц можно
организовать передачу изображения газетных полос.
В комплект приемной станции входит ТВ ретранслятор мощностью
1,10 или 100 Вт или устройство для работы на кабельную сеть. Исполь-
зование станции в комплексе с передатчиком мощностью 100 Вт эффек-
тивно практически для любого населенного пункта страны.
511
Разработан также перевозимый вариант приемной станции ’’Мо-
сква”; все оборудование перевозимой станции размещается в кузове
от грузового автомобиля.
18.3. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ТВ ВЕЩАНИЕ
При планировании спутникового ТВ вещания наиболее важным и
определяющим является требование электромагнитной совместимо-
сти с другими радиослужбами (наземное ТВ вещание, фиксированная
и подвижная службы, радиолокация). Поэтому выделение диапазо-
нов частот для спутникового вещания производится Всемирной адми-
нистративной конференцией радиосвязи (ВАКР), а условия использо-
вания каждого из выделенных диапазонов определяются
Регламентом радиосвязи. Для спутникового ТВ вещания на участке
ИСЗ—Земля выделены следующие полосы частот: 620...790,
2500...2690, 3400...3900, 10950... 11700, 11700... 12500, 40500...42500 и
84000...86000 МГц. Только две последние полосы выделены спутнико-
вому вещанию на исключительной основе и без каких-либо ограниче-
ний; в остальных полосах частот спутниковое вещание сосуществует
с другими службами и для исключения взаимных помех введены ог-
раничения на плотность потока мощности излучения ИСЗ.
Перечисленные полосы частот выделены для линии ИСЗ—Земля.
Для подачи программ на ИСЗ, т.е. для участков Земля—ИСЗ, выде-
лены другие полосы частот: 5725—6425 МГц, 14,0—14,5 ГГц, 17,3—18,1
ГГц и др.
Многие зарубежные национальные спутниковые системы ТВ ве-
щания работают в настоящее время в диапазоне 11,7...12,5 ГГц. Эти
системы нередко называются системами непосредственного ТВ веща-
ния (НТВ), так как в этом диапазоне возможен прием на простые
индивидуальные приемные установки с небольшими антеннами. Та-
кой способ целесообразен для зон проживания с очень низкой плотно-
стью йаселения, где экономически нецелесообразно сооружение
СКТВ.
В диапазоне частот 11,7...12,5 ГГц (Район 1) расположено 40 кана-
лов, оставлены защитные поля: 14 МГц на нижнем конце диапазона и
11 МГц — на верхнем, обеспечивающие надежную защиту для служб,
использующих соседние диапазоны частот. Защитная полоса опреде-
ляется как часть частотного спектра между краем распределяемой
полосы и краем необходимой полосы излучения ближайшего канала.
Ширина защитной полосы выбрана в предположении, что максималь-
ное значение ЭИИМ в центре луча равно 67 дБВт для Районов 1 и 3 и
63 дБВт для Района 2 и что крутизна ската фильтра — 2 дБ/МГц.
Принято, что видеосигнал совместно с поднесущей, частотно-мо-
дулированной сигналом звука, модулируют частоту несущего сигна-
ла, лежащую в диапазоне СВЧ. Ширина эквивалентной полосы моду
лированного сигнала П составляет 27 МГц. Эта величина была
выбрана на базе приближенного выражения
512
n^l,l(2fa + 2FJ, '
где 2/д = 12 МГц — девиация частоты от пика до пика для диапазона
частот 12 ГГц;Г„ — верхняя модулирующая частота, включая верхнюю
поднесущую звука, МГц.
Расстройка между частотами соседних каналов составляет 19,18
МГц; она меньше ширины каналов. Вследствие этого несколько воз-
растают межканальные интерференционные помехи, небольшое чис-
ло каналов позволяет уменьшить помехи общих (совместных) кана-
лов. Несущая частота каналов, МГц,
f= 11708,30+ 19,18л,
гдеп — номер канала. Для лучшего использования электромагнитного
спектра используется право- и левосторонняя круговая поляризация;
при этом одни и те же частотные каналы используются для передачи
двух сигналов с противоположной поляризацией.
При составлении Плана принималось, что вещание на одну зону
осуществляется по четырем — шести каналам, разнесенным друг от
друга на четыре канала (например, каналы 27, 31, 35, 39 в точке
орбиты 23° в.д. были выделены европейской зоне бывшего СССР).
Каналы эти сгруппированы в одном из двух поддиапазонов, каждый
шириной 400 МГц, и используют одинаковую поляризацию. Спутники
размещаются на геостационарной орбите через 6° (Районы 1 и 3 ), за
исключением 5° между 29° в.д. и 34° в.д. и 4° между 34° в.д. и 38° в.д.
Всего для Районов 1 и 3 предусмотрено размещение 984 передатчиков
на 36 спутниках.
Очевидно, что на одну зону из одной точки геостационарной орбиты
нельзя вести передачу на соседних частотах. Разнос между двумя
частотными каналами, подводимыми к общей передающей антенне,
превышает 40 МГц. Электромагнитная совместимость при много-
кратном использовании одних и тех же или перекрывающихся полос
частот обеспечивается благодаря пространственной избирательно-
сти земных приемных антенн (т.е. угловому разносу ИСЗ), простран-
ственной избирательности бортовых антенн ИСЗ (т.е. разносу зон
обслуживания), различию по поляризации (круговая с левым или
правым вращением).
Наземная передающая станция имеет параболическую антенну
диаметром 5 или более метров, мощность передатчика около 50 Вт.
Передача на спутник производится в диапазоне частот 14... 14,5 ГГц.
Радиоаппаратура спутника для отдельно взятого канала (ствола)
состоит из устройств, представленных на рис. 18.9, где 1 — общая зер-
Рис. 18.9. Структура спутникового ТВ
ретранслятора
V/ГГЦ
12ГГЦ
513
19.18 МГц 27 МГц
Рис. 18.10. Разбивка каналов в современных системах спутникового ТВ
кальная антенна; 2 —частотно-разделительное устройство; 3 —СВЧ
приемник на 14 МГц; 4 —блок преобразования информации; 5 —
СВЧ передатчик на 12 ГГц. По сути дела, это типичная ячейка РРЛ,
специфика исполнения которой связана с работой на одну антенну,
хотя в ряде случаев предпочитают прием сигнала на 14 ГГц произво-
дить отдельной рупорной антенной, так как сигнал, транслируемый с
Земли, обычно очень сильный.
Типичное разделение СВЧ сигналов, принимаемых с ИСЗ связи по
частотам и поляризациям, приведено на рис.18.10. Четные каналы
имеют один вид поляризации, нечетные — противоположный. Видно,
что соседние каналы перекрываются, но это происходит на краях
спектра сигналов, поэтому их взаимовлияние мало. Кроме того, поля-
ризационная развязка ослабляет взаимовлияние более чем в 100 раз.
В практике космического телевидения соседние каналы на одном
спутнике обычно не задействуют.
Мощность передатчиков вещательных спутников лежит в грани-
цах от 200 до 300 Вт в каждом канале. Коэффициент усиления спутни-
ковой антенны зависит от вида ДН, которую необходимо приспосо-
бить к форме и размерам обслуживаемой территории. Наибольшего
значения коэффициент усиления достигает в точке, на которую на-
правлена диаграмма антенны (точка прицеливания). За границу об-
служиваемого пространства принимается кривая, определяемая при
уменьшении коэффициента усиления на 3 дБ. Если прием ведется за
пределами этой границы, то необходимо использовать антенну боль-
шего диаметра. Эквивалентная ЭИИМ вещательного спутника, т.е.
произведение мощности спутникового передатчика Дна коэффициент
усиления подключенной к нему антенны G, составляет около 64 дБВт
(2,5 МВт) в середине обслуживаемой территории. При этом, если не
учитывать дополнительного затухания в атмосфере, плотность потока
мощности на поверхности Земли (R = 39000 км) составит
(ЭИИМ) 2 5-10®
0=------5--=----’---Вт/м2 «г ЭИИМ — 163,5 дБ Вт/м2 = 131,4п Вт/м2,
4л/?2 4л(39-10®)2
или —98,81 дБВт/м2 в середине обслуживаемого пространства. Рас-
четы показывают, что антенна диаметром 60 см обеспечивает нор-
мальные условия приема на всей территории, обслуживаемой веща-
тельным спутником.
514
По Плану плотность потока мощности у поверхности Земли для
индивидуального приема не должна превышать — 103 дБВт/м2 в
Районах 1 и 3 и —107 дБВт/м2 в Районе 2. Для коллективного приема
в Районах 1 и 3 рекомендована плотность потока мощности — 111
дБВт/м2. Зная величину плотности потока мощности в точке приема,
величину напряженности электромагнитного поля можно определить
по уравнению
£{дБмкВ/м] = о|дБВт/м2]+ 145,8.
Должна использоваться дисперсия энергии, уменьшающая плот-
ность потока мощности в полосе 4 кГц на 22 дБ. Это соответствует
девиации частоты за счет дисперсии, равной 600 ]кГц(для девиации 0,1
и 1 МГц относительное снижение составляет 15 и 24 дБ соответствен-
но).
Положение луча антенны земной станции (ЗС) в пространстве
принято характеризовать двумя углами — азимутом и углом места
(углом возвышения). Зависимость углов места и азимута от широты
<р и долготы X точки на земной поверхности (долгота определяется
относительно долготы ИСЗ Хо, т.е. как X — Хо) показана на рис.18.11.
-90-80-70-60-50 40 -30 -20-10 0 10 20 30 90 50 60 70 80 Ив
Рис. 18.11. Номограмма для определения угла места и азимута антенны
515
Для наведения антенны на геостационарный спутник надо знать ши-
роту <р и долготу X того населенного пункта, где расположена станция,
направление на север в точке размещения антенны, долготу ИСЗ Хо.
Положение антенны уточняется по максимальному уровню принима-
емого сигнала. В процессе работы положение антенны (в зоне уверен-
ного приема)обычно менять не приходится, поскольку геостационар-
ные спутники сохраняют свое положение на орбите с высокой
точностью (ДХ0± 0,1°).
Рассмотренные выше национальные системы, обычно НТВ, рас-
считаны на прием большей частью населения своей страны в диапа-
зоне 11,7—12,5 ГГц. Европейские вещательные спутники: TVSat, Tele-
X, ТОЕидр.
Региональные системы действуют главным образом в диапазоне
10,95—11,7 МГц, но в основном в рамках фиксированной спутниковой
службы (ФСС), допускающей подачу сигналов за пределы националь-
ной территории. Используется ЧМ и линейная поляризация. Ретран-
сляторы телекоммуникационных спутников снабжены передатчика-
ми мощностью около 20 Вт. Величина ЭИИМ зависит от вида ДН
антенны; например, в европейском луче спутника ESC она составляет
41 дБВт( 12,6 кВт), взональныхлучах — 47дБВт(50,1 кВт). Плотность
потока мощности на поверхности Земли в центре зонального луча
составляет—115,81 дБВт/м2, т.е. 2,62 пВт/м2, следовательно, она при-
мерно в 50 раз меньше плотности потока мощности, излучаемой ради-
овещательным спутником. Поэтому условия приема сигналов с теле-
коммуникационных спутников более сложные, чем с вещательных.
Чтобы обеспечить значение отношения сигнал/шум на входе прием-
ника не менее 14 дБ (Рекомендация ВАКР-СТВ), диаметр антенн
приемных установок приходится увеличивать, иногда до 1,5—2,5 м.
Многие европейские ИСЗ относятся к ФСС й работают в регио-
нальных системах. Они охватывают ТВ вещанием Европу, Ближний и
Средний Восток, Азию. Для СНГ техническая возможность приема
программ имеется лишь вблизи западных и южных границ бывших
республик СССР. Чем дальше от границ, тем меньше программ мож-
но принять и тем большего диаметра должна быть антенна. На приве-
денной карте (рис.18.12) показаны границы зон уверенного приема и
размеры приемных антенн (по материалам статьи Б. Локшина в жур-
нале "Радио” № 8, 1992 г.). Например, прием ТВ программ с ИСЗ
Intelsat VI 27,5° з.д.(приемная антенна — 2 м) возможен на территори-
ях, находящихся левее обозначенной на карте границы с номером 4
(Белоруссия, Украина, западная часть России вплоть до Московской
области).
На борту ИСЗ Eutelsat II Fl, Eutelsat II F2, ASTRA-1A и ASTRA-
1B no 16 ретрансляторов, каждый из которых может принимать и
передавать ТВ программу или другие виды информации. Наиболь-
ший интерес для России представляет восточный луч спутника
Intelsat VI, находящегося в точке 27,5° в.д.; с него, в частности, пере-
дается круглосуточная информационная программа CNN из США и
516
Границы зон уверенного
приема
Рис. 18.12. Границы зон уверенного приема
1-Eutelsat UF1 и F2 (прием
на>( антенна- 1,5м)
2-EutelsatKFIи /^(при-
емная антенна-2,5м)
3ASTPA -IAuIB (прием-
ная антенна- 1.5м)
U-Intelsat VI 27,5
з.д (приемная антенна-2м
5-ЕСЗЧ 7°в.д. (приемная
антенна - 2 м)
6-Intelsat VA1* ад.
(приемная антенна-Зм)
7- Intelsat VI 60'вд.
(приемная антенна-2,5м) (у\
8 Intelsat VA 63° в. д
(приемная антенна - 2,5м)
Ашхабад
еще две американские программы. Прием в Европейской части СНГ
возможен на антенну диаметром 1,5...2 м.
Приемник спутникового ТВ представляет собой комплект уст-
ройств для приема ТВ радиосигналов с телекоммуникационных спут-
ников или спутников вещания. Он состоит из наружного блока, кото-
рый содержит антенну и конвертор частоты, и внутреннего блока,
называемого тюнером, а также (при индивидуальном приеме) стан-
дартного ТВ приемника (рис.18.13). При коллективном приеме про-
граммы вещания доставляются абонентам от общей приемной уста-
новки с помощью наземной системы распределения, кабельной либо
эфирной (с передатчиком малой мощности).
517
ТВ
приемник
Внутренний блок
0J5..1.75ГГЦ бВОМГц а.Ц5МГц
Рис. 18.13. Структурная схема индивидуальной приемной установки
Для приема ТВ со спутников широкое применение нашли простые
осесимметричные параболические антенны н антенны с вынесенным
облучателем. Такая антенна состоит из рефлектора в виде фрагмента
параболической поверхности и источника излучения (облучателя),
размещенного в фокусе рефлектора. Параболическая поверхность
обладает тем свойством, что пучок лучей, падающих на рефлектор
параллельно его оси, после отражения пересекается в одной точке,
называемой фокусом.
В документах ВАКР-СТВ для НТВ рекомендуется применять па-
раболические антенны диаметром около 0,9 м, усилением около 38,5
дБ на частоте 12 ГГц и шириной ДН по уровню половинной мощности
около 2°. Правильно спроектированная антенна имеет шумовую тем-
пературу в пределах 40...80 К в условиях чистой атмосферы. В услови-
ях сильного поглощения электромагнитной волны в атмосфере (свы-
ше 10 дБ)шумовая 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/Т)
зависит от диаметра и шумовой температуры антенны, а также от
коэффициента шума приемника (конвертора). Если известны величи-
ны двух последних параметров, то диаметр антенны
_J-Q-HG/n+20/dTa+^iof/,0-l)n
D = 1е 1------------—-------------),
* | 20 J’
где Q = \0lgv 20/g(n/X) — коэффициент, зависящий от длины вол-
ны X и коэффициента использования апертуры v; 7, — шумовая тем-
пература антенны; То= 290 К—стандартная температура (нормальные
условия); F — коэффициент шума конвертора, дБ; G = vfnD/X)2 — ко-
эффициент усиления параболической антенны диаметром D, Т —
шумовая температура системы (шумовая температура приемника +
518
шумовая температура антенны). В условиях спутникового ТВ можно
принять: v = 0,65; = 2,56 см; Q = 39—40; Та = 40...80 К; F — 1,3...2,4
дБ — для типичных конверторов, зарубежного и отечественного соот-
ветственно; 101g(G/Т) = 5...15 дБ для приема сигнала с вещательного
спутника и 15...25дБ — с телекоммуникационного.
Таблицы зависимостей D = <v(G / T;F) для приема сигналов с веща-
тельных спутников (D = 0,20 ...1,23 м при G/Т = 5...15 дБ и F = 1,0...
...4,0 дБ) и с телекоммуникационных (D = 0,63...3,38 м при G/T —
= 15...25 дБ и F = 1,0...3,0 дБ) приведены в [55].
Выбирают и сигнал с одной поляризацией, второй сигнал с ортого-
нальной поляризацией подавляют в поляризаторе. Поэтому поляриза-
тор следует разместить между поляризационно-изотропным облуча-
телем и входом конвертора (входным волноводом), обусловливающим
определенную ориентацию плоскости поляризации электромагнитного
поля. Переключение вида линейной поляризации осуществляется меха-
ническим или магнитным поляризатором дистанционное помощью уп-
равляющих сигналов, вырабатываемых во внутреннем блоке. Для при-
ема сигналов, имеющих вращающуюся поляризацию, необходимо
использовать дополнительное устройство(отрезок круглого волновода с
плоскими продольными неоднородностям и), преобразующее поле с вра-
щающейся поляризацией в поле с линейной поляризацией. Оно включа-
ется между выходом облучателя антенны и входом механического или
магнитного поляризатора. С целью упрощения входного поляризационно-
го устройства конвертора ведутся разработки по созданию поляризато-
ров, обеспечивающих прием сигналов как с линейной, так и с вращающей-
ся поляризацией.
Общепринятой для приемных установок спутникового телевиде-
ния в диапазоне частот 11...12 ГГц является схема с двойным преоб-
разованием частоты.
Сигнал от ИСЗ, принятый антенной системой в диапазоне частот
10,95—11,7 или 11,7—12,5 ГГц (мощность около 3 пВт с телекоммуни-
кационных спутников и около 150 пВт с вещательных спутников),
проходит через блок выбора вида поляризации и поступает на вход
конвертора. Этот блок обычно имеет небольшие габариты, например
40x40x100 мм, и устанавливается непосредственно на антенну путем
крепления к фланцу поляризатора. Это делается с целью минимиза-
ции потерь во входном волноводном тракте и соответствующего сни-
жения входной шумовой температуры приемной системы. В состав
конвертора входят малошумящий усилитель МШУ, фильтр, преобра-
зователь частоты (смеситель См) с гетеродином Гет, стабилизирован-
ным диэлектрическим резонатором, усилитель УПЧ1. После первого
преобразования принятый сигнал размещается вдиапазоне 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
519
упрощенный соединитель типа F, рассчитанный на непосредственное
соединение с коаксиальным кабелем без пайки. Малошумящий уси-
литель должен обеспечивать усиление 25...30 дБ во всей рабочей по-
лосе, т.е. в диапазоне 10,9...11,7 либо 11,7...12,5 ГГц; коэффициент шу-
ма МШУ должен быть минимальным. Сейчас большинство
фирм-производителей выпускает МШУ с шумами менее 1 дБ. Коэф-
фициент шума усилителя характеризует добавку в соотношение сиг-
нал/ шум, которую дает усилитель. В ряде случаев требуется размер-
ность коэффициента шума F в относительных единицах, более часто
используют логарифмическую размерность — децибелы: Fa5 = 101gF.
Кроме того, удобно пользоваться понятием ’’шумовая температура”,
которая измеряется в градусах Кельвина и связана с коэффициентом
шума в относительных единицах соотношением Тш = (F— 1)Г0 , где То—
температура окружающей среды. Величина Тш определяется элемен-
тной базой МШУ и лежит в пределах 100...450 К.
Во внутреннем блоке происходит второе преобразование частоты.
В большинстве европейских стран принято значение второй ПЧ 480, в
США —612 МГц.
Выбор желаемой программы обеспечивается настройкой гетеро-
дина второго преобразователя на частоту принимаемого сигнала. Пе-
рестраиваемый гетеродин обычно работает в диапазоне 1,4...2,2 ГГц и
выполняется на варакторах. Синхронно с гетеродином перестраива-
ется и включенный в УПЧ1 фильтр (предселектор). Фильтр пропуска-
ет требуемый канал с ослаблением 3...6 дБ и подавляет все прочие
частоты до -—28...—30 дБ.
Полосно-пропускаюший фильтр ППФ обеспечивает требуемую
селективность. Наиболее часто для этого применяют фильтры на по-
верхностно-акустических волнах (ПАВ), хотя они имеют большое ос-
лабление в рабочей полосе пропускания. В отдельных моделях тюне-
ров применяют несколько ППФ с разными полосами и коммутируют
их для регулировки полосы.
Частотный демодулятор ЧД является одним из наиболее ответст-
венных узлов внутреннего блока. Наиболее простая схема — частот-
ный детектор на расстроенных контурах — используется лишь в ра-
диолюбительских конструкциях. В современных промышленных
тюнерах в качестве ЧД обычно применяют синхронно-фазовые детек-
торы со следящим контуром, которые имеют пороговые отношения
сигнал/шум 6...10 дБ.
На выходе демодулятора получается композитный сигнал в стан-
дарте PAL, SECAM или систем МАС совместно с сигналами поднесу-
щих звука. Из композитного сигнала выделяются видеосигналы в
виде сигналов основных цветов R, G, В или в виде сигналов Y, I/, V. Эти
сигналы совместно с сигналами звука подводятся к соединителю типа
BNS-75 Ом или универсальному соединителю типа ’’Euroconnector”
(SCART) стандартного ТВ приемника. Для приемников старого типа,
не имеющих такого входа, тюнер снабжают амплитудным модулято-
ром (см.рис.18.13), позволяющим создавать ТВ радиосигнал в диапа-
520
зоне УКВ (стандарт PAL или SECAM), который затем подводится к
антенному гнезду стандартного ТВ приемника. Дополнительные вы-
ходы внутреннего блока предусмотрены для подачи видеосигнала и
сигнала звукового сопровождения (в ряде случаев и звукового стере-
овещания) на специальные входы телевизора, видеомагнитофона или
стереосистемы.
Видеосигнал размещается в полосе частот от 0 до 5 МГц. Восста-
новление предыскажений и подавление сигнала дисперсии (СД) про-
изводится по видеочастоте после частотного демодулятора. Как изве-
стно, при правильном выборе амплитуды и частоты СД спектральная
составляющая с большой амплитудой как бы размывается по спект-
ру, превращаясь в ряд спектральных составляющих (непрерывную
полосу) со значительно меньшими амплитудами. В соответствии с
Рекомендациями ВАКР введение СД с девиацией частоты 600 кГц обес-
печивает уменьшение интенсивности помехи (наземным службам связи)
в полосе 4 кГц на 22 дБ. Сигнал дисперсии частотой 15...30 Гц (в разных
ТВ сигналах частота его разная)следует исключить из видеосигнала до
егопередачи в стандартный ТВ приемник. Это можно сделать с помощью
относительно несложной схемы фиксации уровня.
Сигнал звукового сопровождения передается иа поднесущей час-
тоте в диапазоне 5,5...8 МГц. Поэтому тракт звукового сопровождения
состоит из широко применяемых в УКВ ЧМ приемных устройствах
узлов. Он должен обеспечивать возможность плавной настройки на
поднесущую частоту принимаемого канала (например, с помощью
варикапов типа КВ105), адаптацию к различным стандартам пред-
ыскажений и возможность приема ЧМ сигналов при изменении деви-
ации частоты поднесущей от 50 до 150 кГц.
Конструктивно внутренний блок похож на тюнер УКВ, выполняет
сходные функции, поэтому часто его называют просто тюиер. Совре-
менные тюнеры имеют встроенное микропроцессорное управление,
что позволяет запоминать один из ранее настроенных каналов с до-
полнительными признаками (вид поляризации, полярность видеосиг-
нала, частота поднесущей звука и т.д.). Разработаны тюнеры в виде
микроэлектронных субблоков, предназначенных.для встраивания не-
посредственно в телевизоры.
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 установ-
ка индивидуальной спутниковой антенны едва ли возможна, и наибо-
лее приемлемым средством оказывается коллективный прием. Обо-
рудование для коллективного приема содержит те же составные
части, что и для индивидуального приема. Отличие заключается в том,
что для каждой программы необходим свой внутренний (канальный)
521
блок. В коллективных системах обычно используется антенна боль-
шего диаметра (от 2 до4 м) и двухканальный наружный блок, обеспе-
чивающий возможность одновременного приема сигналов двух орто-
гональных поляризаций. Блок состоит из поляризационного делителя
и двух конверторов. В состав оборудования для коллективного приема
входят также широкополосные делители мощности для подключения
канальных блоков и устройства для организации распределительной
сети.
Практически используются два возможных способа распределе-
ния спутниковых ТВ программ — передача ЧМ сигналов в полосе
первой ПЧ спутникового приемника 0,95—1,75 ГГц или передача AM
сигналов 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: несовмести-
мость с наземным ТВ вещанием (требуется отдельная кабельная
сеть), большое затухание сигнала в распределительной сети и др.
Второй способ более универсален, он обеспечивает возможность
приема на обычный ТВ приемник программ наземного и спутникового
вещания, передаваемых в разных стандартах, с разных ИСЗ, однако
требует на головной станции кабельной сети наличия большого объе-
ма сложного оборудования. Как показано на рис.18.14, сигналы с
различными поляризациями, принятые одной или несколькими ан-
теннами, демодулируются, дешифруются (если на передающей сторо-
не оии подверглись зашифровке), в необходимых случаях осуществля-
ется преобразование стандарта цветного телевидения. Затем
формируются AM сигналы в диапазонах МВ и ДМВ наземного ТВ
Рис. 18.14. Оборудование для
коллективного приема ТВ про-
грамм с ИСЗ:
/ — демодулятор; 2 — дешифратор; 3 —
транскодер; 4 — ТВ модулятор
522
вещания или в полосах частот, специально отведенных в Европе для
кабельных сетей. Эти сигналы подаются в общую кабельную распре-
делительную сеть. Принципы построения таких сетей будут рассмот-
рены в следующей главе.
За критерий качества обслуживания, обеспечиваемого при спут-
никовом ТВ вещании, в Плане принято отношение несущая/шум
(Рс/Рш), равное 14 дБ для 99 % времени наихудшего месяца. При этом
обеспечивается отношение сигиал/взвешеииый шум, измеренный в
номинальной полосе частот на выходе приемного устройства (для
края зоны обслуживания ) ие менее 33,5 дБ для систем 625 строк.
Напомним, что рекомендованная плотность потока мощности для
Районов 1 и 3 равна—111 дБВт/м2для систем коллективного приема
и—103 дБВт/м2для индивидуального приема.
В качестве общего параметра, характеризующего приемное уст-
ройство, определяется коэффициент добротности приемной уста-
новки
с/т =________4PGo________
где т] — общие потери аитеиио-волноводного тракта по мощности; 0 —
общие потери по мощности из-за ошибки наведения, поляризацион-
ных эффектов и старения; Go — эффективное усиление приемной антен-
ны по мощности; Тя — эффективная шумовая температура антенны; То —
стандартная температура 290 К; — общий шум-фактор приемника.
Учет технических возможностей реализации параметров прием-
ных устройств и аитени, а также экономический анализ позволили
выбрать в Плайе следующие значения коэффициента добротности: 6
дБ/K для индивидуального приема и 14 дБ/K для коллективного
приема. План предусматривает применение приемной аитениы, име-
ющей ширину осиовиого лепестка диаграммы иаправлеииости по
уровню 3 дБ (ф05), равную 2° для индивидуального приема и 1° для
коллективного приема. В Плане приняты защитные отношения в со-
вмещенных каналах величиной 31, а в смежных — 15 дБ.
Подробности реализации аппаратуры систем спутникового ТВ ве-
щания хорошо освещены в [53...57].
ГЛАВА 19
СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
19.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИЕМНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СЕТИ
Приемная ТВ сеть состоит из совокупности индивидуальных уст-
ройств 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
523
или наружная приемная ТВ антенна, антенный фидёр в виде отрезка
радиочастотного кабеля и ТВ приемник. Системы коллективного при-
ема ТВ (СКПТ) состоят из одной или нескольких наружных антенн
направленного действия, установленных на крышах зданий или мач-
тах, одноступенчатой домовой распределительной сети (ДРС) с одним
или двумя последовательно включенными усилителями и нескольких
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 воли в результате интерференции
прямых и отраженных от стен зданий и других препятствий лучей, а
также появление за высокими домами зои радиотени В результате
появляются зоны неуверенного приема и искажения в виде ряда сдви-
нутых друг относительно друга по горизонтали повторных изображе-
ний и снижения четкости. Особенно это относится к распространению
ДМВ, где длина волны значительно меньше размеров многих встре-
чающихся на пути распространения препятствий.
Для повышения качества ТВ приема создаются крупные системы
коллективного приема ТВ (КСКПТ) с двухступенчатой PC — субмаги-
стральная сеть (СМС) и ДРС, объединяющие несколько СКПТ не-
большого района с общим числом абонентов до 10000. Все они работа-
ют от одних и тех же направленных ТВ антенн, которые вынесены на
крышу ближайшего высокого здания, с крыши которого имеется пря-
мая видимость на передающую антенну ТЦ.
Трехступенчатая PC большой протяженности — магистральная
сеть (МС), СМС и ДРС — с числом абонентов свыше 5000 (большие
районы или целые города) используются в КСКПТ или системах ка-
бельного ТВ.
Упрощенная структурная схема СКПТ приведена на рис.19.1,а.
Прием ведется на несколько коллективных одноканальных, многока-
нальных или широкополосных антенн 7, соединенных кабелем сниже-
ния с домовой распределительной сетью. В ТВ вещании для коллек-
тивного и индивидуального приема применяются многоэлементные
остронаправленные антенны, в основном типа ’’волновой канал”, со-
стоящие из полуволнового активного вибратора, петлевого или линей-
ного разрезного, и ряда пассивных элементов, излучения которых от
наведенных электромагнитной волной токов усиливают напряжен-
ность поля полезного сигнала в месте расположения активного виб-
ратора и повышают помехозащищенность антенны. Пассивные виб-
раторы, расположенные спереди активного, называются
директорами, позади — рефлекторами. Размеры директоров ориенти-
ровочно выбирают (0,4—0,45 )Х, а рефлекторов — (0,55—0,6)Х (каждый
директор по мере удаления от активного вибратора укорачивают на 4 %
по сравнению с активным вибратором или с предшествующим дирек-
тором). Расстояние между директорами составляет (0,1—0,15)Х, а
рефлектор удален от петлевого вибратора на (0,15—0,2)Х. Точные
размеры антенн определяют экспериментальным путем.
524
Домовая распределительная сеть состоит из: канального или диа-
пазонного ТВ фильтра 2, служащего для подключения к общей PC
двух расположенных иа одной мачте аитеии, работающих в различных
частотных диапазонах (например,.48,5... 100 и 174...230 МГц); каналь-
ного, диапазонного или широкополосного ТВ усилителя (УТ)3, вклю-
чаемого в ДРС при недостаточном уровне сигнала, поступающего к
ТВ приемникам; разветвителя (распределителя) иа резисторах или
направленных ответвителях 4, обеспечивающего сохранение согласо-
вания при распределении мощности сигнала между несколькими ли-
ниями ДРС; линий ДРС 6 (коаксиальные кабели типа РК или КПТМ
с затуханием на частоте 200 МГц не более 130 дБ/км), предназначен-
ных для питания абонентских линий ДРС; ответвителей 5 (обычно на
шесть абонентских выходов, например, типа УАР-6), расположенных
на лестничной клетке каждого этажа здания и служащих для ответв-
ления части энергии радиосигнала из линии ДРС в абонентские ли-
нии; абонентских линий 7(кабели типа РК и КПТА с ага, 200дБ/км),
соединяющих ответвители с абонентскими розетками 10 или в случае
их отсутствия со штеккерами, предназначенными для подключения к
абонентским устройствам — телевизорам 9 и УКВ ЧМ приемникам;
нагрузочных резисторов 8, подключаемых к выходу последних, распо-
ложенных иа первом этаже ответвительных устройств и имеющих
сопротивления, равные волновому сопротивлению кабелей в линиях
ДРС.
Возможность размещения ТВ каналов в метровом диапазоне воли
525
очень ограничена и практически уже исчерпана во многих странах.
Увеличить число ТВ каналов можно организацией ТВ вещания в ча-
стотных 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 k
путем их преобразования по частоте (конвертирования). Для каждого
канала необходим свой конвертор k/m (рис. 19.1,6). Достоинством это-
го способа является то, что не надо переделывать существующие сети
СКПТ. Никаких изменений в схемах ТВ приемников также не требу-
ется. Недостаток заключается в ограничении числа ТВ каналов, так
как вместе с действующими каналами метрового диапазона их число
теоретически не будет превышать 12, а практически будет равно 5—6
(с учетом существующей практики чередования рабочих и ’’нерабо-
чих” каналов для повышения помехоустойчивости).
Сигнал, принятый на дециметровую антенну Адмв, поступает в
УВЧ коллективной приставки — конвертора k/tn — и далее в смеситель
См, куда подаются также колебания первого гетеродина Г. Взаимное
расположение несущих изображения и звука приставка менять не
должна, поэтому частота гетеродина должна быть меньше частоты
приходящего сигнала. Стабильность частоты гетеродина достигается
применением кварцевого генератора и последующим умножением
одной из его высших гармоник На выходе смесителя получается сиг-
нал первой промежуточной частоты, соответствующий одному из сво-
бодных каналов метрового диапазона. Этот сигнал усиливается в до-
полнительном УВЧ и подается на общую распределительную сеть.
При втором способе приема ТВ (рис.19.1,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 ограничивается емкостью 12-канального
селектора каналов СКМ приемника. Это — несомненное достоинство
такого способа, так как поставленная задача — увеличение числа
каналов — здесь решается без ограничений. Работа стандартных ТВ
приемников обеспечивается путем установки в них блоков СКД. Ес-
тественно, что вместо двух селекторов каналов СКМ и СКД удобнее
применить один всеволновый блок СКВ. В связи с расширением пере-
даваемой полосы частот при использовании дециметрового диапазо-
на ДРС требуют коренной переделки.
Следует отметить, что в СКПТ:
качество изображения может ухудшаться за счет опережающих
повторов, возникающих в диапазоне МВ (где нет конвертирования)
вследствие приема на фидер ДРС и антенный вход телевизора элект-
ромагнитных колебаний от местных ТВ радиопередатчиков;
помехозащищенность уменьшается за счет применения диапазон-
ных и широкополосных антенн;
в диапазоне МВ возможно использование не более 6 рабочих кана-
лов.
526
Поэтому можно сделать вывод, что системы СКПТ не являются
перспективными.
Более предпочтительны КСКПТ с кабельной PC (до 4 км) и маги-
стральными усилителями (через 500 м), где комплекс передающего
оборудования (головная станция — СГ) включает в себя канальные
узконаправленные антенны, канальные усилители и канальные филь-
тры выбранного канала, где используется двойное преобразование
частоты (7пЧ1 = 31,5...38 МГц), применяется УПЧ с фильтрами на ПАВ.
В КСКПТ частотный набор сигналов никогда не совпадает с исход-
ным, поэтому сигналы передатчиков наземного вещания на качество
изображения у абонентов кабельной сети практически не влияют.
19.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КАБЕЛЬНОГО ТВ
Для обеспечения высококачественного ТВ приема в районах с
низкой напряженностью поля и в городах с разноэтажной застройкой,
где высок уровень отраженных сигналов, ТВ программы необходимо
передавать по проводным линиям связи, в качестве которых исполь-
зуются коаксиальные и волоконно-оптические кабели. Поэтому в этих
распределительных системах кабельного телевидения (КТВ) помех
будет меньше, число ТВ каналов может быть увеличено иа порядок (до
100 и более) и станет возможной дуплексная связь. Следует отметить,
что в отечественных системах КТВ (СКТВ) в диапазоне 110...174 МГц,
не используемом для эфирного ТВ вещания, предусмотрено дополни-
тельно восемь спецкаиалов (СК1—СК8), а в диапазоне 230...294 МГц —
еще восемь (СК11...СК18). Таким образом, в СКТВ максимальное
число ТВ каналов составляет 20 при полосе до 230 МГц и 28 при полосе
до 300 МГц (12-|-8-|-8). Одиако из-за ограничений на возможность
совместного усиления и передачи сигналов максимально возможное
количество используемых каналов снижается более чем в 2 раза. Тем
не меиее в рассматриваемых системах имеется возможность подачи
дополнительных программ от местных мини-студий или видеоаппа-
ратиых, а также от приемных пунктов спутникового ТВ вещания.
Системы КТВ, имеющие свыше 5000 абонентов при большой про-
тяженности распределительной сети, в будущем станут многоцелевы-
ми. 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 числепередача
специальных программ (спортивных, информационных, справочных и
др.) и программ, заказанных зрителями по обратному каналу связи;
телефон и видеотелефон; телеграф и фототелеграф; почтовая коррес-
понденция; газеты и журналы; доступ в библиотеку; услуги со стороны
вычислительных центров; прочие услуги. Для приема почтовой кор-
респонденции, включая газеты, журналы и библиотечную информа-
527
цию, абонент должен иметь электронное буквопечатающее устройст-
во для печати на лист бумаги или на ленту. Клавиатура должна иметь
небольшие размеры. Воспроизводящее устройство может представ-
лять собой матрицу из светодиодов. По размерам абонентское устрой-
ство будет напоминать обычный телефон.
С целью 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 данно-
го микрорайона. Полосы частот каналов диапазонов МВ и ДМВ пре-
образуются на головной станции в свободные в данной местности
полосы частот каналов метрового диапазона. В этом случае значи-
тельно уменьшается заметность наведенных на входные цепи ТВ при-
емников сигналов от ТВ передающих станций.
В оборудовании станции предусматривается АРУ по каждому ка-
налу. При необходимости используется пилотное регулирование — ав-
томатическая регулировка уровня и наклона АЧХ в магистральных
усилителях (АРУиН), которые работают по пилот-сигналам с часто-
тами 110 и 235 МГц, вводимыми в линейный тракт с головной станции.
По магистральным линиям осуществляется также дистанционная по-
дача питающего напряжения для усилителей.
Возможна передача внутрисистемных сигналов, допускается дву-
направленная передача. Есть три варианта решения проблемы двух-
сторонней связи. Первый, самый надежный, заключается в том, что
используются два отдельных кабеля со своими усилителями: один
кабель для прямой переда-чи, другой — для обратной. Более эконо-
мичным является использование одного кабеля и установка на ре-
трансляционных пунктах по два усилителя (по одному на каждое
направление) с соответствующими фильтрами (рис. 19.2,а). Принци-
пиально возможно при одном кабеле обойтись всего одним усилите-
лем, если использовать сложную систему фильтров (рис. 19.2,6). Одна-
ко этот метод из-за высоких перекрестных помех применим только при
небольших уровнях сигнала (распределительные сети). В магистраль-
ных линиях целесообразно использовать один из первых двух вариан-
тов.
Рис. 19.2. Организация дуплекс-
ной связи в КТВ при одном кабе-
ле и двух (а) или одном усилите-
ле (б)
528
Системы КТВ могут иметь древовидную схему построения распре-
делительной сети, кольцевую или радиальную. В США КТВ имеют
преимущественно древовидные схемы построения и включают в себя
приемную станцию, магистральные, распределительные и абонент-
ские линии, а также абонентские отводы. В системах применяется
преобразование несущих частот, в качестве приемников используют-
ся серийные телевизоры, длина магистральных и распределительных
линий определяется допустимыми искажениями без использования
корректоров. Как правило, полоса частот прямой передачи (от стан-
ции к абоненту) находится в пределах 50...300 МГц.
В Англии построены радиальные системы проводного телевиде-
ния, использующие многопарные кабели, каждая пара которых отво-
дится отдельной программе. Увеличение числа программ сверх 12
приводит или к необходимости подводить к абоненту несколько кабе-
лей, или при одном кабеле к необходимости установки у абонента
дополнительного переключателя ТВ каналов или преобразователя.
Однако решение может быть и иным, как, например, в предложенной
английскими специалистами фирмы Rediffusion International
Limited высокочастотной системе проводного телевидения с дистан-
ционной селекцией программ номерным диском (рис. 19.3, а).
В этой системе к приемнику от станции распределения программ
(СРП) по кабельной видеопаре одновременно передается только одна
программа. Выбор программ осуществляется абонентом с помощью
установленного у него номеронабирателя (Н) телефонного типа по
дополнительной паре проводов (сигнальной паре). Программа пере-
дается с подавленной верхней боковой полосой (рис.19.3,б) в интерва-
ле частот 3,2...9,2 МГц. Несущая изображения [из = 7,94 МГц, несу-
щая звука = 3,44 МГц, цветовая поднесущая Д = 4,36 МГц.
Звуковые частоты, кроме того, передаются непосредственно в началь-
ном участке спектра (12... 15000 Гц). Имеется возможность обратной
передачи видеоинформации от абонента к распределительной стан-
ции в полосе частот 9,2... 15,2 МГц (дуплексная связь). Этот сигнал
также заводится на распределительные шины и, если требуется, — в
магистральную линию. Вызывающий абонент, если пожелает, может
наблюдать за своей собственной программой.
Десятки различных источников программ поступают на станцию
распределения программ по магистральному кабелю и заводятся на
экранированную систему распределительных шин. Они представля-
ют собой проводники, выполненные методом печатного монтажа.
Каждая программа заводится на свою шину. Выбор программы осу-
ществляется с помощью индивидуального электромагнитного искате-
ля, подключающего видеопару абонента к определенной шине. Уп-
равление искателем производится с помощью номеронабирателя.
Нажатием кнопки абонент может выключить программу, в этом слу-
чае к нему поступает информация о содержании передаваемых про-
грамм и порядке их набора.
Телевизионные сигналы от распределительной станции по кабелю
529
с внешним диаметром 10,4 мм передаются к распределительным ко-
робкам (РК)- Кабели 12-парные (6 видеопар с диаметром проводов
0,46 мм и 6 сигнальных пар с диаметром проводов 0*41 мм), так что
каждая распределительная коробка может обслуживать 6 абонентов.
Длина кабеля определяется допустимыми уровнями затухания и пег
рекрестных помех и не должна превышать 360 м. В распределитель-
ной коробке этот кабель непосредственно соединяется с шестью от-
дельными двухпарными экранированными кабелями, по которым
сигналы передаются на стандартные (СТП) или проводные (ПрТП)
телевизионные приемники, удаленные от распределительной коробки
на расстояние до 90 м. На входе стандартного приемника устанавли-
вается конвертор для преобразования сигнала в область высоких
частот метрового диапазона, свободную от помех и сигналов местных
радиовещательных станций, и номеронабиратель. Конвертор выпол-
нен на одном транзисторе и трех полупроводниковых диодах. Номеро-
набиратель имеет вид телефонного аппарата. В специальном ТВ при-
емнике, разработанном для кабельного телевидения, он вмонтирован
530
в лицевую панель приемника В этом случае приемник не имеет орга-
нов настройки и является очень простым и дешевым канал изображе-
ния состоит из усилителя, детектора и видеоусилителя, а канал зву-
кового сигнала ограничивается одним УЗЧ (используются сигналы,
передаваемые не на несущей звука /зв = 3,44 МГц, а непосредственно
в звуковом спектре 12 15000 Гц). При использовании транзисторных
ретрансляционных усилителей, питаемых по кабелю и расположен-
ных через каждые 1,2 км, удаление ТВ приемника от распределитель-
ной коробки может достигать 8 км.
Каждая распределительная станция обслуживает район города
площадью около 0,5 км2. В этом районе проживают 300—3500 семей.
Так как некоторые семьи имеют два телевизора, то число включенных
в распределительную сеть телевизоров может составлять 450—5000.
Все программы, передаваемые по различным видеопарам, имеют
одну и ту же несущую, поэтому биений между несущими быть не
может. В то же время вследствие нелинейности кабельных усилителей
или приемной аппаратуры возможны биения между второй гармони-
кой несущей звука 2/зв = 6,88 МГц и несущей изображения /„ = 7,94
МГц.
В Канаде уровень внедрения систем КТВ почти на 25 % выше, чем
в США, причем используется наиболее современная структура сис-
тем КТВ—гнездовая, с более короткими линиями связи и соответст-
веннолучшим качеством сигналов. От головной станции к нескольким
гнездовым подстанциям сигнал передается по коаксиальной супер-
магистрали (0 25 мм) или РРЛ очень высокой пропускной способно-
сти (несущая частота 12 или 15 ГГц, AF до500МГц;Ь до 10...15км,
модуляция обычно амплитудная).
Платные каналы КТВ на головной станции подвергаются скремб-
лированию (обычно это подавление синхросигнала и инверсия видео-
сигнала ПСИВ) с целью предотвращения приема программ абонен-
тами, не желающими оплачивать услуги. При этом значительно
снижается общая мощность несущей и уровень продуктов интермоду-
ляции. Поэтому способ ПСИВ широко используется в системах с
большой загрузкой как для ее уменьшения, так и для скремблирова-
ния сигнала. Таким путем сигнал делается почти неразборчивым,
пока он не будет дескремблирован у абонента.
Схема построения системы КТВ в соответствии с ГОСТ 11216-83
имеет древовидную структуру и изображена на рис.19 4. Она состоит
из головной станции, где сигналы обрабатываются, преобразуются по
частоте и усиливаются, и распределительных сетей: магистральных
сетей Плиний) МС, субмагистральных сетей СМС и домовых распре-
делительных сетей ДРС, подсоединяемых к МС и СМС с помощью
направленных ответвителей (ответвителей магистральных ОМ). Або-
нентские разветвители РА и коробки КА служат для подсоединения
абонентских 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
531
ОМ-101
УМ-201 S
Г
ОМ-102 §
ч.
ОМ-102
Магистральная пиния
УМ-201
УМ-202
ОМ-101
'УМ-221
ОМ-102
к ДРС
ОМ-101
^УМ-201
УМ-221
Домовая распределительная сеть (ДРС)
УМ-222
УМ-201
п
этаж
2
этаж
71750м
750м
-.^}РАЮ2
этаж y£^M-102~ -.
^Д201^0М-101
1 подъезд
--^РА-юг
^0М-/01
в подъезд
1
Дом этажей-п, подъездов-К
Рис. 19.4. Система КТВ с древовидной схемой построения PC
— примерно через каждые 0.5...1 км. Усилители могут устанавливать-
ся и перед линиями ДРС (УД — домовой усилитель). Для каждого ТВ
канала устанавливается отдельная приемная антенна. Кроме про-
грамм эфирного вещания от местных ТЦ на пункт распределения ТВ
программ (ТВ узел связи или головная станция) поступают также
программы по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям
связи. Блоки дистанционного питания БП обеспечивают питание уси-
лителей PC через кабель.
19.3. ГОЛОВНАЯ СТАНЦИЯ
Рассмотрим принципы построения и основные технические харак-
теристики разработанных в нашей стране комплексов оборудования
различных серий для головных станций КТВ (СГ).
Первая система на промышленном оборудовании серии 100 сдана
в эксплуатацию в 1986 г. Головная станция серии 100 предназначена
для приема до пяти ТВ программ одновременно в ТВ диапазонах МВ
и ДМВ и до шести программ УКВ ЧМ радиовещания в диапазоне
66...73 МГц, однократного преобразования ТВ каналов в стандартный
канал диапазонов МВ и последующей передачи в кабельную сеть
протяженностью до 1,5 км (четыре ступени усиления) с числом або-
нентов от нескольких сотен до нескольких тысяч. Структурная схема
станции приведена на рис. 19.5, где / —канальный фильтр; 2 —аттеню-
атор;.? — трансформатора —синтезатор частот;5 —цепь автоматиче-
ской регулировки амплитуды; 6 — блоки питания; 7 —блоки генератор-
532
ного оборудования, вырабатывающего опорное напряжение с часто-
той НО МГц для работы АРУ магистральных усилителей и 125 кГц
для синтезаторов ТВ конверторов; 8 — конвертор телевизионный; 9 —
блок канального усилителя; 10 — блок усилителя УКВ ЧМ вещания
(без АРУ);// —электронный аттенюатор; 12 —усилитель канальный;/.? —
преобразователь частоты; 14 — цепь автоматической регулировки
уровня (АРУ У, 15 — направленный ответвитель; 16 — устройство ввода
питания; 17 — ответвитель магистральный. Сигналы различных кана-
лов объединяются с помощью устройства сложения, реализованного
на канальных и диапазонных фильтрах.
Пример условного обозначения головной станции: СГ-105-
1/12,3/7,8/4,11/2,33/9,(А2), где первая цифра — принадлежность к
серии 100, вторая - ” 1” или ”0” — с пилот-сигналом или без него; третья
цифра — число принимаемых ТВ программ; после тире — перечисление
номеров конвертируемых (через дробь) или усиливаемых ТВ каналов.
После условного обозначения СГ в скобках указывается номер зажи-
ма для подключения магистрального кабеля: Al, А2 или АЗ — под
кабель типа РК-75-17, РК-75-11 или РК-75-9 соответственно.
Номинальный входной уровень не менее 70 дБ/мкВ для ТВ кана-
лов и 60 дБ/мкВ — для УКВ ЧМ вещания. Выходные уровни сигналов:
106±3 дБ/мкВ —для ТВ каналов и 100±3 дБ/мкВ— для УКВ ЧМ.
Габаритные размеры 630x480x240 мм; масса 37 кг.
Головная станция серии 200(1987 г.) предназначена для систем с
533
Рис. 19.6. Структурная схема СГ серии 200
числом абонентов от 2 до 10 тыс. с подачей ТВ сигнала по кабелю на
расстояние до 4 км (8,9 ступеней усиления). Структурная схема стан-
ции приведена на рис.19.6. В состав СГ входят базовая стойка с уста-
новленными в ней блоком сложения (БС), приемопередатчики (ПП)
МВ и ДМВ (по числу принимаемых каналов — на каждый канал от-
дельная ’’корзина” в стойке), диапазонный усилитель (66...73 МГц)
УКВ ЧМ вещания, основной и резервный, выполненный в виде двух
полукомплектов, генератор опорных частот (ГОЧ), формирующий
стабилизированные по амплитуде и частоте пилот-сигналы для АРУ
и Н (U = 0,16 В, /П1 = 110МГц, /п2 = 235 МГц)и сигнал опорной частоты
fon = 31,25 кГц для синхронизации гетеродинов всех пяти ПП.
Преобразование частоты ТВ сигналов в наборе ПП (от трех до
пяти) — двойное, в любой канал диапазонов МВ. В тракте первой ПЧ
(31,25... 39,25 МГц) использованы фильтры на ПАВ, что обеспечивает
высокую избирательность по соЪеднему каналу. Выходные уровни
сигналов на 8дБ/мкВ выше, чем для серии 100.
СГ 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 ука-
зывается на лицевой панели блока. В состав ПП (рис. 19.7) входят кон-
верторы (основной и резервный), синтезаторы частот (основной и резер-
вный), блок автоматики (на рисунке не указан), блок питания, делитель
си гнал а, датчик МВ/ДМВ, бл ок ком мутаци и. Нал ичие а втом этического
резервирования основных блоков станции гарантирует высокую надеж-
ность ее работы (наработка на отказ не менее 5000 ч).
В дежурном режиме напряжение питания подается только на дат-
чик 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 ступенчатый
534
Рис. 19.7. Структурная схема ПП станции СГ-200
аттенюатор (дБ) подается на вход ДС; при необходимости вместо
аттенюатора включается антенный усилитель. После двухконтурной
избирательной цепи, четырехкаскадного апериодического усилителя
и детектора сигнал поступает на индикатор уровня БА. Результаты
сравнения размаха видеосигнала с опорным напряжением отобража-
ются с помощью светодиодов на лицевой панели конвертора. Предус-
мотрено пять оценочных градаций: —10, —5, 0 (норма —70 дБ/мкВ),
4-5, -|-Ю дБ. Необходимые коррективы можно внести входным атте-
нюатором.
Входной трехкаскадный апериодический усилитель (ВхУ) имеет
избирательные LC-цепи на входе и выходе и обеспечивает избиратель-
ность по зеркальному каналу не менее 50 дБ.
В первом диодном кольцевом балансном смесителе (См 1) осуще-
ствляется преобразование частоты сигналов принимаемого канала
на промежуточную частоту (31,5...38 МГц).
На входе УПЧ включен аттенюатор на p-i-n диодах, регулируемый
АРУ. С увеличением управляющего напряжения (от 2 до 10 В) сопро-
тивление p-i-n диодов уменьшается и сигнал проходит с минимальным
ослаблением. Усилитель — двухкаскадный, между каскадами вклю-
чен фильтр на ПАВ. Для ТВ сигналов на 1,5 МГц ниже и на 8 МГц
выше несущей изображения обеспечивается избирательность не
менее 25 дБ.
В См2 сигналы ПЧ преобразуются в частотный диапазон выбран-
ного канала. Частоты /г| и [г2 на оба смесителя поступают от синтеза-
тора частоты (СЧ).
535
На входе выходного усилителя (ВыхУ) установлен канальный LC-
фильтр канала конвертирования. Усилитель — апериодический четы-
рехкаскадный на транзисторах КТ939А с повышенной линейностью
характеристик. Все каскады симметричны и охвачены глубокой ком-
бинированной ООС по постоянному и переменному токам. После со-
гласующего трансформатора (Т) сигнал подается на блок сложения
(БС) (см.рис. 19.6), а часть его ответвляется в систему АРУ (детектор
и однокаскадный усилитель постоянного тока на операционном уси-
лителе). Предусмотрена возможность отключения системы АРУ и
переход иа ручное управление.
Пример условного обозначения головной станции: СГ-215-06, где
первая цифра — принадлежностьксерии 200;вторая цифра — наличие
генератора пилот-сигнала; третья цифра — число принимаемых кана-
лов; четвертая и пятая цифры — вариант комбинации приемопередат-
чиков. Габаритные размеры станции, мм: 500x540x1800, масса 170 кг.
Новый комплекс аппаратуры для распределительных приемных
сетей телевидения и КТВ(серия 300), разработанный в ПО ’’Горизонт”
взамен оборудования серий 100 и 200, имеет улучшенные технико-эко-
номические показатели, позволяет создавать приемные PC телевиде-
ния различных классов и категорий сложности — от простых (десят-
ки, сотни абонентов) СКПТ до сложных двусторонних систем КТВ (до
20000 абонентов и более). Предусмотрены возможности передачи на
СГ сигналов системы дистанционного контроля и сопряжения с обо-
рудованием спутникового вещания, линиями ВОЛС и РРЛ. В состав
аппаратуры входят: станция (усилитель) антенная, станция головная,
модулятор телевизионный, усилители линейные, ответвители магист-
ральные, разветвители абонентские, блок питания дистанционный,
аппаратура диагностики и контроля, кодер/декодер платного ТВ.
19.4. 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), полоса частот
обратной передачи (от абонента к станции) 5...30 МГц, а протяжен-
ность линий МС и СМС составляет несколько десятков километров.
Для линий МС и СМС разработаны специальные коаксиальные кабе-
ли с изоляцией из сплошного или пористого полиэтилена, диаметром
внутреннего проводника 1,74—3,75 мм с алюминиевым (толщиной
1,2...1,4 мм) или медным (0,18 мм) внешним проводником 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 предпочтительны
кабели РК-75-11-11С (вместо РК-75-9-13), РК-75-4-11, РК-75-4-113,
536
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 величина коэффициента затухания а0 на
частоте измерения f0 при температуре 20°С, а также температурный
коэффициент затухания а0(. Тогда коэффициент затухания af на про-
извольной частоте и коэффициент затухания a/t при любой температу-
ре t можно вычислить по формулам
а1 — ao\lf/fo't
«ft = <М1 + “оХ* — 20)1-
Усилители. Линейные магистральные усилители серии 100 и 200
(например, УМ-101/220, УМ-201/220, УМ-111-60, УМ-221-60) выпу-
скаются на рабочий диапазон частот 40...240 МГц с одним и двумя
входами, с автоматической регулировкой усиления 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 водонепроницаемый корпус и выполнены в блочно-
модульной конструкции, что обеспечивает удобство смены модулей
при обслуживании и ремонте усилителей. Потребляема^ мощность
33...40 В-А. Структурная схема самого насыщенного магистрального
усилителя (двухвыходного с АРУиН) приведена на рис.19.8. Другие
типы получаются путем исключения ряда блоков из этой схемы.
С магистральной линии сигнал поступает на входную плату, кото-
рая обеспечивает согласование входа усилителя с радиочастотным
кабелем, а также его питание от дистанционного блока питания по
радиочастотному кабелю, для чего служат цепи обвода питания
На плате имеется контрольное гнездо для контроля входных
537
сигналов, а также разъемы для установки сменных аттенюаторов и
выравнивателей, назначение которых — обеспечить заданный уровень
сигнала на выходе усилителя и компенсировать неравномерность
АЧХ коаксиального кабеля. С входной платы сигнал поступает на
блок основного усилителя У 1, состоящего из предварительного усили-
теля (ПУ), аттенюаторов усиления и наклона и мощного оконечного
усилителя (ОУ).
С целью уменьшения нелинейных искажений обе ступени усиле-
ния собраны по двухтактной схеме на транзисторах, работающих в
режиме А. В ПУ применены транзисторы КТ-399А с коэффициентом
шума Кш^2 дБ; в каждом из плеч по два каскада, собранных по схеме
с общим эмиттером (ОЭ). В ОУ, работающем в режиме большого
сигнала, использованы транзисторы КТ-939А, специально разрабо-
танные для усилителей с малой нелинейностью амплитудной харак-
теристики; в каждом из плеч транзисторы включены 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 /?С-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 У 2 практически повторяет схему
выходного усилителя блока У1. Выходные платы обеспечивают согла-
сование выходов усилителей с радиочастотным кабелем и имеют кон-
трольные гнезда для контроля выходных сигналов. На этих платах
имеются также цепи обвода питания (L2C2 и L3C3), аналогичные
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 дополнительном —
116 дБ/мкВ.
Блок АРУиН обеспечивает поддержание постоянного рабочего
уровня сигнала при действии дестабилизирующих факторов на маги-
стральной линии СКТВ. Схема АРУиН работает по контрольным
уровням пилот-сигналов, поступающих с СГ по кабелю. В блоке АРУиН
выделенные частоты пилот-сигналов усиливаются, детектируются и
сравниваются с опорным сигналом.
Принципиальным отличием усилителя серии 100 от усилителя се-
рии 200 является отсутствие устройства автоматического наклона
АЧХ и дополнительного усилителя.
Принципиальная схема домового усилителя (УД-101, УД-201) по-
добна схеме УМ, за исключением введения дополнительного (третье-
538
го) каскада усиления во входном усилителе вместо схемы АРУиН;
вследствие этого коэффициент усиления УД возрос до 35 дБ (для УМ
— 18...28дБ). При этом на входе УД добавлен аттенюатор для плавной
регулировки усиления на резистивном делителе. Уровень сигнала на
выходе 117...119 дБ/мкВ.
Пример условного обозначения усилителей: УМ-222/60 — усили-
тель магистральный серии 200(первая цифра — 2)с двумя выходами
(последняя цифра перед дробью — 2), с АРУиН (средняя цифра трех-
значного числа — 2), с подачей напряжения питающей сети 30...60 В по
магистральному кабелю (число после дроби — 60); УМ-111/220 — уси-
литель магистральный серии 100(1) с одним выходом (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 регу-
лировок (0) и питанием от сети переменного тока 220 В
Ответвители. Мощность сигналов в магистральных и субмагист-
ральных линиях ответвляется с помощью магистральных направлен-
ных ответвителей ОМ, представляющих собой мостовые устройства
на трансформаторах с ферритовыми сердечниками. В зависимости 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 уровней сигналов на
отводах ОМ, включаемых в разных точках соединительных линий МС
и СМС.
Ответвители широко используются также для деления ВЧ сигна-
лов в необходимых пропорциях в распределительных сетях СКТВ,
например на выходе УД для подачи сигналов на различные верти-
кальные соединительные линии ДРС (см.рис. 19.4). Кроме того, учиты-
вая обратимость ОМ, они используются для сложения ВЧ сигналов,
поступающих в PC от различных источников.
Пример условного обозначения магистральных ответвителей:
ОМ-101/3, ОМ-102/6 и т.д. Цифра после дроби означает переходное
затухание ВЧ сигнала от входа к отводам, дБ; цифра перед дробью
— число отводов. Проходное затухание от входа к выходу в пределах
0.8...3 дБ.
Разветвители. Абонентские разветвители (РА) обеспечивают рас-
пределение мощности по абонентским отводам. В зависимости от ва-
рианта исполнения РА имеют переходное затухание между входом и
каждым из отводов 10,13,16,22 дБ (для выравнивания уровней сигна-
лов у абонент.ов). Разветвители построены подобно ОМ по трансфор-
маторным схемам на основе ферритовых сердечников. Конструктивно
РА выполняются в корпусах (негерметичных, с учетом условий уста-
новки 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 — иа 4 отвода, а = 22 дБ. Проходное затухание от входа
к выходу — в пределах 0.8...3 дБ.
539
Абонентские коробки(КА). На конце абонентской линии включается
КА с двумя развязанными выходами для подключения ТВ и УКВ ЧМ
приемников (КА-102). Коробка так же, как ОМ и РА, выполнена по
трансформаторной схеме с использованием ферритовых сердечников и
по схеме подобны ОМ-101 /6, а конструктивно - в корпусе из ударопроч-
ного полистирола, в котором укреплена печатная плата.
Подробнее вопросы построения СКПТ и КТВ освещены в[58,59,60J.
ГЛАВА 20
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ
20.1. МЕТОДЫ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В последние годы достигнут значительный прогресс в области ТВ
измерений. Это связано с быстрым ростом передающей и приемной
сети цветного телевидения с широким фронтом работ в области циф-
рового и кабельного телевидения, ТВ систем с раздельной передачей
составляющих цветового ТВ сигнала, разработкой систем ТВ высокой
четкости и др.
Наметилась тенденция повышения информативности сигналов ТВ
программ путем комплексного использования пропускной способно-
сти ТВ канала. Систему передачи сигналов ТВ программ стали рас-
сматривать как многоканальную систему, в которой одновременно с
сигналом изображения передают сигналы дополнительной информа-
ции. Потребовалось не только коренным образом изменить критерии
оценки качества и характеристики большинства технических средств
ТВ тракта, но и разработать новый подход ко многим метрологиче-
ским задачам с учетом особенностей методов передачи цветных ТВ
изображений и специфики восприятия и одновременной передачи до-
полнительной буквенно-цифровой и графической информации. Повы-
сились требования к точности ТВ измерений. В связи с этим разраба-
тывается и внедряется новый арсенал контрольно-измерительной
техники [86]. В настоящее время имеются предпосылки к созданию
систем и устройств, способных полностью автоматизировать процесс
измерений основных качественных показателей различного ТВ обору-
дования.
Все большее применение находит дискретное представление ТВ
измерительных сигналов, которое позволяет при их обработке исполь-
зовать средства цифровой вычислительной техники. Цифровые мето-
ды реализуют при создании адаптирующихся многоцелевых измери-
тельных комплексов с автоматической настройкой параметров
функциональных блоков. Результаты измерений автоматически ото-
бражают непосредственно в цифрах, которые могут регистрировать-
ся с помощью знакопечатающих устройств.
Разработка и внедрение ТВ цифровых измерительных приборов,
540
достижений микропроцессорной техники, а также использование для
измерения и контроля в ТВ ЭВМ обеспечили качественный скачок в
ТВ метрологии.
Стремление к удовлетворению высоких требований к работе тех-
нических средств ТВ вещания приводит к возрастанию количества и
сложности ТВ контрольно-измерительной аппаратуры. Это вызывает
необходимость повышать квалификацию обслуживающего персона-
ла, усложняет и удорожает эксплуатацию ТВ передающей и прием-
ной сети. Дальнейшее совершенствование ТВ измерительной техники
и эффективность ее использования достигаются за счет объединения
независимых измерительных средств в измерительные информацион-
ные системы. Эти системы состоят из связанных между собой автома-
тических измерительных устройств и средств обработки измеритель-
ной информации, обеспечивающих комплексную автоматизацию
контроля и измерений, существенно расширяющих и дополняющих
возможности обычных ТВ контрольно-измерительных систем.
К ТВ измерениям относят измерения световых и электрических
параметров и характеристик приборов и аппаратуры, обеспечиваю-
щих передачу я прием ТВ информации, величин, характеризующих
режимы их работы, а также техническое качество ТВ изображений.
Телевизионная метрика охватывает обширный комплекс световых
и радиотехнических измерений. С помощью световых измерений оце-
нивают характеристики передаваемого и воспроизводимого изобра-
жений, качество преобразований свет-сигнал и сигнал-свет при ана-
лизе объекта передачи и синтезе ТВ изображений на экране
воспроизводящего устройства. С помощью радиотехнических измере-
ний оценивают процесс формирования ТВ сигнала, его преобразова-
ний при передаче и приеме, качество ТВ каналов аппаратно-студий-
ных комплексов телевизионных центров, радиорелейных, кабельных
и спутниковых систем связи, радиопередающих и ретрансляционных
ТВ станций, а также и 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 опыт-
ным путем численного отношения между измеряемой величиной и
некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Результат
измерения получают в виде именованного числа (вольты, амперы и
т.п.), совокупности чисел, графика.
Контроль — это операция, сводящаяся к сопоставлению и уста-
новлению соответствия проверяемого сигнала, параметра или харак-
теристики и зоне задаваемых допусков. Результат контроля — логи-
ческое заключение или некоторое суждение, например "в норме” —
"не в норме", "больше" — "меньше" и т.д.
Различия в этих определениях в связи с быстрым совершенствова-
нием ТВ измерительных и контрольных устройств в некоторой мере
541
условно, так как методы и технические средства измерений и контро-
ля взаимно связаны. Например, в цифровых приборах с автоматиче-
ским выбором диапазона измерений при отыскании требуемого диа-
пазона проводятся операции, примерно такие же, как в устройствах
допускового контроля. Использование же цифровых методов в допу-
сковом контроле позволяет выдавать результаты сравнения с допу-
ском в виде не только качественного суждения, но и количественной
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 измеряемой
величины. На практике можно найти лишь приближенное значение
погрешности измерения, поскольку истинное значение измеряемой
величины остается неизвестным.
Телевизионную контрольно-измерительную информацию (инфор-
мацию о значениях измеряемых физических величин) извлекают из
световых, электрических и радиосигналов. Под ее обработкой пони-
мают процесс, в результате которого контрольно-измерительная ин-
формация становится максимально подготовленной для последую-
щих операций — представления оператору, ввода в ЭВМ и т.д.
На практике основные возможности данного ТВ тракта обычно
характеризуют рядом показателей. Это позволяет достаточно надеж-
но предсказать ожидаемое качество воспроизводимого ТВ изображе-
ния.
Рассмотрим критерии и способы оценки технических показателей
ТВ изображения, так как оценка изображений с художественной точ-
ки зрения выходит за рамки настоящего учебника. Качественные по-
казатели ТВ изображения условно можно подразделить на световые
и растровые.
Световые показатели изображения — максимальная яркость,
контраст, число воспроизводимых градаций яркости, диапазон восп-
роизводимых цветов, качество цветопередачи, четкость, резкость, а
также различные искажения, проявляющиеся в нарушении распреде-
ления яркостей и цветностей в изображении.
Растровые показатели — это размеры и формат кадра, нелинейные
и геометрические искажения растра, возникающие в передающих и
приемных устройствах, которые в основном нарушают геометриче-
ское подобие принятого изображения его оригиналу. Сюда же можно
отнести показатели, характеризующие качество совмещения растров
в передающей и приемной аппаратуре, стабильность положения рас-
тра. Качественные показатели ТВ растров практически не связаны с
характеристиками ТВ канала, а определяются развертывающими ус-
тройствами передающих и приемных трубок.
В цифровом ТВ некоторые искажения изображения, связанные с
процессом кодирования и дефектами цифрового сигнала (дрожание,
цифровые ошибки и т.д.), отличаются от искажений, характерных для
аналогового ТВ. Как в аналоговых, так и в цифровых системах иска-
жения могут зависеть от содержания передаваемого изображения.
542
При оценке изменения качества ТВ изображения в зависимости от
уровней искажений или помех в ТВ сигнале используют методы субъ-
ективно-статистических экспертиз. Поскольку основой таких экспер-
тиз является использование специальных и универсальных испыта-
тельных изображений, им должно быть уделено особое внимание. В
качестве испытательных выбирают сюжетные изображения, близкие
по характеру к наиболее часто встречающимся в практике ТВ веща-
ния. Это изображения человеческого лица (крупный и средний план),
групп людей, пейзажей и архитектурных композиций с большим чис-
лом деталей разного размера. Эти изображения должны иметь доста-
точную гамму полутонов и содержать контрастные переходы (яркост-
ные и цветовые). С учетом требований учебного ТВ этот перечень
можно дополнить изображениями, содержащими надписи, формулы,
графический материал и т.д. Для оценки систем цифрового телевиде-
ния требуются подвижные изображения.
При рассмотрении различных видов искажений, как правило, при-
водятся зависимости ухудшения качества ТВ изображения от иска-
жений, возникающих в ТВ тракте. Это важно при установлении норм,
а также при разработке измерителей, втом числе для автоматической
оценки качества ТВ изображений.
Субъективные экспертизы проводят в соответствии с определен-
ной методикой, которая регламентирует испытательные изображе-
ния, выбор наблюдателей, шкалы оценок, условия наблюдения, поря-
док 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 неспеци-
алистам, особенно если в результате измерений нужно определять
допуски на искажение. Следует только избегать участия наблюдате-
лей, имеющих значительные пороки зрения. При субъективных экс-
пертизах наблюдатели должны знать методику проведения экспери-
мента, шкалы оценок в диапазоне ухудшений изображений,
используемых в ходе эксперимента. Число наблюдателей должно
быть по крайней мере десять.
При установлении зависимости качества изображения от искаже-
ния МККР рекомендует применять пятиградационные шкалы каче-
ства 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”
543
Когда при эксперименте нужно сравнивать изображения, реко-
мендуется следующая шкала:
Шкала сравнения
+3 — ’’намного лучше” —1 — ’’немного хуже”
+2 — ’’лучше” —2 — ’’хуже”
+1 — ’’немного лучше” —3 — ’’намного хуже”
О — ’’одинаково”
Если не требуется определять зависимость качества изображения
от разных уровней помехи (или искажения), а необходимо лишь уста-
новить предельно допустимое значение помехи, например для выра-
ботки допуска, часто применяют двухградационную шкалу оценок.
Такая шкала устанавливает соответствие качества изображения,
предъявляемого наблюдателю, заданному критерию. Критерий каче-
ства изображения в данном случае — это средняя оценка, данная
группой наблюдателей.
В практике проведения субъективных экспертиз наряду с пяти-
бальной шкалой используют и другие шкалы (шести- и семибальные).
Для сопоставления результатов, полученных с применением шкал,
имеющих разное число баллов, используют нормализованную шкалу
оценок, основанную на преобразовании интервала их изменения к
единичному. Оценки нормализованной шкалы связаны с оценками
пятибальной шкалы:
Af
и = (U — 1 )/4, U = 4и -(- 1; U = \1р,, Р, = n,/N, (20.1)
<=i
м
гдеп, — число оценок, 1...Л4 —общее число оценок; U— средняя
i=i
экспериментальная оценка.
Однако предстоит решить задачу по созданию устройств
(рис. 20.1,а), которые поданным объективных измерений прогнозиро-
вали бы субъективную оценку качества ТВ изображения как по от-
дельным параметрам, так и по совокупности основных из них, т.е.
косвенно измеряли субъективно оцениваемое качество ТВ изображе-
ний в виде объективного показателя совершенства ТВ аппаратуры
или ТВ системы.
Основой для построения таких устройств — квалиметров (quali-
ty — качество) могут быть характеристики ухудшения, выражающие
связь качества ТВ изображения с отдельными видами искажений и
законы сложения искажений (интегральные критерии качества).
При совместном действии п видов искажений результирующая
оценка качества ТВ изображения (Jj = f(t/„f/2,...,(/„), где Ut,
U2,...,Un — оценки качества по каждому виду искажений.
544
a)
Рис. 20.1 К построению квалиметра:
а — структурная схема; б — алгоритм оцеякя качества ТВ изображений
Конкретная функциональная зависимость связана с выбранным
законом сложения искажений и определяет алгоритм работы квали-
метра, т.е. алгоритм интегральной оценки качества изображения.
Классификация алгоритмов в соответствии с известными закона-
ми сложения искажений приведена на рис. 20.1,6. Основные алгорит-
мы и их математическое описание следующие.
Мультипликативные алгоритмы. Нормированная сенсорная фун-
кция (относительное качество) [62]
Q = Ц Д<,*=1,2,3, (20.2)
С,У,П=1
где С — совокупность параметров, характеризующих цветность; V —
совокупность параметров, характеризующих объемность; Т — сово-
купность параметров, общих для черно-белого и цветного изображе-
ний;^ — нормированная сенсорная функция i-ro параметра; k —коэф-
фициент нормирования; п - число параметров.
Частная оценка по z-му параметру — результирующая относитель-
ная оценка качества [87]
545
л
ux = 0,113 4- 0.887JJ Uj,
i=i
(20.3)
'де uf — частная оценка no i-му параметру.
Кумулятивная функция вероятности [86]
[[^(Ц^1/х) = 0,5,
(20.4)
где1Г({/1^ t/2) —кумулятивная функция вероятности того, что оценка
качества по i-му параметру не ниже UT.
Аддитивные алгоритмы. Арифметическая сумма импов(результи-
рующее ухудшение) [64]
* л
/х = (20.5)
i=i
где — частное ухудшение по i-му параметру.
Квадратичное суммирование импов[64]
Л
'z = (£'h,/2 (20.6)
i=i
Рекуррентное суммирование
I /Vft'U/V. 1/ Vmax~ vmincJI.
(20.7)
где vmax’ vmin — максимальное и минимальное значения показателя
степени закона сложения V;c —параметр, характеризующий скорость
изменения V с увеличением /2. Усреднение этих значений при п = 3,
4, 5, 6, 8 дает vmai = 2,54; vmin = 0,51; с = 0,65. При п = 6 = 2,62;
^ = 0,47, с = 0,77 [15].
Мультипликативные алгоритмы связаны с законами суммирова-
ния, которые учитывают произведение относительных оценок качест-
ва. Качество изображения можно выражать через сенсорные функции
для отдельных видов искажений (20.2) [62] и на основании частных
оценок(20.3). Алгоритм вычисления оценки качества ТВ изображения
при совместном воздействии нескольких искажений путем расчета
результирующей кумулятивной функции распределения оценок, по
которой эта оценка находится для заданной вероятности, выражается
(20.4) [64].
Аддитивные алгоритмы основаны на суммировании ухудшений,
используемых непосредственно в качестве меры снижения качества
ТВ изображений. Алгоритмы арифметической суммы и квадратично-
го суммирования импов дают практически равную оценку результи-
рующего ухудшения при /, = 1 имп (i = 1, При меньших ухудше-
546
ниях более жестким является алгоритм в виде арифметической сум-
мы импов. Рекуррентный алгоритм выражает закон суммирования,
показатель степени которого зависит от результирующего ухудше-
ния. Этот алгоритм может достаточно точно аппроксимировать экспе-
риментальные данные о снижении качества при совместном действии
нескольких видов искажений при п = 2...8 [64.15J. Таким образом, на
этапе разработок телевизионного квалиметра предстоит провести
широкие экспериментальные исследования.
20.2. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЙ
С ПОМОЩЬЮ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТРОК
Качество вещания в процессе передачи программ можно контро-
лировать путем передачи испытательных сигналов во время обратно-
го хода по кадру. Такой метод контроля получил наименование метода
испытательных строк.
Системы, основанные иа этом методе, позволяют организовать
сквозной допусковой контроль видеотракта в целом, а также отдельно
его звеньев, поэтому их выгодно использовать в качестве источника
измерительной информации в телевизионных измерительных инфор-
мационных системах (ТИИС)[86], предназначенных для контроля ТВ
каналов и передающих радиостанций в процессе передачи. Наличие
испытательных строк в сигнале, излучаемом радиопередающей ТВ
станцией, позволяет рассматривать ее как мощный генератор испы-
тательных сигналов, которые могут приниматься во всей зоне дейст-
вия станции. Благодаря этому возможен сквозной допусковой конт-
роль ретрансляторов, работающих от этой станции, а также можно
объективно оценивать параметры приемных антенн индивидуального
и коллективного пользования, распределительных сетей ит.д.
Работы по выбору оптимальной формы контрольных сигналов и их
местоположения в видеосигнале дали возможность в рамках Между-
народных организаций разработать стандартную форму испытатель-
ных сигналов (ИС) и их местоположение в интервале кадрового гася-
щего импульса [88].
На рис. 20.2 показано местоположение интервалов введения конт-
рольных сигналов в кадровом гасящем импульсе; 16-я и 329-я строки
предназначены для введения специальных импульсов опознавания
источников телевизионных программ или пунктов введения междуна-
родных контрольных сигналов, замешиваемых встроке 17,330; 18,331
видеосигнала; строки 19 — 21 и332 — 334 предназначены для введения
ИС, используемых для контроля трактов внутри страны.
Для контроля основных качественных показателей телевизионных
трактов в процессе передачи в настоящее время используется ИС
(рис. 20.3 — 20.6) и сигналы опознавания (рис. 20.7) в интервале кад-
рового гасящего импульса. В состав сигналов, вводимых в одну строку
(рис. 20.3, 20.5), входят:
М7
Рис. 20.2. Местоположение интервалов введения испытательных строк в кадровом га-
сящем импульсе и их расположение на приемном экране
а)импульс "белого” — для контроля диаграммы уровней и переход-
ной характеристики в области среднего времени;
б) синусквадратичный импульс длительностью 1664-10 нс —для
контроля переходной характеристики в области малого времени;
в) импульсный сигнал для контроля сигналов яркости и цветности;
г) пятиступенчатый сигнал, на который может быть наложено си-
нусоидальное напряжение частоты 1,2 МГц или 4,3 МГц, для измере-
ния нелинейности амплитудной характеристики, дифференциального
усиления и дифференциальной фазы (при насадке 4,43 МГц) и для
оценки влияния сигнала цветности на сигнал яркости (путем включе-
ния и выключения насадки 4,43 МГц).
Измерительные сигналы, вводимые в другую строку (рис. 20.4),
состоят из шести серий (пакетов) синусоидальных колебаний частот:
0,5; 1,5; 2,8; 4,43; 5,0 и 5,8 МГц, расположенных на пьедестале и пред-
назначенных для контроля АЧХ в шести дискретных точках. Размахи
этих пакетов на выходе контролируемого тракта измеряются в про-
центах относительно размаха специального прямоугольного импуль-
са, расположенного перед пакетами.
Сигналы опознавания (рис. 20.7) пунктов введения рассмотренных
сигналов вводятся в строку первого поля, расположенную перед пер-
вой испытательной строкой (рис. 20.2), они состоят из четырех прямо-
угольных импульсов, длительность которых может изменяться в пре-
делах от 1 до 10 мкс дискретно через 1 мкс. При этом обеспечивается
возможность опознавания до 10000 пунктов [88]. Предусмотрено "га-
шение" ранее замешанных в видеосигнал ИС и помех в интервалах, в
которые должны быть введены контрольные сигналы и сигналы опоз-
навания.
548
549
Процесс ТВ вещания автоматизируется на базе широкого исполь
зования ЭВМ. Если ранее на электронно-вычислительный комплекс
(ЭВК) телецентров намечалось возложить лишь функции управления
локальными системами, связанными с созданием программ, то соче
тание такого ЭВК с современными контрольно-измерительными сис
темами позволит увязать все операции по управлению с одновремен
ным контролем технического качества программ, значительно
повысить эффективность эксплуатации.
Системы, разрабатываемые для задач ТВ и имеющие характер-
ные признаки измерительных информационных систем, для использо-
вания единой терминологии были названы телевизионными измери-
тельными информационными системами (ТИИС)(рис. 20.8). Их часто
называют также ТВ измерительными системами. Этосвязанные меж-
ду собой автоматические измерительные устройства и средства обра-
ботки измерительной информации, обеспечивающие комплексную ав-
томатизацию и централизацию контроля и измерений с существенно
расширенными возможностями по сравнению с обычными контроль-
но-измерительными системами. Они позволяют не только комплексно
Рис. 20.8. Функции телевизионной измерительной информационной системы ТИИС
550
автоматизировать контрольно-измерительные процессы, но и эффек-
тивно обрабатывать, документировать и хранить результаты измере-
ний, передавать и выдавать их в удобном виде и т.п.
При выборе измерительных сигналов для телевидения высокой
четкости (ТВЧ) в первую очередь учитывают широкополосность сиг-
налов ТВЧ и каналов их передачи. При формировании сигналов ТВЧ
для компонент сигнала яркости отводится полоса частот примерно 30
МГц (в ряде случаев, при построчной развертке, до 60 МГц), а для
цветоразностных сигналов — около 15 МГц. Требования к точности
формирования таких сигналов и их передаче (как до кодирования, так
и после) существенно повышаются, поскольку более высока замет-
ность их искажений при наблюдении ТВ изображений на больших
широкоформатных экранах.
Для оценки импульсных характеристик каналов ТВЧ передачи
сигналов яркости (Frp = 30 МГц) рационально использовать сигналы,
форма которых определяется функцией g(/)[86]:
w
£(О = £а„
n=-N
sino>rpO — пГ)
wrp(/ - пТ)
где коэффициенты ап = а_па0 = 1. При изменении значений функции
g(t) в границах до второго перехода через нулевые значения с = 2Т0=
= 2Т = 1 /Frp = 33,34 нс (2Г-импульс), а для оценки каналов передачи
цветоразностных сигналов (F ц = F.2) — такие же по форме сигналы
при c—2T0=4T=2/F =2/Frp= 66,6/ нс (47-импульс).
На рис. 20.9 и 20.10 приведены варианты набора элементов сигна-
лов для оценки частотных свойств канала ТВЧ. Практически группы
этих элементов могут передаваться либо поочередно в интервале од-
ной строки, либо последовательно в нескольких строчных интервалах
[86]. Сигналы на рис.20.9 предназначены для измерения АЧХ на дис-
кретных частотах. Серии синусоидальных колебаний частот 0,5; 1; 2 и
4 МГц имеют соответственно длительности 4, 2, 1 и 0,5 мкс.
Огибающие серий синусоидальных колебаний частот 8; 22 и 26
МГц имеют форму, соответствующую функции g(t)(no первого пере-
хода через нулевое значение) при То = 125 нс, и их спектр заключен в
полосе частот F ±4МГц. Огибающие серий синусоидальных колеба-
ний 12; 15 и 18 МГц аппроксимируются такой же функцией при То =
= 166,7 нс, и их спектр сосредоточен в полосе частот Fn±3MTn. Серии
синусоидальных колебаний частоты 28 МГц имеют форму функции
g(t) при То = 250 нс и занимают спектр в полосе частот 28,0±2 МГц.
Серии синусоидальных колебаний частот 14; 16 и 29 МГц имеют ана-
логичную форму при То = 500 нс и охватывают спектр в полосе частот
F„±l МГц. Наконец, спектр серии синусоидальных колебаний часто-
ты 29,5 МГц заключен в полосе частот 29,5±0,5 МГц(Г0= 1000 нс).
Наряду со статической нелинейностью, приводящей к нелинейным
безынерционным искажениям сигнала в ТВЧ к существенным иска-
жениям сигнала может приводить динамическая нелинейность, свя-
551
Рис. 20.9. К оценке АЧХ канала ТВВЧ (внизу — спектры сигнала, вверху рисунка —
элементы сигнала); частоты пакетов /п в МГц и их длительность в мкс (в скобках):
0,5(4), 1(2); 4(0,5); 12(0,667); 14(2); 15(0,667); 22(0,5); 26(0,5); 28(1); 29(2); 29,5(4)
Рис. 20.10. Элементы измерительных сигналов для оценки частотных характеристик
канала ТВЧ:
То — длительность по основанию (мкс); Fo — частота заполнения (МГц); Т = 16,67 нс
занная с изменением частотных свойств канала на разных уровнях сиг-
налу и характеризующая способность канала передавать информацию
о мелких элементах изображения. Существенным представляется тот
факт, что формируемые при этом гармонические составляющие относи-
тельно низкочастотногосигнала не устраняются широкополосным кана-
лом передачи ТВЧ. Оценка таких искажений может проводиться с по-
мощью серий синусоидальных колебаний нескольких частот малого
размаха и импульсных сигналов малой длительности и малого размаха,
передаваемых на разных уровнях сигнала.
552
Рис. 20.11. Сигнал для оценки нелинейных искажений канала ТВЧ
На рис. 20.11 приведен сигнал для оценки статических и динами-
ческих нелинейных искажений. Динамические искажения могут оце-
ниваться традиционными методами с помощью 10- или 5-ступенчато-
го сигнала с синусоидальными насадками разных частот (1; 5; 10; 20 и
25 МГц), а также путем передачи импульсных разнополярных сигна-
лов на каждой ступени.
Для оценки параметров каналов передачи сигналов ТВЧ могут
быть использованы и другие варианты сочетаний описанных выше
измерительных сигналов. Детальный анализ всех необходимых пара-
метров каналов передачи сигналов ТВЧ может быть осуществлен
путем автоматических измерений. При визуальных измерениях число
оцениваемых параметров может быть сокращено.
Рассмотренные сигналы могут быть применены для оценки как
аналоговых каналов раздельной или совместной передачи компонент
сигналов ТВЧ, так и каналов, где используется цифровое кодирова-
ние.
20.3. ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КАНАЛАХ
Искажения изображений и сигналов в цифровом телевидении раз-
деляют на подобные возникающим в аналоговом телевидении и на
вызванные дискретным способом передачи информации, а также
свойственные конкретной цифровой системе.
Таким образом, исходя из анализа искажений изображения и сиг-
налов в цифровых системах кроме характеристик, которые измеряют-
ся в аналоговом ТВ, необходимо также измерять ряд присущих им
параметров.
Качество цифровых ТВ каналов можно оценивать такими пара-
метрами цифрового ТВ сигнала, как коэффициент ошибок и фазовое
дрожание ФД.
553
Как при анализе искажений, так и при решении метрологических
задач целесообразно разделить цифровые ТВ системы на два класса:
системы, работающие без устранения информационной избыточности
в ТВ сигнале и с устранением ее [86].
К ТВ системам без устранения избыточности можно отнести сис-
темы с линейной импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ-ТВ). Так как
искажения, возникающие в них, связаны с дискретным способом пе-
редачи сигналов, они присутствуют и в системах с устранением избы-
точности.
Шумом квантования называют разность между сигналом и его
квантованным приближением. При малом числе уровней квантова-
ния на изображении появляются ложные контуры деталей, а также
искажения в виде сетки или "цветной бахромы”. При числе уровней
квантования порядка 27...28 эти контуры практически незаметны и
шумы квантования проявляются подобно действию флуктуационных
помех.
Рассмотрим искажения, связанные с дискретизацией сигнала во
времени (в системах с ИКМ обычно применяют равномерную дискре-
тизацию). Эти искажения проявляются, например, на синусоидаль-
ном сигнале как паразитные амплитудная и фазовая модуляции. Из-
за относительной нестабильности частоты дискретизации и частоты
строк могут возникать искажения в ТВ сигнале и может возрастать
уровень флуктуационных помех в каналах яркости и цветности.
Цифровой ошибкой называют неверное распознавание в прием-
ном устройстве кодовой комбинации, соответствующей передаваемо-
му значению ТВ сигнала. На изображении цифровые ошибки чаще
всего проявляются подобно действию импульсных помех в аналого-
вом ТВ.
Фазовое дрожание (джиттер) — временная нестабильность кодо-
вых цмпульсов, накапливающаяся в системе пропорционально числу
регенераторов, приводит к возрастанию уровня флуктуационных и
периодических помех в выходном сигнале. Сильное фазовое дрожа-
ние (ФД) может привести к возрастанию уровня помех, потере четко-
сти, к окантовкам, разрывам вертикальных контуров изображения,
искажениям цветопередачи и даже к полному срыву связи.
Если уровень входного сигнала превышает допустимый для дан-
ного АЦП, то в зависимости от типа применяемого преобразователя
напряжение — код сигнал либо ограничивается, как в аналоговых сис-
темах, либо падает до нуля. Эти искажения в телевизионных цифро-
вых системах называются шумами перегрузки по уровню.
Искажения сигнала в системах с устранением избыточности во
многом определяются методом устранения избыточности, при этом
можно выделить характерные признаки. Рассмотрим их на примере
систем, использующих дифференциальную ИКМ (ДИКМ) с кодиро-
ванием разностей между двумя соседними отсчетами. Кроме шумов
квантования в системах ДИКМ присутствуют искажения: шумы пе-
554
регрузки по крутизне и шумы зернистой структуры (гранулярные
шумы) и др.
Особенностью систем ДИКМ является то, что в декодирующем
устройстве могут накапливаться шумы и цифровые ошибки, а также
возникать дрейф постоянной составляющей сигнала. Поскольку вод-
ной строке накопленные шумы могут несколько отличаться от шумов
в другой, возникают шумы мерцания на участках с мало меняющейся
крутизной сигнала.
Искажения в цифровых системах определяются конкретным клас-
сом ТВ системы, поэтому вопросы измерений рассмотрим раздельно
для каждой из них. Заметим, что в процессе передачи контроль и
измерения могут обеспечиваться с помощью цифрового измеритель-
ного сигнала, который определяется одновременно с цифровым ТВ
сигналом. Он не наблюдается на принятом изображении, но его мож-
но выделить в пунктах контроля.
Коэффициент ошибок в цифровых ТВ каналах можно измерять,
используя ТВ цифровой измерительный сигнал в виде псевдослучай-
ной последовательности (ПСП) символов. В системах, имеющих ско-
рость передачи 34,368 Мбит/с и выше, используют М-последователь-
ность с периодом 223 —1 = 8388607 бит, описываемую генераторным
полиномом й(О)=О23-|-О54-1,где£) — оператор задержки на 1такт[86].
Измерять можно прямым сопоставлением (сложением по модулю 2)
переданного по тракту измерительного сигнала с идентичной ПСП,
генерируемой в измерительном приборе на приемной стороне. Значи-
। сльно более эффективны методы, основанные на свойствах М-после-
довательностей или применяемых в каналах кодов.
Важной характеристикой цифровых ТВ каналов является коэффи-
циент передачи ФД цифрового ТВ сигнала, определяемый как зави-
симость от частоты отношения размахов синусоидального ФД на вы-
ходе и входе измеряемого канала. Для такого измерения необходимо
иметь генератор цифрового измерительного сигнала с калиброван-
ным введением синусоидального ФД. Если в точке измерения имеется
явно выраженное периодическое (чаще всего синусоидальное) ФД, его
оценивают размахом выявленного периодического ФД.
На помехоустойчивость цифровых ТВ каналов оказывает влияние
шумовое ФД, оцениваемое так же, как и шумы в аналоговом ТВ, —
действующим значением напряжения шумового ФД.
Следует отметить, что измерители параметров ФД существенно
упрощаются, если использовать высокостабильный опорный сигнал,
относительно которого оценивают ФД.
20.4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ТАБЛИЦЫ
Для контроля и измерений в телевидении используются различ-
ные испытательные изображения (таблицы). Однако с переходом на
цветное вещание их использование весьма затруднено в связи со
сложностью изготовления цветных таблиц и низким их качеством.
555
Наиболее широкое использование получили телевизионные испы-
тательные таблицы, формируемые генераторами электрических сиг-
налов. На рис. 4.9 была приведена в черно-белом виде цветная
универсальная электрическая испытательная таблица [16], предназ-
наченная как для субъективного, так и объективного контроля и из-
мерения основных характеристик качества цветного и черно-белого
ТВ изображений.
Испытательный сигнал, обеспечивающий воспроизведение на эк-
ране приемного устройства изображения УЭИТ, формируется с по-
мощью электрических устройств. Поэтому испытательный сигнал
свободен от искажений, вносимых передающими ТВ камерами.
С помощью УЭИТ проверяются наиболее важные характеристики
цветного и черно-белого телевизионных изображений и некоторые
параметры ТВ тракта. Чтобы облегчить работу с испытательной таб-
лицей и определить местоположение и назначение отдельных ее эле-
ментов, в ней имеются цифровые и буквенные обозначения. Выделяя
любой участок растра с помощью ТВ осциллографа, можно произве-
сти количественный (объективный) контроль основных параметров
телевизионной системы и соответствия их заданным нормам.
С помощью универсальной ЭИТ таблицы для настройки тракта
системы SECAM проверяют и устанавливают следующие парамет-
ры: размеры, формат и центровку изображения; геометрические и
нелинейные искажения растра; яркость и контраст изображения; раз-
мах полного ТВ сигнала и его составляющих; качество и устойчивость
синхронизации; статическое и динамическое сведение лучей; линей-
ные искажения сигналов; баланс белого, воспроизведение градаций
яркости; верность воспроизведения цветов; установку нулей характе-
ристик частотных детекторов; контроль коррекции предыскажений
сигнала цветности; совпадение во времени сигналов яркости и цвето-
разностных сигналов.
Рассмотрим некоторые особенности элементов УЭИТ, используе-
мых для контроля процессов кодирования и декодирования, а также
Рис. 20.12. Испытательная таблица для
настройки трактов цветного телевидения
для системы PAL
556
Рис. 20.13. Измерительные сиг-
налы для контроля частотных
модуляторов и дискриминаторов
хля проверки правильности и устойчивости цветовой синхронизации.
Так, в составе сигналов УЭИТ, предназначенных для контроля кана-
лов передачи ТВ сигналов, кодируемых по системе SECAM, применя-
ют сигнал радуги (горизонталь 12, рис. $.9), который обеспечивает
проверку модуляционных характеристик частотных модуляторов и
частотно-амплитудных характеристик дискриминаторов.
На рис. 20.13,а — д приведена форма соответствующих этому испы-
тательному сигналу сигналов основных цветов Е' R,E'G и Е'в и цвето-
разностных сигналов D'R и D'b. Эти сигналы подаются на входы коди-
рующего устройства нли частотных модуляторов соответственно.
Сигнал D'R в течение длительности строки изменяется линейно от +1
до—ЕасигналО'д — от—1 до4-1.Этосоответствуетизменениюдевиации
цветовой поднесущей fOR от +280 до —280 кГц и изменению девиации
частоты цветовой поднесущей fOR от —280 до +280 кГц. На рис. 20.13,е
приведена форма сигнала цветности. Форма сигнала яркости показа-
на на рис. 20.13,ж. Этим сигналам соответствует плавное изменение
цветности элемента испытательной таблицы от зеленого до пурпурно-
го с переходом через белое. По цвету изображения такого элемента
можно судить также о правильности цветовой синхронизации.
Для настройки каналов передачи и телевизоров системы NTS ис-
пользуют испытательную таблицу, создаваемую в верхней части рас-
тра сигналами цветных полос, а в нижней части — сигналами, соответ-
ствующими E'q и Е',. Передача этих сигналов облегчает регулировку
фазы поднесущей в кодирующем устройстве, повышает точность из-
мерения фаз на вектороскопе [86 гл.7 и 14].
На универсальной ЭИТ для настройки оборудования системы
PAL, показанной на рис. 20.12, размещены цветные полосы в обычной
557
последовательности. Ниже цветных полос расположено изображение
серой шкалы, используемое для оценки воспроизведения градаций
яркости и баланса белого. Далее между двумя белыми полосами (по
краям центральной части) предусмотрена черная полоса. С помощью
сигнала, формирующего этот участок таблицы, можно измерять пере-
ходные характеристики, а в интервале черной полосы вводить сигна-
лы опознавания пункта, передающего таблицу.
Между уровнем белого и уровнем черного передаются серии сину-
соидальных колебаний частот 1,2,3 и 4,43 М Г ц, позволяющих в первую
очередь оценивать частотные характеристики канала. Начальные фа-
зы серии синусоидальных колебаний цветовой поднесущей (4,43 МГц)
соответствуют передаче цветоразностного сигнала Е'с_г = 0. Этот
сигнал пригоден для настройки матричного устройства телевизора.
На белой полосе (в центре) расположен черный штрих. Длительность
импульса, соответствующего этому штриху, равна 1 мкс. Введение
этого сигнала позволяет обнаруживать и измерять отраженные сиг;
налы. Ниже помещаются участки таблицы, соответствующие сигна-
лам ±E'V, -|- E'y (слева) и E'v, if'^fcnpaea). Сигналы ±EV и 4-£и
модулируют пилообразным напряжением, благодаря чему образуют-
ся перекрещивающиеся линии на экране вектороскопа. Если декоди-
рующее устройство настроено правильно, сигналам + E'v и ±E'V
соответствует ахроматическое поле. Таким образом, использование
этих сигналов дает также возможность настраивать демодуляторы
при наблюдении таблицы на экране кинескопа. Центральная часть
таблицы расположена на сером фоне. На сером фоне имеется клетча-
тое поле, служащее для проверки развертывающих устройств и уста-
новки динамической сходимости цветного телевизора.
558
V. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ
СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
ГЛАВА 21
НОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ
Тенденции развития. Используемые в настоящее время системы
вещательного телевидения 625- и 525-строчных стандартов не удов-
летворяют современным требованиям, предъявляемым зрителем к
качеству ТВ изображения. При близком рассматривании на ТВ изо-
бражении становится заметна строчная структура. Чересстрочная
развертка на современных экранах с высокой яркостью вызывает
мерцание и "сползание” строк. На изображении наблюдаются муары
(для определенных сюжетов), искажения цвета и другие дефекты,
вызывающие снижение четкости по вертикали и горизонтали. В ре-
зультате четкость ТВ изображения значительно уступает четкости
фотографии и современных кинофильмов. Ограниченные размеры эк-
рана с форматом кадра 4:3 не обеспечивают зрителю "эффекта при-
сутствия”.
Перечисленные недостатки существующих систем вещательного
ТВ обусловили поиск новых путей повышения качества изображения,
который ведется по целому ряду направлений зарубежными и отече-
ственными специалистами [75].
В начале 80-х гг. был сделан важный принципиальный шаг в обла-
сти ТВ вещания — принят стандарт на цифровое кодирование для
студийной ТВ аппаратуры. Появление отдельного стандарта на сту-
дийную аппаратуру говорит о том, что формируется радикально но-
вый подход к разработке ТВ систем, который окажет существенное
влияние на будущее развитие телевидения. Инженеры, работающие
во всем мире над созданием более совершенных систем ТВ, исследуют
и предлагают возможность принятия отдельных, но взаимосвязанных
по единым цифровым параметрам многострочных стандартов на сту-
дийную аппаратуру, системы передачи и устройства воспроизведе-
ния. Эта тенденция нашла свое отражение в двух рекомендуемых
проектах на многострочный стандарт, выдвинутых приверженцами
525- и 625-строчных ТВ систем двух континентов. Ситуация сейчас
такова, что из-за разногласий, практически непримиримых, пока при-
нят лишь единый цифровой стандарт на многострочную систему с
двумя форматами разложения, привязанными к разверткам 50 и
60 Гц.
559
Практически все разработки, посвященные повышению качества
ТВ изображения, ведутся в трех основных направлениях, в немалой
степени связанных между собой и взаимно обогащающих друг друга:
использование ’‘резервов” современных ТВ систем посредством
применения дополнительной аналоговой и цифровой обработки ТВ
сигналов на передающей и приемной сторонах без изменения стан-
дартов разложения и передачи на передающей стороне. Это так назы-
ваемые "улучшенные” версии действующих систем, позволяющие
получить ТВ изображение повышенного качества (ТПК);
изменение систем передачи ТВ сигналов по радиоканалу, позволя-
ющее улучшить качественные показатели принимаемого ТВ изобра-
жения. При этом обеспечивается возможность приема обычным при-
емником изображения стандартного качества и специальным
приемником изображения с повышенной четкостью (ТПЧ);
применение многострочных ТВ систем со значительно большим,
чем у существующих стандартов, числом строк разложения и форма-
том кадра. Эти многострочные системы получили в настоящее время
название систем телевидения высокой четкости или высокого разре-
шения (ТВЧ или ТВР - High Definition Television).
21.1. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ТВЧ
В соответствии с определением МККР, предложенным в Отчете
801-1 "Современное состояние телевидения Высокой четкости", система
ТВЧ — это система, предназначенная для наблюдения с расстояния
около трёх высот изображения, причем данная ТВ система фактически
ил и почти обеспечивает ясность деталей, которые различимы в исходном
сюжете для наблюдателя со средней остротой зрения. Обычно при этом
имеются в виду улучшение четкости по горизонтали и вертикали в отно-
шении примерно 2:1, улучшенное восНроизвёдеиие цветов прежде всего
благодаря расширению полос частот сигнала яркости и цветоразност-
ных сигналов^ разделение цветоразностных сигналов и сигнала яркости
по спектрам или временам, формат каДра пЬрядка 5:3(до 2:1), многока-
нальное звуковое сопровождение с высоким качеством воспроизведе-
ния. Желательное количество строк разложения лежит в пределах
1000...2000. Наиболее благоприятное отношение чересстрочной развер-
тки 2:1, хотя имеются веские соображения в пользу применения прогрес-
сивной развертки.
Частотные характеристики зрительной системы человека, наблю-
дающего ТВ изображение, имеют характер ФНЧ как по пространству,
так и по времени, т.е. глаз не различает мелких деталей и не ощущает
мерцаний высокой частоты. Поэтому требуемые параме+ры ТВ сис-
темы, включая число строк разложения г, частоту кадров /к, полосу
частот видеосигнала определяемые при установленных условиях
наблюдения изображения, можно найти исходя из характеристик зри-
тельного аппарата [66]. В табл.21.1 приведены некоторые технические
параметры ТВ систем, определённые исходя из характеристик визу-
560
ального аппарата человека, при различных расстояниях наблюдения,
котцрое выражено в виде величины, кратной высоте воспринимаемого
изображения Л. Параметры системы с повышенным числом строк
разложения определены для формата 5:3 и чересстрочной развертки
60/30 Гц.
Таблица 21.1
Параметр 4Л 3»ЗА ЗЛ 2,5Л 2Л 7.2Л
Число строк Z 940 1125 1240 1480 1840 525
Полоса частот /в. МГц 11 16 19 27,5 42 2,8
Угол зрения в горизон- тальном направлении, град 23,5 28,3 31,0 36,9 45,2 10,7
Из таблицы видно, что оптимальное расстояние наблюдения для
действующего стандарта 525 строк (NTSC) составляет около 7Л. По-
нятно, что при наблюдении с расстояния меньше 7Л изображение
воспринимается как малодетальное и нечеткое.
Расстояние наблюдения. Проведенные исследования показали,
что при сокращении расстояния наблюдения и соответственно расши-
рении поля зрения в горизонтальном направлении происходит психо-
логическое слияние пространства наблюдателя с пространством сис-
темы показа изображения, появляется чувство глубины и
обеспечивается "эффект присутствия”, который начинает проявлять-
ся при углах зрения порядка 20...300. Однако существуют определен-
ные ограничения по физиологии зрительного аппарата, связанные с
восприятием движущихся объектов в ТВ сюжетах, особенно при пано-
рамировании. Визуальный аппарат человека не способен воспринять
слишком быстрое перемещение объекта с близкого расстояния, на-
блюдения. Испытания, проводимые с кинофильмами и ТВ изображе-
ниями в целях определения относительного расстояния для просмот-
ра движущихся изображений, показали, что расстояние для
длительного просмотра изображений с быстрыми перемещениями
объектов (со скоростью 20...30 град/с и выше) должно составлять
приблизительно 4Л для того, чтобы зритель не испытывал усталости,
но так как изображения с быстрыми перемещениями занимают не-
значительный процент в общем объеме телепередач, для систем ТВЧ
принимается расстояние наблюдения около ЗЛ. Изображения более
статичного характера могут наблюдаться с более близкого расстоя-
ния.
Число строк и формат изображения. При оценке требуемого числа
строк обычно исходят из условия слияния строчной структуры на
заданном расстоянии наблюдения. Для расстояния наблюдения око-
ло ЗЛ, как видно из табл.21.1, требуемое число строк разложения
составляет 1125... 1240, что практически вдвое превышает число строк,
используемое в настоящее время в стандартных 525- и 625-строчных
системах вещательного ТВ. Как показали эксперименты, качество и
561
достоверность восприятия изображения растут с увеличением площа
ди экрана и имеют максимум при форматах кадра 5:3 и 2:1.
Перемежение и частота кадров. При исследованиях по выбору
необходимого перемежения для системы ТВЧ делались попытки ис-
пользовать в таких системах более чем двукратное перемежение
строк. Однако экономия в полосе частот видеосигнала не оправдыва-
лась существенными искажениями изображения в виде дрейфа строк
и межстрочных мерцаний. Наилучший результат дает стандартный
способ двукратной чересстрочной развертки, одиако из-за известных
недостатков такого разложения общее качество изображения по
субъективной оценке снижается на 30 % по сравнению с построчной
разверткой при том же числе строк. Действительно, в ТВ системе,
имеющей z строк разложения при m-кратной чересстрочной разверт-
ке, полный ТВ кадр изображения в зрительной системе человека об-
разуется путем наложения т ТВ полей. Это означает, что малые по
высоте детали изображения воспроизводятся с частотой в т раз ниже
частоты полей. В результате ТВ изображение при чересстрочной раз-
вертке по качеству уступает изображению от построчной, и обуслов-
лено это временными характеристиками зрительной системы челове-.
ка. На основании этого был сделан вывод, что для достижения того же
качества при чересстрочной развертке число строк должно быть при-
мерно в 1,4 раза больше, чем при построчной. При наличии в ТВ
приемнике памяти иа кадр или поле можно преобразовать чересст-
рочный стандарт разложения принимаемого изображения в построч-
ный и повысить качество воспринимаемого изображения, ие увеличи-
вая полосу частот для передачи сигнала этого изображения.
В табл.21.2 для различных расстояний наблюдения приведены
желательные параметры ТВ системы с построчными изображениями
частотой 60 Гц, которые получены преобразованием чересстрочных
изображений частотой 30 Гц с помощью кадровой памяти.
Таблица 21.2
Параметр 4Л З.ЗЛ 2.5Л 2Л 4.6Л
Число строки 610 810 965 1195 525
Полоса частот /в, МГц 7,2 12,6 17,8 27,3 4,3
Угол зрения, град 23,5 28,3 36,9 45,2 16,5
Из сопоставления табл.21.1 и 21.2 следует, что полоса частот пере-
даваемого сигнала с преобразованием кадров может быть на 35 %
меньше, чем в обычной системе с чересстрочной разверткой.
Эта система в Японии получила название "система повышения
детальности с преобразованием кадров" (Frame Conversion Fineness,
Enhanced System — FCFE).
Частота полей в системе ТВЧ определяется с учетом заметности
мерцаний и обеспечения плавности передачи движения. Число полей,
необходимое для воспроизведения плавности движения, увели ивает-
562
ся пропорционально скорости движения. Однако быстрых движений
зрительная система человека не воспринимает.
Известно, что частота полей 45 Гц достаточна для немелькающего
воспроизведения плавных движений, со скоростью около 20 град/с
(физиологический предел восприятия). Если можно было бы обеспе-
чить постоянство свечения элементов воспроизводимого изображения
на экране в течение всего поля, то частота 45 Гц была бы вполне
достаточна. Но для обычного цветного воспроизведения с перемен-
ным свечением (кинескоп) при максимальной яркости изображения
(300 кд/м) требуется частота полей значительно выше. В порядке
обсуждения параметров будущего стандарта ТВЧ предлагается уве-
личивать частоту полей до значений 70...80 Гц [67]. Однако наиболее
вероятно сохранение частот полей 60 Гц (США, Япония) или 50 Гц
(Европа) в будущих двух основных проектах стандарта ТВЧ.
Полоса видеочастот ТВ сигнала может быть ограничена сверху
частотой
= 2__р
1в 2 1 - а’
где z — число строк в кадре;/к — частота кадров, Гц; k — формат
изображения; Р — коэффициент Келла (Келл-фактор); (1 — Р) и
(1 —а) — относительные длительности активных частей поля и строк.
Коэффициент Келла — отношение чисел разрешаемых черных и
белых горизонтальных линий и строк — определяют методом субъек-
гивных испытаний, результаты которых колеблются и существенно
зависят от технических характеристик аппаратуры. Однозначному
определению Келл-фактора мешают межстрочные мерцания, харак-
терные для чересстрочного разложения. Таким образом, требуемая
полоса частот видеосигнала монохромного телевидения может быть
рассчитана лишь весьма приблизительно.
Необходимо отметить, что в системе ТВЧ существенно меняется
соотношение в полосах частот, отводимых для первичных сигналов
яркости и двух сигналов цветности. В существующих стандартных
системах цветного вещания (PAL, SECAM, NTSC) отношение полос
частот сигналов яркости и цветности не больше чем 4:1, что было
обосновано меньшей разрешающей способностью зрительной систе-
мы человека при анализе мелких цветных деталей на оптимальном
расстоянии рассматривания. Однако требования к параметрам сис-
темы ТВЧ более высокие, поэтому отношение полос частот сигналов
яркости и цветности в системе ТВЧ должно быть уменьшено до 3:1.или
2:1. Это позволит уменьшить разницу в восприятии мелких контраст-
ных деталей цветного изображения и реальных сюжетов, а также
значительно улучшить качество видеосигнала с блока рирпроекции в
студийном комплексе, в котором будет использоваться более широко-
полосный сигнал синего фона.
В настоящее время при значительных расхождениях в выборе ос-
новных параметров ТВЧ достигнута одинаковая оценка необходимой
563
полосы частот видеосигнала. С учетом максимальной величины Келл-
фактора считается достаточной полоса частот яркостного сигнала в
30 МГц и по 15 МГц для цветоразностных. Объем информации только
по яркостному каналу в 5...6 раз превосходит объемы сообщений в
стандартных системах SECAM или PAL. При этом необходимо ис-
пользовать такие методы формирования полного сигнала ТВЧ, кото-
рые обеспечили бы минимум взаимных перекрестных искажений в
яркостном и цветоразностных сигналах.
21.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ТВЧ
Японская вещательная корпорация NHK на основании долгих ис-
следований и экспериментов впервые разработала проект стандарта
и создала комплекс аппаратуры системы ТВЧ и с 1978 г. приступила
к его эксплуатации [68]. Этот комплекс включал передающие камеры,
видеомагнитофон, корректор временных искажений, преобразова-
тель стандарта ТВЧ в стандарт 625/50/2:1/4:3, телекинодатчик, уст-
ройство записи на кинопленку, устройства кодирования и обработки
сигналов для передачи (частотное и временное разделение уплотнен-
ных сигналов яркости и цветности), ВОЛС длиной до 20...27 км, пере-
дающее и приемное устройства для передачи сигналов ТВЧ по спут-
никовым и ВОЛС, ряд воспроизводящих устройств.
В разработанном стандарте ТВЧ системы NHK предусмотрено
следующее:
Число строк разложения............................................ 1125
Формат изображения ............................................ 5:3
Кратность перемежения строк........................................ 2:1
Частота полей, Гц................................................... 60
Полосы частот, МГц:
сигнала яркости Е'у................................................ 20
сигналов цветности Е'с :
широкополосного Е' w................................................ 7
узкополосного Е’ы............'.................................. 5,5
Сигналы основных цветов передачи:
E'w
E'n
0,30 0,59 0,111
0,63—0,47 —0,16
—0,03—0,38 0,41
E'r
Е'с
Е'в
Основные функции системы:
обеспечение воспроизведения изображения высокого разрешения,
в котором содержится в 5 раз больше информации, чем в обычном ТВ
изображении',
возможность воспроизведения в каждом ТВ кадре информации в
объеме страницы типографского текста-формата 203x279 мм с разме-
ром знаков 2,6x2,6 мм и мелких деталей изображения;
564
обеспечение изображения, по качеству не уступающего 35-мм ди-
апозитиву и превосходящего запись на 35-мм кинопленке;
возможность воспроизведения на широком экране (формат 5:3)
изображения большого размера (100...150 см), создающего психологи-
ческие эффекты присутствия, которые нельзя реализовать в сущест-
вующих вещательных ТВ системах.
По этой системе были проведены несколько демонстрационных и
рекламных передач по различном каналам связи, в том числе на
выставке ЭКСПО-85 (Цукуба). С 1989 г., после запуска спутника
”Jliri-BC-3” ведется регулярное ТВЧ вещание в Японии. С этого вре-
мени выпущено значительное число ТВЧ приемников для приема этих
программ в диапазоне 12 ГГц, которое достигло на сегодняшний день
около 1 млн.
Уже к 1990 г ведущие страны, вещающие по стандарту NTSC
(США, Япония и Канада), сориентировали все поисковые разработки
по проблемам ТВЧ в направлении коммерческой реализации стан-
дарта NHK. По крайней мере, 21 фирма производит оборудование,
охватывающее все виды производства и компоновки программ ТВЧ.
Только одна фирма Sony продала примерно 60 комплектов датчиков
сигналов ТВЧ (телекамера и два видеомагнитофона). В Японии и
США организованы студии ТВЧ по стандарту ТВЧ -NHK. Это бурное
наступление фактически привело к наибольшему признанию в МККР
этого стандарта в качестве проекта будущего единого мирового стан-
дарта, который был предложен в МККР в 1990 г., но из-за значитель-
ных разногласий не был принят.
Основные параметры этого стандарта следующие:
Число строк разложения 1125
Число активных строк 1035
Число полей, Гц............................. . . . 60
Чересстрочная развертка . 2:1
Формат изображения ... 16:9
Частота строк, кГц ... 33,75
Номинальная ширина полосы частотсигнала R'y(E'r, Е'о, Е'в), МГц . 30
Цветоразностные сигналы (каждый), МГц............ 15
Число отсчетов в цифре в активной части строки £'Y . 1920
Число отсчетов для каждого цветоразностного сигнала 960
Число уровней квантования 8
Уравнение яркостного сигнала имеет вид при опорном белом £)65(6500°С)
Е'у = 0.279Е'/? + 0,644E'g + 0,077 Е'в.
В противовес странам, поддерживающим стандарт с частотой по-
лей 60 Гц, ведущие западноевропейские страны (Великобритания,
Франция, ФРГ, Голландия и Бельгия) выдвинули проект ТВЧ ”Эври-
ка-95” по единому мировому стандарту с полевой частотой 50 Гц.
Основными аргументами в пользу стандарта с такой полевой часто-
той выдвинуты следующие:
565
удобство преобразования ТВЧ программ в существующие стан-
дартные, из которых в основном все имеют стандарты излучения,
основанные на частоте 50 Гц;
полевая частота 50 Гц имеет преимущество с точки зрения телеки-
нозаписи, поскольку кинофильмы будут сохранять свою роль как
средство обмена программами,
передача движения при частоте 50 Гц удовлетворительна;
при заданных полосе частот и коэффициенте чересстрочности 1:1
частота полей 50 Гц позволяет обеспечить более высокую пространст-
венную разрешающую способность.
Рекомендованный стандарт имеет следующие параметры:
Число строк разложения 1250
Число активных строк . . . . . .......... . . 1152
Полевая частота, Гц 50
Перемежение в развертке . . . 1:1 (2:1)
Формат кадра..................................................... 16:9
Число отсчетов в активной части строки Е'у........................ 1920
Число отсчетов в активной части строки цветоразностных сигналов 960
Полоса частот сигналов E'r, Е'с, Е'в в камере, МГц ............. 60(30)
По мнению разработчиков этого стандарта, высокое значение ши-
рины полосы сигналов в камере не является препятствием для выбора
такого стандарта, но окупается высоким пространственным разреше-
нием камеры, которое присуще прогрессивной развертке. В качестве
первого этапа разработчики предлагают использовать камеры с че-
ресстрочной разверткой с последующим переходом иа прогрессив-
ную. В этом случае основные изменения коснутся камер, АЦП и циф-
ровых видеомагнитофонов. Вся остальная аппаратура блока студии
практически остается без изменений. В рамках проекта ”Эврика-95”
будут проходить все экспериментальные исследования по этому стан-
дарту основными фирмами Европы вплоть до принятия единого миро-
вого стандарта ТВЧ.
В сложившейся ситуации противоборства двух стандартов
1125/60/30 и 1250/50 удачным выходом стало принятие ’’двухсистем-
ного” студийного стандарта ТВЧ, единого по цифровым параметрам,
но имеющего два варианта, отражающих различия существующих
аналоговых ТВ систем.
Как и в случае стандарта цифровой студии, согласно Рекоменда-
ции 601-1 МККР для систем NTSC, PAL, SECAM двухсистемный
студийный стандарт ТВЧ позволит в значительной мере унифициро-
вать цифровое студийное оборудование и комплексы, включая систе-
мы передачи и видеозаписи. Преимуществом европейского варианта
является повышенная вертикальная четкость студийного ТВ изобра-
жения и киноизображения, получаемого методом лазерной или элек-
тронно-лучевой кинозаписи. Преимуществом американского вариан-
та является повышенная временная разрешающая способность.
566
21.3. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ТВЧ
Распределение ТВЧ программ. Современное развитие микроэлек-
троники и техники широкополосной связи на базе устройстве высокой
скоростью передачи (СВЧ и ВОЛ С) достигло такого уровня, что пере-
дача ТВЧ сигнала уже не является проблемой для выбора того или
иного стандарта ТВЧ. Существующие и разрабатываемые системы
сжатия спектров сообщений, цифровые видеомагнитофоны, дисковые
оптические видеопроигрыватели и другие устройства позволяют со-
здать эффективную сеть распределения ТВЧ программы среди потре-
бителей. Схема распределения ТВЧ программы может быть пример-
но проиллюстрирована на основе использования уже существующих
технических достижений, как это показано на рис.21.1.
Электронные ТВЧ программы первоначально можно будет непо-
средственно демонстрировать в кинотеатрах, используя в качестве
носителя видеоинформации 35-мм кинопленку. В этом случае про-
явится основное достоинство электронных систем с числом строк бо-
лее 1000 — высокое качество изображения.
Однако ТВЧ системы прямой демонстрации могут не найти доста-
точного рынка сбыта, чтобы оправдать стоимость производства. Сле-
довательно, студийная ТВЧ аппаратура должна быть совместима с
существующими службами, такими как наземное ТВ вещание, непо-
средственное спутниковое вещание (НСВ), в котором используются
модернизированные (’’улучшенные”) версии обычных 625- и 525-
строчных стандартов, а также с такими средствами распределения
видеоинформации, как кабельное телевидение, видеомагнитофоны и
дисковые видеопроигрыватели, которые предназначены для работы
по существующим ТВ стандартам. Можно определенно надеяться на
Рис. 21.1. Распределение телевизионных программ
567
появление новых электронных систем распределения видеоинформа-
ции, которые будут полностью реализовывать возможности ТВЧ. Сле-
дует отметить, что ограничения, накладываемые спектром радиоча-
стот, не распространяются на широкополосные кабельные ТВ
системы, видеомагнитофоны и дисковые видеопроигрыватели. Что же
касается экономических ограничений, то со временем производство
ТВЧ программ станет более рентабельным. Кроме того, благодаря
развитию средств сжатия полосы частот, позволяющих преодолеть
спектральные ограничения, в перспективе возможен переход на спут-
никовое (НСВ) ТВЧ вещание.
Уплотнение сигналов ТВЧ. Системы стандартного цветного теле-
видения в зависимости от метода, который используется для уплотне-
ния сигналов цветности в составе яркостного сигнала, подразделяют-
ся на три основные системы: NTSC, PAL и SECAM. Однако
стандартные способы передачи цветовой информации в виде модули-
рованной цветоразностными сигналами поднесущей, расположенной
внутри спектра яркости, приводят к возникновению цветовых и ярко-
стных искажений и, следовательно, неприемлемы для систем ТВЧ.
Это заставило разработчиков заново исследовать различные методы
передачи сигналов цветности, которые можно разделить на три клас-
са: уплотнение по частоте (поднесущей), уплотнение по времени, пе-
редача по отдельному каналу.
В основе всех рассмотренных методов уплотнения по частоте ле-
жит самый эффективный — балансная амплитудная модуляция двух
квадратурных составляющих поднесущей двумя цветоразностными
сигналами. Один метод использует инверсию фазы одной из квадра-
турных составляющих сигнала цветности на каждом следующем по-
ле. Однако для разделения составляющих яркости и цветности без
потерь пространственного разрешения требуются гребенчатые циф-
ровые фильтры с задержкой сигнала на кадр, реализация которых
пока еще довольно дорога применительно к стоимости телевизора.
Кроме того, эффективность разделения падает при передаче подвиж-
ных изображений. Принцип работы подобных временных фильтров
будет описан ниже, в разделе, посвященном "улучшенным” вещатель-
ным системам.
Другие исследованные методы уплотнения по частоте основаны на
использовании поднесущей, вынесенной из спектра сигнала яркости,
благодаря чему снижаются перекрестные искажения, но расширяет-
ся, к сожалению, общая полоса частот канала. Минимальное расши-
рение полосы частот получается при использовании модуляции под-
несущей по методу PAL (с инверсией фазы одной из квадратурных
составляющих на каждой следующей строке) в сочетании с частич-
ным подавлением нижней боковой полосы, попадающей в смежную
область спектра яркостного сигнала.
Для экспериментальной системы ТВЧ компании NHK использо-
вался более широкополосный вариант системы HLO-PAL с полу-
568
Рис. 21.2. Система уплотнения HLO-PAL:
а — структурная схема модулятора; б — частотный спектр
строчным офсетом поднесущей (со смещением на полстроки), приме-
няемый для наземного вещания фирмой Laboratories.
На рис. 21.2,а показана структурная схема уплотнения сигналов
цветности, а на рис. 21.2,6 — частотный спектр сигнала HLO-PAL.
При полосе частот сигнала яркости 19 МГц применялась поднесущая
частотой 24,3 МГц, квадратурно модулированная узкополосным (5,5
МГц) и широкополосным (7 МГц) цветоразностными сигналами EN и
Ev. Благодаря инверсии поднесущей по строкам спектральные со-
ставляющие широкополосного сигнала лежат на частотах, кратных
нечетным долям полустрочной частоты, а составляющие узкополос-
ного сигнала — на частотах, кратных строчной частоте ( как и состав-
ляющие сигнала яркости). Таким образом, узкополосный сигнал и
сигнал яркости разделены по спектру, а широкополосный перемежа-
ется по частоте как с узкополосным сигналом, так и с сигналом ярко-
сти (в его небольшой высокочастотной части). Тем самым фактически
исключаются перекрестные искажения и обеспечивается получение
высококачественного изображения, и при этом остаются в действии
все преимущества системы PAL относительно нечувствительности
сигналов к изменениям характеристик канала передачи и простоты
декодера приемника.
Все методы уплотнения во времени (time-compressed integration -
TCI) исходят из возможности сжатия во времени компонентов сигна-
лов яркости и цветности при соответствующем расширении их спект-
ра и передачи за периоды одной или двух строк. Предел расширения
при этом полосы частот обусловлен полосой частот имеющегося ви-
деосигнала и соотношением между длительностью "свободной” части
интервала гашения и активным интервалом строки.
569
TCI - LC (luminance, cotour)
икм
ИКМ
8)
ИКМ
j ________Суперстрока из двух строк
TCI -LSC(luminance sequence colour)
Y'
Компрессия 1:lfi
На каждой строке
TCI - улучшенная LSC
Рнс. 21.3. Сигнал с временным уплотнением TCI:
а — сигнал в системе TCI-LC; б — сигнал в системе TCI-LSC с чередованием цветности через строку; в — сигнал
в усовершенствованной системе с суперстрокой TCI-LSC
Известные модификации таких систем TCI-LC, TCI-LSC, улуч-
шенная TCI-LSC отличаются другот друга степенью сжатия сигналов
и одновременной или последовательной передачей в строках уплот-
ненных сигналов цветности.
На рис. 21.3 представлены осциллограммы компонентных сигна-
лов TCI в трех модификациях, отличающихся, как указано, способами
компоновки сигналов яркости (luminauce) и цветности (colour).
Сжатие во времени уплотняемых сигналов и их расширение на
приемной стороне могут выполняться в аналоговом виде с помощью
регистров на приборах с зарядовой связью ПЗС либо в цифровом
виде — записью сигналов в запоминающем устройстве с одной такто-
вой частотой и считыванием с другой частотой. Перед введением в
интервалы сжатые во времени цифровые сигналы вновь преобразуют-
ся в аналоговую форму. При временном уплотнении должны быть
предусмотрены интервалы фиксированного уровня для восстановле-
ния постоянной составляющей в сигнале яркости и в цветоразностных
сигналах, а также небольшие зазоры между вводимыми сигналами
цветности и яркости, облегчающие их разделение. Строчный синхро-
импульс укорачивается до технически допустимого предела, обеспе-
чивающего уверенное его выделение, и передается кодовой посылкой.
Кодовыми посылками также передается и звуковое сопровождение.
Очевидно, что при выбранном соотношении между горизонтальным
570
разрешением составляющих яркости и цветности требуется расши-
рять полосу видеоканала, в котором передается сигнал TCI, спектр
которого подобен спектру черно-белого телевидения. Такой сигнал
меньше подвержен нелинейным искажениям и имеет относительно
больший динамический диапазон, так как синхросигнал передается
кодированно. Кроме исключения перекрестных искажений сигналов
яркости и цветности метод временного уплотнения дает еще одно
существенное преимущество — снижает чувствительность системы к
ограничению полосы частот каналов связи и магнитной записи.
Целесообразность применения той или иной системы уплотнения
(частотной или временной) зависит от таких факторов, как имеющая-
ся полоса частот, получаемые отношения сигнал/шум (для яркости и
цветности), требуемая мощность передатчика, вид модуляции.
Для сигналов с частотным уплотнением в каналах с частотной
модуляцией (например, в спутниковом вещании) вследствие тре-
угольного характера спектра шума "зашумляется” сигнал цветности,
что гораздо заметнее сказывается на качестве изображения.
На рис. 21.4,а показано воздействие шумов ЧМ на сигналы яркости
и цветности в полном сигнале, а на рис. 21.4,е показан перенос шумов
ЧМ в низкочастотную область видеосигнала цветности после декоди-
рования, где этот шум значительно заметнее из-за падающей харак-
теристики чувствительности глаза к шумам. Сравнение рис. 21.4,6 и в
позволяет сделать вывод, что частотный способ уплотнения для ЧМ
каналов требует значительного увеличения мощности передатчика по
сравнению с другими видами уплотнения и передачи.
Очевидно, что метод HLO-PAL эффективен для каналов с AM,
например для наземного вещания. При временном уплотнении ком-
понентов яркости и цветности и сжатии во времени сигналов яркости
Рис 21.5. Влияние шумов при
временном уплотнении сигналов
ТВЧ
Рис. 21.4. Влияние шумов при час-
тотном уплотнении сигналов ТВЧ:
а — полный снгнал HLO-PAL; б — сигнал
яркости ТВЧ; в — снгнал цветности ТВЧ
571
увеличиваются в основном шумы в яркостном канале (рис. 21.5). Од-
нако это в меньшей степени сказывается на качестве изображения,
поскольку характеристика чувствительности глаза в области про-
странственных частот представляет собой ФНЧ. Поэтому система с
временным уплотнением более предпочтительна при передаче по ка-
налам связи с ЧМ например в спутниковом вещании.
Однако в определенных условиях, например при ограниченной
мощности передатчика на спутнике, наиболее выгодно использовать
раздельные каналы для передачи сигналов яркости и цветности. В
каналах ЧМ такие системы имеют выигрыш по сравнению с переда-
чей полного ТВ сигнала. Такой способ использовался для передачи
сигналов ТВЧ через экспериментальный японский спутник Juri в
1978—1979 гг. компанией NHK в диапазоне 12 ГГц.
Методы уменьшения полосы частот радиоканала. Проектируемые
стандарты ТВЧ ориентируются на передачу очень широкополосного
сигнала для целей вещания в основном через спутниковые радиока-
налы. Поскольку в них используется помехозащищенная ЧМ, то тре-
буемая полоса частот радиоканала для ТВЧ составляет примерно 100
МГц и выше при передаче аналогового сигнала методом ЧМ. Очевид-
но, что цифровые методы обработки и передачи сигналов будут иметь
большое значение для системы ТВЧ, так как только они могут решить
задачу преобразования стандартов, временного уплотнения, устране-
ния избыточности и многих других операций. Как известно, скорость
сигналов при ИКМ определяется частотой дискретизации и точно-
стью кодирования. Для предлагаемых американского и европейского
проектов стандартов результирующий цифровой поток составит при
8 бит квантования 1188 Мбит/с. Реализация передачи с такой скоро-
стью очень сложна, требует очень больших затрат и широкой полосы
частот радиоканала.
Для снижения требований к пропускной способности каналов не-
обходимо предварительное сокращение скорости кодирования (сжа-
тие видеоданных) на основе субдискретизации, ДИКМ и межкадро-
вых методов кодирования, осуществляемых с использованием памяти
на кадр. Даже при оптимистической оценке возможностей ДИКМ,
согласно которой сигнал яркости с суженной полосой 20 МГц можно
закодировать, применяя 4 бита на отсчет, а сигнал цветности с поло-
сой 6,5 МГц — применяя 3 бита на отсчет и 10 %-ный запас на поме-
хозащиту, потребуется цифровой канал с пропускной способностью
250 Мбит/с. При применении двукратной относительной фазовой ма-
нипуляции требуемая пропускная способность может быть реализо-
вана с полосой пропускания 150 МГц.
Исследования цифровых методов передачи сигналов ТВЧ при ча-
стичном устранении избыточности ТВ сигнала, проведенные в США,
показали, что для передачи этих сигналов требуется скорость цифро-
вого потока около 80 Мбит/с, что при применении четырехуровневой
фазовой манипуляции позволяет обойтись шириной радиоканала око-
ло 48 МГц.
572
Большие возможности по сокращению полосы частот, требуемой
для передачи сигналов ТВЧ, обнаруживаются в связи с использова-
нием в приемном устройстве памяти на кадр, что позволяет осущест-
влять преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную и
тем самым улучшать четкость по вертикали. Идея преобразования
разверток в приемнике основана на возможности прогрессивной раз-
вертки передавать изображение с числом строк разложения почти на
35 % меньше, чем в случае с чересстрочной разверткой при сохране-
нии той же четкости. Это позволяет примерно на 35 % сократить
необходимую полосу частот канала. Как уже упоминалось в § 21.1,
свое воплощение эта идея нашла в системе, разработанной компанией
NHK и названной FCFE (улучшенная детальность с преобразованием
кадров). В данном примере для стандарта NHK посредством системы
FCFE передавался сигнал ТВ системы, эквивалентной 810 строкам
разложения на передающей стороне, который обеспечивал (после
преобразования) в приемнике изображение с четкостью такой же, как
и с 1125 строками разложения, но в уменьшенной полосе 13 МГц
(вместо 20 МГц).
Система FCFE с двумя ЗУ на поле, адаптивная к движению, позво-
ляет без ухудшения качества изображения сжать спектр сигнала ярко-
сти почти в 1,5 раза, а спектр сигналов цветности почти в 2 раза.
Таким образом, при помощи метода FCFE для проектируемого
стандарта ТВЧ полосу сигнала яркости можно уменьшить с 30 до 20
МГц, а цветности — с 15 до 7,5 МГц.
Кроме того, полоса частот сигнала ТВЧ может быть дополнитель-
но сжата путем интерполяции отсчетов сигнала в строках, полях и
кадрах.
На таком принципе работает и используется в опытных передачах
в Японии и США с 1984 г. предложенная компанией NHK система
сжатия спектра MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding) —
система кодирования с многократной субдискретизацией. Обычно в
телевидении кадр ТВ изображения передается с разделением на два
поля, каждое из которых состоит из чередующихся строк развертки.
При передаче с использованием системы MUSE ТВЧ кадр изображе-
О Ч-е поле h- интервал дискретизации
по Вертикали
□ (<т*1)-е поле
• (Уп*2)-е поле d-интервал дискретизации
по горизонтали
(Уп*3)-еполе
Л- интервал субдискретизаиии
4d соответствует частоте дискретизации 64,8МГц
ЧО соответствует частоте сувдискретизаириК^МГц
РиС. 21.6. Структура MUSE субдискретнзации отсчетов в строках сигнала TCI-LSC
573
ния с полным разрешением разбивается на четыре поля, каждое из
которых образовано из элементов с четырехкратными пропусками в
горизонтальном и вертикальном направлениях, как показано на
рис. 21.6. Другими словами, необходимая информация передается за
счет разреженной дискретизации гораздо медленнее.
На рис. 21.7 представлены структурные схемы кодирующего (а) и
декодирующего (б) устройств системы MUSE.
Исходный сигнал ТВЧ в виде аналоговых яркостного и цветораз-
ностных сигналов кодируется по схеме временного уплотнения в сиг-
нал TCI-LSC так, что исходный яркостный сигнал с полосой 20 МГц
сжимается во времени вместе с сигналами цветности, чередующими
ся через строку, образуя компонентный сигнал TCI с полосой 30 МГц.
Этот сигнал в свою очередь подвергается преобразованию в АЦП на
частоте fd = 64,8 МГц из условия соблюдения теоремы Котельникова
fd > 2/в. Далее цифровой TCI сигнал ТВЧ подвергается фильтрации
в предфильтрах, выявляющих подвижные и неподвижные области
изображения. Кадровая память используется для сравнения в каж-
дом поле сигналов изображений последовательных полей. Разность
этих сигналов, зафиксированная в соответствующих фильтрах, созда-
ет в детекторе подвижных областей сигнал вектора движения, служа-
щий для задания определенного режима работы декодера системы
MUSE при восстановлении попвижного и статичного изображений в
Рнс. 21.7. Структурная схема системы MUSE:
а — кодер системы MUSE; б — декодер системы MUSE
574
приемнике. Микшер осуществляет сложение сигналов от предфильт-
ров подвижных и неподвижных областей изображения так, что в соот-
ветствии с идеей MUSE и рис. 21.6 в субдискретизатор с частотой fd =
= 16,2 МГц поступают отсчеты с высокой пространственной частотой
для статичных сюжетов и пониженной для динамичных. В результате
субдискретизации на входе цифро-аналогового преобразователя по-
лучается сигнал, у которого в неподвижных областях изображения
отсчеты для идентичных элементов имеют период повторения 4 поля
(см. рис. 21.6), в то время как в подвижных областях отсчеты сигналов
элементов изображения следуют с периодом в одно поле, но со строч-
ным офсетом (т.е. со смещением на элемент в последующей строке
поля). Фильтр низкой частоты на выходе ЦАП обеспечивает резуль-
тирующий аналоговый TCI сигнал с приемлемой для спутникового
канала ТВ верхней частотой /„ — 8,1 МГц. С выхода ЧМ модулятора
радиосигнал субдискретизированного TCI сигнала ТВЧ смешивается
с четырехкратно фазоманипулированным ИКМ радиосигналом синх-
ронизации и звука, передаваемыми во время кадрового гасящего вме-
сте с сигналом вектора движения.
В декодере MUSE приемника после ЧМ демодулятора и АЦП,
имеющего частоту выборки /т= 16,2 МГц, цифровой сигнал в четырех
полях подвергается демультиплексации с частотой fd = 64,8 МГц с
целью восстановить максимальную передаваемую четкость в сигнале
ТВЧ. Восстановленные цифровые отсчеты в элементах накапливают-
ся в кадровой памяти емкостью 10 Мбит. Степень восстановления
четкости, т.е. интерполяция отсчетов пространственная (в пределах
поля по соседним строкам) и временная (в полях и кадрах), задавае-
мая в детекторе подвижных областей сигналом вектора движения,
определяется динамичностью самого изображения. В микшере про-
исходит сложение восстановленных тем или иным способом интерпо-
ляции отсчетов сигналов, в результате чего на выходе ЦАП появля-
ется аналоговый TCI сигнал ТВЧ с = 30 МГц. После декодера TCI
восстановленный сигнал ТВЧ представляется на выходе приемника
MUSE в виде компонентных сигналов яркости и цветности.
Ниже приведены характеристики системы MUSE.
Система обработки сигналов
Развертка
Полоса частот передаваемого видео-
сигнала, МГ ц
Тактовая частота передискретизации,
МГц
Полоса частот, МГц
Система с компенсацией движения и
многократной субдискретизацней (уп-
лотнение сигнала С в формате TCI)
1125/60,2:1
8,1
16,2
(У)20...22(для неподвижных частей
изображения)
12,5(для подвижных частей изображе
ння)
(С) 7,0 (для неподвижных частей изо-
бражения)
575
3,1 (для подвижных частей изображе-
ния)
Синхронизация Цифровой сигнал положительной по-
лярности
Звуковая и дополнительная информа ИКМ в интервале полевого гашения с
ция использованием четырехкратной отно-
сительной ФМн (2048 кбнт/с)
Таким образом, в системе MUSE исходная полоса частот яркост-
ного сигнала 20 МГц после перевода полного сигнала ТВЧ в формат
TCI преобразуется в полосу 32 МГц, а затем после межкадровой
обработки изображения посредством многократной субдискретиза-
ции на выходе сокращается до 8,1 МГц, Полученные сигналы в такой
полосе можно передавать через стандартный спутниковый канал с
ЧМ шириной 27 МГц в службе вещания 12 ГГц[69].
Уместно отметить, что в настоящее время известны по крайней
мере три модификации системы MUSE применительно к стандарту
1125/60/30, которые более совершенны, нежели рассмотренный ва-
риант 1984 г. По этим системам осуществляется регулярное вещание
с 1990 г. в диапазоне СТВ 12 ГГц, Однако ни одна из них не совместима
с наземным вещанием в NTSC,'
Аналогичный принцип субдискретизации используется для пере-
дачи ТВЧ европейского варианта 1250/50 в спутниковых системах
ТПК с временным уплотнением D2-MAC, С-МАС. В отличие от MUSE
система HD-МАС совместима с наземной сетью вещания и приемни-
ками с разложением 625/50/25 в стандарте МАС. Подробнее она
будет рассмотрена в разделе систем ТПК.
Перспективы ТВЧ спутникового вещаиия. Большое значение при
анализе возможности передачи широкополосных сигналов ТВЧ по
спутниковым каналам связи имеет выбор диапазона частот для сис-
темы спутникового ТВ вещания (СТВ). Согласно Радиорегламенту
Международным соглашением для систем СТВ выделены следующие
диапазоны частот:
620...790 МГц — с большими ограничениями плотности потока
мощности;
12 ГГц — ограничения, касающиеся этого диапазона частот, обус-
ловлены принятым в Женеве в 1977 г. на Всемирной административ-
ной конференции по радиовещанию (ВАКР-77) планом частотных
присвоений;
23 ГГц — только для Районов 2 и 3(т.е. американский континент и
Восточная Азия, Япония);
42 ГГц — для всех Районов;
83 ГГц — для всех Районов.
В диапазоне 620...790 МГц разрешена работа станциям спутнико-
вого ТВ вещания с ЧМ модуляцией при условии существующей дого-
воренности между заинтересованными сторонами, на территории ко-
торых могут создаваться помехи. В связи с тем, что этот диапазон в
первую очередь предназначен для наземного ТВ вещания, возможно-
576
сти его использования для спутникового вещания ограничены и он
оказывается непригодным для передачи сигналов программ ТВЧ.
Использование диапазона частот 12 ГГц расширяет возможности
спутникового вещания, однако все каналы этого диапазона распреде-
лены решением ВАКР-77, исходя из параметров 525- и 625-строчных
систем вещательного телевидения. При этом ширина полосы частот
спутникового канала равна 27 МГц, а разнос между соседними кана-
лами составляет 19,18 МГц. Кроме того, в Районе 1 (Европа и СНГ)
’ выделенные каналы для каждой из стран (по 5) не примыкают друг к
другу, поэтому невозможно производить объединение их для расши-
рения используемого канала под сигнал ТВЧ. Таким образом, для
передачи сигналов ТВЧ по одному из спутниковых каналов в диапа-
зоне 12 ГГц требуется производить обязательную обработку первич-
ного сигнала ТВЧ по сокращению его полосы частот.
Необходимо отметить, что при внедрении ТВЧ в этот диапазон
должны быть, очевидно, пересмотрены величины защитных соотноше-
ний. которые были установлены на ВАКР-77 применительно к стан-
дартным ТВ системам при условиях, соответствующих критерию едва
заметной помехи. Определение новых требований к защитным отно-
шениям при передаче сигналов ТВЧ потребует специальных исследо-
ваний, включающих в себя оценку допустимых помех при взаимном
мешающем влиянии как между сигналами ТВЧ, так и между сигна-
лами ТВЧ и сигналами SECAM, NTSC, РАЛ, а также систем МАС.
Аналогичные исследования должны быть проведены и при освое-
нии диапазона 23 ГГц, где будут использоваться системы ТВЧ с более
широкой исходной полосой частот сигнала.
Диапазон 23 ГГц не выделен в настоящее время для вещания в
Районе 1, где находятся Европа и СНГ, однако на ВАКР-85 был по-
ставлен вопрос о выделении частотных присвоений для систем спут-
никового вещания, передающих программы ТВЧ в этом диапазоне, на
всемирной основе. В настоящее время данный диапазон в Районе 1
выделен фиксированной межспутниковой службе, а также частично
службе радиоастрономии. Предполагается, что в случае выделения
диапазона 23 ГГц для ТВЧ окончательное планирование может быть
проведено приблизительно к 2000 г.
Предварительный анализ возможностей использования диапазо-
на 23 ГГц в Районе 1 показывает, что в этом диапазоне может идти
речь о полосе частот шириной порядка 500 МГц как для аналоговых,
так и цифровых систем передачи сигналов ТВЧ. Число частотных
каналов, необходимых для передачи одной программы ТВЧ, зависит
от многих факторов, в частности от величины защитного отношения
для системы ТВЧ, характеристик диаграмм направленности антенн,
разноса орбитальных позиций ИСЗ и т.п. Предварительная оценка
показывает, что как для аналоговых систем с полосой радиоканала 54
МГц, так и для цифровых систем с потоком 140 Мбит/с для передачи
одной программы ТВЧ в диапазоне 23 ГГц требуется полоса частот
около 150 МГц. Таким образом, в этом диапазоне удастся организо-
вать около трех программ ТВЧ.
577
Можно предположить, что в диапазоне 23 ГГц удастся получить
существенно более высокое качество принимаемого изображения
ТВЧ, чем в диапазоне 12 ГГц, где ширина канала ограничена 27 МГц,
что приводит к необходимости осуществления довольно сложной об-
работки сигналов для сжатия их спектров с неминуемым некоторым
ухудшением качества изображения ТВЧ. Однако и в диапазоне 23 ГГц
требуется осуществлять операции по сжатию полосы частот переда-
ваемого сигнала в 2...3 раза для аналоговых систем и сокращению
скорости передачи цифрового сигнала ТВЧ в 5...10 раз в цифровых
системах.
Для оценки трудностей, связанных с техническим освоением час-
тотных диапазонов 12, 23 и 42 ГГц, для которых уже достаточно
хорошо исследованы характеристики распространения радиоволн,
можно воспользоваться инженерными расчетами мощности передат-
чика, выполненными в ЕСВ (Европейский союз вещания).
Приведенные в табл.21.3 данные справедливы для диаграмм на-
правленности передающей антенны спутника с шириной луча 1°, а
полосы частот радиоканалов для диапазонов 12 и 23, 42 ГГц соответ-
ственно равны 27 и 48 МГц.
Таблица 21.3
Частота, ГГц 12 23 42
Затухание, дБ 1,5 5,5 12,5
Мощность передатчика, Вт 30 750 12000
Из анализа таблицы видно, что требуемая мощность передатчика
в диапазоне 42 ГГц (разрешенном для Района 1) ставит под сомнение
реализацию его в ближайшие десятилетия.
Таким образом, на сегодняшний день для Района 1 (Европа и СНГ)
единственным реальным диапазоном остается 12 ГГц. Следователь-
но, пока целесообразно ориентироваться на организацию профессио-
нального (коллективного) приема с последующей ретрансляцией на-
земными передатчиками в диапазоне 12 ГГц и коллективным
приемом в городах на системы кабельного телевидения (КТВ) на базе
воле.
Однако надо иметь в виду, что вследствие существенных ограни-
чений полосы частот радиоканала в диапазоне 12 ГГц не удастся
полностью реализовать все возможности, которые будут заложены в
ТВЧ. Поэтому систему вещания ТВЧ в этом диапазоне следует рас-
сматривать как промежуточный этап в эволюционном развитии сис-
темы ТВЧ. Лишь освоение диапазона 23 ГГц и передача в нем сигна-
лов ТВЧ позволят полностью раскрыть все достоинства и
возможности системы ТВЧ.
Передача ТВЧ сигналов по ВОЛС. Оптические волокна очень хо-
рошо подходят для использования их в качестве линий передачи ши-
рокополосных ТВ сигналов высокой четкости из-за большой ширины
578
полосы и малых потерь Современный кабель из оптических волокон
вносит затухание при передаче широкополосного сигнала ТВЧ около
3 дБ/км при длинах волн около 0,8 мкм В первой экспериментальной
системе передачи ТВЧ компания NHK, используя в качестве источни-
ка излучения светодиод, осуществила передачу сигналов ТВЧ по ме-
тоду HLO PAL на расстояние 3 км без ретрансляции.
На более длинных волнах 1,3...1,6 мкм при затухании 0,2 дБ/км
удалось в системе уплотнения HLO-PAL добиться дальности переда-
чи 20 км без ретрансляции При передаче сигналов по ВОЛС требу-
ются устройства источника света для преобразования электрическо-
го сигнала в световой луч и фотодетектор для обратного преоб-
разования. В качестве источников света могут использоваться свето-
диоды или полупроводниковые лазеры (лазерные диоды — ЛД), а для
преобразования светового луча в электрический сигнал — фотодио-
ды. Полупроводниковые лазеры обладают высокой линейностью, что
и обеспечивает при низком затухании возможность передачи до 20 км.
Используя подобный лазер, компания NHK в процессе исследований
по ТВЧ реализовала систему, в которой для передачи на большие
расстояния или для распределения с помощью системы приема сиг-
налов спутника на коллективную антенну используется лазерный ди-
од с шириной полосы частот 500 МГц. В этой системе ЧМ сигналы ТВЧ
и высокочастотные стандартные ТВ сигналы передавались посредст-
вом частотного уплотнения по оптическому волокну со ступенчатым
показателем преломления.
21.4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ УЛУЧШЕННОГО
КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ
Наряду с телевидением высокой четкости, введение которого, ви-
димо, задерживается из-за несовместимости с предшествующими ве-
щательными системами, четко обозначились еще два направления в
улучшении качества ТВ изображения.
Первое направление, согласно ГОСТ-21879-88 характеризуется
как телевидение повышенного качества (ТПК) и заключается в раз-
работке совместимой по параметрам системы ТВЧ, допускающей
эволюционное развитие системы вещания с переходом от систем PAL
и SECAM к более совершенным системам вещательного телевиде-
ния типа МАС с последующим переходом через HD-МАС к ТВЧ. По
этому пути ведутся исследования и разработки по ТВЧ в Европейском
проекте ”Эврика-95”. При этом на начальном этапе развития идей
ТПК характерно широкое привлечение цифровых средств и методов
обработки сигналов изображения с целью улучшения качества при-
нимаемого изображения в пределах передаваемого стандарта разло-
жения.
Второе направление согласно ГОСТ-21879-88 характеризуется
как телевидение повышенной четкости (ТПЧ) и заключается в созда-
нии совместимых со стандартной системой ТВ вещания систем ТВЧ.
579
При этом подразумевается возможность некоторых изменений в ве-
щании при обязательной программной совместимости ТВЧ и обычно-
го приемника. Этому направлению следуют крупнейшие промышлен-
ные фирмы и научно-исследовательские организации США. Ими
предложено несколько совместимых с NTSC систем повышенной чет-
кости и ТВЧ.
Следует заметить, что в зарубежных публикациях нет жесткого
разделения на системы ТПК, ТПЧ, как это введено в отечественном
ГОСТе. Более того, ряд последних публикаций о появлении широко-
форматных приемников, приемников с преобразованием развертки и
цифровой обработкой сигналов PAL показывают, что классификаци-
онные признаки в ГОСТе достаточно условны для разделения ТПК и
ТПЧ и целесообразно просто рассматривать любые усовершенство-
вания и новые идеи для улучшения качества изображения как очеред-
ной шаг, приближающий к ТВЧ. Именно поэтому все зарубежные
новации сопровождаются большим разнообразием терминов, обозна-
чающих телевизионные системы улучшенного качества изображения;
Enhanced TV, Extended TV, Improved Definition TV, High Fidelity TV
(Hi-Fi-TV), High Quality TV, Advanced TV и др., хотя степень дости-
жения параметров ТВЧ в каждой из этих предложенных систем весь-
ма неодинакова, а совместимость в некоторых системах реализуется
с большими трудностями.
Телевизионные системы повышенного качества. Телевизионные
системы этой группы предполагают в первую очередь за счет исполь-
зования достижений в области быстродействующих цифровых интег-
ральных схем (БИС) в приемнике стандартного разложения улуч-
шить качество изображения. С другой стороны, только цифровая
техника позволяет воспользоваться для передачи и приема компонен-
тной упаковкой сигналов яркости и цветности в спутниковых каналах
и кабельных сетях, дающей существенный выигрыш в качестве при-
нимаемого сигнала. Наконец, присутствие в приемнике цифровой па-
мяти и цифровой обработки позволяет достаточно легко перейти к
использованию современных широкоформатных кинескопов с отно-
шением 16:9, что является необходимым условием внедрения ТВЧ.
Цифровые средства и методы могут применяться для улучшений
существующих функций по известной концепции цифрового телевизо-
ра фирмы Toshiba или американской корпорации 1ТТ[32]. Цифровые
БИС обрабатывают после тракта ПЧ сигналы изображения, звука и
синхронизации при помощи микропроцессора. Демодуляция сигнала
цветности выполняется цифровым методом при помощи цифровой
линии задержки для гребенчатой фильтрации сигналов в NTSC или
декодирования сигналов PAL. Цифровыми методами реализуются
различные фильтры, например режектор цветности в канале яркости
и полосовой фильтр в канале цветности. Использование этих методов
позволит в будущем уменьшить стоимость телевизоров при полностью
автоматизированной регулировке параметров схем и управления с
помощью компьютера.
580
Рис. 21.8. Схема работы цифрового процессора для системы PAL
С другой стороны, цифровая обработка сигналов в приемнике от-
крывает перспективы повышения качества изображения и способст-
вует введению новых дополнительных возможностей, не достижимых
средствами современной аналоговой техники. Ключевым компонен-
том для этого служит цифровая память на поле (кадр) изображения.
Цифровая память может быть реализована либо на цифровых БИС,
либо при помощи ИС на основе приборов зарядовой связи большой
емкости.
Цифровая память на кадр используется в системе обработки ви-
деосигнала, устраняющей некоторые дефекты изображения в обыч-
ном телевизоре существующих вещательных стандартов, например
PAL или SECAM. Как известно, на изображениях, получаемых на
приеме по этим стандартам, возникают мерцания больших площадей
с частотой 50 Гц. При наличии высокочастотных пространственных
вертикальных составляющих изображения чересстрочная развертка
приводит к межстрочным мерцаниям с частотой 25 или 30 Гц (для
системы NTSC). Кроме того, передача сигналов яркости и цветности
в общей полосе частот вызывает перекрестные искажения ’’яркость—
цветность” и ’’цветность — яркость”. И наконец, в любой вещательной
системе принимаемый сигнал сопровождается помехой, которая мо-
жет быть заменена на воспроизводимом изображении.
На рис.21.8 показана структура процессора, существенно улучша-
ющего качество изображения. Сигналы Е'у, Е'и и E'v поступают от
PAL-декодера. После фильтрации сигнал Е'у разделяется на две со-
ставляющие — низкочастотную Е'кнч (ниже 3 МГц) и высокочастот-
ную Е'гвч- Каждая из составляющих Е'кнч, ^\вч> E'v, E'v пропускает-
ся через рекурсивные фильтры, использующие задержку на кадр,
принцип работы которых иллюстрирует рис. 21.9. Подобные времен-
ные фильтры нижних частот используются обычно в современных
581
Рис 21.9. Схема рекурсивного фильтра
системах шумоподавления. Однако в данном случае они уменьшают
также уровень перекрестных искажений между сигналами яркости и
цветности, вызывающих появление движущихся паразитных струк-
тур Подавление происходит путем вычисления на выходе фильтра
среднего по времени значения, которое для подобных помех равно
нулю. Коэффициент К фильтров устанавливается для каждого эле-
мента изображения с помощью детектора движений, что предотвра-
щает смазывание тех частей изображения, где происходит движение.
Таким образом, низкочастотный рекурсивный фильтр сигнала
£\нч уменьшает уровень шумов, а высокочастотный сигнал Е'гвч по-
давляет как шумы, так и перекрестные искажения ’’яркость — цвет-
ность”. Рекурсивные фильтры сигналов Е'и и E'v подавляют и шумы
и перекрестные искажения ’’цветность — яркость” аналогично.
Для уменьшения мерцаний больших площадей в системах веща-
ния с частотой 50 Гц сигналы можно преобразовать к частоте полей
100 Гц (для соответствующего приемника высокого качества). Воз-
можны два режима преобразования. Пусть А — первое, а В — второе
поле исходного изображения, тогда в одном режиме воспроизводится
последовательность ААВВ, т.е. выполняется повторение полей, а в
другом — последовательность АВАВ, что соответствует повторению
кадров. Последовательность ААВВ устраняет только мерцания боль-
ших площадей, тогда как последовательность АВАВ уменьшает так-
же межстрочные мерцания за счет удвоения частоты воспроизведе-
ния. Следует заметить, что последовательность АВАВ плохо подходит
для передачи подвижных частей изображения, поскольку она нару-
шает порядок представления информации во времени. В результате
необходимо прибегать к поэлементной адаптации к движению, обес-
печивающей переключение этих режимов [71].
Цифровые способы обработки сигналов стандартов вещания на-
ряду с преобразованием развертки в телевизорах высокого качества
составляют один из признаков систем улучшенного качества ТВ изо-
бражения. Они ориентируются на довольно значительный парк теле-
визоров и видеомагнитофонов высокого класса, снабженных широко-
форматным кинескопом и кадровой памятью для преобразования
развертки.
Очевидно, что такие телевизоры могут обеспечить изображение
повышенного качества, если изначально устранить характерные для
стандартных систем вещания недостатки в сигналах передачи, такие
582
как перекрестные помехи, пониженная цветовая четкость и другие,
присущие частотному уплотнению сигналов цветного телевидения.
Радикально устраняет эти недостатки применяемое для спутнико-
вых линий связи с ЧМ каналом временное уплотнение компонент
сигнала цветного телевидения. Идеи временного уплотнения (TCI) в
стандартах разложения 625 и 525 строк реализованы в современных
системах спутникового вещания СТВ-12,0 ГГц , МАС-В, МАС С,
MAC-D(D2) — Multiplexing Analogue Components.
Эти системы являются альтернативными системам с композитной
упаковкой (частотным уплотнением) сигналов цветного телевидения
применительно к каналам ЧМ в спутниковом вещании. Как известно,
композитные системы NTSC, PAL и SECAM были разработаны более
30 лет назад Их технические решения были ориентированы на пере
дачу методом AM и обеспечение совместимости между системами
черно-белого и цветного телевидения. Это привело к введению цвето-
вой поднесущей в верхнюю часть полосы частот сигнала яркости, так
что цветовая информация оказалась совмещенной по полосе с высо-
кочастотной информацией о яркости. Именно присутствие этой цвето-
вой поднесущей создает наиболее существенные ограничения качест-
ва сигналов композитных систем, заключающиеся в перекрестных
помехах, повышенной восприимчивости к шумам в канале ЧМ и иска-
жениям типа ’’дифференциальное усиление” и ’’дифференциальная
фаза".
Перекрестные помехи ’’яркость — цветность” и ’’цветность — яр-
кость” 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
уплотнением на сигнал цветности воздействует большая мощность
шума, приходящаяся на единицу полосы частот, чем на сигнал ярко-
сти, из-за треугольного характера распределения шумов по частоте.
После демодуляции вследствие этого нарушается равновесие между
шумовыми характеристиками канала яркости и цветности и сущест-
венно ухудшается субъективное восприятие изображения.
Новая система компонентного кодирования в ее разных модифи
кациях была разработана с учетом этих основных недостатков компо-
зитных систем и в соответствии с характеристиками канала ЧМ спут-
никового вещания.
Общим для всех модификаций систем МАС является то, что сигнал
яркости и один из цветоразностных сигналов активной строки раз-
дельно сжимаются во времени и размещаются последовательно в
пределах строки для образования сигнала с временным уплотнением
ТС1 аналоговых компонент. Два сжатых во времени цветоразностных
сигнала передаются в чередующихся строках таким образом, чтобы
свести к минимуму необходимые коэффициенты сжатия всех сигналов
и таким образом снизить уровень шумов.
При приеме сигнала МАС яркостные и цветностные составляю-
583
щие восстанавливаются с помощью использования в декодере памяти
на строку. При этом перекрестные искажения устраняются полно-
стью, а шумы в канале пропорционально воздействуют на цветность
и яркость и позволяют получить улучшенные характеристики изобра-
жения в условиях слабого сигнала.
Для видеосигнала с постоянной шириной полосы частот сжатие в
кодере и расширение в декодере приводят к возрастанию мощности
шумов на выходе приемника. В первом приближении мощность шумов
возрастает пропорционально третьей степени коэффициента сжатия.
В связи с этим фактором применяют сжатие для яркостного сигнала
с коэффициентом 3/2, а для чередующегося по строкам цветоразно-
стного сигнала — 3/1. Одновременная передача трех сигналов встро-
кес большими соответствующими коэффициентами, пооценкам, при-
вела бы к ухудшению сигналов по шумам на 5 дБ. На рис. 21.10
представлен порядок размещения аналоговых компонент сигналов
цветного телевидения и цифровой информации для передачи звука,
синхронизации и данных в пределах одной строки. Как видно из ри-
сунка, цветоразностный сигнал предшествует яркостному во избежа-
ние проявления низкочастотных искажений в канале и располагается
сразу за опорным сигналом фиксации уровня в начале строки.
В настоящее время в каналах ЧМ СТВ 12 ГГц с шириной 27 МГц
нашли распространение два основных способа уплотнения цифровых
сигналов звука и данных с видеосигналом МАС [32]. В ’системе
C-MAC/packet звуковые сигналы и сигналы данных вводятся в интер-
вал строчного гасящего импульса в виде 2—4-фазной (ФМн) несу-
щей — той же самой, что и ЧМ несущая для видео. Соответственно на
приеме требуется иметь отдельный приемник для выделения этой
информации во время обратного хода строки В системе D2-
MAC/packet звуковые сигналы и сигналы данных вводятся непосред-
ственно цифровым пакетом в виде дуобинарных импульсов в видео-
сигнал МАС во время обратного хода по строке. Достоинством такого
способа является возможность одновременного приема информации
Цифровые
UB г сигналы
________чм________
Аналоговые сигналы
МАСС
2-1КРМН
10
0,5
0
Синхро
звук
данные
Площадка
I фиксации
/ (15так/поо)
206 та к то с
Уровень белого
У
•=700 тактов
Уровень черного
(ЧМ
MAC-ty
1206 тактов (вТ=20,25МГц)
Рис. 21.10. Формат строки МАС-С, D2-MAC.
584
о данных и видеосигнале на выходе ЧМ детектора. Однако объем
передаваемых данных и звука при этом уменьшается в 2 раза, так как
период дуобинарных импульсов в2 раза больше, чем период бинарных
импульсов цифрового потока данных в С-МАС.
Основные параметры стандартов С МАС и D2 МАС выбраны с
учетом стандарта цифровой студии по рекомендации МККР Р-601.
Согласно этому стандарту тактовая частота сигнала яркости, на ко
торой осуществляется преобразование в МАС 13,5 МГц, а для сигна-
ла цветности (при соотношении полос частот сигналов яркости и цвет-
ности 4:2:2) — 6,75 МГц. Соответственно при коэффициентах сжатия
3:2 и 3:1 для яркости и цветности частота считывания для обоих сиг
налов является одинаковой: 13,5x1,5 = 20,25 МГц и 6,75x3 — 20,25
МГц.
Период полной строки содержит 1296 тактов, каждый из которых
может нести один бит дискретной информации или один отсчет анало-
гового видеосигнала.
Объединение цифровых сигналов данных, синхронизации и звука
осуществляется пакетным методом, что и дало название системам
C-MAC/packet и D2-MAC/packet, так же как пользование дуобинар-
ными импульсами в цифровом потоке нашло отражение в названии
D2-MAC/packet.
В начале каждой строки передается кодовое слово строчной синх-
ронизации. Кадровая синхронизирующая посылка вводится в 625-ю
строку В этой же 625 й строке содержится служебная информация о
способе засекречивания, числе и виде звуковых каналов, другая ин-
формация. Изображение передается в строках 24-310 и 336-622 каж-
дого кадра. В остальные строки могут быть введены телетекст, дан-
ные и любая другая информация. Общая компоновка полного кадра
D2-MAC/packei представлена на рис.21.11.
В системе В-МАС, применяющейся в СТВ 12 ГГц в районах со
стандартом разложения 525 строк (625 в Австралии), но с шириной
радиоканала ЧМ 24 МГц, параметры сигнала изображения близки к
принятым в других стандартах, отличаясь лишь тактовыми частота-
ми. Тактовые частоты В-МАС стандартов 625/50 и 525/60 полей пред-
ставляют собой произведения соответствующих строчных частот на
один и тот же коэффициент для того, чтобы обеспечить возможность
применения одних и тех же интегральных микросхем для обеих сис-
тем. В варианте системы со стандартом разложения на 525 строк
тактовые частоты находятся в простом соотношении с частотой под-
несущей системы NTSC, что способствует простому транскодирова-
нию сигнала в сигнал системы NTSC. Обе системы В-МАС могут быть
видоизменены для обеспечения возможности передачи изображения
с форматом кадра 16:9.
Изменение передаваемого формата кадра с 16:9 до 4:3 требует
изменения тактовых частот для процесса растягивания сигнала во
времени с 1365 Fz 910 Fz: 455 Fz на 1365 Fz : 682,5 Fz : 341.25 FZ(FZ —
частота строчной развертки). В системах В-МАС при полосе частот
сжатого видеосигнала 6,4 МГц обеспечивается объединение в общей
585
б Бит
Площадка фиксации
Строка 1
2
3
-Начало первого пакета
_________99 Бит______
99 Бит
ik
Звук и данные
82 пакета по 751 Бит
Видеосигнал
-----П-----
623
629
625
Конец последнего пакета
_______Z___________________________
—f Резерв (95 Бит)_____________
Резерв (67 бит) | ФМ ^(32Бит)
ВС (32бит)\ КСС (вабит) \|
----;---4;-----#---------
Опорный,сигнал
\Служебные данные идеи тигр.
' п те
ССС ' —V------------1------------------------------
Строчный \Вхождение ^кадровый Фиксирующий
синхросигнал В синхронизм синхросигнал маркер (привязки)
(тактовый сигнал)
Отсчеты
(6Т=20,25МГц)
Рис. 21.11. Формат кадра D2-MAC/packet
видеополосе аналогового сигнала МАС и цифрового потока 1,6
Мбит/с, позволяющего организовать шесть высококачественных зву-
ковых каналов с полосой частот 15 кГц методом адаптивной дельта-
модуляции (АДМ) с применением интерполяции ошибок и защитой
применяемых кодовпроверкой на четность. Запас пропускной способ-
ности может быть использован для каналов передачи данных общего
пользования. Сравнительная характеристика рассмотренных систем
представлена в табл. 21.4.
Как видно из таблицы, всем системам МАС присуща расширенная
полоса частот сигнала цветности, существенно приближающая каче-
ство изображения к стандарту студии (4:2:2). Другой особенностью
систем МАС является возможность скремблирования (перемешива-
ния) цифрового потока с целью улучшения дисперсионных свойств
сигнала и возможного "закрывания” канала для ограниченного до-
ступа в платном телевидении. Аналогичное закрывание канала может
быть достаточно легко осуществлено и по видеосигналу путем пере-
становки рассеченных во времени яркостных и цветностных компо-
нент сжатого видеосигнала. Точки рассечения компонент видеосигна-
ла адресно кодируются по закону псевдослучайной последователь-
ности, генерируемой на передаче, и заносятся в каждом кадре в 625-ю
строку в виде кодового числа длиной 16 битов, из которых 8 определя-
ют адрес рассечения яркостной компоненты, а 8 других — адрес рас-
сечения цветностной.
Засекречивание сигнала звукового сопровождения и данных при
ограниченном доступе осуществляется сложением цифрового потока
по модулю 2 с псевдослучайной последовательностью кодовых им-
586
Таблица 214
Параметр С МАС 2 МАС В МАС 625 В МАС 525
У плотненный сигнал
Частота кадров, Гц 25 29,97
Число строк 625 .525
Частота строк, Гц 15625 15734
Тактовая частота, МГц 20,25 21,328 | 21,477
Число, тактовых интервалов 1296 1365
Принцип уплотнения По радиоча- стоте По вндеоча стоте По видеочастоте
Номинальная передаваемая по- лоса частот, МГц 8,40 7,5 6,3
Амплитуда видеосигнала, В 1,00 1,00 1,00 1,00
Кодирование данных ИКМ/2- ЧФМ Дуобинар- ное Четырех- или двухуров- невое
Длительность периода привяз- ки, мкс 0,75 0,75 2,81 2,79
Строчная синхронизация Слово из 6 бит Не применяется
Кадровая синхронизация Слово из 64 бит в 625 строк 1131 посыл- ка во 2-й строке 16 бит/кадр
Восстановление тактовой часто- ты Из дискретного потока Опорный пакет 20 символов
Видеосигнал
Число активных строк 574 483
Коэффициент перемежения 2:1
Формат кадра 4:3
Сигнал яркости
Коэффициент сжатия 3:2
Частота дискретизации, МГц 13,5 14,219 14,318
Полоса частот несжатого сигна ла, МГц 5,6 5,0 4,2
Сигнал цветности
Коэффициент сж атия 3:1
Частота дискретизации, МГц 6,75 7,109 1 7,159
Полоса частот несжатого сигна- ла, МГ ц 2,4 2,1
Диапазон амплитуд, В —0,5...+0,5
587
Окончание табл.21.4
Параметр С МАС 2-МАС В МАС 625 В МАС 525
Параметры данных
Полоса частот дискретного сиг- нала 5,0 7,11 7,16
Пакет данных, бит/строка 2X99 99 102/51
Тип уплотнения Пакетное Непрерывное
Средняя скорость передачи, Мбит/с 3,08 1,54 1,59 1.6
Число каналов звука 8 4 6/3
Метод кодирования звука 14 бит/отсчет линейного кодирования АДМ
10 бит/отсчет компанди- рования
пульсов той же тактовой частоты. 60-битовое кодовое слово, опреде-
ляющее характер этой псевдослучайной последовательности на пере-
даче, заносится также в 625-ю строку (СДИ — служебные данные
идентификации).
Все представленные в табл.21.4 модификации систем МАС нахо-
дят сейчас применение в спутниковом телевидении в разных районах
вещания. Наилучшее сопряжение сигналов МАС с существующими в
Европе кабельными сетями по занимаемой полосе частот осуществи-
мо в системе D2-MAC, в которой цифровая часть информации имеет
полосу частот 5,0 МГц. Именно по этой причине система D2-MAC
является наиболее популярной и перспективной в проектируемых
системах спутникового и кабельного вещания.
Кроме того, эта система является составной частью европейского
проекта ”Эврика-95” по ТВЧ, в котором принимают участие 32 зару-
бежные фирмы. Поскольку ширина спутникового радиоканала ЧМ с
учетом высокочастотных предыскажений аналогового сжатого сигна-
ла с полосой 8,4 МГц возрастает до 10 МГц, есть возможность в таком
канале организовать передачу телевидения с высокой четкостью, при-
меняя метод субдискретизации по аналогии с ранее рассмотренной
системой MUSE. По проекту европейского ТВЧ такая система, совме-
стимая с системами D2-MAC (С-МАС), получила название HD-MAC
(High Difinition — высокое разрешение).
Главным достоинством HD-MAC является совместимость этой си-
стемы с существующими приемниками у населения, принимающими
спутниковые программы по системам С, D2-MAC.
На рис.21.12 представлена упрощенная структурная схема при-
ема сигналов ТВЧ по методу HD-MAC [72). Источник сигнала ТВЧ со
стандартом 1250/50/2:1, частотой дискретизации 54 МГц для сигнала
яркости и 27 МГц для цветности субдискретизируется в четыре раза
588
Рис. 21.12. Схема приема программы ТВЧ по системе HD-MAC
при максимальном сохранении информации. Полученные сигналы с
частотами дискретизации 54:4 = 13,5 МГц и 27:4=6,75 МГц для сиг-
налов яркости и цветности сжимаются по времени в кодере МАС для
получения выходной дискретизирующей частоты (стандартной) 20,25
МГц. Аналоговые выборки при этой частоте в каждом из четырех
полей субдискретизации передаются через ’’канал со склоном Найк-
виста”, имеющий полосу частот 10,125 МГц (—6 дБ). Данная частота
совместима с каналом непосредственного спутникового вещания бла-
годаря использованию методов сопряженных нелинейных предыска-
жений и коррекции предыскажений. В декодере МАС сигналы (суб-
дискретизированные) декодируются и непосредственно подаются на
обычный телевизор с разложением 625/50/25. Перед подачей сигна-
лов иа телевизор ТВЧ необходимо (как и в системе MUSE) при помощи
устройств интерполяции и памяти восстановить частоту дискретиза-
ции (увеличить в 4 раза) сигнала. Информация по восстановлению
частоты дискретизации и алгоритму работы памяти с подвижными и
малоподвижными фрагментами изображения передается в виде циф-
ровых данных в течение кадрового гасящего интервала. Эквивалент-
ная полоса пропускания для яркостного сигнала в этой системе пере-
дачи составляет 20...23 МГц, а для сигналов цветности 5 МГц.
Из сравнения этих параметров с подобными для системы MUSE
очевидно, что зритель получит примерно одинаковое удовлетворение
от просмотра изображения на приемнике ТВЧ, но и только, так как в
отличие от HD-MAC, программу которого можно смотреть на прием-
нике спутникового вещания D2-MAC, система MUSE не позволяет
получить какой-либо совместимости с существующим парком телеви-
зоров NTSC и требует обязательно специального приемника MUSE.
589
21.5. СОВМЕСТИМЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
ПОВЫШЕННОЙ ЧЕТКОСТИ
Концепция совместимости как обязательного фактора при внед-
рении системы ТВЧ и стандартизации ее параметров сформулирова-
на в соответствующем решении Федеральной комиссии связи США в
1988 г. Для этой цели комиссия в дециметровом диапазоне вещания,
предназначенном для введения ТВЧ, пересматривает частотное рас-
пределение каналов, чтобы предоставить два стандартных канала
вводимой совместимой системе ТВЧ. С учетом интересов более
100 млн. владельцев телевизоров в США предусматривается переда-
ча по одному стандартному каналу (6,0 МГц) сигнала NTSC, базового
для вводимой системы ТВЧ, а по другому стандартному каналу —
дополнительного сигнала высокой четкости. На таком принципе осно-
ваны известные совместимые двухканальные системы повышенной
четкости Гленна [73] и ACTV [72]. Известны и другие совместимые
системы, требующие только один стандартный канал для передачи
наряду с совместимым сигналом NTSC еще дополнительной инфор-
мации о четкости за счет относительной избыточности телевизионного
стандартного сигнала и его уплотнения. Очевидно, ограничения по
полосе частот, накладываемые условием совместимости со стандарт-
ной сетью вещания, не позволяют в конечном итоге доставить изобра-
жение зрителю в ТВЧ. Именно поэтому эти системы и получили на-
звание систем телевидения повышенной четкости (ТПЧ).
В системе BNTSC [74] монохромная видеоинформация уплотняет-
ся цветовой поднесущей для получения полного видеосигнала, весьма
похожего на сигнал NTSC, за исключением того, что интервал строч-
ного гашения заполняется цифровыми звуковыми сигналами, благо-
даря чему устраняется необходимость в звуковых несущих в радиока-
нале. Таким образом, в освободившейся полосе радиоканала NTSC
6,0 МГц передается совместимое с NTSC 525-строчное изображение,
которое может воспроизводиться с прогрессивной 1050-строчной раз-
верткой в приемнике повышенной четкости по системе BNTSC. В
сигнале с полосой 6,0 МГц (вместо 4,2 МГц в обычной системе NTSC)
содержится достаточно информации для получения заметно более
детального изображения. Рис. 21.13 иллюстрирует компоновку сиг-
нала BNTSC в радиоканале и в строке.
Рис. 21.13. Спектр и форма сигнала BNTSC
590
Рис. 21 14 Структурная схема ТПЧ Гленна:
а — передающая сторона; б — приемная сторона
В двухканальной системе Гленна Нью-Йоркского технологическо-
го института предлагается передавать по одному каналу стандарт-
ную программу NTSC в полосе 6,0 МГц, а по другому каналу — до-
полнительный сигнал высокой четкости с полосой 6,0 МГц для
создания широкоформатного изображения ТВЧ, воспроизводимого
на специальном приемнике. С этой целью на передающей стороне
создаются от оптически сопряженных разностандартных камер два
сигнала (рис. 21.14, а). При помощи полупрозрачного зеркала одна
стандартная камера продуцирует сигнал NTSC 525/30/2:1/4:3, со-
вместимый со стандартным приемником NTSC. Другая камера через
то же зеркало продуцирует монохромный сигнал ТВЧ в формате
1050/15/1:1/5:3. Эти сигналы излучаются в стандартных каналах ве-
щания шириной в 6,0 МГц. Изначально предполагается, что для по-
движных изображений вполне достаточно четкости системы NTSC.
На приеме, как видно из рис. 21.15, б, стандартный приемник прини-
мает базовый сигнал NTSC и после декодирования преобразует его в
преобразователе развертки в яркостный и цветностный сигналы в стан-
да рте разложения п риемника ТВЧ — 1125/30/2:1 /5:3. Для этого исполь-
зуется цифровая память на кадр с соответствующим режимом записи и
считывания преобразуемых сигналов. Преобразованные сигналы цвет-
ности поступают на матрицу сигналов ТВЧ, а сигнал яркости следует
в сумматор, где к нему добавляется сигнал яркости мелких деталей от
монохромногосигналаТВЧ, принятого отдельным приемником и преоб-
разованного в формат с разложением 1125/30/2:1/ 5:3. Суммарный
591
Рис. 21.15. Спектры сигналов в
системах NTSC и ACTV-1
яркостный сигнал расширенной полосы поступает в матрицу сигна-
лов ТВЧ, образуя на ее выходе сигналы Е'к, Е'с, Е'в с расширенной
полосой. Как видно из схемы, эта система имеет повышенное яркостное
разрешение в статических деталях. Четкость цветных и подвижных де-
талей соответствует таковой для NTSC при всех прочих известных досто-
инствах изображения стандарта разложения 1125/30/2:1/ 5:3 в прием-
нике ТВЧ.
В другой совместимой системе повышенной четкости (Advanced
Compatible Television) фирмы RCA Laboratories (США) предложены
два варианта одноканальной и двухканальной передачи базового и
дополнительного сигналов для получения изображения повышенной
четкости на телевизорах с широким форматом кинескопа 16:9. В одно-
канальной системе ТПЧ ACTV-1, рассчитанной на прием программы
стандартным приемником NTSC и приемником повышенного качест-
ва, передается в стандартном радиоканале 6,0 МГц сигнал, спектр
которого (рис. 21.15) имеет силуэт, схожий с силуэтом для NTSC, ио
дополненный сигналами Е2, Е3, Е4, которые не должны создавать по-
мех при приеме стандартным приемником 525/30/2:1/4:3 с полосой
6,0 МГц.
Студийный сигнал формата 1050/30/2:1/16:9 посредством преоб-
разователя разверток преобразуется в чересстрочный сигнал Е,
NTSC 525/30/2:1/4:3, для чего центральная область изображения
подвергается расширению во времени до формата 4:3, а левые и пра-
вые полосы широкоформатного изображения в этом сигнале
(рис. 21.16,а), представленные низкочастотными составляющими, на-
оборот, сжимаются во времени до 1,0 мкс и на стандартном приемнике
NTSC в формате 4:3 попадают в гашение и не воспроизводятся
(рис. 21.16,6).
Сигнал Е2 представляет собой ВЧ составляющие левой и правой
полос широкополосного сигнала студийного изображения, растяну-
592
Сигнал студии 1050/30/2--1/16-9
а)
575/30/2-1
ч-.з
базовый сигнал
NTSC
ВЧ
ВЧ
НЧл
Детали
повышенной I
четкости
5...6,2МГц I
в)
г)
Крупные детали ии_
боковых полос П
б)
Детали
повышенной
Вертикальной
четкости.
U________________
в)
п
П
Рис. 2I.16. Формат сигналов в системе ACTV-1:
а — широкоформатное изображение, передаваемое по системе ACTV-i;6— сигнал яркости, преобразованный в
базовый с форматом 4:3; в — сигнал яркости мелких деталей левых н правых полос; г — сигнал нркости деталей
повышенной четкости в центральной части; д — сигнал яркости вертикальной четкости
тое во времени (рис. 21.16,в) так, чтобы занять полосу не более 1,0 МГц.
Сигнал Е3 определяет повышенную четкость на изображении специ-
ального приемника ACTV-1 в диапазоне 5...6,2 МГц, обеспечиваемую
студийной камерой. Для ограничения полосы в 1,0МГц передаваемый
сигнал Е3 также подвергается растяжению во времени.
Оба сигнала Е2 и Е3 квадратурно модулируют поднесущую /S2=
=3,108 МГц, выбранную аналогично цветовой поднесущей fsi = 3,58
МГц в NTSC. При этом сигналы Е2 и Е3 не вызывают заметных помех
на изображении в стандартных телевизорах, так как создают взаимно
дополнительные цвета.
Сигнал Е4 несет информацию о дополнительных вертикальных и
временных составляющих яркостного сигнала, которые присутство-
вали в студийном многострочном сигнале, но были исключены после
преобразования развертки в стандартном сигнале формата NTSC.
Эти фактически пропущенные строки на приемной стороне после вос-
становления в приемнике ACTV-1 снижают эффект мерцания строк.
Полоса этого сигнала ограничена шириной 750 кГц, а вводится он в
сигнал ACTV-1 методом квадратурной модуляции несущей изобра-
жения. Поэтому обычный приемник NTSC без синхронного детектора
этот сигнал не воспримет.
Следует заметить, что с целью уменьшения-взаимного влияния
сигналов друг на друга в процессе аналоговых и цифровых обработок
в системе ACTV-1 применяется внутрикадровое усреднение составля-
ющих спектра выше 1,5 МГц для сигналов Е,, Е2, Е3.
Рассмотренная система ACTV-1 на приемнике с широкоформат-
ным кинескопом способна обеспечить разрешающую способность до
593
480 телевизионных линий (твл) по горизонтали (вместо стандартных
360 для NTSC) и 410 твл по вертикали.
Существенно более высокие параметры имеет двухканальная си-
стема ACTV-2, в которой сигнал ACTV-1 является базовым и прини-
мается на обычный приемник NTSC либо приемник широкого форма-
та ACTV-1. Второй канал в этой системе используется для передачи
дополнительной информации в полосе до 6,0 МГц, которая являет
собой разность между сигналами ACTV-1 и сигналами студии ТВЧ
(1050/30/2:1 /16:9). Приемник ACTV-2 способен принять изображение
по этой двухканальной системе существенно более высокого качества.
Разрешающая способность по сигналу яркости оценивается в 650 твл
горизонтальных и 800 твл вертикальных, цветовая четкость увеличена
вдвое.
Известны и другие двухканальные совместимые системы ТПЧ на
базе NTSC, например система Del Rey[72]и система HD-NTSC фирмы
"Phillips” [75], для которых также характерны базовый сигнал NTSC
и дополнительный сигнал во втором канале с информацией о широком
формате и повышенной четкости.
Все эти системы объединяет широкое привлечение современных
средств цифровой обработки сигналов, позволяющих сохранить мак-
симальностарый парк приемников и вместе с тем обеспечить плавный
гармоничный переход к новому ТВЧ вещанию через этапы расшире-
ния формата кинескопа, повышения четкости по сравнению с NTSC,
введения дополнительных каналов звука более высокого качества,
дополнительной информации на экране.
ГЛАВА 22
ПЕРЕДАЧА В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ ДОПОЛНИ-
ТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Благодаря достигнутым в последние годы успехам в области циф-
ровой обработки телевизионных сигналов появилась возможность пе-
редавать телезрителю дополнительную визуальную информацию, что
значительно расширяет функции обычного абонентского телевизора.
Телезритель включается в систему принципиально нового типа — в
так называемую систему массового информационного обслуживания,
в которой ему предоставляется целый комплекс дополнительных ус-
луг связи.
22.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Большое многообразие задач, решаемых современными система-
ми передачи дополнительной информации, можно разделить:
по форме, в какой информация представляется абоненту;
по характеру взаимодействия абонента с обслуживающей систе-
мой;
594
по методу передачи сигналов дополнительной информации або-
ненту от поставщика информации.
Формы представления дополнительной информации. Наиболее
распространенной сейчас формой представления дополнительной ин-
формации является видеография: отображение данных в буквенно-
цифровой или графической форме. В этом случае на экран телевизора
выводятся страницы текста и элементарный графический материал,
позволяющий донести до зрителя последние новости, сведения о пого-
де, транспорте, финансах, промышленности, культурной жизни, ценах
и др.
Другой формой представления информации является ее отобра-
жение в виде неподвижных телевизионных изображений — диапози-
тивов, фотографий, телевизионных стоп-кадров, рисунков, докумен-
тов. Основное отличие от видеографии заключается в том, что
неподвижные ТВ изображения создаются с помощью ТВ преобразо-
вателя свет-сигнал, а в видеографии изображения синтезируются
электрическими методами.
Передача дополнительной информации в звуковой форме. Приме-
ром может служить обеспечение речевого комментария или звукового
сопровождения к буквенно-цифровому или графическому изображе-
нию, звуковое сопровождение ТВ программ на двух языках и др.
Наконец, дополнительная информация может передаваться або-
ненту не для непосредственного отображения на экране, а для авто-
матического дистанционного управления абонентскими устройства-
ми (телевизором, магнитофоном, печатающим устройством) или для
повышения качества воспроизведения ТВ изображений путем их до-
полнительной обработки.
Взаимодействие абонента с обслуживающей информационной си-
стемой. В варианте наиболее массовой по числу абонентов системы
передачи дополнительной информации предполагается участие або-
нента только в качестве пассивного получателя информации, которая
в общем случае накапливается и обновляется в памяти абонентского
устройства. Абонент имеет возможность воспроизводить на экране
своего телевизора-дисплея только ту информацию, которая циркули-
рует в сети системы. Выбор необходимой информации является поэ-
тому в определенной степени ограниченным. Такие системы следует
отнести к классу пассивных.
Более совершенным способом доставки информации является ин-
терактивный (interakt — взаимодействие), когда абонент имеет воз-
можность индивидуального запроса необходимой информации в банк
данных обслуживающей его системы. Такой запрос осуществим толь-
ко при наличии отдельного для каждого абонента канала связи. Реа-
лизация диалогового режима работы позволяет не только увеличить
объем доставляемой по желанию абонента информации, но и предо-
ставить ему возможность производить необходимые расчеты с по-
мощью имеющегося в обслуживающей системе компьютера, осущест-
влять деловые операции, покупки, пользоваться другими сервисными
возможностями.
595
Методы передачи сигналов дополнительной информации. В рас-
пространенных выше системах сигналы дополнительной информации
передаются абоненту либо с помощью вещательной ТВ сети, либо как
этЪ Требует структура интерактивной системы, по отдельному теле-
фонному или телевизионному кабелю. По этому же каналу передают-
ся <сййналы запроса от абонента к системе. В первой системе телеви-
зиоийый центр передает сигналы дополнительной информации
одновременно с вещательной программой (путем уплотнения ее сиг-
иалй) или вместо программы. Необходимая информация закрепляет-
ся в памяти абонентского устройства и по желанию зрителя воспро-
изводится на экране телевизора.
Системы видеографического воспроизведения информации с ис-
пользованием вещательной сети телевидения получили общее назва-
ние телетекст. Интерактивные системы видеографии с использовани-
ем Отдельного (например, телефонного) канала связи имеют название
видеотекс. Следует, однако, иметь в виду, что в современных системах
перечисленные выше признаки довольно тесно переплетаются, и пер-
спективные системы будут выполнять функции весьма разнообраз-
ные, сочетая в себе возможности как пассивных, так и интерактивных
комплексов.
22.2. ВЕЩАТЕЛЬНАЯ ВИДЕОГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕЛ ЕТЕКСТ
Из всех вещательных программ дополнительной информации на-
ибольшее распространение получила передача телетекста, т.е. бук-
венно-цифровой и символизированной графической информации. Ро-
доначальником методов передачи и первым разработчиком была
английская корпорация ВВС.
Определенную конкуренцию этим фирмам составили француз-
ские специалисты, разработавшие свой вариант телетекста, получив-
ший название Antiope. Однако к началу 80-х годов большинство евро-
пейских стран приняло английский вариант телетекста. Уже к 1983 г.
в этих странах эксплуатировалось на коммерческой или эксперимен-
тальной основе свыше 1,5 млн. приемников, способных принимать
программы телетекста. К началу 90-х г. число абонентов этой системы
насчитывалось десятками миллионов.
При воспроизведении телетекста отображаемая информация мо-
жет располагаться на всей площади экрана (в этом случае ТВ про-
грамма не воспроизводится) или на части экрана в виде титров, нало-
женных на изображение ТВ программы или вмонтированных в него с
помощью рамки. Выбор варианта воспроизведения предоставляется
зрителю. Содержание информации могут составлять различного рода
новости, расписание движения транспорта, сводки погоды, учебные
программы, субтитры при интернациональном обмене программами
и'Т.Д.
Информация телетекста организуется в виде ’’журналов” и ’’стра-
ниц”. Страницей называют изображение текста на экране. Близкие
596
по тематике страницы объединяются в журнал. Журналы содержат
около ста страниц и хранятся в запоминающем устройстве источника
программы. Всестраницы пронумерованы, а на одной или нескольких
страницах содержится оглавление журнала. Конкретная страница
журнала выбирается зрителем набором определенного номера на
клавиатуре, которой снабжается ТВ приемник телетекста.
Информация от источника программы формируется в пакеты, ко-
торые последовательно во времени замешиваются в сигнал ТВ про-
граммы и передаются в сеть вещания. После передачи всех страниц
журнала или даже нескольких журналов, составляющих цикл, инфор-
мация передается повторно в том же или обновленном виде. Этот
циклический процесс позволяет зрителю накопить в устройстве памя-
ти приемного устройства информацию о выбранной странице и восп-
роизвести ее. Однако на это требуется определенное время, которое и
составляет задержку с момента запроса до момента воспроизведе-
ния. В зависимости от объема циркулирующей в сети информации эта
задержка может составлять время от 10 до 30 с. Время задержки
выбора некоторых наиболее популярных страниц может быть сокра-
щено многократным повтором их внутри цикла.
В большинстве систем передачи телетекста каждая страница
журнала содержит 24 ряда знаков (в Канаде — 20, в Японии —до 17)
по 40 знаков в ряду (в Японии — 15). Для каждого поля растра
отводится 240 — 250 телевизионных строк. Знаки на экране индици-
руются в любом из 7, 8 цветов в виде набора элементов матрицы
(знакоместа); высота знака составляет 14 телевизионных строк. Для
повышения разборчивости текста высота знаков в тексте может уве-
личиваться вдвое. Для улучшения наглядности отдельные ряды или
группы знаков могут мерцать. Если информация отображается вфор-
ме субтитров, то для них отводится один или два знаковых ряда. При
передаче знаков каждый из них кодируется 7-разрядным кодом.
Некоторые особенности имеет передача телетекста в Японии. Де-
ло в том, что японский язык отображается более чем 2000 иероглифов
сложной формы. Поэтому простой способ передачи знака, принятый
в западных странах и основанный на передаче закодированного сим-
вола, здесь нецелесообразен. В японском телетексте каждый знак
передается в виде точечной матрицы (16x16 или 15x18). Параметры
каждой точки запоминаются, для чего необходимо передавать на один
знак значительно большее число двоичных посылок (бит).
В вещательных видеографических системах типа телетекст для
передачи сигналов дополнительной информации необходимо осуще-
ствлять уплотнение ТВ сигнала. Наибольшее распространение полу-
чили системы с временным уплотнением. В этих системах импульсы
кода дополнительной информации размещаются в свободных строках
кадровых гасящих импульсов. Для стандарта разложения 625
строк/50 полей строками, пригодными для передачи дополнительной
информации, являются строки с 7-й по 22-ю и с 320-й по 325-ю. Для
американского стандарта(525/60) используются строки с 10-й по 14-ю
597
Рис. 22.1. Структурная схема передающей части системы телетекст
в обоих полях. В отечественном стандарте свободными от сигналов
цветовой синхронизации и испытательных сигналов являются строки
с 16-й по 18-ю, 22-ю и с 329-й по 332-ю.
Рассмотрим структурные схемы устройства временного уплотнения
сигналом программы телетекста и его декодирующего устройства в
приемнике. От источника сигнала дополнительной информации сигнал
в двоичном коде предварительно записывается в буферное запоминаю-
щее устройство (рис. 22.1). Из него сигнал с циклом, равным длительно-
сти поля, считывается и вводится в одну или несколько свободных строк
кадрового гасящего импульса. Информация, составляющая сигнал од-
ной строки, образует пакет данных. Группирование данных в пакеты
кодовых импульсов, добавление к ним им пульсов синхронизации и опоз-
навания программы (номера журнала и страницы) осуществляется в
кодирующем устройстве. Оно управляется устройствами синхрониза-
ции и выбора строк. В кодирующем устройстве производится кодирова-
ние сигнала специальными помехоустойчивыми кодами в целях увели-
чения помехоустойчивости сигнала телетекста. В суммирующем узле
завершается процесс уплотнения ТВ сигнала сигналом телетекста. Бу-
ферное запоминающее устройство необходимо для того, чтобы согласо-
вать сильно отличающиеся по скорости процессы поступления инфор-
мации из источника и ее считывания в короткие промежутки времени,
выбранные для передачи строк.
На приемной стороне (рис. 22.2) уплотненный ТВ сигнал поступает
на декодирующее устройство, где из него выделяются кодовые комби-
нации сигнала телетекста. В устройстве выбора страницы произво-
дится сравнение номера страницы, выбранной зрителем с помощью
пульта управления и передаваемой в сигнале. При их совпадении
осуществляется запись данных в запоминающее устройство. При не-
обходимости воспроизведения информации данные из запоминающе-
го устройства поступают в знакогенератор, который формирует ТВ
598
Рис. 22.2. Структурная схема приемной части системы телетекст
сигнал текста или графического изображения, поступающий на ком-
мутирующее устройство. Последнее в зависимости от команды с пуль-
та управления обеспечивает подачу на ТВ приемник изображения
телетекста или ТВ программы или их комбинации.
Для правильной работы декодирующего устройства, управления
работой устройства ввода данных в запоминающее устройство и зна-
когенератор необходимо пакет данных телетекста снабдить соответ-
ствующими сигналами. На рис. 22.3 изображена структура сигнала
одной строки в системе телетекст. В сумме она содержит 360 бит (45
байт) информации, из них 40 бит носят служебный характер, а осталь-
ные 320 предназначены непосредственно для передачи знаков и уп-
равления их воспроизведением.
Первые два байта в виде последовательности 101010... предназна-
чены для синхронизации тактового генератора в декодирующем уст-
ройстве. Третий байт, называемый иногда "кодом сигнала”, всегда
равен 11100100 и позволяет разбить принимаемый поток на байты, т.е.
осуществить синхронизацию по байтам. Этим байтом фиксируется
также момент времени, с какого начнется поступление информацион-
ных байтов. В четвертом и пятом байтах отведено три бита для номера
журнала и пять бит для номера ряда. Это так называемая адресная
группа (рис. 22.4). В ней могут быть записаны номера журналов с 1-го
по 8-й и рядов с 0-го по 23-й. Информационные биты в адресной группе
41-
Рис. 22.3. Структура сигнала те-
летекста:
/ — сигнал тактовой синхронизации (2 бай-
та); 2 — сигнал синхронизации по байтам
(I байт); 3 — сигнал адресной группы: №
журнала и ряда (2 байта); 4 — блок данных
(40 байт); 5 — строчный синхронизирующий
импульс; 6 — сигнал цветовой синхрониза-
ции нлн защитная цветовая
вспышиа
Пакет данных
ВстаВка Ванных.
Строка данных
599
's U 3 а 3 U 3 U 3 U 3 U 3 а 3 U
№ журима №ряЗа
Рис. 22.4. Структура адресной части сигнала телетекста (и — информационный бит;
з — бит защиты)
перемежаются с битами защиты от ошибок (код Хэмминга), позволя-
ющими обнаруживать и исправлять одиночные ошибки. Описанная
адресная группа сигнала представляет так называемый префикс па-
кета данных, остальные 40 байт которого составляют непосредствен-
нознаковую информацию одной строки текста. На каждый знак в этой
информационной группе расходуется 1 байт (8 бит); в ней 7 бит исполь-
зованы непосредственно для кодирования слова (знака или фрагмен-
та графического рисунка), а восьмой бит служит для повышения по-
мехоустойчивости. Помехоустойчивость повышается благодаря
операции проверки на четность. С этой целью восьмой бит в слове
принимает значения ”1” при четном числе единиц в слове и ”0” — при
нечетном. Таким образом передается всегда еловое нечетным числом
единиц. При ’’проверке на четность” в декодирующем устройстве при-
емника любой байт, содержащий четное число единиц, считается оши-
бочным и отбрасывается. На их место вставляются знаки, принятые
верно в предшествующем цикле приема. Конечно, двойные ошибки этим
способом не обнаруживаются, и знак на экране искажается. Самый
верхний ряд страницы телетекста — нулевой — является ее заголовком.
Он в своем блоке данных содержит информацию о номере страницы (два
байта), часах и минутах точного времени (четыре байтами два резервных
байта для развития системы управления (рис.22.5). Эта информация
также кодируется кодом Хэмминга. Остальные 32 байта заголовка от-
ведены под собственно знаковую информацию.
Скорость передачи в английском варианте системы телетекст со-
ставляет 6,9375 Мбит/с (что соответствует 444-й гармонике строчной
Рис. 22.5. Расположение информации в заголовке страницы (нулевой ряд)
600
частоты), во французском варианте Antiope — 6,2031 Мбит/с. В по-
следней системе структура строки данных несколько отличается от
описанной выше.
Если уплотняется только одна строка в кадровом гасящем им-
пульсе, то пропускная способность системы телетекст составляет два
ряда знакового изображения за одни кадр, нли 50 рядов текста в одну
секунду (одна страница примерно за 0,5 с). Возможно уплотнение
нескольких строк в поле. Тогда пропорционально возрастает пропу-
скная способность системы, что позволяет или увеличить объем пере-
даваемой информации, нли сократить время задержки в воспроизве-
дении выбранной зрителем страницы. Прн необходимости в
специальных случаях и в те же часы, когда ТВ программы не переда-
ются, пропускная способность может быть значительно увеличена за
счет уплотнения всех строк поля, кроме строк, во время которых
передается синхронизирующий импульс кадра.
Обычно пакеты данных в системе телетекст передаются методом
амплитудной модуляции поднесущей бинарным кодом "без возвра-
щения к нулю” (метод БВН, при котором ”еднннце” соответствует
80 % размаха сигнала яркости, а "нулю” — 30 %). Прн этом передаче
подлежит только транспонированная в область ннжннх частот ниж-
няя боковая полоса модулированного колебания с шириной 3,1 МГц.
Для демодуляции этого сигнала в приемнике телетекста применяют
синхронное детектирование. В системе телетекст применяется также
звуковое сопровождение, осуществляемое на поднесущей частоте,
равной /м=9/г/2=70312,5 Гц. Прн таком выборе поднесущей помехи
от сигнала звукового сопровождения мало заметны на изображении
[75].
Еще одним нз способов уплотнения ТВ программы сигналом до-
полнительной информации является используемый в системе NTSC
частотный способ. Анализ спектра частот сигнала цветного телевиде-
ния NTSC показывает, что энергия сигнала яркости в спектре от 2 до
3 МГц относительно мала. В этой системе снгнал дополнительной
информации может передаваться на поднесущей частоте 2,5 МГц,
кратной нечетной полугармонике строчной частоты. Такой выбор ча-
стоты обусловливает большую помехоустойчивость сигнала телетек-
ста от сигнала цветной ТВ программы, а также меньшую заметность
помехи при приеме основной ТВ программы от уплотняющего ее сиг-
нала.
Сигнал телетекста в этой системе передается в составе сигнала
вещательной программы в течение 240 строк каждого поля (за время
активной части строки) путем модуляции поднесущей частоты по фа-
зе. Поскольку передаются двоичные импульсы, используется бифаз-
ная модуляция. При этом, учитывая, что во время передачи строчных
синхроимпульсов поднесущая подавляется, скорость цифровой пере-
дачи данных оказывается равной примерно 14 кбнт/с (в системе теле-
текст средняя скорость составляет 18кбит/с). В приемном устройстве
сигнал дополнительной информации выделяется полосовым фнльт-
601
ром, детектируется и обрабатывается как в системе с временным
уплотнением.
Следует отметить, что систему с частотным уплотнением нельзя
считать перспективной, поскольку слишком противоречивы в этой
системе требования к помехоустойчивости сигналов н отсутствию пе-
рекрестных искажений между сигналами дополнительной информа-
ции и ТВ программы. В частности, цифровой сигнал оказывается
незаметным на экране приемника NTSC, если его амплитуда не пре-
вышает 1 % размаха ТВ сигнала [20], что делает в таких условиях
программу телетекста слабо защищенной от помех.
Конечно, хотя и в меньшей степени, эта проблема стоит н в обычной
системе телетекст с временным уплотнением сигналов. При передаче
дополнительной информации исключение перекрестных, т.е. взаим-
ных помех, — обязательное условие совместимости ннформацнонной
и телевизионной частей системы.
Телевизионный сигнал и сигнал дополнительной информации со-
вместимы в том случае, если прн наблюдении ТВ изображения на
экране не заметны помехи от цифрового сигнала, а частота ошибок в
цифровом потоке сигнала дополнительной информации прн всех воз-
можных изменениях ТВ сигнала не превосходит некоторого допусти-
мого значения.
Одной из причин, ухудшающих качество знакового изображения,
является сужение относительно расчетного значения полосы пропу-
скания канала связи. Эта причина приводит к межснмвольным иска-
жениям. Придание импульсам сигнала телетекста синусквадратич-
ной формы с этой точки зрения является более выгодным.
Поскольку в приемном устройстве телетекста используется обыч-
ный телевизор, приходится считаться с возможной неточностью на-
стройки частоты его гетеродина. Расстройка гетеродина, приводящая
к смещению несущей изображения в сторону канала звука (отрица-
тельная расстройка), как раз и обусловливает возможное сужение
полосы пропускания. Однако н положительная расстройка неблаго-
приятно сказывается на качестве изображения, так как в этом случае
в канал изображения, а значит, и в канал цифровых данных проника-
ют составляющие звукового сигнала, что приводит к появлению ошиб-
ки в цифровом канале. В этом плане в лучших условиях работают
приемники, имеющие синхронное детектирование. В общем, допусти-
мая расстройка гетеродина приемника устанавливается равной не
более 250 кГц [20].
Влияние цифрового канала на изображение вещательной ТВ про-
граммы зависит от расположения уплотняемой строки внутри кадро-
вого гасящего импульса. Выше уже указывались рекомендуемые для
уплотнения номера строк. Следует иметь в виду, что размах цифрово-
го сигнала соизмерим с оригиналом изображения. Поэтому при ис-
пользовании для передачи строк, расположенных ближе к началу
интервала гашения, могут возникать нарушения в кадровой синхро-
низации растра. Эти искажения проявляются в виде слипания смеж-
602
ных строк смежных полей и в вертикальном дрожании изображения.
Выбор для уплотнения строк, расположенных ближе к концу интер-
вала гашения, может создать видимую помеху при неправильной ус-
тановке (уменьшении) высоты изображения. В отличне от испыта-
тельных строк, имеющих постоянный рисунок, помеха от сигнала
телетекста подвижна н потому более заметна. Естьопасность проник-
новения сигнала телетекста в канал звукового сопровождения. При
этом может возникать звуковой фон.
Передача данных телетекста осуществляется по сети обычного ТВ
вещания, н важно, чтобы зона достоверного приема данных телетек-
ста была не меньше зоны, охватываемой ТВ вещанием. Выяснилось,
что качество обычного ТВ изображения сильнее всего страдает от
действия шумовых помех. Цифровой же канал больше боится эхосиг-
налов, вызванных многолучевым распространением радиоволн, отра-
жающихся от зданий и неровностей рельефа местности. Трудность
борьбы с эхоснгналами заключается в том, что характер их воздейст-
вия неоднозначен н определяется конкретными условиями в месте
приема. Цифровой канал так же, как и вещательный, подвержен вли-
янию различного рода индустриальных помех. Совокупность действу-
ющих помех может вызвать ошибки в приеме кодовых комбинаций
сигнала телетекст, что в свою очередь порождает искажения в отобра-
жении отдельных знаков или их группы нли даже целых страниц
текста н графических символов.
Для защиты от ошибок, вызванных помехами, используют специ-
альные коды, исправляющие или обнаруживающие ошибки. В част-
ности, применяются следующие методы:
добавляется бнт проверки на четность к каждому отображаемому
знаку (байту) или управляющему байту. Прн обнаружении ошибки
отображается знак, декодированный в предыдущем цикле, нли по-
врежденный знак гасится;
используется код, исправляющий ошибку в наиболее важных бай-
тах управления (адресации) и идентификации источника (например,
упомянутый код Хэмминга);
добавляется к передаваемому сообщению циклический бит про-
верки на четность по содержанию всей страницы. Зрителю при этом
обеспечивается индикация достоверности отображаемой страницы;
используются средства исправления ошибок для коррекции дан-
ных до их отображения.
22.3. ИНТЕРАКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ВИДЕОТЕКС
Интерактивные системы с воспроизведением информации на те-
левизионном экране представляют собой следующий этап развития
информационных систем массового пользования.
Большая часть методов, имеющих отношение к использованию
сетей и средств вычислительной техники, была предложена или на-
шла применение в США. Однако интерактивная система с ТВ отобра-
603
жением была создана английской компанией Brittish Telecom, кото-
рая ввела в эксплуатацию первую массовую службу общего пользо-
вания. Интерактивные системы нашли применение в ряде стран ев-
ропы, Японии, Канаде и др. Эксплуатируются они под разными
названиями, в зависимости от национальной принадлежности: в Ве-
ликобритании — система Prestel (раньше Viewdata), во Франции —
Teletel , в ФРГ — Bildschirmtext, в Японии — Capt ain, в Канаде —
Vista и т.д. Эти системы, различаясь несколько по своим технических
стандартам, базируются на общих принципах построения. Поэтому
Международным консультативным комитетом по телеграфии и теле-
фонии (МККТТ), организацией, устанавливающей стандарты для от-
раслей связи, было рекомендовано обобщающее название — Videotex
(видеотекс).
Характерными признаками системы видеотекс являются следую-
щие:
наличие у абонента ТВ приемника, снабженного пультом управле-
ния и дополнительным электронным устройством для отображения
информации;
поступление абоненту информации от удаленного банка данных
(компьютера), в котором осуществляются подготовка н хранение дан-
ных;
применение в качестве систем связи между банком данных и або-
нентом радиоканала, телеграфного илн ТВ кабеля, волоконно-опти-
ческой линии.
В системе видеотекс потребитель (абонент) имеет возможность:
запрашивать необходимую информацию из банка данных;
посылать сообщения другому абоненту системы;
производить программное самообучение;
запрашивать требуемые расчеты и т.д.
Общее информационное обслуживание включает в себя передачу
справочных данных, объявлений и рекламных сообщений, рассчитан-
ных на широкий круг потребителей. При желании он может запросить
более подробные сведения по интересующим его темам. Общее ин-
формационное обслуживание при этом сочетается благодаря возмож-
ности индивидуального запроса информации с персональным (что
отличает систему видеотекс от системы телетекст). Объем информа-
ции, который может быть предоставлен потребителю, во много раз
превышает возможности системы телетекст. Так, в британской служ-
бе Prestel общий объем памяти составляет более 200 000 страниц, и
это Далеко не предел.
Благодаря службе сообщений потребитель имеет возможность по-
сылать и получать (через ЭВМ) сообщения, состоящие из стандартно-
го набора телеграфных фраз (поздравления, извещения о приезде и
т.д.). Сообщения могут посылаться одному или нескольким абонентам
системы. Применение интерактивной системы для программирован-
ного обучения существенно расширит возможности самообразования
и заочного обучения, поскольку обеспечивает учащимся быстрый са-
604
Рис. 22.6. Структурная
схема приемной части
сигнала видеотекса
моконтроль выполняемых заданий. Телевизионный терминал, связан-
ный с ЭВМ, может быть использован также для учебной телеигры.
Система видеотекс позволяет потребителю обращаться к компью-
теру для решения расчетных задач, пользуясь весьма простым и до-
ступным языком. При этом удобства работы с терминалом системы
соединяются с широкими возможностями мошной ЭВМ, являющейся
основой системы.
Рассмотрим упрощенную структурную схему приемной стороны
системы видеотекс на примере использования телефонной связи меж-
ду источником информации системы и абонентами (рис.22.6). С теле-
фонного аппарата абонент осуществляет вызов информационного
центра обычным набором соответствующего номера. После приема
вызова ЭВМ посылает в линию сигнал звуковой частоты, который
является командой для переключения линии с телефонного аппарата
на модем (модулятор, демодулятор), входящий в состав блока пере-
дачи данных. В результате абонент получает доступ к ЭВМ через свой
пульт управления. Когда ЭВМ обработает полученный запрос, она
посылает абоненту необходимую информацию. Принятый в демоду-
ляторе сигнал детектируется и записывается в буферное запоминаю-
щее устройство. Из него кодовые посылки знаков записываются в
основное запоминающее устройство. Его работой управляет адрес-
ный селектор, информация на который поступает с блока передачи
данных и блока воспроизведения. Считывание информации из запо-
минающего устройства и воспроизведение изображения на экране
производятся с помощью блока воспроизведения, который, имея в
своем составе знакогенератор и автономный синхрогенератор, фор-
мирует адрес считывания и изображение на экране телевизора.
Особенностью системы видеотекс по сравнению с системой теле-
текст является то, что информация из телефонной линии поступает по
телефонному каналу непрерывно, без синхронизации с приемным ус-
тройством. Поэтому для предотвращения взаимных помех надо раз-
делить процессы записи в память и считывания из нее. Эту функцию
выполняет адресный селектор, на который поступают адреса записи
605
из блока передачи данных и адреса считывания из блока воспроизве-
дения. Распределением времени записи и считывания в запоминаю-
щем устройстве управляет строчный гасящий импульс. Он разрешает
считывание информации из запоминающего устройства в течение ак-
тивной части каждой рабочей строки. Запись из буферного запомина
ющего устройства в блоке передачи данных в запоминающее устрой-
ство осуществляется в течение времени, не занятого считыванием.
Передача сигналов от терминала к ЭВМ осуществляется либо от
клавишного блока ввода данных, либо от ЗУ, где хранится ранее
набранная страница. При нажатии клавиши встроенный кодер фор-
мирует код с помощью собственного тактового генератора. Передача
данных в системе видеотекс происходит в обоих направлениях одно-
временно по способу частотной манипуляции. Перекрестные искаже-
ния предотвращаются выборками разных частот передачи в прямом
и обратном направлениях. Преобразование кода в сигналы тональ-
ных частот (для передачи по телефонному каналу) производится в
модеме.
Вся информация, набираемая на пульте управления, поступает на
ЭВМ, возвращается на абонентский терминал и воспроизводится на
экране. Это позволяет абоненту выявить ошибки набора и передачи,
а также судить об исправности линии в системе в целом.
В европейских системах видеотекс поток данных по терминальным
каналам передается со скоростью 1200 бит/с. Для передачи одной
страницы требуется 8 с; от абонента на передающий конец системы
сигнал передается со скоростью 75 бит/с.
Как уже отмечалось, интерактивные системы могут использовать
в качестве каналов связи и телевизионные кабели. Примером такой
системы может служить интерактивная сеть кабельного телевидения
Warner’s QUBE (США). Применение кабельных систем выгодно от-
личается от телефонных значительно большей пропускной способно-
стью кабеля (примерно в 1000 раз больше). По кабелю, например,
можно быстро передавать цветные фотографии, что является одной
из очень привлекательных услуг информационной системы. К сожа-
лению, в большинстве систем кабельного телевидения передача ве-
дется только водном направлении. Поэтому их можно использовать в
интерактивных системах только совместно с телефоном, что вносит
дополнительные трудности. Проблема осложнена еще и тем, что ка-
бельные сети телевидения охватывают относительно небольшое число
абонентов, в связи с этим массовое внедрение с помощью кабельных
систем ограничено. Разработчики как пассивных, так и интерактив-
ных систем в процессе их проектирования стремились строить их с
возможностью максимального использования общих стандартных
компонентов. Поэтому разработанные к настоящему времени систе-
мы видеотекс и телетекст имеют одинаковые форматы изображения
и набор знаков.
Сравнение двух систем позволяет сделать вывод, что они не явля
ются альтернативными, хорошо дополняют друг друга, обладая сво-
606
ими достоинствами иограничениями. Так,большинству потребителей
дешевле купить и проще эксплуатировать аппаратуру телетекста.
Аппаратура видеотекса значительно дороже, а во многих случаях
(при использовании в абонентском терминале персональных ЭВМ)
требует определенной квалификации при ее эксплуатации.
Система телетекст, как и вещательное телевидение, ие наклады-
вает ограничения на число абонентов, которые могут смотреть журна-
лы телетекста. Их число может в пределе достигать 100 % телезрите-
лей. Уже сейчас в странах Европы система телетекст обслуживает
более 30 млн. человек. Это система позволяет в свободные от вещания
часы передавать дополнительную информацию не только во время
кадрового гасящего импульса, но и во время всех активных строк
кадра. Тогда по одному каналу оказывается возможным передавать
до 15000 страниц информации со временем задержки таким же, как и
в обычном режиме работы.
В то же время по сравнению с системой телетекст видеотекс обла-
дает значительно большей информационной емкостью и, как указы-
валось, благодаря двусторонней связи может предоставлять намного
больше дополнительных услуг.
Г Л А В А 23
СТЕРЕОТЕЛЕВИДЕНИЕ
23.1. ОСНОВЫ СТЕРЕОТЕЛЕВИДЕНИЯ
Окружающий реальный мир воспринимается человеком пятью
органами чувств. Но из них доминирующую роль играет зрение, бла-
годаря которому человек получает около 80—85 % всей информации.
Объемность предметов, их взаимное расположение по глубине про-
странства и рельефность воспринимаются нами в основном благода-
ря наличию 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.
Радиус стереоскопического зрения г0 прямо пропорционален глаз-
ному базису Ьо и обратно пропорционален порогу глубинного зрения б,
значение которого составляет 10"...20":
г — Ь0/6. (23.1)
Следовательно, радиус (дальность) стереоскопического зрения в
среднем для невооруженного глаза
65
10 ' 2Q-” 1К“-
206000 ” 206000
607
Для увеличения значения радиуса стереоскопического зрения, т.е.
стереоэффекта, используют стереотрубы и бинокли. В этом случае
стереоэффект повышается по двум причинам: из-за увеличения бази-
са наблюдения Ь и остроты стереоскопического (глубинного) зрения
1/6. Базис наблюдения по сравнению с невооруженным глазом увели-
чивается в Ь/Ьо раз, где Ь — базис прибора, т.е. расстояние между
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 6/у- Тогда
стереоскопический радиус с прибором
г~Ьу~6 (23.2)
Подставляя б из (23.1) в (23.2), получаем
by
r-r^T0 (23.3)
Величина
п_ yb
П~ьо (23.4)
называется пластикой бинокулярного прибора и показывает, во
сколько раз увеличивается объемность изображения рельефной нату-
ры при наблюдении оптическим прибором по сравнению с наблюде-
нием непосредственно глазом. Для биноклей b = 2Ьоиу = 6, откуда
П = 12, а для стереотруб пластика достигает 120. Бинокулярные
приборы значительно повышают возможности стереоскопического
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 фотокатоды двух передающих трубок будут спроектированы
два изображения одной сцены. Эти изображения будут отличаться
друг от друга, и это отличие будет тем больше, чем больше базис
съемки Вс. Два изображения должны быть переданы и воспроизведе-
ны на двух экранах кинескопов или на одном. В последнем случае эти
изображения должны быть разнесены во времени или в пространстве.
Для получения эффекта объемности необходимо обеспечить раздель-
ное рассматривание этих изображений, т.е. левый глаз должен видеть
только то изображение, которое снято с позиции левой камеры, а
правый — правой камеры.
Следовательно, для объемного воспроизведения ТВ изображений
необходимы два условия. Во-первых, передача изображений с некото-
рым базисом съемки. Эти два кадра, снятые с разных позиций, назы-
ваются стереопарой. Каждый кадр стереопары может передаваться
608
одновременно или последовательно. В первом случае система стере-
отелевидения будет называться одновременной, во втором — после-
довательной. Во-вторых, необходимо раздельное рассматривание
правым и левым глазом соответствующих кадров стереопары. Деле-
ние (сепарация) изображений стереопары для левого и правого глаза
может осуществляться с помощью наглазных устройств, очков (инди-
видуальное) и с помощью растровых устройств (коллективное).
Растровые методы сепарации пока не находят практического при-
менения из-за узкой зоны избирательного видения каждым глазом,
что значительно ограничивает перемещение головы зрителя и вызы-
вает утомляемость и большие неудобства. Кроме того, растровые ме-
тоды обладают высокими потерями света.
Наглазные устройства — это стереоскопы, зеркальные или линзо-
вые, очки из поляроидов и цветные очки. Стереоскопы находят огра-
ниченное применение и используются в специальных системах стере-
отелевидения 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 спектральному признаку).
На примере оптической схемы поляроидного метода сепарации
стереопары рассмотрим принцип действия очковых методов деления
кадров стереопары. На рис. 23.1 изображены два кинескопа /, 2, кото-
рые располагаются перпендикулярно друг другу. Перед экранами
этих кинескопов устанавливаются поляроидные пленки Рц,/^.Пло-
скости поляризации этих пленок взаимно перпендикулярны. Изобра-
жения К„, совмещаются на полупрозрачном зеркале 3. Наблюда-
тель снабжается очками из таких же поляроидов 4, плоскости
поляризации которых должны соответствовать плоскостям поляриза-
ции соответствующих поляроидов на экранах. В результате этого пра-
вый глаз будет видеть правое изображение и не видеть левого, а левый
глаз — наоборот. Аналогично можно осуществить сепарацию с по-
мощью цветных очков (анаглифов). В этом случае поляроидная плен-
ка заменяется цветными фильтрами. Если установить перед экрана-
ми черно-белых кинескопов цветные фильтры (или использовать
кинескопы с одноцветными экранами), например изображение на эк-
Рис. 23.1. Оптическая схема поляро-
идного метода сепарации стереопары
609
ране одного кинескопа К„ воспроизводить в красных тонах, а на экра-
не второго кинескопа /(л в синих тонах, то, совмещая эти два изобра-
жения на полупрозрачном зеркале 3 и рассматривая их через цветные
очки с узкими спектральными характеристиками соответствующих
цветов, получаем пространственный образ в пурпурных тонах.
Экспериментальные исследования первой стереоскопической те-
левизионной системы (СТС) дали очень важные результаты для даль-
нейших разработок аналогичныхсистем. Например, было показано,
что при различных параметрах левого и правого изображений стерео-
изображение приближается по качеству к лучшему. Это дало основа-
ние передавать одно изображение в более узкой полосе частот без
ухудшения качества стереоскопического изображения. Кроме того,
помехи, возникающие в электрическом канале, значительно менее
заметны при передаче стереоизображения. Это можно объяснить тем,
что помехи распределяются в объеме и не совпадают с деталями
изображения. Было установлено, что неискаженное воспроизведение
глубины пространства может быть достигнуто только при идентично-
сти разверток изображения передающей и приемной сторон и кадров
стереопары, а неидентичность разверток может увеличить или умень-
шить стереоэффект в зависимости от характера нелинейности. Сте-
реоэффект лучше проявляется при передаче движущихся изображе-
ний, особенно если движение идет в направлении камеры.
Быстрое изменение базиса съемки приводит к тому, что передава-
емые предметы кажутся или приближающимися (при увеличении
базиса), или удаляющимися (при уменьшении базиса). И наконец,
если из-за различных факторов стереоэффект мелких деталей пропа-
дает, то ощущение объемности сохраняется из-за стереоэффекта
крупных деталей. Дальнейшие разработки СТС подтвердили полу-
ченные результаты и выявили другие особенности восприятия стере-
отелевизионных изображений. Этн особенности в основном касались
подготовки и компоновки объектов передачи. Стереоэффект повыша-
ется при соответствующем освещении, увеличении цветного контраста,
подчеркивании вертикальных границ передаваемой сцены и др.
Первое черно-белое стереоскопическое телевизионное изображе-
ние было получено в Ленинграде в 1950 г. коллективом кафедры ТВ
под руководством П.В.Шмакова [13].
23.2. СТЕРЕОЭФФЕКТ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Основными характеристиками СТС, определяющими стереоэф-
фект ТВ системы, являются: пластика системы, глубина зоны объем-
ной передачи и детальность воспроизводимого пространства по глу-
бине.
Для определения пластики ТВ системы обратимся к рис. 23.2,а. На
плоскости М находится деталь N, которая фиксируется в плоскости
фотокатодов ФХФ2 передающих трубок точками л, и л2. Обозначим
610
базис передачи через Ь, а расстояние между точками п, и и2 — через
Д; fi — фокусное расстояние объективов О„ и О„.
Линейный параллакс (см. гл. 2.3)
рт = А — Ь = а1—а2.
С другой стороны, из подобия треугольников niNn2w O„NOn найдем
b I bh bh
7“<7+W’"тогда 1 = м ч-V. Отсюда
bfi
рт = у (23.5)
Из (23.5) можно сделать два важных вывода.
1. Линейный параллакс зависит от расстояния I плоскости от М до
плоскости объективов и не зависит от положения точки N на плоско-
сти М. Все точки, лежащие на плоскости М, будут иметь одинаковый
линейный параллакс рт. Следовательно, если разбить все простран-
ство от объектива камеры до бесконечности на ряд зон параллельны-
ми плоскостями Alp М2, М3,..., то предметы, лежащие на этих плоско-
стях, будут характеризоваться линейными параллаксами р„ р2, р3 и
т.д. При этом следует подчеркнуть, что для бесконечно удаленной
плоскости величина рт будет равна 0.
2. Линейный параллакс зависит только от базиса съемки Ь, если
заданы расстояние I и фокусное расстояние объективов Следова-
тельно, изменяя базис съемки, можно пропорционально менять ли-
нейный параллакс рт. Если учесть, что линейный параллакс на экра-
не приемника рк связан с линейным параллаксом съемки рт
соотношением
Pk = ЧРт> (23.6)
611
где q — линейное увеличение телевизионной системы (отношение сто-
роны кадра на приемном экране к стороне кадра на фотокатоде), то,
следовательно, изменение рт создает разный стереоэффект на прием-
ном конце.
Телевизионная система может повышать стереоэффект по сравне-
нию с непосредственным рассматриванием натуры. Чтобы опреде-
лить это повышение, необходимо знать значение полной пластики
системы П. Если рассматривать точку N невооруженным глазом на
том же расстоянии I (рис. 23.2,6), то она будет видна под параллакти-
ческим углом а = Ьо/1, где Ьо- базис глаз.
Для определения порога глубинного зрения следует продиффе-
ренцировать а по Г.
. кdl
da = ~ Ър (23.7)
Для наглядности и простоты расчетов примем, что на приемном
устройстве СТС установлен обычный линзовый стереоскоп с базисом,
равным глазному Ьо, и фокусным расстоянием линз [2. Изображение
стереопары воспроизводится на одном кинескопе, на экране которого
размещаются рядом два кадра Кл и Кп (рис. 23.2,в). Для точки Nk,
расположенной на плоскости Mk, на основании (23.5)и (23.6) линейный
параллакс приема
Pk = 4Pm = — (23.8)
где /, — фокусное расстояние объектива передающей камеры.
Точка N изобразится точкой Nk на расстоянии г от глаз наблюда-
теля. Для нахождения этого кажущегося расстояния обратимся к
рис.23.2,в. Из подобия треугольников с общей вершиной Nk и основа-
ниями Ьои Akнаходим
^2 b(J'2
<23-9)
где /2 — фокусное расстояние линз стереоскопа.
На рис. 23.2,0 параллактический угол 0 = Ь0/г или на основании
(23.8) и (23.9)
Р = -^- (23.10)
Продифференцировав (23.10), получим порог глубинного зрения
системы
I. dl
(23j i)
Полная пластика СТС определяется отношением порога глубин-
ного зрения телевизионной системы к порогу глубинногозрения глаза
(23.7):
612
пLil,
da 4 b0 f2
гд,еЬ/Ь0— удельная пластика системы, а/,//2 —увеличение системы,
определяемое оптикой передающей камеры и линзой стереоскопа.
Детальность передаваемого пространства по глубине определяет-
ся числом раздельно передаваемых планов (плоскостей) и наимень-
шим расхождением их по глубине, которое заметит наблюдатель на
экране приемной трубки.
Число раздельно воспроизводимых системой планов определяется
максимальным параллактическим углом 0тах, который может восп-
ринимать наблюдатель. При увеличении этого параметра наступает
двоение деталей изображения. Следовательно, 0тох определяет мак-
симальную глубину сцены. Для идеальной СТС число передаваемых
планов по глубине можно определить, зная максимальное и мини-
мальное значения параллактического угла, при которых наблюда-
тель еще ощущает эффект объемности. Число передаваемых планов
для идеальной СТС
Qh = PfflOz/Pmin-
Максимальное значение порогового параллакса 0тах было опреде-
лено экспериментально в СТС и составило 60'...70/. Для идеальной
системы можно считать 0т1Л«б, где б = 20" — порог стереоскопиче-
ского зрения наблюдателя. Исходя из этих данных, определим QH =
=70'/20" = 210 планов. В реальных СТС параллактическое смеще-
ние точек пространства обусловливается не только наличием парал-
лакса от базиса съемки 0, но еще и дополнительным параллаксом
Д0(х) из-за геометрических искажений: 0тах=0 + Д0(х). Отсюда сле-
дует, что для реальной системы определяемый базисом съемки и не
вызывающий двоення деталей изображения максимальный парал-
лакс 0=0тах—Д0(х). Из этого выражения видно, что в реальных СТС
максимально допустимая глубина пространства уменьшается по
сравнению с идеальной системой, следовательно, уменьшается и чис-
ло воспроизводимых планов.
Для реальной СТС число передаваемых планов по глубине
„ Ртах-ДР(Х) Ртах — ДР(х)
0₽-------------------Р~----= Z---------•
где 0 = 2а/г; а-угол зрения объектива; z — число строк разложения.
Если задаться значениями Д0(х)^О, 10mox, z = 625 и а = 45°, то
Qp= 15 планов. Уменьшение числа планов в реальной СТС вызвано,
во-первых, нелинейностью отклонения лучен передающих и приемных
трубок, т.е. дополнительным ’’паразитным” параллаксом Д0(х), во-
вторых, ограниченной полосой частот, т.е. разрешающей способно-
стью СТС [13].
613
23.3. СТЕРЕОЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Вещательные стереоцветные системы, способные воспроизводить
изображение трехмерным, дают более полное представление о пере-
даваемом объекте, улучшая художественность, достоверность пере-
дачи, приближая нас к условиям естественного, восприятия окружа-
ющей действительности. Воспроизведение объема в промышленных
цветных установках вызывается необходимостью иметь дополнитель-
ную информацию о пространственном расположении предметов. Та-
кие установки применяются, когда присутствие человека на объекте
передачи невозможно или опасно.
В общем случае любая система стереоцветного телевидения
(СЦТ)требует передачи двух цветных кадров стереопары. Если исхо-
дить из требований обеспечения стандартных параметров СЦТ изо-
бражений и каждый цветной элемент передавать тремя цветоделен-
ными сигналами, то, очевидно, для такой системы потребуется
шестикратное увеличение полосы частот по сравнению с двумерной
системой черно-белого телевидения. Необходимо передавать по кана-
лу связи шесть сигналов: три ER, Евм Ео — левый кадр цветной стере-
опары 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 стандартного цветного вещательного
ТВ канала.
Изыскание возможностей сокращения полосы частот без ухудше-
ния качества цветного стереоскопического изображения является од-
ним из важных направлений на пути создания этих систем. В зависи-
мости от поставленной задачи проблема сокращения полосы
передаваемых частот может решаться по-разному. Если необходимо
создать вещательную систему СЦТ, совместимую с существующей
системой ЦТ, то эта проблема становится первостепенной. При раз-
работке систем СЦТ промышленного и прикладного назначения все
будет зависеть от назначения и области применения системы СЦТ.
Тем не менее сокращение полосы передаваемых частот дает целый
ряд как экономических, так и технических преимуществ. В некоторых
промышленных системах качество воспроизведения цвета может
быть снижено, если это упрощает аппаратуру. Что же касается восп-
роизведения объема, то в промышленных установках пространствен-
ные формы и объемное изображение должны либо соответствовать
реальным объектам, либо пропорционально уменьшаться или увели-
чиваться во всех трех измерениях. В вещании в зависимости от замыс-
ла режиссера воспроизведенный объем может быть несколько иска-
жен, так как перспективу иногда необходимо изменять для
подчеркивания того или иного плана пространства. •
Параметры системы СЦТ для промышленных целей должны оп-
ределяться назначением данной системы и могут в некоторых преде-
лах варьироваться в зависимости от требований, предъявляемых по
воспроизведению как цвета, так и стереоэффекта. Поэтому при раз-
614
работке систем СЦТ для промышленных целей каждый раз решается
конкретная задача, определяемая назначением системы СЦТ.
Следующим этапом в развитии телевидения как средства массо-
вой информации после внедрения систем высокой четкости (ТВЧ)
явится создание вещательных СЦТ систем. Особые трудности, возни-
кающие 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. Разработчики ТВЧ должны уже на этом
этапе выбора параметров системы предусмотреть возможность внед-
рения на базе ТВЧ совместимой системы СЦТ. Это позволит исполь-
зовать канал передачи сигналов ТВЧ для получения СЦТ повышен-
ного качества. Основной проблемой в создании совместимой
вещательной системы СЦТ является разработка экономичного и про-
стого в эксплуатации стереоцветного ТВ приемника. В телевизорах
СЦТ сепарация изображений левого и правого кадров может осуще-
ствляться двояко: с помощью или оптического растра, расположенно-
го непосредственно у экрана кинескопа, или очков. В первом случае
конструкция телевизора СЦТ усложняется, так как при этом необхо-
димо совместить электронный и оптический растры. Методы сепара-
ции с применением очков просты на практике, но вызывают неудобст-
во у зрителей.
Итак, для обеспечения совместимости необходимо, чтобы разра-
батываемая система СЦТ занимала стандартную полосу частот цвет-
ного телевидения и обеспечивала при этом высокое качество изобра-
жения. В результате проведенных исследований было установлено,
во-первых, что для получения стереоцветного изображения можно
использовать бинокулярное смешение цветов. Из колориметрии изве-
стно, что бинокулярное смешение цветов подчиняется тем же зако-
нам, что и обычное монокулярное, т.е. при раздражении сетчаток
каждого глаза в отдельности разными цветами возникает ощущение
нового, третьего, цвета, являющегося аддитивной смесью двух пер-
вых. Во-вторых, было доказано, что для получения стереоцветного
изображения можно один кадр стереопары передавать черно-белым
(яркостный сигнал), а другой — цветным. При этом эффект восприятия
объема и цвета практически не ухудшается. В-третьих, оказалось, что
полосу частот сигналов цветного кадра стереопары можно значительно
сократить без заметного ухудшения объема, цвета и четкости при пере-
даче яркостного сигнала другого кадра в полной полосе частот.
В 1962 г. на кафедре телевидения Ленинградского электротехни-
ческого института связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича (ЛЭИС)была
разработана стереоцветная система с совмещенными спектрами ча-
стот левого и правого кадров стереопары, занимающая стандартную
полосу частот в 6,0 МГц (рис. 23.3).
Яркостный сигнал левого кадра ЕУл передается в полной полосе
частот 6,5 МГц и несет информацию о четкости изображения. Яркост-
615
Через строку
Рис. 23.3. Распределение частотных спектров сигналов в СЦТ
ный сигнал £Гп в полосе частот 1,5 МГц модулирует косинусоидаль-
ную составляющую поднесущей /с построчно, а цветоразностные сиг-
налы и £(В_У)п также в полосе частот 1,5 МГц модулируют
синусоидальную составляющую поднесущей /с поочередно через стро-
ку. Сигнал поднесущей £s, промодулированный в квадратуре сигна-
лами £Ун, £(я-г)п и £(в-г)п> можно выразить следующим образом:
Es = 2£Упсоз(ы/ -I- q>) 4- 2£(я_у)п|£(В_у)п1 sin(<o/ -f- <p) =
^4 , г-д------гг-----г / . . . - £(Я-П„1£(в-Пп1
= Vе y„ + £ p?-nnI£(B-nnIcos(“< + Ч> + arctg---------,
уп
Для системы СЦТ с квадратурной модуляцией поднесущей для
т-й строки полный сйгнал
Ewn = EYx + EY„COS(at + 4>)+E(R-Y)nS'lnhat+fV)> (23.12)
а для (m-|-1 )-й строки
£щт+1)= + [£y„cos(®/ + ф) + + ф)]. (23.13)
Из (23.12) и (23.13) видно, что в системе СЦТ с квадратурной моду-
ляцией поднесущей и поочередной передачей цветоразностных сигна-
лов £(Я_У>1 и f/e-yjn четкость цветовой информации по вертикали
уменьшается в 2 раза по сравнению с номинальной. Однако это не
приведет к ухудшению цветовоспроизведения, так как четкость по
горизонтали в цветном кадре стереопары также будет уменьшена
из-за сокращенной полосы до 1,5 МГц. Укрупненные структурные
схемы передающей и приемной частей системы СЦТ ЛЭИС показаны
на рис. 23.4. Датчиком сигналов данной системы СЦТ в общем случае
могут быть две камеры цветного телевидения / и 2, разнесенные на
базис съемки (рис. 23.4,а). В частном случае могут использоваться
одна черно-белая камера и одна цветная. Сигналы правого кадра
стереопары и Ев» подаются на коммутатор 4, который управляется
616
симметричными импульсами с периодом повторения, равным дли-
тельности двух строк. На выходе коммутатора 4 получается последо
вательность сигналов Еrk Ев , следующих через строку. Эти сигналы
вместе с сигналом ПЕГп, который получается в результате матрици-
рования входных сигналов ERn, ЕСп и ЕВп в матрице 3, поступают на
матрицу 6, на выходе которой получаем последовательность цвето-
разностных сигналов EiR_Y^ и Е(В_К)П. Эта последовательность посту-
пает на ФНЧ 8, где спектр сигналов ограничивается до 1,5 МГц. Сиг-
нал ЕУп также ограничивается по частоте до 1,5 МГц ФНЧ 7. Сигналы
EiR-Y'r,и ^(в-yvi последовательно поступают на балансный модулятор
10, а сигнал ЕУп — на балансный модулятор 9. На два балансных
модулятора 9, 10 в квадратуре подается поднесущая 4,43 МГц от
генератора поднесущей 11. Яркостный сигнал ЕУя, полученный матри-
цированием сигналов ЕСл и ЕВл в блоке 5, поступает на смеситель
12, где суммируется с сигналами ЁУп, E(R_Y^ и EiB_Y}D.
Рис. 23.4. Укрупненные структурные схемы частей СЦТ.
а — передающа и, б — приемкам
617
Полный сигнал СЦТ формируется согласно уравнению £ц =
=£Ул4-й1£п, где £n = £у sin<oc/ -|- fe2£(Ry) cosco/ для m-й строки и
£п = £ynSin<i\7 + fe3£(B_y)ncos(oc/ для (лтг-|-1 >-й строки; о)с—круговая ча-
стота поднесущей; kt, k2 и k3 — коэффициенты компрессии сигналов.
Коэффициенты k2 и k3 такие же, как и в цветной системе NTSC:
k2 = 1/1,14,Л3 = 1/2,03. Коэффициент й, = 0,2... 0,3 выбирается исходя
из условия совместимости с системой черно-белого ТВ и допустимого
уменьшения помехоустойчивости системы СЦТ.
На приемной стороне (рис. 23.4, б) сигнал поступает на высокоча-
стотную часть приемника /, усилитель промежуточной частоты 2 и
амплитудный детектор 3. С выхода детектора сигнал разветвляется
на усилитель с режекторным фильтром 9 и на усилитель с полосовым
фильтром 4. На выходе полосового фильтра выделяется сигнал £п,
который одновременно поступает на три синхронных детектора 6,7,8,
причем на синхронный детектор 6 сигнал поступает после линии за-
держки 5 на 64 мкс . В результате синхронного детектирования на
выходе 6 получим последовательность цветоразностных сигналов
£(В_У)П, £(/?_У)п..., на выходе 7 £(В_у)п, £(В_У)П,..., а на выходе синхронного
детектора 8 Ег. Ключевое устройство 10 обеспечивает разделение
сигналов £(/г_У)п и £(В_У)П, которые затем поступают на соответствую-
щие входы матрицы 11. Синхронными детекторами управляет генера-
тор поднесущей 12 (см.гл.12). Приемные трубки (одна черно-белая,
другая цветная) расположены перпендикулярно друг к другу. Совме-
щение двух изображений и их сепарация осуществляются в соответ-
ствии с рис. 23.1.
В данной системе используется бинокулярное смешение черно-бе-
лого (яркостный сигнал) н цветного изображений, поэтому это приво-
дит к некоторому снижению цветового контраста [76]. В последние
годы кафедрой телевидения Санкт-Петербургского Государственно-
го университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича
разрабатывалась однообъективная система стереоцветного телеви-
дения (ОСЦТ). В этой системе передается стереоскопическое изобра-
жение в цвете, а информация об объеме кодируется таким образом,
чтобы не создавать помех при приеме программы на цветные и черно-
белые телевизоры. Следовательно, передачу цветных стереоскопиче-
ских изображений можно наблюдать в двумерном виде на стандарт-
ных телевизорах без их переделок. Для получения эффекта
объемности необходимо надеть специальные цветные очки. Одним из
достоинств данной системы является ее простота: стандартные теле-
визоры цветного телевидения могут без каких-либо переделок исполь-
зоваться как телевизоры СЦТ. Сняв цветные очки, зритель будет
видеть на экране цветного телевизора обычное двумерное цветное
изображение. Основной отличительной особенностью данной системы
СЦТ является использование в передающей телевизионной камере
одного объектива.
Эффект объемности достигается расфокусировкой оптических
618
изображений предметов, лежащих за пределами глубины резкости
объектива. Информация о глубинном расположении предметов зако-
дирована разноцветной окантовкой вертикальных границ в изобра-
жении, причем степень раздвоенности границ пропорциональна па-
раллаксу.
Поясним принцип формирования кадров стереопары на фотокато-
де передающей трубки (рис. 23.5). На рисунке показан фотокатод
однотрубочной цветной камеры. Если используются трехтрубочные
камеры цветного телевидения, то после объектива изображение опти-
ческой системой расщепляется на три составляющие. Объект съемки
4, условно обозначенный точками А, В и С, имеет протяженность по
глубине; эти точки располагаются на различных расстояниях от объ-
ектива 3. Точка А находится в плоскости фокусировки, поэтому на
фотокатоде 1 будет четко сфокусирована точка А'. Точка В находится
дальше фокальной плоскости, поэтому сфокусированной она будет не
в плоскости фотокатода 1, а дальше — в точке В'. Следовательно, в
плоскости фотокатода образуется кружок размытия диаметром d}.
Аналогично в плоскости фотокатода получим кружок размытия от
точки С, которая находится ближе к объективу 3, чем точка А, поэтому
сфокусированным изображение точки С будет перед плоскостью фо-
токатода в точке С'. Расходящийся в точке С' световой поток создает
в плоскости фотокатода кружок размытия диаметром d2-
В объектив, формирующий изображение, в то место, где помеща-
ется диафрагма, вставляются два цветных фильтра 2 так, чтобы каж-
дый из них прикрывал половину площади открытой части диафрагмы,
а граница между этими фильтрами располагалась вертикально
(рис. 23.5,в). Поэтому кружки размытия будут состоять из двух окра-
619
шенных половинок, разделенных по вертикали (рис. 23.5,6). Цвет каж-
дой половины будет определяться цветным фильтром 2. Отличие меж-
ду этими кружками будет заключаться в различии цвета левой и
правой половинки. Если условно принять, что правая часть объектива
прикрыта красным фильтром, а левая — голубым, то при проекции
на фотокатод передающей трубки изображения объекта, имеющего
протяженность по глубине, возникнут три ситуации: план, на который
фокусируют объектив камеры (точка А и все точки, лежащие в этой
плоскости, параллельной плоскости объектива), будет воспроизво-
диться на фотокатоде передающей трубки сфокусированным (точка
А'). Точки, лежащие ближе к объективу, чем плоскость фокусировки,
будут представлять собой два цветных пятна — красное и голубое, а
точки, лежащие дальше от объектива,— два цветных пятна в другой
последовательности — голубое и красное. Диаметры кружков расфо-
кусировки определяются расстоянием данной точки передаваемого
объекта от плоскости фокусировки. Чем дальше располагается пред-
мет от плоскости фокусировки, тем больше расфокусировка его изо-
бражения.
Изображение реального цветного объекта на фотокатоде будет
представлять картину, вертикальные границы на которой будут вос-
произведены по-разному: для сфокусированного плана они будут та-
кими же резкими, как и на обычном изображении; для предметов,
лежащих ближе или дальше от плоскости фокусировки, границы бу-
дут расфокусированными, причем цвет левой или правой окантовки
(красный или голубой) зависит от расположения предмета относи-
тельно плоскости фокусировки.
Рассмотрим особенности получения совмещенных кадров стерео-
пары с помощью одного объектива. Для простоты возьмем объектив
достаточно большого диаметра и в качестве рабочих, пропускающих
световые потоки поверхностей, используем два кружка небольшого
диаметра, расположенные в горизонтальной плоскости объектива.
Остальная часть объектива будет нерабочей. Такая оптическая схема
эквивалентна использованию двух объективов, у которых сфокусиро-
ванные изображения двух кадров стереопары будут точно совмещены
на фотокатоде в силу того, что два элементарных объектива являются
частью одного объектива. Вследствие того что эти элементарные объ-
ективы разнесены в пространстве и расстояние между их центрами
равно базису съемки, все предметы, лежащие ближе или дальше от
плоскости фокусировки, будут воспроизводиться на фотокатоде с рез-
кими вертикальными окантовками. Расположение окантовок на изо-
бражении будет определяться удаленностью предмета от плоскости
фокусировки и значением базиса, т.е. теми же самыми факторами, что
и параллакс кадров стереопары в двухобъективной камере. По мере
увеличения диаметра элементарных объективов вертикальная окан-
товка будет размываться, и в пределе, когда объектив будет разделен
на две равные части по вертикали, параллакс трансформируется в
плавную размытость границ, которая будет определяться расфокуси-
620
ровкой оптических изображений предметов, лежащих на разных рас-
стояниях от фокальной плоскости.
В результате того, что объектив разделен двумя цветными фильт-
рами по вертикали, это размытие слева и справа от предмета будет
иметь соответствующий цвет в зависимости от расположения его от-
носительно плоскости фокусировки. Следовательно, на фотокатоде от
этих предметов слева и справа получится цветная окантовка соответ-
ствующего цвета. Ширина этой окантовки прямо пропорциональна
значению параллакса, т.е. определяется степенью удаленности объ-
ектива от плоскости фокусировки, а цвет левой и правой окантовки
будет определять, какого знака параллакс, т.е. где расположен пред-
мет — ближе или дальше от плоскости фокусировки.
В обычных системах цветной (анаглифной) сепарации изображе-
ний кадров стереопары цветные фильтры выбираются с узкими спек-
тральными характеристиками дополнительных цветов, чтобы пол-
учить результирующее черно-белое изображение. В отличие от
классического анаглифного метода в данном случае с помощью цвет-
ных фильтров очков осуществляются сепарация и бинокулярное сме-
шение цветов. Действительно, если на один глаз будет падать свето-
вой поток части видимого спектра, а на другой — другая оставшаяся
его часть, то результирующий эффект у зрителя будет соответство-
вать ощущению всего видимого спектра. Этот спектр можно разде-
лить на две части по-разному, но исходя из условия энергетической
нагрузки иа каждый глаз зрителя этот спектр необходимо разделить
так, чтобы энергетические соотношения двух участков спектра были
одинаковы. В противном случае возникает борьба полей и, как след-
ствие, быстрая утомляемость зрителей.
Цветные фильтры для объектива камеры должны выбираться с
учетом двух противоречивых требований: во-первых, цветные фильт-
ры объектива должны обеспечить высококачественное цветное изо-
бражение, т.е. их суммарная спектральная характеристика должна
пропускать весь видимый спектр; во-вторых, для хорошей сепарации
спектральные характеристики фильтров не должны перекрываться,
иначе качество сепарации ухудшится. Если использовать в качестве
сепарирующего модуля объектива поляроидную пленку вместо цвет-
ных фильтров, указанные недостатки будут сведены к минимуму [76J.
Выбор спектральных характеристик фильтров очков должен быть
согласован со спектральными характеристиками люминофоров цвет-
ного кинескопа, а их плотности должны быть одинаковыми.
В 1979—1982 гп кафедра телевидения ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-
Бруевича при содействии Ленинградского радиотелецентра провела
несколько опытных передач по однообъективиой системе СЦТ. В каж-
дой последующей передаче совершенствовалась аппаратура и накап-
ливался опыт творческих работников. Передачи дали положительные
результаты, и зрители высказали пожелание продолжить работы в
этом направлении.
Важность продолжения исследований по разработке системы
621
СЦТ диктует сама жизнь. Эти работы закладывают основы новой
культуры передачи зрительной информации. На этих работах гото-
вятся не только технические кадры, но и творческие, так как при
передачах СЦТ потребуются новые специфические навыки режиссер-
ской и операторской работы.
Во многих странах мира ведутся работы в области стереоцветного
телевидения. Первые попытки проведения за рубежом опытных сте-
реоскопических телевизионных передач, которые приобрели широ-
кую 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 сис-
темы воспроизведения объемных изображений без очков, так называ-
емые растровые системы. Совместными усилиями ученых США, Япо-
нии и Германии были разработаны и изготовлены линзово-растровые
системы. В отличие от предыдущих проектов в нем исходное кодиро-
ванное изображение под линзовым растром воспроизводилось не с
помощью электронно-лучевой трубки, а на специально сконструиро-
ванной плазменной панели, конструктивно объединенной с растро-
вым экраном. Такой способ позволил обойтись в воспроизводящем
устройстве без применения специальных мер для стабилизации поло-
жения электронного растра относительно линзового.
Трудности, связанные с созданием вещательной системы стерео-
цветного телевидения, определяются тем, что дополнительные сред-
ства, используемые для разделения изображений кадров стереопары
и совмещения этих кадров на общем экране, либо увеличивают утом-
ляемость, либо ухудшают качество воспроизводимого изображения.
Кроме этого, характерной особенностью стереотелевизионных изо-
бражений является большая информационная избыточность, содер-
жащаяся в кадрах стереопары. Сокращение этой избыточности по-
зволит использовать стандартные каналы связи для передачи
сигналов стереопары, тем самым создать предпосылку к разработке
системы вещательного стереоцветного телевидения.
Известны несколько методов сокращения избыточности, однако их
практическая реализация в разработках вещательных систем стере-
отелевидения пока ие осуществлена.
Величина этой избыточности зависит от класса передаваемых изо-
бражений, сюжета и т.д. Многие предлагаемые способы передачи
информации о пространственной глубине расположения объектов так
или иначе связаны с сокращением этой избыточности. Сокращение
избыточности может осуществляться в результате передачи одного из
кадров стереопары, являющегося совместимым изображением для
двумерного телевидения, а формирование второго кадра стереопары
622
для получения стереоскопического изображения осуществляется пу-
тем восстановления его из сигнала параллакса или другого сигнала,
несущего информацию о глубинном расположении предметов на объ-
екте с переданным в полной полосе частот кадром стереопары (совме-
стимым). Может быть использован и другой метод, названный мето-
дом 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 рас-
положение этой точки по глубине. Чтобы определить одноименные
точки в обоих кадрах стереопары, необходимо эти точки выделить из
других точек, т.е. идентифицировать их. Зрение человека делает это
автоматически. В телевизионной системе необходимо эту операцию
осуществить с помощью специальных алгоритмов обработки изобра-
жений или других технических приемов. Одним из таких методов яв-
ляется использование в аэрофотосъемках идентификации одноимен-
ных точек методом корреляционного анализа.
На кафедре телевидения Ленинградского электротехнического
института связи им. проф. М А. Бонч-Бруевича был разработан метод
идентификации, основанный на относительно небольших периодиче-
ских смещениях точки съемки и формировании таким образом услов-
ного изображения (параллаксограммы), позволяющий в некоторых
случаях упростить процесс автоматического анализа передаваемой
сцены с целью определения ее пространственных характеристик [77].
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 телевидения высокой четкости (ТВЧ) открывается возмож-
ность использования широкополосных каналов для передачи стерео-
цветных изображений без ухудшения их качества.
Широкое развитие техники съемки, передачи и воспроизведения
стереоскопических изображений получило в основном прикладное
применение.
23.4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СТЕРЕОТЕЛЕВИДЕНИЯ
Пути и формы развития ТВ вещания определяются исходя из за-
дачи повышения качества параметров ТВ изображения и увеличения
степени его соответствия передаваемому оригиналу. Очередным эта-
пом развития будет создание систем высококачественного телевиде-
ния с повышенным числом строк, увеличение размеров экранов восп-
роизводящих устройств с изменением формата кадра — переход к
широкоформатному телевидению. Кроме того, телевидение будет раз-
виваться по пути совершенствования сервисного обслуживания теле-
623
зрителей — широкое использование микропроцессорной техники для
управления телевизором, который будет многофункциональным тер-
миналом.
Следующим этапом будет создание систем стереоцветного телеви-
дения. Новые системы телевидения должны быть лишены недостат-
ков современных систем СЦТ, таких как передача только одного ра
курса, невозможность обзора (оглядывания) объекта передачи,
недостаточная глубина пространства воспроизводимых изображе-
ний, наличие очков у зрителей или жесткая фиксация положения
зрителей, если используется растровая сепарация изображений и т.д.
[79].
Совершенствование систем СЦТ в этом направлении возможно,
например, по пути создания многоракурсных и голографических сис-
тем.
Многоракурсное телевидение. Принцип действия
многоракурсной системы телевидения заключается в съемке объекта
передачи с многих позиций несколькими десятками, а может быть, и
сотнями передающих трубок, расположенных определенным обра
зом, в передаче этих изображений и воспроизведении всех переданных
изображений 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 объек-
тами при определенной позиции рассматривания.
Структурная схема многоракурсной системы показана на рис.
23.6. Съемка объекта, расположенного в плоскости 00, осуществля-
ется N передающими трубками 1, размещенными по дуге АБ. Каждая
передающая трубка формирует двумерное изображение, которое от-
личается от изображения, полученного соседней трубкой, только го-
ризонтальным параллаксом. Расстояние между передающими труб-
ками определяется угловой плотностью ракурсов и равно угловому
Рис. 23 6. Структурная схема многоракурсиой системы телевидения
624
<нтервалу А<р = q>{N — 1), где <р - угол обзора объекта совокупностью
грубок; W - число передающих трубок. ’
Одним из основных параметров многоракурсной системы являет-
ся угловая плотность повторения ракурсов. Чем она больше, т.е. чем
меньше угол А<р, тем большее число ракурсов необходимо передать. В
этом случае дискретность ракурсов будет менее заметна. Действи-
гельно, при N оо, т.е. когда число передающих трубок бесконечно,
1ереход от одной позиции рассматривания к другой будет происхо-
дить плавно, как это происходит в реальных условиях наблюдения.
Если же число трубок конечно, то это значит, что все передаваемое
пространство разбито на дискретное число ракурсов, поэтому при
переходе от одной позиции рассматривания к другой возникает "ска-
чок” ракурса, так как промежуточные значения между двумя точка-
ми зрения не воспроизведутся. Для обеспечения условия относитель-
но плавного оглядывания пространственных объектов угловая
плотность ракурсов должна быть определена экспериментально. Ее
значение колеблется от 10 до 15.
Сигналы N от передающих трубок могут передаваться одновре-
менно или последовательно, но в том и другом случае общая полоса
частот многоракурсного телевидения А/7 = МАЕ0, где АЕ0 — полоса
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,
расположенном в плоскости О'О'. Многоракурсная система опреде-
ляется способом технической реализации ее наиболее сложного и
принципиального узла - селектора ракурсов, обеспечивающего раз-
дельное рассматривание изображений левым и правым глазом. Се-
лекция может осуществляться как непосредственно вблизи плоско-
сти совмещения О'О', так и на некотором удалении от нее в
пространстве А Б, соответствующем месту расположения объективов
передающих камер А Б. Селектор ракурсов может строиться на основе
известных методов разделения левого и правого кадров стереопары в
бинокулярных стереотелевизионных системах. Могут использоваться
растровые, а также и голографические методы селекции.
Г олографическое телевидение. Голография открывает
совершенно новые возможности построения системы объемного теле-
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 этого окна определяется апертурой голограммы. На голо-
грамму записывается бесконечное количество ракурсов, непрерывно
625
переходящих один в другой, поэтому при обзоре изображений с раз-
ных сторон нет ’’скачков” ракурсов.
На рис. 23.7 показана примерная схема голографической системы
телевидения. На мишени передающей трубки 5 создается голограмма
передаваемого объекта / с пространственной частотой записи
v = sin6/Z,, где 6 — угол между волновым фронтом (предметным по-
током) и опорным потоком лазерных лучей; к — длина световой волны
лазера 4.
Предметный и опорный потоки создаются одним лазером 4, кото-
рый с помощью объектива 3 освещает передаваемый объект 1 и зер-
кало 2. Следовательно, на мишени передающей трубки накладывают-
ся два потока, отраженные один от объекта, другой — от зеркала.
Мишень передающей трубки регистрирует волновую картину коге-
рентного света, рассеянного объектом передачи, а опорный пучок
обеспечивает запись на мишени информации ие только об амплитуде,
но и о фазе отраженного от передаваемого предмета света.
Записанная таким образом голограмма поступает на кодирующее
устройство 6, а затем передается по каналу связи на декодирующее
устройство 7 приемника. Полученный сигнал модулирует лазерный
кинескоп 8. Модулированный когерентный световой поток с кинеско-
па 8 объективом 9 проецируется на светочувствительную поверх-
ность //.Такосуществляется реконструкция голограммы. Изображе-
ние восстанавливают, освещая голограмму световым потоком от
лазера 10.
В лазерном кинескопе вместо люминофорного экрана помещен
полупроводниковый лазер, который под действием электронного луча
излучает когерентный поток света.
При рассматривании восстановленных голограммой изображе-
ний можно ие только ощутить глубину пространства, но и осмотреть
его с различных сторон. При реализации голографических ТВ систем
Рис. 23.7. Схема голографического телевидения
626
возникает много технических трудностей, связанных с большой инфор-
мационной емкостью голограмм и высокой удельной плотностью инфор-
мации. Это объясняется тем, что любая точка предмета, обращенная к
голограмме, освещает ее всю и в каждую точку голограммы попадает
информация от всех точек объекта. Следовательно, даже часть голо-
граммы несет полную информацию 6 передаваемом объекте. Поэтому
полоса частот, необходимая для получения голограммы и определяемая
соотношением ДЕ = 2Svn, где S — площадь голограммы на мишени; п
— число кадров в секунду, получается чрезвычайно широкой. Кроме
того, создание анализирующих и синтезирующих устройств с таким вы-
соким разрешением — пока задача нерешенная.
Голографические методы вызывают большой интерес для исполь-
зования их в объемном телевидении. Пока эти методы не могут быть
применимы в силу ряда технических ограничений, связанных как со
съемкой, так и с процессом воспроизведения объемных изображений.
Создание голографических ТВ систем — дело будущего. Естест-
венно предположить, что развитие объемного телевидения будет идти
по пути постепенного усложнения от стереоскопических систем с од-
ной стереопарой через многоракурсные системы к голографическим.
Г Л А В А 24
ПРИКЛАДНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ
24.1. ЗАДАЧИ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Под прикладным телевидением понимаются системы, использующие телевизион-
ные методы и средства в промышленности и научных исследованиях. Системы приклад-
ного телевидения находят широкое применение в различных областих науки, техники,
промышленности и в народном хозяйстве как средство наблюдения, контроля, управ-
ления и связи (13,18,80,81].
Системы прикладного телевидения ие связаны со стандартом вещательного теле-
видения. Параметры, конструкции и характеристики таких систем определяются их
назначением: это могут быть черно-белые и цветные системы; системы, работающие в
видимом диапазоне электромагнитных воли и невидимом -ультразвуковрм, инфракрас-
ном, ультрафиолетовом и рентгеновском; они могут быть простыми и сложными, с
усложненными передающей, приемной либо промежуточной частями; с обычным стан-
дартом разложения или малокадровые либо, наоборот, с высоким разрешением; это
могут быть системы, работающие в обычных условиях или экстремальных (повышенное
давление, высокая температура, большая вибрация, жесткое рентгеновское излучение,
большие ускорении и ударные нагрузки, ядовитые испарения, высокая влажность,
работа подводой, в космосе и т.д.). Такие системы могут выпускаться как малыми (даже
в единичных экземплярах), так и большими сериями.
Все системы прикладного назначения по характеру обработки телевизионной ин-
формации делятся на три части:
визуальные системы, предназначенные для непосредственного наблюдения на эк-
ране приемного устройства изображения наблюдаемого объекта;
627
системы с документальной записью, предназначенные для регистрации передава-
емых изображений в виде графиков на самописцах, в электронной памяти с помощью
печатающих устройств или иа видеомагнитофонах;
системы автоматические, у которых выходной телевизионный сигнал в виде управ-
ляющих импульсов подается иа устройства автоматического управления наблюдае-
мым процессом.
Некоторые системы прикладного телевидения выделились в самостоятельные
классы. Это космические, подводные, подземные, спектрозоиальные, медицинские,
учебные, стереоскопические и др.
24.2. ПРОМЫШЛЕННЫЕТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ
Все серийно выпускаемые системы прикладного телевидения называются про-
мышленными телевизионными установками (ПТУ). Это универсальные типовые уста-
новки, предназначенные для решения большого круга задач. В подавляющем большин-
стве ПТУ имеют параметры вещательного телевидения, что позволяет применять в них
передающие трубки, блоки, унифицированные узлы, детали, блоки питания, освоенные
промышленностью для вещательного телевидения. Кроме того, при необходимости
можно применять ПТУ в сети вещательного телевидения, а также использовать серий-
ные телевизоры в качестве приемных устройств.
В промышленных телевизионных установках, как правило, число передающих
камер и приемных устройств ограничено, и они связаны между собой с помощью радио-
или кабельной линии, поэтому такие системы принято называть замкнутыми.
По назначению ПТУ можно разделить иа технологические и диспетчерские. Техно-
логические ПТУ предназначены для управления и контроля за теми или иными техно-
логическими процессами, контроля технологического режима, контроля за качеством
выпускаемой продукции и т.д. По принципу построения они могут быть одноканальны-
ми и многоканальными.
В одиокаиальиой ПТУ (рис. 24.1,а) в каждый момент времени информация переда
етси только от одной ТВ камеры КТП к одному или всем видеокоитрольным устройствам
Рис. 24.1. Обобщенные структурные схемы ПТУ:
а — одноканальной; б — многоканальной
628
Рис. 24.2. Структурные схемы одноканальных однокамерных ПТУ:
а — упрощенная; б — с вынесением на приемную сторону блока канала; а — с несколькими ВКУ
ВКУ; коммутация камер осуществляется специальной системой дистанционного уп-
равлении ДУ В многоканальной ПТУ (рис 24.1, б) в каждый момент времени инфор-
мация может передаватьси от каждой ТВ камеры или нескольких к одному из ВКУ- Как
и в одиокаиальиой ПТУ, включение и коммутация камер осуществляются аналогичной
системой ДУ.
Упрошенная структура одиокаиальиой ПТУ (основной вариант) состоит из ТВ
камеры КТП и приемного ВКУ, соединенных линией связи ЛС (рис. 24.2, а). Длина ЛС
обычно ие более 1000 м; при большей длине используются усилители-корректоры.
От основного варианта образуются производные структуры: с вынесением (с целью
упрощения камеры) на приемную сторону в блок канала БК некоторых функциональ-
ных устройств (рис .24.2, б), с размножением ТВ сигнала (с помощью усилителя-рас-
пределителя УР) иа несколько ВКУ (рис 24.2, в).
Диспетчерские ПТУ предназначаются для регулирования производственных про-
цессов, т.е. дли централизованного контроля за производственными.процессами, кото-
рые территориально разобщены. Такие ПТУ должны обеспечить поочередное наблюде-
ние различных производственных участков, технологических процессов и т.п.
Изображение при таком наблюдении должно появляться иа экране ВКУ в минимальное
время после включения камеры. Обобщенная структурная схема аналогична однока-
иальной ПТУ, показанной на рис. 24.1, а. Основным является ВКУ диспетчера, напри-
мер ВКУ1; в случае необходимости наблюдаемое изображение можно передать на
остальные ВКУ.
24.3. НЕКОТОРЫЕТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Телевизионные системы целевого назначении служат для решения конкретной
научной, технологической или производствеииой задачи. Такне системы могут работать
как в световом (видимом), так и в несветовом диапазоне.
629
Цветные прикладные ТВ системы находят применение в таких областях науки и
техники, где цвет объекта ивляется определяющим его свойством, важной характери-
стикой (в медицине, петрографии, минералогии, полиграфии, космосе и т.д.).
Стереоскопические черно-белые или цветные телевизионные системы позволяют
решать большое число прикладных задач науки и производства. К ним можно отнести
такие: контроль за действиями различного рода роботов-манипуляторов, работающих
в недоступной для человека среде; исследование космоса; различного рода тренажеры;
швартовка судов; управление крупногабаритными механизмами; работа с радиоактив-
ными материалами или в зоне повышенной радиации; картографирование земной по-
верхности; астрономия; стыковка движущихся аппаратов и для решения многих других
задач.
Подземное телевидение позволиет значительно повысить и сократить сроки геоло-
го-разведочных работ, гидростроительстве, иефте- и газодобывающей промышленно
сти, археологических раскопок и т.д.
Подводное телевидение отличается наличием между камерой и объектом наблю-
дения среды, условия распространения света в которой накладывают свою специфику
на построение и использование телевизионных средств.
Учебное телевидение имеется во многих вузах России. Это замкнутые учебные
телевизионные системы, предназначенные как для передачи внутривузовской инфор-
мации и для непосредственно обучения студентов. Информационные ТВ системы имеют
свою студию, проводные каналы связи и телевизоры, размещаемые в удобных для
просмотра передач местах. Передачи в зависимости от используемой аппаратуры мо-
гут быть черно-белыми или цветными.
Учебные ТВ системы являются локальными. Обычно вся аппаратура располага-
ется водной учебной аудитории. Телевизионные камеры (одна или две) со светильника-
ми и соответствующей аппаратурой монтируютси в столе преподаватели, разводка
сигналов к ТВ приемникам на рабочих местах студентов или к телевизорам, подвешен-
ным на кронштейнах, осуществляется по кабелям, по радио- или видеочастоте. При
наличии в вузе нескольких ТВ студий и учебного телецентра может быть предусмотрена
передача в эти аудитории как с учебного телецентра, так и из одной телевизионной
аудитории в другую. Например, один преподаватель может читать лекцию для несколь-
ких таких аудиторий.
Телевизионные системы иесветового диапазона используются для визуализации
изображений в невидимом для глаза диапазоне излучений. Наибольшее распростране-
ние получили системы визуализации изображений в диапазоне инфракрасного, ультра-
фиолетового и рентгеновского излучений. В этих системах используются передающие
ТВ трубки (обычно видиконы), чувствительные к указанным излучениям. В остальном
построение ТВ систем не отличается от работающих в световом диапазоне.
Широкое применение находят телевизионные методы дли визуализации изображе-
ний в растровых электронных микроскопах. Электронная пушка / (рис.24.3) микроско-
па формирует электронный луч 2, который с помощью отклоняющей системы 3 и гене-
ратора разверток 4 обегает поверхность исследуемого образца 5 и выбивает из него
вторичные электроны. Последние улавливаются детектором 6, в качестве которого
используется, например, кристалл йодистого натрия, способный светиться под дейст-
вием электронной бомбардировки. Свечение кристалла улавливается фотоэлектрон-
ным умножителем 7, иа выходе которого образуется видеосигнал. Далее изображение
обычным способом воспроизводится на экране ВКУ 8.
630
Рис. 24.3. К пояснению работы телеви-
зионной системы в электронном микро-
скопе
Рис. 24.4. К пояснению принципа авто-
матического ТВ контроля ширины про-
катного листа:
а — структурная схема ТВ устройства; б, в. г — сиг-
налы на выходе камер н суммарный сигнал
24.4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ АВТОМАТЫ И ПОЛУАВТОМАТЫ
Телевизионный автомат (ТВА) и полуавтоматы представляют собой устройство,
осуществляющее поиск и опознавание объектов; нзмерение их координат, геометриче-
ских характеристик; подсчет количества, сортировку. Современные ТВА и полуавтома
ты по выполняемым функциям можно разделить на устройства для анализа данных и
их обработки и устройства для динамического контроля за производственными процес-
сами и объектами. Телевизионные автоматы и полуавтоматы отличаются большим
разнообразием.
В настоящее время достаточно четко определились следующие виды ТВА и полу-
автоматов: это устройства для бесконтактного определения линейных размеров и пло-
щадей объектов и их деталей, счетчики частиц в поле зрения; устройства контроля
формы объектов наблюдения, устройства определения координат наблюдаемого объ-
екта; устройства для считывания графиков; читающие телевизионные системы; цвето-
делительные, цветоанализнрующие телевизионные устройства н т.д. Рассмотрим два
примера.
Устройство для автоматического контроля ширины про-
катного лис та. Две неподвижные ТВ камеры К.ТП! и К.ТП2 (рис.24.4, а) в режиме
однострочной развертки "просматривают” движущиеся края листа. Сигналы щ и U2 с
выхода камер суммируются. Если края листа совпадают с центром развертки, то
суммарный сигнал uj равен нулю (рис. 24.4, б), если лист шире нормального, то на
выходе сумматора возникает положительный импульс (рис. 24.4, в), если уже — отри-
цательный (рис. 24.4, г). Эти импульсы используются в качестве управляющих для
системы устэ<ч >ки валков стана.
631
В)
Рис. 24.5. К пояснению принципа счета частиц:
а — частицы в поле зрения телевизионной камеры; б — видеосигнал на выходе телевизионной камеры; в — струк-
турная схема телевизионного устройства
Устройство для автоматического счета частиц. Исходное
изображение частиц (рис. 24.5, а), находящихся в поле зрения ТВ камеры, преобразу-
ется на выходе ТВ камеры в видеосигналы (рис. 24.5, б). На схему антисовпадеиий
(рис. 24.5, в) поступает сигнал разворачиваемой строки с выхода камеры КТП и сигнал
предыдущей строки с линии задержки (ЛЗ). Схема антисовпадеиий пропускает им-
пульс на счетчик только в том случае, если он имеетсн в основном сигнале и отсутствует
в задержанном. Таким образом счетчик фиксирует только импульсы, закрашенные на
рис. 24.5, б в черный цвет, число которых соответствует числу частиц в поле зрения
камеры. Следовательно, подсчет числа импульсов основан иа использовании принципа
распознавании сигнала "первой встречи" разлагающего элемента с частицей и авто-
матического счета этих сигналов, число которых оказывается равным числу частиц.
632
СП ИСОК л ИТЕРАТУРЫ
1. Урвалов В. А. Очерки истории телевидения. — М.: Наука, 1990. — 215 с.
2. Шмаков П. В. Введение в космическое телевидеиие/Учеб. пособие. — Л.: ЛЭИС,
1971.— 91с.
3. Брацлавец П. Ф-, Росселевич И. А., Хромов Л. И. Космическое телевидение. —
М.: Связь, 1973.— 248 с.
4. Кривошеев М. И. Перспективы развития телевидения. — М: Радио и связь, 1982.
— 143 с.
5. Новаковский С. В., Катаев С. И., Новаковский В. С. Телевидение в XXI веке. —
М.: Знание, 1981. — 63 с.
6. Горохов П. К. Розииг Б. Л. — основоположник электронного телевидения. — М.:
Наука, 1964. — 120 с.
7. Домбругов Р. М. Телевидение. — Киев: Внща школа, 1988. — 213 с.
8. Кириллов В. И., Ткаченко А. П. Телевидение и передача изображений. — Минск:
Вышэйшая школа, 1988. — 318 с.
9. Телевидение: Учебник для вузов.— 5?е изд., перераб. и доп /В. Е Джакония, А. А.
Гоголь, Н. А. Ерганжиев, Под ред. В. Е. Джаконии — М.: Радио и связь, 1986 — 456 с.
10. Самойлов В. Ф-, Хромой Б. П. Телевидение: Учебник дли вузов. — М.: Связь,
1975. — 400 с
11. Варбаиский А. М. Телевидение. — М.: Связь, 1973. — 464 с.
12. Петроправловский В. А., Постникова Л. Н., Хесии А. Я., Штейнберг А. Л.
Передающие телевизионные камеры. — М.: Радио и связь, 1988. — 304 с.
13. Шмаков П. В., Колин К. Т., Джакония В. Е. Стереотелевидение. — М.: Связь,
1968. — 207 с.
14. Кравков С.В. Цветовое зрение. — М.: Изд. АН СССР, 1951. — 175 с.
15. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. — М: Радио и
связь, 1988. — 224 с
16. Зубарев Ю. Б., Глориозов Г. Л. Передача изображений.— М.. Радио и связь, 1989.
— 334 с.
17. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника.— М. Радио и связь, 1990.
— 528 с.
18. Быков Р. Е. и др. Телевидение: Учеб, пособие для вузов. — М.: Высшая школа,
1988. — 248 с.
19. Цуккермаи И. И., Кац Б. М., Лебедев Д. С. и др. Цифровое кодирование теле-
визионных изображений. — М.: Радио и связь, 1981. — 240 с.
20. Цифровое телевидеиие/Под. ред. М. И. Кривошеева — М.: Связь, 1980. — 264
с.
21. Красильников Н. Н. Теория передачи и восприятия изображений. — М; Радио
и свизь, 1986. — 267 с.
22. Полупроводниковые формирователи сигналов изображении Сб. статей под ред.
П. Йесперса, Ф. Вайде Виле, М. Уайта. — М.: Мир 1979. — 568 с.
23. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала иа приборах с заридовой связью. —
М.: Радио и связь, 1981 — 136 с.
24. Жигарев А. А., Шамаев Г. Г.Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. —
М.: Высшая школа, 1982. — 285с.
25. Аигофоров А. П. Цветные кинескопы. — М.: Радио и связь, 1986. — 128 с.
26. Бабенко В. С. Оптика телевизионных устройств. — М.: Радио и связь, 1982. —
257 с.
27. Макарцев В. В., Хесии А. Я., Штейнберг А. Л. Большеэкраииые видеосистемы. —
М.: СП Парнас, 1993. — 159 с.
28. Самойлов В. Ф. Транзисторные генераторы телевизионной развертки. — М.:
Связь, 1969. — 160 с
29. Техника цветного телевидеиии/Под ред С. В. Новаковского. — М.. Связь, 1976. —
496 с.
30. Баскир И. Н. Бестрансформаториые транзисторные схемы кадровой развертки. —
М.: Связь, 1977. — 104 с.
633
31. Новаковский С. В. Цвет в цветном телевидении.— М.: Радио и связь, 1988. — 288 с.
32. Хохлов Б. Н. Декодирующие устройства цветных телевизоров. — М.: Радио и
связь, 1992. — 368 с.
33. Новаковский С. В. Стандартные системы цветного телевидения. — М.: Связь.
1976. — 267 с.
34. Одиолько В. В. Новая камерная система вещательного телевидения//Техиика
кино и телевидения. — 1986. — №3. — С. 4 — 11.
35. Оптические головки передающих камер цветного телевидения: Справочник/Н.
И. Валов, О. Н. Василевский, А Н. Великожои и др , Под ред. О. Н. Василевского. — Л.:
Машиностроение, 1988 — 109 с.
36. Одиолько В. В., Ожогин А. Ф. Харитонов Ю. А. Портативные камеры цветного
телевидения. — М : Радио и связь, 1984. — 104 с
37. Миленин Н. К. Современные камеры цветного телевидения на матрицах
ПЗС//Техника кино и телевидения. — 1983. — Nt I.
38 Ваи дер Зил А. Шум: источники, описание, измерения. — М.: Сов. радио, 1983. —
39. Адаптивные методы обработки изображений. — М.: Изд. АН СССР, Наука,
1988 —252 с.
40. Горьяи И. С., Межов Ф. Д„ Фисенко В. Т. Введение в цифровую обработку
изображений. — Л.: ЛЭИС, 1992. — 60 с.
41. Шерайзин С. М. Адаптивная коррекция и фильтрация телевизионного сигнала. —
М.. Радио и связь, 1987. — 90 с.
42. Немировский А. С„ Рыжков Р. В. Системы свизи, радиорелейные линии — М
Связь, 1980. — 432 с.
43. Ельяшкевич С. А., Пескин А. Е. Телевизоры ЗУСЦТ, 4УСЦТ, 5УСЦТ. — М
"СимволР”, 1993. — 280 с
44. Проектирование и техническая эксплуатации телевизионной аппаратуры/Под
ред. С. В. Новаковского: Учеб, пособие. — М.: Радио и связь, 1994. — 348 с.
45. Техника магнитной записи. — Изд. 2-е/Подред. В. И. Пархоменко. — М.: Энер-
гия, 1978. — 398 с.
46. Гончаров А. В., Харитонов М. И. Канал изображения видеомагнитофона. —
Изд. 2-е. — М.: Радио и связь, 1987. — 261 с.
47. Кииотелевизиоииая техиика/М. В. Антипин, Ю.С. Комаровский, Л. Л. Полосин,
Д. А. Таранец. — М.: Искусство, 1984. — 288 с.
48. Робинсон Д. В. Магиитнаи запись. Теории и практика: Пер. с англ. — М Связь,
1980 — 319 с.
49. Вайда 3. Современная видеозапись: Пер. с венгерского. — М.: Радио и связь,
1987. — 171 с.
50. Гитлиц М. В., Лишни Л. Г. Видеомагнитофоны и их применение. — М . Свизь,
1980 — 168 с.
51. Седов С. А. Индивидуальные видеосредства: Справочное пособие. — Киев: На-
укова думка, 1990. — 750 с.
52. Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические дисковые системы: Пер. с
англ. — М.: Радио и связь, 1991. — 280 с.
53. Спутниковая свизьи вещание: Справочник. — 2-е изд./Подред. Л. Я. Кантора. —
М.: Радио и свизь, 1988. — 344 с.
54. Прием телевидения со спутников/Е. А. Злотников, Л. Я. Каитор, Б.А. Лок-
шии//Вестник связи. — 1990 — 61 с.
55. Прием телевидения и радиовещания со спутников/Д. Ю. Бэм, М. Е. Ильченко,
А. П. Живков, Л. Г. Гассаиов. — К.: Техника, 1992 — 176 с
56. Бушминский И. П„ Тюхтии М. Ф. Приемные системы спутникового телевидения. —
М • Радио и связь, 1993 — 216 с.
57. Системы спутниковой связн/А. М. Боич Бруевич, В Л. Быков, Л. Я- Кантор и др ,
Под ред. Л. Я. Кантора: Учеб, пособие дли вузов. — М.: Радио и связь, 1992. — 224 с.
58 Копылов П. М. Сети телевизионного вещании. — М.: Связь, 1980. — 232 с.
59. Каневский А. Л. Кабельное телевидение. — М.: Знание, 1991. — 64 с.
60. Реушкин Н. А. Системы коллективного телевизионного приема. — М.: Радио и
связь, 1992. — 168 с.
634
61. Кривошеев М. И. Основы телевизионных измерений.— 3-е изд. — М.: Радио и
связь, 1989. — 608 с.
62. Антипин М. В. Интегральная оценка качества телевизионных изображений. —
М.: Наука, 1970.— 154 с.
63. Кривошеев М. И., Кустарев А. К. Цветовые измерения.— М.: Эиергоатомиздат,
1989. — 241 с.
64. Гофайзен О. В., Епифанов Н. И. Оценка качества телевизионного изображения
по совокупности параметров//Техиика кино и телевидения. — 1976. — №6.
65 Ткаченко А. П., Кириллов В..И. Техника телевизионных измерений. — Минск.: .
Вышэйшая школа, 1976. — 224 с.
66 Fujio Т. A study of high-definition TV system in future //IEEE Trans Broadcasting. —
1979 — Vol I. —P. 24 — 32.
67 Росселевич И. А. и др. Перспективные параметры системы телевидения высо-
кого разрешения//Техника кино и телевидения. — 1987. — № 1. — С. 5 — 11.
68. Фудзе 3. Т. Телевизионные системы высокого разрешеиии//ТИИЭР. — 1985. —
Т. 73. — №4, — С. 171— 181.
69. Nimamija Voishi. A Single Channel HDTV Broadcast System — the
MUSE//NHK Laboratories Note. — 1984. — September. — № 304. — P. 20 — 24.
70. Бриллиантов Д. П. и др. К выбору стандартов ТВЧ: современные цветные
кинескопы высокого разрешеиия//Техиика кино и телевидения. — 1987. — №6. — С.
11 — 17.
71. Berkhoff Е. J. Application of picture memories in television recievers//IEEE
Trans Consumer Elektron, 1983, Aug , VCE — 29 p.
72 Борисов А. Л., Певзнер Б. M., Полосни Л. Л. Системы сокращения полосы частот
сигналов телевидения высокой четкости//Техника средств связи. Сер. Техника телеви-
дения. — 1989. — Вып. 1. — С. 90 — 101.
73. Glenn W. Е-, Glen К. G. ND-TW Compatible Transmission System//SMPTE J. —
1987, March. — P. 242 — 246.
74. Дэвид M. Уэбер. Повышение разрешения ТВ изображения в системе
NTSCZ/Электроиика. — 1985. — № 26. — С. 80 — 82.
75. Новаковский С. В., Котельников А. В. Новые системы телевидения. Цифровые
методы обработки сигналов. — М.: Радио и связь, 1992. — 88 с.
76. Джакоиия В. Е. Вещательные системы стереоцветиого телевидения/Учеб. по-
собие. — Л.: Изд. ЛЭИС, 1979. — 51 с.
77. Формирование сигнала вещательной системы объемного телевндеиня/Ю. М.
Шыырап, В. Е. Джакоиия, К- Т. Колин и др.//Техиика кино и телевидении. — 1988. —
№12
78. Копылов П. М., Тачков А. Н. Телевидение и голография. — М.: Свизь, 1976. —
166с
79 Мамчев Г. В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. —
М.: Радио и связь, 1983. — 96 с.
80. Квирииг Г. Ю. Прикладное телевидение: Учеб, пособие. — М.: Изд. МЭИС, 1989.
— 90 с.
81. Грязни Г. Н. Импульсные телевизионные датчики. — М.: Связь, 1980.— 143 с.
82. Грязин Г. Н. Оптико-электронные системы дли обзора пространства: Системы
телевидения. — Л.: Машиностроение, 1988. — 224 с.
83. Финкельштейн М. И. Гребеичатые фильтры. — М.: Сов. радио, 1969. — 320 с.
84 Пескин А. Е., Коннов А. А. Миогосистемный декодер на микросхемах TDA 4650,
TDA 4670, TDA 4680//Зарубежная радиоэлектроника. — 1993 — № 3. — С. 76 — 88.
85 Претт У. Цифровая обработка изображений: — М.: Мир, 1982. — 790 с.
86. Мультипликативный интегральный критерий качества ТВ изображеиий/И.
Паздерак, И Кепр//Техиика кино и телевидения. — 1976. — №11 —С. 51—55.
87 Кривошеев М. И., Дворкин В. П. Измерении в цветном телевидении.— М.:
Связь, 1971 —136 с.
88. Вилеичик Л. С. Измерения в цифровом телевидеиии//Труды НИИР. — 1985. —
№1, —С. 68 — 73.
89. ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры. Ме-
тоды измерений. •
635
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................... 3
Введение .............................................................. 4
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава (.Основные принципы телевидения.................................. 14
1.1. Поэлементные анализ и синтез оптических изображений .......... 14
1.2. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал .. 21
1.3. Обощеииая структурная схема телевизионной системы ........... 23
Глава 2. Характеристики и параметры оптического и
телевизионного изображений........................................ 26
2.1. Характеристикии параметры оптического изображения ........... 26
2.2. Восприятие изображения зрительной системой.
Основные параметры телевизионного изображения .................... 28
2.3. Восприятие цвета и объема.................................... 38
Глава 3. Форма и спектр видеосигнала ................................. 41
3.1. Принципы построчной (прогрессивной) развертки................ 41
3.2. Форма видеосигнала......................................... 45
3.3. Спектр видеосигнала и его особенности ....................... 49
3.4. Чересстрочная развертка ..................................... 53
Глава 4. Искажения телевизионного изображении......................... 56
4.1. Качество телевизионного изображения ......................... 56
4.2. Геометрические(коордииатиые)искажения ....................... 57
4.3. Полутоновые (градационные) искажении......................... 59
4.4. Искажения четкости и резкости (искажения яркости мелких деталей) 62
4.5. Искажения яркости средних и крупных деталей.................. 64
4.6. Цветовые искажения .......................................... 67
4.7. Влиииие помех иа качество изображения........................ 68
4.8. Оценка качества изображения по телевизионным испытательным таб-
лицам ............................................................ 71
Глава 5. Основы цифрового телевидения................................. 76
5.1. Общие принципы построения системы цифрового телевидения.... 76
5.2. Дискретизации телевизионного сигнала 4....................... 83
5.3. Квантование телевизионного сигнала .......................... 88
5.4. Цифровое кодирование телевизионного сигнала ................. 90
5.5. Цифровая фильтрации телевизионного сигнала ................. 100
5.6. Временные преобразования цифровых сигналов ................. 103
II. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
СИГНАЛЫ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Глава 6. Телевизионные преобразователи оптических
изображений в электрические сигналы ............................. 105
6.1. Датчики телевизионных сигналов и их характеристики.......... 105
6.2. Фотоэлектронная эмиссия.................................... 107
6.3. Перенос электронных изображений и фокусировка развертывающего
луча........................................................... НО
6.4. Диссектор.................................................. 113
636
6.5. Принцип накопления заряда ..................................... 115
6.6. Видикон........................................................ 116
6.7. Плюмбнкои ..................................................... 123
6.8. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения ... 126
Глава 7. Телевизионные преобразователи электрических
сигналов в оптическое изображение............................... 135
Общие сведения ..................................................... 135
7.1. Кинескопы черио-белого телевидения............................. 135
7.2. Электронный прожектор.......................................... 136
7.3. Экран кинескопа ............................................... 138
7.4. Кинескопы цветного телевидения................................. 142
7.5. Системы большого телевизионного экрана......................... 148
Глава 8 Развертывающие устройства....................................... 155
8.1. Отклонение электронного луча .................................. 155
8.2. Эквивалентная схема отклоняющей системы ....................... 160
8.3. Выходной каскад строчной развертки на двустороннем ключе.. 162
8.4. Практическая схема генератора строчной развертки на транзисторе . 166
8.5. Особенности выходных каскадов строчной развертки в цветных теле
визорах....................................................... 173
8.6. Генераторы кадровой развертки.................................. 180
Глава 9. Синхронизации развертывающих устройств и источников сигнала 190
9.1. Требования к сигналам синхронизации ........................... 190
9.2. Форма сигналов синхронизации .................................. 192
9.3. Синхронизация генераторов электрических колебаний ............. 197
9.4. Формирование сигналов синхронизации............................ 199
9.5. Синхронизация источников сигнала путем временного преобразования 203
111. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава 10. Методы передачи информации о цвете............................ 206
10.1 Понятие о цвете .............................................. 206
10.2. Фотометрии и свойства зрительного аппарата человека.......... 208
10.3. Колориметрическое определение цвета ......................... 210
10.4. Геометрическое представление цвета........................... 213
10.5. Система RGB ................................................. 216
10.6. Цветовая система XYZ ........................................ 219
10.7. Равноконтрастная цветовая диаграмма.......................... 223
10.8. Цветовой расчет координат цвета и цветности ................. 224
10 9 Способы получения цветного телевизионного изображения........ 226
10.10 Особенности восприятия цвета в телевидении .................. 228
10.11. Условия правильной цветопередачи в телевидении ............. 230
10.12. Матричная цветокоррекция.................................... 234
10.13. Светоделительная система передающей камеры ................. 238
Глава 11. Методы формирования полного сигнала цветного телевидения .. 242
11.1. Основные требования к вещательной системе цветного телевидения . 242
11.2. Кодирование сигналов цветного изображения.................... 243
11.3. Структурная схема совместимой системы цветного телевидения .... 246
Глава 12. Вещательные системы цветного телевидения...................... 249
12.1. Система цветного телевидения NTSC ........................... 249
12.1.1. Общие принципы системы..................................... 249
12.1.2. Выбор частоты поднесущей................................... 254
12.13 Цветоразностные сигналы £7 и £q ............................. 257
12.1 4. Структурная схема кодирующего устройства .................. 261
12.1 5 Структурная схема декодирующего устройства ................. 262
12.1 6. Эксплуатационные характеристики системы ................... 264
637
12.2. Система цветного телевидения SECAM.............,............... 266
12 2.1. Общие принципы системы..................................... 266
12.2.2. Основные параметры системы .. ............................... 269
12 2.3. Структуриаи схема кодирующего устройства ................... 282
12.2.4. Структурная схема декодирующего устройства................... 287
12.2.5. Эксплуатационные характеристики системы(15; 33] ............. 292
12.3. Система цветного телевидении PAL .............................. 294
12.3.1. Общие принципы системы....................................... 294
12.3.2. Структурная схема кодирующего устройства .................... 299
12 3.3. Структурная схема декодирующего устройства .................. 302
12.3.4 Эксплуатационные характеристики системы ...................... 304
IV. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ
Глава 13. Телевизионные центры........................................... 306
13.1. Обобщенная структурная схема телевизионного центра............. 306
13.2 Студии.......................................................... 308
13 3 Телевизионные передающие камеры ............................... 311
13.4. Технические, режиссерские и центральная аппаратная............. 316
13.5. Телекинопроекционные аппаратные ............................... 319
13.6. Аппаратные магнитной видеозаписи .............................. 323
13.7. Внестудийные источники программ ............................... 323
13.8. Система синхронизации иа телецентрах........................... 325
Глава 14. Формирование телевизионного сигнала ........................... 326
14 1. Особенности видеоусилительных трактов телевизионных центров ... 326
14.2. Фиксация уровня черного телевизионного сигнала ................ 328
14 3. Противошумовая коррекция ...................................... 336
14 4 Шумоподавители................................................ 347
14.5. Апертурная коррекция .......................................... 356
14.6. Коррекция полутоновых искажений .......!....................... 364
14.7. Сложение, коммутация и микширование телевизионных сигналов .. 371
Глава 15. Преобразователи телевизионных стандартов .......... 377
15.1. Основные положения и общие .принципы преобразования стандартов .. 377
15 2 Цифровые преобразователи стандартов ............................ 380
Глава 16. Телевизионные приемники ....................................... 387
16.1. Особенности передачи и приема телевизионных сигналов наземного
вещания .................................................... 387
16.2. Особенности структурных схем телевизионных приемников ......... 390
16 3. Многостандартный блок цветности телевизоров УСЦТ............... 402
Глава 17. Консервация телевизионных программ............................. 420
17.1 Общие принципы и особенности магнитной записи телевизионных сиг-
налов ......................................................... 420
17.2 . Частотные модуляторы и демодуляторы для магнитной записи ТВ
сигналов ...................................................... 429
17.3 . Методы магнитной записи телевизионных сигналов................ 431
17.4 Обработка воспроизводимых сигналов.............................. 452
17.5 . Система автоматического регулирования (САР) в видеомагнитофонах .. 462
17.6 Монтаж видеофонограмм .......................................... 468
17 7. Принцип ускоренного и замедленного воспроизведения телевизион-
ных изображений и устройство дискового видеомагнитофона ....... 470
17.8 . Запись цифровых сигналов ..................................... 474
17.9 . Перспективы развития магнитной записи телевизионных сигналов .. 482
17.10 Бытовые видеомагнитофоны....................................... 483
17 11 Видеопроигрыватели ........................................... 490
638
Глава 18. Спутниковое телевизионное вещание ........................ 501
18 1 Общие сведения.......................................... 501
18.2 Распределительные системы спутникового ТВ вещания . ..... 507
18 3 Непосредственное ТВ вещание ...................... 512
Глава 19. Системы кабельного телевидения ... ............. 523
19.1. Принципы построения приемной телевизионной сети............ 523
19.2. Принципы построения системы кабельного ТВ................. 52~г
19.3. Головнаи станция .......................................... 532
19 4 Распределительная сеть ................................... 536
Глава 20. Телевизионный контроль и измерения ....................... 540
20 1 Методы и критерии оценки качества телевизионных изображений .. 540
20 2 Контроль качества изображений с помощью испытательных строк . 547
20.3. Измерения в цифровых телевизионных каналах.......... ..... 553
20.4. Телевизионные испытательные таблицы ....................... 555
V. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Глава 21. Новые телевизионные системы высокого
качества изображения . .................. ............. 559
21.1 Параметры системы ТВЧ...................................... 560
21.2. Экспериментальные системы ТВЧ.............................. 564
21.3. Передача сигналов ТВЧ ..................................... 567
21.4. Телевизионные системы улучшенного качества изображения .... 579
21.5. Совместимые системы телевидения повышенной четкости........ 590
Глава 22. Передача в телевизионных системах дополни-
тельной информации ......... ......................... 594
22 1 Классификация систем передачи дополнительной информации .... 594
22.2. Вещательная видеографическая система ТЕЛЕТЕКСТ ............ 596
22.3. Интерактивные системы ВИДЕОТЕКС ........................... 603
Глава 23. Стереотелевидение ........................................ 607
23 1. Основы стереотелевидения .................................. 607
23.2. Стереоэффект телевизиоииой системы ........................ 610
23.3. Стереоцветное телевидение ............................... 614
23 4. Перспективы развития стереотелевидения .................... 623
Глава 24. Прикладное телевидение.................................... 627
24.1. Задачи прикладного телевидения............................. 627
24.2. Промышленные телевизионные установки ...................... 628
24.3. Некоторые телевизионные системы целевого назначения ....... 629
24.4 Телевизионные автоматы и полуавтоматы ..................... 631
Список литературы................................................. 633
639
Учебное издание
Джакония Владимир Ермилевич, Гоголь Александр Александрович,
Друзин Ярослав Валериевич, Ерганжиев Николай Аркадьевич,
Коганер Сергей Эйзерович, Колин Константин Тимофеевич,
Копылов Павел Максимович, Лисогурский Василий Иванович
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Учебник
Ведущий редактор В. Н. Вяльцев
ЛР № 071825 от 16 марта 1999 г.
Подписано в печать 21 11.01
Гарнитура литературная
Тираж 2 000 экз.
Печать офсетная
Изд. № 70
Формат 60x88/16
Уч.-изд. л. 46,14