Текст
Р. М.ДОМБРУГОВ
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Радиотехника»
КИЕВ
ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
«ВИЩА ШКОЛА»
ББК 32.94
6ФЗ
Д66
УДК 621.397.13 (075.8)
Домбру! ов Р. М. Телевидение: Учебник для студентов
вузов. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1979.—
176 с. - 30403. 2402000000.
В книге изложены основы телевидения: восприятие
света и цвета, способы и параметры разложения
изображений, их информационная оценка; рассмотрены
принципы построения монохромных, цветных и стерео-
цветных вещательных систем, а также специализиро-
ванных систем различного назначения: описаны спе-
цифические элементы телевизионных систем: датчики
сигнала, воспроизводящие устройства, генераторы
развертки и т. д.
Учебник предназначен для студентов вузов специаль-
ности «Радиотехника», а также может быть полезен
инженерам и техникам, работающим в области теле-
видения.
Табл. 7. Ил. 199. Список лит.: 29 назв.
Редакция литературы по кибернетике, электронике
и энергетике
Зав. редакцией А В Дьячков
ДмЛ2п”^9187-79 -4U2W,U0UU
© И на I ельское объе мнение
«Ниша школа». 1979
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
Предисловие 7
1. ПРИНЦИПЫ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕ ЛЕВИДЕНИЯ
1.1. Лучнаая жер! ия и ее измерение 13
1.2. Глаз - приемник визуальной информации 15
1.3. Элементы колориметрии 21
1 4. Примеры цвеювых расчетов 29
2. СПОСОБЫ И ПАРАМЕТРЫ РАЗЛОЖЕ-
НИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
2.1. Основные схемы преобразования в теле- 32
видении
2.2. Парамезры разложения изображения в ie- 35
левидении
2.3. Влияние параметров ра звертываюшего эле- 39
мента на качсово изображения
2.4 Способы разверни 41
2.5. Построение телевизионного pacipa при ли- 47
нейных развертках
Введение 8
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
3. ИНФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА П \РА-
МЕТРОВ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕ-
ний
3.1. Эдеме» 1ы теории информации 50
3.2. Информационная оценка изображения 52
3.3. Психо визуальная избыточность гелевизи- 57
онных сообщений
3.4. Спектр частот телевизионного сигнала 58
3.5. СIруктура спектра телевизионного сж на та 59
при линейной развертке
3.6. Информационные хараклерис1ики объем- 61
кого, цветного и стереоцветного изобра-
жений
3.7. Обменные операции в телевидении 62
3.8. Эффективность котирования гелевизион- 63
него изображения
3.9. Примеры информационных расчетов 65
2. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
4. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СИСТЕМ II ПОСТРОЕНИЕ ВЕЩАТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ МОНОХРОМНОГО ТЕЛЕВИДЕ-
НИЯ
4.1. Классификация телевизионных систем 67
4.2. Структура телевизионного вещания 69
4.3. Усилительный тракт монохромной зеле- 70
визионной системы
4.4. Канал синхронизации 73
4.5. Передача 1елевизнойного сигнала по ра- 74
диоканал) и особенности построения телеви-
зионных переда гчи ков
4.6. Функциональные схемы монохромных теле- 77
визоров
5. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО И ОБЪЕМНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
5.1. Возможные способы передачи цветных 80
изображений
5.2. Выбор системы цветного телевидения для 80
вещания
5.3. Выбор сигналов цвешости 83
5.4. Система цвешою телевидения NTSC 84
5.5. Система цветного телевидения СЕК. AM 89
5.6. Сиоема PAL 05
5.7. Системы объемного телевидения 96
6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ТЕЛЕВИЗИ-
ОННЫЕ СИСТЕМЫ И СИСТЕМЫ ВИДЕО-
ЗАПИСИ
6.1. Системы видеосвязи У8
6.2. Телевизионные системы несветового диапа- 101
зона
6.3. Телевизионные автомат 101
6.4. Построение систем цифрового i елевидения 102
6.5. Запись телевизионных изображений на 106
кинопленку
6.6. Запись изображений на мшнитную пленку 107
6.7. Бытовые телеироигрыватели 109
6.8. Голографическая запись телевизионных НО
npoi рамм
ОГЛАВЛЕНИЕ
6
3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
7. ДАТЧИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО
СИГНАЛА
7.1. Краткий обзор датчиков телевизионного 113
сигнала
7.2. Принцип накопления световой энергии 113
7.3. Потенциал изолированного экрана 114
7.4. Фокусировка и отклонение луча в пере- 115
дающих телевизионных трубках
7.5. Передающие трубки с вторично-эмиссион- 117
ным накопителем
7.6. Передающие телевизионные трубки с фото- 120
проводящим накопителем
7.7. Секон 122
7.8. Передающие трубки с фотодиодным слоем 123
7.9. Передающая трубка без накопления— 124
диссектор
7.10. Испытательная телевизионная трубка-мо- 125
носкоп
7.11. Датчики сигнала для цветного телевиде- 125
ния
7.12. Твердотельные датчики 127
8. ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА
9. УСТРОЙСТВА РАЗВЕРТКИ И СИНХРО-
НИЗАЦИИ
9.1. Пилообразные токи в телевизионных раз- 140
вертках
9.2. Генераторы пилообразного тока медлен- 142
ной развертки
9.3. Генераторы пилообразного тока быстрой 149
развертки
9.4. Синхронизация генераторов развертки 154
10. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕ-
ВИЗИОННОГО ТРАКТА
10.1 Противошумовая коррекция 161
10.2. Коррекция апертурных искажений 164
10.3. Коррекция нелинейных искажений 165
10.4. Передача средней составляющей видео- 167
сигнала
10.5. Особенности автоматической регулировки 169
усиления в телевизионном тракте
10.6. Оперативный контроль параметров теле- 169
визионных трактов
8.1. Краткий обзор воспроизводящих устройств 129
8.2. Монохромные кинескопы 130
8.3. Отклоняющие системы для кинескопов 131
8.4. Кинескопы для цветного телевидения 135
8.5. Светоклапанное воспроизводящее устрой- 139
ство «Аристон»
Заключение
Список литературы
173
175
ПРЕДИСЛОВИЕ
7
В решениях XXV съезда КПСС предусмат-
ривается «дальнейшее развитие радиове-
щания и телевидения, в том числе цвет-
ного».
Уже в настоящее время свыше 80%
населения нашей страны имеет возмож-
ность принимать программы центрального
телевидения. Телевизионная сеть Совет-
ского Союза связана с международными
сетями «Интервидение», «Евровидение»,
«Интерспутник», обеспечивающими зару-
бежные и межконтинентальные связи.
Роль телевидения не ограничивается те-
левизионным вещанием. В настоящее время
нет такой отрасли народного хозяйства,
науки или техники, где не применялось бы
телевидение. Без телевидения был бы не-
возможен прогресс современной науки и
техники: освоение космоса, решение техно-
логических задач в атомной энергетике,
автоматизация многих производственных
процессов, создание уникальных инструмен-
тов научного исследования, развитие радио-
локации и гидролокации. Телевидение иг-
рает важную роль в решении одной из
основных задач, поставленных XXV съез-
дом КПСС: «Ускорить темпы научно-тех-
нического прогресса как решающего усло-
вия повышения эффективности обществен-
ного производства и улучшения качества
продукции».
Развитие телевидения немыслимо без
подготовки специалистов этой области.
Решение XXV съезда КПСС «Осуществить
дальнейшее развитие системы народного
образования в соответствии с требованиями
научно-технического прогресса» ставит но-
вые задачи и перед высшей школой. Объем
знаний, которые должен получить выпуск-
ник вуза, неизмеримо возрос по сравнению
с тем, что было 10—15 лет тому назад.
Между тем количество учебных часов не
может быть увеличено В связи с этим
возникает задача перехода от экстенсивных
методов обучения к интенсивным. Для
решения этой задачи необходимы учебники
и учебные пособия, соответствующие про-
граммам обучения с учетом реального
времени, имеющегося в распоряжении сту-
дента. Однако до настоящего времени
учебник по телевидению для специальности
«Радиотехника» не издавался. Настоящая
книга является попыткой восполнить этот
пробел.
Учебник состоит из трех разделов; в пер-
вом излагаются основы телевидения; во
втором дано построение разнообразных
телевизионных систем; в третьем рассмат-
риваются элементы телевизионных систем.
При изложении материала внимание
акцентировалось не только на том, как
выполняется то или иное техническое реше-
ние, но главным образом почему именно
так.
Автор выражает благодарность проф.
В. П. Тараненко за помощь и поддержку
при написании учебника, рецензентам
проф. Б. П. Хромому и доц. В. Е. Джакония
за большую работу по рецензированию
рукописи, доц. Ф. И. Барсукову и д-ру техн,
наук Н. Г. Гаткину за замечания, сделанные
при чтении рукописи.
Отзывы и замечания просим направлять
по адресу: 252054, Киев-54, ул. Гоголев-
ская, 7, Головное издательство издатель-
ского объединения «Вища школа».
ВВЕДЕНИЕ
8
Поток массовой информации в XX в. возрос
настолько, что передать его только сред-
ствами печати и радио уже невозможно.
Необходимость подключить к общей сис-
теме связи наиболее информативный зри-
тельный аппарат, с помощью которого
человек воспринимает свыше 80°,, инфор-
мации об окружающем мире, привела
к широкому развитию телевидения.
Терцин «телевитение» впервые применил
русский инженер К. Д. Перский в 1900 г.
на Международном электротехническом
конгрессе в Париже. В настоящее время
этот термин обозначает передачу изобра-
жений или информации о них при помощи
электрических сигналов.
Для создания телевидения необходимо
было решить три важнейшие проблемы:
1) преобразования лучистой (в частности,
световой) энергии в электрический сигнал;
2) передачи электрических сигналов на
расстояние;
3) преобразования электрических сигна-
лов в световые.
Решение этих проблем оказалось воз-
можным благодаря успехам физики конца
XIX — начала XX ст. Вот некоторые из них;
1X73 г. — открытие У Смиюм (США) евеючувсчви-
le.ibiiocni селена:
1X73 изобретение А Н. По.чьи иным (Россия)
э.чекч рической . |а\1почки:
1ХХ7 I.—открытие Г. Герцем (Германия) внешнего
фогоэффскча:
ISXX—1X90 и,- установление А Г. Сголеювым (Рос-
сия) основных закономерное!ей фоюэффекга:
1X95 г. изобретение А. С. Поповым (Россия) радио:
1X97 । изобретение К Брауном (Германия) катодной
(э.чекгронно-.iy чевой) iрубки;
1906 । — создание Ли-де Форестом (США) трех элект-
ро той лампы.
Идея создания первой телевизионной
системы предложена в 1875 г. Дж. Керри
(США).
Мозаика из селеновых фотоэлементов
(рис. В.1), на которую проецируется пере-
даваемое изображение, при помощи мно-
жества проводов соединяется с соответ-
ствующими электрическими лампочками
на приемном экране. Спроецированное на
мозаику изображение вызывает в каждом
проводе ток, пропорциональный освещен-
ности элемента мозаики, и заставляет све-
титься соответствующую лампочку на при-
емном экране с яркостью, пропорциональ-
ной этому току. Совокупность свечения
всех лампочек дает мозаичное изображение
передаваемого объекта. Примечательно,
что в этом первом проекте была заложена
прогрессивная идея разложения (разбиения)
изображения на отдельные элементы и
передачи средней яркости каждого эле-
мента. Метод поэлементной передачи изоб-
ражения — основа всех последующих теле-
визионных систем. Основным недостатком
предложения Дж. Керри является необхо-
димость использования большого числа
каналов связи (примерно 500000 для совре-
менного телевидения), что нереально.
С 1877 по 1880 1. независимо друг от
друга предложили проекты одноканальных
систем телевидения М. Санлек «Франция).
де-Пайва (Португалия) и П. И. Бахметьев
(Россия). Все проекты были основаны на
учете инерционности зрительного восприя-
тия, благодаря которой оказывается воз-
можным передача информации о яркости
всех элементов изображения не отновре-
менно. а последовательно (поочередно).
Последовательное преобразование яркостей
Введение
9
отдельных элементов изображения в элект-
рический сигнал называется разверткой
изображения. В «телефотографе» Бахметье-
ва, например, это достигалось за счет дви-
жения селенового фотоэлемента малых раз-
меров по спира ли в фокальной плоскости
изображения.
Практически проблема последовательной
передачи элементов была решена в проекте
польского инженера П. Нипкова, который
в 1884 г. получил германский патент на
оптико-механическое устройство, известное
под названием диска Нипкова (рис В.2).
Непрозрачный диск содержит ряд отвер-
стий, расположенных по спирали Архимеда
у его внешнего края. Размер отверстия
определяет величину элемента изображения.
Каждое отверстие смещено по радиусу
к центру диска относительно предыдущего
на высоту отверстия.
На рис. В.З приведено схематическое
устройство системы с диском Нипкова.
Подлежащее передаче изображение 1 прое-
цируется с помощью объектива 2 через
рамку 3 на диск Нипкова 4. Световой
поток, прошедший через отверстие диска,
попадает на фотоэлемент 5. Сигнал с вы-
хода фотоэлемента через канал связи 6
поступает в приемник и вызывает измене-
ние яркости свечения безынерционной лам-
пы 7. перед которой также установлен диск
Нипкова 8. В случае согласованного (син-
хронного и синфазного) вращения дисков 4
и 8 яркость точек, наблюдаемых через
отверстия приемного диска, будет пропор-
циональна яркостям соответствующих эле-
ментов передаваемого изображения. При
достаточной скорости вращения дисков
движущаяся светящаяся точка будет вос-
приниматься как слитное изображение.
Согласованное вращение дисков достига-
ется, например, применением синхронных
двигателей 9, питаемых от общей сети
переменного тока
Первые практические системы телевиде-
ния с механической разверткой были осу-
ществлены в 1925 I. Дж Бердом в Антлии,
Ч. Ф. Дженкинсом в США и в 1926 г.
Л. С. Терменом в СССР С 1931 по 1935 г
сначала в Москве, а затем в ряде других
городов велись рыулярные телевизионные
передачи с числом строк 30 (1200 элементов
разложения).
Пионером электронного телевидения по
праву считается наш соотечественник
Б. Л. Рознит, получивший в 1907 т. патент
на «способ передачи изображений на рас-
стояние». Отличие этого способа от всех
предложенных ранее заключалось в приме-
нении электронно-лучевой трубки в прием-
ном устройстве, что означало принципи-
ально новое направление в построении
телевизионных устройств Б. Л. Розинг
впервые предложил способ модуляции
электронного луча в трубке Брауна, превра-
тив ее таким образом из осциллографи-
ческой в приемную телевизионную трубку,
способную воспроизводить изображение с
полутонами. Б. Л. Розинг не только сфор-
мулировал новые принципы телевидения но
и добился первых практических успехов
в этом направлении продемонстрировав
в мае 1911 1. первую в мире передачу
изображения на расстояние.
Идея развертки изображения электрон-
ным лучом оказалась плодотворной. Уже
в 1908 г. ан! лийский инженер А. А. Кем-
белл-Суинтон высказал мысль о возмож-
ности применения электронного луча в пе-
редающем устройстве, а в 1911 г. дач
принципиальную схему полностью элект-
ронной системы передачи изображений.
Во всех этих телевизионных устройствах
свет от элемента изображения воздействует
на фотоприемник лишь в течение малого
интервада времени, соответствующего пе-
редачеданного элемента изображения. Они
обладают малой чувствительностью, так
как представляют собой устройства мгно-
венного действия.
Бурное развитие электронного телевиде-
ния началось после создания высокочув-
ствительных пере тающих телевизионных
трубок, использующих эффект накопления
ВВЕДШИЕ
10
Передаваем ое
изображение
Приемный экран
Рис.В.1
Поле
изображения
tesaaifi i аааяз ,аэ
яжмяивяиняияя
жамиядсзмяваза
!иияяяв^иг:дяяя
!я; :яяипигмжлми
!аазяавяагта '«а
гаяжмняяяпааям
!bsmsisi».li: 1:isjaiaa
Еяаияиияяс :яааи
!яаэаазааг:пи.«!3
!зяззи"йяяя1 "в
!ааазазвааэя^а
!яяви зпааяяави
дызазызаяааиаа
Мозаика
из фотоэлементов
световой энергии в виде электрических
зарядов,
В 1925 г. А. А. Чернышев (СССР) предложил
передающую трубку с мозаичным полупроводниковым
фотослоем, в которой были заложены возможности
использования эффекта накопления световой энергии.
В 1928 г. Ч. Дженкинс (США) сформулировал
принцип накопления света применительно к телевиде-
нию, а также предложил схему с накопительными
емкостями и коммутатором.
В 1930 г. А. П. Константинов (СССР) изобрел
первую передающую трубку с накоплением зарядов,
В 1931 г. С И. Катаев (СССР), а затем В. К. Зво-
рыкин (США) независимо друг от друга предложили
проект более совершенных передающих телевизион-
ных трубок с накоплением зарядов (иконоскопов).
В 1932—1934 гг. изготовлен в США, а затем
в СССР иконоскоп.
В 1933 г. П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев (СССР)
изобрели супериконоскоп,
В 1938 г. Г. В. Брауде (СССР) изобрел двусторон-
нюю мишень, на основе которой разработан супер-
ортикон — одна из современных высокочувствительных
передающих трубок.
Рис.В.2
Появление высокочувствительных пере-
дающих трубок позволило уже в 1937 г.
создать первые в стране телевизионные
центры — в Ленинграде со стандартом
240 строк и в Москве со стандартом
343 строки. В 1941 г был принят стандарт
441 строка и начались работы по переобо-
рудованию Московского телецентра. После
окончания войны Московский телецентр
возобновил работу по старому стандарту,
Введение
11
Рис.В.З
а с 1948 г. работает по нынешнему
стандарту — 625 сгрок.
Параллельно с развитием черно-белого
телевидения шла разработка цветных те-
левизионных систем.
В 1899 г. А. А- Полумордвинов (Россия) предложил
первый проект цветной телевизионной системы. Раз-
ложение изображения осуществлялось диском Нип-
кова, перед которым вращался еще один диск с крас-
ным, зеленым и фиолетовым светофильтрами, по-
очередно прикрывавшими вырез в ограничивающей
рамке. В 1926 г. И. А. Адамиан (СССР) предложил
трехцветную последовательную систему на основе
трехспирального диска Нипкова.
В 1928 г. Дж. Бэрд (Англия) продемонстрировал
передачу цветных изображений при помощи аналогич-
ной системы.
В 1929 г. в лаборатории Бэлла (США) демонстри-
ровалась трехканальная телевизионная система с одно-
временной передачей цветов.
В 1950 г. в США и в 1953 г. в СССР
были приняты для вещания поочередные
системы цветного телевидения, от которых
пришлось отказаться из-за их несовмести-
мости с системой черно-белого телевидения.
Несовместимость выражается в том, что
сигналы цветного телевидения не могут
быть приняты на черно-белые телевизоры,
а цветные телевизоры не могут принимать
сигналы черно-белых телецентров.
Первая совместимая система цветного
телевидения принята для вещания в США
в 1953 г., называется она National Television
System Commitee (NTSC). Сейчас эта сис-
тема принята также в Японии, Канаде и
в ряде других стран американского кон-
тинента.
В 1954 г. Анри де Франс (Франция)
предложил систему, которая с 1959 г.
называется SECAM (Sequence de Couleurs
Avec Memoire — поочередность цветов и
память). Последний советско-французский
вариант СЕКАМ (SECAM — 1ПВ) принят
для вещания в СССР, Франции и других
европейских странах. В СССР и Франции
вещание по Этой системе со стандартом
разложения 625 строк ведется с 1 октября
1967 г.
В 1963 г. в ФРГ под руководством
Бруха разработана система PAL (Phase
Alternation Lines — строка с переменной
фазой). По системе PAL с 1967 г. ведется
регулярное вещание в ФРГ и в Англии
со стандартом 625 строк.
ПРИНЦИПЫ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
13
1. ФИЗИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
1.1. .15 ЧИСТАЯ ЭНЮ ИЯ
И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Весь частотный спектр электромагнитных
колебании условно делят на две части
с границей примерно на частоте 300 ГГц.
Частоты, лежащие ниже этой границы,
относят к области радиоволн. Частоты,
лежащие выше, входят в оптический диа-
пазон волн. Источником телевизионного
сигнала может быть любое излучение
в оптическом диапазоне волн, испускаемое,
пропускаемое или отражаемое наблюдае-
мым объектом и окружающей его средой.
Для воспроизведения изображений можно
использовать излучение лишь в узком диа-
пазоне волн от 380 до 770 нм, непосред-
ственно воспринимаемое глазом человека
в виде света.
Излучения бывают монохроматические
и сложные. Монохроматическими называ-
ются излучения, имеющие одну определен-
ную длину волны. Сложные излучения
состоят из монохроматических и характе-
ризуются спектральным распределением
энергии. Количественная характеристика
источника излучения определяется его цве-
товой температурой. Согласно закону Вина,
для абсолютно черного тела
. 2896
А-о — —,
где 7.0 — длина волны в мкм, соответству-
ющая максимуму излучения абсолютно чер-
ного тела; Г—его абсолютная темпера-
тура.
Цветовой температурой Ти излучения
данного источника называется та действи-
тетьная температура, до которой необхо-
димо нагреть абсолютно черное тело, чтобы
получить излучение того же цвета. Для
фотометрии и колометрии стандартизо-
ваны четыре источника света: 4(Т„ =
= 2854 К). В(Т„ = 4800 К), С(Г„ = 6500 К)
и равноэнергетический источник Е. Спект-
ральные плотности излучения для этих
источников приведены на рис. 1.1. В цвет-
ном телевидении применяются также стан-
дартные источники. Д6500 (7ц = 6500 К),
С>75оо (Т’,, = 7500 К), 5(ГЦ = 25000 К) и ис-
точник 9300 К.
Для оценки излучений пользуются энер-
гетическими и эффективными величинами.
Система эффективных величин строится на
основе спектральной чувствительности об-
разцового приемника. Наиболее распрост-
раненной системой эффективных величин
является система световых величин, по-
строенная на основе спектральной чув-
ствительности глаза стандартного наблю-
дателя, выполняющего роль образцового
приемника.
В этой системе поток лучистой энергии,
оцениваемый по зрительному ощущению,
называется световым потоком, измеряется
в люменах (лм) и определяется уравнением
'2
Ф = Vo J г,Ргс!,,
'1
где г, — относительная спектральная чув-
ствительность глаза (кривая видности.
рис. 1.10); Р, — плотность распределения
мощности в спектре излучения (спектраль-
ная плотность); Го — коэффициент макси-
мальной видности, равный 683 лм Вт.
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
14
Световая энергия Q измеряется в люмен-
секундах (лмс) и определяется так;
'2
Q =
'i
где Ф1 — закон изменения светового потока
во времени.
Пространственная плотность светового
потока называется силой света, измеряется
в канделлах (кд) и определяется следующим
образом:
Рис.1.2
Рис. 1.3
I = аФ/d^,
где — элементарный телесный угол, в
стерадианах (ср), в котором заключен поток
(1Ф.
Сила света является основной единицей,
так как она эталонирована.
Яркость характеризует светящуюся по-
верхность, определяется отношением силы
света dlv, излучаемой в данном направле-
нии с площадки dS, к проекции этой пло-
щадки на плоскость, перпендикулярную
данному направлению (рис. 1.2), и измеря-
ется в кд/м2:
L = ________
ф dS cos <p ’
Если распределение силы свеча поверхност-
ного источника подчиняется закону коси-
нуса (закон Ламберта, рис. 1.3, а), т. е.
Рис.1.4
Iv = Io cos ф,
то наблюдаемая яркость
ф S cos ф S cos ф S
не зависит от угла наблюдения (рис. 1.3, б).
Такие излучатели называются равнояркими.
Точно закону Ламберта подчиняется абсо-
лютно черное тело, а с некоторым прибли-
жением — гипс, полотно, молочное стекло.
Светимость характеризует поверхност-
ную плотность светового потока равнояр-
Физические основы телевидения
15
кого источника и представляет собой сум-
марный поток дФ, излучаемый светящейся
поверхностью в пределах угла 2л:
лт аф
М = ЛГ
Освещенность характеризуется поверхно-
стной плотностью светового потока (1Ф
на облучаемой поверхности dS, измеряется
в люксах (лк):
г - аф
dS ’
Количество освещения (экспозиция) ха-
рактеризуется величиной световой энергии,
упавшей на единицу площади поверхности
освещаемого тела за интервал времени
t2 — tt, измеряется в люкс-секундах (лк • с):
'2
Н= $E,dt,
где Et — закон изменения освещенности
во времени.
Коэффициент яркости характеризуется
отношением яркости Lv 3 данной излучаю-
щей поверхности в заданном направлении
к яркости Lo идеального равнояркого
источника, находящегося в тех же условиях:
ГЧ>8 — Дрз/Д)-
Аналогично строятся и энергетические
величины (см. таблицу на развороте).
В телевидении часто приходится опреде-
лять необходимую освещенность объекта
или выбирать чувствительность трубки по
заданной освещенности объекта. Для этого
пользуются приближенной формулой, свя-
зывающей освещенность объекта и фото-
катода (формула справедлива при линейном
увеличении изображения на фотокагоде
значительно меньше 1),
Ефк = 0,25гЕо6О2То6, (I.D
где ЕфК — освещенность на фотокатоде; г —
коэффициент яркости объекта; Ео6 — осве-
щенность объекта; О — относительное от-
верстие объектива камеры; То6 — прозрач-
ность объектива.
Необходимая освещенность Ефк на фото-
катоде трубки обычно приводится в спра-
вочной литературе, однако следует иметь
в виду, что интегральная чувствительность
фотокатодов кА определяется при их осве-
щении источником А (Т = 2854 К), поэтому
при другом источнике необходимая осве-
щенность будет иной. Освещенность можно
определить, воспользовавшись зависимо-
стью интегральной чувствительности фото-
катода от цветовой температуры источника.
Пример.
Определить необходимую освещенность Е объекта
для телевизионной передачи натурных сцен в облач-
ную погоду (источник С), если по справочным дан-
ным передающая трубка с сурьмя но-цезиевым фото-
катодом требует освещенности на фотокатоде Е^к =
= 1.4 лк: объектив короткофокусный с относительным
отверстием 0 = 1:2 и прозрачностью То§ = 0,8,
а коэффициент яркости передаваемой сцены г = 0,4.
Поскольку источник С имеет цветовую температуру
Тц = 6500 К по графику (рис. 1.4), на котором при-
ведены кривые относительной чувствительности сурь-
мяно-цезиевого 1 и висмуто-серебряно-цезиевого 2
фотокатодов, определяем для сурьмяно-цезиевого
фотокатода ес/еа = 1.9. а затем вычисляем необхо-
димую освещенность на фотокатоде:
гГ Е&к 1,4
ЕС = Фк. = — = 0,74 лк.
ф Ес/гА 1,9
Учитывая малое фокусное расстояние объектива,
воспользуемся (1.1) и определим необходимую осве-
щенность объекта:
EL 0,74
Е г — ____ЭИ1_ =_________:_____ = 37 тк
06 0,25тОГо6 0,25 0,4 (0,5)2 0,8
1.2. 1.1 ПРИЕМНИК
BIBS VlbHOlI ИНФОРМ\ЦНИ
Изучение свойств зрения имеет важное
значение для понимания работы существу-
ющих систем телевидения и для создания
новых, более совершенных систем.
Устройство глаза. Глаз человека (рис. 1.5)
представляет собой стекловидное тело 1,
заключенное в непрозрачную оболочку —
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
16
I’ih.1.5
склеру 2, которая в передней части пере-
ходит в прозрачную роговицу 3. За рого-
вицей расположена радужная оболочка 4
с отверстием в центре — зрачком, а за ней —
хрусталик 5. Пространство между рогови-
цей и хрусталиком заполнено жидкостью.
Все это вместе образует оптическую сис-
тему глаза, при помощи которой изображе-
ние проецируется на внутреннюю поверх-
ность склеры, покрытую светочувствитель-
ной оболочкой 6, называемой сетчаткой
или ретиной. Сетчатка содержит два вида
светочувствительных рецепторов колбочки
и палочки, а также несколько слоев нерв-
ных клеток, с ними связанных. Колбочки
образуют аппарат дневного зрения и рабо-
тают при освещенностях больше 0,01 лк.
Палочки образуют аппарат сумеречного
зрения, обладают значительно более высо-
кой чувствительностью и способны отли-
чить белую поверхность от черной- при
освещенности около 0,000001 лк. Зато аппа-
рат дневного зрения обладает более высо-
кой разрешающей способностью и умеет
различать цвета.
Под влиянием мышечного возтействия
на хрусталик, в результате которого изме-
няется его кривизна, осуществляется на-
возка на резкость — аккомодация. При мак-
симальном расслаблении аккомодационных
мышц преломляющая сила хрусталика
минимальна — глаз сфокусирован на беско-
нечность. Адаптация, т. е. приспособление
к различным освещенностям, производится
благодаря изменению диаметра зрачка,
выполняющего роль диафрагмы в оптиче-
ской системе глаза, и переключению аппа-
ратов дневного и сумеречного зрения.
Характерно, что светочувствительные
элементы на сетчатке распределены не-
равномерно. Наибольшая плотность рас-
пределения колбочек наблюдается в обла-
сти желтого пятна 7 и в его центральном
углублении — фовеа 8. Угловой размер фо-
веа около одного градуса, число колбочек
в нем — примерно 4000, а плотность их
распределения — 180 тыс. на мм2. Желтое
пятно определяет область ясного видения.
Оно имеет овальную форму, удлиненную
в горизонтальном направлении. Его угло-
вые размеры примерно 6 на 8е. При рас-
сматривании изображений глаз автомати-
чески совмещает наиболее интересный
(информативный) для наблюдателя участок
изображения с фовеа. Поэтому зрительная
ось 9 глаза, проходящая от фовеа через
центр хрусталика к объекту наблюдения,
отклонена примерно на 5 от оптической
оси 10, совпадающей с осью симметрии
оптической системы глаза.
Функция сетчатки заключается не только
в восприятии изображения, но и в предва-
рительной обработке зрительных сигналов
перед их поступлением в зрительный нерв
11. Эта обработка происходит в результате
передачи сигнала от одного слоя нервных
клеток к другому. Последний слой, не-
посредственно связанный со зрительным
нервом, состоит из так называемых ганг-
лиозных клеток. Каждая ганглиозная клетка
соединена с волокном зрительного нерва.
В области фовеа на одну колбочку при-
ходится одна ганглиозная клетка, а в обла-
сти периферийного зрения одна ганглиоз-
ная клетка обслуживает рецептивное поле,
состоящее из большого числа светочувстви-
тельных элементов.
О механизме обработки сш налов в сет-
Физические основы телевидения
17
чатке, в результате которого происходят,
как полагают, осмысливание видимого и
узнавание знакомых предметов, известно
еще очень мало Интенсивное изучение
этого механизма и других физиологических
особенностей зрения и обработки информа-
ции в организме человека и животных,
возможно, откроет новые пути в решении
задач телевидения.
Ощущение пространства. Человек обла-
дает способностью пространственного ви-
дения. При бинокулярном (двумя глазами)
наблюдении точки В (рис. 1.6) зрительные
оси обоих глаз в этой точке скрещиваются.
Образующийся между ними угол а назы-
вается углом конвергенции, или сведения.
Чем ближе находится предмет, тем больше
угол конвергенции. Пусть рассматривается
протяженный объект — прямая АВС — так.
что зрительные оси сконвергированы в
точке В. Лучи, идущие в глаза от крайних
точек объекта, образуют углы и ос2,
называемые параллактическими. Разность
параллактических углов Да = И) — а2 опре-
деляет угловое смещение изображений то-
чек А и С и называется параллаксом.
Угловой параллакс приводит к образова-
нию линейного параллакса на сетчатках
глаз, определяемого разностью длин отрез-
ков Сл4„ и СП/4П. Благодаря параллаксу
изображения на сетчатках правого и левого
глаз оказываются по-разному смещенными
относительно положения зрительных осей,
что и дает ощущение глубины простран-
ства. Порог глубинного зрения определя-
ется минимальным угловым параллаксом
и составляет 10"—20".
Ощущение интенсивности света. Глаз вос-
принимает световое излучение в. очень
широком интервале яркостей. Отношение
максимальной яркости L„,JK, соответствую-
щей болевому ощущению, к минимальной
Lmin, еще различимой глазом, достигает
1011 — 1012. Этот диапазон яркостей охваты-
вается не одновременно. Глаз каждый раз
адаптируется к той или
яркости.
Рис.1.7
иной средней_____
•лЬЛИСТЕкГ11''1
ИНС ГИТУТА
ИИНОИНЖ СНЕГОВ
УЧЕБНЫЙ ФОНД
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
18
Зрительное ощущение яркости непосред-
ственно измерить невозможно, поэтому его
оценивают косвенным методом. При рас-
сматривании двух соприкасающихся полу-
кругов (рис. 1.7) с яркостью L и L + ДЕ,
расположенных в центре поля с яркостью
Ьф, определяющей уровень адаптации глаза,
возникает соответственно зрительное ощу-
щение А и А + ДЛ. Глаз начинает замечать
различие яркостей полукругов при некото-
ром пороговом значении ДЕ = ДЕпор, кото-
рое создает ощущение пороговой различи-
мости глаза ДЛпор. Отношение ДЕпор/Е
называется дифференциальным порогом,
или пороговым контрастом, а обратная
величина Е/ДЕпор — контрастной чувстви-
тельностью глаза. Эти понятия характери-
зуют способность глаза обнаруживать раз-
личия между яркостями смежных полей.
Согласно закону Вебера — Фехнера, при-
ращение зрительного ощущения ДЛ про-
порционально относительному изменению
яркости ДЕ/Е:
где Е, — коэффициент пропорциональности.
Заменив приращения дифференциалами и
проинтегрировав уравнение, получим:
А = с, 1g L + С,
где С — постоянная интегрирования.
Отсюда следует, что зрительное ощуще-
ние пропорционально логарифму яркости.
Однако логарифмическая зависимость ощу-
щения от яркости соблюдается в сравни-
тельно узком диапазоне яркостей.
На рис. 1.8 приведены экспериментально
снятые кривые контрастной чувствитель-
ности глаза при двух значениях яркости
фона Ьф = 34,4 кд/м2 и Ьф = 310 кд/м2 и
кривые ощущения Л, построенные в отно-
сительных единицах.
Линейно-логарифмический участок на
кривых ощущения простирается при Ьф =
= 34,4 кд/м2 от 13 до 320 кд,м2 (между
точками а, б), что соответствует контрасту
К = 25, а при Ьф = 310 кд/м2 — от 70 до
2000 кд/м2 (между точками а', б'), что
соответствует К = 29, хотя одновременно
видимый контраст (при адаптации глаз
к одному определенному уровню яркости)
превышает 1500. Из этих же графиков
следует:
контрастная чувствительность глаза мак-
симальна для деталей, яркость которых
близка к Ьф;
с увеличением яркости адаптации глаза
контрастная чувствительность возрастает.
Пороговый контраст зависит от угловых
размеров 9 деталей. При значениях 9 > 15'
она практически постоянна, но с уменьше-
нием 9 она резко падает.
Если в качестве единицы зрительного
ощущения выбрать величину АЛпор, то
световое ощущение можно измерять числом
различимых градаций яркости mL. Если на
участке от Emill до Етах ДЕпор/Е постоянно,
то тогда, очевидно, ступени градаций
яркости будут:
нулевая - Lo = Emin,
первая - Ц = Emin + —£2E-Emin =
Физические основы телевидения
19
2
АН-Я Lsm ^->ma\ ^1
вторая — L2 = Li + - £°г L, =
= L1(l + ^p’) = Lm„,(l+ AL£or
ALno„Y
L J
Логарифмируя последнее выражение, по-
лучаем
(•^rnax/^'min)
"’L- ln(l+ALnop/D’
При (ALnop/L) < 1 логарифм в знамена-
теле можно разложить в степенной ряд
и ограничиться его первым членом, тогда
„ ~ ln(lmav,-ln,.„) = L \п К
А^-пор/^ А/.1Юр
(1.2)
f»L
где К = Lmax;'Ln„„ — контраст изображения.
Несложно подсчитать, что на линейно-
логарифмическом участке кривой А при
Ьф = 34,4 кд/.м2, для которого L/ALn(,p = 25
и К = 25, глаз в состоянии различить
80 градаций яркости.
Восприятие мелких деталей изображения.
Способность глаза различать мелкие де-
тали изображения называется разрешаю-
щей способностью и оценивается углам
разрешения у, т. е. тем минимальным углом,
в пределах которого наблюдаемые глазом
две расположенные рядом светящиеся точки
еще не сливаются в одну. Величина,
обратная углу разрешения, называется раз-
решающей силой, или остротой зрения.
Минимальный угол разрешения глаза в
области фовеа у0 составляет около 1,5
По мере удаления от фовеа острота зрения
резко падает. На рис. 1.9 приведена для
правого глаза кривая зависимости относи-
тельной остроты зрения v от угла пери-
ферийности 6. отсчитываемого от зритель-
ной оси. (Зачернена область слепого пят-
на — вход зрительного нерва) Аналити-
чески эта зависимость хорошо аппрокси-
мируется формулой
v _ ’/26 при 0,5° < 0 < 50°,
1 при 0 s: 0 0,5°.
Неравномерное распределение колбочек по
сетчатке, а также способность глаза почти
непроизвольно поворачиваться внутри глаз-
ной орбиты и при этом фиксировать зре
ние на наиболее информативных деталях
изображения обеспечивают возможность
при относительно малом числе фоторецеп-
торов наблюдать изображение с высокой
четкостью и одновременно обозревать
пространство в пределах угла до 140 .
Острота зрения существенно зависит от
сочетания цветов (табл. 1), ог контраста
между деталями изображения и фоном,
а также от яркости фона. При наблюде-
нии изображений на светлом фоне с умень-
шением контраста К и яркости фона
острота зрения падает. В то же время при
наблюдении светлых объектов на темном
фоне с увеличением яркости фона острота
зрения вначале растет, а затем при яркостях
больше 2 кд,.м2 начинает падать вследствие
иррадиации (светорассеяния) в глазной сре-
де, что приводит к «расползанию» разме-
ров белых пятен. Именно поэтому белый
круг на черном фоне кажется больше по
диаметру, чем аналогичный черный круг
на белом фоне.
Таблица 1
Зависимость остроты зрения от сочетания
цветов
Относительная
Сочетание цветов острота зрения,
Черно-белое 100
Черно-зеленое 94
Черно-красное 90
Зелено-красное 40
Черно-синее 26
Красно-синее 23
Зелено-синее 19
ПРИНЦИПЫ I ЕЛЕВИДЕНИЯ
20
Инерционность зрительного ощущения.
При воздействии импульса света на глаз
интенсивность ощущения нарастает и спа-
дает не мгновенно. Продолжительность
этих процессов зависит от яркости источ-
ников света, спектрального состава излу-
чения, уровня адаптации глаза и т. д. Время
нарастания интенсивности зрительного
ощущения составляет примерно 0,1 с. Время
спада больше. В начальный момент воз-
действия импульса света кажущаяся яркость
может превосходить установившуюся в ре-
зультате полной адаптации глаза в не-
сколько раз. Наиболее быстро нарастают
и затухают ощущения от красного цвета,
затем от зеленого и сгГнего.
Наличие инерционности зрения приводит
к слитному восприятию (отсутствию мер-
цаний) серии световых импульсов, если их
частота повторения выше некоторой кри-
тической. Критическая частота, при кото-
рой мерцания становятся незаметными, за-
висит от яркости и скважности импульсов
и определяется эмпирическим уравнением
I
/кр = a 1g L + b, (1,3).
I ie L— яркость в кд/мI 2; а и h — пара-
метры, зависящие от скважности импуль-
сов. В частности, при скважности 0,5 — а =
= 10, Ь= 30. С увеличением скважности
значения коэффициентов а и h возрастают,
что приводит к увеличению /кг.
Ощущаемая яркость слитного света Lc„
сстласно закону Тальбота определяется
средним значением яркости L, прерывис-
того света за весь период наблюдения Г:
dt
______—£>_____________________________
Восприятие цвета. Воздействие на глаз
светового излучения определенной длины
волны ощущается в виде цвета. Коротко-
волновой границе светового диапазона со-
ответствует фиолетовый цвет, который с
увеличением длины волны постепенно пере-
ходит в синий, затем голубой, зеленый,
желтый, оранжевый и, наконец, красный,
замыкающий длинноволновую границу све-
тового» диапазона.
Относительная спектральная чувстви-
тельность глаза — кривая видности
(рис. 1.10) —имеет максимум на волне
555 нм, соответствующей желто-зеленому
цвету, и спадаег при удалении от этого
участка, практически достигая нуля при
длинах волн 380 и 770 — 800 нм.
Физиологически цвет оценивается свет-
лотой, цветовым тоном и насыщенностью
цветового тона. Например, белый, светло-
серый и темно-серый цвета отличаются
светлотой, желтый и зеленый — цветовым
тоном, красный и розовый — насыщен-
ностью.
Физиологические характеристики субъек-
тивны и дают лишь качественную оценку
излучения. Для объективной характери-
стики цвета светлоту оценивают по ярко-
сти', цветовой тон — по доминирующей
длине волны, т. е. по длине волны того
спектрального цвета, который, будучи сме-
шан в определенной пропорции с белым,
обеспечивает зрительное тождество цвета
смеси с цветом исследуемого излучения;
насыщенность — по чистоте цвета р, под
которой понимают долю спектрального
цвета (для которого р = 1), обеспечиваю-
щую в смеси с белым (для которого р = 0)
Физические основы |е.1евиленни
21
зрительное тождество с исследуемым излу-
чением.
В зрительном аппарате наряду с яркост-
ной адаптацией существует и цветовая
адаптация. Она выражается в том, что
цвет, на который адаптируется глаз, как бы
выцветает. Это приводит к изменению
цвета в результате предварительного воз-
действия на глаз гругих цветов (последо-
вательный цветовой контраст} или к ка-
жущемуся изменению цвета детали при
изменении цвета фона (одновременный цве-
товой контраст). Например, серое на крас-
ном приобретает зеленоватый оттенок, а
на синем — желтоватый, желтое на красном
кажется зеленоватым, а на зеленом — оран-
жевым и т. д. Характерно и то. что в любых
условиях освещения (свеча, лампа накали-
вания, дневной свег) белые детали всегда
легко узнаются, так как они самые светлые,
а уже по отношению к ним глаз оценивает
все остальные цвета. Это явление назы-
вается константностью цвета, или поправ-
кой на освещение, и играет важную роль
в приспособлении зрения к различным ус-
ловиям освещения.
Способность аппарата дневного зрения
различать цвета объясняется наличием грех
групп колбочек Полагают, что одна из
групп чувствительна к красному, другая —
к синему, а третья — к зеленому цвету.
Совокупность раздражения этих групп све-
точувствительных элементов создает впе-
чатление данного цвета. Существуют и
другие гипотезы. Однако предполагаемые
группы приемников анатомически еще не
выделены. Тем не менее это не помешало
создать стройную трехкомпонентную тео-
рию цвета.
1.3. ЭЛЕМЕНТЫ КО. IOI4IX1I I PI1I1
Наука об измерении и количественном
выражении цвета называется колоримет-
рией. Колориметрией установлено, что мо-
нохроматическое излучение с определенной
Длиной волны всегда создает вполне опре-
деленное ощущение цвета, например излу-
чение с длиной волны А. = 580 нм воспри-
нимается как желтый цвет, с длиной волны
X = 530 нм — как зеленый, с длиной волны
А. = 700 нм — как красный и т. д. Однако,
если имеется источник желтого цвета, это
еще не значит, что его длина волны состав-
ляет 580 нм. Существует много спектраль-
ных составов, которые могут вызвать ощу-
щение одинакового цвета. Одинаковые
цвета, созданные разными спектральными
излучениями, называются метамерными.
Если пропустить солнечный свет после-
довательно, например, через желтый Ж
и голубой Г светофильтры, то оставшийся
световой поток будет зеленым. Такой спо-
соб образования цветов называется суб-
трактивным (вычитагельным). Он находиi
широкое применение в цветной фот oi рафии,
кинематографии, производстве красок и
чернил.
Для телевидения значительно больший
интерес представляет метод аддитивного
(слагательного) образования цветов, при
котором происходит смешение (сложение)
световых потоков от нескольких источ-
ников.
Различают три способа смешения цветов:
локальный, бинокулярный и пространствен-
ный. Локальное смешение можно получить,
например, направляя на неизбирательный
(белый) диффузно-отражающий экран 1 свет
от нескольких источников излучения
(рис. 1.11). Результирующий цвет па экране
будет зависеть от цвета и интенсивности
смешиваемых излучений. При бинокуляр-
ном смешении на один глаз гействуег
световой поток одного цвела, а на второй —
другого цвета. В зрительном аппарате при
этом возникает ощущение цвета смеси этих
излучений. Пространственное смешение
цветов основано на слитном восприятии
разноцветных точек, штрихов, полос, угло-
вые размеры которых меньше угла разре-
шения глаза. Рассматривая изображение,
представленное на рис. 1.12, под малым
углом зрения, нетрудно убедиться, что ви-
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
22
Рис.1.11
димый цвет зависит от цвета и относитель-
ной ширины составляющих изображение
полос.
Возможно одновременное и последова-
тельное сложение цветов. При одновремен-
ном сложении смешиваемые световые по-
токи предъявляются наблюдателю одно-
временно, например, как показано на
рис. 1.11. а при последовательном — один
за другим, но с частотой, выше крити-
ческой, чтобы не были заметны мерцания.
Последовательное смешение можно про-
иллюстрировать с помощью диска Макс-
велла (рис. 1.13). При достаточно быстром
вращении видимый цвет диска будет зави-
сеть от цвета и yi ловых размеров его
секторов.
Основные законы смешения цветов. Ре-
зультаты многочисленных эксперименталь-
ных данных о смешении цветов лежат
в основе теоретической колориметрии, ко-
торая установила три основных закона
смешения цветов:
1. Любые четыре цвета находятся в ли-
нейной зависимости, однако существует
неограниченное количество комбинаций из
трех цветов, являющихся линейно-незави-
симыми.
Из этого закона следует, что существу-
ют цвета линейно-зависимые, т. е. такие,
которые могут быть связаны между собой
линейным алгебраическим уравнением, и
цвета линейно-независимые.
Четыре цвета всегда линейно-зависимы,
а три цвета могут и не находиться в ли-
нейной зависимости. Например, цвета крас-
ный, оранжевый и желтый являются ли-
нейно-зависимыми, так как, смешивая крас-
ный с желтым, можно получить оранжевый,
а цвета красный, зеленый и синий являются
линейно-независимыми, так как ни при
каких условиях, смешивая два из них,
нельзя получить третий.
2. Непрерывному изменению излучения
соответствует непрерывное изменение цвета.
3. Цвет смеси зависит только от цвета
смешиваемых компонентов и не зависит
от способа их получения, в частности, от
их спектрального состава. Этот закон
допускает наличие метамерных цветов.
Согласно первому закону, любой цвет
может быть выражен одной из комбина-
ций трех линейно-независимых цветов, ко-
торые в данной колориметрической системе
называются основными. В 1931 г. Между-
народная комиссия по освещению (МКО)
стандартизовала в качестве основных цве-
тов красный R (X. = 700 нм), зеленый G
(А = 546.1 нм) и синий В (л = 435,8 нм).
Математически произвольный цвет D
выражается через основные цвета R, G, В
линейным уравнением
Физические основы телевидения
23
Рис.1.13
d'D = r'R + g'G + b'B, d.4)
где d', г', д', b' — количества (координаты
или «модули») соответствующих цветов.
Поскольку цвет является трехмерной
величиной, он может быть представлен
вектором в трехмерном пространстве, ко-
торое называют цветовым. При этом длина
вектора характеризует количество цвета,
а направление вектора его качество —
цветность. Все векторы в цветовом прост-
ранстве выходят из точки нулевой яркости,
соответствующей черному цвету (ведь при
уменьшении яркости любого цвета до нуля
он воспринимается как черный). Цветовое
пространство занимает меньше полусферы,
поскольку не существуют цветовые век-
торы противоположных направлений (иначе
при суммировании представляемых ими
цветов можно было бы получить черный
цвет). Согласно второму закону, все цвета
примыкают друг к другу, следовательно,
отдельно отстоящего цветового вектора
в цветовом пространстве быть не может.
В качестве координат цветового прост-
ранства могут быть выбраны направления
векторов любых трех линейно-независимых
цветов, например R, б, В (рис. 1.14), кото-
рые в данной колориметрической системе
приняты за основные. Пропорциональное
изменение всех модулей цветов не нару-
шает равенства (1.4), поэтому при измене-
нии яркостей цветовых компонентов в оди-
наковое число раз увеличивается во столько
же раз яркость суммарного излучения, но
цвет смеси остается неизменным О-
О Принятый в колориметрии принцип независимо-
сти цветности от яркости является лишь компро-
миссом между удобством математической модели
цвета и данными практических наблюдений. Из-
вестно, например, что при уменьшении яркости
красные цвета воспринимаются коричневыми, жел-
тые краснеют, голубые синеют и т. д.
При выполнении цветовых расчетов
обычно интересуются цветностью, т. е. ка-
чеством цвета, а не его количеством,
поэтому оперируют относительными излу-
чениями источников. Разделив левую и
правую части уравнения (1.4) на модуль
d' = г' + д' + Ь' цвета D, получим
D = rR+gG + ЬВ,
где
г д'
г = —тг- д = .—rS
г + д + b г + д + b
г' + д' + Ь''
Относительные величины г, д, b назы-
ваются трехцветными коэффициентами.
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
24
Рис.1.15
Сумма их
г + д + b = 1,
поэтому цветность однозначно определя-
ется двумя из них. Таким образом, цвет-
ность является двухмерной величиной.
Если систему координат, построенную
на векторах R, G, В, пересечь произволь-
ной плоскостью Q, то векторы R. б, В. D
пересекут эту плоскость соответственно
в точках R, G, В, D. Следы пересечения
плоскости Q с координатными плоскостя-
ми образуют треугольник RGB. Направле-
ние вектора D в пространстве однозначно
определяется положением его следа на
плоскости Q. Следовательно, любой точке
в плоскости треугольника RGB соответ-
ствует вполне определенная цветность.
Треугольник, в вершинах которого распо-
ложены цветности основных цветов, назы-
вается цветовым треугольником.
Произвольность выбора основных цве-
тов приводит к возможности создания
множества колориметрических систем, от-
личающихся направлением векторов основ-
ных цветов. Произвольность выбора секу-
щей плоскости приводит к изменению
формы цветового треугольника и взаим-
ного расположения точек цветностей.
В связи с этим в цветовом пространстве
понятие длины теряет смысл, так как
масштабные коэффициенты, связывающие
модули цветов и яркости, в разных на-
правлениях разные. Такое пространство
в отличие от эвклидова называется афин-
ным. В нем сохраняется понятие парал-
лельности прямых и плоскостей, но соот-
ношение длин и углов для непараллельных
прямых не сохраняется.
Выбирая основные цвета и методы про-
екции, можно получить проекцию, облада-
ющую свойствами, необходимыми для ре-
шения конкретных задач.
Если направления координатных осей
выбраны, то остается определить масшта-
бы по этим осям. Для этого задается
четвертый цвет, опорный для данной сис-
темы. В стандартной системе R, G, В
в качестве опорного используется равно-
энергетический белый цвет Е.
Опорный цвет является равностимуль-
ным, т. е. создается одинаковыми (единич-
ными) количествами основных цветов
(»е = Фе = Ь'Е = 1). поэтому
ЗЕ = 1R + 1G + 16.
Трехцветные коэффициенты для цвета Е:
ге ~ 9е = Ье = 1 з-
Следовательно, вектор опорного цвета
пронизывает секущую плоскость Q в цент-
роиде (на пересечении медиан) треугольни-
Физические основы телекиления
25
Рис.1.16
ка RGB. Плоскость Q пересекает коорди-
натные оси в точках, соответствующих
единичным количествам основных цветов
и поэтому называется единичной. Посколь-
ку трехцветные коэффициенты определяют
положение точки данной цветности на
единичной плоскости, их называют также
координатами цветности.
Масштабы по координатным осям и
координаты цветностей спектральных цве-
тов определяются экспериментально.
Если на одну грань матовой стеклянной
призмы направить изучаемый световой
поток, например Е, а на другую ее грань —
потоки трех основных цветов R, G, В
(рис. 1.15), то можно так подобрать интен-
сивности основных цветов, что зритель,
наблюдая одновременно цвета на обеих
гранях призмы, оценит их как одинаковые
(согласованные) по яркости и цветности.
Процесс достижения этого условия называ-
ется согласованием цветов.
Таким способом экспериментально ус-
тановлено, что для получения белого рав-
ноэнергетического излучения Е, яркости
LR, Lg, Ев единичных количеств основных
цветов должны удовлетворять соотноше-
нию
LR : Lc: LB = 1: 4,59:0,06 =
= 0,177:0,812:0,011.
Если известны яркостные коэффициенты
для основных цветов, значит определены
яркостные масштабы по координатным
осям, и тогда яркостный коэффициент
любого цвета F может быть выражен
через модули основных цветов:
Lf — r'LR + g'LG + h'LB.
Это уравнение плоскости. Следовательно,
цвета равной яркости в цветовом прост ран-
стве лежат в одной плоскости, называемой
равнояркой. Все равнояркие плоскости па-
раллельны между собой. Положив LF = 0.
получим уравнение плоскости M0N нуле-
вой яркости. Линия MN пересечения этой
плоскости с единичной плоскостью Q
называется алихной, г. е. бессветной.
Если спектральный цвет обладает мощ-
ностью в 1 В г, то его координаты в (1.4)
называются удельными координатами, или
удельными коэффициентами, и обознача-
ются черточками сверху. Зависимость удель-
ных координат г,, Ь, от длины волны
спектрального цвета мощностью в 1 Вт.
приведенные на рис. 1.16. называют кри-
выми смешения. Координаты (модули) цве-
та сложного (неспектрального) излучения
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
26
связаны с удельными координатами ин-
тегральными зависимостями:
где Р, — спектральная плотность мощности
сложного излучения. Для равноэнергети-
ческого белого цвета Pk = const и г' = д' =
= Ь', откуда следует, что j гд/? = j g,df =
о о
= J Ьдг/Л и, следовательно, площади под
о
кривыми гх, у,, by равны.
На рис. 1.17 приведены координаты
цветностей (трехцветные коэффициенты)
однородных излучений. Из этих кривых
видно, что цветовое уравнение, например
для спектрального голубого цвета Г, соот-
ветствующего излучению с длиной волны
от 440 до 540 нм. будет иметь отрица-
тельный коэффициент
Г =- —rR + gG -I- ЬВ. Н.5)
Это значит, что чистые спектральные цвета
не могут быть получены смешением ос-
новных цветов R. G, В. и, следовательно,
часть реальных цветов лежит за пределами
треугольника RGB. Справедливость (1.5)
легко проверить экспериментально, если
представить его в виде Г + rR = gG + ЬВ.
Рассмотрим положение в цветовом про-
ci ранстве чистых спектральных цветов.
Видимый спектр ограничивается коротко-
волновой границей фиолетового излучения
и длинноволновой красного. Векторы, со-
ответствующие границам излучений, обла-
дают нулевой яркостью и, следовательно,
лежат в плоскости нулевой яркости.
физические основы телевидения
27
Пусть вектор F представляет граничный
источник в области фиолетового излучения
(рис. 1.18). Этот вектор лежит в плоскости
нулевой яркости и пронизывает алихну
в точке F. По мере увеличения длины
волны вектор F будет перемещаться в
пространстве, создавая коническую поверх-
ность, след сечения которой единичной
плоскостью образует кривую спектральных
цветов — локус. Таким образом, локус яв-
ляется геометрическим местом расположе-
ния чистых спектральных цветов в плоско-
сти цветового треугольника RGB. Конус
с вершиной в начале координат, ограни-
чиваемый в сечении локусом и линией пур-
пурных цветов RB. образует цветовое тело
(рис. 1.14).
Итак, при использовании основных цве-
тов R, G, В некоторая часть реальных
цветов в области насыщенных голубых
тонов не может быть воспроизведена. Для
цветного телевидения или кино это особого
значения не имеет, так как насыщенные
голубые тона в природе встречаются редко.
Если же при решении некоторых техни-
ческих задач возникает необходимость
воспроизведения возможно большего числа
реальных цветов, то для этого могут быть
использованы, например, четыре основных
цвета.
Достоинство системы RGB состоит
в том, что в ней в качестве основных
используются реальные цвета. Однако она
имеет недостатки, затрудняющие ее исполь-
зование при расчетах: цвета представля-
ются не только положительными, но и
отрицательными значениями координат
г', д', h’; яркостные коэффициенты цветов
вычисляются через яркостные коэффици-
енты всех трех основных цветов.
В связи с этим Международная комиссия
по освещению (МКО) стандартизовала ко-
лориметрическую систему с нереальными
основными цветами XYZ. Координатная
система х, у, z (рис. 1.18) выбрана таким
•образом, чтобы плоскость xoz совпадала
с плоскостью нулевой яркости, координата
у была бы перпендикулярна этой плоско-
сти, цветовой треугольник XYZ полностью
охватывал локус, а равностимульный цвш
сохранял свое положение в центроиде
треугольника XYZ, тогда яркостные коэф-
фициенты для любого цвета будут опреде-
ляться только координатой г и не будут
зависеть от координат лиги все реаль-
ные цвета будут представлены в цветовых
уравнениях положительными координатами
х, у и z.
Центроиды треугольников RGB и XYZ
совпадают, поэтому равностимульный цвет
Е сохраняет свое положение. Для него
ГЕ = 0Е = ЪЕ = ХЕ = уЕ = ZL = */3.
Для любого цвета F могут быть напи-
саны цветовые уравнения как в системе
XYZ, так и в RGB:
F = xX + yY+zZ и F = rR + gG + bB.
Следовательно, можно связать цветовые
уравнения в обеих системах:
хХ + у У + zZ = rR + gG + ЬВ.
Для практических расчетов МКО реко-
мендовала пользоваться не плоскостью
единичных цветов XYZ, а проекцией этой
плоскости на плоскость хоу, называемой
диаграммой цветности ху (рис. 1.19). При та-
кой проекции точка Z цветового треуголь-
ника совмещается с точкой о на диаграмме
цветности ху, следовательно, ось ох в пло-
скости диаграммы цветности является алих-
ной, а прямые у = const, параллельные
алихне, представляют собой геометриче-
ское место точек с постоянными значе-
ниями яркостных коэффициентов. Диаграм-
ма ху удобна тем, что она представлена
в прямоугольной системе координат. Если
известны модули х', у'. z' вектора в цвето-
вом пространстве, то координаты цветно-
сти определяются уравнениями:
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
т. е. координаты цветности равны грех-
цветным коэффициентам. Коор щнаты цвет-
ности основных цветов В. G. В и источни-
ков бетого С и £ приведены в 1абл. 2.
На рис. 1.20 представлены трехцветные
коэффициенты для однородных излучений
в плоскости цветового графика XYZ. Кри-
вые .х, и г, представляют одновременно
координаты цветности в плоскости цвею-
вой диа1раммы ,хг. На рис. 1.21 приведены
кривые зависимости удельных координш
х,, от Длины волны спектральною
цвета мощностью в 1 Вт (кривые смеше-
ния). Поскольку координата г нормальна
к плоскости нулевых яркостей хос, го она
определяет относительную яркость источ-
ника излучения, вектор которого оканчи-
вается на единичной плоскости. Поэтому
кривая у, совпадает с кривой видност и
глаза г,. Связь между координатами цвета
и удельными координатами определяется
интегральными уравнениями
Ранноконтрастная шатрамма. Цветовая
система XYZ не отражает цветоразличи-
гельных свойств зрения. Одинаковые рас-
стояния между двумя точками на разных
участках диаграммы цветности ху соответ-
ствуют разным степеням цветового конт-
раста, определяемого числом порогов раз-
личимости В связи с этим для оценки
искажений цветности на Х1\ сессии МКО
в 1959 । была рекомендована равно-
контрастная диаграмма Мак-Адама
(рис. 1.22). полученная в результате цент-
рального проектирования точек плоскости
хоу на новую плоскость ног. Формулы
Физические основы le.ienu. гения
приближенного перехода из одной системы
в другую следующие:
4 л _
" - 12 г - 2хг + 3 ’
6 г
' = 12у —2л' + +
1,5п
Х н — 4с + 2 ’
-V=((-4,c + 2-
q и h проведем прямую, пересекающую линию ЬЕ
в точке Н. Эю и есть искомая точка. Ее коорди-
на I ы;
лн =0,28; гн =0.19.
Пример 3.
Определить на прямой Л/.V (рис. 1.24) положение ючки
D. при котором число различимых цветовых порогов
на отрезках MD и DN будет одинаковым
По рис. 1.24 определяем координаты точек М и /V:
ху =0,1: у у = 0,5; х;у =0,5: г у = 0,4. Подставляя эти
значения в формулы пересчета (1.6), находим коор-
пзнагы точек на диаграмме Мак-Адама; к у = 0.046:
гу =0,341; и у = 0,294; г у = 0,353. Определяем коор-
динаты точки D, соо1ветствуюшей на диаграмме
Мак-Адама середине отрезка Л/Л/:
1.4. ПРИМЕРЫ ЦВ1-ГОВЫХ РАСЧЕТОВ
ну + иу 0,046 + 0,294
up) — - ‘ = = 0,170;
Пример 1.
Определить доминирующую длину волны (цветовой
тон) и чистоту (насыщенность) цвета F (хр = 0,4;
ур = 0,5) относительно равноэнергетического белого
излучения £ (хЕ = 0,33; ур = 0,33).
Проведя прямую через точки Е и £ до ее пере-
сечения с кривой спектральных цветов в точке D
(рис. 1.23), определяем доминирующую длину волны
цвета F Хр = ко = 568 нм. Чистота цвета определяется
отношением EF ED. Заметим, чю в результате проек-
тивных преобразований при построении графика лг
истинное отношение отрезков в секущей плоскости
сохранилось только вдоль прямых, параллельных
алихне, кроме того, проекции параллельных прямых,
не лежащих в равносветлых плоскостях, пересекаются
на алихне. Воспользовавшись этцми особенностями
проективною преобразования, выберем на оси ox-
fa лих не) произвольную точку д и проведем из нее
прямые qE, qb и qD. Пересечем пи линии прямой
MN, параллельной алихне, и определим чистоту р
цвета по отношению отрезков ef к ed:
ef
р = = 0.813 = 81,3%.
ed
Пример 2.
Определить координаты цветности цвета Н (рис. 1.23).
являющегося дополнительным к цвету F (хр =0,4;
Ур = 0,5), относительно равноэнергетического белого
излучения Е. если известно, что для образования
цвета Е яркость F должна быть в два раза больше
яркости цвета Н. Поскольку цветности дополнитель-
ных цветов лежат на прямой, проходящей через точку
Цветности белого цвет, проведем через точки F и £
прямую. Соединим Э1И точки прямыми с произволь-
ной точкой q на алихне. Проведем прямую \7\.
параллельную алихне. Измерим на ней отрезок /ё.
затем отложим на ней отрезок eh = 2/ё и через точки
ГМ + 1Л
l'D=
0,341 +0,35.3
— —------ = 0,347.
По формулам обратною пересчета (1.7) находим
координаты искомой точки D на диаграмме цвет-
ности .ху:
xD = 0,327: \D = 0,444.
Нанося точку D с этими координатами на цвето-
вой график ху. убеждаемся, что она действительно
лежит на прямой MN.
Таблица 2
Координаты цветности основных цветов К, G,
В и источников белого С и Е
Цвет координаты X цветности У
Красный (R) 0,670 0,330
Зеленый (G) 0,210 0.710
Синий (В) 0,140 0,080
Белый (С) 0,310 0,316
Равноэнергетический 0,333 0,333
белый (Е)
Рис.1.25
Физические основы телевидения
31
Пример 4.
Определить координаты цветности цвета D в плоско-
сти цветовой диаграммы ху, если он задан уравнением:
D=0,2R + 0,7G + 0,lB.
Из табл, 2 определим координаты цветностей цве-
тов R, G. В в плоскости диаграммы ху: хд = 0,67;
ур = 0.33; ху; = 0,21; yG = 0,71; хр = 0.14; ур = 0,08.
По этим данным построим цветовой треугольник RGB
в плоскости диаграммы ху (рис. 1.25). Построим
координатную сетку, разделив каждую из сторон
треугольника на 10 частей. Для этого продлим сто-
роны треугольника до пересечения с осью ох в точках
qp, qp. Проведем прямую ab, параллельную алихне,
и разделим отрезок этой прямой между лучами qGG,
qGR на 10 равных частей. Через точки деления
проведем прямые, образующие координатную сетку
для G. Аналогично, проведя прямую cd и разделив
отрезок между лучами qpG. qpR на 10 равных частей,
построим координатную сетку зля R. Этого доста-
точно для нахождения точки D. Однако нанесем и
координатную сетку для В, воспользовавшись прямой
ef. Теперь проведем прямые 0,2К; 0,7 G и 0,1В; все
три прямые, естественно, пересекаются в одной точке,
характеризующей искомый цвет D. Опустив из этой
точки перпендикуляры на стороны ох и оу, определим
ее координаты хр = 0,277 и ур = 0,353.
Пример 5=
Написать цветовое уравнение для стандартного ис-
точника С в системе R. G, В. Из данных табл. 3
определяем координаты цветности С: х^-= 0,310.
УС = 0.316 и отмечаем положение точки С на диа-
грамме ху (рис. 1.25). Пользуясь нанесенной на гра-
фике координатной сеткой, определяем для точки С:
Rc=0’3: Gf = 0,59; Вс=0,Н. Следовательно, иско-
мое уравнение имеет вид
С = 0,3R + 0.59G -г о,! IB
Пример 6.
Определить число цветовых воротов »п, укладываю-
щееся вдоль сгороны цветовою греуюльника RG.
Из данных табл, 2 находим координаты точек R
и G на диаграмме ху: xR = 0,67; \р = 0,33; ху; =0,21;
УС =0,71 и пересчитываем их по (1.6) в плоскость
uov диаграммы Мак-Адама: up = 0,48; Vp = 0,35; uG =
= 0,08; vG =0,38. Зная координаты, определим длину
прямой RG:
Irg = I (“r - + U’r - vG)2 =
= | (0.48 - 0,087"+- (0,35 - 038)2 = 0,4.
Имея в виду, что на диатрамме Мак-Адама одному
порогу соответствует расстояние А/= 0,0038, находим
число цветовых поротов;
0,4
и.. = 1рс Ы = =105.
1 к 0,0038
2. СПОСОБЫ
32
И ПАРАМЕТРЫ РАЗЛОЖЕНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ИЗОБРАЖЕНИЯ
2.1. ОСНОВНЫЕ С ХЕМЫ
НРЕОБР\ЗОВ\НИЯ В ТЕЛЕВИДЕНИИ
Систему телевидения, как и любую систему
связи, можно представить обобщенной
структурной схемой (рис. 2.1).
Источником телевизионных сообщений
может быть любое излучение в оптическом
диапазоне волн, испускаемое, пропускаемое
или отражаемое наблюдаемым объектом
и окружающей его средой.
Датчиком сигнала является техническое
устройство, преобразующее пространствен-
но-временное распределение излучения в
адекватный электрический сигнал.
Канал связи служит для передачи элект-
рических сигналов на расстояние. Специ-
фика его для любой системы связи опре-
деляется лишь параметрами электрического
сигнала, несущего сообщение.
Воспроизводящее устройство предназна-
чено для преобразования этого сигнала
в форму, удобную для получателя сооб-
щений (в частности, в виде изображения
на экране телевизора).
Получателем сообщений в зависимости
от назначения системы может быть либо
человек, либо техническое устройство,
обеспечивающее регистрацию и обработку
видеоинформации.
Источники телевизионных сообщений
являются многомерными и могут описы-
ваться функциями многих независимых ар-
гументов. В общем случае каждое изобра-
жение создается совокупностью распреде-
лений в пространстве мгновенных значений
мощностей Р; (х, у, z) и спектральных
составов X, (х, у, z) элементарных потоков
лучистой энергии. Временная последова-
тельность таких распределений образует
телевизионное сообщение.
Разобьем пространство И на элементар-
ные объемы ДЕ = Ax Ay Az таких размеров,
чтобы излучаемый, отражаемый или про-
пускаемый ими элементарный лучистый
поток АР мог восприниматься только как
интегральная величина. Если X — длина
волны излучения, то, очевидно, элементар-
ный объем АЕ с линейными размерами
Ах, Ay, Az меньше X окажется неразреши-
мым. Точно так же нельзя различить
элементарный поток энергии АР меньше
одного кванта hv, где h — постоянная
Планка, v — частота излучения.
Таким образом, совокупность мгновен-
ных значений символов сообщений явля-
ется принципиально дискретной. В реаль-
ных условиях значения дискретов оказыва-
ются значительно больше предельных как
за счет флюктуации лучистой энергии, так
и за счет несовершенства анализирующих
и регистрирующих приборов.
Рассмотрим основные способы преобра-
зования пространственного распределения
Источник
сообщений
Датчик
сигнала
Канал
связи
Воспроизводящее
устройство
Получатель
сообщений
Рис.2.1
Способы н нарамефы разложения ic.ieBii mioiihoi о н юбражения
33
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
34
Рис.2.4
энергии во временную последовательность
электрических импульсов, образующих сиг-
нал изображения.
Работу большинства преобразующих
устройств можно пояснить двумя основ-
ными схемами. Первая из них используется
главным образом в оптико-механических
устройствах Здесь объект I (рис. 2.2, а)
освещается источником света 2. Его изоб-
ражение с помощью объектива 3 форми-
руется в плоскости разложения 5. Развер-
тывающее устройство б, например диск
Нипкова, благодаря перемещению отвер-
стия 4 пропускает световой поток последо-
вательно от каждого участка изображения.
Этот поток собирается линзой 7 и направ-
ляется на фотоэлемент 8. На нагрузке R
фотоэлемента образуется напряжение сиг-
нала кс, мгновенная величина которого
пропорциональна освещенности данного
участка изображения. Аналогичного эффек-
та можно добиться при перемещающемся
объективе и неподвижном изображении и
развертывающем отверстии либо при пере-
мещающемся объекте (например, кинолен-
те) относительно неподвижных объектива
и развертывающего отверстия
Рассмотренная схема преобразования мо-
жет быть видоизменена в схему с так
называемым бегущим лучом, если поме-
нять местами источник света 2 и фото-
элемент 8. При этом (рис. 2.2, б) источник
света 8 посредством линзы 7 создает равно-
мерную освещенность в плоскости разло-
жения 5, а развертывающее отверстие 4
проецируется объективом 3 на участок
объекта 1, о котором в данный момент
времени передается информация Часть рас-
сеиваемого светового потока попадает на
фотоэлемент 2, с нагрузки R которого
снимается сигнал изображения.
Вторая схема преобразования использу-
ется в электронных системах. Здесь изобра-
жение объекта 1 (рис. 2.3. а) с помощью
объектива 3 строится в плоскости, где
помещается фотоприемник 4 (фотокатод,
мишень) передающей трубки, являющейся
датчиком сигнала. Под действием света
на мишени образуется зарядный рельеф,
соответствующий распределению света в
изображении. Накопленные заряды после-
довательно снимаются электронным лучом
5, в результате чего на нагрузочном
резисторе R образуется сигнал изображе-
ния ис.
Если в плоскости разложения 4 помес-
тить люминесцирующий экран (рис. 2.3,6)
и обегать его электронным лучом постоян-
ной интенсивности, светящуюся точку с
экрана объективом 3 проецировать на
объект 1, а на месте источника света 2
установить фотоэлемент и с его нагрузки R
Способы и параметры разложения телевизионною изображения
35
снимать сигнал ис, то образуется элект-
ронный вариант схемы с бегущим лучом.
Воспроизводящие устройства работают
по аналогичным схемам (рис. 2.2, в,
рис. 2.3, в) в вариантах бегущего луча
с заменой постоянного источника света на
источник, модулируемый сигналом ис.
При согласованном перемещении развер-
тывающего отверстия или луча в датчике
и воспроизводящем устройстве изображе-
ние формируется в плоскости 5 в оптико-
механических устройствах, например на
матовом стекле 9, в электронных — на
чюминесцирующе.м экране.
2.2. П\Р\МЕ1РЫ РАЗЛОЖЕНИЯ
1ВО1»Р\ЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИДЕНИИ
Разобьем поле плоского (двумерного) изоб-
ражения (рис. 2.4) вертикальными и гори-
зонтальными линиями на N элементарных
ячеек со стороной 5 и будем считать, что
в пределах каждой ячейки, которую назы-
вают элементом разложения или элемен-
том изображения, лучистый поток воспри-
нимается только как интегральная вели-
чина. Передача изображения, как было
показано, осуществляется за счет преобра-
зования пространственного поюка лучис-
той энергии во временную последователь-
ность. Процесс последовательной передачи
информации о каждом элементе разложе-
ния называется разверткой или сканирова-
нием изображения. Изображение, получен-
ное в результате однократного воспроизве-
дения всех элементов разложения, называ-
ется кадром. Очередность (порядок) после-
довательной передачи элементов образует
траекторию развертки. Совокупность диск-
ретных элементов, формирующих кадр
называется растром. В зависимости от
траектории развертки различают линейный,
точечный, спиральный и другие растры.
При прямоугольном кадре отношение ши-
рины изображения b к ею высоте h назы-
вают форматом кадра bh = k. Важным
параметром, характеризующим скорость
передачи изображений, является число и
кадров, передаваемых (или воспроизводимых)
в единицу времени.
Отношение яркостей наиболее светлого
и наиболее темного участков изображения
называется контрастом изображения. С
контрастом изображения непосредственно
связано число mL воспроизводимых градаций
яркости. Для цветного изображения важ-
ным параметром является также число т„
воспроизводимых градаций цветности.
Разумный выбор параметров разложения
изображения в телевидении играет важную
роль при разработке телевизионной сис-
темы, предназначенной для решения опре-
деленных задач. Проанализируем указан-
ные параметры.
Число элементов разложения. Для повы-
шения четкости телевизионного изображе-
ния число элементов разложения следует
увеличивать, но это приводит к усложне-
нию и удорожанию телевизионной системы.
Поэтом} при выборе числа элементов
разложения для системы телевизионного
вешания исходят из того, что оно не
юлжно превышать некоторого максималь-
ного значения /Vmnx, за пределами кото-
рого возрастание четкости было бы не-
заметным из-за ограниченной разрешаю-
щей способности зрения.
Максимальное число темных и светлых
точек, которое может воспроизводить те-
левизионное устройство в одном кадре при
N элементах разложения, равно .V 2. Для
того чтобы различить на изображении две
отдельно отстоящие точки, наблюдатель
должен их видеть под углом зрения у,
большим или равным минимальному углу
разрешения глаза у0. При максимальном
использовании разрешающей способности
глаза следует принять у = у0. Наряду с этим
для воспроизведения на экране телевизора
двух отдельно отстоящих точек изображе-
ния необходимы по крайней мере три
элемента: два — для передачи точек и
один — для передачи просвета между ними
(рис. 2.5). Таким образом, линейное рас-
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
36
стояние между центрами двух еще разли-
чимых точек на экране должно быть
равно 26. Следовательно, один элемент пли
одна строка при построчной развертке
должны быть видны под углом у0,2. От-
сюда максимальное число элементов по
высоте кадра или при построчной развертке
число строк разложения изображения, ви-
димого наблюдателем под углом 7, соста-
вит
27
Yo '
Это условие неоднозначно, так как при
изменении расстояния I от экрана до
наблюдателя угол 7 будет принимать раз-
личные значения. В практике телевизион-
ного вещания обычно соблюдается условие
12/?>/>4/1,
что примерно соответствует углам
5 < 7 < 15 .
Принимая у0 = 1,5', получаем следующее
значение для zmax:
400 < zmax < 1200.
Число элементов в кадре ,V = к:2. Для
-4
2 - Ю5 < A'm.lx < 2 106.
В специализированных телевизионных
системах необходимое число элементов
разложения может существенно отличаться
от этих значений как в сторону увеличе-
ния. так и в сторону уменьшения. Когда
требуется увидеть возможно больше де та-
лей. например при передаче изображений
аэрофотосъемки или космических объектов,
необходимое число элементов разложения
существенно возрастает, в го время как
в системах опознавания простых образов,
например отдельных букв. гостаточно
N = 50 ж 100.
Каясущаясч четкость изображения G
непосредственно связана с числом элемен-
тов разложения, однако эта связь нели-
нейна. Приращение кажущейся четкости
dG пропорционально относительном) при-
ращению числа элементов разложения:
„ ‘IN
= С, v
отку.га
G = С! In 5' + С2.
(2.0
Постоянные Ct и С2 могут быть опреде-
лены из граничных условий: при G = 0
А' =1 и С2 = 0. при G = Gnl;n А = 1Уп1ах.
Полагая, что значение Gmax определяет
Ю()1|„-ную четкость, получаем:
6max = Cj In Nmax = 1,
oiкуда
Ct = 1 In A-nl.lv
(2.2)
Таким образом, из (2.1) и (2.2) следует
In N Inks2
G — — (1 л»
1пА„ых In к“,ах ’
4
Например, при стах = 1200 и к = умень-
шение числа строк разложения с с 1200 до
600 приводит к падению визуальной чет-
кости всего лишь на 10%. а спектр частот
1 елевизионног о сигнала, как будет показано
ниже, сокращается при этом в четыре раза.
В связи с этим стремление к реализации
максимальной четкости экономически не
всегда оправдано, поэтому ограничиваются
некоторой удовлетворительной кажущейся
четкостью (например. 0.9GmaJ. по которой
определяется визуа.тьно-доста точное число
элехгентов разложения .V.
Число кадров, передаваемых и воспропз-
во шмых в е гпнпцх времени. Требования
к числу передаваемых н„ и к числу вос-
производимых ни кадров в единицу времени
в общем разные.
Способы н парамо ры ра 1. юления ic.icbh шишки о мюбражеиия
37
Необходимое число передаваемых за
секунду кадров опреде 1яется из условия
допустимой дискретизации изображения
во времени. При пере таче движущихся
изображении таким условием является обес-
печение слитности фаз движения зафикси-
рованных в соседних кадрах. В профессио-
нальном кино считаю! (остаточным показ
24 кадров в секунду, в любительском — 16
При передаче малопо твижных изображений
один кадр может передаваться несколько
секунд, минут или даже часов. Уменьше-
ние числа и кадров, передаваемых в се-
кунду. позво 1яет сократить количество ин-
формации, перетаваемой по !елевизион-
ному каналу, и. следовательно, является
вьп одным.
Число кадров, воспроизводимых в еди-
ницу времени при визуальном наблюдении,
определяется из условия отсутствия мерца-
•ний изображения.
В кино число «передаваемых» кадров
в секунду составляет 24, а воспроизводи-
мых — 48 за счет того, что каждый кино-
кадр дважды подряд демонстрируется зри-
телю О (нако условия воспроизведения
изображения в кино и на телевизионном
экране неодинаковы. В кино все элементы
изображения проецируются на экран одно-
временно, пока открыта заслонка объект ива
(обтюраюр) киноаппарата, т. е. в течение
всего времени демонстрации кадра. В теле-
видении условия воспроизведения изобра-
жения тяжелее, так как каждый элемент
изображения высвечивается в течение вре-
мени, значительно меныцем. чем длитель-
ность передачи кадра. Поэтому критиче-
ская частота мерцаний /’ для телевизи
онного экрана оказывается выше,, чем для
киноэкрана, поскольку она определяется
не только кажущейся яркостью изображе-
ния но и скважностью световых импуль-
сов, создающих это изображение 1 2)
В случае безынерционною экрана скваж-
ность импульсов велика, поэтому и кри-
тическая частота оказывается высокой. При
использовании инерционного экрана время
высвечивания каждого элемента изображе-
ния увеличивается за счет послесвечения
экрана, что приводит к понижению /кр.
Для приемлемых в случае телевизионного
экрана яркости (30—100 кд м2) и после-
свечения ^0,02 с /кр = 46-=- 56 Гц.
Если телевизионные устройства питаются
OI сети переменною тока, частоту кадров
синхронизируют с частотой питающей сети.
Это делает наво тки от сети менее замет-
ными. гак как они проявляются на изобра-
жении в виде неподвижных светлых и 1ем-
ных полос. Несоблюдение этого условия
при недостаточной фильтрации приводит
к образованию перемещающихся полос,
соз лающих более заметные помехи.
Форма । кадра в разных системах может
сущест венно изменяться. Например, во мно-
1 их прикладных л елевизионных устройствах
часто выбирают к = 1. В системах видео-
телефона. где преобладают изображения,
вытянутые по вертикали, обычно к < 1,
а в системе телевизионна о вешания к = 4 ,,
т. е. больше 1.
Формат кадра в вешале льном телевиде-
нии согласован с форматом стаи (артното
кинокадра, что облегчает передачу кино-
фильмов по телевидению.
Число ipa.iamiii яркости. При передаче
полутоновых изображений число градаций,
различаемых т тазом в пределах одного
уровня адаптации при пороговом контрасте
4"„ и контрасте изображения 25, составляет
около <80 (S 1.2). Однако пороговый конт-
раст в 4"„ глаз ошущает при сравнении
двух световых полей на фотометре, г. с.
в идеальных условиях наблюдения. В ре-
альных условиях глаз в состоянии доста-
точно уверенно ощутить контраст в 10"(>.
При этом общее число различимых поро-
гов, вычисленное по (1.2), составил 32.
На контрастную чувствительность тлаза
оказывает существенное влияние плавность
перехода на границе сравниваемых полей,
оцениваемая градиентом контрастности.
Глаз ощущает контраст 10",, в соседних
полях при градиенте 0,3—0,5“„ на одну
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
38
Способы и параметры разложения телевизионного изображения
39
угловую минуту. При меньшем градиенте
контрастная чувствительность глаза умень-
шается.
Число цветовых градаций. Пользуясь рав-
ноконтрастной диаграммой Мак-Адама
(рис. L22), можно установить, что только
по периметру цветового графика размеща-
ется около 420 цветовых порогов разли-
чимости, а на плошади всего цветового
графика число порогов превышает 8700.
Внутри цветового треугольника RGB число
порогов меньше, но и здесь оно достигает
2800. Несмотря на большое количество цве-
товых оттенков, которое различает глаз
при сравнении соседних полей на колори-
метре, число различимых градаций в ре-
альных условиях оказывается значительно
меньшим. Точное значение числа допусти-
мых порогов на одну цветовую градацию
пока указать трудно. В качестве возмож-
ного минимума в цветном телевидении
рекомендуется для насыщенных цветов
5 порогов, а для мало насыщенных — 2 — 3,
что близко к нижнему пределу заметности
и характеризует отличное изображение.
Верхний предел, за гранью которого изоб-
ражение явно неудовлетворительно, состав-
ляет от 9 порогов для красных цветов
до 36 — для светло-голубых. Принимая
в качестве расчетной величины 5 порогов
на одну цветовую градацию, замечаем, что
в пределах цветового треугольника можно
различить свыше 100 цветовых градаций
( 2800 «I-Л
I = —у- 112 I.
2.3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ
РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ЭЛЕМЕН1А
И к КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ
так и на поперечной четкости воспроиз-
водимого изображения.
Если бы развертывающий элемент обла-
дал бесконечно малой апертурой, то видео-
сигнал, соответствующий передаче черно-
белой границы (рис. 2.6, а), имел бы форму
ступенчатой кривой 1 (рис. 2.6,6). Однако
апертура развертывающего элемента не
может быть бесконечно малой, поскольку
уровень сигнала пропорционален площади
развертывающего элемента. Квадратная
апертура со стороной 8 и равномерной
прозрачностью (например, отверстие в дис-
ке Нипкова) при передаче черно-белой
границы формирует видеосигнал 2 с линей-
ным нарастанием фронта на интервале тэ,
равном времени развертки одного элемента
изображения. Если бы изменение яркости
в приемном устройстве соответствовало
изменению видеосигнала, то даже при
бесконечно малой апертуре развертываю-
щего элемента в приемнике резкая граница
оказалась бы размытой на протяжении
одного элемента разложения. При равен-
стве апертур развертывающих элементов
в передающем и приемном устройствах
время нарастания яркости (кривая 3) соста-
вит 2тэ, а зона размытия займет два эле-
мента разложения (рис. 2.6, в).
В современных телевизионных системах
в качестве развертывающего элемента ис-
пользуется электронный луч, сечение кото-
рого (рис. 2.7, а) практически имеет круглую
форму, а плотность тока в луче, характе-
ризующая прозрачность апертуры, прибли-
жается к гауссовому нормальному закону
распределения:
Развертывающий элемент характеризуется
сечением или апертурой и относительной
прозрачностью апертуры.
Конечные размеры апертуры сказыва-
ются как на продольной (вдоль направле-
ния движения развертывающего элемента),
где ге — условный радиус апертуры, при
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
40
котором плотность тока уменьшается в
е раз по сравнению с плотностью тока у0
в центре пучка, р — относительная плот-
ность тока. Произведем нормирование кри-
вой, принимая за единицу измерения ради-
ус гс. Обозначая
£4- = г/ гс = ц,
получим:
p(L ц) = -e“u2 + "2*. (2.4)
Я
При перемещении электронного луча в
направлении оси х относительно черно-
белой границы ЛБ (рис. 2.7, а) в предполо-
жении. что ширина строки не ограничена,
переходная характеристика, показывающая
степень размытия границы Л Б, определя-
ется выражением
/т(х)= — ( </ц f ^е «2+’12’.
Имея в виду, что f е”= dz = [ л пред-
ставим h (х) в виде
1 * .?
h (х) = f е ~ d^ =
I л - х
или
Л(х) = лу[1 + Ф(х)], (2.5)
2 "f
где Ф (х) = —=- | е ’ — интеграл веро-
I я О
ятности.
Переходная характеристика /?(х) приве-
дена на рис. 2.7.6. Наличие длинных
«хвостов» в гауссовой кривой приводит
к дополнительному увеличению зоны раз-
мытия и к понижению контраста изобра-
жения
На рис 2.8.а, 6 приведено изображение
чередующихся черно-белых полос разной
ширины и соответствующий ему график
перепада яркостей. На рис. 2.8, в показана
форма видеосигнала при квадратной апер-
туре развертывающего элемента со сторо-
ной б, а на рис. 2.8, г, d — график перепада
яркостей и изображение на экране прием-
ного устройства. Рисунок позволяет оце-
нить степень искажений изображения, ко-
торые сводятся к тому, что широкие
полосы передаются с размытыми грани-
цами, чередующиеся полосы шириной 5 —
с размытыми границами и пониженным
контрастом, а полосы шириной 5/2 раз-
дельно не воспроизводятся.
Влияние апертуры на поперечную чет-
кость. Отметим, что полоса пропускания
канала связи не влияет на поперечную
четкость, так как скорость поперечного
разложения значительно (в z раз) меньше
скорости продольного разложения. Если
поперечный размер апертуры меньше меж-
строчного расстояния, то изображение
воспроизводится с затемнениями между
строками, создающими так называемый
растровый фон. Если поперечный размер
апертуры превышает межстрочные расстоя-
ния, происходит наложение строк и соот-
ветственно потеря четкости. Рассмотрим
влияние развертывающего элемента с квад-
ратной апертурой на воспроизведение гра-
ницы черно-белого перехода. Поперечное
разложение является дискретным, поэтому
передача черно-белой границы будет раз-
личной в зависимости от положения центра
развертывающего элемента относительно
этой границы. Если черно-белая граница
совпадает с границей двух соседних строк,
то она передается без искажений. Если же
она совпадает с центром апертуры раз-
Способы и параметры ра 1. юления 1е.1еви шинною июбражения
41
вертываюшего элемента, происходи г раз-
мытие границы черно-белого изображения
в пределах одной строки (рис. 2.9, а, б).
Следовательно, изображение чередующихся
полос шириной 5 при неблагоприятном
расположении развертывающего элемента
воспроизводиться не будет и поперечная
четкость понизится (рис. 2.9, в).
Применение электронного луча с гауссо-
вым распределением плотности тока по
сечению в качестве развертывающего эле-
мента неизбежно приводит к перекрытию
строк. Это снижает контраст изображения
и ухудшает поперечную четкость в боль-
шей мере, чем при использовании апер-
туры с равномерной прозрачностью.
2.4. С ПОСОБЫ РАЗВЕРТКИ
Развертки можно разделить на детермини-
рованные, при которых траектория движе-
ния развертывающего элемента четко оп-
ределена и наперед задана, и недетерми-
нированные, в которых направление движе-
ния развертывающего элемента автомати-
чески устанавливается в зависимости от
содержания изображения Последние воз-
никли в связи с потребностью в оптими-
зации передачи и обработки визуальной
информации.
Детерминированные развертки. Можно
сформировать много различных траекто-
рий движения развертывающего элемента
при разложении изображения. Лучшей сле-
дует считать такую, которая обеспечивает
разложение при удовлетворении следующих
условий:
1. За полный цикл развертки передаются
все элементы разложения, причем каждый
однократно и за одно и то же время.
2. Частота кадров наименьшая.
3 Непроизводительные потери времени
(на обратный ход развертки) минималь-
ные.
4. Простота технической реализации.
Первому условию удовлетворяют все
линейные развертки (рис. 2.10): построчная
(«1 образуемая перемещением с постоянной
скоростью развертывающего элемента
вдоль параллельных линий (строк), смеща-
ющихся на шаг; построчно-реверсивная (б),
у которой направление смещения строк от
кадра к кадру меняется на обратное;
чересстрочные, при которых строчки про-
черчиваются не подряд, а через одну (в),
через две (б) и более, разделяя кадр соот-
ветственно на 2, 3 и более полей. Этом)
условию удовлетворяет и чересточечная
развертка (г), в которой осуществляется
чересстрочное разложение по вертикали
и черезэлементное — вдоль строки: сначала
передаются все белые на рисунке элементы
в нечетных строках, затем в четных, после
этого все синие элементы в нечетных
строках, а затем в четных — весь кадр
передается за четыре поля.
При реализации рассмотренных развер-
ток оптико-механическими устройствами
(например, с помощью диска Нипкова)
они удовлетворяют и условию 3. Однако
в электронных системах из-за того, что
луч с конца одной строки должен вер-
нуться в начало следующей и с конца од-
ного кадра в начало следующего (кроме
построчно-реверсивной развертки (б)), по-
тери на обратный ход неизбежны и, сле-
довательно, условие 3 не выполняется.
Условию 2 хуже всего удовлетворяет по-
строчно-реверсивная развертка, так как она
приводит к снижению повторения крайних
строк по сравнению с построчной (а) раз-
верткой и в результате к необходимости
повышения частоты кадров п. Лучше всего
этому условию удовлетворяет чересточеч-
ная развертка (г), но она не удовлетворяет
условию 4. Компромиссным вариантом,
удовлетворяющим условиям 2 и 4, является
чересстрочная развертка о. позво ляющая
Здесь и в дальнейшем. если не указана кратность
чересстрочной развертки, подразумевается. что она
равна двум.
снизить число кадров, воспроизводимых
в секунду, в два раза по сравнению с по-
строчной разверткой. Дальнейшее умень-
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
42
Рис.2.10
Способы и параметры разложения телевизионною изображения
43
шение частоты кадров за счет повышения
коэффициента чересстрочное™ не удается,
так как возникают межстрочные мерцания,
поскольку угловое расстояние между строч-
ками одного поля становится больше у0.
Зигзагообразные развертки (е, ж) удов-
летворяют условию 3, но не удовлетво-
ряют остальным: неизбежны пропуски и
повторения элементов на краях растра, что
противоречит условию 1, сложно осущест-
вить идентичность прямых и обратных
ходов, что противоречит условию 4.
Синусоидальная развертка (з) удовлетво-
ряет условиям 3 и 4, но не удовлетворяет
1 и 2. Поэтому она применяется там, где
требования к простоте аппаратуры явля-
ются более важными, чем к качеству
изображения.
Спиральная развертка (ы) с постоянной
угловой скоростью достаточно хорошо
удовлетворяет всем условиям, кроме 1.
При переменной угловой скорости она
может удовлетворить требованию 1, но
тогда не будет удовлетворять 4.
Сопоставление различных траекторий
разверток позволяет определить наиболее
целесообразную для систем телевизионного
вещания, а также для ряда других систем,
где ставится задача получения изображения
обычных объектов,— чересстрочную раз-
вертку. Этот вид развертки в настоящее
время наиболее распространен. Телевизион-
ное вещание во всем мире работает по
системе чересстрочной развертки.
Недостатки чересстрочной развертки про-
являются при передаче движущихся изоб-
ражений, контуры которых воспроизво-
дятся размытыми. Рассмотрим, например,
как будет воспроизводиться вертикальная
полоса (рис. 2.11, а) шириной в 3/50 длины
строки, движущаяся в направлении строч-
ной развертки с такой скоростью гь что
за 1 с она перемещается на ширину кадра.
За время передачи одного поля (1/50 с) она
сдвинется на 1/3 своей ширины и вслед-
ствие этого после развертки второго поля
воспроизведется изломанной (рис. 2.11,6).
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
44
Рис.2.12
При передаче изображений, движущихся
в вертикальном направлении, также проис-
ходит потеря четкости. Пусть передается
изображение, перемещающееся в направле-
нии кадровой развертки с такой скоростью
с2, что за время одного поля оно сме-
щается вниз на одну строку (рис. 2.11, в)
Рассмотрим, как будут воспроизводиться
находящиеся на этом изображении две
темные точки а и Ь, расположенные в со-
седних строках, каждая размером в один
элемент разложения. Допустим, что при
передаче первого поля точка b попадает
на строку, а точка а — между строк, сле-
довательно, в первом поле точка b будет
воспроизведена, а точка а пропущена. При
передаче второго поля (рис. 2.11, г) изобра-
жение сместится вниз на одну строку и,
следовательно, точка b будет воспроизве-
дена повторно на соседней строке, а точка а
снова пропущена. После развертки полного
кадра изображение точки а не воспроизве-
дется. а точки b удлинится в два раза
(рис. 2.11, д). Поэтому в устройствах, пред-
назначенных для визуального анализа от-
носительно быстро перемещающихся объ-
ектов, предпочтительнее построчная раз-
вертка.
Спиральная развертка, несмотря на свои
недостатки, может найти применение в
специализированных устройствах, где дру-
I ие виды разверток неприменимы. До-
пустим, что нужно передать изображение
объекта, вращающегося со скоростью г об/с
вокруг своей оси (рис. 2.12). Очевидно,
изображение этого объекта на мишени
датчика сигнала будет вращаться с такой
же скоростью Если обычным способом
передать это изображение, то на экране
приемника оно тоже будет вращаться,
поэтому рассмотреть его будет невозмож-
но. Применение спиральной развертки,
центр которой совпадает с осью вращения
объекта, позволяет видеть изображение
объекта на экране приемника неподвижным,
если скорость развертки в передающем уст-
ройстве сделать больше, чем в прием-
ном, так, чтобы развертка «догоняла»
убегающее изображение. Это условие будет
выполнено, если в передающем устройстве
скорость развертки составляет п + v кад-
ров в секунду, а в приемном — п кадров
в секунду.
Недетерминированные развертки. Эти раз-
вертки представляют собой шаг на пути
создания телевизионных систем со стати-
стическим согласованием. В настоящее
время они применяются главным образом
в телевизионной автоматике, где опери-
руют с более простыми, чем в телевизи-
онном вещании, изображениями, статисти-
ческие характеристики которых несложно
Способы и параметры разложения юлевизнойного изображения
45
Рис.2.13 °
оценить, например в системах автомати-
ческого анализа геометрических и опти-
ческих характеристик различных объектов,
находящихся в поле зрения телевизионной
камеры. Это могут быть и биологические
микрообъекты, и геологические структуры,
и образцы изделий металлургической про-
мышленности, и микропорошки корундов,
искусственных алмазов и пр. Основные
требования к этим видам разверток:
1. За цикл развертки передается мини-
мальное количество элементов разложения
из числа содержащихся в кадре, при кото-
ром, однако, информация не теряется.
2. Закон образования траектории раз-
вертки обеспечивает наиболее простой спо-
соб обработки видеосигнала для извлечения
необходимой информации.
3. Простота технической реализации.
Рассмотрим четыре вида недетерминиро-
ванных разверток. Все они строятся по
принципу разделения на два режима: по-
иска и слежения. В режиме поиска развер-
тывающий элемент движется по заданной
траектории, при попадании на изображение
объекта он переходит в режим слежения,
во время которого производится считыва-
ние информации и ее обработка.
Развертка со случайным выбором фраг-
ментов изображении предназначена для
передачи графической информации (рисун-
5
ков) и основана на взаимодействии слу-
чайной и следящей разверток так, чтобы
частота повторений любого из элементов
линий рисунка была при передаче прибли-
зительно одинаковой независимо от взаим-
ного расположения линий. В режиме поиска
развертывающий элемент блуждает в поле
изображения по прямым, отражаясь от гра-
ниц кадра, как отражался бы упругий шар
от борта биллиардного стола (рис. 2.13, о).
Если в поле зрения отсутствует изображе-
ние, траектория поиска вследствие равно-
мерности распределения координат создает
на экране приемного устройства почти од-
нородный слабо светящийся фон. При этом
уже после нескольких отражений развер-
тывающий элемент успевает побывать в
разных частях кадра, т. е. «бегло осмотреть»
все изображение. При встрече с линией
рисунка система переходит в режим слеже-
ния по контуру рисунка, но свобода про-
слеживания предоставляется на стандарт-
ный, сравнительно малый, промежуток вре-
мени, после чего направление прослежива-
ния меняется на обратное (рис. 2.13,6) до
возвращения развертывающего элемента
к месту встречи с линией. На этом за-
рисовка фрагмента заканчивается, и раз-
вертывающий элемент возобновляет поиск
до очередной встречи с контуром изобра-
жения. Фрагменты невелики, но зато они
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
46
Ри( .2 14
Рие.2 15
Рис.2.16
рассредоточиваются по всему кадру, облег-
чая целостное восприятие изображения на
приемной стороне даже при медленной
развертке. В результате накопления яркие
линии рисунка оказываются четко види-
мыми на общем фоне засветки экрана при-
емной трубки без всякой дополнительной
модуляции кинескопа.
С 1едящая развертка по площади. В ре-
жиме поиска развертывающий элемент по-
строчно прочерчивает растр (рис. 2 14). При
попадании элемента на границу изображе-
ния объекта / развертывающий элемент
переходит в режим слежения и прочерчи-
вает все поле изображения анализируемого
объекта, затем вновь переходит в режим
поиска, пока не попадет на изображение
следующего объекта. Повторное считыва-
ние ранее проанализированных изображе-
ний исключается специальными логически-
ми схемами. Развертка обеспечивает полу-
чение упорядоченной информации о каждом
объекте в отдельности, что существенно
упрощает анализ изображений. Однако при
объектах сложной формы возникают боль-
шие погрешности. Например, участок 3
объекта 2 считывается, как отдельный
объект.
С гедчщая развертка по конт\р\ (рис. 2.15)
отличается от рассмотренной тем, что
в режиме слежения развертывающий эле-
мент прочерчивает только контур изобра-
жения объекта. При этом имеется возмож-
ность определить важнейшие геометриче-
ские характеристики объекта длину кон-
тура. площадь, максимальный и минималь-
ный линейные размеры. Развертка позво-
ляет анализировать объекты сложной фор-
мы, экономична благодаря тому, что меж-
строчное расстояние в режиме поиска мо-
жет быть выбрано значительно больше
линейного размера развертывающего эле-
мента. Однако анализ многоградационных
изображений затруднен.
Контурно-рамочная развертка является
комбинацией следящей развертки по кон-
туру и по площади (рис. 2.16). В режиме
поиска развертка построчная При переходе
в режим слежения вначале осуществляется
развертка по контуру изображения объекта,
в результате которой определяются гра-
ницы прямоугольной рамки, в которую
вписывается изображение, затем произво-
дится построчная развертка поля рамки.
После этого развертка вновь переходит
в режим поиска до встречи с очередным
объектом.
Контур-рамочная развертка позволяет
анализировать многоградационные изобра-
жения объектов сложной формы и получать
по каждому из них упорядоченную ин-
формацию.
Способы и параметры разложения телевизионного изображения
47
Рис.2.17
2.5. ПОСТРОЕНИЕ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО РАСТР!
ПРИ ЛИНЕЙНЫХ РАЗВЕРТКАХ
Современные телевизионные системы, как
правило, являются электронными. При
создании растра с помощью электронного
луча возникает необходимость возвраще-
ния луча в исходное положение. Например,
при построчном растре после прочерчи-
вания очередной строки луч необходимо
вернуть к началу следующей строки, а по
окончании кадра — к его началу. Создать
мгновенный обратный ход луча невоз-
можно, поэтому возникают неизбежные
потери времени за счет обратного хода.
Следует обратить внимание и на то, что
практически очень сложно создать пере-
дающую и приемную системы, в которых
автономно поддерживалась бы синхронная
работа развертывающих устройств даже
при детерминированном законе разложе-
ния. Поэтому наряду с сигналом изобра-
жения передают сигналы синхронизации,
согласующие работу развертывающих уст-
ройств в передающем и приемном устрой-
ствах.
Рассмотрим построение растра с черес-
строчной разверткой в предположении, что
время обратного хода луча по строкам
и кадрам равно нулю. Для облегчения
формирования чересстрочного растра жела-
тельно обеспечить идентичность сигналов
кадровой развертки в разных полях. Для
этого необходимо, чтобы в каждом поле
содержалось одинаковое число строк и
поля начинались и заканчивались на одних
и тех же уровнях.
Этй условия могут быть выполнены, если
число строк разложения выбирать в соот-
ветствии с формулой
Z = £z' + 1, (2.6)
где Е, — кратность чересстрочного разложе-
ния (коэффициент чересстрочности), / —
целое число строк в поле.
Таким образом, число строк в поле
составляет
z„=^- = z+l&
ъ
Из формулы (2.6). в частности, следует,
что при чересстрочной развертке с четной
кратностью (^ = 2, 4. 6, ...) число строк -
всегда должно быть нечетным, а при черес-
строчной развертке с нечетной кратностью
(Е, = 1, 3, 5, ...) — с может быть как четным,
так и нечетным. На рис. 2.17, а, б приведено
построение чересстрочного растра с крат-
ностью 2 и 3.
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
48
Полный кадр
1-е поле 2-е поле 3-е поле
<_____________________________J
Полный кадр
Рис.2.19
Способы и параметры разложения телевизионного изображения
49
Телевизионный растр обычно формиру-
ется при помощи пилообразных колебаний
тока или напряжения строчной и кадровой
частот, обеспечивающих горизонтальное и
вертикальное отклонения развертывающих
лучей в передающем и приемном устрой-
ствах. Очевидно, частота строчной раз-
вертки
а кадровой /к равна частоте полей /п:
потери на обратные ходы по строкам и
кадрам.
В стандарте задается номинальное число
строк разложения z. формат кадра (реаль-
ного) к и параметры, определяющие Рс и
Рк. По ним можно определить.
число активных (реальных) строк za,
участвующих в создании изображения,
= П1 - рк):
Л'р = fcz2 = kz2 (1 - рк)2
реальное число элементов разложения
На рис. 2.18, а. б приведены формы раз-
вертывающих сигналов для растров, пред-
ставленных на рис. 2.18, а, б. Заметим, что
при чересстрочной развертке должна быть
жесткая связь между частотами строчной
и кадровой разверток. В построчном растре
это требование может и не выполняться.
На рис. 2.19 показано формирование
построчного растра 1 с учетом потерь на
обратные ходы. На этом рисунке время
обратного хода Г2с пилообразных колеба-
ний строчной развертки 3 составляет 20%
от периода строчной развертки Тс, а время
обратного хода Т2к пилообразных колеба-
ний кадровой развертки 4 равно длитель-
ности полутора периодов строчной раз-
вертки. В результате потерь на обратные
ходы реальное число элементов разложения
Np оказывается меньше номинального N:
NP = N(1 -рс)(1-рк),
(2.7)
Т2с „ Г2к
где рс = и рк = —---------относительные
2 с 2 к
и с учетом (2.7) и (2.8) номинальное число
элементов разложения
N = NP/'(1 - PJ(1 - PJ = kz2 (1 - PJ (1 - pj.
Для согласования работы генераторов раз-
вертки в передающем и приемном устрой-
ствах обычно используют синхронизирую-
щие импульсы строчной 2 и кадровой 5
частот, а для предотвращения искажения
сигнала изображения во время обратных
ходов электронные лучи в передающей и
приемной трубках на это время запираются
специальными гасящими сигналами строк
6 и кадров 7.
Длительность строчных Тс г и кадровых
Гкг гасящих импульсов немного превы-
шает длительности обратных ходов строч-
ной Г2с и кадровой Г2к разверток для
црекрытия возможных временных сдвигов
на отдельных участках телевизионного
тракта.
3. ИНФОРМАЦИОННАЯ
50
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
3.1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
ИНФОРМАЦИИ
Как известно, теория информации изучает
количественные закономерности передачи,
хранения и обработки информации. Она
позволяет оценить эффективность различ-
ных систем связи и установить условия
согласования источника информации с ка-
налом связи и получателем сообщений.
Количественная мера, для сравнения спо-
собности различных систем передавать ин-
формацию, была предложена Хартли в
1927 г., названа им информационной емко-
стью и определена соотношением
С = log0 w, (3.1)
где т — число различных состояний сис-
темы.
При таком определении емкость состав-
ной накапливающей системы оказывается
равной емкости элементарной запоминаю-
щей ячейки, помноженной на число ячеек,
т. е. логарифмическая мера обладает ес-
тественным в данном случае свойством
аддитивности. Действительно, если имеется
два переключателя с т положениями каж-
дый, то общее число положений (или
состояний) составит т2 и, таким образом,
два переключателя можно заменить одним,
имеющим М = т2 положений. Согласно
(3.1) в этом случае
См = loga М = loga т2 = 21oga т. (3.2)
За единицу информационной емкости
принимается емкость элементарной нако-
пительной ячейки с минимальным числом
состояний т = 2. Если в (3 1) принять
т = 2 и основание логарифма а тоже при-
нять равным 2, то С будет равно 1. Это
и есть минимальная информационная
емкость, равная одной двоичной единице
(дв. ед.) или одному биту (1 бит).
Информационная емкость не характери-
зует полностью источник информации.
Важно знать, какое количество информа-
ции может быть произведено источником
в единицу времени. Для этого вводится
понятие производительности источника ин-
формации R, определяемое выражением
R = С/Г, (3.3)
где Г — время, в течение которого источ-
ник в состоянии выработать информацию,
равную его накопительной емкости С. Про-
изводительность характеризует предельные
возможности источника информации.
Понятие «информация» очень емко и
часто в него вкладывается разное содер-
жание. В обыденной жизни словом «ин-
формация» оценивают смысловое содер-
жание того или иного сообщения Напри-
мер, сообщение «В будущем году 1 ян-
варя — нерабочий день» практически ни-
какой информации не несет, все знают —
это традиция, а сообщение «В будущем
году 1 января — рабочий день» (если оно
не ложно) несет много информации, так
как оно неожиданно и содержит сведения
о маловероятном событии. Уже из этого
примера видно, что вероятность является
объективной характеристикой ценности
сообщения. В теории связи определение
количества информации не связано со
смысловым содержанием сообщения. С точ-
ки зрения теории связи приходится счи-
Способы и параметры разложения телевизионною изображения
51
тать, что оба приведенные выше сообще-
ния содержат практически одинаковое ко-
личество информации, так как для передачи
по линии связи они требуют примерно
одинаковых затрат.
Несмотря на эту особенность, вероят-
ностный подход к оценке количества ин-
формации сохраняется и в теории связи.
Количество информации I в сообщении
о некотором событии а, согласно Шенно-
ну, определяется вероятностью этого собы-
тия ра:
/=-10g2p„. (3.4)
Знак минус перед логарифмом поставлен
потому, что всегда ра < 1, а информация
должна быть положительной.
Рассмотрим в качестве примера постро-
ение автоматизированной системы конт-
роля посещения лекций студентами в по-
токе из 63 человек. Идя по наиболее
простому пути, мы установили бы в дека-
нате 63 лампочки, соединили бы их с
кнопками, связанными с партами так, что,
когда студент садится на свое место, кнопка
замыкает контакт и лампочка в деканате
загорается. Если за студентами закрепить
постоянные рабочие места, то горящие
лампочки будут показывать, кто из студен-
тов пришел на занятия, а негорящие — кто
отсутствует. Если у нас нет никаких апри-
орных сведений о статистике посещений
занятий студентами, то такой способ пере-
дачи информации является оправданным.
Допустим, однако, что в результате статис-
тического анализа установлено: в среднем
за год число студентов, не являющихся
на занятия в группе из 63 человек, равно
трем. Это дает нам следующие априорные
сведения о посещении студентами лекций:
вероятность пропуска занятия р0 = 3/63,
вероятность явки на занятия
Pi = 1 - Ро = 61/63.
Количество информации 10, которое со-
держит маловероятное сообщение о том,
что такой-то студент не явился на занятия,
составляет: Io = —log2 р0 = — log2 (3/63) =
= 4,42 бит. Количество информации /ь
которое содержит сообщение о явке студен-
та на занятия, в сто раз меньше: It —
= —log2 (61/63) = 0.043 бит. Присвоим го
рящей лампочке индекс «1», а негорящей —
«0», тогда одно из возможных сообщений:
1111111111111111011111111011111111111111
11101111111111111111111
Можно ли это сообщение передать более
экономично? Очевидно, можно, если пере-
давать сведения не о всех с удентах, а
только о тех, кто не явился та занятия.
Учитывая, что число 63 двоичным кодом
можно передать при помощи шести раз-
рядов, закодируем номера отсутствующих
студентов (17, 26, 44) и передадим эту
кодовую последовательность:
010001011010101100.
Таким образом, для передачи исходного
сообщения при таком способе кодирования
потребуется всего 18 двоичных запоминаю-
щих ячеек.
Обратим внимание на то. что при втором
варианте кодирования вероятности появле-
ния 1 и 0 примерно одинаковы, каждый
из символов приносит примерно одинако-
вую информацию. Поскольку символов
стало меньше, то, очевидно, каждый символ
(посылка) при втором варианте кодирова-
ния в среднем приносит больше информа-
ции, чем в первом варианте. Следователь-
но, среднее количество информации, прихо-
дящееся на одну посылку в сообщении,
может служить мерой эффективности ко-
дирования сообщения. Эта величина назы-
вается энтропией и определяется, как мате-
матическое ожидание:
Н = Polo + Pih =Polog2— + pi log2—.
Po Pl
(3.5)
Энтропия согласно (3.5) достигает макси-
мума при равновероятном чередовании сим-
волов 1 и 0 и становится равной нулю,
если одна из вероятностей р0 или равна
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
52
единице или нулю (рис. 3.1). Для рассмот-
ренного примера в первом варианте коди-
рования /Д =0,25, а во втором Н2 =0.99.
Это значит, что кодирование во втором
случае близко к оптимальному и. следова-
тельно, более экономичным способом запи-
сать эту информацию невозможно. Отсюда
следует, что двоичные сообщения с равно-
вероятными состояниями не могут быть
сжаты и что не существует способа их
запасания более экономичного, чем тот,
при котором каждое сообщение в отдель-
ности вкладывается в двоичную запасаю-
щую ячейку.
Если сообщение имеет больше чем два
состояния, энтропия определяется форму-
лой
Н = - Y. Pi 1О?2 Pi = Е Pi 1О?2 ------,
i=l i=l Pi
где pj — априорная вероятность Его состоя-
ния, ат — общее число возможных состоя-
ний. Это выражение имеет максимум, когда
все состояния равновероятны, т. е. pt = 1 т.
В этом случае
Н = Hmax = т — log, т = log2 т = С
т
и, следовательно, энтропия равна информа-
ционной емкости накопителя. Если состоя-
ния не равновероятны, то Н меньше С и
накопитель не загружен.
Информация от источника попадает к
потребителю через канал связи. В пра-
вильно сконструированной системе канал
связи необходимо согласовать с источни-
ком информации. Следовательно, нужно
уметь оценить информационные характе-
ристики не только источника информации,
но и канала связи.
В 1946 г. Шеннон предложил формулу
для оценки пропускной способности канала
связи. Согласно этой формуле объем инфор-
мации /, который способен пропустить
канал связи, равен:
( РЛ
I = FTlog, I 1 + —— I, (3.6)
\ *111 /
где F — полоса пропускания канала связи;
Т — время передачи сообщения; Рс и Рш —
соответственно мощности сигнала и шума.
Формула выведена в предположении, что
помехи представляют собой «белый шум»
и сигнал имеет такую же статистическую
структуру.
3.2. информ шионн \я
ОЦЕНКА ИЮБРАЖЕНИЯ
Сколько информации содержится в изобра-
жении? Например, в знаменитой картине
Леонардо да Винчи «Джоконда» или в
географической карте Киевской области.
Где больше информации — в «Джоконде»
или в «Саскии» Рембрандта? На эти вопро-
сы теория информации ответа не дает.
Теория информации «касается больше сиг-
налов. несущих информацию, чем инфор-
мации как таковой. Работа Шеннона имеет
больше дело со связью, чем с трудно
уловимым конечным результатом связи,
которым собственно и является информа-
ция» о.
С' Abramson V. Teona informacji i codowania.
Wurszawa, 1969-
Поставим вопрос иначе: сколько информа-
Информационная оценка параметров те.1еви тонных изображений
53
ции содержится в телевизионном (дискре-
тизированном) из об раже ни и ?
Рассмотрим плоское монохромное изоб-
ражение. как наиболее простое. Если зада-
но число градаций т, которым представ-
ляется яркость каждого элемента изобра-
жения, то согласно (3.1) его информацион-
ная емкость С, равна:
С, = log2 т (3 7)
Информационная емкость кадра, содержа-
щего Л' элементов, в V раз больше:
Ск = N С э = N log2 m, (3.8)
а информационная емкость изображения,
состоящего из q последовательных кадров,
С, = г/Ск = qNC, = qУ log2 m (3.9)
Можно ли утверждать, что информация
/к, содержащаяся в телевизионном кадре,
всегда равна информационной емкости кад-
ра Ск? По-видимому, нет. Это равносильно
утверждению, что в 10-литровом ведре
всегда находится 10 литров воды. Можно
лишь утверждать, что максимально воз-
можное количество информации в телеви-
зионном кадре IKmax = CK, а максимально
возможное количество информации в теле-
визионном изображении из q кадров
I q max q к
Знание максимально возможного коли-
чества информации в телевизионном изоб-
ражении представляет несомненный инте-
рес, но чтобы строить экономичные теле-
визионные системы, нужно знать энтропию,
т. е. среднее количество информации, при-
ходящееся на кадр или на элемент для
данного класса визуальных сообщений.
Однако это очень сложно. Теория ин-
формации развита применительно к одно-
мерному сигналу, а источники телевизион-
ных сообщений являются многомерными.
Правда, все современные телевизионные
системы основаны на преобразовании по-
средством развертки пространственного
изображения в одномерный электрический
сигнал, информационные свойства которого
оценить просто, однако не ясно, насколько
эффективно осуществляется такое преобра-
зование. Рассмотрим это на примере.
Допустим, что .мы должны передать по
телефону информацию об изображении,
приведенном на рис. 3.2, а так, чтобы або-
нент. находящийся на друтом конце про-
вода, смог бы с наших слов воспроизвести
это изображение. Для описания изображе-
ния воспользуемся методами, применяемы-
ми в телевидении, г. е. нанесем на изобра-
жение сетку из вертикальных и i оризон-
тальных линий и разобьем его таким об-
разом на У элементов. Число элементов
выберем исходя из точности, с которой мы
хотим, чтобы было воспроизведено изоб-
ражение. Из этих же соображений опреде-
лим необходимое число градаций яркости
т. (В нашем примере N = 16 х 16 = 256,
а т = 3 — белый, серый и черный цвета).
Присвоим каждому элементу изображения
индекс, обозначив горизонтальные поло-
сы-строки буквами русского алфавита от
а до р, а вертикальные — цифрами от 1 до
16. Сообщим предварительно нашему або-
ненту число клеток сетчатого поля (т. е.
число элементов изображения) и порядок
их нумерации с тем, чтобы он мог зара-
нее подготовить разграфленные листы бу-
маги. Это равносильно установлению стан-
дарта разложения изображения Поскольку
стандарт установлен, можно определить
информационные емкости элемента изобра-
жения и кадра.
В данном примере С, = log2 3 = 1,58 бит,
а Ск = NC} = 256С, = 404 бит Рассмотрим
некоторые способы описания изображения.
Способ первый. Условимся с абонентом,
что будем называть индекс элемента и
цвет, в который нужно его закраси ть. При
этом наше сообщение будет иметь вид:
я1 — серый. 61 — серый. а2 — серый, «8 —
черный и т. д. Оценим количество инфор-
мации /тс в приведенном описании кадра,
которое можно отождествить с телевизион-
ным сигналом. Заметим, что каждое сооб-
щение включает в себя сведения о прост-
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
54
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 №
Рис.3.2
ранственном положении элемента изобра-
жения /|[р и о его яркости /я, следовательно,
Л с = Л.Р + !» (3. Ю)
Для того чтобы указать положение лю-
бого элемента, необходимо пронумеровать
его двоичным кодом с числом разрядов,
равным log2 N. Поскольку нужно пронуме-
ровать все элементы, то таких чисел должно
быть N, поэтому
/пр = N log2/V. (3.11)
Чтобы закодировать яркость элемента,
необходимо log2 т двоичных разрядов,
а всех элементов в N раз больше, значит,
/„ = /Vlog2m. (3.12)
Таким образом,
Ц.с = 1пр + 1я = N log2 N + N log2 т. (3.13)
В данном случае /тс = 256 х 8 + 256 х 1,58 =
= 2440 бит. Нетрудно заметить, что вто-
рое слагаемое в (3.13) равно информаци-
онной емкости кадра (3.8). Но ведь не
может изображение содержать информа-
ции больше, чем вмещается в кадр. Сле-
довательно, наше описание вследствие не-
продуманное™ обладает большой избыточ-
ностью (говорим много лишнего). Действи-
тельно, зачем называть и номер элемента,
и его цвет?
Способ второй. Договоримся с абонентом,
что будем называть ему цвет элементов
изображения по порядку слева направо
вдоль строки и сверху вниз по строкам,
не указывая номера элемента. При этом
сообщение будет иметь вид: серая, серая,
серая..., черная, черная, черная..., белая,
белая... и т. д. Поскольку выпала инфор-
мация о пространственном положении эле-
ментов, первое слагаемое в (3.13) станет
равным нулю. Тогда
Л. с = Л = N >og2 т = С„ (3.14)
в данном случае /т с = 256 х 1,58 = 404 бит
(в 6 раз меньше, чем при первом способе).
Информационная опенка параметров телевизионных изображений
55
Заметим, однако, что в канале связи мо-
гут быть помехи, в результате чего воз-
никают сбои и ошибки при воспроизве-
дении изображения. Представим, что наш
абонент иногда отвлекается и забывает
закрасить элемент. При большом числе
элементов это может привести к сущест-
венным ошибкам, поэтому целесообразно
внести в сообщение некоторую избыточ-
ность для повышения надежности передачи.
Способ третий. Аналогичен способу вто-
рому, но в конце каждой строки для
повышения надежности передачи сообща-
ется дополнительная информация: «конец
строки», а в конце кадра — «конец кадра».
По этому способу работает современная
система телевидения, в которой дополни-
тельная информация о конце строки и
кадра передается при помощи строчных
и кадровых синхроимпульсов.
Предположим, что мы находимся в Кие-
ве, а наш абонент во Владивостоке и
разговор нужно оплатить из студенческой
стипендии. Это обстоятельство заставит
нас подумать о более экономичном спо-
собе описания изображения. Анализируя
изображение, заметим, что оно имеет вид
черного и двух белых пятен, расположен-
ных на сером фоне, занимающем значи-
тельную часть кадра, и решим, что эко-
номичнее...
Способ четвертый. Предложим абоненту
взять бумагу серого цвета и закрасить
на ней элементы: черным — в8, г7, г8, г9,
дб и т. д. и белым — к5, кб, кЮ, к11, л5 и т. д.
Этот способ требует раскраски не всех, а
только I элементов из N. Но поскольку рас-
крашиваются не все элементы, то нужно ука-
зать геометрическое положение раскраши-
ваемых элементов В данном случае пере-
даваемая информация также содержит две
составляющие — яркостную и пространст-
венную. Пространственная составляющая
будет меньше, чем в (3.11), так как нужно
закодировать положение только I элемен-
тов из N:
Л,Р = / log2 N.
Яркостная составляющая также будет мень-
ше, чем в (3.12), поскольку нужно назвать
всего по одному разу все возможные цвета
элементов:
I„ = m log2 т.
Таким образом,
Л с = пр + Л = I log2 N + т log2 т. (3.15)
На рис. 3.2 отличаются от серого 90 эле-
ментов. Полагая I = 90, находим, что
/т с = 90 х 8 + 3 • 1,58 % 725 бит. На этот
раз мы ошиблись. Количество передавае-
мой информации не уменьшилось, а, нао-
борот, почти в два раза возросло по
сравнению с информационной емкостью
кадра. В данном случае этот способ ока-
зался менее эффективным, чем второй.
Попытаемся его усовершенствовать.
Способ пятый. Предложим нашему або-
ненту на бумаге серого цвета закрасить
черным пятно, контур которого ограничи-
вают элементы в8, г9, д10, ell, ж12, з13,
и12 и т. д., и белым — пятна с контурами
к5, кб, лб, иб. нб. н5, м5, л5 и к10, кН
и т. д. В этом случае I = 46 и, следова-
тельно,
7Т с = 46 х 8 + 3 • 1,58 373 бит.
Здесь уже количество информации в со-
общении меньше информационной емкости
кадра. Кроме того, выясняется, что зна-
чительная часть информации об изображе-
нии заключена в его контурах.
Продолжим поиск.
Способ шестой. Предложим абоненту на
серой бумаге нарисовать черный треуголь-
ник с вершинами в8, зЗ, з13, черный прямо-
угольник с вершинами и4, и12. о4. о12.
затем белые прямоугольники с вершинами
к5, кб, н5, нб, кЮ, кН, нЮ, нН.
В данном случае удалось существенно
сократить число элементов, положение ко-
торых требует указания (/ = 15) благодаря
априорной информации, заключенной в по-
нятиях «треугольник» и «прямоугольник».
Для того чтобы закодировать понятия
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
56
треугольник и прямоугольник с указанием
трех цветов (т = 3), понадобится 6 бит
информации, следовательно,
/тс = 15x8 + 6= 126 бит,
что в три с лишним раза меньше, чем
информационная емкость кадра.
Из рассмотренных 6 способов наиболее
экономичным оказался шестой. Можно ли
на основании этого сказать, что наше
изображение содержит 126 бит информа-
ции? Конечно, нет. Мы вправе лишь
утверждать, что сигнал, с помощью кото-
рого передано изображение, способен
перенести 126 бит информации. Поскольку
изображение не может содержать больше
информации, чем заключено в сигнале,
который его воспроизвел, то, по-видимому,
переданное изображение содержит не более
126 бит информации, но насколько меньше
этой цифры, сказать трудно. Все зависит
от того, в какой степени удалось учесть
при формировании сигнала статистические
свойства изображения и априорные сведе-
ния, имеющиеся у абонента.
Допустим, что разговор идет между
представителями двух проектных органи-
заций, для которых изображение домика
на рис. 3.2 стандартизовано и числится
под шифром Д 5. Тогда для передачи ин-
формации об изображении возможен...
Способ седьмой. Предлагаем нарисовать
объект Д5 с вершиной в точке в8.
Здесь уже нужно передать совсем немного
информации, чтобы абонент мог воспроиз-
вести передаваемое изображение.
Подведем итоги.
1. Информация о телевизионном изобра-
жении в общем случае содержит две
составляющие: пространственную (положе-
ние элементов изображения) и яркостную
(интенсивность излучения).
2. При детерминированной развертке,
когда порядок передачи элементов точно
задан и наперед известен (способ второй),
пространственная составляющая информа-
ции в телевизионном сигнале равна нулю.
количество информации в нем определяется
уравнением (3 14) и равно информационной
емкости кадра С помощью такого сш-
нала может быть передано любое слож-
ное изображение в пределах, ограничивае-
мых стандартом (числом элементов раз-
ложения Л' и числом градаций по уровню
т) независимо от статистических характе-
ристик изображения, определяемых корре-
ляционными связями между его элемен-
тами.
3. Наличие корреляционных связей меж-
ду элементами изображения позволяет при-
менить недетерминированную развертку и
тем самым в ряде случаев сократить ко-
личество передаваемой информации по ка-
налу связи. Для каждого класса изображе-
ний имеется свой наиболее эффективный
способ разложения.
Рассмотрим изображение, состоящее из q
последовательных кадров. Пусть, например,
изображение домика передается с движу-
щейся повозки и очередной кадр имеет
вид, представленный на рис. 3.2.6. Для
передачи этого нового кадра можно, ко-
нечно, воспользоваться одним из рассмот-
ренных способов. Однако, учитывая, 4jo
у абонента имеется некоторая априорная
информация (изображение предыдущего
кадра), можно попытаться передать изобра-
жение нового кадра более экономичным
способом, например продиктовать положе-
ние и цвет только тех элементов изобра-
жения. которые изменили свою яркость
(рис. 3.2. в), или еще проще — предложим
абоненту во втором кадре сдвинуть изобра-
жение домика вправо на величину одного
элемента.
Итак:
I. Количество информации Iq, содержа-
щееся в последовательности из q кадров,
благодаря корреляционным связям меньше,
чем суммарное количество информации
в q кадрах:
< Е Л, =
1 = 1
Информационная оценка параметров телевизионных изображений
57
где /к. — кочичество информации в i-м кад-
ре. Нк — энтропия кадра в данном ансамб-
ле визуальных сообщений.
2. Степень корреляционных связей может
быть оценена при сравнении соседних кад-
ров в первом приближении по числу эле-
ментов, изменивших свою яркость. Для
этого, однако, требуется запоминание ин-
формации, содержащейся по крайней мере
в предыдущем кадре.
3.3. IK IIXOKIBS Vll.ll \Я
ТВЬЫ 1()ЧН()( ТЬ IIЛЕВИИЮННЫХ
СООБЩЕНИЙ
Психоннзуальнач. или психофизн'ич кич, из-
быточность характеризует долю информа-
ции. которую в состоянии воспринять
зрительный аппарат человека по отно-
шению ко всей поступающей информации.
Максимальная производительность дат-
чика телевизионного сигнала в соответ-
ствии с уравнением (3 3) составляет
R. max = —-= «'V lOg2 т, (3.16)
' к-
где Ск — информационная емкость кадра,
1
tK — время передачи кадра; п =-----------
число кадров, передаваемых в секунду.
Подставляя в (3.16) параметры современ-
ной системы телевизионного вещания
(и = 25 1 с, N = 500 000. т = 32 л- 64). нахо-
дим:
R.max =(68 - 75)- 106 бит'с.
Пропускная способность зрительного
анализатора человека о оценивается в
О 5 z i к / a i G. С- Some Studies in the speed of
visual perception. IRE Trans. Inform Theory. 1956. v, 2,
N 3. p. 125.
50 — 70 битс, t. e. в миллион раз меньше,
чем производительность датчика телевизи-
онного сигнала. К последней цифре нужно
отнестись с некоторой осторожностью, так-
как неясна связь между общепринятыми
единицами измерения количества информа-
ции и принятыми в работе Сиклаи. Кроме
того, в этой цифре спрятана статистическая
избыточность телевизионного сигнала. Но
даже с учетом этих оговорок психовизу-
альная избыточность оценивается цифрой
в 2 — 3 порядка
Поиск источников этой избыточности
и путей ее уменьшения является одной из
важнейших задач на пути дальнейшего
совершенствования телевизионных систем.
Однако здесь встречаются большие труд-
ности. Прежде всего заметим что в теле-
видении доступ к зрительному анализатору
человека имеется только через сетчатку
глаза, а основная обработка изображения,
в резузьтате которой происходит осмыс-
ливание изображения, происходит в зри-
тельном анализаторе за сетчаткой. Можно
предположить, что в зрительном анализа-
торе происходит образное восприятие ин-
формации Увидев из окна движущейся
машины открывшийся на долю секунды
пейзаж, мы можем кратко описать его,
например; «проехали зеленую поляну, на
которой росла стройная береза». Четыре
обобщающих слова в сочетании: «поляна
зеленая, береза стройная», и каждый в
состоянии представить эту картину. По-
видимому, мы ее в общем и воспринимаем,
так как вряд ли сумеем ответить, напри-
мер. на вопрос: сколько было больших
веток на березе? А в телевизионном
изображении эта и другие подробности
должны быть воспроизведены Мы знаем,
что значительная часть информации заклю-
чена в контурах изображения; мы можем
по профилю лица узнать человека. Таким
образом может быть решена задача опозна-
вания. Но вряд ли нас удовлетворит кон-
тур изображения для художественного
восприятия образа. Как производится об-
работка информации в этом случае? Не
знаем. Поэтому не можем в полной мере
ликвидировать психовизуальную избыточ-
ность телевизионных сообщений. Однако
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
58
кое-что сделать можно. Поскольку ввод
информации в зрительную систему проис-
ходит через сетчатку глаза, рассмотрим ее
информационные характеристики.
В соответствии с законом Вебера — Фех-
нера ощущение пропорционально логариф-
му яркости, следовательно, число яркост-
ных градаций mL, воспринимаемых глазом,
меньше числа т градаций сигнала изобра-
жения по уровню при равномерном кван-
товании, что следует из (1.2). Поэтому
количество информации в элементе изобра-
жения
Ц = log2 mL < log2 т = С.,.
Учет этой особенности посредством не-
линейной обработки сигнала изображения
позволяет сократить среднее количество
информации на элемент примерно на
20-30%.
Уменьшение критической частоты слия-
ния мельканий при поочередной засветке
соседних элементов изображения на сет-
чатке позволяет сократить количество ин-
формации, поступающей в единицу времени
в органы зрения, до 2 — 4 раз. Благодаря
этой особенности зрения удается сокра-
тить производительность датчика телевизи-
онного сигнала за счет применения черес-
строчных или других сложных разверток.
Разрешающая способность глаза с рос-
том утла периферийности резко уменьша-
ется (рис. 1.9). Это дает возможность зри-
тельному аппарату человека при высокой
четкости и сравнительно малом числе
элементов разложения просматривать про-
странство в пределах большого угла об-
зора. Расчет показывает, что для одновре-
менного обзора пространства в пределах
утла 11° (средний утол обзора вещатель-
ной телевизионной системы) при угле раз-
решения в направлении зрительной оси
глаза у0 = 1,5' телевизионной системе
«нужно» 660 тыс. элементов разложения,
а глаз «использует» только ПО тыс., т. е.
в 6 раз меньше, а при угле обзора 80 это
отношение возрастает до 100. Несмотря на
столь большую психовизуальную избыточ-
ность, ее можно практически реализовать
только в некоторых специализированных
телевизионных системах, где имеется лишь
один наблюдатель.
3.4. СПЕКТР ЧАС 1'01
ТЕЛЕВИ {ИОННОГО СИГНАЛА
Рассмотрим как наиболее элементарную
телевизионную систему с детерминирован-
ной разверткой, предназначенную для пе-
редачи двумерного монохромного изобра-
жения, в которой информационная емкость
одного элемента изображения определяется
(3.7), а кадра — (3.8).
Допустим, что вследствие изменения
параметров источника телевизионных сооб-
щений во времени (например, из-за дви-
жения объекта) время передачи одного
кадра должно быть ограничено значением
Гк секунд, тогда согласно (3.16) максималь-
ная производительность датчика телевизи-
онного сигнала равна:
R. max = nN log2 т.
Максимальное количество информации,
которое способен произвести телевизион-
ный датчик за время Т,
Ц max = TR,~ max = TnN log2 m. (3.17)
Поскольку эта информация должна пройти
через канал связи, то, очевидно, его про-
пускная способность RK C должна удовлет-
ворять условию
D > П
1Хк.с max*
Принимая RK с = Яйтах из (3.6) и (3.17),
можно написать
nN log2 т = F log2 (1 + PjPJ.
Отсюда определим
канала связи:
nN log2 т
= log2(l +РС/РШ)
Обычно считают,
градаций в сигнале
нием эффективных
сигнала ГЕ и шума
полосу пропускания F
(3.18)
что число различимых
определяется отноше-
значений напряжений
Г/ш. Включая в число
Информационна я оценка параметров гелеви знойных изображении
59
градации и нулевой уровень, можно запи-
сать:
Uc .
т = + 1, (3.19)
V ш
Имея в виду, что Рс/Рш = (Пс/17ш)2,
с учетом (3.16) и (3.17) находим
Рис.3.3
= т2 — 2 —— = т2 — 2 (т — 1).
и ш
Исходя из этого (3.18) может быть пре-
образовано к виду
„ nN
Г = ОС <3-2°)
2log2 т
ГДе 3 log2 [т2 - 2 (т - 1)] '
При т = 2 а = 2, однако с увеличением т
а стремится к единице:
т 2 4 8 16 32 64
оГ 2 1,67 1,06 1,025 1,01 1,004 ’
В вещательном телевидении т > 1, поэтому
для определения полосы пропускания те-
левизионного канала пользуются форму-
лой
nN
i
которая совпадает с (3.20) при а = 1.
3.5. СТРУКТУРА СПЕКТРУ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
ПРИ ЛИНЕЙНОЙ РАЗВЕРТКЕ
Формула (3.20), определяющая ширину
полосы пропускания телевизионного ка-
нала связи, получена из условия равенства
производительности датчика телевизион-
ного сигнала и пропускной способности
канала связи, определяемой формулой Шен-
нона, которая выведена из условия, что
помехи в канале связи представляют «бе-
лый шум» и сигнал имеет такую же ста-
тистическую структуру. Между тем стати-
стическая структура «белого шума» будет
наблюдаться у телевизионного сигнала
лишь в том случае, если корреляционные
связи между кадрами и элементами
изображения отсутствуют. Это соответ-
ствует максимальной энтропии телевизи-
онных сообщений. Однако энтропия реаль-
ных телевизионных сообщений гораздо
меньше максимальной. Ведь изображения
соседних телевизионных кадров отлича-
ются незначительно, следовательно, телеви-
зионный сигнал, представляющий эти
кадры, должен быть квазипериодическим
и в связи с этим не может иметь струк-
туру спектра «белого шума».
Как известно из оптики, функция Lxy
распределения яркости в поле плоского
изображения может быть разложена по
пространственным координатам х, у в двой-
ной интеграл Фурье. В телевидении прост-
ранственные координаты х и у благодаря
развертке преобразовываются во времен-
ные с периодичностью строчной Тс и кад-
ровой Тк разверток (рис. 3 3):
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
60
а яркость Lxy — в уровень п(?) видеосигна-
ла, который оказывается квазипериодиче-
ской функцией строчной и кадровой час-
тоты
С достаточной для практики точностью
видеосигнал можно считать периодическим
(по крайней мере для неподвижных изобра-
жений) и тогда его легко разложить в
двойной ряд Фурье по периодам Тс и 7\:
ной частоты в спектре телевизионного
сигнала, наблюдаются глубокие провалы
При передаче подвижных изображений
спектральные линии будут смещаться в
пределах нескольких герц. Действительно,
пусть изображение перемещается в направ-
лении кадровой развертки со скоростью г.
Тогда частота f'K возвращения разверты-
вающего элемента к данной точке изобра-
жения окажется меньше кадровой частоты
fK (поскольку придется догонять изображе-
ние) и определится выражением
1 = 0 г=О
{cos [(//;. + г/;.) г - (ф, + фг)] +
+ cos [(//с - г/к) t — (ср, — ср,.)]} =
—у-COS [(If с + rf ft — (ф, + ф,)].
(3.21)
Из (3.21) видно, что частотный спектр
телевизионного сигнала дискретен и содер-
жит спектральные линии с частотами
ftr = //е ± Г/к-
Коэффициенты ряда Фурье и1г, определяю-
щие амплитуды соответствующих спект-
ральных составляющих, для реальных сиг-
налов с увеличением порядкового номера
/ и г быстро убывают. Таким образом,
спектр телевизионного сигнала содержит
постоянную составляющую и спектраль-
ные линии, образованные гармониками
строчной частоты с боковыми полосами
по обе стороны от этих линий, образо-
ванными гармониками кадровой частоты
(рис. 3.4). При этом в районе частот, крат-
ных нечетному числу полу периодов строч-
где гк — скорость развертки по кадру.
Соответствующее этой скорости откло-
нение частоты
Д/к = лТ-
к
Полагая
rK = nh = fKh,
где h — высота кадра, ап — число кадров,
передаваемых в секунду, получим:
Если, например, изображение перемешается
за одну секунду на высоту кадра (г =
= h, см с), то Д/\. = 1 Гц.
Таким образом, спектр телевизионного
сигнала содержит всплеск в районе посто-
янной составляющей (от 0 до нескольких
герц), затем имеется провал в спектре до
частоты /к, а участок спектра от fK до
верхней границы спектра содержит всплес-
ки с максимумами на частотах lfc и с про-
валами на частотах
4<2/+ О, где / = 0, 1, 2, ...
Провалы в спектре телевизионного сиг-
нала еще раз свидетельствуют о том, что
канал связи при передаче этого сигнала
работает с недогрузкой, следовательно, его
можно уплотнить.
Информационная оценка паромеiров le.ieBiiтонных изображений
61
Рис.3.4
3.6. ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕМНОГО.
ЦВЕТНОГО И CTFPEOHBETHOI О
ИЗОБРАЖЕНИЙ
До сих пор мы рассматривали плоское
монохромное изображение. Теперь несколь-
ко усложним задачу, поставив целью пере-
дачу изображения, ограниченного паралле-
лепипедом объемом V. Тогда число эле-
ментов разложения этого изображения
N, = .V.N.
где 1V. — число элементов разложения вдоль
оси a N — число элементов разложения
по плоскости ху. Информационная емкость
такого объемного монохромного кадра
аналогично (3.2) составит
Ск о = Arl log2 т = N.N log2 т = N.CK
и, следовательно, в N, раз превысит ин-
формационную емкость плоского изобра-
жения.
Допустим, что в объеме V нужно пере-
дать не только информацию об интенсив-
ности излучения (яркости) каждого эле-
мента изображения, но и о его спектраль-
ном составе Пусть число различаемых
спектральных полос (отсчетов) составляет
Л\. Тогда информационная емкость такого
цветного объехжого кадра составит
Ск о ц = N,A'ZA' log2 т = N,N.CK. (3.22)
Каковы же примерные значения N, и
Л'.? Если речь идет о передаче объектив-
ных физических параметров излучения —
распределении интенсивности в простран-
стве и по спектру, — что может представ-
лять интерес при изучении каких-либо
специфических (например, космических)
объектов, то значения N, и AL могут
составлять несколько сотен и даже тысяч.
При этом информационная емкость такого
кадра согласно (3.22) будет в сотни тысяч
раз превышать таковую для плоского мо-
нохромного изображения. Во столько же
раз при одинаковых параметрах должна
быть расширена полоса пропускания ка-
нала связи. Выполнить такую систему
сложно.
Однако при передаче визуальных сооб-
щений, даже таких сложных, как объемное
цветное изображение, информационная ем-
кость, определяемая этим выражением,
обладает большой психовизуальной избы-
точностью. Во-первых, глаз не является
спектральным прибором, регистрирующим
объективный физический параметр — спектр
излучения Глаз реагирует на некий субъ-
ективный параметр, называемый цветом.
Но для регистрации цвета не нужно знать
информацию о распределении большого
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
62
числа спектральных составляющих излуче-
ния, а достаточно иметь сведения только
о красной, зеленой и синей составляющих
цвета. Во-вторых, особенность восприятия
объемных изображений зрительным аппа-
ратом такова, что эффект объемности
может быть создан при помощи двух кад-
ров, полученных с двух разнесенных в
пространстве точек наблюдения.
Следовательно, информационная емкость
кадра сгереоцвстного изображения Скцо
может быть получена из (3.22), если при-
нять N, = 3 и Nz = 2:
Ск ц.о = 6N log2 т = 6С,
Информационная емкость двумерного цвет-
ного кадра Скц определяется из условия
Nx = 3, Nz = 1:
С = зс
VK.U
Информационная емкость кадра объем-
ного монохромного изображения (N-, = 1,
Nz = 2) составляет
Qo = 2СК.
Таким образом, если в качестве элемен-
тарного принять канал двумерного моно-
хромного телевидения, то для объемного
монохромного телевидения понадобится
два элементарных канала, для цветно-
го двумерного телевидения — три, а для
объемного цветного — шесть. Полученные
значения информационной емкости для
цветного и объемного кадров все же обла-
дают большой избыточностью, так как не
учитывают статистических свойств телеви-
зионных сообщений. Наличие корреляцион-
ных связей между элементами изображе-
ния и соседними кадрами, приводящих
к провалам в спектре частот плоского
монохромного изображения, позволяет пу-
тем уплотнения спектра передавать по
каналу монохромного телевидения цветное
и стереоцветное изображения.
3.7. О1.МН1НЫЕ ОПЕ1’\Ц1111
В I I II BI1.1I I 11111
Требования, предъявляемые к телевизион-
ному каналу связи, весьма высокие. На-
пример, при N = 500000, и = 25 и т = 41
необходимая полоса пропускания канала
связи составляет F = 6.25 МГц, а отноше-
ние РиРш = (т — I)2 = 1600. Однако далеко
не всегда эти параметры могут быть обес-
печены в канале связи. В одних случаях труд-
но осуществить заданное отношение PJPm
в других — заданную полосу пропускания.
Формула Шеннона показывает, что один
и тот же объем информации может быть
передан по каналу связи при разных соот-
ношениях сомножителей, входящих в (3.6).
Это дает возможность производить обмен-
ные операции между полосой, временем
передачи и динамическим диапазоном сиг-
нала. Целесообразность выполнения той
или иной обменной операции зависит от
назначения системы, особенностей переда-
ваемого изображения, используемого ка-
нала связи и пр. Например, сокращение
полосы пропускания приводит к повыше-
нию отношения Рс/Рш, т. е. к увеличению
динамического диапазона канала связи, так
как Рш = F. Следовательно, сокращая по-
лосу частот телевизионного сигнала, можно
увеличить отношение Рс/Рш при неизменной
мощности передатчика или уменьшить
мощность передатчика при сохранении не-
изменным отношения Рс/Рш. Для сохране-
ния при этом объема информации неиз-
менным приходится увеличивать время
передачи кадра. Однако это возможно
только в том случае, если передаваемые
изображения малоподвижны. В ряде слу-
чаев такой обмен между полосой и вре-
менем представляется целесообразным,
например при создании видеосвязи по
телефонным линиям, полоса пропускания
которых ограничена десятком килогерц,
или в системах космической связи, где
мощность передатчика ограничена из-за
экономии массы аппаратуры. В частности,
Информационная оценка параметров телевизионных изображений
63
при передаче изображения обратной сто-
роны Луны советской автоматической стан-
цией «Луна-3» телевизионная аппаратура
обеспечивала передачу изображения на рас-
стояние около 400 тыс. километров с вре-
менем развертки одного кадра Тк = 30 мин.
При необходимости передачи быстродви-
жугцихся изображений приходится произво-
дить обратный обмен времени на полосу,
т. е. расширять полосу телевизионного сиг-
нала, чтобы сократить время передачи
кадра.
В некоторых случаях, например при
сверхдальних космических связях, выгоден
обмен динамического диапазона на полосу
пропускания. В приведенном примере сни-
жение числа градаций с 41 до 2 позволяет
уменьшить Рс/Рш в 1600 раз. Однако для
сохранения количества информации, пере-
даваемой в единицу времени, неизменным
необходимо расширить полосу пропуска-
ния системы в log2 (1 + 1600), т. е. в 10,6 раза,
что приведет, однако, к возрастанию мощ-
ности шумов тоже в 10,6 раза (так как
Рш = F). С учетом этого оказывается, что
при таком обмене за счет расширения
полосы пропускания канала в 10,6 раза
мощность передатчика может быть умень-
шена в 1600/10,6 = 150 раз. Такая обменная
операция реализуется в некоторых системах
цифрового телевидения, где яркость каж-
дого элемента изображения представляется
в цифровом двоичном коде и передается
по каналу связи в виде последовательности
двоичных символов.
З.Х. ЭФФЕКТИВНОСТЬ
КОДИРОВАНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Термином «кодирование» обозначим преоб-
разование телевизионного изображения в
одномерный электрический сигнал посред-
ством развертки с возможной последую-
щей дополнительной обработкой этого
сигнала. В § 3.2 было отмечено, что
затраты на передачу одного и того же
изображения зависят от способа его коди-
рования. Для сравнительной оценки раз-
личных способов кодирования изображения
введем понятие информационной эффектив-
ности кодирования телевизионного сооб-
щения и определим его как отношение
информационной емкости элемента изоб-
ражения к среднему количеству информа-
ции, приходящемуся на элемент в теле-
визионном сигнале, т. е. к энтропии Нэ с
на элемент в сигнале:
Сэ
э = . (3.23)
“ э.с
Информационная эффективность достигает
максимума при минимуме энтропии Н, с
телевизионного сигнала. В оптимальной
телевизионной системе энтропия телевизи-
онного сигнала Н)с равна энтропии II,
элемента телевизионного изображения. В
связи с этим определение реальной энтро-
пии телевизионных изображений представ-
ляет большой теоретический и практиче-
ский интерес, однако из-за сложности до
настоящего времени эта задача удовлетво-
рительного решения не имеет. Поскольку
реальную энтропию телевизионного изоб-
ражения мы не знаем, то не можем сказать,
насколько та или иная телевизионная сис-
тема близка к оптимальной. Ясны требо-
вания к оптимальной телевизионной сис-
теме. Она должна «уметь» проанализиро-
вать ансамбль изображений, на основании
статистических особенностей этих изобра-
жений определить энтропию визуального
сообщения, отыскать наиболее рациональ-
ный способ кодирования сообщения, про-
извести с учетом этого способа кодирования
преобразование визуального сообщения
в электрический сигнал, передать этот
сигнал по каналу связи, а затем произвести
восстановление изображения в приемном
устройстве.
Исходя из этого следует, что системы
с детерминированным законом разложе-
ния с информационной точки зрения не
могут быть в общем случае оптимальными.
ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
64
Оптимальные системы должны быть само-
настраивающимися.
Проанализируем рассмотренные ранее
способы разложения изображения одного
кадра с точки зрения критерия информа-
ционной эффективности. Энтропию на эле-
мент Н1с можно определить как отноше-
ние количества информации /, с, передавае-
мой сигналом за время кадра, к числу У
элементов в кадре. Тогда информационная
эффективность
Э = С„Н, с = УС /тс = Ск /тс, (3.24)
где Ск — информационная емкость кадра
При идеальной детерминированной раз-
вертке (способ второй) согласно (3.14)
/т с = Ск и. следовательно. Э = 1. При таком
способе развертки может быть передано
изображение любой сложности (в пределах
ограничений стандарта, т. е. для заданного
У и ж), даже такое, в котором корреля-
ционные связи между элементами полно-
стью отсутствуют. Если детерминирован-
ная развертка неидеальна и приходится
передавать дополнительную информацию,
то Э < 1 (способ третий). Если развертка
недетерминированна и осуществляется с
рациональным учетом статистических ха-
рактеристик изображения (способы пять —
семь), то Э > 1. Чем больше Э, тем ра-
циональнее с информационной точки зре-
ния построена система
Возможность статистического согласова-
ния основана на том, что реальная энтро-
пия телевизионного сообщения гораздо
меньше максимальной. Это значит, что для
передачи информации, содержащейся в те-
левизионном кадре, достаточно передать
состояние только / из N элементов разло-
жения изображения; для передачи инфор-
мации, содержащейся в последовательно-
сти из q кадров, достаточно передать
Э/ < ql отсчетов из максимально возмож-
ного числа qN.
Проведем оценку информационной эф-
фективности гипотетической системы с не-
детерминированным способом разложения
изображения, при котором передается ин-
формация об I элементах из У. отличаю-
щихся по яркости от фона Эффективность
кодирования
„ С„ У1ое2ж
Э = — =------- —-----------=
/тс / (log2 т + log, У)
У 1
=---------------------. (3.25)
/ 1 + log2 Л log2 т
Применение недетерминированной разверт-
ки имеет смысл в том случае, если оно при-
водит к повышению эффективности сис-
темы до значения больше единицы, что
соответствует условию
/ 1
N 1 + log2 У log, т
На рис. 3.5 приведено семейство кривых
IK
Г
Л
от т для разных N. соответ-
ствующих Э = 1. Если статистические ха-
рактеристики изображений таковы, что для
них //У лежит ниже этих кривых, то при-
менение недетерминированной развертки
оправдано (вопрос об экономической эф-
фективности системы здесь не обсуждается).
В заключение отметим, что применение
недетерминированной развертки для созда-
ния статистически coi ласованной телеви-
зионной системы, даже при сравнительно
малой энтропии изображения, не дает
значительного выигрыша в эффективности
из-за существенного возрастания объема
информации по каналу развертки. Следует
также учесть, что системы с недетерми-
нированными развертками, как правило,
гораздо сложнее обычных, поэтому целе-
сообразность их применения в том или
ином конкретном случае должна быть
тщательно проанализирована.
В настоящее время они применяются
главным образом в системах телевизион-
ной автоматики, работающих совместно
с ЭВМ.
Информационная опенка параметров i еле ни июнных изображений
65
3.9. ПРИМЕРЫ
ИНФОРМАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ
Пример I.
Оценить информационную эффективность разложе-
ния для идеально сконструированной телевизионной
системы, в которой изображение разлагается на
N = 500 000 элементов при т — 64, если из анализа
статистики класса изображений, для которых строится
система, получено среднее значение 1/N =0А.
По графику (рис. 3.5) для заданных т и N находим
значение l‘;N = 0,23. Отсюда информационная эффек-
тивность разложения
Пример 2.
Оценить эффективность монохромной системы теле-
визионного вещания.
В системе телевизионного вещания имеются потери
на обратные ходы разверток и предусматривается
повышение уровня сигнала для передачи импульсов
синхронизации. Поэтому максимальная энтропия теле-
визионного сигнала в системе вещания с с учетом
(2.7) составляет
Н®. С = |Нр. [(1 - ₽к)(' - Рс)] ! *°g2 ("’вс + «си)-
1де твс и тси — соответственно число уровней, необ-
ходимое для передачи видеосигнала и синхроим-
пульсов.
Эффективность системы вещания Эв согласно (3.24)
составляет
G _ _ Vpl°g2 "'вс____________
Нт. С ^р)°₽2 ('«ВС *" '«СИ» CU “ Рк)О “ Рс)]
log2 (1 + тси/П1
вЭ
log2 mBC
Пользуясь параметрами стандартного телевизион-
ною сигнала (рис. 4.8), определим:
(25-64 + 12)- 106
20 10’
= 0,081;
12 106
Ы 10"
= 0.188;
= Пси = 30,4 = 04%
'«вс Пвс 69,6
где Тк г и Тс г — длительности кадровою и строчного
гасящих импульсов; С'си и 1/вс — соответственно от-
носительные уровни сигналов синхроимпульсов и
видеосигнала.
Принимая твс = 32. определяем
Эв-
0,745
1,1
= 0,678.
Таким образом, информационная эффективность
вещательного телевидения составляет около 68°О.
Пример 3.
Оценить эффективность системы со следящей разверт-
кой по контуру при анализе двухградаиионных изоб-
ражении (т = 2) в виде темных пятен на светлом
фоне, если из статистики передаваемых изображений
известно: форма пятен близка к круглой, средний
коэффициент заполнения кадра пятнами (по площади)
равен ф. Потерями на режим поиска пренебречь.
По-видимому для передачи информации об изоб-
ражении достаточно определить положение 1К элемен-
тов контуров из полного числа N элементов разло-
жения:
/к = = 2/Уф/К,
где /( и — длина контура и площадь i-ro пятна;
R — средний радиус пятен, выраженный в числе эле-
ментов разложения. Энтропия сигналов при рассмат-
риваемой следящей развертке
= /к log2 N = [2Мф/К] log2 N,
а информационная эффективность системы
Э = -----= — — -——— —-—• — ----
Нел [2г\ф, К] log2 .V 2ф log2 N
Если, например, ф = 0,25, a N = 500 000. то Э R/10.
В этом случае информационная эффективность сле-
дящего разложения больше единицы, если средний
диаметр пятна превышает 20 элементов разложения
wm\
4. КЛАССИФИКАЦИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
И ПОСТРОЕНИЕ
ВЕЩАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
МОНОХРОМНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
4.1. K.I \( ( ифик шия
IIIIIHI 1111)11НЫ\ (И( НМ
Совокупность оптических, электронных и
радиотехнических устройств, предназначен-
ных для преобразования изображения в
электрический сигнал, передачи его на
расстояние, синтеза изображения по элект-
рическому сигналу или обработки послед-
него для извлечения необходимой инфор-
мации, образуют телевизионную систему.
По области применения телевизионные
системы можно разделить на вещательные
и специализированные (рис. 4.1).
Вещательные системы являются наибо-
лее развитыми. Построены они по прин-
ципу чересстрочной развертки слева на-
право и сверху вниз и различаются лишь
параметрами разложения. По качествен-
ному признаку передаваемой информации
вещательные системы делятся на моно-
хромные (черно-белые), цветные, объемные
и стереоцветные. В настоящее время в мире
действуют преимущественно два стандарта
разложения: европейский — 625 50(625 строк
при 50 полях в секунду) и американский —
525 60 и используются три совместимые
системы цветного телевидения: NTSC,
СЕК AM, PAL, различающиеся между собой
методом передачи сигналов цветности.
Специализированные системы разнооб-
разны как по структуре, гак и по техни-
ческим характеристикам. По способу пере-
дачи и обработки информации их можно
разделить на аналоговые и цифровые;
в зависимости от спектральной области
излучения источника информации — на сис-
темы светового и несветового диапазонов;
по выполняемым функциям — на системы
видеосвязи, визуализации изображений не-
светового диапазона и автоматы; по пара-
метрам разложения — со стандартным и
нестандартным разложениями; по способ}
развертки — на системы с детерминирован-
ными и следящими развертками.
Системы видеосвязи и визуализации так
же, как и вещательные, могут быть моно-
хромными, цветными, объемными и стерео-
цветными.
Телевизионные автоматы классифициру-
ются по основной производственной опе-
рации.
Системы видеосвязи получили пока что
наибольшее распространение. Их области
применения: диспетчерская служба, наблю-
дение за гехнологическими процессами на
производстве, видеотелеметрия, обеспечи-
вающая изучение объектов и их парамет-
ров в условиях, недоступных непосред-
ственному наблюдению (атомная энерге-
тика. подводный мир. хирургические опера-
ции, космические корабли), видеотелефон-
ная связь (наземная, подводная, космиче-
ская) и т.д. В системах видеосвязи чаше
всего используется стандартное (вещатель-
ное) разложение. Однако в ряде случаев
параметры разложения могут существенно
отличаться от стандарта телевизионного
вещания. Для повышения надежности связи
на больших расстояниях, например с косми-
ческими объектами, применяют цифровые
телевизионные системы.
Системы визуализации предназначены
для наблюдения изображений в невидимых
л} чах: электронных (растровые электронные
микроскопы), гамма, рентгеновских, инфра-
красных. ультрафиолетовых (дефектоско-
пия. изучение особенностей биологических.
ГЕ. IFВЦ »IOHHЫЕ СИСТЕМЫ
68
Телевизионные системы
Вещательные
Специализированные
Стандарт 525/60
Стандарт 625/50
Аналоговые
Цифровые
Монохромные
Цветные
Светового Несветового
диапазона диапазона
NTSC
СЕКАМ
PAL
Рис.4.1
Классификация телевизионных сие1ем и построение вещательной системы монохромно!о телевидения
64
геологических и других структур, обнару-
жение объектов с соответствующим спект-
ром излучения и т. д.), СВЧ-радиодиапа-
зона и акустических волн (радиовидение,
звуковидение). В системах визуализации
цветное изображение формируется спектро-
зональным методом. Сущность метода
заключается в том, что исходное изобра-
жение разделяется на зональные изображе-
ния, лежащие полностью или частично вне
светового диапазона. Каждое зональное
изображение воспроизводится в определен-
ном цвете. В результате сложения зональ-
ных изображений образуется цветное изоб-
ражение объекта, которое является услов-
ным (псевдоцветным), поскольку зоны ле-
жат в области невидимых излучений, а
изображение формируется в световом диа-
пазоне. однако оно обладает высокой ин-
формативностью благодаря образованию
цветового контраста.
Особенность телевизионных автоматов
(ТВА) в наличии системы опознавания и
необязательном преобразовании видеосиг-
нала в изображение. Основное назначение
ТВА — поиск и опознавание объектов, из-
мерение их геометрических характеристик,
сортировка, подсчет количества, преобразо-
вание различного рода iрафиков, осцилло-
грамм, электрокардиограмм в электриче-
ский кодированный сигнал, опознавание
печатного текста с преобразованием его
в другой вид информации, астроориентация
и г. д. Во всех случаях телевизионный
сигнал обрабатывается логическими уст-
ройствами. входящими в состав автомата,
либо предусматривается ввод информации
в универсальную ЭВМ, осуществляющую
обработку этой информации.
4.2. СТРУКТУРА
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ
Телевизионное вещание обладает самой большой ауди-
торией по сравнению с другими средствами массовой
информации. Около 300 млн. телевизоров находится
в эксплуатации у населения Земли, из них 65 млн.
приходится на население Советского Союза. Телеви-
зионная сеть обеспечивает создание телевизионных
программ и возможность приема их на большой
территории.
В состав передающей телевизионной сети СССР
входят (рис. 4.2): Общесоюзный программный телеви-
зионный центр (ОПТЦ) с передающей ра тиостанцией
и редакцией центрального телеви тения: программные
телецентры (ПТЦ) городов страны со своими редак-
циями: аппаратная Центра междугородного и между-
народного телевидения (ЦММТ). куда поступают сиг-
налы от программных телевизионных центров, а
также от систем «Интервидение» и «Евровидение».
С аппаратной ЦММТ телевизионная программа по
сети радиорелейных и кабельных линий связи распре-
детяется на радиопередающие телевизионные станции
(РТС). Для отдельных районов страны готовится
специальная программа «Орбита», транслируемая
с помощью передающих станций (ПС) системы
ТЕЛI•ВМШОННЫЕ СИСТЕМЫ
70
Гасящие импульсы: приемника
трубки
Видеосигналы
от других
ИСТОЧНИКОВ
ЛУ
Синхросмесь
Главное
ВКУ
к
модулятор\
передатчика
сг
Синхроимпульсы
Рис.4.3
«Орбита» через искусственные спутники Земли (ИСЗ)
типа «Молния» на приемные пункты (ПП) системы
«Орбита», связанные с РТС. Параметры раз-
ложения изображения соответствуют европейскому
стандарту 625/50, а цветное изображение передается
по системе СЕ КАМ.
И телевизионном вещании используются метровые
и дециметровые волны примерно от 40 до 1000 МГц.
Весь этот участок разбит по частоте на пять полос:
I 41-68 МГц; IV 470-528 МГц:
П 87,5-100 МГц: V 582-960 МГц.
П1 162-230 МГц;
Первые три полосы расположены в области метро вых
волн, последние две — в области дециметровых. По
стандарту СССР в метровом диапазоне от 48,5 до
230 МГц размещаются телевизионные каналы с № 1
по № 12, в IV полосе с № 21 по № 34 и в V полосе
с № 35 по № 81.
Современный телевизионный центр представляет
собой комплекс радиотехнической аппаратуры, поме-
щений и служб, обеспечивающий возможность вести
телевизионное вещание. В состав программного теле-
центра входят: аппаратно-студийный комплекс. УКВ-
радиостанпия, опора с антенно-фи черными устройст-
вами, электросиловой цех. вспомога 1ельные службы
и помещения, а также трансляционные устройства для
внестудийных передач — передвижные телевизионные
станции и трансляционные телевизионные пункты.
43. 5 ( ИЛИТЕЛЬНЫИ ТР\КТ
МОНОХРОМНОЙ ГГ.IEBI1 тонной
С IK ТЕМЫ
Важнейшим элементом телевизионной сис-
темы, выполняющим роль связующего
звена между датчиком телевизионного сиг-
нала и воспроизводящим устройством,
является видеоусилительный тракт. К нему
предъявляются специфические требования,
определяемые особенностями видеосигнала
и зрительного аппарата человека, несовер-
шенством датчиков телевизионного сигнала
и воспроизводящих устройств.
Одна из особенностей видеосигнала за-
ключается в том, что он униполярен, дру-
гая — что информация содержится в форме
сигнала. Для неискаженной передачи формы
сигнала нужно обеспечить не только равно-
мерную частотную характеристику, как при
передаче звуковых сигналов, но и линей-
ность фазовой характеристики. Преобразу-
ющие и воспроизводящие устройства, при-
меняемые в телевидении, далеко не идеаль-
ны. Они создают шумы, вносят линейные
и нелинейные искажения в видеосигнал,
поэтому в видеотракте наряду с усилением
сигнала производится корректировка иска-
жений, вносимых датчиками, усилителями
и воспроизводящими устройствами.
Сигнал изображения (видеосигнал) фор-
мируется передающей трубкой ПГ(рис. 4.3)
на уровне 10 — 20 мВ и усиливается до
уровня 50—300 мВ в предварительном
усилителе ПУ. Предварительный усилитель,
передающая трубка, блок развертки БР для
нее, оптическая система О и электронный
видоискатель ВИ объединены в телевизи-
Классификация i ел еви тонных систем и посiроение вещаle.ibnoii сискемы монохромною (елевидения
71
Рис.4.4
онную камеру. В предварительном усили-
теле ПУ производится противошумовая
коррекция, заключающаяся в подборе такой
формы частотных характеристик отдель-
ных каскадов усилителя, при которой мак-
симизируется отношение сигнал/шум. С вы-
хода предварительного усилителя по кабелю
видеосигнал поступает в промежуточный
усилитель ПрУ для повышения уровня до
1 В. К выходу промежуточного усилителя
подключены апертурный и гамма-коррек-
тор АК и ГК. Апертурная коррекция пред-
назначена для компенсации искажений, воз-
никающих из-за конечных размеров апер-
туры развертывающего элемента, проявля-
ющихся в размытии резких границ изобра-
жения (§ 2.3). Гамма-корректор предназна-
чен для компенсации нелинейных искажений
в тракте, основным источником которых
являются кинескопы и в меньшей степени —
передающие трубки. Нелинейные искажения
элементов телевизионного тракта обычно
характеризуются степенной зависимостью
с различными значениями показателя сте-
пени у. Гамма-корректор для компенсации
этих искажений вводит обратную нелиней-
ность. Пусть Еу— сигнал на входе гамма-
корректора. На выходе гамма-корректора
образуется сигнал Е'у = аЕ1^, где а — коэф-
фициент пропорциональности.
С выхода гамма-корректора сигнал по-
ступает в смесительный усилитель на пуль-
те режиссера, в который могут быть вве-
дены видеосигналы от других датчиков:
студийных, диа- и кинопроекционных камер,
видеомагнитофонов и т. д. Участок телеви-
зионного тракта от выхода камеры до
входа смесительного усилителя называется
камерным каналом. На выходе каждого
камерного канала устанавливаются видео-
контрольные устройства (ВКУ) для про-
смотра изображения в данном канале.
После смесительного усилителя сиг нал по-
падает в линейный усилитель, а оттуда
на модулятор радиопередатчика.
Спектр телевизионного сигнала содержит
среднюю составляющую, прямая передача
которой требует применения усилителей
постоянного тока. Для упрощения телеви-
зионного канала нижнюю границу полосы
пропускания усилительного тракта ограни-
чивают частотой полей. Это приводит
к искажениям сигнала изображения, кото-
рые необходимо компенсировать.
На рис. 4.4,6 приведены видеосигналы
от двух исходных изображений (рис. 4 4, а).
Изображение 1 (черная полоса на белом
фоне) имеет большую среднюю состав-
ляющую U01, а изображение 2 (белая
полоса на черном фоне) имеет малую
среднюю составляющую U02- Максималь-
ный размах видеосигнала от уровня белого
Пб до уровня черного U4 равен U'p. Если
последовательность сигналов (рис. 4.4,6)
пропустить через разделительную ЕС-це-
почку, то на ее выходе линии средних
составляющих обоих сигналов будут распо-
лагаться на нулевом уровне (рис. 4.4. в).
Модуляция такими сигналами приемной
телевизионной трубки приводит к непра-
вильной передаче градаций яркости изобра-
жения. так как уровни черного и белого
в сигналах оказываются смешенными.
Кроме того, увеличивается динамический
диапазон видеосигнала (Up > L;p), что ведет
к неоправданному повышению мощности
телевизионного передатчика В связи с этим
на входе модулятора передатчика средняя
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
72
Строчные синхроимпульсы
гашения
черного
Уровни:
синхро
импульсов
Кадровый гасящий импульс
Видеосигнал
Уровень
гася щи й
импульс
Кадровый синхроимпульс
Уровень ограничения
белого
Рис.4.7
Классификация телевизионных систем и построение вещательной сисвемы монохромною телевидения
73
составляющая видеосигнала должна быть
восстановлена. Это достигается замешива-
нием в видеосигнал на интервалах обрат-
ного хода строчной и кадровой разверток
гасящих импульсов, уровень которых уста-
навливается пропорциональным средней
составляющей видеосигнала. После фикса-
ции вершин этих импульсов на уровне
черного средняя составляющая видеосиг-
нала оказывается восстановленной. Таким
образом, в телевидении передача средней
составляющей видеосигнала производится
косвенным путем.
4.4. КАНАЛ СИНХРОНИЗАЦИИ
Наряду с видеосигналом необходимо фор-
мировать различные виды управляющих
импульсов, без которых работа телевизи-
онной системы невозможна. Эту задачу
выполняет синхрогенератор, который фор-
мирует пять видов импульсов: строчные
и кадровые, ведущие импульсы, предназна-
ченные соответственно для синхронизации
генераторов строчной и кадровой разверток
в передающих трубках и видеоконтрольных
устройствах; гасящие импульсы передающей
трубки, предназначенные для запирания
электронного луча в передающей трубке
во время обратного хода строчной и кад-
ровой разверток; гасящие импульсы прием-
ных трубок, предназначенные для тех же
целей, но в приемных трубках, синхросмесь,
состоящую из последовательности строч-
ных и кадровых синхроимпульсов и пред-
назначенную для синхронизации строчной
и кадровой разверток телевизионных прием-
ников.
Гасящие импульсы приемных трубок за-
мешиваются в видеосигнал в промежуточ-
ном усилителе. Они превышают по дли-
тельности гасящие импульсы для передаю-
щих трубок. Это позволяет перекрыть
возможные сдвиги сигналов во времени,
например при переключении камер, имею-
щих кабели разной длины В линейном
усилителе в видеосигнал добавляется син-
хросмесь телевизионных приемников Таким
образом, полный телевизионный сигнал
состоит из видеосигнала (рис. 4.5), строч-
ных гасящих импульсов, кадровых гасящих
импульсов, строчных и кадровых синхро-
импульсов. Выбирая форму полного теле-
визионного сигнала, исходят из условия
максимального упрощения приемника при
одновременном обеспечении устойчивой
синхронизации и высокой помехоустойчи-
вости телевизионного приема. Для удов-
летворения этого условия во всех веща-
тельных телевизионных системах сигналы
синхронизации передаются во время обрат-
ного хода строчной и кадровой разверток.
Импульсы синхросмеси размещаются на
гасящих импульсах за пределами уровня
черного и могут быть легко отделены от
сигнала изображения методами амплитуд-
ной селекции. Возможность выполнить раз-
личными по длительности строчные и
кадровые синхроимпульсы позволяет срав-
нительно просто разделить их методами
временной селекции, например при помощи
дифференцирующих и интегрирующих це-
почек. Как видно из рис. 4.6 а,б, приме-
нение синхросигнала такой формы не обес-
печивает синхронизации генератора строч-
ной развертки в период прохождения кад-
рового синхроимпульса. Поэтому после
окончания кадрового синхроимпульса про-
цесс установления частоты генератора
строчной развертки происходит не сразу,
что может привести к срыву нескольких
строк.
Для обеспечения непрерывной синхрони-
зации генератора строчной развертки в кад-
ровом синхросигнале формируют врезки
(рис. 4.6, в, г).
При чересстрочной развертке приходится
еще больше усложнять синхросмесь из-за
различия в форме сигналов четного и
нечетного полей (рис. 4 7, а, б, в) для удоб-
ства сравнения синхроимпульсы обоих по-
лей нарисованы друг под другом). Как
следует из рис. 2.17, а, первое (нечетное)
поле заканчивается на половине последней
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
74
строки и, следовательно, начало кадрового
синхроимпульса сдвинуто относительно
последнего строчного синхроимпульса в
этом поле на половину длительности строки
(рис. 4.7, б), в то время как второе (четное)
поле заканчивается целой строкой и. сле-
довательно, начало строчного и кадрового
синхроимпульсов в этом случае совпадает
(рис. 4.7, а). Различие этих сигналов создает
не идентичность форм интегрированных им-
пульсов первого и второго полей (рис. 4.7, в),
приводящую к относительному временному
сдвигу Af начала кадровой развертки в не-
четном и четном полях, что влечет за
собой сдваивание строк. Для идентифика-
ции синхросигналов обоих полей в них
добавляют врезки и уравнивающие им-
пульсы с двойной строчной частотой. Они
не оказывают влияния на работу генера-
тора строчной развертки, который во время
прохождения этих импульсов работает в
режиме деления частоты на 2.
На рис. 4.8 приведена стандартизованная
в СССР форма полного телевизионного
сигнала. Его основные параметры приве-
дены в табл. 3. Длительность импульсов
отсчитывается в точках половинного уров-
ня, а длительность фронтов — между уров-
нями 0,1 и 0,9. Из-за необходимости под-
держания жесткой связи между колебания-
ми строчной и кадровой разверток для
образования всех импульсов применяется
общий опорный генератор ОГ (рис. 4.9),
формирующий сигнал двойной строчной
частоты 2/с, из которого с помощью
делителя 1:2 получают импульсы строч-
ной частоты /с, с помощью делителя
1 : z — импульсы частоты кадровой раз-
вертки /к (частоты полей). Опорный гене-
ратор может работать в автономном ре-
жиме с синхронизацией от кварцевого
генератора КГ или в режиме внешней
синхронизации, или в режиме синхрониза-
ции частоты кадровой развертки с часто-
той сети. В этом случае на фазовом диск-
риминаторе ФД сравниваются частоты кад-
ровой развертки с частотой сети и напря-
жение разбаланса через управляющий эле-
мент УЭ изменяет частоту опорного гене-
ратор;! до достижения равенства сравни-
ваемых частот.
4.5. ПЕРЕДАЧА
ГЕ.11 ВИШОННО1 О С ИГ Н АЛА
ПО РАДИОКАНАЛА
И ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ
ГЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ
Для передачи телевизионных программ
используется ультракоротковолновый и де-
циметровый диапазоны волн, так как видео-
сигнал занимает широкую полосу частот.
Сантиметровые волны из-за сильного по-
глощения в атмосфере применяются только
для радиорелейных линий связи, передвиж-
ных телевизионных станций и других спе-
циальных целей. Для ограничения полосы
частот, занимаемой телевизионным кана-
лом, применяют амплитудную модуляцию
передатчика видеосигналом. Однако при
обычной амплитудной модуляции спектр
частот радиосигнала содержит две боковые
полосы и занимает спектр в два раза шире,
чем модулирующий видеосигнал, т. е. около
13 МГц. Для сужения полосы частот, от-
водимой телевизионному каналу, одна боко-
вая полоса частично подавляется.
Векторная диаграмма при амплитудной
модуляции несущей частоты ш передат-
чика гармоническим сигналом с частотой
Q представляется суммой трех векторов
(несущей и двух боковых частот, рис. 4.10. а),
которые, складываясь, дают результирую-
щий вектор F, всегда совпадающий по
фазе с вектором несущей частоты. Его
амплитуда изменяется по гармоническому
закону с частотой модулирующего сигнала.
При подавлении одной боковой полосы
возникает паразитная фазовая модуляция
(рис. 4.10,6) и нелинейные искажения за
счет того, что амплитуда результирующего
вектора уже не будет изменяться по гар-
моническому закону. Заметим, что эти иска-
жения будут проявляться тем слабее, чем
Классификация телевизионных систем и построение вещательной системы монохромного телеви (ения
75
а
Сигнал строки
71 771 И
/
Кадровый
си нхро и м п ул ьс
т
Строчный гасящий импульс
Уровни:
белого
т VnTlITUJlJUUmm ItZ
- черного
к
Уровни:
белого
синх po-
ll м пульсов
К
2-е поле
К К / к
Строчный
синхроимпульс
К К К
Кадровый
гасящий
импульс
К К
Уравнивающий
импульс
— гашения
1-е поле
Рис.4.8
_ синхро-
импульсов
2-е поле
Таблица 3
Длительность элементов стандартного
телевизионною сигнала
Наименование импульса
Номинальная
длительность,
мкс
Строчный гасящий
Строчный синхронизирующий
Передний уступ по строке (сдвиг
между началом гасящего и началом
строчного синхронизирующего
пульсов)
Уравнивающий
Врезка
Кадровый синхронизирующий
Кадровый гасящий
им-
4,7
1.5
2,35
4,7
160
1612
12
ФД
От внеш не 1’0
генератора
Рис.4.9
Рис.4.10
Рис.4.11
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
76
Ц:.и
Ц
Uo
-------и«
- ----------Ucu
t t
Рис.4.12 а
меньше глубина модуляции. Нелинейные
искажения телевизионного сигнала прояв-
ляются в нарушении градаций яркости
передаваемого изображения, на что зри-
тельный аппарат человека реагирует слабо.
Это позволяет в телевизионном вещании
допустить значительно менее жесткие тре-
бования к нелинейным искажениям сигнала,
чем в радиовещании. Частичное подавление
одной (чаще нижней)- боковой полосы
обеспечивает передачу низкочастотных сиг-
налов, соответствующих крупным деталям,
без искажений. На мелких же деталях
искажения заметны слабее вследствие ма-
лости деталей и меньшей глубины моду-
ляции на высоких частотах.
Звуковое сопровождение передается по-
средством частотной модуляции. Спектр
сигнала звукового сопровождения непосред-
ственно примыкает к спектру видеосигнала.
Согласно телевизионному стандарту СССР,
разнос частот несущих звука/н з и изобра-
жения/ни составляет 6.5 МГц (рис.-4.11),
ширина одного телевизионного канала
8 МГц, максимальная девиация несущей
частоты звука +50 кГц.
Униполярность видеосигнала допускает
два способа модуляции несущей изобра-
жения. Позитивная модуляция (рис. 4.12, б),
при которой более светлым местам изобра-
жения соответствует большая мощность
5
излучения передатчика и негативная моду-
ляция, при которой более светлым местам
изображения соответствует меньшая мощ-
ность излучения передатчика (рис. 4.12, а).
На рисунке обозначено: — уровень бе-
лого; U4 — уровень черного, 1/с и — уровень
синхронизирующих импульсов.
В большинстве стран, в том числе и
в СССР, принята негативная модуляция.
В Великобритании, Франции и в странах
с французским стандартом принята пози-
тивная модуляция. Оба вида модуляции
имеют достоинства и недостатки. При не-
гативной модуляции импульсные помехи
создают на изображении темные пятна
на более светлом фоне, которые вследствие
особенностей зрения менее заметны, чем
светлые пятна на более темном фоне, об-
разуемые помехами при позитивной моду-
ляции. Импульсы помех большого уровня,
попадая при позитивной модуляции на
кинескоп, приводят к расфокусировке элект-
ронного луча и в результате этого к уве-
личению диаметра белых пятен, что делает
их еще заметнее. Вместе с гем импульсы
помех при негативной модуляции оказы-
вают большее воздействие на цепи синхро-
низации. чем при позитивной, так как при
амплитудной селекции они отделяются на-
равне с синхроимпульсами.
При негативной модуляции в приемных
Классификация 1елевизнойных систем и построение вещательной системы монохромною телевидения
77
устройствах упрощается построение схем
автоматических регулировок усиления, по-
скольку опорным может служить сигнал
максимального уровня, соответствующий
синхроимпульсам. При использовании оди-
наковых ламп в выходном каскаде пере-
датчика в случае негативной модуляции
допускается большая мощность в режиме
максимального сигнала, чем при позитив-
ной модуляции, так как импульсы синхро-
низации могут заходить в нелинейную
область модуляционной характеристики.
В телевизионных передатчиках приме-
няют схемы с модуляцией на высоком
(в выходном каскаде передатчика), среднем
и низком уровнях мощности. При модуля-
ции на высоком уровне мощности радио-
частотный канал до модулируемого каскада
представляет собой задающий генератор
и усилитель смодулированных колебаний,
а канал модуляции — мощный видеоусили-
тель. Применяется обычно сеточная моду-
ляция, потому что другие, более эффек-
тивные, методы модуляции (анодная,
анодно-экранная) не могут быть исполь-
зованы из-за необходимости применения
широкополосного анодного трансформа-
тора, который технически невыполним.
На выходе модулируемого каскада уста-
навливается фильтр подавления нижней
боковой полосы, который при больших
мощностях передатчика представляет собой
сложное радиотехническое устройство. Для
повышения эффективности модулятора его
выполняют в виде широкополосного уси-
лителя постоянного тока, поскольку много-
кратное (на выходе каждого каскада) вос-
станавление средней составляющей сигнала
приводит к существенным искажениям по-
следнего.
При модуляции на низком уровне мощ-
ности упрощается канал модуляции, но
усложняется радиоканал, так как после
модулируемого каскада применяют широ-
кополосные полосовые усилители.
Модуляция на среднем уровне мощности
является компромиссным вариантом.
4.6. ФУ НКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
МОНОХРОМНЫХ ТЕЛЕВИЗОРОВ
Телевизионные приемники бывают прямо-
го усиления и супергетеродинные. И те
и другие могут строиться по двухканаль-
ной и одноканальной схемам. Из-за боль-
шого числа телевизионных каналов при-
емники прямого усиления в настоящее
время вышли из употребления. Ведь в при-
емнике прямого усиления при переходе
с одного канала на другой необходимо
перестраивать все каскады высокочастот-
ного усилителя.
На рис. 4.13 приведена функциональная
схема супергетеродинного телевизионного
приемника. Синим цветом показано соеди-
нение в двухканальном телевизоре, крас-
ным — в одноканальном.
Входные цепи телевизора — усилитель
высокой частоты УВЧ, смеситель С.м и
гетеродин Г вместе с переключателем
программ конструктивно объединены в об-
щий блок переключателя телевизионных
каналов П7Х (или селектора телевизионных
каналов СТК).
В двухканальном приемнике сигнал с вы-
хода смесителя поступает в каналы звука
КЗ и изображения КИ. Канал звука выпол-
нен по схеме обычного ЧМ-приемника.
На вход телевизора поступает сигнал от
передатчика с частично подавленной ниж-
ней боковой полосой (рис. 4.11). В резуль-
тате гетеродинирования спектр сигнала пе-
редатчика смещается в область более низ-
ких частот. Обычно частота гетеродина /г
выбирается более высокой, чем частота
сигналов, поэтому на выходе смесителя
образуются промежуточные частоты изоб-
ражения /п и и звука fa 3. равные:
У пи = У г - У ни! Уп.з = /г - Уи.з-
Поэтому в спектре промежуточной час-
тоты телевизионного сигнала /п „ >/п 3
(рис. 4.14, а).
Спектр зеркального канала, для которого
Уз. и ft 4“ Ун. и Уз. з У г + У н. з, ПОДавЛЯ-
ТЕЛЕВИ ПЮННЫЕ СИС ГЕМЫ
78
ется фильтрами промежуточной частоты
телевизора. Если сигнал, представленный
на рис. 4.14, а, подать на амплитудный
детектор АД, то в результате детектиро-
вания спектр исходного модулирующего
сигнала исказится (рис. 4.15), так как
амплитуды боковых частот при детектиро-
вании суммируются. Относительный уро-
вень низких частот, передаваемых двумя
боковыми полосами, окажется в два раза
больше, чем высоких частот, передаваемых
только одной боковой полосой.
Для компенсации этих искажений несу-
щая изображения и прилегающие к ней
спектральные составляющие, передаваемые
двумя боковыми полосами, должны быть
ослаблены в среднем в два раза. Это
достигается соответствующим выбором
формы частотной характеристики усили-
теля промежуточной частоты изображения
(УПЧИ} и расположением несущей изобра-
жения fn и на середине склона пологого
участка характеристики (рис. 4.14, б, в).
В двухканальном приемнике со стороны
/п, характеристика должна иметь резкий
обрыв с тем, чтобы сигналы звукового
сопровождения не попадали в канал изоб-
ражения (рис. 4.14,6). В одноканальном
приемнике сигналы изображения и звука
усиливаются в общем УПЧИ и разделя-
ются после амплитудного детектора. Каза-
лось бы, что УПЧИ одноканального при-
емника должен равномерно усиливать сиг-
налы изображения и звука. Этому, однако,
мешает нелинейный элемент в виде ампли-
тудного детектора, из-за которого возника-
ют перекрестные искажения обоих сигналов.
Они будут сказываться, как известно, тем
слабее, чем меньше один из сигналов.
Поэтому приходится уменьшать относи-
тельный уровень сигнала звукового сопро-
вождения. придавая частотной характери-
стике УПЧИ ступенчатую форму (рис. 4.14,в)
с плоской частью на уровне 0,1...0,15 от
максимума в районе расположения /п 3.
Плоская часть необходима, чтобы исклю-
чить возникновение дополнительной пара-
Классификация телевизионных споем и носiроение вещательной сиоемы монохромно!о ie.itвидения
79
зитной амплитудной модуляции сигналов
звукового сопровождения.
Основное достоинство двухканального
приемника состоит в раздельном усилении
сигналов изображения и звука, что исклю-
чает возможность их взаимного проникно-
вения не в свои каналы. Вместе с тем это
и основной недостаток двухканального при-
емника, в котором промежуточная частота
канала звука должна быть столь же вы-
сокой, как и в канале изображения. Но
звуковой канал узкополосный, поэтому
незначительный уход частоты гетеродина
приводит к искажению или пропаданию
звука Использование эффективной системы
автоподстройки в какой-то мере может
решить проблему стабилизации частоты
гетеродина, но остается проблема взаимной
расстройки каналов звука и изображения
при старении деталей, изменении питаю-
щих напряжений или окружающей темпе-
ратуры. Это приводит к тому, что при
хорошей настройке на звук нельзя полу-
чить хорошее изображение, а при настройке
на изображение искажается звук. Одно-
канальный же приемник такого недостатка
не имеет, поскольку в нем на выходе
амплитудного детектора выделяется спектр
модулирующего сигнала, в котором несу-
щая звука /, соответствует разностной
частоте f„ и - /пз = 6,5 МГц (рис. 4.15).
Разностная частота стабильна, поскольку
задается передатчиком Расстройка же ка-
нала звука за счет нестабильности элемен-
тов при низкой промежуточной частоте
незначительна. В одноканальном приемнике
опасность проникновения сигналов звуко-
вого сопровождения на экран кинескопа
и сигналов частоты кадровой развертки
в канал звука гораздо больше, чем в двух-
канальном приемнике. Поэтому предусмат-
риваются специальные меры для подавле-
ния перекрестных сигналов: уменьшается
уровень сигнала звука по сравнению с сиг-
налом изображения, ограничивается мак-
симальная глубина амплитудной .модуля-
ции передатчика, применяются специальные
О 6,5 ?,Мгц
Рис.4.15
режекторные фильтры. В приемниках вы-
сокого класса используют отдельные
амплитудные детекторы для звука и изоб-
ражения, на входе которых подавляются
сигналы «чужих» каналов. Правда, это
требует дополнительных усилительных кас-
кадов в канале звука, так как усилитель
видеосигнала УВС уже не может быть
использован для усиления сигналов звуко-
вого сопровождения, но обеспечивается
высокое качество изображения и звука.
Усилитель видеосигнала представляет со-
бой обычный широкополосный усилитель
с коррекцией в области верхних и нижних
частот, в котором сохраняется или восста-
навливается средняя составляющая видео-
сигнала. Последнее достигается примене-
нием усилителя постоянного тока между
видеодетектором и модулятором кинескопа
с автоматической регулировкой усиления
или использованием схем фиксации уровня.
Канал синхронизации и развертки КСР
является специфическим для телевизионных
приемников. Он предназначен для отделе-
ния синхросигнала от сигнала изображения
при помощи амплитудного селектора АС,
разделения строчных и кадровых синхро-
сигналов в узлах кадровой КС и строчной
СС синхронизаций, формирования откло-
няющих гоков в генераторах кадровой
ГКР и строчной ГСР разверток и их
синхронизации, получения напряжения для
питания анода кинескопа в высоковольтном
выпрямителе ВВ (гл 9)
5. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО_____________________ 80
И ОБЪЕМНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
5.1. ПРОСТЕЙШИЕ СПОСОБЫ
ПЕРЕДАЧИ ЦВЕТНЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
В соответствии с трехкомпонентной тео-
рией цвета (§ 1.3) для осуществления
цветной телевизионной передачи изобра-
жение передаваемого объекта нужно раз-
делить на три цветовые составляющие,
передать каждую из них на приемное
устройство и там синтезировать цветное
изображение. Тривиальное решение задачи
сводится к использованию трех парал-
лельно работающих монохромных кана-
лов, по которым передается красная R,
зеленая G и синяя В составляющие изоб-
ражения (рис. 5.1). Формируются цвето-
деленные изображения с помощью трех
телевизионных камер, снабженных соответ-
ственно красным, зеленым и синим свето-
фильтрами. В приемнике цветное изобра-
жение синтезируется посредством совме-
щения на экране трех цветоделенных
изображений. В рассмотренной системе
реализуется принцип одновременной пере-
дачи трех цветовых составляющих изобра-
жения. Полоса частот, занимаемая такой
системой, в 3 раза превышает полосу
элементарного монохромного канала.
Поскольку зрительный аппарат допускает
не только одновременное, но и последо-
вательное смешение цветов, то возможна
система цветного телевидения и с после-
довательным смешением цветов (рис. 5.2).
Два диска со светофильтрами, согласованно
(синхронно и синфазно) вращающиеся пе-
ред телекамерой и кинескопом приемника,
обеспечивают последовательное разложе-
ние передаваемого изображения на цвето-
вые составляющие в передатчике и синтез
из этих составляющих цветного изобра-
жения в приемнике. Вторая система кажется
проще и экономичнее первой благодаря
использованию только одного канала связи.
Однако полоса пропускания этого канала
должна быть такой же, как суммарная
полоса в трехканальной системе, поскольку
каждый полный кадр изображения в после-
довательной системе формируется из трех
кадров. Время передачи одного полного
кадра регламентировано отсутствием мель-
каний. Поэтому для передачи за это время
трех цветоделенных изображений частоту
кадровой развертки нужно увеличить в три
раза. Согласно (3.20) это приведет к рас-
ширению полосы частот, занимаемой теле-
визионным сигналом, в три раза по срав-
нению с элементарной монохромной сис-
темой.
5.2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ ДЛЯ ВЕЩАНИЯ
Цветное телевидение начало развиваться
в то время, когда уже были широко
распространены системы монохромного
телевидения. Поэтому при разработке цвет-
ной телевизионной системы для вещания
необходимо было удовлетворить условиям
двойной совместимости, согласно которым
должна обеспечиваться возможность прие-
ма программ цветного телевидения моно-
хромными телевизорами (в черно-белом
варианте), а программ монохромного те-
левидения — цветными телевизорами (так-
же в черно-белом варианте).
Метод последовательной передачи цветов
(рис. 5.2), несмотря на кажущуюся прос-
Системы цветного и объемною телевидения
81
Рис.5.5
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
82
тоту, не удовлетворяет условиям совмести-
мости, поскольку частоты строчной и кад-
ровой разверток должны быть в три раза
выше, чем в системе монохромного теле-
видения. Это исключает возможность ис-
пользования существующего парка моно-
хромных телевизоров для приема цветных
программ Система с одновременным сло-
жением цветов (рис. 5 1) также малопригод-
на, хотя каждый из каналов этой системы по
параметрам идентичен каналу монохром-
ной системы. На какой канал настраивать
монохромный телевизор? Ведь ни в «крас-
ном», ни в «зеленом», ни в «синем» кана-
лах не передается информация об истинном
распределении яркостей в изображении.
Следовательно, в совместимой системе
должна передаваться информация о ярко-
стной составляющей изображения.
В системах цветного телевидения в ка-
честве опорного равносигнального цвета
выбран стандартный источник белого С,
так как он больше соответствует условиям
реального освещения. Следовательно, для
цветности С должно удовлетворяться ус-
ловие
Er = Ес = Ев. (5.1)
Яркостное уравнение для источника С
имеет вид
I---------------------------------------—
Ey = 0,3ER + 0,59Ес + 0,11ЕВ. (5.2)
Из четырех величин, входящих в (5.2),
необходимо передать только три — яркост-
ный сигнал Еу и два сигнала цветности,
например Ев и Ев. В приемнике сигнал Ес
восстанавливается. Функциональная схема,
реализующая этот способ (рис. 5.3), отли-
чается от схемы рис. 5 1 наличием двух
матричных преобразователей Ml и М2.
В исходной схеме (рис. 5.1) полоса час-
тот, занимаемая цветной программой, в три
раза превышала полосу частот монохром-
ной системы. В преобразованной схеме
хотя и сохранились три канала, но каналы
стали неравнозначными. Как известно
(§ 1.2), в мелких деталях глаз цвета не
различает: они как бы выцветают и раз-
личаются только по яркости. С учетом
этой особенности зрения полную полосу
частот целесообразно сохранить только для
яркостного канала, а сигналы цветности
передавать в сокращенной (примерно в
4 раза) полосе частот Тогда система,
построенная по схеме рис. 5.3, позволит
сократить спектр частот телевизионного
сигнала по сравнению с исходной схемой
в 2 раза за счет уменьшения психовизу-
альной избыточности телевизионного сооб-
щения.
В системе монохромного телевидения
имеется и статистическая избыточность, что
проявляется, например, в дискретности
частотного спектра телевизионного сигнала
(рис. 3.3), имеющего глубокие провалы
в области частот, кратных нечетному числу
полупериодов строчной частоты. Рацио-
нальное кодирование телевизионного сиг-
нала позволяет уплотнить спектр и пере-
давать цветовую информацию вместе с
яркостным сигналом в одном канале, отве-
денном для монохромного телевидения.
Сущность этого кодирования сводится
к образованию перемежающихся спектров
яркостного и цветовых сигналов. Для этого
сигналы цветности передаются на цветовой
поднесущей, частота которой /ц п выби-
рается из условия
/ц.п= у(2/с+1), к = 0, 1, 2 ..., (5.3)
т. е. кратной нечетному числу полупериодов
строчной частоты fc. При этом спектр
модулированной цветовой поднесущей ока-
зывается вложенным в спектр яркостного
сигнала (рис. 5.4). Итак, перемежение спект-
ров осуществить сравнительно легко, слож-
нее разделение сигналов в приемнике.
Конечно, можно воспользоваться двумя
гребенчатыми фильтрами, один из которых
настраивается на спектр яркостного сиг-
нала, а другой — на спектр сигнала цвет-
Споены цветною и объемною телевидения
пости Однако для широковещательных
приемников это дорого. В связи с этим
операция фильтрации возлагается на зри-
тельный аппарат человека.
Если цветовая поднесущая выбрана в
соответствии с критерием (5.3), то на ин-
тервале одной, например первой, строки
укладывается целое число периодов цве-
товой поднесущей и еще половина периода
(рис. 5.5). Поэтому в следующей нечетной
строке фаза сигнала изменится на противо-
положную (красные кривые) и так далее
от строки к строке. В результате яркост-
ной модуляции под действием цветовой
поднесущей на экране телевизора возник-
нет сетка темных и светлых штрихов,
расположенных в шахматном порядке.
Поскольку в кадре содержится нечетное
число строк, при передаче следующего
кадра полярность сигнала в соответствую-
щих строках изменится на противополож-
ную (синие кривые). Глаз вследствие инер-
ционности зрительного аппарата будет
усреднять эту картину. Таким образом,
за счет компенсации от строки к строке
и от кадра к кадру сигнал цветовой
поднесущей на экране телевизора будет
мало заметен, причем тем меньше, чем
мельче структура сетки. Следовательно,
удовлетворяя условию (5.3), необходимо
цветовую поднесущую выбирать возможно
выше (больше к). Поэтому спектр сигнала
цветовой поднесущей располагают так,
чтобы он примыкал к верхней границе
спектра яркостного сигнала.
Возможен и другой путь выбора частоты
сигнала цветовой поднесущей. Чтобы
добиться компенсации цветовой поднесу-
щей на экране телевизора, не обязательно
выполнять условие (5.3). Такой же эффект
можно получить, если осуществить фикса-
цию фазы произвольно выбранной цвето-
вой поднесущей в начале строки и от
строки к строке поворачивать ее на 180 .
Все совместимые системы цветного теле-
видения (NTSC, CERAM, PAL) используют
принцип частотного перемежения, но раз-
83
личаются по способу передачи в яркостном
канале двух сигналов цветности.
5.3 ВЫБОР СИГНАЛОВ ЦВЕТНОСТИ
Из трех сигналов ER, Ес, Ев можно пере-
давать совместно с яркостным сигналом
EY любые два. Однако предпочтительнее
в каналах цветности передавать такие сш-
налы, которые не несут информацию о
яркости эталонного цвета. Представим себе,
что в поле зрения цветной телевизионной
камеры попал черно-белый объект. Для
воспроизведения изображения этого объек-
та достаточно иметь сигнал только в яр-
костном канале Е}. Но при выборе в ка-
честве сигналов цветностей ЕК, Ес или Ев,
несмотря на отсутствие цветных деталей
в изображении, сигналы в канале цветности
не будут равны нулю, так как согласно
(5.2) красный сигнал несет 30% информа-
ции о яркости, зеленый — 59% и синий —
11%. Таким образом, будет дублироваться
информация о яркости по каналам цвет-
ности, дополнительно загружать их, созда-
вая помехи на экране телевизора, и ухуд-
шать тем самым совместимость.
Чтобы исключить яркостную составляю-
щую из каналов цветности, вычтем яркост-
ный сигнал из левой и правой частей (5.2),
представив Е} предварительно в виде
1ЕУ = О,ЗЕУ + 0,59Еу + 0,11ЕУ. (5.4)
Тогда
0 = 0,3 (ER - Еу) + 0,59 (Ес - Еу) +
-I- 0,11 (Ев - Еу ). (5.5)
Сигналы ER — Еу, Ес — Еу и Ев — Еу назы-
ваются цветоразностными и обозначаются
Е-ь Ес у и Ев у.
При передаче эталонного белого цвета
согласно (5 1) и (5.2)
Er — Ес = Ев = Е EY= 1,
поэтому Er у = Er - Еу — 0;
Ев_у = Ев-£у=0; Ес_у = Ес-Еу = 0
ТЕ. 1ЕВИ{ИОННЫЕ СИС ТЕМЫ
84
и, следовательно, сигналы в каналах цвет-
ности равны нулю. Это обеспечивает вы-
сокую помехоустойчивость при передаче
черно-белых деталей, соответствующих наи-
более светлым участкам изображения, где
помехи больше заметны.
Теперь необходимо из трех цвет оразност-
ных сигналов выбрать для передачи два.
Решим (5.5) относительно каждого цвето-
разностного сигнала:
Ес_у = —0,51Ек _у —0,19Ев_у;
Er у = — 1,97Е(;_у—0,37Ев_}; (5.6)
Eb-y= —2,73Ек_у — 5,4ЕС у.
При сравнении трех уравнений видно, что
сигнал Ес_у меньше, чем сигналы ER_y и
Ев у. Поэтому для лучшей помехоустой-
чивости целесообразно в приемник пере-
давать сигналы £й. у и Ев_у.
5.4. СИСТЕМА
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ NTSC
Система NTSC явилась первой совмести-
мой системой цветного телевидения.
С помощью цветной телевизионной ка-
меры. которая содержит, например, три
передающие трубки, формируются исход-
ные сигналы Er, Eg, Ев. Так же, как и
в системе монохромного телевидения, эти
сигналы подвергаются нелинейной у-кор-
рекиии, т. е. преобразуются в сигналы
Е'к = ocrE^, Е'с = асЕ*'\ Ев = аЕ^,
из которых в кодирующем устойстве об-
разуются передаваемые сигналы. Особен-
ностью системы является передача двух
сигналов цветности на одной цветовой
поднесущей методом квадратурной модуля-
ции, которая заключается в суммировании
двух амплитудно-модулированных сигна-
лов, несущие которых имеют одинаковую
частоту, но сдвинуты по фазе на 90°. Это
обеспечивает взаимную независимость сиг-
налов, вследствие их ортогональности (каж-
дый из векторов проектируется на сосед-
ний в виде точки). В системе NTSC осу-
ществляется не обычная амплитудная мо-
дуляция, а балансная, при которой несу-
щая подавляется.
На рис. 5.6, а приведена функциональная
схема квадратурной модуляции. Сигнал
с генератора цветовой поднесущей (ГПЦ)
1/„ ncos<oanr модулируется в одном баланс-
ном модуляторе сигналом цветности
E'R_y. В другом балансном модуляторе
цветовая поднесущая, сдвинутая по фазе
на 90 , модулируется сигналом Ев_у. В ре-
зультате на выходе балансного модулятора
БМК образуется сигнал UR у =
= PE'r_} coscou п( и на выходе модулятора
БМе — Ив_у= РЕ'В ysinco,, nf, где Р — коэф-
фициент пропорциональности. Геометриче-
ская сумма векторов, представляющих эти
сигналы, дает результирующий вектор сиг-
нала цветности Uu (рис. 5.6,6), модуль и
фаза которого определяются из выражений:
I Сц| = V<Jr^'+ U^y,
UB-Y
<p = arctg —--. (5.7)
Er. Y
Таким образом, при квадратурной моду-
ляции результирующий цветовой сигнал
изменяется по амплитуде и фазе. При
этом амплитуда сигнала характеризует на-
сыщенность цвета, а фаза — цветовой тон.
Векторы цветности могут быть наглядно
представлены графически на диаграмме
цветов в полярной системе координат
(рис. 5.7). Для неискаженной передачи цве-
тов на деталях среднего размера спектр
частот сигналов E'R_y и Ев_у должен
составлять 1,3 —1,5 МГц. Это легко реали-
зовать в «европейском варианте» системы
NTSC, где полоса частот телевизионного
канала достаточно широка (6,5 МГц).
В американском варианте NTSC вместо
сигналов Er у и Е'в_у передаются их
линейные комбинации:
£7 = 0,74Er_k-0,27E'b у;
Eq = 0,48Er _ у Т 0,41 Ев _ у. (5.8)
Системы цветною и объемного i елевидения
85
С учетом (5.5) можно представить Е'; и E'q
через сигналы основных цветов:
Е', = 0.6 Е'к - (ШЕС - G,32E'B-,
E'q = 0,21 E'r - 0,52Е'с + 0,31 Е'в. (5.9^
Расположение разностных цветов I и Q
на диаграмме цветности представлено на
рис. 5.7. Векторы I и Q повернуты на 33°
относительно координатных осей R — Y и
B—Y.
Чем вызван выбор сигналов Е', и E'q для
передачи цвета? Дело в том, что эти
сигналы разнополосные в отличие от сиг-
налов Е'к_у и £в у, которые являются
равнополосными. Вектор I соответствует
сине-зеленым и оранжево-красным оттен-
кам цветов, в области которых глаз вос-
принимает в цвете детали среднего размера.
Остальные цвета, в том числе и соответ-
ствующие положению вектора Q, различа-
ются только в более крупных деталях. Это
позволяет сохранить полосу 1,3—1,5 МГц
только для сигнала E'h а для сигнала E'q
сократить ее до значения 0,5 МГц. На
рис. 5.8 представлен спектр телевизионного
сигнала, излучаемый передатчиком в евро-
пейском варианте системы NTSC, а на
рис. 5.9 — в американском. В последнем
варианте верхняя боковая полоса спектра
сигнала Е', частично подавляется, что при-
водит к некоторым дополнительным иска-
жениям цвета на самых мелких цветных
деталях. —
На рис. 5.10 приведена структурная схема
кодирующего устройства для формирова-
ния телевизионного сигнала в системе
NTSC. Сигналы Е'к, Е'с, Е'в поступают
в кодирующую матрицу М, где преобра-
зуются в сигналы Е'у, E'h E'q. Яркостный
сигнал пропускается через фильтр Фу с по-
лосой пропускания 0 — 4,2 МГц, а сигналы
Е', и E'q — через фильтры Ф, и Ф^ с поло-
сой пропускания соответственно 0 — 1,4 и
0—0,5 МГц. С выхода фильтров сигналы
Е', и E'q подаются на свои балансные
модуляторы, на которые поступает также
сигнал с генератора цветовой поднесущей
ГЦП, причем на модулятор БМК — не-
посредственно, а на модулятор БМв —
через фазовращатель ФВ 90°. поворачива-
ющий фазу сигнала цветовой поднесущей
на 90°. С выхода модуляторов сигналы
17, и Uq поступают в сумматор С1 и в ре-
зультате сложения дают сигнал цветности
1/ц. На выходе сумматора С2 образуется
полный телевизионный сигнал еп за счет
сложения яркостного сигнала Е'у, сигнала
цветности l/ц и сигнала синхронизации
ЕО1, вырабатываемого синхрогенератором
СГ. Чтобы уравнять время прохождения сиг-
налов в узкополосном канале Q и в более
TI II ВЦ (ИОННЫЕ С ИСТЕМЫ
86
Рис.5.8
широкополосных каналах I и У, в послед-
ние включены линии задержки ЛЗ, (0,5 мкс)
и Л3} (0,7 мкс). Сигнал Ua передает ин-
формацию только о модуле результирую-
щего вектора и не содержит информацию
о его фазе, так как цветовая поднесущая
подавляется. Поэтому сигналы цветности
не могут быть восстановлены в приемнике
без дополнительной информации о фазе
цветовой поднесущей. В системе NTSC
информация о фазе цветовой поднесущей
передается при помощи «вспышки», рас-
положенной на правой полке строчного
гасящего импульса и содержащей восемь
периодов сигнала цветовой поднесущей
Црис. 5.11).
Структурная схема цветного телевизора
приведена на рис. 5.12. Серым выделены
узлы, общие для цветного и монохром-
ного приемников: радиочастотный блок РБ,
видеодетектор БД, усилитель видеосигнала
УВС. блок развертки БР и канал звука КЗ.
Таким образом, специфическими для цвет-
ного телевизора являются: блок цветности
БЦ, воспроизводящее устройство ВУ и блок
сведения БС. Линия задержки ЛЗ (ОД мкс),
включенная на выходе УВС. презназначена
для уравнивания времени прохождения
яркостного сигнала и сигналов цветности.
Воспроизводящее устройство цветного
телевизора представляет собой специаль-
Рис.5.9
ную телевизионную трубку — цветной ки-
нескоп. Возможны устройства и с тремя
кинескопами соответственно с красным,
синим и зеленым свечениями. На каждом
из кинескопов воспроизводится соответ-
ствующее цветоделенное изображение, а
затем три изображения совмещаются на
общем экране. Для обеспечения точного
совмещения цветоделенных изображений
предназначен блок сведения, в котором
вырабатываются необходимые сигналы.
Они будут разными для различных воспро-
изводящих устройств. Например, в трех-
трубочном устойстве необходимо раздель-
но регулировать размеры, положение и
форму кадра, а также линейность развертки
в каждом кинескопе.
Наиболее специфичным узлом цветного
телевизора является блок цветности. Функ-
ция этого блока заключается в выделении
сигнала цветности из общего телевизион-
ного сигнала и в его декодировании.
На рис. 5.13 приведена структурная схема
блока цветности для системы NTSC. Из
полного телевизионного сигнала еп при
помощи полосового усилителя ПУ выде-
ляется сигнал цветности U№ поступающий
на два синхронных детектора СД/ и СД^.
На эти же детекторы поступает сигнал от
местного генератора цветовой поднесущей
ГЦП, причем на СД/ — непосредственно,
C не темы цветною и объемного телевидения
87
Рис.5.13
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
88
а на СДй — со сдвигом фазы на 90.
В результате синхронного детектирования
из сигнала цветности 1/ц выделяются сиг-
налы E't и E'q. Решая систему уравнений
(5.8) относительно E'R_y и Е'в_у, получим:
Е'к_ у = 0,62Eq + 0,96 E't;
Е'в_у= 1,72Е'е — 1Д1Е,. (5.Ю)
Из (5.6) с учетом (5.10) имеем:
Е'с_у= —(0,64Е'е + 0,28Е',). (5.11)
Таким образом, система уравнений (5.10)
и (5.11) определяет линейные преобразова-
ния сигналов E't и E'q, которые должна
производить декодирующая матрица М.
Перед подачей на декодирующую матрицу
сигнал E'i проходит через линию задержки
ЛЗЬ чтобы обеспечить его временное со-
гласование с более узкополосным сигналом
E'q. Матрицирование разностных сигналов
можно осуществить непосредственно на
кинескопах. Для этого цветоразностные
сигналы подаются на соответствующие мо-
дуляторы кинескопов, а к их катодам
подводится сигнал — Е'у. В результате
напряжение Ем к между модулятором и
катодом каждой трубки оказывается рав-
ным:
^м. к к — Er-y~ (~Еу) =
= E'R — Е'у+ Е'у= E'r;
^мкС = Eg-Y~ =
= E'g — E'y+ E'y= £g5 (5.12)
См. к В = Е'в~ Y ~ — E'y) =
= EB — Er + E'y= Eb.
Режим работы кинескопов устанавлива-
ется таким, чтобы при Ем кК = Ем кС = ЕмкВ
на экране воспроизводился опорный (эта-
лонный) белый цвет. В этом случае при
отсутствии сигналов цветности, например,
когда цветной телевизор настраивается на
черно-белую программу, на экране автома-
тически возникает черно-белое изображе-
ние. которое определяется сигналом Е'у,
действующим одновременно на катоды всех
трех кинескопов. Таким образом, условие
совместимости выполняется автоматически
без каких бы то ни было переключений.
Выше было указано, что сигнал цвето-
вой поднесущей, вырабатываемый в при-
емнике местным генератором, должен быть
синхронным и синфазным с сигналом цве-
товой поднесущей передатчика. Это дости-
гается автоподстройкой его частоты по
вспышке цветовой поднесущей. Схема фор-
мирования сигнала цветовой поднесущей
содержит узкополосный резонансный уси-
литель вспышки УВ, настроенный на час-
тоту цветовой поднесущей и предназна-
ченный для выделения из общего телеви-
зионного сигнала вспышки цветовой под-
несущей, фазовый детектора ФД, на кото-
ром сравниваются фазы сигналов вспышки
цветовой поднесущей и местного ГЦП,
и управляющий элемент УЭ, воздействую-
щий на ГЦП в зависимости от величины
и знака рассогласования фаз опорного и
местного сигналов цветовой поднесущей.
Применение квадратурной модуляции
в системе NTSC предъявляет высокие тре-
бования к телевизионному тракту. Входные
и выходные реактивные сопротивления ак-
тивных элементов (ламп или транзисторов)
зависят от положения рабочих точек на
динамических характеристиках этих элемен-
тов. При квадратурной модуляции вслед-
ствие того, что вспышка цветовой подне-
сущей передается на постоянном уровне
гасящих импульсов, а сигнал цветности —
на изменяющихся уровнях, возникают ис-
кажения типа «дифференциальная фаза»,
т. е. непостоянные фазовые сдвиги в тракте,
зависящие от уровня яркостного сигнала.
Они оказывают существенное влияние на
передачу цвета, поскольку цветность опре-
деляется фазовым углом. В системе NTSC
отклонение фазовой характеристики в кана-
ле связи на ±5/0 приводит к заметным
для глаза изменениям цвета. Наряду с этим
возникают и искажения типа «дифферен-
Системы цвепюго и объемною Iелевидения
89
циальное усиление», связанные с нелиней-
ностью усилителей — при изменении уров-
ня яркостного сигнала вследствие переме-
щения рабочей точки за пределы линей-
ного участка характеристики происходит
изменение уровня сигнала цветности, ко-
торое приводит к изменению насыщенно-
сти цветов.
В связи с этим существующие каналы
связи монохромного телевидения не могут
быть использованы для неискаженной пе-
редачи цветных изображений по системе
NTSC, что является основным недостатком
этой системы.
5.5. СИСТЕМА
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ СЕКАМ
Возникновение системы телевидения
СЕКАМ вызвано стремлением устранить
недостатки, присущие системе NTSC.
Основные идеи, использованные в сис-
теме СЕКАМ, следующие: во избежание
взаимного влияния цветоразностных сиг-
налов их не следует передавать одновре-
менно; во избежание взаимного влияния
яркостного сигнала и сигналов цветности
их нужно передавать разными способами
модуляции.
В системе СЕКАМ цветоразностные сиг-
налы Er_ у и Е'В-у передаются по очереди
посредством частотной модуляции. Если
в первой строке передается сигнал E'R_Y,
то в третьей передается сигнал Е'в_}
и т. д. Возможность получения информа-
ции о цвете данного участка изображения
с разных строк связана с тем, что цвето-
вая четкость изображения может быть го-
раздо ниже яркостной. В системе NTSC
цветовая четкость по горизонтали за счет
сокращения спектра частот цветовых сиг-
налов уменьшена в 4 —5 раз по сравнению
с яркостной, а цветовая четкость по вер-
тикали сохранена такой же, как и яркост-
ная. Таким образом, в системе NTSC
имеется избыточная информация по цвету,
которую в системе СЕКАМ решили исклю-
чить и за счет этого повысить помехо-
устойчивость системы к искажениям типа
«дифференциальная фаза» и «дифференци-
альное усиление».
В связи с применением частотной мо-
дуляции в системе СЕКАМ приняты меры
для улучшения совместимости и повыше-
ния помехоустойчивости:
1. Сигналы цветности Е'к_уИ E'B_Y за-
менены сигналами D'R и D'B, определяемыми
соотношениями:
D'r = — 1,9Е'к_у;
D'B= 1,5Е'в_у, (5.13)
т. е. введены разные масштабные коэффи-
циенты для сигналов Е'к_у и Е'в_у. Это
связано с тем, что экстремальные значения
для сигнала Е'к_у (табл. 4) находятся
Таблица 4
Относительные уровни сигналов при передаче различных цветов в системе СЕКАМ
Цвет er Ев . Еа ЕУ ER-У ЕВ- У Ф
Красный I 0 0 0,3 0,7 -0,3 113
Желтый 1 0 1 0,89 0,11 -0,89 173
Зеленый 0 0 1 0,59 -0,59 -0,59 225
Сине-зеленый 0 I 1 0,7 -0,7 -0,3 293
Синий 0 1 0 0,11 -0,11 0,89 353
Пурпурный 1 1 0 0,41 0,59 0,59 45
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
90
Рис.5.14
в пределах от +0,7 (при передаче красного)
до —0,7 (при передаче сине-зеленого), а для
сигнала Е'в_у от +0,89 (при передаче жел-
того) до —0,89 (при передаче синего).
Между тем на частотный модулятор жела-
тельно подать сигналы одинакового раз-
маха, чтобы девиация частоты при пере-
даче обоих сигналов цветности была оди-
наковой.
Знак сигнала Е'в_у заменен на обратный.
Это объясняется тем, что при передаче
различных сюжетов в сигнале Е'к_у преоб-
ладают положительные значения, а в сиг-
нале Е'в_у— отрицательные. При изменении
полярности E'R_y в обоих сигналах преоб-
ладает отрицательная девиация частоты.
Это несколько повышает помехоустойчи-
вость системы, так как часто в каналах
связи возникает срез верхней частоты
спектра телевизионного сигнала, что ведет
к ограничению верхней боковой полосы
сигнала цветности.
2. Сигналы Е'в_уи Е'в_у для повышения
помехоустойчивости приема подвергаются
низкочастотной коррекции (по видеочасто-
те) аналогично стандартным предыскажени-
ям ЧМ-сигнала в радиовещании, заклю-
чающемся в подъеме верхних частот
спектра сигналов цветности. Поскольку уро-
вень высокочастотных составляющих зна-
чительно меньше уровня низкочастотных
составляющих, такие предыскажения не
вызывают увеличения индекса модуляции,
а лишь выравнивают величину девиации
частоты по спектру. На рис. 5.14 приведена
характеристика пропускания Лнч(/) фильт-
ра низкочастотных предыскажений.
\f 3. Част отпо-мо дулированпые сигналы
цветности подвергаются высокочастотной
предкоррекции, суть которой заключается
в увеличении амплитуды поднесущей по
мере ее отклонения от центрального зна-
чения. Эта коррекция осуществляется фильт-
ром с характеристикой Ав 4(f) типа «анти-
клеш» (cloche (фр.) — колокол), имеющей
вид перевернутого колокола (рис. 5.15).
Как известно, уровень сигнала от помехи
Сис1емы цветною и объемного телевидения
91
на выходе частотного детектора пропор-
ционален разности между средней частотой
настройки ЧМ-детектора и частотой по-
мехи. Поэтому подъем частотной характе-
ристики в области больших значений де-
виации частоты цветовой поднесущей при-
водит к повышению помехоустойчивости.
Наряду с этим улучшается совместимость
системы, так как поднесущая при передаче
малонасыщенных деталей изображения ста-
новится менее заметной, поскольку в этом
случае уровень сигналов цветности мал,
девиация частоты незначительна и вся
энергия модулированных сигналов цвет-
ности приходится на минимум кривой
предыскажений.
4. В системе СЕКАМ применяются две
поднесущие частоты
/ок = 282/. = 4406,25 кГц;
/ов = 272/с = 4250,00 кГц.
Опыт эксплуатации телевизионной системы
СЕКАМ показал, что при передаче боль-
шинства сюжетов шумы преобладают на
красном цвете. Поэтому цветовые подне-
сущие были выбраны так, чтобы частоты,
при помощи которых передается красный
цвет, как в сигнале D'R, так и в сигнале D'B
попали в область минимума кривой «ан-
тиклеш».
На рис. 5.15 показаны значения девиаций
частоты и распределения амплитуд при
передаче различных цветов для сигналов
Dr и Db-
5 Размах цветовой поднесущей выбран
в 5 раз меньше размаха яркостного сиг-
нала (от черного до белого) с целью умень-
шения перекрестных искажений в этих
каналах (рис. 5.16). При этом вредное
влияние яркостного сигнала на сигналы
цветности, для которых он является поме-
хой, уменьшается за счет дополнительной
амплитудной модуляции цветовой поднесу-
щей: уровень ее временно повышается,
если уровень яркостного сигнала в полосе
сигналов цветности превосходит 70°о но-
минальной амплитуды поднесущей.
^Структурная схема кодирующего устрой-
ства СЕКАМ приведена на рис 5.17.
Исходные сигналы цветности, прошедшие
•у-коррекцию, Е'к, Е'с, Е'в преобразуются
в кодирующей матрице М в сигналы Е\,
l.9E'R_y и 1.5Е'в_у. В сумматорах Св и CR
в сигналы Er у и Е'в_ у на интервале вре-
мени, соответствующем передаче задней
полки кадрового гасящего импульса, до-
бавляется сигнал опознавания цвета из де-
вяти пилообразных импульсов (рис. 5.18. а),
поступающих с блока цветовой синхрони-
зации БЦС. У сигнала ER . у в фазовраща-
теле ФВ изменяется фаза на 180', после
чего сигналы цветности проходят через
фильтры низкочастотных предыскажений
ФНП. С выхода ФИП сигналы цветности
D'r = — 1,9ER_K и DB = 1.5Е'д у через элект-
ронный коммутатор ЭК. управляемый с
синхрогенератора СГ импульсами строчной
синхронизации, поочередно подаются на
ограничитель Огр и далее на управляю-
щий элемент УЭ (модулятор) частотно-
модулируемого генератора ЧМГ. Перед
началом каждой строки ЧМ-генератор под-
страивается под частоту и фазу одного из
опорных генераторов цветовой поднесущей
ГЦПК или ГЦПв, подключаемых с помощью
электронного коммутатора к фазовому дис-
криминатору ФД, входящему в систему
фазовой автоподстройки ЧМ-генератора.
Частотно-модулированный сигнал поступа-
ет на коммутатор фазы КФ, обеспечиваю-
щий изменение фазы колебаний на 180е
через две строки на третью и через два
поля на третье для подавления помех от
сигналов цветности на экране телевизора,
а затем на фильтр высокочастотных
предыскажений ФВП с частотной характе-
ристикой типа «антиклеш». Полосовой
фильтр ПФ в канале яркости пропускает
область частот сигналов цветности, а амп-
литудный детектор АД выделяет медленно
изменяющуюся огибающую яркостного
сигнала, которая используется для управ-
ления амплитудным модулятором AM,
устанавливающим уровень сигналов цвет-
92
ТЕЛЕВШИОННЫЕ СИСТЕМЫ
t
а
иоц
£МГц
_3J5_6_
foR
3 foB
_^зов_
-^SO-
LS
wrmwr
ЖААг
Л I I DB I I % I \ Be Стро
I
! 7
%
К
t
D'B I Строки 1-го поля
I 320 I 321 I 322 I 323 I 523 > 325 I 326 '.327 [_328— Стр<”;и 2-ro поля
, } В
I320 I 321
Ъ I
3 I Ю
322 I 323
// ! Z?
323 । 325
I
15 13
326 ' 327
Строчный
синхроимпульс
Рис.5.18
Сигнал опознавания цвета
Системы цветного и объемного телевидения
93
ности в зависимости от уровня яркостного
сигнала.
С помощью каскада гашения КГ канал
цветности запирается на время прохожде-
ния строчных и кадровых синхроимпуль-
сов, чтобы не создавать помех в цепях
синхронизации разверток телевизора. Пол-
ный видеосигнал еп получается в резуль-
тате сложения в сумматоре С сигналов
цветности с яркостным сигналом, который
для установления временного соответствия
между сигналами яркости и цветности
предварительно задерживается в линии ЛЗ
на 0,7 мкс. Кроме того, в сумматоре Су
в яркостный сигнал замешивается синхро-
смесь. Сигнал опознавания цвета (рис. 5.18, а)
после прохождения ограничителя Огр пре-
образуется в импульсы трапецеидальной
формы. В связи с изменением полярности
одного из цветоразностных сигналов им-
пульсы опознавания цвета, поступающие
на частотный модулятор, в сигнале D'R
оказываются положительной полярности,
а в сигнале D'B — отрицательной (рис. 5.18, б).
Эти импульсы модулируют по частоте
ЧМ-генератор. Образующиеся пачки высо-
кочастотных ЧМ-импульсов при смешива-
нии с сигналом синхронизации занимают
на кадровом гасящем импульсе участок
от 7-й до 15-й строки в первом полу кадре
и от 320-й до 328-й строки — во втором
(рис. 5.18, в). Импульсы опознавания синего
и красного цветов чередуются в соседних
строках. В приемнике они легко выделя-
ются и используются для цветовой синхро-
низации.
Структурная схема приемника СЕКАМ
соответствует приведенной на рис. 5.12.
Особенности приемника заключаются в по-
строении блока цветности, выполняющего
роль декодирующего устройства (рис. 5.19).
С выхода видеодетектора полный телеви-
зионный сигнал поступает на усилитель
сигналов цветности УСЦ с частотной ха-
рактеристикой типа «клеш» (обратной кри-
вой, рис. 5.15), которая компенсирует вы-
сокочастотные предыскажения, внесенные
в сигнал при передаче. Выход усилителя
сигналов цветности соединен с одним из
входов электронного коммутатора ЭК не-
посредственно, а со вторым — через линию
задержки (ЛЗ) с г3 = 64 мкс. Выходы ком-
мутатора через ограничители Огр связаны
с частотными детекторами ЧДВ и ЧДВ,
имеющими противоположные наклоны ам-
плитудно-частотных характеристик
Допустим, что в данный момент пере-
дается сигнал D'r. В соответствии с поло-
жением переключателя, показанным на ри-
сунке, этот сигнал попадает в частотный
детектор ЧДК, а в канал частотного де-
тектора ЧДВ попадает сигнал с предыду-
щей строки, задержанный в линии задерж-
ки. Таким образом, на входы обоих час-
тотных детекторов одновременно попадают
сигналы D'R и D'B. При передаче следую-
щей строки на выходе усилителя сигналов
цветности окажется сигнал D'B, а на выходе
линии задержки — сигнал D'R. Для того
чтобы эти сигналы попали в свои каналы,
электронный коммутатор должен переклю-
читься. Операция переключения осуществ-
ляется генератором коммутирующих им-
пульсов ГКИ, который перебрасывается
импульсами строчной синхронизации исс.
На выходе частотного детектора ЧДК
выделится сигнал D'R, а на выходе детек-
тора ЧДВ — сигнал —D'B, поскольку ампли-
тудно-частотная характеристика этого де-
тектора имеет отрицательный наклон. Сиг-
налы D'R и — D'B попадают на входы кор-
ректирующих усилителей У R и Ув, которые
компенсируют низкочастотные предыскаже-
ния, внесенные в сигналы при передаче,
и изменяют фазу сигналов на 180е. В ре-
зультате на выходе корректирующих уси-
лителей восстанавливаются сигналы E'R у
и Ев у, из которых с помощью матрицы
А7С в соответствии с (5.6) формируется
сигнал Е'с Y. При правильной работе элект-
ронного коммутатора сигналы D'R и D'B
будут попадать в свои каналы. На выходе
усилителей наряду с сигналами цветности
будут выделяться и сигналы опознавания
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
94
Рис.5.19
цвета в виде импульсов отрицательной
полярности. Одинаковая полярность им-
пульсов вызвана тем, что сигнал в канале
R изменяет свою полярность один раз
(в корректирующем усилителе), а в канале
В — дважды (в частотном детекторе и
в корректирующем усилителе) В случае
неправильной работы коммутатора дважды
будет изменяться полярность сигнала D'K,
поскольку он попадает в канал В, и один
раз полярность сигнала D'B, поскольку он
попадает в канал R. При этом импульсы
сигналов опознавания на выходе усилите-
лей будут положительной полярности
Исправляется ошибка схемой цветовой син-
хронизации, которая работает так.
Генератор вспомогательных импульсов
Г ВИ, управляемый импульсами кадровой
синхронизации мк р формирует прямоуголь-
ный вспомогательный импульс ив и
(рис. 5.20. а) отрицательной полярности,
начинающийся в конце кадрового синхро-
импульса и заканчивающийся в конце
сигнала опознавания цвета. Этот импульс,
пройдя через дифференцирующую цепочку
ДЦ. образует два выброса — отрицатель-
ный, совпадающий с его передним фрон-
том, и положительный, соответствующий
заднему фронту (рис. 5.20,6). Отрицатель-
ный выброс устанавливает триггер Шмидта
Т1П в положение, при котором на частот-
ные детекторы подается отпирающий по-
тенциал иотп. Если нет цветной передачи,
то положительный выброс вновь перебра-
сывает триггер Шмидта и на частотные
детекторы подается запирающий потенциал
1/мп. Таким образом, при приеме черно-
белой программы каналы цветности в при-
емнике открываются только на время
передачи импульсов опознавания цвета,
а в другое время автоматически отключа-
ются. Если идет цветная передача и сигналы
цветности попадают в свои каналы, то на
матрицу М сигналов цветовой синхрони-
зации попадает серия отрицательных им-
пульсов из обоих каналов цветности. Они
суммируются и после прохождения интег-
Снсдемы цвшиого и объемною телевидения
95
рирующей цепочки ИЦ образуют отрица-
тельный импульс, совпадающий по вре-
мени с положительным выбросом от
заднего фронта импульса ГВИ (рис. 5.20, в).
В результате последний компенсируется
и триггер Шмидта второй раз не перебра-
сывается. При этом каналы цветности
остаются открытыми. Если же электрон-
ный коммутатор «перепутал» каналы, то
на выходе усилителей образуются положи-
тельные импульсы опознавания цвета, ко-
торые не препятствуют перебрасыванию
триггера Шмидта (рис. 5.20, г). При этом
каналы цветности запираются на время
данного полукадра, а на генератор ком-
мутирующих импульсов попадает дополни-
тельный импульс с триггера Шмидта,
обеспечивающий переключение коммута-
тора в правильное положение.
Система СЕКАМ так же, как и любая
другая система телевидения, небезупречна.
Основным недостатком системы является
слабая помехозащищенность сигналов цвет-
ности, вызванная низким индексом частот-
ной модуляции и малым размахом сиг-
налов цветности. Порог чувствительности,
присущий любой системе с частотной
модуляцией, ниже которого наступает
резкое снижение помехоустойчивости,
для системы СЕКАМ составляет 18 —
20 дБ.
5.6. СИСТЕМ \ PAL
Западногерманская система PAL, автором
которой является Вальтер Брух, сохраняя
основные преимущества системы NTSC,
избавлена от главного ее недостатка —
высокой чувствительности к искажениям
типа «дифференциальная фаза». В передат-
чике PAL фаза сигнала С', от строки
к строке изменяется на 180 . В одном
из каналов приемника сигнал предыдущей
строки задерживается на длительность
строки при помощи линии задержки ана-
логично тому, как и в системе СЕКАМ.
Далее сигналы соседних строк складыва-
ются. Такая операция приводит к следую-
щему Допустим, что передается сигнал
1/ц1, характеризующийся фазовым углом (р
(рис. 5.21, а).
При прохождении сигнала по каналу
связи возникает ошибка А(р, в результате
которой воспроизводится сигнал С/ц2, отли-
чающийся по цветовому тону от исход-
ного Так происходит и в системе NTSC.
Но в системе PAL следующая строка
передается с измененной на 180 фазой сиг-
нала Uj (рис. 5.21,6). В результате фазовых
сдвигов в данном случае вместо исходного
сигнала 1/ц1 будет воспроизводиться сигнал
б'цз, сдвинутый относительно Uul на угол
Д<р. Если при приеме второй строки по-
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
96
Рис.5.22
вернуть фазу сигнала U, на 18(Г (рис. 5.21,в)
и сложить сигнал второй строки с задер-
жанным сигналом первой (рис. 5.21, г), то
результирующий вектор совпадет с исход-
ным и фазовые искажения в тракте ока-
жутся скомпенсированными.
Таким образом, система PAL оказывается
нечувствительной к искажениям типа «диф-
ференциальная фаза», что обеспечивает, как
и в системе СЕКАМ, возможность передачи
цветных изображений по каналам моно-
хромного телевидения и их запись с по-
мощью видеомагнитофона. (В системе
NTSC запись изображений на монохром-
ном видеомагнитофоне без приставки, ста-
билизирующей с высокой точностью ско-
рость движения магнитных головок от-
носительно магнитной ленты, невоз-
можна.)
Однако в отличие от СЕКАМ система
PAL, так же как и NTSC, чувствительна
к искажениям типа «дифференциальное
усиление», проявляющимся в виде паразит-
ного изменения насыщенности передавае-
мого цвета в зависимости от яркости.
Мешающее действие сигналов цветности
на экране монохромного телевизора в сис-
теме PAL больше, чем в системе NTSC,
из-за коммутации фазы сигнала U,.
Телевизор системы PAL сложнее прием-
ников систем NTSC или СЕКАМ, так как
имеет и синхронные детекторы, и элект-
ронный коммутатор, и линию задержки.
5.7 СИСТЕМЫ
ОБЪЕМНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Для объемного восприятия пространства
необходимо сформировать изображение
для левого и правого глаза. Тривиальный
способ создания объемного телевидения
заключается в использовании двух двумер-
ных телевизионны каналов (рис. 5.22),
в одном из которых передается изображе-
ние для левого глаза (канал «Л»), а во
втором — для правого (канал «П»). Раздель-
ное наблюдение изображений левым и пра-
вым глазом может быть осуществлено
несколькими способами, например, с по-
мощью поляроидных очков.
Если перед экраном одного телевизора,
передающего изображение, например, для
правого глаза, установить фильтр с верти-
кальной поляризацией Р(П), а перед экраном
второго, передающего изображение для ле-
вого глаза,—с горизонтальной Р(=, и наб-
людать эти изображения, совмещенные при
помощи полупрозрачного зеркала 3 через
поляроидные очки соответственно с верти-
кальной для правого и 1 оризонтальной для
левого глаза поляризацией фильтров, то
Системы цветного н объемного телевидения
97
каждый глаз будет видеть «свое» из-
ображение и не будет воспринимать «чу-
жое».
Многочисленные работы, проведенные
проф. П. В. Шмаковым и его сотрудни-
ками по изучению стереоэффекта в теле-
видении, показали:
1. Стереоэффект наблюдается не только
при одинаковой четкости обоих изображе-
ний, но и при понижении четкости одного
из кадров стереопары, причем восприни-
маемая зрителем четкость определяется
более качественным изображением.
2. Возможна передача одного кадра
стереопары черно-белым, а другого цвет-
ным. При этом эффект восприятия объема
и цвета практически не ухудшается.
3. Полоса частот сигналов одного кадра
(в том числе и яркостного сигнала) может
быть значительно сокращена без заметного
ухудшения изображения при условии, что
яркостный сигнал другого кадра переда-
ется с полной полосой частот.
Эти особенности зрения позволили пред-
ложить несколько систем объемного теле-
видения, использующих стандартный теле-
визионный канал. Проще реализуется сис-
тема монохромного объемного телевиде-
ния: одно изображение стереопары, напри-
мер левое, передается обычным способом
в полной полосе частот, а второе фор-
мируется с сокращенным спектром до
1,5 МГц и передается на поднесущей
с частотным перемежением.
Сложнее система стереоцветного теле-
видения. Приведем один из возможных
вариантов ее реализации. Изображение дл'я
левого глаза монохромное и передается
в полной полосе частот яркостным сигна-
лом Е'уп.
Для образования сигналов в стереоцвет-
ной системе может быть использована
четырехтрубочная передающая камера для
цветного телевидения, снабженная двумя
объективами, разнесенными на нужный
базис. Левый объектив формирует на ми-
шени одной передающей трубки монохром-
ное изображение для левого глаза. С вы-
хода этой трубки снимается сигнал Е?п
в полной полосе частот. Правый объектив
формирует цветоделенные изображения на
мишенях трех других передающих трубок.
На выходах их образуются узкополосные
сигналы £/(п, £Сп, £Вп, из которых путем
матрицирования формируются узкополос-
ные сигналы £уп, £(«_у)п, £(В_у)п.
В приемнике сигналы разделяются между
собой методами, известными из описания
систем NTSC и СЕК AM: для разделения
сигналов, передаваемых методом квадра-
турной модуляции, применяются синхрон-
ные детекторы, а для совмещения сигналов
Ещ _ у)п И Ei в _у)п, передаваемых через стро-
ку,— линия задержки на 64 мкс и электрон-
ный коммутатор. В качестве воспроизводя-
щего устройства используется комбинация
из монохромного и цветного кинескопов,
формирующих объемное изображение
(рис. 5.22).
Рассмотренная система, благодаря яр-
костному сигналу £ул полностью совмес-
тима с системой цветного телевидения.
6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ_______________________™
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
И СИСТЕМЫ ВИДЕОЗАПИСИ
6.1. СИСТЕМЫ ВИДЕОСВЯЗИ
Системы видеосвязи широко применяются
в различных отраслях народного хозяйст-
ва — металлургии и торговле, радиопро-
мышленности и на транспорте, в подвод-
ных исследованиях, космонавтике, при про-
изводстве подземных работ, в атомной энер-
гетике, в электронной микроскопии, в учеб-
ном процессе и т. д. Столь широкое приме-
нение определяет и многообразие систем.
Прикладные телевизионные установки
(ПТУ). ПТУ со стандартным разложением
широко используются при управлении тех-
нологическими и производственными про-
цессами. Наиболее общая структурная схе-
ма ПТУ приведена на рис. 6.1. В настоящее
время ПТУ выпускаются из унифицирован-
ных блоков и в зависимости от потребностей
могут комплектоваться различным числом
передающих камер и индикаторов. Пара-
метры разложения, как правило, стан-
дартные для телевизионного вещания.
Однако форма синхросигнала упрощена:
укорочен кадровый синхроимпульс, отсут-
ствуют уравнивающие импульсы и врезки.
Применение стандартной развертки позво-
ляет наряду с видеоконтрольным устрой-
ством (ВКУ) использовать в качестве ин-
дикаторов вещательные телевизионные
приемники. Предусматривается комплекта-
ция телевизионной камеры ПТУ микро-
радиопередатчиком, который в результате
модуляции формирует телевизионный сиг-
нал в одном из стандартных каналов теле-
визионного вещания. Это позволяет под-
ключить выход телевизионного канала непо-
средственно к антенному гнезду телевизора.
На рис. 6.2 приведена функциональная
схема одного канала связи, который может
быть построен по принципу сложной ап-
паратуры на приемной стороне либо слож-
ной аппаратуры на передающей стороне.
В первом варианте в состав камеры входят
блоки а, а блоки б компонуются на прием-
ной стороне. Достоинство метода — в прос-
тоте камер, в отсутствии дублирования
блоков развертки и синхронизации при
многокамерной функциональной схеме, в
возможности синхронизации всего комп-
лекса, недостаток — в необходимости при-
менения дорогостоящего камерного кабеля.
Во втором варианте в состав камеры вхо-
дят блоки а и б. При этом обеспечивается
полная автономия каждой камеры, связь
с приемной частью осуществляется обыч-
ным (дешевым) коаксиальным кабелем,
упрощается коммутация в многокамерных
системах. Недостатки метода — дублиро-
вание по числу камер прочей аппаратуры,
невозможность полной синхронизации ра-
боты всего комплекса.
Малокадровые системы. Малокадровыми
называются системы, у которых частота
смены кадров значительно меньше крити-
ческой частоты мерцаний. В малокадровых
системах время передачи одного кадра
составляет от долей секунды до несколь-
ких десятков минут. Поэтому с их помощью
можно передавать либо изображения не-
подвижных объектов, либо отдельные ста-
тические фазы движущегося изображения.
Уменьшение числа кадров приводит к
сокращению спектра видеосигнала, что
позволяет передавать телевизионную ин-
формацию по узкополосным (например,
телефонным) линиям связи и существенно
повысить чувствительность системы как
Специализированные телевизионные системы и системы видеозаписи
99
за счет лучшего использования эффекта
накопления в передающих трубках, так и
за счет увеличения отношения сигнал/шум
в канале связи. Структурная схема простей-
шей системы приведена на рис. 6.3, а. Если
передаваемое изображение неподвижно и
частота кадров невелика (единицы герц),
то в качестве датчика сигнала использу-
ются обычные передающие трубки, а вос-
производящего устройства — трубки с дли-
тельным послесвечением или памятью. При
передаче подвижных изображений послед-
ние фиксируются посредством импульсной
засветки на мишени передающей трубки,
обладающей длительной памятью (видикон
с памятью, секон и другие), затем потен-
циальный рельеф считывается по памяти.
При очень медленных развертках в каче-
стве элемента памяти как в передающем,
так и в приемном устройствах часто
используется фотопленка.
На рис. 6.3,6 приведена более сложная
структурная схема малокадровой системы,
обеспечивающая возможность наблюдения
немелькающего изображения на экране
стандартного ВКУ или телевизора. При
таком построении системы необходим пре-
образователь параметров малокадровой
системы в стандартные. Основной элемент
преобразователя — оперативное запомина-
ющее устройство (ОЗУ). В него записыва-
ется исходная информация с малой ско-
ростью, а считывается со стандартной.
В качестве ОЗУ применяются магнитные
барабаны (или диски). Передаваемый кадр
записывается на один барабан, вращаю-
щийся со скоростью v3. В это время
предыдущий кадр, записанный на другом
барабане, многократно считывается и вос-
производится на экране стандартного ин-
дикатора. Затем барабаны переключаются —
первый на воспроизведение, а второй —
на запись. Отношение скоростей вращения
барабанов при записи и воспроизведении
vJvB = TKB/TKV где Ткз и Тк в - периоды
кадровых разверток в записывающем и
воспроизводящем устройствах.
Пульт
1
Пульт
П
Рис.6.1
Рис.6.2
Рис.6.3
гелевшионные системы
100
Рис.6.4
По этой же схеме производится пре-
образование радиолокационного изображе-
ния в телевизионное, более удобное для
наблюдения. Вследствие малого числа гра-
даций в радиолокационном изображении
функции ОЗУ в преобразователе параметров
успешно выполняют запоминающие трубки,
например двухлучевые графеконы,— один
луч записывает радиолокационное изобра-
жение в виде потенциального рельефа на
мишени трубки, а второй считывает этот
рельеф со скоростью стандартного теле-
визионного разложения. В рассмотренных
схемах реализуется обменная операция по-
лосы на время.
На рис. 6.4 приведена упрощенная струк-
турная схема фототелевизионной системы,
с помощью которой в 1959 г. была сфото-
графирована невидимая с Земли сторона
Луны. Бортовая аппаратура состояла из
фотоаппарата 2, в котором экспонирова-
лось изображение на пленку, сматываемую
с кассеты 1 в отсек хранения 3 (экспони-
ровалось сразу два кадра двумя объекти-
вами с разными фокусными расстояниями).
После проявления пленки в отсеке 4 и сушки
в барабане 5 она перематывалась на бара-
бан 10. При подаче команды на считыва-
ние пленка равномерно перематывалась
с барабана 10 в отсек хранения 3 с одно-
временным считыванием изображения по
методу бегущего луча системой, состоящей
из малогабаритного кинескопа 6, репродук-
ционного объектива 8, в фокальной плоско-
сти которого расположено окно 9, и кон-
денсора 11, собирающего модулирован-
ный негативом световой поток на поверх-
ность фотокатода ФЭУ 12. Сигнал с ФЭУ
после усиления в 13 поступал на бортовой
радиопередатчик. Развертка электронного
луча в кинескопе — однострочная поперек
пленки — осуществлялась генератором раз-
вертки 7. Параметры разложения перемен-
ные: число строк — до 1000, время пере-
дачи кадра — до 30 мин.
Специализированные телевн зионные емс гемы н системы видеозаписи
101
6.2. 11 .11 В1В11О1111Ы1 (IK ПМЫ
HI С ТИПОВОГО ди \п ион \
Телевизионные системы несветового диа-
пазона используются для визуализации
изображений в невидимом для глаза диа-
пазоне излучений. Наибольшее распростра-
нение получили системы визуализации
изображений в диапазоне инфракрасного,
ультрафиолетового и рентгеновского излу-
чений. В этих системах используются пере-
дающие телевизионные трубки (обычно
видиконы), чувствительные к указанным
излучениям. В остальном построение теле-
визионных систем не отличается от анало-
гичных, работающих в световом диапазоне.
Широкое применение находят телевизи-
онные методы для визуализации изобра-
жений в растровых электронных микро-
скопах. Электронная пушка 1 (рис. 6.5)
в колонне микроскопа формирует тонкий
электронный луч 2, который с помощью
отклоняющей системы 3 и генератора раз-
вертки 4 обегает поверхность исследуемого
образца 8 и выбивает из него вторичные
электроны. Последние улавливаются детек-
тором 7, в качестве которого используется,
например, кристалл йодистого натрия, спо-
собный светиться под действием электрон-
ной бомбардировки. Свечение кристалла
улавливается фотоэлектронным умножите-
лем 6, на выходе которого образуется
видеосигнал. Далее изображение обычным
способом воспроизводится на экране В КУ 5.
Растровые электронные микроскопы явля-
ются мощным инструментом исследования.
С их помощью, например, удалось уви-
деть кристаллическую решетку некоторых
химических элементов.
6.3. ГЕ.1ЕВ1ВИОППЫК АВТОМАТЫ
Телевизионным автоматом (ТВ А) называют
устройство, осуществляющее поиск и опо-
знавание объектов, измерение их координат,
геометрических характеристик, подсчет ко-
личества, сортировку. Современные ТЕЛ
по выполняемым функциям можно разде-
лить на устройства для анализа данных
и их обработки и устройства для дина-
мического контроля производственными
процессами и объектами.
Первые из них представляют собой ав-
тономные приборы, предназначенные для
повышения производительности и безопас-
ности труда, увеличения надежности и
точности измерений, освобождения чело-
века от утомительной однообразной ра-
боты. Они применяются в научных иссле-
дованиях, медицине, биологии, геологии,
производственных лабораториях. В основ-
ном это счетчики частиц, сортировщики
по размерам, анализаторы графической
информации (аэрофотоснимков, сейсмо-
грамм и пр.).
Вторые являются составной частью слож-
ных технологических или вычислительных
систем и по существу являются датчиками
соответствующих параметров. Примером
могут служить устройства непрерывного
контроля и поддержания стабильности па-
раметров изделий в процессе их производ-
ства (ширины проката, диаметра провода,
чистоты поверхности) либо сложные анали-
зирующие системы (системы опознавания
образов), составным элементом которых
являются ЭВМ. Растровый способ разло-
жения, обладающий большой информаци-
онной избыточностью, все чаще уступает
место следящему или комбинированному.
Телевизионные автоматы отличаются боль-
шим разнообразием. Рассмотрим два при-
мера.
Устройство д.|в авт ома 1 нческо! о счета часгнц.
На рис. 6.6, в приведена функциональная схема прос-
тейшею ТВ.4 для счета числа частиц, находящихся
в поле зрения телевизионной камеры. Исходное
изображение (рис. 6.6, а) преобразуется па выходе
телевизионной камеры в видеосигнал (рис. 6.6,6).
На схему анзисовпадений поступает сигнал развора-
чиваемой строки с выхода камеры и сигнат преды-
дущей строки с линии задержки. Схема антисовпаде-
ний пропускает импульс на счетчик только в гом
случае, если он имеется в основном канале и от-
сутствует в задержанном. Таким образом счетчик
зафиксирует только импузьсы, закрашенные в белый
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
102
!ШЛ
Видеокон-
трол ьное
устройство
Камера
Схема
анти-
совпадений
Линия
задержки
Счетчик
Рис.6.6
цвет на 2-й и 3-й строках, число которых соответ-
ствует числу частиц в поле камеры. Недостаток
устройства — в возникновении погрешностей при счете
объектов сложной, например F-образной формы.
Известны более совершенные системы, которые не
имеют этого недостатка.
Устройство для автоматического контрол и ширины
прокатного листа. Две телевизионные камеры в режиме
однострочной развертки «просматривают» края листа
(рис. 6.7, а). Сигналы uKj и ик2 с выхода камер сумми-
руются. Если край листа совпадает с центром раз-
вертки, то суммарный сигнал равен нулю (рис. 6.7,6),
если лист шире нормального, то на выходе сумматора
возникает положительный импульс (рис. 6.7, в), если
уже,— отрицательный (рис. 6.7,г). Эти импульсы могут
быть использованы в качестве управляющих для
системы установки валков стана. Таким образом
телевизионная система включается в общий процесс
производства прокатного листа.
6.4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ
ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Цифровой метод передачи изображений
в настоящее время уже выходит за рамки
лабораторных исследований не только для
специализированных систем, но и для
систем телевизионного вещания.
На рис. 6.8 приведена структурная схема
цифровой телевизионной системы, в кото-
рой между датчиком сигнала и каналом
связи располагается кодирующее устрой-
ство (кодер), а перед воспроизводящим
устройством — декодирующее (декодер).
В простейшем варианте для передачи
цифровых сигналов используется импульс-
но-кодовая модуляция (ИКМ). При этом
кодер представляет собой аналого-цифро-
вой преобразователь (АЦП), который фор-
мирует с заданной частотой выборки из
аналогового сигнала датчика, квантует их
по уровню и преобразовывает в последо-
вательный цифровой двоичный код. В ка-
честве декодера применяется цифро-анало-
говый преобразователь (ЦАП), который
формирует из цифрового кода аналоговый
телевизионный сигнал. Преимущества циф-
рового телевидения в сравнении с анало-
говым заключаются в возможности:
регенерации простыми техническими
средствами сигнала путем замены искажен-
Специализированные телевизионные сисземы и системы видеозаписи
103
Датчик
сигнала
Кодер
Канал
связи
Декодер
Воспро-
изводящее
устройство
Рис.6.8
ных импульсов неискаженными на любом
участке телевизионного тракта;
централизованного автоматического кон-
троля и управления аппаратурой телеви-
зионной системы посредством типовых
управляющих вычислительных машин;
использования методов цифровой фильт-
рации с применением ЭВМ для восста-
новления изображений, искаженных по раз-
ным причинам — за счет допплеровского
эффекта, турбулентности атмосферы и так
далее, что важно, например, для косми-
ческого телевидения и других специализи-
рованных систем;
широкого внедрения автоматизации в
производство цифровой аппаратуры за
счет использования дискретных интеграль-
ных схем, не требующих индивидуальной
наладки, т. е. ручного труда высокой ква-
лификации;
повышения эффективности передачи за
счет уменьшения статистической и психо-
визуальной избыточности телевизионного
сообщения путем оптимального кодирова-
ния видеосигнала.
Представление телевизионного сигнала
в двоичном коде связано с обменной
операцией динамического диапазона на
полосу. Хотя при этом общий объем ин-
формации не изменяется, но за счет умень-
шения динамического диапазона существен-
но расширяется спектр частот телевизион-
ного сигнала. При равномерном квантова-
нии аналогового телевизионного сигнала
в зависимости от содержания изображения
необходимо воспроизвести тпэ = 128 4- 256
градаций уровня, в противном случае за-
метны ложные контуры на изображении,
связанные с тем, что значения яркости
передаются дискретно, а не непрерывно.
Таким образом, максимальная энтропия
элемента изображения Нэтах = log2 =
= log2 (128 - 256) = 7 4- 8 бит.
Быстродействие АЦП определяется час-
тотой выборок /выб, которая должна быть
не меньше числа элементов разложения,
передаваемых в единицу времени. Таким
образом, для преобразования сигнала стан-
дартной вещательной телевизионной сис-
темы (N = 5 • 105, и = 25) в цифровую форму
необходимы 7 — 8-разрядные АЦП с часто-
той выборок
/выб > nN = 12,5 МГц.
Производительность датчика телевизион-
ного сигнала определяется (3.16). Если под-
ставить в него т = ли, = 128 ч- 256, N =
= 5 105, п = 25, то
K?max = nNlog2 И1э = 87 4- 100 Мбит/с.
Поскольку сигнал передается двоичным
кодом, то в канале связи достаточно
обеспечить т = 2. При этом (§ 3.4)
PJPm = I, ». = 2 и F = nNHr
Таким образом, при принятых парамет-
рах разложения изображения
F = 25 • 5 • 105 (7 4- 8) = 87 - 100 МГц.
Полосу частот видеосигнала в цифровой
форме можно сократить почти в два раза
введением' избыточности за счет увеличе-
ния отношения Рс/Рш в канале связи. Из
табл. (§ 3.4) следует, что при т = 8
а = 1,06. Для т = 8 Рс/Рш = 49. Следо-
вательно, если увеличить в канале связи
отношение PJPm в 49 раз, то можно
сократить полосу пропускания канала почти
в два раза, точнее до 46 — 53 МГц. Для
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
104
получения этого эффекта необходимо мощ-
ность передатчика повысить в 25 раз, так
как сокращение полосы частот канала
связи в два раза приводит к уменьшению
мощности Рш тоже в два раза. При
этом пропускная способность канала связи
увеличивается до значения
RKC = Flog2(l + =
= (46 ч- 53) 106 log2 50 = 260 4- 300 Мбит/с.
Таким образом, сокращение полосы про-
пускания канала связи в 1,9 раза дости-
гается избыточным трехкратным увеличе-
нием его пропускной способности. Это
явно неэкономично, однако в ряде случаев
может быть приемлемо.
При более рациональном кодировании,
учитывающем статистические свойства сиг-
нала и психовизуальные особенности зри-
тельного аппарата, требования к каналу
связи можно несколько снизить. Возмож-
ность снижения этих требований основана
на следующем. Во-первых, изображения
обладают статистической избыточностью
(близко расположенные точки изображения
имеют близкие значения яркости, соседние
кадры мало отличаются). Во-вторых, изоб-
ражения обладают психовизуальной избы-
точностью, позволяющей исключить часть
Таблица 5
Сравнительная оценка эффективности методов
кодирования
Метод кодирования Число битов
ИЯ ППРМРОТ
И мпульсно-кодовая 8
модуляция (ИКМ)
Дифференциальная ИКМ (ДИКМ) 3
ДИ КМ двумерная, адаптивная 2,3
Преобразование одномерное 2,3
Преобразование двумерное 2
Преобразование двумерное, 1
адаптивное
информации из изображения, не вызвав при
этом ухудшения субъективно оцениваемого
качества изображения. С учетом этого
может быть поставлена задача построения
оптимального кодирующего и декодирую-
щего устройств, обеспечивающих при за-
данной мере искажений качества изобра-
жения и заданных характеристиках источ-
ника и получателя минимальные требова-
ния к пропускной способности канала
связи. В настоящее время разработан ряд
эффективных способов кодирования изоб-
ражения, обеспечивающих существенное
сокращение избыточности информации по
сравнению с простейшей ИКМ. Принимая
во внимание, что ощущение интенсивности
света в соответствии с законом Вебера —
Фехнера пропорционально логарифму ярко-
сти, можно линейное кодирование (рис. 6.9, а,
красная кривая) заменить нелинейным (си-
няя кривая). При этом число отсчетных
уровней выбирается равным числу различи-
мых градаций яркости mL, которое соответ-
ствует 60—120 (см. 1.2). Таким образом,
благодаря нелинейному кодированию мож-
но уменьшить число разрядов преобразо-
вания до 6 — 7. Тогда полоса пропускания
канала связи при т = 2 составит 75 4-
4-82,5 МГц, а при т = 8 — 40 4- 44 МГц.
В табл. 5 приведены некоторые методы
кодирования и оценка их эффективности.
Специализированные |елевизиопные системы и системы видеозаписи
105
Наиболее эффективными являются ме-
тоды кодирования с преобразованием. Суть
метода состоит в том, что набор коррели-
рованных выборок изображения преобра-
зуется в новый набор некоррелированных
переменных, для передачи которых требу-
ется меньшая пропускная способность ка-
нала связи. Рассмотрим участок изобра-
жения, состоящий из двух соседних эле-
ментов (фрагмент 1 х 2). Пусть т = 3 так,
что каждый из двух элементов может при-
нимать любой из 2m = 23 = 8 значений
яркости, тогда каждый из 82 = 64
состояний двух элементов может быть
представлен одной из 64 точек в двух-
мерном пространстве (рис. 6.10). Поскольку
соседние элементы с большой вероятно-
стью имеют близкие или одинаковые яр-
кости, то наиболее вероятные состояния
этих элементов будут располагаться вблизи
прямой xt = х2 в закрашенной области.
Выберем новую систему координат уь у2,
повернутую относительно хь х2 на 45е.
В новой системе координат наиболее ве-
роятные значения переменных располага-
ются вдоль оси у2 и, следовательно, пере-
менные у! и у2 менее зависимы, чем Х[
и х2. Заметим, что в системе координат
хь х2 требовалось передать 8 х 8 = 64 сос-
тояния, т. е. 6 битов информации, а в сис-
теме координат у1; у2 — существенно мень-
ше. Аналогичный способ кодирования
может быть использован для передачи
фрагмента из v х г элементов, каждый из
которых квантуется на 2"1 уровней. Для
решения этой задачи используются преоб-
разования Фурье, Адамара и прочие, но
даже для малых фрагментов изображения
это очень сложно, так как связано с боль-
шим объемом вычислений, которые необхо-
димо выполнить в реальном масштабе
времени.
Более простыми для выполнения, но
менее эффективными, являются системы
дифференциальной ИКМ, например раз-
ностная ИКМ (рис. 6.11), в которой реа-
лизуется метод линейного предсказания.
Пусть очередное значение выборки равно
So. Система построена таким образом, что
квантуется не So, а разность е0 = So — So,
где So — линейная оценка очередного выбо-
рочного значения So с помощью v преды-
дущих значений, которую вырабатывает
предсказатель. Таким образом, квантуется
не So, а е0 So, что позволяет снизить
число уровней квантования. На выходе
квантователя образуется сигнал е0 + q0,
где q0 — ошибка за с чет квантования (шум
квантования). Значение So уточняется срав-
нением с выходным сигналом квантователя
и вводится в предсказатель для вычисления
оценки следующего значения So. На прием-
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
106
ном конце аналогичный предсказатель вы-
рабатывает значение So, которое сумми-
руется с сигналом е() + q0 и дает значение
S*, несколько отличающееся от So за счет
шума квантования. Учет межкадровой кор-
реляции позволяет создать системы с чис-
лом битов на элемент изображения меньше
0,5, однако реализация таких систем связана
с необходимостью создания оперативной
памяти, способной хранить информацию
нескольких кадров. В настоящее время уже
созданы уникальные устройства с таким
объемом памяти.
6.5. ЗАПИСЬ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ НА КИНОПЛЕНКУ
Метод фотографии обеспечивает высокую
плотность записи информации, однако тре-
бует сложного и длительного процесса
обработки фотослоя и не позволяет вто-
рично использовать носитель информации.
Простейший метод фотографической за-
писи заключается в киносъемке телевизи-
онного изображения с экрана кинескопа.
Однако он не обеспечивает высокое каче-
ство изображения из-за нелинейности и
малой широты градационных характери-
стик кинескопов. Запись цветных изобра-
жений таким способом особенно сложна.
Поэтому метод фотографирования с экрана
кинескопа применяется нешироко.
Перспективен метод записи изображений
на кинопленку с помощью электронного
луча, при котором исключается промежу-
точное преобразование видеосигнал — свет.
Например, в системе EVR программы
цветного телевидения записываются элект-
ронным лучом на черно-белой кинопленке.
При этом полный сигнал цветного теле-
видения разделяется на сигнал яркости
и сигнал цветности на поднесущей. На
кинопленке шириной 8,75 мм в вакуумной
камере двумя электронными лучами запи-
сываются два рядом расположенных кадра
(рис. 6.12, а). На одном из них записыва-
Специализированные телевизионные системы и системы видеозаписи
107
ется сигнал яркости в виде обычного
изображения, а на другом — сигнал цвет-
ности на поднесущей. Последний имеет вид
точечного растра, в котором положение
точек зависит от сигнала цветности. Вы-
сота кадра 2,54 мм, разрешающая способ-
ность пленки — 800 пар линий на 1 мм.
Созданы приставки EVR, обеспечивающие
воспроизведение цветного изображения на
экране телевизора в домашних условиях.
Оптическая схема приставки приведена на
рис. 6.12,6. Просвечивающий кинескоп 1
создает растр, который объективами 2 прое-
цируется через призмы 3 одновременно на
оба кадра кинопленки 4, перемещаемой
с постоянной скоростью. Световой поток,
промодулированный кинокадром, с по-
мощью световодов 6 направляется на
ФЭУ 5 каналов яркости и цветности. Сиг-
налы с выходов ФЭУ преобразуются в
стандартные телевизионные сигналы.
6.6. ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Н\ МЧГНИТНМО ПЛЕНКА
Магнитная запись телевизионных изобра-
жений благодаря оперативности получила
наибольшее распространение. Вместе с тем
ее массовое внедрение встречает ряд серь-
езных затруднений. Как известно, магнит-
ная запись осуществляется на ферромаг-
нитном носителе (например, ленте) 4
(рис. 6.13) посредством магнитной головки 1
с зазором Д, к которому непосредственно
прилегаез ферромагнетик. В процессе за-
писи магнитная лента равномерно переме-
щается относительно головки и при этом
намагничивается магнитным полем 3 зазора
в соответствии с сигналом, подведенным
к обмотке 2 головки. В процессе воспро-
изведения магнитная лента протягивается
аналогичным образом относительно зазора
приемной головки, в обмотке которой
возбуждается э. д. с. за счет остаточного
намагничивания ферромагнетика.
При качественной ленте полоса воспро-
изводимых частот f опреде; яе ся эффек-
тивной шириной Дэ зазора магнитной го-
ловки и скоростью v перемещения ленты:
f = г/Дэ.
Сравнительно легко обеспечить зазор Д =
= 34-4 мкм (эффективный зазор при этом
Дэ = 5 мкм); головки с зазором в 1 мкм
являются уникальными. Полагая Дэ =
= 5 мкм, определим, что для записи зву-
кового сигнала в полосе 10 кГц достаточно
иметь скорость перемещения пленки
гзв = 104 - 5 - 10“6 = 5 10 2 м/с = 5 см/с,
а для записи телевизионного изображения
в полосе 6 МГц
гт = 6 106 - 5 • 10 6 = 30 м/с = 3000 см/с,
г. е. в 600 раз больше, чем при записи
звука. Нетрудно подсчитать, что при таком
способе записи для часовой программы
потребуется 108 км пленки.
При таких скоростях пленка испытывает
большие динамические нагрузки, поэтому
она должна быть прочной, следовательно,
достаточно широкой и толстой. Но при
этом мал коэффициент использования по-
верхности пленки, неэффективно использу-
ется объем кассеты, велик расход мате-
риала. Для повышения плотности записи
информации на пленке и уменьшения ско-
рости ее протяжки применяют метод по-
перечной записи на широкой ленте, при
котором направление движения ленты и
направление записи составляют угол около
90°. Достигается это тем, что в районе
расположения магнитных головок с по-
мощью специальной направляющей маг-
нитной ленте 4 (рис. 6.14) придается форма
цилиндрической поверхности. Четыре маг-
нитные головки 3 располагаются на диске 2
так, что при его вращении с помощью дви-
гателя 1 одна из головок касается поверх-
ности ленты. В результате ее поступатель-
ного движения и вращательного движения
головки образуются поперечные дорожки 2
(рис. 6.15) записи видеосигнала. При по-
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
108
перечной записи удается снизить скорость
движения магнитной ленты до 40 см'с.
Дорожка 1 звукового сопровождения рас-
полагается вдоль ленты. Для согласования
работы четырех каналов (по числу головок)
используется дорожка управления 4. До-
рожка 3 предназначена для записи режис-
серских указаний.
При магнитной записи э. д. с. е,, наводи-
мая в обмотке считывающей головки,
пропорциональна числу витков обмотки w
и скорости изменения магнитного потока
Ф, зависящей от частоты со записанного
сигнала. Полагая Ф = Фм sin cof, где Фм —
максимальный магнитный поток, имеем:
<7Ф
е, = — и’ - = — Фмит) cos ел. (6.1;
dt
При обычной записи из-за большого
перекрытия частотного диапазона
(/max//min = 6- 106/50 = 120000) уровень те-
левизионного сигнала в области низких
частот становится ниже уровня шумов.
Избежать этого удается путем смещения
спектра в более высокочастотную область,
например от 0,5 до 6,5 мГц, при этом
перекрытие частотного диапазона умень-
шается до 13.
Простейший способ смещения спектра
за счет амплитудной модуляции с подав-
лением одной боковой полосы оказывается
непригодным из-за возникновения больших
амплитудных искажений сигнала, вызывае-
мых разной чувствительностью головок,
изменением прижима головок к ленте
\ и г. д. Поэтому в рассматриваемых систе-
мах применяется способ узкополосной (с
индексом модуляции меньше единицы) час-
тотной модуляции. Но и при этом происхо-
дит существенный завал частотной харак-
теристики как в области низких, так и
в области высоких частот. На низких час-
тотах из-за того, что э. д. с. согласно (6.1)
падает с уменьшением частоты, а на высо-
ких из-за протяженности поля записываю-
щей головки, вследствие чего высокочас-
Специализированные телевизионные системы и системы видеозаписи
109
тотное поле в головке изменяет свою
полярность раньше, чем зазор головки
успеет выйти за пределы данного элемента
ленты.
Необходимость строгого согласования
движения четырех головок, обеспечения
одинакового прижима к ним ленты, иден-
тичного усиления в каналах, компенсации
частотных искажений и т. д. потребовала
для высококачественной записи изображе-
ний создания сложной, громоздкой и доро-
гой аппаратуры. Поэтому четырехголовоч-
ные магнитофоны используются, как пра-
вило, в телевизионных студиях.
Стремление упростить видеомагнитофон
привело к созданию двухголовочных
(рис. 6.16, а) и одноголовочных (рис. 6 16,6)
конструкций с диагональной записью.
В двухголовочном магнитофоне лента 4
охватывает несколько больше половины
направляющего цилиндра 1, состоящего
из двух половинок, установленных друг
относительно друга с небольшим зазором,
в котором вращается диск 2 с двумя
головками 3. На одной наклонной дорожке
5 (рис. 6.11, в) записывается видеосигнал
одного поля. В одноголовочном магнито-
фоне лента 4 делает полный виток вокруг
направляющих цилиндров 1. Угол наклона
магнитной дорожки в 2 раза меньше, чем
в двухголовочном магнитофоне, а длина ее
составляет около 0,8 м.
Двухголовочные и одноголовочные маг-
нитофоны обладают более низкими каче-
ственными показателями, чем четырехголо-
вочные, из-за сложности стабилизации по-
ложения ленты на цилиндрах, неравномер-
ности ее натяжения по ширине и значи-
тельной деформации вследствие трения
о поверхности цилиндров. Поэтому магни-
тофоны этой конструкции пока не приме-
няются в вещательной аппаратуре.
Следует заметить, что разработке уст-
ройств магнитной записи видеосигналов
уделяется все большее внимание. Уже
имеются конструкции видеомагнитофонов
массой 5 — 7 кг, обеспечивающие запись
монохромных и цветных изображений
с приемлемым для бытовых целей качест-
вом.
6.7. БЫТОВЫЕ ГЕ.1ЕПРОИ1 РЫВ АТЕ Л И
Сложность и высокая стоимость аппара-
туры магнитной записи стимулировали
создание простых по конструкции телеви-
зионных проигрывателей, позволяющих
воспроизводить на экране телевизора изоб-
ражение, записанное с помощью сложной
аппаратуры в производственных условиях.
Например, разработана система записи
изображений на видеодиск, представляю-
щий собой «граммпластинку» диаметром
30 см, выполненную из поливинилхлорид-
ной пленки толщиной 150 мкм. Ширина
дорожки 8 мкм, запись глубинная. Сигнал
записи частотномодулированный, форми-
руется из стандартного телевизионного сиг-
нала. Возможна запись цветных и черно-
белых изображений. На одной дорожке
записывается один кадр, поэтому число
оборотов диска гд = 25 об/с = 1500 об/мин.
На рис. 6.17 приведена схема видеопроиг-
рывателя. Видеодиск 2, поддерживаемый
воздушной подушкой над столом 1, вра-
щается со скоростью 1500 об/мин. Видео-
сниматель 3, принудительно перемещаю-
щийся в радиальном направлении на шаг
записи за один оборот пластинки, снабжен
пьезокристаллом 5 с сапфировым или ал-
мазным щупом (иглой) 4 специальной
формы, благодаря которой он лежит на
нескольких вершинах волн записи. При
этом на щуп действует постоянная сила
давления. Переменная сила давления, обра-
зующая полезный сигнал, возникает в щупе
при прохождении его задней острой грани
по вершинам волн глубинной записи.
На верхней грани щупа укреплена пьезо-
керамическая пластинка, преобразующая
изменения давления на щуп в электриче-
ский сигнал. Этот сигнал декодируется
и преобразуется в стандартный телевизи-
онный сигнал.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
НО
Рис.6.17
Известны также устройства, где считы-
вание информации с видеодиска произво-
дится лазерным лучом. При лазерном
считывании обеспечивается долгий срок
службы видеодиска из-за отсутствия меха-
нического воздействия на него, а .также
возможность более плотной записи, по-
скольку диаметр лазерного луча в фокусе
составляет 1,5 мкм, а минимальный радиус
кривизны нижней кромки алмазного щупа —
25 мкм.
6.8. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРОГРАММ
В обычной фотографии на фоточувстви-
тельной поверхности фиксируется лишь
интенсивность вектора электрического поля
излучения, отраженного от объекта, и не
регистрируется его фаза. Это приводит
к потере части информации, что превра-
щает, например, объемное изображение
в плоское. В 1948 г. американский физик
Денис Габор предложил метод голографии
(все записывающий — гр.), заключающийся
в том. что на фоте чувствительной поверх-
ности регистрируется распределение волно-
вого фронта излучения, отраженного от
объекта.
Метод голографии заключается в следу-
ющем. Пусть имеется два предмета А и В
(рис. 6.18, а), облучаемые одним когерент-
ным источником света. Если излучение
способно создать в некоторой области ин-
терференционную картину, т. е. систему
стоячих волн, то, поместив в этом месте
фотоприемник, можно зарегистрировать
эту интерференционную картину от двух
объектов. Назовем ее голограммой А + В.
Далее, облучая голограмму А + В идеаль-
ной копией исходного волнового фронта
одного предмета, например А (рис. 6.18,6),
получим совершенный волновой фронт дру-
гого предмета, рассматривая который, уви-
дим предмет В. Голограмма как бы «от-
кликается» на изображение одного из своих
предметов. В качестве предмета А обычно
используют зеркало, хотя в принципе это
может быть и любой другой объект.
Голография привлекает внимание специа-
листов в области телевидения благодаря
таким своим свойствам:
1) большой информативности, позволяю-
щей зафиксировать на черно-белой пленке
голограмму цветного объемного изобра-
жения;
2) помехоустойчивости — изображение
можцо восстановить не только по всей
голограмме, но и по ее части подобно
тому, как можно видеть изображение не
только в целом зеркале, но и в его осколке;
3) высокому контрасту восстановленного
изображения при низком контрасте голо-
Специализированные телевизионные системы н системы видеозаписи
111
граммы, создаваемому благодаря тому, что
голограмма «собирает» в данную точку
изображения свет со всей своей поверх-
ности;
4) возможности визуализации изображе-
ния вне пределов светового диапазона
(так как можно обойтись без фокусирую-
щих линз) и т. д.
Из-за технических трудностей в настоя-
щее время еще нет возможности переда-
вать голограммы по телевидению.
Ведь расстояние между интерференцион-
ными полосами на голограмме соизме-
римо с половиной длины волны облучаю-
щего источника, что в световом диапазоне
составляет 200 — 400 нм. Это требует от
телевизионной системы разрешения в не-
сколько тысяч линий на миллиметр с соот-
ветствующим расширением полосы пропус-
кания канала связи на несколько порядков.
При этом для восстановления изображения
необходимы телевизионные трубки, способ-
ные создавать на экране изображение
голограммы в виде диапозитива, который
можно было бы просветить лазерным лу-
чом по схеме рис. 6 18, б Не останавли-
ваясь на возможных способах реализации
голографических телевизионных систем, от-
метим, что в настоящее время голография
уже применяется для записи телевизионных
изображений.
Характерна система бытового телевизи-
онного проигрывателя — «Холотэйп», раз-
работанная фирмой RCA (США), в которой
телевизионное изображение, предваритель-
но зафиксированное на кинопленке анало-
гично тому, как это делается в системе
EVR (§ 6.5), преобразуется в голографи-
ческое изображение, которое наносится на
никелевую матрицу и образует на ней
рельефную голограмму. Никелевая матрица
в производственных условиях прокатыва-
ется при определенной температуре через
ролики вместе с наложенной на нее поли-
хлорвиниловой лентой, на которой полу-
чают рельефный отпечаток той же голо-
граммы. В домашних условиях лента про-
свечивается лазером так, что восстановлен-
ное за голограммой мнимое видимое изоб-
ражение возникает в плоскости мишени
бивикона — двухлучевой передающей труб-
ки.
Сигналы яркости Еги цветности Еи с вы-
ходов бивикона после усиления и пре-
образования поступают на вход теле-
визора. Достоинства системы: дешевиз-
на, простота, быстрота тиражирования,
сохранение качества изображения при
значительном износе пленки (даже с
сильно потертой голограммы получа-
ют изображение без заметного ухуд-
шения).
1. ДАТЧИКИ____________
ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
из
7.1. КРАТКИЙ ОБЗОР ДАТЧИКОВ
ТЕЛЕВИЗИОННОЮ СИГНАЛА
Датчики телевизионного сигнала предна-
значены для преобразования изображения
в электрический сигнал. Приборы разделя-
ются на три группы: передающие теле-
визионные трубки; твердотельные фото-
электрические преобразователи; устройства
с бегущим лучом.
Передающие телевизионные трубки —
наиболее распространенная группа фото-
электрических преобразователей. Они пред-
ставляют собой электровакуумные при-
боры, в которых применена развертка
изображения электронным лучом. Боль-
шинство из них работает по принципу
накопления световой энергии в виде элект-
рических зарядов на мишени трубки. Наи-
более характерными для этой группы при-
боров являются трубки с вторично-эмис-
сионным накопителем (супериконоскоп, су-
перортикон и пр.), фотопроводящим нако-
пителем (различные варианты видиконов),
фотодиодным накопителем (плюмбикон,
кремникон и пр.). Трубки с накоплением
имеют высокую чувствительность и универ-
сальность, обеспечивающую работу при
различных условиях освещения как в пре-
делах светового диапазона, так и за его
пределами. Имеются также передающие
трубки мгновенного действия — диссекто-
ры, характеризующиеся высокой линей-
ностью световой характеристики, но обла-
дающие низкой чувствительностью.
Твердотельные фотоэлектрические пре-
образователи в сравнении с электровакуум-
ными приборами имеют ряд преимуществ:
малые габариты, высокие технические по-
казатели, большое отношение сигнал/шум.
Они уже выходят за рамки лабораторных
исследований и в скором времени, по-
видимому, будут широко применяться в
промышленности.
Устройства с бегущим лучом использу-
ются главным образом в специализиро-
ванных и телепроекционных системах.
7.2. ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ
(131 1ОВОЙ ЭНЕРГИИ
Принцип накопления световой энергии
в виде электрических зарядов иллюстри-
рует рис. 7.1. При освещении мозаики из
фотоэлементов ток, проходящий в цепи
фотоэлемента /ф, заряжает последовательно
с ним включенный конденсатор С до не-
которого потенциала, определяемого вели-
чиной светового потока Ф, попадающего
на фотоэлемент, и временем заряда кон-
денсатора. Если заряд конденсатора произ-
водится в течение длительности кадра t„
а фотоэлемент работает в режиме насы-
щения, т. е. на участке ыф1 — Ыф2 вольт-ампер-
ной характеристики (рис. 7.2), то, очевидно,
заряд элементарного конденсатора соста-
вит:
бз = *ф*г ГЛ)
Напряжение, до которого заряжается кон-
денсатор, равно:
£
"з = с = 1ф«к/С = еФ1к/С,
где е — интегральная чувствительность фо-
тоэлемента.
Элементарные конденсаторы разряжа-
ются при помощи переключателя П на
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
114
нагрузочный резистор RH, с которого сни-
мается напряжение сигнала ис
Если конденсатор (например, С Г) полно-
стью разряжается в течение интервала
времени тэ — передачи одного элемента
изображения, — то потерянный им заряд
Qp равен:
QP = <7-2>
где ip — средний ток разряда.
Сопоставляя (7.1) и (7.2), видим
«р/’ф = Гк/Тэ-
Если пренебречь потерями на обратный
ход развертки, то
ip = i^N,
где N — число элементов разложения изоб-
ражения.
В системах мгновенного действия, где
накопление световой энергии не произво-
дится (рис. 7.3), ток через нагрузку равен
1ф. Выигрыш в чувствительности, который
дает идеальная система с накоплением, по
сравнению с системой мгновенного дей-
ствия составляет:
«р/’ф = 'ф^’ф = N-
Выигрыш огромный, если учесть, что для
современных систем телевидения N
500 000, но он не полностью реализуется
из-за несовершенства переключателя, роль
которого в передающих трубках выполняет
электронный луч, обладающий необходи-
мым быстродействием, но не обеспечиваю-
щий идеального переключения.
7.3. ПОТЕНЦИАЛ
1ВО.1ИРОВАННОГО ЭКРАНА
При бомбардировке электронным лучом
изолированной мишени на ней устанавли-
ваются определенные потенциалы, имею-
щие большое значение в работе передаю-
щей трубки. Величина этих потенциалов
определяется коэффициентом вторичной
эмиссии о = п2/п1 бомбардируемой ми-
шени, где и, — число электронов, попавших
на мишень, а п2 — число электронов, вы-
битых из мишени.
На рис. ТА,а представлена кривая зависимости
коэффициента вторичной эмиссии ст от энергии элект-
ронов, бомбардирующих мишень. Характерны две
критические точки 1/кр1 и 1/крэ, в которых коэффи-
циент вторичной эмиссии о=1. Ход кривой объяс-
няется следующим образом. При низких скоростях
электроны обладают малой энергией, поэтому, попадая
на мишень, они не в состоянии выбить много вто-
ричных электронов, вследствие этого ст < 1. По мере
увеличения ускоряющего напряжения 17а энергия элект-
ронов растет и при Ua = UKp i ст становится равной
единице. С дальнейшим ростом ускоряющего напря-
жения коэффициент вторичной эмиссии вначале рас-
тет, а затем начинает падать из-за того, что первич-
ные электроны, обладая большими скоростями, про-
Датчики 1елевизиониого сигнала
115
Рис.7.3
никак» в глубинные слои мишени и гам отдают
свою энергию вторичным электронам, а ге, израсхо-
довав энергию при столкновениях, не в состоянии
выбраться на поверхность. При Ра“^кр2 коэффи-
циент вторичной эмиссии вновь становится равным
единице, а с дальнейшим увеличением ускоряющего
напряжения — меньше единицы. При равенстве потен-
циалов мишени и катода электроны не будут оседать
на .мишени, поэтому коэффициент вторичной эмиссии
при потенциале мишени, равном потенциалу катода,
условно считают равным единице. Таким образом,
весь участок кривой вторичной эмиссии можно раз-
делить на три области: I — (0 < Ua < 1/кр |) — назы-
вают областью медленных электронов, 2 —(1/кр]<
< Ua < икр 2) ~ областью быстрых электронов и 3 —
(Ua > UKp2 ~ областью предельного потенциала.
В области медленных электронов о < 1, поэтому
число п2 выбитых вторичных электронов меньше
числа «1 первичных. При работе в этой области слу-
чайный потенциал изолированной мишени r/Mj будет
уменьшаться. Стационарный потенциал устано-
вится чуть ниже потенциала катода вследствие того,
что электроны, обладая начальными скоростями,
в состоянии преодолеть небольшое тормозящее поле.
В области быстрых электронов о > 1 и, следова-
тельно. и2>пь поэтому всегда имеется избыток вы-
битых электронов. В этом случае потенциал мишени
будет определяться потенциалом того электрода, на
который уходят электроны. В частности, это может
быть анод. Пока потенциал мишени нМ2 меньше по-
тенциала анода (7а2, выбитые вторичные электроны
будут попадать в ускоряющее поле и уходить на анод.
Но если потенциал мишени и'^2 окажется выше по-
тенциала анода, то выбитые вторичные электроны
будут попадать в тормозящее поле и возвращаться
на мишень, уменьшая ее потенциал. Таким образом,
равновесный потенциал UM2 примерно равен потен-
циалу анода, а точнее на 2 — 3 В выше потенциала
анода, поскольку вторичные электроны, обладая на-
чальной скоростью вылета, в состоянии преодолеть
некоторое тормозящее поле.
В третьей области о < 1 и, следовательно, если
потенциал экрана ц'мз находится в этой области, го
он будет падать, но только до тех пор, пока не
станет g = 1. Таким образом, равновесным для этой
области является потенциал (7кр2- Этот же потенциал
является предельным, поскольку в стационарном ре-
жиме не может быть превзойден.
На рис. 7.4,6 приведены кривые измене-
ния потенциала UM изолированной мишени
относительно катода в зависимости от
ускоряющего напряжения Ua.
В современных передающих телевизион-
ных трубках коммутация потенциального
рельефа производится, как правило, мед-
ленными электронами. В этом режиме ком-
мутации передающая трубка обладает бо-
лее высокой чувствительностью, чем в ре-
жиме коммутации быстрыми электронами,
при котором вторичные электроны, хаоти-
чески осаждаясь на поверхность мишени,
уменьшают глубину потенциального релье-
фа и создают шум.
74 ФОКУСИРОВКА И ОТКЛОНЕНИЕ
ГУ Ч У В ПЕРЕД УЮЩИХ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ТРУ БКАХ
В передающих телевизионных трубках для
фокусировки и переноса электронного изоб-
ражения чаще всего используется длинная
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
116
Рис.7.5
фокусирующая катушка (соленоид), образу-
ющая однородное магнитное поле, в соче-
тании с системой электродов катод—анод,
создающей электрическое поле.
Рассмотрим поведение электрона в однородном
магнитном поле. Пусть из точки а (рис. 7.5, а) под
некоторым углом а к силовым линиям поля вылетает
электрон со скоростью и. Известно, что на электрон
в. однородном магнитном поле действует сила
Лоренца:
FM = e[f х В];
модуль FM вектора FM равен:
FM = evB sin а, (7.3)
где е и v — заряд и скорость электрона; Ё — магнит-
ная индукция.
Разложив вектор скорости электрона на составляю-
щие v2 и vr, замечаем, что в соответствии с (7.3)
с полем взаимодействует только составляющая vr.
Сила взаимодействия по модулю равна:
FM = е1’гВ;
и направлена в соответствии с правилом левого бу-
равчика или правой руки (поскольку электрон отри-
цательно заряжен) перпендикулярно векторам vr и Bz.
Под действием этой силы электрон описывает
круговую траекторию вокруг магнитных силовых ли-
ний, радиус которой R может быть определен из
условия равенства сил:
mvl/R — evfBz,
откуда легко определить радиус орбиты электрона:
R = (7.4)
Из (7.4) следует: все электроны, имеющие одина-
ковые радиальные скорости, вращаются по орбитам
равного радиуса; чем больше скорость электрона, тем
больше радиус его орбиты.
Определим период обращения ТОб электрона.
Очевидно,
2лК 2лш „
-----= <7'5)
1)г eBz
следовательно, период обращения не зависит от ско-
рости электрона, а определяется лишь напряженностью
магнитного поля катушки. Если бы у электронов
не было составляющей скорости v„ то все электроны,
вылетевшие из точки а через То§, снова оказались бы
в этой точке. Пусть теперь vz не равна нулю, тогда
электроны будут не только вращаться, но и переме-
щаться вдоль оси z, т. е. двигаться по спирали. Если
v2 у всех электронов одинаковы, то через То§ все они
пересекут магнитную силовую линию, проходящую
через точку а, в точке аь а через 2ТО$ — в точке а2;
если же скорости разные, то пересечение траекторий
электронов произойдет не в одной точке, а на неко-
тором интервале вдоль оси z. Для того чтобы осу-
ществить перенос изображения или сфокусировать
в какой-то точке электронный луч, необходимо, чтобы
все электроны, вылетающие с катода, двигались
с одинаковой скоростью. Но это невозможно, так как
электроны обладают разными начальными скоростями.
Следовательно, нужно разогнать электроны до столь
большой скорости, чтобы разбросом начальных ско-
ростей можно было пренебречь. Для этого между
катодом и анодом создается большая разность потен-
циалов 1/я.
Допустим, что между катодом и анодом, располо-
женными на расстоянии / вдоль оси z, образовано
однородное электрическое поле, напряженность кото-
рого
Е = UJL (7.6)
Сила Лоренца Fc, действующая на электрон в одно-
родном электрическом поле, равна по модулю:
Fe = еЕ
и направлена вдоль силовой линии навстречу вектору
Е. Эта же сила равна произведению массы электрона
tn на его ускорение д. Таким образом,
еЕ
9 dt2 ~ m
Дважды интегрируя это выражением, получим:
(7.7)
Датчики телевизионного сигнала
117
Если пренебречь начальными скоростями электронов
и наложить граничные условия, то при t ~ 0, vz = О,
z = 0 постоянные интегрирования и С2 окажутся
равными нулю и тогда с учетом (7.7) и (7.6)
еЕ _ еил
z = —-12 = —v
2т 2ml
(7.8)
Электроны, вылетевшие из точки а. будут сходиться
вновь в одну точку через интервалы времени кТо&
где к — целое число, определяющее количество спира-
лей. Если нужно, чтобы электроны сфокусировались
на аноде (рис. 7.5, б), следует принять z = I и тогда
из (7.8) с учетом (7.5) получим:
Поскольку Bz = цаЯг, где Hz — напряженность магнит-
ного поля, а ца — абсолютная магнитная проницае-
мость,
(7.9)
С учетом численных значений постоянных, входящих
в формулу I ца = 4л 10“7 Гн/м; — = 1,76 1011 К/кг ),
получаем выражение для расчета фокусного расстояния
системы'
Полученное выражение позволяет подобрать соотно-
шения между ускоряющим напряжением и напряжен-
ностью магнитного поля фокусирующей катушки
в зависимости от расстояния между анодом и като-
дом в трубке и числом спиралей к (обычно выбирают
к = 3 - 5).
Из рис. 7.5 следует, что электроны в поле
длинной фокусирующей катушки переме-
щаются вдоль магнитных силовых линий,
как бы «навиваясь» на них. Это позволяет
изменять траекторию движения электронов
за счет изгиба магнитных силовых линий.
Для этого наряду с фокусирующей ка-
тушкой ФК (рис. 7.6), создающей продоль-
ное поле напряженностью Hz, используется
отклоняющая катушка ОК, создающая од-
нородное поперечное магнитное поле на-
пряженностью Ну. Будем считать, что это
поле сосредоточено в области, ограничен-
ной длиной а отклоняющей катушки. Таким
образом, вектор суммарного поля Н в об-
ласти отклонения составит с осью z угол а.
tg а = Hy/Hz и, следовательно, величина
отклонения у на мишени бу дез равна:
у = atga = a-^.
75. ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРАВКИ
С ВТОРИЧНО-ЭМИС (ИОННЫМ
НАКОПИТЕЛЕМ
К этой группе приборов относятся супер-
иконоскоп и суперортикон. Супериконоскоп,
сыгравший в свое время большую роль
в развитии телевидения, в настоящее время
уже не применяется.
Суперортикон (рис. 7.7) разработан в
1946 г. в США. Основным элементом этой
трубки является двусторонняя мишень,
предложенная в 1938 г. Г. В. Брауде (СССР).
Двусторонняя мишень, выполняющая роль
вторично-эмиссионного накопителя, пред-
ставляет собой тонкую (3 5 мкм) пленку
5 из полупроводникового стекла с коэф-
фициентом вторичной эмиссии 0 = 44-5
и мелкоструктурную сетку 4, расположен-
ную параллельно пленке на расстоянии
30—50 мкм от нее. Прозрачность сетки
60 — 70° „, а число ячеек на миллиметр —
30 4- 40. Передаваемое изображение с по-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
118
мощью объектива 1 проецируется на фото-
катод 2, нанесенный на внутреннюю по-
верхность стеклянной колбы прибора. Фо-
тоэлектроны, выбитые с фотокатода под
действием света, образуют электронное
изображение, которое при помощи электри-
ческого и магнитного полей переносится
на мишень со стороны сетки. Ускоряю-
щий электрод 3 предназначен для создания
более однородного электрического поля
в области фотокатода. Участок трубки от
фотокатода до мишени называется секцией
переноса.
Коммутация потенциального рельефа
производится электронным лучом 8 с мед-
ленными электронами, который формиру-
ется электронным прожектором 13 с ано-
дом 12, имеющим малое отверстие для
ограничения сечения пучка, цилиндром ано-
да 11 и фокусирующим электродом 10,
нанесенным в виде проводящего покрытия
на внутреннюю поверхность стеклянной
колбы. Непосредственно перед мишенью
расположен тормозящий электрод 6 с нуле-
вым потенциалом, предназначенный для
уменьшения скорости электронов в комму-
тирующем пучке у мишени до величины,
близкой к нулю. Участок от катода до
мишени называется секцией коммутации.
У конца узкой части колбы расположена
секция умножителя 14. Диноды и коллектор
электронного умножителя размещены вок-
руг прожектора. Продольное однородное
магнитное поле для переноса электронного
изображения с фотокатода и фокусировки
коммутирующего луча образуется длинной
фокусирующей катушкой 9. На тонкой
части горловины трубки расположены от-
клоняющие катушки 7, создающие попереч-
ные магнитные поля в направлении строч-
ной и кадровой разверток и корректирую-
щие катушки 15, предназначенные для ком-
пенсации радиальной составляющей скоро-
сти электронов, вызванной несовпадением
оси электронного прожектора с направле-
нием магнитных силовых линий длинной
фокусирующей катушки.
Перенос электронного изображения с фо-
токатода на мишень осуществляется быст-
рыми электронами (разность потенциалов
мишень — фотокатод составляет несколько
сотен вольт). Поэтому фотоэлектроны вы-
бивают из мишени вторичные электроны.
Число выбитых с данного участка мишени
вторичных электронов пропорционально
освещенности этого участка изображения.
Поэтому светлые участки изображения бу-
дут создавать на мишени более положи-
тельный потенциал, чем темные. Таким
образом, на мишени создается потенциаль-
ный рельеф, соответствующий распределе-
нию яркостей в передаваемом изображении.
Даники 1елевизионного сигнала
119
Вторичные электроны улавливаются сет-
кой, которая хотя и имеет низкий потен-
циал (1 В), но близко расположена к ми-
шени, благодаря чему создает большое
отбирающее поле для электронов и гем
самым препятствует существенному возрас-
танию потенциала мишени относительно
потенциала сетки.
Рассмотрим образование сигнала в супер-
ортиконе. Для этого обратимся к эквива-
лентной схеме элемента мишени (рис. 7 8).
Приходящаяся на один элемент емкость
мишени (одной стороны мишени относи-
тельно другой) См > Смс — емкости ми-
шень — сетка. Допустим, что постоянная
времени RMCM выбрана так, что за время
передачи одного кадра емкость См пол-
ностью разряжается через сопротивление
RM. Тогда к моменту очередной комму-
тации данного элемента емкость См бу-
дет полностью разряжена и, следователь-
но, потенциал в точке с окажезся равным
потенциалу точки Ь. Последний, в свою
очередь, зависит от освещенности соответ-
ствующего участка изображения и опреде-
ляется зарядом элементарной емкости Смс.
В момент коммутации потенциал точки с
доводится до потенциала термокатода. При
этом емкость Смс почти весь свой заряд
отдает емкости См (так как См > Смс). Ток
заряда емкости образует ток сигнала ic.
Разность потенциалов иЬс определяется из
соотношения и^/и^ = Смс/См, следователь-
С
но, иЬс = иаЬ . Поскольку Смс « См, то
'-'М
иьс и«ь- Емкость См за время передачи
кадра разряжается через сопротивление RM
и к моменту следующей коммутации она
свободна для приема очередного заряда.
Благодаря коммутации медленными элект-
ронами уровень шумов в суперортиконе
мал, поэтому трубка может работать при
малых (порядка 0,1 лк) освещенностях на
фотокатоде. Однако и абсолютный уровень
сигнала в суперортиконе мал. Поэтому,
если включить нагрузочное сопротивление
в цепь сетки и с него подать сигнал на
обычный усилитель, то соотношение сиг-
нал/шум резко уменьшится, так как уро-
вень шумов обычного (лампового или
транзисторного) усилителя во много раз
превышает уровень шумов суперортикона.
Для эффективного использования высокой
чувствительности суперортикона необходи-
мо использовать усилители с коэффициен-
том шума, близким к единице. Таким уси-
лителем является электронный умножитель.
Из рис. 7.8 следует, что
«1 = «2 + «о
где ij — ток прямого луча; i2 — ток отра-
женного луча; ic —ток сигнала. Следова-
тельно, при постоянном токе прямого луча
информация о сигнале содержится и в от-
раженном луче, так как
«2 = h ~ С
В суперортиконе отраженный луч попадает
на анод 12, который одновременно явля-
ется первым динодом электронного умно-
жителя. Усиленный в последнем ток отра-
женного луча примерно в 1000 раз создает
выходной сигнал на нагрузочном резисторе
R„. включенном в коллекторную цепь
электронного умножителя.
Статическая световая характеристика су-
перортикона при малых освещенностях ли-
нейна, но имеет резко выраженный режим
насыщения, возникающий при сильном
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
120
освещении мишени, когда ее потенциал
достигает потенциала сетки и отбор вто-
ричных электронов с поверхности мишени
прекращается (рис. 7.9, кривая /).
Динамические характеристики суперорти-
кона отличаются от статической, что позво-
ляет ему работать при освещенностях,
значительно превышающих освещенности
в точке перегиба статической характери-
стики 1. Это связано с тем, что при
больших освещенностях, когда создается
насыщенность тока вторичных электронов,
только часть из них достигает сетки, а
большая часть возвращается обратно на
мишень. При этом электроны оседают не
только на тот участок, с которого они
были выбиты, но и на соседние. С осве-
щенных участков будет выбиваться больше
электронов, чем с темных и, поскольку
они не возвращаются на участки, с кото-
рых были выбиты, а распределяются по
соседним участкам, потенциал освещенных
участков окажется выше, чем неосвещен-
ных. Если участок мишени сильно освещен,
а окружающие его участки слабо, то ко-
личество эмиттируемых с него вторичных
электронов будет больше, чем количество
электронов, оседающих на нем при эмис-
сии с соседних с ним более темных участ-
ков Поэтому более светлые участки изоб-
ражения на мишени будут иметь более
положительные заряды, чем более темные
участки. Динамические световые характе-
ристики с увеличением освещенности сме-
щаются вправо. На рис. 7.9 приведены
динамические характеристики суперорти-
кона при максимальной освещенности 0,5;
10 и 50 лк (соответственно кривые 2, 3, 4).
Телевизионный сигнал, создаваемый су-
перортиконом, имеет сравнительно низкое
отношение сигнал/шум (ujuw 30 4- 60) в
основном из-за малого коэффициента мо-
дуляции выходного тока видеосигналом
(не более 30%). Сигнал суперортикона при
работе с малыми освещенностями содержит
информацию, позволяющую восстановить
среднюю составляющую видеосигнала в
любом участке телевизионного тракта пу-
тем фиксации уровня черного. Это дости-
гается тем. что во время обратного хода
на сетку подается импульс гашения, пре-
пятствующий попаданию на мишень элект-
ронов считывающего луча, поэтому все они
поворачивают обратно. Аналогичная кар-
тина и при передаче черных участков
изображения. Таким образом, сигналы на
выходе суперортикона во время обратного
хода соответствуют уровню черного. Од-
нако при работе с большими освещенно-
стями в режиме перераспределения зарядов
эта информация теряется. На рис. 7.10
приведены апертурные характеристики, т. е.
зависимость уровня видеосигнала от раз-
меров деталей изображения, для супер-
ортиконов диаметром 75 и 115 мм. У су-
перортикона диаметром 115 мм апертурная
характеристика значительно лучше, чем
у суперортикона диаметром 75 мм.
7.6. ПЕРЕДАЮЩИЕ
ЕЕ 1ЕВ1ВПОННЫЕ ПРАВКИ
С ФОТОПРОВОДЯЩИМ
НАКОПИТЕЛЕМ
Наиболее характерными для этой группы
приборов являются видиконы.
Видикон — передающая трубка с ми-
шенью из фотосопротивления. Материала-
Датчики телевизионного сигнала
121
ми для мишени служат аморфный селен,
трехсернистая сурьма (стибнит), соединения
свинца, селена, кадмия и т. д. Конструкция
трубки проста (рис. 7.11). На торцевую
внутреннюю поверхность колбы 3 нанесена
полупрозрачная сигнальная пластина 1,
покрытая слоем фотосопротивления 2,—
это мишень. Перед мишенью установлена
сетка 4, соединенная со вторым анодом 5
и предназначенная для создания однород-
ного электрического поля в области ми-
шени. Формирование, фокусировка, коррек-
ция и отклонение электронного луча осу-
ществляются, как в суперортиконе. Анод
иногда выполняется разрезным, состоящим
из двух частей. Это позволяет производить
динамическую фокусировку электронного
луча для обеспечения большей четкости на
краях изображения. Трубка может работать
как в режиме медленных, так и в режиме
быстрых электронов В первом случае на
сигнальную пластину попадает ускоряющее
напряжение Uc „ около + 20 В относитель-
но катода. При этом коэффициент вто-
ричной эмиссии фотосопротивления меньше
единицы.
Рассмотрим схему образования сигнала
в видиконе (рис. 7.12). Под действием
электронного луча потенциал правой об-
кладки каждой элементарной емкости
мишени См доводится до потенциала
катода (рассматривается идеальный случай
полной коммутации). После ухода луча
емкость начинает разряжаться через шун-
тирующее ее фотосопротивление. В связи
с этим на освещенных элементах мозаики
конденсатор будет разряжаться быстрее,
а на затемненных — медленнее. Поэтому
к моменту следующего цикла коммутации
для выравнивания потенциала мишени на
светлых местах потребуется больший ток,
чем на темных. В сигнале видикона со-
держится информация о средней состав-
ляющей.
В режиме быстрых электронов на сиг-
нальную пластину подается потенциал в
несколько сотен вольт относительно като-
да. При этом коэффициент вторичной
эмиссии мишени больше единицы и, сле-
довательно, под действием электронной
бомбардировки ее потенциал со стороны
коммутирующего луча устанавливается
примерно равным потенциалу второго ано-
да, а не катода. В остальном процесс
образования сигнала такой же, как и при
коммутации мишени лучом медленных
электронов. Видикон обладает относитель-
но большой инерционностью. Различают
два вида инерционности — фотоэлектриче-
скую и коммутационную. Первая связана
с тем, что явление фотопроводимости
инерционно, поэтому при изменении осве-
щенности мишени соответствующее изме-
нение проводимости осуществляется за ко-
нечный промежуток времени. Коммутаци-
онная инерционность связана с недоста-
точной величиной тока электронного луча.
Вследствие этого за один цикл считывания
потенциальный рельеф снимается не пол-
ностью. Остаточный сигнал от нескольких
предыдущих кадров при передаче движу-
щихся объектов создает нерезкость изобра-
жения. Особенно заметна инерционность
при малых освещенностях.
Световые характеристики видикона пред-
ставлены на рис. 7.13 Видикон, работаю-
щий в режиме быстрых электронов, до-
пускает значительно большие изменения
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
122
Рие.7.14
напряжения на сигнальной пластине и поэ-
тому может работать в большем диапа-
зоне освещенностей, но в режиме медлен-
ных электронов видикон обладает большей
чувствительностью.
Спектральные характеристики видикона
зависят от материала фотопроводящего
слоя и охватывают очень широкую об-
ласть — от инфракрасного до рентгеновско-
го излучения.
Апертурные характеристики видиконов
зависят or размеров мишени. Для дюй-
мового видикона (диаметр колбы 26 мм)
они хуже, чем у суперортикона (рис. 7.14).
Полуторадюймовые видиконы имеют луч-
шие характеристики. Известны видиконы
с большим диаметром колбы 61 и 76 мм,
обеспечивающие разрешение до 6000 линий.
Разработаны также миниатюрные види-
коны с диаметром колбы 13— 15 мм с раз-
решающей способностью 300 — 500 линий,
представляющие интерес для различных
телевизионных зондов, которые должны
пройти через малые отверстия.
Простота конструкции, невысокая стои-
мость, малые габариты и масса в сочета-
нии с высокой чувствительностью обуслов-
ливают широкое применение этих трубок
в специализированных телевизионных систе-
мах. В вещательном телевидении эти труб-
ки применяются в основном для передачи
кинофильмов, поскольку там легко созда-
ются высокие освещенности, при которых
инерционность мишени падает до прием-
лемой величины. Разработаны видиконы
с электростатической фокусировкой и от-
клонением, позволившие уменьшить массу
прибора примерно в 10 раз. правда за счет
некоторого ухудшения разрешающей спо-
собности.
'.7. ( ЕКОП
Секон — трубка с переносом изображения.
Изображение проецируется на фотоэмис-
сионный катод 1 (рис. 7.15), нанесенный на
Датчики теленизиоинш о сш нала
123
внутреннюю поверхность стеклянного бал-
лона.
Электронное изображение с фотокатода
так же, как в суперортиконе, с по-
мощью системы электродов, создающих
ускоряющее поле, и длинной фокусирующей
катушки переносится на мишень, содержа-
щую прозрачную для электронов подложку
2 из окиси алюминия, на которую нанесена
прозрачная для электронов сигнальная
пластина 3. а поверх нее — пористый слой
диэлектрика 4. в котором фотоэлектроны
полностью теряют свою энергию Сетка 5
служит для отбора вторичных электро-
нов.
Остальные элементы секона такие же, как
в обычном видиконе. Благодаря положи-
тельному потенциалу сигнальной пластины,
вторичной электронной проводимости и
вторичной эмиссии на прострел в слое 4
на нем образуется положительный потен-
циальный рельеф, который при считывании
пучком медленных электронов создает на
нагрузочном резисторе, включенном в цепь
сигнальной пластины, видеосигнал. Основ-
ное достоинство секона — ничтожная фото-
электрическая и коммутационная инерцион-
ности (в несколько раз меньше, чем даже
у суперортикона). что позволяет передавать
быстродвижущиеся объекты с высокой точ-
ностью, высокая разрешающая способность
(до 1000—1200 строк у трубок с большим
размером мишени), высокий динамический
диапазон (даже при бесподстроечном ре-
жиме 100 : 1), высокая чувствительность (ми-
нимальная освещенность на фотокатоде
5- 10“3 лк), возможность работы в ре-
жиме длительного накопления и хране-
ния (в течение суток) световых изображе-
ний на мишени трубки. При этом чувстви-
тельность еще больше возрастает (мини-
мально необходимая освещенность на фо-
токатоде падает то Ю 510 6 лк). Не-
достаток трубки — в образовании на изоб-
ражении черных и белых пятен, полос,
обусловленных неоднородностью структу-
ры мишени.
7.Х. ПЕРЕДАЮЩИЕ 1 РУБКИ
С ФОТОДИОДНЫМ СЛОЕМ
Плюмбикон. Плюмбикон отличается oi ви-
дикона тем, что в нем применена фото-
диодная мишень с р — i — и-структурой, об-
ладающая малой инерционностью и линей-
ной световой характеристикой. Мишень
трубки грехслойная: поверх прозрачной
сигнальной пластины 2 (рис. 7.16), напы-
ленной на внутреннюю переднюю поверх-
ность стеклянного баллона 1 трубки, на-
несен прозрачный слой полупроводника 3
с проводимостью типа я, затем толстый
(10—15 мкм) слой 4 i-типа, а поверх него
слой 5 типа р, чрезвычайно тонкий, чтобы
исключить растекание зарядов по поверх-
ности. Слой i выполнен из окиси свинца
(РЬО) и имеет очень высокое темновое
сопротивление. При коммутации электрон-
ным лучом слой р приводится к потен-
циалу катода, р-н-переход смещается
в запирающем направлении, что дополни-
тельно увеличивает гемновое сопротивле-
ние мишени. При освещении мишени ос-
новная часть падающего излучения погло-
щается в слое I, вызывая там генерацию
носителей заряда. Благодаря большой нап-
ряженности электрического поля в зоне i
пары носителей легко разделяются, не
рекомбинируя, и быстро проходя! всю зону.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
124
Рие.7.16
Это позволяет сделать слой i в 3 — 5 раз
толще, чем мишень в обычном видиконе,
без боязни увеличить растекание зарядов
на мишени и тем самым уменьшить Сэ
(рис. 7.12), а следовательно, и коммута-
ционную инерционность.
Плюмбикон имеет ряд достоинств: боль-
шую чувствительность (может работать
при освещенности на фотокатоде 1—2 лк);
высокую разрешающую способность, при-
ближающуюся к разрешающей способности
115 мм суперортикона; малый (5% — про-
тив 25 — 30% у обычных видиконов) оста-
точный сигнал после считывания потен-
циального рельефа; малый темновой ток
(в сто раз меньше тока сигнала) и вслед-
ствие этого высокую (не ниже 0,93) равно-
мерность сигнала по всему полю изобра-
жения; высокую стабильность световой
характеристики. Эти свойства плюмбикона
позволяют использовать его не только
в монохромных, но и в высококачественных
цветных камерах.
Кремнпкон. В этой трубке мишень пред-
ставляет собой упорядоченную фотодиод-
ную матрицу из нескольких сотен тысяч
кремниевых фотодиодов, выполненную на
пластине из монокристаллического крем-
ния. По сравнению с плюмбиконом об-
ладает более высокой чувствительностью
(при освещенности на мишень 10 4 лк
Рие.7.17
выходной сигнал составляет 10'7 мкА),
большим световым динамическим диапазо-
ном, повышенной температурной стойко-
стью мишени.
Суперкремникон — кремникон с секцией
переноса электронного изображения с фото-
катода на мишень. Благодаря переносу
изображения чувствительность суперкрем-
никона в сто с лишним раз превышает
чувствительность кремникона.
В табл, на 2-ом форзаце приведены пара-
метры некоторых передающих телевизион-
ных трубок.
7.9. ПЕРЕДАЮЩАЯ ГРАБКА
BFi НАКОПЛЕНИЯ ДИССЕК1ОР
Диссектор предложен Фарнсвортом. Одна
из модификаций трубки приведена на
рис. 7.17. Она содержит прозрачный фото-
катод 1, анод 4 с отверстием в центре,
равным по размеру одному элементу раз-
ложения, и электронный умножитель 5.
Электронное изображение с фотокатода
переносится на анод при помощи одно-
родного магнитного поля, создаваемого
катушкой 2, и электрического поля, обра-
зованного за счет разности потенциалов
между анодом и катодом. Под действием
отклоняющих катушек 3 электронное изо-
бражение развертывается относительно от-
Датчики телевизионного сигнала
125
Рис.7.18 Рие.7.19
верстия в аноде. Поочередно со всех эле-
ментов изображения через отверстие в ано-
де электроны попадают на вход электрон-
ного умножителя, усиливаются и образу-
ют на его нагрузочном резисторе RH видео-
сигнал. Диссектор обеспечивает высокое
качество изображения благодаря линейно-
сти световой характеристики, независимости
ее формы от содержания изображения,
отсутствию искажений в передаче средней
яркости, четко ограниченным размерам
сканирующего элемента. Недостаток дис-
сектора — малая чувствительность (осве-
щенность на фотокатоде требуется около
104 лк).
Применяются диссекторы в специализи-
рованных системах.
7.10. ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ
I Е.1ЕВИ ШОНН\Я ТРАБКА
МОНОСКОП
Моноскоп представляет собой электронно-
лучевую трубку с магнитным отклонением
луча, в которой установлена мишень 1
в виде металлической пластинки с большим
коэффициентом вторичной эмиссии, на ко-
торую нанесено изображение краской или
другим веществом с малым коэффициентом
вторичной эмиссии. При сканировании ми-
шени быстрым электронным лучом обра-
зуется сигнал за счет разных коэффициен-
тов вторичной эмиссии линий рисунка и
подложки. Разность потенциалов между
мишенью и коллектором составляет около
200 В, что обеспечивает отбор всех вто-
ричных электронов, выбиваемых электрон-
ным лучом из мишени. Таким образом,
моноскоп применяется для создания един-
ственного изображения, нарисованного на
мишени трубки. Обычно это испытательная
таблица.
7.1 L ДАТЧИКИ СИГНАЛА
1.ЛЯ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Для цветного телевидения используются
датчики, состоящие из нескольких моно-
хромных трубок или специальных цветных
трубок, или же устройства с бегущим лучом.
Устройство с бегущим лучом является
наиболее простым датчиком. Оно состоит
из источника бегущего луча (рис 7.19), раз-
вертывающего изображение, и трех фото-
приемников — ФЭУ, перед которыми уста-
новлены соответственно красный, синий и
зеленый светофильтры. На выходе соответ-
ствующих ФЭУ образуются сигналы Ек,
Ес и Ев. Датчик обеспечивает высокое
качество изображения, но, как и любая
система мгновенного действия, обладает
малой чувствительностью, поэтому приме-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
126
Датчики телевизионного си1 нала
127
няется для передачи кинофильмов, а также
в специализированных устройствах.
Для студийных передач главным обра-
зом применяют многотрубочные датчики
(камеры), к которым предъявляется ряд
жестких требований в отношении правиль-
ности цветопередачи, точности совмещения
растров, стабильности параметров во вре-
мени. Разработаны трех- и четырехтрубоч-
ные камеры.
Трехтрубочные камеры используют, на-
пример. плюмбиконы. один из которых
дает сигнал ER, другой — £с, третий — Ев.
Каждый сигнал формируется в полной
полосе частот. Чтобы избежать геометри-
ческих искажений при проекции изображе-
ния на фоточувствительные элементы пере-
дающих телевизионных трубок, используют
один объектив и систему расщепительной
оптики. В частности, она может быть вы-
полнена из двух дихроичных ДЗВ и ДЗВ
и двух обычных 3 зеркал (рис. 7.20), раз-
деляющих исходный световой поток на три
пучка. Дихроичные зеркала обладают из-
бирательностью: синее зеркало ДЗВ про-
пускает все цвета, соответствующие длинам
волн от 500 нм и выше, и отражает синие
цвета, соответствующие длинам волн до
460 нм, красное зеркало ДЗК отражает
волны длиной свыше 580 нм и пропускает
короткие. Избирательное отражение до-
стигается за счет нанесения на поверх-
ность стекла чередующихся слоев прозрач-
ных материалов с разными, специально
подобранными коэффициентами преломле-
ния.
В четырехтрубочных камерах одна трубка
формирует яркостный сигнал £} в полной
полосе частот, а три других — Ек, Ес и
Ев — в сокращенной полосе частот, что
облегчает юстировку и совмещение изобра-
жений, так как требуется меньшая точность
этих операций, чем в трехтрубочной камере.
Однотрз бочные камеры отличаются прос-
тотой конструкции, не требуют совмещения
растров, имеют малые габариты и массу,
поэтому применяются в репортажных и
специализированных установках. В качестве
передающих трубок в этих камерах исполь-
зуются, например, цветные видиконы.
На рис. 7.21 приведен один из вариантов
конструкции мишени цветного видикона.
Сигнальная пластина 2 состоит из трех
перемежающихся, но изолированных между
собой вертикальных решеток. Число полос
в каждой решетке соответствует числу
элементов разложения изображения вдоль
строки. По существу это три разделенные
между собой сигнальные пластины, покры-
тые со стороны развертывающего элект-
ронного луча слоем фотосопротивления 3,
а с противоположной стороны — свето-
фильтрами 1 основных цветов — R, G, В.
В цепи решеток включены нагрузочные
резисторы, с которых снимаются сигналы
Er, Ес и Ев. Очевидно, такие трубки
должны иметь по крайней мере в три раза
более высокую разрешающую способность,
чем трубки для монохромного телевидения.
Вследствие трудности создания мелкострук-
турного растрового светофильтра, а также
трудности разделения видеосигналов такие
датчики уступают по качеству изображения
многотрубочным.
В двухтрубочном датчике одна трубка
формирует яркостный сигнал в полной
полосе частот, а вторая — сигналы £к, £с
и Ев в сокращенной полосе частот, по-
этому конструкция второй трубки упро-
щается.
7.12. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ
Преимущества твердотельных датчиков
(ТД) телевизионного сигнала по сравнению
с вакуумными следующие: небольшие га-
бариты, высокая экономичность и надеж-
ность. широкий динамический диапазон,
малая инерционность. При этом отсут-
ствует электронный луч, следовательно,
исключена проблема качества и стабиль-
ности совмещения растров в камерах цвет-
ного телевидения, что упрощает их кон-
струкцию.
В настоящее время твердотельные дат-
чики строятся на основе кремниевых фото-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
128
матриц и приборов с зарядовой связью
(ПЗС). Известны камеры на ПЗС, по пара-
метрам приближающиеся к требованиям
вещательного стандарта. Структура ПЗС
приведена на рис. 7.22. На кремниевой
подложке п- или p-типа создается тонкий
слой 0,1—0,2 мкм окиси кремния, над
которым располагаются металлические
(алюминиевые) электроды, образуя своеоб-
разную мозаичную МДП-структуру. Если
к электроду такой МДП-структуры на
и-подложке приложить определенный отри-
цательный потенциал Uхр (напряжение хра-
нения), то у поверхности полупроводника
образуется обедненная область, которая
является потенциальной ямой для неоснов-
ных носителей (дырок). Заряд неосновных
носителей, инжектированный каким-либо
образом в обедненную область, может
в ней храниться. Если к соседнему элект-
роду приложить потенциал более отрица-
тельный, чем С/хр, то под ним образуется
более глубокая обедненная область. В ре-
зультате этого в зазоре между затворами
локальных МДП-структур образуется про-
дольное электрическое поле, под действием
которого дырки переходят в более глубо-
кую область обеднения. После окончания
процесса передачи заряда потенциал элект-
рода изменяют до значения Uxp.
Воздействие света в собственной полосе
поглощения материала приводит к образо-
ванию электронно-дырочных пар. Неоснов-
ные носители (дырки) локализуются под
электродами в обедненной области, кото-
рая для них является потенциальной ямой.
Величина локализованного заряда пропор-
циональна количеству фотогенерированных
пар и времени накопления. При считыва-
нии информации заряды один за другим
перемещаются к выходному электроду,
в результате чего на выходе датчика об-
разуется последовательность импульсов,
огибающая которых является видеосигна-
лом.
Важнейшим свойством ПЗС является са-
москанирование, т. е. передача информации
к выходу непосредственно за счет зарядо-
вой связи путем изменения глубины потен-
циальных ям. Основным недостатком ПЗС,
выполненных с разделением процессов на-
копления и переноса зарядов во времени,
является большая поражаемость устрой-
ства — выход из строя одного элемента
приводит к выпадению целой строки или
части матрицы. В связи с этим в разра-
ботанных в настоящее время матричных
устройствах на ПЗС используют принцип
координатной адресации зарядовой связи
между электродами (рис. 7.23). В таком
датчике, названном матрицей с инжекцией
заряда, в пределах каждого элемента изоб-
ражения располагается два МДП-конденса-
тора 1 и 2, разделенные областью 3 р-типа
и объединенные соединительными шинами
в столбцы и строки. В режиме накопления
оба конденсатора находятся под отрица-
тельным потенциалом относительно под-
ложки 4 и под обоими электродами на-
капливается фотогенерированный заряд не-
основных носителей (дырок) (рис. 7.24, а).
При выборе строки потенциал на ней уста-
навливается равным нулю. Это вызывает
перетекание заряда из-под всех электродов
этой строки под электроды рядом распо-
ложенных столбцов (рис. 7.24, б). Для опроса
элементов этой строки производится оче-
редной сброс на нуль напряжения на всех
столбцовых шинах (рис. 7.24, в), сопровож-
даемый инжекцией в подложку заряда, на-
копленного в опрашиваемом элементе. Ток
инжекции создает на нагрузочном резисторе
5 напряжение видеосигнала.
Пороговая чувствительность в матрицах
с инжекцией зарядов на вещательный стан-
дарт составляет около 1 лк, а отношение
Uc/Уш ~ 100- Существуют способы повы-
шения пороговой чувствительности до 0,1 лк
при отношении = 1000. Частотно-
контрастные (апертурные) характеристики
ТД гораздо лучше апертурных характери-
стик видиконов в связи с дискретностью
элементов матрицы и отсутствием комму-
тирующего электронного луча.
129
8. ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ
УСТРОЙСТВА
8.1 КРМКИЙ ОБЮР
ВОСПРОИЗВОДЯЩИХ X СТРОГИ IB
Воспроизводящие устройства предназначе-
ны для преобразования электрического сиг-
нала в световое изображение. Их можно
разделить на устройства непосредственного
наблюдения (рис. 8.1), в которых наблюдае-
мое изображение создается на экране или
панели самого прибора, и проекционные,
в которых изображение проецируется на
отдельный экран.
Первые из них разделяют на вакуумные
и безвакуумные. Наиболее распространены
в настоящее время вакуумные электронно-
лучевые трубки (ЭЛТ) — кинескопы. Кине-
скопы бывают монохромные (черно-белые)
и цветные. Последние делятся на трехлу-
чевые и однолучевые. С помощью кине-
скопов создаются изображения площадью
до 0,25 м2. Безвакуумные устройства (эк-
раны) могут быть реализованы на основе
электролюминесценции в пленочных лю-
минофорах, динамического рассеяния света
в жидких кристаллах и т. д. Однако до
настоящего времени еще не изготовлен
конкурентноспособный по отношению к
ЭЛТ и приемлемый по рабочим парамет-
рам экран.
Проекционные воспроизводящие устрой-
ства предназначены для создания изобра-
жений больших размеров — от единиц до
десятков квадратных метров. Это проек-
ционные, кинескопы, светоклапанные уст-
ройства и лазерные проекторы.
В качестве проекционных кинескопов мо-
гут быть использованы ЭЛТ, работающие
при очень высоких напряжениях (до 60 —
80 кВ) и больших токах луча, благодаря
чему создается изображение большой ярко-
сти, которое проецируется непосредственно
на экран при помощи светосильной зер-
кально-линзовой оптики. Основные недо-
статки подобных устройств в небольшом
к. п. д., недолговечности экрана кинескопа,
биологической опасности из-за интенсив-
ного рентгеновского излучения. Примене-
ние их ограничено.
В 1973 г. группой советских ученых во
главе с Н. Г. Басовым, О. В. Богданкеви-
чем и А. С. Насибовым создан проекци-
онный кинескоп с лазерным экраном в виде
полупроводниковой пластинки, каждая точ-
ка которой представляет собой элементар-
ный лазер, возбуждаемый (накачиваемый)
электронным лучом. При изменении интен-
сивности электронного луча изменяется и
интенсивность лазерного свечения. Яркость
лазерного экрана намного превышает яр-
кость свечения люминофорного. Можно
полагать, что на основе лазерного экрана
будут созданы эффективные проекционные
кинескопы.
Работа светоклапанных устройств осно-
вана на модуляции видеосигналом интен-
сивности светового потока мощного внеш-
него источника света. Модуляция осуще-
ствляется за счет изменения оптических
свойств материала модулятора под дей-
ствием электронного луча.
Наиболее доработаны устройства, по-
строенные на принципе «эйдофор», что
означает — носитель изображения.
Лазерные проекторы формируют изобра-
жения тем же способом, что и ЭЛТ, с той
лишь разницей, что вместо электронного
луча, обегающего люминофорный экран,
используется световой луч лазера, обегаю
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
130
Воспроизводящие устройства
Непосредственного наблюдения
Проекционные
Рис.В.1
Вакуумные
(ЭЛТ)
t ♦
Безвакуумные
(экраны)
Трех лучевые
Однолучевые
х
X
оЗ
Е
св
ч
к
щий обычный киноэкран. Достоинства ла-
зерного воспроизводящего устройства —
большой яркостный контраст и высокая
насыщенность цветов. Основная сложность
внедрения — отсутствие эффективных спо-
собов электронного отклонения светового
луча.
Из воспроизводящих устройств в настоя-
щее время широко применяются моно-
хромные и цветные кинескопы, проекцион-
ная светоклапанная система «Аристон»,
построенная на принципе «эйдофор».
8.2. МОНОХРОМНЫЕ КИНЕСКОПЫ
Современные кинескопы имеют экран прямоугольной
формы с размером по диагонали от 3 до 69 см.
Экраны кинескопов, как правило, металлизированны.
поэтому нет необходимости ограничивать ускоряю-
щее напряжение предельным потенциалом изолиро-
ванного экрана (§ 7.3), а также применять ионные
ловушки. Металлизация позволяет подвести к экрану
любое напряжение, а также предохраняет люминофор
от попадания на него ионов. Нет необходимости
и в применении специальных мер для ослабления
внутренней (за счет отражений от стен колбы) засветки
экрана, так как металлизация, являясь прекрасным
зеркалом, направляет весь поток в сторону зрителя.
Цвет свечения экрана для монохромных кинескопов —
белый, для цветных — красный, синий и зеленый.
Важная характеристика для кинескопов — инерцион-
ность люминофора. Ее можно оценить временем раз-
горания, т. е. интервалом времени от начала единич-
ного скачка возбуждения, в течение которого интен-
сивность свечения люминофора достигает 99% уста-
новившеюся значения, и временем послесвечения, т. е.
интервалом времени, в течение которого интенсив-
ность свечения падает до 1% своего значения в мо-
мент возбуждения. Послесвечение позволяет умень-
шить максимальную яркость возбуждения люминофора
при заданной средней яркости и уменьшает крити-
ческую частоту мерцаний. В идеальном случае при
воздействии на модулятор кинескопа импульса на-
пряжения им (рис. 8.2,о) время разгорания люминофора
должно быть равно нулю, а время послесвечения —
несколько меньше длительности передачи кадра tK
(рис. 8.2,6, кривая 2), причем в этом интервале вре-
мени интенсивность свечения должна оставаться по-
стоянной. Реальные кривые разгорания 1 и после-
свечения 3 люминофоров далеки от идеальной. Время
послесвечения кинескопов составляет около 0,02 с
(кроме кинескопов для систем с бегущим лучом,
у которых оно должно быть минимально возможным).
Светоотдача S экрана определяется отношением
силы света /, излучаемого экраном, к мощности Р
электронного луча, а сила света, излучаемого люми-
нофором, — зависимостью
p = (8.1)
где А — коэффициент пропорциональности; /л и Ца —
соответственно ток электронного луча и ускоряющее
напряжение. Значения и находятся в пределах 1 — 2,8,
ио для большинства люминофоров, используемых
в кинескопах, можно принять п = 2. Отсюда следует,
что светоотдача
= .4Са
пропорциональна ускоряющему напряжению. Следо-
вательно, для повышения светоотдачи выгодно ра-
ботать при больших напряжениях и малых токах.
Обший контраст изображения на экранах современных
Воепронзво гящие устройства
131
б
Рис.8.2
кинескопов, измеряемый в темноте на крупных дета-
лях (одна половина экрана светлая, другая темная),
достигает 100: 1. Детальный контраст, измеряемый
между близлежащими мелкими деталями, на порядок
меньше за счет внутренней засветки темных мест
изображения вследствие рассеяния света в слое люми-
нофора и явления ореола. Ореол в виде светлого
кольца вокруг развертывающего пятна возникает из-за
полною внутреннего отражения части световою по-
тока пятна оз наружной поверхности стекла колбы
и последующего рассеяния этого света экраном в сто-
рону наблюдателя. Реальный контраст существенно
зависиг от внешней засветки экрана. В целях увели-
чения контраста дно колбы кинескопа выполняют
из дымчатого стекла с коэффициентом noi лощения
света 0,3 —0,5. Контраст возрастает благодаря тому,
чго лучи, образующие ореол, проходят путь, примерно
равный четырехкратной толщине стекла. Лучи внеш-
ней засветки проходят толщину стекла дважды, а лучи
от развертывающего пятна — только один раз.
При конструировании современных кинескопов
стремятся к максимально возможному сокращению
их длины. Для этого применяют широкоугольные
кинескопы с углом отклонения по диагонали около
ПО'. Для уменьшения энергии отклонения пришлось
изменить форму колбы, выполнив переход i орловины
в конусную часть плавным, а не резким, как в трубках
с малым углом отклонения, и создать специальные
отклоняющие системы для широкоугольных кинеско-
пов.
8.3. ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ КИНЕСКОПОВ
Отклоняющие системы для кинескопов
состоят из двух пар катушек для строчной
и кадровой разверток. Размещаются они
на горловине кинескопа. В трубках с рез-
ким переходом от горловины к конусу
применяется отклоняющая система цилинд-
рической формы, в широкоугольных кине-
скопах — конусообразной.
Рассмотрим работу цилиндрической от-
клоняющей системы (рис. 8.3). Допустим,
что в пределах участка горловины трубки,
ограниченного длиной а отклоняющей ка-
тушки, создано однородное магнитное по-
ле, вектор напряженности которого направ-
лен к читателю перпендикулярно плоскости
чертежа. В таком поле электроны будут
отклоняться по радиусу г, определяемому
следующим образом (7.4):
mt
г ~ '
На выходе из поля отклоняющих катушек
электрон будет продолжать движение по
касательной к окружности в точке В, об-
разующей с осью трубки угол а. Из подо-
бия треугольника SOB и QNM следует
а Щ1аеН
sin а = — = -----. (8.1)
г mt
Представим скорость электронов через ус-
коряющее напряжение 1/а.
Полагая начальную скорость движения
электрона равной нулю, приравняем кине-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИТ ТЕМ
132
Рис.й.4
Рис.8.5
тическую энергию электрона работе сил
поля:
2
,т и
~2 = еиа.
определим отсюда v и подставим в (8.1).
Тогда
аН 1 ГТ . „
sin а = .— ца / -— = кН, (8.2)
|/ Г 2т
где
ц_, = go = 4л • Ю 7 Гн/м,
е/т = 1,76-1011 К/кг;
= 0,37
а
I/Та
Наблюдатель, рассматривающий изображе-
ние с некоторого расстояния, оценивает
отклонение по значению координаты у,
а не по расстоянию на криволинейной
поверхности экрана трубки. Как видно из
рис. 8.3,
y = /tgot = Z , -
J, 1 - sin2 а
sin а
или с учетом (8.2)
1кН
* - |/1 — к2Н2 '
Решая это уравнение относительно Н, оп-
ределим необходимый закон изменения
напряженности поля для получения линей-
ного отклонения:
„ _ 1 У/1 1 tg а
к ]/1+у2!12 *p+tg2a (8-3)
Из этого уравнения видно, что связь
между напряженностью магнитного поля
(а следовательно, и током в отклоняющих
катушках) и величиной отклонения нели-
нейная. На рис. 8.4 приведена зависимость
кН от а.
Теперь задача заключается в том, чтобы создать
в области горловины трубки, примыкающей к конусу,
однородное магнитное поле. При этом чем в мень-
шем объеме (при заданной протяженности вдоль
трубки) будет создано это поле, тем меньше энергии
потребуется на его создание. Поэтому отклоняющим
катушкам 2 (рис. 8.5) придают цилиндрическую форму
и распола1ают непосредственно на горловине кине-
скопа, а сверху покрывают панцырем 3 из материала
с высокой магнитной проницаемостью.
Выясним, как нужно намотать катушки, чтобы при
такой конструкции создать в области горловины труб-
ки однородное магнитное поле. Допустим, что одно-
родное поле в области отклонения создано. Тогда
магнитные силовые линии 1 в пределах горловины
трубки представляют собой параллельные прямые;
по выходе за пределы горловины они, естественно,
изгибаются и замыкаются через магнитопровод 3.
Связь между напряженностью магнитного поля и
числом ампер-витков определяется законом полного
тока, согласно которому
= wl. (8.4)
Для облегчения решения этого уравнения пренебрежем
сопротивлением магнитопровода, проницаемость ко-
Воспроизводищие устройства
133
торого в сотни раз больше магнитной проницаемости
участка в области горловины. Следовательно, для
приближенного вычисления интеграла (8.4) можно
ограничиться интегрированием вдоль силовой линии
/ф, замыкающей угол 2ф. По условию на этом
участке поле однородно (Н = const), следовательно.
$ t^Hdl = Hl^ = 2HR sin ф = HD sin ср.
Таким образом, зависимость /и’ф числа ампер-витков
пары отклоняющих катушек от угла ф составляет
/и*ф = HD sin ф.
(8.5)
Чтобы правильно намотать катушку, необходимо
знать угловую плотность распределения витков.
Поскольку
ф
И'Ч) = 2 f v„d<p,
О
(8.6)
Рис.8.6
с учетом (8.5) запишем
? я HD
J sin ф
о М
и после дифференцирования уравнения определим
HD
Г\» = -тгг-совф. (8.7)
Следовательно, плотность намотки витков должна
подчиниться косинусоидальному закону распределения.
На рис. 8.6 показана форма отклоняющих катушек.
Для уменьшения влияния краевых полей края кагушек
отгибаются. Число ампер-витков отклоняющей ка-
тушки определяется из (8.6) и (8.7) интегрированием
в пределах полного изменения угла ф:
л/ 2
lw = HD J cos ф t/ф = HD. (8.8)
о
Подставляя значение Н из (8.2), имеем:
D р—
Iw = — ып а = 2,7 — 1 t/, sin а. (8.9)
к а
В начале расчета внутренний диаметр D откло-
няющей системы ие известен, поэтому удобно заме-
нить его на диаметр d горловины трубки:
D = qd. Тогда
Iw = 2,7q — 1 U. sin а. (8.10)
а *
При расчете строчных отклоняющих катушек следует
принять q = 1,4, а кадровых — 1,2. Этими значениями
q учитываются также погрешности, связанные с идеа-
лизацией условий при выводе (8.9).
Из (8.10) следует, что с увеличением длины катушки
а необходимое число ампер-витков уменьшается.
Однако при чрезмерном увеличении а электронный
луч заденет горловину трубки. Это приведет к за-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
134
Рис.8.12
Воспроизводящие устройства
135
темнениям углов растра. Максимально допустимая
длина отклоняющей катушки ам определяется усло-
вием, при котором отрезок ЛХ (рис. 8.3) равен
внутреннему ic учетом толщины стекла) радиусу гвн
горловины трубки.
(1 — cos ам)
XS = г (1 — cos зсм) =---------- = rBH = —— % 0.45d.
Sin 2
где — максимальный угол отклонения луча в кине-
скопе по диагонали.
Максимальная длина отклоняющих катушек
= 0,45d = 0.45J ctg
1 - cos 2
На рис. 8.7 показана конструкция отклоняющей
системы. Между горловиной трубки 1 и
экраном 4 ортогонально размещаются
и кадровые 3 отклоняющие катушки.
При расчетах генераторов развертки
знать индуктивность L отклоняющих катушек. Послед-
няя приближенно может быть определена из условия,
что вся энергия магнитного поля, создаваемого ка-
тушкой, равномерно распределена в объеме V цилиндра
диаметром D и длиной а; тогда можно написать
уравнение
U2 = VoH2
2 2 ’ '
магнитным
строчные 2
необходимо
Подставляя значение Н из (8.8) и принимая V =
nD2a
= —-—, получаем:
L = aw2- КГ6.
В широкоугольных кинескопах ввиду плавного пере-
хода от горловины к конусной части (раструбу)
отклоняющие катушки ие имеют цилиндрической
формы (рис. 8.8). Число ампер-витков для этих кату-
шек может быть посчитано по (8.10). если вместо а
ввести некоторую эквивалентную длину отклоняющих
катушек аэкв, определяемую так:
L „ 1 + d/^_
2
аэкв
Обозначения ясны из рис. 8.6.
В некоторых случаях обычно для кадровой
вертки используются тороидальные катушки
встречио-включеиными половинками обмоток,
проще в изготовлении, но менее экономичны.
раз-
со
Они
8.4. КИНЕСКОПЫ
ДЛЯ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Наиболее распространен в цветном теле-
видении масочный кинескоп, объединяю-
щий в одном баллоне по существу три
монохромные электронно-лучевые трубки:
каждый из трех прожекторов, имеющихся
в трубке (назовем их условно красным,
зеленым и синим), рисует на общем экране
изображение «своего» цвета. В масочном
кинескопе используется пространственное
смешение цветов (§ 1.3) трех люминофоров,
нанесенных на экран в виде отдельных
точек, образующих триады RGB (рис. 8.9).
Каждая триада — это один элемент
разложения изображения. Таким об-
разом, экран представляет мозаику при-
мерно из 1 400 000 точек. Избирательное
возбуждение люминофоров «своими» лу-
чами осуществляется за счет параллакса.
Вблизи экрана 6 (рис. 8.10) на пути элект-
ронов устанавливается маска 5 с отвер-
стиями (отсюда и название кинескопа).
Число отверстий соответствует числу триад,
т. е. реальному числу элементов разложе-
ния. Электронные лучи 7 от трех про-
жекторов 1, проходя через одно отверстие
маски, неизбежно попадают на экран в трех
разных точках. Задача состоит в том, чтобы
в этих точках они попали на «свои» лю-
минофоры, а не на «чужие». Этого нельзя
добиться только за счет точности изготов-
ления кинескопа. Приходится применять
серию регулировочных магнитов и кату-
шек. Из внешних устройств, отсутствующих
в монохромном кинескопе, здесь имеются:
система сведения (статического и динами-
ческого) лучей-4, система сведения «синего»
луча 2, магниты чистоты цвета 3.
Система статического сведения (рис. 8.11)
представляет собой три постоянных маг-
нита 1 с внешними полюсными наконеч-
никами 3, укрепленными на горловине
трубки против внутренних полюсных нако-
нечников 4. При вращении магнитов можно
регулировать интенсивность и направление
магнитного поля между внутренними по-
люсными наконечниками и тем самым
смещать независимо друг от друга элект-
ронные лучи в радиальном направлении.
Только радиальное смещение не обеспе-
чивает сведение трех лучей в одну точку
(рис. 8.12, а). Необходимо один из лучей
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
Рис. 8.13
(обычно «синий») смещать в направлении,
перпендикулярном радиусу. Это осуществ-
ляется системой сведения «синего»
(рис. 8.12,6). Однако и эти меры оказы-
ваются недостаточными для достижения
нужного эффекта. В результате неточности
изготовления трубки электронные прожек-
торы могут оказаться смещенными отно-
сительно оси трубки. Вследствие этого луч
при прохождении отверстия в маске не
точно совмещается со своим люминофо-
ром, а частично задевает и соседний. Для
компенсации технологических погрешно-
стей применяется система чистоты цвета,
состоящая из двух намагниченных по диа-
метру колец, создающих в горловине одно-
родное магнитное поле, смещающее все
три луча в одном направлении (рис. 8.13).
Поворачивая кольца друг относительно
друга, можно изменять интенсивность поля
от максимального значения (при Р = 0) до
нуля (при Р = 180°), а поворачивая оба
кольца вместе, — изменять направление
поля.
Рассмотренные системы обеспечивают
сведение лучей в одном отверстии маски
и совмещение одноименных лучей и лю-
минофоров только в центре экрана (ста-
тическое сведение), при отклонении лучей
от центра экрана они расслаиваются
(рис. 8.14) вследствие того, что радиус
кривизны экрана больше радиуса отклоне-
ния. Поэтому наряду со статическим све-
дением приходится вводить динамическое
сведение переменными магнитными полями
строчной и кадровой частоты приблизи-
тельно параболической формы. Создается
такое поле при помощи кадровых К и
строчных С катушек, динамического све-
дения 2 (рис. 8.11), в которых создаются
токи iK и ic необходимой формы и ампли-
туды с помощью блока динамического
сведения (рис. 5.12).
Как видно, конструкция кинескопа очень
сложна, требования к точности изготовле-
ния как самого кинескопа, так и его откло-
няющей системы гораздо более жесткие,
чем для монохромных кинескопов.
Низкая эффективность использования
электронного потока, связанная с тем, что
маска перехватывает около 85% электро-
нов, направляемых на экран, вынуждает
для получения достаточной яркости свече-
ния экрана увеличивать ток луча каждого
электронного прожектора в несколько раз
по сравнению с монохромным кинескопом
и значительно (до 25 кв) повышать уско-
ряющее напряжение второго анода. Но
даже при этих условиях яркость свечения
экрана цветного масочного кинескопа при-
мерно в два раза меньше, чем у моно-
хромного. Из-за большого диаметра гор-
Воспроизводящие устройства
137
ловины трубки, необходимого для разме-
щения трех прожекторов, и высокого анод-
ного напряжения в цветном кинескопе тре-
буется значительно большая мощность для
отклонения электронных лучей, чем в мо-
нохромном.
Предложено много вариантов конструк-
ций кинескопов, обеспечивающих более
высокую эффективность использования
электронного луча. В ряде конструкций
предлагалось заменить точечный экран ли-
нейчатым, а маску с отверстиями — решет-
кой из вертикальных проволок. Такие
трубки называются хроматронами.
Одна из конструкций трехлучевого хро-
матрона представлена на рис. 8.15, а. В ней,
как и в масочном кинескопе, для избира-
тельного возбуждения полос из цветных
люминофоров используется явление парал-
лакса. В связи с вертикальным располо-
жением проволок решетки 3 электронные
прожекторы 5 устанавливаются горизон-
тально в один ряд. Проволочную решетку
нельзя выполнить изогнутой, поэтому и
экран 1 должен быть совершенно плоским,
что усложняет технологию изготовления
трубки. На решетку и экран подаются
разные потенциалы, поэтому между ними
создается электростатическое поле, образу-
ющее серию электронных линз (рис. 8.15, б),
благодаря которым более 90% электронов
достигает экрана. Токи электронных лучей
хроматрона значительно меньше, чем у ма-
сочного кинескопа, а яркость свечения
экрана выше. Наряду с магнитной системой
сведения и чистоты цвета 4 для сохране-
ния хорошей сходимости электронных лу-
чей на краях экрана применяется допол-
нительный анод 1 специальной формы,
производящий необходимую коррекцию.
Трубка работает с послеускорением, что
позволяет применить генераторы отклоня-
ющих токов меньшей мошности, чем при
масочной трубке. Один из недостатков
трубки заключается в том, что вторичные
электроны, выбиваемые из решетки, бом-
бардируют экран, обладающий по срав-
нению с решеткой более высоким потен-
циалом, и вызывают паразитное свечение
люминофора. Это приводит к искажению
цветов и снижению контрастности изобра-
жения.
Известны и другие разновидности трех-
лучевого хроматрона, например «тринит-
рон» с сеткой (рис. 8.16, а), имеющей вы-
тянутые вертикальные шели. Сетка имеет
высокую прозрачность и достаточную ме-
ханическую прочность, что позволяет при-
дать ей выпуклую форму и обойтись без
плоского экрана. В трубке применена
электростатическая система сведения лучей,
обладающая высокими электронно-оптиче-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
138
Рис.8.19
Воспроизводите ycipoiicrBa
139
скими показателями, что позволило создать
кинескоп с небольшими (30 см по диаго-
нали) размерами экрана. Оптический ана-
301 системы сведения показан на рис. 8.16.б.
Известны также конструкции однолуче-
вых хроматронов, в которых осуществля-
ется последовательное возбуждение люми-
нофоров разного цвета за счет дополни-
тельной вобуляции электронного луча
(рис. 8.17).
Экран такой трубки выполнен в виде
чередующихся цветных полос, по которым
зигза! ообразно перемещается электронный
туч (рис. 8,17,6). Перед экраном установ-
лена такая же, как в трехлучевом хромат-
роне, решетка из проволок с той лишь
разницей, что проволочки через одну элект-
рически соединены между собой в две
переплетающиеся сетки. Вобуляция луча
осуществляется переменным напряжением
кв, подаваемым на сетки (рис. 8.17, а).
Одновременно с вобуляцией луча необхо-
димо осуществлять и поочередное в соот-
ветствии с положением луча на экране
коммутирование выходов цветовых каналов
на модулятор кинескопа.
Достоинства трубки — простота конст-
рукции. Недостатки — те же, что в трех-
лучевом хромотроне; кроме того, большая
мощность сигнала вобуляции и необходи-
мость введения в приемник сложного
электронного коммутатора.
8.5. СВЕТОКЛАПАННОЕ
ВОС ПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙС ТВО
«АРИСТОН»
Схема воспроизводящего устройства «Арис-
тон» приведена на рис. 8.18. Мощный ис-
точник света / с помощью оптической
системы 2 направляет световой поток на
решетку 3 из зеркальных полос, которые
отражают этот поток на вогнутое зеркало
8. покрытое тонким слоем масла 7. Вза-
имное расположение вогнутого зеркала и
решетки из зеркальных полос подбирается
так. чго, если поверхность масла недефор-
мирована. свет на экран 5 не попадает. При
деформации поверхности масла в какой-
либо точке лучи света 9. прошедшие через
слой масла в этой точке, за счет прелом-
ления отклонятся от своего первоначаль-
но! о направления и пройдут через прос-
веты между зеркальными полосами ре-
шетки. Эти лучи, собранные проекционным
объективом 4, создадут на экране 10 соот-
ветствующую светящуюся точку, яркость
которой будет пропорциональна степени
деформации поверхности слоя масла.
Электронный луч 6 в зависимости от
интенсивности, пробегая по поверхности
масла, оставляет на ней более или менее
значительные заряды электронов. Эти за-
ряды создают электрические силы, дефор-
мирующие поверхность пленки. Следова-
тельно, модулируя электронный луч видео-
сигналом, можно управлять степенью де-
формации масла. После ухода электрон-
ного луча поверхность масла на данном
участке остается деформированной. Это
создает своеобразное «послесвечение», бла-
годаря которому существенно увеличива-
ется световой поток, проходящий к экрану.
Время «послесвечения» зависит от скорости
стекания зарядов, которая определяется
проводимостью масла. Подбором вязкости
и проводимости масла можно добиться
характеристики «послесвечения» 2 (рис. 8.19),
близкой к идеальной /.
«Аристон» обеспечивает высокое каче-
ство изображения на экране площадью до
100 м2.
Основной недостаток светоклапаиных
устройств с масляной пленкой — это нали-
чие масла; испаряясь, масло расходуется
и его приходится попозиять из запасного
резервуара, механически намазывая на мед-
ленно вращающееся в процессе работы
сферическое зеркало, при этом оно загряз-
няет вакуум, поэтому требуется непрерыв-
ная интенсивная откачка для поддержания
необходимого разрежения в колбе.
9. УСТРОЙСТВА РАЗВЕРТКИ 140
И СИНХРОНИЗАЦИИ
9.1. mt.lOObPUIIblt ЮКИ
в 1К1ЕВ1виониы\ PUBIPIKW
Генераторы телевизионной развертки пред-
назначены для создания в отклоняющих
катушках токов необходимой формы
Рассмотрим формирование пилообраз-
ных токов, которые наиболее широко при-
меняются в вещательных и многих приклад-
ных телевизионных системах.
Пилообразные токи с длительностью
прямого хода Т, и обратного Т2 (рис. 9.1, о)
предназначены для создания линейных раз-
верток (§ 2.5), они также используются при
формировании спиральной развертки с рав-
номерным шагом (рис. 9.1,6). Сумма двух
пилообразных токов разной частоты
(рис. 9.1, в, г) дает ступенчатый ток
(рис. 9.1,6). Токи пилообразно-ломаной
формы (рис. 9.1, е) применяются в системах
следящей развертки (§ 2.4). Таким образом,
область применения пилообразных токов
достаточно широка.
При линейных развертках (рис. 9.2,6)
электронный луч должен перемещаться по
экрану с постоянной скоростью. Однако
в реальных устройствах наблюдаются от-
клонения от линейности (рис. 9.2, г). Чем
сильнее эти отклонения, тем больше иска-
жается исходное изображение (рис. 9.2, а, в).
Для оценки степени искажений вводится
понятие коэффициента нелинейности Кн,
определяемого согласно обозначениям на
рис. 9.2 следующим образом:
г- __ Lax Lin _____ (max (min
" “ ((max + (m.n)/2 "
_ (max .
Г '
•min
Приближение сделано с учетом того, что
обычно допустимые нелинейности не пре-
вышают 10—15°о, поэтому замена /ср на
L,,, не вносит существенных погрешностей.
Поскольку ширина полос пропорцио-
нальна скорости v перемещения луча по
экрану, то
Аналогично можно характеризовать не-
линейность отклоняющего тока:
I di/dt |mJX
I di/dt Li,,
(9.1)
Следует иметь в виду, что линейный
отклоняющий ток не всегда обеспечивает
линейное отклонение пятна на экране, тем
не менее в дальнейшем, для упрощения
расчетов, будем полагать токи в отклоня-
ющих катушках линейными.
На рис. 9.3, а приведена эквивалентная
схема отклоняющей катушки.
Найдем форму напряжения ик на катушке,
обеспечивающего прохождение в ней пило-
образного тока iL (рис. 9.3,6), определяе-
мого уравнениями:
при 0 < t < Т,;
'L2 = LI у-------------7— I при 7\ < t Т =
= Ti + T2 (9.2)
Индексы I и 2 относятся соответственно
к прямому и обратному ходам. Напряже-
ние на катушке
Устройства развертки и синхронизации
141
• г, г diL
111 = UR + 11 L = '/Я + L——.
at
(9.3)
Согласно (9.2) и (9.3) можно записать
1 \
у +— при
t-Л
Т2
IJ
“17 при
Т,<
0<t<Tb
На рис. 9.3, в, г, д приведены формы нап-
ряжений uR, uL и uK. Таким образом, для
создания в отклоняющей катушке пило-
образного тока к ней необходимо прило-
жить сумму пилообразного и импульсного
напряжений (рис. 9.3,6). Напряжение такой
формы называется пилообразно-импульс-
ным.
Аналогично можно найти форму напря-
жения на отклоняющей катушке, если не-
обходимо создать в ней ток, например,
ступенчатой формы (рис. 9.4, а) с величи-
ной ступеньки А/. Поскольку идеальную
ступеньку сформировать невозможно, за-
дадимся длительностью тст нарастания
фронта ступеньки.
Очевидно, напряжение uR = iLR (рис. 9.4, в)
совпадает по форме с током. Напряжение
на индуктивности uL (рис. 9.4,6) состоит
из серии положительных импульсов дли-
тельностью тст с амплитудой Ai тст и серии
отрицательных импульсов длительностью
Т2 с амплитудой 1„/Т2, а напряжение на
катушке ик, определяемое суммой uR и иь
имеет форму (рис. 9.4, г), которую назовем
ступенчато-импульсной.
Создание напряжений необходимой фор-
мы на отклоняющих катушках произво-
дится при помощи генераторов развертки.
Условно различают генераторы быстрой
и медленной разверток. Медленными счи-
тают такие развертки, при которых влия-
нием паразитной емкости катушки С
(рис. 9.3, «), а также паразитных емкостей
усилительных каскадов можно пренебречь.
В этом случае эквивалентная схема нагруз-
Рис.9.1
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
142
ки выходного каскада генератора развертки
содержит комбинацию только активных и
индуктивных элементов. При быстрых раз-
вертках влиянием паразитных емкостей уже
нельзя пренебречь, схема усложняется, но
появляется возможность создания генера-
торов быстрой развертки на принципах,
существенно отличающихся от применяе-
мых при формировании отклоняющих то-
ков для медленной развертки.
9.2. ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНОГО
ТОКА МЕДЛЕННОЙ РАЗВЕРТКИ
Генераторы медленной развертки приме-
няются для вертикального отклонения луча
в системах телевизионного вещания, а так-
же в малокадровых телевизионных систе-
мах (видеотелефонах, электронной микро-
скопии, для автоматического анализа изоб-
ражений и т. д.).
Возможны три способа подключения
отклоняющих катушек к выходному уси-
лителю: непосредственное, с помощью
зросселя и через трансформатор.
Эквивалентная схема выходного каскада
генератора с непосредственным подключе-
нием отклоняющих катушек приведена на
рис. 9.5. Осциллограммы напряжений в
схеме совпадают с приведенными на рис. 9.3
с учетом того, что R = Rr + RK, где R, —
внутреннее сопротивление генератора, а
RK. — активное сопротивление катушки. Сле-
довательно. при непосредственном подклю-
чении отклоняющих катушек генератор
должен создавать напряжение е, пилообраз-
но-импульсной формы, аналогичной ик на
рис. 9.3, д. Чем больше сопротивление гене-
ратора R,. тем большей должна быть пило-
образная составляющая, поэтому при ис-
пользовании в качестве выходного усили-
теля многосеточной лампы (пентода или
гетрода) напряжение на ее сетке должно
иметь почти пилообразную форму. Если
внутреннее сопротивление выходного кас-
када генератора и сопротивление катушек
пренебрежимо малы, то напряжение с,
Устройства развертки и синхронизации
143
должно быть импульсным (рис. 9.3, г) и,
следовательно, выходной каскад генератора
может работать в ключевом режиме.
Непосредственное подключение отклоня-
ющих катушек неудобно, так как через
катушку проходил постоянная составляю-
щая тока выходного каскада генератора,
которую необходимо компенсировать, по-
скольку она приводит к смещению изоб-
ражения на экране кинескопа. Непосредст-
венное подключение применяется обычно
при очень медленных развертках. В этом
случае компенсация постоянной составля-
ющей отклоняющего тока производится
дополнительным постоянным магнитом
центровки растра.
При частотах развертки в несколько
десятков герц обычно применяют дрос-
сельную или трансформаторную схемы
включения отклоняющих катушек.
На рис. 9.6, а приведен один из возмож-
ных вариантов дроссельного включения
отклоняющих катушек (ОК). Эквивалентная
схема нагрузки генератора приведена на
рис. 9.6,6. При этом сделаны следующие
допущения 1) разделительная емкость С
велика и ее влиянием можно пренебречь
и 2) постоянная времени цепи дросселя Др
, поэтому сопротивлением Кдр
“'др “'к
можно пренебречь.
Согласно рис. 9.6, б можно написать
следующие уравнения:
"к Э ^к'к’ (9.4!
1 f л
'др =7—\4.dt.
^др
Зададимся линейным изменением тока в
отклоняющей катушке во время прямого
хода:
Рис.9.7
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
144
Подставив это значение в (9.4), опреде-
лим ик и 1др:
ГТ R Т R I
м . /х к1 м . /х к1 м
где 10 — постоянная интегрирования, опре-
деляемая начальным током. Отсюда можно
определить выходной ток i = г,р + iK:
Обычно —< 1, поэтому влиянием этого
^др
слагаемого в круглых скобках можно пре-
небречь, тогда
t
где tN = —---нормированное время,
ап— ^др^к
d — ——-----.
Т1
Из анализа (9.6) следует, что при а -» х
(£.др -» ос) форма выходного тока генератора
с точностью до постоянной составляющей
совпадает с формой тока в отклоняющих
катушках (рис. 9.7). При этом, если исполь-
зовать полностью линейный участок харак-
теристики выходного каскада генератора
развертки, следует принять 10 = 7м/2. Если
значение индуктивности дросселя конечно
(а # оо), в токе i' появляется параболиче-
ская составляющая, которая возрастает
Устройства развертки и синхронизации
145
с уменьшением £др. При этом увеличива-
ется размах тока выходного каскада и
изменяется его средняя составляющая. Наи-
выгоднейшим считается такой режим ра-
боты, при котором размах тока незначи-
тельно превышает Iw а /0 может быть
выбрано минимальным. Этому условию
соответствует выбор а 0,3.
Схема с трансформаторным включением
отклоняющих катушек (рис. 9.8, а) может
быть сведена к эквивалентной схеме дрос-
сельного каскада (рис. 9.8, в), если в экви-
валентной схеме (рис. 9.8, б) пренебречь
потерями в железе (гж = 0) и индуктив-
ностями рассеяния обмоток (Lsl = L's2.=
= 0), сопротивление вторичной обмотки
г'2 объединить с R'„ а первичной объ-
единить с сопротивлением генератора. При
медленных развертках эти пренебрежения
вполне допустимы Таким образом, в эк-
вивалентной схеме рис. 9.8, в
Ц = Lk/«2. п'к =
, UL , 4R ; 2
UL= Ur = —7, lK = 1KH
П П
представляют собой параметры вторичной
цепи трансформатора, пересчитанные в его
первичную цепь; п = w2/Wi — коэффициент
трансформации; wl и w2 — соответственно
числа витков первичной и вторичной об-
моток трансформатора. Итак, для получе-
ния пилообразного тока в отклоняющих
катушках в общем случае выходной ток
генератора должен содержать пилообраз-
ную, параболическую и импульсную сос-
тавляющие.
В качестве исходных сигналов для созда-
ния токов такой формы, которую назовем
импульсно - пилообразно - параболической,
используются пилообразно-импульсные
напряжения, вырабатываемые задающими
генераторами развертки.
Для формирования напряжений пилооб-
разной формы обычно используется клас-
Рис.9.9
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
146
сическая схема заряда и разряда конден-
сатора С через резисторы R1 и R2
(рис. 9.9, а). При разомкнутом ключе К
происходит заряд конденсатора через ре-
зистор R1 по экспоненте (рис. 9.9.6):
— е
__t_
к,с
(9.7)
В момент времени ключ К размыкается
на время Т2 и конденсатор С разряжается
через резистор R2 < R1. Чем меньше R2,
тем больше конденсатор разрядится за
время Т2. Затем процесс повторяется.
Чем больше постоянная времени RtC,
тем медленнее происходит заряд, тем мень-
шая часть экспоненты используется, тем
меньше амплитуда «пилы», но зато
меньше и коэффициент нелинейности. Ана-
логично (9.1) коэффициент нелинейности
Кни для пилообразного напряжения
™ \duc/dt\mn
E/RjC
(E/Ri)e~Tl'RlC
Л_
_ 1 =eRic - 1.
Перенесем единицу в левую часть урав-
нения и прологарифмируем его:
In (KHU + 1) = Тt/RiC. (9.8)
Определим коэффициент Е, использования
напряжения источника питания:
Т)
Uм "сmax . ~ R.C
£ = ~—= 1-е (9.9)
Е Е
Поскольку допустимые нелинейности не-
велики, можно выражения (9.8) и (9.9) раз-
ложить в ряд и ограничиться одним или
двумя членами разложения соответственно,
тогда
In (KHU + 1) % Кки % TJRiC; (9.10)
_ Ji
(; = 1 — е K‘c%T1/KiC,
откуда следует, что
Следовательно, если необходимо получить
коэффициент нелинейности, не превышаю-
щий 10%, то не следует рассчитывать на
амплитуду «пилы» более 0,1 Е.
Малая нелинейность пилообразного нап-
ряжения свидетельствует о том, что ток
заряда емкости практически не изменяется
во времени и равен току в начале заряда:
(9 11)
Это дает возможность формировать пило-
образно-импульсное напряжение за счет
последовательного включения с конденса-
тором С резистора г (рис. 9.9. в). Падение
напряжения на г во время прямого хода
Ег
ип = '^г * R +г
-г г
Выходное напряжение во время прямого
хода
Et
“вых * 1 “ "° + “rI ~ (RL + г) С +
Er _ Е
+ Rj + г ~ /?! + г \С +
Во время обратного хода при включении
ключа К конденсатор С разряжается через
резисторы R2 и г. Поэтому выходное
напряжение
ивых2 — иС2 — мг2 —
Л Г \ R2
— I 1 ------ I — “г»----•
с \ R2 + Г J с" R2 + Г
Следовательно, если R2 = 0, то нвых скач-
ком принимает нулевое значение на время
Т2 (рис. 9.9,6, сплошная кривая). Если
R2 # 0, то ивых будет уменьшаться по мере
разряда конденсатора (пунктирная кривая).
Если за время Т2 конденсатор С пол-
ностью разрядился, то при размыкании
ключа ивь|х установится равным url. Таким
Уст роис та развертки и синхронизации
147
образом, создается выходное напряжение
пилообразно-импульсной формы. Форма
напряжения и, показана на рис. 9.9, в при
R2 = 0 (сплошная кривая) и R2 Ф 0 (пунк-
тирная кривая).
На рис. 9.10 приведена схема генератора пилооб-
разного тока с трансформаторным включением от-
клоняющей катушки, выполненная на электронных
лампах. В качестве выходной лампы .72 используется
пентод с большим внутренним сопротивлением,
поэтому форма анодного тока и напряжения на сетке
совпадаю!. Следовательно, для получения пилообраз-
ного гока в отклоняющих катушках напряжение на
сетке Л2 должно содержать импульсную, пилообраз-
ную и параболическую составляющие.
Рассмотрим, как создается напряжение необходи-
мой формы на сетке Л2 (рис. 9.11). Цепочка R2C2R3
совместно с разрядной лампой Л1, выполняющей
роль ключа, формирует пилообразно-импульсное на-
пряжение 4, которое с анода Л1 через разделитель-
ную цепь C3R4 поступает на сетку Л2. Отрица-
тельный выброс этого напряжения отличается от
идеального (рис. 9.9, ж), поскольку линейность тока
на обратном ходе не требуется. Параболическая
составляющая напряжения формируется из напряжения
1 на аноде J72, представляюще! о собой инвертирован-
ное напряжение на первичной обмотке трансформа-
тора, совпадающее по форме с напряжением на
отклоняющих катушках. Напряжение на аноде /72,
пройдя через слабо дифференцирующую цепочку
R6C5, приобретает характерный прогиб 2, который
можно представить как результат добавления к пило-
образному напряжению / параболической составляю-
щей 3. Это напряжение подается через развязываю-
щий резистор R- на сетку лампы Л2 и складывается
с пилообразно-импульсным напряжением 4. В резуль-
тате формируется на сетке Л2 импульсно-пилообразно-
параболическое напряжение 5, необходимое для полу-
чения линейно-нарастающего тока в отклоняющих
катушках. Частотно-зависимая цепочка R5C4 пред-
назначена для компенсации влияния входной динами-
ческой емкости лампы. Отметим, что наличие линейно-
падающей составляющей в напряжении обратной связи
требует для ее компенсации повышенной амплитуды
пилообразного напряжения, снимаемого с анода раз-
рядной лампы. Вместе с тем к форме этого напря-
жения предъявляются менее жесткие требования в от-
ношении линейности, поскольку его нелинейность
может быть скомпенсирована увеличением за счет
обратной связи параболической составляющей.
Управление разрядной лампой осуществляется гене-
ратором импульсов, период колебаний которого ус-
танавливается синхросигналом. В качестве генераторов
импульсов обычно применяют блокинг-генераторы или
мультивибраторы.
Напряжение на сетке и, блок ин г-генератора содер-
жит короткие положительные импульсы (рис. 9.12,6),
5
Рис.9.11
)ЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
148
Рис.9.14
Устройства развертки и синхронизации
149
что позволяет использовать его для отпирания раз-
рядной лампы. Анодный гок блокинг-генератора имеет
вид кратковременных импульсов. Это дает возмож-
ность совместить функции блокинг-генератора и раз-
рядной лампы на одном триоде (рис. 9.12, д)- В этом
случае источником питания блокин! -генератора служит
конденсатор С2, который заряжается через R3, R4
во время прямого хода развертки, когда лампа бло-
кин г-генератора заперта, и отдае! накопленную энер-
гию при отпирании лампы. Выходное напряжение,
снимаемое с С2, R4, имеет пилообразно-импульсную
форму (рис. 9.12,в). Эта схема экономична и поэтому
широко применяется.
На рис. 9.13 приведена схема генератора пило-
образного тока с дроссельным включением отклоняю-
щих катушек, выполненная на транзисторах. В ка-
честве задающего каскада используется блокинг-гене-
ратор на |ранзисторе 77. Разрядный транзистор 72
из-за малого входного сопротивления связан с бло-
кинг-генератором через дополнительную обмотку 3
блокиш -трансформатора Тр. С цепочки R6C3 снима-
ется им пульс но-пило образ но-параболическое напряже-
ние. Это достигается гем, что для заряда конден-
сатора СЗ используется не постоянное напряжение,
как, например, в схеме рис. 9.10, а сумма постоян-
ного и линейно-нарастающего. Последнее снимается
с дополнительной обмотки дросселя Др через потен-
циометр R8, суммируется с напряжением — Ек источ-
ника питания и подается в цепь заряда конденсатора
СЗ. Линейно-нарастаюшее напряжение на дросселе
возникает в связи с гем, что ток, проходящий через
дроссель, согласно (9.5) содержит параболическую
составляющую. Для согласования высокоомной цепи
разрядного транзистора Т2 с низкоомной базовой
цепью выходного транзистора Т5 используется состав-
ной эмиттерный повторитель на транзисторах ТЗ, Т4У
Потенциометры Rl, R4. R8 предназначены соответ-
ственно для риулировки часюты, амплитуды и ли-
нейности отклоняющего тока.
9.3. ГЕНЕРАТОРЫ
ПИЛООБРАЗНОГО ТОКА
БЫСТРОЙ РАЗВЕРТКИ
В основу современных генераторов пило-
образного тока быстрой развертки поло-
жена идеализированная схема с тремя на-
копителями, приведенная на рис. 9.14, а.
В момент замыкания ключа К напряже-
ние батареи питания (аккумулятора) Е
прикладывается к отклоняющей катушке.
Емкость С мгновенно заряжается (по-
скольку мы пренебрегли активными no-
терями в схеме), а ток в индуктивности
нарастает по линейному закону (рис. 9.14, б):
£ f
о
Е
dt = -j-i.
(9.12)
Как только в момент времени tr ток
в контуре достигает значения /,,/2, ключ
К размыкают и в контуре LC начинается
колебательный процесс. Через четверть пе-
риода колебаний (Г = f2) вся энергия, сос-
редоточенная в магнитном поле катушки,
перекачивается в электрическое поле кон-
денсатора, а еще через четверть периода
(f = f3) эта энергия возвращается из кон-
денсатора в поле катушки. На интервале
времени Т2 = f3 — ток в катушке изме-
няется по косинусоидальному закону, до-
стигая в момент t3 максимального отри-
цательного значения — IJ2'.
tL2= v^cos
1 2
где Т2 = л ]/LC — время обратного хода,
определяемое половиной периода собствен-
ных колебаний контура ЕС.
Напряжение на катушке в этот период
изменяется по синусоидальному закону
(рис. 9.14, й):
, diL itlL . и ,
«12 = L ,,-= - -W-£-Sin —(Г-tj) (9.13)
(it 2. J 2 *2
ri достигает максимума U/max при t = fj +
+ Т2/2:
Lmax ТГ ‘ (9.14)
'2
Из (9.12) и рис. 9.14,6 следует, что при
Т I Е Т
t = ток iL = у- = — -Э-. Подставив
это значение в (9.14), получаем
Г Lmax
л£ Т,
2 ' г7
(9.15)
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
150
Поскольку Tj > Т2, отрицательный импульс
напряжения на индуктивности значительно
превышает напряжение источника питания.
Если в момент f3 ключ вновь замкнуть,
то колебательный процесс в контуре прек-
ращается, ток в индуктивности начинает
спадать (по абсолютному значению) и, про-
ходя через батарею, возвращает ей ото-
бранную энергию. В момент времени
схема приходит в исходное состояние, и
процесс начинается сначала. Таким обра-
зом, в идеализированной схеме формиро-
вание пилообразного тока происходит без
потребления энергии от источника. В ре-
альной схеме источник питания, ключ и
отклоняющая катушка обладают конеч-
ными активными сопротивлениями. Объ-
единим все эти сопротивления в одно R
(рис. 9.15). Пренебрегая на прямом ходе
влиянием емкости С, заметим, что нарас-
тание тока в этом случае уже происходит
не по линейному закону, а по экспоненте
Формула совпадает по структуре с (9.6),
поэтому аналогично (9.9) напишем выраже-
ние для коэффициента нелинейности тока:
кН1 = Rl л,
из которого следует, что нелинейность
уменьшается с увеличением постоянной
времени цепи т = L,R.
Эта нелинейность не страшна в реаль-
ных схемах. Она компенсируется обратной
нелинейностью электронных приборов, ра-
ботающих в режиме ключа. Хуже то, что
сопротивление R является причиной зна-
чительных активных потерь в схеме.
Заметим, что ключ К должен пропускать
гок в обоих направлениях, а электронные
лампы, широко применяемые в подобных
схемах, являются униполярными Поэтому
выполни 1ь ключ па одной лампе невоз-
Устройства развертки и синхронизации
151
можно. Нельзя его выполнить и на одном
транзисторе. Хотя транзисторы и облада-
ют биполярной проводимостью, но она
неодинакова в прямом и обратном направ-
лениях.
Пригодность электронного прибора для
роли ключа оценивается по разрывной
мощности, которая определяется произве-
дением максимального тока /раз, протекаю-
щего через замкнутый ключ, на максималь-
ное напряжение (7раз, возникающее на
разомкнутом ключе. В рассматриваемом
случае /раз = IJ2, а С'ра., = UM, последнее
согласно рис. 9.14 и (9.15) определяется
выражением
k'M = £ ~ ^Lmax = Е + .ц, 1 =
1 + 1,57 ^\е.
1 2/
Следовательно, необходимая разрывная
мощность ключа равна:
р = lMUv_ 7М£(1 + 1,57Л/Т2)
'раз 9
При выборе электронного прибора для
ключа необходимо соблюдать условие
Р < Р
1 раз 1 раз. доп4
где Враз. дОП — допустимая разрывная мощ-
ность для данного прибора
На рис. 9.16, а приведена упрощенная
схема выходного каскада генератора строч-
ной развертки на электронных лампах Л1
и 772, совместно выполняющих роль дву-
стороннего ключа. Пусть на сетку Л1
поступает пилообразно-импульсное напря-
жение ивх (рис. 9.16,6), которое в момент
времени достигает напряжения отсечки
Е’с анодного тока лампы Л1 и отпирает
ее. Через отклоняющую катушку начинает
протекать ток (а (рис. 9.16, в). Диод 772
в это время заперт смещением, создавае-
мым батареей Е3. В момент t2 лампа Л1
запирается и в контуре LC начинается
колебательный процесс, который, однако,
прекращается в момент Г3, когда произ-
водная тока в контуре меняет свой знак.
При этом меняется полярность напряже-
ния на контуре, компенсируется действие
батареи £д и диод отпирается, шунтируя
контур ЕС. Колебательный процесс превра-
щается в апериодический. В момент f4
вновь отпирается лампа 777 и процесс
повторяется сначала. Ток в отклоняющей
катушке
Д='а+(д-
Изменяя постоянное смещение на сетке Л1,
можно смещать напряжение мвх относи-
тельно Е'с и таким образом изменять
момент отпирания Л1, добиваясь за счет
этого необходимой формы суммарного
тока iL на участке t4 ~ t5. На форму тока
ia, а следовательно, и iL влияет и форма
напряжения на сетке Л1. Поэтому для ком-
пенсации нелинейности отклоняющего тока
часто используют возбуждающее напряже-
ние, отличное от линейного на интервале
t4 -? tb.
Поскольку во время обратного хода
напряжение на аноде лампы ыа достигает
больших положительных значений
(рис. 9.16, г), анодная характеристика лампы
смещается влево и для надежного запи-
рания лампы создается отрицательный
выброс в напряжении ивх. Форма его не
имеет существенного значения и может
совпадать со сплошной кривой (рис. 9.16, б)
или пунктирной, или любой проходящей
между ними. Естественно, что и лампа,
и диод должны выдерживать напряжения,
прикладываемые к их электродам
Характерно, что через батарею Еа токи
ia и (д протекают в противоположных
направлениях. Если ток ia разряжает бата-
рею. то (д ее заряжает. Это позволяет
батарею £д заменить накопительным кон-
денсатором Сд. Однако простая замена £3
на Сл в схеме (рис. 9.16) не дает поло-
жительных результатов, поскольку (д < (а
из-за активных потерь. В связи с этим
применяют схему с автотрансформаторным
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
152
подключением диода и лампы (рис. 9.17).
В ламповом варианте наличие автотранс-
форматора облегчает также согласование
выходного каскада генератора развертки
с отклоняющими катушками.
Существует несколько способов S-образ-
ной коррекции пилообразного тока для
широкоугольных кинескопов. Один из них
заключается в том, что отклоняющие ка-
тушки подключаются к трансформатору
через конденсатор Cs. Пилообразная сос-
тавляющая тока, складываясь с синусои-
дальной кривой, дает S-образную. При
другом способе последовательно с откло-
няющими катушками включается дроссель
с насыщенным сердечником.
Наличие высоковольтных выбросов в ге-
нераторе строчной развертки облегчает ре-
шение проблемы высоковольтного источ-
ника питания для кинескопа. С помощью
дополнительной обмотки на автотрансфор-
маторе доводят напряжение этих импульсов
до необходимой величины, выпрямляют
при помощи высоковольтного кенотрона
ЛЗ и полученное постоянное напряжение
Uв используют для питания анода кине-
скопа.
Вследствие высокой частоты импуль-
сов генератора строчной развертки облег-
чается изготовление трансформатора и
фильтра, роль которого в рассматриваемой
схеме выполняет конденсатор Сф, образо-
ванный внутренним и внешним проводя-
щими покрытиями колбы кинескопа. Спе-
циально разработанные кенотроны с эконо-
мичным накалом позволяют использовать
это же высокочастотное напряжение для
питания накала, что облегчает выполнение
накальной обмотки с высоковольтной изо-
ляцией от корпуса. Мощность, потребляе-
мая высоковольтным источником питания,
невелика и на общем балансе мощности
выходного каскада сказывается несуще-
ственно
Большое внутреннее сопротивление вы-
прямителя приводит к значительным ко-
лебаниям выходного напряжения при из-
Устройства развертки и синхронизации
153
менении тока нагрузки. Особенно сказы-
вается влияние нестабильности напряжения
питания на работе цветных кинескопов,
у которых ток электронных пучков в ходе
модуляции изменяется в широких пределах
(для масочных кинескопов от 0 до 900 мкА).
Если не принять специальных мер, это
приведет к расфокусировке и изменению
размеров изображения. В связи с этим
в цветных телевизорах применяют схемы
стабилизации тока нагрузки выпрямителя.
Наиболее распространена схема со стаби-
лизирующим триодом, который подклю-
чается параллельно нагрузке к выходу
высоковольтного выпрямителя. Часть этого
напряжения подается на сетку стабилизи-
рующего триода. Если ток нагрузки умень-
шается, то возрастает напряжение выпря-
мителя, а следовательно, и напряжение на
сетке стабилизирующего триода. При этом
ток триода возрастает так, что суммарный
ток триода и кинескопа сохраняется посто-
янным. Стабилизация тока нагрузки при-
водит к стабилизации напряжения питания
кинескопа и всей схемы выходного каскада
генератора развертки.
На рис. 9.18, а приведена упрощенная
схема выходного каскада генератора строч-
ной развертки на полупроводниковых при-
борах. Она более близка к идеализирован-
ной схеме, чем ламповая. Роль двусторон-
него ключа выполняют параллельно соеди-
ненные мощный транзистор Т и диод Д.
Управление ключом производится путем
подачи в базовую цепь транзистора пря-
моугольных импульсов напряжения и6
(рис. 9.18,6), которые обеспечивают режим
насыщения транзистора на интервале вре-
мени 0 -г- При этом токи коллектора ф
и отклоняющей катушки iL нарастают
практически по линейному закону. В мо-
мент токопрохождение через ключ прек-
ращается и в контуре LC начинается ко-
лебательный процесс. На интервале обрат-
ного хода Т2 = Г2 — Гр соответствующем
половине периода собственных колебаний
контура LC, ток iL спадает по косинусои-
Рис.9.19
Рис.9.20
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
154
дальнему закону. В момент t2 полярность
напряжения на контуре, а следовательно,
и на коллекторе С к меняется, чем обеспе-
чивается токопрохождение через диод и
возврат части энергии источнику питания.
Таким образом, на интервале времени
t2 4-13 ток через отклоняющую катушку
равен сумме токов диода i, и обратного
тока коллектора iKO. Одна из особенностей
полупроводникового ключа состоит в том,
что выходной транзистор, работая в режиме
переключения больших мощностей, требует
мощного управляющего сигнала. Поэтому
между задающим генератором и выходным
каскадом приходится включать промежу-
точный усилитель мощности. Другая осо-
бенность связана с отсутствием высоко-
вольтных транзисторов, способных выдер-
жать большие выбросы напряжения, возни-
кающие на коллекторе во время обратного
хода. Для ограничения амплитуды выброса
применяется ряд мер, например увеличение
длительности обратного хода. Наряду с
этим используется схема с дополнитель-
ным контуром, настроенным на третью
гармонику частоты собственных колебаний
контура LC (рис. 9.19, а). В результате
сложения напряжений основной uL (при
отсутствии контура L1C1) и третьей ии
гармоник пик напряжения пк на коллекторе
транзистора снижается на 15 —30°о
(рис. 9.19,6).
На рис. 9.20 приведена транзисторная схема гене-
ратора строчной развертки с дроссельным подключе-
нием катушек ОК к выходному каскаду через разде-
лительную емкость С5, используемую одновременно
для S-образной коррекции отклоняющего тока. Роль
дросселя выполняет первичная обмогка 1 трансформа-
тора ТрЗ. В качестве контура, настроенного на третью
гармонику, используется обмотка II высоковольтного
выпрямителя, собранного по схеме умножения напря-
жения на селеновых столбиках.
На транзисторе Т2 собран промежуточный усили-
тель мощности. Задающий каскад представляет собой
блокинг-генератор на транзисторе Т1 со стабилизи-
рующим контуром LIC1 в цепи базы. Для связи
задающего генератора с промежуточным усидиiелем.
обладающим малым входным сопротивлением, бло-
кинг-трансформатор Тр1 снабжен дополнительной
обмо I кой.
9.4. СИНХРОНИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
РАЗВЕРТКИ
Синхронизация в системах телевизионного
вещания представляется наиболее сложной,
поскольку связана с необходимостью со-
гласования работы большого количества
телевизионных приемников, размещенных
на большой территории и работающих
порой в условиях значительных помех. Это
привело к необходимости формирования
сложного телевизионного синхросигнала,
представленного-на рис. 4.8. Чтобы решить
задачу синхронизации при такой форме
сигнала, необходимо:
1) отделить синхросигнал от сигнала
изображения;
2) разделить между собой строчные и
кадровые синхроимпульсы;
3) осуществить при помощи этих им-
пульсов синхронизацию генераторов строч-
ной и кадровой разверток.
Отделение синхросигнала от сигнала
изображения производится методами амп-
литудной селекции.
На рис. 9.21,о приведена схема тран-
зисторного амплитудного селектора, обес-
печивающего двустороннее ограничение
синхроимпульсов за счет использования
режима насыщения (рис. 9.21,6). Двусторон-
нее ограничение обеспечивает постоянную
амплитуду синхросигнала при изменении
уровня видеосигнала, вызванного поме-
хами, замираниями или другими причи-
нами. Постоянная времени цепи смещения
R1 R2C1 выбирается из условия Гс <
< R1 R2C1 < Тк. Этот критерий не явля-
ется однозначным. Чем больше постоянная
времени R1 R2C1, тем помехоустойчивее
схема, однако вследствие большей инер-
ционности она не успевает «следить» за
изменениями уровня сигнала. При малой
постоянной времени система хорошо следит
за сигналом, но чувствительна к импульс-
ным помехам и не обеспечивает постоян-
ного смещения при прохождении кадрового
синхроимпульса.
Устройства развертки и синхронизации
155
Рис.9.22
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
156
Один из способов повышения помехоус-
тойчивости амплитудных ограничителей
заключается в применении стробирования
(рис. 9.22, л). Управляемый амплитудный
селектор при поступлении телевизионного
сигнала и1с отпирается стробирующими
импульсами с генератора строчной
развертки только при прохождении синхро-
импульсов на время, нескотько превышаю-
щее их длительность (рис. 9.22,6). Таким
образом, на выходе селектора не может
появиться помеха, расположенная между
ст робирующими импульсами.
Разделение строчных и кадровых синхро-
импульсов производится методами времен-
ной селекции. На рис. 9.23,6 представлены
формы сигналов на элементах RC-цепочки
(рис. 9.23,о) при подаче на вход цепочки
прямоугольного импульса нвх. Напряжение
на конденсаторе нарастает и спадает
по экспоненте. В зависимости от соотно-
шения длительности импульса т„ и посто-
янной времени RC-цепочки форма напря-
жения будет разной. Кривая II соответ-
ствует условию: RC = т„, кривая I — RC <
< т„, кривая III — RC > ти. В последнем
случае заряд конденсатора происходит на
линейном участке экспоненты, и такая це-
почка может рассматриваться как интегри-
рующая. Напряжение на резисторе uR =
= uBX — ис- RC-цепочка, в которой напря-
жение снимается с резистора, при RC < т„
осуществляет приближенное дифференци-
рование входного сигнала (кривая /) и по-
этому называется дифференцирующей. Если
RC т„, происходит скалывание импульса
(кривые II, III}. Такую цепочку называют
«слабо дифференцирующей». При RC > т„
входной импульс не искажается и цепочка
называется переходной.
На рис, 9.23, в показаны формы сигналов
на выходе дифференцирующей и интегри-
рующей цепочек. При подаче на вход це-
почки телевизионного синхросигнала 1 на
выходе дифференцирующей цепочки обра-
зуется серия остроконечных импульсов 2.
Продифференцированный импульс от задне-
го фронта врезки С'в меньше, чем ампли-
туда синхроимпульсов Е с11, так как за дли-
тельность врезки тв конденсатор С не успе-
вает полностью разрядиться. Зададимся
допустимым относительным уменьшением
амплитуды продифференцированных им-
пульсов от врезок Д = (Сс1, — С„) Сси. За-
метим, что за время т„ конденсатор С
практически успевает полностью зарядить-
ся, поэтому перед началом врезки напря-
жение на нем равно С'с1|. К концу врезки
это напряжение уменьшается до значения
п = U — U = U е R*
’-'с-min '"'си '"в v'citv
отсюда
д - ив
Д= -=с
СИ
Rc или RC = , .
In (1 Д)
Задавшись, например, Д = 10%, получим
RC = О,3т„.
Не следует выбирать RC < тв. Дело
в гом, что в реальной схеме резистор R
шунтируется паразитной емкостью С„, кро-
ме того, последовательно с ним включено
внутреннее сопротивление Rt источника
входного сигнала, таким образом R„ R. С
и С„ образуют делитель с тем большим
коэффициентом деления, чем меньше по-
стоянная времени RC, поэтому с уменьше-
нием RC уменьшается и амплитуда синх-
роимпульсов.
Заметим, что при RC > тв. т. е. на выходе
слабо дифференцирующей цепочки, отри-
цательные выбросы от врезок значительно
больше, чем от строчных синхроимпульсов
3. Это позволяет использовать выброс от
первой врезки для синхронизации генера-
тора кадровой развертки.
Коэффициент подавления строчных синх-
роимпульсов Кс определяется отношением
т" /
С, 1-е RC RC
г, =--------------- 1 1 - е
U t ’<• L. \
1-е Rc
Устройства разе ер tic и н синхронизации
157
Максимальное значение коэффициента
подавления
к — ф — Ти
24 с шах т
обеспечивается при RC > т„. Однако с уве-
личением RC падает амплитуда U2- На
рис. 9.24 приведены графики зависимости
Кс и U2/'Uai от t„, RC для грех значений Ф.
Для стандартного телевизионного сигнала
т = ^-А = ^=5^6.
тс 4,7
строчных синхроимпульсов
кг- Z
, «„(l-е ,г
С'4 / _ ч
(7СИ11 - е Rc
Метод выделения кадровых синхроим-
пульсов посредством «слабо дифференци-
рующей» цепочки обеспечивает высокую
крутизну фронта синхроимпульса, однако
обладает слабой помехоустойчивостью, по-
этому для выделения кадровых синхро-
импульсов обычно применяют интегрирую-
щие цепочки.
Работа однозвенной интегрирующей це-
почки иллюстрируется графиками 4 и 5
подавления
rc
Тс
Приближение сделано с учетом того, что
на интервале строчного синхроимпульса
заряд конденсатора практически линейный,
а на интервале кадрового конденсатор
заряжается до значения 1/си. Таким об-
разом, коэффициент подавления строчных
синхроимпульсов растет с увеличением
постоянной времени интегрирующей це-
почки. Вместе с тем крутизна нарастания
напряжения на выходе интегрирующей
цепочки
dU<_ = Ucll
dt RCe
падает с ростом постоянной времени RC.
Таким образом, требования высокой кру-
тизны кадрового синхроимпульса и хоро-
шего подавления строчных синхроимпуль-
сов являются противоречивыми. Однозвен-
ная интегрирующая цепочка не может
обеспечить нужного подавления строчных
синхроимпульсов при приемлемой крутизне
фронта нарастания кадрового синхросиг-
нала. В связи с этим для выделения кад-
ровых синхроимпульсов применяют много-
звенные интегрирующие цепочки.
Форма напряжения на выходе много-
звенной интегрирующей цепочки на началь-
ном участке кривой существенно отличается
от экспоненты.
Напряжение пвь|х] на выходе однозвен-
ного интегрирующего звена определяется
следующим образом:
и»ых1 = ^си(1-е RC).
На начальном участке экспоненты (при
t « RC)
^ВЫХ I
(9.16)
где гЛ- = - — нормированное время.
RC
Многозвенная интегрирующая цепочка
для интервала времени г < RC может рас-
сматриваться как ряд последовательно
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
158
включенных интеграторов, поэтому на вы-
ходе второго звена
f2
К»ых2 ( ^вых 1 L си . (9-17)
О
на выходе третьего звена
'N f3
ивыхЗ = f ^вых2 Л/V = ^си г (9.18)
О 0
В связи с этим строчные синхроимпульсы,
имеющие малую длительность, подавля-
ются в многозвенной интегрирующей це-
почке значительно сильнее, чем в одно-
звенной.
Коэффициент подавления строчных син-
хроимпульсов определяется отношением
Нвыхтк Uc„
кс =-------~-------
^ВЫХТс К ВЫХ Тс
(9.19)
Рис.9.26
где мВЫХТк — напряжение на выходе интегри-
рующих цепочек в конце кадрового синх-
роимпульса; ивь,хтс — напряжение на выходе
интегрирующих цепочек в конце строчного
синхроимпульса.
Таким образом, согласно (9.16), (9.17),
(9.18) и (9.19), коэффициенты подавления на
выходе однозвенной, двухзвенной и трех-
звенной цепочек соответственно будут
равны:
„ _ - К _ 2(R2G)2.
АС1 — » 74С2 — 2
_ 6(К3Сз)3
“ 3
(9.20)
Рис.9.27
где RjCj, R2C2 и R3C3 — постоянные вре-
мени каждого звена в однозвенной, двух-
звенной и трехзвенной цепочках. Из (9.20)
следует
При одинаковом коэффициенте подавления
строчных синхроимпульсов на выходе одно-,
NcipuHCiea развертки и еиихроиизации
159
двух- и трехзвенной цепочек
КС1 = кс2 = кс3 = кс
и тогда
R2C2 = Rt(\/\/2Kc-, R3C3 = RtCJ]/6K*.
Таким образом, при заданном коэффици-
енте подавления строчных синхроимпуль-
сов постоянная времени одного звена в
многозвенных цепочках должна быть во
много раз меньше, чем в однозвенной,
что обеспечивает большую крутизну фрон-
та нарастания кадрового синхроимпульса
в многозвенных цепях.
На рис. 9.25 приведены кривые относи-
тельных выходных напряжений uBblK/Ucl, от
г/тс для KL = 50. При этом R^i = 50т€,
R2C2 = 5тс, R3C3 % 2,2тс.
Для стандартного синхросигнала реаль-
ный коэффициент подавления при одно-
звенной цепочке будет меньше принятого,
так как при длительности кадрового синх-
роимпульса тк = 34тс, RtCi = 50тс = 1,47гк
и выходное напряжение за время тк успеет
нарасти только до 0,761/си (принятое ранее
условие пВыхгк ~ Uа, в этом случае не
выполняется), поэтому реальный коэффи-
R С
циент подавления равен 0,76 ------= 38.
Тс
Применяются два вида синхрониза-
ции генераторов телевизионной развертки:
1) импульсная безынерционная синхрониза-
ция. при которой каждый приходящий синх-
роимпульс, воздействуя непосредственно на
задающий генератор развертки, определяет
момент его срабатывания; 2) инерционная
синхронизация, осуществляемая посредст-
вом автоподстройки частоты задающего
генератора по приходящим синхроимпуль-
сам.
При безынерционной синхронизации син-
хроимпульс. поступая, например, на сетку
блокинг-генератора (рис. 9.12, а), отпирает
лампу и таким' образом задает начало
б локинг-п роцесса.
Из рис. 9.26 видно, что синхронизация
возможна, если период собственных коле-
баний блокинг-генератора 7\г несколько
превышает период повторения 7\.„ синхро-
импульсов. Недостаток импульсной синхро-
низации в слабой помехоустойчивости: лю-
бой импульс помехи, попавший в канал
синхронизации, будет воздействовать на
задающий генератор точно гак же, как
и синхронизирующий. Особенно чувстви-
телен к воздействию импульсных помех
канал строчной развертки, поскольку вы-
деление строчных синхроимпульсов произ-
водится посредством дифференцирующей
цепочки. В канале кадровой развертки при
выделении кадровых синхроимпульсов ин-
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
160
тегрируюшей цепью воздействие импульс-
ных помех на генератор значительно
меньше.
При инерционной синхронизации в ре-
зультате сравнения частоты и фазы синх-
роимпульсов с частотой и фазой задаю-
щего генератора развертки вырабатывается
управляющее напряжение, под действием
которого устанавливается необходимая
частота и фаза задающего генератора.
Например, частотой блокинг-генератора
можно управлять, изменяя смешение на
управляющей сетке лампы (или на базе
транзистора) блокинг-генератора. На
рис. 9 27 кривая I соответствует меньшему
смещению, чем кривая II, а кривая III —
большему.
На рис. 9 28, а показана одна из рас-
пространенных схем фазового детектора
для автоподстройки частоты генератора
строчной развертки. Основным элементом
схемы является мостик, два плеча кото-
рого образованы резисторами R3 и R4,
а два — диодами Д1 и Д2. Импульсы
синхронизации, снимаемые с эмиттсрной
и коллекторной нагрузок парафазного уси-
лителя (точки А, Б), через диоды Д1 и Д2
заряжают конденсаторы С1 и С2 до напря-
жений Uct и UC2, которые создают обрат-
ное смещение на диодах и поддерживают
их запертыми на всем интервале времени
между синхроимпульсами, при этом мост
сбалансирован. При очередном прохожде-
нии синхроимпульсов конденсаторы подза-
ряжаются, но балансировка моста не на-
рушается, так как ток через оба диода
одинаковый (диоды идентичны). Подадим
в точку Г пилообразное напряжение и, от
местного генератора с амплитудой меньше
UCi и U С2, чтобы оно не могло отпереть
диоды. Допустим, что момент прохождения
импульса синхронизации совпадает с мо-
ментом перехода кривой обратного хода
«пилы» через нуль (рис. 9.28,6). Очевидно,
это обстоятельство не нарушит баланса
моста. Пусть теперь период колебаний
местного генератора увеличился (рис. 9.28, в).
Это приведет к тому, что в момент про-
хождения синхросигнала диоды получат
дополнительное смещение U'r, причем Д1 —
прямое, а Д2 — обратное. Баланс моста
нарушится, и по его диагонали пройдет
ток. создавая падение напряжения на R5,
положительной полярности в точке В.
После фильтрации (интегрирования) в це-
почке C3R7C4 управляющее напряжение
и, подается на сетку задающего блокинг-
генератора и уменьшает период его соб-
ственных колебаний. Если же период соб-
ственных колебаний задающего генератора
уменьшится (рис. 9.28, г), то смещение U"
на диодах изменит знак и ток в диагонали
моста пойдет в обратном направлении.
Это создаст управляющее напряжение про-
тивоположного знака. Чем больше посто-
янная времени интегрирующего фильтра,
тем лучше подавляются помехи, так как
усреднение происходит на большем интер-
вале времени. Однако с увеличением пос-
тоянной времени фильтра увеличивается
и инерционность схемы и может оказаться,
что она не успеет уследить за резкими
изменениями частоты задающего генера-
тора. Обычно постоянную времени фильтра
выбирают соизмеримой с периодом кадро-
вой развертки. При необходимости изме-
нить полярность управляющего напряже-
ния на обратную достаточно сдвинуть
фазу пилообразного напряжения в точке Г
на 180е.
Чувствительность фазового детектора за-
висит от крутизны импульса сравнения
(в данном случае — от крутизны обратного
хода пилообразного напряжения). Для по-
вышения чувствительности фазового детек-
тора в качестве импульса сравнения часто
используют продифференцированный поло-
жительный импульс, возникающий в об-
мотке строчного трансформатора во время
обратного хода развертки.
161
10. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ___
ЭЛЕМЕНТЫ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ТРАКТА
111.1. 111'01 ИВОП1> мовчя
КОРРЕКЦИЯ
Основной причиной, ограничивающей чув-
ствительность телевизионной системы, яв-
ляются шумы, возникающие в процессе
образования и усиления видеосигнала.
Шумы передающей телевизионной труб-
ки зависят от ее типа. В суперортиконе
благодаря электронному умножителю уро-
вень сигнала большой, но соотношение
сигнал, шум невелико. Поэтому при работе
с суперортиконом отношение сигнал/шум
на выходе тракта в основном определяется
трубкой.
Видикон обладает более высоким отно-
шением сигнал/шум, но создает малый
уровень сигнала на нагрузке. Поэтому при
его использовании отношение сигнал/шум
на выходе усилительного тракта в основ-
ном определяется шумами предваритель-
ного усилителя. Предварительный усили-
тель (рис. 10.1) содержит входной каскад
ВК, промежуточные каскады ПК. коррек-
тирующий усилитель КУ и выходной
согласующий каскад СК.
На рис. 10.2, а показана схема подклю-
чения передающей трубки к предвари-
тельному усилителю на полевом транзис-
торе. Передающая трубка представляет
собой генератор тока с большим внутрен-
ним сопротивлением (R, т = 106 -? 107 Ом).
Ток сигнала при условии, что RH < R,T,
практически не зависит от величины самой
нагрузки, поэтому напряжение сигнала кс
на нагрузке в области низких частот про-
порционально сопротивлению нагрузки:
пс = icRH.
Средний квадрат напряжения флуктуаци-
онных шумов, возникающих на резисторе
R„, определяется по известной формуле
“uir = 4ATR„F, (Ю.1)
где к = 1,38 • 10-23 Дж/град — постоянная
Больцмана; Т — абсолютная температура;
F — полоса пропускания усилительного
тракта.
Аналогично определяются дробовые шу-
мы усилительного каскада.
йш.у = 4ATRmF,
где RHI — эквивалентное шумовое сопротив-
ление входного каскада усилителя (для
триода Rm 5: 3/5, для полевого транзисто-
ра R,,, = 0,7/5; 5 — крутизна характеристики
триода или транзистора).
Поскольку шумы сопротивления и усили-
теля некоррелированны, средний квадрат
напряжения помехи й2 определяется сум-
мой :
= йш.к + 1'ш.у = 41с7F (RH + RU1).
Отношение сигнал/помеха составляет
“ /й! “ 2 \/kTF(Ru + RJ
Следовательно, с увеличением RH отноше-
ние сигнал/помеха возрастает, но усилива-
ются и частотные искажения сигнала во
входной цепи из-за шунтирующего дейст-
вия емкости Сн. Частотная характеристика
входной цепи (рис. 10.2,6) определяется по
известной формуле
|/ 1 + (2n/R„CH)2 ‘
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
162
6К — ПК — КУ ск —-~
6 %,
Рис.10.1
Компенсация завала частотной характе-
ристики входной цепи производится в кор-
ректирующем усилителе с обратной частот-
ной характеристикой:
Мкор = 1/1 + (2л/ЙнСн)2.
Таким образом, сущность противошумовой
коррекции, предложенной Г. В. Брауде,
заключается в максимально допустимом
увеличении сопротивления резистора RH
(обычно до 100 — 200 кОм), при котором
еще выполняется условие R,T > Rm с по-
следующей компенсацией завала частотной
характеристики в корректирующем каскаде.
В результате этого происходит:
1) увеличение отношения сигнал, шум на
входе усилителя за счет возрастания сопро-
тивления нагрузки;
2) ослабление влияния шумов первого
каскада усилителя за счет повышения уров-
ня сигнала на его входе;
3) дополнительное уменьшение видности
помех за счет перераспределения отноше-
ния сигнал/шум по спектру.
Последнее связано с тем, что отношение
сигнал/шум имеет максимальное значение
на низких частотах, где влиянием шунти-
рующей емкости можно пренебречь, по
мере перемещения в область более высо-
ких частот оно падает. Однако такое пере-
распределение отношения сигнал/шум вы-
годно, поскольку глаз человека более чув-
ствителен к низкочастотным помехам.
На рис. 10.2,6 приведена одна из воз-
можных схем корректирующего каскада.
Подъем характеристики с ростом частоты
осуществляется цепочкой R4R5C2.
Отношение сигнал/шум при рассмотрен-
ной простой противошумовой коррекции
можно вычислить следующим образом.
Средний квадрат тепловых шумов на вы-
ходе предварительного усилителя с учетом
(10.1)
MRBb,x = 4/c7RHFK(j,
где Ко — коэффициент усиления предвари-
Специфические элементы телевизионного тракта
163
тельного усилителя. Среднее значение квад-
рата дробовых шумов на выходе усили-
теля, вызванных первым каскадом усиле-
ния, с учетом неравномерности частотной
характеристики корректирующего каскада
йдр.Вь,х = 4kTRwKl f [Мкор(/)]2 df =
О
4n2C2„R2„F2
3
Л2
4kTRmK20F -у,
где Л = 2nFC„R„. Приближение сделано с
учетом того, что обычно Л2/3 > 1. Средний
квадрат напряжения помехи на выходе
усилителя
2 2 2
Мц = R вых “Ь др. вых
Л2
ш 3
= 4kTK%F Кн + К,
Отношение сигнал/помеха на выходе уси-
лителя
|/йСГх ~ 2]/kTF(R„ + ЯШЛ2/3)
Простая противошумовая коррекция позво-
ляет повысить отношение сигнал/шум по
сравнению с некорректированным усили-
телем в 3 — 5 раз.
Известна схема сложной противошумо-
вой коррекции, также предложенная
Г. В. Брауде. При сложной коррекции
учитывается тот факт, что шунтирующая
емкость С„ содержит две составляющие:
с = с + С
где Ст — выходная емкость передающей
трубки; Су — входная емкость усилителя.
Раздельное использование этих емкостей
в качестве элементов П-образного
LC-фильтра (рис. 10.3, а) дает дополнитель-
ный выигрыш в отношении сигнал/помеха
в 2 — 2,5 раза по сравнению с простой схе-
мой коррекции.
Рис.10.3
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
164
В связи с гем что сопротивление на-
грузки LC-фильтра значительно больше
характеристического, наблюдается резкое
увеличение уровня полезного сигнала на
входе усилителя в районе резонансной
частоты /ри контура LC,Cy. Обычно вы-
бирают На рис. 10.3,6 приве-
дены частотные характеристики входной
цепи Мвх и корректирующего усилителя
Мкор для сложной противошумовой кор-
рекции. Необходимая форма частотной ха-
рактеристики корректирующего усилителя
Мкор достигается последовательным вклю-
чением каскада с линейной корректирую-
щей характеристикой Мкор1 (рис. 10.2. в)
и каскада с вырезающим контуром LR5C3
(рис. 10.3, в), обладающего характеристи-
кой Мкор2.
10.2. KOI'I'l КИПЯ
\[1ЕРГ\ ИНЫХ IK КАЖЕНИН
Конечные размеры апер >уры развертываю-
щего элемента и неравномерная плотность
тока по его сечению приводят к специфи-
ческим апертурным искажениям телевизи-
онного сигнала, проявляющимся в размы-
тии границ переходов от белого к чер-
ному. Апертурные искажения похожи на
те, что получаются в результате завала
частотной характеристики видеотракта на
верхних частотах вследствие шунтирую-
щего действия паразитных емкостей, но не
эквивалентны им. Завал верхних частот за
счет КС-цепей сопровождается одновремен-
ным искажением фазовой характеристики,
в то время как апертурные искажения мо-
гут быть представлены падающей частот-
ной характеристикой при линейной фазо-
вой. В связи с этим подъем частотной
характеристики в области высоких частот
за счет простых ICK-цепей скомпенсиро-
вать эти искажения не может.
Существует несколько методов коррек-
ции апертурных искажений. Наиболее уни-
версальным является метод дифференци-
альной апертурной коррекции, суть кото-
рого сводится к сложению входного сиг-
нала и (г) с его четными производными.
При гауссовом распределении тока в раз-
вертывающем луче переходная характери-
стика, соответствующая передаче черно-
белой границы, определяется выражением
(2.5)
/1 (х) = у [1 + Ф (х)]
В соответствии с идеей метода скоррек-
тированная характеристика /1К (х) получа-
ется в результате суммирования h (х) и ее
четных производных:
/1К (х) = h (х) + осjh11 (х) + a2/iIV (х) + ...
или
/1к(х) = у + у [Ф(х) + оцфп (х) +
+ а2Ф1У (х) + ...].
Функция Ф(х) и ее производные табули-
ровании, что облегчает пользование этим
выражением. Коэффициенты аь ot2 ... оп-
ределяют степень коррекции. Чем они
больше, тем круче скорректированная кри-
вая, но больше у нее и выброс.
На рис. 10.4, б приведены графики пере-
ходной характеристики /г (х), ее второй
/;ч (х) и четвертой /iIV (х) производных,
помноженных соответственно на коэффи-
циенты а, = —0,25 и а2 = 0,025, а также
скорректированные переходные характери-
стики /1к, (х) = h (х) — 0,25/111 (х) и /1к2 (х) =
= /1 (х) — 0,25/in (х) + 0,025/i|v (х), из которых
видно, что при суммировании всего лишь
двух производных крутизна переходной
характеристики повышается в 2 раза при
незначительном выбросе. При линейной
развертке х = t и, следовательно, h (х) = и (г).
/1И(х) = и11 (г) и т. д.
На рис. 10.4, а приведена структурная
схема дифференциального апертурного кор-
ректора. Дифференцирующие схемы ДС1
и ДС2 формируют из выходного сигнала
и (г) вторую и четвертую производные, а
усилители У1 и У2 обеспечивают для них
необходимые весовые коэффициенты. Вход-
Специфические элемешы телевизионного тракта
165
ной сигнал и сигналы производных скла-
дываются в сумматорах С1 и С2; линии
задержки Л31 и Л32 служат для компен-
сации задержки сигнала в дифференциру-
ющих цепях с целью временною согла-
сования основною и корректирующих от-
падов.
[u(t)-au'(tB
С2 --------►
и1ы1
У2
10.3. КОРРЕКЦИЯ
НЕ. ПШЕННЫХ ИСКАЖЕНИЙ
Источниками нелинейных искажений в те-
левизионном тракте являются передающие
и приемные телевизионные трубки. В общем
случае для сохранения подобия передавае-
мого и воспроизводимого изображений
необходимо обеспечить прямую пропор-
циональность между яркостью L, элемен-
тов передаваемого и L2 воспроизводи-
мого изображений:
L2 = aLj,
(10.2)
где а — коэффициент пропорциональности.
В некоторых случаях это требование мо-
жет и не соблюдаться, поскольку возни-
кает необходимость в подчеркивании либо
сглаживании контраста.
Нелинейные характеристики элементов
телевизионного тракта обычно характери-
зуют степенной зависимостью с различ-
ными значениями показателя степени у.
Так, например, для передающих трубок
ис = OtjL^, (10.3)
Таб.шца 6
Значения у для различных элементов
телевн знойней о тракiа
где ис — напряжение сигнала на нагрузоч-
ном резисторе трубки; Lo5 — яркость объ-
екта, сх! — коэффициент пропорционально-
сти; для приемных трубок
L,„ = a2t^2, (10.4)
где Lll3 — яркость изображения; и„ — напря-
жение на модуляторе; л2 — коэффициент
пропорциональности.
Кроме того,
«м = ^зЧс3, (10.5)
Эпемент телевизионного тракта
Супериконоскоп 0,5
Видикон 0,6 ч- 0,7
Суперортикон 0,8 ч- 1,0
Кинескоп 2-3
Позитивный кинофильм 1,4
Негативный кинофильм 0,5 ч- 0,7
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИ1ИОННЫХ СИСТЕМ
166
где а3 — коэффициент пропорционально-
сти; у3 — коэффициент нелинейности тракта.
Из (10.3), (104) и (10.5) следует:
Ч, — а2аз ai со6 — аьор,
где а = а2а32а^2ТЗ — коэффициент переда-
чи; у = У1У2у3 — коэффициент нелинейно-
сти системы.
Условие (10.2) удовлетворяется, если
Y = Y1Y2Y3 = 1- (10-6)
Рис.10.6
Значения у для различных элементов, вхо-
дящих в тракт телевизионного сигнала,
приведены в табл. 6. Таким образом, для
удовлетворения (10.6) в зависимости от
применяемых приборов тракт должен об-
ладать разной нелинейностью. Так, при
использовании в передатчике суперорти-
кона с у, = 0,8, а в приемнике кинескопа
с у2 = 2,5
Y 1
Y3=bYT=0,8 2,5 =0-5-
Если необходимо подчеркнуть контраст
преимущественно светлых мест, то у3 сле-
дует увеличить, если же требуется под-
черкнуть контраст темных мест, например
при «вялых» изображениях, то у3 нужно
уменьшить. Из этого следует, что в теле-
визионном тракте необходимо корректиро-
вать нелинейную характеристику. Эту опе-
рацию выполняет устройство, называемое
гамма-корректором. Наиболее распростра-
ненные схемы гамма-корректоров основаны
на кусочно-линейной аппроксимации. Одна
из таких схем приведена на рис. 10.5.
С увеличением напряжения на резисторе
RK в цепи истока полевого транзистора
поочереди отпираются диоды Д1, Д2, ...,
Д„, шунтируя R„ дополнительно резисто-
рами Rl, R2 ., Rn. При этом отрица-
тельная обратная связь уменьшается и
усиление каскада возрастает. С помощью
потенциометров rl, г2, ..., г„ подбирают
Специфические элементы телевизионного тракта
167
напряжения отпирания диодов и тем самым
устанавливают степень нелинейной коррек-
ции. т. е. величину у3. Чем больше диодов
включено в цепь истока, тем точнее полу-
чается аппроксимация.
10.4 . IIKPI 1\ЧА СРЕДНЕЙ
СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВИДЕСМ 11Г11 V I \
Униполярность видеосигнала обусловлива-
ет необходимость передачи его средней
составляющей, изменяющейся при смене
сюжета с частотой до нескольких герц.
Как уже отмечалось, передача столь низ-
ких частот в телевидении осуществляется
косвенным методом посредством амплитуд-
ной модуляции строчных гасящих импуль-
сов. Это позволяет в любом месте теле-
визионного тракта восстановить среднюю
составляющую сигнала путем фиксации
уровня черного, соответствующего верши-
нам гасящих импульсов.
Побочный положительный эффект такого
способа передачи средней составляющей
видеосигнала заключается в эффективном
подавлении низкочастотных аддитивных
помех, вызванных наводками от сети, виб-
рациями электродов ламп и т. д. Суще-
ствует несколько вариантов фиксирующих
схем, которые можно объединить в две
группы — управляемые и неуправляемые.
На рис. 10.6 приведена простейшая не-
управляемая фиксирующая схема для ви-
деосигнала отрицательной полярности (им-
пульсы синхронизации при этом имеют
положительную полярность). Схема пред-
ставляет собой дифференцирующую це-
почку с переменным параметром. При по-
ступлении на вход схемы напряжения ывх
в виде серии синхронизирующих импуль-
сов (рис. 10.7, а) (в полном телевизионном
сигнале фиксируют вершины синхронизи-
рующих импульсов, а не гасящих, что не
имеет принципиального значения) заряд
конденсатора С происходит через откры-
тый диод, сопротивление которого R, мало.
Постоянная времени дифференцирующей
цепочки при заряде R ,С = (R, + R() С мала,
поэтому в момент прохождения импульса
на выходе схемы возникает характерный
остроконечный выброс (рис. 10.7,6). По
окончании синхроимпульса конденсатор
разряжается через сопротивление Rp = R +
+ Rj. Постоянная времени разряда RPC >
> R3C, поэтому разряд происходит мед-
ленно, так что к приходу следующего
синхроимпульса конденсатор С не успевает
существенно разрядиться. Пришедший им-
пульс его подзаряжает и таким образом
на выходе схемы всегда поддерживается
такое смещение, при котором вершины
синхроимпульсов находятся на одном уров-
не. Чем меньше постоянная времени заря-
да, тем короче выброс в начале синхро-
импульса, следовательно, целесообразно
постоянную времени заряда выбирать по-
меньше. Чем больше постоянная времени
разряда RpC, тем стабильнее смещение
на интервале строки. Однако при очень
большой постоянной времени разряда не
будет обеспечено слежение за изменением
уровня сигнала. При резком уменьшении
уровня сигнала верхушки части импульсов
окажутся незафиксированными (рис. 10.7, б).
При малой постоянной времени разряда
RpC фиксация будет происходить быстрее,
но появится большая неравномерность
яркости вдоль строки (рис. 10.7, в). В соот-
ветствии с особенностями зрения считается
допустимой неравномерность яркости вдоль
строки около 5%. С учетом этого и выби-
рают постоянную времени разряда так,
чтобы
ГТ _ тс~хс _ Л
RC %е RC = 0,95.
Отсюда
fiC=^05^<-
Недостаток неуправляемой фиксирующей
схемы — в невозможности удовлетворить
требованию малого перекоса импульсов
при быстрой фиксации уровня.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
168
Рис.10.8
УВС
УПЧИ
ПТ К
Рис.10.9
Управляемые фиксирующие схемы ли-
шены этого недостатка благодаря тому,
что управление проводимостью диодов осу-
ществляется не телевизионным сигналом
„ а специальными управляющими
импульсами ыупр, формируемыми из синх-
ронизирующих или гасящих сигналов.
Наибольшее распространение получила ди-
одно-резисторная мостовая схема (рис. 10.8).
Мост используется для быстрого заряда
или разряда конденсатора С при прохож-
дении синхронизирующих импульсов. В от-
сутствии видеосигнала мост тщательно
балансируется, так что потенциал точки б
равен потенциалу точки а (последний опре-
деляет начальный потенциал смещения и
может устанавливаться потенциометром
R5). При прохождении управляющих им-
пульсов, снимаемых с трансформатора Тр
и совпадающих по времени с синхросиг-
налом, конденсаторы С1 и С2 заряжаются
через диоды, а затем в периоды между
импульсами медленно разряжаются через
резисторы R3, R4. поддерживая диоды в
запертом состоянии (Cl = С2 > С). В мо-
мент прохождения синхронизирующего им-
пульса через конденсатор С потенциал
точки б может либо увеличиться, либо
уменьшиться, либо остаться на прежнем
уровне. Если уровень синхроимпульса уве-
личился по сравнению с предыдущим, то
потенциал точки б возрастет и конденса-
тор С начнет заряжаться через диод Д2
до тех пор, пока потенциал точки б не
уравняется с потенциалом точки а. Если же
уровень синхроимпульса упадет, потенциал
точки б уменьшится и конденсатор С
начнет разряжаться через диод Д1 до тех
пор. пока потенциал точки б вновь не
уравняется с потенциалом точки а.
Таким образом, обеспечивается быстрая
безынерционная фиксация синхроимпульсов
при большой постоянной времени разряда
емкости С в интервале между импульсами.
Управляемая фиксирующая схема широко
распространена в передающей телевизион-
ной аппаратуре. В приемных устройствах
Специфические элементы телевизионного тракта
169
используют обычно неуправляемые схемы
или вообще обходятся без них за счет
применения усилителей видеосигнала пос-
тоянного тока.
10.5 . ОСОЬЕННОСТИ
\BIOM\lll4tX кой I’M X.1IIPOBKI1
МП1Н111Я В ГЕЛЕВИЗИОННОМ
ТРАК II
В телевидении, как и в системах радио-
связи, широко применяются схемы автома-
тической регулировки усиления (АРУ). Од-
нако униполярность телевизионного сиг-
нала не дает возможности использовать
обычные схемы АРУ, поскольку в них
управляющее напряжение вырабатывается
пропорционально средней составляющей
продетектированного сигнала. В телевиде-
нии истинный уровень сигнала определя-
ется только размахом синхронизирующих
импульсов. В связи с этим в телевидении
получили широкое распространение ключе-
вые схемы АРУ (рис. 10.9). Управляющее
напряжение вырабатывается на нагрузке
стробируемого (ключевого) усилителя СУ.
который отпирается стробирующими им-
пульсами ис6 со строчного трансформатора,
возникающими во время обратного хода
развертки. Эти импульсы отпирают стро-
бируемый усилитель во время прохождения
строчных синхроимпульсов, при этом на
нагрузке этого усилителя возникает про-
порциональное уровню синхросигнала им-
пульсное напряжение, которое после про-
хождения фильтра Ф используется в ка-
честве управляющего напряжения АРУ.
На рис. 10.10 приведена схема ключевого АР5
телевизора «Электроника ВЛ-100». Транзистор ТЪ ра-
ботает в режиме стробируемого усилителя. Напряже-
ние с эмиттерной нагрузки, пропорциональное уровню
видеосигнала, после фильтрации цепочкой ЯС-звеньев
поступает на базу усилителя постоянного тока 77,
с коллекторной нагрузки которого сиимается управ-
ляющее напряжение АРУ. Это напряжение, поступая
в ПТК и УПЧИ. смешает рабочие точки на харак-
теристиках коллекторного тока усилительных транзис-
торов в область насыщения, где ее крутизиа меньше.
При этом падает усиление приемника. Приведенная
схема в приемнике ВЛ-100 поддерживает уровень
сигнала па катоде кинескопа в пределах 3 дБ при
изменении входного сигнала на 30 ^Б.
10.Ц . ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ
ПАРАМЕТРОВ
1111 ВНИЮННЫХ 1 РАМОВ
Современные телевизионные системы — это
сложные радиотехнические комплексы с
разветвленными линиями связи большой
протяженности. Надежная работа таких
комплексов может быть обеспечена только
при систематическом контроле качествен-
ных показателей трактов и профилактике.
В настоящее время применяют два способа
контроля качественных показателей тракта:
с помощью специальных испытательных
сигналов, замешиваемых в видеосигнал
телевизионной программы, и с помощью
таблиц и сигналов, передаваемых в паузах
между передачами.
Испытательные сигналы для непрерыв-
ного контроля тракта в ходе передачи
замешиваются в видеосигнал на интервале
кадрового гасящего импульса. Строки 16-я
и 329-я отведены импульсам опознавания
источников телевизионных программ или
пунктов введения международных конт-
рольных сигналов. Последние вводятся
в 17-ю и ЗЗО-ю, а также в 18-ю и 331-ю
строки видеосигнала. Строки 19 —21-я и
332 —334-я отведены для национальных
(внутри страны) контрольных сигналов.
Сигналы опознавания состоят из четырех
импульсов, длительность которых может
устанавливаться от 1 до 10 мкс дискретно
через 1 мкс. С помощью этих сигналов
можно закодировать до 10000 пунктов.
В качестве испытательных сигналов ис-
пользуют:
а) широкий опорный сигнал 2 (рис. 10.11),
соответствующий уровню белого, совмест-
но с узким синусквадратным импульсом 1.
По изменению уровня синусквадратного
импульса относительно опорного судят о
степени завала частотной характеристики
тракта в области высоких частот;
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
170
б) пятиступенчатый сигнал, на который
может быть наложено синусоидальное
напряжение u,in (рис. 10.12. а), обеспечиваю-
щий возможность оценки нелинейных ис-
кажений в тракте; на рис. 10.12,6,6 при-
ведены формы сигналов на выходе тракта
соответственно при отсутствии и наличии
нелинейных искажений, коэффициент нели-
нейных искажений определяется так:
». _ ^min
в) сигнал из шести пакетов синусоидаль-
ных колебаний (рис. 10.13, а) с частотами
0,5; 1,5; 2,8; 4,43; 5 и 5,8 МГц, обеспечи-
вающий контроль амплитудно-частотной
характеристики тракта в шести дискретных
точках (на рис. 10.13,6 приведен выходной
сигнал, из которого видно, что в тракте
происходит завал частотной характеристики
в области высоких частот, начиная при-
мерно с 4 МГц).
Для настройки и испытаний передающей
стороны тракта цветного телевидения наи-
более часто применяется просветная вось-
миполосная испытательная таблица, кото-
рая состоит из вертикальных цветных
полос (рис. 10.14, а). Спектральные харак-
теристики пропускания полос такой табли-
цы должны быть достаточно узкими, а
коэффициенты пропускания полос — иметь
определенные величины. В этом случае при
правильной настройке передающей камеры
ее выходные сигналы будут иметь форму,
приведенную на рис. 10.14, б, в, г. Аналогич-
ные электрические сигналы, формируемые
с помощью специального генератора цвет-
ных полос (ГЦП), используются для про-
верки качества цветопередачи в приемнике
цветного телевидения.
В ГЦП вырабатываются в виде прямо-
угольных импульсов три видеосигнала, со-
ответствующие первичным сигналам: Ек,
Ес, Ев, которые в сочетании с сигналом
яркости Еу (рис. 10.14,6) образуют цвето-
разностные сигналы (рис. 10.14, е. ж, з).
При выбранном порядке чередования
Специфические элементы 1е.1евнзионного тракэа
171
цветных полос сигнал яркости EY имеет
ступенчатую форму, наибольший уровень
которой соответствует передаче белой по-
лосы, а наименьший — черной.
На рис. 10.15 приведен полный телеви-
зионный сигнал (яркостный + цветоразно-
стный) в системе СЕКАМ при передаче
изображения цветных полос.
Для контроля наиболее важных парамет-
ров сигналов монохромного и цветного
телевидения используются также сложные
испытательные таблицы. Одна из таких
универсальных электрических испытатель-
ных таблиц (УЭИТ) представлена на цвет-
ной фотографии (стр 2), снятой с экрана
телевизора.
Сетчатое поле таблицы образовало 19 го-
ризонтальными и 25 вертикальными бе-
лыми линиями. Оно служит для контроля
формата изображения, линейности развер-
ток, сведения лучей цветного кинескопа.
В центре таблицы расположен большой
круг диаметром 480 строк, а по углам —
малые круги диаметром 120 строк, по ко-
торым производится быстрая оценка гео-
метрических искажений в центре и на краях
растра. По обе стороны от центра боль-
шого круга проходят десятая и одиннадца-
тая горизонтальные полосы сетчатого поля
(отсчет сверху вниз), на которых в преде-
лах круга размещаются бело-серо-черные
и черно-серо-белые элементы, предназна-
ченные для оценки искажений типа тяну-
щихся продолжений (рис. 10.16). Там же
расположены элементы с наклонной лини-
ей, по которым оценивается качество че-
ресстрочной развертки. Одиночные верти-
кальные штрихи на этих элементах служат
для оценки фазо-частотных искажений и
наличия отраженных сигналов. Белые линии
на сером участке, совпадающие с линиями
сетки и пересекающиеся в центре боль-
шого круга, предназначены для оценки
совмещения лучей цветного кинескопа. Для
этих же целей используются элементы сет-
чатого поля, расположенные в верхней и
нижней частях большого круга, а также
Рис.10.16
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
172
в центральных частях малых кругов. В де-
вятой полосе в пределах центрального
круга расположены элементы, состоящие
из желто-синих, пурпурно-зеленых и красно-
голубых штрихов, создаваемых импульса-
ми частотой 0,5 и 1 МГц. Они служат
для проверки цветовой четкости, а также
для проверки совпадения во времени яр-
костного и цветоразностных сигналов.
В двенадцатой полосе расположено изоб-
ражение «радуги». Сигнал «радуги» с по-
мощью осциллографа позволяет исследо-
вать дрейф нуля характеристик дискрими-
наторов, а также и линейность характе-
ристик дискриминаторов и частотных мо-
дуляторов. Полосу 13 занимает элемент
групповой четкости в виде семи участков
изображения из черных и белых штрихов,
создаваемых пакетами сигналов синусои-
дальных напряжений, которые формиру-
ются последовательностью частот 3, 4, 5,
5,5 МГц, причем в середине полосы раз-
мещается группа с наивысшей частотой.
Эти участки штрихов используются для
проверки яркостной горизонтальной четко-
сти и соответствуют примерно 330, 440,
550 и 600 линиям, укладывающимся на
интервале активной части строки. Для
оценки горизонтальной четкости на краях
растра в малых кругах размещены по две
полосы штрихов, образованных частотами
3 и 4 МГц. В полосе 8 размещена серая
шкала, служащая для контроля установки
уровня черного, контрастности изображе-
ния, динамического баланса белого, а также
положения нуля характеристик дискримина-
торов при выключенных каналах цветности.
Белая полоса является опорным уровнем
максимальной яркости Г6, принятой за
единицу, а черная — является уровнем мини-
мальной яркости.
Цветные прямоугольники различной яр-
кости и насыщенности, занимающие пятую
и шестую полосы, предназначены для
оценки цветопередачи на различных уров-
нях яркости, для контроля основных цветов
кинескопа, а также для проверки коррек-
ции предыскажений. Цветные прямоуголь-
ники, занимающие полосы 14 и 15, обла-
дают полной насыщенностью и служат для
оценки правильности работы матричных
цепей в приемнике. Для этой же цели,
а также для обнаружения черно-белых
тянущихся продолжений служит элемент
изображения, состоящий из черно-белых
участков, занимающих полосу 16.
В шести центральных клетках полосы 5
размещается код опознавания передаю-
щей станции в виде сочетаний типа 1А,
2А, ЗБ.
Периферийные участки таблицы, находя-
щиеся за пределами большого и малых
кругов, обладают относительной яркостью
0.166L6 и служат для контроля постоян-
ства яркости и равномерности цвета в го-
ризонтальном и вертикальном направлени-
ях. Яркость периферийных участков внутри
малых кругов, а также в верхней и ниж-
ней частях большого круга составляет
0,531L6.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
173
Важнейшей задачей в области развития
телевидения является разработка общей
теории, которая должна включать оценку
статистических свойств изображения, созда-
ние математических моделей, разработку
алгоритмов обработки изображений на ос-
нове этих моделей с целью сокращения
избыточности, повышения качества изобра-
жения, лучшего использования канала свя-
зи, т. е. необходимо найти ответы на ряд
вопросов, в том числе:
Как описать или охарактеризовать изоб-
ражение?
Можно ли его обработать для уменьше-
ния избыточности?
Какие математические операции нужно
применять при обработке изображений?
Как реализовать аппаратурное выполне-
ние этих математических операций?
Каким образом оценивать качество изоб-
ражения, как учесть субъективные осо-
бенности наблюдателя?
Как оценить эффективность системы?
В настоящее время ведутся большие ра-
боты по созданию методов обработки
изображений с целью восстановления (рес-
таврации) исходного с учетом тех этапов
формирования изображения предмета, кото-
рые вызвали его искажения, например
аббераций, турбулентности атмосферы, дви-
жения объекта при съемке и т. д. Эти
работы имеют важное значение при обра-
ботке данных аэрофотосъемки, биологиче-
ских наблюдений, геологических структур,
рентгеновских изображений. Решение ука-
занных проблем возможно на основе циф-
ровой обработки телевизионных изображе-
ний с максимальным использованием ЭВМ.
Аппаратурная разработка методов обра-
ботки изображений находится в начальной
стадии из-за сложности реализации, однако
современное развитие и широкая доступ-
ность недорогих интегральных схем и запо-
минающих устройств быстро меняют си-
туацию.
Не менее важным направлением в раз-
витии телевидения является реализация
голографических методов формирования
изображений, поиски путей сокращения из-
быточности в голограммах для упрощения
канала голографического телевидения, ис-
пользование голографических методов для
кодирования изображений, пространствен-
ной фильтрации для обработки и восста-
новления, для опознавания образов и т. д.
Научные направления, изучающие коди-
рование телевизионных изображений и сиг-
налов, постепенно превращаются в отрасль
техники, которая может дать большой
экономический эффект.
В области развития телевизионного ве-
щания стоят не менее важные задачи.
Прежде всего, охват телевизионным веща-
нием всей территории страны как за счет
расширения существующих способов транс-
ляции телевизионных изображений, так и
за счет непосредственной трансляции изоб-
ражений со спутника на бытовые телеви-
зоры.
В недалеком будущем можно ожидать
внедрения стереоцветного телевидения.
В перспективе — исследование путей без-
вредного воздействия на организм чело-
века электрических сигналов, вызывающих
искусственное возбуждение таких чувств,
как обоняние, вкус, осязание. Поиски средств
передачи этой дополнительной информации
за счет дальнейшего уплотнения канала
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
174
связи и способов подачи ее зрителю яв-
ляются важными этапами на пути вклю-
чения в систему информации всех органов
чувств человека.
В связи с широким разветвлением теле-
визионной сети возникает необходимость
совершенствования организации и управле-
ния современным телевизионным веща-
тельным комплексом с позиций теории
«больших систем», автоматизации распре-
деления и трансляции телевизионных прог-
рамм в сети, создания автоматических,
связанных между собой телевизионных ин-
формационных систем, обеспечивающих ав-
томатизацию контрольно-измерительных
процессов, логическую и математическую
обработку, документирование, хранение и
выдачу результатов измерений.
Дальнейшее развитие телевизионной сети
предполагает создание двусторонней связи
с внедрением на ее базе комплексной
широкополосной системы связи многоцеле-
вого назначения, обеспечивающей абонента
всеми видами связи: телевизионными и
радиопрограммами, телефонной связью,
телетайпом, видеотелефоном (городским и
междугородным), видеозаписями по заказу,
фототелеграфом, телеметрией, оперативной
связью с библиотеками, патентной службой,
индивидуальным или групповым обучением
по телевидению и т. д. Для этой цели
необходима система кабельного телевиде-
ния с широким использованием световрдов,
способных обеспечить передачу информа-
ции на 3 — 4 порядка выше, чем современ-
ные телефонные кабельные линии в тех же
габаритах.
В области бытовой телевизионной аппа-
ратуры важнейшей задачей остается замена
вакуумного кинескопа безвакуумным экра-
ном на основе твердого тела, жидких
кристаллов и т. д., разработка эффективных
методов и средств бытовой видеозаписи,
в первую очередь видеомагнитофонов и
миниатюрных передающих камер для за-
писи и воспроизведения монохромных и
цветных изображений, а также видеопро-
игрывателей, видеокассет, видеопластинок.
Решение этих задач совместно с широким
применением интегральных схем обеспечит
микроминиатюризацию, повышение надеж-
ности и экономичности бытовой аппарату-
ры. Последнее обстоятельство играет важ-
ную роль, если учесть, что уже сейчас
установочная мощность парка телевизион-
ных приемников в нашей стране превы-
шает 10 млн. кВт и каждые два года
возрастает примерно на 1 млн. кВт
В развитии преобразующих устройств
(датчиков сигнала) первостепенное значение
имеет создание эффективных преобразова-
телей свет — сигнал на основе твердого
тела как для монохромного, так и в осо-
бенности для систем цветного телевидения,
разработка эффективных преобразователей
с высокой разрешающей способностью и
контрастом изображения в световом участке
диапазона и за его пределами, создание
преобразователей со сверхвысокой разре-
шающей способностью для голографиче-
ского телевидения.
В развитии воспроизводящих устройств
наряду с твердотельными экранами будут,
по-видимому, внедряться лазерные проек-
ционные системы, способные обеспечить
изображение высокого качества на боль-
шом экране. Особенно перспективно приме-
нение лазерных систем для цветного теле-
видения, поскольку только лазерный луч
в состоянии обеспечить 100°'-ную чистоту
цвета.
На пути создания лазерных проекцион-
ных систем необходимо преодолеть ряд
трудностей, в частности найти способы
эффективного отклонения светового луча
при воздействии на отклоняющие устрой-
ства электрических или магнитных полей.
Это лишь часть основных задач, стоя-
щих перед специалистами в области теле-
видения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
175
1. Самойлов В- Ф-, Хромой Б. П. Телевидение.
М., Связь, 1975.
2. Телевидение. (Общий курс)/Под ред. П . В . Шма-
кова. М., Связь, 1976.
3. В а р б а н с к и й А. М. Телевидение. М., Связь, 1973.
4. Ангафоров А. П. Оконечные устройства при-
емников цветного телевидения. М., Связь, 1971.
5. Баски р И. Н., Кузьмина В. И. Кадровые
развертки телевизионных приемников. М., Связь,
1971.
6. Бриллиантов Д. П. Расчет и конструирование
портативных транзисторных телевизоров. М., Связь,
1971.
7. Вудворд Ф. М. Теория вероятностей и теория
информации с применениями в радиолокации. М.,
Сов. радио, 1955.
8. Гершберг А. Е. Передающие телевизионные
трубки. М. —Л., Энергия. 1964.
9. Г у р е в и ч С. Б. Голография в телевидении. — В сб.:
Современные системы записи и воспроизведения
изображений- М., Искусство, 1972.
10. Гуревич С. Б. Эффективность и чувствитель-
ность телевизионных систем. М. —Л.. Энергия, 1964.
11. Джакония В. Е. Запись телевизионных изобра-
жений. Л., Энергия, 1972.
12. Дризе Е. М. Строчная развертка на полупровод-
никовых приборах. М„ Энергия, 1968.
13. Ельяшкевич С. А. Автоматическое управление
в телевизорах. М., Энергия, 1975.
14. Зусманович В. М. Свет и цвет в телевидении.
М., Энергия. 1964.
15. Иваницкий Г. Р., Л и т и н с к а я Л. Л., Ших-
матова В. Л. Автоматический анализ микрообъек-
тов. М. —Л., Энергия, 1967.
16. К а ла ш н и ко в Н. И. Система связи через ис-
кусственные спутники земли. М., Связь, 1969.
17. Копылов П. М., Тачков А. Н. Телевидение
и голография. М., Связь, 1976.
18 Костыков Ю. В. Основы проектирования сис-
тем и аппаратов прикладного телевидения. М.—Л.,
Энергия, 1964.
19. Кравков С. В. Глаз и его работа. М., Изд-во
АН СССР, 1950.
20. Кравков С. В. Цветовое зрение. М., Изд-во
АН СССР, 1951.
21. Кривошеев М. И. Основы телевизионных из-
мерений. М., Связь, 1976.
22. К уста рев А. К. Колориметрия цветного теле-
видения. М.. Связь, 1976.
23. Лебедев Д. С.. Цу к керман И. И. Телевиде-
ние и теория информации. М.— Л., Энергия, 1965.
24. Левит А. Б. Введение в общую теорию теле-
видения. М., Сов. радио, 1967.
25. Либенсон М. Н., X е с и н А. Я., Янсон Б. А.
Автоматизация распознавания телевизионных изобра-
жений. М., Энергия, 1975.
26. Михалков К. В. Основы телевизионной авто-
матики. Л.. Энергия, 1967.
27. Но ваковский С. В. Цветное телевидение.
(Основы теории цветовоспроизведения). М., Связь.
1975.
28. Новаковский С. В. Стандартные системы цвет-
ного телевидения. М., Связь, 1976.
29. Обработка изображений при помощи цифровых
вычислительных машин Под ред. Г. Эндрюса и
Л. И нло. Пер. с англ. М., Мир, 1973.
30. Омельяненко Ю. И. Цветное телевидение по
системе СЕКАМ. Киев, Техника, 1969.
31. Поляков В. Г., Переверзев-Орлов В. С.
Электронные системы следящей развертки. М., Энер-
гия, 1968.
32. Почепа А. И., Фомин Н. Ф. Эксплуата-
ция и ремонт цветных телевизоров. Одесса, Маяк, 1974.
33. Рыфтин Я. А. Телевизионная система. М., Сов.
радио, 1967.
34. С а м о й л о в В. Ф. Генераторы телевизионной раз-
вертки. М., Связь, 1966.
35. Самойлов В. Ф. Транзисторные генераторы
телевизионной развертки. М., Связь, 1969.
36. Техника цветного телевидения/Под ред. С. В. Но-
ваковского. М., Связь, 1976.
37. Хохлов Б. Н. Декодирующее устройство цветных
телевизионных приемников. М., Связь, 1973.
38. Хромой Б. П. др. Расчет и проектирование
телевизионной аппаратуры. М., Связь, 1967.
39. Чечик А. М., Шлем ин А. И. Качество изоб-
ражения на экране цветного телевизора. М.. Связь,
1975.
40. Ш м а к о в П. В., К о л и н К. Т., Д ж а к о н и я В. Е.
Стереотелевидение. М., Связь, 1968.
Рэм
Матвеевич
Домбругов
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Редактор Л. Н. Чмиль
Обложка художника Г. М. Балюиа
Макет и художественное редактирование
С. П. Духленко
Технический редактор Л. И. Швец
Корректор Т. Г. Щеголь
Отпечатано с пленок Ленинградского производственно-техни-
ческого объединения «Печатный Двор» имени А. М. Горького
Союзполиграфпрома Ленинград, П-136, Гатчинская ул., 26 на
Головном предприятии республиканского производственного
объединения «Полиграфкнига» Госкомиздата УССР. г. Киев,
ул. Довженко, 3.
Информ, бланк № 2862
Сдано в набор 4.08.78. Подп. в печать 27.06.79. БФ 08673
Формат 70x90* 16. Бумага офсетная импортная № 1. Гарн.
Таймс. Офс. печать. 12,87 усл. печ. л. 14,36 уч.-нзд. л. Тираж 26 000
Изд. № 3303. Зак. 428. Пена 1 р. 20 к.
Головное издательство издательского объединения «Внща школа»,
252054. Киев-54, ул. Гоголевская, 7