И ВО время КСИ. ССИ во время передачи КСИ помещаются внутри него в виде врезок, из которых в телевизорах формируются обычные ССИ. Перед КСИ размещена первая (1 = 2,5rj, а после него вторая (л=2,5Г последовательности уравнивающих импульсов. Необходимость уравнивающих импульсов, а также врезок в КСИ, следующих с двойной строчной частотой 2f = 31 250 Гц, вызвана особенностью построения схем синхронизации блоков развертки в ТВ приемниках.

7.4. Спектральный состав телевизионного сигнала

Характерной особенностью ТВ сигнала является широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом. Спектр частот видеосигнала hf определяется разностью между верхней и нижней f граничными частотами:

Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует передаче неподвижного изображения, имеющего минимальное число изменений яркости. Наиболее простым является неподвижное изображение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра f следует принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е. f - 50 Гц. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения.

Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее сложного с точки зрения детальности ТВ изображения следует, что верхняя частота спектра определяется выражением

4=0,5V=f

где кф - формат кадра ТВ изображения, т.е. отношение ширины b к его высоте h, равное 1,33. Расчет, выполненный по вышеуказанному соотношению, показывает, что 6,25 МГц. Верхняя частота определяет степень воспроизведения контуров мелких деталей ТВ изображения. Это объясняется тем, что в горизонтальном направлении ТВ изображение не имеет дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента изображения определяется длительностью его передачи , которая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра ТВ сигнала f, т.е. f=y2z . С увеличением верхней частоты спектра длительность элемента уменьшается, а го-

ризонтальная четкость увеличивается. Следовательно, четкость изображения по горизонтали определяется полосой пропускания ТВ системы, которая практически соответствует верхней граничной частоте спектра , так как f .

Экспериментальные исследования, проведенные в последнее время, показали, что телезрители предпочитают формат ТВ кадра с отношением сторон 16:9. Широкоформатное ТВ изображение существенно более комфортно при его рассматривании, чем традиционные форматы 4:3. Главная причина этого заключается в особенностях зрительного восприятия человека. В этом случае увеличивается угол зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема воспринимаемой информации. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают различимость отображаемых объектов, а также усиливают впечатление объемности и относительного пространственного расположения рассматриваемых объектов. Поэтому в ТВ системах будущего предлагается формат кадра, равный 1,78. В свою очередь это приведет к некоторому увеличению верхней граничной частоты спектра ТВ сигнала (примерно в 1,33 раза).

Кроме основного спектра ТВ сигнала, распространяющегося от 50 Гц до примерно 6 МГц, имеется еще небольшой участок в границах от О до 2...3 Гц. Этот участок спектра соответствует так называемой постоянной составляющей ТВ сигнала, которая пропорциональна изменениям средней яркости ТВ изображения. Например, при длительной передаче изображения испытательной таблицы средняя яркость не меняется, поэтому частота сигнала постоянной составляющей равна нулю. Однако во многих случаях, особенно при передаче кинофильмов по телевидению, средняя яркость ТВ изображения меняется практически с частотой 2...3 Гц. Непосредственная передача сигнала постоянной составляющей в ТВ системе не представляется возможной, так как многокаскадные видеоусилители не пропускают электрические сигналы с частотами, близкими к нулю. Поэтому в ТВ аппаратуре передача постоянной составляющей осуществляется косвенным путем, с помощью амплитудной модуляции (AM) СГИ ее спектр оказывается перенесенным в область основного спектра ТВ сигнала. Затем сигнал постоянной составляющей усиливается и передается совместно с основным ТВ сигналом.

ТВ сигнал при передаче неподвижного изображения является периодическим. Его спектр имеет линейчатый дискретный характер и состоит из частоты полей f и ее гармоник, частоты строк и ее гармоник, а также боковых компонент, расположенных по обе стороны от каждой из гармоник частоты строк (рис. 7.9). Текущее значение частоты спектральных составляющих ТВ сигнала (AJ можно представить в виде выражения

Л 2/, 3/, t

Рис. 7.9. Структура линейчатого спектра ТВ сигнала

f,=kj±mj ,

где /с и т принимают целые значения О, 1, 2, 3.....Составляющие

kJz (гармоники строчной частоты) образуют первичный спектр ТВ сигнала или основные частоты. Амплитуды основных спектральных составляющих с ростом частоты убывают по экспоненциальному закону. Около каждой из основных частот спектра группируются боковые составляющие, обусловленные кадровой разверткой и движением деталей изображения. Они образуют вторичный спектр с частотами m f , кратными частоте кадровой развертки.

Амплитуды составляющих вторичного спектра также убывают по экспоненциальному закону. Соотношение между амплитудами составляющих первичного и вторичного спектров зависит от вида изображения и расположения его относительно растра. Практически отношение максимума энергии к минимуму в спектре видеосигнала в зависимости от содержания изображения составляет величину от 2 до 35 дБ.

Если в изображении имеются преимущественно вертикальные линии или полосы, перпендикулярные горизонтальной оси, практически вся энергия будет сосредоточена в составляющих первичного спектра с частотами kj. В целом основная энергия видеосигнала сосредоточена около гармоник и образует дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.

При передаче подвижных изображений дискретная структура каждого из участков спектра, расположенного по обе стороны от гармоник строчной частоты, нарушается и указанные участки приобретают сплошной непрерывный характер. Однако скорость смены кадров в ТВ системе значительно превосходит скорость движения объектов в ТВ изображениях, поэтому незаполненные промежутки в спектре сохраняются, а структура спектра по-прежнему остается почти периодичной.

Аналоговые сигналы подвергаются в каждом из многочисленных устройств ТВ тракта воздействию шумов и других помех. Поэтому при аналоговых способах усиления и обработки ТВ сигнала уровень воздействующих помех накапливается по мере увеличения протяженности линий связи. Существенно уменьшить искажения при передаче ТВ сигналов на большие расстояния, а также расширить возможности способов обработки ТВ сигналов позволяют цифровые методы передачи и обработки.

В случае преобразования ТВ сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровую форму минимальная полоса частот требуемого цифрового канала Ац определяется выражением

Af=0.5f,q.

где - частота дискретизации ТВ сигнала, выбранная из условия теоремы Найквиста-Котельникова (при 6 МГц, выбирается не менее 13,5 МГц); q - число двоичных символов в одном дискретном отсчете (численное значение q - 8 связано с числом уровней квантования дискретных отсчетов ТВ сигнала, которое должно соответствовать максимальному числу градаций яркости, различимых глазом). Следовательно, для передачи только яркостного сигнала ТВ изображения в цифровой форме потребуется канал с полосой пропускания Af 54 МГц.

Необходимость передачи сигналов цветности увеличивает спектр цифрового ТВ сигнала в 2 раза.

Сравнение частотных спектров аналогового и цифрового ТВ сигналов показывает, что повышение помехоустойчивости цифровой ТВ системы требует многократного расширения полосы пропускания канала связи. Поэтому важнейшей задачей при внедрении цифровых способов передачи является проблема сжатия спектра цифровых ТВ сообщений.

В 1993 г. Международной экспертной группой по подвижным изображениям (Motion Picture Expert Group - MPEG) был окончательно разработан стандарт MPEG-2, обеспечивающий вьюокую степень сжатия как видеоинформации (с 216 Мбит/с до 1,5-15,0 Мбит/с), так и звука.

MPEG-компрессия использует следующие основные идеи:

- устранение временной избыточности ТВ изображений, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю;

- устранение мелких деталей сцены, несущественных для ее визуального восприятия человеком;

- использование более низкого цветного разрешения, так как глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости; ,

- повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания [1].

В итоге в стандартном ТВ канале удается разместить до 10 и более цифровых каналов с низкой скоростью потока видеоданных при сохранении вьюокого качества передачи. В настоящее время стандарт компрессии MPEG-2 начинает широко использоваться в различных системах передачи ТВ сигналов.

7.5. Электронно-оптические преобразователи

Передающие телевизионные трубки. На передающей стороне ТВ системы необходимо преобразовать оптическое изображение передаваемого объекта в ТВ сигнал. Подобное преобразование можно осуществлять как с помощью электронно-лучевых (вакуумных), так и твердотельных преобразователей. Вакуумные преобразователи (передающие трубки) по виду используемого в них фотоэффекта классифицируются на две группы; с внешним и внутренним фотоэффектом. В настоящее время в большинстве ТВ камер применяются передающие трубки с внутренним фотоэффектом видиконной конструкции (видикон, плюмбикон, сатикон, кремникон и др.), отличающиеся только составом фотопроводящей мишени, а также твердотельнью матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Для примера на рис. 7.10 показано устройство типовой передающей трубки с фотопроводящей мишенью, магнитной фокусировкой и магнитным отклонением [2]. Объектив 1 проецирует оптически сфокусированное изображение передаваемого объекта на фотопроводя-щий слой 6, нанесенный на сигнальную пластину 5, которая напылена на планшайбу 7. Сигнальная пластина электрически соединена

I 12 [ZZ13

6 шшхт I -

1 CZl

Рис. 7.10. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ

С кольцевым выводом 8. Электронно-оптическая система передающей трубки состоит из катода 12, модулятора 11, первого анода 10, второго анода 9 и выравнивающей сетки 13. Электронный луч фокусируется катушкой 2, а отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками отклонения 4. Назначение корректирующей катушки 3 сводится в основном к компенсации погрешностей, вносимых магнитной и электронно-оптической системами. Модулятор 11 предназначен для регулировки тока электронного луча, а первый и второй аноды -для его формирования. Магнитное поле катушки 2 фокусирует электронный луч в плоскости мишени. Перед мишенью установлена выравнивающая сетка. Между мишенью и сеткой создается однородное тормозящее поле по всей сканируемой площади фоточувствительного слоя, что позволяет сохранить фокусировку луча и равномерность сигнала по полю изображения.

При работе трубки в режиме медленных электронов на сигнальной пластине устанавливается напряжение в пределах от 10 до 30 В по отношению к катоду. На катоде - нулевой потенциал, а на анод подается напряжение около 300 В. Рассмотрим действие трубки при развертке медленным электронным лучом.

В процессе развертки на внутренней поверхности фотопроводника (обращенной к электронному лучу) создается потенциал, близкий к потенциалу катода. Вследствие этого между противоположными поверхностями фотопроводящего слоя устанавливается разность потенциалов. После ухода луча с рассматриваемой точки потенциал внутренней поверхности мишени растет, так как элементарная емкость каждого из участков фотопроводника разряжается через поперечное сопротивление слоя. При проецировании изображения на мишень проводимость различно освещенных участков фотослоя будет неодинаковой. В фотопроводнике возникает рельеф проводимости , соответствующий рельефу яркости передаваемой сцены. Поэтому в течение времени кадра каждая из элементарных емкостей в зависимости от ее освещенности разряжается по-разному. В результате к концу кадра на стороне мишени, обращенной к лучу, возникает потенциальный рельеф. При развертке электронный луч, доведя поверхность всех участков мишени до одинакового потенциала, теряет на освещенных участках фотослоя большее количество электронов, чем на затемненных. При этом токи дозаряда элементарных емкостей несут в себе информацию о распределении освещенностей на фотомишени. Протекая через нагрузочное сопротивление, они создают напряжение видеосигнала, который содержит информацию о средней яркости изображения.

Первым практически разработанным преобразователем свет-сигнал с внутренним фотоэффектом была малогабаритная передающая