Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Інститут телекомунікаційних систем
Кафедра телекомунікацій

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
З КРЕДИТНОГО МОДУЛЮ
«ТЕХНОЛОГІЇ РАДІО- ТА ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ»
ЧАСТИНА 2 «ТЕХНОЛОГІЇ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО
МОВЛЕННЯ»
для студентів спеціальностей:
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
спеціалізації «Інженерія та програмування інфокомунікацій»

Київ – 2021

«Технології радіо- та телевізійного мовлення». Частина 2 «Технології телевізійного
мовлення» [Текст]: Конспект лекцій для студентів cпеціальності 172 «Телекомунікації та
радіотехніка» спеціалізації «Інженерія та програмування інфокомунікацій» / Уклад.:
Г.Л.Авдєєнко, – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 568 с.

Навчальне видання

«ТЕХНОЛОГІЇ РАДІО- ТА ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ»
ЧАСТИНА 2 «ТЕХНОЛОГІЇ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ»
Конспект лекцій
для студентів спеціальності 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
спеціалізації «Інженерія та програмування інфокомунікацій»

Укладач: Авдєєнко Г.Л.
Відповідальний редактор: .
Рецензенти:

ЗМІСТ
РОЗДІЛ 2. ТЕХНОЛОГІЇ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ…..……………...1
Лекція №16 Основні принципи телебачення…………………………………....1
1. Загальні відомості про телебачення. Характеристики світлового
випромінення……………………………………………...…………………1
1.1 Загальні відомості про телебачення. Розгортка телевізійного
зображення……………………………………………………………..1
1.2 Характеристики світлового випромінення………………………..3
2. Основні властивості зорового аналізатора людини. Параметри
оптичного зображення………………………………………………………..5
2.1 Основні властивості зорового аналізатора людини……………….5
2.2 Характеристики й параметри оптичного зображення…………...12
3. Узагальнена структурна схема телевізійної системи. Основні
параметри телевізійного зображення…………………………………......15
3.1 Узагальнена структурна схема телевізійної системи…………….15
3.2 Основні параметри телевізійного зображення……………………17
4. Форма та спектр відеосигналу чорно-білого телебачення……………..25
Контрольні питання……………………………………………………………31
ДОДАТОК Л. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №16………………………………...32
Лекція №17 Спотворення телевізійного зображення аналогового та
цифрового телебачення………………………...…………………………………36
1. Якість телевізійного зображення аналогового телебачення………….36
2. Геометричні спотворення телевізійного зображення аналогового ТБ….36
3. Градаційні спотворення телевізійного зображення аналогового ТБ..39
4. Спотворення чіткості телевізійного зображення аналогового ТБ…..41
5. Кольорові спотворення зображення аналогового ТБ…………………46
6. Вплив завад на якість телевізійного зображення……………………...47
7. Апертурні спотворення телевізійного зображення…………………….50
8. Оцінка
якості
зображення
за
допомогою
телевізійних
випробувальних таблиць………………………………………………….51
9. Спотворення телевізійного зображення в цифровому ТБ……………56
9.1 Загальна характеристика……………………………………………56
9.2 Искажения и дефекты телевизионного изображения после
компрессии-декомпрессии…………………………………………...59
9.3 Особенности проведения субъективных измерений в цифровом
телевидении……………………………………………………………62
9.4 Объективный контроль качества изображения в цифровом
телевидении по сигнальному созвездию…………………………..64

Контрольні питання……………………………………………………….65
ДОДАТОК М. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №17………………………………66
Лекція №18 Перетворення зображень у сигнали.……………………………..69
1. Датчики телевизионных сигналов и их характеристики ……………69
2. Фотоэлектронная эмиссия………………………………………………..70
3. Перенос электронных изображений и фокусировка развертывающего
луча…………………………………………………………………………...73
4. Иконоскоп……………………………….......................................................76
5. Диссектор……………………………………………………………………79
6. Принцип накопления заряда …………….…………………………………………..81
7. Видикон……………………………………………………………………..83
8. Плюмбикон…………………………………………………………………88
9. Суперортикон………………………………………………………………91
10. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи
изображения………………………………………………………………. ………93
ДОДАТОК Н. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №18……………………………...101
Лекція №19 Методи передачі інформації про колір. Перетворювачі
електричних сигналів в оптичні зображення………………………………..104
1. Понятие о цвете…………………………………………………………...104
2. Фотометрия и свойства зрительного апарата человека …………....106
3. Колориметрическое определение цвета………………………………..108
4. Геометрическое представление цвета …………………………...…….110
5. Система RGB……………………………………………………………....112
6. Цветовая система XYZ…………………………………………………...115
7. Равноконтрастная цветовая диаграмма……………………………….118
8. Цветовой расчёт координат цвета и цветности………………………119
9. Способы получения цветного телевизионного изображения……….120
10. Особенности восприятия цвета в телевидении……………………...123
11. Условия правильной цветопередачи в телевидении……………….124
12. Матричная цветокоррекция…………………………………………...127
13. Цветоделительная система передающей камеры…………………...131
14. Телевизионные преобразователи электрических сигналов в
оптическое изображение…………………………………………………135
14.1 Общие сведения и классификация……………………………...135
14.2 Кинескопы черно-белого телевидения………………………….136
14.3 Электронный прожектор………………………………………….137
14.4 Экран кинескопа…………………………………………………...138
14.5 Кинескопы цветного телевидения………………………………142
14.6 Плазмові та рідкокристалічні панелі…………………………..148
14.7 Системы большого телевизионного экрана……………………150
ДОДАТОК О. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №19……………………………..158

Лекція №20. Методи формування повного сигналу кольорового телебачення.
система кольорового телебачення NTSC. система кольорового телебачення
PAL…………………………………………………………………………………161
1. Основные
требования
к
вещательной
системе
цветного
телевидения…………….……………………………………………….…..161
2. Кодирование сигналов цветного изображения…………………………162
3. Структурная схема совместимой системы цветного телевидения..165
4. Система цветного телевидения NTSC…………………………………...167
4.1 Общие принципы системы……………………………………………167
4.2 Выбор частоты поднесущей………………………………………..171
4.3 Цветоразностные сигналы ЕI и ЕQ………………………………..174
4.4 Структурная схема кодирующего устройства……………………...177
4.5 Структурная схема декодирующего устройства…………………...179
4.6 Эксплуатационные характеристики системы……………………...181
5. Cистема цветного телевидения PAL……………………………………..182
5.1 Общие принципы системы……………………………………………182
5.2 Структурная схема кодирующего устройства……………………...185
5.3 Структурная схема декодирующего устройства…………………...190
5.4 Эксплуатационные характеристики системы……………………...192
ДОДАТОК П. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №20……………………………….193
Лекція №21. Cистема кольорового телебачення SECAM….……………....199
1. Система цветного телевидения SECAM……….………………………199
1.1 Общие принципы системы …………………………………………199
1.2 Основные параметры системы ..…………………………………...201
1.3 Структурная схема кодирующего устройства……………………213
1.4 Структурная схема декодирующего устройства ………………...217
1.5 Эксплуатационные характеристики системы……………………221
Контрольні питання ………………………………………………………...223
ДОДАТОК Р . РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №21………………………………225
Лекція №22. Телевізійний центр. Системи телевізійного мовлення………228
1. Обобщенная структурная схема телевизионного центра……….......228
2. Студии………………………………………………………………………230
3. Телевизионные передающие камеры………………………………….233
4. Технические, режиссерские ицентральная аппаратные…………..237
5. Телекинопроекционные аппаратные…………………………………..240

Аппаратные магнитной видеозаписи…………………………………..243
Внестудийные источники программ…………………………………...244
Система синхронизации на телецентрах………………………………245
Стандарты телевизионного вещания…………………………………..247
9.1 Частотні канали телевізійного мовлення………………..………247
9.2 Радіосигнал наземного аналогового телевізійного мовлення...249
9.3 Стандарти телемовлення (узагальнення)………………………..252
9.4 Зони
телевізійного
прийому.
Особливості
планування
передавальної ТВ мережі………………………………………….254
10. Телевізійна радіостанція…………………………………………...…..259
10.1 Вимоги до телевізійних радіопередавачів……………………...259
10.2 Телевізійні ретранслятори……………………….………………265
10.3 Елементи
радіопередавального
тракту
телевізійних
передавачів……………………………………………………………….268
ДОДАТОК С . РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №22………………………………225
Лекція №23. Телевізійні приймачі……………………………………………...283
1. Особенности передачи и приема телевизионных сигналов наземного
вещания………….…………………………………………………………283
2. Особенности структурных схем телевизионных приемников……...286
3. Многостандартный блок цветности телевизоров УСЦТ………..…..297
4. Комбинированные телевизоры для приёма сигналов аналогового и
цифрового телевидения……….………………………………………...314
5. Принципы построения современных телевизоров с цифровым
управлением………………….…………………………………………...316
ДОДАТОК Т. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦИИ №23………………………….....334
Лекція №24. Основи цифрового телебачення………………..………………..337
1. Этапы развития цифрового телевидения……………………...............337
2. Цифровой телевизионный сигнал…………………………………......342
2.1. Преобразование аналогового телевизионного сигнала в
цифровой…….....................................................................................342
2.2. Цифровые телевизионные сигналы согласно Рекомендации
ITU-R ВТ.601.....................................................................................345
ДОДАТОК Т. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №24 ………………………………354
Лекція №25. Cтиснення відеоінформації. стандарт стиснення JPEG...….356
1. Основні види надлишковості в телевізійному зображенні………….356
2. Стиснення нерухомих зображень в стандарті JPEG…………………360
ДОДАТОК У. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №25………………………………371
6.
7.
8.
9.

Лекція №26. Стандарт MPEG…………………………………………………373
1. Введение……………………………………………………………………373
2. Общие положения…………………………………………………………374
3. Уровни и профили………………………………………………………...375
3.1 Профиль 422P@ML.........................................................................379
4. Искажения изображений при сжатии в МРЕG.Достижимые степени
сжатия………………………………………………………………………380
5. Кодирование и декодирование звукового сопровождения в
стандартах МРЕG-1 и МРЕG-2………………………………………….381
5.1 Kодируемые звуковые сигналы. Уровни (Lауеrs)……………...381
5.2 Операции, выполняемые при кодировании…………………….382
5.3 Психоакустическая модель………………………………………..385
5.4 Структура потока данных звуковых сигналов…………………386
5.5 Декодирование звуковой информации….……………………….387
5.6 Достижимое сжатие и качество звука……………………………388
6. Системный уровень МРЕG-2………………………………….………...389
6.1 Соединение цифровых потоков...………………………………….396
6.2 Таблица условного доступа………………...………………………397
6.3 Информация о службах DVB……………………………………….397
6.4 Условный доступ…………….………………………………………398
6.5 Системы SimulСrурt и МultiСrурt…………………….…………..399
7. Цифровой спутниковый приемник………………………………….…400
7.1 Схемотехника цифровых спутниковых приемников…………..401
7.2 Технические
характеристики
цифровых
спутниковых
приемников…………………………………………………………...402
7.3 Организация условного доступа в спутн. цифр. приемниках…405
ДОДАТОК Ф. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №26………………………………408
Лекция №27 Стандарты спутникового цифрового телевизионного вещания
DVB-S и DVB-S2………………………………………………………………….411
1. Основные сведения о стандарте DVB-S……………………………….411
2. Основные характеристики DVB-S2……………………………………416
2.1 Коррекция ошибок и модуляция…………………………………...417
2.2 Системные исполнения DVB-S2……………………………………419
2.3 Обратная совместимость со стандартом DVB-S…………………421
2.4 Иерархическая модуляция………………………………………….422
2.5 Адаптивное кодирование и модуляция…………………………….424
2.6 Выбор параметров трансляций пакетов ТВ-каналов DVB-S2....425
2.7 Выводы…………………………………………………………………427
Лекція №28. Система наземного цифрового телебачення стандарту
DVB-T……………………………………………………………………………...431
1. Введение……………………………………………………………………431
2. Характеристики наземного канала…………………………………….431
3. Требования к цифровому наземному телевидению…………………..433

Выбор передающей и приемной системы…………………………433
Рандомизация…………………………………………………………435
Внешнее перемешивание и кодирование……………………….....436
Внутреннее кодирование…………………………………………….437
Внутреннее перемежение и формирование модуляционных
символов………………………………………………………………438
3.6 Выбор параметров OFDM………………………………………….439
3.7 Защитный интервал и число несущих……………………………440
3.8 Иерархическая передача……………………………………………441
3.9 Опорные сигналы……………………………………………………443
3.10 Указатель параметров передачи (TPS)…………………………...443
3.11 Кадровая структура…………………………………………………444
3.12 Использование системы DVB-T для каналов с различной
шириной полосы…………………………………………………………………444
3.13 Особенности модуляции COFDM…………………………………445
4. Основные принципы организации SFN зон вещания в DVB-T…....446
5. Развитие цифрового ТВ вещания в Украине……………….................447
6. Структурная
схема
цифровой
телевизионной
приставки
стандарта DVB-T………………………………………………………………...447
7. Цифровая
приставка
для
приёма
ТВ
стандартов
DVB-T/DVB-C…………………………………………………………………….451
ДОДАТОК Х. Рисунки до лекції №28……………………………………..458
Лекція №29. Cистема наземного цифрового телебачення стандарту
DVB-T2…………………………………………………………………………….467
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5

Общие сведения о стандарте DVB-T2………………………………...467
Основные особенности DVB-T2……………………………………….475
Сравнение стандартов DVB-T и DVB-T2…………………………….476
Сравнение стандартов DVB-T и DVB-T2…………………………….481
Качество ТВ вещания в стандарте DVB-T2…………………………484
Архитектура системы DVB-T2………………………………………..488
Структура кадра DVB-T2……………………………………………...488
Интерфейс модулятора DVB-T2……………………………………...491
Особенности построения сетей эфирного цифрового телевидения
стандарта DVB-T2………………………………………………………491
10. Расположение передатчиков цифрового эфирного ТВ вещания
стандарта DVB-T2………………………………………………………496
11. Ресиверы (Set-Top-Box) для приёма цифрового эфирного
телевидения стандарта DVB-T2………………………………………521
12. Роль стандарту DVB-T2 в побудові національного ефірного
цифрового ТБ мовлення стандарту в Україні………………………544
Лекція №30 Особливості побудови та функціонування систем цифрового
кабельного телебачення стандарту DVB-C…………………………………..547
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Лекція №31 особливості побудови та функціонування систем цифрового
кабельного телебачення стандарту DVB-C2…………………………………554
1. Введение…………………………………………………………………554
2. Общая характеристика DVB-C2……………………………………...555
3. Концепция PLP…………………………………………………………557
4. Раскладка
на
QAM-символы
и
помехоустойчивое
кодирование……………………………………………………………..558
5. Применение OFDM в DVB-C2………………………………………..559
6. Рабочие характеристики DVB-C2……………………………………563
7. Повышение эффективности использование спектра……………...563
8. Уменьшение уровня помех от кабельных сетей……………………566
9. Выводы…………………………………………………………………..567

РОЗДІЛ 2. ТЕХНОЛОГІЇ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ
ЛЕКЦІЯ №16 ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ ТЕЛЕБАЧЕННЯ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии звукового
радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2004. – 606 с.

РОЗДАТНИЙ МАТЕРІАЛ: див. ДОДАТОК Л
1. Загальні відомості про телебачення. Характеристики
світлового випромінення
1.1 Загальні відомості про телебачення. Розгортка
телевізійного зображення
До телебачення відноситься галузь радіоелектроніки, яка займається
передачею та прийомом рухомих і нерухомих об’єктів, розміщених у просторі,
електричними засобами (комплекс яких можна назвати телевізійною системою)
в реальному (чи зміненому) масштабі часу по каналам зв’язку.
Головною задачею телебачення є пошук способів такого перетворення
зображення об’єктів (в місці передачі), щоб зображення можна було передавати
методами електрозв’язку при умові, що прийняте зображення повинно бути
схоже на об’єкт передачі (з допустим ступенем спотворень).
Якщо прийняті звукові сигнали мовлення діють на органи слуху, то
прийняті на деякій відстані від джерела програми телевізійного мовлення
зображення приймаються зоровою системою людини.
Зображення будь-якого сюжету або об’єкту можна представити
сукупністю окремих точок, положення яких характеризується координатами X,
Y, Z в просторі, а також яскравістю і кольором. Передати параметри цих точок
принципово можливо. Однак технічні можливості поки що не дозволяють
реалізувати об’ємне зображення. Тому обмежуються передачею координат
площини (X, Y) і сигналу яскравості в чорно-білому зображенні, а в
кольоровому ТБ додаються ще й сигнали кольору.
Особливістю електричного сигналу є можливість передавати в кожен
момент часу лише одне значення сигналу, тобто сигнал повинен бути функцією
лише однієї незалежної змінної – часу. Початкове ж зображення є функцією
трьох змінних – яскравості, кольору, напрямку світлового потоку, а також часу
(при передачі рухомого і навіть нерухомого зображення).
Для вирішення задачі перетворення трьохвимірного зображення в
одновимірний сигнал в телебаченні проводиться подвійна дискретизація –
просторова і часова.
1

Просторова дискретизація полягає в тому, що об’ємне просторове
зображення об’єкта перетворюється в плоске (тут поки що не розглядається
стереотелебачення). Потім плоске зображення розбивається на кінцеву
кількість дискретних елементів. Теоретично кількість елементів може бути як
завгодно великою (для покращення якості прийнятого глядачем зображення).
Однак у зв’язку з обмеженою роздільною здатністю зору будь-яке зображення
може бути представлене конечним числом елементів (зображення) з
конечними розмірами. Обидві ці величини повинні бути вибрані такими, щоб
людське око не помічало отриманої (після дискретизації) дискретної структури
зображення.
Часова дискретизація зображення полягає в послідовній в часі передачі
по каналу телемовлення інформації про яскравість елементів. Даний принцип
часової дискретизації називається розгорткою (скануванням).
Можливість послідовної передачі телевізійного зображення по одному
каналу зв’язку базується на явищі інерційності зору. Інерційність зору
проявляється в тому, що мелькаюче джерело світла при високій частоті
мерехкотіння сприймається як таке, що світиться неперервно.
Аналогічно в кінематографі людське око не помічає швидку зміну кадрів
зображення кіноплівки (24 нерухомих зображення в секунду не сприймаються з
мерехкотінням). В мовленнєвому ТБ частота мерехкотіння вибрана рівною 50
або 60 Гц.
Таким чином, принцип розгортки вирішує задачу передачі зображення по
одному каналу мовлення.
Розгортка може здійснюватись за різними законами. Розрізняють лінійнорядкову, зигзагоподібну, спіральну, синусоїдальну, радіальну і ін., рис. 16.1.

Рис.16.1 Види детермінованих розгорток
а) лінійно-рядкова; б) зигзагоподібна, в) спіральна, г) синусоїдальна, д) радіальна

При спіральній розгортці траєкторія руху розгортаючого елемента
представляє собою спіраль. Як тільки розгортаючий елемент досягає краю
екрану, він швидко повертається в його центр і процес повторюється знову.
При радіальній розгортці розгортаючий елемент пересувається від центра
екрану по радіусу, який обертається з малою кутовою швидкістю. По
досягненні краю екрану розгортаючий елемент швидко зсувається в центр.
При лінійно-рядковій розгортці (інколи її називають прогресивною)
розгортаючий елемент переміщається від одного краю екрану (наприклад,
2

лівого) до іншого з постійною горизонтальною швидкістю і одночасно з цим
зміщується зверху донизу із значно меншою швидкістю. Таке переміщення
називається прямим ходом рядкової розгортки. Досягнувши правого краю
екрану, розгортаючий елемент швидко повертається до лівого краю (зворотний
хід рядкової розгортки). З нижнього краю екрану розгортаючий елемент
повертається на верхній край (зворотний хід кадрової розгортки).
При виборі типу розгорток слід враховувати, щоб забезпечувались
(Вимоги до розгорток):
- однаковий час передачі кожного елемента зображення;
- мінімальний час на зворотний хід розгортаючого елемента;
- простота технічної реалізації.
Із рис. 16.1 слідує, що жоден тип розгорток (за виключення лінійної) цим
вимогам не відповідає. Саме тому в мовленнєвому ТБ (і в більшості випадків
прикладного ТБ) використовується лінійна розгортка (прогресивна або
черезрядкова).
Отримувачем інформації телевізійного мовлення
є глядач. Тому
параметри ТВ-системи (щоб запобігти недопустимих спотворень) повинні
бути пристосовані до властивостей зорової системи глядача, узгоджені з
характеристиками технічних засобів.
Тому викладу технічних питань телебачення повинен передувати розгляд
властивостей світлового випромінення
і характеристик зорової системи
людини.
1.2 Характеристики світлового випромінення
Джерелом інформації для телевізійної системи (і в підсумку для глядача) є
предмети і явища оточуючого нас світу (природи і суспільства). Предмети
мають властивість відбивати падаючий на них світловий потік. Здібність
кожного предмета або його деталей по-різному відбивати світловий потік або
випромінювати (предмети, що самі світяться) є оптичною властивістю об’єкта,
а відбитий або випромінений кожною деталлю об’єкта світловий потік є
джерелом зорової інформації про предмет, сприйнятої спостерігачем.
До основних характеристик світлового випромінення або відбитого світла
належать наступні:
Світловий потік Сп – потужність світлового електромагнітного
випромінення, оцінювана дією на око людини, тобто з урахуванням кривої
видимості. Як наслідок, зорова інформація про об’єкт, яка сприймається
спостерігачем, визначається світловою енергією, відбитою (випроміненою)
кожним елементом об’єкта в напрямку спостерігача. Світловий потік
вимірюється в люменах (лм). Наприклад, залежність між потужністю
електромагнітного випромінення P і світловим потоком Сп (на максимумі
кривої видимості) на хвилі λ=555нм наступна:
Сп(лм)=683Р(Вт)
3

Розподілом світлового потоку в просторі, оточуючому джерело світла,
оцінюється силою світла.
Сила світла (I) – світловий потік в межах одиниці тілесного кута.
Нагадаємо, що тілесний кут 1 стерадіан – це частина простору, що
знаходиться в середині замкнутої конічної поверхні, вершина якої знаходиться
в центрі кулі (де в нашому випадку знаходиться джерело світла) радіусом r, а
основа вирізає з поверхні кулі фігуру площею . Наприклад джерело (точка,
яка світиться - точка А на рис.16.2) в загальному випадку може мати
нерівномірне випромінення в різних напрямках. Густина світлового потоку в
тілесному куті обраного напрямку і називається силою світла і визначається за
формулою:
I=
,
де
- світловий потік через площадку dS;
- відповідний тілесний
кут.

Рис.16.1 До визначення сили світла (а) і яскравості (б)

Сила світла вимірюється в канделах (кд). Якщо в тілесному куті, який
дорівнює 1 стерадіану (ср), проходить, рівномірно розподіляючись, світловий
потік в 1 лм, то сила світла в цьому напрямку дорівнює 1канделі: 1кд=1лм/1ср.
Розподілення світлового потоку по освітленій поверхні характеризується
освітленістю.
Освітленість (E) – світловий потік (F), який падає на одиницю площі (S)
освітленої поверхні: E=F/S. Вимірюється в люксах (лк). Один люкс дорівнює
світловому потоку в один люмен, який падає на площадку 1 : 1лк=1лм/1 .
Освітленість екрана в кінотеатрі складає приблизно 200лк, а освітленість
об’єкта передачі в телевізійній студії досягає 2000 лк.
Характеристикою поверхні, яка світиться, є яскравість.
Яскравість (L) – сила світла, випромінювана одиницею площі поверхні,
яка світиться у напрямку, перпендикулярному цій випромінюючій площадці.
L=I/S. Вимірюється в кд/ . Яскравість 1 кд/
створюється площадкою 1 ,
випромінюючою світловий потік, сила світла якого дорівнює 1 кд. Зазвичай
середня яскравість телевізійного зображення складає 30…40кд/ , а мінімальна
і максимальна яскравість білих місць складає 1…2 кд/
і 100 кд/ . Для

4

читання освітленість має бути біля 100 люкс, що відповідає яскравості білого
паперу 25…30 кд/ .

2. Основні властивості зорового аналізатора людини. Параметри
оптичного зображення
2.1 Основні властивості зорового аналізатора людини
Отримання зорової інформації про навколишній світ, форму предметів, їх
просторове розміщення (яке і називається зором) здійснюється зоровою
системою людини. Психологи стверджують, що через цю систему людина
отримує до 80…90% інформації про оточуючий світ (в найширшому розумінні
останнього терміну). Звідси зрозуміла важливість цієї області знань і технічних
систем, які займаються передачею зображень на відстані (як в звичайному
житті суспільства, так і, особливо, в періоди масової активності населення).
Зорова система складається з приймача світлового випромінення
(зовнішніх органів зору - очей), нервових волокон, які перетворюють і
передають зорову інформацію до мозку людини, і зорових ділянок кори
головного мозку (в яких і формуються зорові образи).
Око, рис.16.3, представляє собою тіло майже кулеобразної форми
(називається очним яблуком).
1-склера; 2-роговиця; 3-передня камера;
4- райдужна оболонка; 5-зіниця;
6-кришталик; 7-зоровий нерв; 8-сітківка.
Рис.16.3. Будова ока людини

За допомогою м’язу, що охоплює
кришталик,
кривизна
останнього
може
змінюватись, фокусуючи на задній стінці ока
зображення предметів, які знаходяться на
відстані приблизно від 10см до нескінченності.
Нервові закінчення 7 покриваючі зсередини
очне яблуко оболонкою (сітківкою).
В залежності від форми нервові закінчення підрозділяють на палички (біля
100 млн.) і ковбочки (біля 6 млн.) – світлочутливі клітини, які перетворюють
світлову енергію в нервові імпульси. Ковбочки володіють чуттєвістю до світла і
кольору, а палички-тільки до світла (яскравості). Елементи зображення
сприймаються роздільно, якщо вони проекцюються на 2 сусідні ковбочки.
Кожна ковбочка під’єднана до окремого закінчення нервових волокон. Палички
під’єднуються до закінчень нервових волокон групами. Маючи велику
світлочутливість, вони забезпечують «сутінковий» зір. Вони не здатні
визначати кольоровість джерела випромінення. В свою чергу, ковбочки – мають
слабку чуттєвість до яскравості, але добре розрізняють кольоровість. У
5

сутінках, при поганій освітленості, мало чуттєві ковбочки «перестають
працювати», працюють тільки палички. Тому людина не розрізняє кольору,
залишається тільки відчуття яскравості напівтемних предметів.
Сприйняття зображень зоровою системою людини прийнято описувати
рядом наступних параметрів.
З психофізіологічної точки зору відчуття світла і кольору створюється в
зоровому апараті електромагнітними коливаннями. З усього спектру
електромагнітних коливань лише невелика ділянка (380…760 нм) викликає
подразнення зорового органа людини. Але і в цьому інтервалі око відчуває
світло по-різному. Кожній довжині світлової хвилі відповідає свій колір,
рис.16.4.

Рис.16.4 Шкала електромагнітних хвиль (а) і крива видимості (б)

Примітка. Обмеження спектру видимих оком світлових променів стало результатом
багатовікового його пристосування до кращого сприйняття оточуючого світу. Межа
чуттєвості ока з боку короткохвилевої частини спектру (ультрафіолет) є близькою до самих
короткохвилевих сонячних променів, які проникають до землі крізь атмосферу (290 нм).
Тому чуттєвість ока до більш коротких хвиль не мала б біологічного змісту. Обмеженість
чуттєвості з боку довгохвилевої частини видимого спектру (ділянка інфрачервоних
променів) викликана наявністю теплових випромінень предметів. Без цього обмеження
око сприймало б світло як теплові випромінення, і навколишній світ був би для людини
невидимим. Таким чином, основною властивістю органа зору є близьким до біологічної
доцільності.

Світлова чуттєвість ока – величина, обернена яскравості світлової плями,
яка виявляється оком на чорному фоні. Світлова чуттєвість залежить від
довжини хвилі λ.
Чим більша інтенсивність потоку променевої енергії, яка потрапляє в око,
тим яскравішим здається джерело світла. Але в області видимого спектру око
відчуває світло по-різному. Електромагнітні коливання з різною довжиною
6

хвилі викликають відчуття світла з різною кольоровою окраскою.
Отже, колір – це характеристика зорового сприйняття світлових випромінень,
що дозволяє розрізняти їх не тільки за інтенсивністю, а і за спектральним
складом.
Якщо світловий потік створюється випроміненням хвилі однієї довжини
(або дуже вузькою ділянкою спектра), він називається монохроматичним. За
аналогією з музичною шкалою, кольорові відтінки монохроматичного кольору
об’єднані в сім головних спектральних кольорів: фіолетова ділянка спектру
лежить в межах від 380 до 450 нм, синя – від 450 до 480 нм, блакитна - від 480
до 510 нм, зелена – від 510 до 570 нм, жовта – від 570 до 590 нм, помаранчева
– від 590 до 620 нм і червона – від 620 до 760 нм. Розділ видимого спектру на
сім кольорових ділянок умовний, оскільки між ними не існує чітких меж. В
дійсності око розрізняє 180 проміжних кольорових відтінків (жовтогарячий,
синьо-блакитний і т.д.). Неперервний спектр цих кольорів вперше отримав
Ісаак Ньютон при пропусканні світла крізь тригранну скляну призму (1666р.).
На рис. 16.4,б представлена відносна спектральна чуттєвість ока
(залежність візуальної яскравості світлових випромінень від довжини хвилі),
яку іноді називають крива видимості.
З рисунка видно, що при однаковій потужності світлового випромінення
око найбільш чутливе до жовто-зеленого кольору (λ≈555нм). У бік червоного і
фіолетового кольорів чуттєвість зменшується і досягає нуля на межі видимої
ділянки спектру. Знання цієї залежності важливо для відтворення зображень в
одному кольорі, особливо, чорно-білих. В цьому випадку глядач не може
порівнювати зображення за їх забарвленням, і яскравість всіх кольорів при
однокольоровому зображенні повинна відтворюватись у відповідності зі
спектральною чуттєвістю ока. Найважливішою характеристикою зору є
сприйняття яскравості.
Діапазон яскравостей, що сприймаються людським оком, надзвичайно
великий і складає від
до
.
На практиці доводиться розрізнять окремі деталі з яскравістю (L) на
деякому фоні (Lф). При цьому око помічає зміну яскравості ΔL=L-Lф, якщо
величина ΔL/ Lф перевищує деяку величину.
Відносним різницевим порогом подразнення називається мінімальна
величина ΔL/ Lф, яка може бути зафіксована оком. Ця величина в загальному
випадку залежить від яскравості фона (Рис.16.5). Однак для яскравості
зображення на телевізійному екрані (від десятих до
) її можна
вважати постійною і рівною 0,05.
Загальний діапазон яскравостей об’єкта спостереження характеризується
його контрастністю
відношенням максимальної
яскравості до мінімальної. Між
та
розміщуються напівтони, від
кількості яких залежить точність відтворення зображення об’єкта. При
поступовій зміні яскравості число напівтонів нескінченно, а приріст яскравості
від градації до градації нескінченно малий. Однак око не здатне виявляти скіль
завгодно малий приріст яскравості.
7

Контрастна розрізняюча здатність ока
також дискретна, як і його дозволяюча
спроможність. Тому в телевізійних
зображеннях обмежуються кінцевим
числом
відтворюваних
градацій
яскравості (порядку 90).
Інтенсивність і спектральний склад
світлового потоку характеризують
яскравість і колір кожної точки об’єкта,
що сприймається глядачем, а
потока
–
просторове
Рис.16.5. Зависимость порогового напрямок
розміщення цієї точки. Одночасно
контраста от яркости фона и
размеров деталей изображения
спостерігач бачить тільки обмежену
(r1 > r2)
частину простору, що визначається
просторовим кутом, що називається кутом зору.
Просторовий кут ясного зору – кут, з якого в око надходить основна
зорова інформація. Розмір кута ясного зору складає біля 15° як в
горизонтальній, та 11° в вертикальній площині. В загальному ж випадку поле
зору людини складає біля 150° по вертикалі і біля 200° по горизонталі.
Дозволяюча здатність зорової системи – це найменша кутова відстань δ
між двома розміщеними поряд точками, що світяться, при якій спостерігач
бачить ці точки окремо. Для «стандартного» ока дозволяюча здатність складає
біля однієї кутової хвилини. Можна підрахувати, що на відстані 1 м око здатне
розрізнити дві точки, які знаходяться на відстані 0,3мм одна від одної.
Роздільне сприйняття двох розміщених поряд предметів буде залежати від
відстані, з якої на них дивляться. При достатньо великій відстані око не
розрізняє дрібних деталей і буде бачити їх як один елемент.
Гострота зору (V) – параметр, який зворотно пропорційний дозволяючій
здатності зорової системи, тобто V = 1/δ. Вона тим більша, чим більш дрібні
деталі він може розрізняти з заданої відстані.
Обмежена гострота зору по кутовій відстані дозволяє обмежити число
строк в зображенні і необхідну смугу частот телевізійного канала. Око не може
розрізняти розміщені близько один до одного елементи зображення. Два
предмети, кутова відстань між якими, менше однієї хвилини, здаються одним
предметом. Наприклад, якщо роздивлятись газетну фотографію з відстані
більше 30…40 см, то окремі точки при друці високої якості, з яких складається
ця фотографія не розрізняються.
Дослідження показали, що дозволяюча здатність ока залежить від
яскравості (рис.16.6), контрастності і кольоровості двох дрібних деталей, що
розглядаються. Найбільша дозволяюча здатність буває при розгляді чорнобілих деталей, а також деталей, пофарбованих у зелений колір. Даний висновок
пояснюється явищем так званої хроматичної аберації в оптичній системі ока.
8

Сутність її полягає в тому, що для різних довжин хвиль коефіцієнт
заломлення кришталику ока різний. Внаслідок цього фокус для синіх променів
розміщується ближче до кришталика, тобто перед сітківкою, а для червоних
променів – далі від нього, за сітківкою. І тільки зелені промені фокусуються на
сітківці ока.
Таким чином, через хроматичну аберацію людина не може бачити
однаково чітко всі елементи кольорового зображення. Ця особливість повинна
враховуватись (і враховується) в системах кольорового телебачення.
Через неоднорідність структури сітківки гострота зору зменшується в міру
віддалення ° від центрального поглиблення цієї оболонки (рис.16.7). Хоча
поле зору ока досить велике (приблизно 120...130), основна зорова інформація,
що надходить в око, зосереджена в просторовому куті ясного зору я.
Прийнявши розміри поля ясного зору яв = 12° по вертикалі й яг = 16 по
горизонталі й поклавши роздільну здатність ока  = 1, одержимо число
елементарних ділянок, що реєструють інформацію, у поле ясного зору Nя =
((яг/()((яв/() = 16(60/1) (1260/1) = 0,7106.

Рис.16.6. Залежність відносної гостроти
зору V/V0 від L (V0 = 1/δ0, δ0 = 1 кут.хв)

Рис.16.7. Зміна відносної гостроти зору
від кутової відстані  об`єктів, що
спостерігаються відносно центрального
заглиблення сітківки

Зір людини інерційний. Це, зокрема, проявляється в тому, що при
припиненні дії світлового потоку, око як би продовжує «бачити» джерело,
яскравість якого, швидко зменшується. В силу інерційних властивостей зору
періодична послідовність світлових імпульсів може сприйматись як неперервне
випромінення. Саме ця властивість ока людини використано в кінематографі,
а потім і в телебаченні.
Одиночний світловий імпульс тривалістю t0 може бути виявлений тільки за
умови, що час дії його на око кінцевий, тобто t0  tкр. Причому час tкр залежить
від освітленості сітківки Е0, тобто від потужності сигналу. Іншими словами,
встановлено, що Е0tкр = const. При зміннім значенні Е0(t) сумарний вплив
світлового сигналу повинен досягти цілком певного значення для його
виявлення:
9



tкр
0

E0 (t )dt  const.

Час накопичення має граничне значення, називане критичною тривалістю
tкр. Різні дослідження дають значні розбіжності в значеннях tкр‚ що пояснюється
різними умовами проведення дослідів: tкр змінюється в межах від сотих ( при
більших яскравостях) до десятих ( при малих яскравостях) часток секунди.
Після припинення дії світлового потоку, що збуджує сітківку (рис.16.8), око
як би продовжує “бачити” джерело з яскравістю, що спадає в часі за
експонентним законом Lвиз(t)/Lвизmax = L0/L0mахехр(–t/), де Lвиз(t)/Lвизmax –
значення візуальної яскравості через час t, що пройшов після припинення
збудження; L0/L0mах – яскравість збудження;   0,1…0,15 з – постійна часу, яка
характеризує
інерцію
зору
й
відлічувана як  = t, при якому
яскравість зменшується в е раз.
Постійна часу
(є функцією
яскравості й зменшується при її
збільшенні.
Параметр  визначає найменшу
частоту повторення імпульсних
збуджень ока, при якій людина
перестає
помічати
імпульсний
характер світлового випромінення і
Рис.16.8 Візуальне відчуття яскравості
сприймає його як неперервне. Цю
Lвиз(t)/Lвизmax джерела, що періодично
частоту
прийнято
називати
випромінює
критичною частотою миготінь ( ).
Строго кажучи, величина
залежить від яскравості поля спостереження,
розмірів ділянки миготіння і ін. Однак, для яскравостей сучасних телевізійних
екранів величину
можна вважати рівною 45…48 Гц.
Критична частота мерехтіння яскравості джерела залежить від середньої
яскравості поля спостереження (яскравості адаптації), розмірів ділянки, що
мерехтіть і т.д.
Залежність критичної частоти мерехтіння від яскравості підкоряється
загальному
психофізичному
закону
зорових
сприйняттів,
тобто
логарифмічному закону:

f кр  a0 lg Lср  b0 ,
де Lср – середня яскравість екрана, кд/м; а0 = 9,6, b = 26,8 – коефіцієнти,
установлені дослідним шляхом.
При частоті повторення, що рівна або більша за критичну, візуальна
яскравість Lср переривчасто випромінюючого джерела може бути визначена як
середня за період повторення Т – закон Тальбота:
10

Lср 

1
T



T

0

L0 (t ) dt.

Для яскравостей сучасних ТВ екранів fкр = 46...48 Гц.
Дискрете в часі відтворення зображень окремих миттєвих положень (фаз),
предметів, що рухаються, сприймається як злитий рух, якщо число фаз (кадрів)
в одиницю часу більше або дорівнює деякому критичному числу nф і якщо зсув
предмета в сусідніх фазах незначний, тобто якщо відносна швидкість руху
предмета в кадрові невелика.
З багаторічного досвіду кіно встановлено, що для сприйняття плавного
руху об'єктів у більшості випадків досить передавати 16...24 окремих фаз руху
за одну секунду. Тому у ТВ мовленні прийнято число кадрів n, переданих в одну
секунду, рівним 25. При цьому частота мерехтіннь яскравості екрана fм = 2n =
50 Гц і відповідає частоті кадрової розгортки. Це зроблено з міркувань рівності
її частоті промислової мережі з метою зменшення помітності характерних завад
від електромережі – динамічних викривлень геометрії і яскравості
зображення.Для умов спостереження, які звичайно зустрічаються, час
наростання зорового відчуття складає біля 0,1с (визначається часом
фотохімічної реакції в сітківці ока). При цьому відчуття від червоного кольору
наростає найшвидше, а від синього – найповільніше. Час збереження світлового
подразнення складає 0,4…1 с після закінчення дії світлового подразника.
Найбільш швидко затухають відчуття від червоного кольору, потім зеленого і
синього.
Для розпізнавання образа об’єкта, побаченого людиною на екрані, тобто
його впізнавання, людині потрібен час. Мінімальний час розпізнавання
образа об’єкта складає від 4 до 10 с. Це справедливо для об’єктів, що
рухаються, так і для нерухомих об'єктів передачі – заставок, титрів, пейзажів.
Останні досить було б передати один раз і відтворювати протягом декількох
секунд. Аналогічно можна зменшити число переданих фаз руху для
відтворення зображень, що повільно рухаються об'єктів. Однак це не
реалізовано в сучасних ТВ системах, що призводить до надмірності
повідомлення й ускладненню каналів зв'язку.
Додамо, що сприйняття кольору у більшості тварин суттєво гірше ніж у
людини. Наприклад, академік І.П.Павлов встановив, що собаки взагалі не
розрізняють кольорів. Проте вони володіють у тисячі разів більш розвиненим
нюхом.
Примітка 1. Саме ця властивість зору дозволяє робити по елементну розгортку
зображення від рядка до рядка і від одного напівкадра до іншого, тобто маємо можливість
передачі і прийому зображення по частинам. Завдяки інерційності зору фізично дискретна
розгортка телевізійного зображення сприймається глядачем як цілісне зображення, оскільки
око ще «не забуло» зображення першого елемента до моменту відтворення останнього
елемента. Саме інерційність зору дозволяє поелементно передавати зображення (по одному
каналу) і відтворювати його у глядача.
Примітка 2. Обмежена дозволяюча здатність за переміщеннями лежить в основі
передачі та відтворення предметів, що рухаються. Для того, щоб рухи були плавними, кожну
зміна положення об’єктів (суб’єктів) варто передавати невеликими «порціями, дозами»,
11

тобто щоб відмінності між послідовно переданими «картинками, кадрами» були достатньо
малі. Рух об’єктів передається шляхом покадрового відтворення окремих мало
відрізняючихся між собою фаз руху.
Тут доречно зробити екскурс в історію кінематографа. На зорі розвитку кіно було
встановлено, що швидкість відтворення 12 кадрів в секунду достатня для створення
неперервно триваючого руху зображення на екрані. Але переривання світлового потоку на
цій частоті викликало неприємне миготіння. Через низьку світловіддачу ранніх проекторів
першим стандартом швидкості зміни кадрів в кіно став стандарт 16 кадрів в секунду. По мірі
вдосконалення ламп миготіння знову стало помітним. І було знайдене дотепне рішення
шляхом модернізації обтюратора (затвора, що обертається, який відчиняв джерело світла
тільки після установки чергового кадра) замість одного відчинення джерела світла
обтюратор двічі відчинявся і зачинявся на одному «просвічуваному» кадрі, тобто частота
переривань світла була збільшена в два рази у порівнянні з частотою зміни кадрів. І коли
частота зміни кадрів була збільшена ще раз до 24 кадрів в секунду (стандарт, що
застосовується зараз), частота переривання світла збільшилась до 48 кадрів в секунду, що
дозволило запобігти миготіння при використанні джерел світла з високим рівнем
освітленості.
Примітка 3.Однакова дозволяюча здатність за кутовою відстанню у всіх напрямках
означає незалежність гостроти зору від напрямку. Це означає, що вимоги до розмірів
елементів і відстані між ними можуть бути однаковими. Тому як в чорно-білому, так і в
кольоровому телебаченні полоса частот телевізійного сигналу яскравості обирається такою,
щоб тривалість одного елемента зображення вздовж рядка (вона дорівнює 0,04 мкс) була
рівна відстані між сусідніми рядками.
Примітка 4. Око розрізняє окремі ділянки зображення одну від одної за кольором
тільки в тому випадку, якщо вони мають розміри, що відповідають чотирьом і більше
елементам зображення. Завдяки цьому забезпечується можливість почергової черезрядкової
передачі сигналів кольоровості. Якщо на кольоровому зображенні присутні близько
розміщені різнокольорові деталі, то з великої відстані глядач не відрізняє кольору окремих
деталей. Вся група буде сприйматися пофарбованою в один колір у відповідності з законами
змішення кольорів. Відмітимо, що в текстильній промисловості шляхом сплетіння
різнокольорових ниток отримують тканини різних відтінків. Просторове усереднення
кольору дозволяє на кольоровому екрані колір одного елементу зображення формувати із
трьох кольорів розміщених поряд зерен відповідного кольору.

2.2 Характеристики й параметри оптичного зображення
Процесс телевизионной передачи включает в себя построение двумерного
оптического изображения трехмерных предметов, расположенных в
пространстве.
Качество оптического изображения определяется рядом факторов и не
имеет единой, обобщенной количественной оценки. Рассмотрим наиболее
существенные для телевизионного преобразования характеристики оптического
изображения.
Освещенность
в
плоскости
оптического
изображения
Еи,
сфокусированного объективом, определяется освещенностью объекта Еоб, его
отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения
об, и параметрами объектива. Она может быть определена как

12

ρоб τ Eоб О 2
Eи 
,
4(1  m) 2

где  – прозрачность объектива; О – относительное отверстие объектива,
определяемое отношением диаметра его входного зрачка D к фокусному
расстоянию f ; m = yи/yоб – линейный масштаб изображения; yоб и yи –
линейные размеры объекта и изображения соответственно.
Относительное отверстие объектива делается обычно регулируемым с
помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка. Расстояние А0 от
объекта до объектива (рис. 16.8а) выбирается исходя из необходимого
масштаба изображения, который может быть с достаточной точностью для
малых значений m определен как m  f А0.
Четкость
оптического
изображения
характеризуется
качеством
воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью
объектива.

Рис.16.8а К определению глубины резкости

Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в оптических
системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в виде некоторого
кружка и две близко расположенные светлые точки на объекте сливаются в
одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми
точками, на котором они еще воспроизводятся отдельно, называется
разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему – разрешающей
способностью
объектива.
Разрешающая
способность
оценивается
максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на
изображении. Аберрации уменьшаются с приближением пучков к
параксиальным, поэтому разрешающая способность объектива увеличивается
при диафрагмировании, т.е. при уменьшении относительного отверстия.
Однако это справедливо до тех пор, пока О > 1/20. Дальнейшее уменьшение
относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений,
снижающих разрешающую способность.
13

При передаче изображений объектов, протяженных по глубине,
разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей,
расположенных на одном от него расстоянии А0 ,т.е. в плоскости S0,
сопряженной с плоскостью резкого изображения. Точки, расположенные
дальше и ближе к этой плоскости, например в плоскостях S1 и S2
соответственно, будут воспроизводиться на изображении кружками различных
диаметров (кружки размытия). Глубина резкости – глубина воспроизводимого
пространства А = А1 – А2, – для которого максимально допустимый диаметр
кружка размытия d принимают обычно равным линейному размеру одного
элемента разложения изображения d = h/z, где h – высота изображения на
светочувствительном слое (мишени) передающей трубки; z – число строк
разложения.
Из уравнения тонкой линзы 1/А0 + 1/а0 = 1/f , следует, что при А0 > f 
глубина резкости
A  A1  A2  A1  A2  2kAo /(k 2  1),

где
k  f 2O / d Ao  z f 2O / hA0 ; A1  A1  A0 ; A2  A0  A2 ;
A1 / A2  (k  1) /(k  1).

Выбор параметров объектива определяется характером и размером
передаваемого изображения. Заданное значение А можно обеспечить только
диафрагмированием объектива. При А20 > А2 и а0,1,2  f  следует, что

O  2 A02 h / Af 2 z  2h / Azm2 .
Для каждого типа преобразователя свет-сигнал высота изображения h
задана и остается постоянной, как и число строк для данной телевизионной
системы. В этих условиях глубина резкости и относительное отверстие
объектива однозначно связаны и определяются только квадратом линейного
масштаба изображения на светочувствительной поверхности (мишени).
Геометрические (координатные) искажения, создаваемые объективом,
обычно пренебрежимо малы, но могут оказаться заметными при некоторых
нарушениях нормальных условий оптической проекции. Так, при передаче
изображений плоских объектов (графики, картины, чертежи, фасады зданий и
т.д.) возникают трапецеидальные искажения прямоугольных форм из-за
несоблюдения параллельности плоскостей светочувствительной мишени и
объекта (наклон камеры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг
оптической оси (наклон камеры влево или вправо) приводит к диагональной
композиции и т.д.
По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб их
изображения, удаленное пространство как бы сжимается; две параллельные
линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну точку. Такая точка
называется точкой схода, а сама трансформация пространства на изображении
14

называется перспективой. Точка схода тем ближе, чем больше угол зрения
системы.
Искажения перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же
ограниченное пространство рассматривается под разными углами зрения –
глазом и передающей ТВ камерой.
Названные искажения часто вводятся искусственно как средство
художественного выражения содержания.
3. Узагальнена структурна схема телевізійної системи. Основні параметри
телевізійного зображення
3.1 Узагальнена структурна схема телевізійної системи
На основі викладеного вище в основу побудови будь-якого телебачення
покладено простий алгоритм:
− розбиття плоского зображення на екрані датчика телевізійного сигналу на
елементи (просторова дискретизація) і
− послідовна в часі передача яскравості і кольору кожного з елементів
зображення по каналу мовлення (розгортка плоского зображення в лінію,
рядок).
В найпростішому зображенні ТВ-систему можна представити у вигляді
рис.16.9.

Рис.16.9. Структурная схема ТВ системы:
1 – объектив; 2 – оптико-механический преобразователь; 3, 12 – развертывающие устройства;
4 – синхрогенератор; 5 – усилитель; 6 – передающее устройство; 7 – канал связи;
8 – приемное устройство; 9 – видеоусилитель; 10 – преобразователь сигнал-свет;
11 – селектор синхроимпульсов

Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптическое
изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-электронного
преобразователя 2 (передающей трубки). Это устройство преобразует световую
энергию в электрическую, используя явление внешнего фотоэффекта. Оно
называется фотокатодом передающей трубки. Для получения ТВ сигнала
необходимо устройство, с которого с помощью системы разверток снимаются
заряды, пропорциональные световому потоку. Это устройство называется
мишенью передающей трубки. Если эти два устройства разделены, то в
15

передающей трубке предусмотрена система переноса сфокусированного
электронного потока с фотокатода на мишень, с которой снимаются
электрические заряды, пропорциональные падающему на них электрическому
потоку.
В современных передающих трубках эти два элемента – фотокатод и
мишень – совмещены. Оптическое изображение проецируется на мишень
передающей трубки, и с этой мишени снимаются заряды, которые
впоследствии образуют ТВ сигнал. С помощью развертывающего устройства 3
получают последовательные электрические импульсы. Электрические импульсы,
несущие информацию об изображении, называются исходным яркостным
сигналом.
Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синтезирующих
устройств, обеспечивающих идентичность положения координат точек на
передающем и приемных устройствах, необходимо генерировать и передавать
специальные сигналы синхронизации. Синхронность достигается при равенстве
частоты разверток на анализирующем и синтезирующих устройствах, а
синфазность – при точном начале их работы. Для выполнения этих условий в
телевидении
используется
принудительная
синхронизация.
Сигналы
сиихронизации вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой
импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации
вырабатываются один раз в течение длительности строки, другие – один раз в
течение длительности кадра. Эти импульсы поступают в развертывающее
устройство 3, а также в усилитель 5, где суммируются сигналом яркости и
поступают в передающее устройство 6.
В ТВ системе развертывающие устройства на анализирующей и
синтезирующей сторонах работают в автоколебательном режиме. Поэтому
сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на
телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих устройств
синфазно и синхронно с развертывающими устройствами передающей части.
Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения обратных ходов
электронных лучей в передающих и приемных трубках, обеспечивающие
запирание передающей и приемных трубок на это время. На вершинах гасящих
импульсов располагаются синхронизирующие импульсы.
Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения называется
сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигнала
синхронизации, называется полным телевизионным сигналом.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей. Полный ТВ
радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль канала связи могут
выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, кабельная, радиорелейная,
спутниковая, световодная и другие линии связи, удовлетворяющие
требованиям неискаженной передачи ТВ снгнала. В процессе передачи по
каналу связи сигнал может подвергаться различным преобразованиям, но на
выходе должен восстанавливаться полный ТВ радиосигнал.
16

В приемном устройстве 8 происходит усиление телевизионного
радиосигнала на высокой и промежуточной частотах, а также его
детектирование. После детектирования видеосигнал поступает на усилитель
видеосигналов 9, где происходит усиление сигнала до необходимого значения
для управления преобразователем сигнал-свет (кинескоп, приемная трубка) 10,
и на селектор импульсов синхронизации 11. В этом устройстве осуществляется
выделение из видеосигнала импульсов синхронизации. Эти импульсы
управляют развертывающими устройствами 12, обеспечивая синхронность и
синфазность движения сканирующих элементов анализирующего и
синтезирующих устройств.
3.2 Основні параметри телевізійного зображення
Загальне потрібне число елементів зображення можна оцінити із
наступних посилань. Покладаючи, що ТВ-екран повинен відповідати кутові
ясного зору, кількість елементів розкладу по верткалі Nвер складатиме
(рис.16.10):
Nвер=βя вер/δ=(11°×60)/1=660.
Тут βя вер – кут ясного зору в вертикальній площині; δ – роздільна
здатність зорової системи.
Аналогічно кількість елементів розкладення по горизонталі Nгор:
Nгор=βя гор/δ=(15°×60)/1=900.
Загальна кількість елементів розкладу зображення складатиме:
N= Nвер× Nгор=594×103.
Розгортка зображення. Розгорткою зображення називається процес почергової
передачі інформації про яскравість і колір елементів розкладення зображення.
Розгортка здійснюється за допомогою розгортаючого елемента. В якості
розгортаючого елемента може виступати електронний промінь (як в
електронно-променевій трубці телевізійного приймача або осцилографа),
лазерний промінь (в системах запису зображення на компакт-диск), отвір в
діафрагмі та ін.
При переміщенні розгортаючого елемента відносно елементів розкладу
зображення на виході перетворювача світло-сигнал формується електричний
сигнал зображення. Миттєве значення сигналу пропорційне яскравості
елемента зображення, на який в даний момент направлений розгортаючий
елемент.
На прийомному кінці в приймачі ТВ-системи здійснюється почергове
відтворення інформації про яскравість і колір елементів зображення, що
передається, на екрані перетворювача сигнал-світло. На вхід перетворювача
подається електричний сигнал, а на екрані перетворювача цей сигнал
перетворюється (за допомогою розгортаючого елемента) в світлове зображення.

17

Рис.16.10 До визначення елементів розкладу зображення

В телебаченні переважне поширення отримала лінійно-рядкова розгортка.
При такій розгортці слід, що утворюється на поверхні екрану електроннооптичного перетворювача при переміщенні розгортаючого елемента від лівого
краю до правого, називається рядком.
Повна сукупність видимих рядків на екрані називається растром.
Повний цикл обходу всього екрану розгортаючим елементом називається
кадром.
Час, за який розгортаючий елемент здійснює обхід всього екрану і
повертається у вихідне положення, називається періодом кадрової розгортки.
Час, за який розгортаючий елемент проходить рядок і повертається до
лівого краю екрану, називається періодом рядкової розгортки.
Час, що затрачається на прямий хід розгортки по рядку, називається
тривалістю активної частини рядка.
Параметри розгортки. До параметрів лінійно-рядкової розгортки відносяться:
формат кадру, число рядків, частота кадру, частота рядків.
Формат кадра k – відношення горизонтального розміру растру (b) до
вертикального (h) , рис14.3: k=b/h. Розміри растру повинні відповідати кутові
ясного зору, тому
k=b/h= βя гор/ βя вер=15/12=4/3.
Число рядків z ТВ-зображення при нормальній якості повинно бути
рівним числу елементів розкладу зображення по вертикалі (рис.16.10): z= Nвер.
У вітчизняних стандартах вибрано z=625. Є ТВ-системи з іншим числом рядків.
Частота кадрів Fк. Даний параметр розгортки залежить від її виду.
Лінійно-рядкові розгортки бувають двох видів – порядкова і черезрядкова.
18

Порядкова розгортка (рис.16.11). Розгортка, при якій всі рядки растру
«проглядаються» всі один за одним, починаючи з першого рядка, називається
порядковою (прогресивною).
Видно, що лінійно-рядкова розгортка аналогічна первинному письму і
читанню – зліва направо і зверху донизу. Передача зображення відбувається
елемент за елементом з постійним напрямком і швидкістю вздовж рядка і з
постійною швидкістю чергування рядків в кадрі.
Частота кадрів при такій розгортці вибирається виходячи з умови
відсутності мерехкотіння яскравості зображення, тобто Fк> fкр. Стандартом
встановлена частота кадрів Fк=50 Гц. В стандарті США Fк=60 Гц.
Вибір такої частоти кадрів супроводжується наступними особливостями
порядкової розгортки.
По-перше, виникає надлишковість кількості кадрів при відтворенні
зображенні рухомих об’єктів. Дійсно, в силу інерційності зору ефект плавного
переміщення предмета в просторі може бути досягнутий, якщо передавати
близько 24 окремих його миттєвих положення (фаз) в одну секунду. Кожна
фаза може бути передана одним кадром. Відповідно, для відтворення руху
об’єктів достатньо передавати 24 кадри в секунду (як у звичайному кіно), а не
50. По-друге, для передачі сигналу зображення потрібна порівняно більша
смуга частот.
Знайдено, що потрібна для передачі сигналу зображення смуга частот
ΔFсигн = 0,375/τе,
(16.1)
де τе – час розгортки одного елемента зображення.
В свою чергу τе ≈ Tк/N, де Тк = 1/50 с – час розгортки одного кадру,
N=594×103 – загальне число елементів зображення (час зворотного ходу
розгортаю чого елемента по кадру і рядках прийняті нехтовно малими і не
враховані).
Після підстановки перекислених величин у вираз ΔFсигн, отримаємо
потрібну смугу частот для передачі ΔFсигн = 11,1МГц.
Форма відхиляючих (розгортаючих) струмів рядкової (ір) і кадрової (ік)
частот у випадку порядкової розгортки представлені на рис.16.12.
Із рис.16.12 слідує, що періоду кадрової розгортки повинно відповідати
ціле число періодів рядків Tz. Під час прямих ходів (Т1) струми лінійно
наростають, а швидкості розгорток по горизонталі і по вертикалі постійні.
Підтримка лінійності зворотних ходів необов’язкова, оскільки повернення
елемента розгортки в початковий стан для глядача приховане (на відтворюючий
пристрій, наприклад, електронно-променеву трубку подаються спеціальні
сформовані погашуючі імпульси, які дещо перевищують за тривалістю
величину T2).

19

Рис.16.11 Лінійно-рядкова розгортка (а) і синхронізація
розгорток на кінцях ТВ-каналу (в)

20

Рис.16.12 Форма відхиляючих (розгортаючих) струмів при порядковій
розгортці

На завершення розгляду порядкової розгортки відмітимо, що є
можливість зменшення потрібної для передачі зображення смуги частот.
В мовленнєвих ТВ-системах це досягається застосуванням черезрядкової
розгортки.
Черезрядкова розгортка. Сутність розгортки полягає в наступному. Повний
кадр передається і відтворюється в два етапи (передається не одне, а два поля).
В першому полі розгортаються непарні рядки растру, а в другому – парні, рис
16.13.
Таким чином, число рядків в кожному полі виявляється в два рази меншим
в порівнянні з числом рядків в повному кадрі. Оскільки загальне число рядків в
кадрі прийняте рівним 625, то в кожному полі число рядків виявляється рівним
312,5. Час же розгортки кожного поля залишено рівним Тп = 1/50 с. Тому
повний цикл обходу всього екрану (кадру) складатиме Тк=2Тп=1/25 с.

Рис.16.13 Траєкторія руху
розгортаючого елемента при
черезрядковій розгортці

Оскільки за час Тп = 1/50 с розгортаючий елемент при черезрядковій
розгортці пробігає вдвічі менше число рядків, ніж при порядковій, то час
розгортання одного елемента зображення виявляється вдвічі більшим.
21

Тоді згідно з (16.1) потрібна для передачі зображення смуга частот
відеосигналу зменшується в два рази в порівнянні з порядковою розгорткою.
Для вітчизняного телемовлення (стандарт SECAM) ця смуга стандартизована
ΔFсигн = 6 МГц. В американському стандарті NTSC ΔFсигн =4,5 МГц.
Для формування черезрядкової розгортки повинні бути забезпечені:
- непарне число рядків в кадрі;
- жорсткий зв'язок частот розгортки по рядку і по кадрові, що забезпечує в
кожному полі ціле число рядків з половиною рядка.
Зазвичай обидві ці умови виконуються формуванням частот рядкової і
кадрової розгорток від спільного задаючого генератора з подвоєною частотою
рядків діленням на 2 і на число рядків відповідно.
Черезрядкова розгортка кратністю 2:1 застосовується у всіх системах
мовленнєвого ТБ. Застосування черезрядкового розкладу зображення з
кратністю 3:1 або 4:1 дозволяє ще більше скоротити смугу частот, яку займає
відеосигнал. В даному випадку кадр буде складатися з трьох або чотирьох
полів, рядки яких відтворюються один під одним. Але такі розгортки не
застосовуються за наступними міркуваннями.
Оскільки парні (і непарні) поля повторюються з частотою 12,5 Гц (при
кратності 4:1), то стає помітним мерехкотіння рядків, а кутова відстань між
рядками одного поля стає більшою мінімальної роздільності ока. Зменшується
чіткість зображення об’єктів, що переміщуються у вертикальному напрямку з
відносно великою швидкістю. Погіршується відтворення вертикальних границь
об’єктів, що рухаються з відносно великою швидкістю і в горизонтальному
напрямку (границі стають зигзагоподібними і похилими). На додачу,
з’являється ефект «ковзання рядків», які ніби переміщуються зверху донизу в
межах одного кадру.
Останнє пояснюється тим, що коли промінь креслить який-небудь рядок
чорного поля, яскравість його максимальна. Тоді як розташовані вище рядки,
прокреслені відповідно у третьому, другому і першому полях, мають все більш
спадаючу (за часом) яскравість (післясвічення). Створюється ефект
послідовного за часом різнояскравісного свічення і, як наслідок, переміщення
рядків. Ці недоліки властиві будь-якій черезрядковій розгортці, але при
кратності 2:1 вони мало помітні.
Додаток. В телевізорах із збільшеними розмірами екранів, а також великими
яскравістю, контрастністю і чіткістю зображення недоліки черезрядкової розгортки
проявляються сильніше. Мелькання з частотою полів стало особливо помітним на нових
кінескопах з підвищеною яскравістю, призначених для роботи в умовах великого
зовнішнього засвічення. Це явище ускладнюється при малій відстані глядача від екрану,
тобто при «використанні» великого кута зору, коли в процесі спостереження задіяні
периферійні ділянки сітківки ока, які мають меншу інерційність до світлового збудження.
Мелькання окремих рядків поля добре помітні при горизонтальних границях і похилих
структурах зображення, особливо при спостеріганні літеро-цифрової інформації з близької
відстані. Чіткість зображення по вертикалі зменшується.

Встановлено, що 625-рядкове зображення з порядковою розгорткою
еквівалентне орієнтовно 900-рядковому зображенню з черезрядковою
розгорткою. Число рядків розкладу зображення завжди вибирається непарним
22

(405, 525, 625, 819), щоб спростити форму пилоподібного струму для
відхилення променя по вертикалі.
Частота рядків. Період рядка (Тр) при черезрядковій розгортці може бути
обчислений як
Тс = Тп/nп,
(16.2)
-2
де Тп = 2×10 с – період повторення полів, а nп = 312,5 – число рядків в
одному полі.
Тоді із (14.2) може бути обчислена частота рядків при черезрядковій
розгортці
Fр = 1/Тс = 15625 Гц.
Вибір параметрів ТВ-системи визначається якістю ТВ-зображення у
глядача. Будь-яке покращення якості тягне за собою подорожчання системи.
Або інакше: якість системи і вибір її параметрів повинні задовольняти
економічному компромісу.
Ще раз відмітимо, що тип розгорток на передавальному і прийомному боці
ТВ-системи повинен бути однаковим (стандартизованим). Повинна бути
забезпечена рівність частот розгорток і часу їх початку на прийомному і
передавальному боці. Це значить, що на прийомну сторону разом з ТВсигналом повинні передаватись сигнали синхронізації, рис. 16.11,б.
Лише при дотриманні цієї умови із лінійної послідовності елементів може
бути синтезовано зображення на екрані ТВ-глядача, достатньо схоже на те, що
передається. В результаті синхронної і синфазної розгортки розподіл світлих і
темних елементів на екрані глядача буде відповідати їх розподілу на об’єкті, що
передається.
Після кожного рядка і кожного кадру передаються синхронізуючі сигнали,
що визначають початок розгорток по рядку і кадру. Точність синхронізації і
постійність швидкостей розгортки по рядку і кадру визначають точність
відтворення переданого і прийнятого зображень.
В силу інерційності зору спостерігач одночасно бачить всю сукупність
слідів руху елемента розгортки і сприймає її як єдине ціле.
Отже, на передавальній стороні в перетворювачі світло-сигнал енергія
світлових хвиль перетворюється в електричний сигнал. В результаті роботи
розгортки на виході перетворювача отримується сигнал, миттєві значення
якого пропорційні інтенсивності освітлення відповідних елементів
зображення. В цей сигнал вводяться імпульси синхронізації, зазвичай суміщені з
інтервалами гашення променя в перервах розгортки між рядками і
напівкадрами. Так утворюється повний телевізійний сигнал.
В мовленнєвому ТБ чорно-білого зображення використовуються наступні
синхронізуючі імпульси – імпульси кадрової (вертикальної) синхронізації,
урівнюючі імпульси і імпульси рядкової (горизонтальної) синхронізації.
Імпульси синхронізації передаються разом з сигналом яскравості, але
передаються на рівні «чорніше за чорне» (рис. 16.14, а; рис.16.15,а), тобто в ТВприймачі можуть бути відокремлені від сигналу зображення (за рівнем) за
допомогою амплітудного селектора.
23

Рядкові синхроімпульси керують початком зворотного ходу в кінці
кожного рядка і повторюються з частотою рядкової розгортки. На площадці
кадрового гасячого імпульсу розташовується кадровий синхроімпульс
(показано дужкою). Якщо на цій же площадці нічого не передавати, то
послідовність рядкових синхроімпульсів буде перекриватися не на весь час
гасячого кадрового імпульсу, що буде призводити до збоїв рядкової
синхронізації. Щоб цього не відбувалося, на всій площадці гасячого кадрового
імпульсу передається продовження рядкових синхроімпульсів (передні і задні
зрівнюючи імпульси).
Передня площадка рядкового гасячого імпульсу необхідна для забезпечення
часу, на протязі якого зупиняються всі перехідні процеси, пов’язані з
попереднім гасячому імпульсу відеосигналом. Завдяки цьому виключаються
спотворення форми синхроімпульсів сигналами зображення.
Кадрові синхроімпульси повинні відрізнятися від рядкових, щоб їх можна
було виділити із повного синхросигналу. Зазвичай їх тривалість складає 2,5…3
періоди рядкової розгортки (рис.16.15, б).
Період кадрової розгортки
відповідає тривалості передачі 50 (або 60 в залежності від стандарту) полів в
секунду. Для економії потужності передавача кадрові і рядкові синхроімпульси
рівні за розмахом (рівнем), але відрізняються за тривалістю і формою.

Рис.16.14. Форма повного телевізійного сигналу (зверху – спрощена для двох
сусідніх рядків, внизу – фактична з врізками зрівноважуючи імпульсів)

24

Рис. 16.15. Форма відеосигналу за періоди рядку (а) й кадру (б)

4. Форма та спектр відеосигналу чорно-білого телебачення
Определим границы спектра видеосигнала f. Он должен содержать
частотные составляющие в полосе от fmin до fmax и низкие частоты f0 в
частотном интервале 0...2 Гц, необходимые для передачи средней, очень
медленно меняющейся составляющей сигнала: f = f0 + fmin…fmax. Нетрудно
представить, что при построчной развертке спектр сигнала от простейшего (по
вертикали) изображения, показанного на рис. 3.7, содержит наинизшую
составляющую fmin = 1/Тк, равную частоте кадров fк. Эта нижняя граница
спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что
объясняется условиями покадровой передачи изображения.
Значительно сложнее определить верхнюю границу спектра. Высокие
частоты определяют тонкую структуру сигнала, т.е. воспроизведение контуров
и мелких деталей изображения. Структура сигнала зависит как от скорости
развертки, так и от размеров, формы и “прозрачности” апертуры, которая
определяется
распределением
плотности
электронов
по
сечению
развертывающего луча в плоскости развертки изображения. С достаточной
точностью форму апертуры можно принять за круг с постоянной плотностью
распределения электронов.

Рис. 16.16 К определению fmin (а) и fmах (б)
25

Примем, что время установления уст равно времени развертки одного
элемента изображения tэл; получим, что верхняя граничная частота спектра
сигнала
f max  1/ 2 уст  1/ 2tэл .
(16.2)
Если формат кадра k, число строк разложения z, номинальная частот
кадров fк, то число элементов в кадре Nк = Nz z = kz2 (вдоль строки растра
укладывается Nz = k z элементов), число элементов, передаваемых в одну
секунду, N0 = Nк fк = k z2fк и время передачи одного элемента изображения
определяется
1
1
tэл 
 2 .
(16.3)
N 0 kz f к
Из (16.2) получим, что верхняя граничная частота спектра
f max

kz 2 f к
1


.
2tэл
2

(16.4)

Разрешение мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра
несколько снижается, поэтому при условии равенства горизонтальной и
вертикальной четкости можно несколько сократить полосу частот в
р = 0,75...0,85 раз, где р – коэффициент Кэлла (Кэлл-фактор), определяемый
методом субъективных испытаний как отношение чисел разрешаемых черных и
белых горизонтальных линий и строк. И тогда

f max  pkz 2 f к / 2.

(16.5)

Вывод (16.5) сделан для идеализированной развертки. В действительности
изображение развертывается в течение не всего периода строки Тz, а только во
время прямого хода строчной развертки (1 – )Тz где  = zГИ/Тz – относительная
длительность строчного ГИ (рис.16.16, б). Время Тz, затрачивается на возврат
луча к началу последующей строки. То же относится и к развертке по кадру.
Время Тк затрачивается на возврат. луча к началу следующего
кадра – относительная длительность кадрового ГИ).
Таблица 16.1. Параметры разверток
Параметр

f, Гц

Т, мс

Т1, мс

Т2, мс

Такт, мс

ТГИ, мс

ГИ/Т

H

15625

0,064

0,057

0,007

0,052

0,012

 = 0,1875

V

50

20

19

1

18,4

1,6

 = 0,08

26

Телевизионным стандартом задаются число строк z и частота кадров fк,
которые будем называть номинальными. В действительности за длительность
кадра полезно развертываемых (активных) строк будет zа =(1 – )z, а z строк
будет потеряно за время обратного хода кадровой развертки. Реальное число
строк, определяющее четкость по вертикали, таким образом, получается ниже
номинального. Для отечественного стандарта номинальное число строк 625, в
действительности 575 строк – 50 строк приходится на обратный ход по кадру.
Заметим, что изменение соотношения длительностей прямого и обратного
хода кадровой развертки сказывается только на реальной четкости по вертикали
и не влияет на скорость развертки и, следовательно, на воспроизведение мелкой
структуры изображения, т.е. не сказывается на ширине спектра сигнала
изображения. При желании сохранить одинаковыми четкости по вертикали и по
горизонтали последнюю можно искусственно уменьшить путем сокращения
полосы частот в 1/(1 – )раз.
Иначе обстоит дело со строчной разверткой. Желая передать номинальное
число элементов в строке k z и сокращая длительность развертки строки за
счет длительностей обратного хода, будем расширять спектр ТВ сигнала.
Реальное время развертки одного элемента
tэл.р  Tz (1  α)/N z  (1  α)/kz 2 f к  tэл (1  α),

так как Tz  1/ f z  1/( fк z), a N z  kz. В этом случае граничная частота спектра
сигнала
f max

kz 2 f к
p
,
2(1  α)

(16.6)

т.е. она выше номинальной, так как величина  всегда положительная и меньше
единицы.
Реальные четкости по горизонтали и вертикали, как указано выше,
выбираются одинаковыми, и спектр ограничивается путем сокращения полосы
пропускания канала связи в 1/(1 – ) раз, т.е.
f max  p

kz 2 f к (1  β)
.
2(1  α)

(16.7)

Подставив в это уравнение значения коэффициентов р  0,8,  = 0,18 и  =
0,08, получим более простую формулу:
f max

kz 2 fк
 0, 9
.
2

(16.8)

Итак, сигнал яркости – сигнал широкополосный. Его спектр охватывает
полосу частот от fmin до fmax. Нижняя граница видеочастот fmin = fк = 50 Гц.
27

Значение fmax для построчной развертки подсчитаем, если в формулу (16.8)
подставим значения параметров разложения k = 4/3, z = 625 и fк = 50 Гц:

f max

4
6252  50
 0,9 3
 0,9 13 106 Гц=11,7 МГц.
2

Как видим, при построчной развертке значение fmax достаточно высоко и
будет вызывать определенные трудности при передаче видеосигнала по ТВ
тракту.
Рассмотрим некоторые особенности спектра сигнала яркости. Во-первых,
энергия спектральных составляющих сигнала быстро убывает с ростом частоты
(рис.16.17,а), т.е. размах ВЧ составляющих видеосигнала обычно невелик.
Поэтому в цветном ТВ именно в этом участке видеоспектра располагают
цветовые поднесущие частоты – влияние яркостного сигнала на сигнал
цветности будет незначительным.

Рис.16.17. Спектры видеосигнала в общем виде (а, б) и при построчном (в) и
чересстрочном (г) разложении

Из теоретического анализа спектра видеосигнала с учетом законов
развертки следует, что его спектр прерывистый, содержащий гармоники,
кратные частоте повторения строк (рис.16.17, б). Вокруг этих гармоник
строчной частоты группируются достаточно узкие полосы сигналов боковых
частот, обусловленных вертикальной (в данном случае – кадровой) разверткой
и движением деталей изображения. Гармоники строчной частоты со своими
боковыми образуют дискретные зоны энергии, несущие информацию о
передаваемом изображении.
28

Такой характер спектра позволяет совместить два и более спектра
аналогичных сигналов. Нетрудно представить, что если второй сигнал имеет
такой же дискретный спектр, но его отдельные зоны по частоте размещены
в промежутках первого, то оба сигнала можно передать в одном канале связи
и затем вновь разделить. Это свойство спектра видеосигнала использовано в
цветном телевидении и в ТВ измерительных устройствах.
При определенных сюжетах изображения боковые полосы соседних
гармоник строчной частоты могут перекрываться. При построчном разложении
(рис.16.17,в) в кадре содержится целое число строк (fz = z fк) и каждая строка
повторяется каждый кадр. Это значит, что расстояние между двумя соседними
линиями спектра гармоник строчной частоты кратно целому числу fк. Поэтому
при перекрытии спектров будет точное попадание друг на друга боковых линий
верхней боковой полосы одной строчной гармоники и нижней боковой полосы
последующей гармоники строчной частоты.
Рассмотрим еще одну особенность спектра сигнала яркости, связанную с
передачей движущихся объектов. Отметим, что импульсы сигнала яркости
могут быть как одиночными, так и повторяющимися. Периодичность
импульсов сигнала определяется принципом его развертки. Если передается
неподвижное изображение, сигнал периодичен с частотой повторения кадров и
частично с частотой повторения полей. Так как развертка производится
строками, следующими друг за другом, то сигналу присуща периодичность с
частотой повторения строк.
При передаче движущегося объекта содержание каждого последующего
изображения мало отличается от предыдущего. Скорость смены кадров ТВ
изображения значительно превосходит скорость движения изображений
объектов передачи по экрану. Это приводит к медленным изменениям периода
повторения компонентов сигнала.
Рассмотрим, как изменяется период повторения сигнала от изображения
объекта, движущегося в направлении развертки строк со скоростью v. Развертка
в этом случае как бы догоняет уходящее от нее изображение, и период
повторения сигнала по строке увеличивается. Новое значение периода Т′z будет
относиться к периоду строки Тz как Т′z/Тz = (1 – v/vx)-1, где vx – средняя скорость
развертки по строке.
Выразим частоту повторения сигнала через частоту строчной развертки fz :

f z  f z 1  v / vx   f к z 1  v / vx  .
Если положить наибольшую относительную скорость движения
изображения объекта vmax = 2b в секунду, где b – длина строки, то наибольшее
отклонение частоты сигнала от частоты развертки

29

 v
f max  f z  f z max  f z  f z  1  max
vx



vmax
2b
 fк z
 2 Гц.
  fz
vx
f к zb


Эти изменения, наряду с изменениями среднего значения яркости объекта,
составляют самые низкие частоты спектра видеосигнала. Они лежат в
интервале от 0 до 2...3 Гц и не передаются непосредственно в видеоканале, а
воспроизводятся косвенным методом.
В заключение отметим, что значение fmax однозначно определяет
горизонтальную четкость ТВ изображения (по строке), так как именно ВЧ
составляющие видеосигнала определяют качество передачи мелких деталей
передаваемого объекта и резкость переходов между различными уровнями
яркости. В то же время вертикальная четкость ТВ изображения зависит только
от числа строк в ТВ растре.
Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом строк
(рис.16.13,б) и уменьшить вдвое скорость развертки по горизонтали, то в
каждом «кадре» получится нецелое, вдвое меньшее число строк (назовем такой
растр полем), но из-за разности в полстроки строки растров первого и второго
полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки
полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками
первого. За два периода вертикальной развертки образуется полный растр,
аналогичный по числу строк исходному.
Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при
неизменных числе строк и частоте мельканий в 2 раза снизить скорость
строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем самым
уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спектра сигнала изображения.
В результате спектр сигнала для отечественного стандарта занимает полосу
частот от fmin = 50 Гц до fmax  6 Мгц
f max

4
6252  25
 0,9 3
 6 106 МГц.
2

При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через поле
(fz = z fк = z fп/2), т.е. каждый кадр один раз. Поэтому расстояние между двумя
соседними спектральными линиями гармоник строчной частоты кратно целому
числу fк, а поскольку при чересстрочном разложении z является нечетным, то
соответственно нечетному числу fк. Учитывая, что боковые полосы вокруг
строчных линий находятся на расстояниях, кратных частоте вертикальной
развертки – fп, при перекрытии спектров боковые линии соседних гармоник
строк не будут совпадать (рис.16.17,г). Соответственно расстояние между
гармониками строчной частоты через одну равно четному числу fк, т.е. целому
числу fп, так как fп = 2fк, и боковые линии спектров этих гармоник будут
совпадать.
30

Контрольні питання
1. Аргументуйте, для яких цілей здійснюється розгортка зображення на
передавальної стороні. Який вид розгорток знаходить застосування в ТВмовленні?
2. Аргументуйте функціонування складових частин системи передачі чорнобілих зображень.
3. Аргументуйте доцільність черезрядкової розгортки.
4. Аргументуйте основні фізичні процеси при передачі кольорових зображень.

31

ДОДАТОК Л. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №16

32

33

34

35

ЛЕКЦІЯ №17 СПОТВОРЕННЯ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО ЗОБРАЖЕННЯ
АНАЛОГОВОГО ТА ЦИФРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2004. – 606 с.
2. http://rus.625-net.ru/625/1999/01/krivosheev.htm

РОЗДАТНИЙ МАТЕРІАЛ: див. ДОДАТОК М
1. Якість телевізійного зображення аналогового телебачення(рос. мовою)
Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, тождественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта цель может быть достигнута с помощью стереоцветной системы со значительно более высокими качественными показателями, чем реализуемые в настоящее время. Поэтому в
первую очередь качество ТВ изображения ограничивается основными параметрами системы вещательного телевидения, регламентированными ГОСТ 784592 (формат кадра, разрешающая способность – число строк, число кадров, передаваемых в одну секунду, число мельканий, число полутонов и их распре деление в динамическом диапазоне изменения яркости репродукции, цветовой
охват и др.). Эти параметры определяют номинальное качество ТВ изображения, воспроизводимого данной системой.
Кроме этих ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу нарушается и из-за искажений изображения, возникающих практически во всех
элементах ТВ системы.
В настоящее время объективная и субъективная оценки параметров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также условия его наблюдения и
обработка результатов измерений регламентированы документами МККР и
ГОСТ 7845-92, 26320-84 и др. Большинство норм на искажения изображения
базируется на свойствах зрительной системы человека и экспериментальных
статистических исследованиях по определению допустимых значений этих искажений. Параметры электрических сигналов и их искажений в разных точках
тракта, как правило, оцениваются объективными методами с помощью специальных измерительных приборов, а результирующее качество ТВ изображений – визуально, по изображению универсальных оптических или электронных
телевизионных испытательных таблиц УЭИТ.
Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и методику их оценки.
2. Геометричні спотворення телевізійного зображення аналогового ТБ
(рос.мовою)
Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за изменения
координат передаваемых элементов. Эти искажения проявляются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимого ТВ изображения его ориги36

налу. Геометрическое подобие нарушается в основном из-за неидентичности
формы растра и относительных скоростей строчной или(и) кадровой разверток при анализе и синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет.
Номинальный формат растра k = b/h = 4/3 и относительные скорости разверток vк,стр(t) = const жестко заданы. Поэтому оценка величин геометрических
искажений производится по отклонению от номинальных значений указанных
параметров с помощью коэффициентов геометрических искажений.
На рис.17.1 приведены наиболее характерные геометрические искажения формы растра.
Коэффициенты геометрических искажений для этих частных случаев оцениваются следующим образом:
− при дисторсиях бочкообразного или подушкообразного вида, возникающих
в электронно-оптических системах фотоэлектрических преобразователей (рис.
17.1,а,б)
kг д в 

h
b
100 o o или kв д г 
100 o o ;
b
h

(17.1)

− при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за нарушения ортогональности оптической или электрической оси к плоскости изображения (рис. 17.1,в):
kг т  2

l2  l1
100 o o ;
l1  l2

(17.2)

− при искажениях типа “параллелограмм”, возникающих из-за нарушения ортогональности отклоняющих полей строчной или кадровой развертки (рис.17.1,г):
kг т  2

D2  D1
100 o o ;
D1  D2

(17.3)

− при несоответствии формата кадра на передаче и приеме (b/h) ≠ (bп/hп)
из-за нарушения соотношения размеров растра по вертикали или по горизонтали, т.е. величин отклоняющих полей кадровой или строчной развертки
(рис.17.1,д,е). Оценка величин искажений здесь нецелесообразна, так как искажения этого вида легко корректируются с помощью оперативных регулировок размеров изображения по вертикали и горизонтали;
− при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных периодических помех
(рис. 4.1,ж).
Геометрические искажения возникают также из-за неидентичности
относительных скоростей движения лучей передающей и приемной трубок
по вертикали или (и) горизонтали. Практически это чаще всего происходит
при нарушении на одной и сторон условия постоянства скоростей движения
луча по вертикали или (и) горизонтали vк,стр(t) = var, т.е. из-за нелинейности токов кадровой или (и) строчной развертки. В этом случае геометрические искажения в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно (рис.
4.2, а,б) оцениваются следующим образом:
h  hmin
b  bmin
kвв  2 max
100 o o ; kгг  2 max
100 o o , (17.4)
hmax  hmin
bmax  bmin
37

Рис. 17.1. Геометрические искажения изображения «шахматное поле»,
возникающие из-за искажений формы растра

где hmax, hmin (bmax, bmin) – экстремальные значения высоты (ширины) специальных элементов телевизионной испытательной таблицы на экране кинескопа.

Рис. 17.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за нелинейности сигналов кадровой (а) и строчной (б) разверток приемника (на ТЦ – линейная развертка)

Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практически незаметна для зрительного анализатора человека; при нелинейности 8...12 % изображение воспринимается как хорошее.
Измерение значений геометрических искажений изображений производится по квадратным или прямоугольным испытательным элементам, входящим в
состав специализированных (например, “шахматное поле”) или универсальных
испытательных таблиц. Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее
проводить по испытательным элементам в виде окружностей, так как иска38

жения формы этих испытательных элементов более заметны: оценка производится дифференциально по сравнительно большой площади таблицы и
нарушение любой части окружности в любом участке поля изображения четко
отмечается зрительной системой.
3. Градаційні спотворення телевізійного зображення аналогового ТБ
(рос.мовою)
Полутоновые (градационные) искажения ТВ изображения возникают изза уменьшения динамического диапазона изменения яркости оригинала –
контраста, изменения условий наблюдения изображения (паразитных засветок, размеров изображения и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за увеличения величины порогового контраста (L/Lф)пор.
В результате число полутонов (число пороговых градаций яркости) Аиз в
ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом полутонов при непосредственном наблюдении объектов Ао. В связи с этим ухудшается и опознавание
объектов.
Для улучшения распознаваемости деталей при Аиз = const (kиз = const) приходится перераспределять число градаций по динамическому диапазону изменения яркости репродукции – увеличивать число полутонов в сюжетно важном участке диапазона в области белого, т.е. для хорошо (и специально)
освещенных деталей изображения (за счет ухудшения распознаваемости объектов – уменьшения числа градаций в области черного). Подобная операция производится с помощью гамма-корректора. Она сводится к тому, что форма характеристики передачи уровней яркости ТВ системы изменяется гаммакорректором так, чтобы она соответствовала параболической функции с показателем степени, равным с = 1,2 ...1,3 (рис.17.3).
Форма характеристики передачи уровней яркости системы определяется формой световых характеристик фотоэлектрических преобразователей
свет-сигнал и сигнал-свет, а также формой амплитудной характеристики (АХ) тракта передачи сигнала яркости. Как правило, АХ тракта передачи ТВ
сигнала – зависимость выходного напряжения от
входного Uвых = f(Uвх) выполняется линейной. Поэтому нелинейные искажения сигнала яркости в
Рис.17.3 Форма характеритракте передачи сравнительно мало влияют на чисстики передачи уровней
ло воспроизводимых градаций.
яркости при различных с
Со световыми характеристиками преобразователей дело обстоит сложнее. Помимо того, что форма этих характеристик многочисленных датчиков ТВ сигнала различна, большое значение имеет и разброс
характеристик передающих и приемных трубок, так же как и выбор рациональных режимов их работы. Поэтому каждый датчик ТВ сигнала содержит гамма-корректор, форма АХ которого выбирается с учетом номинальной усредненной формы световой (модуляционной) характеристики кинескопов.
39

Все эти причины создают большие трудности по реализации оптимальных
условий воспроизведения полутонов, число которых сильно зависит и от конкретной индивидуальной настройки режима работы кинескопа (органы управления “Яркость” и “Контрастность” ТВ приемника).
Так как номинальное число градаций для сравнительно крупных деталей
достигает нескольких десятков, то оперативно измерить число воспроизводимых градаций ТВ репродукции практически не представляется возможным. Поэтому для ориентировочной оценки качества воспроизведения полутонов используют, как правило, 10-градационный клин – горизонтальную шкалу уровней (перепадов) яркости от Lmin до Lmax, каждый элемент которого отличается по
яркости от соседнего на несколько пороговых градаций. В оптических телевизионных испытательных таблицах (ТИТ) используют шкалы с логарифмическим, квадратичным или линейным распределением яркости вдоль шкалы. В
электронных ТИТ эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с
равномерными перепадами напряжения (“ступеньками”) (рис.17.4,а).

Рис.17.4. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яркости на
экране ТВ приемника uc1 (а) и для измерения нелинейных искажений сигнала яркости
uc2 (б); uc2вых – синусоидальная насадка, выделенная полосовым фильтром из сигнала uc2
на выходе тракта (в)

Нелинейные искажения сигнала яркости, возникающие из-за нелинейной
формы АХ тракта передачи, также оцениваются с помощью ступенчатого или
пилообразного сигнала. Для удобства измерений в этот сигнал вводятся синусоидальные колебания с частотой 1,2 МГц и размахом около 10 % от размаха
сигнала яркости (рис.17.4,б). На выходе тракта или его участка синусоидальная
насадка выделяется полосовым фильтром (рис.17.4,в). Коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле
m  mmin
kн  max
100 o o ,
(17.5)
mmax
где mmax, mmin – экстремальные значения размаха синусоидального сигнала,
пропорциональные соответствующим значениям крутизны АХ (дифференциальному усилению на частоте 1,2 МГц).
Для более точного описания нелинейности АХ целесообразно использовать раздельную оценку величин коэффициентов искажений для областей белого и черного
40

kн б 

mср  mб
mср

100 o o ; kн ч 

mср  mч
mср

100 o o ,

(17.6)

где mб, mч – экстремальные значения размаха синусоидального сигнала в
областях белого и черного соответственно; mср – размах сигнала в середине пакета синусоидальных колебаний (рис.17.4,в).
Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображения вызывает также неравномерность яркости фона, возникающую из-за специфических
искажений в передающих трубках (“черное пятно”, см. гл.6) и нарушений работы схем фиксации уровня черного.
Наилучшее качество изображения получают установкой (методом последовательных приближений) оптимальных значений яркости и контрастности
изображения на экране кинескопа так, чтобы добиться максимально возможного числа различимых глазом уровней яркости градационной шкалы (см. рис.
4.9). При разрешении 8...9 градаций яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим.
4. Спотворення чіткості телевізійного зображення аналогового ТБ
(рос.мовою)
Четкость изображения оценивается относительным размером минимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость – относительным размером границы между фоном и деталью с равномерной яркостью; причем длительность сигнала от этой детали должна превышать длительность переходных
процессов в системе. Размеры деталей и границ измеряются в относительных
единицах – по отношению к высоте изображения h, а четкость – в условных
единицах – строках или ТВ линиях. Например, если визуально на репродукции
различаются детали размером не менее (1/500)h, то четкость изображения составит 500 ТВ линий. Параметры четкость и резкость изображения связаны
между собой, так как характеризуют способность системы реагировать на
быстрые изменения яркости оптического изображения.
В отличие от фото- и кинорепродукций четкость ТВ изображения оценивают раздeльно по вертикали и горизонтали из того, что их величины обусловлены разными факторами.
Номинальная четкость изображения по вертикали определяется дискретной структурой растра – числом строк разложения изображения z = 625. Так как
конфигурация одного элемента изображения принимается в виде квадрата или
окружности размером h/z, то вдоль строки изображения должно содержаться
пропорциональное число элементов разложения: в соответствии с форматом
кадра k = b/h = 4/3 оно определится как kz  (4/3)625  800.
Номинальная четкость изображения по горизонтали зависит в основном
от ширины спектра сигнала яркости, так как высокочастотные составляющие
спектра несут информацию о мелких деталях изображения и качество их передачи определяет разрешающую способность ТВ системы.

41

Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать номинальное значение из-за ограничений, накладываемых нормированными параметрами системы, в частности числом строк z = 625 и шириной спектра
f  6,0 МГц сигнала яркости, определяющих воспроизведение минимальной
детали в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Поэтому искажения четкости (резкости) всегда связаны с уменьшением ее номинального значения, ограничиваемого реальными параметрами данной ТВ системы, и в частности:
− качеством фокусировки, наличием аберраций и формой апертурных (контрастночастотных) характеристик электронно-оптических систем фотоэлектрических преобразователей;
− качеством чересстрочной развертки;
− реальной шириной спектра ТВ сигнала, т.е. линейными искажениями в области высоких частот тракта передачи сигнала яркости.
Как известно, линейные искажения тракта и его участков описываются с
помощью разных, но полностью равноправных методов анализа с помощью частотных характеристик: у() – амплитудно-частотной (АЧХ), () – фазочастотной (ФЧХ), а также с помощью h(t) – переходной характеристики как реакции системы на единичный скачок яркости (или сигнала изображения).
“Язык” частотных характеристик более удобен для анализа конкретных причин,
способов коррекции и определения результирующих искажений тракта по
частным параметрам его участков. Недостаток этого метода – трудность интерпретации (отождествления) влияния величин и характера линейных искажений на проявление их в изображении. Достоинство ПХ – четкая качественная
связь искажений изображения с искажениями формы ТВ сигнала. Поэтому эти
методы удачно дополняют друг друга, что и определяет целесообразность их
сопоставления.
На рис.17.5 приведены типичные случаи искажений АЧХ в области высоких
частот полосы пропускания тракта и качественно соответствующие им формы
ПХ в области малых времен, соизмеримых со временем передачи одного элемента изображения. Пусть форма кривых 1 этих характеристик соответствует
номинальным, нормированным в соответствии с принятыми параметрами ТВ
системы и допустимыми искажениями изображения: спадом АЧХ на верхней
граничной частоте fв (или в полосы пропускания yв1 и длительностью фронта
ПХ ф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9 ее установившегося значения.
Спад АЧХ yв2 < yв1 и соответствующее увеличение длительности фронта ПХ
ф2 > ф1 приводит к уменьшению уровня высокочастотных составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от мелких деталей и увеличению
длительности перепадов. Как следствие, четкость и резкость изображения
уменьшаются, так как контраст самых мелких деталей становится ниже порогового, а протяженность границ деталей увеличивается.
Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ yв3 > yв1 и соответствующее уменьшение длительности фронта ПХ ф3 < ф1, приводит к некоторому повышению четкости.
42

Рис.17.5. Искажения АЧХ в области высоких частот полосы пропускания
тракта передачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области малых времен (б)

При этом на горизонтальной части ПХ может возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответствии с искажениями формы ПХ искажаются и
детали изображения: после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возникнуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей интенсивностью (ложные контуры). Если же колебательный процесс апериодичен, т.е. имеется только один первый выброс , то границы детали как бы подчеркиваются. Эти искажения называются “пластика”. В ряде случаев небольшая пластика может быть даже полезна, так как за счет подчеркивания границ
деталей улучшается распознаваемость объектов.
Следует еще раз отметить, что существенное повышение четкости можно
получить только за счет увеличения числа строк разложения и расширения
спектра ТВ сигнала fв > 6 МГц (при соответствующем увеличении полосы пропускания канала связи), что практически реализуется только в специальных системах телевидения высокой четкости (ТВЧ) при z = 1000...3000 и i
fв = kz2n/2 = 15...150 МГц.
Для оценки четкости по горизонтали ТВ изображения используются вертикальные штриховые миры с одним - тремя штрихами одинаковой толщины d,
а также многоштриховые миры с одинаковой или с плавно меняющейся по вертикали толщиной штрихов (и подобными же промежутками между ними). В
электронных ТИТ для этой цели используются пакеты синусоидальных колебаний с частотами 2,8...5,8 МГц. Около этих мир, как правило, нанесены числа
условных единиц измерения четкости, соответствующие примерно относительной толщине штрихов h/d = 200…500 ТВ линий. Для количественной оценки
четкости наблюдатель определяет область, где штрихи миры перестают различаться. Резкость воспроизведения вертикальных границ оценивается по осциллограмме длительности фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ.
Оценка четкости по вертикали с помощью горизонтальных штриховых мир
затруднена муаром, возникающим из-за биений достаточно близких простран43

ственных частот, которые образуются дискретными структурами ТВ растра и
штрихов миры. Поэтому с помощью ТИТ оценивается только качество чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий. При слипании (сближении) строк четного и нечетного полей растра эти линии воспроизводятся в виде
ступенчатых кривых.
Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображения. Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображения, так же как и мелких,
возникают в большинстве случаев из-за линейных искажений в тракте передачи
сигнала. Но в данном случае изменение яркости и цветности деталей является
следствием искажений АЧХ в области низких частот полосы пропускания, т.е.
ПХ в области средних и больших времен, сравнимых соответственно с длительностями строки и кадра. Поэтому термины “средние” и “крупные” детали в
достаточной мере условны, так как речь идет об искажениях яркостей деталей
(и фона за ними), размеры которых по горизонтали сравнимы с длиной активной части строки b (рис.17.6), а по вертикали и с высотой кадра h соответственно. Практически вместо ПХ анализируется реакция системы на П-образные импульсы, длительности которых сравнимы с указанными временными интервалами.
В широкополосных резисторных видеоусилителях переменного тока линейные искажения в области низких частот (спад АЧХ, см. рис.17.6,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепочек RпCп между каскадами. Эти цепочки представляют собой частотно-зависимые делители сигнала, практически
проявляющие свои дифференцирующие свойства только на низких частотах
полосы пропускания. В результате сравнительно слабого дифференцирования
импульса от детали средних размеров на вершине его появляется спад, а за ним
– тянущееся продолжение с постепенно убывающей интенсивностью. Так как
при этом передний и задний фронты импульса (перепады яркости) передаются
без искажений, то уменьшение напряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение яркости фона за деталью) численно равно величине спада
вершины импульса (уменьшению яркости детали – сп, рис. 4.5,6).

Рис.17.6. Искажения АЧХ в области низких частот полосы пропускания тракта (а)
и искажение сигнала от «средней» белой детали на сером фоне (б)

Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при передаче детали
с наибольшей яркостью (размером примерно b/2) на сером фоне, так как если
44

яркость детали уменьшится на единицы процентов, то это приведет к значительному уменьшению яркости фона за деталью (на десятки процентов).
Например, при
сп 

Lд  Lд
Lд

100  1 o o

и контрасте детали k = Lд/ Lф = 20 яркость фона после нее уменьшится на
ф 

 сп Lф сп Lд


  сп kд  20%.
Lф
Lф
Lф

(17.7)

Это четко отмечается глазом как медленно уменьшающееся черное тянущееся продолжениё вдоль строки “за белым – черное” (или за черными деталями –
“за черным – белое”). Если допустимое изменение яркости фона принять равным величине порогового контраста
 Lф

 Lф


 L 
  
  2...5%
доп  Lф пор

, то тянущиеся продолжения согласно (17.7) возникнут при изменении яркости
белой детали всего на
сп 

(Lф / Lф )
kд



2...5
 0,10...0, 25%.
20

(17.8)

Подобные значения спада ТВ сигнала (яркости изображения) даже инструментальными объективными измерениями оценить затруднительно.
При перекоррекции АЧХ (рис.17.6, кривые 3) за деталями возникают тянущиеся продолжения другого “знака” (“за белым – белое”, “за черным – черное”).
Длительность сигнала изображения от крупных деталей, размер которых
составляет некоторую часть кадра, во много раз превышает длительность сигнала от средних деталей. Поэтому он искажается значительно больше при прочих равных условиях. Максимальные искажения будут наблюдаться при передаче белой и серой горизонтальных “деталей” с размерами каждой, примерно
равными половине кадра (см. рис. 17.6). При этом тянущиеся продолжения могут весьма заметно исказить яркость серой части кадра на значительной его
площади. Однако эти искажения корректируются с помощью фиксации уровня
черного ТВ сигнала во время следования строчных гасящих импульсов. В результате фиксации уровня черного величина остаточных изменений яркости деталей и фона получается такого же порядка, как и у деталей средних размеров.
Заметим, что с помощью фиксации уровня черного изменения яркости внутри
активной части строки не корректируются.
Таким образом, специфика искажений средних и крупных деталей заключается в четкой заметности даже весьма малых значений этих искажений, а
также в необычном проявлении их на изображении. Они воспринимаются в основном как тянущиеся продолжения за деталями, т.е. как появление заведомо
ложных “узоров”, не содержащихся в подавляющем большинстве изображений
и не возникающих ни в фото-, ни в кинорепродукциях.
45

Оценка величины тянущихся продолжений производится по специальным
испытательным сигналам, например по симметричным П-образным импульсам
с частотой следования 15625 Гц (средние детали) и с частотой следования 50
Гц, прорезанными строчными гасящими импульсами (крупные детали) (см. рис.
14.5). Визуально эти искажения оцениваются по качеству воспроизведения
наибольших по размеру черно-белых деталей, входящих в состав универсальных ТИТ, или по бело-серо-черным и черно-серо-белым испытательным элементам УЭИТ
5. Кольорові спотворення зображення аналогового ТБ
Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие яркости, и оцениваются числом порогов цветоразличимости. Искажения цветности изображения в ТВ системах возникают из-за:
− использования реальных красного, зеленого и синего люминофоров цветных
кинескопов, спектральные характеристики и насыщенность которых ограничивают воспроизведение максимального цветового охвата (диапазона воспроизводимых цветов, который может быть реализован в рамках трехкомпонентной
ТВ системы);
− использования реальных источников освещения, цветоделительных устройств
и передающих трубок, спектральные характеристики которых не полностью
обеспечивают верность цветопередачи;
− линейных и нелинейных искажений ТВ сигнала, возникающих в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, а также в тракте передачи и особенно в устройствах формирования и селекции сигналов яркости и
цветности;
− разброса параметров, старения, неоптимальных режимов работы элементов
системы и в первую очередь цветных кинескопов;
− рассовмещения и неидентичности растров цветоделенных изображений, перекрестных искажений и наличия временного сдвига между сигналами яркости
и цветности из-за различных условий их передачи (в частности, разной полосы
пропускания соответствующих каналов тракта), которые вызывают цветные
окантовки, повторы (ложные контуры) и т.п., нарушения в репродукциях деталей изображения;
− специфических особенностей передачи и селекции сигналов цветности в различных системах цветного телевидения (ЦТ).
С помощью специальных устройств – цветокорректоров, корректоров
нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров) и др. – на телецентрах производится компенсация цветовых искажений при условии использования на приемной стороне цветного кинескопа со среднестатистическими нормированными характеристиками.
Цветовые искажения оцениваются по качеству воспроизведения специальных электрических испытательных сигналов, имитирующих опорные цвета.
Например, широко используются сигналы, формируемые специальным генератором цветных вертикальных полос (ГЦП), с помощью которых на экране
кинескопа воспроизводится восемь наиболее важных цветов: белый, желтый,
46

голубой, пурпурный, красный, синий и черный. Подобные две цветовые шкалы
с разной насыщенностью использованы для визуальной оценки верности цветопередачи и в УЭИТ.
6. Вплив завад на якість телевізійного зображення (рос.мовою)
Помехи в процессе формирования, передачи и приема ТВ сигналов, могут
значительно ухудшить качество изображения. Влияние разнообразных помех на
качество изображения проявляется в основном в двух видах:
− воздействие помех на сигналы изображения вызывают нарушение яркости и
цветности деталей изображения;
− воздействие на сигналы синхронизации разверток приводит к нарушению
формы растра, т.е. к искажению координат элементов изображения (вплоть до
полного разрушения его структуры).
Конкретные формы проявления мешающего действия помехи зависит от ее
вида. К числу наиболее характерных помех относятся:
− флуктуационные помехи;
− сетевые фоновые помехи с частотой сети и ее гармоник до 1 кГц;
− гармонические регулярные помехи в виде полос, сетки, муара, посторонних
узоров и т.д.;
− импульсные помехи различного происхождения в виде точек, штрихов разной
протяженности;
− перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровождения;
− эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизионных сигналов и рассогласования линий связи;
− шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возникающие при
использовании ТВ сигнала в цифровой форме для передачи и коррекции сигналов, а также для формирования видеоэффектов и преобразования стандартов
различных ТВ систем.
Визуально особенно заметны помехи, быстро меняющие свою яркость и
цветность или движущиеся по полю изображения, т.е. некратные частотам
строк или кадров, например сетевые, гармонические, импульсные, флуктуационные и др.
Особое место занимают флуктуационные шумы, так как в отличие от других видов помех они в принципе присущи всем электронным устройствам.
Причиной возникновения флуктуационных помех является хаотическое движение электронов в резистивных сопротивлениях – тепловой шум, а также
флуктуации светового потока и тока в фото-электрических преобразователях,
усилительных элементах и т. п. Засорение ТВ сигнала шумами обычно происходит в тех узлах тракта, где размах сигнала изображения небольшой и сравним
с уровнем флуктуационных помех (в передающих трубках, во входных цепях
предварительных усилителей передающих камер, в линиях связи большой про47

тяженности, во входных цепях ТВ приемников и др.), а также, как правило, при
коррекции любых искажений ТВ сигнала (см.гл.14).
Флуктуационные помехи воспроизводятся на ТВ изображении в виде мерцающих хаотически движущихся мелких точек и штрихов.
Наиболее отчетливо эти помехи проявляются на серых участках изображения, где даже сравнительно незначительная их величина существенно изменяет
яркость изображения. При большом уровне помех создается как бы паразитная
засветка экрана. В результате ухудшаются все параметры изображения – четкость, резкость, уменьшается контраст (особенно мелких деталей), число полутонов и т.д.
Флуктуационные помехи имеют непрерывный спектр. Поэтому величина
помех и их визуальное восприятие зависят от ширины полосы пропускания канала связи и от характера распределения мощности шумов по спектру.
Спектральная плотность мощности тепловых помех на резистивном сопротивлении R не зависит от частоты – “белый шум” – и равна

Sш б  dUш2 / df  4ktR,
–23

(17.9)
Дж/К – постоянная Больцмана;

где Uш – напряжение помех; k = 1,3810
Т – абсолютная температура, К.
Действующее значение напряжения флуктуационных помех
U ш 



fв
fн

Sш ( f ) df 



fв

0

S шб df  4kTf в ,

(17.10)

где fн , fв – граничные частоты полосы пропускания устройства (как правило,
принимают fн = 0, так как fd >> fн .
Спектральная плотность мощности флуктуаций тока также не зависит от
частоты (белый шум). Эти помехи принято оценивать как эквивалентные тепловые по (17.10) в соответствующем эквивалентном сопротивлении шумов Rш.
Однако подобная энергетическая оценка величины помехи не учитывает
визуальное восприятие различных спектральных составляющих шумов. Из-за
меняющейся чувствительности глаза в зависимости от размеров и цветности
деталей низкочастотные составляющие «зеленой» флуктуационной помехи создают большее мешающее действие, чем высокочастотные (да еще окрашенные
в красные или синие тона). Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью экспериментально определенных весовых функций помех:
− для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис.17.7, кривая 1)
эта функция
yвзв (ω) 

1
1

,
2
1  ω 2 τ взв
1  4, 29 f 2

(17.11)

где взв = 0,33 мкс – постоянная времени взвешивающей цепи; f – частота,
МГц;
− для композитных сигналов (сигналов яркости, в высокочастотной области которых размещены сигналы цветности) различных систем ЦТ (рис. 17.7, кривая
2)

48

yвзв (ω) 

2
1  b 2 ω2 τвзв
1  0,117 f 2

,
2
1  (1  b 2 )ω2 τвзв
1  3,54 f 2

(17.12)

где взв = 0,245 мкс; b = 1/4,5; f – частота, МГц;
− для композитного сигнала системы SЕСАМ (рис.17.7, кривая 3) со вторым
максимумом в области спектра сигнала цветности;
− для сигнала цветности системы SЕСАМ (рис.17.8).
Степень зашумленности ТВ сигнала принято оценивать отношением сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха:
ψ=U c /U ш , ψ=U c /U ш ,
(17.13)
где Uc – размах сигнала изображения;
U ш 



fв

0

Sш ( f )df ; U ш 



fв

0

Sш ( f ) yвзв ( f ) df

– действующее (эффективное) значение напряжения помехи и ее взвешенное
значение соответственно.
Особую роль для сопоставления и определения результирующего мешающего действия помех имеет отношение сигнал/взвешенная помеха при оценке
зашумленности ТВ сигнала от источников с разной формой спектральной плотности мощности помех, например белого шума (передающая трубка, ее сопротивление нагрузки и др.) и “треугольного шума” (предварительный усилитель
передающей камеры и др.).

Рис.17.7 Весовые функции видности флук- Рис. 17.8. Весовая функция
туационных помех: 1 – для сигналов яркости и видности флуктуационных
основных цветов; 2 – для композитных сигна- помех канала цветности силов различных систем ЦТ; 3 – для композитностемы SECAM
гоРазличное
сигнала системы
SECAM “красных”, “зеленых” и “синих” флуктуационных
восприятие

помех оценивается с помощью экспериментально установленных коэффициентов относительной видности, соответственно равных  = 0,40;  = 1,0;  = 0,35.
При этом напряжения визуально одинаковых помех соотносятся как
U ш R /U шG /U ш B =2,50/1,00/2,86.

(17.14)
Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью достаточно
сложных специальных приборов. Качество изображения считается хорошим,
если  = 30...40 дБ.

49

7. Апертурні спотворення телевізійного зображення
Диаметр апертуры электронного луча d, даже хорошо сфокусированного,
“математической точкой” считать нельзя. Более того, он даже может превышать
размеры некоторых мелких деталей изображения. Это приводит к апертурным
искажениям – размытию резких границ (контуров) на изображении (уменьшению резкости) и уменьшению размаха сигнала от мелких деталей (ухудшению
четкости). Последнее вызывает уменьшение контраста в мелких деталях, и при
уменьшении его до порога различимости детали вообще не воспроизводятся на
изображении. Итак, конечные размеры апертуры ограничивают четкость и резкость ТВ изображения (разрешающую способность системы).
Появление апертурных искажений иллюстрируется рис.17.8а, где а – объект
с переменной детальностью (а = var), сканируемый развертывающим элементом с конечной апертурой d (а1 = d; а2 < d; а3  d; б – форма вндеосигнала на
выходе преобразователя свет-сигнал; в – форма апертурной характеристики для
различных передающих ТВ трубок. Сигнал в каждый момент времени пропорционален средней яркости в пределах апертуры диаметром d. Относя значение
сигнала к положению ее центра, легко построить зависимость ic(t) при прохождении границы раздела черно-белых полей.

Рис.17.8а Апертурные искажения сигнала:
а – объект переменной
структуры;
б – форма видеосигнала; в –
апертурные харктеристики
суперортикона 1, видикона 2
и плюмбикона 3

Резкому перепаду яркостей Lmin и Lmax (рис.17.8а,а) соответствует сигнал с
плавным переходом от значения imin к imax длительностью уст.
Если размеры деталей меньше размеров развертывающего пятна, размах сигнала уменьшается.

50

Если чередуются черно-белые детали с размером, равным половине (или
менее) диаметра апертуры, то сигнал пропорционален их средней яркости. Поэтому детали подобных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрируется
рис.17.8а,б, на котором построен сигнал изображения от полос с чередующейся
яркостью Lmin и Lmax.
Зависимость глубины модуляции сигнала m = i (где i = imax – imin) от размера элемента (числа строк разложения z) называется апертурно-импульсной частотной характеристикой (рис.17.8а,в); в научно-технической литературе широко используется сокращенное название – апертурная характеристика.
Таким образом, вследствие конечного размера апертуры электронного луча
видеосигнал содержит не только полезную информацию о яркости передаваемого в данный момент времени элемента изображения, но и паразитную составляющую от соседних элементов по горизонтали и вертикали.
8. Оцінка якості зображення за допомогою телевізійних випробувальних
таблиць
Оперативная оценка качества изображения по ТИТ широко практикуется в
ТВ системах. С помощью специализированных ТИТ оценивается обычно одиндва качественных параметра (рис.17.9), а с помощью универсальных – все основные (рис.17.10). Преимущество универсальных ТИТ очевидно. Однако при
их использовании либо уменьшается точность оценки качественных параметров за счет огрубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных локальных местах кадра из-за ограниченных возможностей размещения в поле
таблицы большого числа различных испытательных элементов.
Указанные ТИТ могут быть оптическими (см. рис.17.9) или электронными
(см. рис.17.10, рис.17.11). Преимуществом оптических таблиц является возможность оценки результирующего качества изображения при проверке всего
тракта системы “от света до света”, а также оценки величины искажений как в
передающем, так и в приемном оборудовании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, да еще в многочисленных идентичных экземплярах создать весьма сложно из-за сравнительно быстрого старения цветных испытательных элементов – изменения их спектральных характеристик. Поэтому в ЦТ для оценки
искажений возникающих в видеоусилительном тракте телецентра, линиях связи
и в приемниках, используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) составляется из эталонных электрических сигналов, формируемых специальным генератором. Искажения в передающем оборудовании оцениваются по монохромным ТИТ и специальными методами.
Универсальная электронная таблица предназначена для объективного и
субъективного контроля основных параметров и их искажений в тракте передачи черно-белого и цветного телевидения. Назначение испытательных элементов
таблицы, как правило, многофункционально. В то же время оценка тех или
иных искажений производится по разным испытательным элементам или по
51

одинаковым, но расположенным в разных местах рабочего поля для дифференциальной оценки этих нарушений.

Рис.17.9 Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных) искажений

Рамка таблицы (см. рис.17.10) состоит из черно-бело-черных штрихов, расположенных по периметру УЭИТ и образованных сигналами с уровнями
(0/100/0)% от максимального размаха сигнала. Белые штрихи между черными
полосами служат реперными линиями рабочего поля таблицы форматом 4/З.
Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное двадцатью (1...20)
горизонтальными и 26 (а...э) вертикальными серыми полосами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создаются синус квадратичными

Рис.17.10. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ
52

Рис.17.11. Универсальная электронной испытательной таблицы УЭИТ

импульсами длительностью 0,16...0,I7мкс; толщина горизонтальных линий –
две строки; размах сигнала линий и серых полос составляет (75/37,5)%.
Рассмотрим методику оценки величин основных параметров ТВ изображения по УЭИТ на экране кинескопа приемника. Обычно этой оценке
предшествует несколько подготовительных операций, которые проводятся методом последовательных приближений (неоднократным повторением). Ориентировочно порядок их проведения может быть следующим.
Установка размеров (формата) и центровка рабочей части таблицы. Эти
операции проводятся по реперным линиям и центральному перекрестию сетчатого поля с помощью регуляторов “Размер по вертикали”, “Размер по горизонтали” и специального магнита центровки на горловине черно-белого кинескопа.
При формате 4/3 реперные белые линии совмещаются с обрамлением экрана
трубки. При формате 5/4 (используемом в большинстве кинескопов по конструктивным соображениям) с горизонтальным обрамлением экрана совмещаются наружные черные края рамки, а с вертикальным – внутренние черные
края. Правильность установки формата изображения визуально оценивается по
квадратам сетчатого поля и центральной окружности. При нарушении квадраты
воспроизводятся как прямоугольники, а окружность напоминает эллипс (при
сравнительно небольших искажениях линейности строчной и кадровой разверток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы центральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.
Коррекция геометрических (координатных) искажений из-за нелинейности разверток. Коррекция производится с помощью регулировок “Линейность по вертикали” и “Линейность по горизонтали”; инструментальная оценка
ее результата – по квадратам сетчатого поля, а визуальная – по окружностям в
центре и в углах таблицы.
53

Статическое и динамическое сведение лучей цветного кинескопа. Проверка производится соответственно по центральному перекрестию осевых вертикальной и горизонтальной линий сетчатого поля и осевым линиям на краях
растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по углам таблицы.
При рассовмещении лучей кинескопа необходимо провести ряд операций по
регулировке сведения лучей.
Минимизация полутоновых (градационных) искажений. Эта операция
проводится с помощью выбора оптимальных значений яркости и контрастности
изображения (максимального размаха ТВ сигналов) для наилучшего воспроизведения шкалы уровней яркости 8б...8ц. Один из методов установки этих параметров заключается в следующем. Вначале с помощью регуляторов “Контрастность” и “Яркость” устанавливается минимальное значение контрастности, а
затем – величина яркости изображения так, чтобы испытательный элемент
шкалы 8в (уровень сигнала на 3 % “чернее” уровня черного) визуально отличался по яркости от черных элементов 8б и 8г (0 %). После этого яркость
уменьшается до потери различимости этих трех испытательных элементов, а
контрастность устанавливается в положение, при котором воспроизводится
наибольшее число (как правило, 8 – 10) градаций шкалы. Черный и белый испытательные элементы шкалы являются опорными уровнями минимальной и максимальной яркости, определяющими контраст изображения.
После выполнения этих операций можно приступить к оценке значений
других качественных параметров. Рассмотрим особенности оценки наиболее
важных из них.
Четкость по горизонтали (качество воспроизведения мелких чернобелых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четкости 13б... 13щ
и подобным же испытательным элементам мир внутри окружностей по углам
таблицы. В центральной части таблицы штрихи образованы семью пакетами
синусоидальных колебаний с частотами 2,8; 3,8; 4,8 и 5,8 МГц, что соответствует четкости 200, 300, 400 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами
2, 3, 4 и 5), а в углах – колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ
линий). Отсчет четкости производится по разрешению наименьших по размеру
черно-белых штрихов.
Резкость воспроизведения вертикальных границ деталей изображения
характеризуется интервалом времени нарастания от 10 до 90% уровня сигнала
изображения. Он измеряется с помощью осциллографа с выделением строки по
сигналу от черно-белых квадратов 16и... 16т.
Цветовая четкость (воспроизведение цветных деталей в горизонтальном
направлении) оценивается по воспроизведению пурпурных и зеленых, желтых
и синих, а также красных и голубых штрихов 9е...9х. Искажение цветности
штрихов и ее неоднородность чаще всего возникают из-за неточной настройки
контура селекции сигнала цветности из спектра сигнала яркости в ТВ приемнике. Частота следования сигналов штрихов 0,5 МГц.
Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по качеству
чересстрочной развертки с помощью оценки воспроизведения наклонных бе54

лых линий в испытательных элементах 10с...10х и 11е... 11к. При нарушении
чересстрочной развертки линии воспроизводятся с изломами.
Качество воспроизведения средних деталей, т. е. наличие за ними тянущихся продолжений оценивается по бело-серо-черным 10е...10х и черносеро-белым 11е…11х испытательным элементам, а также по черно-белым квадратам и деталям с плавно изменяющимися горизонтальными размерами
16б...16щ.
Баланс белого определяется соотношением токов трех лучей цветного кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (градационной мире)
8б...8щ, все элементы которой должны воспроизводиться как черно-белые, т.е.
не должны окрашиваться. Кроме того, баланс белого контролируется по совпадению цветового тона одноименных участков цветовых шкал 6 – 7б...6 – 7щ и
14 – 15б... 14 – 15щ, которые выполнены с разными яркостью и насыщенностью. Баланс белого регулируется с помощью изменения напряжений на электродах кинескопа.
Однородность цвета по рабочему полю изображения контролируется по
крупным белым, серым и черным участкам большой протяженности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках наблюдаются обширные пятна с малой насыщенностью.
Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум цветовым шкалам: шкале 6 – 76...6 – 7щ с пониженной насыщенностью – уровень
“белого” 75 %, уровень “черного” 37,5 %, экстремальные уровни сигнала цветных полос (75/37,5) % (т.е. уровни всех сигналов составляют 75/37,5/75/37,5);
шкале 14 – 15б...14 – 15щ с повышенной насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями 75/0/75/0. Чередование цветов испытательных элементов шкалы: белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, серый (черный). Последовательность и цветовой тон элементов обеих шкал должны соответствовать указанным цветам.
Искажения изображёния типа “эхо” – многоконтурность, окантовки и
т.п., возникают из-за перекоррекции АЧХ в области высоких частот (см. § 4.4),
приема прямого и отраженного радиотелевизионных сигналов, рассогласования
линий связи, несовпадения во времени сигналов яркости и цветности. Они оцениваются по воспроизведению одиночных черных и белых штрихов (например,
10е и 11е), вертикальных линий сетчатого поля, цветных испытательных элементов и др.
Наряду с УЭИТ часто используется испытательное изображение в виде
восьми широких вертикальных цветных полос, аналогичных испытательным
элементам цветовых шкал УЭИТ. Подобный сигнал формируется специальным
генератором электрических сигналов ГЦП. Он может вводиться и контролироваться практически в любых точках тракта.
Для оценки результирующего качества изображения и его отличия от номинального предложен интегральный критерий качества, величина которого
определяется значениями многочисленных частных параметров качества. Важность подобного критерия обусловлена тем, что только на его основе возможно
научно обоснованное нормирование параметров ТВ системы в целом и ее зве55

ньев с учетом “обмена” величин частных параметров качества (например, увеличение четкости за счет уменьшения отношения сигнал/помеха и т.д.). Применение интегрального критерия позволит использовать адаптивную автоматическую коррекцию искажений в отдельных звеньях тракта, и особенно в ТВ приемниках. Без подобной адаптации невозможно учесть все многообразие индивидуальных особенностей обработки сигналов, работы конкретных ТВ
устройств и возникающих в них искажений.
Однако до настоящего времени разработать реально приемлемый интегральный критерий качества не удалось из-за чрезвычайно сложной формализации связей между субъективными обобщенными оценками качества ТВ изображения и частными объективными параметрами ТВ устройств. Использование
мини-ЭВМ, формализация связей между частными параметрами и разработка
алгоритма для определения интегрального критерия качества ТВ изображения
помогут решить задачу повышения качества изображения.
9. Спотворення телевізійного зображення в цифровому ТБ
9.1 Загальна характеристика
Цифровые технологии в телевидении позволили устранить многие недостатки, присущие аналоговым системам, и значительно повысить качество доставки потребителям аудиовизуальной и другой информации. На их основе
разработаны эффективные алгоритмы сжатия потоков цифровых сигналов программ ТВ-вещания. Появление цифровых систем передачи телевизионного сигнала, использующих способы компрессии, основанные на устранении информационной и психофизиологической избыточности, потребовало разработки
новых методов оценки качества воспроизводимого изображения в таких системах, учитывающих особенности зрительного восприятия.
Измерения качественных показателей телевизионных изображений могут
быть разделены на две группы: объективные и субъективные.
Объективные измерения выполняются с помощью специальных приборов.
Целью прямых измерений является непосредственная оценка качества
изображений. Косвенные измерения выполняются с использованием испытательных сигналов.
Субъективные измерения предполагают оценку качества изображений
наблюдателями, т.е. зрителями. Эти измерения всегда являются прямыми, поскольку мнение зрителей о качестве воспроизведения испытательных сигналов или таблиц с использованием каких-либо шкал субъективных величин
не имело бы никакого смысла.
Хотим подчеркнуть, что основополагающая концепция измерений и оценки качества изображений в цифровом ТВ-вещании впервые предложена и в деталях разработана в России.
Она включает следующие основные положения:
56

1. Методы субъективных и объективных испытаний ТВ систем должны
учитывать специфические особенности цифровой обработки и передачи аудиовизуальной информации.
2. Для выявления и оценки искажений при цифровом сжатии испытательные изображения должны быть подвижными, а измерительные сигналы предусматривать изменения формы и параметров.
3. При контроле в процессе передачи функции "испытательных строк"
могут выполнять компоненты цифрового сигнала испытываемой системы.
4. Точность субъективных и объективных испытаний должна обеспечивать возможность выявления даже малых ухудшений изображений и искажений
измерительных сигналов, главным образом, в допороговой области цифровой
системы.
5. Весовые функции должны учитывать особенности восприятия искажений в тракте цифрового вещания.
Одновременно с выбором основных параметров цифровых ТВ-систем
обычно формулируют требования к тракту в целом и отдельным его звеньям, а
также определяют критерии оценки их работоспособности. При этом необходимо использовать методы измерений, позволяющие наиболее эффективно выявить специфические искажения в комплексе цифровой аппаратуры.
Так, при анализе искажений и решении метрологических задач целесообразно разделить цифровые ТВ-системы на два класса: без устранения избыточности в ТВ-сигнале или с небольшим цифровым сжатием и с высокой
степенью сжатия. Для проверки систем первого класса можно использовать,
с определенными ограничениями, стандартные измерительные сигналы и контрольно-измерительную аппаратуру, разработанные для систем аналогового телевидения. Одно из ограничений, например, предусматривает снижение размаха измерительного сигнала при оценке линейных искажений, что позволяет
устранить влияние перегрузки системы по уровню на результаты измерений.
Высокая степень сжатия в цифровых системах достигается за счет межкадрового кодирования ТВ сигнала с предсказанием отдельного кадра на основе
предыдущих и последующих кадров. Использование пред- и послеистории текущего кадра обуславливает случайный характер начальных условий для предсказания и приводит к тому, что в отличие от аналоговой системы реакция кодера на измерительный сигнал может отличаться от его отклика на сигнал соответствующего фрагмента изображения. Могут встретиться случаи, когда измерительный сигнал после декодирования искажен, а декодированное изображение имеет достаточно высокое субъективное качество, и наоборот, наблюдается
существенное ухудшение изображения при сравнительно малых искажениях
измерительного сигнала. Таким образом, при высокой степени цифрового сжатия во многих случаях не обеспечивается адекватность искажений измерительных сигналов и ТВ изображений и возможно несоответствие результатов объективных и субъективных испытаний системы, так как качество воспроизведения одного и того же ТВ кадра после его декодирования становится зависимым
не только от искажений тракта, но и от случайного содержания предшествующих и последующих кадров. Окончательное решение о работоспособности си57

стемы в целом в этом случае можно вынести лишь на основе тщательного подбора и управления весовыми функциями или непосредственной оценки качества получаемых ТВ изображений.
В практике цифрового телевидения в настоящее время и впредь будет использоваться несколько форм представлений сигналов и стандартов, относящихся
к производству программ (например, в студии), кодированию источников, мультиплексированию, формированию транспортного потока данных и распределению
сигналов программ вещания. Поэтому можно предложить классификацию методов
измерений в цифровом ТВ-вещании, показанную на рис.17.12. На нем приведены:
обобщенная структурная схема цифровой системы, описание сигналов в различных точках и основные виды испытаний системы на соответствие используемым в
ней стандартам.
Здесь можно выделить следующие основные варианты:
• цифровая студия (система без устранения избыточности аудиовизуальной информации или с небольшим цифровым сжатием);
• система для кодирования источников сигналов с высокой степенью цифрового
сжатия, например, на базе стандарта MPEG-2;
• система распределения цифровых сигналов программ ТВ-вещания (КТВ, спутниковая, наземная).
Измерения в цифровой студии главным образом сводятся к оценкам параметров аналоговых и цифровых сигналов, системных искажений, включая, относительную задержку сигналов изображения и звука, проверку параллельных и последовательных интерфейсов и др. Цифровые измерительные сигналы, применяемые при испытаниях студийной аппаратуры, стандартизованы в Рекомендации
МСЭ-Р ВТ.801.

Рис.17.12 Классификация методов измерения в цифровом ТВ

58

Цифровые системы существенно отличаются от аналоговых. Отсюда и необходимость в оценке малых изменений качества изображений. Качество доставки
информации аналоговыми системами снижается постепенно по мере роста уровня
помех и искажений. В цифровых системах, напротив, качество доставки информации высокое, если помехи и искажения не превышают некоторый порог. Но, если
порог превышен, наблюдается резкое (скачкообразное) ухудшение качества. При
испытаниях важно знать, насколько система приблизилась к порогу. Поэтому контрольно-измерительная аппаратура должна быть сориентирована на весьма высокую точность измерений в окрестностях порога.

9.2 Искажения и дефекты телевизионного изображения после компрессиидекомпрессии
Говоря о достоинствах цифрового телевидения, всегда отмечается отсутствие ряда неприятных дефектов на изображении, свойственных аналоговому
телевидению. В то же время специфика обработки видеоданных в кодерах цифрового сжатия приводит к появлению дополнительных искажений и помех, отсутствующих в исходном изображении. Искажения, возникающие в цикле
компрессии-декомпрессии, существенно зависят от структурных свойств телевизионного изображения. Следовательно, системы цифрового телевидения, в которых используется компрессия, являются нелинейными. Качество
воспроизведения в данном случае не остается постоянным, оно зависит от пространственно-временной структуры телевизионного изображения, т.е. от его
насыщенности мелкими деталями и динамичности.
Искажения в телевизионных системах с видеокомпрессией гораздо более
разнообразны, чем в системах без неё. Многие помехи, возникающие на изображениях в результате компрессии, кажутся чужеродными и искусственными,
поэтому их часто называют артефактами.
Например, одним из типичных проявлений искажений видеокомпрессии,
осуществляемой в соответствии со стандартом MPEG-2, является блочная
структура (blockiness) типа шахматной доски, кажущаяся на изображении совершенно неестественной. Компрессия статичных изображений сопровождается меньшими искажениями, чем видеосжатие динамичных телевизионных последовательностей. Трансформации входного изображения кодером видеокомпрессии ведут к уменьшению корреляционных связей соседних пикселей телевизионного кадра или одноимённых пикселей соседних кадров, что приводит к
появлению разнообразных артефактов. Причиной этого является то, что
устройства компрессии MPEG-2, широко используемые в телевизионном вещании, обеспечивают режим постоянной скорости цифрового потока данных на
выходе кодера сжатия.
Как известно, принцип видеокомпрессии основан на последовательном
выполнении операций дискретного косинусного преобразования (ДКП), квантования частотных коэффициентов и энтропийного кодирования последовательности квантованных частотных коэффициентов, а также на межкадровом
кодировании телевизионного сигнала с предсказанием отдельных кадров на
59

основе предыдущих и последующих кадров. ДКП осуществляется в рамках
блока элементов изображения с размером 8×8 пикселей. Для статичных изображений, в которых яркость и цветность меняются плавно, т.е. для телевизионных кадров с высокой степенью межпиксельной корреляции, число ненулевых частотных коэффициентов косинусного преобразования, которые только и
подлежат передаче, невелико. Если телевизионное изображение становится
мелкоструктурным и динамичным, когда корреляционные связи между элементами уменьшаются, число ненулевых частотных коэффициентов в блоках
увеличивается. Способом, который позволяет уравнять скорости потоков
данных в этих двух случаях, является использование более грубого квантования частотных коэффициентов ДКП (выделение меньшего количества битов на
один коэффициент) для мелкоструктурных и динамичных изображений.
Недостаток требуемого числа битов в процессе кодирования и приводит к
заметности блоков ДКП. Блочность особенно заметна на одноцветных гладких
или мозаичных поверхностях. Причина возникновения данного артефакта объясняется неидентичным преобразованием яркостных значений пикселей по обе
стороны границы блоков, что воспринимается глазом как перепад яркости от
одного блока к другому. Блочность особенно заметна, если глаз следит за
движущимся объектом.
Более грубое квантование частотных коэффициентов ведёт к росту шумов
квантования и,соответственно, к большим искажениям и артефактам, а также к
потере разрешающей способности. В этом случае мелкие детали либо размываются, либо полностью пропадают в изображении.
Эффект мозаики проявляется подобно блочности, но воспринимается как
различие яркости в поле соседних блоков, а не на границе. Данный вид искажений возникает при слишком грубом квантовании частотных коэффициентов
ДКП, когда постоянные составляющие пространственных частот в соседних
блоках заметно отличаются.
Шумы типа «москито» характерны для всех телевизионных систем с ДКП
и квантованием частотных коэффициентов и проявляются на резких границах
(например, надписях). При преобразовании из временной в частотную область
влияние перепада отсчётов на границе распространяется на весь макроблок, при
этом высокочастотные коэффициенты квантуются более грубо, чем низкочастотные. При обратном преобразовании в отсчёты телевизионного сигнала
вдоль первоначальной границы образуется характерный узор.
Окантовка на границах проявляется как возникновение окантовок на резких перепадах яркости изображения. При нехватке битов, в первую очередь,
обрезаются высокочастотные коэффициенты, и это может повлиять на форму
сигнала яркости вблизи ступеньки, т.е. вызвать колебательный процесс на вершине импульса.
Размытие цветов имеет такую же причину, что и эффект окантовки на границах, но проявляется на участках изображения с резкими скачками в сигнале
цветности.
Артефакты, связанные с движением, также, как подчеркивание
(jerkiness) или неправильное расположение блока пикселей, могут появляться в
60

телевизионной системе, использующей усложнённый алгоритм компенсации
движения или просто пропускающей кадры из-за нехватки битов.
Если при компенсации движения в опорном кадре заметна блочность, то
она может переноситься в новый кадр со смещением относительно границ блока (из-за неточности компенсации), в результате чего появляются ложные границы.
Эффект «грязного окна» проявляется как штрихи или шумы, которые
остаются неподвижными на изображении, в то время как объект движется за
ними (как будто рассматриваешь сцену через грязное окно). Данный артефакт
является следствием недостатка битов для кодирования межкадровых разностей.
Причиной неправильного цвета макроблока, отличающегося от исходного
и от соседних макроблоков, может быть тот факт, что сопряжение блоков ведётся только по сигналу яркости. При этом опорный блок при высокой корреляции по сигналу яркости может иметь совсем другой цвет, и это отражается на
цвете предсказанного блока.
Волнообразные шумы видны при медленном панорамировании по очень
детализированной сцене. Как и москито, это результат грубого квантования высокочастотных коэффициентов, но движение отдельных элементов сцены вызывает рассеяние. Поэтому волнообразные шумы появляются на телевизионном
изображении периодически как детали, движущиеся по блоку ДКП.
В зависимости от скорости движения объектов в телевизионном изображении и от алгоритма поиска пропущенных макроблоков, за движущимися объектами возможно образование следов (эффект «привидений»), которые могут
сохраняться достаточно долго.
Особо следует отметить, что фактически общей причиной всех артефактов является квантование коэффициентов дискретного преобразования в
рамках относительно небольшого блока изображений с размерами 8×8 пикселей. Прямым следствием этого квантования является формирование на изображении блочной структуры, которая является интегральным показателем, характеризующим заметность разнообразных искажений и артефактов в телевизионной системе с видеокомпрессией.
При этом необходимо помнить, что качество телевизионного изображения
на выходе декодера системы видеокомпрессии непостоянно, его значение является функцией содержания телевизионных кадров (более точно – функцией
пространственных и временных свойств телевизионного изображения). Это
обстоятельство заставило отказаться от применения простых испытательных сигналов в телевизионных системах с компрессией и перейти к широкому
использованию субъективных экспертиз с целью оценки качества. Причём только с использованием субъективных измерений, дающих прямую интегральную оценку качественных показателей изображения, можно получить исходные данные для разработки методов объективной оценки качества, результаты
которых будут хорошо соответствовать визуальной оценке. Однако субъективные измерения не могут в полной мере использоваться для целей мониторинга,
т.е. при измерениях во время передачи телевизионных программ.
61

9.3 Особенности проведения субъективных измерений в цифровом телевидении
Как правило, субъективные экспертизы с целью оценки качества телевизионного изображения проводятся с использованием методов, регламентированных рекомендацией ITU-R BT.500.
Группе специально отобранных наблюдателей, получивших детальный
инструктаж, обладающих нормальными характеристиками зрения, в течение
некоторого промежутка времени (как правило, не более 30 минут) демонстрируются телевизионные изображения с различными значениями качественных
показателей. Изображения наблюдаются при оптимальных уровнях яркости
(60÷80 кд/м2 ) и фона (20÷30 кд/м2 ), зрители находятся на оптимальном расстоянии рассматривания от телевизионного монитора (3÷5 высот экрана). Задача
наблюдателей заключается в оценке качества телевизионного изображения с
использованием рекомендуемой шкалы оценок. Если тестирование проводится
для оценки качества телевизионной системы при оптимальных условиях воспроизведения, используется пятибалльная шкала оценки качества, для оценки ухудшений при неоптимальных условиях применяется шкала ухудшений.
Структуры обеих шкал приведены в табл. 17.1.
Таблица 17.1. Шкалы Рекомендации ВТ.500 для оценки субъективного качества телевизионного изображения

Надёжность результатов субъективной экспертизы определяется доверительной вероятностью Р, гарантирующей, что отличие оценки качества, полученной в результате усреднения экспертных оценок, будет отличаться от действительного значения не более, чем на допустимую
величину
(погрешность) ∆, являющуюся доверительным интервалом.
В экспериментальной психологии установлено, что при проведении статических экспериментов на основе визуальной оценки параметров изображений
погрешность ∆ и вероятность Р достаточно выбирать соответственно 0.1 и 0.9.
Для обеспечения требуемой частоты субъективной экспертизы группа наблюдателей должна состоять из 15 человек, каждый эксперт должен давать минимум по 5 оценок на каждое предъявляемое в случайном порядке телевизионное
изображение. Сеанс показа изображений не должен превышать 30 минут.

62

Рекомендация ITU-R BT.500 по субъективной оценке качества телевизионных изображений предусматривает сравнение изображений, предъявляемых
экспертам, которые одновременно воспроизводятся на двух рядом расположенных экранах, или на одном, разделяемом посередине вертикальной линией. На
каждой из половинок экрана воспроизводятся два одинаковых изображения
(одно эталонное, а другое с различными значениями качественных показателей). Одинаковый спектральный состав свечения сравниваемых полей телевизионных изображений, находящихся в непосредственной близости, – важное
требование субъективной экспертизы. В данном случае оба поля сравнения
имеют одну и ту же структуру, определяемую типом воспроизводящего экрана.
Существенным моментом является возможность рассматривания сравниваемых
полей одновременно двумя глазами, за счёт чего легче обнаруживать различия
в яркости и цвете. Все это позволяет различать перепады яркости в предъявляемых изображениях в пределах 2÷3 %, что крайне необходимо для оценки
параметров цифровых телевизионных систем. Подобный способ предъявления
телевизионных изображений наблюдателям называется методом полей сравнения.
На практике для исследования систем цифрового телевидения в виде исключения допускается динамический метод субъективных экспертиз, при котором в случайном порядке на одном и том же экране последовательно во времени воспроизводятся телевизионные изображения с различными значениями
качественных показателей, как эталонные, так и искажённые. Причём предлагаемые наблюдателям изображения должны обязательно содержать подвижные
мелкие и крупные детали, совершающие поступательное и вращательное движения. Для проверки системы предсказания кодера устройства видеокомпрессии подвижный фрагмент изображения должен перемещаться в обе стороны от
его центрального положения.
Субъективные испытания в рассмотренном виде наиболее широко используются при разработке и исследовании новых телевизионных систем.
Причём в цифровом телевидении с видеокомпрессией роль субъективных методов оценки качественных показателей изображения возрастает.
В таблице 17.2 приведены результаты субъективной экспертизы ряда сюжетов, выполненные при различных скоростях цифрового потока в кодеке
MPEG-2. Экспертизы проведены во ВНИИТР. Общая кривая зависимости,
несомненно, прослеживается, но имеются и отдельные, нарушающие ее монотонность выбросы, затрудняющие определение различий, в данном случае для
скоростей 5,6 и 7 Мбит/с.
Экспериментальные результаты экспертиз имеют важное значение при
оценке эффективности кодеков и определении числа сигналов программ вещания, которые можно передавать по цифровому каналу связи с заданным качеством ТВ-изображений.
Таблица 17.2 Результаты субъективной экспертизы сюжетов при их кодировании в
цифровом телевидении

63

9.4 Объективный контроль качества изображения в цифровом телевидении по сигнальному созвездию
Контроль и измерения в процессе передачи можно осуществлять, используя
некоторые особенности цифровой модуляции сигналов. Для сокращения занимаемой полосы частот применяют многоуровневую или многопозиционную модуляцию, например, типа QAM (квадратурная АМ) либо QPSK (квадратурная фазовая
манипуляция). При этом сигнал на выходе демодулятора приемника можно представить в виде сигнального созвездия, т.е. диаграммы дискретных значений цифрового сигнала.
Созвездие для конкретного типа модуляции 16-QAM представлено на
рис.17.13. Оси координат соответствуют синфазной I и квадратурной Q составляющим сигнала. Шумы и помехи трансформируют сигнальные точки в "облака".
Центром "облака" остается сигнальная точка, а его "размытость" характеризует
остаточный уровень несущей, нарушение баланса уровней сигналов I и Q, коэффициент модуляционных ошибок и другие параметры. Можно измерить также
квадратурные искажения, возникающие вследствие неортогональности сигналов I
и Q. Этот параметр оценивается по угловому смещению созвездия на приеме.

Рис.17.13 Сигнальное созвездие 16-QAM при воздействии помехи в канале

64

Показателями качества приема цифрового сигнала программ ТВ-вещания являются фазовое дрожание и коэффициент ошибок на входе внешнего декодера кода Рида-Соломона и декодера Витерби (спутниковые системы). Когда проводится
оценка цифровой системы наземного ТВ-вещания, в дополнение к уже названным
характеристикам следует измерять такие параметры, как точность установки частот несущих в передатчике, избирательность и чувствительность приемника, уровень когерентных интерференционных помех и т.п.
Объективный контроль цифровых систем ТВ-вещания дополняют субъективной экспертизой декодированного изображения и звука. Искажения изображений в
цифровом телевидении принято классифицировать по эффектам, наблюдаемым на
видеоэкране. Существующие методы, регламентированные, например, в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.500, предусматривают участие в субъективных экспертизах не
только специалистов, но и неспециалистов, оценки качества которых основываются скорее на опыте наблюдения изображений на экранах домашних телевизоров.

Контрольні питання
1. Дайте оцінку способам оцінки якості телевізійного зображення.
2. Що таке геометричні спотворення телевізійного зображення ?
3. Що таке градаційні спотворення телевізійного зображення ?
4. Якими факторами обумовлені спотворення чіткості телевізійного зображення ?
5. Які види завад завдають найбільшого впливу на якість телевізійного зображення ?
6. Дайте характеристику елементам універсальної випробувальної телевізійної
таблиці.

65

ДОДАТОК М. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №17

Рис. 17.1. Геометрические искажения изображения «шахматное поле»,
возникающие из-за искажений формы растра

Рис.17.3 Форма характеристики передачи уровней
яркости при различных с
Рис. 17.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за нелинейности сигналов кадровой (а) и
строчной (б) разверток приемника (на ТЦ – линейная
развертка)

Рис.17.4. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яркости на
экране ТВ приемника uc1 (а) и для измерения нелинейных искажений сигнала яркости
uc2 (б); uc2вых – синусоидальная насадка,66
выделенная полосовым фильтром из сигнала uc2
на выходе тракта (в)

Рис.17.5. Искажения АЧХ в области высоких частот полосы пропускания тракта передачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области малых времен (б)

Рис.17.7 Весовые функции
видности флуктуационных помех:
1 – для сигналов яркости и основных цветов; 2 – для композитных
сигналов различных систем ЦТ; 3
– для композитного сигнала системы SECAM

Рис. 17.8. Весовая функция
видности флуктуационных
помех канала цветности системы SECAM

Рис.17.8а Апертурные искажения сигнала:
а – объект переменной
структуры;
б – форма видеосигнала; в –
апертурные харктеристики
суперортикона 1, видикона 2
и плюмбикона 3
67

Рис.17.9 Оптическая ТИТ для измерения геометрических
(координатных) искажений

Рис.17.10. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ

68

ЛЕКЦІЯ №18 ПЕРЕТВОРЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ У СИГНАЛИ.
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии звукового
радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2004. – 606 с.

РОЗДАТНИЙ МАТЕРІАЛ: див. ДОДАТОК М
1. ДАТЧИКИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ И ИХ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Преобразователи оптических изображений в электрические сигналы – датчики ТВ сигнала – преобразуют световую энергию, отраженную от объекта и
спроецированную на фоточувствительную поверхность преобразователя, в последовательность электрических сигналов с определенными параметрами,
обеспечивающими обратное преобразование. Яркость спроецированного на фоточувствительную поверхность оптического изображения является функцией
не только времени t, но и координат х, у в горизонтальном и вертикальном
направлениях. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать способностью оценивать значения яркостей отдельных элементов изображения. Для последовательного считывания ТВ сигнала от отдельных элементов изображения в преобразователе одновременно с фотопроцессом осуществляется процесс развертки изображения. Закон развертки является одним из основных параметров ТВ
сигнала, обеспечивающих возможность его преобразования в телевизионное
изображение.
Датчики ТВ сигнала могут быть построены с использованием оптикомеханических систем развертки, систем бегущего светового луча, электроннолучевых трубок и твердотельных фотоэлектрических преобразователей. Оптико-механические системы используются в фототелеграфии и при передаче неподвижных изображений. Системы бегущего светового луча применяются в ТВ
устройствах прикладного назначения, объекты передачи которых могут быть
изолированы от внешнего источника света. В современной телевизионной технике оптические изображения преобразуются в ТВ сигналы с помощью электронно-лучевых передающих трубок и твердотельных фотоэлектронных преобразователей (ФЭП).
Качество ТВ изображения во многом определяется характеристиками фотоэлектрических преобразователей оптических изображений: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и спектральной характеристиками, инерционностью.
Чувствительность передающей трубки – величина, обратная освещенности фоточувствительной поверхности преобразователя, необходимой для получения ТВ сигнала с заданным соотношением сигнал/шум. В инженерной
практике чувствительность фотоэлектрических преобразователей оценивают по
освещенности фоточувствительной поверхности (в люксах).
69

Разрешающая способность фотоэлектрического преобразователя характеризует свойство генерировать ТВ сигнал от мелких деталей изображения. О
разрешающей способности можно судить по апертурной характеристике фотоэлектрического преобразователя, которая определяет связь между глубиной
модуляции генерируемого сигнала и размерами передаваемой детали изображения.
Световая характеристика – зависимость тока сигнала на выходе преобразователя от освещенности его фоточувствительной поверхности ic = f(Е). Она
позволяет судить об интервале освещенности, в котором способен работать
данный фотопреобразователь.
Спектральная характеристика преобразователя ic = f(). – зависимость
ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фоточувствительную поверхность равноинтенсивного излучения. Требования к спектральной характеристике преобразователя определяются конкретным его назначением. При использовании преобразователя в прикладных ТВ системах область его спектральной
чувствительности может выходить за пределы видимого глазом спектрального
интервала длин волн. Если преобразователь используется в камерах вещательного телевидения, его спектральная чувствительность должна соответствовать спектральным свойствам зрительного аппарата человека.
Инерционность – параметр, характеризующий запаздывание изменения
ТВ сигнала на выходе ФЭП относительно изменения освещенности его фоточувствительной поверхности. Проявляется она на изображении в виде тянущегося следа и размывания границ движущихся объектов передачи. Оценивается
инерционность значением остаточного сигнала относительно его максимального значения в процентах спустя кадр после прекращения экспозиции.
Рассмотренные характеристики позволяют выбрать ФЭП при проектировании конкретных ТВ систем. Они определяются принципом построения ФЭП,
их конструктивными особенностями, а также типами фоточувствительных поверхностей, являющихся входным элементом ФЭП. Работа фоточувствительных поверхностей основывается на использовании внешнего и внутреннего фотоэффектов, в основе которых лежит способность световых лучей освобождать
в каком-либо веществе электроны. При внешнем фотоэффекте освобожденные электроны покидают облученное светом вещество, вылетая в свободное
пространство (фотоэлектронная эмиссия). При внутреннем фотоэффекте
освобожденные светом электроны остаются внутри твердого тела, изменяя его
проводимость (фотопроводимость).
2. ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэффектом.
Открытие фотоэлектронной эмиссии позволило разработать приборы, преобразующие световую энергию в электрические сигналы, такие как фотоэлементы,
фотодиоды, фотоумножители, передающие телевизионные трубки. Фоточувствительные поверхности этих приборов называются фотокатодом.

70

Между светочувствительным элементом (фотокатодом) и коллектором
(анодом) создается электрическое поле, напряженность которого выбирается
достаточной для отбора всех вылетевших с фотокатода электронов, что обеспечивает фототок насыщения. Для фототока насыщения установлены следующие
законы внешнего фотоэффекта:
1. Закон Столетова (первый (основной) закон фотоэффекта). Фототок в цепи фотоэлемента іф пропорционален интенсивности вызывающего его светового потока, т.е.
iф = SФ
(6.1)
где Ф – световой поток, лм; S – коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотокатода, мкА/лм.
2. Безынерционность фотоэлектронной эмиссии. Фототок следует за изменением светового потока практически без запаздывания до частоты 100 МГц.
3. Закон Эйнштейна. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона
прямо пропорциональна частоте падающего на фотокатод светового потока и
не зависит от его интенсивности. Она определяется энергией кванта света
2
(6.2)
hν  eφ0  mvmax
/ 2,
где h – постоянная Планка;  – частота; m – масса электрона; vmах максимальная
скорость, с которой электрон покидает поверхность металла; е0 – работа выхода; е – заряд электрона; 0 – потенциал выхода; mv2mах/2 – кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла.
Из (6.2) следует, что для вылета электрона из вещества энергия кванта
должна быть больше работы выхода, т.е.
hν > eφ0 .
(6.3)
Невыполнение этого условия ведет к прекращению фотоэлектронной эмиссии. Следовательно, существует частота электромагнитного колебания , при
которой фотоэлектронная эмиссия невозможна. Условие (6.3) позволяет определить длинноволновую красную границу фотоэмиссии
λ гр  c / vmin  hc / eφ0 ,
(6.4)
где с – скорость света. При   гр фотоэмиссия отсутствует.
Разные значения гр для разных металлов фотокатодов (из-за разности потенциалов выхода электронов 0) обусловливают разницу в спектральных характеристиках. Фотокатоды, изготовленные из чистых металлов, имеют монотонно возрастающие спектральные характеристики, но обладают малой чувствительностью. Чувствительность фотокатодов может быть выражена либо в
микроамперах на люмен светового потока, падающего на фотокатод, либо
определяется числом фотоэлектронов на один квант возбуждающего излучения
– квантовый выход фотокатодов, изготовленных из чистых металлов, мал. Для
увеличения чувствительности в современных передающих трубках используются сложные многослойные и многокомпонентные фотокатоды. Красная
граница таких фотокатодов смещена в длинноволновую область, квантовый
выход увеличен, а спектральная характеристика вместо монотонного возрастания имеет один или несколько максимумов, значения и положения которых на

71

оси зависят от состава сложного фотокатода. На рис.6. 1 представлены спектральные характеристики сложных фотокатодов.
Эффективность различных типов фотокатодов принято сравнивать по интегральной чувствительности S, мкА/лм, значение которой обычно приводится
в паспортах ФЭП. Она определяется как отношение фототока насыщения iф,
мкА, к падающему световому потоку Ф, лм:
λ2

S

iф
Ф



iф max  S (λ)P(λT )dλ
λ1

λ2

683 S (λ)P(λT )dλ

,

(6.5)

λ1

Рис. 6.1. Спектральные характеристики
фотокатодов: 1 – сурьмяно-цезиевый; 2 – висмутосеребряно-цезиевый; 3 – многощелочной;
4 –оксидно-серебряно-цезиевый

где V() – стандартная относительная видность глаза.
Для получения сопоставимых результатов в качестве источника излучения
Р(Т) при измерении интегральной чувствительности выбирается 100-ваттная
газонаполненная лампа накаливания, имеющая цветовую температуру 2854 К.
В фотоэлектрических преобразователях и ТВ передающих трубках использовались следующие типы фотокатодов, различающиеся по конструкции.
1. Массивный непрозрачный фотокатод (рис. 6.2,а), в котором пленка
полупроводникового материала нанесена на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Толщина пленки обычно несколько микрометров. Фотоэмиссия в
непрозрачном фотокатоде происходит со стороны падения света, т.е. фотокатод
работает на отражение. Массивные фотокатоды использовались в фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях.

Рис. 6.2. Типы фотокатодов: а – непрозрачный; б – мозаичный; в – полупрозрачный

2. Непрозрачный мозаичный фотокатод (рис. 6.2,б), состоящий из металлической сигнальной пластины и слоя диэлектрика в виде тонкой пластинки
слюды, на которую нанесены мельчайшие изолированные друг от друга фоточувствительные зерна серебра. Каждое такое зерно является элементарным
фотоэлементом, связанным через емкость слоя слюды с сигнальной пластиной. Размеры зерен обычно значительно меньше одного элемента изображения.
3. Полупрозрачный фотокатод (рис. 6.2,в) отличается от массивного фотокатода тем, что пленка полупроводникового материала имеет значительно
72

меньшую толщину, примерно 25...40 нм. Полупрозрачные фотокатоды работают на просвет, т.е. фотоэлектроны эмиттируются катодом в сторону, противоположную той, на которую воздействует поток излучения. Полупрозрачные фотокатоды получили наиболее широкое распространение в фотоэлектронных
умножителях и современных ТВ передающих трубках. Типы и некоторые параметры используемых в телевидении фотокатодов приведены в табл.6.1.

3. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И
ФОКУСИРОВКА РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО ЛУЧА
Под электронным изображением понимается поток электронов с поверхности фотокатода, распределение плотности которого соответствует распределению освещенности в оптическом изображении, спроецированном на фотокатод. В некоторых ТВ передающих приборах электронный поток с поверхности фотокатода должен быть перенесен на поверхность плоскости, параллельной фотокатоду и удаленной от него на некоторое расстояние. Необходимо, чтобы каждый элементарный пучок фотоэлектронов, вышедший из одной
точки фотокатода, собрался в соответствующей точке плоскости переноса. В
результате этого электронное изображение в плоскости переноса станет подобным первичному.
Для переноса электронных изображений и фокусировки электронных лучей применяют длинные фокусирующие катушки, создающие однородное магнитное поле, параллельное оси переноса и охватывающее всю область движения электронов. Рассмотрим работу вакуумного прибора. Прибор имеет полупрозрачный фотокатод в плоскости S и мишень в плоскости переноса S1 (рис.
6.3,а). Он помещен внутри длинной фокусирующей катушки L, создающей
магнитное поле Н с продольно расположенными силовыми линиями, параллельными оси прибора оz. При облучении фотокатода световым потоком F возникает эмиссия фотоэлектронов. Поток фотоэлектронов оказывается в продольном магнитном поле Н. Условия для переноса электронного потока обеспечиваются созданием ускоряющего электрического поля, сообщающего электронам скорость vz в направлении оси оz. Рассмотрим движение потока электронов, эмиттируемых из точки О1 поверхности S. В зависимости от угла вылета с поверхности фотокатода фотоэлектроны будут иметь различные радиальные составляющие скорости vr.

73

Рис. 6.3. Фокусировка электронных лучей длинной магнитной линзой

Магнитное поле воздействует только на электроны, вылетающие с фотокатода под некоторым углом  к оси z. Возникающая при этом радиальная составляющая скорости vr, при взаимодействии с продольным магнитным полем
образует силу Лоренца
FЛ  evr H z ,
(6.6)
где е – заряд электрона. Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам
vr и Нz и заставляет электрон, вылетающий под углом , закручиваться вокруг
оси z в плоскости, перпендикулярной этой оси (см. рис. 6.3,б). Как следует из
рис. 6.3,б, сила FЛ направлена к центру О2 окружности, описываемой электроном, является центростремительной и может быть определена из формулы
FЛ  mvr2 / R,
(6.7)
где m – масса электрона; R – радиус окружности, описываемой электроном.
Радиус R определяется из условия равенства сил: выражений (6.6) и (6.7):
R  mvr / eH z .
(6.8)
Время прохождения электроном полной окружности
t  2πR / vr  2πm/eH z .
(6.9)
Из (6.9) следует, что все электроны независимо от угла вылета описывают полную окружность за одно и то же время. Одновременно электрон перемещается в направлении мишени со скоростью vz. Вылетев из точки О1, он
пересекает ось в точке О1, встречается с осью в точке О1, и, наконец, попадает
в точку О1.
На пути движения из точек О1 до точки О1 электрон оказывается в пучностях и узлах. В плоскости мишени проекция траектории движения электрона,
вылетающего под углом , представляет собой окружность (рис. 6.3,б). Все
электроны вылетают из точки О1 в разных направлениях под различными углами относительно прямой линии О1 О1, поэтому проекции их траекторий в
пределах всего пучка изобразятся семейством окружностей с разными радиусами (рис. 6.3,в, справа). Окружности располагаются вокруг линии О1 О1 и соприкасаются с ней. Центры окружностей располагаются на расстоянии R от
оси. Диаметр пучка в его пучности равен 4Rmax. Траектория каждого электрона
(исключая те, у которых  = 0) является винтовой линией. Траектории электронов, движущихся со скоростью vr = 0, являются прямыми линиями.
74

Радиус витка винтовой линии определяется скоростью vr; чем больше vr,
т.е. чем больше угол вылета электронов , тем больше радиус витка винтовой
линии. Поверхности плоскостей S, S, S являются как бы фокальными плоскостями для электронных изображений. Расстояние между фотокатодом и фокальной плоскостью электронного изображения на мишени
l  tU z  2πU z m/eH z .
(6.10)
Чем больше vz (или определяющее его значение Uz), тем больше фокусное
расстояние линзы l. Это позволяет регулировать фокусировку изменением продольного электрического поля. Если продольное электрическое поле ускоряющее, то электронный пучок вытягивается, приобретая форму веретена (см. рис.
6.3,в). При переносе в поле длинной фокусирующей катушки электронное
изображение будет прямым и будет иметь размеры и ориентацию такие же, что
и оптическое изображение. Перенос электронного изображения применяют в
передающих трубках мгновенного действия – диссекторах и в трубках, использующих принцип накопления зарядов, – суперортиконах.
Фокусировка развертывающего луча с помощью длинной фокусирующей
катушки подобна фокусировке фотоэлектронов. Отличие заключается в том,
что источником электронов является не фотокатод, а электронная пушка. Траектории электронов развертывающего луча также образуют винтовые линии и несколько пучностей и узлов вокруг магнитных силовых линий длинной
фокусирующей катушки. Изменяя направление магнитных силовых линий,
можно изменять траектории движения электронов, осуществляя тем самым отклонение пучка электронов. Для этого наряду с фокусирующей катушкой используется отклоняющая катушка (рис.6.4).

Рис. 6.4. Отклонение электронного луча в поле длинной фокусирующей катушки:
1 – выходное отверстие электронного прожектора; 2 – отклоняющая катушка; 3 – фокусирующая система; 4 - мишень

В пространстве МN результирующее магнитное поле Нр определяется геометрической суммой векторов отклонения Н0 и фокусировки Нф, и силовая линия приобретает направление вектора Нр. Пучок электронов отклоняется на
расстояние h, определяемое отношением напряженностей двух полей: Н0 и Нф.

75

4. ИКОНОСКОП
В странах СНГ все передаваемое изображение разбивается на 625 строк.
Что же касается числа кадров, передаваемых за 1 сек., то для получения впечатления одновременности свечения всего приемного экрана это число достаточно
взять равным 25. Однако опыт показывает, что при 25 кадрах в секунду изображение на экране телевизионного приемника получается мелькающим, так как
к моменту засветки нижних строк растра впечатление свечения верхних строк
растра заметно ослабевает. Для устранения мелькания число кадров, т. е. число
полных засветок экрана, должно быть не менее чем 50.
Разложение передаваемого изображения на элементарные участки и преобразование отдельных элементарных световых потоков от этих участков в соответствующие электрические сигналы производятся при помощи специальной
передающей телевизионной трубки.
Первой такой передающей трубкой, позволившей производить разложение
на большое число элементов и практически обеспечить возможность получения
высококачественных телевизионных изображений, был так называемый иконоскоп.
Иконоскоп - это первая, нашедшая практическое применение передающая
трубка с накоплением заряда. Иконоскоп представляет собой запоминающую
трубку (потенциалоскоп) с фоточувствительной мишенью, разверткой пучком
быстрых электронов, записью и считыванием при помощи перераспределения
зарядов по поверхности мишени. Устройство иконоскопа относительно простое, так как он не имеет электронного усиления ( переноса изображения) и
вторично-электронного умножения. Принципы действия иконоскопа были сформулированы в 1931 г. советским ученым С. И. Катаевым; несколько позже в
США В. К. Зворыкин создал первый образец такой трубки.
Схематическое изображение передающей телевизионной трубки типа иконоскоп приведено на рисунке ниже (рис.1, рис.1а).

Рис.1. Структурная схема иконоскопа: 1 – мозаичный фотокатод,
2 – диэлектрик, 3 – сигнальная пластина, 4 – коллектор, 5 – второй анод,
6 – первый анод, 7 – модулятор, 8 – катод, 9 – отклоняющая система, 10вакуумный балон, 11 – оптическая система передающей ТВ камеры

Рис.1а. Принцип работы иконоскопа

Одной из основных частей иконоскопа является светочувствительная пластина, называемая мозаикой (мозаичный фотокатод 1), на которую проектируется передаваемое изображение. Мозаика представляет собой тонкую слюдяную
76

пластинку 2, на одной стороне которой нанесено несколько миллионов изолированных друг от друга мелких зерен чистого серебра. Каждое такое зерно покрывается окисью металла цезия, благодаря чему становится чувствительным к
действию света.

Рис.1б Фотография иконоскопа ЛИ-1

На внутреннюю поверхность колбы нанесен проводящий слой, на который подается положительное напряжение. Этот проводящий слой называется
анодом 5 трубки. Противоположная сторона слюдяной
пластины покрывается сплошным проводящим составом, образующим так называемый сигнальный слой 3.
При освещении мишени световым потоком от оптического изображения
передаваемой сцены на каждое зерно мозаики падает световой поток, величина
которого пропорциональна оттенку данного места изображения. Под действием
этого потока из каждого элементарного зерна мозаики начинают вылетать электроны, которые собираются положительно заряженным анодом и создают на
внешнем сопротивлении падение напряжения.
Величина этого напряжения пропорциональна средней освещенности передаваемой сцены. Однако в иконоскопе это напряжение не используется и при
рассмотрении принципа работы иконоскопа не представляет интереса.
Можно заметить, что каждое зерно мозаики образует с сигнальным слоем
элементарный конденсатор.
77

По мере того, как из зерна вылетают электроны, это зерно приобретает по
отношению к сигнальному слою все более и более положительный потенциал.
Чем больше электронов потеряло данное зерно, тем больше накопленный на
нем положительный потенциал. Так как число вылетевших из зерна электронов
пропорционально величине падающего на это зерно светового потока от оптического изображения передаваемой сцены, то распределение положительных
электрических зарядов на поверхности мозаики будет воспроизводить распределение светотеней в этом изображении и на мозаике образуется как бы “электрическое изображение” передаваемого предмета.
Так при помощи иконоскопа решается задача разложения передаваемого
изображения на большое число отдельных элементов и преобразование освещенностей этих элементов в соответствующий электрический потенциал.
Чтобы облегчить понимание сложных процессов, протекающих при работе
иконоскопа, рассмотрим раздельно следующие три процесса:
 коммутация электронным лучом неосвещенной фотомозаики;
 образование потенциального рельефа на фотомозаике;
 потенциального рельефа, записанного на поверхности фотомозаики, и
образование сигнала изображения.
В действительности все эти три процесса протекают одновременно. При
отсутствие освещения электронный луч обегает поверхность фотомозаики и,
попадая поочередно на все зерна, выбивает из них вторичные электроны, которые устремляются к коллектору. При этом зерна фотомозаики, скоммутированные электронным лучом, приобретают положительный потенциал и между мозаикой и коллектором возникает тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему перелету вторичных электронов с мозаики на коллектор.
Вторичные электроны, выбиваемые электронным лучом из фотомозаики
можно разделить на три группы:
1 группа - наиболее быстрые электроны, способные преодолеть тормозящее поле и достичь коллектора;
2 группа - самые медленные электроны, не способные преодолеть тормозящее поле коллектора и падающие обратно на те зерна, с которых они вылетели;
3 группа - электроны, не способные преодолеть тормозящее поле коллектора, но падающие на соседние зерна мозаики; вторичные электроны 3 группы,
оседая на соседних зернах, создают как бы "электронный дождь, который непрерывно "моросит над поверхностью мозаики и снижает потенциал ее зерен.
Опытным путем было установлено, что в момент коммутации зерно скачком приобретает потенциал, равный +3 В, а затем под действием электронного
дождя этот потенциал снижается до значения - 1,5 В.
Когда на поверхность фотомозаики спроецировано оптическое изображение, освещенные зерна мозаики начинают выпускать фотоэлектроны. При этом
чем ярче участок спроецированного изображения, тем больше фотоэлектронов
вылетает с соответствующих зерен. Фотоэмиссия освещенной мозаики препятствует снижению потенциала освещенных зерен, потенциал наиболее ярко
78

освещенных зерен снижается только до +1 В, а потенциал зерен, имеющих
промежуточную освещенность, - до значения в пределах от +1 до - 1,5 В.
При каждой последующей коммутации фотомозаики (через период кадра)
потенциал каждого зерна снова скачком поднимается до значения +3 В. В результате на поверхности фотомозаики возникает так называемый потенциальный рельеф - наиболее светлым участкам оптического изображения соответствуют более высокие значения потенциалов (около +1 В, а наиболее темнымсамые низкие - около -1,5 В). Одновременно с этим происходит заряд элементарных микроскопических конденсаторов, образованных зернами и сигнальной
пластиной. Эти заряженные конденсаторы как бы запоминают (накапливают)
оптическую информацию, содержащуюся в оптическом изображении, спроецированном на поверхность мозаики.
Для того чтобы преобразовать потенциальный рельеф на фотомозаике в
сигнал изображения, необходимо поочередно "опросить" все зерна или как
принято в телевидении "считать" потенциальный рельеф.
Процесс считывания осуществляется в моменты коммутации электронным
лучом зерен мозаики. В моменты коммутации зерен происходит стирание потенциального рельефа (неосвещенное зерно имеет потенциал 3 В), так как потенциал всех коммутируемых зерен поочередно доводится до равновесного потенциала +3 В. Но при этом одновременно происходит процесс дозаряда (или перезарядка) элементарных конденсаторов. Токи дозаряда (перезарядка) протекают через сопротивление нагрузки н создают на нем сигнал изображения.
Очевидно, что при коммутации слабо освещенного зерна токи перезарядка
будут большими, чем при коммутации ярко освещенных зерен, и, следовательно, полярность сигнала на нагрузке иконоскопа будет отрицательной.
Достоинствами иконоскопа являются высокая четкость передаваемых
изображений, малое значение собственных шумов, хорошая передача градаций
яркости, высокая стабильность сигнала, большой срок службы. Однако иконоскопу присущи серьезные недостатки: низкая чувствительность, трапецеидальные искажения растра, явление "черного пятна", большие габариты, неудобная форма баллона, невозможность использования светосильных короткофокусных объективов (из-за большого расстояния между передней стенкой баллона
и фотомозаикой).
5. ДИССЕКТОР
Диссектор (рассекатель) – передающая телевизионная трубка мгновенного
действия. Схематически современный диссектор изображен на рис.6.5.
Внутри трубки имеется полупрозрачный фотокатод 1, ускоряющий электрод 2, диафрагма с отверстием 3, диноды вторично-электронного умножителя
(ВЭУ) 4, коллектор 5. Снаружи трубки располагаются: отклоняющая система
строчной и кадровой разверток 6 и фокусирующая катушка 7, создающая вдоль
трубки однородное магнитное поле.

79

Рис. 6.5. Схема устройства трубки типа диссектор

В отличие от других передающих трубок в диссекторе отсутствует электронный прожектор и развертка осуществляется отклонением электронного
изображения перед отверстием диафрагмы 3, которое является развертывающей апертурой и обычно называется вырезывающим отверстием. В диссекторе
различают три секции: преобразование оптического изображения в электронное, перенос и отклонение электронного изображения, вторично-электронное
умножение. Световое изображение преобразуется в электронное на полупрозрачном светочувствительном слое – фотокатоде, нанесенном на внутреннюю
поверхность планшайбы трубки. Электронное изображение переносится в
плоскость диафрагмы 3 с помощью ускоряющего напряжения, приложенного к
электроду 2, в магнитном поле длинной фокусирующей катушки 7 (см. § 6.3). В
плоскости диафрагмы под действием отклоняющего поля электронное изображение перемещается относительно вырезывающего отверстия в соответствии с
законом развертки. При этом фотоэлектроны с различных участков фотокатода
поочередно попадают через вырезывающее отверстие на первый динод ВЭУ, в
котором мгновенные значения фототока усиливаются. Секция умножения состоит из динодов 4 и коллектора 5, в цепь которого включен резистор нагрузки
Rн.
Питание на диноды диссектора подается таким образом, что потенциал
каждого последующего динода оказывается выше предыдущего, а потенциал
коллектора 5 – выше потенциала последнего динода. Это обеспечивает эффективный отбор вторичных электронов на коллектор. Вторичные электроны образуют ток сигнала, который протекает через резистор нагрузки Rн в направлении,
указанном стрелками, и создает на нем напряжение сигнала uc = iс Rн. При этом
потенциал в точке нагрузочной цепи, с которого снимается напряжение сигнала
для дальнейшего усиления, равный UА = U – iсRн, будет уменьшаться при увеличении тока сигнала. Так как ток сигнала пропорционален освещенности
участков фотокатода, увеличению освещенности фотокатода соответствует
уменьшение потенциала в точке А. Таким образом, уровень сигнала, соответствующий максимальной освещенности фотокатода – уровень белого – оказывается ниже, чем уровень черного (соответствует минимальной освещенности).
Следовательно, полярность ТВ сигнала, который генерирует передающая трубка типа диссектор, отрицательна.
Коэффициент усиления вторично-электронного умножителя достигает 107,
что позволяет получить на резисторе нагрузки Rн значительный ток сигнала iс 
100 мкА.
80

Диссекторы имеют линейную световую характеристику при освещенности
фотокатода от десятых долей люкса до нескольких тысяч люкс. Они обеспечивают хорошее воспроизведение градаций яркости, передают без искажения информацию о средней яркости изображения, имеют высокую разрешающую способность. Современные диссекторы обладают высокой механической прочностью, виброустойчивостью, устойчивостью к большим перепадам температур,
воздействию повышенной влажности. После включения питающего напряжения диссектор мгновенно готов к работе, так как в нем нет инерционного термокатода.
Положительные качества обусловили широкое применение диссектора в
прикладных ТВ системах, обеспечивающих автоматизацию, контроль и управление производственными процессами, слежение за точечными объектами в
аппаратуре астронавигации, в устройствах для исследования прозрачных сред,
чтения графиков, микрофильмов и т.п. Промышленностью выпускается свыше
пятнадцати типов диссекторов, отличающихся по таким параметрам, как спектральная характеристика фотокатода, размер и форма вырезающего отверстия,
размер рабочей зоны фотокатода и т.д.
Недостатком диссектора является его невысокая чувствительность в широкополосном режиме работы, соответствующем стандарту вещательного телевидения, что является недостатком всех систем мгновенного действия.
6. ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯДА
В системах мгновенного действия фотоэлектронная эмиссия с каждого
элемента изображения используется в интервале времени, равном времени
коммутации одного элемента и, следовательно, мгновенные значения тока сигнала изображения i(tэ) пропорциональны световому потоку Fэ, падающему на
один элемент изображения в течение времени коммутации этого элемента tэ.
Тогда напряжение сигнала на нагрузке Rн фотоэлемента ВL при замыкании
ключа K на время коммутации этого элемента (рис.6.6) определяется протекающим по сопротивлению нагрузки Rн током фотоэмиссии iф:
Uс = SFэRн = iфRн
(6.11)
где S – интегральная чувствительность фотокатода. Световая энергия, воздействующая на элемент изображения в промежутках между коммутациями, в образовании сигнала не участвует, что существенно снижает эффективность использования светового потока.
Повысить эффективность можно использованием принципа накопления
заряда, заключающегося в том, что световая энергия, облучающая элемент
изображения в межкоммутационный период, не пропадает бесполезно, а накапливается на элементе.
Принцип накопления заряда может быть пояснен с помощью схемы замещения (рис. 6.7,а), отражающей образование сигнала с одного элемента изображения. При облучении фотоэлемента ВL световым потоком благодаря фотоэмиссии емкость Сэ накапливает заряд за время кадра Тn. Ток заряда ізар равен
току фотоэмиссии iф, а заряд
81

Qзар = іфTn.
(6.12)
Напряжение сигнала uc на нагрузке образуется при разряде элементарного
конденсатора Сэ за время коммутации tэ, в течение которого ключ K замкнут и
конденсатор Сэ разряжается через резистор Rн. Допуская, что конденсатор за
время коммутации – время передачи одного элемента изображения – разряжается полностью, т.е. считая, что Qразр = Qзар, можно определить средний ток разряда
iразр  Qразр / tэ  iфTn / tэ  iф N .
(6.13)

Рис. 6.6. Образование сигнала в
системе мгновенного действия
Рис. 6.7. Принцип накопления световой
энергии: а – схема замещения; б – модуль ТВ
системы с накоплением заряда

Следовательно, ток разряда накопительного конденсатора, создающий
напряжение ТВ сигнала на нагрузке, превышает ток фотоэмиссии в N раз и
среднее значение ТВ сигнала:
uср  Rн iф N ,
(6.14)
где N – число элементов в кадре.
Сравнивая (6.11) и (6.14), нетрудно определить выигрыш, обеспечиваемый
накоплением зарядов. В идеальном случае накопление увеличивает напряжение
сигнала в N раз. В реальных приборах эффект накопления зарядов полностью
использовать не удается, однако принцип накопления положен в основу работы
всех передающих трубок, за исключением трубки мгновенного действия типа
диссектор.
В качестве примера реализации этого принципа рассмотрим работу мозаичной фотомишени – одного из основных элементов первых телевизионных
передающих трубок. Мозаичная фотомишень, схема замещения которой показана на рис. 6.7,б, состоит из изолированных друг от друга элементарных ячеек,
каждая из которых содержит отдельный фотоэлемент и накопительный конденсатор. Когда на мишень проецируется оптическое изображение, в цепи фотоэлементов под воздействием света возникает фототок. Фототок с каждого элемента пропорционален его освещенности, поэтому элементарные конденсаторы заряжаются до различных значений напряжений, образуя на мозаичной поверхности потенциальный рельеф. Преобразование потенциального ре82

льефа в сигнал изображения происходит путем последовательной коммутации
накопительных конденсаторов в цепь нагрузки. Коммутирующим элементом в
ТВ передающих трубках, использующих принцип накопления, является электронный луч. Токи накопительных конденсаторов, коммутируемых лучом, протекают через нагрузку Rн, создавая на ней сигнал изображения.
7. ВИДИКОН
Общие сведения. Фоточувствительные поверхности, использующие явление внешнего фотоэффекта, обладают малой чувствительностью, так как квантовый выход для внешнего фотоэффекта меньше 1. При внутреннем фотоэффекте значение квантового выхода может превышать 1, что потенциально позволяет существенно увеличить чувствительность передающих трубок, использующих явление фотопроводимости. Кроме того, мишень из фотопроводящих
слоев, являясь фоточувствительным элементом, одновременно накапливает
световую энергию, что значительно упрощает конструкцию передаю-щей трубки. Идея создания передающей трубки с фотопроводящей мишенью принадлежит А.А.Чернышову, который высказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были
разработаны и технологически освоены малоинерционные полупроводниковые
фоточувствительные слои, изменяющие электрическую проводимость под действием падающего светового потока. Это изменение проводимости происходит
в результате увеличения энергии отдельных электронов вещества за счет поглощения энергии излучения и нарушения связи этих электронов с ядром своего атома. При этом электроны не покидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости, в результате чего значительно изменяется сопротивление вещества.
Возбужденный светом электрон спустя некоторое время рекомбинирует – возвращается в заполненную зону, скорость рекомбинации возрастает по мере
увеличения концентрации фотогенерированных электронов. Поскольку скорость генерации носителей постоянна при неизменном потоке излучения, а скорость рекомбинации возрастает, через определенные промежутки времени интенсивность рекомбинации становится равной интенсивности генерации новых
фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние, характеризующеёся стационарным значением проводимости. При прекращении освещения носители тока
рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще
спустя некоторое время. Это означает, что нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются процессами инерционными.
Инерционность фотопроводника зависит от его химического состава, конструкции, а также от значения воздействующего на фотопроводник светового
потока. Фототок i, обусловленный внешним фотоэффектом, связан с освещенностью Е: i =kE,
где  - коэффициент пропорциональности; величина, зависящая от химического
состава и конструкции фотопроводника, ее значение обычно лежит в пределах
0,5...1.
83

Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрального состава
воздействующего излучения. Энергия светового излучения h должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной зоны в зону проводимости.
Длина волны, при которой начинается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. По мере уменьшения длин волн и соответственно увеличения
h излучение воздействует на все большее число электронов заполненной зоны,
и фотоэффект усиливается. Конкретные спектральные характеристики фотопроводящих мишеней определяются свойствами вещества слоя и конструктивными особенностями фотомишени.
Конструкция и принцип действия. Видикон отличается простотой конструкции, небольшими размерами и массой и является высоконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа видикон (рис.6.8) содержат два основных узла: фотомишень и электронный прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень 1 состоит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя представляет собой тонкий проводящий прозрачный
слой золота, платины или окиси олова, нанесенный на внутреннюю поверхность планшайбы.
Прозрачность сигнальной пластины превышает
90 %, удельное сопротивление 200 Омсм. Выводом сигнальной пластины служит металлическое кольцо, вваренное между планшайбой и
колбой трубки. На сигнальную пластину испарением в вакууме нанесен фотослой толщиной
1…3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью, в качестве которого используются
соединения сурьмы, селена, мышьяка, серы.
Материал, из которого изготовлена мишень, а
также его толщина определяют чувствительРис. 6.8. Видикон: устройство (а);
схема замещения мишени (б)
ность, спектральную характеристику и
инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характеристик, которыми должен обладать конкретный тип видикона, т.е. от назначения передающей трубки.

Рис.6.8а Фото внешнего вида видикона

84

Электронно-оптическая система видикона содержит электронный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, помещенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогревного катода 2, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5 анодов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение
развертывающего луча.
Потенциал выравнивающей сетки в 1,5...2 раза превышает напряжение второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей поверхности фотомишени под прямым углом. Это обеспечивает равномерную фокусировку луча и
один исходный потенциал на всей поверхности мишени, что является одним из
условий получения равномерного сигнала по полю изображения. Фокусировка,
отклонение и коррекция траектории развертывающего луча осуществляются
внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек.
Процесс образования сигнала изображения в видиконе может быть пояснен с помощью схемы замещения мишени (рис. 6.8,б) На этой схеме каждый
элементарный участок фотопроводящей мишени представлен в виде емкости
Сэ конденсатора, образованного элементами сигнальной пластины и правой
стороны мишени. Емкость шунтирована резистором, сопротивление Rэ которого изменяется в зависимости от освещенности этого участка. При проекции на
мишень трубки оптического изображения распределение освещенности на ее
поверхности вызовет соответствующее распределение сопротивлений, т.е. рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф сопротивлений.
Темновое удельное сопротивление фотопроводника может быть очень велико
(около 1012 Омсм). При максимальном освещении сопротивление мишени
уменьшается примерно в 100 раз.
При “развертке” фотомишени коммутирующим (считывающим) лучом ее
поверхность приобретает потенциал, определяемый режимом бомбардировки
мишени. Трубка может работать в режиме медленных и быстрых электронов.
Чаще используется режим медленных электронов. В режиме развертки медленными электронами потенциал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммутации потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддерживается постоянным, поэтому “под лучом” элементарные конденсаторы Сэ заряжаются до напряжения Uсп. При проекции на мишень оптического изображения сопротивления Rэ, шунтирующие элементарные кон-денсаторы Сэ, изменяются, так как Rэ = f(Еэ) где Еэ – освещенность элементарного участка. При этом
наиболее освещенным элементам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наоборот, темным участкам мишени – наибольшее сопротивление.
В период между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы
Сэ разряжаются через резистор Rэ с постоянной времени р = Rэ Сэ. Чем сильнее
освещен участок мишени, тем меньше Rэ и быстрее разряжается Сэ. При этом
потенциал обкладок конденсаторов Сэ, обращенных к лучу, увеличивается,
приближаясь в пределе (в наиболее освещенных участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины. На неосвещенных участках мишени он остается практически равным нулю. Таким образом, на поверхности мишени, обращенной к
85

лучу, создается потенциальный рельеф – распределение потенциалов, соответствующее распределению освещенности по поверхности мишени.
Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохождении
(коммутации) участков поверхности мишени электронным лучом, выравнивающим потенциальный рельеф, образовавшийся на правой стороне мишени. При
этом на освещенных участках мишени, имеющих более положительный потенциал, осаждается значительная часть электронов. А от неосвещенных участков
поверхности мишени, потенциал которых примерно равен нулю, электронный
луч, отразившись, возвращается обратно. Выравнивание потенциального рельефа приводит к дозаряду элементарных конденсаторов Сэ. Причем ток дозаряда
протекает в цепи сигнальной пластины через Rэ и Сэ в направлении, указанном
стрелкой (рис. 6.8,б), и является током сигнала. Освещенным, слабо освещенным
и неосвещенным участкам мишени будут соответствовать разные токи дозаряда,
которые, протекая через Rэ, при последовательной коммутации участков мишени
электронным лучом, образуют сигнал изображения.
Характеристики видикона. Спектральная характеристика видикона определяется свойствами фотомишени. Имеются видиконы, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям. Спектральные характеристики некоторых типов видиконов изображены на рис.6.9.

Световая характеристика видикона определяется зависимостью фотопроводимости мишени от ее освещенности: 1/ Rэ = f(E) и зарядом элементарного конденсатора Сэ. Заряд при прочих равных условиях зависит от напряжения на
сигнальной пластине Uсп, в связи с чем световые характеристики видикона
обычно приводят для различных значений Uсп (рис.6.10). Приведенные на
рис.6.10 характеристики соответствуют максимальной чувствительности (при
Uсп1), средней чувствительности (Uсп2) и минимальной чувствительности, обычно используемой в телекинопроекции (Uсп3). Из рисунка следует, что зависимость iс = f(E) трубки видикон нелинейна, причем нелинейность различна для
различных напряжений на сигнальной пластине. В приведенном примере  изменяется в пределах 0,6...0,8. Световая характеристика видикона мало зависит
от характера распределения освещенности на мишени и позволяет обеспечить
высокий контраст изображения.
Передача информации о средней яркости. При коммутации мишени медленными электронами видикон воспроизводит информацию о средней яркости
изображения, так как уровень сигнала во время обратного хода луча соответ86

ствует уровню черного. Действительно, от неосвещенных участков мишени
(при темновом сопротивлении элемента Rэт = ∞) луч возвращается обратно и в
цепи сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда электронный луч заперт гасящим импульсом. Практически Rэт  ∞ и конденсатор Сэ при
отсутствии света также несколько разряжается.
Электронный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и создает
темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных мест изображения
(уровень черного) несколько отличается от уровня гасящих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряжения на сигнальной пластине и может
быть неодинаков для разных участков мишени. Поэтому при выборе режима
работы трубки стремятся к обеспечению минимального темнового тока, что
увеличивает равномерность ТВ сигнала в целом.
Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме коммутации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее освещенным участкам
фотомишени соответствует максимальный ток коммутирующего луча – ток
сигнала, который, протекая по нагрузке Rн (см. рис. 6.8,б), понижает потенциал
точки А, с которой снимается сигнал изображения. Значит, увеличению освещенности соответствует уменьшение потенциала точки А, т.е. полярность сигнала отрицательна.
Разрешающую способность видикона описывают его апертурной характеристикой, которая определяется структурой, размерами и конечным значением
поверхностной проводимости фотомишени, а также сечением коммутирующего
(считывающего) луча. При создании трубки основная задача состояла в получении наименьшего диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так,
при размере рабочего участка мишени 9,512,5 мм диаметр сечения луча не
должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Сложность технической реализации этих требований заставила разработчиков на опре-деленном этапе развития техники ТВ передающих приборов для увеличения разрешающей способности
видикона увеличивать диаметр его мишени до 40 мм.
Дальнейшее совершенствование электронно-оптической системы видикона,
установление жестких допусков на изготовление и сборку отдельных деталей и
всего электронно-оптического узла в целом решило задачу повышения удельного разрешения трубки. Так, апертурная характеристика одного из видиконов, рекомендованных разработчиками для ТВ вещания (рис. 6.11), показывает, что на отметке 600 строк видикон обеспечивает глубину модуляции сигнала изображения 20%.
Высокое качество изображения обеспечивается при
освещенности мишени трубки видикон в пределах 1...10 лк,
что соответствует максимальной и средней его чувствительности. Увеличение освещенности фотомишени жеРис. 6.11. Апертурная характеристика
лательно также для уменьшения инерционности трубки.
видикона ЛИ-421
Инерционность видикона является его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тянущегося за
ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения контраста.
87

Обычно инерционность оценивается отношением (в процентах) остаточного
сигнала спустя кадр после прекращения экспозиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектрическую и коммутационную составляющие инерционности.
Фотоэлектрическая составляющая инерционности обусловлена физическими процессами в фотомишени. Она зависит от материала применяемого
фотопроводника, количества примеси в нем, технологии изготовления и уровня
освещенности. Коммутационная составляющая инерционности обусловлена
недостаточным значением тока электронного пучка, в результате чего потенциальный рельеф фотомишени не успевает выравниваться за один цикл развертки.
Уменьшить коммутационную составляющую можно только путем уменьшения
емкости Сэ элементарного конденсатора, так как увеличение тока луча приводит
к ухудшению разрешающей способности трубки вследствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. Инерционность может быть существенно
уменьшена при увеличении освещенности мишени.
К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствительность, способность к передаче информации о постоянной составляющей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эффектом перераспределения электронов.
Промышленностью выпускается около тридцати модификаций передающих
трубок типа видикон с размерами диаметра колбы 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм, которые благодаря простоте коммутации, малым габаритам и высоким эксплуатационно-техническим параметрам нашли широкое применение в прикладных телевизионных системах различного назначения, а также используются в ТВ вещании
для передачи кинофильмов, где возможность обеспечения высокой освещенности
позволяет преодолеть основной недостаток видикона – инерционность.
8. ПЛЮМБИКОН
(Плюмбикон – название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца
(фирмы “Филлипс”, Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпускаемой
в России, – глетикон). Широкому использованию видикона в аппаратуре вещательного телевидения препятствует большая инерционность, значение которой складывается из коммутационной и фотоэлектрической составляющих.
Уменьшение фотоэлектрической составляющей инерционности может быть
достигнуто путем использования в качестве материала мишени веществ, обладающих низкой концентрацией ловушек, и создания режима работы, обеспечивающего прохождение носителей тока без рекомбинации. Для уменьшения
коммутационной составляющей инерционности, связанной с конечным временем перезарядки элементарного конденсатора мишени Сэ, стремятся
уменьшить его емкость путем изменения геометрических параметров мишени,
что приводит к уменьшению времени дозаряда этого конденсатора.
Однако уменьшение емкости конденсатора Сэ приводит одновременно к
уменьшению постоянной времени его разряда  = RэСэ, и для сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым сопротивлениям Rэ, постоянная времени разряда может оказаться меньше длительности кадра, что
приведет к неполному использованию эффекта накопления. Следовательно,
88

уменьшение емкости участка мишени должно сопровождаться одновременным
увеличением сопротивления Rэ. При этом необходимо позаботиться о сохранении потенциального рельефа, определяемого отношениями максимального и
минимального значений элементарных сопротивлений, т.е. соответственно этому изменить свойства мишени. Разумеется, изменение свойств мишени не
должно сопровождаться увеличением фотоэлектрической составляющей инерционности. Упомянутые условия выполняются при замене фоторезистивной
мишени мишенью фотодиодного типа, имеющей электронно-дырочный р-i-п
переход, включенный в обратном направлении. Это обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое сопротивление и близкую к линейной световую характеристику.
Мишень плюмбикона состоит из трех слоев и схематически изображена на
рис. 6.12,а. Тонкая прозрачная сигнальная пластина 3 нанесена на стеклянную
планшайбу 2 с внутренней стороны баллона трубки и служит для вывода сигнала. На сигнальную пластину как на подложку нанесен также тонкий прозрачный слой полупроводника 4 с проводимостью типа п. Далее идет слой 5, обладающий собственной проводимостью (типа i) и образующий основную толщину мишени. Затем на поверхности мишени с помощью специальной обработки
создается слой 6 с проводимостью типа р. Слой 6 с проводимостью р, так же,
как слой 4 с проводимостью п, получают легированием основного слоя 5. Слой
6 должен обладать более высокой, чем слой 5, проводимостью и быть достаточно тонким для предотвращения растекания зарядов между участками мишени с различными потенциалами.
Сигнальная пластина и слой с проводимостью типа п прозрачны для прохождения световых лучей. Слой i выполнен из химически чистой окиси свинца
с упорядоченной кристаллической структурой. Кристаллы имеют пластинчатую форму с размерами примерно 0,13,00,05 мкм и ориентированы параллельно направлению световых лучей. Такая структура мишени позволяет существенно снизить концентрацию ловушек, чем увеличивает скорость дрейфа и
уменьшает вероятность рекомбинацию носителей тока. Благодаря этому, а также высокой напряженности поля в слое i, все носители тока проходят сквозь
него не рекомбинируя. Следовательно, структура слоя i такова, что позволяет
значительно увеличить толщину мишени, не вызывая увеличения фотоэлектрической составляющей инерционности. Увеличение толщины мишени приводит,
во-первых, к уменьшению емкости, а значит, и к уменьшению коммутационной
составляющей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению падающего на мишень света, что повышает чувствительность мишени.

Рис. 6.12. Плюмбикон:
а – устройство мишени; б – ее схема замещения

89

Рис.6.12а Фотография внешнего вида плюмбикона

Схема замещения элементарного участка мишени плюмбикона представлена на рис. 6.12,б. Она отличается от схемы на рис. 6.8,б включением фотодиода р-i-п типа. Из-за большой ширины запрещенной зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока мала, что существенно уменьшает темновой
ток, а следовательно, увеличивает темновое сопротивление мишени Rэт. В момент коммутации р-i-п переход смещается в обратном направлении, что дополнительно увеличивает Rэт.
Повышенное диффузное рассеяние света вызывает образование ореолов и
бликов вокруг ярких деталей изображения. Для устранения этого явления трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца снабжены противоореольным
стеклянным диском 1 (рис. 6. 12,а) толщиной около 6 мм, закрепленным на
входном окне 2 с помощью оптической склейки.
Световая характеристика плюмбикона линейна (рис. 6.13) в широком диапазоне освещенности (штриховая линия). Показатель нелинейности (гамма) для
этой трубки лежит в пределах 0,95  0,05. Малый разброс этого параметра указывает на высокую его воспроизводимость, что является большим достоинством фотодиодной мишени при работе в многотрубочных камерах цветного
телевидения (ЦТ).
Плюмбикон обеспечивает высококачественное изображение при рабочей
освещенности мишени 5...8 лк, и таким образом, несколько уступает по этому
параметру видикону: Плюмбикон обеспечивает равномерную по полю разрешающую способность, равную 600 линиям, при высоком отношении сигнал/помеха, достигающем 200:1. Малое значение темнового тока (0,5...3 нА) и
его высокая равномерность (1%) обусловливают воспроизведение плюмбиконом уровня черного.
Существенным преимуществом плюмбикона перед видиконом является его
малая инерционность. Остаточный сигнал спустя кадр после выключения света
не превышает 5%. Для снижения инерционности при передаче движущихся
объектов с низким уровнем освещенности применяется дополнительная подсветка мишени.
Спектральные характеристики плюмбикона приведены на рис. 6.14.

90

Рис. 6.13. Световая характеристика
Рис. 6.14. Спектральная характеристика
плюмбикона с дополнительным
чувствительности плюмбикона
считыванием пересвеченных мест изображения

Кривая 1 характеризует спектральную чувствительность трубки с нелегированной мишенью. Спад характеристик в длинноволновой части видимого
спектра затрудняет использование трубки с такой мишенью в “красном” канале
многотрубочной камеры цветного ТВ. Легирование окиси свинца серой способствует смещению спектральной характеристики в длинноволновую область
(кривая 2). При этом мишень приобретает чувствительность и к невоспринимаемому глазом излучению ближней инфракрасной области спектра. Для подавления излучения с длиной волны свыше 720 нм на притивоореольный диск
трубки нанесен интерференционный светофильтр с полосой пропускания в области 400...720 нм. Кривая 3 соответствует спектральной чувствительности такой трубки.
Линейная световая характеристика плюмбикона (см. рис. 6.1З) приводит к
тому, что при освещенности мишени, превышающей рабочую в 2...3 раза, потенциальный рельеф возрастает настолько, что ток луча становится недостаточен для полной коммутации “пересвеченных” участков мишени. При передаче
движущихся объектов с повышенной яркостью на экране возникают дефекты
изображения в виде тянущегося следа (“хвосты кометы”). Для устранения этого
дефекта в последних выпусках трубок (ЛИ-457, ЛИ-458) используется так
называемый антикометный прожектор, с помощью которого “пересвеченные”
участки мишени дополнительно считываются лучом с увеличенным током
(100...150 мкА) во время обратного хода по строке, что обеспечивает полную
коммутацию участков мишени с освещенностью, более чем в 30 раз превышающей номинальную. В результате такого дополнительного считывания световая характеристика плюмбикона получает характерный излом (см. рис. 6.13,
сплошная линия).
Высокие показатели трубок с окисно-свинцовой мишенью в сочетании с
минимальной инерционностью и линейностью световой характеристики сделали их наиболее подходящими отечественными приборами для передающих камер ЦТ.
9. СУПЕРОРТИКОН
Стремление повысить чувствительность и устранить недостатки иконоскопа привело к созданию новой передающей трубки с насыщенной фотоэмиссией,
91

с мишенью, имеющей большой коэффициент вторичной эмиссии и с переносом
электронного изображения.
Устройство суперортикона схематически показано на рисунке. Особенностью суперортикона является наличие двусторонней мишени, с одной стороны
которой производится запись – накопление заряда, а с другой стороны – считывание.
Все элементы суперортикона собраны в цилиндрической колбе . Широкая
часть колбы имеет плоское дно из оптического стекла, на внутреннюю поверхность которого нанесен полупрозрачный фотокатод 2. В широкой части также
расположены ускоряющий электрод 3, сетка 4, мишень 5 и тормозящий электрод 6.

Рис.3а. Принцип работы вторичных умножителей (диноды)

Рис.3. Устройство суперортикона

Рис.3б. Фото внешнего вида суперортикона

Рис.3в. Фото секции умножения суперортикона

В узкой части колбы расположены отклоняющие катушки 7, проводящее
покрытие – анод прожектора 10, прожектор 12 и вторично-электронный умножитель 9. Прибор помещается в длинный соленоид 8, создающий продольное
магнитное поле.
Двусторонняя мишень представляет собой пластинку толщиной 5 мкм, изготовленную из специального стекла с повышенной поперечной электропроводностью. Благодаря малой толщине и небольшому поперечному сопротивлению потенциальный рельеф, формируемый на одной стороне мишени, перехо92

дит за счет поперечной проводимости на другую сторону. Продольное сопротивление мишени большое и «растекания» заряда не происходит.
В суперортиконе используется вторично-электронный умножитель, состоящий из семи каскадов умножения жалюзийного типа. Первым эмиттером
умножителя является анодная диафрагма прожектора.
Предаваемое изображение проектируется на полупрозрачный фотокатод.
Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем и фокусируются продольным
магнитным полем. Ускоренные фотоэлектроны при бомбардировке мишени вызывают вторичную эмиссию, и на поверхности мишени создается глубокий потенциальный рельеф.
В процессе развертки мишени часть электронов считывающего пучка используется для компенсации накопленного положительного заряда, вследствие
чего количество отражающихся от мишени электронов соответственно уменьшается. Отраженные от мишени электроны магнитным полем направляются на
первый динод умножителя. С коллектора умножителя снимается видеосигнал.
Несмотря на сложность устройства, суперортиконы благодаря высокой
чувствительности получили широкое распространение.
10. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИИЗОБРАЖЕНИЯ
Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры тормозится использованием в ней в качестве преобразователя свет – сигнал электровакуумного прибора, обладающего достаточно большим и габаритами и сложной системой
управления электронным лучом. В связи с этим в течение многих лет велись
широкие поисковые работы в направлении безвакуумных анализирующих
устройств – аналогов ТВ передающих электронно-лучевых трубок. Развитие
твердотельной технологии, технологии тонкопленочных покрытий позволило
разработать твердотельные матричные ФЭП изображения, в которых в качестве
элементов матрицы использовались фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Изобретенные в 1969 г. приборы с зарядовой связью позволили создать
твердотельные ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим стандарту ТВ вещания.
В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства структуры металл – окисел – полупроводник (МОП-структуры), способной собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в потенциальных
ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а
переносятся они путем управляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговый
регистр, обладающий способностью собирать, накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным достоинством ПЗС является принцип последовательного переноса зарядовой информации от отдельных элементов матрицы к
единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в
сигнал изображения. Входная емкость такого устройства может не превышать
93

0,1 пФ. В результате улучшается отношение сигнал/шум на выходе предварительного усилителя, а, следовательно, и предельная чувствительность прибора.
Все ячейки матрицы одинаково чувствительны к действию помех от тактовых
импульсов. Поэтому геометрический шум, возникающий от этих помех, легко
компенсируется.
Объясним принцип работы прибора
с зарядовой связью. Основным элементом ПЗС является конденсатор МОПструктуры, одной из обкладок которого
служит металлический электрод, а второй - полупроводниковая подложка (рили п -проводимости). Диэлектриком
является окисел беспримесного полуРис. 6. 15. Конденсатор МОП-структуры
проводника, наносимый в виде тонкого
слоя на подложку. В изображенном на рис. 6.15 МОП-конденсаторе в качестве
полупроводника использован кремний дырочного типа проводимости. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм. В полупроводнике
дырочного типа проводимости основными носителями заряда являются дырки.
При приложении к металлическому электроду положительного потенциала основные носители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с окислом,
будут отталкиваться от электрода и, покинув поверхностный слой, отойдут в
толщину полупроводника. Под электродами образуется область, обедненная
основными носителями, – потенциальная яма, глубина которой зависит от приложенного напряжения (напряжение на затворе U), степени легирования полупроводника, толщины слоя окисла. Таким образом, выбирая значения напряжения затвора, плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно
управлять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциальной ямы
ограничено паразитным процессом термогенерации неосновных носителей, так
как в кремнии при данной температуре всегда генерируются пары электрондырка, которые под действием электрического поля разделяются: основные носители “отгоняются” в толщину, а неосновные – накапливаются, заполняя постепенно потенциальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенерированных носителей является паразитным процессом. Время, необходимое для
заполнения потенциальной ямы из-за термогенерации, называется временем релаксации. Следовательно, промежуток времени, существенно меньший по сравнению со временем релаксации, может быть использован для хранения в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих информацию о значении полезного сигнала, а МОП-конденсатор может служить элементом, запоминающим
информацию, представленную зарядом потенциальной ямы. Таким образом,
максимальное вре-мя хранения зарядовой информации tхр max а следовательно, и
минимальная частота работы цифровых и аналоговых устройств на ПЗС определяются процессами накопления паразитного заряда в потенциальной яме.
Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим путем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические про94

цессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей
в потенциальных ямах. Накопленный
заряд пропорционален освещенности и
времени накопления. Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается
расположением МОП-конденсаторов на
столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области переа
б
крываются и потенциальные ямы соРис. 6.16. Перенос зарядовых пакетов перемещением потенциалов конденсаторов
единяются. При этом подвижный заряд
неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма (рис. 6.16).
На металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов поданы положительные потенциалы U1 и U2. В начальный момент потенциал U1 > >
U2. В образовавшуюся потенциальную яму левого конденсатора может быть
помещена зарядовая информация (рис. 6.16,а). Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенциал правого – увеличим. Тогда под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую перетечет зарядовый
пакет, помещенный ранее в потенциальную яму левого конденсатора (рис. 6.
16,б). Следовательно, изменяя определенным образом потенциалы на электродах близко расположенных конденсаторов, можно направленно перемещать зарядовую информацию.
Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере
трехфазного сдвигового регистра – устройства, состоящего из цепочки МОПконденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора подключен к одной из трехтактовых шин с фазами Ф 1,
Ф2, Ф3, как показано на рис. 6.17. Один элемент сдвигового регистра состоит из
трех ячеек МОП-конденсаторов. В течение первого такта работы (момент t1) на
электроды фазы Ф1 подано положительное напряжение U2. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями.

95

Это может происходить как в результате воздействия светового излучения
– тогда заряды будут носителями полезной информации, так и вследствие паразитного процесса термогенерации. При этом термогенерированные заряды составляют паразитную добавку к информационному заряду и являются источником темнового тока сигнала изображения. Время хранения зарядов tхр равно
времени действия напряжения U2, а режим работы ячейки под электродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент t2 (второй такт) на
электроды фазы Ф2 подается напряжение U3, значение которого превышает в
1,5...2 раза напряжение U2. Это напряжение называется напряжением записи.
Оно вызывает появление под электродами фазы более глубоких потенциальных
ям, в которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Ф1. Режим, при
котором электроны перетекают из одних потенциальных ям в другие, называется режимом записи. В момент t3 (третий такт) напряжение на электродах фазы
Ф2 уменьшится до значения U2, соответствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы Ф1 уменьшится от значения U2 до U1 (что предотвращает возврат зарядового пакета под электроды фазы Ф1. Из рис. 6.17,а видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так как под электродами фазы Ф1 потенциал остается низким, равным U1. Такой направленный
перенос зарядовых пакетов является одним из достоинств трехтактных регистров. В регистрах, работающих по двухтактной схеме, направленный перенос
зарядов приходится обеспечивать путем усложнения структуры ПЗС.
Последовательность смены потенциалов на тактовых группах показана на
тактовой диаграмме (рис. 6.17,б), на которой форма управляющих напряжений
для трехтактной схемы идеальна. Однако для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импульсы, подаваемые на электроды, должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потенциальной ямы. Поэтому практически для управления используют
импульсы трапецеидальной формы (рис. 6.17,в). При этом остатки заряда (по96

следние носители) успевают перетечь в соседнюю потенциальную яму, и в результате повысится эффективность переноса заряда.
Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на два
класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и
формируют одномерное изображение объекта. Такие однострочные ФЭП могут
быть использованы при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещениё ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном направлению строчной развертки.
Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирователь сигнала изображения.
Он представляет собой двухкоординатный массив светочувствительных элементов, осуществляющих электронное сканирование по координатам х и у.
При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос
организации ее считывания. Известно несколько способов организации считывания матричных формирователей. Наиболее предпочтительна организация с
кадровым переносом (рис. 6.18). Характернёй ее особенностью является наличие секции хранения или памяти, которая
защищена от света и равна по площади секции накопления – фотоприемной секции.
Накопленные заряды фотоприемной секции
за время обратного хода по кадру последовательно сдвигаются в секцию хранения. Во
время накопления в фотоприемной секции
следующего кадра информация из секции
хранения построчно передается в секцию
переноса заряда – сдвиговый регистр.
Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода гориРис. 6.18. Способ организации
зонтальной развертки. Затем зарядовые папокадрового считывания
кеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал
изображения. После считывания всей видеоинформации из секции хранения
начинается перенос следующего кадра.
Одним из основных достоинств покадрового считывания является устранение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при
сканировании не происходит. При покадровой организации просто осуществляется чересстрочное разложение изображения, проста также электродная структура, что позволяет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить более равномерную характеристику спектральной чувствительности.
97

На рис. 6.19 приведена схема серийно выпускаемой отечественной промышленностью матрицы ПЗС с числом элементов 288232, работающей с покадровым переносом накопленной информации и трехтактным регистром
управления. Матрица содержит фоточувствительную секцию накопления, состоящую из 144232 элементов, секцию памяти, состоящую из 144233 элементов, сдвиговый регистр на 235 элементов и выходное устройство, состоящее из
двух транзисторов. В состав выходного устройства входит также вспомогательный регистр, с помощью которого компенсируются помехи от тактовых импульсов. Как видно из рисунка, для усиления сигнала изображения с матрицы
используется дифференциальное устройство, в котором происходит компенсация тактовых импульсов, поступающих на его входы в противофазе.
Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать чересстрочное разложение изображения, Для этого в течение длительностей нечетных полей накопление производится под электродами Ф 1, а в течение длительностей четных – под электродами фазы Ф2. Во время обратного хода по полям
зарядовая информация нечетного поля переносится в секцию хранения (памяти). В период следующего четного поля в режим накопления переводятся электроды фазы Ф2 и в секции накопления начинается новый цикл работы.
В то же время из секции хранения последовательно, строка за строкой, переносятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиговый) регистр, который
сдвигает элементы строки один за другим
к выходному устройству. Перенос зарядов
отдельных строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время
обратного хода строчной развертки, а вывод зарядов строки из регистра в выходное
устройство – во время прямого хода
строчной развертки. Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос
зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема:
Рис. 6.19. Схема матрицы ПЗС
1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти
в сдвиговый регистр; З) перенос из сдвигового регистра в выходное устройство.
Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным – для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов
для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов Nmax = 23z+2п,
где z – число строк; п – число элементов в строке. В приведенном равенстве
первый член учитывает число переносов по кадру, а второй – число переносов
вдоль строки. Подставляя параметры вышеприведенной матрицы, получаем
Nmax = 23144+3235 = 1.569. Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты пере98

носятся не полностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках,
существующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при определенной
скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда  накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала;  – относительная величина и характеризует часть заряда, потерянную пакетом за один перенос. Умножив  на
число переносов в приборе N, получим результирующую неэффективность переноса N всего прибора. Приемлемым считается значение  = 110–4 …510–5.
При числе переносов Н = 1569 суммарная эффективность переноса  =1 – N =
84 %.
Как видим, принцип последовательного переноса, являющийся одним из
основных достоинств ПЗС и обеспечивающий на определенном этапе преимущества перед двухкоординатными матрицами в таком важном параметре, как
существенное повышение отношения сигнал/шум и улучшение однородности
изображения, тормозит дальнейшее увеличение качества матрицы. Кроме этого,
используемое в ПЗС самосканирование требует бездефектности всех элементов
матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего
передающего столбца или строки.
Световая характеристика ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна
(рис. 6.20). Точка 1 соответствует выходному сигналу в отсутствие освещения и
определяет темновой ток, обусловленный в большой степени термогенерацией
неосновных носителей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями.
Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными параметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением
пробоя МОП-конденсатора.
Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис.6.21)
имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн
0,4...0,5 мкм (кривая 1), который обусловлен сильным поглощением на этом
участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремниевыми электродами. Для повышения чувствительности в этой области спектра в
поликремниевых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет примерно
15...20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло
чувствительность матрицы на длине волны  = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что
позволило использовать матрицу в цветном телевидении.

Рис. 6.20. Световая характеристика
матрицы ПЗС

Рис. 6.21. Спектральная характеристика
матрицы ПЗС

99

Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в
матрице ПЗС. Увеличению числа элементов матрицы препятствуют технологические трудности, а также ухудшение параметров сигнала изображения, связанное с
неэффективностью переноса изображения. Разработанная отечественная матрица
с числом элементов 580532 обеспечивает в стандартном телевизионном режиме
разрешение 450 твл. Чувствительность матрицы достигает 50 мкА/лм и соизмерима с чувствительностью современных передающих ЭЛТ.
Совершенствование телевизионных передающих трубок направлено на
улучшение их качественных показателей, особенно разрешающей способности,
которая определяется структурой и конечным значением поверхностной проводимости мишени, а также сечением коммутирующего (считывающего) луча.
Необходимость повышения разрешающей способности трубки становится очевидной при разработке телевизионной аппаратуры систем высокой четкости
(ТВЧ). С этой целью фирма “Нitachi” разработала трубки типа сатикон, где в
качестве фотопроводящего слоя использована аморфная среда в виде халкогенидного стекла Sе, Аs, Те, состоящего главным образом из селена, особо легированного мышьяком и теллуром. Малая толщина слоя мишени и особенности
ее структуры позволяют существенно увеличить разрешение трубки. Уменьшение апертуры луча трубки путем совершенствования ее электронно-оптической
системы дополнительно увеличило ее разрешающую способность и сделало
трубку типа сатикон пригодной для использования в системе ТВЧ.

100

Рис.2а. Внешний вид диссектора

ДОДАТОК Н. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №18

Рис.1. Структурная схема иконоскопа: 1 – мозаичный фотокатод, 2 –
диэлектрик, 3 – сигнальная пластина, 4 – коллектор, 5 – второй анод, 6
– первый анод, 7 – модулятор, 8 – катод, 9 – отклоняющая система

Рис.2. Принцип работы иконоскопа

Рис.3. Структурная схема диссектора: 1 – фотокатод, 2 –
ускоряющий анод, 3 – диафрагма с отверстием, 4 – диноды
вторичного умножителя; 5 – коллектор; 7 – фокусир.катушка;
7 – отклоняющая катушка

101

Рис.3а. Принцип работы вторичных умножителей (диноды)

Рис.3. Устройство суперортикона

1 – Фотокатод; 2- катод; 3 – управляющий электрод; 4 – первый анод; 5 – второй анод; 6
–выравнивающая сетка; ФК- фокусирующая катушка; ОК – отклоняющая катушка;
КК – корректирующая катушка

1 – стеклянная колба; 2 – планшайба; 3 – сигнальная пластина; 4 –
полупроводник n-типа, 5 – полупроводник i-типа, 6 – полупроводник
p-типа

102

103

ЛЕКЦІЯ №19. МЕТОДИ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ ПРО КОЛІР.
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ В ОПТИЧНІ
ЗОБРАЖЕННЯ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии звукового
радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2004. – 606 с.
РОЗДАТНИЙ МАТЕРІАЛ: див. ДОДАТОК О
1. Понятие о цвете
Ощущение цвета есть результат субъективного восприятия зрительным
аппаратом объективно существующих световых излучений. Оно определяется
двумя основными факторами: раздражителем, объективно существующим и
действующим на глаз излучением; результатом раздражения – ощущением
цвета, зависящим от свойств световоспринимающего аппарата. Световые
излучения, которые воспринимает зрительный аппарат человека, лежат в
диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Этот диапазон излучения принято
считать видимым спектром.
Глаз является селективным приемником излучения. Это значит, что в
видимом диапазоне он воспринимает различные длины волн не одинаково.
Ощущение цвета зависит от спектрального состава воздействующего на глаз
излучения. Если излучение содержит все длины волн видимого диапазона и
является равноинтенсивным, т.е. все составляющие спектра излучения имеют
одинаковую мощность, то в зрительном аппарате возникает ощущение белого
цвета. Ощущение цвета, отличное от белого, возникает лишь в том случае, если
излучение содержит не все длины волн указанного диапазон либо является
существенно неравномерным. Предельным случаем неравномерного излучения
можно считать излучение в малом интервале длин волн , так называемые
монохроматические излучения. Монохроматические излучения разной длины
волны вызывают у человека ощущение различных спектральных цветов,
обладающих максимальной (100%) насыщенностью. Насыщенность –
характерное свойство цвета – цветовой параметр, обозначающий степень
разбавленности монохроматического цвета белым. Насыщенность белого цвета
равна нулю. Спектр монохроматических излучений условно разбит на семь
главных цветов (табл.10.1), названия которых могут служить приблизительным
обозначением цветового тона. Под цветовым тоном понимают характерное
свойство цвета, позволяющее обозначить его как красный, зеленый, желтый и
т.д., в зависимости от спектрально состава воздействующего излучения.
Цветовой тон и насыщенность не зависят от интенсивности излучения и
характеризуют качество цвета, которое называется цветностью. Количество
цвета связано с величиной лучистого потока – воздействующего на орган
зрения из лучения.
Перечисленные параметры: светлота, цветовой тон, насыщенность
являются субъективными, так как не могут быть объективно измерены. Однако
104

им соответствуют физические параметры излучения: яркость L, доминирующая
(преобладающая) длина волны д и чистота цвета Р. Субъективные и
физические параметры связаны между собой; так, яркость определяет светлоту,
доминирующая длина волны – цветовой тон, а чистота цвета – насыщенность.
Таким образом, цвет характеризуется тремя параметрами: светлотой или
яркостью, цветовым тоном и насыщенностью и в силу этого является
трехмерной величиной. Во многих случаях оказывается удобным раздельно
оценивать качественную и количественную характеристики цвета, определяя
соответственно его через цветность и яркость.
Для каждого из приведенных в табл. 19.1 главных цветов можно подобрать
дополнительный цвет, который при смешении в определенной пропорции со
световым потоком данного цвета дает белый цвет. Так, для желтых, оранжевых,
зеленых цветов дополнительными цветами будут синий, голубой и пурпурный
соответственно. Пурпурный цвет не является спектральным цветом, а получен
от смешения синего и красного цветов.
Таблица 19.1

Воздействующее на глаз излучение определенного спектрального состава
и интенсивности дает ощущение одного присущего ему цвета, т.е. известный
спектральный состав и интенсивность излучения полностью определяют цвет
излучения. Однако по цвету излучения нельзя судить о его спектральном
составе, так как ощущение одного и того же цвета может быть получено при
различных спектральных составах воздействующих излучений. Зрительный
аппарат человека не в состоянии, например, отличить оранжевый цвет
монохроматического излучения с длиной волны около 600 нм от желтого цвета
смеси источников излучения красного (к = 700 нм) и зеленого (з = 500 нм).
Два различных по спектральному составу излучения, создающих ощущение
одного и того же цвета, называются метаметрической парой.
Количество различимых глазом цветов очень велико и зависит от многих
факторов, таких как условия наблюдения, тренированность наблюдателя и др.
Наш глаз способен различать около 10 млн. различных цветов, отличающихся
один от другого по трем параметрам – светлоте, цветовому тону и
насыщенности. Описание такого множества цветовых оттенков невозможно без
их классификации и символического обозначения. С этой целью
разрабатываются системы цветовых шкал в виде таблиц и цветовых атласов,
которые служат для безынструментального определения цвета рассеивающей
поверхности. Наиболее известны цветовые атласы Оствальда, Менселла и
Рабкина. Их общим недостатком является неточность. Цветовая система,
позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета, была создана на
основе теоретических и экспериментальных работ многих поколений ученых,
осветивших природу цветового зрения и положивших в основу построения
105

науки об измерении цвета – колориметрии – теорию трехкомпонентного
цветового зрения и понятие о трехмерном цветовом пространстве.
2. Фотометрия и свойства зрительного апарата человека
Излучение есть перенос энергии от источника к поглощающему телу.
Количественной мерой излучения является лучистая энергия, а мощность
переноса лучистой энергии, т.е. энергии, переноси мой излучением в единицу
времени, называют лучистым потоком Ф, единицей которого является ватт (Вт).
Спектр лучистого потока может иметь различный характер: быть линейчатым
(частным случаем такого спектра является поток монохроматических
излучений), сплошным, прерывным или смешанным.
Спектральную характеристику лучистого потока удобно описывать с
помощью так называемой спектральной плотности лучистого потока, Вт/нм:
(10.1)
φλ  dФ / dλ=Ф(λ).
Для примера на рис.10.1 приведена спектральная плотность источника
белого света типа С. На этом рисунке заштрихованная часть, заключенная
между абсциссами  и  + d и имеющая высоту Ф(), дает значение dФ,
соответствующее данной . Площадь под кривой Ф() дает всю величину
λ
лучистого потока Ф  λ Ф(λ)dλ.
2

1

Рис. 10.1. Спектральная интенсивность источника белого света

Спектральный состав отраженного излучения, воздействующего на
светоприемники, зависит не только от спектральной плотности падающего
потока, но и от спектральных свойств тел. В зависимости от этих свойств тело
может частично или целиком пропустить, а также поглотить падающий на него
лучистый поток. При этом в большинстве случаев окружающие предметы
отражают и пропускают лучистую энергию избирательно по спектру, что
приводит к изменению спектрального распределения первоначального
лучистого потока. Отношение отраженной, пропущенной и поглощенной
частей лучистого потока ко всему лучистому потоку, падающему на предмет,
называют соответственно коэффициентами отражения (), пропускания () и
поглощения (). Функции спектральных коэффициентов отражения () и
пропускания () определяются следующими выражениями:
106

ρ(λ)  Фρ (λ) / Ф(λ);

(10.2)
(10.3)
τ(λ)  Фτ (λ) / Ф(λ),
где Ф и Ф – отражаемый и пропускаемый лучистые потоки соответственно.
Таким образом, если поток излучения, падающий на объект, запишем как
λ
(10.4)
Ф   Ф(λ)dλ,
λ
2

1

то отраженный от объекта или пропущенный им лучистый поток запишем
соответственно как
λ
(10.5)
Фρ   ρ λ Ф(λ)dλ;
λ
2

1

λ2

Ф τ   τ λ Ф(λ)dλ.

(10.6)

λ1

Для оценки воздействия лучистой энергии на светочувствительный
элемент нормального глаза необходимо учитывать особенности его светового
восприятия. По определению, данному МКО (Международная комиссия по
освещению) в 1924 г., светом называется электромагнитное излучение,
оцененное глазом по тому действию, которое оно на него производит. Световой
поток F связан с лучистым потоком Ф через спектральную световую
чувствительность глаза, так называемую стандартную относительную видность
глаза V():
780
F  Vm (λ)  Ф(λ)V (λ)dλ.
(10.7)
380
Единица измерения светового потока - люмен (лм).
Стандартная относительная видность глаза (рис.10.2) определена в результате
усреднения экспериментальных данных, полученных для большого числа
наблюдателей.

Рис. 10.2. Кривая видности глаза и кривая относительного возбуждения колбочек
сетчатки глаза
стандартного наблюдателя

Коэффициент Vm(), являющийся максимумом кривой стандартной
относительной видности с длиной волны  = 555 нм, устанавливает
количественную связь между световым и лучистым потоком. В результате
точных
измерений
установлено,
что
1
Вт
лучистого
потока
монохроматического излучения с длиной волны  = 555 нм равен 683 люменам
светового потока. Следовательно, Vm() = 683, и выражение для светового
потока принимает следующий вид:
780
F  683 Ф(λ)V (λ)dλ.
(10.8)
380
Пределы интегрирования выбраны в соответствии с минимальным
значением ординат V ().
107

Излучение, длины волн которого лежат за этими пределами, практически
не вызывает раздражения зрительного аппарата. В диапазоне длин волн от 10
до 380 нм излучение называется ультрафиолетовым, а в диапазоне от 760 до
340103 нм – инфракрасным.
3. Колориметрическое определение цвета
Физиологические основы цветового зрения базируются на теории
трехкомпонентного зрения, выдвинутой впервые М.В. Ломоносовым в 1756 г.
Согласно этой теории мы допускаем существование на сетчатке глаза трех
видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает преимущественной
чувствительностью к определенному участку видимого спектра –
коротковолновому (синему), средневолновому (зеленому), длинноволновому
(красному).
Изолированное возбуждение одного из этих аппаратов дает ощущение
одного из трех насыщенных цветов – синего, зеленого, красного. Обычно (при
наблюдении малонасыщенных цветов) воздействующее излучение содержит
весь спектр видимого диапазона волн, но с разной спектральной
интенсивностью. Это приводит к раздражению не одного, а двух или трех
световоспринимающих аппаратов одновременно. При этом волны различной
длины возбуждают эти аппараты в различной степени. Различное соотношение
возбуждений световоспринимающих аппаратов вызывает ощущение цвета.
Таким образом, анализ воздействующего излучения тремя селективными
светочувствительными аппаратами глаза и последующий синтез результатов их
возбуждений корой головного мозга вызывает ощущение большого числа
цветовых оттенков окружающих нас предметов. Теория эта хорошо согласуется
с законами смешения цветов, которые косвенно ее подтверждают.
В телевидении используется локальное, пространственное и
бинокулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть
одновременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируются два
или несколько излучений, вызывающие каждый в отдельности ощущение
разных цветов, и последовательным, когда аналогичные излучения
воздействуют на глаз последовательно одно за другим. При быстрой смене
излучений в зрительном аппарате возникает ощущение единого
результирующего цвета. При пространственном смешении участки,
окрашиваемые смешиваемыми цветами, имеют достаточно малые размеры и
глаз воспринимает их как единое целое. Примером этому могут служить мелкие
штрихи, мозаика и др. Воспроизведение цветного изображения на
телевизионном экране в большинстве случаев основано на пространственном
смешении Бинокулярным смешением называется смешение двух или
нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза
разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета.
108

В основном законе смешения утверждается, что любые четыре цвета
находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть
выражен через любые три взаимно-независимых цвета:
f′F = r′R + g′G + b′B;
(10.9)
здесь f′F – излучение произвольного состава, единица которого обозначена
через F, а количество единиц – через f′; R, G, В – единичные количества
основных цветов; r′, g′, b′ – множители, указывающие количества излучений,
соответствующих цветам R, G, В, – или “модули этих цветов”.
Основными цветами называются цвета, которые нельзя получить
смешением двух других, т.е. они не могут быть связаны уравнениями типа
r′R = g′G + b′B; g′G = r′R + b′B; b′B = r′R + g′G;
(10.10)
Примером взаимно-независимых цветов являются красный (R), зеленый
(G) и синий (В).
Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно
производить путем установления тождества цветов полей сравнения с
помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из граней
которой проецируется излучение исследуемого источника, а на другую грань –
излучение от трех источников: красного R, зеленого G и синего В. Зрительная
труба, при помощи которой ведутся наблюдения, направлена на ребро
призмы, разделяющее освещенные грани. Следовательно, поле зрения трубы
разделено на два поля сравнения: одно, освещаемое исследуемым цветом,
другое – освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех
источников R, G, В и призмой стоит устройство, ослабляющее полное
излучение данного источника в определенное число раз. Меняя интенсивность
потоков излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника,
колориметрист добивается уравнивания цвета (т.е. цветности и яркости) полей
сравнения.
Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя
получить цветового равенства (10.9) ни при каких значениях основных цветов
R, G, В. Согласование для этих цветов наступает лишь тогда, когда один из
основных цветов переносится на сторону исследуемого цвета.
В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например красной
составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:
f′F + r′R = g′G + b′B,
(10.11)
или f′F = – r′R + g′G + b′B.
(10.12)
Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения
(10.9) коэффициенты r′, g′, b′ могут иметь отрицательные значения. Это
позволяет расширить применимость форм цветового уравнения (10.9),
показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми
переменными г r′, g′, b′, что подтверждает его трехмерность.
Знание численных значений цветовых коэффициентов r′, g′, b′ полностью
определяет воздействующее на глаз излучение и количественно, и качественно.
Для определения только качественной характеристики светового потока
109

цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества
основных цветов r′, g′, b′, определяемые из выражений
r
r
g
g
b
b
r
 ; g
 ; b
 ;
(10.13)
r   g   b

m

r   g   b

r   g   b

m

m

где m = r + g + b – цветовой модуль. Очевидно, что
r + g + b = 1.
(10.14)
Символы r, g, b называют координатами цветности.
В уравнении (10.9) множитель f′ указывает количество цвета F,
необходимое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яркость
смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.
f′ = r′ + g′ + b′ = m.
(10.15)
Тогда, разделив (10.9) на цветовой модуль, получим
F = rR + gG + bB.
(10.16)
Цвет F носит название единичного цвета; сумма его координат равна
единице.
Координаты цветности являются зависимыми величинами, так как, зная
две из них, третью находим из равенства (10.14). Это подтверждает
двумерность параметра цвета – цветности и позволяет отобразить ее точкой в
плоскости треугольника основных цветов.

4. Геометрическое представление цвета
Вследствие трехкомпонентности цветового зрения полная характеристика
цвета определяется тремя числами, которыми в выбранной колориметрической
системе, например АВС, являются модули трех основных цветов а′, b′, с′.
Необходимость и достаточность трех чисел для полной характеристики
цвета позволяет рассматривать его как точку в трехмерном цветовом
пространстве или как вектор, проводимый в эту точку из начала координат.
Если основные цвета А, В, С представить в виде векторов А, В, С, то уравнение
цвета может быть записано в виде
D = а′А + b′В + с′С.
(10.17)
В этом уравнении цвета смеси определяются суммарным вектором D,
имеющим координаты а′, b′, с′ в системе координат АВС. Координаты каждой
точки цветового пространства численно равны проекциям цвета на
координатные оси. Начало всех векторов цвета расположено в общей точке О,
являющейся началом системы координат цветового
пространства, которому соответствует черный цвет
(рис. 10.3).
В качестве координат цветового пространства
могут быть выбраны направления векторов любых
трех
линейно
независимых
цветов.
Для
обеспечения этого условия векторы выбранных
основных цветов не должны лежать в одной
Рис. 10.3. Вектор цвета и его
компоненты

110

плоскости и, следовательно, объем параллелепипеда, построенного на них, не
равен нулю. Вследствие того, что все векторы цвета имеют общее начало, их
можно рассматривать как радиус-векторы точек, каждая из которых будет
однозначно определять цвет. Тогда каждой точке цветового пространства будет
соответствовать определенное значение яркости и цветности. При этом длина вектора
характеризует количество цвета – яркость, а направление – его качество –
цветность.
Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называется цветовым.
Совокупность цветовых векторов в цветовом пространстве занимает телесный
угол менее 2, так как в противном случае суммирование двух цветов,
представленных соответствующими векторами, может привести к уменьшению
длины результирующего вектора, т.е. яркости смеси, что физически
невозможно. Сказанное иллюстрирует рис. 10.4, где в колоримет-рической
системе, построенной на векторах трех основных цветов АВС, изображена
коническая поверхность, образованная векторами цветов монохроматических
излучений. Поверхность имеет выпуклую форму, так как ни один спектральный
цвет не может быть получен смешением двух других. Видимый спектр
ограничен, с одной стороны, красным ( = 700 нм), а с другой – синим ( = 400
нм) излучением, поэтому поверхность спектральных цветов незамкнута.
Проведя плоскость через векторы монохроматических цветов с  = 400 нм и  =
700 нм, получим плоскость, в которой расположены векторы всех возможных
смесей этих цветов, которые принято называть пурпурными цветами.
Поскольку цветов более чистых, чем спектральные, не существует,
векторы всех реальных цветов расположены в пределах части цветового
пространства, которое ограничено конической поверхностью, образованной
векторами цветов монохроматических излучений и плоскостью чистых
пурпурных цветов. Совокупность направлений векторов реальных цветов
принято называть конусом реальных цветов. Все цвета, векторы которых лежат
вне конуса реальных цветов, в природе не существуют, вследствие чего их
принято называть нереальными цветами. При пересечении цветового
пространства плоскостью, перпендикулярной линии белого цвета, образуется
цветовой
треугольник
АВС,
в
котором
координаты
цветности
монохроматических излучений изображаются точками на кривой, называемой
спектральным локусом.
Единичная плоскость в цветовом пространстве. Выше отмечалось, что
качественная характеристика цвета – цветность – является двумерной
величиной и, следовательно, может быть определена точкой на плоскости.
Одной из характерных плоскостей цветового пространства является плоскость
единичных цветов. Единичным цветом в колориметрии называют любой цвет,
сумма координат (модулей) которого равна единице. Поскольку отношение
модуля каждого основного цвета к сумме модулей основных цветов
представляет собой соответствующие трехцветные коэффициенты или
координаты цветности a′/m = a; b′/m = b; c′/m = c, где m = a′ + b′ + c′, а сумма
трех цветовых коэффициентов а + b + с = 1, координаты любого единичного
111

цвета равны его соответствующим трехцветным коэффициентам или, что то же
самое, координатам цветности. Положение плоскости единичных цветов в
цветовом пространстве определяется единичными значениями их отрезков,
отсекаемых плоскостью на координатных осях АВС. Следовательно, плоскость
пересекающая оси координат в точках A0(a′ = 1; b′ = 0; c′ = 0), В0(а′ = 0; b′ = 1; c′
= 0), С0(a′ = 0; b′ = 0; c′ = 1) (рис.10.4), является геометрическим местом точек
единичных цветов в цветовом пространстве АВС, так как сумма координат
любой точки этой плоскости равна единице. Каждой точке плоскости
единичных цветов соответствует определенное направление цветового вектора,
пронизывающего в этой точке плоскость.
Следовательно, цветности любого излучения соответствует единственно
возможная точка этой плоскости. Треугольник А0B0C0, образованный следами
пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями системы,
называется цветовым треугольником и является равносторонним, а положение
точки в треугольнике определяет насыщенность описываемого цвета. Если
положение точки внутри равностороннего треугольника задано, то
перпендикуляры, опущенные из нее на противоположные стороны вершин
АВС, дадут непосредственно трехцветные коэффициенты (координаты
цветности) а, b, с, сумма которых равна единице (рис.10.5).

Рис. 10.5. Цветовой
треугольник АВС
Рис. 10.4.
Цветовое пространство

Если же, наоборот, заданы координаты цветности а, b, с, то положение
точки в треугольнике находят по правилу определения центра тяжести. Удобно
для нахождения точки цветности по известным трехцветным коэффициентам
пользоваться равномерной сеткой, нанесенной на цветовом треугольнике.
Пользуясь сеткой, легко определить, что цветность равноинтенсивного
цвета Е (точка Е) описывается уравнением FE = А/3 + В/3 + С/3, а, например, в
точке D цветность FD = 0,3А + 0,5С + 0,2В.
5. Система RGB
Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой
колориметрической системе, оперирующей вполне определенными, заранее
согласованными основными цветами. Поэтому в целях устранения
неопределенности измерения цвета в 1931 г. Международная комиссия по
освещению (МКО) стандартизовала в качестве основных цветов – основных
112

стимулов – три монохроматических излучения с длинами волн R = 700 нм, G
= 546,1 нм и B = 435,8 нм. Выбранные основные цвета удобны тем, что два из
них R и B близки к краям видимого спектра, а третий G – к его середине,
поэтому каждый из них действует преимущественно на
свой
цветочувствительный аппарат. Кроме того, излучение G и B большой
интенсивностью испускается парами ртути, что упрощает проведение
колориметрических измерений.
Любой цвет в системе RGB определяется по аналогии с (10.9) выражением
f′F = r′R + g′G + b′B
(10.18)
где R, G, B – обозначения выбранных основных цветов, r′, g′, b′ – их количества,
т.е. координаты цвета. Координаты цвета r′, g′, b′ могут быть выражены в
энергетических или световых единицах, но удобнее их выражать в количествах
единичных цветов R, G, B. При этом символы R, G, B являются наименованием
единиц измерения цвета. Абсолютные (количественные) значения единичных
цветов колориметрической системы не устанавливают, нормируют лишь их
соотношение. Его выбирают таким, чтобы при сложении единичных цветов в
численно равных количествах получилось ощущение равноэнергетического
белого цвета Е:
Е= 1R + 1G + 1B.
(10.19)
Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как будет
показано ниже, оказывается удобным при представлении цвета точкой в
трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения цветов известно,
что для получения цветового ощущения белого от равноэнергетического
излучения – источника типа Е необходимо к единице цвета R прибавить 4,5907
единицы цвета G и 0,0601 единицы цвета В. Тогда если через LR, LG, LB
обозначить относительные яркостные коэффициенты основных цветов, то
количественное соотношение компонентов смеси можно записать как
LR rE′ : LGgE′ : LBbE′ = 1 : 4,5907 : 0,0601,
(10.20)
где rE′, gE′, bE′ - координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е,
которые в системе RGB будут:
rE′ = gE′ = bE′ = 1/3.
(10.21)
Координаты цвета r′, g′, b′ любого сложного излучения могут быть
определены, если известен спектральный состав этого излучения P();
λ
λ
λ
r    P(λ)r (λ)dλ; g    P(λ)g (λ)dλ; b   P(λ)b (λ)dλ.
(10.22)
λ
λ
λ
2

1

2

2

1

1

Величины r (λ), g (λ), b (λ) представляют собой цветовые свойства среднего
наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (10.18), которые
были стандартизованы в 1931г. МКО на основе экспериментальных результатов
полученных Райтом и Гилдом. Цветовые свойства наблюдателей были
стандартизованы для монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем
видимом диапазоне длин волн. В результате были получены удельные
координаты или удельные цветовые коэффициенты, которыми называются
коэффициенты цветового уравнения (10.18), необходимые для получения
ощущения цвета, соответствующего монохроматическому излучению
113

мощностью в 1 Вт. Графическая зависимость удельных координат длины волны
или кривые смешения изображены на рис.10.6.
Они связывают воздействующее на глаз излучение данного спектрального
состава с результатом этого воздействия - ощущением цвета, выраженным в
цветовых координатах r′, g′, b′.
Для равноэнергетического белого цвета и РE() = const и r′E = gE′ = b′E, откуда
λ
λ
λ
(10.23)
λ r (λ)dλ= λ g (λ)dλ= λ b (λ)dλ,
2

1

2

1

2

1

а следовательно, площади под кривыми равны.
Отрицательные участки ординат кривых
смешения показывают, что в цветовом
уравнении (10.18) величины r′, g′, b′ для чистых
спектральных цветов имеют отрицательные
значения. Это подтверждает невозможность
получения чистых спектральных цветов
смешением основных реальных цветов RGB.
Рис. 10.6. Удельные координаты
На рис.10.7 представлен конус реальных
цвета в системе RGB
цветов – цветовое тело, построенное на
векторах основных цветов колориметрической системы RGB.

Рис. 10 7. Цветовое тело,
построенное на векторах
реальных цветов RGB

Рис. 10 8. Цветовое пространство
XYZ и получение
диаграммы цветности МКО

Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точках,
соответствующих единичным количествам основных цветов, и, следовательно,
является единичной плоскостью. Вектор равноэнергетического белого цвета Е
равноудален от векторов основных цветов, чем достигается равномерность
заполнения цветового пространства.
След пересечения плоскости Q c конической поверхностью цветового тела
образует локус чистых спектральных цветов. Следы пересечения этой
плоскости с координатными плоскостями образуют цветовой треугольник RGB.
Любой точке в плоскости треугольника RGB соответствует вполне
определенная цветность, координаты которой определяются путем деления
модулей цвета r′, g′, b′ на их сумму в соответствии с (10.13).
Для опорного равноэнергетического цвета Е координаты цветности
rE = gE = bE = 1/3.
Следовательно, точка белого цвета Е является центром тяжести
треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматривая
114

положение цветового конуса в пространстве координат RGB, видим, что
значительная часть цветового тела, содержащая векторы монохроматических
зеленых, голубых, синих и фиолетовых цветов, выходит за пределы пирамиды
RGB,т.е. оказывается с внешней стороны плоскости RGB. Соответственно и
след сечения цветового конуса плоскостью Q – спектральный локус выходит за
пределы цветового треугольника RGB. Следовательно, чистые спектральные
цвета не могут быть получены смешением основных цветов RGB и входящие в
цветовые уравнения модули r′, g′, b′ для этих цветов могут иметь
отрицательные значения. Кривые смешения (см. рис. 10.6) подтверждают это
положение.
Колориметрическая
система
RGB
удобна
для
проведения
экспериментальных исследований, так как ее основные цвета являются
реальными, физически существующими цветами. Однако наличие в кривых
смешения RGB (см. рис. 10.6) положительных и отрицательных ветвей
значительно затрудняет их реализацию при создании цветоизмерительных
приборов – колориметров. Вторым недостатком системы RGB является
необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его
яркости:
L = 683(LRR + LGG + LBB),
где R, G, B – координаты цвета; LR, LG, LB – яркостные коэффициенты
основных цветов системы RGB. Поэтому в 1931 г. МКО была принята
более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ.
6. Цветовая система XYZ
В основу построения системы XYZ были положены следующие условия.
1. Удельные координаты – кривые смещения не должны иметь отрицательных
ординат, т.е. все реальные цвета определяются положительными значениями
модулей основных цветов выбранной координатной системы и, следовательно,
координаты цветности всех реальных цветов должны лежать внутри
координатного треугольника основных цветов.
2. Количественная характеристика цвета – яркость – должна полностью
определяться одним его компонентом.
3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения должны быть
равными, т.е. точка цветности этого излучения должна лежать в центре тяжести
треугольника основных цветов.
Для обеспечения первого требования в качестве основных цветов были
выбраны три теоретических (реально не воспроизводимых) цвета XYZ.
Координатная система XYZ выбрана так, чтобы векторы основных цветов
находились в цветовом пространстве вне тела реальных цветов, т.е. тело
реальных цветов находится внутри координатной системы XYZ, которая может
быть пояснена с помощью рис. 10.8. Оси X, Y, Z являются ортогональной
декартовой системой координатных осей в цветовом пространстве – координата
Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета Х и Z
115

лежат в плоскости нулевой яркости. Вектор координаты Y перпендикулярен
равноярким плоскостям, и в частности, плоскости нулевой яркости X0Z, что
обеспечивает выполнение второго условия.
Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:
f′F = х′Х + y′Y + z′Z
(10.24)
и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами х′, y′, z′
или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных
цветов х′, y′, z′ определяются выражениями, аналогичными (10.22):
λ
λ
λ
(10.25)
x   P(λ)x (λ)dλ; y    P(λ)y (λ)dλ; z    P (λ)z (λ)dλ.
λ
λ
λ
2

1

2

2

1

1

Графики удельных координат (кривые смещения) в системе XYZ показаны
на рис. 10.9. Кривая y (λ) тождественна кривой стандартной относительной
видности глаза V(). Две другие кривые x (λ) и z(λ) получены в результате
пересчета удельных координат r (λ), g (λ), b (λ) системы RGB в координатную
систему XYZ. Подынтегральные площади всех трех кривых равны между
собой, что обеспечивает выполнение третьего условия построения системы.

Рис. 10.9. Удельные координаты
цвета в системе XYZ

Рис. 10.10. Координаты цветности
в системе XYZ

Цветовое пространство XYZ (рис. 10.8) рассечено единичной плоскостью,
определяемой уравнением X + Y + Z =1 и отсекающей на осях координат
отрезки, равные Х=1, Y =1, Z =1. Линии пересечения координатных плоскостей
с единичной плоскостью образуют на последней равносторонний треугольник.
Точка m пересечения вектора D с единичной плоскостью характеризует
направление этого вектора, а следовательно, и цветность описываемого цвета.
Координаты точки m определяются выражениями
x = х′/М; у = у′/М; z = z′/М,
где М = х′ + y′ + z′ – модуль цвета, а х, у, z – координаты цветности.
Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены и
стандартизованы МКО. Значения х, у, z для монохроматических излучений
изображены графически на рис. 10.10.
Геометрическое место координат цветности чистых спектральных цветов
представляет собой кривую, лежащую на единичной плоскости и именуемую
спектральным локусом (см. рис. 10.8). Прямолинейный участок, замыкающий
эту кривую в точках B и R, представляет цветности пурпурных цветов.

116

Изображение цветностей на единичной плоскости или ее проекции называется
диаграммой цветности – цветовым графиком. Таким образом, в единичной
плоскости можно получить диаграмму цветности, показанную на рис. 10.11, и
представить на ней цветность любого цвета его координатами цветности.
Замкнутая коническая поверхность (см. рис. 10.8) образуемая векторами

Рис. 10.11. Диаграмма цветности в
единичной плоскости XYZ

Рис. 10.12. Диаграмма цветности МКО

чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в себе ту часть цветового
пространства, где располагаются векторы всех реальных цветов, визуально
воспринимаемых глазом. Все остальные векторы, расположенные за пределами
этой конической поверхности, представляют формальные цвета, которые не
могут быть визуально восприняты. Такими являются и сами первичные цвета
XYZ МКО. Благодаря такому выбору первичных цветов цветовые компоненты
всех реальных цветов в системе XYZ выражаются только положительными
величинами. Соответственно на диаграмме цветности все точки, заключенные
внутри спектрального локуса, представляют реальные цветности. Все точки вне
спектрального локуса соответствуют формальным цветностям.
Так как одна из координат цветности является зависимой от двух других (х
+ у + z = 1), то для определения цветности достаточно двух координат,
например х и у. Тогда, проецируя диаграмму цветности единичной плоскости
на плоскость ху в направлении оси z (см. рис. 10.8), получим известную
диаграмму цветности МКО (рис.10.12). Анализируя цветовой график МКО,
необходимо отметить следующее.
1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри
спектрального локуса и определяются положительными значениями х и у.
2. Равноэнергетический белый цвет Е находится в центре тяжести
треугольника х0у. Его координаты цветности будут х = 1/3, у = 1/3.
З. Дополнительные цвета лежат на отрезках соединяющих их прямых,
проходящих через точку Е, по разные стороны от точки Е.
4. Цветность смеси двух цветов отображается точкой, лежащей на прямой,
соединяющей смешиваемые цвета.
5. Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри треугольника,
вершины которого образованы смешиваемыми цветами.
Выше отмечалось, что цветность сложного излучения помимо координат
цветности может быть охарактеризована цветовым тоном и насыщенностью.
117

Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветности МКО определяется длиной
волны монохроматического излучения (доминирующей длиной волны д),
соответствующей пересечению кривой спектральных цветов – спектрального
локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность
искомого цвета, например точку М. Насыщенность численно характеризуют
чистотой цвета Р, т.е. относительным содержанием в нем спектрального цвета
(монохроматического светового потока F):
P = 100F/(F+Fб) %,
где Fб – световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. Насыщенность
максимальна (Р = 100 %)для чистых и пурпурных цветов и минимальна (Р = 0)
для белого цвета.
7. Равноконтрастная цветовая диаграмма
Для определения точности измерения цвета или воспроизведения его на
телевизионном экране необходимо выбрать правильную меру оценки разности
сравниваемых цветов. Различие между цветами целесообразно оценивать в
порогах цветоразличения, которые наблюдатель в состоянии заметить.
Экспериментальные данные о чувствительности зрения к изменению цветности
для разных точек цветового графика представлены на рис.10.13 в виде эллипсов
различных размеров и ориентации, внутри которых глаз не ощущает разницы в
цвете. Полуоси эллипсов пропорциональны порогам цветоразличения. Для
большей наглядности эллипсы на рисунке изображены с десятикратным
увеличением. Пороги в разных участках цветовой диаграммы XY резко
различны, что затрудняет использование ее при оценке разницы цветов. Для
устранения этого недостатка была разработана и рекомендована МКО
равноконтрастная диаграмма цветности (рис. 10.14), полученная из диаграммы
цветности XY путем проекции ее на новую плоскость uV. Координаты

Рис. 10.13. Пороги различимости
цветов на графике МКО

Рис. 10.14. Равноконтрастная диаграмма
цветности u, V

цветности в новой системе цветов определяют из соотношения
U = 2x/(6y – x + 1,5); V = 3y/(6y – x + 1,5).
118

В результате такого преобразования на равноконтрастном графике пороги
цветоразличения представляют собой равные окружности, а значение порога
составляет 0,0038 единиц uV.
В телевидении для оценки цветовых различий, обусловленных
искажениями не только цветности, но и яркости, используют рекомендованное
МКО в 1964 г. равноконтрастное цветовое пространство. Координатами
пространства являются индексы яркости W* и цветности U* V*, определяемые
из следующих соотношений:
W* = 25(Y′)1/3 – 17; U = 13W*(U – U0); V = 13W*(V – V0),
(10.26)
где Y′ – относительная яркость исследуемого цвета к яркости белого в
процентах, U0, V0 и U, V – координаты цветности опорного белого и
оцениваемых цветов, соответственно, в системе UVW*. Разность между двумя
цветами определяется в равноконтрастном цветовом пространстве МКО как
расстояние между двумя точками:
E = [(U*)2 + (V*)2 + (W*)2]1/2,
(10.27)
где U*, V*, W* – разности соответствующих координат сравниваемых
цветов в системе U*, V*, W*. Выражение для E дает только разность между
цветами в равномерном цветовом пространстве. Для. количественной оценки
качества цветопередачи введен индекс цветопередачи
R = 100 – 4,6E.
(10.28)
Для оценки качества цветопередачи по совокупности испытательных
цветов используют общий индекс цветопередачи Ra
1 m
1 m
Ra   R   (100  4, 6Ei ),
(10.29)
m

i 1

m

i 1

где i – номер испытательного цвета из набора m цветов, Ei – цветовое
различие, определяемое по формуле (10.27). Экспериментально установлено,
что расчетным значениям Rа соответствуют следующие оценки качества
цветопередачи:
Rа
– Оценка
80... 100
– “отлично”,
65...80
– “очень хорошо”,
50...65
– “хорошо”,
30.. .50
– “удовлетворительно”.
8. Цветовой расчёт координат цвета и цветности
Расчет цвета или цветности сводится к аналитическому определению их
координат в выбранной системе по заданному спектральному распределению
излучения. Пусть требуется определить координаты цветности излучения,
отраженного от белого экрана, который освещен лампой накаливания,
прикрытой светофильтром СЗС-16 толщиной 3 мм. Цветовая температура
излучения лампы 2854 К; координатная система XYZ. Ординаты спектральных
119

характеристик излучения лампы Р() и пропускания светофильтров ()
сведены в табл.19.2.
Табл.19.2

Спектральную характеристику отражения экрана будем считать
постоянной в интервале видимых длин волн. Тогда выражение (10.25) примет
вид
λ2

λ2

λ2

λ1

λ1

λ1

x   P(λ)x (λ)τ(λ)dλ; y    P (λ)y (λ)τ(λ)dλ; z    P (λ)z (λ)τ(λ)dλ.

Решение уравнения выполняется методом численного интегрирования.
Интегралы заменяются суммами, а весь спектр видимого, излучения разбивают
на п узких интервалов , в пределах которых излучения можно считать
однородными. Тогда
n

n

n

i 1

i 1

i 1

x  λ  xλi Pλi τ λi ; y   λ  yλi Pλi τ λi ; z   λ  zλi Pλi τ λi .

Для решения примера составим расчетную таблицу, приняв интервал  = 20
нм. Координаты цвета
х′=361,757;
у′ = 368,773;
z′ = 145,427;
m = х′ + у′ + z′ = 876,002, откуда координаты цветности отраженного от экрана
излучения
x = 361,757/876,002 = 0,414; y = 368,773/876,002 = 0,421.
9. Способы получения цветного телевизионного изображения
Для получения цветного телевизионного (ЦТ) изображения датчик ТВ
сигнала (ЦТ камера, диапроектор, эпипроектор), кроме поэлементного анализа
должен осуществлять спектральное разложение воздействующего излучения на
120

три составные части аналогично тому, как это делает наш зрительный аппарат.
На приемной стороне должно совершаться обратное действие – синтез ЦТ
изображения из трех основных цветов. Анализ воздействующего излучения на
три составляющие и синтез ЦТ изображения могут быть осуществлены
одновременным либо последовательным способом.
Последовательный
способ.
Способность
зрительного
аппарата
воспринимать чередующиеся во времени цвета как цвет смеси при достаточной
частоте чередования позволяет разлагать натуральные цвета на основные и
осуществлять синтез ЦТ изображения из трех основных цветов
последовательным способом, упрощенная структурная схема которого
изображена на рис. 10.15.

Рис. 10.15. Схема последовательного способа передачи и воспроизведения основных цветов

Изображение передаваемого объекта при помощи объектива проецируется
на фотокатод передающей телевизионной трубки последовательно в трех
цветах – красном, зеленом и синем. Для разложения светового потока на три
основных цвета используется вращающийся диск со светофильтрами,
устанавливаемый между объективом и передающей трубкой. На приемном
конце наблюдатель видит изображение на экране приемной трубки также через
вращающиеся светофильтры. При этом оба диска должны вращаться с
одинаковой скоростью (синхронно) и фильтры одного и того же цвета должны
проходить перед обеими трубками одновременно (должна соблюдаться
синфазность вращения дисков). Таким образом, наблюдатель видит
последовательно телевизионное изображение в трех разных цветах. Благодаря
инерции зрительного восприятия возникает впечатление слитного изображения
в натуральных цветах.
Для того чтобы мелькания не были заметны, необходимо, чтобы общее
время передачи трех цветоделенных изображений, образующих в совокупности
полное ЦТ изображение, не превышало времени передачи одного кадра в
черно-белом телевидении. В связи с этим в такой системе число элементов
изображения, передаваемых за один полный кадр, возрастает в 3 раза.
Соответственно в 3 раза возрастает и полоса частот передаваемого
видеосигнала.
Последовательному способу присущи недостатки: он не совместим с
системой черно-белого телевидения, так как частоты кадровой и строчной
разверток, а также спектр частот ТВ сигнала при таком способе передачи
121

увеличены в 3 раза по сравнению с аналогичными параметрами черно-белой
системы; при быстром перемещении объектов на изображении наблюдается
цветная бахрома, так как следующие друг за другом изображения в трех
основных цветах оказываются несовмещенными. Кроме этого, применение
диска со светофильтрами ограничивает размеры экрана кинескопа. По этим
причинам последовательная система не могла быть использована в
телевизионном вещании.
Основным достоинством последовательного способа является простота
передающего и приемного оконечного устройства, в связи с чем он нашел
применение в замкнутых телевизионных системах прикладного назначения.
Одновременный способ передачи цветов требует в общем случае трех
передающих и трех приемных трубок. Разложение светового потока,
воздействующего на ЦТ датчик излучения, на три составляющие может
осуществляться непосредственно светофильтрами, установленными перед
фотокатодами передающих трубок, либо с помощью специальной
цветоделительной системы, содержащей дихроичные зеркала. Упрощенная
структурная схема одновременного способа показана на рис. 10.16.
Рис. 10.16. Схема
одновременного способа
передачи и воспроизведения
основных цветов:
1, 2 – дихроичные зеркала;
3 – канал связи

Воздействующий на ЦТ датчик световой поток разделяется на три с
помощью двух дихроичных зеркал, цветоизбирательные свойства которых
таковы, что они отражают одну часть спектра и почти без потерь пропускают
остальную часть. Так, дихроичное зеркало 1 отражает синюю составляющую
светового потока к соответствующей трубке и пропускает остальную часть
излучения. Дихроичное зеркало 2 отражает красную составляющую ко второй
трубке и пропускает зеленую составляющую к третьей трубке. Полученные от
трех трубок видеосигналы передаются к приемному устройству, где три
цветоделенных изображения необходимо совместить в одно.
Одновременный способ передачи и воспроизведения основных цветов
требует точного оптического и электрического совмещения трех растров
передающих, а также приемных трубок. Недостаточно точное выполнение этого
требования может привести к потере четкости и появлению цветных окантовок.

122

10. Особенности восприятия цвета в телевидении
При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы важно
установить, к какому идеалу верности цветовоспроизведения следует
стремиться. Качество телевизионного изображения, как и любой репродукции,
определяется степенью соответствия этой репродукции оригиналу. Вопрос о
точности воспроизведения изображения оригинала детально рассмотрен Н. Д.
Нюбергом, который предложил три критерия точности соответствий
изображения оригиналу:
– физическая точность, при которой спектральные составы и мощности
излучения оригинала и изображения одинаковы;
– физиологическая точность, при которой зрительные ощущения,
вызываемые оригиналом и его репродукцией, одинаковы;
– психологическая точность, при которой изображение оценивается
наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точность не
соблюдается.
При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполнению
физической точности нет необходимости, так как одинаковые ощущения цвета
могут быть получены при воздействии различных спектральных составов;
требование точности изображения оригиналу не может быть в полной мере
выполнено в телевизионной системе из-за ограничений, наложенных
синтезирующим и воспроизводящим устройствами, которые обусловлены
двумя основными причинами:
а) диапазон абсолютных значений яркостей Yи, воспроизводимых
синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как диапазон
абсолютных значений яркости Y0 передаваемых объектов, т.е. телевизионное
воспроизводящее устройство не может практически воспроизвести столь
большие абсолютные значения яркости, какие имеют место на объекте;
б) телевизионное устройство не может воспроизвести цветности,
находящиеся вне треугольника его первичных цветов.
При разработке вещательных систем цветного телевидения следует иметь
в виду, что ЦТ изображение имеет меньшие размеры деталей, чем объект,
заключено в ограничивающую рамку, которой нет в передаваемом объекте,
яркость фона, окружающего изображение, обычно мала по сравнению с
яркостью изображения. В этих условиях важную роль играют адаптация глаза и
относительность наших зрительных оценок, что и позволяет не воспроизводить
абсолютное значение яркостей отдельных элементов изображений,
соответствующих оригиналу, и сохранить лишь соотношение между яркостями
отдельных элементов изображения и цветности.
Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании понятие
колориметрической тождественности изображения оригиналу, которое означает
выполнение следующих условий:
цветность каждого элемента изображения не должна отличаться от
цветности элемента оригинала, т.е. хи = х0; уи = y0; zи = z0;
123

отношение яркостей соответствующих элементов изображения и
оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветностей, т.е. Yи =
nY0, где n = const при любой цветности.
Необходимо отметить, что требование колориметрически точного
воспроизведения цветности выполнимо лишь в пределах треугольника
первичных цветов воспроизводящего устройства. Цветности оригинала,
лежащие вне треугольника, будут воспроизведены с искажениями
насыщенности и цветового тона. Для качественной оценки допустимости
цветовых искажений относительно оригинала пользуются критерием
психологической точности цветного изображения. При этом учитывают, что
восприятие цветности знакомых предметов (кожи лица и рук, волос, воды,
листьев, травы, хорошо известных цветов фруктов и овощей, мяса, различных
белых поверхностей и др.) является более критичным, чем восприятие
цветности малознакомых предметов. Эти особенности широко используются
при выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы.
Колориметрические требования справедливы для однородно окрашенных
цветовых полей при восприятии их углом зрения 2°. При переходе к меньшим
углам зрения цветовые свойства глаза существенно меняются. Так, при
уменьшении угловых размеров предметов до 10...25′ их цвета воспринимаются
как цвета смеси оранжевого и голубого цветов. Полная потеря ощущения
цветности происходит при углах зрения 6... 10′. Учитывая, что телевизионное
изображение обычно воспринимается в пределах угла ясного зрения (12...15°),
детали, меньшие, чем 4-6 элементов, могут воспроизводиться в черно-белом
виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, позволяет уменьшить
ширину требуемой полосы частот канала связи.
11. Условия правильной цветопередачи в телевидении
В § 10.10 были сформулированы необходимые условия верности
цветовоспроизведения, которым,
учитывая особенности зрительного
восприятия и телевизионного цветовоспроизведения, следует считать
колориметрическую тождественность изображения оригиналу. Это означает,
что цветность каждого элемента изображения не отличается от цветности
соответствующего
элемента
оригинала,
а
отношение
яркостей
соответствующих элементов изображения и оригинала является величиной
постоянной для всех передаваемых цветностей, т.е. х′и = nх′0; у′и = ny′0; z′и =
nz′0; где п – коэффициент пропорциональности.
Очевидно, что выполнение этих условий определяется всеми звеньями
телевизионного тракта от света до света, структурная схема которого
изображена на рис.10.17. Телевизионный тракт включает в себя передающую
камеру, преобразующую воздействующий световой поток F0 в сигналы
основных цветов ЕR, ЕG, ЕB, канал передачи этих трех сигналов и три
кинескопа, преобразующие усbленные сигналы основных цветов в
124

соответствующие световые потоки FRи, FGи, FBи, которые с помощью
оптической системы совмещаются в одно многоцветное изображение.

ЦДС

Рис. 10.17. Структурная схема ЦТ тракта от света до света

Передающая камера содержит цветоделительную систему (ЦДС) которая
разделяет световой поток F0, отраженный от передаваемой сцены, на три
составляющие: красную FR0, зеленую FG0, синюю FB0, образуя на
фоточувствительной поверхности передающих трубок ЦТ три оптических
изображения в основных цветах. Таким образом, телевизионная камера или
любой другой датчик цветных телевизионных сигналов (кинопроектор,
диапроектор, эпипроектор), помимо анализа изображения на отдельные
элементы, осуществляет еще и трехкомпонентный анализ элементарных
излучений, отображая каждый элемент передаваемой сцены электрическими
сигналами ЕR, ЕG, ЕB. Совокупность последних должна содержать
качественную и количественную характеристики каждого элементарного
лучистого потока.
Для того чтобы электрические сигналы на выходе ТВ камеры несли
верную информацию о цветах (т.е. о яркостях и цветностях) воздействующих
на нее излучений, необходимо обеспечить прямую пропорциональность между
значениями этих сигналов и координатами цвета этих излучений в выбранной
колориметрической системе. Тогда в системе RGB величины сигналов
основных цветов будут равны: ЕR = K1r′, ЕG = K3g′, ЕB = K3b′,
где r′, g′, b′ – модули основных цветов, а K1-K3 – постоянные коэффициенты.
Учитывая (10.22), можем записать:
λ2

λ2

λ2

λ1

λ1

λ1

ER  K1  P(λ)r (λ)dλ; EG  K 2  P(λ)g (λ)dλ; Eb  K 3  P (λ)b (λ)dλ.

где r (λ), g (λ), b (λ) – удельные координаты (кривые смешения), связывающие
воздействующее на глаз излучение Р() с результатом этого воздействия –
ощущением цвета.
Отсюда следует, что телевизионная камера будет колориметрической, если
характеристики
ее
спектральной
чувствительности
S (λ)R , S (λ)G , S (λ)
тождественны по форме удельным координатам r (λ), g (λ), b (λ) в выбранной
системе основных цветов. Следовательно, телевизионная камера, а также
любой другой датчик цветных телевизионных сигналов должны обладать
свойствами объективного колориметра (измерителя цвета), но усложненного
телевизионной разверткой.
125

Датчик цветных телевизионных сигналов может осуществлять цветовой
анализ передаваемого объекта в любой колориметрической системе RGB, XYZ,
UVW и т.д., поскольку все колориметрические системы связаны линейной
зависимостью с характеристиками спектральной чувствительности глаза. При
этом характеристики спектральной чувствительности датчика должны быть
тождественны по форме кривым удельных координат (кривым смешения)
соответствующей колориметрической системы.
Очевидно, для целей телевизионного вещания, если тракт передачи
цветоделенных сигналов от камеры к приемному устройству не изменяет
соотношение этих сигналов, удобно разлагать воздействующее на камеру
излучение на такие же первичные цвета, из каких приемное устройство
синтезирует воспроизводимое цветное изображение.
Основные цвета воспроизводящего приемного устройства полностью
определяются спектральными характеристиками излучений его люминофоров.
Для воспроизведения наибольшего многообразия цветов необходимо, чтобы на
диаграмме цветности МКО треугольник с вершинами, соответствующими
основным цветам кинескопа, охватывал наибольшую возможную площадь этой
диаграммы. Однако, чем ближе вершины треугольника будут лежать к локусу
спектральных цветов, тем меньшую яркость будут давать основные цвета из-за
малой полосы спектра излучения. Сказанное иллюстрирует рис. 10.18, где
внутри спектрального локуса диаграммы цветности XY изображены два
треугольника основных цветов приемника Rп, Gп, Bп Европейского стандарта
ЕС (сплошная линия) и Американского стандарта NTSC (штриховая линия),
построенных по значениями координат цветности излучений трех
люминофоров, приведенных в табл. 19.3 для двух стандартов.
Рис. 10.18. Треугольник
Треугольник основных
Как видим, треугольник охватывает большую
цветов приемника
основных
цветов приемника
R ,G , B : R ,
G , B : а – гуашь;
гуашь; бб –– акварель
акварель
гамму цветов за счет смещения координаты G в
сторону увеличения насыщенности зеленого цвета.
Однако светоотдача зеленого люминофора NTSC
оказывается в 3...3,5 раза ниже, чем в стандарте ЕС,
что затрудняет достижение высокой яркости
свечения
кинескопа.
Поэтому
в
качестве
Европейского стандарта принят треугольник цветов
ЕС, являющийся разумным компромиссом между
указанными двумя условиями.
На рис. 10.19 приведены спектральные
характеристики излучения трех люминофоров
красного К-77, зеленого К-74 и синего К-75
свечения. На графике МКО (см. рис. 10.18)
показана область цветов, воспроизводимая в
цветной полиграфической печати. Сравнение
показывает, что телевизионная система может
Рис. 10.19. Спектральные кривые
люминофоров К-75, К-74 и К-77
воспроизвести большую гамму цветов, чем
цветная печать. Тем не менее и в телевидении часть реальных цветов, лежащая
вне треугольника, будет воспроизведена с пониженной насыщенностью и
п

п

п

п

п

п

126

искаженным цветовым тоном внутри треугольника основных цветов
приемника. Это касается главным образом оттенков зеленых и голубых цветов.
Однако это обстоятельство не играет большой роли в цветовоспроизведении,
так как порог цветоразличимости в данной области цветов для нашего глаза
имеет наибольшее значение (см. рис. 10.13), т.е. большему перемещению по
цветовому графику соответствует небольшое изменение в ощущении цвета.
Таблица 19.3

Если первичные цвета, на которые телевизионный датчик разлагает
воздействующее на него излучение, соответствуют основным цветам
приемника Rп, Gп, Bп, то характеристики спектральной чувствительности этого
датчика будут представлять собой кривые удельных координат rп , g п , bп в
системе основных цветов Rп, Gп, Bп. Результат количественного расчета их для
треугольника основных цветов приемника стандартов NTSC и ЕС (см. табл.
10.3) приводит к выражениям (10.30) и (10.31) соответственно:
rп  1,910 x  0,532 y  0, 228 z ; 

g п  0,985 x  1,999 y  0, 028 z ; 

bп  0, 058 x  0,118 y  0,898 z ; 

(10.30)


g п  1,310 x  2,536 y  0, 056 z ; 

bп  0, 091x  0,307 y  0,1435 z ; 
rп  7, 263 x  3,304 y  1,128 z ;

Рис. 10.20. Система NTSC,
опорный белый типа С

Рис. 1.21. Система ЕС,
опорный белый D6500

(10.31)
где x , y , z – удельные координаты, приведенные в табл.19.2. Числовые коэффициенты
уравнения (10.31) для удобства умножены на

100.
Полученные в результате расчета (10.30) и (10.31) кривые сложения –
спектральные характеристики камеры для треугольника основных цветов
стандартов NTSC и ЕС изображены на рис. 10.20 и 10.21.
12. Матричная цветокоррекция
Вследствие реальности первичных цветов Rп, Gп, Bп полученные кривые
сложения имеют участки отрицательных значений ординат. Практическая
реализация датчика с кривыми сложения, имеющими побочные положительные
и отрицательные ветви, предполагает наличие для каждой ветви отдельного
фотоэлектрического преобразователя и поэтому является чрезвычайно сложной
задачей. Из-за невозможности реализации побочных отрицательных и
127

положительных ветвей разработчики ранних ЦТ систем в качестве
спектральных характеристик камеры использовали лишь основные
положительные
ветви
кривых
сложения.
Анализ
искажений
цветовоспроизведения из-за отсутствия побочных ветвей кривых сложения
показывает, что скорректировать эти искажения полностью для всех
возможных цветностей невозможно.
С точки зрения практической реализации в качестве кривых спектральной
чувствительности датчика удобно использовать кривые сложения, которые
применяются в объективной колориметрии (рис. 10.22). Две из этих кривых
y (λ), z (λ) аналогичны удельным компонентам МКО, а третья xн (λ) является
линейной комбинацией всех трех кривых сложения МКО, имеющей
(практически) только положительные ординаты и только один максимум.
Поскольку первичные цвета Xн, Y, Z формальные и не совпадают с реальными
основными цветами Rп, Gп, Bп приемника, сигналы на выходе камеры будут не
такие, какие требуются на входе приемного устройства, поэтому в
телевизионный
тракт
следует
включить
матричное
устройство,
осуществляющее преобразование сигналов из координат системы Xн, Y, Z в
систему Rп, Gп, Bп.
Зависимость выходных сигналов ERп, EGп, EBп от вводимых на матрицу
сигналов EXн, EY, EZ описывается в общем виде уравнениями
ER п  a11 E Xн  a12 EY  a13 EZ ; 

EG п  a21 E Xн  a22 EY  a23 EZ ; 
EB п  a31 E Xн  a32 EY  a33 EZ , 

(10.32)

где а11 – a33 – коэффициенты матрицы, которые могут быть рассчитаны в
соответствии с теорией преобразования координатных систем.
Действие матричного устройства эквивалентно изменению формы
характеристик спектральной чувствительности телевизионного датчика. Таким
образом, принимая форму кривых спектральной чувствительности датчика,
удобную для практической реализации (см. рис. 10.22) и включая в тракт
передачи матричные пересчетные устройства, получаем на выходе этого
устройства сигналы ERп, EGп, EBп, пропорциональные кривым смешения
основных цветов приемника и, как следствие, неискаженную цветопередачу
всех цветностей в пределах треугольника основных цветов приемника.
Кривые сложения, успешно используемые в объективной колориметрии,
все же оказываются малопригодными в качестве спектральных характеристик
ЦТ камер, так как с целью уменьшения потерь света и достижения
максимальной чувствительности цветоделение в них осуществляется с
помощью дихроичных зеркал. Причем наибольшая эффективность достигается,
когда спектральные кривые двух цветовых каналов пересекаются на уровне 50
%. Спектральные кривые Xн, Y (рис. 10.22) не отвечают этому условию, так как
пересекаются на значительно большем уровне (около 0,9) и реализовать их без
больших световых потерь, существенно ухудшающих чувствительность ЦТ
камеры, невозможно. Поэтому в качестве кривых спектральной
чувствительности камер используются кривые, не связанные линейной
128

зависимостью с кривыми спектральной чувствительности глаза, а именно
несколько расширенные основные положительные ветви кривых смешения
первичных цветов приемника Rп, Gп, Bп. Выбор конкретной формы этих кривых
– рис. 10.23 (сплошная линия) определяется следующими соображениями.
Известно, что глаз не различает цвет мелких деталей, поэтому полоса частот
каналов передачи сигналов ЕR и ЕB может быть сокращена до 2...3 МГц (см. §
11.2), что уменьшает уровень шума в этих каналах, а также позволяет снизить
требование к точности совмещения трех растров. Для получения полной
информации о неокрашенных мелких деталях должен быть сформирован
сигнал яркости ЕY, передаваемый в полной полосе. С этих позиций
положительную ветвь кривой Gп желательно расширить до кривой стандартной
относительной видности глаза V(), что увеличивает чувствительность камеры,
но ухудшает качество цветопередачи. Поэтому кривые спектральной
чувствительности камеры RWB выбраны из условий компромисса между
допустимым ухудшением качества цветопередачи и максимальным
увеличением чувствительности камеры. Ошибки цветопередачи, вызванные
отклонением кривых спектральной чувствительности камеры RWB от кривых
смешения основных цветов приемника rп , gп , bп корректируются с помощью
электронной матрицы цветокорректора.

Рис. 10.22. Кривые сложения,
применяемые в объективной
колориметрии

Рис. 10.23. Спектральные характеристики
чувствительности RWB камеры:
______ кривые RWB; - - - - кривые rп , g п , bп

Принцип работы цветокорректора основан на том, что побочные
отрицательные и положительные ветви кривых сложения первичных цветов
приемника (см. рис. 10.21) расположены под основными ветвями и подобны им
по форме. Это позволяет, вычитая из каждого сигнала основных цветов два
других в определенных пропорциях, имитировать отсутствие побочных ветвей
и таким образом улучшать качество цветопередачи. Математически операция
цветокоррекции аналогична матричному преобразованию (10.32) и потому
называется матричной цветокоррекцией. Отличие заключается в определении
коэффициентов матрицы (10.32), которые рассчитываются с помощью ЭВМ
путем поиска оптимальных коэффициентов, при которых ошибки цветоанализа
для совокупности испытательных цветов оказываются минимальны. В качестве
испытательных цветов используются эталонные цвета, рекомендованные МКО.
Применение цветокоррекции позволяет снизить среднюю ошибку цветоанализа
для совокупности цветов до нескольких цветовых порогов, но для отдельных
129

цветов они могут оказаться значительными, что снижает эффективность
цветокоррекции.
Существенную роль при определении параметров воспроизводящего
устройства играет выбор равносигнального цвета, т.е. цвета, воспроизводимого
на экране кинескопа при подаче на его управляющие электроды одинаковых по
амплитуде сигналов. В качестве эталонного равносигнального цвета
стандартизован белый цвет, представляющий определенные удобства при
настройке отдельных звеньев телевизионного тракта, а также, как будет
показано ниже, позволяющий уменьшить заметность цветовой поднесущей на
экране черно-белого телевизора при передаче неокрашенных или
малоокрашенных объектов.
В рассмотренных ранее колориметрических системах в качестве
эталонного белого цвета использовался равноэнергетический белый цвет Е,
удобный для цветовых расчетов, так как имеет равномерную плотность
распределения энергии по спектру. Передача сцен натурных объектов
происходит или при естественном освещении, или при освещении
искусственными стандартными источниками света А, В, С с разной цветовой
температурой (табл. 19.4), разным спектральным распределением мощности
излучения (рис. 10.24)
.
Таблица 19.4

Р(), Вт/нм
2854 К

Рис. 10.24. Спектральное распределение
мощности в излучении
нормированных источников А, В, С

Зритель наблюдает изображение этой натуры на экране телевизионного
приемника, где кажущаяся цветность белого зависит от цветовой адаптации
глаза к окружающему освещению и, конечно, от индивидуальных особенностей
зрителя. В связи с этим был выполнен ряд работ по определению цвета
свечения телевизионного экрана, который зритель расценивает как белый. В
результате за эталонный источник света (опорный белый) в США принят
источник С, а в Европе – источник Д6500. По координатам цветности они
130

близки друг к другу (см. табл. 10.4). Цвет оригинала будет воспроизведен
кинескопом без искажений, если тип источника освещения объекта (опорный
равносигнальный цвет камеры) соответствует опорному равносигнальному
цвету приемного устройства. В противном случае все детали телевизионной
репродукции приобретут дополнительную окраску. Согласование источника
освещения объекта и опорного белого приемника может быть осуществлено
оптически с помощью приводных светофильтров или электронным методом,
учитывая разницу в опорном белом камеры и приемника при расчете
коэффициентов матрицы (10.32).
Условия правильной цветопередачи рассматривались в предположении
линейности характеристик преобразования всех звеньев телевизионного тракта
от света до света. Отдельные звенья реальной телевизионной системы могут
иметь нелинейные характеристики. В большой степени это относится к
воспроизводящему устройству – цветному кинескопу, модуляционная
характеристика которого имеет коэффициент нелинейности  = 2.8…3,5.
Наличие нелинейности в ЦТ приводит не только градационным искажениям, но
и к искажениям цветности, в основном в сторону увеличения насыщенности
при  >1 и уменьшения насыщенности при  < 1. Поэтому сигналы основных
цветов ERп, EGп, EBп, кроме матричного преобразования должны быть
подвергнуты нелинейной гамма-коррекции (см. § 13.5). Результирующее
значение  с учетом включенного в тракт передачи гамма-корректора,
рекомендуется принимать несколько больше единицы (рек = 1,2…1,3). Это
приводит к небольшому увеличению насыщенности цвета по сравнению с
оригиналом, но повышает психологическую точность цветопередачи, частично
компенсируя снижение абсолютного значения яркости и контраста на
телевизионном экране.
13. Цветоделительная система передающей камеры
Цветоделительная система передающей камеры обеспечивает разделение
светового потока, отраженного от передаваемого объекта, на три цветовые
составляющие в соответствии с выбранными основными цветами передачи.
Спектральные характеристики цветоделительной системы выбираются с учетом
требуемых спектральных характеристик чувствительности камеры и
спектральных характеристик преобразователей свет-сигнал.
Упрощенная цветоделительная система камеры изображена на рис.10.25.
Отраженный от передаваемого объекта световой поток, пройдя объектив 1,
разделяется на три с помощью двух интерференционных дихроичных зеркал,
имеющих высокий коэффициент отражения в определенном участке спектра и
пропускающих почти без потерь остальную его часть. Так, зеркало 2 отражает
синюю составляющую светового потока к соответствующему преобразователю
свет-сигнал (передающей трубке или матрице ПЗС) и пропускает остальную
часть спектра излучений. Зеркало 3 отражает красную составляющую к
131

нижнему преобразователю и пропускает оставшуюся зеленую часть к среднему.
Способ разделения светового потока на три с помощью дихроичных зеркал
весьма эффективен, так как коэффициент отражения (или пропускания)
многослойных интерференционных покрытий близок к 100 %, что наглядно
иллюстрирует рис.10.26, на котором приводятся спектральные характеристики
отражения красного и синего дихроичных зеркал.

R

В

Рис. 10.26. Спектральные
характеристики отражения красного
R и синего B дихроичных зеркал
Рис.10.25 Схема цветоделения в трёх- и четырёхтрубчатой
ЦТ камере:
1 – объектив, 2,3 – дихроичные зеркала, 4 – доп.зеркала, 5 –
корр.светофильтры, 6 – нейтральный фильтр; 6 –
нейтральный фильтр, 7 – корр.фильтр, 8 – передающие ТВ
трубки, 9 – полупрозр.зеркало, 10 – ЦДС.

Спектральные характеристики отражения зеркала зависят от угла падения
лучей на его поверхность, поэтому для неискаженной цветопередачи
оптическая схема ЦТ камеры должна обеспечить в пространстве цветоделения
одинаковые углы падения лучей на дихроичные зеркала от всех точек
передаваемого объекта. Искажения цветопередачи возникают также вследствие
частичной поляризации света, попадающего в цветоделительную систему, так
как спектральные характеристики дихроичных зеркал изменяются в
зависимости от степени поляризации света. Поляризация минимальна при
малых углах падения лучей на светоделительную поверхность, что и стремятся
обеспечить при конструировании цветоделительных систем для ЦТ сигналов.
Обычно при конструировании оптической и цветоделительной системы камеры
отражающие покрытия расположены так, чтобы угол падения осевого луча не
превышал 20, а разница между углами падения для крайних точек не
превышала 4...6.
Требуемые спектральные характеристики ЦТ камеры не могут быть
получены применением в схеме цветоделения одних дихроичных зеркал, так
как с помощью последних, как это видно из рис. 10.26, формируется только
одна из ветвей спектральных характеристик каналов R и В. Заданные
характеристики
цветоделения
достигаются
установкой
перед
фоточувствительной поверхностью передающих трубок специальных
корригирующих светофильтров 4, окончательно формирующих спектральные
характеристики ЦТ камер. Таким образом, характеристика спектральной
132

чувствительности
телевизионной
камеры
является
произведением
спектральных характеристик элементов его цветоделительной системы и
спектральных характеристик передающих трубок. Для схемы цветоделения,
изображенной на рис. 10.25, выражения для спектральных характеристик трех
цветовых каналов ЦТ камеры имеют следующий вид:
(10.33)
εRλ  (1  ρ Bλ )ρ Rλ τфRλ ε λ ; εGλ  (1  ρ Bλ )(1  ρ Rλ )ρGλ τ фGλ ε λ ; εBλ =ρ Bλ τ фBλ ε λ ,
где εRλ , εGλ , εBλ – спектральная чувствительность трех цветовых каналов; ρBλ , ρRλ –
спектральные коэффициенты отражения цветоделительных зеркал; и
τфRλ , τфGλ , τфBλ – спектральные коэффициенты пропускания корригирующих
светофильтров; ε λ – спектральная чувствительность преобразователя светсигнал, которая в общем случае может быть разной для разных цветовых
каналов. Выражения (10.33) позволяют рассчитать требуемую форму
спектральных характеристик пропускания корригирующих светофильтров:
εGλ
ε Rλ
ε
τфRλ 
; τ фGλ 
; τ фBλ  Bλ .
(10.34)
(1  ρ Bλ )ρ Rλ ε λ

(1  ρ Bλ )(1  ρ Rλ )ρGλ ε λ

ρ Bλ ε λ

Телевизионная камера должна обеспечивать получение равных сигналов
при передаче эталонной белой поверхности, освещенной источником света,
имеющим определенную цветовую температуру, обычно 6500 К (источник типа
Д6500). Если передаваемый объект освещен искусственным источником света,
отличным от выбранного опорного белого, то в состав светоделительной
системы следует включить
приводной светофильтр,
спектральная
характеристика пропускания которого определяется следующим образом: фп =
Ра/Ри, где Ри и Ра – спектральное распределение мощности излучения
источника освещения и источника типа Д6500 соответственно. Несоответствие
источников освещения может быть скорректировано также электронным путем,
если изменить при смене источника освещения объекта значения
коэффициентов матрицы (10.32).
Цветоделительная система камеры, включающая в себя цветоделительные
зеркала, приводные и нейтральные светофильтры, вспомогательные
отражательные поверхности и т.д., располагается в пределах заднего рабочего
отрезка объектива. Поэтому длина хода светового луча, проходящего через
перечисленные узлы, не должна оказаться больше этого отрезка Кроме этого,
для уменьшения цветовых искажений желательно обеспечить параллельность
пучков света, падающих на цветоделительные поверхности Эта задача удачно
решается применением для разделения световых потоков цветоделительного
призменного блока, представляющего собой единую конструкцию из
нескольких призм, на гранях которых нанесены дихроичные покрытия с
изменяющимися по спектру коэффициентами отражения и пропускания.
На рис.10.27 изображена схема оптической системы трехтрубочной RWB
камеры. Световой поток, пройдя через вариообъектив 1, сменные приводные
светофильтры 2 и 3, корректирующие при необходимости источник освещения,
поступает на компоненты призменного цветоделительного блока 4. Нанесенные
на грани призмы дихроичные слои 5 и 6 расщепляют световой поток на три
разделенные
по
спектру
составляющие,
которые
образуют
на
133

фоточувствительной поверхности передающих трубок 7 цветоделенные
изображения. Светофильтры 8, наклеенные на грани призм, корректируют
спектральные характеристики оптических каналов.
Применение призменного блока позволяет реализовать более жесткую
конструкцию цветоделительной системы, упростить юстировку, снизить потери
света, вызываемые отражением от границы воздух – стекло, а также ввести
световой поток от диапроектора, проецирующего изображение тест-таблицы на
фотокатоды трех пере дающих трубок.

Диапроектор
и подсветка

Рис.10.27. Оптическая система трехтрубочной RWB камеры

На рис.10.28 показана структурная схема цветной камеры на трех
полноформатных матрицах ПЗС. Изображение передаваемого объекта
вариообъективом проецируется на цветоделительный блок, который
осуществляет разделение светового потока на три составляющие. Принцип
получения сигнала изображения рассмотрим для одного из каналов.

Рис. 10.28. Упрощенная структурная схема
цветной камеры на трех полноформатных ПЗС
134

Основной элемент каждого из каналов – матрица ПЗС. Она преобразует
распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное
распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда –
потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования
кадрового гасящего импульса все поле зарядов перемещается в
соответствующие зоны хранения, экранированные от светового потока (секция
памяти). В течение следующего периода накопления во время следования
строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции
памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки
заряды
продвигаются
к
выходному
устройству,
образованному
полупроводниковыми структурами по типу полевых транзисторов. Таким
образом, на выходе матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной
последовательности импульсов различной амплитуды, пропорциональной
освещенности элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице
ПЗС – развертка изображения – производится с помощью тактовых импульсов
синхрогенератора, образующихся в формирователях импульсов секций
накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ). При этом
отпадает необходимость коммутации элементов мозаики передающей трубки
внешним электронным лучом, а следовательно, и наличия термокатода,
электронной оптики, отклоняющей системы, вакуумной колбы, относительно
высоковольтных источников питания и мощных выходных каскадов разверток
– генераторов тока. Все это приводит к значительному уменьшению габаритов,
массы и потребляемой мощности, а также к весьма существенному повышению
надежности фотоэлектрических преобразователей. Наличие раздельных
обособленных секций накопления и памяти и относительно быстрый перенос
зарядов из первой секции во вторую позволяют устранить специфические
искажения изображения типа “инерционность”.
14 Телевизионные преобразователи электрических сигналов в
оптическое изображение
14.1 Общие сведения и классификация
Преобразователи электрических сигналов в оптическое изображение –
устройства воспроизведения ТВ изображения – могут быть разделены на
устройства прямого наблюдения и проекционные. Наиболее распространены
устройства прямого наблюдения – монохромные и цветные электроннолучевые приемные трубки – кинескопы. Они обеспечивают получение ТВ
изображения площадью до 0,25...0,5 м 2, предназначенного для просмотра
небольшим числом зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует
увеличения размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков
квадратных метров. Для этого используются проекционные воспроизводящие
устройства: высокояркие проекционные кинескопы, лазерные проекторы и
светоклапанные системы.
135

Основными
требованиями,
предъявляемыми
к
устройствам
воспроизведения ТВ изображения, являются: необходимые размеры экрана,
достаточная яркость, способность к созданию изображения с высоким
контрастом, высокая разрешающая способность, позволяющая различать
наиболее мелкие детали изображения, а также размеры воспроизводящих
устройств, стабильность их характеристик и т.д.

Рис.14.28 Классификация преобразователей сигнал-свет.

14.2 Кинескопы черно-белого телевидения
Кинескоп – приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным,
преобразующая
мгновенные
значения
сигнала
изображения
в
последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ
изображение.
Развертывающим
элементом
в
кинескопе
является
сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране
обеспечивается отклонением тока луча по закону развертки и модуляцией его
плотности сигналом изображения.
По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в которых
изображение создается непосредственно на экране, и проекционные. Последние
используются для проекции изображения на большой экран и в системах
бегущего светового луча. Наиболее широко распространены кинескопы
прямого наблюдения. Они применяются в индивидуальных ТВ приемниках,
видеоконтрольных устройствах (ВКУ), используемых на ТВ центрах, и в
промышленных телевизионных устройствах (ПТУ), видоискателях передающих
телевизионных камер и др.
Устройство кинескопа схематически изображено на рис. 7.1,а. Основными
частями являются стеклянная колба 8, электронно-оптическая система 2,
формирующая электронный луч, и люминофорный экран 7. На горловине
136

кинескопа помещается отклоняющая система 3, с помощью которой
формируется магнитное поле, обеспечивающее перемещение электронного
луча в процессе развертки изображения.

Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тонкой пленкой
алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы помещен электронный
прожектор 2. Второй анод прожектора соединен с проводящим покрытием 4,
нанесенным на внутреннюю поверхность колбы и горловины. Вывод второго
анода 5 сделан через колбу, а остальных электродов – через цоколь 1.
14.3 Электронный прожектор
Электронным прожектором называется конструктивный узел электроннолучевого прибора, состоящий из катода и ряда электродов, которые
обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью тока луча.
Электронный прожектор должен сформировать электронный луч с током в
несколько сот микроампер и диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм,
а также обеспечить возможность модуляции тока луча сигналом изображения.
Причем для получения изображения с требуемой контрастностью при
приемлемых уровнях модулирующего сигнала прожектор должен обладать
достаточно крутой модуляционной характеристикой. Электронный луч может
быть сфокусирован с помощью электромагнитных или электростатических
полей. Преобладающая часть современных кинескопов имеет электронный
прожектор с электростатической фокусировкой, которая не требует увеличения
габаритов отклоняющих систем за счет размещения в их корпусе
фокусирующей катушки, дополнительного увеличения мощности источников
питания, менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна
во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки.
Конструктивно электронный прожектор представляет собой систему
цилиндрических электродов (см. рис.7.1,б) и состоит из подогревателя 1,
термокатода 2, модулятора 3, ускоряющего электрода 4, фокусирующего
электрода 5, второго анода 6. Построенный по такой схеме прожектор
называется пентодным. Применение пентодного прожектора в кинескопе
позволяет ослабить влияние изменения потенциала ускоряющего электрода на
качество фокусировки электронного луча.
Большинство прожекторов современных кинескопов строят по
двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электронного луча
137

осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объектива и в поле
главной фокусирующей линзы.
Иммерсионный объектив (рис.7.2) состоит из термокатода 1, модулятора 2
и ускоряющего электрода 3. Благодаря высокой разности потенциалов между
катодом и ускоряющим электродом (Uу = 500 800 В) и малому расстоянию
между этими электродами в зоне иммерсионного объектива создается сильная
напряженность электрического поля, конфигурация сечения эквивалентных
поверхностей которого на рис. 7.2,а обозначена штриховыми линиями.

Рис. 7.2. Фокусировка электронного
луча: а – выход электронов из
прожектора; б – двухлинзовая
оптическая система

а

б

Эмиттируемые с поверхности катода электроны попадают в поле
иммерсионного объектива (рис. 7.2,а,б) и собираются в плоскости его фокуса в
узкий пучок, сечение которого называется кроссовером (Кр). Диаметр
кроссовера оказывается значительно меньше диаметра той части катода, с
которой электроны попадают в отверстие модулятора. После кроссовера пучок
электронов снова расходится и попадает в фокусирующее поле главной
фокусирующей линзы, которая переносит изображение Кр в плоскость экрана,
при этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер Кр. Таким образом,
использование двухлинзовой оптической схемы (рис. 7.2,б) позволяет
сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не
более 0,5 мм при существенно большем радиусе эмиттирующей поверхности
катода.
14.4 Экран кинескопа
Для преобразования сигнала в световое изображение используется явление
люминесценции, заключающееся в способности атомов, молекул и ионов
некоторых веществ испускать свет. при переходе из состояния с повышенной
энергией (возбужденное состояние) в состояние с меньшей энергией. Вещества,
обладающие такими свойствами, называются люминофорами (lumen – свет
(лат.), phoros – несущий (греч.)).
138

Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано
электрическим полем или током, при этом возникает электролюминесценция.
Вещества, обладающие свойством электролюминесценции, называются
электролюминофорами.
В телевидении используется катодолюминесценция – свечение, вызванное
ударами быстролетящих электронов. Бомбардировка люминофора быстрыми
электронами приводит его в возбужденное состояние, при котором электроны
атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие
энергетические уровни внешних орбит. Возвращаясь с внешних орбит на
прежние уровни, электроны излучают кванты света.
Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, представляют собой
кристаллические вещества различного химического состава. Это могут быть
окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цинка, кадмия, магния, кальция,
активированные различными металлами. Активацией добиваются повышения
эффективности и необходимого спектрального состава излучения.
Электрооптические характеристики люминофорных экранов зависят от
химического состава вещества люминофора, технологии его нанесения и
условий возбуждения. Химический состав люминофора обозначается
обычными символами: на первом месте – основное вещество, затем – в скобках
– активатор. Например, сульфид цинка, активированный медью, записывается
как ZnS (Cu), а активированный серебром – как ZnS (Ag).
Важнейшими характеристиками экрана являются цвет свечения,
инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяется типом
выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кинескопов используется
люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфида цинка (активированного
серебром и цинком) и сульфида кадмия (активированного серебром): ZnS
(АgZn 47 %; CdS (Ag) 53 %. Спектральная характеристика излучения данной
смеси имеет два максимума (рис.7.3, кривая 1). Первый максимум находится в
области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй
максимум совпадает с кривой стандартной относительной видности глаза
(штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения
люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой
температуре 9700 К.
Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа является его
инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения
люминофора. Длительность возгорания люминофора з достаточно мала.
Основным параметром инерционности люминофора является длительность
послесвечения Тпс, в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01
максимального значения после прекращения возбуждения люминофора (рис
7.4, кривая 1). Длительность послесвечения является существенным
параметром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых
приборов различного назначения. Например, для приемных ТВ трубок
желательно иметь длительность послесвечения, равную времени передачи
одного кадра изображения. Требование это становится очевидным, если
139

вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Тальбота
(см. 2.2):
Lвиз 

1
T



T

0

L (t ) dt ,

где L(t) – функция изменения яркости элемента изображения во времени,
которой в данном случае соответствует кривая, характеризующая возгорание и
затухание люминофора; Т – период повторения световых импульсов, равный
времени передачи кадра Тк. Если L(t) аппроксимировать треугольной функцией
(см. рис. 7,4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то
Lвиз  0,5

з
Tк

 0,5

Tпс
Lmax ,
Tк

т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых – яркости
элемента при возгорании люминофора и яркости элемента при его затухании.
Учитывая, что з /Тк < 1/N, где N – число элементов в кадре, примерно равное
для вещательного телевизионного стандарта N = 0;5106 , а Тпс/Tк = 1, можем
записать Lвиз = 0,2510–6 Lmax + 0,5 Lmax.

Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется
послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвечения для
приемных телевизионных трубок желательно иметь равной длительности кадра
Тк. Увеличение длительности послесвечения приводит также к уменьшению
заметности мельканий при смене кадров. Дальнейшее увеличение длительности
послесвечения нежелательно, так как приводит к смазыванию (размытости)
изображения движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от
предыдущего кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если
оста точный сигнал не превышает 5%.
Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам
кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры экранов этих
кинескопов должны иметь малую длительность послесвечения, не
превышающую
время
коммутации
одного
элемента
изображения
–8
(около 7,710 ). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе
бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не
электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе
фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) определяется яркостью луча в
коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с
коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента
140

изображения. При Тпс > з сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только
яркостью пятна передаваемого элемента изображения, но яркостями соседних,
уже скоммутированных элементов, что приведет к потере четкости и
контрастности мелких деталей изображения. Так как получить необходимую
длительность послесвечения для экранов, излучающих в видимом диапазоне, не
удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусматривается схема
коррекции послесвечения.
Эффективность преобразования энергии электронов луча в световое
излучение характеризуется светоотдачей экрана k, определяемой отношением
силы света I, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча.
Светоотдача зависит от энергии электронов луча, типа люминофора, способов его
нанесения и может изменяться от десятых долей канделы на ватт до 15 кд/Вт.
Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эмпирической
зависимостью
(7.1)
I  kiл (u2  u0 )n ,
где k – светоотдача; iл – ток луча; u2 – напряжение второго анода кинескопа; u0 –
пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение
люминофора.
Для современных люминофорных экранов u0 = 1...2 кВ; п – показатель
степени, определяемый физическими свойств люминофоров и условиями его
возбуждения. При токе луча iл = 100...150 мкА и ускоряющем напряжении u2 > >
10 кВ; п = 1. Современные кинескопы работают при u2 = 12...18 кВ и более,
поэтому напряжение u0 < u2 и им можно пренебречь. Принимая п = 1, с
достаточной для практики точностью можно считать, что сила света
(7.2)
I  kiлu2  kPa ,
где Ра – мощность электронного луча.
При принятых условиях светоотдача k оказывается постоянной величиной.
Поэтому сила света I, а следовательно, и яркость экрана
Lэк  I / Sэк  kPа / Sэк ,

(где Sэк – площадь экрана кинескопа, м2) могут быть увеличены повышением
мощности электронного луча Ра. Поскольку увеличение тока луча свыше
100...150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яркость экрана
увеличивают путем повышения ускоряющего напряжения u2. Потенциал экрана
необходимо принудительно поддерживать равным потенциалу второго анода
кинескопа (для черно-белых кинескопов 12...18 кВ, для цветных – 25 кВ). Для
выполнения этого условия на слой люминофора наносится проводящее
покрытие, электрически соединенное со вторым анодом прожектора. Это
позволяет эффективно отводить вторичные электроны с экрана кинескопа,
обес-печивая необходимую яркость экрана. Таким образом, экран современного
кинескопа представляет собой слой люминофора, нанесенный на дно колбы
кинескопа. Люминофор, в свою очередь, покрыт пленкой алюминия толщиной
0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люминофором и
вторым анодом прожектора. Пленка практически прозрачна для электронов
луча, которые при ускоряющих напряжениях свыше 8...10 кВ беспрепятственно
141

проникают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для
световых лучей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает
световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана более чем в 1,5
раза.
Кроме увеличения эффективности металлизированный экран позволяет
увеличить контраст крупных деталей изображения при устранении подсветки
экрана от внутренних поверхностей колбы, деталей
электронного прожектора и соседних участков,
расположенных на поверхности. Он также
предохраняет люминофор от бомбардировок
тяжелыми отрицательными ионами, устраняя
необходимость введения в электронный прожектор
ионных ловушек.
Существенно снижает контраст мелких и
Рис. 7.5. Влияние дымчатого стекла на
средних деталей изображения явление ореола.
контраст мелких деталей
Ореол образуется вследствие того, что часть
расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис.
7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана трубки, на границе стекло — воздух
отражается обратно, освещая соседние с точкой участки (рис. 7.5, точка Г). В
результате ярко светящаяся точка экрана оказывается окруженной менее ярким
кольцом – ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для
увеличения контраста изображения экран колбы современного кинескопа
изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным фильтром.
Такое стекло называют дымчатым, контрастным, противоо-реольным.
Ослабление ореола происходит за счет поглощения части света в толще
экрана колбы. Прямой свет луч I1 от светящейся точки люминофора
проходит путь АБ (рис.7.5), а световой луч вредной подсветки 12,
вызванной явлением ореола, проходит более длинный путь АВГД и
поглощается значительно больше. Использование противо-ореольного
стекла увеличивает контраст мелких деталей примерно в 15 раз.
Промышленностью выпускается большая номенклатура кинескопов с
диагональю экрана 6...71 см. Гостированное условное обозначение электроннолучевых трубок состоит из четырех элементов, например 6IЛК2Б. Цифра 61
указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой
кинескоп; цифра 2 характеризует тип электронного прожектора; буква Б
указывает цвет свечения экрана – белый. В обозначении трубки 6IЛКЗЦ буква
Ц указывает на то, что кинескоп цветной.
14.5 Кинескопы цветного телевидения
Общие сведения. Для получения цветного изображения в большинстве
современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств
используется один электровакуумный прибор – цветной кинескоп, в котором
цветные изображения формируются из трех цветоделенных методом
142

пространственного смешения цветов. В большинстве разработанных
кинескопов используется трехрастровая система, при которой на экране
кинескопа формируются три одноцветных растра – красный, зеленый и синий,
совмещенные с достаточной степенью точности друг с другом. Трехрастровая
система предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов и
трех люминофорных групп, спектральное излучение которых соответствует
красному, зеленому и синему цветам. Разделение цветов, т.е. обеспечение
правильного попадания каждого из лучей на люминофорные элементы экрана
“своего” цвета, обеспечивается с помощью теневой маски. Такие кинескопы
часто называют масочными. По способу расположения прожекторов кинескопы
делятся на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные
группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и на
компланарные кинескопы с расположением прожекторов в одной плоскости и
линейчатыми люминофорными группами.
Масочный кинескоп с дельтавидным расположением прожекторов.
Схематическое
изображение
цветного
масочного
дельта-кинескопа
представлено на рис. 7.6.
Особенностью
его
устройства
является расположение трех электронных
прожекторов
в
горловине
колбы
симметрично относительно оси и наличие
мозаичного
люминофорного
экрана.
Прожекторы кинескопа крепятся в
вершинах равностороннего треугольника
(см. разрез А – А) и наклонены к оси
кинескопа на угол примерно 1°. Экран
кинескопа: представляет собой сферу из
стекла с большим радиусом кривизны, на
внутреннюю поверхность которой в
определенной последовательности нанесены группы люминофорных зерен трех
цветов: красного, зеленого и синего.
Люминофорная группа, состоит из трех разноцветных зерен, называется
триадой. Диаметр каждого люминофорного зерна примерно 0,45 мм. Так же как
в монохромном кинескопе, люминофоры с внутренней стороны экрана покрыты
тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом.
Для направления электронных лучей на “свои” люминофорные зерна
используется теневая маска, установленная на расстоянии 12 мм от экрана. Она
изготовлена из листовой стали толщиной 0,15 мм и практически повторяет
форму экрана. В маске прорезаны круглые отверстия диаметром 0,25 мм, число
которых равно числу люминофорных триад, т.е. 550103.
Принцип попадания электронных лучей на “свои” люминофорные зерна
заключается в том, что три луча, направленные из трех разнесенных на
плоскости ХОУ точек (рис. 7.7), являющихся центрами электронных
143

прожекторов, пересекаются в одной точке, геометрическое место которой
соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на
соответствующие люминофорные зерна триад. Центры люминофорных зерен
триад располагаются в вершинах равностороннего треугольника и являются
проекцией центров электронных прожекторов. Для осуществления этого
принципа взаимное расположение прожекторов, их наклон к оси кинескопов,
расстояние от центра отклонения электронного луча до теневой маски и от
теневой. маски до экрана должны быть связаны
определенными
геометрическими
соотношениями.
Точность попадания электронных лучей
на свои люминофорные зерна зависит от
точности реализации этого соотношения, т.е.
от технологической точности изготовления
кинескопа. Недостаточная точность реализации
приводит
к
нарушению
правильности
Рис. 7.7. Принцип попадания лучей на
попадания
лучей,
которое
вызывает
люминофорные зерна своего цвета
следующие специфические для цветного
кинескопа искажения изображения.
1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием электронного луча
частично или полностью на “чужие” люминофорные зерна, которое возникает
при боковом смещении или наклоне блока электронных прожекторов
относительно оси кинескопа, неправильном положении отклоняющей системы
относительно экрана кинескопа, а также под влиянием внешних магнитных
полей, в частности магнитного поля Земли.
Нарушение чистоты цвета, вызванное недостаточно точной установкой
блока электронных прожекторов и влиянием внешних магнитных полей,
корректируется с помощью расположенного на горловине кинескопа магнита
чистоты цвета (МЧ) 7 (см. рис. 7.6), позволяющего изменять величину и
направление магнитного поля (рис. 7.8,а) и тем самым осуществлять
одновременное перемещение трех лучей в одном направлении, добиваясь их
правильного попадания на люминофорные зерна. Конструктивно МЧ обычно
выполняются в виде двух намагниченных по диаметру колец, вложенных одно
в другое и допускающих одновременный или независимый поворот их
относительно оси кинескопа (рис. 7.8,а, I).
Магнитное поле изменяется от максимального до минимального значения
поворотом колец друг относительно друга на угол  (рис. 7.8,а, II). Магнитное
поле максимально при  = 0 и минимально при  = 180. Для изменения
направления магнитного поля оба кольца поворачиваются вместе (рис. 7.8,а,
III).

144

2. Несовмещение изображений от разных растров, обусловленное
попаданием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в
соседние или отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, которое
возникает при неточном изготовлении и сборке блока электронных
прожекторов, например несоблюдении заданных угловых величин и т.д. Для
коррекции этого несовмещения, т.е. сведения трех неотклоненных электронных
лучей в одну люминофорную триаду, служат постоянные магниты регулятора
сведения 6 (рис. 7.8,б), обеспечивающие возможность независимого
перемещения лучей в радиальном направлении, корректирующего их
траекторию.
3. Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от центра к краю
экрана, обусловленное следующими основными причинами:
а) наличием трех электронных прожекторов, смещенных относительно оси
кинескопа и имеющих с ней угол наклона 1°; это приводит к появлению на
экране кинескопа трех смещенных друг относительно друга трапецеидальных
растров (рис.7.9);

145

б) нахождением геометрических мест пересечения трех лучей при их
отклонении на поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом
наклона прожекторов (1°) и значительно меньше радиуса кривизны экрана.
Поэтому при отклонении от центра к периферии экрана электронные лучи
будут достигать плоскости маски в виде расходящихся пучков (рис.7.10) и
попадать на люминофорные зерна разных триад.
Помимо рассовмещения изображений наличие относительно плоского
экрана приводит, как и в случае с черно-белым кинескопом, к
подушкообразным искажениям растра.
Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению
динамического сведения лучей, для коррекции которого используется система
динамического сведения, конструктивно объединенная с системой статического
сведения.
Устройство динамического и статического сведения 5, 6 (рис. 7.6) состоит
из введенного в конструкцию электронного прожектора цилиндра сведения 1
(см. рис. 7.8,б), содержащего внутри экраны 2 и полюсные наконечники 3, и
трех пар П-образных магнитопроводов регуляторов сведения 4. Динамическое
сведение обеспечивается путем пропускания через обмотки электромагнитов 5
регулятора сведения токов кадровой и строчной частот специальной формы.
Статическое сведение достигается вращением помещенных в зазорах средней
части П-образного сердечника постоянных магнитов 6, обеспечивающих
независимое радиальное перемещение лучей. В некоторых случаях только
радиальное смещение лучей не обеспечивает полное их сведение в одну триаду.
Требуется дополнительное тангенциальное перемещение одного из лучей,
которое обычно обеспечивается с помощью магнита бокового смещения синего
луча, помещенного на горловине кинескопа (рис. 7.8,в).
Масочный кинескоп с триадным дельтавидным расположением
прожекторов в настоящее время применяется в большинстве эксплуатируемых
телевизоров и ВКУ, однако имеет существенные недостатки, основными из
которых являются необходимость сложных схем динамического сведения
лучей и малая прозрачность теневой маски, задерживающей более 80 % тока в
каждом электронном луче.
Масочный кинескоп с копланарным расположением прожекторов. В
масочном кинескопе с копланарным расположением прожекторов 1 оси
трехэлектронных прожекторов находятся водной горизонтальной плоскости,
причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинескопа, а оси
двух других прожекторов повернуты к оси кинескопа на угол 1,5° (рис. 7.11,а).
Кинескоп имеет линейчатую структуру люминофорного покрытия экрана З
(рис.7.11) и теневую щелевую маску 2. Отверстия в теневой маске выполнены в
виде вертикальных прорезей – щелей и имеют горизонтальные перемычки,
увеличивающие ее механическую прочность (рис.7.11,в).
Основные преимущества кинескопа с копланарным расположением
прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключаются в следующем.
146

1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости делает
аберрации при отклонении симметричными, что упрощает механизм
динамического сведения лучей, так как средний луч (обычно зеленый)
направлен вдоль оси кинескопа и дает симметричный относительно осей экрана
растр, не требующий сведения. Растры, полученные от крайних лучей
(красного и синего), необходимо совмещать с центральным (зеленым) только в
горизонтальном направлении.
2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как щелевая маска
обладает более высокой прозрачностью для возбуждающих люминофорный
экран электронов, чем маска, имеющая круглые отверстия.
3. Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на “чужую”
люминофорную полосу может попадать только в одном (горизонтальном)
направлении. По этой же причине на чистоту цвета в компланарных кинескопах
значительно меньшее влияние оказывает магнитное поле Земли, конкретно только ее вертикальная составляющая, сдвигающая луч в горизонтальном
направлении.

4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу
самосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и схемы
статического и динамического сведения. Действительно, в компланарном
кинескопе отклонение трех лучей в равномерном магнитном поле приводит к
расслоению вертикальных линий слева и справа (рис. 7.11,г). Такое расслоение
может быть скорректировано с помощью неравномерного магнитного поля,
обладающего астигматизмом при отклонении пучка электронов. Астигматизм,
как известно, проявляется в том, что сечение пучка электронов при его
отклонении от центра экрана к периферии становится не круглым, а
эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована в направлении
отклонения (положительный астигматизм) или перпендикулярно к нему
(отрицательный астигматизм). Такое изменение формы сечения электронного
луча при отклонении можно рассматривать как сближение крайних нитей
пучка, образующих вытянутую часть его сечения (эллипса). Аналогичное
147

явление происходит с электронными лучами синего и красного прожекторов,
которые при отклонении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом,
сближаются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав заданную степень
астигматизма, можно полностью скомпенсировать рассовмещение лучей в
любой точке экрана. Таким образом, в компланарных кинескопах динамическое
самосведение трех совмещенных в центре экрана лучей обеспечивается
автоматическим отклонением их в не- равномерном поле, обладающем
заданным астигматизмом. Требуемое поле создается подбором формы и
плотности распределения витков катушек отклоняющих систем.
В системе с самосведением изображения с требуемой точностью могут
быть совмещены лишь при условии прецизионного выполнения электроннооптического узла трубки и точной повторяемости конфигурации магнитного
поля отклоняющих систем. Для выполнения этого требования блок прожектора
должен быть выполнен в виде единого конструктивного узла, а сам кинескоп
выпускается в комплекте с закрепленной к горловине отклоняющей системой,
положение которой предварительно тщательно юстируется с целью получения
оптимальных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом,
используемым при настройке комплекса кинескоп – отклоняющая система,
является также магнитостатическое устройство, включающее в себя магниты
чистоты цвета и статического сведения, установленные на горловине кинескопа
позади отклоняющей системы. По принципу действия эти устройства
аналогичны подобным устройствам, работающим в кинескопе с треугольным
расположением
прожекторов.
Однако оптимальное
положение
их
регулирующих элементов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе
комплекса кинескоп – отклоняющая система и в дальнейшем в процессе
эксплуатации не регулируется.
14.6 Плазмові та рідкокристалічні панелі
Принцип дії плазмової панелі заснований на світінні люмінофорів екрану
під дією ультрафіолетових променів, що виникають при електричному розряді
в плазмі (розрідженому газі).
Конструктивно плазмова панель являє собою два скляних листи, на які
нанесені напівпрозорі електроди (шини) для комутації строк (на лицьовому
склі) та стовпців зображення (на заднім склі, що є підкладкою). Таким чином,
утворюється прямокутна матриця, комірки якої знаходяться на перетині
електродів рядків та стовпців. На склі-підкладці сформований спеціальний
профіль у вигляді скляних ребер, ізолюючих сусідні комірки одна від одної. На
внутрішній поверхні скла-підкладки нанесені смужки люмінофорів, що
чергуються, первинних кольорів R, G, B, що створюють тріади, рис. 14.29.

148

Рис. 14.29. Розгортка зображення кольорової плазмової матричної панелі

В процесі виготовлення такої панелі з внутрішнього об’єму відкачується
повітря, і цей об’єм заповнюється розрідженим газом, після чого панель
герметизується. При роботі газ є «робочим тілом».
Функціонування панелі таке. З допомогою зовнішніх пристроїв розгортки
на електроди рядків та стовпців матриці подаються управляючі напруги. Під
дією напруги між ініційованими рядковою та стовпчиковою шинами у
відповідній комірці відбувається електричний розряд через плазму (іонізований
газ), що утворюється при цьому. Цей розряд викликає потужне ультрафіолетове
випромінювання, яке змушує люмінофор, що знаходиться в даній комірці,
світитися. Так як існують розділові бар’єри між сусідніми комірками,
електричний розряд локалізується в межах однієї окремої комірки і не впливає
на сусідні комірки. А для того, щоб «свій» ультрафіолет не викликав світіння
«чужого» люмінофору, на бокові поверхні розділових ребер наносять
спеціальне покриття, що поглинає ультрафіолет.
Для модуляції інтенсивності світіння люмінофорів сигналами зображень
ER, EG, EB необхідно подавати їх на стовпчикові шини.
На кожен горизонтальний електрод (рядкові шини) від генератора вибору
рядків (ГВР) по черзі, у відповідності з рядком, що передається, поступають
прямокутні імпульси вибору рядків (ВР), тривалість якого дорівнює періоду
рядкової розгортки.
Відеосигнали ER, EG, EB через індивідуальні розділові каскади (РК)
подаються на свої (за кольором люмінофору) стовпчикові шини одночасно. В
початковому стані розділові каскади закриті і не пропускають відеосигнали.
Розділовий каскад відкривається і пропускає відеосигнал на вертикальний
електрод (стовпчикову шину) при подачі на нього стробуючого імпульсу (СІ).
149

СІ з відводів пристрою затримки (ПЗ) подаються одночасно на три
розділових канали (тріаду RGB). Загальний час затримки в ПЗ відповідає
періоду рядкової розгортки. На вхід ПЗ на початку кожного рядку поступають
вузькі рядкові імпульси, тривалість яких дорівнює тривалості розгортки одного
елементу зображення. Поширюючись вздовж пристрою затримки, ці імпульси
по черзі відкривають розділові каскади (в межах однієї тріади всі розділові
каскади відкриваються одночасно), пропускаючи відеосигнали ER, EG, EB на
відповідні стовпчикові шини, чим і забезпечується відтворення зображення
вздовж рядка, що розгортається. На комірці, що утворюється на перетині
стовпця з рядком, відбувається змішування кольорів RGB, утворюючи
кольоровий піксель.
В даний час серійно випускаються плазмові панелі з діагоналлю більше 1
м, при товщині панелі близько 10 см. Плазмові панелі забезпечують велику
яскравість і високу контрастність зображення, мають широкий кут огляду
(більше 160°). При цьому повністю відсутні проблеми, пов'язані зі
спотвореннями геометрії растру і зведенням, властиві кольоровим кінескопам.
Недоліком плазмових панелей є порівняно велике енергоспоживання (при
діагоналі екрану 1,057 м середня споживана потужність досягає 270 Вт).
Рідкокристалічні панелі. У РК-панелях використовується здатність
аморфної речовини змінювати свої оптичні властивості в електричному полі.
Існують РК-панелі просвітного і відбивного типів. Спосіб розгортки
зображення у РК-панелей точно такий же, як і у плазмових. З тильного боку
РК-панель просвітного типу висвітлюється рівномірним світловим потоком.
Під дією напруги між ініційованими рядковою й стовпчиковою шинами у
відповідній клітинці матриці змінюється оптична прозорість аморфного
силікону. Світловий потік, проходячи через РК-матрицю з трьома типами
колірних комірок RGB, модулюється по яскравості і кольору. Так на екрані
синтезується кольорове зображення.
Найбільше поширення РК-панелі отримали в комп'ютерній техніці в якості
моніторів, а також в малогабаритних телевізорах. РК-панелі в десятки разів
економічніші плазмових. Вони високотехнологічні і мають відносно низьку
вартість.
14.7 Системы большого телевизионного экрана
Общие сведения. Одним из направлений улучшения качества ТВ
изображения является увеличение размеров экрана. Большой экран позволяет
производить коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах,
санаториях, общежитиях или в специально созданных телевизионных театрах.
Он широко применяется и в прикладных ТВ системах, например, для имитации
окружающей визуальной обстановки в телевизионных тренажерах, а также при
слежении за работой и управлении космическими летательными аппаратами.
Телевизионное изображение увеличенного размера оказывает существенно
большее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект присутствия
150

при наблюдении. Потребность в увеличении размеров экрана, безусловно,
возрастает в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк
разложения. Системы с большим ТВ экраном по требуемой площади могут
быть условно разделены на две группы: 1) экран с площадью до 12 м2; 2) экран
площадью от 12 м2 и выше (обычно не более 100 м2). Принципиально ТВ
изображение таких размеров может быть получено как с помощью устройств
непосредственного наблюдения с плоскими экранами, так и с помощью
проекционных устройств. Плоские ТВ безвакуумные экраны могут быть
реализованы на основе газовых и светодиодных самосканирующих панелей,
эффекта электролюминесценции в пленочных люминофорах, динамического
рассеяния све- та в жидких кристаллах и т.д. Однако устройства с такими
экранами до настоящего времени не вышли из стадии лабораторных
разработок.
В настоящее время для получения ТВ изображения на большом экране
используют проекционные системы. Причем для получения ТВ изображения с
размерами, относящимися к первой группе устройств, его проецируют
непосредственно с экрана кинескопа с помощью линзовых или зеркальнолинзовых оптических устройств. Яркость изображения в таких устройствах
определяется яркостью свечения кинескопа, площадью экрана и его
отражательными свойствами, а также коэффициентом оптической передачи
(КОП) проекционной оптики. Коэффициент оптической передачи зеркальнолинзовых систем в среднем в 3 раза выше линзовых. Поэтому для получения
предельной площади экрана первой группы систем применяют зеркальнолинзовое проекционное устройство, чаще всего наиболее светосильное из них –
оптику Шмидта, позволяющую использовать до 30 % светового потока,
излучаемого кинескопом. Трудоемкость изготовления и настройка зеркальнолинзовой оптики делает нецелесообразным применение ее в проекционных
системах с площадями экрана менее 3 м 2. В таких системах применяется
обычная линзовая оптика, КОП которой не превышает 7...9 %.
В проекционных ТВ системах кинескоп является устройством,
обеспечивающим излучение, отклонение и модуляцию светового луча по
интенсивности сигналом изображения. Увеличение яркости экрана в них при
данной светоотдаче может быть получено за счет увеличения мощности
возбуждающего люминофор тока луча путем увеличения анодного напряжения
до 25...50 кВ. дальнейшее увеличение анодного напряжения усложняет
конструкцию проекционного устройства и его обслуживание, а также
уменьшает срок службы проекционного кинескопа. Таким образом, яркость, а
следовательно, и размер ТВ изображения, полученного с помощью
проекционной системы, имеет определенный предел. Практика использования
проекционных ТВ систем на кинескопе показала, что их целесообразно
применять для получения изображения на экране размером до 12 м2.
Поиск путей создания более эффективных проекционных систем привел к
разработке так называемых светоклапанных устройств, в которых функции
излучения и модуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ
151

сигнал воздействует на пространственные модуляторы света (ПМС),
модулирующие световой поток от внешнего источника одновременно по
поверхности всего ТВ изображения. Это позволяет практически неограниченно
повысить интенсивность излучения, которая определяется лишь мощностью
внешнего источника света. Подразделяются ПМС на модуляторы с прямой
модуляцией светового потока, в которых под действием модулирующего ТВ
сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей
среды, в результате чего ПМС становится носителем «промежуточного
изображения» (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению
диапозитива). Такое “промежуточное изображение” проецируется на большой
экран с помощью внешнего мощного источника света. При этом световой
поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с
распределением плотностей отдельных участков ПМС.
В модуляторах другого типа под действием модулирующего ТВ сигнала
меняются такие оптические свойства модулирующей среды, которые без
применения специальных дополнительных устройств не дают изменений
интенсивности светового потока, а следовательно, и воспринимаемого глазом
изображения. К таким свойствам следует отнести изменение формы
поверхности модулирующей среды, приводящей к оптической разности хода
лучей, изменение плоскости поляризации проходящего сквозь модулятор
светового потока и т.д. В таких ПМС для модуляции светового потока по
интенсивности на пути оптической проекции кроме модулирующей среды
необходимо установить дополнительные устройства, преобразующие изменение
указанных параметров в изменение интенсивности светового потока. Например,
при изменении формы поверхности модулирующей среды таким устройством
должна быть щелевая оптика, а при изменении угла поляризации – два взаимно
перпендикулярных поляризатора.
Отечественной промышленностью выпускаются два типа телевизионных
устройств с большим экраном: цветной проекционный телевизор и ТВ
проекционное светоклапанное устройство “Аристон” (Ariston (греч.) –
наилучший).
Цветной проекционный телевизор. Цветной проекционный телевизор
ТВ 01-ПЦ предназначен для коллективного просмотра цветных передач в
общежитиях, домах отдыха, санаториях, а также может быть использован в
домашних условиях. Цветное изображение получается совмещением
посредством оптической проекции на отражательный экран красного, зеленого
и синего изображений, полученных на экранах трех планарно расположенных
проекционных кинескопов с люминофорами соответственно красного, зеленого
и синего свечения (рис.7.12). Проекционные кинескопы представляют собой
высокояркие электронно-лучевые приборы с прямоугольными экранами,
диагональ которых равна 16 см. Для проекции изображения использована
линзовая оптика, причем проектор и экран объединены в единую конструкцию
(рис.7.13).

152

Наблюдение изображения осуществляется на светорассеивающем
направленном экране, отражающем основную часть падающего на него
светового потока в пределах небольшого угла, который по горизонтали
составляет 30°, а по вертикали 10°. Такая направленная отражательная
способность экрана увеличивает яркость изображения в 8 раз по сравнению с
яркостью, получаемой от диффузно рассеивающего экрана, что позволяет
получить на экране с диагональю 115 см яркость 50 кд/м2. Компенсация
неравномерности яркости по поверхности экрана, возникающей в результате
широкоугольной проекции трех геометрически разнесенных растров,
обеспечивается приданием поверхности экрана сферической формы с большим
радиусом кривизны. Три цветоделенных изображения – красного, зеленого и
синего свечения – совмещаются на отражательном экране с помощью
специальных электронных устройств. Геометрические искажения изображения
(см. рис. 7.12), вызываемые разностью хода лучей от кинескопов до экрана,
устраняются с помощью специальных устройств для коррекции растра. Для
уменьшения габаритов телевизора в конструкции применен широко
используемый принцип излома оптической оси с помощью плоского зеркала
(см. рис. 7.13).
Телевизионное проекционное светоклапанное устройство “Аристон”. В
СССР было разработано светоклапанное проекционное устройство, в котором
для пространственной модуляции светового потока используются слой вязкой
жидкости (масло “Эйдофор”), деформирующийся под воздействием
электронного пучка, и щелевая оптика. Упрощенная оптическая схема такого
устройства схематически представлена на рис.7.14. Мощная ксеноновая
дуговая лампа 2 с помощью зеркального отражателя 1, конденсора 3, линз 4 и
зеркала “холодного света” 5 равномерно освещает диафрагму 6. Свет,
153

прошедший через отверстие диафрагмы, проецируется линзой 7 и растровым
(щелевым) зеркалом 8 на мишень, состоящую из сферического зеркала 9,
покрытого тонким слоем модулирующей среды (масло “Эйдофор”) 10.
Площадь освещенной мишени определяется величиной диафрагмы. Растровое
зеркало состоит из шести зеркал в виде полосок и совместно с поверхностью
сферического зеркала и слоем нанесенной на нее вязкой жидкости является
световым клапаном.

Зеркальные полоски щелевой системы расположены в фокусе
сферического экрана мишени так, что лучи, отраженные от сферического
зеркала, прошедшие через недеформированную поверхность модулирующей
жидкости, отражаются полосками растрового зеркала обратно к источнику
света и поэтому не попадают в проекционный объектив 12 и зрительный экран
13. Если поверхность жидкости 2 на металлическом зеркале 1 окажется
деформированной (рис.7.15), световые лучи, проходя сквозь разную толщину
модулирующей жидкости (в соответствии с глубиной деформации жидкости в
данной точке), будут отражены от мишени под различными углами ,
отличными от первоначального значения. Часть этих лучей пройдет мимо
зеркальных полос и попадет через объектив 12 на экран 13. Освещенность
экрана тем больше, чем больше глубина деформации. Деформация поверхности
жидкости образуется под действием электростатических сил, которые
вызываются электрическими зарядами, возникающими на участке поверхности
жидкости в момент коммутации ее развертывающим электронным лучом.
Глубина деформации слоя жидкости определяется интенсивностью
электронного луча, поэтому при модуляции его сигналом изображения на
поверхности мишени возникает рельеф деформаций 3, т.е. каждому элементу
изображения соответствует определенная глубина деформации слоя жидкости.
Лучи света, отклоненные благодаря этим деформациям от первоначального
направления, создают на экране 13 ТВ изображение. Деформация участка
поверхности светомодулирующей среды сохраняется и после ухода с этого
участка электронного луча. Время сохранения деформации определяет скорость
исчезновения заряда участка мишени, зависящую от электропроводности
среды, а также механические свойства среды – вязкость и поверхностное
натяжение. Соответствующим подбором проводимости и вязкости жидкости
обеспечивают сохранение рельефа деформации в течение большей части
154

периода кадровой развертки. Это приводит к тому, что лучи света, проходящие
через пространственный модулятор, освещают каждую точку изображения на
экране 13 в течение активной части кадра, что в соответствии с законом
Тальбота существенно увеличивает яркость экрана.
К достоинствам установки “Аристон” относится возможность
воспроизведения черно-белых и цветных изображений на экране размерами до
50 м2 с высокими яркостью, четкостью и контрастом. При использовании
ксеноновой лампы мощностью 3000 Вт световой поток, падающий на экран,
достигает 5500 лм. Контраст изображения достигает 100:1, четкость
изображения может быть обеспечена до 1000 строк.
Существенными недостатками установки являются большие габариты
(1000х940х460 мм) и масса (более 100 кг), высокая стоимость и сложность
обслуживания, связанная с наличием. ряда вспомогательных устройств –
вакуумного насоса непрерывной откачки, замкнутой системы водяного
охлаждения мишени, системы воздушного охлаждения.
Матричные плоские экраны. Широко распространенным и знакомым
видом плоского экрана является матричное табло с растром из большого числа
ламп накаливания, яркость свечения которых регулируется методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Такие видеопанели матрично-лампового типа
отличаются умеренной стоимостью, сравнительно высокой яркостью и
достаточно большими размерами экрана. Основной недостаток матричноламповых видео панелей – малая четкость и низкая надежность ламп,
приводящая к появлению точечных дефектов.
Значительно более высокое качество изображения обеспечивает
многокинескопная (многоэкранная) видеопанель, состоящая из набора
кинескопов, расположенных вплотную друг к другу так, чтобы общий формат
панели совпадал с форматом телевизионного изображения. Число кинескопов
для разных моделей различно – от 4 (22) до 100(1010). Диагональ экрана
каждого кинескопа обычно превышает 60 см.
Телевизионное изображение в такой видеопанели разбито на отдельные
фрагменты, число которых равно числу кинескопов. При воспроизведении
полного ТВ изображения лучи всех кинескопов отклоняются синхронно, а
видеосигнал для модуляции этих лучей соответственно фрагменту изображения
поступает от специального блока обработки на основе кадровых ЗУ. С
помощью этого блока осуществляется “расщепление” полного ТВ изображения
на отдельные фрагменты.
Кинескопная видеопанель обеспечивает высокую яркость изображения
(около 100 кд/м2), большой срок службы, стабильность параметров и простоту
смены отдельных модулей (кинескопов). Использование программного
управления позволяет наряду с режимом большого изображения получать
дополнительные эффекты: осуществлять увеличение или уменьшение
изображения; создавать полиэкранный эффект, когда на каждый кинескоп
подается отдельный видеосигнал от разных источников, и режим размножения
изображения, в котором на все кинескопы подается один и тот же видеосигнал;
155

осуществлять “смывание” изображения чистым цветом и “замораживание” его,
а также различные эффекты при монтажных переходах.
Основной недостаток многокинескопных видеопанелей – заметность
решетки, образуемой зазорами между изображениями на отдельных
кинескопах. Для устранения заметности зазоров используют тонкие
пластмассовые линзы, устанавливаемые перед экранами кинескопов.
Необходимое оптическое увеличение изображения каждого кинескопа этими
линзами приводит к тому, что фрагменты наблюдаемых изображений
соприкасаются. Требуемое увеличение приблизительно равно 1,1 раз.
Высокое качество изображения обеспечивают матричные видеопанели
(экраны), состоящие из большого числа люминесцентных (светоизлучающих)
ячеек (Trini-Lita-ТL). Каждая ячейка содержит триады вертикальных
прямоугольных люминофорных полосок красного, зеленого и синего свечения.
Возбуждение люминофоров происходит под действием неотклоняемого потока
электронов, излучаемых триадами встроенных в ячейки катодов. Управление
яркостью свечения люминофорных ячеек осуществляется методом ШИМ.
В зависимости от размера экрана используются ячейки трех типов,
отличающиеся количеством и размерами люминофорных полосок (триад).
Самые крупные люминофорные полоски имеет ячейка ТL-1, содержащая всего
одну триаду и предназначенная для матричных экранов большой площади.
Ячейка ТL-2, имея такие же габариты, как и у ТL-1, содержит две триады и
предназначена для экранов меньшей площади – от 48 до 2332. Экраны
площадью до 48 м2 составляются из ячеек ТL-8, которые содержат восемь
триад, скомпонованных в два ряда по четыре триады. Серия таких экранов
разного размера и назначения, изготовленная фирмой “Sony”, получила
фирменное название Jumbotron.
Экраны Jumbotron, принципиально свободные от ошибок рассовмещения,
потребляют небольшую мощность и обеспечивают высокую яркость
изображения. Широтно-импульсная модуляция позволяет получить 256
градаций яркости, а малая инерционность ячеек втрое увеличивает частоту
кадров, что устраняет мелькание яркости при высокой (до 4000 кд/м 2 яркости
экрана. Четкость изображения, получаемого на люминофорных экранах,
зависит от их размеров. Экраны меньших размеров имеют меньшее число
триад, а следовательно, и меньшую четкость. Однако даже самый большой
экран площадью 1000 м2 имеет 400 триад по горизонтали и 378 рядов по
вертикали.
Такая несколько пониженная четкость изображения компенсируется
высокой яркостью и контрастностью люминофорного экрана.
Перспективным является создание цветных просветных видеопанелей,
освещенных с тыльной стороны равномерным световым потоком, который
сначала проходит через мозаику цветных светофильтров, а затем через мозаику
жидкокристаллических элементов. С помощью последней осуществляется
модуляция элементарных цветоделенных световых потоков по интенсивности.
156

Управление жидкокристаллическими элементами производится индивидуально
соответствующим отсчетом видеосигнала.

157

ДОДАТОК О. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №19 (ТВ) «МЕТОДИ ПЕРЕДАЧІ
ІНФОРМАЦІЇ ПРО КОЛІР. ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ
СИГНАЛІВ У ОПТИЧНІ ЗОБРАЖЕННЯ»

158

159

Рис.13.6 Упрощённая структурная схема цветной камеры
на трёх полноформатных ПЗС

Рис. 7.1. Кинескоп ч/б ТВ
а) 1 – цоколь;
2 – электронный прожектор;
3 – отклоняющая система;
4 – провод. покрытие +2-й
анод ЭП; 5 – его вывод;
6 – на люминофоре 7 пленка
Al, соедин. со 2-м анодом;
8 – колба (дымчатое стекло);
б) 1 – подогреватель;
2 – термокатод;
3 – модулятор;
4 – ускор. электрод;
5 – фокус. электрод;
6 – 2-ой анод ЭП

160
Рис. 7.7. Принцип попадания лучей на
люминофорные зерна своего цвета

ЛЕКЦІЯ №20. МЕТОДИ ФОРМУВАННЯ ПОВНОГО СИГНАЛУ
КОЛЬОРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ. СИСТЕМА КОЛЬОРОВОГО
ТЕЛЕБАЧЕННЯ NTSC. СИСТЕМА КОЛЬОРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ
PAL
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии
звукового радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2004. – 606 с.
1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЕЩАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Вещательная система цветного телевидения должна обеспечивать:
1. Совместимость с системой черно-белого телевидения, под которой
понимается возможность высококачественного приема без помех чернобелым телевизионным приемником ЦТ программ в черно-белом виде. Принцип совместимости обеспечивает возможность одновременного использования цветных и черно-белых телевизоров с перспективой постепенного вытеснения последних цветными. В связи с этим при разработке принципов построения систем цветного телевидения должны быть учтены параметры,
стандарты черно-белого телевидения. Основные параметры этого стандарта –
частоты строчной и кадровой разверток и полоса частот, занимаемая телевизионным каналом связи.
2. Высокое качество цветовоспроизведения, которое оценивается степенью соответствия ТВ изображения оригиналу. В телевидении идеалом верности цветовоспроизведения принято считать колориметрическую тождественность изображения оригиналу, означающую, что цветность каждого элемента
изображения не отличается от цветности соответствующего элемента оригинала, а отношение яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала является постоянным для всех передаваемых цветностей (см. § 10.10).
Критерий колориметрической тождественности целесообразно использовать в ЦТ системах, предназначенных для научных целей при классификации объектов по их цветовым характеристикам, при телевизионной объективной колориметрии и т.д. В ТВ вещании, где колориметрическая точность
воспроизведения цвета недостижима из-за известных ограничений, накладываемых воспроизводящим устройством, а зритель лишен возможности сравнивать изображение с оригиналом, используют психологический критерий
точности, учитывающий, что восприятие цветности знакомых предметов является более критичным, чем незнакомых, что широко используется при
определении допусков на отдельные параметры системы.
3. Дальнейшее совершенствование, развитие и расширение функциональных возможностей ТВ системы, включающие повышение качества преобразования, обработки и передачи изображения, а также передачу зрителю
дополнительной информации с выводом ее на телевизионный экран.
161

2. КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Яркостный сигнал. Для воспроизведения цветного изображения на телевизионном экране необходимо передать по каналу связи в полной полосе
частот сигналы основных цветов Е′R, Е′G, Е′B, полученные от цветной передающей камеры и подвергнутые гамма-коррекции. Кроме того, для обеспечения
требования совместимости по тому же каналу связи должен быть передан
сигнал, создающий на экране монохромного телевизора черно-белое изображение цветного объекта. Этот сигнал, называемый сигналом яркости Е′Y, может быть получен либо включением в состав ЦТ камеры отдельной трубки,
скорректированная спектральная характеристика которой аналогична кривой
стандартной относительной видности глаза, либо сформирован схемным путем в телевизионном тракте, где сигналы основных цветов Е′R, Е′G, Е′B суммируются в определенном соотношении, которое определяется спектральной
чувствительностью глаза (кривой стандартной относительной видности) к
основным цветам излучения трех люминофоров цветного кинескопа. Математически яркостный сигнал определяется выражением
Е′Y = Е′R + Е′G + Е′B,
(11.1)
где , ,  – относительные яркости L′R, L′G, L′B основных цветов приемника,
смесь которых образует равносигнальный (эталонный) белый цвет
 = L′R = LR/L0;  = L′G= LG/L0;  = L′B = LB/L0; L0 = LR + LG + LB,
где L′R, L′G, L′B – сигналы основных цветов, подвергнутые гамма-коррекции.
Для основных цветов приемника и опорного равносигнального белого цвета
стандартов NTSC и ЕС эти коэффициенты вычислены и представлены в табл.
11.1.
Таблица 11.1

В соответствии с данными табл.11.1 яркостный сигнал для треугольника NTSC
Е′Y = 0,299Е′R, + 0,587Е′G + 0,114E′B,
(11.2)
для треугольника ЕС яркостный сигнал
Е′Y = 0,222Е′R, + 0,706Е′G + 0,071E′B
(11.3)
но отечественным стандартом для формирования сигнала яркости стандартизован сигнал (11.2). Это не оказывает влияния на качество ЦТ изображения,
так как декодирующая матрица в ЦТ приемнике восстановит точное значение
исходного первичного сигнала, но приводит к небольшому искажению градаций яркости на экране черно-белого телевизора.
Цветоразностные сигналы. При наличии сигнала Е′Y, необходимого для
реализации условия совместимости с черно-белой системой, нет надобности в
дополнительной передаче по каналу связи трех сигналов Е′R, Е′G, E′B. Доста162

точно передать любые два из них, а информацию о третьем получить в декодирующем устройстве путем вычитания из Е′Y двух других. Причем, учитывая
свойства зрительно го восприятия, мелкие детали могут быть переданы в черно-белом виде, что подтверждают графики рис.11.1. Из рисунка видно, как
падает воспринимаемая зрительным аппаратом насыщенность основных цветов R, G, В с повышением частоты, требуемой для передачи мелких деталей
изображения.
Для зеленоокрашенных деталей цвет
сохраняется с небольшим понижением
насыщенности практически до верхней частоты fв телевизионного спектра. Это позволяет значительно сократить требуемую
общую полосу частот цветного ТВ тракта,
передав сигнал яркости Е′Y в полной полосе
Рис. 11.1. Зависимость насыщенности
цветов R, G, B мелких деталей от частоты, частот, а два других, например Е′R и E′ B
необходимой для их воспроизведения
в существенно сокращенной. Кроме этого,
поскольку сигнал Е′Y несет полную информацию о яркостных соотношениях
передаваемых элементов изображения, она может быть в значительной степени исключена из двух других передаваемых сигналов. Поэтому по каналу
связи передают три сигнала – яркостный Е′Y и два из трех цветоразностных
сигналов:
Е′R–Y = Е′R – Е′Y; E′G–Y = Е′G – Е′Y; E′B–Y = E′B – Е′Y,
(11.4)
преимущества которых перед сигналами основных цветов Е′R, Е′G, E′B следующие.
1. Вследствие того, что из цветоразностных сигналов частично исключена избыточная информация о яркости, их амплитуда обращается в нуль при
передаче белых и серых деталей (амплитуды сигналов основных цветов на
белом равны, т. е. Е′Rб = Е′Gб = E′Bб = Е′Y и мала на слабонасыщенных деталях.
Уменьшение амплитуды цветоразностных сигналов желательно потому,
что во всех совместимых системах ЦТ информация передается на поднесущей в спектре яркостного сигнала. Различие между системами заключается в
способах модуляции поднесущей и выборе сигналов цветового кодирования.
Используется метод взаимного уплотнения спектров яркостного и цветоразностных сигналов, имеющих линейчатую структуру. Как показано в § 3.5,
линейно-строчная развертка изображения приводит к сосредоточению основной энергии сигнала по спектру в зонах строчной частоты и ее гармоник,
оставляя свободные промежутки между ними. Это позволяет уплотнить
спектр частот яркостного сигнала, заполнив свободные частотные промежутки сигналом цветности – напряжением поднесущей, промодулированной цветоразностными сигналами, и при правильно выбранной частоте поднесущей
произвести в цветном телевизионном приемнике эффективное разделение сигналов.
Однако на экране черно-белого телевизора сигнал цветности воспринимается как помеха (мешающая мелкоструктурная сетка), заметность которой
тем больше, чем больше амплитуда сигнала цветности. Поскольку обычно в
163

ТВ передачах преобладают изображения с многочисленными слабонасыщенными и черно-белыми деталями, амплитуда цветоразностных сигналов от
которых мала или равна нулю, передача цветоразностных сигналов вместо
сигналов основных цветов намного улучшает помехозащищенность и совместимость цветной телевизионной системы.
2. Цветоразностные сигналы упрощают построение декодирующих
устройств приемника, так как исходные сигналы основных цветов формируются простым суммированием цветоразностных сигналов с яркостным сигналом:
Е′R = Е′R–Y + Е′Y; Е′G = E′G–Y + Е′Y; E′B = E′B–Y + Е′Y.
Сигналы восстановлены в полной полосе частот и потому не требуют
добавления к ним высокочастотных компонентов яркостного сигнала, как это
было бы при передаче в сокращенной полосе частот сигналов основных цветов Е′R и Е′В, что усложнило бы схему декодирования.
Из трех цветоразностных сигналов по каналу связи передаются сигналы
Е′R–Y и Е′В–Y, имеющие в результате преобразования (11.4) наилучшее отношение сигнал/шум.
В приемном устройстве третий цветоразностный сигнал Е′G–Y получают
из первых двух в соответствии с выражением
E′G–Y = – 0,51Е′R–Y – 0,19E′B–Y
(11.5)
Первичные цвета передачи. По каналу связи полная телевизионная
информация о цветовом объекте передается с помощью трех сигналов: сигнала яркости Е′Y и цветоразностных сигналов Е′R–Y и Е′В–Y, называемых сигналами
первичных цветов передачи. Цветоразностные сигналы часто называют сигналами цветности, что не совсем точно, так как информация о яркости из них
исключена не полностью. Значения сигналов Е′R–Y и Е′В–Y зависят от значения
сигнала яркости Е′Y. Сигналами истинной цветности являются относительные
значения цветоразностных сигналов
Е′R–Y/Е′Y и E′B–Y/Е′Y,
(11.6)
которые не зависят от яркости и в силу этого могут быть отображены на диаграмме цветности МКО. Треугольник первичных цветов передачи Y,
R – Y, В – У, построенный на диаграмме цветности МКО в соответствии с методикой МКО, представлен на рис. 11.2.
Из рисунка видно, что первичные
цвета R – Y и В – У лежат в точках
R0 и В0 пересечения с осью Х продолжения двух сторон треугольника основных цветов приемника
GR и GB. Третьей точкой треРис. 11.2. Треугольник основных цветов
передачи на диаграмме цветности МКО
угольника первичных цветов передачи является точка Y, соответствующая равноинтенсивному белому цвету
D, в которой оба цветоразностных сигнала равны нулю. Прямые R0Y и В0Y
164

называются осями кодирования. Цвета, содержащиеся внутри треугольника
R0YВ0, передаются положительными значениями сигналов ЕR–Y и ЕВ–Y. Цвета,
расположенные на диаграмме цветности вне пределов треугольника R0YВ0,
передаются отрицательными значениями одного или двух цветоразностных
сигналов. Таким образом, вся информация, необходимая для воспроизведения
цвета внутри треугольника основных цветов приемника R, G, В, содержится в
первичных цветах пере дачи Y, R – Y, В – У.
3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СОВМЕСТИМОЙ
СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов основных
цветов Е′R, Е′G, Е′B по одному каналу связи, изображенная на рис.11.3, является общей для всех современных совместимых систем ЦТ. Различие между
системами заключается в методах передачи информации о цветности в спектре частот яркостного сигнала Е′Y, подробно рассмотренного в гл.12.

Рис. 11.3. Структурная схема совместимой системы ЦТ

На вход кодирующей матрицы М1 (рис. 1.13) подаются прошедшие обработку и коррекцию в камерном канале (см. 14.1) сигналы основных цветов
Е′R, Е′G, Е′B. Матрица преобразует сигналы основных цветов в сигналы первичных цветов передачи Е′Y, Е′R–Y, Е′B–Y в соответствии с выражениями
Е′Y = Е′R + Е′G + Е′B;
Е′R–Y = (1 – )Е′R – Е′G – Е′B;
(11.7)
Е′B–Y = –Е′R – Е′G +(1 – )Е′B.
Подставляя в эти выражения округленные до второго знака значения а,
для треугольника основных цветов приемника системы NTSC из табл. 1.11,
получаем
Е′Y = 0,30Е′R + 0,59Е′G + 0,11Е′B;
Е′R–Y = 0,70Е′R – 0,59Е′G – 0,11Е′B;
Е′B–Y = –0,30Е′R – 0,59Е′G – 0,89Е′B.
Яркостный и цветоразностные сигналы формируются в соответствии с
(11.7) матричной схемой (рис.11.4), состоящей из ряда линейных цепей с серией резисторов R1, R2 и т. д. Каждая цепь формирует одну из составляющих
сигнала с заданным числовым значением коэффициентов , ,  для формирования сигналов с отрицательными значениями коэффициентов , ,  необходимо в соответствующую цепь включить инвертор полярности.
Сформированные сигналы трех первичных цветов передачи (см. рис. 11.3)
поступают в кодирующее устройство КУ, которое формирует полный цвет165

ной телевизионный сигнал (ПЦТВС), передаваемый по одному каналу связи с
полосой частот, не превышающей полосу частот сигнала яркости. Сигнал
ПЦТВС содержит сигнал яркости Е′Y в полной полосе частот и два цветоразностных сигнала Е′R–Y и Е′B–Y передаваемых в сокращенной полосе частот путем модуляции этими сигналами одного или двух поднесущих колебаний,
размещенных в верхней части спектра сигнала яркости. Сигнал на поднесущей называется сигналом цветности uц. Помимо перечисленных сигналов
ПЦТВС содержит сигнал синхронизации развертывающих устройств приемника Еси и сигнала цветовой синхронизации на поднесущей uцс, необходимой
для правильного детектирования сигнала цветности. Таким образом, передаваемый в приемнике полный телевизионный сигнал
еп = Е′Y + uц + Еси + uцс.
Переданный по каналу связи сигнал еп преобразуется в декодирующем
устройстве ДКУ в сигналы первичных цветов передачи Е′Y, Е′R–Y, Е′B–Y. Третий
цветоразностный сигнал Е′G–Y получают путем суммирования в матрице М2
других в соответствии с выражением
Е′G–Y = – (/)Е′R–Y – (/)Е′B–Y.
Подставляя значение коэффициентов , ,  из таблицы, получаем
Е′G–Y = –0,51Е′R–Y – 0,19Е′B–Y.
В матрице М3 для получения сигналов Е′R, Е′G, Е′B к цветоразностным
сигналам добавляются сигналы яркости
Е′R = Е′R–Y + Е′Y = Е′R – Е′Y + Е′Y;
Е′G = Е′G–Y + Е′Y = Е′G – Е′Y + Е′Y;
Е′B = Е′B–Y + Е′Y = Е′B – Е′Y + Е′Y.
Сигналы Е′R, Е′G, Е′B на выходе матрицы М3 являются широкополосными, так
как к узкополосным цветоразностным сигналам добавляются высокочастотные составляющие сигнала яркости Е′Y. Последнее объясняется тем, что сигнал яркости –
Е′Y, входящий в состав цветоразностных
сигналов, является узкополосным и компенсирует сигнал + Е′Y только в узкой полосе частот.
В цветных телевизорах первых поколений преобразование цветоразностных
сигналов в сигналы основных цветов совершалось непосредственно в кинескопе,
для чего сигнал Е′Y подавался на катоды
кинескопа, а три цветоразностных сигнала
Е′R-Y, Е′G-Y, Е′B-Y – на его модуляторы. В результате между модуляторами и катодами
Рис. 11.4. Структурная схема
кинескопа действуют сигналы основных
кодирующей матрицы
цветов Е′R, Е′G, Е′B, а кинескоп помимо ос166

новного назначения осуществляет функции матрицы М3 . Матрицирование
на электродах кинескопа имело определенные преимущества (см. § 16.3),
которые в настоящее время являются мало значимыми.
4. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в США в 19501953 гг. Национальным Комитетом Телевизионных систем (National Television System Committee) и утверждена в стране как национальный стандарт.
Позднее система NTSC была принята в качестве стандарта в Канаде, в большинстве стран американского континента, в Японии, Корее, Тайване и некоторых других странах.
4.1. Общие принципы системы
В качестве сигналов в системе NTSC передаются яркостный и два цветоразностных сигнала. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в
спектре яркостного на одной цветовой поднесущей частоте fs (рис.12.1).
Напряжение поднесущей частоты, промодулированное цветоразностными сигналами,
называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости EY и сигнала цветности us образует
полный цветовой сигнал uп. Для того, чтобы
модулировать двумя цветоразностными сигналами одну поднесущую частоту, применен меРис. 12.1. Частотный спектр
тод квадратурной амплитудной модуляции.
полного цветового сигнала
Сущность его заключается в суммировании двух
напряжений поднесущей частоты uR– Y и uB– Y, промодулированных каждым
из цветоразностных сигналов в отдельных амплитудных модуляторах
(рис. 12.2). Поднесущая частота на модуляторы поступает в квадратуре,
т.е. с фазовым сдвигом 90°. Полученный в результате сложения сигнал
цветности оказывается промодулированным не только по ампл итуде, но
и по фазе. Действительно, амплитуда сигнала цветности us
U S  U R2 Y  U B2 Y ,

(12.1)

а фазовый сдвиг  вектора Us относительно одного из колебаний UB– Y как.
U
(12.2)
φ=arctg R Y ,
U B Y
где в свою очередь UB– Y и UR– Y определяются модулирующими цветоразностными сигналами EB– Y и ER– Y.

167

Рис. 12.2. Квадратурная
амплитудная модуляция:
а) структурная схема; б) векторная
диаграмма

Сигнал цветности us, таким образом, с равным правом можно рассматривать
либо как одну поднесущую с амплитудно-фазовой модуляцией, либо как
пару независимых квадратурных составляющих. В дальнейшем излож ении в зависимости от обстоятельств будет применяться тот или другой
подход.
В системе NTSC используются не обычные амплитудные модуляторы, а
балансные, которые, подавляя саму поднесущую, оставляют только боковые
составляющие спектра. Балансная модуляция имеет определенные пр еимущества перед обычной амплитудной модуляцией. При одном и том
же по сравнению с обычной модуляцией размахе модулирующих сигналов балансная модуляция формирует, как минимум, в 2 раза меньший по
амплитуде сигнал цветности, что снижает ее заметность на экране чернобелого телевизора, для которого сигнал цветности сл едует рассматривать

как помеху, т.е. улучшается совместимость систем черно-белого и цветного телевидения. В свою очередь, качество совм естимости еще больше
повышается при передаче неокрашенных или слабоокрашенных деталей
в изображении. В этих случаях цветоразностные (модулирующие) сигналы равны нулю или невелики по амплитуде и на выходе балансных модуляторов сигнал также устремляется к нулю (рис.12.3).
168

Векторная диаграмма, изображающая сигнал цветности и его квадратурные составляющие, будет отличаться от рассмотренной на рис.12.2,б возможностью перемены знаков у составляющих UB– Y и UR– Y, (в зависимости
от знака цветоразностных сигналов) и в соответствии с этим возможн остью расположения вектора сигнала цветности Us не в одном, а во всех
четырех квадрантах диаграммы (рис.12.4).
В цветном приемнике системы NTSC из принятого сигнала цветн ости us должны быть выделены его квадратурные составляющие для пол учения исходных цветоразностных сигналов UB– Y и U R– Y. Поскольку UB– Y =
= Us cos и UR– Y = Ussin, то разделение сигналов можно представить как
операции проецирования вектора Us на две ортогональные оси, совпадающие с осями модуляции.
Задачу в таком представлении можно решить с помощью синхронного детектора. При синхронном детектировании, как известно, ос уществляется перемножение двух сигналов, подаваемых на входы детектора. Если одним из этих сигналов будет принятый телевизионным приемником сигнал цветности us а другим так называемое опорное напряжение uоп, представляющее колебание поднесущей частоты f s с начальной
фазой  = 0, то напряжение на выходе детектора будет равно
uвых = Us sin(s t + ) Uопsins t,
где Uоп – амплитуда указанного выше опорного напряжения.
Используя известное тригонометрическое соотношение
sinsin = 0,5[cos( – ) – cos( + )],
получаем
uвых = 0,5Uоп Us cos – 0,5Uоп Us cos(2s t + ).
Полагая амплитуду опорного напряжения постоянной и поставив на
выходе синхронного детектора фильтр нижних частот, исключающий
второй член в правой части равенства, убедимся, что задача выделения
одной из квадратурных составляющих решена: u вых = kUB– Y,
где k – коэффициент пропорциональности.
Если же в качестве опорного напряжения на синхронный детектор
подать напряжение uоп = Uоп sin(s t + 90), то
uвых = 0,5Uоп Us cos = kUR– Y,
т.е. будет выделена вторая квадратурная составляющая.
Таким образом, устройство для разделения квадратурных составл яющих, т.е. получения из сигнала цветности us исходных цветоразностных
сигналов, должно состоять из двух синхронных детекторов и генератора
опорной поднесущей частоты со строго определенными частотой и фазой, равными соответственно частоте и фазе поднесущей генератора на
передающем конце системы (рис. 12.5). Однако именно этой принцип иально важной информации о частоте и фазе и не содержится в принимаемом телевизионном сигнале. Поскольку в системе NTSC применяется
балансная модуляция, сама поднесущая f s отсутствует в спектре сигнала,
а боковые частоты являются продуктом модуляции, зависящим от пер е169

даваемого цвета, а значит, с фазовыми сдвигами, отличающимися от н емодулированного значения f s .

Рис. 12.5. Разделение
сигнала цветности на квадратурные составляющие

Для того чтобы генератор опорной поднесущей f s в приемнике мог
бы работать с заданной на телецентре фазой, его синхронизируют спец иальным сигналом, называемым сигналом цветовой синхронизации. Цветовая синхронизация так же, как квадратурная балансная модуляция и
синхронное детектирование, является принципиальной особенностью
системы NTSC. Сигнал цветовой синхронизации передается в интервале
обратного хода строчной развертки за синхронизирующим импульсом
строк. Он представляет собой пакет колебаний цветовой поднесущей из
8...10 периодов (рис.12.6). Этот пакет называется также цветовой вспы шкой. Частота колебаний вспышки равна f s . Фаза колебаний вспышки равна 180° (вектор колебаний пакета совпадает с отрицательным направл ением оси B – Y (рис. 12.7)).

Определив возможность передачи с помощью квадратурной модул яции на одной поднесущей двух цветоразностных сигналов, выясним, как
в сформированном таким образом сигнале цветности закодированы параметры самой цветности: насыщенность и цветовой тон. Для этого на
векторной диаграмме квадратурно-модулированных колебаний определим
положение векторов сигнала для некоторых характерных цветов. В качестве
таких цветов выберем основные: красный (ЕR = 1, ЕG = 0, ЕB = 0), зеленый (Е R
= 0, Е G =1, Е B = 0), синий (Е R = 0, Е G = 0, Е B = 1) и дополнительные к ним:
170

голубой (Е R = 0, Е G = 1, Е B =1), пурпурный (Е R = 1, Е G = 0, Е B = 1) и желтый (Е R = 1, Е G = 1, Е B = 0). В соответствии с выражениями (11.2) и (11.4)
определим для каждого цвета амплитуды яркостного и цвет оразностных
сигналов, а в соответствии с (12.1) и (12.2) – амплитуды и фазы сигнала
цветности Us. Результаты расчета сведены в табл. 12.1 и отражены на
векторной диаграмме рис. 12.8.
Таблица 12.1

Из последней видно, что
каждому передаваемому цвету
соответствует строго определенное место на диаграмме.
Дополнительный к рассматриваемому цвет лежит с ним на
одной прямой, но в противоположном направлении. Наконец,
угловое положение  любого
вектора определяет цветовой
тон, а длина вектора характеризует насыщенность передаваемого цвета. Чем больше
длина вектора, тем больше
насыщенность.
АхроматичеРис. 12.8. Векторная диаграмма сигналов
ским
цветам
соответствует
на
цветности различных цветов
диаграмме точка, расположенная в
начале координат диаграммы. Из этого следует, что искажения в проц ессе передачи сигнала цветности, связанные с изменением его амплит уды,
приведут к искажению насыщенности, а ошибка в фазе принятого сигнала или опорного генератора поднесущей в синхронных детекторах – к
искажению цветового тона.

171

4.2. Выбор частоты поднесущей
Выбор частоты поднесущей обусловлен целым рядом условий,
определяющих качество изображения на цветных и черно-белых телевизионных приемниках. При этом стремление обеспечить более высокое
качество изображения на черно-белых приемниках (т.е. обеспечить
наилучшую совместимость систем) обычно находится в противоречии с
возможностью реализации наивысшего качества цветного изображения.
В этих случаях разработчикам систем приходится искать разумный компромисс. Рассмотрим наиболее важные условия выбора част оты поднесущей.
1. Для снижения заметности на изображении в черно-белом телевизоре помехи от сигнала цветности us частота цветовой поднесущей f s
должна быть по возможности более высокой, так как в этом случае
структура рисунка от помехи будет мельче, а следовательно, и менее
заметной. С другой стороны, значение f s должно быть существенно
меньше максимальной частоты f max в спектре яркостного сигнала Е Y (см.
рис. 12.1), чтобы выполнялось требование профессиональной совместимости систем, т.е. чтобы полный цветовой сигнал размещался в полосе
стандартного черно-белого сигнала. Разность f max – f s определяет максимальную ширину боковой полосы сигнала цветности, а значит, и максимально возможную ширину спектра цветоразностных сигналов. Как п оказала практика, эта величина не может быть меньше 0,6 МГц, так как
иначе на цветном изображении в приемнике появятся заметные цветные
окантовки на вертикальных границах между различными цветами. П оскольку в американском стандарте f max = 4,18 МГц, то f s должна быть не
менее 3,58 МГц.
2. С той же целью уменьшения заметности рисунка на экране чернобелого телевизора, получаемого от воздействия на него поднесущей частоты, ее частота f s жестко связывается с частотой развертки изображения. Тогда рисунок помехи имеет менее заметную неподвижную структуру. При этом данная связь подчиняется соотношению
(12.3)
f s  (2n  1)  f z / 2,
где п – целое число; f z – частота строк. Тогда в интервале строки размещается нечетное число полупериодов поднесущей, и рисунок от пом ехи
имеет вид расположенных в шахматном порядке темных и светлых
участков (рис.12.9). За счет пространственной компенсации в зрительном
аппарате такая структура значительно менее заметна, чем, например,
рисунок из чередующихся вертикальных темных и светлых п олос.

172

Рис. 12.9. Помеха от поднесущей частоты:
а – текущее изменение в строках четного и нечетного полей;
б – вид помехи на экране в двух смежных кадрах

Нетрудно показать, что при выполнении соотношения (12.3) поляр
ность поднесущей в смежных кадрах изменяется на противоположную, и
темные участки чередуются со светлыми с частотой кадров, что делает
еще меньшей заметность рисунка помехи. В этом случае эффект достигается за счет временнóй взаимной компенсации помехи в зрительной с истеме наблюдателя.
Важной особенностью является характер размещения спектральных
составляющих сигнала цветности внутри спектра сигнала яркости. При выполнении условия (12.3) спектральные составляющие сигнала цветности
размещаются точно посередине между строчными и кадровыми гармон иками яркостного сигнала. Происходит так называемое перемежение частотных спектров сигналов яркости и цветности, что в принципе дает
возможность с большой точностью разделять эти два сигнала в приемном устройстве.
3. Помехи на изображении из-за присутствия в спектре полного телевизионного сигнала поднесущей частоты могут возникнуть также из -за
биений между поднесущей частотой сигнала цветности и второй пром ежуточной частотой звукового сопровождения (см. гл. 16). Для уменьш ения заметности помехи ее частоту, равную разности частот поднесущей
f s и второй промежуточной частоты звука f ПЧ зв по тем же соображениям,
что были изложены в предыдущем пункте, также делают равной нече тной гармонике полустрочной частоты:
  f s  (2k  1)  f z / 2,
(12.4)
fПЧзв
где k – целое число. Из (12.3) и (12.4) следует, что
173

  f s ) / f s  (2k  1) /(2n  1).
( f ПЧзв
Заменив f s еe значением из (12.3), получим
 / f s  k  n  1.
(12.5)
f ПЧзв
Таким образом, требование (12.4) обязательно влечет за собой требование (12.5) к соотношению второй промежуточной частоты звука и
частоты строк. Но вторая промежуточная частота звука f ПЧ зв, как будет
показано в гл. 16, в любой вещательной системе телевидения определ яется разносом несущих частот изображения и звука, и (12.5) можно зап исать как
(12.6)
( f н зв  f н из ) / f z  m,
где m – целое число. В стандарте США на черно-белое телевидение, в
отличие от любого из европейских стандартов, это условие не выполнялось. В
США в черно-белом телевидении fн зв – fн из = 4,5 МГц; fz = 15750 Гц. Таким
образом, их соотношение составляло величину 285,71428. Для выполнения
условия (12.6) это соотношение необходимо было округлить до ближайшего
целого числа, т.е. до 286, что заставило разработчиков системы NTSC изменить частоты разверток соответственно на 0,1 %: fz = 15734,26573 Гц; f2п =
= 59,940059 Гц (вместо исходных 60 Гц). Такое незначительное, но принципиальное изменение частот разверток в цветной системе не потребовало переделывать генераторы разверток черно-белых телевизоров, поскольку указанные новые значения частот разверток находятся заведомо в полосе захвата
синхронизируемых ими генераторов разверток телевизора.
4. Установлению жесткой связи между частотами разверток и частотой
цветовой поднесущей в соответствии с (12.3) должны сопутствовать условия
наиболее простой ее технической реализации. Таким условием является выбор числа (2п + 1) в (12.3), состоящего по возможности из наиболее простых
сомножителей. В этом случае облегчается достижение устойчивого деления
частоты при получении в синхрогенераторе частоты строк f z из частоты задающего генератора, вырабатывающего частоту f s . Оптимальным оказалось
число (2п + 1) = 455(1375), что и обусловило выбор частоты поднесущей
=455f z/2 = 3,579545 МГц. Стандартом была предусмотрена допустимая нестабильность этого значения не более 0,0003 %, т.е. не хуже 10 Гц.
4.3. Цветоразностные сигналы ЕI и ЕQ
Выбор частоты цветовой поднесущей поблизости от максимальной частоты в спектре яркостного сигнала обусловил относительную узкополосность цветоразностных сигналов. Максимальная ширина их частотных спектров не может превышать 0,6 МГц. При этом цветовая четкость по горизонтали оказывается неудовлетворительной. Определенные возможности в ее увеличении имеются в некотором расширении спектра нижней боковой сигнала
цветности. Как показали эксперименты, такое расширение допустимо примерно до 1,3 МГц без существенного ухудшения совместимости. Несимметричное усиление боковых колебаний амплитудно-модулированного сигнала
174

имеет широкое распространение. Однако при квадратурной модуляции этот
прием встречает серьезные ограничения.
На рис.12.10 изображена векторная диаграмма, иллюстрирующая процесс несимметричной передачи боковых частот одного из квадратурных сигналов UR–Y. Из рисунка видно, что ослабление или полное подавление одного
бокового колебания приводит к ошибке в фазовом угле вектора UR–Y. Он перестает совпадать с направлением оси R–Y. В результате при синхронном детектировании в канале R–Y уменьшается амплитуда выделяемого цветоразностного сигнала ER–Y (проекция UR–Y на ось R–Y), а детектирование в канале В–Y
выделяет постороннюю для этого канала составляющую ЕВ – Y (проекция UR– Y
на ось В–Y). Аналогично в канале R–Y появится помеха от сигнала UR–Y, если и
он передается с асимметричными боковыми колебаниями. Возникают, как следствие, искажения в цветовом тоне и насыщенности передаваемого цвета, получившие название перекрестных искажений между каналами R–Y и B–Y.

Рис. 12.10. Искажения при асимметрии боковых колебаний сигнала UR –Y:
а – амплитуды боковых частот равны; б – амплитуда верхней боковой уменьшена

Тем не менее и при квадратурной модуляции допустимо несимметричное расширение спектра нижнего бокового колебания, если это расширение
производится только для одного из квадратурных сигналов. Второй сигнал
должен передаваться с симметричными боковыми в более узкой полосе частот (рис. 12.11).
Назовем последний сигнал узкополосным в отличие от более широкополосного
сигнала с разными боковыми. При такой
передаче сигналов узкополосная симметричная квадратурная составляющая не создает перекрестной помехи в канале широкополосного сигнала. От асимметричной
квадратурной составляющей возникают
Рис. 12.11. Частотный спектр полного
описанные выше помехи. Однако эти поцветового сигнала NTSC при разнополосных цветоразностных сигналах
мехи присутствуют только на тех частотах,
где подавлена одна боковая, т.е. вне полосы пропускания узкополосного цветоразностного канала. Напомним, что после синхронного детектора должен
устанавливаться фильтр нижних частот (ФНЧ), подавляющий вторую гармонику поднесущей частоты. Если полосу пропускания ФНЧ ограничить мак175

симальной частотой спектра узкополосного сигнала, то в канале последнего
перекрестная помеха от второго цветоразностного сигнала будет подавлена.
Таким образом, расширение частотного спектра одного из квадратурных
сигналов позволяет рассчитывать на соответствующее увеличение цветовой
четкости изображения. Однако использование этого приема для цветоразностных сигналов Е B– Y и Е R– Y не дает положительного результата.
Действительно, предположим, что расширена нижняя боковая полоса
сигнала UR– Y, а симметричным узкополосным сигналом останется сигнал UB– Y.
Тогда в полосе частот от 0 до 0,6 МГц синхронное детектирование осуществляется без ошибок, и искажений в цветовоспроизведении не будет. В полосе
частот от 0,6 до 1,3 МГц (это соответствует угловым размерам деталей изображения 10...22′) сигнал UB– Y отсутствует, и все детали таких размеров будут
окрашены в цвета, расположенные только на оси R–Y. Изображение становится для таких деталей двухцветным, в малиново-голубых цветах (см. рис.
12.8). Разрешающая способность зрительного аппарата в этих цветах невысока, и реально заметного увеличения цветовой четкости за счет расширения
полосы сигнала UR– Y не происходит. Результаты будут еще хуже, если в качестве широкополосного сигнала использовать сигнал UB– Y .
Разработчиками системы NTSC опытным путем были найдены такие
цвета, при которых зрительный аппарат обнаруживает наибольшую разрешающую способность. Они оказались лежащими на так называемой оси I (см.
рис. 12.8) и представляют собой оранжевые и голубые оттенки. Эта ось составляет с осью R–Y угол 33. Вторая ось Q направлена перпендикулярно к
оси I. Цветоразностные сигналы, соответствующие этим осям, получили обозначения ЕI и ЕQ. Сигнал ЕI передается в широкой полосе, а ЕQ – в узкой (см.
рис. 12.11). Детектирование в полосе частот от 0 до 0,6 МГц не отличается от
случая использования цветоразностных сигналов Е B– Y и Е R– Y и не приводит к
принципиальным цветовым ошибкам в изображении. В полосе же от 0,6 до
1,3 МГц из-за отсутствия сигнала Е Q детали соответствующих размеров передаются только в оранжево-голубых цветах. Но это не вызывает заметных искажений при цветовосприятии из-за малости деталей, соответствующих указанным частотам. И при этом изображение воспринимается обладающим
большей цветовой четкостью. В полосе от 1,3 до 4,18 МГц цветоразностные
сигналы равны нулю, и соответствующие этим частотам детали изображения
(от 3 до 10 угловых минут) воспроизводятся черно-белыми.
Цветоразностные сигналы Е I и Е Q можно считать производными от сигналов Е B– Y и Е R– Y. Нетрудно осуществить их взаимный пересчет:
Е I = Е R– Y соs33° – Е B– Y соs57°;
Е Q = Е R– Y соs57° + Е B– Y соs33°.
Эти соотношения получены путем тригонометрических преобразований
с использованием цветового графика на рис. 12.8. Однако в эти соотношения
разработчиками системы введены дополнительные коэффициенты 1 и 2,
названные коэффициентами компрессии. Тогда

176


EI  α1 ER Y cos 33o  α 2 EB Y cos 57 o ; 
(12.7)
o
o 
EQ  α1 ER Y cos 57  α 2 EB Y cos 33 .

Здесь 1 = 0,877, 2 = 0,493. С учетом численных значений тригонометрических членов имеем
EI  0, 74 ER Y  0, 27 EB Y ;
(12.8)

EQ  0, 48 ER Y + 0, 41EB Y . 

Необходимость коэффициентов компрессии вызвана следующим обстоятельством. Полный цветовой сигнал (композитный сигнал) uп представляет
собой сумму сигналов яркости и цветности. Его динамический диапазон существенно больше, чем в черно-белом телевидении. На определенных цветах
он превышает уровень белого, а на других заходит в область ниже уровня
черного. Превышение динамического диапазона и в ту, и в другую сторону
выше допустимых значений нежелательно из-за вероятности нелинейных
искажений или ухудшения синхронизации приемных устройств. Поэтому
сигнал цветности с помощью коэффициентов компрессии уменьшен настолько, чтобы полный сигнал в экстремальных случаях не превышал уровень белого вверх и уровень черного вниз более чем на одну треть от размаха яркостного сигнала. На рис. 12.12 приведена осциллограмма полного цветового
сигнала для испытательного изображения цветных полос.
Формирование
цветоразностных
сигналов ЕI и ЕQ из сигналов основных
цветов выполняется по соотношениям
EI  0, 60 ER  0, 28 EG  0,32 EB ; 
(1.29)

EQ  0, 21ER  0,52 EG + 0,31EB . 

Рис. 12.12. Полный цветовой сигнал NTSC

На приемном конце системы NTSC
может потребоваться вернуться от сигналов Е I и Е Q к исходным цветоразностным
сигналам Е R–Y, Е G–Y, Е B–Y. Легко показать,
что
ER Y  0,96 EI  0, 62 EQ ; 

(12.10)
EG Y  0, 27 EI  0, 65EQ ;

EB Y  1,11EI + 1, 70 EQ . 

4.4. Структурная схема кодирующего устройства
На рис.12.13 представлена упрощенная структурная схема кодирующего
устройства в системе NTSC. Исходными сигналами являются сигналы Е′R, Е′G
и Е′B. Штрихи в обозначениях сигналов означают, что сигналы были предва177

рительно подвергнуты гамма-коррекции. На выходе матрицирующей схемы
М сформированы яркостный сигнал Е′Y и цветоразностные сигналы Е′I и Е′Q.
В сигнал яркости Е′ Y вводится сигнал синхронизации приемника ССП. Фильтрами нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2 ограничиваются полосы частот сигналов
Е′I и Е′Q соответственно до 1,3 и 0,6 МГц. Генератором поднесущей частоты
вырабатывается синусоидальный сигнал с частотой 3,579545 МГц и фазой
180°, соответствующей отрицательному направлению оси B–Y. На балансный
модулятор БМ сигнала Е′I поднесущая частота поступает от генератора с задержкой на 57°, которая создается фазовращателем ФВ1. На балансный модулятор БМ сигнала Е′Q колебание поднесущей частоты поступает с дополнительной задержкой на 90°, получаемой в ФВ2, тем самым обеспечивая условия квадратурной модуляции одной поднесущей сигналами Е′I и Е′Q. С выходов балансных модуляторов квадратурные составляющие uI и uQ подаются на
сумматор 1, в котором образуется сигнал цветности us . В сумматоре 2 сигнал цветности us складывается с яркостным сигналом. На выходе этого сумматора общая полоса частот определяется ФНЧ в границах от 0 до 4,18 МГц.
В результате такого ограничения квадратурная составляющая uQ будет содержать две боковые полосы по 0,6 МГц, а составляющая u I – верхнюю боковую
0,6 МГц и нижнюю 1,3 МГц.
Как известно, время прохождения сигнала через электрическую цепь зависит от ее полосы пропускания. В кодирующем устройстве NTSC каждый из
трех компонентов полного сигнала Е′Y, Е′I и Е′Q проходит в процессе формирования через цепи с разными полосами пропускания: сигнал Е′Y – через самую широкополосную цепь 0...4,18 МГц, сигналы Е′I и Е′Q – через узкополосные цепи 0...1,3 МГц и 0...0,6 МГц соответственно. В результате сигнал Е′ Y
имеет наименьшее из трех сигналов время прохождения, а сигнал Е′Q –
наибольшее. Для выравнивания этих трех сигналов во времени устанавливаются линии задержки: в канале Е′ Y – ЛЗ1 примерно на 0,7 мкс, а в канале Е′I –
ЛЗ2 на 0,5 мкс. Погрешность совмещения во времени всех трех сигналов
должна быть не больше половины длительности развертки черно-белого элемента изображения (0,05 мкс). Иначе в цветном изображении может быть
заметно рассовмещение окрашенных участков и деталей, к которым эти
участки принадлежат.
Сигнал цветовой синхронизации uцв формируется в клапанном устройстве K с помощью стробирующих импульсов, временное положение которых
соответствует положению цветовой вспышки на задней площадке строчного
гасящего импульса (см. рис. 12.6). В сумматоре 2 сигнал цветовой синхронизации складывается с сигналами яркости и цветности.
Для выполнения условия (12.3) строчные синхронизирующие импульсы
получают путем многократного деления частоты поднесущей f s в делителе
частоты ДЧ.

178

4.5. Структурная схема декодирующего устройства
Композитный сигнал u п, содержащий сигналы яркости и цветности, а
также вспышки цветовой синхронизации и сигнал синхронизации приемника,
поступает на усилитель сигнала яркости и полосовой фильтр ПФ сигнала
цветности (рис. 12.14). В канале яркостного сигнала с помощью режекторного
фильтра РФ, настроенного на частоту поднесущей, подавляется сигнал цветности, устраняя помеху от него в виде рассмотренного в разд. 12.1.2 рисунка
шахматной структуры. Полосовой фильтр в канале цветоразностных сигналов
выделяет из полного сигнала uп сигнал цветности и сигнал цветовой синхронизации. При этом уделяется также внимание максимальному подавлению в
сигнале второй промежуточной частоты звукового сопровождения (4,5 МГц),
которая может вызывать нежелательные биения с цветовой поднесущей. Сигнал цветности us , содержащий две квадратурные составляющие uI и uQ, поступает через усилитель на два синхронных детектора СД I и СД Q, на которые подается опорное напряжение поднесущей частоты со сдвигом 90°, обеспечиваемым фазовращателем ФВ2. Как будет показано ниже, эти колебания
имеют фазы, соответствующие осям I и Q. В результате на выходах синхронных детекторов создаются сигналы Е′I и Е′Q, которые ограничиваются по полосе частот в каналах I и Q фильтрами ФНЧ1 и ФНЧ2. В матрицирующем
устройстве М из сигналов Е′Y , Е′I и Е′Q формируются исходные сигналы Е′R,
Е′G и Е′B: Е′R = Е′R–Y + Е′ Y; Е′ G = Е′G–Y + Е′ Y; Е′B = Е′B–Y + Е′Y, где величины Е′R–Y,
Е′G–Y и Е′B–Y определяются соотношениями (12.10).

ФВ2
ФВ1
Рис. 12.14. Структурная схема
декодирующего устройства
системы NTSC

Для компенсации различных по длительности задержек сигналов Е′ Y , Е′ I
и Е′Q в каналы первых двух сигналов включены линии задержки ЛЗ1 и Л32.
179

Сигнал цветовой синхронизации отделяется от сигнала цветности клапанным устройством K, которое пропускает на свой выход цветовые вспышки, при поступлении стробирующих импульсов, создаваемых в устройстве
ФСИ. В свою очередь, формирующее устройство управляется строчными
синхронизирующими импульсами, выделяемыми из полного сигнала в селекторе синхроимпульсов.
Цветовые вспышки предназначены для синхронизации генератора цветовой поднесущей f s , который для обеспечения необходимой точности работы
имеет кварцевую стабилизацию. Синхронизация является параметрической,
управляющее напряжение вырабатывается фазовым детектором ФД, в котором сравниваются по частоте и фазе колебания от генератора и цветовых
вспышек. Фазовая автоподстройка схемотехнически наиболее просто осуществляется к значению 90° по отношению к фазе вспышек, т. е. к оси R – Y.
Таким образом, что обеспечить детектирование на оси I (в синхронном детекторе СД I), необходимо колебаниям автогенератора создать в фазовращателе
ФВ1 опережение на 33. Дополнительная задержка в ФВ2 на 90° обеспечит
детектирование в СД Q на оси Q.
В усилителе сигнала цветности с помощью стробирующих импульсов
подавляются колебания цветовых вспышек, чтобы устранить их огибающую
на выходе синхронных детекторов. В противном случае на краю изображения
эта огибающая может создать цветную вертикальную полоску, соответствующую положению вспышки на площадке строчного гасящего импульса.
Канал сигнала цветности необходимо запирать также, когда производится прием черно-белого изображения, поскольку иначе на экране цветного кинескопа возникли бы цветные крупноструктурные муары. Последние являются продуктом биений в синхронных детекторах высокочастотных составляющих сигнала яркости с колебаниями автономно работающего генератора поднесущей. Выключатель цветности ВЦ получает управляющее напряжение на
запирание канала с фазового детектора. При вещании цветной программы, т. е.
при наличии цветовых вспышек, с фазового детектора на ВЦ поступает постоянное напряжение одного знака, при черно-белом вещании это напряжение
меняет свой знак.
Если из рассмотренной структурной схемы исключить фазовращатель
ФВ1 на 33°, то синхронное детектирование будет осуществляться на оси R – Y
и В – Y, а следовательно, на выходах детекторов будут получены сигналы Е′R–Y
и Е′В–Y. Но в этом случае из-за разнополосности составляющих uI и uQ могут
возникнуть перекрестные искажения между сигналами Е′R–Y и Е′В–Y.
Для предотвращения этих искажений оба ФНЧ на выходе детекторов
должны быть узкополосными: 0...0,6 МГц, что заметным образом ухудшит
цветовую четкость. Поэтому такой вариант декодирующего устройства распространен меньше.

180

4.6. Эксплуатационные характеристики системы
Несмотря на то, что система NTSC была разработана и введена в эксплуатацию значительно раньше других вещательных систем, принципы, заложенные в ее основу, позволяют ей оставаться конкурентноспособной и в
настоящее время, а по некоторым параметрам и превосходить другие системы. К основным достоинствам системы можно отнести:
 хорошую совместимость, достигаемую за счет жесткой связи частот
разверток с частотой поднесущей и удачного выбора самого значения поднесущей;
 возможность эффективного разделения сигналов яркости и цветности
путем применения в декодирующем устройстве вместо полосового и режекторного фильтров гребенчатых фильтров, позволяющих избирательно
подавлять или выделять частотные составляющие двух перемежающихся
спектров яркости и цветности;
 высокую помехоустойчивость канала цветности к флуктуационным
помехам благодаря применению цветоразностных сигналов;
 эффективное использование канала передачи, позволяющее при сравнительно узкополосных сигналах Е′I и Е′Q получить изображение с удовлетворительной цветовой четкостью;
 простоту микширования полных видеосигналов, поскольку изменение
амплитуды полного сигнала обусловливает одинаковое изменение как сигнала яркости, так и цветоразностных сигналов;
 относительную простоту приемных устройств.
Вместе с тем системе NTSC присущи и недостатки, главным из которых
является чувствительность системы к так называемым дифференциальным
искажениям амплитуды и фазы сигнала цветности в канале передачи. Напомним, что сигнал цветности представляет собой синусоидальную насадку колебаний поднесущей частоты к яркостному сигналу (см. рис.12.12). В процессе передачи такого сигнала в отдельных звеньях тракта может возникнуть
модуляция сигнала цветности (как по амплитуде, так и по фазе) сигналом яркости. Изменение амплитуды us в зависимости от уровня Е′Y получило название дифференциальных искажений амплитуды, а изменение фазы сигнала
цветности под действием сигнала Е′Y – дифференциально-фазовых искажений.
Дифференциальные искажения амплитуды приводят к различию в
насыщенности светлых и темных участков изображения. Причем эти искажения нельзя устранить в приемном устройстве с помощью автоматической регулировки усиления сигнала цветности по размаху вспышки, поскольку проявляются они внутри одной и той же строки.
Дифференциально-фазовые искажения вызывают изменение цветового
тона в зависимости от яркости изображения. Например, человеческое лицо, к
цвету которого особенно чувствителен телезритель, может приобретать зеленоватый оттенок на ярких участках и красноватый – на темных.
181

Отсюда вытекают довольно жесткие требования к тракту передачи в отношении дифференциальных искажений. Для фазовых ошибок считается допустимой величина не более 4...5°. К искажениям насыщенности глаз менее
критичен. Амплитудные ошибки допускаются около 12 %.
Жесткие требования к параметрам канала передачи NTSC, в определенной степени усложняющие и удорожающие аппаратуру, а также коммерческие интересы конкурирующих фирм в европейских странах заставили разработчиков искать альтернативные решения в построении вещательных цветных систем. Из большого числа предложений, появившихся к началу 60-х
годов, признание получили цветные системы SECAM и PAL.

5. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ PAL
Система PAL была разработана немецкой фирмой Telefunken и принята
в 1966 г. в качестве стандарта в большинстве стран Западной Европы (Германия, Великобритания, Швеция, Австрия, Норвегия, Бельгия, Дания, Испания,
Италия и др.). В настоящее время система PAL является самой распространенной в мире системой цветного телевидения. Ее используют, помимо европейских государств, в большинстве стран Африки, Азии, в Австралии, в некоторых странах Южной Америки. Название системы представляет собой
аббревиатуру из начальных букв английской фразы “Phase Alternation Line”
(чередование фазы по строкам).
5.1. Общие принципы системы
Система РАL, созданная как альтернатива системе NTSC, тем не менее
может рассматриваться как ее удачная модернизация. В ней используются те
же сигналы, что и в других системах цветного телевидения, а передача этих
сигналов производится так же, как и в NTSC, путем квадратурной балансной
амплитудной модуляции поднесущей частоты, расположенной в спектре яркостного сигнала. Отличие от системы NTSC заключается в том, что фаза
одной из квадратурных составляющих сигнала цветности меняется от строки
к строке на 180°. Это позволило устранить основной недостаток системы
NTSC – чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям, а также
получить еще ряд важных преимуществ.
На рис. 12.35 показан способ формирования сигнала цветности в системе
PAL. Так же как и в системе NTSC он образуется из двух квадратурных составляющих UR–Y и UB–Y. Однако одна из этих составляющих, UR–Y с началом
каждой следующей строки меняет фазу на 180°. Результирующие векторы
сигнала цветности US и U*S оказываются в соседних строках комплексносопряженными. Чтобы правильно декодировать такую последовательность
182

сигналов, в приемном устройстве, в синхронном детекторе сигнала U′R–Y необходимо с такой же периодичностью, что и на передающем конце, коммутировать на 180° фазу опорного генератора поднесущей частоты. Действительно,
если такой коммутации не делать, то на выходе детектора сигнал U′R–Y будет
от строки к строке менять свою полярность. Коммутация фазы опорного генератора в синхронном детекторе R–Y эквивалентна обратному превращению
векторов U*S и U*R–Y в их исходные комплексно-сопряженные с ними векторы
US и UR–Y соответственно. Условия работы синхронного детектора B–Y не отличаются от его работы в системе NTSC.

Рис. 12.35. Коммутация
фазы поднесущей при
передаче сигнала цветности в системе PAL

Выясним, как при такой процедуре коммутации фазы сказываются дифференциально-фазовые искажения, возникающие в тракте передачи сигнала
цветности. Рассмотрим для примера передачу изображения ровного поля
пурпурного цвета. На рис. 12.36,а на цветовой диаграмме в осях R–Y/В–Y отмечены некоторые характерные цвета и вектор USn, соответствующий передаче пурпурного цвета. В обозначении вектора определена его принадлежность
п-й строке. В соответствии с принципом передачи сигналов в системе PAL в
(п+1)-й строке будет передаваться вектор U*S(п+1), комплексно-сопряженный с
вектором USn. Если в тракте возникнут дифференциально-фазовые искажения,
то независимо от их причин векторы USn и US(п+1) изменят свое положение по
отношению к исходным на одну и ту же величину  (рис. 12.36,б). На рисунке фазовая ошибка сместила оба вектора против часовой стрелки (штриховыми линиями показаны неискаженные векторы). В приемном устройстве
коммутация фазы опорного генератора поднесущей в канале R–Y превратит
вектор U*S(п+1) в сопряженный с ним вектор US(п+1) (рис. 12.36,в). Для анализа
возникших в процессе передачи искажений совместим векторы USп и US(п+1)
одном графике (рис. 12.36,г). Из него видно, что соседние п-я и (п+1)-я строки
искажены по-разному. Цвет п-й строки сместился в сторону красного, а цвет
(п+1)-й строки – в сторону синего цвета. Неискаженный цвет (в нашем примере пурпурный) соответствует среднему между векторами USп и US(п+1) и положению. Таким образом, усреднение двух этих векторных величин позволило бы скомпенсировать возникшие в процессе передачи фазовые искажения.
Наиболее простым способом усреднения может явиться усреднение ощущений самим зрительным аппаратом. Благодаря близости расположения друг к
другу п-й и (п+1)-й строк работает механизм пространственного сложения
цветов. Разные из-за искажений цветовые оттенки двух соседних строк скла183

дываются, вызывая ощущение среднего между ними цвета, компенсируя таким образом искажения.

Рис. 12.36. Компенсация дифференциально-фазовых искажений в системе PAL:
а – цветовая диаграмма; б – фазовая ошибка при передаче сигнала; в – сигналы в приемнике
после коммутации фазы опорного колебания; г – совмещение сигналов двух смежных строк

Рассмотренный способ зрительной компенсации искажений реализуется
в так называемом “простом” приемнике PAL (Simple PAL или РАLS). Этот
приемник практически ничем не отличается от приемника NTSC, кроме добавленного в устройство синхронного детектора R–Y коммутатора фазы
опорного генератора. Изображение в приемнике РАLS оказывается вполне
удовлетворительным, если фазовые ошибки  не превышают 25°. (Напомним, что в системе NTSC ошибка не должна быть больше 5°.) При больших
значениях ошибки интегрирующего действия глаза уже оказывается недостаточно, появляется заметное различие цветности соседних строк поля, особенно на желтом, голубом и синем цветах (эффект “жалюзи”). Нелинейность модуляционных характеристик кинескопа усугубляет этот эффект. Поэтому
способ зрительной компенсации фазовых искажений в системе РАLS не
нашел распространения.
Лучшие результаты позволяет получить электрическое сложение векторов цветности USп и US(п+1) двух соседних строк поля (рис. 12.37). Геометриче184

ская сумма (точнее, полусумма) этих векторов соответствует на цветовой
диаграмме положению неискаженного цвета.
Заметим, скомпенсированными оказываются искажения только цветового тона, поскольку длина результирующего вектора US зависит от величины
фазовой ошибки . Из рисунка видно, что с увеличением ошибки (2 > 1)
длина суммарного вектора уменьшается (US2 < US1). Это уменьшение пропорционально cos. Поскольку длина вектора определяет насыщенность
передаваемого цвета, можно сделать вывод о том, что в системе РАL искажения цветового тона из-за фазовых ошибок трансформируются в изменение
насыщенности, которые менее заметны. Так, если порог заметности по цветовому тону соответствует угловому сдвигу на цветовой диаграмме  = 5...10°,
то порог по насыщенности равен примерно 20 %, что соответствует углу  = 37°.
Механизм компенсации фазовых ошибок в системе РАL устраняет не
только дифференциально-фазовые искажения (главное, для чего первоначально он был разработан). Таким же образом уменьшается влияние на качество изображения точности восстановления поднесущей опорным генератором в приемнике. Ошибка  в фазе колебаний опорного генератора эквивалентна повороту осей цветового графика относительно передаваемых векторов цветности USп и US(п+1) на тот же угол . А это, как было показано, компенсируется путем усреднения этих векторов.
Способ усреднения, основанный на суммировании, предполагает одновременное наличие сигналов двух последовательно передаваемых строк. Поэтому приемное устройство PAL должно включать блок задержки сигнала на
длительность одной строки. Если на его вход в данный момент поступает
сигнал (п+1)-й строки, то одновременно на его выходе есть сигнал предшествующей п-й строки. Подавая эти сигналы на сумматор, можно получить
желаемую компенсацию искажений. Однако в декодере PAL часто используют несколько иную схему (рис. 12.38), содержащую не один, а два сумматора.
Такая схема позволяет не только проводить усреднение сигналов двух строк,
но и разделять между собой две квадратурные составляющие сигнала цветности. Это разделение оказывается более эффективным, чем разделение в синхронных детекторах (как это делается в системе NTSC) а значит, возникновение перекрестных искажений между сигналами E′R–Y и E′B–Y менее вёроятно.
Изображенный на рис. 12.38 блок задержки PAL иногда называют демодулятором с линией задержки. На рис. 12.39 показана последовательность сигналов цветности, поступающая на вход блока задержки PAL (точка А,
рис.12.38). В точке Б эта последовательность сигналов задержана на один
строчный интервал. Сложение сигналов в сумматоре 1 этих двух последовательностей приводит к компенсации квадратурной составляющей UR–Y. С выхода сумматора (точка В) снимается удвоенная амплитуда сигнала UB–Y.

185

Второй сумматор выполняет функции вычитания прямого сигнала из задержанного. Для этого в прямом сигнале предварительно изменяется полярность в инверторе, и он поступает на сумматор 2 со знаком минус (точка Г). В
результате операции вычитания на выходе этого сумматора (точка Д) будет
отсутствовать составляющая UB–Y и останется только последовательность чередующихся сопряженных векторов UR–Y и U*R–Y. Амплитуда их также будет
удвоенной. Квадратурные составляющие UR–Y и UB–Y полностью разделёнными
еще до синхронного детектирования.

5.2. Структурная схема кодирующего устройства
Основные параметры системы PAL. В системе PAL передаются яркостный сигнал Е′Y и два цветоразностных сигнала U и V. Сигналы U и V рав186

ны цветоразностным сигналам Е′R–Y и Е′B–Y, уменьшенным на коэффициенты
компрессии:
U  0, 493 EB Y ; 
(12.15)

V  0,877 ER Y . 
Назначение и величина коэффициентов компрессии такие же, как и в системе NTSC.
Формирование сигналов Е′Y, U и V производится в матрицирующем
устройстве (рис. 12.40). Полосы частот видеосигналов U и V ограничиваются
ФНЧ до 1,3 МГц на уровне –2 дБ. В сумматорах 1 и 2 цветоразностные сигналы смешиваются с импульсами, формирующими цветовую вспышку, и поступают на два балансных модулятора, которые работают в квадратуре, т.е.
сдвиг между колебаниями поднесущей частоты в обоих модуляторах составляет 90°. Этот сдвиг обеспечивается фазовращателем 90°, включенным в цепь
балансного модулятора составляющей uV. Смена фазы этой составляющей
через строку осуществляется коммутатором, соединяющим модулятор или
непосредственно с фазовращателем 90°, или с дополнительным инвертором
на 180°. Коммутация обеспечивается с помощью генератора коммутирующих
импульсов, синхронизируемого с частотой строк.
Квадратурные составляющие uU и uV, складываясь в сумматоре 3, образуют сигнал цветности uS,который вместе с сигналами яркости и синхронизации приемника представляет собой полный цветовой (композитный) сигнал
ип. Линия задержки в тракте яркостного сигнала имеет то же назначение, что

Рис. 12.40. Структурная схема
кодирующего устройства
системы PAL

и в системах NTSC или SECAM.

187

Генератор поднесущей является высокостабильным устройством с кварцевой стабилизацией частоты, значение которой fs = 4,43361875 МГц. Так же
как и в системе NTSC, обеспечивается жесткая связь между частотой поднесущей и частотами разверток. Однако выбор самого значения поднесущей в
системе PAL имеет свои особенности.
Прежде всего они связаны с коммутацией фазы сигнала uV (каждую
строку на 180°). Такая коммутация делает невозможным выбоp поднесущей,
равной нечетной гармонике полустрочной частоты (12.3). B этом случае нечетность полупериодов поднесущего колебания в строчном интервале плюс
коммутация фазы на 180° обусловили бы cовпадение по фазе сигнала и во
всех строках изображения. А это привело бы к увеличению заметности поднесущей на изображении в виде вертикальной линейчатой структуры. В свою очередь, нельзя выбрать значение поднесущей, кратной строчной частоте, так как
составляющая uU, передаваемая без коммутации фазы, создает такую же помеху.
Разработчиками системы было принято компромиссное решение. Частоту поднесущей выбрали равной сумме нечетной гармоники четвертьстрочной
частоты fz и частоты кадров fn:
fs = 11235 fz/4 + fn.
(12.16)
Приближенно эта зависимость может быть выражена как fs = (283 + 3/4)fz, что
определяет размещение в строчном интервале 284 периодов поднесущей без
одной четверти. Таким образом, в системе PAL реализуют в отличие от системы NTSC не полустрочный сдвиг, а так называемый четвертьстрочный
сдвиг гармоник сигнала цветности относительно гармоник строчной частоты
(рис. 12.41). Слагаемые кадровой частоты fn в (12.16) обусловливают дополнительную смену полярности поднесущей в каждом
поле на 180. Эксперименты
показали, что такой выбор
поднесущей обеспечил высокое качество совместимости системы PAL.
Показанная на рис.12.41,б
структура спектра цветового сигнала в системе PAL
отличается от спектра сигнала в системе NTSC приближением гармоник цветности к гармоникам яркостного сигнала (интервал
между ними составляет 1/4
fz). Это несколько усложняРис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:
а – с полустрочным сдвигом в системе NTSC; б – с четет, но не исключает возвертьстрочным сдвигом в системе PAL; Y – гармоники
можности
гребенчатой
сигнала яркости; Ц – гармоники сигнала цветности
фильтрации при разделении
188

этих сигналов в приемнике.
Остановимся на особенностях формирования сигнала цветовой синхронизации в системе PAL. Применение балансной модуляции требует синхронизации с точностью до фазы опорного генератора в приемнике. Поэтому в системе PAL так же, как и в системе NTSC, на задней площадке строчного гасящего импульса передается сигнал цветовой синхронизации (цветовая
вспышка), по форме аналогичный сигналу NTSC (см. рис. 12.6). Различие
этих сигналов заключается в фазе колебаний вспышки. В системе PAL необходимо передавать информацию о том, в какой фазе (90° или 270°) передается
в данной строке составляющая uV. Эта информация uV кодируется изменением
фазы колебаний цветовой вспышки. При передаче сигнала uV, совпадающего по
фазе с положительным направлением оси R–Y, фаза цветовой вспышки делается равной 135° (рис. 12.42,а). В следующей строке сигнал uV меняет свою фазу
на 180°; соответственно изменяется фаза вспышки (–135°) (рис. 12.42,б).
Формирование цветовой вспышки в кодирующем устройстве сводится к
замешиванию в сигналы U и V прямоугольных импульсов отрицательной и
положительной полярности соответственно. Этими импульсами, временнóе
положение которых соответствует задней площадке строчного гасящего импульса, в балансных модуляторах будут созданы две квадратурные составляющие вспышки. Одна из этих составляющих всегда совпадает с отрицательным направлением оси B–Y (180), другая – с положительным или отрицательным направлением оси R–Y (90 или 270°). Результирующий вектор цветовой, вспышки при равных по амплитуде импульсах будет иметь фазу +135°.

Рис. 12.42. Векторы сигналов цветовой синхронизации: а – n-я строка; б – (n+1)-я строка

Рис. 12.43. Спектр полного цветового
сигнала в системе PAL

В заключение отметим, что в наиболее распространенном европейском
стандарте системы PAL полный цветовой сигнал ограничивается по полосе в
пределах 0...5 МГц (рис. 12.43). При указанном значении поднесущей частоты
верхние боковые колебания сигнала цветности для обеих квадратурных составляющих uU и uV оказываются несимметрично подавленными. В системе
NTSC такое ограничение двух квадратурных сигналов привело бы в приемном устройстве к перекрестным искажениям между ними. В системе PAL
принцип построчной коммутации сигнала делает эти искажения минимальными, практически не сказывающимися на качестве изображения.
189

5.3. Структурная схема декодирующего устройства

В настоящее время существует большое разнообразие каналов цветности
PAL. На рис. 12.44 приведена укрупненная структурная схема широко распространенного варианта, в котором используется рассмотренный в разделе
12.3.1 блок задержки. Этот канал получил на звание PALD (от слова dеIау –
задержка).
Полный цветовой сигнал uп разделяется с помощью режекторного и полосового фильтров на два сигнала: яркости Е′Y и цветности us. Фильтры
настроены на частоту цветовой поднесущей fs = 4,43 МГц. Канал яркостного
сигнала практически ничем не отличается от соответствующих каналов в декодерах NTSC и SECAM. Сигнал цветности, прежде чем поступить на блок
задержки, подвергается автоматической регулировке усиления (АРУ), производимой по амплитуде цветовой вспышки. Последняя выделяется из полного
сигнала клапанной схемой Кл с помощью стробирующих импульсов, формируемых из импульсов строчной синхронизации. Блок задержки, содержащий
ультразвуковую линию задержки (УЛЗ), инвертор на 180° и два сумматора,
был рассмотрен ранее.

Рис. 12.44. Декодирующее устройство PAL

Однако следует отметить некоторые дополнительные особенности его
работы. В частности, необходимо уточнить время задержки УЛЗ. Принцип
действия системы PAL предполагает время задержки равным длительности
строчного интервала, т.е. 64 мкс. Однако для правильной работы сумматоров
необходимо еще учитывать фазовые соотношения прямого и задержанного
сигналов. А они таковы, что сдвиг по фазе между этими сигналами в соответ190

ствии с выбором поднесущей частоты составляет четверть периода поднесущего колебания (12.16). При таких условиях в сумматорах не произойдет разделения квадратурных составляющих uU и uV. Для правильного функционирования сумматоров необходимо, чтобы прямой и задержанный сигналы находились либо в фазе, либо в противофазе. Только тогда сложением или вычитанием компенсируется одна из квадратурных составляющих, и сигналы разделяются. Достичь этого можно, если задержка будет составлять целое число
полупериодов поднесущей частоты. Ближайшими к длительности строчного
интервала являются значения задержки  = 568 Тs или  = 567 Тs, где Ts – период поднесущей частоты. Было выбрано второе значение, и УЛЗ системы
PAL изготовляют с задержкой
 = 567Тs = 63,94325 мкс.
(12.17)
Отличие величины задержки от длительности строки оказывается очень
небольшим, примерно 57 нс, и не приводит к появлению упоминаемых ранее
искажений в виде зазубренности вертикальных цветовых переходов. Напомним, что подобные искажения становятся заметными, если рассовмещение
прямого и задержанного сигналов будет превышать размеры одного элемента
изображения (80 нс). Требование к погрешности задержки составляет в УЛЗ
PAL около 5 нс, что позволяет использовать эту линию в декодерах SECAM.
Выбор величины задержки в системе PAL, равной нечетному числу полупериодов поднесущей, обусловливает противофазность сигнала uU в двух
соседних строках и соответственно синфазность сигнала uV. Поэтому в структурной схеме рис. 12.44 инвертор на 180 перенесен из канала uV в канал uU
(для сравнения см. рис. 12.38).
Разделенные в блоке задержки сигналы uU и uV подаются на входы двух
синхронных детекторов, осуществляющих демодуляцию цветоразностных
сигналов Е′R–Y и Е′B–Y.
Необходимые для работы синхронных детекторов опорные колебания
поднесущей вырабатываются генератором fs, частота и фаза которого управляются сигналом цветовой синхронизации (цветовой вспышкой). Управляющий сигнал вырабатывается в устройстве фазовой автоподстройки частоты,
содержащем кроме генератора fs фазовый детектор (ФД) и ФНЧ. Колебания
генератора сравниваются по частоте и фазе с колебаниями цветовой вспышки
в ФД. Генератор вырабатывает колебания, фаза которых совпадает с положительным направлением оси R–Y (90). При этом на выходе ФД вырабатываются симметричные разнополярные импульсы, соответствующие чередованию фазы вспышки 135°. Напряжение на выходе ФНЧ, выделяющего постоянную составляющую из этих импульсов, будет равно в этом случае нулю.
Если фаза колебаний генератора fs не совпадет с осью R–Y, амплитуды импульсов на выходе ФД не будут равны, и ФНЧ выработает управляющее
напряжение, которое подстроит фазу генератора. Сдвиг фазы генератора на –
90 обеспечит опорное колебание для синхронного детектора B–Y.
На второй синхронный детектор подается опорное колебание, у которого
фаза коммутируется через строку (90/270°).
191

Коммутатор фазы в приемном устройстве должен работать синфазно с
коммутацией сигнала uV на передающем конце системы. Для этого генератор
коммутирующих импульсов управляется устройством цветовой синхронизации. В этом устройстве в качестве признака того, какой в данный момент
времени передается сигнал (UV или U*V), передаются разнополярные импульсы с выхода ФД.
Кроме того, устройство цветовой синхронизации закрывает канал цветности и выключает режекцию в яркостном канале, если принимается чернобелая программа или сигнал другой вещательной системы.
5.4. Эксплуатационные характеристики системы
Система PAL, в основе которой лежит передача цветоразностных сигналов путем квадратурной балансной амплитудной модуляции, обладает теми
же достоинствами, что и система NTSC: хорошая совместимость, эффективность разделения сигналов яркости и цветности, высокая помехоустойчивость
к флуктуационным шумам и др. (см. разд. 12.1.6). Наряду с этим принцип
коммутации фазы одной из квадратурных составляющих и применение блока
задержки в декодирующем устройстве позволяют получить еще ряд преимуществ. Основным из них следует считать малую чувствительность системы к
фазовым искажениям сигнала цветности. Для рассмотренного в разд. 12.3.3
декодера PAL с задержкой допускается ошибка в фазе 40°. В некоторых вариантах декодеров PAL этот допуск еще больше.
Важным достоинством следует также считать возможность работы системы с частично подавленной верхней боковой обеих квадратурных составляющих сигнала цветности. Такие условия работы соответствуют стандартам большинства стран, где разнос несущих звука и изображения составляет 5,5 МГц. Напомним, что в системе NTSC один из сигналов обязательно должен иметь симметричные боковые.
Поскольку блок задержки в декодере PAL по своей структуре и параметрам близок к гребенчатому фильтру, то в нем более эффективно, чем в обычном приемнике NTSC, и тем более SECAM, подавляются составляющие яркостного сигнала, создающие перекрестные помехи в канале цветности.
Использование задержанного сигнала в системе PAL не приводит, как в
системе SECAM, к мерцанию границ на горизонтальных цветовых переходах,
поскольку в системе PAL усредняются цветности двух соседних строк, а не
их отдельные цветоразностные составляющие. Для системы PAL не характерна, как для системы SECAM, разнояркость строк и их мерцание. Приемник PAL менее чувствителен к эхосигналам.
К недостаткам системы PAL можно отнести несколько большую сложность приемника по сравнению с системой NTSC (наличие блока задержки) и
уменьшение цветовой четкости по вертикали.
192

ДОДАТОК П. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №20

Рис. 11.1. Зависимость насыщенности
цветов R, G, B мелких деталей от частоты,
необходимой для их воспроизведения

Рис. 11.3. Структурная схема совместимой системы ЦТ

Рис. 11.2. Треугольник основных цветов
передачи на диаграмме цветности МКО

Рис. 11.4. Структурная схема
кодирующей матрицы

193

Рис. 12.1. Частотный спектр
полного цветового сигнала
Рис. 12.2. Квадратурная амплитудная модуляция:
а) структурная схема; б) векторная диаграмма

Рис. 12.5. Разделение сигнала цветности на квадратурные составляющие

194

Рис. 12.8. Векторная диаграмма сигналов
цветности различных цветов

Рис. 12.9. Помеха от поднесущей частоты: а – текущее изменение в строках четного и нечетного полей; б – вид помехи на
экране в двух смежных кадрах

Рис. 12.10. Искажения при асимметрии боковых колебаний сигнала UR–Y:а – амплитуды боковых частот равны; б – амплитуда верхней боковой уменьшена

Рис. 12.11. Частотный спектр полного цветового
сигнала NTSC при разнополосных цветоразностных
сигналах

195

Рис. 12.13. Структурная схема
устройства системы NTSC

Рис. 12.12. Полный цветовой сигнал NTSC

Рис. 12.14. Структурная схема
декодирующего устройства
системы NTSC

196

кодирующего

Рис. 12.35. Коммутация фазы поднесущей при передаче сигнала цветности в системе PAL

Рис. 12.36. Компенсация дифференциально-фазовых
искажений в системе PAL: а – цветовая диаграмма;
б – фазовая ошибка при передаче сигнала; в – сигналы в приемнике после коммутации фазы опорного
колебания; г – совмещение сигналов двух смежных
строк

Рис. 12.40. Структурная схема кодирующего устройства системы PAL
Рис. 12.44. Декодирующее
устройство PAL

197

Рис. 12.41. Структура спектра цветового сигнала:а – с полустрочным сдвигом в системе
NTSC; б – с четвертьстрочным сдвигом в системе PAL; Y – гармоники сигнала яркости; Ц
– гармоники сигнала цветности

Рис. 12.42. Векторы сигналов цветовой синхронизации: а – n-я строка; б – (n+1)-я
Рис. 12.43. Спектр полного цветового сигнала в системе PAL

198

ЛЕКЦІЯ №21. СИСТЕМА КОЛЬОРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ SECAM
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии
звукового радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2004. – 606 с.
1. СИСТЕМА ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ SECAM
Разработка системы была начата во Франции в 50-х годах. В 1965-1966 гг.
при сотрудничестве с советскими специалистами была доработана. С октября
1967 г. в СССР и во Франции одновременно было начато регулярное вещание
по системе SECAM. В процессе эксплуатации продолжалось ее
усовершенствование определившее окончательный вариант системы –
SECAM-IIIб. Кроме Франции и стран бывшего СССР, система SECAM
получила распространение в Болгарии, Венгрии, Чехословакии, Польше,
Люксембурге, Греции, ряде стран Африки, Ближнего и Среднего Востока.
Название системы представляет собой аббревиатуру из французских слов
Sequentiel Couleur а Memoire, что означает “поочередность цветов и память”.
1.1 Общие принципы системы
Так же как и в системе NTSC, сигналами передачи в системе SECAM
являются три сигнала: яркостный Е′Y и два цветоразностных сигналы Е′R–Y и
Е′В–Y. Однако в системе SECAM (и это главная ее особенность) в течение
каждого строчного интервала передается только один из цветоразностных
сигналов, которые поступают в канал передачи поочередно. Такой принцип
передачи позволяет избежать присущих системе NTSC перекрестных
искажений между двумя цветоразностными сигналами, которые в системе
SECAM благодаря разновременной передаче не могут взаимодействовать
друг с другом.
На рис. 12.15,а изображена упрощенная структурная схема
кодирующего устройства системы SECAM. Исходными сигналами являются
сигналы основных цветов Е′R, Е′G и Е′В, из которых в матрице М
формируются яркостный сигнал Е′Y и два цветоразностных сигнала Е′R–Y и
Е′В–Y. Последние, как и в системе NTSC, ограничивают по полосе частот в
ФНЧ и подают на электронный коммутатор ЭК, переключаемый
управляющими импульсами с частотой fz/2. На выходе ЭК в любой момент
будет присутствовать только один из двух цветоразностных сигналов: в
течение одной строки Е′R–Y, в течение другой – Е′В–Y. Таким образом,
поднесущая частота, с помощью которой будете уплотняться спектр
яркостного сигнала, будет модулироваться поочередно сигналами Е′R–Y и Е′В–
Y.
199

Второй важной особенностью системы SECAM является способ
модуляции поднесущей частоты. В современном варианте системы SECAM
выбрана частотная модуляция, осуществляемая в частотном модуляторе ЧМ.
Выбор частотной модуляции предполагал повышение устойчивости системы
к влиянию амплитудных и фазовых искажений тракта передачи, к чему
особенно была чувствительна система NTSC.
С выхода ЧМ частотно-модулированный сигнал цветности us,
складываясь в сумматоре с яркостным
сигналом
Е′Y,
образует
полный
цветовой сигнал, пригодный для
передачи в вещательную сеть.
В приемном устройстве (рис. 12.15,б)
полный
цветовой
сигнал
uп,
получаемый с выхода видеодетектора,
подается на усилитель яркостного
сигнала Е′Y (рис. 12.16,а) и полосовой
фильтр ПФ, с помощью которого из
полного сигнала выделяется ЧМ сигнал
цветности us (рис. 12.16,б). Его
дальнейшая обработка принципиально
отличается от декодирования сигнала
Рис. 12.15. Упрощенные функциональные схемы устройств
цветности в системе NTSC. В системе
SECAM: а – кодирующего; б – декодирующего
SECAM в каждый момент времени
продетектированный ЧМ сигнал содержит только один из двух
цветоразностных сигналов: или Е′R–Y, или Е′В–Y.
Для восстановления же исходных цветоделенных сигналов Е′R, Е′G и ЕB
необходимо обязательно иметь оба цветоразностных сигнала одновременно.
(Напомним, что третий цветоразностный сигнал Е′G–Y получается
матрицированием из сигналов Е′R–Y и Е′В–Y).
Получение недостающего в каждый момент времени цветоразностного
сигнала достигается в приемном устройстве SECAM использованием линии
задержки ЛЗ на длительность одной строки и электронного коммутатора ЭК,
осуществляющего переключение его входов и выходов с частотой строк.
На один из входов электронного коммутатора сигнал цветности подается
прямо с полосового фильтра. Назовем этот сигнал прямым и обозначим его
usпр. На второй вход коммутатора поступает тот же сигнал цветности, но
задержанный на длительность одной строки (64 мкс). На рис.12.15 и 12.16,в
он обозначен usзад. В результате переключения электронного коммутатора с
частотой строк на каждом из выходов ЭК и соответственно после каждого из
частотных дискриминаторов в любой момент времени будут присутствовать
сигналы Е′R–Y и Е′В–Y одновременно. Однако, выбрав для рассмотрения любой
из строчных интервалов, нетрудно убедиться, что на выходе декодирующего
устройства одновременно существуют цветоразностные сигналы не одной и
той же строки, а двух смежных строк. Например, при передаче (п+5)-й
200

строки на выходы декодера поступают яркостный сигнал Е′Y(n + 5) и
цветоразностные сигналы Е′R–Y(n + 5) и Е′В–Y(n + 4). Сигнал Е′G–Y получают как
результат матрицирования сигналов Е′R–Y(n + 5) и Е′В–Y(n + 4) двух соседних
строк.
Таким
образом,
в
приемном устройстве один
из недостающих цветоразностных сигналов заменяется сигналом от предыдущей строки. Цветовая
информация
о
деталях
изображения двух соседних
строк
усредняется,
что
позволяет сделать вывод об
уменьшении
цветовой
четкости по
вертикали.
Вообще говоря, это не
должно быть замечено,
Рис. 12.16. Сигналы в различных узлах декодирующего устройства SECAM:
поскольку
уменьшение
n, n+1, n+2, … – номера строк;
,
– состояние электронного
коммутатора
четкости
в
цвете
по
вертикали здесь будет не более чем в 2 раза по сравнению с яркостным
сигналом. Напомним, вполне допустимым является снижение цветовой
четкости в 4 раза, что и происходит с горизонтальной цветовой четкостью в
результате ограничения цветоразностных сигналов по спектру до 1,5 МГц.
Однако принятый в системе SECAM прием использования цветоразностных
сигналов двух смежных строк приводит к другим, действительно заметным
для глаза искажениям, о которых будет сказано в последующих разделах.
В заключение отметим, что переключение электронного коммутатора в
декодирующем устройстве должно происходить синхронно с переключением
цветоразностных сигналов на передающем конце системы.
1.2. Основные параметры системы
Цветоразностные сигналы D′R и D′В. В системе SECAM
цветоразностные сигналы Е′R–Y и Е′В–Y заменены сигналами D′R и D′В,
определяемыми как
D′R = –1,9 Е′R–Y; D′В = 1,5 Е′В–Y.
(12.11)
Из соотношений (12.11) видно, что сигналы D′R и D′В отличаются от
сигналов Е′R–Y и Е′В–Y как амплитудой, так и полярностью. Штрихи в (12.11)
означают, как и ранее, что передаваемые сигналы подвергнуты гаммакоррекции Коэффициенты, связывающие значения сигналов между собой,
получили название коэффициентов компрессии (по аналогии, с системой
NTSC). Выбор этих коэффициентов обусловлен стремлением увеличить
201

помехозащищенность сигнала цветности и улучшить совместимость системы
SECAM.
Действительно,
помехоустойчивость
частотно модулированного
сигнала, каковым является сигнал цветности в системе SECAM, напрямую
связан с девиацией поднесущей частоты, которая в свою очередь зависит от
амплитуды модулирующих ее цветоразностных сигналов. Размах
цветоразностных сигналов определяется содержанием изображения, однако в
общем случае максимальные значения сигнала Е′R–Y существенно меньше,
чем сигнала Е′В–Y. Если амплитуда в максимуме (для красного и голубого
цветов) составляет 0,7 от уровня исходных сигналов на белом, то амплитуда
Е′В–Y (для синего и желтого цветов) – 0,89. Отношение составляет 1,27. Это
означает, что соответственно ЧМ сигнал, полученный от модуляции
сигналом Е′R–Y, уступает по помехоустойчивости сигналу цветности,
модулированному сигналом Е′В–Y. Для выравнивания условий передачи
сигнала цветности в двух строках коэффициенты компрессии соотносят как
1,9/1,5 = 1,27. Выбор абсолютных значений коэффициентов компрессии
сделан из условия, чтобы амплитуды сигналов D′R и D′В при передаче
испытательного изображения цветных полос со 100 %-ной насыщенностью и
75 %-ной яркостью равнялись единице.
Действительно, для красного и голубого цветов сигнал D′R = –1,9
(0,7)0,75 = 1; для синего и желтого цветов сигнал D′В = 1,5( 0,89) = 1.
Этим значениям сигналов D′R и D′В будет соответствовать так называемая
номинальная девиация поднесущей частоты.
Отрицательная полярность сигнала D′R выбрана из следующих
соображений. Статистические данные показывают, что для большинства
сюжетов значения сигналов Е′R–Y и Е′В–Y находятся в диапазоне
–0,15  Е′R–Y  0,40; –0,50  Е′В–Y  0,20 от уровня исходных сигналов на
белом, т.е. преобладают положительные значения для сигнала Е′R–Y и
отрицательные – для сигнала Е′В–Y. Изменением полярности Е′R–Y достигают
того, что в среднем в обеих строках преобладает отрицательная девиация
частоты и тем самым повышается устойчивость к ограничению верхней
боковой полосы сигнала цветности (что особенно важно для стандарта тех
стран, где уменьшена полоса частот яркостного канала). Кроме того,
уменьшается средняя разность мгновенных значений частоты поднесущей
между соседними строками, и это уменьшает ее заметность на экране чернобелых приемников, т.е. улучшает совместимость.
Коррекция цветоразностных сигналов в системе SECAM. В системе
SECAM с целью устранения наиболее уязвимых для системы NTSC
амплитудных и фазовых искажений применена частотная модуляция
поднесущей. При соответствующих условиях частотная модуляция дает
также большой выигрыш по сравнению с амплитудной модуляцией и в
отношении помехоустойчивости. Однако в системе SECAM эти условия не
выполняются. Действительно, с целью размещения спектра сигнала
цветности в высокочастотной части спектра яркостного сигнала недопустимо
202

применение широкополосной ЧМ с индексом модуляции больше единицы. В
этом случае в спектр ЧМ сигнала войдут кроме боковых частот первого
порядка боковые более высоких порядков. При большой девиации
поднесущей частоты ее заметность на экране сильно увеличивается. Поэтому
в системе SECAM индекс модуляции в среднем составляет около 0,2.
Кроме уменьшения до указанного значения индекса модуляции в
системе SECAM приходится существенно уменьшать размах самого сигнала
цветности. Если в системе NTSC размах сигнала цветности может достигать
значений более 120 % от размаха сигнала яркости на белом и при этом
поднесущая на экране черно-белого приемника практически незаметна, то
частотно-модулированная поднесущая в системе SECAM зрительно
воспринимается гораздо хуже. Ее размах желательно ограничить значениями,
не превышающими 20...25 % от размаха яркостного сигнала.
Малый индекс модуляции и небольшая амплитуда сигнала цветности
делают систему SECAM крайне уязвимой к шумовым помехам, и без
применения специальных коррекций сигнала она не могла бы конкурировать
по качеству изображения с системами NTSC и PAL. Одной из таких
коррекций, известной в практике ЧМ радиовещания, является коррекция в
приемном устройстве цветоразностных сигналов. Она получила еще название
низкочастотной (НЧ) коррекции, поскольку реализуется в низкочастотном
канале декодирующего устройства, после частотного дискриминатора.
Основывается НЧ коррекция на специфическом для частотной
модуляции спектральном распределении шума иш на выходе частотного
дискриминатора, имеющего треугольный характер (рис.12.17). Таким
образом, максимальная шумовая помеха сосредоточена в верхней части
полосы пропускания. Если после частотного дискриминатора установить в
канале цепь коррекции, АЧХ которой А(f) (рис. 12.17, кривая 2) имеет спад на
верхних частотах, то можно достичь заметного улучшения отношения
сигнал/шум.

Однако действию НЧ коррекции подвергаются не только шумы, но и
сам цветоразностный сигнал. Его верхние частоты, как и шумы, цепью
коррекции будут ослаблены, что вызовет соответствующее уменьшение
цветовой четкости. Для того, чтобы в полезном сигнале не возникали
искажения, на передающем конце системы, в кодирующем устройстве
осуществляют предкоррекцию (предыскажения) цветоразностных сигналов.
По аналогии с НЧ коррекцией в приемнике эти предыскажения называют
часто низкочастотными.
Предыскажения создаются пропусканием
203

цветоразностных сигналов через звено с АЧХ, обратной АЧХ
низкочастотной коррекции в приемнике (рис. 12.17, кривая 3).
Результирующая АЧХ цепей коррекции и предыскажений для сигнала
оказывается в пределах полосы пропускания равномерной и не вносит
искажений в сигнал; АЧХ цепи НЧ предыскажений в кодирующем
устройстве описывается выражением (где f1 = 85 кГц)
AНЧ 

1  jf / f1
.
1  jf / 3 f1

(12.12)

В приемнике же АЧХ цепи НЧ коррекции описывается выражением,
обратным по отношению к (12.12). На рис. 12.18 изображены варианты цепей
НЧ предыскажений и коррекции, с помощью которых могут быть
реализованы указанные АЧХ. Последовательно с цепью НЧ предыскажений
в кодирующем устройстве для ограничения полосы пропускания
цветоразностных сигналов до значения 1,5 МГц включается ФНЧ.
Результирующая АЧХ цепи предыскажений и ФНЧ стандартизована
(рис.12.19).

а
б
Рис. 12.18. Цепи НЧ предыскажений (а) и
НЧ коррекции (б)

Рис.
12.19.
Результирующая
АЧХ
низкочастотной
фильтрации
и
предыскажений цветоразностных сигналов

Коррекция цветоразностных сигналов позволила улучшить соотношение
сигнал/шум в канале цветности SECAM примерно на 9 дБ. Однако это еще не
обеспечило должного качества изображения.
Коррекция сигнала цветности и переход к модуляций двух
поднесущих частот. Применение в приемном устройстве коррекции сигнала
цветности увеличивает помехоустойчивость сигнала SECAM к шумам
дополнительно еще на 8 дБ. В совокупности с НЧ коррекцией
цветоразностных сигналов достигается примерно одинаковая с системой
NTSC устойчивость к флуктуационным помехам. Поскольку коррекция
сигнала цветности выполняется в относительно высокочастотной части
тракта декодирующего устройства (до частотного декодирования), то этот
вид коррекции получил еще название высокочастотной (ВЧ) коррекции.
Принцип работы ВЧ корректора основывается на механизме
взаимодействия ЧМ сигнала с частотными составляющими шума и
проникновения последних на выход частотного дискриминатора. Как
известно, взаимодействие ЧМ сигнала с некой гармонической помехой
можно рассматривать как дополнительную частотную девиацию сигнала
помехой. Создаваемое помехой изменение частоты полезного сигнала
преобразуется на выходе частотного детектора в напряжение помехи.
204

Причем это напряжение пропорционально дополнительной девиации от
помехи. В свою очередь, эта девиация пропорциональна как амплитуде
помехи, так и разности частот сигнала и помехи. При этом величина помехи
на выходе детектора не зависит от знака разности частот (расстройки)
помехи и сигнала (рис. 12.20). Следует отметить, что указанная прямая
зависимость между величиной помехи на выходе и расстройкой справедлива
для случая, когда амплитуда помехи мала по сравнению с амплитудой
сигнала.
Если сигнал цветности, пораженный флуктуационными шумами,
пропустить через цепь с амплитудно-частотной характеристикой,
ослабляющей шумы, имеющие наибольшую расстройку (рис. 12.20, кривая
2), то так же, как и при НЧ коррекции, будет достаточно эффективно
уменьшена суммарная мощность шумов, проникающих на выход частотного
дискриминатора. Так как коррекции подвергается и полезный сигнал, то на
передающем конце системы сигнал цветности должен быть предыскажен
цепью, имеющей АЧХ, обратную АЧХ корректора в приемнике (рис. 12.20,
кривая 3).

Рис. 12.20. Зависимость величины помехи
на выходе частотного дискриминатора от
ее частоты (1), АЧХ цепи ВЧ коррекции (2)
и цепи ВЧ предыскажений

Рис. 12.21. Расстройка сигнала относительно
АЧХ ВЧ корректора: fs0 – частота настройки
ВЧ корректора;  f – девиация частоты

Предыскажение сигнала цветности в кодирующем устройстве,
получившее также название высокочастотных предыскажений, сводится к
увеличению амплитуды ЧМ сигнала в зависимости от величины девиации, и
сигнал цветности приобретает дополнительно к частотной модуляции еще и
амплитудную. После прохождения сигнала цветности через цепь ВЧ
корректора в приемном устройстве эта амплитудная модуляция исчезает и
сигнал цветности восстанавливает свою исходную форму.
Выше было отмечено, что в среднем эффект от применения ВЧ
коррекции выражается в увеличении отношения сигнал/шум пример но на 8
дБ. Однако в отдельных случаях, при передаче определенных цветов,
эффективность работы ВЧ корректора может заметно снижаться.
Объясняется это несовершенством самого принципа коррекции, при котором
максимум АЧХ корректора соответствует строго определенной частоте fs0 его
настройки, а частота поднесущей fs непрерывно меняется в зависимости от
передаваемого цвета. Вместе с частотой сигнала меняется и частотное
распределение шумов на выходе детектора из всех частотных составляющих
шума минимальное мешающее действие оказывают те, которые равны или
близки к текущему значению частоты полезного сигнала (рис. 12.21).
Математический анализ действия коррекции при рассовмещении максимума
205

АЧХ с частотой сигнала показывает, что эффективность коррекции
снижается, и тем больше, чем больше это рассовмещение.
В ранних вариантах системы SECAM максимум АЧХ корректора
настраивался на частоту покоя поднесущей частоты (когда сигналы D′R и D′В
равны нулю). Соответственно на эту же частоту настраивалась и цепь ВЧ
предыскажений в кодирующем устройстве. С точки зрения достижения
наилучшей совместимости это оправдано, так как при передаче
неокрашенных или малонасыщенных цветов амплитуда сигнала цветности,
принимаемого черно-белыми приемниками как помеха, была минимальной.
Однако при передаче насыщенных цветов из-за девиации частоты f = fs – fs0
рассовмещение АЧХ корректора и частоты сигнала становилось
значительным, эффективность коррекции уменьшалась и возрастала
заметность шумов. Оказалось, что особенно заметными шумы были при
передаче красного цвета.
Для того чтобы корректор работал эффективно при передаче того или
иного насыщенного цвета, необходимо частоты сигналов цветности,
соответствующие передаче сигналов D′R и D′В этих цветов, располагать под
максимумом АЧХ корректора, а значит, настройку цепи корректора смещать
относительно немодулированного значения поднесущей. Задача оказалась
трудноразрешимой, так как для разных цветов и даже для сигналов D′R и D′В
одного и того же цвета девиация отличается, и порой не только по
абсолютной величине, но и по знаку.
В табл.12.2 приведены значения сигналов D′R и D′В для испытательного
изображения цветных полос со 100 %-ной насыщенностью и 75 %-ным
уровнем исходных сигналов Е′R, Е′G и Е′В. Эти значения получены в
соответствии с (12.11). Из таблицы видно, что для зеленого и пурпурного
цветов сигналы D′R и D′В, а значит, и девиация разнополярны.
Таблица 12.2

Сигналы для синего и голубого цветов имеют полярность,
противоположную желтому и красному. Поэтому задача улучшения работы
ВЧ корректора на всех цветах поиском наиболее оптимальной частоты его
настройки оказалась практически неразрешимой. В варианте системы
SЕСАМ-IIIб перешли на модуляцию сигналами D′R и D′В двух отличающихся
по частоте поднесущих fR и fB‚ а максимум АЧХ ВЧ корректора настраивают
на частоту, лежащую между двумя этими значениями. При таком
компромиссе удалось создать относительно удовлетворительные условия для
работы корректора для большинства цветов. При этом предпочтение было
отдано таким цветам, где заметность шума выше. К таким цветам были
отнесены красный и пурпурный, для которых расстройка максимума АЧХ
корректора по отношению к частоте сигнала цветности в обеих строках была
выбрана минимальной.
206

В результате были выбраны следующие значения немодулированных
поднесущих при передаче красной и синей строк:
fR = 4406,25 кГц = 282 fz;
fB = 4250 кГц = 272 fz.
Настройка максимума АЧХ ВЧ корректора в приемнике и минимума
АЧХ ВЧ предысказителя в кодирующем устройстве производится на частоту
4286 кГц.
На рис.12.22 показаны АЧХ корректора и предысказителя и
немодулированные значения поднесущих частот при передаче сигналов D′R и
D′. Обратим внимание на несимметричное расположение не модулированных
значений поднесущих относительно максимума АЧХ цепи предыскажений.
При передаче ахроматических (неокрашенных) деталей изображения сигнал
цветности в красной и синей строках будет поэтому несколько отличаться по
амплитуде. В красной строке (при передаче сигнала D′R) размах
немодулированной поднесущей составит 0,307, а в синей – 0,238 от размаха
яркостного сигнала на белом.
Ниже приводится аналитическое описание АЧХ цепи ВЧ предыскажений
(АЧХ корректора описывается обратной зависимостью):
(12.13)
AВЧ ( f )  (1  j16F ) /(1  j1, 26F ),
где F = f/ f0 – f0/ f ; f0 = 4,286 МГц.

На рис.12.23 приведены примеры построения цепей предыскажений и
коррекции. Они представляют собой частотно-зависимые делители, одним из
плеч которых является последовательный или параллельный контур с
резонансной частотой f0 = МГц. Добротность контуров Q =16, отношение
R/R1 = 11,7.

В процессе эксплуатации системы SECAM выяснилось, что, несмотря на
осуществляемые коррекции, помехоустойчивость канала цветности при
принятой номинальной девиации поднесущей частоты, равной 230 кГц, все
207

же оставалась неудовлетворительной, особенно для сигнала D′R. Поэтому для
ее улучшения номинальную девиацию в красных строках увеличили до 280
кГц. (Номинальная девиация соответствует передаче цветоразностного
сигнала, равного единице.) Таким образом, при передаче красных и синих
строк отличаются как немодулированные значения поднесущих, так и их
номинальная девиация. Увеличение девиации при передаче сигнала D′R
эквивалентно увеличению самого модулирующего сигнала в 280/230 = 1,22
раза, что формально соответствует изменению коэффициентов компрессии;
вместо –1,9 и 1,5 они должны быть равны –2,3 и 1,5. Однако на практике в
матрицирующем устройстве, формирующем сигналы D′R и D′, обычно
сохраняют старые значения коэффициентов, а увеличение девиации при
передаче сигнала производят в дальнейших узлах тракта.
Амплитудное ограничение сигналов D′R и D′B. Амплитудно-частотной
характеристике цепи НЧ предыскажений цветоразностных сигналов (рис.
12.17, кривая 3) соответствует характеристика, изображенная на рис. 12.24
(кривая 1). Как видно из рисунка, характеристика имеет очень большой, 200 %ный выброс с достаточно продолжительным спадом (постоянная времени
 = 0,63 мкс). Таким образом, в цветоразностных сигналах, соответствующих
резким вертикальным цветовым переходам, появляются выбросы, суммарная
амплитуда которых может превышать исходный сигнал в 3 раза. Действие
цепи предыскажений можно рассматривать в некоторой степени как
дифференцирующее. На приемном конце системы после прохождения НЧ
корректора сигнал должен восстановить исходную форму, однако при
условии, что весь процесс преобразований и передачи сигнала будет
линейным.
На
практике
трехкратное
превышение
амплитуды
модулирующего сигнала недопустимо, поскольку ему соответствует такое же
увеличение девиации частоты в модуляторе.

Рис. 12.24. Переходные процессы цепи НЧ предыскажений без учета ФНЧ (1) ис учетом фильтра (2)

Некоторое уменьшение выбросов происходит под влиянием ФНЧ,
устанавливаемого после цепи предыскажений, но это полностью не снимает
проблемы, и поэтому размах выбросов на цветовых переходах уменьшают с
помощью амплитудного ограничения. Стандартизованы следующие
относительные уровни ограничения для сигналов D′R и D′В:
1, 25;
1,52;
DR  
DB  
1,81;
2, 2.

(12.14)

Предельные значения девиации, достигаемые при передаче выбросов,
становятся равными
208

350 кГц;
350 кГц;
DR  
DB  
500 кГц;
500 кГц.

Так как средняя частота fR выше, чем fB, примерно на 156 кГц, такое
несимметричное ограничение выбросов обеспечивает использование одного
и того же диапазона девиации частот (около 3,9...4,8 МГц) каждым из
сигналов.
Рассмотренное амплитудное ограничение выбросов цветоразностных
сигналов привело к тому, что сквозная переходная характеристика (с учетом
обеих цепей: предыскажения и коррекции) искажается, ее фронт затягивается
и сигнал после коррекции в декодирующем устройстве не сможет
восстановить свою исходную форму. Фронты, соответствующие цветовым
переходам в сигнале, могут быть затянуты до 2 мкс. Правда, это нельзя
рассматривать как пропорциональное сокращение полосы частот канала
цветности. Начальный участок перехода имеет нормальную крутизну (до
момента срабатывания ограничителя). Однако вторая часть перехода сильно
затянута, что приводит к скруглению плоской части импульса (рис. 12.25).

Рассмотренные искажения цветовых переходов отчетливо видны в
испытательном изображении цветных полос, особенно на границах между
белым и желтым, желтым и голубым, зеленым и пурпурным цветами. Это
наиболее “неприятный” для такого рода искажений сюжет. В реальных
сценах сочетания таких насыщенных цветов встречаются не часто.
Уменьшение перекрестных искажений яркость – цветность. Сигнал
цветности в системе SECAM, как и в системе NTSC, передается в общей
полосе частот с сигналом яркости. Полосовой фильтр в декодирующем
устройстве не может полностью освободить сигнал цветности от
составляющих сигнала яркости. Высокочастотные компоненты последнего
вместе с сигналом цветности проникают на вход частотного детектора,
взаимодействуя в нем с сигналом цветности как помеха. Амплитуда
прошедших в канал цветности яркостных компонентов в зависимости от
209

сюжета может становиться весьма значительной, превышающей
существующий для частотной модуляции так называемый пороговый
эффект. (В этом случае резко возрастает паразитная девиация
детектируемого сигнала.) На изображении возникают характерные
искажения. Они проявляются в виде зубцов или “бахромы” за
вертикальными яркостными переходами или участками с большой
детальностью, приобретая порой характер мерцающих синих или красных
факелов. Эти помехи получили название “кроссколор”.
Стандартом на систему SECAM-IIIб рекомендуется ослаблять
спектральные составляющие сигнала яркости в зависимости от их амплитуды
в полосе частот сигнала цветности. Предназначенное для этого устройство
называют корректором перекрестных искажений яркость – цветность. Он
устанавливается в яркостном канале кодирующего устройства и может иметь
структуру, изображенную на рис. 12.26. Яркостный сигнал Е′Y поступает
одновременно на два канала, один из которых содержит цепь,
режектирующую компоненты сигнала, расположенные около частоты
4,28 МГц, а другой селективно пропускает именно эти компоненты. Если
амплитудный ограничитель в последнем канале не воздействует на сигнал, то
на выходе сумматора яркостный сигнал не будет отличаться от входного.
Просто разные частотные компоненты от входа на выход пройдут по разным
каналам. Обратим внимание, что компоненты яркостного сигнала,
проходящие по верхнему на рис. 12.26 каналу, как раз и представляют
потенциальную помеху для сигнала цветности. Поэтому если амплитуда этих
компонентов превышают определенное допустимое значение (цифра
стандартом не оговаривается), то они должны быть ограничены. Это
ограничение и выполняется подбором соответствующего уровня ограничения
в ограничителе. Таким образом, рассмотренный корректор адаптивно, в
зависимости от передаваемого сюжета, воз- действует на спектральный
состав яркостного сигнала.
Применение более простого пассивного устройства, состоящего только
из одного режекторного контура, настроенного на среднюю частоту
поднесущей, дало бы худшие результаты. В этом случае постоянное
подавление высокочастотных компонентов сигнала яркости снижало бы
четкость изображения, поскольку мелкие детали в цветном телевидении
передаются сигналом яркости.
Коммутация фазы поднесущей и особенности спектра сигнала
цветности. Как отмечалось в разд. 12.1.2, минимальная заметность
поднесущей в изображении достигается при жесткой связи частоты
поднесущей с частотами разверток. При этих условиях рисунок от помехи
имеет менее заметную неподвижную структуру. Поэтому в системе NTSC
частоты разверток образовывались с помощью делителей частоты
поднесущей. Этот метод получил название частотной синхронизации.
В системе SECAM этот метод неприемлем, так как частота поднесущей
вследствие частотной модуляции непостоянна и никак не может быть связана
210

с частотой разверток. Тем не менее добиться неподвижности структуры
помехи и в этом случае возможно, если фиксировать фазу колебаний
поднесущей в начале каждой строки. Это выполняется путем ударного
запуска генератора поднесущей специально сформированными импульсами.
Для получения желаемого характера рисунка, наименее заметного в
изображении, фазу колебания поднесущей в каждой строке меняют по
определенному закону. Этот прием называется методом коммутации фазы.
В принципе данный метод можно было бы применить и в системе NTSC,
однако при этом достигается несколько меньшая стабильность поднесущей
частоты, которая в системе NTSC является определяющим параметром.
При разработке системы SECAM очень важно было подобрать такой
закон коммутации фазы, который позволил бы обеспечить наилучшую
совместимость ее сигнала. Перемена фазы поднесущей в каждой второй
строке, как в системе PAL, невыгодна, так как тогда все строки с сигналом
D′R, оказались бы в одной фазе, а строки с сигналом D′В в другой, но для всех
строк в одинаковой фазе. Структура рисунка от поднесущей имела бы
достаточно выраженную штриховую структуру. При этом и временной
компенсации, как в системе NTSC, не происходило бы, так как в следующем
кадре красные строки поменяются местами с синими строками (из-за
нечетности строк в растре).
В результате теоретических и экспериментальных исследований был
принят следующий порядок изменения фазы цветовой поднесущей (в
градусах):
по строкам: 0, 0, 180, 0, 0, 180 и т. д.
или: 0, 0, 0, 180, 180, 180, 0, 0, 0 и т. д.,
по полям: 0, 180, 0, 180, 0 и т. д.
Указанные изменения производятся в начале каждой строки (поля).
Немодулированные значения частот поднесущих выбраны равными четным
гармоникам строчной частоты, указанным ранее. В результате такой
коммутации в каждом из полей формируется своя структура поднесущей на
изображении, однако с определенной периодичностью, цикл которой
составляет 12 полей. Таким образом, удалось в изображении получить
относительно жесткую структуру помехи от поднесущей, в некоторой
степени хаотичную из-за девиации частоты, однако в реальных сюжетах
малозаметную. В заключение отметим особенности частотного спектра
сигнала цветности в системе SECAM. Напомним, что модулирующие
поднесущую частоту цветоразностные сигналы имеют, как и яркостный
сигнал, ярко выраженную линейчатую структуру спектра. При выборе
поднесущей частоты, равной нечетной гармонике полустрочной частоты (как
это сделано в NTSC), спектр модулированного сигнала сохраняет свою
линейчатую структуру, но его компоненты соответствуют уже не строчным,
а полустрочным гармоникам. В результате в системе NTSC и достигалось
отмеченное в предыдущих разделах перемежение спектров яркостного
сигнала и сигнала цветности. В системе SECAM поднесущие частоты кратны
211

строчной частоте, и в результате их модуляции цветоразностными сигналами
спектр сигнала цветности должен был бы состоять из гармоник строчной
частоты. Переплетения спектров с яркостным сигналом не получилось бы.
Однако принятый закон коммутации фазы поднесущих, как показывает
анализ, формирует такой спектр сигнала цветности, компоненты которого в
основном не совпадают с составляющими спектра яркостного сигнала, и
спектры перемежаются. Можно показать, что в спектре сигнала цветности
SECAM в значительной степени (примерно в 6 раз) гармоники строчной
частоты подавлены. Спектр в целом более густой, чем спектр яркостного
сигнала. Он содержит гармоники частот fz/6 и fn/6. Вопрос о спектре сигнала
цветности SECAM носит не только теоретический характер. Развитие
элементной базы, особенно цифровой, позволяет рассчитывать на
возможности построения фильтров с избирательной гребенчатой селекцией
даже таких сложных по структуре спектра сигналов, как в системе SECAM.
Это в свою очередь дает возможность лучшего разделения сигналов яркости
и цветности в декодирующем устройстве.
Сигнал цветовой синхронизации. В системе SECAM поочередная передача
сигналов D′R и D′В, требует согласованной работы электронных
коммутаторов кодирующего и декодирующего устройств (см. рис. 12.15).
Эти коммутаторы должны переключаться синхронно и синфазно. Фазировка
электронного коммутатора в декодирующем устройстве строится на
распознавании цветности (D′R или D′В) принимаемого сигнала с помощью
сигнала цветовой синхронизации ицс, или, как его часто называют, сигнала
опознавания. Он формируется из серии 9 импульсов SR и SB трапецеидальной
формы, замешиваемых в сигналы D′R и D′В с 7 по 15 строку одного поля и с
320-й по 328-ю строку второго в кодирующем устройстве (рис. 12.27).

Рис. 12.27. Формирование сигнала цветовой синхронизации:
а – формирующие сигналыSR и SB ;
б – сигнал цветовой синхронизации после частотного модулятора

Начало и конец каждого импульса совпадают соответственно с началом и
концом активной части строки. Амплитуда импульсов равна уровням
ограничения цветоразностных сигналов, вызванных НЧ предыскажениями,
212

т. е. +125 для сигнала D′R и –1,52 для сигнала D′В. Таким образом, при их
поступлении на частотный модулятор они займут весь диапазон девиации
частоты. В строках D′R частота сместится вверх до 4,756 МГц, а в строках
D′В – вниз до 3,9 МГц. Различие в полярности сигналов SR и SB, или
соответственно частот в сигнале цветовой синхронизации является
признаком передачи той или иной цветности, который используется для
распознавания сигналов в приемнике. Поскольку сигнал цветовой
синхронизации передается в соответствии с указанными номерами строк во
время гасящих импульсов полей, то он не вызывает помех в изображении.
1.3. Структурная схема кодирующего устройства

Кодирующее устройство системы SECAM (рис.12.28) предназначено для
формирования из исходных сигналов основных цветов Е′R, Е′G и Е′В полного
видеосигнала ип, содержащего яркостный сигнал Е′Y, сигнал цветности us и
сигнал синхронизации приемника. Работу кодирующего устройства
проиллюстрируем осциллограммами сигналов испытательного изображения
цветных полос. Эти полосы состоят из основных цветов приемника: красного
К, зеленого З и синего С и дополнительных к ним цветов – голубого Г,
пурпурного П и желтого Ж. Белая и черная полосы позволяют иметь опорные
уровни в сигналах. С помощью испытательных сигналов цветных полос
рассчитываются, нормируются и проверяются важнейшие параметры трактов
цветного телевидения. На рис. 12.29 и 12.30 приведены формы наиболее
часто применяемых на практике сигналов цветных полос с 75 %-ной
амплитудой и 100 %-ной насыщенностью (сигнал 75 %-ной яркости).
Сигнал яркости Е′Y (рис. 12.29) и цветоразностные сигналы D′R и D′В
(рис. 12.30,б) формируются в матричном устройстве в соответствии с
213

приведенными ранее соотношениями. Канал яркостного сигнала включает в
себя корректор перекрестных искажений (см. рис. 2.26) и широкополосную
линию задержки, выравнивающую во времени широкополосный сигнал Е′Y и
относительно узкополосный сигнал цветности иs. Затем сигнал яркости Е′Y
поступает на сумматор, где смешивается с сигналом цветности и импульсами
синхронизации приемника.
Цветоразностные сигналы D′R и D′В в цепях НЧ
предыскажений подвергаются линейной коррекции
с подъемом на верхних частотах. Амплитудночастотная характеристика этих цепей была
приведена на рис.12.17. После предыскажений в
цветоразностные сигналы во время обратного хода
по кадру замешиваются сигналы цветовой
синхронизации SR и SВ (см. рис. 12.27). дальнейшая
обработка и передача сигналов D′R и D′В
осуществляются поочередно, с частотой строк,
реализуемой
электронным
коммутатором.
Последний
переключается
симметричными
прямоугольными импульсами (меандром), частота
которого в 2 раза ниже частоты переключения, т.е.
Рис. 12.29. Сигналы основных цветов
равна fz/2.
и сигналы яркости испытательного
изображения цветных полос 100 %Ограничение цветоразностных сигналов по полосе
ной насыщенности и 75 % яркости
частот и устранение нежелательных коммутационных помех, возникающих при работе электронного коммутатора,
производятся с помощью ФНЧ. Сквозная АЧХ НЧ предыскажений и ФНЧ
приведена на рис. 12.19. Далее цветоразностные сигналы поступают на
амплитудный ограничитель, в котором ограничиваются выбросы, вызванные
НЧ предыскажениями. Как следует из (12.14), уровни ограничения для
сигналов D′R и D′В отличаются. Поэтому на амплитудный ограничитель
дополнительно подаются симметричные прямоугольные импульсы, которые
с частотой строк смещают на соответствующую величину сигналы D′R и D′В
относительно постоянных уровней ограничения. Кроме того, размах сигнала
D′R увеличивается в 1,22 раза (см. разд. 12.2.2).
С выхода ограничителя сигнал поступает на частотный модулятор, на
входе которого включена схема фиксации уровня. Основной особенностью
частотного модулятора в системе SECAM является, во-первых, модуляция
сигналами D′R и D′В двух отличающихся по частоте поднесущих, во-вторых,
необходимость поддержания с высокой степенью точности номинальных
значений поднесущих (fR = 4406,252 кГц; fB = 42502 кГц).
Непосредственная стабилизация этих частот невозможна. В схеме рис.
12.28 используется импульсная автоподстройка по сигналам опорных
эталонных генераторов. Такой способ позволяет стабилизировать не только
частоту, но и начальные фазы колебаний, что необходимо для реализации
метода коммутации фазы (см. разд. 12.2.2).
214

Обычно в качестве модулятора используется генератор с
самовозбуждением, обеспечивающий достаточно хорошую стабильность
начальной частоты (в момент его включения) и линейность модуляционной
характеристики.

Рис. 12.30. Формирование сигналов в системе SECAM:
а – цветоразностные сигналы Е′R-Y и Е′В-Y ; б – сигналы D′R и D′В;
в – сигналы D′R и D′В после НЧ предкоррекции; г – сигнал цветности; д – полный сигнал

Автоподстройка частоты и фазы колебаний модулятора по опорным
частотам производится во время обратного хода по строке, когда
модулирующие цветоразностные сигналы равны нулю и, следовательно,
должна генерироваться частота с номинальным значением одной из
поднесущих. Сравнение колебаний модулятора с колебаниями эталонных
генераторов осуществляется в фазовом детекторе. Сигнал ошибки  через
схему фиксации уровня поступает на частотный модулятор только во время
обратного хода по строке благодаря подаваемым в это время на схему
импульсам фиксации (ИФ).
Частотный модулятор во время фиксирующих импульсов должен
подстраиваться к эталонному генератору не только по частоте, но и по фазе.
215

При этом равенство фаз колебаний должно быть обеспечено в самом начале
строки. Для обеспечения этого процесса колебания частотного модулятора в
конце каждой строки срываются импульсами срыва, и запуск генератора
начинается всегда с одной и той же фазы.
Эталонные генераторы подключаются к фазовому детектору
поочередно, с помощью коммутатора, работающего синхронно с
коммутатором сигналов D′R и D′В. Стабильность частоты колебаний опорных
генераторов обеспечивается с помощью кварцевых резонаторов.
Неизменность фазы колебаний в начале каждой строки достигается
путем возбуждения генераторов короткими импульсами, следующими с
частотой строк.
Таким образом, стабилизация частоты и фазы ЧМ генератора
обеспечивается схемой автоподстройки только в течение интервала
обратного хода строчной развертки. Дальнейшее поддержание точного
значения частоты и фазы поднесущей в интервале активной части строки
зависит от точности поддержания задаваемого фиксирующей схемой
опорного уровня. Поэтому стабильность всего узла модулятора в большой
степени определяется качеством работы фиксирующей схемы.
С выхода частотного модулятора сигнал цветности поступает на
устройство коммутации фазы, в котором с целью уменьшения заметности
поднесущей на изображении производится изменение фазы колебаний по
рассмотренному
в
разд.12.2.2
закону.
Цепь
высокочастотных
предыскажений, АЧХ которой изображена на рис. 12.22 и соответствует
зависимости (12.13), обусловит, как отмечалось, возникновение в ЧМ
сигнале дополнительной амплитудной модуляции (рис. 12.30,г). Далее сигнал
подается в устройство подавления поднесущей. Подавление осуществляется
с помощью импульсов, формируемых генератором управляющих импульсов.
Подавление необходимо для того, чтобы колебания поднесущих частот не
наложились на синхронизирующие импульсы приемника. Поэтому оно
производится во время кадровых гасящих импульсов, за исключением
периодов, когда передается сигнал цветовой синхронизации, и во время
строчных гасящих импульсов, за исключением времени передачи защитных
цветовых вспышек.
Передача защитных цветовых вспышек в интервале времени,
показанном на рис.12.31, необходима для
того, чтобы в приемнике, в амплитудных
ограничителях
сигнала
цветности
(включаемых перед частотными детекторами)
режим ограничения успел установиться до
начала активной части строки. При
отсутствии защитных цветовых вспышек
изображение у левого края экрана будет
искажено сильными шумами и переходными
Рис. 12.31. Защитная цветовая вспышка
процессами. Последние имеют место в НЧ
216

корректоре частотного дискриминатора. Окончательно сформированный
сигнал цветности поступает на сумматор, где складывается с сигналами
яркости и синхронизации приемника.
Менее распространенной схемой является схема кодирующего
устройства, где коммутация красной и синей строк производится после
частотной модуляции. Имея некоторые преимущества, такая схема более
громоздка, так как содержит двойной комплект устройств формирования и
обработки сигналов D′R и D′В и частотных модуляторов.
1.4. Структурная схема декодирующего устройства
Декодирующее устройство системы SECAM, так же как и кодирующее,
содержит два канала: яркостного сигнала и цветности (рис. 12.32).
Рассматриваемая схема является упрощенной. На ней изображены узлы
обработки сигнала, имеющие только принципиальное значение, и не
включены, например, усилительные устройства. Выходными сигналами
являются яркостный сигнал и три цветоразностных сигнала, дальнейшее
использование которых является одинаковым во всех вещательных системах
и рассмотрено в гл. 11.

Рис. 12.32. Структурная схема декодирующего устройства системы SECAM

Канал цветности. Полный цветовой сигнал ип с видеодетектора поступает
на ВЧ корректор сигнала цветности, с помощью которого достигается, вопервых, увеличение отношения сигнал/шум, во-вторых, выделение из
полного сигнала ип сигнала цветности. В профессиональных декодерах для
лучшего подавления яркостных компонентов включается дополнительно
полосовой фильтр. Амплитудно-частотная характеристика корректора
является обратной АЧХ цепи ВЧ предыскажений (см. рис. 12.22). В
результате в сигнале цветности наблюдается устранение той амплитудной
модуляции, которая возникла на передающем конце после прохождения цепи
ВЧ предыскажений. Остаточные явления амплитудной модуляции позволяют
217

судить о качестве настройки ВЧ корректора и устраняются амплитудным
ограничителем, включенным после корректора. Поддерживаемое с помощью
амплитудного ограничителя постоянство размаха сигнала цветности
независимо от уровня принятого сигнала при глубоком ограничении может
сопровождаться увеличением заметности шумов. Поэтому в лучших
образцах устройств, уменьшая уровень ограничения, в канал Цветности
вводят цепь автоматической регулировки усиления.
Ограниченный по амплитуде сигнал цветности поступает на два входа
электронного коммутатора (ЭК). На один вход он подается .
непосредственно, а на второй – с задержкой на длительность строки. В
качестве устройства задержки широко используется ультразвуковая линия
задержки (УЛЗ). В ней сигнал цветовой поднесущей преобразуется в волну
ультразвука, которая распространяется внутри специального звукопровода.
На приемном конце звукопровода звуковые колебания вновь преобразуются
в электрические. Основным материалом звукопровода является стекло. Для
возбуждения ультразвуковых колебаний и обратного их преобразования в
электрический сигнал используются пьезопреобразователи из керамики с
различными добавками. Полоса пропускания устройств задержки должна
соответствовать ширине частотного спектра сигнала цветности, т.е. 3 МГц. К
сожалению, даже наиболее совершенные образцы зарубежных УЛЗ имеют
полосу 2,6 МГц (на уровне –3 дБ); у массовых образцов линий полоса не
превышает 2 МГц.
Если устройства задержки на УЛЗ включаются в тракт сигнала
цветности, т.е. работают на частоте поднесущей, то устройства задержки
другого
типа
предполагают
обработку
уже
демодулированных
цветоразностных сигналов. Функции задержки в них обеспечиваются либо
регистрами на приборах с зарядовой связью, либо оперативными
запоминающими устройствами. В последнем случае цветоразностные
сигналы обрабатываются или в цифровой форме, или в аналоговой (путем
запоминания отдельных отсчетов сигнала в устройстве из совокупности
переключаемых конденсаторов). Эти типы устройств задержки являются
более перспективными, чем УЛЗ.
Во всех случаях для системы SECAM устройство задержки должно
удовлетворять требованию точности и стабильности задержки с
погрешностью   30 нс, где  – время задержки, равное 64 мкс.
Невыполнение этого требования приводит к заметным на экране искажениям
в виде зубчатости на вертикальных цветовых переходах.
Электронный коммутатор перераспределяет прямой и задержанный
сигналы таким образом, что на один из выходов всегда поступает сигнал,
соответствующий передаче D′R, а на другой – D′В. Коммутатор содержит
четыре ветви, из которых две замкнуты, а две разомкнуты. С частотой строк
состояние ветвей изменяется на противоположное. Запирание и отпирание
ветвей коммутатора производятся с помощью симметричных меандров
полустрочной частоты и противоположной полярности.
218

После электронного коммутатора разделенные сигналы цветности
поступают на вторую ступень амплитудного ограничения, устраняющую
помехи
и
паразитную
амплитудную
модуляцию,
вызванную
неравномерностью АЧХ линии задержки и коммутатора, а также
возникающими в линии задержки отраженными сигналами. В ранних
вариантах декодеров SECAM изменением уровня ограничения добивались
также регулировки цветовой насыщенности, так как амплитуда
детектированных цветоразностных сигналов зависит не только от девиации
частоты, но и от размаха ЧМ сигнала.
С амплитудных ограничителей сигналы цветности поступают на
частотные детекторы. С их выходов без дополнительных преобразований
получают сигналы и Е′R–Y и Е′В–Y (а не D′R и D′В, которые передавались на
поднесущей). С этой целью АЧХ детектора в канале R–Y придается
противоположный наклон по отношению к АЧХ детектора в канале B–Y (так
как D′R = –1,9 Е′R–Y). Соответственно коэффициентам компрессии подобраны
и размахи сигналов цветности на входах частотных детекторов. В
большинстве частотных детекторов используются колебательные контуры.
Их настраивают на номинальные значения двух поднесущих частот.
После детектирования цветоразностные сигналы подвергаются
низкочастотной коррекции,
повышающей отношение
сигнал/шум.
Амплитудно-частотные характеристики корректоров обратны АЧХ цепей НЧ
предыскажений (см. рис. 12.17). Часто с НЧ корректором совмещают цепь
подавления поднесущей частоты, присутствующей на выходе частотного
детектора. Эта цепь представляет собой ФНЧ со срезом FB = 2 МГц.
Наконец, с помощью матрицы G–Y из цветоразностных сигналов Е′R–Y и
Е′В–Y формируется сигнал Е′G–Y.
Уже отмечалось, что принцип последовательной передачи сигналов в
системе SECAM предполагает синхронную и синфазную работу
коммутаторов сигналов на передающем и приемном концах системы.
Синхронность обеспечивается формированием коммутирующих импульсов
из строчных импульсов. Правильность фазировки достигается с помощью
устройства цветовой синхронизации. Из большого многообразия вариантов
его построения в качестве примера рассмотрим функциональную схему рис.
12.33. Цветоразностные сигналы с выходов каналов R–Y и В–Y складываются
в матрице, состоящей из двух резисторов. Так как сигналы цветовой
синхронизации SR и SB разнополярны (см. рис. 12.27), а АЧХ частотных
детекторов имеют разный знак наклона, то на выходах каналов сигналы SR и
SB будут иметь одинаковую полярность. Если коммутатор сфазирован
правильно, то полярность отрицательная, если неправильно, –
положительная. Включенный в среднюю точку матрицы интегрирующий
конденсатор
образует
одиночный
импульс
отрицательной
или
положительной полярности. Этот импульс или подтвердит правильность
работы генератора коммутирующих импульсов, или скорректирует его,
сменив фазу двух меандров, подаваемых на коммутатор. Ключом К на
219

устройство цветовой синхронизации пропускаются только импульсы сигнала
цветовой синхронизации. Для этого он открывается импульсами частоты
полей f2n с 7-й по 15-ю и с 320-й по 328-ю строки. Рассмотренная схема
достаточно помехоустойчива, поскольку импульсные помехи на выходе
матрицы вычитаются, а флуктуационные ослабляются путем интегрирования.
Устройство цветовой синхронизации
служит также
для того, чтобы
выключать канал цветности, если
передается сигнал черно-белого или
цветного телевидения, но другой
системы.
В схеме рис. 12.32 выключение
производится подачей запирающего
напряжения
на
амплитудные
ограничители.
Выключение
канала
цветности в указанных обстоятельствах
является необходимым, поскольку в
противном
случае
на
экране
Рис. 12.33. Формирование корректирующего
наблюдаются помехи импульсного и
импульса цветовой синхронизации: а –
функциональная схе-ма устройства цветовой
шумового характера.
синхронизации; б – сигнал S и S на входах
устройства; в – и на интегрир. емкости
Рассмотренный метод кадровой цветовой синхронизации не является современным. Рекомендациями МККР
предусмотрено исключение сигналов кадровой цветовой синхронизации SR и
SВ с тем, чтобы освободить соответствующие интервалы кадрового гасящего
импульса для передачи дополнительной информации, например телетекста
(см. гл. 22). Для цветовой синхронизации в этом случае могут быть
использованы защитные цветовые вспышки (рис. 12.31 и 12.30,д). Последние
в строках D′R и D′В отличаются по частоте. Путем использования частотного
дискриминатора, настроенного на ту или иную частоту, получают с частотой
строк импульсы, несущие информацию о том, какая строка передается –
красная или синяя. Этот метод получил название строчной цветовой
синхронизации.
Канал яркости содержит в себе широкополосную линию задержки на
0,4...0,7
мкс
для
выравнивания
времени
распространения сигналов в широкополосном
яркостном и узкополосном каналах цветности.
Кроме того, в яркостном канале включается
устройство режекции, подавляющее колебания
цветовой поднесущей. В системе SECAM это более
актуально, чем в системе NTSC. Действительно, изРис. 12.34
АЧХ режекторного фильтра
за нелинейности модуляционной характеристики
кинескопа неподавленные колебания поднесущей детектируются, вызывая
подсветку изображения. Амплитуда поднесущей в строках D′R и D′В
R

В

220

принципиально различна. В связи с этим возникает разнояркость, заметно
ухудшающая изображение. Режекторный фильтр в современных приемниках
настраивается на подавление двух характерных частот: 4,02 и 4,69 МГц (рис.
12.34).
Эти частоты соответствуют передаче желтого и голубого цветов, для
которых из-за ВЧ предкоррекции амплитуды поднесущих достигают
максимального значения.
Для того, чтобы режекция не ухудшила четкость изображения при
приеме черно-белых программ, она отключается с помощью управляющего
напряжения с устройства цветовой синхронизации.
1.5. Эксплуатационные характеристики системы
Основные преимущества системы SECAM вытекают из ее принципа
последовательной передачи цветоразностных сигналов и применения
частотной модуляции. Они позволяют теоретически полностью исключить
перекрестные искажения между этими сигналами, в то время как в системе
NTSC искажения типа “дифференциальная фаза” или ограничение
частотного спектра цветового сигнала могут приводить к сильным
перекрестным искажениям, заметным в изображении. Это преимущество
системы SECAM не всегда эффективно реализуется на практике.
Несовершенство электронного коммутатора сигналов цветности в
декодирующем устройстве может приводить к ощутимому взаимному
проникновению сигналов в каналах R–Y и B–Y.
Система SECAM практически нечувствительна к дифференциальнофазовым искажениям сигнала цветности. Если для системы NTSC
предельным значением дифференциально-фазовых сдвигов является 10...12°,
то для системы SECAM эти значения могут быть в несколько раз
превышены, за исключением передачи цветовых переходов с большими
различиями яркости. В простейшем случае быстрое изменение фазы
поднесущей эквивалентно девиации по частоте и за границей цветового
перехода наблюдается короткая цветовая окантовка.
Система SECAM по сравнению с системой NTSC имеет благодаря
частотной модуляции значительно меньшую чувствительность к изменению
амплитуды сигнала цветности, вызываемому неравномерностью АЧХ тракта
(в системе NTSC это приводит к искажению насыщенности). По той же
причине система SECAM лучше защищена от дифференциальноамплитудных искажений и непостоянства скорости магнитной ленты в
видеомагнитофонах.
Наряду с этими весьма важными достоинствами системе SECAM
присущ ряд недостатков. Если при благоприятных условиях приема
помехоустойчивость систем SECAM и NTSC к флуктуационным шумам
примерно одинакова, то при отношении размаха сигнала к шуму 18 дБ и
менее качество цветного изображения в системе SECAM заметно
221

ухудшается. Проявляется так называемый пороговый эффект частотной
модуляции, когда помеха “захватывает” частотный детектор, т.е.
обусловливает непропорционально боль-шую паразитную девиацию частоты.
При этом спектр шумов преобразуется таким образом, что максимум их
спектральной плотности приходится на низкие частоты, вызывая на
изображении более заметную крупноструктурную помеху.
Система SECAM, несмотря на значительно меньший, чем в NTSC
размах сигнала цветности, обладает худшей совместимостью. В черно-белых
телевизорах, где отсутствует режекция поднесущей, ее рисунок более
заметен, особенно на вертикальных границах между цветами.
В системе SECAM сильнее проявляются перекрестные искажения между
каналами яркости и цветности, тем более что качественное разделение
сигналов яркости и цветности затруднено из-за частотной модуляции.
Искажения “цветность-яркость”, как отмечалось, проявляются в виде
разнояркости строк, причем на гладких полях изображения эта разнояркая
структура как бы плывет по вертикали. Иногда заметны такие муары,
образуемые за счет биений точечного рисунка поднесущей со структурой
точечного растра масочной трубки. Еще более заметными могут быть
искажения “яркость-цветность”. Несмотря на применение в кодирующем
устройстве корректора перекрестных искажений, на определенных сюжетах
(с малой цветовой насыщенностью и большой детальностью) эти искажения
становятся недопустимо заметными, проявляясь в виде разноцветных
мерцающих штрихов или цветных пятен с рваными краями, так называемых
факелов. В последнем случае изображение оказывается совершенно
неудовлетворительным. Поэтому в системе SECAM с большой
осторожностью применяют апертурную коррекцию, а также не допускают
превышения первичными сигналами уровня белого, так как при превышении
уровня белого происходит ограничение размаха поднесущей, что усугубляет
указанные явления.
Уже отмечалось, что низкочастотная предкоррекция в совокупности с
последующим ограничением приводит в системе SECAM к затягиванию
вертикальных
цветовых
переходов,
уменьшая
таким
образом
горизонтальную цветовую четкость. Это явление проявляется только на
цветах с большой насыщенностью, что на практике, к счастью, встречается
не так часто.
Принцип поочередной передачи цветов в системе SECAM с
последующим
одновременным
использованием
сигналов
двух
последовательно передаваемых строк существенно ухудшает и вертикальную
цветовую четкость. Однако такое уменьшение четкости оказывается
практически незаметным. К гораздо худшим последствиям этот принцип
передачи сигналов приводит при воспроизведении горизонтальных границ
между двумя насыщенными цветами. В этом случае первая за границей
цветового перехода строка воспроизводится как комбинация сигналов,
соответствующих разным цветам по обе стороны от перехода. Эта строка
222

воспроизводится в некоем третьем, искаженном цвете. С цветовыми
искажениями воспроизведется и соседняя строка из второго поля. Это
увеличивает длительность перехода, но самое главное, из-за нечетности
строк в растре в следующем кадре, когда расположение красных и синих
строк меняется местами, изменяется и цвет перехода. Это изменение
происходит с частотой 12,5 Гц и воспринимается как очень заметное
дрожание по вертикали горизонтальных цветовых переходов на высоту двух
строк.
Наконец, следует отметить возможные характерные искажения
изображения в системе SECAM из-за неточности линии задержки на
длительность строки. Хотя эти искажения не являются принципиальными, а
возникают лишь вследствие несовершенства аппаратуры, они все же
являются достаточно специфичными: на вертикальных границах цветовых
переходов возникает зубчатость. Толщина зубцов, отличающихся по цвету от
обоих цветов перехода, равна двум строкам. Длина зубцов пропорциональна
неточности задержки. При этом из-за смены окраски зубцов в соседних
кадрах возникает их скольжение по вертикали. Экспериментально
установленный допуск на неточность времени задержки составляет 80 нс
(один черно-белый элемент). Учитывая возможную эксплуатационную
нестабильность ультразвуковой линии, требования к неточности задержки
делают более жесткими ( =  30 нс).
Несмотря на перечисленные недостатки здесь, при благоприятных условиях приема (сигнал/шум  18 дБ) для большинства сюжетов система
SECAM обеспечивает весьма высокое качество изображения, не уступающее
системам NTSC и PAL.
Контрольні питання
1. Поясните особенности получения сигнала EG–Y в системе SECAM.
2. Поясните необходимость ВЧ предыскажений и ВЧ корекции в системе
SECAM. С какой целью в приемниках установлен РФ? Почему центральная
частота АЧХ ВЧ коректора выбрана несиметричной относительно
поднесущих?
3. Поясните необходимость НЧ предыскажений и НЧ корекции в системе
SECAM.
4. Для чего в системе SECAM используется коммутация фазы поднесущих
колебаний на передающей стороне?
5. Что такое цветовая «вспышка» в системе SECAM ? В чём разница в её
назначении по сравнению с другими системам цветности?
6. Каким образом уменьшают
перекрёстные искажения «яркость –
цветность в системе SECAM?
7. Как производится цветовая синхронизация в системе
SECAM?
Преимущества и недостатки системы SECAM по сравнению с другими
системами цветного ТВ.
223

8. Пользуясь
структурной схемой кодирующего устройства, кратко
изложить основные принципы работы системы цветного ТВ стандарта
SECAM на передачу.
9. Пользуясь структурной схемой декодирующего устройства, кратко
изложить основные принципы работы системы цветного ТВ стандарта
SECAM на приём.

224

ДОДАТОК Р . РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №21

225

226

Рис. 12.32. Структурная схема декодирующего устройства системы SECAM

Рис. 12.33. Формирование корректирующего импульса
цветовой синхронизации:
а – функциональная схема устройства цветовой
синхронизации; б – сигнал SR и SВ на входах устройства;
в – и на интегрир. емкости

Рис. 12.34
АЧХ режекторного фильтра

227

ЛЕКЦІЯ №22. ТЕЛЕВІЗІЙНИЙ ЦЕНТР. СИСТЕМИ
ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1.
Технологии звукового радиовещания. –К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 606 с.
1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ЦЕНТРА
Телевизионный центр (ТЦ) представляет собой комплекс радиотехнических средств, помещений и служб, предназначенных для создания программ и проведения телевизионного вещания.
По назначению ТЦ делятся на программные и ретрансляционные. Программные ТЦ располагают собственными студиями и другими источниками
ТВ программ. Они предназначаются для создания и передачи собственных
телевизионных программ как по своей телевизионной сети, так и на другие
ТЦ, трансляции программ других ТЦ, консервации программ путем их записи
на магнитную ленту или кинопленку, для передачи телевизионных фильмов.
Основной “продукцией” ТЦ является полный цветовой телевизионный сигнал. Параметры сигнала регламентируются ГОСТ. Сигналы по специальным
местным, междугородным наземным и космическим линиям связи поступают
на радиопередающие станции и другие ТЦ.
Ретрансляционные центры собственной программы не создают, а служат
для ретрансляции программ, получаемых по космическим, радиорелейным
или кабельным линиям связи. К этой группе также относятся маломощные
телевизионные ретрансляторы, предназначенные для расширения зоны уверенного приема.
Структурная схема ТЦ строится так, чтобы решить перечисленные задачи (рис. 13.1). В ее состав, как правило, входят: аппаратно-студийные блоки
АСБ, аппаратно-программные блоки (АПБ), аппаратные магнитной видеозаписи (АМВ), телекинопроекционные аппаратные, блоки записи программ,
междугородная аппаратная внешних программ, блок внестудийного вещания,
центральная аппаратная. Кроме того, на ТЦ имеются служба технического
контроля, ремонтная служба, фильмо- и фонотека, просмотровые и репетиционные залы, гримерные и артистические, декоративно-художественное производство, электросиловой цех и другие вспомогательные службы.
Основным технологическим звеном современного программного ТЦ является АСБ, обеспечивающий подготовку передач, а на ряде ТЦ и выдачу
программы в эфир (рис. 13.2). Аппаратно-студийный блок содержит почти
228

229

все виды датчиков ТВ сигнала: студийные телевизионные камеры (КТ) и кинопередающие камеры с соответствующими камерными каналами, диапроекторы и эпипроекторы, датчики универсальных электронных испытательных таблиц (УЭИТ). Эти источники ТВ сигналов и соответствующая аппаратура управления, контроля и синхронизации, а также звуковое, осветительное и прочее оборудование размещены в ТВ студии, телекинопроекционной, режиссерской и технической аппаратных.
Студии АСБ оснащены четырьмя – шестью телевизионными камерами
КТ с соответствующими камерными каналами. Кроме собственных датчиков
сигналов в АСБ из центральной аппаратной (АЦ) могут быть предоставлены
несколько “внешних” источников телевизионных сигналов. Видеомагнитофоны (ВМ), как правило, сосредоточены в специализированном блоке записи
программ. В этом блоке имеется несколько типов аппаратных с разным числом ВМ для записи и воспроизведения магнитофильмов, для перезаписи, записи с электронным монтажом и тиражирования.
Весьма важной автономной производственной единицей телецентра является АПБ, предназначенный для формирования программы вещания в целом из отдельных, в основном заранее подготовленных фрагментов и трансляции этой программы на радиопередающую станцию или междугородную
аппаратную внешних программ. Аппаратно-программный блок, так же как и
АСБ, оснащен, как правило, всеми видами датчиков телевизионных сигналов,
включая ВМ. Он организуется на базе небольшой студии для актуальных
“живых” передач – объявлений диктора, интервью и т.д.
Блок внестудийного вещания имеет в своем составе передвижные телевизионные станции (ПТС), передвижные видеозаписывающие станции
(ПВС), передвижные телевизионные видеозаписывающие станции (ПТВС) и
другое оборудование.
Таким образом, источниками телевизионных программ являются студии,
телекинопроекционные, аппаратные магнитной видеозаписи, передвижные
телевизионные станции, передвижные телевизионные видеозаписывающие
репортажные станции.
2. СТУДИИ
Студия представляет собой специальное акустически оборудованное и
изолированное помещение, предназначенное для использования музыкальных, речевых и смешанных программ, входящих в телевизионную передачу.
В студиях размещают телевизионные передающие камеры КТ, видеоконтрольные устройства (ВКУ), сценические площадки с соответствующим декорационным оформлением, осветительную технику и микрофонное оборудование. По назначению студии делят на большие – площадью 600...1000 м2 с
пятью - шестью камерами; средние – 300...450 м2 с четырьмя – пятью камерами; малые – 50...150 м 2 с двумя – тремя камерами; макетно-дикторские и дикторские – с одной – двумя камерами.
При проектировании студий обращается серьезное внимание на звукоизоляцию их от посторонних внешних шумов. Студийный блок планируется с
таким расчетом, чтобы рядом со студиями не был шумных помещений. Внут230

ренние стены студий, располагаемых на первом этаже, опираются на самостоятельный фундамент и не связаны с наружными стенами зданий.
Наружные окна в студиях отсутствуют, поэтому применяются искусственное освещение и система кондиционирования воздуха. Смотровые звуконепроницаемые окна соединяют студии с техническими режиссерскими
аппаратными и служат для непосредственного наблюдения за работой артистов и технического персонала в студиях. Двери в студии делаются массивными, многослойными, со специальной конструкцией уплотнителей.
К системам освещения студий предъявляется ряд жестких требований,
наиболее существенным из которых является использование светильников с
определенным спектральным составом излучения. Правильная передача
цветности объекта будет иметь место лишь при освещении сцены стандартными источниками белого цвета МКО типа D6500 с цветовой температурой
6500 К. При использовании источников освещения с цветовой температурой
3200 и 4600 К в передающих телевизионных камерах необходимо для согласования спектральных характеристик системы цветоделения камеры с цветовыми координатами цветного кинескопа провести установочную цветокоррекцию.
Осветительные приборы располагаются так, чтобы занять минимальную
полезную площадь
и
не
ослеплять исполнителей.
Кроме основного преобладающего, художественная передача
требует
организации
дополнительного
освещения
верхнего света,
подсветки фона
и других, создающих ощущение реальности сцены и рельефности
предметов (рис.
13.3). Большинство источников
света управляется дистанционно со специального пульта.
Рис. 13.3. Один из возможных вариантов разм ещения
осветительных приборов в телевизионной студии:
а – вид сбоку; б – вид сверху 231

Часто здесь используется автоматическая система с запоминающим устройством, программа дл которой составляется во время световых и трактовых
репетиций.
Для обеспечения разнообразных замыслов режиссера, например организации сцен на берегу моря, в горах, в другой стране и т.п. широко используется в студиях рирпроекция
В аппаратуре электронной рирпроекции для создания специфической
обстановки – декораций, на фоне которых развертывается действие, с помощью быстродействующего коммутатора, переключающего ТВ сигналы в активной части строки, формируется комбинированное изображение. Здесь
коммутирующие импульсы формируются из сигнала от силуэта исполнителей; нормальное изображение актеров вписывается быстродействующим
коммутатором в изображение декораций, чтобы исключить эффект “прозрачности” актера. Изображение декораций может быть получено от любого дат
чика ТВ сигналов – студийной камеры, кино- или камеры ПТС, эпи- или диапроектора, видеомагнитофона и т.д. Помимо большой экономии средств и
времени на изготовление и монтаж декораций подобный способ создания интерьера значительно обогащает творческие возможности режиссера, так как
позволяет использовать в передаче разнообразный ассортимент изобразительных материалов из заранее подготовленных реальных неподвижных и
движущихся изображений фона.
Наиболее сложной задачей электронной рирпроекции является формирование силуэтного сигнала. Он образуется из сигнала камеры, передающей
изображение исполнителей на равномерном фоне, путем ограничения ТВ
сигнала на определенных уровнях. Для уверенного отличия сигнала исполнителя от сигнала фона между ними необходимо создать достаточно большую
разницу в уровнях, т.е. достаточно большой контраст между фоном и актером
(точнее, любыми его “деталями”). Для этого за сценической площадкой размещается равномерный синий экран, тем самым в зависимости от наличия
соответствующих деталей исполнителя создается уровень фона “белее белого
или “чернее черного”.
Недостатком электронной рирпроекции является возможность появления специфических искажений комбинированного изображения в виде окантовок, пропусков, а также то, что актер не видит декорационного оформления
сцены. Свое положение относительно деталей “интерьера” он должен запоминать и контролировать с помощью специальных меток. Поэтому в телевизионных студиях иногда используется и оптическая рирпроекция. Здесь изображение декораций проецируется на большой полупрозрачный экран. С другой стороны экрана на сценической площадке располагаются исполнитель
Тут же размещаются и студийные передающие камеры, снимающие изображение актеров на фоне экрана рирпроекции. Для уменьшения паразитной засветки декораций от источников, освещающих исполнителей, перед экраном
помещают нейтральный светофильтр – сетку из черного нейлона. В качестве
проектора “декораций” используется проекционный ВКУ. Сигнал на этот
ВКУ может быть подан с любого датчика телевизионных сигналов. Одинако232

вый синхронный режим работы проекционного ВКУ и передающих камер
является существенным преимуществом оптической рирпроекции по сравнению с другими известными системами, в которых используются кинопроекторы. В то же время с помощью оптической рирпроекции можно сформировать высококачественное изображение без недостатков, характерных для
электронной. Однако светоклапанные проекционные устройства очень сложны в эксплуатации (см. § 7.5). Использование же других видов проекторов,
например кинопроекционных, ограничивает возможности рирпроекции и создает ряд дополнительных трудностей.
В целом возможность удовлетворения разнообразных творческих замыслов режиссеров при организации передач в телевизионных студиях определяет широкие перспективы использования оптической и электронной систем рирпроекции.
3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ КАМЕРЫ
Передающая телевизионная камера КТ предназначена для преобразования светового потока, отраженного от объекта, в электрические сигналы трех
цветоделенных изображений, подаваемых в блок камерного канала по камерному кабелю. Для работы в составе АСБ, АПБ, ПТС и ПТВС предназначены
студийные цветные телевизионные камеры. Такая камера состоит из оптической головки самой камеры и электронного видоискателя.
Оптическая головка (рис. 13.4) представляет собой собранные единое
целое вариообъектив 1, светоделительный блок 3, встроенный или подключаемый диапроектор, систему подсветки мишени, смены светофильтров 2 и систему автоматического управления. Штриховыми линиями на рисунке показаны поверхности с цветоделительными покрытиями (дихроичними зеркалами). Принцип работы этих зеркал основан на интерференции (сложении различных длин волн) света в тонких пленках. Световой поток, попадая на
первую дихроичную поверхность, разделяется в соответствии со спектральной характеристикой покрытия: синяя составляющая отражается и попадает
на вторую, отражающую грань призмы и направляется на передающую трубку синего канала В. Световой поток, прошедший дихроичную поверхность
первой призмы, попадает на дихроичную поверхность второй призмы, отражающую вторую цветовую (зеленую) составляющую изображения. Эта составляющая после полного внутреннего отражения на второй поверхности
призмы попадает на передающую трубку яркостного канала W. Третья цветовая составляющая светового потока проходит прямо на передающую трубку
красного канала R.
Рис. 13.4. конструкция призменного
цветоделительного блока:
а – вариообъектив;
б – нейтральный светофильтр;
в – склеенные призмы

233

Оптическая головка 2 (рис. 13.5) конструктивно объединена с тремя блоками передающих трубок типа глетикон или плюмбикон 4. В блок каждой
трубки входят фокусирующая и отклоняющая система (ФОС) и предварительный усилитель 3. В самой камере размещены блоки: выходных каскадов
5, синхронизации, развертывающих устройств 6, телеуправления 7, регулировки тока луча 9, высокочастотного уплотнения 10, питания 8. Для контроля
изображения на камере установлен поворотный черно-белый видоискатель
(ВКУ с высоким разрешением и яркостью).
На мишени глетиконов через вариообъектив 1 и цветоделительную систему 2 проецируются красное (R), синее (В) и псевдояркостное (W) (§ 10.12)
изображения передаваемого объекта. Использование псевдояркостного сигнала вместо зеленого (G) позволяет улучшить чувствительность камеры при
допустимом ухудшении цветопередачи. Цветоделенные сигналы ЕR, ЕW и ЕВ с
сигнальных пластин передающих трубок поступают на соответствующие
предварительные усилители 3, размещенные непосредственно на ФОС передающей трубки 4. В предварительных усилителях осуществляется противошумовая коррекция сигналов. С выходов предварительных усилителей сигналы поступают в блок выходных каскадов 5, где они усиливаются, ограничиваются их полосы частот, вводятся и ограничиваются строчные гасящие импульсы, замешиваются импульсы телеуправления. Усиленные выходные сигналы по камерному кабелю поступают в камерный канал.

Рис. 13.5. Структурная схема цветной передающей камеры

Система уплотнения предназначена для передачи по двум коаксиальным
жилам камерного кабеля во встречных направлениях сигналов: яркости и основных цветов ЕR, ЕВ, звукового сопровождения, передаваемых из камеры в
канал, и сигналов сложного сигнала телеуправления (ССТУ), передаваемых
из канала в камеру. Сигнал ССТУ представляет собой смесь сигналов, уплотненных во времени: сигнала яркости для электронного видоискателя, сигнала
синхронизации генераторов развертки передающих трубок, сигналы звука для
234

служебной связи с оператором и сигналов телеуправления. Сигналы яркости,
звука и ССТУ передаются на своей несущей частоте.
Транспортирование сигналов осуществляется передатчиками и приемниками сигнала яркости, сигнала ССТУ и сигнала звука. Разделение сигналов
и согласование входных и выходных сопротивлений приемников, передатчиков и усилителей сигналов основных цветов с волновым сопротивлением камерного кабеля осуществляется системой фильтров.
Камера соединяется со шкафом камерных каналов либо триаксильным
кабелем ТКТ-1,8/8,0 длиной до 1 км при работе камеры в составе ПТС и
ПТВС, либо многожильным кабелем ММКТЦ 40/1 длиной до 300 м при работе камеры в составе АСБ и АПБ. При работе камеры в составе ПТС и ПТВС
ее блок уплотнения сигналов заменяют на заглушку, а блок камерного канала –
на блок коррекции искажений кабеля. Система уплотнения используется при
работе камеры в составе АСБ и АПБ.
Состав блоков в вещательных камерах существенно различен и зависит
от функционального назначения камеры. Если камера работает в составе репортажной телевизионной установки, то в самой камере должно обеспечиваться только предварительное усиление сигналов, полученных от трубок, а в
камерном канале должны быть предусмотрены средства обработки сигналов.
Если же назначение камеры – полное формирование сигнала для ввода в
стандартную вещательную систему (иногда с промежуточной записью), вся
обра-ботка сигналов должна производится в камере.
Разработка новых высокостабильных элементов, стабилизаторов токов и
напряжений, фокусирующих и развертывающих систем, а также автоматических систем совмещения растров и баланса белого и черного телевизионного
сигнала позволила создать достаточно надежные и удобные в эксплуатации
трехтрубочные камеры. Дальнейшее развитие передающих камер идет по
пути улучшения их параметров и уменьшения числа фотоэлектрических преобразователей. Примером является создание двух- и однотрубочных камер и
камер с твердотельными преобразователями на приборах с зарядовой связью.
В одно- и двухтрубочных камерах для формирования сигнала яркости и
двух сигналов основных цветов используются оптические штриховые фильтры, встроенные в передающие трубки. Из-за различия спектральных характеристик, а также углов наклона и ширины штрихов этих фильтров производится пространственное кодирование светового потока, попадающего на фотокатод трубки. Исходные сигналы яркости, красного и синего цветов формируются с помощью электрических фильтров и матричного устройства.
В перспективных разработках передающих камер применяются малогабаритные твердотельные фотоэлектрические преобразователи – фотодиодные
матрицы и приборы с зарядовой связью. Находят применение линейные(однострочные) и полноформатные матричные полупроводниковые преобразователи. Первые из них, сравнительно простые по устройству, используются для передачи цветных кинофильмов. Разработка же передающих камер на полноформатных матрицах ПЗС для передачи высококачественных
235

изображений с параметрами, соответствующими ГОСТ, еще встречает ряд
трудностей.
На рис. 13.6 показана структурная схема цветной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС. Изображение передаваемого объекта вариообъективом проецируется на цветоделительный блок, который осуществляет разделение светового потока на три составляющие. Принцип получения сигнала
изображения рассмотрим для одного из каналов.

Рис. 13.6. Упрощенная структурная схема
цветной камеры на трех полноформатных ПЗС

Основной элемент каждого из каналов – матрица ПЗС. Она преобразует
распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда – потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования кадрового
гасящего импульса все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны
хранения, экранированные от светового потока (секция памяти). В течение
следующего периода накопления во время следования строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки заряды продвигаются к
выходному устройству, образованному полупроводниковыми структурами по
типу полевых транзисторов. Таким образом, на выходе матрицы образуется
ТВ сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной
амплитуды, пропорциональной освещенности элементов секции накопления.
Перемещение зарядов в матрице ПЗС – развертка изображения – производится с помощью тактовых импульсов синхрогенератора, образующихся в фор236

мирователях импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ). При этом отпадает необходимость коммутации элементов мозаики передающей трубки внешним электронным лучом, а следовательно, и наличия термокатода, электронной оптики, отклоняющей системы,
вакуумной колбы, относительно высоковольтных источников питания и
мощных выходных каскадов разверток – генераторов тока. Все это приводит
к значительному уменьшению габаритов, массы и потребляемой мощности, а
также к весьма существенному повышению надежности фотоэлектрических
преобразователей. Наличие раздельных обособленных секций накопления и
памяти и относительно быстрый перенос зарядов из первой секции во вторую
позволяют устранить специфические искажения изображения типа “инерционность”.
4. ТЕХНИЧЕСКИЕ, РЕЖИССЕРСКИЕ И
ЦЕНТРАЛЬНАЯ АППАРАТНЫЕ
Каждая студия на телевизионном центре имеет свою техническую аппаратную. В аппаратной находится оборудование для усиления, синхронизации
и окончательного формирования полного цветового телевизионного сигнала,
а также низкочастотное оборудование звукового сопровождения. В аппаратную также подаются сигналы из телекинопроекционной (см. рис. 13.2), из
АМВ, АЦ и т.д.
От каждой из камер (рис. 13.7) поступают по коаксиальным парам сигналы ЕW с полосой частот 6,5 МГц, ЕR и ЕВ с полосой частот 1,5 МГц. Сигнал
ЕW подается непосредственно в усилительный тракт, а ЕR и ЕВ – через блок
уплотнения. В усилительном тракте производится установочная регулировка
усиления, замешивание и ограничение гасящих импульсов для удаления с
площадки обратного хода флуктуационных помех, паразитных сигналов
строчной частоты, В нем предусмотрена также схема коррекции авторассеяния, возникшая из-за рассеяния светового потока в оптической части камеры
и в передающих трубках. Здесь же осуществляется коррекция неравномерности фона изображения по полю путем замешивания в видеосигнал сигналов
параболической и пилообразной формы частоты строк и полей и модуляции
видеосигнала путем изменения коэффициента усиления. Далее сигналы ЕR и
ЕВ непосредственно поступают на цветокорректор, а сигнал ЕW – через апертурный корректор. В цветокорректоре осуществляется как коррекция ошибки
цветоанализа, вызванной несоответствием спектральных характеристик камеры кривым смешения основных цветов приемника, так и формирование сигналов ЕR, ЕG и ЕB. После гамма-корректора в выходном усилителе в сигнал
изображения замешиваются гасящие импульсы приемной трубки и производится ограничение гасящих импульсов на уровне гашения. С выхода усилителя сигналы поступают на кодирующее устройство и цветные ВКУ. На микшер поступают также сигналы от других камерных каналов.

237

В технической аппаратной располагаются также синхрогенератор, ВКУ,
осциллографы, измерительная аппаратура и другое вспомогательное оборудование. Синхрогенератор технической аппаратной может работать как в режиме централизованной синхронизации, так и в автономном или ведомом
(см. § 13.8). В режиссерской аппаратной, которая для создания наилучших
условий работы для творческого и технического персонала располагается
отдельно от технической, размещаются пульт режиссера, пульт звукорежиссера, стеллаж с ВКУ, акустическое оборудование. Пульты режиссера и звукорежиссера располагаются непосредственно у смотрового окна, соединяющего
студию с режиссерской аппаратной. Пульты располагаются так, чтобы удобно было вести наблюдение за игрой артиста в студии и за телевизионными
изображениями; поступающими на видеоконтрольные устройства. На ВКУ
подаются сигналы от всех датчиков ТВ снгналов, в том числе и из АЦ.
Создание художественных передач требует широкого комплекса технических средств и приемов, расширяющих творческие возможности режиссеров по формированию разнообразных фрагментов, создающих иллюзию реальности сцены и даже эффект присутствия зрителя. Для этого используется
несколько передающих камер, формирующих изображение под разными углами (ракурсами) и разными масштабами (планами), а также специальное
оборудование для создания комбинированных изображений. Сюда относится
аппаратура спецэффектов и видеоэффектов, электронная и оптическая
рирпроекция, датчики электрических сигналов различных заставок,
надписей и т.д.
238

Блок спецэффектов входит в состав видеоусилительных трактов всех
АСБ. В простейшем случае с его помощью можно сформировать комбинированное изображение, состоящее из двух составных частей с разными сюжетами. Для передачи этих сюжетов могут использоваться любые датчики ТВ
сигналов. Расположение, относительные размеры и конфигурация составляющих комбинированного изображения могут меняться во времени с помощью ручной регулировки или автоматически. В настоящее время в распоряжение режиссера предоставляется несколько десятков различных фигур спецэффектов:
прямоугольные, треугольные, ромбические, круглые и др . Подобные
комбинированные изображения формируются с помощью быстродействующего коммутатора, переключающего ТВ сигналы от двух датчиков во время
активной части строки. Переключение сигналов производится импульсами с
переменной длительностью, формирующимися в специальном генераторе.
Длительность импульсов изменяется по определенному закону в соответствии с выбранной фигурой спецэффекта и ее изменением во времени.
Блок видеоэффектов создается на базе запоминающего устройства на
кадр или на несколько кадров с предварительным преобразованием аналоговой формы телевизионного сигнала в цифровую с помощью АЦП. В запоминающее устройство записывается цифровой ТВ сигнал с тактовой частотой,
определяемой строчной частотой сигнала записи. Генератор этих сигналов
управляется сиихронизирующими импульсами входного сигнала.
Информация считывается с ЗУ с произвольной выборкой по закону,
определяемому формой, частотой и фазой сигнала считывания. Последний
формируется специальным генератором, управляющимся импульсами от синхрогенератора, и обеспечивает соответствующий выбор последовательности
адресов. Считанный ТВ сигнал преобразуется в аналоговую форму в цифроаналоговом преобразователе, смешивается с сигналами синхронизации и поступает на выход устройства. Наиболее просто реализуется режим передачи
неподвижного – “остановленного” изображения. Для этого запись входного
сигнала прекращается и считывается сигнал одного в того же изображения.
Использование цифровых методов обработки сигналов и возможности
записи и считывания информации по разным (любым) законам открывают
широкие возможности для создания многочисленных оригинальных сюжетов
и трансформации ТВ изображений. Например, в настоящее время организованы следующие видеоэффекты:
остановка изображения (стоп-кадр);
электронное увеличение или уменьшение масштаба изображения и изменение формы изображения;
переворот изображения (зеркальный эффект);
формирование “следов” за объектами, движущимися в кадре;
“размножение” изображения;
формирование бесконечной галереи из первичного изображения;
разделение первичного изображения на части и перемещение этих частей или всего сжатого изображения по кадру по любому закону;
239

создание полиэкранньих изображений из нескольких сжатых первичных
изображений и др.
Центральная аппаратная предназначена для контроля, коммутации и
распределения сигналов телевизионных программ на радиопередатчик и телецентры, транслирующие центральные и создающие собственные программы. В АЦ поступают сигналы из кинопроекционных аппаратных, аппаратных
видеозаписи, приемной аппаратной внешних программ, АСБ, АПБ, от собственных датчиков (электронно-испытательной таблицы УЭИТ и устройства
показа времени). Из перечисленных источников сигнала программный режиссер составляет выходные программы, которые затем передаются на телевизионные радиостанции и на междугородные линии связи. Сигналы датчиков ПЦТВС через АЦ могут подаваться в АСБ для использования их в студийных программах, в аппаратных видеозаписи, центральном пункте контроля. В центральной аппаратной располагаются два блока синхрокомплекта
– рабочий и резервный.
5. ТЕЛЕКИНОПРОЕКЦИОННЫЕ АППАРАТНЫЕ
Телекинопроекционные аппаратные предназначены для демонстрации
по сети ТВ вещания художественных, научно-популярных и хроникальных
кинофильмов, а также для использования кинофотоматериалов в качестве
коротких вставок – фрагментов – в передачи, подготавливаемые с помощью
других источников в ТВ программы ТЦ (в студиях, видеомагнитофонных
аппаратных и т.д.).
Телекинопроекционные аппаратные являются одним из наиболее важных источников ТВ передач, так как показ кинофильмов занимает сравнительно большую долю в общем объеме программы вещания. Причиной тому
служат наличие большого фонда различных фильмов, возможность демонстрации их в любое время, сравнительная простота эксплуатации и подготовки хроникальных материалов и др. Поэтому крупные ТЦ, как правило, имеют
в своем составе цех телекинопроизводства для создания художественных и
хроникальных фильмов, а также их тиражирования. В последнее время для
этой цели привлекаются и киностудии.
Передача кинофильмов по телевидению, несмотря на общность принципов воспроизведения изображений, связана с известными трудностями. Причиной этих трудностей являются некоторые различия параметров кинопроекционных и ТВ систем. Основные из них следующие.
1. Число кадров, передаваемых в секунду, в кино 24, в телевидении 25
при 48 и 50 мельканиях изображений соответственно (в кино – с помощью
обтюратора, перекрывающего кадровое окно как при смене кадров, так и при
его проекции; в телевидении – с помощью чересстрочной развертки). Это
различие сравнительно легко преодолевается при небольшом увеличении
скорости работы кинопроектора. Как следствие, время демонстрации фильма
по телевидению уменьшается на 4 %; кроме того, несколько изменяется тональность звукового сопровождения, что практически незаметно для зрителя.
2. Время продергивания пленки в кинопроекторе составляет около
240

10,6 мс, а в телевидении длительность обратного хода кадровой развертки
около 1,6 мс. Это в основном и затрудняет демонстрацию кинофильмов по
телевидению, так как увеличение скорости продергивания пленки резко увеличило бы динамические нагрузки на перфорированные отверстия и вывело
пленку из строя; с другой стороны, увеличение длительности обратного хода
кадровой развертки уменьшило бы число активных строк и значительно
ухудшило бы четкость изображения в вертикальном направлении.
В связи с этим для телекинопроекции было разработано большое число
различных систем как с прерывистым, так и с плавным движением пленки.
До появления передающих трубок с “памятью” типа видикон передача кинофильмов в большинстве случаев проводилась методом импульсной засветки и
проекции кинокадра на фотокатод трубки с накоплением зарядов (супериконоскоп) только во время обратного хода кадровой развертки. В течение длительности прямого хода развертки электронное изображение, образованное
остаточным потенциальным рельефом на мишени трубки, считывалось коммутирующим лучом по памяти. В это же время проводилось и продергивание
пленки, т.е. подготовка ее к проекции следующего кадра.
Использование передающих трубок видикон и плюмбикон значительно
упростило систему телекинопроекции. У этих трубок сигналы во время проекции кинокадра (“записи” изображения) и после нее, т.е. при работе трубки
по “памяти”, отличаются незначительно. Поэтому время экспозиции изображения может быть значительно увеличено и как результат – снижены требования к чувствительности передающей трубки.
На рис. 13.8 показана оптическая схема кинопроектора. Световой поток
от источника 1 с помощью отражающего зеркала 2, объективов 3 и 5 проецируется на поверхность кинофильма 6. Размеры передаваемого изображения
ограничиваются непрозрачной рамкой 7. Изображение кинокадра с помощью
объектива 8 проецируется на мишень передающей трубки 9. Прерывание светового потока производится обтюратором 4. Прерывистое движение пленки
осуществляется грейфером 10, входящим в перфорационные отверстия.

241

На рис. 13.9,а изображены временная диаграмма работы лентопротяжного механизма телекинопроектора с импульсной засветкой равной 10,6 мс, а на
рис. 13.9,б – временные диаграммы засветки мишени передающей трубки и
считывания изображения. Длительность засветки мишени видикона обычно
составляет 30-50 % от времени передачи одного телевизионного поля

Рис. 13.9. Временные диаграммы:
а – работа лентопротяжного механизма телекинопроектора с импульсной засветкой;
б – засветка мишени передающей трубки и считывание изображения

В последнее время для передачи кинофильмов разработаны полупроводниковые кинопередающие камеры на линейных (однострочных) ПЗС. Основные параметры этих фотоэлектрических преобразователей – разрешающая
способность и динамический диапазон – уже сейчас превосходят соответствующие характеристики вакуумных приборов. Кадровая развертка производится за счет движения кинопленки в вертикальном направлении. Каждый
кинокадр проецируется один раз последовательно, строка за строкой (построчная раз вертка). Для формирования ТВ сигнала в соответствии с чересстрочной разверткой сигналы с ПЗС поступают на запоминающее устройство
с объемом памяти один кадр, где и записываются в цифровом виде. Инфо рмация считывается в два приема: сначала – нечетные строки (первое поле), а
затем – четные (второе поле). Управление системами движения пленки, сканирования ПЗС, записи и считывания сигналов из ЗУ производится с помощью микропроцессоров.
В телекинопроекционных аппаратных размещаются три группы оборудования: кинопосты (кинопроекторы, диапроекторы, передающие камеры,
оптические коммутаторы), аппаратура формирования полного телевизионного сигнала и пульты управления работой этих устройств. Организация кинопостов отличается большим разнообразием. Часто одна передающая камера
работает на несколько кино проекторов 35- и 16-мм кинофильмов. Максимальное время непрерывной проекции одной части 35-мм фильма составляет
10 мин, а для 16-мм – 45. Поэтому один пост для непрерывного воспроизве242

дения полнометражных фильмов обычно содержит два-три проектора 35-м .
пленки и для демонстрации главным образом хроникальных материалов диапроектор или один проектор 16-мм пленки (рис. 13.10). Отдельные кадры и
диапозитивы передаются с помощью тех же устройств (с использованием
дополнительных тепловых фильтров), либо диапроекторов. Оптические коммутаторы выполняются в виде зеркал и призм, поворачивающихся или сдвигающихся по направляющим. Пуск кинопроекторов обычно осуществляется
дистанционно со специального пульта телекинопроекционной или с пульта
блока, формирующего передачу. Оптическая коммутация и запуск проекторов во время демонстрации полнометражных фильмов производятся автоматически с помощью специальных меток из фольги, наклеиваемых на пленку в
конце каждой части. В телекинопроекционном оборудовании используются
различные автоматические системы регулировки усиления тракта, светового
и электрического режимов видиконов и др.

В связи с указанными трудностями передачи киноматериалов по телевидению в последнее время все чаще практикуется их перезапись на магнитную
пленку с последующей демонстрацией кинофильмов (магнитофильмов) с видеомагнитофонных аппаратных с помощью видеомагнитофонов.
6. АППАРАТНЫЕ МАГНИТНОЙ ВИДЕОЗАПИСИ
В настоящее время на всех телецентрах около 85 % программ формируются с помощью видеомагнитофонов (ВМ). Это позволяет заранее создавать
фонд записей, автоматически управлять процессом формирования и выдачи
программ в эфир. Видеомагнитофонные аппаратные бывают двух типов: аппаратные записи и воспроизведения (АЗВ) и аппаратные электронного монтажа (АЭМ). В каждой аппаратной может устанавливаться до восьми ВМ.
Коммутаторы, через которые осуществляется выбор датчика ТВ программ на
ВМ для записи и подачи сигналов с видеомагнитофонов, обычно располагаются в центральной аппаратной. Это удобно, так как в центральную аппаратную подаются сигналы всех датчиков ТВ программ. Управление набором
сигналов на конкретные видеомагнитофоны, а также управление подачей
243

воспроизводимых сигналов к потребителям может осуществляться непосредственно и с пульта видеомагнитофонной аппаратной путем их включения на
коммутаторе, расположенном в центральной аппаратной. Аппаратная АЭМ, в
отличие от АЗМ, может использоваться независимо от системы телецентра и
работать с помощью своих ВМ; АЭМ может работать также в качестве АЗВ.
Аппаратные АЗВ обеспечивают запись и воспроизведение на ВМ телевизионных программ; коррекцию искажений АЧХ, вносимых соединительными кабелями; контроль качества сигналов на входах и выходах аппаратной
на ВКУ, осциллографе и измерителях уровней. Кроме того, система управления и коммутации совместно с коммутатором центральной аппаратной обеспечивает запись ТВ сигналов от одного источника на два или группу синхронно работающих ВМ и воспроизведение сигналов с двух или группы синхронно работающих ВМ.
Аппаратная АЭМ предназначена для создания видеофильмов и фрагментов передачи с помощью электронного монтажа; она также обеспечивает последовательный автоматический монтаж отдельных фрагментов на общую
видеоленту от любых семи ВМ на любой восьмой; переход от одного фрагмента к другому через аппаратуру микширования и спецэффектов; тиражирование видеопрограмм одного на группу синхронно работающих ВМ; незавимое воспроизведение сигналов от восьми ВМ; коррекцию искажений, вносимых длинным входным кабелем; контроль качества сигналов на входах и выходах аппаратной.
7. ВНЕСТУДИЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПРОГРАММ
При формировании ТВ программ на телецентрах большое значение
имеют внестудийные передачи, полученные непосредственно с предприятий,
спортивных сооружений, стройплощадок, концертных залов, театров и т.д. В
зависимости от объектов передачи, значимости и актуальности событий, а
также длительности передачи все технические средства внестудийного вещания можно разделить на следующие технологические группы: репортажные
телевизионные комплексы (РТК), передвижные телевизионные станции
(ПТС), передвижные видеозаписывающие станции (ПВС), передвижные телевизионные видеозаписывающие станции (ПТВС). Репортажные телевизионные комплексы подразделяются на репортажные телевизионные станции
(РТС) и репортажные телевизионные установки (РТУ).
Репортажные телевизионные станции, выполненные на базе легких малогабаритных машин, применяют для оперативного формирования ТВ передач из труднодоступных районов, мест, удаленных от телецентра на большое
расстояние, с плохими подъездными дорогами, для оперативной передачи
текущих новостей. Станция РТС оснащается одной или двумя репортажными
телекамерами. Большинство РТС имеет автономное электропитание от аккумуляторов или генератора, работающего от двигателя машины. В состав РТС
входит видеомагнитофон или радиолиния для передачи сигнала на телецентр.
Репортажные телевизионные установки предназначены для оперативного сбора новостей. Аппаратура РТУ состоит из ранцевого комплекта и при244

емного оборудования. Ранцевый комплект содержит малогабаритную камеру
(три плюмбикона, усилители, вариообъектив, цветоделительная система, видоискатель) и ранцевый блок (система разверток, управления, синхронизации
и питания). Окончательно телевизионный сигнал формируется в приемном
устройстве, после чего он поступает на ПТС или ПТВС.
Передвижные телевизионные станции в зависимости от числа передающих камер и функциональных возможностей можно разделить на две группы:
ПТС на базе двух-трех студийных камер; большие многокамерные ПТС с
расширенными функциональными возможностями. Станции ПТС первой
группы применяют для передачи событий, имеющих высокую художественную ценность (из театров, концертных залов и т.д.). Такие ПТС обеспечивают
высокое качество передачи, оборудованы видеомагнитофоном или радиолинией для передачи изображений на телецентр. Большинство станций оборудовано устройствами микширования, спецэффектов, рирпроекции, ввода в
программу титров. Все станции оборудованы системой кондиционирования и
отопления.
Большие многокамерные ПТС применяют для автономной работы в отдаленных от телецентра районах в случае формирования передач, имеющих
высокую художественную ценность, историческое и международное значение. Такие ПТС размещены обычно в двух транспортных средствах. По
функциональным возможностям близки к аппаратно-студийным блокам, оборудованы системой микширования, рирпроекции, введения титров, спецэффектов. Число телекамер от трех до шести; в составе имеется радиолиния. Ряд
станций имеет систему стоп-кадр, замедленного воспроизведения изображений, блоки звуковых спецэффектов, магнитофон. Все ПТС оборудованы системой кондиционирования и отопления. Салон основной автомашины имеет
два отсека, что позволяет разделить режиссерский и технический персонал
станции.
Станции ПВС предназначены для записи и воспроизведения во внестудийных условиях видеосигнала и сигнала звукового сопровождения от ПТС.
Они оборудованы двумя ВМ, имеют системы электронного монтажа, контроля и коммутации сигналов, а также систему кондиционирования и отопления. Полученный от ПТС сигнал тут же записывается на ВМ, что позволяет
получить высокое качество изображения и возможность работы ПТС без привязки к телецентру.
Передвижные телевизионные видеозаписывающие станции (ПТВС) оборудованы как аппаратурой формирования, так и аппаратурой записи телевизионной программы, т.е. они объединяют функции ПТС и ПВС.
8. СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ НА ТЕЛЕЦЕНТРАХ
Основное требование при работе телецентра – синхронность и синфазность всех источников видеосигналов, используемых для создания телепередач (сигналов студийных аппаратных, телекино, видеомагнитофонных аппаратных, внешних программ). Чтобы выполнить это требование, на телецентре
245

применяют режим централизованной синхронизации, который обеспечивает
фазирование сигналов телецентра с сигналами внешних источников программ. Основным задающим звеном является синхрогенератор (СГ) це нтральной аппаратной, работающий в автономном режиме. Требуемая высокая
стабильность частоты строк (fz = 15625 0,016 Гц, т.е. нестабиль ность частоты строк не хуже 10 -6 ) обеспечивается кварцевым термостатированным генератором, вырабатывающим импульсы частоты 1,0 МГц, которые подаются
на синхрогенератор. В синхрогенераторе путем деления этой частоты формируется сетка опорных частот (500, 250 кГц, 125, 62,5 и 15,625 кГц), из которых формируются все необходимые управляющие импульсы. При использовании в качестве высокочастотного генератора автономного датчика нестабильность частоты строк оказывается не хуже 10 -12.
Вырабатываемый синхрогенератором сигнал централизованной синхронизации ССЦ-2 (смесь импульсов частоты 1,0 МГц с импульсами частоты
12,5 Гц) поступает во все аппаратные телецентра, за исключением аппаратных видеозаписи. Сигнал ССЦ-2 содержит информацию о фазах строчных и
кадровых импульсов и о сигнале опознавания цвета. Приходящий из центральной аппаратной АЦ в каждую аппаратную телецентра сигнал ССЦ-2
поступает на блок, обеспечивающий ведомый режим работы синхрогенератора. Этим обеспечивается синхронность видеосигналов всех аппаратных.
Синфазность сигналов в каждой аппаратной осуществляется с помощью
специального блока, который корректирует задержки сигналов ССП-2. Ее
устанавливают такой, чтобы все сигналы в АЦ приходили в одинаковой фазе.
Для синхронизации ВМ применяют специальный сигнал “черного поля”
(СЧП), формируемый кодирующим устройством в АЦ. Фазирование производится отдельно в каждом магнитофоне специальным устройством. Для повышения надежности в АЦ предусмотрено два блока синхрокомплекта – рабочий и резервный. Резервный блок находится также во включенном состоянии. Выходные сигналы с обоих блоков поступают на блок переключений, а с
его выходов сигналы рабочего комплекта поступают на блоки распределения
импульсов.
Синхрогенераторы аппаратных могут работать как в режиме централизованной синхронизации от ССЦ-2, так и в автономном и ведомом. При работе СГ в автономном режиме с высокостабильного кварцевого термостатированного генератора импульсы частоты 1,0 МГц подаются на синхрогенератор,
чем обеспечивается нестабильность частоты строк не хуже 10 -6.
В ведомом режиме на СГ подается полный цветовой телевизионный сигнал. В этом случае СГ формирует импульсы, синхронные и синфазные с полным цветовым телевизионным сигналом, а импульсы частоты 1,0 МГц отключаются. В режиме централизованной синхронизации он формирует импульсы, синхронные с сигналом ССЦ-2, а импульсы частоты 1,0 МГц также
отключаются. Аналогичные СГ устанавливаются на ПТС и ПТВС.

246

9. СТАНДАРТЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

9.1 Частотні канали телевізійного мовлення
Наземне телевізійне мовлення ведеться на метрових і дециметрових
хвилях, діапазони яких володіють достатньою місткістю. Дійсно, діапазон
гектометрових хвиль (0,3 ... 3 МГц) не вміщає навіть одного телевізійного
каналу, який при амплітудній модуляції займає смугу частот близько 12 МГц.
Діапазон декаметрових хвиль розподілений для безлічі радіослужб самого
різного призначення, зокрема для звукового радіомовлення.
У початковий період розвитку телемовлення (кінець 40-х - початок 50х років) для мовлення були виділені телевізійні канали, частоти яких були
розміщені в довгохвильовій частині метрового діапазону, оскільки вживана
на цих частотах передавальна і приймальна апаратура була освоєна. У міру
освоєння вищих частот для телемовлення були розподілені канали і в дециметровому діапазоні.
У цих діапазонах виявилося можливим створити мовні радіопередавачі
на пікову потужність від десятків до сотень кіловат. Порівняно нескладними
виявилися і телевізійні приймачі, а також передавальні і приймальні антени.
Розподілені для телебачення канали в діапазоні метрових хвиль (МХ)
(для стандарту D) приведені в табл. 15.1.
Табл.15.1 Частоти, розподілені для мовлення в діапазоні МХ





Кожен канал ТБ-мовлення характеризується:
смугою частот, займаною радіосигналом
несучою частотою зображення
несучою частотою звукового супроводу і середньою частотою каналу (у
табл. 15.1 не відображено, оскільки легко обчислюється як напівсума
крайніх частот смуги).
247

Видно, що на метрових хвилях розміщується 12 ТБ-каналів. Перший і
другий канали віднесені до I-го діапазону, 3...5-й канали віднесені до 2-го
діапазону (II), 6...12-й - до третього (III).
У верхньому піддіапазоні III (6 ... 12-й канали) окрім телепередач, розміщуються радіомовні станції з полярною модуляцією (65,8 ... 73 МГц) і мовні станції FM-діапазону (87,5 ... 108 МГц) для стереомовлення за стандартом з
пілот-сигналом (або скандинавського стандарту ЧМ-ЧМ).
У діапазоні дециметрових хвиль розподілений частотний ресурс для сорока телевізійних каналів (для стандартів K, K1, L; про стандарти телебачення див. далі п. 3.) представлений в табл. 15.2.
Табл.15.2 Частоти, розподілені для мовлення в діапазоні МХ

248

Весь дециметровий діапазон роздільний на два умовні піддіапазони, що
позначаються римськими цифрами IV (21 ... 34 канали) і V (починаючи з 35го каналу і вище, аж до частоти 960 МГц).
У різних країнах використовується не зовсім однаковий розподіл частотного ресурсу (що відрізняється від приведеного в табл. 15.2). Наприклад, у
ряді країн в діапазоні дециметрових хвиль прийнято розміщення каналів з
номерами від 21-го до 68-го в інтервалі частот 470 ... 854 МГц.
Для стандартів G і Н значення частоти звуку менше на 1 МГц, для стандарту I - на 0,5 МГц.
Необхідність великого числа частотних каналів обумовлюється передбачуваним розвитком багатопрограмного телемовлення, що покриває всю територію країни. Це зовсім не означає, що мовлення ведеться на всіх перерахованих телевізійних каналах. З метою уникнути перешкод від сусідніх каналів в межах однієї місцевості передача ведеться з пропуском сусіднього
каналу. Число можливих телевізійних каналів на даній місцевості скор очується в два рази.
Реально радіостанціям телевізійного мовлення на певній території представляється можливості призначення лише декількох каналів. При цьому
складається сітка розподілу обмеженого числа частотних каналів по території. Для телецентрів і ретрансляторів виділяються частоти, що повторюються. При цьому телецентри і ретранслятори, що працюють на однакових частотах повинні розташовуватися на достатньо великій відстані, при якій повинні бути практично виключені взаємні перешкоди в
місцях прийому.
Якщо число каналів настільки обмежене, що можуть спостерігатися взаємні перешкоди, то можуть робитися додаткові заходи зниження перешкод.
Наприклад, застосування радіохвиль, що відрізняються поляризацією, допомагає понизити рівень взаємних перешкод від телецентрів і ретрансляторів,
що працюють на однакових частотах.
Вид поляризації визначається розташуванням і формою провідників передавальної антени. Так, антена у вигляді горизонтальних розташованих провідників (горизонтальних вібраторів) або горизонтально орієнтованої рамки
випромінює горизонтально поляризовані хвилі. Зрозуміло, і приймальна антена повинна мати таку ж орієнтацію (поляризацію). Використання викладеної ідеї дозволяє понизити рівень «співканальних» перешкод на 12 ... 15 дБ.

9.2 Радіосигнал наземного аналогового телевізійного мовлення
Сигнал телевізійного мовлення складається з сигналу зображення і сигналу звукового супроводу. Як було показано раніше, сигнал зображення може
містити спектральні складові в смузі від нуля до 6 МГц, а сигнал звукового
супроводу - від 30 Гц до 15 кГц. Спільно з сигналами зображення передаються імпульси, необхідні для синхронізації кадрової і рядкової розгорток телевізора, а також сигнали кольоровості і службові сигнали.
249

Для безпроводової передачі зображення і звуку телеглядачеві сигналом телемовлення модулюється несуче коливання гармонійної форми, з достатньо
малою нестабільністю частоти (що не перевищує ±100 Гц, а системах з так
званим взаємним зсувом частот окремих телевізійних станцій мережі (див. п.
15.2.1.5) - не більше 1 ... 2 Гц). Причому передача телевізійного зображення
здійснюється з використанням амплітудної модуляції, а передача звуку - з
використанням кутової модуляції. Застосування кутової модуляції відеосигналом зображення супроводжувалося б нераціональним використанням радіочастотного ресурсу.
Навіть при амплітудній модуляції спектр радіосигналу, що переносить
зображення, займатиме смугу частот близько 12 МГц (оскільки верхня частота модулюючого коливання 6 МГц). Для звуження смуги частот радіосигналу
було б доцільно сигнал зображення передавати односмуговими радіосигналами. Проте повне придушення нижньої (невживаною) бічної смуги модульованого сигналу неможливе.
На рис. 15.9 спектр названий умовним, оскільки він тільки характеризує
область частот, що займається спектром, а не реальні співвідношення амплітуд складових. Він не враховує тонку структуру спектру (дискретність, наявність складових синхронізації і кольоровості). Видно, що верхня бічна смуга
передається по каналу радіозв'язку повністю, а складові від fн до fнес представляють залишок не до кінця пригніченої нижньої бічної смуги.
Несиметрія спектру означає появу (разом з амплітудною модуляцією)
супутньої фазової модуляції для відеочастот вище 0,75 МГц, у тому числі і на
частотах тих кольорових піднесучих. Наявність супутньої фазової модуляції
пред'являє жорсткі вимоги не тільки до АЧХ, але до ФЧХ «результуючого
тракту радіопередавач - радіоприймач».

Рис 15.9. Умовний спектр радіосигналу зображення

Для ілюстрації на Рис. 15.10 показана загальна АЧХ телевізійної радіостанції.

250

б)
Рис.2. Номінальна радіочастотна характеристика каналу ТВ мовлення си стеми
SECAM

Несуча частота сигналу звукового супроводу жорстко «прив'язується» до
частоти несучої зображення. У вітчизняному стандарті D/K вона розташовується вище частоти несучої зображення на 6,5 МГц. Ця різниця не повинна
перевищувати ±(100 ... 200) Гц. Використовується кутова модуляція несучої
(з девіацією частоти не більше 50 кГц). При цьому ширина смуги спектру
модульованого коливання складає не більше 250 кГц. Можлива передача звукового сигналу моно, стерео або на двох мовах.
Вимоги до передачі сигналів звукового супроводу ідентичні вимогам до
радіопередавачів звукового віщання в метровому діапазоні.
Таким чином, повна смуга частот, що відводиться в стандартах D/K для
радіосигналу ТБ-мовлення, складає 8 МГц.
Сукупність радіосигналів зображення і звукового супроводу однієї телепередачі називається радіосигналом мовного телебачення.
Для передачі зображення можна застосувати позитивну, або негативну
модуляцію сигналом зображення, Рис. 15.11.

Рис. 15.11 Позитивна (б) і негативна (в) модуляція сигналом зображення (а)

При позитивній модуляції рівню чорного (при t < t1) відповідає радіосигнал
251

меншої амплітуди, а рівню білого (при t > t1) - сигнал більшої амплітуди. При
негативній модуляції співвідношення рівнів - зворотне. Обидва види модуляції мають свої достоїнства та недоліки. Тому в одних стандартах ТБ використовується позитивна модуляція, в інших - негативна.
У вітчизняному стандарті D/K прийнята негативна модуляція, тобто світлим місцям зображення відповідає менша потужність випромінювання, а
синхроімпульсам (передаваним на рівні «чорніше чорного») - велика потужність.

СІ - синхроімпульси
Рис. 15.12. Форма радіосигналу при негативній модуляції

При цьому краще використовується потужність мовного радіопередавача, забезпечується вища перешкодостійкість передачі синхроімпульсів, менш
помітні на екрані імпульсні перешкоди, полегшується створення системи автоматичного регулювання посилення в телевізійному приймачі.
Форма радіосигналу при негативній амплітудній модуляції представлена
на Рис. 15.12. Відношення потужностей передавачів зображення і звуку рівне
10:1.

9.3 Стандарти телемовлення (узагальнення)
Стандартом телевізійного мовлення називається встановлений міжнародною технічною організацією набір параметрів, що характеризують телевізійний сигнал. Він визначається сукупністю стандарту телевізійного сигналу
і системи кольорового телебачення.
Стандарт телевізійного сигналу визначає параметри сигналу без характеристик кольоровості: число рядків в кадрі, частота розгортки полів, різницева частота несучого звуку і зображення, ширина смуги ТБ-сигналу, тип
модуляції несучих зображення та звуку і так далі.
252

Стандарти телесигналу прийнято позначати латинськими буквами В, D,
G, I, Н, K, KI, L, М, N (всього 10). У різних регіонах світу використовуються
різні телевізійні стандарти.
Деякі характеристики стандартів ТБ-сигналу, що відносяться до параметрів радіоканалу, приведені в табл. 15.3.
Стандарт ТБ-мовлення зобов'язує вказати систему кольоровості і стандарт телевізійного сигналу, наприклад, SECAM D/K. Ця система поширена у
східно-європейських країнах, що входять в Міжнародну організацію радіомовлення і телебачення (МОРТ, або OIRT - Organization International Radio and
Television).
У більшості європейських країн прийнята система PAL-B/G, в США NTSC-M, в Китаї - PAL-D, в Японії - NTSC-M, у Великобританії - PAL-1 і т.
д.

Телевізійний приймач, розрахований на прийом тільки одного стандарту, не може нормально приймати сигнали інших стандартів. Більшість фірм,
конкуруючи, випускають мультистандартні телевізори, розраховані на прийом сигналів в різних регіонах світу, тобто по різних стандартах.

253

9.4 Зони телевізійного прийому. Особливості планування
передавальної ТВ мережі
1Зони телевізійного прийому. Радіохвилі метрових і дециметрових діапазонів (де ведуться телепередачі) розповсюджуються над поверхнею Землі в
приземному шарі атмосфери. Такі хвилі називаються поверхневими.
У однорідному середовищі вони розповсюджуються по строго прямолінійних траєкторіях. Тому із-за сферичності Землі прийом телепередач можливий тільки в межах прямої видимості між приймальною і передавальною
антенами. Умова прямої видимості має вид rпр[км] = 3,57
, де H1 і
Н2 - висоти приймальної і передавальної антен в метрах.
Насправді дальність прийому телепрограм декілька перевищує дальність
геометричної видимості, що обумовлене явищами дифракції і рефракції
хвиль.
Дифракція радіохвиль виявляється в тому, що радіохвилі здатні огинати
перешкоди, заходивши в область тіні за ними. Сферична поверхня також є
перешкодою, яку радіохвилі можуть огинати. Чим нижче частота, тим сильніше виявляється дифракція.
Істотніше впливає на дальність прийому телепередач атмосферна рефракція радіохвиль. Земна атмосфера є неоднорідною - щільність атмосфери,
її тиск, вологість і температура змінюється з висотою. Характер зміни згаданих фізичних параметрів атмосфери може змінюватися залежно від інтенсивності сонячної радіації, часу доби і ін. У неоднорідному середовищі радіохвилі заломлюються і розповсюджуються не прямолінійно, а по деяких криволінійних траєкторіях, що приводить до заходу радіохвиль за геометричний горизонт (це явище і називається рефракцією), що збільшує дальність упевненого прийому.
Дальність прямої видимості з урахуванням рефракції визначається співвідношенням rпр[км] = 4,12
.
З урахуванням явищ дифракції та нормальної атмосферної рефракції територію навколо передавальної антени телецентру (або ретранслятора) умовно можна розділити на три зони:
 зону прямої видимості (до 0,8 rпр )
 зону півтіні (від 0,8rпр до 1,2 rпр) та
 зону тіні (більше 1,2 rпр).
Зона прямої видимості («освітлена» зона) характеризується стійким рівнем
сигналу, що приймається, достатнім для високоякісного прийому кольорового
зображення. Але в межах цієї зони можуть зустрітися окремі ділянки з недостатнім рівнем сигналу.
Оскільки ширина головної пелюстки діаграми спрямованості (ДС) передавальної антени у вертикальній площині мала (від 2 ... 3 на дециметрових
хвилях і до 10 ... 12 на метрових), то в радіусі до 2...3 км від телевізійної башти прийом сигналу ведеться завдяки бічним пелюсткам ДС. Крім того, в деяких ділянках сигнал може зазнавати зниження рівня через інтерференцію
254

(складання з різними фазами) енергії хвиль, що прийшли в точку прийому
різними шляхами, а також в затінених (великими будовами або нерівним рельєфом) місцях. Поліпшити якість прийому в цій зоні можна установкою
малопотужного телевізійного ретранслятора, а також застосуванням
направлених приймальних антен.
Зона півтіні характеризується відносно слабким і нестабільним рівнем сигналу і можливими завмираннями. Нестабільність рівня сигналу може викликатися зміною стану атмосфери, що міняє ступінь рефракції, а це, у свою чергу, еквівалентно наближенню або видаленню видимого горизонту. Приймальна антена то «виходить» із зони тіні, то «входить» в неї.
Зона тіні характеризується катастрофічним зниженням рівня сигналу, що
приймається, із зростанням відстані до передавальної антени. Проте відомі
численні випадки прийому телепередач на відстанях, що в десятки разів
перевищують дальність видимого горизонту. Дане явище, що іменується як
наддалекий прийом телепередач, викликається особливими (аномальними)
станами атмосфери і/або іоносфери, які виникають не постійно, а на окремих
часових інтервалах. Наприклад, влітку протягом жаркого дня грунт інтенсивно прогрівається, а увечері швидко охолоджується. Температура в приземному шарі зменшується, а на великій висоті залишається приблизно такою же,
що і вдень.
У цих умовах температура повітря з висотою зростає, а не зменшується,
як при нормальному стані атмосфери. Зворотний хід (інверсія) температури
приводить до того, що щільність повітря зменшується з висотою значно швидше, ніж зазвичай. В результаті швидкого убування щільності повітря виникає явище надрефракції. Кривизна траєкторії радіохвилі при її заломленні В
атмосфері зростає настільки, що хвиля повертається назад на землю. Відбившись від землі, хвиля знову в результаті рефракції повертається на землю і
так далі. У приземному шарі виникає свого роду хвилевід, по якому хвиля
може розповсюджуватися на дуже великі відстані.
Але довго існувати приземний хвилевід не може, оскільки з настанням
дня знову починається інтенсивне прогрівання грунту, повітря у поверхні
землі нагрівається, інверсія температури пропадає і приземний хвилевід зникає. Подібне явище може виникати в районах дії антициклону.
Ще однією причиною наддалекого розповсюдження радіохвиль може
бути створення в атмосфері локальних неоднорідностей, які можуть виступати пасивними ретрансляторами.
До подібних же наслідків можуть приводити спорадичні неоднорідності
в іоносфері (наприклад, під час спалахів на Сонці і в роки максимуму сонячної активності). У цих випадках зустрічаються випадки короткочасного прийому телепередач на відстанях до 1500 ... 2000 км. І зовсім короткочасний
прийом (до декількох секунд) можливий при віддзеркаленні від іонізованих
слідів метеорних частинок.
Зрозуміло, що постійний наддалекий прийом телемовлення неможливий.
Міркування по раціональному розміщенню передавальних телевізійних радіостанцій з метою «суцільного покриття» обслуговуваної території аналогіч255

ні викладеному для звукового радіомовлення. Найбільш економічне планування передавальною ТБ-мережі досягається, якщо передавальні станції розміщуються в кутах рівностороннього трикутника (див. рис.11.6). В цьому випадку кожен передавач (що має антену з круговою діаграмою спрямованості),
забезпечує можливість прийому сигналу на відстані, що не перевищує середній радіус зони прямої видимості rпр між передавальною і приймальною антенами. При цьому утворюються області, в яких можливий упевнений прийом
одночасно від декількох ТБ-передавачів, див. загальні області для трьох кругів на Рис. 15.7.

Рис. 15.7. Схема розміщення ТБ-радіопередавачів

Радикальним засобом ослаблення взаємних перешкод для телевізорів, розташованих в цих областях, є робота сусідніх ТБ-передавачів на різних ТБканалах (частотах), зрозуміло, з урахуванням ослаблення перешкод по сусідніх каналах прийому в телевізорах.
На малюнку виділений штрихуванням великий трикутник площею ΔS, у
вершинах якого розташовані ТБ-передавачі, що працюють на одному каналі
(на співпадаючих частотах). Можна показати, що на території S з будь-якого
числа великих трикутників площею ΔS необхідна кількість ТВ-каналів NК
визначається із співвідношення
З цього співвідношення виходить, що для зменшення числа каналів (цілком природне побажання), необхідних для покриття заданої території, слід
зменшувати відстань d між передавачами, що працюють на співканальних
частотах, і збільшувати радіус мовлення кожній ТБ-станції.
Проте, як і в радіомовленні, при плануванні мережі ТБ-мовлення для сусідніх передавальних станцій з метою виключення помітності взаємних перешкод, повинні дотримуватися норми на значення захисного відношення
А = Ес/Eп, де Еc - напруженість поля ТБ-сигналу у антенного входу телевізора,
а Еп - напруженість поля перешкод в тій же крапці (при яких зберігається висока якість ТБ-зображень).
256

Найбільше захисне відношення потрібне при роботі ТБ-передавачів на
суміщених (співпадаючих, соканальних) частотах, коли весь спектр перешкоди повністю потрапляє в смугу пропускання радіосигналу, що приймається.
Наприклад, величина захисного відношення по суміщеному радіоканалу повинна бути такою, щоб рівень корисного сигналу перевищував рівень соканальной перешкоди не менше чим на 40 дБ.
Для забезпечення такого значення захисного відношення, необхідно передавачі, що працюють на співканальних частотах, видаляти один від одного
на значні відстані, що знаходиться в суперечності з виводом із згаданого вище співвідношення. Наприклад, два потужні радіопередавачі (з потужністю
50 кВт і передавальною антеною, піднятою на висоту декількох сотень метрів
і обслуговуючих зону радіусом до 100 ... 150 км.) не можна розташувати ближче, ніж на 300 ... 400 км. один від одного щоб уникнути перешкод прийому.
Це і означає важкість створення густої мережі мовних передавачів при
обмеженій кількості виділених ТБ-каналів за умови відсутності взаємних перешкод прийому ТБ-програм.
Якщо ж перешкода розстроєна по частоті відносно сигналу, що приймається, то в смугу пропускання телевізійного приймача потрапляє тільки частина енергії перешкоди: для розстроєної перешкоди величина захисного відношення зменшується. ТБ-передавачі можна наблизити один до одного, і тим
зменшити потрібне для обслуговування число ТБ-каналів.
Саме цей висновок покладений в основу т.з. зсуву несучих частот (ЗНЧ)
передавальних ТБ-радіостанцій. Розрізняють два режими роботи ЗНЧ - звичайний і прецизійний.
При звичайному режимі ЗНЧ враховується зсув в межах частоти рядкової розгортки. При цьому не потрібна абсолютна стабільність величини зрушення спектрів. Знайдено, що при ЗНЧ на половину частоти рядків (наприклад, Fc = 15625 Гц) виходить найбільший виграш в захисному відношенні
(до 20 дБ). При ЗНЧ на (2/3)Fc або (4/3)Fc захисне відношення зменшується до
15 дБ. При роботі декількох соканальних передавачів на суміжних територіях
застосовуються ЗНЧ на (2/3)Fc або (4/3)Fc. У разі трьох радіопередавачів один
повинен мати номінальне значення частоти зображення fзобр, інший fзобр +
(2/3)Fc, а третій fзобр - (2/3)Fc. Отже, несучі частоти другого і третього передавача повинні мати зрушення (4/3)Fc.
На Рис. 15.8 для ілюстрації корисності ЗНЧ представлені залежності захисного відношення при ЗНЧ (2) і без нього (7).
При прецизійному ЗНЧ враховується зрушення в межах частоти кадрів, тобто
зрушення несучих частот, повинне бути кратним частоті кадрів FК = 25 Гц.
Для виконання даної умови абсолютна нестабільність несучої зображення
ТБ-передавача не повинна перевищувати ± (1 ... 2) Гц. Це число визначає необхідне значення відносної нестабільності частоти несучої δfзo6p = (1 ... 2)/fзo6p.
Наприклад, на каналах з частотами близько 500 МГц потрібно
δfзo6p ≈ (0,2 ... 0,4)10 -8. Такою ж відносною нестабільністю частоти повинен
володіти опорний кварцевий генератор. Для її реалізації може потрібно додаткове підстроювання частоти цього генератора по більш стабільній частоті
257

іншого джерела (наприклад, по частоті атомно-молекулярного джерела або
іншого джерела еталонних частот).

Рис. 15.8. Частотные зависимости защитного отношения
при ЗНЧ = 0 (кривая 1) и при ЗНЧ = ± (1/3) Fc (кривая 2)

Прецизійний зсув дає додатковий виграш в захисних відношеннях порівняно із звичайним СНЧ близько 10 дБ, що дозволить скоротити відстані між
співканальними ТБ-радіостанціями в проектованій мережі або підвищити
якість прийому програм вже експлуатованою ТБ-мережі.
Додаткове зниження захисного відношення (також близько 10 дБ) може бути
досягнуте використанням різної поляризації радіохвиль, що випромінюються
співканальними передавачами.
Аналіз показує, що при плануванні ТБ-мереж (з урахуванням норм захисних відносин і рівнів перешкод) зустрічаються серйозні складнощі у виділенні (для ефірного ТБ) необхідної кількості каналів (зазвичай не більш за
один десяток), а, отже, і мовних програм. Даний факт пояснює серйозну ко нкурентну боротьбу за телевізійний частотний ресурс між мовними компаніями.
У зв'язку з викладеним, в світовій практиці намітилися три основні напрями побудови мереж багатопрограмного ТБ-мовлення (до 30 ... 50 програм).
По-перше, створення систем і мереж кабельного ТБ різної ємності з подачею
на них декількох десятків програм від багатьох джерел (з мереж різної природи - ефірного ТБ, від кабельних, радіорелейних і супутникових каналів мовлення), у тому числі і платних. У великих містах кабельне ТБ може кардинально вирішити проблему браку радіочастотного ресурсу.
По-друге, реалізація супутникових систем безпосереднього ТБ-мовлення з
установкою у абонента додаткового пристрою (тюнера) для подачі стандартного ТБ-сигналу на вхід телевізійного приймача.
По-третє, розвиток наземного телемовлення з низьким рівнем випромінювання радіохвиль з реалізацією ідей, запозичених із стільникового мобільного
зв'язку. Системи стільникового телебачення функціонують за наступним
принципом. В межах зони ТБ-мовлення встановлюється мережа базових станцій (ретрансляторів) з радіусом дії 5 ... 6 км. Прийняті від різних джерел ТБпрограми (наприклад, з різних супутників) ретранслюються абонентам. В
цьому випадку абоненти можуть приймати і до 100 ТБ-програм.
258

10. Телевізійна радіостанція
10.1 Вимоги до телевізійних радіопередавачів
Потужності мовних передавачів зображення в піковому режимі зазвичай мають декілька градацій - 1 ... 2, 3, 4, 5, 10, 20 ... 25 і 50 кВт, а малопотужних передавачів і ретрансляторів - 1 ... 3, 10 ... 20 і 100 ... 200 Вт. Потужності
передавачів звукового супроводу (надалі скорочено - звуку) відповідно в 10
разів менше, оскільки при цьому середні значення потужностей передавачів зображення і звуку виявляються приблизно однаковими. Вихідна потужність телевізійної радіостанції указується (після шифру) у вигляді дробу, наприклад, Р зобр /P звук = 1/0,1 кВт або 50/5 кВт і так далі.
Примітка:

Пиковая мощность – максимальная эффективная мощность колебаний высокой
частоты, достигаемая на пиках огибающей модулированного сигнала.
Средняя мощность – мощность, отдаваемая передатчиком в течение достаточно длительного времени по сравнению с периодом наиболее низкой частоты модуляции.

При розгляді принципів побудови телевізійних радіостанцій корисно
орієнтуватися у вимогах, що пред'являються до них (окрім згаданих вище).
Нормована АЧХ повинна задовольняти нерівномірності згідно Рис. 15.8. На
частотах, визначених частотно-модульованими сигналами кольорових піднесучих (у інтервалі 4,2 ... 4,5 МГц), повинне забезпечуватися ослаблення не
менше чим на 10 дБ.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) «наскрізного тракту передавачприймач» оцінюється груповим часом уповільнення (ГЧУ) - при лінійній
ФЧХ близько до нуля ГЧУ. Допустима нерівномірність ГЧУ в смузі до 4,5
МГц повинна бути не більш ±50 нс, а далі до 6 МГц не більш ± 50 нс.
Величину ГЧУ важко вимірювати. Тому для оцінки спотворень на практиці користуються спеціальними випробувальними сигналами, по спотвореннях яких і судять про ступінь відповідності характеристик потрібним. Жорсткі вимоги пред'являються до лінійності амплітудної характеристики
Uвих (Uвх ) на ділянці рівнів від білого до чорного.
У чорно-білих телевізорах її нелінійність приводить до порушення градацій яскравості, а в кольорових - до порушення правильності перенесення
кольорів. Кількісно згадана нелінійність оцінюється так званим диференціальним коефіцієнтом передачі

який не повинен перевищувати (10... 12)%.
Спотворення перенесення кольорів виникають через вплив сигналу (паразитній фазовій модуляції сигналів кольоровості) яскравості, іменованою
259

також диференціальними фазовими спотвореннями і характеризується диференціальним фазовим зрушенням φд = Δφ(U) – φ0, де φ0 - опорне значення
фази, наприклад, при рівні сигналу гасіння.
Для якісного перенесення кольорів необхідно, щоб результуючий φд не
перевищував ±10° (для передавача не більш ±6°).
Ще однією вимогою є ідентичність коефіцієнтів посилення на частотах
передачі сигналів яскравості (fзобр ) і кольоровості fp = fзобр + 4,3 МГц різниця
коефіцієнтів посилення на цих частотах не повинна перевищувати ±1 дБ.
У передавачах з сумісним посиленням сигналів зображення і звукового
супроводу нормується рівень інтермодуляційних складових (не більш -51 дБ).
У передавачах зображення строго нормується рівень паразитної модуляції сигналу фоном змінного струму (із-за недостатнього ослаблення пульсацій
випрямленої живлячої напруги, живлення ланцюгів напруження ламп змінним струмом 50 Гц. наведень і ін.). Згаданий рівень не повинен перевищувати
-46 дБ, а рівень власних шумів (на частотах вище 10 кГц) не більш -56 дБ.
Інакше на екрані глядача будуть помітні широкі горизонтальні темні і світлі
смуги, що поволі переміщаються.
До передавачів ТБ-мовлення ставляться підвищені вимоги до технічної
надійності (стабільності якісних показників і безперебійності роботи). Кожен
глядач міг переконатися, наскільки небажані перерви в передачі (особливо
цікавої!) навіть на декілька хвилин, викликаною не рекламою, а відсутністю
сигналу.
Зазвичай ТБ-передавачі працюють за певним розкладом (часто до 20 годин на добу), що дозволяє в час організувати систематичне профілактичне
обслуговування, контроль параметрів, що залишився, а у разі потреби - і ремонтно-відновні роботи. Вимоги до надійності і стабільності параметрів фо рмулюються часом напрацювання на відмову не менше 1000 годин для передавачів без резервування і не менше 2000 годин для передавачів з резервуванням (при часі відновлення працездатності 2 ... 4 години). Норма для повністю
напівпровідникових радіопередавачів - 3500 годин на відмову.
Перерви в роботі розцінюються як відмова, якщо відбулося:
 виключення передавача (відсутність випромінювання більш 10с),
 зниження вихідної потужності більш ніж на 50 %,
 порушення нормальної роботи тривалістю більше 1 хв, що не приводить
до повної пропажі передачі, але що робить її малопридатною для нормального сприйняття інформації (спотворення, фон, багатократні короткочасні відключення і так далі).
Відхилення від встановлених норм класифікуються як несправність, якщо:
 потужність понижена більш ніж на 20%,
 порушені норми на допустимі рівні позасмугових і побічних випромінювань, відхилення від частоти номінала, зростання рівня фону більш ніж
на 10%, поява помітних на слух спотворень протягом часу більше 1 хв.
та ін.
Практика показує, що середній час ремонту для сучасних радіопередавачів
розподіляється орієнтовно так: визначення місця несправності 55 ... 60%, ві260

дшукання несправності 25%, а заміна або ремонт близько 10%. Тому слід широко упроваджувати розвинені системи діагностики стану апаратури, що дозволяє значно скоротити час відновлення працездатності устаткування.
Випробуваним прийомом для скорочення часу відмови є резервування
устаткування. Поряд з працюючим радіопередавачем встановлюється резервне устаткування, в якому включена система автоматики, прогріті збудники і
подана напруга напруження (якщо використовуються вакуумні прилади). Перемикання на резервне устаткування відбувається автоматично при зниженні
у працюючого передавача вихідної потужності нижче за деякий заздалегідь
встановлений рівень або погіршення певних якісних показників.
Такий спосіб резервування найбільш виправданий при експлуатації щодо малопотужних та негабаритних передавачах. У разі використання потужних дорогих і габаритних передавачів зазвичай використовується система
активного резервування. Апаратура малопотужних трактів (збудники і каскади попереднього посилення) виконується на напівпровідниковій елементній
базі, і має 100%-ий пасивний резерв. Потужні каскади трактів зображення і
звуку виконуються з двох однакових в схемному і конструктивному відношенні напівкомплектів, потужності яких складаються на виході. При аварії в
одному з них вихідна потужність (через втрати в схемі складання) знижується
в 4 рази. При введенні системи комутації справний напівкомплект підключається до виходу в обхід схеми складання потужностей. І тоді вихідна потужність знижується не в 4 рази, а в два. У зоні упевненого прийому (за наявності
АРП в телевізійних приймачах) якість програми, що приймається, знижується
трохи або взагалі непомітно.
Структурна схема. На Рис. 15.13 зображені структурні схеми потужної телевізійної радіостанції, що відображають два варіанти її побудови.
На Рис. 15.13,а представлена ТБ-радіостанція великої потужності. У її
склад входять робочий і резервний комплекти збудників і попередніх підс илювачів передавачів зображення і звуку.
За ними слідують по два напівкомплекти підсилювачів потужності. Посилені сигнали зображення і звуку складаються по потужності в окремих
схемах складання (тому схема називається схемою активного резервування).
а)

РОБОЧИЙ КОМПЛЕКТ

ЗОБРАЖЕННЯ

ЗБУДЖ.
ЗОБРАЖ.

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗОБРАЖ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗОБРАЖ.
СХЕМА
СКЛАДАННЯ
ПОТУЖН.

ЗВУК

ЗБУДЖ.
ЗВУКУ

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗВУКУ

ЗБУДЖ.
ЗОБРАЖ.

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗОБРАЖ.

РАБОЧ.

РЕЗЕРВ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗОБРАЖ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗВУКУ

СКЛАДАННЯ
ВКЛЮЧ.

СХЕМА
СКЛАДАННЯ
ПОТУЖН.

ЗБУДЖ.
ЗВУКУ

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗВУКУ

ФАЗООБЕРТАЧ

РЕЗЕРВНИЙ КОМПЛЕКТ

261

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗВУКУ

СКЛАДАННЯ
ВКЛЮЧ.

ПОДІЛЮВАЛ.
ФІЛЬТР
(ДИПЛЕКСЕР)

ФІЛЬТР
ГАРМОНІК

б)

РОБОЧИЙ КОМПЛЕКТ

ЗОБРАЖЕННЯ

ЗБУДЖ.
ЗОБРАЖ.

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗОБРАЖ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗОБРАЖ.
ПОДІЛЮВАЛ.
ФІЛЬТР
(ДИПЛЕКСЕР)

ЗВУК

ЗБУДЖ.
ЗВУКУ

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗВУКУ

РАБОЧ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗВУКУ
СХЕМА
СКЛАДАННЯ
ПОТУЖН.

ЗБУДЖ.
ЗОБРАЖ.

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗОБРАЖ.

ЗБУДЖ.
ЗВУКУ

ПОПЕРЕДН.
ПІДСИЛ.
ЗВУКУ

РЕЗЕРВ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗОБРАЖ.

ФАЗООБЕРТАЧ

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.
ЗВУКУ

ФІЛЬТР
ГАРМОНІК

ПОДІЛЮВАЛ.
ФІЛЬТР
(ДИПЛЕКСЕР)

СКЛАДАННЯ
ВКЛЮЧ.

РЕЗЕРВНИЙ КОМПЛЕКТ

Рис. 15.13. Структурні схеми телевізійної радіостанції з роздільними трактами
передачі (а) та із загальним трактом посилення (б) сигналів зображення і звуку

Це варіант роздільного посилення сигналів зображення і звуку. Для подачі в передавальну антену обидва сигнали поступають на розділовий фільтр
(диплексер), що виконує функцію розв'язки трактів.
У другому варіанті (Рис. 15.13,6) після підсилювачів і попередніх підс илювачів слідують два напівкомплекти, до складу кожного з яких входять підсилювачі потужності каналів зображення і звуку. Вихідні сигнали об'єднуються за допомогою роздільних (розв'язуючих) фільтрів, а потім здійснюється
складання потужностей обох напівкомплектів. У обох варіантах на входах
підсилювачів потужності включені керовані фазообертачі для компенсації
фазових зрушень в обох напівкомплектах. Другий варіант раціональніший:
при аварії відключається все устаткування напівкомплекту, тоді як в першому
варіанті при аварії (наприклад, в одному з напівкомплектів зображення) для
забезпечення певного співвідношення потужностей Р зобр і Р звука необхідно
удвічі знижувати потужність передавача сигналу звуку. Крім того, в другому
варіанті менше число комутацій, що покращує надійність.
Таблиця 15.4. Елементна база, що рекомендується, для підсилювачів ТБпередавачів
Вихідна потужність,
кВт

Основний активный елемент

до 1
1 ... 5
10 ... 25

транзистор
транзистор
тетрод

вище 25 кВт:
в метровому діапазоні
в ДМВ-діапазоні

тетрод
клістрод та клістрон

Альтернативный
элемент

ні
тетрод
в ДМВ-діапазоні
клістрод та клістрон
ні

262

активный

ні

Модуляція. У ранніх розробках передавачів зображення амплітудна модуляція здійснювалася в одному з проміжних каскадів (так звана модуляція на
середньому рівні). В цьому випадку на форму АЧХ впливає настройка вибо рчих ланцюгів в модульованому і всіх подальших каскадах посилення модульованих коливань.
Критичність цього впливу може бути понижена при скороченні числа
підсилювальних каскадів або при модуляції у вихідному каскаді. Проте, в
цьому випадку потрібний потужний підсилювач відеосигналу для здійснення
модуляції. Тому останній варіант не застосовується, оскільки неможливо
створити потужний відеопідсилювач на смугу частот від нуля до 6,5 МГц.
Загальний недолік резервування - неминучі перерви у мовленні на час спрацьовування перемикачів великої потужності (до 10 с, що не вважається відмовою).
У сучасних ТБ-передавачах здійснюються не тільки необхідні комутації
в аварійних ситуаціях, але включення і виключення (через 5 хв) всієї станції
відповідно при подачі (знятті) сигналів зображення і звуку на збудники.
Елементна база могутніх підсилювачів, що рекомендується (з урахуванням багатокритеріальності рішення задачі), представлена в табл. 15.4.
Транзистори поступово витісняють вакуумні прилади в потужних каскадах передавачів. Спеціально для застосування в ТБ-передавачах випускаються «суперлінійні» транзистори і балансні мікрозбірки для побудови двотактних підсилювачів потужності на 100 ... 250 Вт.
Тетроди випускаються на потужності до 25 кВт. Клістроди є порівняно
новими приладами. Зарубіжний аналог - Inductive Output Tube (IOT), лампи з
наведеним вихідним струмом. Вони розроблені спеціально для лінійного посилення потужності ТБ-радіостанцій на потужності в десятки кіловат.
Без подальших подробиць можна відзначити, що сучасна тенденція
створення модуляторів сигналом зображення зводиться до здійснення
модуляції на малому рівні потужності на постійній частоті (не залежною
від використовуваного ТБ-каналу мовлення, його несучої частоти), як це
реалізується і в зв'язних радіопередавачах.
Формування радіосигналів зображення і звуку може здійснюватися не в
різних збудниках, як показано на Рис. 15.13, а в одному. Приклад схеми такого збудника приведений на Рис. 15.14.
У схемі Рис. 15.14,а прийнятий радіосигнал ТБ-мовлення (на каналі fвx )
після посилення в тракті радіочастоти поступає на вхід змішувача. Фільтр на
його виході виділяє радіосигнал на іншій частоті (fвиx), а потім сигнал посилюється, подається на передавальну антену і випромінюється.
На вхід збудника подаються сигнали зображення і звуку.

263

ЗОБРАЖ.

ТРАКТ
ОБРОБКИ
ВІДЕОСИГН.

БАЛАНСН.
МОДУЛЯТ.

ФОРМУВАЧ
АЧХ

ПРИСТРІЙ
ПЕРЕДКОР.

ПРИСТР.
ПРЕДК.
ІНТЕРМОД.
ВИКРИВЛ.

ЗВУК

fПЧ ЗВУК

СИНТЕЗАТ.
ЧАСТОТ
fПЧ ЗОБР

ТРАКТ СТВ.
СИГН. ЗВУК.
СЛІДУВ.

ЧАСТОТНО
МОДУЛЬОВ.
ГЕНЕРАТОР

UАПЧ

ПЕРЕТВОР.
ЧАСТОТИ

ВИХ.
ЗБУДЖ.

fГЕТ

fПЧ ЗОБР

ОПОРНИЙ
КВАРЦ.
ГЕНЕРАТОР

СХЕМА СКЛ.
СИГН. ЗОБР.
І ЗВУКУ

ДИСКРИМ.
АПЧ

СИНТЕЗАТ.
ЧАСТОТ
ГЕТЕРОД.

ПРИСТРІЙ
ФОРМУВ.
fПЧ ЗВУК

ФІЛЬТР
НИЖНІХ
ЧАСТОТ
СИНТЕЗАТОР fПЧ ЗВУК

Рис.
15.14.
Схема
збудника
зображення і звукового супроводу

для

тракту

посилення

сигналів

У тракті обробки відеосигналу (окрім ослаблення перешкод, які могли
проникнути в повний колірний телевізійний сигнал на шляху з телецентру до
радіостанції) відновлюється постійна складова перед подачею цього сигналу
на балансний модулятор. У цьому ж тракті здійснюється часткова передкорекція нелінійних спотворень, що виникають в подальших каскадах передавача.
У цьому тракті передбачається негативний зворотний зв'язок по огинаючій, що сприяє стабілізації характерних рівнів у вихідному радіосигналі (рівня
гасіння, рівня вершин синхроімпульсів, а іноді і рівня білого). Крім того, в
тракті проводиться регенерація синхросуміші: на її місце замішується регенерований, звільнений від шумів синхросигнал.
Первинне формування радіосигналу здійснюється на постійній частоті
fпч зобр . Зазвичай вибирається стандартне значення fпч зобр = 38 МГц. Якщо в
мережі телемовлення передбачається зсув несучих частот (ЗНЧ, див. п.
15.2.1.2), то синтезатор ПЧ зображення генерує сітку частот з кроком
ΔfСНЧ = ΔfСТ Р /12 = 15625/12 ≈ 1,3 кГц, рівним 1/12 частот рядків (ΔfСТР):
fПЧ изобр = 38 МГц ± n ΔfСНЧ , де n = 1 ... 20. Схема синтезатора є системою
імпульсно-фазової АПЧ з ДПКД (коефіцієнт ділення ДПКД змінюється в межах 29204 ... 29164). Частота порівняння на вході дискримінатора системи
АПЧ виходить шляхом ділення частоти опорного кварцевого генератора (з
частотою 10 МГц) дільником з фіксованим коефіцієнтом ділення в 7680 разів.
Після балансного модулятора послідовно включені формувач АЧХ, каскади
посилення і передкорекції різного призначення, зокрема передкоректор інтермодуляційних спотворень, а також пристрій підсумовування радіосигналів
зображення і звукового супроводу.
Тракт обробки сигналу звукового супроводу при моносупроводі (із смугою 30 ... 15000 Гц) складається з підсилювача-обмежувача і передкоректора,
в якому проводиться підйом верхніх звукових частот ланцюгом з постійною
складовою 50 мкс. При стереосупроводі (Л + П) або двоканальному супроводі
здійснюється роздільна обробка сигналів, включаючи передспотворення і
формування комплексного модулюючого сигналу. У цей сигнал додатково
можуть бути введені додаткові інформаційні сигнали на піднесучих (як крок
до мультимедійного мовлення). Смуга частот, займана модулюючим сигна264

лом за системою IRT, складає 30 ... 56000 Гц, а за системою BTSC (багатоканальний супровід) від 30 до 120000 Гц.
Синтезатор ПЧ звукового супроводу (fпч звуку = 31,5 МГц) побудований
аналогічно синтезатору Г ПЧ зобр . Формована сітка частот повинна мати той же
крок А1снч (нагадаємо, що між несучими частотами зображення і звукового
супроводу повинен існувати жорсткий зв'язок). Особливістю є те, що в якості
стабілізуючого генератора використовується автогенератор, який піддається
кутовій модуляції сигналом звукового супроводу.
Щоб кільце імпульсно-фазової АПЧ не здійснювало демодуляцію смуга
пропускання фільтру нижніх частот не повинна перевищувати 15 Гц (приблизно половини нижньої модулюючої частоти). При сітці частот ΔfЗНЧ ≈ 1,3 кГц
забезпечується стійка стабілізація центральної частоти модульованого сигналу.
Сформований (на проміжних частотах) радіосигнал зображення і звуку
після схеми складання поступає на перетворювач частоти, де переноситься (за
допомогою коливань гетеродина fгeт ) на частоту необхідного каналу телемовлення, по алгоритму fвих = fгет - fпч зобр . При цьому відбувається інверсія спектру радіосигналів зображення і звуку, сформованих на ПЧ.
Нагадаємо, що для реалізації ідеї зсуву частот передавачів в мережі по трібна абсолютна нестабільність частоти біля ±1 Гц. Це число визначає вимоги
до довготривалої нестабільності частоти опорного кварцевого генератора
(±1.10 -7 за рік). Можливе додаткове підвищення стабільності частоти за допомогою системи АПЧ опорного генератора по еталонних частотах радіослужби
точних частот і єдиного часу (які у свою чергу коректуються по атомно молекулярних стандартах частоти з відносною нестабільністю 10 -10 ... 10 -12).
Рівень вихідного сигналу із збудника складає близько 1 Вт.
Подальше посилення сформованих сигналів здійснюється в загальних
підсилювачах, тому такий метод отримав найменування сумісного посилення.
10.2 Телевізійні ретранслятори
Для забезпечення ТБ-мовлення невеликих населених пунктів, розташованих зовні зон мовлення крупних телевізійних радіостанцій або в місцях, де
прийом утруднений через складні умови розповсюдження радіохвиль, використовуються телевізійні ретранслятори (далі просто - ретранслятори) невеликої потужності (1 ... 100 Вт). Завданням ретранслятора є прийом програми і
подальша передача її на новому каналі (частоті несучого зображення). Передача програми на частоті прийому недопустима, оскільки випромінювання
передавача на частоті прийому зробить неможливим прийом ретрансльованої
програми.
Примітка. Доказ згаданої неможливості можна показати на прикладі. Хай
передавач ретранслятора має вихідну потужність 1 Вт на вхідному опорі передавальної антени, рівному 75 Ом. Цій потужності відповідає напруга на
виході передавача близько 9 В. Якщо припустити чутливість приймача ретранслятора рівною 1 мВ, то коефіцієнт посилення ретранслятора на частоті
265

передачі (вона ж - частота прийому) складе 9000 (близько 79 дБ). Для нормальної роботи ретранслятора-підсилювача необхідно, щоб розв'язка (загасання)
між приймальною і передавальною антенами перевищувала коефіцієнт посилення ретранслятора на 40 ... 50 дБ, тобто складала близько 120 дБ. Таку розв'язку між приймальною і передавальною антенами дуже важко реалізувати
навіть при спеціальному виборі місць установки антен. Тому, не дивлячись на
зовнішню простоту ретранслятори-підсилювачі не отримали застосування.
У ретрансляторах ранніх випусків для переходу з одного каналу мовлення на інший (після прийому і посилення) здійснювалася демодуляція, тобто
відновлювалися повний телевізійний відеосигнал і сигнал звукового супроводу. Сигнали, що демодулюються, піддавалися необхідним корекціям (для відновлення необхідної якості), посилювалися і піддавали модуляції нову нес учу
частоту передачі. Порівняльна складність побудови ретранслятора з демодуляцією не компенсується великими можливостями відновлення повного телевізійного сигналу і поліпшення його параметрів. Тому надалі подібна побудова ретрансляторів була визнана нераціональною.
На Рис. 15.15 представлено два варіанти ретрансляторів з перенесенням
спектру з одного мовного каналу (fвx) в іншій (fвиx ).
а)
АРП

fвх
ТРАКТ
РАДІОЧАСТ.
ПРИЙМАЧА

ЗМІШУВАЧ

ФІЛЬТР

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.

fвих

fг
ОПОРНИЙ
КВАРЦЕВИЙ
ГЕНЕРАТОР

б)
АРП

fвх
ТРАКТ
РАДІОЧАСТ.
ПРИЙМАЧА

fПЧ ПІДСИЛЮВ.
ЗМІШУВАЧ

fГ1

ФІЛЬТР

ПРОМІЖНОЇ
ЧАСТОТИ

ЗМІШУВАЧ

ФІЛЬТР

ПІДСИЛЮВ.
ПОТУЖН.

fвих

fГ2

ОПОРНИЙ
КВАРЦЕВИЙ
ГЕНЕРАТОР

Рис. 15.15. Структурні схеми ретрансляторів з безпосереднім перенесе нням (а) і з
подвійним перетворенням частоти (б )

При перетворенні частоти не повинно відбуватися інверсії спектру. Тому
при переході з низькочастотного каналу на більш високочастотний (fвx < fвиx)
після змішувача повинна виділятися сумарна частота fвиx = fвx + fг. При перетворенні сигналів більш високочастотного сигналу в низькочастотний на виході змішувача повинна виділятися різницева частота fвиx = fвx - fг .
У схемі з подвійним перетворенням частоти (Рис. 15.15,б) спочатку спектр
прийнятого сигналу (за допомогою частоти першого гетеродина fг1) перено266

ситься на проміжну частоту fпч. На ній проводиться основне посилення радіосигналу і його корекція. Потім сигнал проміжної частоти (за допомогою коливань частоти другого гетеродина fг2 ) перетвориться в сигнал fвиx, який додатково посилюється (у підсилювачі потужності) і випромінюється.
Якщо частота fг1 > fвx, то fпч = fг1 - fвx, і спектр проміжної частоти буде інвертований. Тому частота другого гетеродина fг2 також вибирається вище за
частоту вихідного сигналу fвиx, і на виході виділяється різницевий сигнал fвиx
= fг2 - fпч. Після повторної інверсії спектру випромінюється не інвертований
радіосигнал. Різниця між частотами гетеродинів рівна різниці між частотами
вхідного і вихідного сигналів fг1 - fг2 = fвx - fвиx незалежно від значення проміжної частоти.
Проміжна частота зазвичай вибирається рівною стандартному значенню,
використовуваному в побутових телевізійних приймачах (fпч зобр = 38 МГц, fпч
звуку = 31,5 МГц).
Частоти гетеродинів формуються з коливань опорного кварцевого генератора (штрихові лінії на малюнку), що декілька знижує стабільність частоти,
оскільки fвиx = fвx + (fг2 - fг1).
Проте, стабільність різницевої частоти між несучими зображення і звукового супроводу fзв - fзобр на виході ретранслятора визначається тільки стабільністю цих частот в радіосигналі, що приймається, і не залежить від стабільності частот гетеродинів ретранслятора.
Для полегшення вимог до розв'язки між антенами частоту передачі не
рекомендується вибирати рівній частоті суміжного каналу прийому (в цьому
випадку необхідна розв'язка між приймальною і передавальною антенами
ретранслятора достатня 30 ... 40 дБ). При згаданих вище fпч зобр = 38 МГц, fпч
звуку = 31,5 МГц дана вимога виконується.
Для стабілізації рівня вихідного сигналу в ретрансляторах передбачається
автоматичне регулювання підсилення (АРП).

267

10.3 ЕЛЕМЕНТИ РАДІОПЕРЕДАВАЛЬНОГО ТРАКТУ
ТЕЛЕВІЗІЙНИХ ПЕРЕДАВАЧІВ (за матеріалами каталогу продукції
НПП «Квант-Ефір»)

268

269

270

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

ДОДАТОК С . РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №22

Рис. 9. Упрощенная структурная схема цветной камеры на
трех ПЗС

281
Рис.17.10. Эскиз универсальной электронной испытател ь-

Номинальные значения частот несущих изображения, звука
и полосы частот. Стандарт D. Россия, страны СНГ, Восточной
Европы и Африки

282

ЛЕКЦІЯ №23. ТЕЛЕВІЗІЙНІ ПРИЙМАЧІ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Брагин А.С. Технологии вещательных служб. Часть 1. Технологии
звукового радиовещания. – К.: НТУУ «КПИ», 2006.
2. Телевидение: Учеб. для вузов, изд. 3-е. /Под ред. В. Е. Джаконии. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2004. – 606 с.

1. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ НАЗЕМНОГО ВЕЩАНИЯ
Вид модуляции и ширина спектра радиосигналов телевизионного
вещания. Согласно ГОСТ 7845-92 радиосигнал изображения формируется с
помощью амплитудной модуляции несущей изображения полным цветовым
ТВ сигналом с частичным подавлением нижней боковой полосы частот, а
радиосигнал звукового сопровождения – с помощью частотной модуляции
несущей звука сигналом звукового сопровождения. При этом номинальная
полоса частот радиоканала изображения составляет 7,625 МГц (ослабление
составляющих 1,25 и 6,375 МГц относительно несущей – на 20 дБ), а звукового сопровождения 0,25 МГц; разнос несущих частот звука и изображения
6,5 МГц (несущая частота изображения fн.и меньше несущей частоты звука
fн.зв); номинальная ширина полосы частот радиоканала ТВ вещания 8 МГЦ
(рис. 16.1,а).
Разные виды модуляции радиосигналов ТВ вещания облегчают их разделение в телевизионных приемниках. Составляющие спектра каждой боковой полосы – нижней и верхней – содержат всю информацию о передаваемом
сигнале. Поэтому подавление нижней боковой полосы спектра радиосигнала
изображения устраняет избыточность информации и дает возможность сократить полосу частот, занимаемую ТВ каналом. В результате в одном и том же
диапазоне удается разместить большее число каналов. Однако практически
для уменьшения квадратурных искажений ТВ сигнала, возникающих в линейном амплитудном детекторе приемника при подавлении одной боковой
полосы, оставляют неподавленной небольшую часть спектра нижней боковой
шириной 0,75 МГц (рис. 16.1,а). В этом случае крупные детали будут передаваться без градационных искажений, а искажения в мелких деталях глаз не
воспринимает, так как имеет характеристику ФНЧ в области высоких пространственных частот. При этом несколько усложняется формирование АЧХ
радиоканала изображения ТВ приемника. Она должна соответствовать кривой рис. 16.1,б, с кососимметричным склоном, так называемым склоном Найквиста; в частности, уровень напряжения несущей частоты изображения должен ослабляться на 6 дБ (в 2 раза), а составляющая 0,75 МГц нижней боковой
– на 20 дБ (по сравнению с уровнем опорной частоты спектра 1,5 МГц верхней боковой). В этом случае после детектирования радиосигнала изображения суммарное номинальное напряжение, образующееся на нагрузке детекто283

ра от симметричных частот составляющих нижней и верхней боковых полос,
на любой частоте спектра в пределах 0...6 МГц всегда будет равно единице (в
относительных величинах). Это означает, что форма результирующей АЧХ
тракта передачи радиосигнала изображения от модулятора передатчика до
нагрузки детектора приемника (характеристика верности) будет равномерной
в заданной полосе частот 6 МГц (рис. 16.1,в).
В связи с большой помехоустойчивостью передаваемого методом широкополосной ЧМ звукового сопровождения и для уменьшения помехи от него
в канале изображения мощность излучения несущей звука в 10 раз уменьшена
по отношению к мощности несущей изображения.
Полярность модуляции радиосигнала изображения. Радиосигнал
изображения может иметь позитивную или негативную полярность в зависимости от полярности модулирующего ТВ сигнала (рис. 16). В большинстве
стран принята негативная полярность модуляции, при которой максимальная
амплитуда несущей частоты соответствует уровню сигнала синхронизации, а
минимальная – уровню белого. В этом случае:
а) передатчик излучает в среднем существенно меньшую мощность, так
как по статистике в вещании преобладают светлые сцены и поэтому огибающая АМ несущей изображения прижимается к временной оси (см. рис. 16.а и б);
б) импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек и визуально менее заметны;

284

в) повышается помехоустойчивость системы синхронизации благодаря
тому, что при передаче сигнала синхронизации передатчик излучает максимальную (пиковую) мощность;
г) облегчается построение АРУ приемников; в качестве опорного сигнала АРУ используется сигнал синхронизации разверток приемников, так как
он не зависит от содержания изображения. Опорный сигнал при негативной
полярности соответствует максимальному размаху несущей, и поэтому для
его выделения можно использовать простые устройства.
В телевизионном вещании не допускается 100 %-ной модуляции.
Для черно-белого телевидения остаточный уровень непромодулированной несущей составляет 15 %, а для цветного вещания – 7 %.
Поляризация волн электромагнитного излучения. Согласно ГОСТ
7845-92 допускается использовать горизонтальную или вертикальную поляризацию волн электромагнитного излучения ТВ радиопередатчика. Преимущество отдается горизонтальной поляризации, так как в этом случае наблюдается несколько меньшее воздействие промышленных помех. Однако при
наличии взаимных помех между радиопередатчиками использование вертикальной поляризации дает возможность уменьшить взаимные помехи не менее чем на 10 дБ.
Диапазон волн. В телевизионном вещании используют ультракороткие
волны: метровые и дециметровые. В пределах пяти частотных диапазонов
размещено 60 радиоканалов:
I диапазон
48,5...66 МГц (радиоканалы 1 и 2);
ІI диапазон
76…100 МГц (радиоканалы 3 – 5);
II диапазон 174...230 МГц (радиоканалы 6 – 12);
IV диапазон 470...582 МГц (радиоканалы 21 – 34);
V диапазон 582...790 МГц (радиоканалы 35 – 50).
В настоящее время освоен метровый диапазон (радиоканалы 1 – 12) и
осваивается дециметровый. Выбор нижней границы I диапазона определяется
тем, что для выделения полного цветового телевизионного сигнала из радиосигнала изображения необходимо, чтобы несущая в несколько раз превышала
максимальную частоту спектра модулирующего сигнала 6 МГц. Кроме того,
диапазон примерно до 40 МГц занят для радиовещания, радиосвязи и других
целей. Верхняя граница V диапазона ограничена длинами волн, на которых
начинают сказываться значительное поглощение излучения в атмосфере и
влияние ее неоднородностей – дождя, тумана и т.д. Поэтому диапазон СВЧ
30...3 см (1...10 ГГц) используется для передачи ТВ сигналов только в радиорелейных и космических системах связи, а также в линиях связи ПТС и ТТП
(см.гл. 13).
Зона обслуживания ТВ вещанием определяется границами зоны уверенного приема радиосигналов, в пределах которых сигнал не зависит от
времени суток, года и других факторов. Эти границы фиксируются по медианному (среднестатистическому по времени и месту) значению напряженности поля излучения радиосигнала изображения.
Чтобы зоны уверенного приема радиосигналов изображения и звукового
сопровождения были примерно одинаковы, номинальная мощность канала
285

изображения выбирается в 10 раз больше мощности канала звукового сопровождения ТВ передатчика.
Эффективное значение напряженности поля, мкВ/м, в зоне уверенного
приема может быть оценено по формуле Б.А.Введенского
E  2,18h1h2 PG /(λr 2 ),

где h 1, h2 – высоты передающей и приемной антенн, м; r – расстояние между
антеннами, км; Р – мощность радиопередатчика, кВт;  - длина волны его
излучения, м; G – коэффициент усиления передающей антенны (для турникетной примерно равен числу ее этажей).
Из-за того, что УКВ при распространении испытывают очень малую рефракцию в атмосфере, радиус действия телевизионного радиопередатчика
примерно ограничен расстоянием прямой видимости, км:
r  3,5( h1  h2 ).
Поэтому увеличение мощности излучения передатчика позволяет увеличить напряженность поля в зоне прямой видимости, но почти не расширяет
зону обслуживания ТВ вещанием. Эта зона может быть увеличена с помощью
радиорелейных, кабельных и космических линий связи (с ретрансляцией радиосигналов передающими станциями).

2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ
Телевизионный приемник предназначен для воспроизведения изображения и звукового сопровождения нескольких вещательных программ. Эта задача решается путем приема, усиления и преобразования одновременно двух
независимых радиосигналов вещательного ТВ, их взаимного разделения, а
также селекции сигналов синхронизации.
В настоящее время все ТВ приемники строятся по супергетеродинной
схеме с однократным преобразованием несущей изображения и двукратным
преобразованием несущей звукового сопровождения. Структурная схема
приемника черно-белого телевидения приведена на рис. 16.3. Принципы работы основных узлов радиовещательных и телевизионных приемников аналогичны. Характерные особенности последних связаны с относительно широким спектром радиосигнала изображения и его сложным составом.
Телевизионная антенна А для приема радиосигналов определенных каналов должна иметь соответствующую полосу пропускания, а ее сопротивление (так же как и сопротивление входной цепи приемника) должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидера. Эти параметры, а также диаграмма направленности и коэффициент усиления зависят от конструкции антенны, основой которой чаще всего является полуволновый вибратор.

286

Рис. 16.3. Структурная схема приемника черно-белого изображения

Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначен для предварительного
усиления радиосигналов. Частотная характеристика УВЧ равномерная в пределах ширины полосы частот канала. Форма ее за пределами полосы выбирается такой, чтобы обеспечить избирательность приемника по зеркальному
каналу, т.е. каналу, частота несущей которого совместно с частотой гетеродина образует в смесителе колебания, попадающие в канал промежуточной
частоты. Шумовые параметры УВЧ во многом определяют чувствительность
приемника, поэтому в УВЧ должны использоваться элементы с малым эквивалентным шумовым сопротивлением.
Смеситель (См) и гетеродин (Г) служат для преобразования несущих
изображения fн.и и звукового сопровождения fн.зв в соответствующие промежуточные частоты. Последние образуются как разность между частотой гетеродина fг и несущими частотами (согласно ГОСТ 7845-92 для современных
ТВ приемников):
f ПЧи  fг  fн.и  38,0 МГц;
(16.1)
f ПЧзв1  fг  fн.зв  31,5 МГц.
(16.2)
Конструктивно УВЧ, См и гетеродин объединены в один узел – селектор
(переключатель) ТВ каналов (СК, ПТК). Для приема радиосигналов различных каналов колебательные контуры этого узла в диапазонах перестраиваются с помощью варикапов, которые позволяют осуществить электронный выбор программ и автоматическую подстройку частоты гетеродина (АПЧГ).
В усилителе промежуточной частоты канала изображения (УПЧИ) производится основное усиление радиосигнала изображения, формируется частотная характеристика приемника (см. рис. 16.1,б,г) и обеспечивается тем
самым избирательность по соседнему каналу. Система автоматической регулировки усиления охватывает селектор УВЧ и УПЧИ. В отличие от приемников звукового радиовещания ТВ приемники используют, как правило, ключевую АРУ, в которой анализ уровня сигнала после детектора происходит толь287

ко во время обратного хода строчной развертки по фиксированным уровням
видеосигнала. В УПЧИ несколько усиливается и радиосигнал звукового сопровождения. Уровень последнего на нагрузке амплитудного детектора АД
должен быть небольшим, так как этот сигнал является помехой для ТВ сигнала и может проявиться на экране в виде различных полос, следующих в такт с
сигналом звукового сопровождения. Поэтому в последних моделях ТВ приемников радиосигнал звукового сопровождения практически полностью подавляется режекторным контуром в УПЧИ, а в канале звукового сопровождения организуется отдельный АД зв, включаемый до этой режекции.
Прием двух радиосигналов с помощью однократного преобразования
несущих в настоящее время не используется из-за необходимости строгого
сопряжения настроек и, главное, обеспечения стабильности параметров УПЧ
изображения и звука. Действительно, при однократном преобразовании несущих звукового сопровождения и изображения значения соответствующих
промежуточных частот зависят от частоты гетеродина. Поэтому настройки
двух отдельных УПЧ должны быть строго согласованы между собой и это
сопряжение должно быть строго стабильно во времени. Последнее требование выполнить чрезвычайно трудно. В то же время взаимная расстройка УПЧ
приводит к ухудшению качества воспроизведения изображения или звука.
Чтобы избежать взаимозависимости настроек каналов и обеспечить при
одном гетеродине прием двух независимых сигналов, используются биения
между промежуточными частотами изображения и звукового сопровождения.
Эти биения возникают в нелинейном устройстве – амплитудном детекторе –
втором преобразователе частоты радиосигнала звукового сопровождения, в
котором в качестве сигнала второго гетеродина используется относительно
большой сигнал промежуточной частоты изображения. Вторая промежуточная частота звука
fПЧзв2  f ПЧи  f ПЧзв1  38  31,5  6,5 МГц.
(16.3)
Эта частота не зависит от частоты гетеродина приемника, а определяется
только относительной стабильностью несущих изображения и звука (500 Гц
каждая согласно ГОСТ 7845-92), так как, учитывая (16.1) и (16.2),
f ПЧзв2  fн.зв  fн.и  6,5 МГц.
Чтобы в процессе второго преобразования частоты даже кратковременно
не пропадал сигнал звукового сопровождения, ГОСТ 7845-92 предусмотрено
обязательное наличие немодулированного остатка несущей изображения с
уровнем 15  2 % при передаче уровня белого (см. рис. 16.2,а), а с цветовой
поднесущей – 7  2 % максимального уровня радиосигнала.
С нагрузки АД полный ТВ сигнал поступает через видеоусилитель ВУ
на модулятор кинескопа, а сигнал второй промежуточной частоты звука fПЧзв2 –
на УПЧЗ. Так как сигнал „второго гетеродина” модулирован по амплитуде,
сигнал звукового сопровождения на ТПЧ необходимо глубоко ограничить в
амплитудном ограничителе (АО) для устранения паразитной амплитудной
модуляции. Обычно эта операция производится совместно с детектированием
в частотном детекторе (ЧД). После детектирования сигнал звукового сопро288

вождения через усилитель звуковой частоты (УЗЧ) поступает на громкоговорители.
Канал синхронизации содержит амплитудный селектор (АС) и временной селектор (ВС). Первый из них (ограничитель) выделяет из полного ТВ
сигнала сигнал синхронизации разверток, а второй (интегрирующие и дифференцирующие цепочки) – из этого сигнала синхронизации кадровые и строчные синхронизирующие импульсы. Особенности работы селекторов, развертывающих устройств, высоковольтного выпрямителя (ВВ) и системы автоматической подстройки частоты и фазы строчной развертки (АПЧиФ) изложены
в гл.8 и 9.
Структурная схема цветного телевизионного приемника. Общий
признак современных вещательных систем цветного ТВ с частотным уплотнением сигналов – совместимость – позволяет применять для радиоприема
аналогичную с черно-белым вещанием схему приемника цветного телевидения. В силу более сложного по составу полного цветового ТВ сигнала, естественно, некоторое ужесточение требований к радиотракту такого приемника,
а также введение необходимых для управления цветным кинескопом цепей
обработки сигналов цветного телевидения и устройства статического и динамического сведения лучей, характерных для конкретного типа используемых
цветных кинескопов.
Структурная схема приема сигналов цветного телевидения в совместимой системе представлена на рис.16.4. Радиосигнал, принятый телевизионной
антенной, поступает на селектор каналов (СК), настроенный на соответствующий радиоканал в метровом или дециметровом диапазоне вещания. Выделенные и преобразованные по частоте сигналы изображения и звукового сопровождения затем поступают в общий УПЧИ, входящий в состав блока радиоканала. Сигнал, поступающий с выхода УПЧИ, детектируется АД, усиливается ВУ блока цветности и в качестве яркостного сигнала E′Y подается на
объединенные катоды (для дельта-кинескопа) цветного кинескопа Получение
цветоразностных сигналов E′R–Y, E′G–Y и E′B–Y осуществляется в блоке цветности
декодером соответствующего стандарта, на который цветовой сигнал на модулированной поднесущей поступает с выхода АД блока радиоканала. Результирующие цветоделенные сигналы E′R, E′G и E′B для дельта-кинескопов
получают опосредованно на соответствующих парах электродов кинескопа
модулятор – катод, управляя токами лучей. В кинескопах с самосведением,
где только один общий электрод-модулятор, применяется внешнее матрицирующее устройство МУ, в котором из входных сигналов E′R–Y, E′G–Y и E′B–Y получают на выходах, подключенных к соответствующим катодам, цветоделенные сигналы E′R, E′G и E′B. Отклоняющие токи для кинескопа формируются в
блоке разверток, а корректирующие токи, обеспечивающие сведение лучей в
дельта-кинескопе, формируются в блоке динамического сведения БДС и подаются на катушки сведения КС цветного дельта-кинескопа.
В применяемых кинескопах с самосведением динамическое сведение не
требуется, что значительно упрощает эксплуатацию цветного приемника.

289

Рис. 16.4. Структурная схема приемника цветного телевидения

Особенности работы разверток для цветных кинескопов были достаточно освещены в гл.8. Следует отметить, что радиоканал цветного приемника
должен иметь лучшие характеристики, чем аналогичный в приемнике чернобелого телевидения, В частности, к АЧХ УПЧИ предъявляется требование
обеспечить усиление не менее 1800...2000 раз (до 66 дБ) с допустимой неравномерностью 1,5 дБ в полосе сигнала, в противном случае может возникнуть
паразитная амплитудная модуляция поднесущей цветности и в конечном счете – искажение цветного изображения.
Характеристика УПЧИ должна обеспечить более глубокую режекцию
звуковой несущей своего и соседнего каналов на частотах 31,5 МГц и 39,5 МГц
не хуже 34...40 дБ во избежание помех на изображении от биений между цветовой поднесущей и несущей звука с частотами 1,75…2,6 МГц. Вследствие
того, что звуковая несущая в УПЧИ цветного приемника ослаблена не менее
чем на 20 дБ по сравнению с несущей изображения, эффективное второе преобразование звуковой частоты выполняют не в видеодетекторе, а в отдельном
диодном преобразователе АД, включенном в тракте УПЧИ там, где выдерживается соотношение размахов несущих изображения и звука 10...20 , т.е. до
глубокой режекции. Увеличенная глубина режекции несущей звука в цветном
приемнике будет благоприятно сказываться на качестве изображения, если
точность настройки приемника будет не хуже 50 кГц от номинальной частоты канала, при которой частота режекции звука в УПЧИ будет равна преобразованной частоте несущей звука. Отсюда следует, что в цветном приемнике
должна быть обязательно применена система АПЧГ, обеспечивающая это
условие, а селектор каналов должен обеспечивать достаточную стабильность
гетеродина и большую, чем для приемника черно-белого телевидения, равномерность и избирательность АЧХ в принимаемом канале.
290

4,43
МГц

Во избежание проявления квадратурных искажений, характерных при
использовании линейного амплитудного детектора в системах с однополосной амплитудной модуляцией, в современных приемниках цветного телевидения применяется в УПЧИ квазисинхронный детектор с опорным контуром,
настроенным на промежуточную частоту несущей изображения 38,0 МГц.
Это позволяет при точной настройке контура добиться линейной передачи
всех составляющих спектра сигнала в полосе приема независимо от их
амплитуды и тем самым избежать интермодуляционных искажений сигналов
яркости и цветности, свойственных линейному амплитудному детектированию.

291

Высокие требования к форме АЧХ радиотракта цветного приемника в
современных схемах реализуются в. полосовых фильтрах УПЧИ и УПЧЗ пьезокристаллических преобразователей на поверхностно акустических волнах
(ПАВ), которые обеспечивают стабильность : АЧХ в процессе эксплуатации и
повторяемость при изготовлении. Это особенно характерно для многостандартных приемников, в радио тракте которых необходимо обеспечивать прием и режекцию звуковых промежуточных несущих на разных частотах разноса (б,5...6...5,5...4,5 МГц). В табл. 16.1 приведены основные параметры стандартов вещания, а в табл.16.2 – стандарты вещания в странах мира.

Высокая надежность в эксплуатации и технологичность в изготовлении
современных телевизионных приемников в немалой степени обязана применению в радиоканале интегральных схем, в частности в УПЧИ, УПЧЗ и, как
правило, в СК современной разработки. Это, в свою очередь, решает задачу
унификации радиоканала в применении к телевизионным приемникам среднего и высокого класса, различие между которыми определяется в основном
292

расширенными функциональными возможностями, большим удобством
управления, большей надежностью и экономичностью.
С этих позиций оценивая структурную схему цветного приемника , (см.
рис.16.4), можно сделать вывод, что наиболее значительные видоизменения,
модернизации, связанные с прогрессом в электронике, технике телевизионного вещания и в цифровой и вычислительной технике, следует ожидать в реализации блока цветности, совершенствовании цепей управления, блоков развертки и питания.
Унифицированный стационарный цветной телевизор (УСЦТ).
Кассетно-модульный принцип конструирования ТВ приемника, при котором каждый функциональный узел электрической схемы конструктивно
завершен модулем, позволяет в современных приемниках отечественного
производства с кинескопами с самосведением, начиная с первых выпусков
типа ЗУСЦТ (третье поколение, унифицированный стационарный цветной
телевизор) функционально наращивать в пределах единой конструкции и
электрической схемы полезные качества, внедряя новые модули и заменяя
устаревшие модифицированными модулями, но сохраняя неизменным все
остальное. Каждый модуль (или субмодуль) содержит одну или несколько
интегральных схем и ряд дискретных элементов, смонтированных на одной
плате. Однотипные модули взаимозаменяемы и соединяются разъемами и
жгутами проводов. По мере появления интегральных схем новых поколений с
расширенными возможностями заводы-изготовители, не меняя технологического процесса, могут существенно улучшить потребительские качества модернизируемых приемников. На таком принципе осуществляется эволюция
унифицированных телевизоров от ЗУСЦТ к телевизорам четвертого и пятого
поколений (4УСЦТ и 5УСЦТ). Для этих целей были разработаны следующие
устройства: двухстандартные блоки цветности РАL/SЕСАМ, двухстандарт
ные модули радиоканала с разносом несущих звука и изображения 6,5 МГц и
5,5 МГц, блок выбора программ с цифровым синтезом частот, дистанционное
управление на инфракрасных лучах, устройство внешней коммутации сигналов для подключения видеомагнитофона и компьютера, импульсный источник питания с управлением на микросхеме и т.д.
С появлением микросхем третьего и четвертого поколений в отечественном исполнении в телевизорах четвертого и пятого поколений находят применение известные устройства, значительно улучшающие качество изображения в принимаемых стандартах, такие как устройство автоматического баланса белого (АББ), корректор цветовых переходов, динамический регулятор
уровня черного, шумоподавление в сигнале яркости, ограничитель тока лучей
и др. Телевизоры пятого поколения, выполненные на аналого-цифровых интегральных схемах с микропроцессорным управлением, отличаются от своих
предшественников наибольшей комфортностью управления и наилучшими
показателями, которые можно достигнуть при воспроизведении цветного
изображения в принимаемом стандарте. Микропроцессор в блоке управления
обеспечивает автоматическую настройку на любой из телевизионных каналов
в диапазонах МВ и ДМВ, запоминание до 90 из отобранных программ, пере293

ключение их по кольцу в сторону уменьшения или увеличения номера канала,
их прямой выбор, переключение систем приема, электронную регулировку
громкости, яркости, контрастности и насыщенности, запоминание их уровней, переключение телевизора в режим ожидания при пропадании сигнала на
входе или по истечении предварительно заданного таймером времени. На
экране телевизоров индицируются символы выполняемой функции (номера
программы, принимаемой системы цветного телевидения, состояние таймера,
уровень регулировки параметра и др.).
Система настройки и управления телевизором построена на базе БИС
микропроцессора, например ТVР02065-АЧ1, реализующей функции синтезатора напряжения настройки совместно с функциями дистанционного управления. Принцип синтеза напряжения настройки основан на формировании и
запоминании этого напряжения в цифровой форме. Для этого используются
генератор меняющегося кода, цифро-аналоговый преобразователь и электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство. Взаимодействие между ними организуется по известной концепции фирмы Philips
при помощи двухпроводной цифровой шины I2 C (Inter Integrated Сircuit –
между микросхемами). Это позволяет надеяться, что в будущем с переходом
к цифровым телевизорам, в которых будут применяться в канале изображения и звука только цифровые схемы и методы обработки сигнала при пользовании той же шиной I2C, возможно будет эволюционно заменять аналоговые
микросхемы третьего и четвертого поколений на микросхемы с цифровым
интерфейсом для шины I2C например, серии 8000 фирмы Philips. Это даст
возможность заводам- изготовителям безболезненно постепенно в традициях
унифицированного телевизора УСЦТ перейти от модели 5УСЦТ с аналогоцифровым управлением к цифровым телевизорам с цифровой обработкой
сигналов видео и звука по шине I2C, связывающей непосредственно соответствующие модули цифрового исполнения.
На рис.16.5 представлен общий вид (сзади) цветного телевизора 5УСЦТ,
в котором функциональные узлы конструктивно выполнены в кассетномодульном виде. Это позволяет разместить практически всю электрическую
схему на одном вертикальном шасси с двумя продольными кассетами слева и
справа от прожектора кинескопа, кроме модуля видеоусилителей кинескопа
МВК-501, который размещается непосредственно на панели кинескопа и благодаря этому не угрожает высокими напряжениями и возможными пробоями
в кинескопе управляющим низкочастотным цепям на микросхемах в блоке
цветности.
В соответствии со структурной схемой телевизора 5УСЦТ (рис. 16.6)
кассета обработки сигналов КОС-501 содержит модули СКВ-41Е2К всеволнового селектора каналов, двухстандартные УПЧИ и УПЧЗ радиотракта на
6,5 и 5,5 МГц на микросхеме ТDА-8305 и блок цветности, включающий в
себя двухсистемный декодер РАL/SЕСАМ (174ХА32), видеопроцессор с оперативными регуляторами (КI74ХА33) и корректором цветовых переходов
сигналов цветности (174ХА37). Кроме этих узлов в этой же кассете размещаются кадровая развертка на микросхеме К1021ХА5 и модуль устройства со294

гласования МУС-501 для коммутации сигналов внешних устройств (например, компьютера или видеомагнитофона).

Рис. 16.5. Размещение функциональных узлов в приемнике 5УСЦТ

Кассета разверток и питания КРП-501 содержит модуль строчной развертки с корректором вертикальных линий и сплиттрансформатором типа
ТDКС-4 или ТDКС-19 для питания накала и электродов кинескопа и модуль
импульсного питания телевизора с устройством размагничивания кинескопа
(УРК).

Рис. 16.6. Структурная схема цветного телевизора 5УСЦТ

295

В состав модели 5УСЦТ входят кроме указанных унифицированных узлов также модуль звуковой частоты МЗЧ-50 и синтезатор напряжений МСН501. Последний, как правило, не является унифицированным и выполняет
функцию блока управления оперативными электронными регулировками,
выбора программ, стандарта вещания и системы цветного телевидения при
помощи микроЭВМ, например, на базе микросхемы РСА 84С640Р/019В, сообщающейся по цифровой информационной шине I2 С с перепрограммируемым запоминающим устройством (ППЗУ) на микросхеме РСF8582А.
Аналого-цифровой принцип управления, осуществляемый в этом блоке,
позволяет синтезировать необходимые уровни аналоговых напряжений, которые соответственно управляют аналоговыми цепями электронных регулировок микросхем в блоке цветности (яркость, контрастность, насыщенность),
уровнем звукового сопровождения в канале звука, напряжением настройки
для варикапов в селекторе каналов и др.
Различные манипуляции по настройке и регулировке приемника осуществляются при помощи клавиатуры платы управления ПУ-51, сопряженной с МСН-501, в которой при помощи наружных клавишных переключателей формируются коды команд для микроЭВМ. Эти команды переводятся в
цифровой сигнал, после чего в результате взаимодействия микропроцессора и
ППЗУ цифровой продукт после АЦП выводится в виде аналогового напряжения на соответствующий управляемый узел, например электронный регулятор уровня яркости в блоке цветности, регулятор настройки на номер радиоканала в СКВ и т.д. Предусмотрено дистанционное управление модулем синтезатора напряжения при помощи фотоприемника на микросхеме ТDА 3048,
установленного в модуле, и пульта дистанционного управления ПДУ-5 с инфракрасным передатчиком, выполненного на микросхеме SАА3010Р.
В телевизоре 5УСЦТ применяется система дежурного питания БПД, которая включает полное питание телевизора при вызове соответствующей командой с ПДУ либо от запрограммированного таймера в блоке МСН-501 посредством платы коммутации управляющей цепи КУЦ-45, информационно
связывающей БПД-45 и МСН-501.
На рис. 16.6 показано выделенными информационными шинами взаимодействие блока управления МСН-501 телевизора с основными узлами при
пользовании функциональной клавиатурой лицевой панели самого телевизора ПУ-51 либо подобной клавиатурой на пульте дистанционного управления
ПДУ-5.
Очевидно, что следующим шагом в развитии унифицированных телевизоров будет замена в этих шинах аналоговых управляющих и коммутирующих сигналов на цифровые коды двухпроводной шины І2С, связывающей.
микропроцессор блока управления с цифровыми интерфейсами аналоговых
микросхем. Причем возможно на первых порах применение специальных интерфейсных микросхем, осуществляющих только адаптацию цифрового сигнала управления применительно к уже используемым типам аналоговых микросхем с аналоговой обработкой и регулировкой телевизионных сигналов. В
последующих поколениях телевизоров возможна полная замена всех функци296

ональных узлов с регулировкой и обработкой сигналов исключительно на
узлы цифрового исполнения, объединенные цифровой информационной шиной І2С.

3. МНОГОСТАНДАРТНЫЙ БЛОК ЦВЕТНОСТИ
ТЕЛЕВИЗОРОВ УСЦТ
В соответствии с общими принципами декодирования стандартных сигналов цветного телевидения, изложенными в гл.9, основной задачей блока
цветности современного цветного телевизора является восстановление исходных цветоделенных сигналов Е′R, Е′G, Е′B, управляющих соответствующими токами в кинескопе с самосведением, из декодированных цветоразностных и яркостного сигналов цветного телевидения любой системы принятой
программы. Несмотря на большое разнообразие вещательных стандартов
цветного телевидения (РАL, SЕСАМ, NTSС с поднесущей 3,58 МГц и NTSC с
поднесущей 4,43 МГц в видеозаписи), структурная схема блока, приведенная
на рис. 16.7, показывает общие основные функции узлов, необходимые к исполнению в зависимости от класса телевизора и системы кодирования цветового сигнала. Как следует из схемы, полный цветовой сигнал ПЦТВС разделяется на два направления – в канал яркости и многостандартный декодер. В
канале яркости осуществляется режекция цветовой поднесущей при помощи
фильтров, настройка которых контролируется декодером соответствующего
стандарта. В случае приема сигнала черно-белого изображения без поднесущей устройство цветовой синхронизации в декодере отключает фильтр режекции, повышая тем самым четкость черно-белого изображения. Задержанный в корректоре цветовой резкости КЦР яркостный сигнал и цветоразностные сигналы после КЦР поступают в сложное многофункциональное устройство – видеопроцессор, в котором осуществляется их матрицирование. Кроме
этой операции в видеопроцессоре осуществляется электронная регулировка
контрастности, насыщенности и яркости, коммутация внешних сигналов, регулировка баланса белого (возможно, автоматическая АББ), ограничение тока
лучей ОТЛ кинескопа от перегрузки.

Сформированные в видеопроцессоре сигналы Е′R, Е′G, Е′B управляют то297

ками лучей при помощи видеоусилителей кинескопа, которые в телевизорах
четвертого и пятого поколений гальванически связаны с видеопроцессором. В
отличие от телевизоров первых выпусков с применявшимися дельтакинескопами, в которых управление токами лучей осуществлялось кондуктивно и раздельно по катоду яркостным Е′Y и по модуляторам цветоразностными сигналами Е′R–Y, Е′G–Y, Е′B–Y, в кинескопах с самосведением правильность
цветопередачи, зависящая от сбалансированности модуляционных характеристик кинескопа, имеющего только один общий электрод-модулятор и общий
ускоряющий электрод, должна быть обеспечена установкой соответствующих
уровней черного в сигналах Е′R, Е′G, Е′B и их размаха в во внешних цепях.
Приведенные диаграммы управляющих сигналов и модуляционные характеристики в случае применения дельта-кинескопа (рис. 16.8) показывают,
что при гальванической связи усилителей цветоразностных сигналов с модуляторами и усилителя яркостного сигнала, в котором осуществлена фиксация
уровня черного с катодами, балансировка по уровню черного достигается за
счет относительного изменения режимов видеоусилителей по постоянному
току (UBG и UBR). Балансировка по уровню белого достигается выравниванием токов чей на белом R, G и В прожекторов регулировкой ускоряющих
напряжений, воздействующих на наклон (крутизну) модуляционной характеристики. При этом оперативные регулировки насыщенности (в канале цветности на поднесущей), яркости (уровень фиксации в канале яркости) и контрастности (размах сигнала Е′Y) реализуются в этом случае достаточно легко.
К сожалению, вследствие старения кинескопа и падения эмиссионной способности катодов с течением времени модуляционные характеристики кинескопа так сильно расходятся, что указанными выше регулировками не удается
их сбалансировать в динамическом диапазоне сигнала. Кроме того, сама по
себе балансировка требует достаточно высокой квалификации.

298

Видеопроцессор УСЦТ. Отличие в конструкции электронных прожекторов кинескопа с самосведением, в частности невозможность раздельно
и непосредственно выравнивать крутизны модуляционных характеристик
цветных прожекторов (рис. 16.9), более высокие требования к качеству цветных изображений в современных телевизорах, в частности требование хорошей динамической балансировки по белому, заставляют прибегать к раздельной регулировке сигналов и к неоднократной фиксации уровней в процессе
обработки сигналов в специальном устройстве – видеопроцессоре (рис.
16.10). Первая фиксация уровней сигналов Е′Y, Е′R–Y и Е′B–Y, пришедших в видеопроцессор после разделительных цепей с потерей постоянной составляющей, осуществляется по уровню черного во время прохождения задней площадки гасящего импульса в сигнале Е′Y и нулевого уровня в сигналах Е′R–Y и
Е′B–Y, специальным стробирующим импульсом строчной частоты SSС, вырабатываемым в задающих цепях строчной развертки либо в цепях амплитудной и временной селекции видеосигнала. Восстановленные постоянные составляющие в сигналах Е′Y и Е′R–Y, Е′B–Y позволяют производить правильное
матрицирование сигналов Е′R–Y, Е′G–Y, Е′B–Y и Е′Y для получения цветоделенных
сигналов Е′R, Е′G, Е′Y, осуществлять электронную регулировку насыщенности
в каскадах усилителей сигналов Е′R–Y и Е′B–Y и контрастности сигналов Е′R, Е′G,
Е′B.
Введение в сигналы Е′R, Е′G, Е′B информации о положении регулятора яркости производится в каскадах регулировки яркости и фиксации посредством
привязки уровня черного сигнала к уровню постоянного напряжения, задаваемому от внешней цепи. При этом внешние конденсаторы С1, С2 , С3 в каждом
канале запоминают этот уровень в момент фиксации и сообщают его сигналу
во время прямого хода по строке в виде постоянной составляющей. В последующих каскадах после гашения сигналов импульсами стробирования SSC по
строке и кадру осуществляется таким методом передача информаций о положении регулятора яркости в виде разницы между уровнем черного в сигнале
и уровнем опорной площадки гашения, который должен быть зафиксирован
на уровне “чернее черного”, обеспечивающим закрывание кинескопа во время обратного хода по строке и кадрам в положении регулятора яркости на
минимуме (рис. 16.11).
При гальванической (кондуктивной) связи выходных каскадов Е′R, Е′G,
Е′B сигналов с видеоусилителями кинескопа, что характерно для последующих типов УСЦТ (четвертого и пятого поколений) необходимо осуществить
“привязку” опорной площадки гашения в сигналах Е′R, Е′G, Е′B к напряжениям
отпирания (отсечки) в модуляционных характеристиках кинескопа. В зависимости от типа микросхемы, применяемой в видеопроцессоре, уровни, к которым осуществляется привязка опорной площадки регулируемого сигнала в
каналах, может устанавливаться вручную (например, К174ХА17) при помощи
внешних резистивных регуляторов, устанавливаемых в плате видео усилителей кинескопа, ответственных за запирание луча в каждом из трех электронно-оптических прожекторов кинескопа, либо автоматически.
299

В первом случае динамический баланс белого достигается вручную подгонкой индивидуально в каждом канале уровней опорных площадок в сигнала Е′R, Е′G, Е′B к напряжениям запирания и подрегулировкой размахов сигналов в каналах на белом (см. рис. 16.11). Очевидно, старение кинескопа и расхождение напряжений запираний в модуляционных характеристиках вызовут
нарушение баланса белого и искажения цветного изображения.

300

В современных микросхемах-видеопроцессорах телевизоров четвертого
и пятого поколений типа КI74ХАЗЗ (ТDА3505) и им подобных для устранения ручной регулировки баланса на темных участках применяется система
автоматической балансировки белого АББ, т.е. балансировки уровней привязки в выходных сигналах Е′R, Е′G, Е′B процессора. С этой целью в микросхеме формируются в трех последних строках кадрового гасящего им пульса
измерительные прямоугольные видеоимпульсы положительной полярности
UАББ, которые по одному вводятся в каждый из сигналов с размахом, соо тветствующим примерно 10 мкА отпертого луча соответствующего прожектора. В каждом канале при помощи селектирующего ключа К происходит отслеживание и регулирование (АББ) такого положения площадки гасящего
импульса в сигнале и напряжения открывания кинескопа, при котором во
всех трех прожекторах лучи этими импульсами отперты на 10 мкА, что соответствует балансу кинескопа по яркости в темных участках. В качестве датчиков состояния открытости прожектора служит измерительный резистор в
плате ВУ кинескопа, по которому протекают контрольные импульсные токи
всех трех прожекторов последовательно во времени в течение трех строк.
Если следящие системы в каналах R, G, В отметят расхождение в амплитудах
контрольных импульсов токов по каналам, больших или меньших 10 мкА, а
значит, и различие UR(GB) в привязках опорных площадок гашения сигнала к
напряжению отсечки модулятора, то канальный компаратор системы АББ с
внешними конденсаторами С4, С5, С6 в каждой системе регулирования выдаст
поправочное постоянное напряжение соответствующего знака, которое в
сумматоре будет добавлено к сигналу и скомпенсирует расхождение в упомянутых напряжениях отсечки луча кинескопа и напряжения на катоде, соответствующего площадке гашения в сигнале. В моменты прохождения контрольных импульсов оперативная регулировка яркости отключается, чтобы
система балансировки не срабатывала и не компенсировала бы изменение
яркости.

На рис.16.12 представлены диаграммы измерительных сигналов АББ в
каналах и на общем измерительном резисторе RT на плате видеоусилителей
301

кинескопа, поясняющие принцип действия АББ. Очевидно, в случае старения
кинескопа и изменения модуляционных характеристик в такой системе будет
поддерживаться баланс белого только на темных участках. Балансировка на
светлых участках изображения должна производиться регулировкой “размахов R, G и B”, осуществляемой электронным регулированием по каналам в
сигналах с введенной опорной площадкой. В телевизорах четвертого-пятого
поколений УСЦТ ограничиваются обычно АББ только в одной точке вблизи
отсечки кинескопа. Однако известны зарубежные микросхемы, например видеопроцессор фирмы Thompson ТЕА5040, в которой кроме трех измерительных импульсов, контролирующих токи отсечки кинескопа вводятся внутри
кадрового гасящего импульса еще три импульса для контроля токов средней
яркости. Системы регулирования в каналах, действующие от этих дополнительных импульсов, контролируют размах сигналов Е′R, Е′G, Е′B в каналах,
исключая таким образом ручные подрегулировки размахов R, G, В, применяемые в телевизорах четвертого и пятого поколений УСЦТ для динамической
балансировки на белых участках изображения.
В видеопроцессорах современных микросхем синхронизация всех процессов фиксации, осуществляемых при регулировках насыщенности яркости
контрастности размахов сигналов и обеспечении измерительных импульсов
для АБВ осуществляется трехуровневым импульсами SSC (Super sand castle)
имеющими сложную форму и задающими в интервале уровней 0...2,5 В кадровые импульсы гашения по полю, в интервале 2,5...4,5 В – строчные импульсы стробирования для гашен и создания опорных площадок, в интервале
4,5...8 В – строчные стробирующие импульсы для цепей фиксации по уровню
черного в сигналах на задних площадках гасящих импульсов. Форма импульсов представлена на рис. 16.12,д. Пользование таким импульсом позволяет
сэкономить на количестве выводов микросхемы, что немаловажно для повышения надежности и микроминиатюризации радиоаппаратуры.
Все составляющие импульсов SSС, необходимые для функционирования
видеопроцессора, формируются с помощью детектора этих составляющих по
уровням и цифровых логических каскадов, находящихся внутри микросхемы.
В видеопроцессоре реализуется обязательное для современного телевизора ограничение среднего тока лучей (ОТЛ) кинескопа. Это ограничение
исполняется посредством порогового шунтирующего воздействия на регулятор контрастности и затем, каскадно, на регулятор яркости при чрезмерном
(1 мА) возрастании среднего тока кинескопа на очень светлых изображениях
(микросхемы ТDA2500, ТDА3501,..., 3505, К174ХА17, КI74ХА33). В качестве
датчика контрольного напряжения токовой перегрузки кинескопа служит либо тот же резистор в плате видеоусилителей кинескопа, что измеряет темновой ток для АББ, либо, как упоминалось в гл. 8, резистор ограничения тока
лучей, установленный в высоковольтном выпрямителе строчной развертки
последовательно с током нагрузки, т.е. анодным током кинескопа.

302

Для недопущения расфокусировки лучей на очень белых мелких деталях, на которые не реагирует ОТЛ по среднему току лучей из-за малого
удельного веса этих деталей в средней яркости изображения, применяется в
современных процессорах (ТDА3501, 3505, К174ХА33) другая разновидность
ОТЛ – в пиках тока. Для того чтобы она действовала эффективно ограничивая контрастность и яркость через известные регуляторы на определенный
вход микросхемы видеопроцессора подается пиковое импульсное напряжение
через разделительный конденсатор с наружного аквадагового покрытия кинескопа, величина которого пропорциональна мгновенному значению полного
тока кинескопа. Установленный на определенный предел пороговый дискриминатор D видеопроцессора при каждом превышении допустимого пикового
тока будет воздействовать на электронные регуляторы контрастности и яркости уменьшая последние по той же схеме что и в случае действия ОТЛ по
среднему значению тока.
Видеоусилители кинескопа. Характерной особенностью выходных
усилителей сигналов Е′R, Е′G, Е′B является их широкополосность при относительно больших выходных сигналах, управляющих лучами прожекторов кинескопа Возможность пробоев в кинескопе заставила разработчиков современных телевизоров вынести эти усилители на плату, совмещенную с панелью кинескопа. При этом уменьшается существенно монтажная емкость соединительных проводов между выходами усилителей и катодами кинескопа и
уменьшается риск повреждения низковольтных микросхем в блоке цветности
от соседства относительно высоких напряжений выходных цепей видеоусилителей, особенно при пробоях. С целью уменьшения потребляемой мощно303

сти выходные каскады современных телевизоров выполняются как усилители
с активной нагрузкой. На рис. 16 13 показан видеоусилитель одного канала
Первый каскад ВУ с общим эмиттером на транзисторе VТ1 в коллекторе которого развивается основное усиление (до 150 В размаха) нагружен не на катод кинескопа, а на эмиттерный повторитель VТ2, который уменьшает действие паразитных емкостей соединительных проводов и входных емкостей
катодов кинескопа.
При этом достигается возможность в той же полосе сигнала существенно
увеличить
резистивную
нагрузку каскада на VТ1, сбросив с
коллектора VТ1 значительную мощность рассеяния. Это в свою очередь
позволяет уменьшить паразитную емкость на выходе VТ1 за счет отказа от
теплового радиатора. В итоге потребление мощности от источника в таком
Рис. 16.13. Схемы видеоусилителя кинескопа
усилителе с активной нагрузкой мос датчиком темнового тока
жет уменьшиться более чем в 2...3 раза, а
из-за противофазности загрузки транзисторов VT1, VT2 на белом и на черном
среднее потребление тока от источника выравнивается облегчая требования к
пульсации. Транзистор VT3, включенный как эмиттерный повторитель с общим для всех трех каналов видеоусилителей резистором RT служит для измерения темнового тока луча кинескопа, контролируемого специальными импульсами в кадровом гасящем (см. рис. 16.12) для системы АББ. Это же сопротивление RT, на котором суммируются напряжения от протекающих по
нему трех токов лучей, может исполнять роль датчика, контролирующего
максимально допустимый ток кинескопа в системе ОТЛ по среднему значению. Диоды в эмиттерных переходах VT2 и VT1 защищают от пробоя транзисторы при разрядах в кинескопе.
Корректор цветовой резкости. Задача коррекции цветовых переходов,
улучшение цветовой резкости (САI – Colour accutence improvement) для всех
стандартных цветных систем связана с необходимостью оптимального совмещения во времени коротких фронтов широкополосных сигналов яркости(около 150 нс) с затянутыми фронтами узкополосных цветоразностных
сигналов (около 800 нс). В приемниках первых поколений применялась для
совмещения фронта линия задержки в канале яркостного сигнала, однако качество цветного изображения, особенно в мелких деталях, из-за размытости
цветных границ в насыщенных цветах оставляло желать много лучшего.
Кроме того, широкополосная линия задержки в яркостном канале из-за громоздкости плохо сочеталась с высокой степенью миниатюризации и интегральной технологией, характерной для современной схемотехники приемников. Известно, что многостандартные декодеры требуют в соответствии с
разными частотными характеристиками обрабатываемых сигналов варьиро304

вания в некоторых пределах времени задержки в яркостном канале. Поэтому
в современных приемниках применяют устройство коррекции цветовой резкости (см. рис. 16.7), исполняемое по интегральной технологии в виде микросхемы с двумя каналами обработки сигналов, перед которыми ставятся две
функциональные задачи: регулировка задержки яркостного сигнала (LQI –
Luminance quality improvement), улучшение цветовых переходов в изображении (СТI – Соlour transient improvement).
Схемотехнически необходимую величину задержки сигнала в яркостном
канале КЦР с некоторыми пределами регулирования обеспечивают набором
нужного числа каскадно-включенных активных фильтров (гираторов), каждый из которых задерживает сигнал яркости на 90 нс. Число подключаемых
гираторов в яркостном канале микросхемы регулируется подачей соответствующего постоянного напряжения из внешней цепи микросхёмы. В микросхеме отечественного производства К174ХА37 и ее зарубежных аналогах
ТDА4560 и ТDА4565 полное время задержки обеспечивается в пределах
720...1035 нс, гарантируя точное совпадение яркостного и цветоразностных
сигналов во времени для любого стандарта.
Улучшение цветовых переходов (СТI) в цветном изображении достигается специальной обработкой узкополосных сигналов Е′R–Y и Е′B–Y, поступающих на устройство корректора цветовой резкости (САI). На рис. 16.14,а,б,в
приведены диаграммы напряжений сигналов яркостного и цветоразностных
при совмещении их посредством традиционной линии задержки на 330 нс в
яркостном канале и без коррекции фронтов цветоразностных сигналов. Диаграммы рис. 16.14,г,д, показывающие состояние фронтов цветоразностных и
яркостного сигналов после обработки в корректоре цветовых переходов, убедительно демонстрируют превосходство цветного изображения, созданного
такими сигналами, над изображением от сигналов некорректированных (рис.
16.14,г,д и 16.14,б,в).

Рис. 16. 14. Сигналы яркостные и цветоразностные:

305

Рис. 16.15. Диаграммы сигналов

а, б, в – без коррекции цветовых переходов; д – с кор.

в устройстве коррекции

Устройство коррекции фронтов (СТI) цветоразностных сигналов, работа
которого поясняется диаграммами рис.16.15, включает в себя две одинако вые
схемы с каналом (для Е′R–Y и Е′B–Y) последовательной аналоговой обработки
импульсов входного цветоразностного сигнала и релейного переключателя,
управляемого сформированными управляющими импульсами. Согласно рис.
16.15 и 16.16 входной цветоразностный сигнал, имеющий относительно крутой передний фронт и пологий задний срез, поступает на нормально замкнутый ключ ЭК и дифференцирующую цепь. После дифференцирования сигнал
детектируется полярным детектором фронта, поскольку сигналы цветности
имеют разную полярность. На месте фронтов получаются импульсы положительной полярности, амплитуды которых пропорциональны крутизне фронта
и среза цветоразностного сигнала (U1 на рис. 16.15,б). Импульсы пропускают
через фильтр верхних частот ФВЧ с постоянной времени 800 нс (рис. 16.15,в)
и ограничивают в амплитудном ограничителе АО на уровне порога Uп. При
этом формируются прямоугольные импульсы управления (релейные) Uз (рис.
16.15,г), размыкающие ключ ЭК. Конденсатор С образует вместе с ЭК цепь
выборки и хранения, на выходе которой поддерживается уровень сигнала,
соответствующий моменту размыкания ключа. В итоге получается сигнал
Uвых, длительность переходов в котором сокращена. За счет появления более
короткого импульса в начале среза цветоразностного сигнала после прохождения устройства СТI в нем появляется незначительная ступенька (рис.
16.5,д), не оказывающая существенного влияния на качество изображения.

Очевидно, что чем более пологим будет срез (например, плавный, естественный переход цвета в сюжете) в сигнале, тем меньше будет проявляться
эта ступень. Вообще же устройство СТI тем более эффективно, чем круче
фронты импульсов. Естественно, что наибольший эффект это устройство дает
в системах NTSC и РАL. В SЕСАМ, к сожалению, из-за ограничения в кодере
выбросов от низкочастотной предкоррекции на цветовых переходах насыщенных цветов возникают затяжки фронтов до 1,8 мкс, при которых эта схема не эффективна. Однако в сюжетах с ненасыщенными цветами изображение и в SЕСАМ существенно прибавляет в качестве после коррекции. Специфические сколы на фронтах цветоразностных сигналов насыщенных цветов,
как следствие амплитудного ограничения в кодере предыскаженных сигна306

лов, могут, быть существенно уменьшены адаптивными корректорами цветовых переходов, которые способны уменьшить затянутый фронт в сигналах
SЕСАМ от 1,8 до 0,5 мкс, после чего эффективно применение систем коррекции цветовой резкости (САI). Однако пока такие адаптивные корректоры
применяются лишь в профессиональной аппаратуре.
Многосистемный декодер. Определяющим признаком современности
цветного телевизора, в частности телевизора четвертого-пятого поколений
серии УСЦТ, является его способность принимать программы ЦТ с кодированием цветности в принятых в мировом телевизионном вещании системах
РАЕ, $ЕСАМ и ?4Т$С. Развитие интегральной схемотехники позволяет эффективно решать эту задачу на базе новейших поколений микросхем самыми
прогрессивными методами Это новое качество современного телевизора ос обенно актуально в связи с широким распространением бытовой видеозаписи с
выходным сигналом различных стандартов, спутниковым многостандартным
вещанием в системе СТВ-12,0 и немаловажно для расширения экспортных
возможностей.
Как показал 20-летний опыт зарубежных стран и подтверждает отечественная практика последних лет, известно три основных способа создания
многосистемных декодеров цветности:
1)декодер-конвертор с использованием принципа транскодирования;
2) декодер с использованием параллельных каналов цветности на разные
стандарты;
3) декодер с общими для разных систем узлами с переключением режимов их работы (комбинированный декодер).
Декодер конверторного типа был предложен для приема двух стандартов цветного телевидения: РАL как основной и SЕСАМ, конвертируемый в
РАL. Этот способ был предложен в начале 70-х гг. и реализовывался в виде
приставок-конверторов к телевизорам стандарта РАL. С той поры этот способ
нашел воплощение в разработанных комплектах микросхем ТDА3300 и
ТDА3030 третьего поколения и более совершенных микросхем четвертого
поколения ТDА3562 и ТDА3590, ТDА3591 (отечественные аналоги
КР1021ХА4 и КР1021ХА3), способных конвертировать SЕСАМ в РАL и принимать в основном канале еще и стандарт NTSС. Как следует из названия,
основная идея этого способа заключается в том, что принимаемый сигнал
цветности SЕСАМ по упрощенной схеме декодируется до низкочастотных
сигналов цветности Е′R–Y и Е′B–Y и затем кодируется методом квадратурной балансной модуляции в сигналы, похожие на сигналы РАL, которые могут быть
приняты основным декодером РАL телевизионного приемника. Упрощенная
структурная схема конвертирования сигнала SЕСАМ показана на рис. 16.17.
Если принимается сигнал РАL, входной переключатель К1 от опознавателя
системы в блоке цветовой синхронизации БЦС устанавливается в положение
Р, и сигнал со входа направляется через полосовой фильтр (ПФ) в кодер РАL,
где демодулируется стандартным образом.
Если принимается сигнал SЕСАМ, входной переключатель устанавливается в положение S, и сигнал Uп через контур коррекции ВЧ предыскажений
307

КВП поступает в упрощенный канал SЕСАМ, где ограничивается по амплитуде и демодулируется одиночным частотным детектором. Чтобы выровнять
уровни черного в сигналах Е′R–Y и Е′B–Y, в частотный детектор направляется
меандр напряжения полустрочной частоты fc/2, этим же напряжением с частотой fc/2 управляется инвертор сигнала, который делает полярность чередующихся и разнополярных сигналов Е′R–Y и Е′B–Y, положительной. В балансном модуляторе (БМ) эти сигналы подвергаются квадратурной модуляции
при помощи генератора опорной частоты 4,43 МГц, фаза которой меняется на
90 электронным коммутатором от строки к строке. В результате на выходе
БМ образуются радиосигналы, похожие на РАL так называемый псевдо-РАL,
так как на каждой строке присутствует только одна составляющая UV(ЕR–Y)
либо UU(ЕB–Y). После прохождения этих сигналов через замкнутый в положении S ключ К, полосовой фильтр и линию задержки УЛЗ результаты сложения прямых и задержанных сигналов псевдо-РАL в сумматорах будут отличаться от таковых в стандартном РАL сигнале. Представленные на рис. 16.17
векторные диаграммы иллюстрируют это отличие. Видно, что на синхронные
детекторы приходят сигналы UV и UU в квадратуре, как в системе NТSС, а это
значит, что в отличие от РАL такие сигналы имеют сильное поражение от
фазовых нестабильностей в опорном генераторе, БМ и т.д. Тем не менее такие
конверторы-приставки имели широкое применение ввиду относительной
простоты.

В последующих разработках специальных комплектов микросхем-конверторов ТDA3030 и ТDА3300 этот недостаток был ликвидирован за счет
применения дополнительных коммутаторов прямого и задержанного сигналов и синфазной балансной модуляции, вследствие чего приходящие на синхронные детекторы сигналы UV и UU стали синфазны и раздельны. Нестабильность фаз в БМ и генераторе опорной частоты в синхронных детекторах
в этом случае сказывается только на изменении насыщенности, что не так
308

заметно глазу. Однако в дополнительном коммутаторе прямого и задержанного сигналов перекрестные помехи от синфазности UV и UU способны искажать цвет.
Более поздней разработки комплекты микросхем декодеров конверторного типа ТDА3590, ТDА3591 и ТDА3590А (отечественный аналог
КР1021ХА3) в паре с видеопроцессором РАL ТDA3560, TDA3561 или
ТDА3562 (отечественный аналогКР1021ХА4) за счет дальнейшего соверше нствования и усложнения внутренней структуры, возврата к квадратурной балансной модуляции позволяют оперировать после конвертирования с сигналами UV и UU, как и в РАL, раздельно присутствующими на синхронных детекторах. Но поскольку в балансном модуляторе БМ сигнал псевдо-РАL в
этих микросхемах представлен квадратурно, то электронный коммутатор
прямого и задержанного каналов не вносит таких сильных перекрестных искажений, как в синфазных сигналах UV и UU микросхем ТDА3300 и ТDА3030.
Возможности этого комплекта расширены также за счет способности его декодировать и сигнал NТSС при замене кварца в генераторе и другой коммутации.
Оценивая достоинства конверторного способа, можно отметить следующее:
- отсутствуют перекрестные искажения между сигналами цветности
(особенно в последних разработок микросхем);
- понижены требования к качеству ультразвуковых линий задержек с
точки зрения эхосигналов.
Недостатки конверторного способа:
- дополнительные преобразования понижают отношение сигнал/шум и
ухудшают сквозную АЧХ системы SЕСАМ;
-возможны помехи от интерференции между несущей SЕСАМ и опорной частотой РАL при некачественном исполнении монтажа.
Тем не менее конверторный способ декодирования системы SECAM
находит применение в современных зарубежных и отечественных многостандартных приемниках, в частности в телевизорах “Электрон” на микросхемах КР1021ХА3 и КР102I1ХА4. Оправданием тому служит легкость переход на изготовление двухстандартного приемника РАL, NTSС за счет изъятия
из общей схемы конвертора SЕСАМ без ущерба для технологичности производства.
Декодеры с параллельными каналами цветности нашли распространение в отечественных телевизорах, например, “Рубин” 5IТВ4УСЦТ на два
стандарта – РАL и SЕСАМ. В них используют два. независимых взаимно
блокирующихся канала цветности, объединяемых только общей ультразвуковой линией задержки, к которой предъявляются требования высокой точности задержки от РАL и минимального эхосигнала от SЕСАМ. Один из каналов может быть выполнен в виде отдельного субмодуля. В таком случае завод-изготовитель может наращивать функциональные возможности телевизора для приема дополнительного стандарта по мере необходимости и желания заказчика.
309

Функциональная схема двухсистемного декодера параллельного типа на
базе популярных микросхем ТDА3510 (отечественный аналог К174ХА28) в
канале РАL и ТDА3520 или ТDA3530 (аналоги К174ХА16 или К174ХА3I) в
канале SЕСАМ приведена на рис. 16.18.

Каждая микросхема представляет собой пример построения классического декодера соответствующей системы, описанного в гл.12, но при этом
включает в себя дополнительные устройства взаимной блокировки сигналов в
декодерах, не участвующих в приеме программы, а также специальные цепи
приоритетного подключения общих для декодеров элементов - УЛЗ, входных
шин видеопроцессора сигналов ЕR–Y и ЕB–Y в каждой микросхеме. В соответствии с принципом параллельности работы каналов, опознавание системы
цветного телевидения принимаемой программы осуществляется независимо в
каждом канале посредством частотного и фазового анализа содержания пакетов поднесущей на задних площадках гасящих строчных импульсов. В случае
опознавания “своей” системы детектор опознавания в каждой микросхеме
вырабатывает команду, которая открывает канал цветности “свой”, блокирует
“чужой” и придает высокий потенциал выходным сигнальным шинам микросхемы, связанным с внешними элементами. Так как все внешние сигнальные
цепи, обозначенные на рис. 16.18, подключаются к микросхеме через внутренние эмиттерные повторители, то находящийся в активном состоянии канал цветности за счет более высокого рабочего потенциала на выводе микросхемы получает приоритет в пользовании внешней цепью (линия задержки,
вход видеопроцессора и т.д.), исключая какое-либо мешающее воздействие
аналогичного вывода микросхемы неработающего канала цветности.
Комбинированный декодер. Наиболее прогрессивной схемой построения многосистемного декодера в современных разработках цветных телевизоров считается декодер с общими для разных систем узлами и программным
переключением режимов их работы после опознавания принимаемой системы
ЦТ. В современном исполнении эти так называемые комбинированные деко310

деры выглядят как большая интегральная микросхема, которая позволяет благодаря высокой степени интеграции элементов внутреннего монтажа и использованию переключаемых общих функциональных узлов резко уменьшить энергопотребление декодера и сократить общее количество подключаемых внешних элементов.
Популярной микросхемой такого типа, используемой широко в европейских телевизорах и отечественных пятого поколения, является ТDА4555 (отечественный аналог К174ХА32). На аналогичном принципе действует, например и микросхема фирмы Toshibа ТА8653N (или ТА8659N), но включает в
себя еще и современный видеопроцессор с селектором синхроимпульсов Эти
микросхемы способны опознавать в автоматическом режиме и декодировать
четыре системы цветного телевидения РАL, SЕСАМ и NTSC с поднесущей
3,58 МГц и NTSC с поднесущей 4,43 МГц, с переключением входного фильтра сигнала цветности и соответствующего фильтра режекции яркостного.
На рис. 16.19 представлена функциональная схема многосистемного
комбинированного декодера на базе ТDА4555 (отечественный аналог
К174ХА32), который в сочетании с микросхемой корректора цветовой резкости (САI) позволяет в современных телевизорах в яркостном канале достигнуть оптимальной для принимаемой системы задержки за счет регулируемой
задерживающей гираторной линии микросхемы ТDА4565 (К174ХА37).
Из схемы видно, что в одном корпусе (стандартном, на 28 выводов), таком же как и в микросхемах ранее рассмотренных декодеров, размещаются
универсальный канал цветности (показан выделенной трассой следования
сигналов цветности) и устройства опроса и опознавания. Принцип работы
канала цветности состоит в следующем. Полный цветовой ТВ сигнал ПЦТВС
через входной, переключаемый под соответствующую систему фильтр поступает на общий усилитель с системой АРУ, контролируемой синхронным демодулятором вспышек поднесущей на строчных гасящих импульсах. Эффективная работа АРУ позволяет декодировать размахи поднесущей в сигналах
цветности от 20 до 200 мВ. Сигналы цветности РАL и NТSС совместно с сигналами цветовой синхронизации (вспышками) после усилителя направляются
в матрицу РАL (коммутатор SЕСАМ), которая для системы NТSС пропускает
по соответствующей команде от устройства опознавания только прямой сигнал, а в случае системы РАL выполняет функцию сложения прямого и задержанного сигнала и разделения сигнала цветности на компоненты UV и UU. Демодуляторы РАL/NTSC принимают на входы сигналы цветности РАL/NTSC
вместе с соответствующими этим системам опорными частотами fSR и fSB, соответствующими по сдвигу фазы между ними в 90 красному и синему цветоразностным сигналам. На выходах канала после синхронного детектирования получаются низкочастотные сигналы Е′R–Y и Е′B–Y. Включение и варьирование генераторов опорных частот fS (3,58 и 4,43 МГц) осуществляется также
командным управлением соответствующего генератора ГS от устройства проверки и опознавания системы.

311

312

В случае приема сигнала цветности SЕСАМ прямой и задержанный сигналы на поднесущих 4,406 МГц и 4,25 МГц после ограничения в коммутаторе
SЕCAM (в который по команде SЕСАМ обращается матрица РАL) попадают
на параллельно включенный демодулятор SЕСАМ в виде раздельных компонентов DR и DВ. Синхронная демодуляция ЧМ сигналов осуществляется за
счет воздействия на вторые входы демодуляторов сигналов DR и DВ, прошедших фазосдвигающие контуры, настроенные на “красную” и “синюю” поднесущие SЕСАМ. Скорректированные фильтрами от НЧ предыскажений сигналы E′R–Y и D′В–Y поступают на выходные выводы микросхемы.
Устройство опознавания многосистемного декодера действует посредством последовательного опроса и анализа характерных признаков сигналов
цветовой синхронизации СЦС, присущих только одной единственной из четырех возможных систем. Если ориентироваться на строчные пакеты поднесущей (вспышки) на задней площадке гасящих импульсов, то можно заметить, что в системе SЕСАМ уникальность сигнала вспышек заключается в
чересстрочном чередовании частот покоя “красной” и “синей” поднесущих.
Система РАL отличается от NTSC-4,43 чересстрочным чередованием фаз
поднесущих во вспышках 0...90. В системе NTSС-4,43 такого чередования
нет, а в системе NTSC-3,58 частота вспышек существенно отличается от частот вспышек в трех других системах.
В принципе различение этих признаков осуществляется стандартными
приемами и устройствами, которые применяются в цветовой синхронизации
ранее рассмотренных многосистемных декодеров и в канонических схемах
системных декодеров.
Здесь же при анализе используются одновременно частотный демодулятор с опорным контуром 4,43 МГц для обнаружения разночастотных вспышек сигналов цветовой синхронизации СЦС SЕСАМ, фазовый детектор
вспышек для обнаружения СЦС РАL и NTSC, детектор полустрочной частоты для обнаружения присутствия меняющихся через строку сигналов СЦС
РАL либо SЕСАМ. Логическое перемножение результатов, обнаруженных
каждым из детекторов, в совокупности определит четыре отличительных состояния на двух выходных интеграторах полустрочного детектора, каждое из
которых соответствует единственной команде, отданной устройством проверки систем для опознавания системы цветности неизвестного сигнала. Эти
состояния в устройстве опознавания при последовательном опросе со стороны устройства проверки системы обращаются в ответ “да” или “нет” той системе, которая устанавливается и комбинируется в декодере текущей командой запроса. Смена команд при последовательном опросе производится в таком порядке: РАL, SЕСАМ, NТSС-3,58, NТSС-4,43. Интервал опроса составляет четыре поля – 80 мс и определяется в основном постоянной времени
АРУ в регулируемом входном усилителе сигналов цветности.
При подтверждении запрашиваемой системы включение канала цветности происходит еще через 40 мс с целью исключения ложного срабатывания
313

от чужой системы. Команды опроса систем кроме внутренних цепей и узлов
микросхемы включают соответствующие внешние входные фильтры, фильтры режекции, генераторы опорных поднесущих, а также осуществляют оптимальный выбор задержки яркостного сигнала в случае использования схемы цветового корректора резкости (ТDА4565). В микросхеме ТDА4555 возможно по тем же командным шинам принудительно открывать внешним постоянным напряжением канал цветности нужной системы в случае априорно
известной системы принимаемого сигнала цветного телевидения.
Вся синхронизация в декодере осуществляется от трехуровневого сигнала SSС, который, как известно, содержит хронирующие импульсы стробирования вспышек поднесущих, импульсы строчного и кадрового гашения. Этот
сложный сигнал, введенный в микросхему декодера по одному вводу, расчленяется пороговым детектором на три указанные составляющие, которые
необходимы для работы канала цветности и устройства опроса и опознавания.
В заключение следует отметить, что телевизоры пятого поколения отечественного производства серии 5УСЦТ (“Радуга”, “Горизонт”) в основном
исполняются на комбинированном декодере, подтверждая практически более высокую надежность, технологичность и перспективность этого типа
декодера в создании долговечной и функционально гармоничной модели
телевизора.
4. КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕЛЕВИЗОРЫ ДЛЯ ПРИЁМА СИГНАЛОВ
АНАЛОГОВОГО И ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

314

315

5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕЛЕВИЗОРОВ С
ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

Рис. 16.6. Структурная схема цветного телевизора 5УСЦТ

Рис. 16.3. Структурная схема приемника черно-белого изображения

Рис. 16.4. Структурная схема приемника цветного телевидения

Рис.16.7 Структурная схема блока цветности

334

Рис.16.18 Структурная схема декодера с параллельными каналами цветности
систем SECAM, PAL: TDA3510 – декодер PAL, TDA3530 – декодер SECAM

Рис.16.10 Функциональная схема видеопроцессора: ЦФ – цепь фиксации; РН – регулировка насыщенности; РК – регулировка контрастности; К – коммутатор сигналов; РЯ – регулировка яркости; КГ – каскад
гашения; РР – регулировка размаха сигналов; АББ – система регули.автоматического баланса белого; ФИ
– формирователь импульсов от SSC; K – ключ в каналах АББ; Д – пороговый дискриминатор

ДОДАТОК Т. РИСУНКИ К ЛЕКЦИИ №23

Рис.16.19 Функциональная схема многосистемного комбинированного декодера на базе микросхемы TDA4555

335

Рис.2 Функциональная схема телевизора на ОСТ-процессоре (2-е поколение)

336

ЛЕКЦІЯ №24. ОСНОВИ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ
ЛІТЕРАТУРА:
1. Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 280 с.
2. Смирнов А. В., Пескин А.Е. Цифровое телевидение: от теории к практике.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 352 с.

1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Цифровое телевидение – это отрасль телевизионной техники, в которой
передача, обработка и хранение телевизионного сигнала осуществляются в
цифровой форме.
Применение методов и средств цифрового телевидения – это новая
ступень развития телевизионной техники, обеспечивающая ряд преим уществ по сравнению с аналоговым телевидением:
- повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;
- уменьшение мощности передатчиков ТВ-вещания;
- существенное увеличение числа телевизионных программ, передаваемых в том же частотном диапазоне;
- повышение качества изображения и звука в телевизионных приемниках
с обычным стандартом разложения;
- создание телевизионных систем с новыми стандартами разложения
изображения (телевидение высокой четкости – ТВЧ);
- расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры,
используемой при подготовке и проведении телевизионных передач;
- передача в телевизионном сигнале различной дополнительной информации, превращение телевизионного приемника в многофункциональную
информационную систему;
- создание интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу (интерактивное телевидение).
Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими
цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.
В своем развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом
этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а
затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и
выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппа337

ратуры. Принятие стандартов – важнейшая составляющая развития любой
технологии, в том числе и телевидения.
Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for
Standardization), созданной в 1947 г. Для разработки стандартов в какой-либо
области техники ISO создает рабочие группы. Пример такой группы – МРЕG
(Моtiоn Рiсturе Ехреrt Grоuр), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения. Члены рабочих групп большую часть времени работают в своих
странах и по мере надобности проводят встречи, на которых обсуждают и
подготавливают к утверждению материалы стандартов.
Другая организация, играющая важную роль в стандартизации – Международный Союз Электросвязи (ITU – International Соmmuniсаtion Union).
документы, принимаемые ITU, называются Рекомендациями, и могут быть
преобразованы в международные стандарты решениями ISO, или в национальные стандарты решениями национальных органов стандартизации.
Первый этап развития цифрового телевидения – использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного
оборудования. На современных телестудиях сигналы с передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в
пределах телецентра осуществляются цифровыми средствами. Это позволяет в
значительной степени реализовать указанные выше преимущества цифрового
телевидения. На выходе студийного оборудования телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по обычным каналам связи.
Результаты работы специалистов разных стран были закреплены в документе, который называется Рекомендация ITU-R ВТ 601 (ITU-R – International
Соmmuniсаtion Union, Radio, или в русском переводе – Сектор радиосвязи
Международного Союза Электросвязи – МСЭ-Р). Старое название этого
стандарта – Рекомендация 601 Международного консультативного комитета
по радио (МККР). Данный стандарт был принят в 1982 г. и определяет основные параметры цифровой студийной аппаратуры.
Другое направление использования цифровой техники, характерное для
первого этапа развития цифрового телевидения – введение цифровых блоков
в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения или
расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут
служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных
сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления
эхо-сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли
и различных объектов, то есть при наличии многолучевого приема. Широко
известны также устройства для перехода от чересстрочной развертки к квазипрогрессивной, реализации функций “стоп-кадр” и “кадр в кадре”, декодирования и воспроизведения на экране дополнительной информации, передаваемой по системе “Телетекст” и т. д.
338

Все эти усовершенствования не затрагивали стандарт разложения и
принципы передачи телевизионного сигнала по каналу связи.
Второй этап развития цифрового телевидения – создание гибридных
аналого-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от
принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных
направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их
передаче и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности его передачи по
каналам связи с приемлемой полосой частот.
Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская
система телевидения высокой четкости МUSE и западноевропейские системы
семейства МАС. В передающей и приемной частях всех этих систем сигналы
обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ МUSЕ и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц,
соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот
сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжимается примерно до 8 МГц.
Это позволяет передавать эти сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время,
широко развитая сеть наземного телевизионного вещания, включающая УКВпередатчики, кабельную сеть и другую технику, не позволяет передавать и
принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала, равную 6...8 МГц.
Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых телевизионных систем.
После появления в Японии и Европе упомянутых выше систем телевидения высокого разрешения МUSЕ и HD-MAC в США в 1987 г. был объявлен
конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения для
утверждения в качестве национального стандарта. В первые годы на этот
конкурс были выдвинуты различные аналоговые системы. Система МUSЕ и
другие системы, предусматривающие передачу только по спутниковым каналам, вскоре были сняты с рассмотрения. Это объяснялось тем, что в США
около 1400 компаний осуществляют наземное телевизионное вещание, и
очень широко развита сеть кабельных линий. Вся эта инфраструктура рассчитана на ширину полосы частот телевизионного канала 6 МГц.
Рассматривались проекты аналоговых телевизионных систем высокого
разрешения, в которых по одному стандартному каналу передается обычный
сигнал NTSC, а по другому – дополнительный сигнал, который в приемнике с
соответствующим декодером позволяет получить изображение с большим
количеством строк и элементов разложения в строке. В то время никто не мог
предположить, что уже через несколько лет удастся по стандартному каналу с
шириной полосы 6 или 8 МГц передавать сигналы полностью цифровой системы телевидения как обычного, так и ТВЧ.
339

Первые предложения по полностью цифровым системам телевидения
появились в 1990 г. В основе этих проектов лежали достижения в методах и
технике эффективного кодирования и сжатия изображений. Работы в этой
области проводились не только с целью создания цифровых телевизионных
систем, но и для таких применений, как видеотелефон и видеоконференции,
запись видеопрограмм на цифровые лазерные компакт-диски, компьютерная
графика, видеосредства мультимедиа и др.
С каждым годом возрастало количество проектов цифровых телевизионных систем и улучшались их характеристики. В начале 1993 г. последние
аналоговые системы были сняты с рассмотрения. В мае 1993 г. четыре группы компаний и исследовательских организаций, представлявших близкие по
существу проекты, объединились в “Grand Аlliance” и в дальнейшем представляли единый проект, который и стал основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы в США. В числе создателей новой системы
Массачусетский Технологический Институт, корпорации Zеnith, АТ&T, General Instruments, американские отделения Рhiliрs и Тhomson и др.
Результаты работ нашли отражение в нескольких стандартах. Для сжатия неподвижных изображений широко используется стандарт JРЕG (Goint
Рiсture Ехреrt Grouр). Методы сжатия движущихся изображений и сигналов
звукового сопровождения описаны в стандартах МРЕG-1 и МРЕG-2 (МРЕG –
Моtion Рiсture Ехреrt Grouр). Стандарт МРЕG-1, ориентированный в основном на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные
диски с возможностью воспроизведения изображения и звука с помощью
обычного персонального компьютера, был окончательно утвержден к декабрю 1993 г. Стандарт МРЕG-2, предназначенный для систем телевизионного
вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом
строк (ТВЧ), был утвержден в ноябре 1994 г.
В настоящее время системы цифрового телевидения, основанные на
сжатии телевизионных сигналов по стандарту МРЕG-2, быстро распространяются во многих странах. При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения
обычного разрешения, так как это дает быстрый коммерческий эффект.
В Европе уже в 1993 г., как только стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVВ (Digital Vidео Вгоаdсаsting – Цифровое Видео Вещание), в работах по которому приняло участие более 130 фирм и научно-исследовательских организаций разных стран.
В 1997 г. через искусственные спутники Земли (ИЗС) на европейские страны
передавалось 170 каналов цифрового ТВ, а к концу 1998 г. число таких каналов превысило 1000. Одновременно распространяются цифровое телевизионное вещание по кабельным линиям, цифровая видеозапись, цифровые видеодиски.
В развитых странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии ХХI века аналогового телевизионного вещания.
Главными особенностями нового поколения телевизионных систем являются:
340

1. Существенное сужение полосы частот цифрового телевизионного сигнала, достигаемое с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избsточности изображений, и позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной четкости или 1-2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6...8 МГц.
2. Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с
различной четкостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной четкостью, телевидение обычной четкости, ТВЧ.
З. Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи.
4. Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность
создавать системы платного ТВ-вещания.
Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рис. 1.1.
Кратко рассмотрим назначение основных частей системы.

Рис. 1.1. Структурная схема цифровой телевизионной системы

Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный
сигнал Е′Y и цветоразностные сигналы Е′R–Y, Е′B– Y, которые поступают на АЦП,
где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой кодером изображения или кодером видео, осуществляется эффективное
кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Как будет показано далее, эта операция является одной из наиболее важных, так как без эффективного кодирования невозможно обеспечить передачу сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам связи.
Сигналы звукового сопровождения также преобразуются в цифровую
форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация
341

объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала
выполняется еще одно кодирование передаваемых данных, имеющее целью
повышение помехоустойчивости. Полученным в результате цифровым сигналом модулируют несущую используемого канала связи.
В приемной части системы осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в
демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и
дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и
цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится изображение. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Эти сигналы
поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.
Помимо систем телевизионного вещания, методы и средства цифрового
телевидения являются основой современных систем видеосвязи, к которым
относятся видеоконференции и видеотелефон. Методы кодирования сигналов
в системах видеосвязи описаны в специальных стандартах, таких как Н.261,
Н.262, Н.263 и др. В конце 1998 года был принят стандарт МРЕG-4, в котором
содержатся методы кодирования изображений и звука, обеспечивающие передачу видеоинформации со звуковым сопровождением по узкополосным
каналам связи.

2. ЦИФРОВОЙ ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ СИГНАЛ
2.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
АНАЛОГОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ
Перейдем к дискретизации телевизионных изображений, представляющих собой двумерные сигналы. Телевизионное изображение по вертикальной
координате уже является дискретным
вследствие разложения на строки. Поэтому для получения двумерной дискретизации достаточно выполнить одномерную дискретизацию телевизионного сигнала во времени.
При дискретизации изображения
отсчеты образуют определенную структуру в его плоскости. На рис. 2.4,а показана наиболее широко применяемая ортогональная (прямоугольная) структура
отсчетов, а на рис. 2.4,б – шахматная
отсчеты сигнала яркости;
структура. На рис. 2.4,в,г показаны вариотсчеты цветоразностных сигналов
анты расположения отсчетов яркостного
Рис.2.4 Отсчёты ТВ сигнала
и цветоразностных сигналов при дискре342

тизации цветных телевизионных изображений. Пояснения к этим рисункам
будут даны позже.
Процесс дискретизации изображения и его последующего воспроизведения иллюстрируется также в виде трехмерных графиков на
рис. 2.5, где горизонтальные координаты Х и Y соответствуют пространственным координатам в плоскости изображения, а вертикальная
координата Z показывает значение
яркости в каждой точке изображения. На рис. 2.5,а показано исходное
аналоговое (непрерывное) изображение. На рис. 2.5,б представлен
результат
дискретизации
этого
изображения, причем отсчеты илиточки дискретизации расположены в виде ортогональной решетки. На рис. 2.5,в показана двумерная функция яркости, получающаяся при воспроизведении дискретизированного изображения на
экране с использованием двумерной
ступенчатой интерполяции. Здесь
изображение состоит из элементов,
называемых пикселами (рiхеl –
рiсture еlеmеnt). Яркость в пределах
любого
пиксела приблизительно
постоянна и равна яркости исходного изображения в соответствующей
точке дискретизации или в более
общем случае средней яркости по
некоторой площади в пределах пиксела. Размеры пикселов дол-жны
быть настолько малыми, чтобы зритель при нормальных условиях
наблюдения воспринимал воспроизводимое изображение как непрерывное.
Рис. 2.5. Дискретизация изображения. Исходное
Как и в случае одномерного сигнала,
изображение (а), дискретизированное (б) и реможно рассмотреть дискретизацию
зультат интерполяции (в)
со спектральной точки зрения. для

343

этого сначала введем понятия пространственных частот и пространственного спектра для непрерывного изображения.
По аналогии с периодом одномерного периодического сигнала, являющегося
функцией времени, назовем пространственным периодом Тx по координате Х
пространственный интервал, через который появляются значения двумерного
сигнала b(х, у). Тогда пространственной частотой этого сигнала по оси Х будет величина, обратная пространственному периоду fx = 1/Тx. Аналогично
вводятся пространственный период и пространственная частота по координате Y.
Для получения комплексного пространственного спектра изображения
применяется двумерное преобразование Фурье

Обратное двумерное преобразование Фурье позволяет по спектру восстановить исходное изображение

На рис. 2.7 показан
примерный вид модуля S(fx,
fy) комплексного спектра
S(fx, fy) для реального изображения, в котором преобладают низкие пространственные частоты. По вертикальной оси график нормирован по отношению к
значению постоянной составляющей яркости изображения S(0,0).
Чтобы не возникало искажений, необходимо выбирать достаточно высокие пространственные частоты дискретизации по обеим координатам. Однако
в телевидении эти пространственные частоты фактически предопределены
параметрами, задаваемыми в используемом стандарте разложения, т. е. количеством строк и количеством элементов в каждой строке. Для согласования
пространственного спектра изображения с указанными параметрами во многих случаях приходится ограничивать верхние граничные пространственные
частоты изображения перед дискретизацией. Эта операция выполняется с
помощью специальных оптических рассеивающих элементов, располагаемых
перед ПЗС-матрицей, или просто путем небольшой расфокусировки объектива в телевизионной камере.
344

При этом дискретизация по вертикальной координате выполняется уже в
оптико-электронном преобразователе путем разложения передаваемого кадра
на строки. Эта операция имеется уже в обычном аналоговом телевидении.
Дискретизация по горизонтальной координате выполняется путем дискретизации видеосигнала во времени.
Из курса “Основы телевидения” известно, что верхняя граничная частота
видеосигнала определяется по формуле fв = 0,5pkz2n(1 – )/(1 – ),
(2.3)
где k – формат изображения на экране; т. е. отношение ширины изображения
к его высоте; z – полное число строк в кадре; п – частота кадров;  и  – коэффициенты, показывающие доли неактивных участков в периодах, соответственно, строчной и кадровой разверток; р – экспериментально определяемый
коэффициент, равный 0,75...0,85.
Данная формула получена, исходя из условия одинаковой разрешающей
способности телевизионной системы по горизонтали и по вертикали, что соответствует квадратной форме наименьших передаваемых элементов изображения. Поэтому при задании частоты дискретизации телевизионного сигнала
по его верхней граничной частоте (обычной, а не пространственной) в соо тветствии с одномерным критерием, даваемым теоремой Котельникова, будет
удовлетворяться и двумерное условие отсутствия искажений изображения изза перекрытия пространственных спектров при дискретизации.
2.2. Цифровые телевизионные сигналы согласно
Рекомендации ITU-R ВТ 601
Рассмотрим требования Рекомендации ITU-R ВТ 601, определяющие единый международный стандарт цифрового кодирования телевизионного сигнала
для студийной аппаратуры. Этот стандарт применяется и в современных полностью цифровых телевизионных системах при цифровом представлении телевизионных сигналов обычной четкости. В данном стандарте предусмотрено раздельное цифровое кодирование яркостного и двух цветоразностных сигналов.
Дискретизация. Установлено одно значение частоты дискретизации
сигнала яркости, равное 13,5 МГц, для обоих стандартов развертки – 25 Гц,
625 строк и 30 Гц, 525 строк. Каждый цветоразностный сигнал дискретизируется с вдвое меньшей частотой 6,75 МГц, причем в каждой строке присутствуют оба цветоразностных сигнала. Данный стандарт цифрового кодирования телевизионных сигналов обозначается 4:2:2, что отражает соотношение
частот дискретизации (относительно 3,375 МГц) сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновременность их передачи. Взаимное расположение отсчетов яркостного и цветоразностных сигналов показано на рис. 2.4,в.
Полное число отсчетов яркости в строке PAL равно 864 (858 для NTSC),
а число отсчетов каждого цветоразностного сигнала – 432 (429). За время активного участка строки формируется 720 отсчетов сигнала яркости и 360 о тсчетов каждого цветоразностного сигнала в обоих стандартах. Эти количества
отсчетов являются промежуточными между значениями, необходимыми для
получения квадратных пикселов в указанных стандартах развертки. Таким
345

образом, при разработке Рекомендации 601 был достигнут компромисс. Число активных строк в кадре для стандарта 625 строк равно 576 (480 строк в
NTSC). Число передаваемых в секунду строк одинаково – 57625 = 48030 = 14
400. Полное число элементов изображения в секунду также одинаково:
86462525 + 2(43262525) = 27 000 000 = 85852529,97 + 2(42952529,97).
Следовательно, тактовая частота отсчетов – 27 МГц, период Т = 37, (037) нс.
Предусмотрены и другие форматы преобразования телевизионных сигналов в цифровую форму. Например, при использовании формата 4:2:0 каждый цветоразностный сигнал имеет частоту дискретизации в 2 раза ниже частоты дискретизации яркостного сигнала и передается в каждой второй строке. Расположение отсчетов яркостного и цветоразностных сигналов в плоскости изображения для этого варианта показано на рис. 2.4,г. Отсчеты цветоразностных сигналов показаны между строками отсчетов яркостных сигналов
и для каждого из этих сигналов образуют матрицу 360288 (360240) элементов.
При формате 4:1:1 оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке, но их частоты дискретизации равны 3,375 МГц. Число элементов каждого цветоразностного сигнала в кадре в этом случае такое
же, как для формата 4:2:0 , и скорости передачи равные (202,5 Мбит/с
при п = 10). Но формат 4:1:1 применяют в стандарте 525/30, т.к. потеря
вертикальной четкости более заметна в системе с меньшим числом
строк, а потеря горизонтальной четкости более заметна в систе ме 625/25.
Наконец, при формате 4:4:4 оба цветоразностных сигнала передаются в
каждой строке и дискретизируются с той же частотой, что и яркостный сигнал.
Квантование. В Рекомендации 601 для всех сигналов предусмотрено
число разрядов квантования п = 8, что дает число уровней квантования = 256.
При этом уровню черного сигнала яркости соответствует 16-й уровень квантования, а номинальному уровню белого – 235-й уровень квантования. 16
уровней квантования снизу и 20 уровней квантования сверху образуют резервные зоны на случай выхода значений аналогового сигнала яркости за
пределы номинального диапазона. Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы
синхронизации – опорные временные сигналы (Timing Reference Signal – TRS).
Аналого-цифровое преобразование сигнала яркости описывается соотношением
Y = 219 Е′Y + 16,
(2.7)
где Е′Y – аналоговый сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1 В
(штрих, как это принято в технической литературе по телевидению, означает,
что сигнал прошел гамма-коррекцию), Y – цифровой сигнал яркости, изменяющийся в диапазоне от 16 до 235.
При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются
резервные зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е′R–Y, Е′B– Y, а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями
Е′CR = 0,713 Е′R–Y, Е′CB = 0,564 Е′B–Y,
(2.8)
346

причем значения сигналов и изменяются в диапазоне от –0,5 В до +0,5 В.
Аналого-цифровые преобразования цветоразностных сигналов, в результате которых получаются цифровые цветоразностные сигналы CR и CB, выполняются в соответствии со следующими соотношениями
CR = 224 Е′CR + 128  160 Е′R–Y + 128,
(2.9)
CB = 224 Е′CB + 128  126 Е′B–Y + 128.
(2.10)
Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. На рис. 2.14 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьмицветных полос.
В последние годы все шире применяется квантование яркостного и цветоразностных сигналов с помощью 10-разрядных АЦП, что дает 1024 уровня квантования. Нетрудно подсчитать, что в этом случае полная скорость передачи цифрового
компонентного сигнала должна составлять 2700000010 = = 270 МГц.

Рис. 2.14. Соотношение
между уровнями аналогового ТВ сигнала и уровнями квантования по Рекомендации ITU-R BT 601

В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации
ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал
начала активной строки (SAV – НАС, рис. 2.15), а после окончания активного
участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается
синхросигнал конца активной строки (EAV – КАС).
347

Каждый из синхросигналов НАС и КАС содержит 4 байта. Первый байт
состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу
255 (в шестнадцатеричной записи FF). Следующие два байта равны 0. Последний, четвертый байт содержит информацию о том, какое передается поле
(четное или нечетное), какой именно это синхросигнал, а также обеспечивает
защиту временного кода от ошибок (четыре младших бита). При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023.
На рис. 2.15 показаны временные соотношения между аналоговым и
цифровым видеосигналами при тактовой частоте 27 МГц (тактовый период
Т = 37,037 нс), на каждый период строки приходится 1728 тактовых интервалов
(PAL) или 1716 тактов для NTSC. Характерно, что активная часть строки в
обоих стандартах содержит 1440 тактов, соответствующих числу отсчетов в
активной части строки. Большая часть длительности строчного гасящего импульса между синхросигналами НАС и КАС остается свободной (280Т для
PAL), и в это время можно передавать различную информацию, например,
преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Рис. 2.15. Временные соотношения между аналоговым и цифровым видеосигналами

348

Квантованные сигналы яркости Y и цветоразностные сигналы CB, CR
мультиплексируются (уплотняются) согласно следующей структуре:
CB, Y, CR Y CB, Y, CR ...,
где три слова CB, Y, CR соответствуют отсчетам сигналам яркости и цветоразностным, относящихся к одному элементу изображения, а соседнему элеме нту соответствует только следующее слово Y (передается только сигнал яркости в формате 4:2:2).
Первое слово видеоданных (после SAV) каждой активной части строки – CB.
Формирователи цифровых телевизионных сигналов. Рассмотрим два
варианта структурной схемы формирователя цифрового телевизионного сигнала в соответствии с Рекомендацией IТU-R ВТ 601. В устройстве, показанном на рис. 2.16,а, сигналы основных цветов ER, EG, EB от источника телевизионных сигналов (телекамеры) вначале поступают на гамма-корректоры
(ГК), сформированные в которых сигналы E′R, E′G, E′B в кодирующей матрице (КМ) по известным соотношениям преобразуются в сигнал яркости
E′Y и цветоразностные сигналы E′R–Y
и E′B–Y. Далее эти сигналы преобразуются в АЦП в цифровые сигналы
Y, CR и CB соответственно. На входах
АЦП имеются дополнительные аналоговые узлы, выполняющие масштабирование и сдвиг сигналов в
соответствии с (2.8), (2.9) и (2.10).
Число разрядов каждого АЦП, как
правило, равно 8.
Синхроимпульсы развертки источника телевизионных сигналов
поступают на формирователь цифровых синхроимпульсов (ФЦСИ),
вырабатывающий
синхросигналы
НАС и КАС. Кроме того, синхроимпульсы используются для синхронизации генератора тактовых импульсов (ГТИ), который вырабатывает
импульсы с частотами 27, 13,5 и 6,75
МГц, поступающие на другие узлы
устройства. ГТИ содержит схему
фазовой автоподстройки частоты
(ФАПЧ), с помощью которой обеспечивается требуемое число периодов тактовых импульсов за период
Рис. 12.6. Варианты структурной схемы
строчной развертки источника телеформирователя цифрового ТВ сигнала
визионных сигналов.
349

Мультиплексор (МS) в заданной последовательности передает на выход
цифровые сигналы Y, CR и CB и цифровые синхросигналы. В результате на
выходе устройства оказывается сформированным цифровой телевизионный
сигнал (ЦТС).
В другом варианте устройства (рис. 2.16,б) сигналы основных цветов ER, EG,
EB сразу преобразуются в цифровые сигналы Rd, Gd, Вd. При этом каждый АЦП
должен иметь по меньшей мере 10, а лучше 12 двоичных разрядов.
Далее цифровые сигналы Rd, Gd, Вd поступают на цифровые гаммакорректоры (ЦГК), в которых выполняются нелинейные преобразования.
Число двоичных разрядов прошедших гамма-коррекцию цифровых сигналов
R′d, G′d, В′d равно 8. Затем сигналы R′d, G′d, В′d в цифровой кодирующей матрице (ЦКМ) преобразуются в цифровой сигнал яркости Y и цифровые цветоразностные сигналы СR и СB.
Формирование синхросигналов и тактовых импульсов и работа мультиплексора осуществляются аналогично первому варианту устройства. Выполнение гамма-коррекции цифровыми средствами обеспечивает более точное
задание требуемой функции преобразования, но при этом требуются имеющие больше двоичных разрядов и, следовательно, более дорогие АЦП.
Параллельный видеостык. Перейдем к передаче цифрового телевизионного сигнала. Рекомендацией ITU-R ВТ 656 предусмотрены два варианта
интерфейса для этой цели: параллельный видеостык и последовательный видеостык.
Стандарт на параллельный видеостык требует 8 (или 10) линий связи для
параллельной передачи 8 (или 10) двоичных разрядов и еще одну линию для
передачи тактовых импульсов. Линии связи обычно выполняются в виде витых пар проводов. Из-за больших потерь и наводок таким способом можно
передавать цифровой телевизионный сигнал внутри блоков и устройств или
между устройствами (видеомагнитофонами) на небольшие расстояния (до 50 м).
Передача значений отсчетов яркостного Y и цветоразностных С С сигналов происходит по одним и тем же линиям в следующем порядке: Y, CR, Y, CB,
Y, CR,… Частота тактовых импульсов при этом равна fт = 13,5 + 6,75 + 6,75 =
27 МГц. Сигналы синхронизации телевизионной развертки, представляемые,
как указывалось ранее, кодами 11111111 и 00000000, передаются в общем
потоке данных.
Произведение частоты дискретизации fт и числа разрядов квантования п
называется скоростью передачи двоичных символов цифрового сигнала – Q
[бит/с]. Для цифровой студийной аппаратуры, удовлетворяющей требованиям
рассматриваемых Рекомендаций, получаются следующие значения этого параметра:
- для яркостного сигнала: QY = 13,58 = 108 Мбит/с;
- для цветоразностного сигнала: QC =6,758 = 54 Мбит/с.
Двоичные символы преобразованного в цифровую форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) в параллельном видеостыке передаются
двумя потоками с равными скоростями 108 Мбит/с (135 Мбит/с при 10разрядном квантовании) сигналами с размахом 0,8 В на уровнях ЭСЛ-логики.
350

В последнее время разработаны стандарты для последовательного цифрового
интерфейса, имеющего несомненные преимущества.
Последовательный видеостык Передача цифрового телевизионного
сигнала на большие расстояния осуществляется в последовательной форме. В
этом случае двоичные разряды или биты каждого элемента изображения передаются один за другим по одной линии, в качестве которой можно использовать коаксиальный или волоконно-оптический кабель. Импульсы тактовой
частоты отдельно не передаются. Тактовая частота восстанавливается в приемном устройстве по самому передаваемому сигналу.
Один из простейших способов синхронизации при приеме цифров ого сигнала, передаваемого по последовательному каналу, иллюстрируе тся структурной схемой, показанной на рис. 2.17 сверху, и временными
диаграммами, представленными на том же рисунке снизу (точки структурной схемы и соответствующие им временные диаграммы отмечены
одинаковыми буквами).
Принимаемый цифровой сигнал (рис. 2.17,а), состоящий из последовательности “единичных” и “нулевых” уровней, поступает на формирователь
импульсов, вырабатывающий короткие импульсы на каждый положительный
и отрицательный перепад напряжения в сигнале (рис. 2.17,б). Расширитель импульсов преобразует короткие импульсы в импульсы, длительность которых
равна половине периода тактовой частоты (рис. 2.17,в). Эти импульсы поступают на узкополосный фильтр, настроенный на тактовую частоту. На выходе
фильтра выделяется синусоидальный сигнал тактовой частоты (рис. 2.17,г),
который затем преобразуется в прямоугольные импульсы (рис. 2.17,д), используемые для тактирования принимаемого сигнала.

Рис. 2.17 Выделение тактовых импульсов из передаваемого последовательного цифрового
потока

Как видно из временных диаграмм, в случае, если в принимаемом цифровом сигнале подряд идут несколько битов с одинаковыми значениями, им351

пульсы на выходе формирователя отсутствуют, и выходные тактовые импульсы продолжают формироваться за счет наличия затухающего гармонического колебания на выходе узкополосного фильтра. Это накладывает ограничения на передаваемый сигнал, так как передача достаточно длинных последовательностей нулей или единиц приведет к прекращению формирования
тактовых импульсов. Кроме того, в начале передачи цифрового сигнала амплитуда колебаний на выходе узкополосного фильтра нарастает постепенно,
поэтому имеет место некоторая задержка до появления тактовых импульсов
на выходе устройства синхронизации.
Для преодоления указанных трудностей в системах передачи цифровых
сигналов по последовательным каналам связи выполняется дополнительное
преобразование передаваемых данных, в результате которого число передаваемых подряд нулей или единиц ограничивается.
Рассмотрим построение последовательного видеостыка, соответствующего Рекомендации ITU-R ВТ 656. В таком видеостыке предусмотрена передача каждого 8-разрядного кода отсчета яркостного или цветоразностного
сигнала с помощью 9-битовой посылки. В результате получается скорость
передачи двоичных символов 243 Мбит/с. Таким образом, для передачи используется избыточный код. Это позволяет надежно осуществлять синхронизацию и избегать накопления ошибок передачи.
Структурная схема последовательного видеостыка приведена на рис. 2.18.

В передающей части из 8-разрядного параллельного кода формируется
9-разрядный параллельный код, который затем преобразуется в последовательный код. Тактовая частота 243 МГц формируется с помощью ФАПЧ из
тактовой частоты 27 МГц параллельного видеостыка. В приемной части
по принятому сигналу осуществляется восстановление тактовой частоты
243 МГц. Блок синхронизации кодовых слов по синхрослову, содержащемуся в каждой телевизионной строке, определяет начальные моменты парал352

лельных кодовых слов. Преобразователь последовательного кода в параллельный формирует 9-разрядные слова, выдача которых синхронизируется в
блоке фазирования тактовой частотой 27 МГц. Наконец, в декодере 9разрядный параллельный код преобразуется в 8-разрядный.
Стандартом SPTE-259M установлены параметры последовательного видеостыка, рассчитанного на работу как с 8 -разрядными данными (скорость передачи 216 Мбит/с), так и с 10 -разрядными (скорость передачи
270 Мбит/с) на уровне ЭСЛ -логики. Импульсы с амплитудой 800 мВ
должны иметь номинальную длительность фронта 1 нс и допустимый
джиттер 0,25 нс.
Поскольку нет оборудования, которое обрабатывало бы видеосигнал,
представленный в последовательной форме (цифровые переключатели-маршрутизаторы, где нет никакой необходимости изменять сигнал, только накапливают или пересылают его), то на приемной стороне сигналы преобразуются
в параллельный код для внутренней видеообработки.

353

ДОДАТОК Т. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №24 ОСНОВИ ЦИФРОВОГО
ТЕЛЕБАЧЕННЯ

354

355

ЛЕКЦІЯ №25. СТИСНЕННЯ ВІДЕОІНФОРМАЦІЇ.
СТАНДАРТ СТИСНЕННЯ JPEG
ЛІТЕРАТУРА:
1. Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 280 с.
2. Смирнов А. В., Пескин А.Е. Цифровое телевидение: от теории к практике.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 352 с.
1. ОСНОВНІ ВИДИ НАДЛИШКОВОСТІ В ТЕЛЕВІЗІЙНОМУ
ЗОБРАЖЕННІ
Согласно Рекомендации ITU-R BT 601 (1982 г.) предусмотрено несколько стандартов (семейство) совместимых стандартов цифрового кодирования,
обеспечивающих различное качество результирующих телевизионных изображений, подобно тому, как это имеет место в современных аналоговых телецентрах, где есть три основных уровня качества:
> Высшее – на выходе студийных камер до кодирующего устройства.
> Промежуточное – после кодирующего устройства.
> Низшее, в настоящее время соответствующее изображениям на выходе
видеомагнитофонов.
Примерно такие же градации в цифровом телевидении получаются при
соотношении частот дискретизации сигналов яркости и цветности, например,
4:4:4, 4:2:2, 4:1:1 или 2:1:1 (для видеожурналистики) см. рис. 1.

Рис. 1. Форматы представления ТВ сигнала (

– отсчеты Y и C,

– толькоY)

Требование совместимости семейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравнительно простом переходе от одного стандарта к другому. Если предположить, что все стандарты базируются на ортогональной
структуре дискретизации, то, например, переход от стандарта 4:4:4 к 4:2:2
получается отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов (рис. 1). Аналогично переход от стандарта 4:2:2 к 4:4:4 будет заключаться в
восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов и т. п.
Предусмотрена возможность применения стандарта более низкого уровня
(например, для видеожурналистики) с условным обозначением 2:1:1 (частоты
дискретизации 6,75 и 3,375 МГц).
356

Суммарная скорость цифрового потока при стандарте кодирования 4:2:2, получаемого путем объединения потоков сигнала яркости (13,58 = 108 Мбит/с) и
двух цветоразностных сигналов СR и СB (6,7582 = 108 Мбит/с), равна 216 Мбит/с.
Для получения более высокого качества изображения необходим стандарт с
использованием широкополосных сигналов основных цветов R, G, В (или
сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов) и частоты дискретизации
не ниже 13,5 МГц для каждого из них (условное обозначение 4:4:4). Скорость
цифрового потока при этом стандарте составит 13,5 83 = 324 Мбит/с.
Однако как при непосредственном, так и при раздельном кодировании
полного телевизионного сигнала цифровые телевизионные сигналы получаются чрезвычайно широкополосными, и передавать их по существующим
линиям связи практически невозможно (стандартный канал наземного ТВ
вещания имеет полосу шириной 8 МГц, спутниковый – 27 МГц). Поэтому
центральной проблемой в цифровом телевидении является уменьшение в несколько раз требуемой скорости передачи сигналов. Она решается путем устранения избыточности, имеющейся в телевизионном сигнале, и использования
эффективных методов модуляции. Различают статистическую, визуальную (психофизиологическую) и структурную избыточность телевизионного сигнала.
Статистическая избыточность вызвана корреляционными связями и
предсказуемостью между элементами сигнала в одной строке, в смежных
строках и соседних кадрах. Эта избыточность может быть устранена без потери информации, а исходные данные при этом могут быть полностью восстановлены. Широко применяемый метод устранения такой избыточности –
декорреляция – кодирование с предсказанием (ДИКМ, основанная на передаче приращений значений сигнала).
Визуальная избыточность заключается в той части информации, которая
не воспринимается глазом человека (например, цветовая разрешающая способность зрения примерно в 4 раза ниже, чем яркостная; Кретцмер предложил
кодировать крупные детали изображения с большим числом градаций яркости, а мелкие – с меньшим). Ее можно устранить с частичной потерей данных, мало влияющих на качество воспроизводимого изображения.
Структурная избыточность определяется законом разложения телевизионного изображения и связана со способом передачи телевизионного сигнала (например, передаются постоянные по форме сигналы гашения, которые
нет необходимости передавать в цифровом сигнале). Устранение этих сигналов позволяет уменьшить объем цифрового потока примерно на 23 %.
Методы сжатия изображений можно разделить на два класса: методы
сжатия без потерь информации и методы сжатия с частичной потерей информации. При сжатии без потерь после декодирования получается изображение, идентичное исходному. Примерами таких методов могут служить различные алгоритмы архивирования изображений, применяемые в вычислительной технике и основанные на уменьшении статистической избыточности.
Возможности сжатия реальных цветных или полутоновых черно- белых изображений без потерь весьма ограничены. Так путем преобразования записан357

ного в компьютере изображения в формат GIF (на основе метода сжатия
LZW), являющийся одним из наиболее компактных и эффективных, объем
информации сокращается в среднем в 2…3 раза, чего явно недостаточно для
решения задач, стоящих в области цифрового телевидения.
Гораздо большего эффекта позволяют достичь методы сжатия с частичной потерей информации. Например, с помощью метода JPEG можно уменьшить объем информации реального неподвижного изображения в 5…10 раз
без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества декодированных изображений. Возможно и еще большее сжатие, но при этом уже начинают наблюдаться заметные искажения изображения. Получение минимального объема передаваемой или запоминаемой ин формации при сохранении
достаточно высокого качества изображения является одной из главных задач
при поиске новых алгоритмов сжатия.
При разработке методов уменьшения скорости передачи цифрового телевизионного сигнала принимается также во внимание необходимость сопряжения цифровых сигналов телевизионной программы на выходе телецентра с цифровыми каналами линий связи.
Для борьбы с помехами, приводящими к неверному распознаванию символов цифрового сигнала (к ошибкам передачи), в состав тракта цифрового
телевидения в общем случае включается кодер канала – устройство защиты
от ошибок. При этом для передачи по каналу используется помехоустойчивое
кодирование. Наиболее распространенным методом помехоустойчивого кодирования является введение в цифровой канал избыточных символов. Отметим, что современные методы помехоустойчивого кодирования позволяют
при введении в цифровой телевизионный сигнал сравнительно малого числа
избыточных символов значительно уменьшить вероятность ошибочного приема символа.
Кроме ошибок передачи, внешние помехи приводят к временнóй нестабильности кодовых импульсов. Эту временную нестабильность, называемую
фазовым дрожанием, также часто именуют джиттером.
Помехоустойчивость передачи цифрового телевизионного сигнала зависит от вида модуляции и кода, примененных для передачи цифровой информации по каналу, алгоритма декодирования сигнала в декодере и ряда других
факторов.
Коды, используемые в цифровом телевещании, можно условно разделить на коды:
● Для кодирования телевизионного сигнала.
● Для эффективной передачи по каналу.
● Для цифровой обработки сигнала в различных звеньях тракта цифрового телевидения.
● Коды, обеспечивающие удобство декодирования и синхронизацию
при приеме
Процессы кодирования телевизионного сигнала, передачи информации
по каналу и декодирования ее при приеме могут быть независимыми и оказаться даже несовместимыми. Это значит, что коды, удобные для цифрового
358

представления телевизионного сигнала, могут оказаться непригодными для
передачи по каналу, а коды, обеспечивающие помехоустойчивую передачу по
каналу, могут декодироваться лишь весьма сложными методами. Поэтому в
цифровом телевидении приходится решать задачу преобразования кодов.
Цифровой телевизионный сигнал должен передаваться с высокой достоверностью. Защита его от искажений актуальна как в условиях телецентра,
так и на линиях связи. Коррекция ошибок заключается в восстановлении поврежденной информации цифровыми методами, а маскирование ошибок – в
замене поврежденной информации предыдущими или проинтерполированными данными. Большое внимание уделяется выбору эффективных корректирующих кодов, в том числе использованию нового класса кодов, исправляющих ошибки – сверточных кодов, обладающих рядом достоинств.
Как по видам вносимых искажений, так и по методам их оценки цифровые телевизионные тракты имеют мало общего с аналоговыми. Качество
цифрового телевизионного сигнала должно в конечном счете отвечать лишь
одному требованию – возможности правильного приема кодовых комбинаций, оцениваемой вероятностью ошибки Рош.
Подводя итог сказанному выше, отметим преимущества, которые обеспечиваются при переходе к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов:
● Возможность большого числа обработок сигнала с сохранением высокого качества телевизионного изображения.
● Высокое качество передачи телевизионных сигналов по цифровым
линиям связи большой протяженности благодаря значительному уменьшению накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи.
● Возможность просмотра ТВ программ любого существующего стандарта цветного телевидения.
● Высокое качество записи и воспроизведения изображения за счет значительного снижения уровня нелинейных искажений.
● Высокая стабильность тракта, возможность длительного бесподстроечного режима работы оборудования.
Переход от аналогового телевизионного вещания к цифровому можно
сравнить с переходом от черно-белого телевидения к цветному. Цифровая
обработка сигнала уже давно применяется в технике. В чем же особенность
передачи изображения в цифровом виде? Самой главной проблемой, которая
мешала внедрению данного способа передачи, является очень большой объем
информации, который необходимо обрабатывать в режиме реального времени. Для передачи таких объемов необходима очень высокая скорость и, как
следствие, широкая полоса частот, занимаемая сигналом. Поэтому для обеспечения цифрового телевещания по современным каналам связи нужно стремиться к уменьшению скорости передачи данных до приемлемого значения
без ущерба качеству изображения. На практике необходимо найти разумный
компромисс между результатом кодирования (сжатие с достаточным качеством) и аппаратной сложностью реализации.
359

2. СТИСНЕННЯ НЕРУХОМИХ ЗОБРАЖЕНЬ В СТАНДАРТІ JPEG
Общие положения. Один из наиболее эффективных и употребительных
методов сжатия неподвижных изображений изложен в принятом Международной организацией стандартизации ISО стандарте ISО 10918, чаще называемым JРЕG (Joint Photographic Experts Group). Он определяет последовательность и параметры операций при кодировании и декодировании неподвижных изображений. JРЕG относится к методам сжатия изображений с потерями
и используется в основном при записи неподвижных изображений с целью
экономии объема ЗУ и как первая стадия обработки сигналов в МРЕG.
Сжатие информации достигается за счет устранения психофизиологической избыточности. Разрешающая способность глаза человека (способность
различать мелкие детали) сравнительно высока при рассматривании чернобелого изображения и в несколько раз ниже для цветного (цветные детали,
видимые под углом зрения около 10 минут, воспринимаются как черно белые). Поэтому без заметного снижения качества можно убрать мелкие черно-белые детали изображения и более крупные цветные, таким образом достичь сжатия информации.
Для большинства реальных полутоновых и цветных изображений этот метод позволяет уменьшить объем информации в 5…10 раз без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества. JРЕG не предназначен для сжатия
рисунков, чертежей и других изображений, имеющих два уровня яркости.
Последовательность операций при кодировании R, G, B изображения,
поясняемая структурной схемой на рис. 2, включает:

Рис. 2. Структурная схема кодирования по стандарту JPEG

1. Преобразование цвет – пространство и разбиение изображения на блоки.
2. Преобразование пространство – частота выполнением быстрого дискретного косинусного преобразования (БДКП) в каждом блоке.
3. Квантование полученных коэффициентов ДКП с использованием таблицы коэффициентов квантования (таблицы Q).
4. Энтропийное кодирование квантованных коэффициентов ДКП каждого блока изображения методами RLE (Run-Length Encoding – кодирование
длин серий) и Хаффмена.
360

В результате кодирования исходное изображение преобразуется в сжатые видеоданные, записываемые в файл.
Последовательность операций при декодировании, поясняемая структурной схемой на рис. 3, включает:
1. Декодирование энтропийного кода (декодер Хаффмена).
2. Деквантование коэффициентов ДКП для каждого блока 88 пикселов.
3. Обратное БДКП для каждого блока.
4. Объединение блоков в декодированное изображение.
При декодировании энтропийного кода и при деквантовании используются таблицы кодирования и таблицы коэффициентов квантования, которые
могут содержаться в одном файле со сжатым изображением.

Рис. 3. Структурная схема декодирования по стандарту JPEG

Далее более подробно рассмотрены операции, выполняемые при кодировании, и соответствующие им обратные операции, выполняемые при декодировании.
Разбиение изображения на блоки. Полутоновое монохромное (чернобелое) изображение в цифровой форме разбивается на блоки 88 пикселов.
Эти блоки далее кодируются один за другим. Порядок кодирования блоков
слева направо, один горизонтальный ряд блоков за другим сверху вниз.
Преобразование цвет – пространство осуществляется точно таким же
способом, который применяется в телевидении. Напомним, что глаз обладает
относительно низкой чувствительностью к цветовым деталям. Очевидно, что
это свойство имеет огромное значение для любого применения методов сжатия цветного изображения. Поэтому первым шагом алгоритма по сокращению данных является преобразование цветовых осей, которое обычно называют преобразованием RGВ – YUV. Оно выполняется путем следующей математической обработки:
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114В; U = 0,493(В – Y); V = 0,877(R – Y).
Подобное преобразование само по себе не обеспечивает никакого сжатия, однако, как было замечено в телевизионной практике, сигналы U и V занимают гораздо более узкую полосу частот, чем сигнал яркости, без заметной
потери качества изображения. Алгоритм пользуется данным свойством для
уменьшения числа отсчетов – субдискретизации (аналогично цифровому телевизионному стандарту ССIR 601).
361

Далее цветное изображение преобразуется в цифровую форму (их обозначают через Y, CR и CB), записываются в ОЗУ в виде 8-разрядных двоичных
чисел, отображающих значения компонентов Y, U и V, и порознь подвергаются цифровой обработке.
Изображение Y (или CR или CB) разделяется на квадратные блоки размером 88 пикселов (т.е. записываются соответствующие пикселам 8-разрядные
числа в матрицу 88).
Первый шаг с потерями в JРЕG-сжатии заключается в кодировании
только по одному цветоразностному значению CR. и CB для каждых двух (блок
21), четырех (блок 22), или даже шестнадцати (блок 44) пикселов яркости
в зависимости от уровня сжатия (что соответствует форматам дискретизации
4:2:2, 4:2:0 и 4:0,5:0).
Возможны два варианта последовательности кодирования блоков цветного изображения. Согласно первому варианту, называемому последовательным
(sequential) сначала кодируются все блоки изображения сигнала Y, затем – все
блоки изображения сигнала СB, затем – все блоки изображения сигнала СR. Второй вариант предусматривает перемежение (interleaved) блоков разных составляющих. Например, в случае формата дискретизации 4:2:0, сначала кодируются
4 блока из Y, образующие матрицу 22, затем соответствующий им один блок
СB, затем – один блок СR, затем следующие четыре блока Y и т. д..
При объединении блоков в декодированное изображение количество
элементов СB и СR восстанавливается с помощью интерполяции.
Дискретное косинусное преобразование. Следующий шаг в сжатии по
алгоритму состоит в преобразовании пространственных данных изображения
в частотную область по пространственным гармоникам. Исходные данные
для ДКП имеют вид блоков или матриц 88 элементов сигналов Y, СB или СR,
выражаемых 8-разрядными целыми положительными двоичными числами.
Перед выполнением ДКП значение каждого элемента блока сдвигается путем
вычитания числа 128, в результате чего элементы блоков выражаются целыми
числами со знаком.
После этого в кодере JРЕG выполняется быстрое двумерное ДКП в соответствии с формулами (1) при N = М = 8 для каждого блока 88. Обратное
ДКП в декодере JРЕG выполняется в соответствии с формулой (2). После него выполняется обратный сдвиг уровня каждого элемента путем прибавления
числа 128. Как правило, при вычислениях используются алгоритмы быстрого
ДКП, которое примерно на 5 порядков быстрее обычного ДКП.

362

C (k , l ) 
C (0, l ) 

2
MN
1

M 1 N 1
m 0 n 0

M 1 N 1

C (0, 0) 

 2n  1 
πl  ,
2N


  x(m, n) cos 
MN
m0 n0

C (k , 0) 

 2m  1 
 2n  1 
πk  cos 
πl  ,
2M

 2N


  x(m, n) cos 

1
MN
1

M 1 N 1

 2m  1 
πk ,
2M


  x(m, n) cos 

m0 n0

2 MN

x(m, n) 

(1)

M 1 N 1

  x(m, n).

m0 n 0

1

M 1 N 1

 2m  1   2 n  1 
πk  cos 
πl  .
2M
  2N 

 C(k , l )cos 
MN
m0 n 0

(2)

Здесь x(m,n) – матрица значений, где m = 0…M – 1 – номер отсчета в
строке, n = 0…N – 1 – номер строки в кадре.
Величины k/M и l/N – безразмерные дискретные пространственные частоты по горизонтальной и вертикальной координатам соответственно. Каждая пространственная частота пропорциональна отношению пространственного периода дискретизации по данной координате к пространственному периоду этой частотной составляющей. Пространственные периоды измеряются в
единицах расстояния. Пространственные частоты дискретизации fx = 1/M, fy =
1/N.
В результате выполнении ДКП квадратной матрицы из 88 чисел получается квадратная матрица 88 из 12-ти разрядных коэффициентов ДКП, которые могут быть как положительными, так и отрицательными целыми числами из диапазона –2047...2047. Эта операция сама по себе не изменяет количества передаваемой информации и является обратимой, так как после выполнения обратного ДКП в каждом блоке и объединения блоков получается
изображение, идентичное исходному. Единственным источником необратимых потерь информации могут быть ошибки округления при вычислениях,
однако эти ошибки могут быть сделаны достаточно малыми за счет выбора
разрядности вычислительных средств. Тем не менее, именно ДКП создает
основу для последующего значительного уменьшения объема передаваемой
информации. Рассмотрим, как это получается.
В первую очередь необходимо отметить, что каждый коэффициент ДКП
содержит информацию не об одном каком-то элементе из матрицы элементов
изображения, а обо всех 64 элементах. Пусть {х(m,п)}, m,п = 0...7 – квадратная
матрица элементов изображения, представляющая собой один из его блоков,
{(С(k,l)}, k, l=0 ...7 – квадратная матрица коэффициентов двумерного ДКП.
Коэффициент С(0,0), как следует из (1), пропорционален постоянной составляющей, т. е. среднему значению величин х(т,п) блока изображения. Коэффициент С(0,1) показывает значение пространственной составляющей, име363

ющей нулевую пространственную частоту по горизонтальной координате и
пространственную частоту, равную 1/М, по вертикальной координате и т. д.
Например, если прямому преобразованию подвергается блок в виде
«шахматной доски» с чередующимися светлыми пикселами (со значениями 2)
и темными (равными нулю),
2
0
2
0
2
0
2
0

0
2
0
2
0
2
0
2

2
0
2
0
2
0
2
0

0
2
0
2
0
2
0
2

2
0
2
0
2
0
2
0

0
2
0
2
0
2
0
2

2
0
2
0
2
0
2
0

0
2
0
2
0
2
0
2

то после двумерного прямого ДКП матрица коэффициентов Фурье имеет вид,
8
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
8
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0
0

где коэффициент С(0,0) = 8 в верхнем левом углу матрицы отображает среднюю яркость блока («постоянная составляющая»), коэффициент С(4,4) = 8
соответствует амплитуде четвертых пространственных гармоник в горизонтальном и вертикальном направлениях. Других пространственных частот в
изображении на этом блоке нет – остальные коэффициенты Фурье равны нулю. Коэффициент С(7,7) в нижнем правом углу матрицы пропорционален
высшим, седьмым пространственным гармоникам в обоих направлениях, коэффициент С(6,7) отображает амплитуду шестой пространственной гармоники в горизонтальном направлении и седьмой – в вертикальном, и т.д. Обратное двумерное ДКП полностью восстановит изображение в виде «шахматной
доски», т.е. прямое ДКП не приводит к ухудшению качества изображения, но
дает возможность значительно уменьшить количество передаваемых отсчетов
(в данном примере вместо 64 – только три).
При выполнении обратного ДКП в соответствии с (2) изображение формируется в виде суперпозиции составляющих, каждая из которых имеет
определенную пространственную частоту. Как известно, наибольший вклад
при формировании большинства реальных изображений вносят низкочастотные составляющие, определяющие формы и яркости основных объектов и
фона. Высокочастотные составляющие создают резкие границы и контуры, а
также мелкую структуру (текстуру) изображения.
Возможность уменьшения скорости передачи двоичных символов при
помощи ДКП основана на указанных свойствах пространственно-частотного
спектра реальных изображений и на ограниченной способности человеческого зрения воспринимать изменения и искажения мелкой структуры изображе364

ния. Количество передаваемой информации уменьшается путем более грубого квантования части или всех передаваемых коэффициентов С(k,l), в результате которого уменьшается число двоичных разрядов, используемых для
представления этих коэффициентов, а многие из коэффициентов становятся
равными 0.
Как видим, уменьшение скорости передачи двоичных символов достигается за счет отбрасывания части информации. Поэтому изображение, получаемое с помощью обратного ДКП в приемной части системы, не будет иде нтично исходному передаваемому изображению. Следовательно, данный метод кодирования относится к методам кодирования с частичной потерей
информации. Однако отбрасываемая информация оказывается несущественной для зрительного восприятия, а возникающие изменения и искажения
изображения не снижают или почти не снижают его субъективно воспринимаемого качества. Поэтому рассмотренный метод кодирования является методом сокращения психофизиологической избыточности изображения.
В случае же, когда получателем информации является система автоматического распознавания образов (например, в медицинской диагностике или
при обнаружении целей), описанный подход может оказаться неприемлемым,
так как именно теряемая информация может быть принципиально важной для
распознавания.
Для сравнения можно отметить, что переход к более грубому квантованию исходного изображения приводит к возникновению заметных искажений в
виде ложных контуров. В то же время ошибка квантования, возникающая при
грубом квантовании коэффициентов ДКП, „размазывается” по всем элементам
блока, и возникающие при этом искажения оказываются менее заметными.
Таким образом, использование ДКП в сочетании с последующим квантованием коэффициентов ДКП обеспечивает уменьшение количества передаваемой
информации и, следовательно, требуемой ширины полосы частот канала связи.
Квантование коэффициентов ДКП. Квантование коэффициентов ДКП
С(k,l) выполняется в соответствии с формулой
Сq(k,l) = Round{С(k,l)/[F Q(k,l)]},
(3)
где Q(k,l) – коэффициенты квантования, задаваемые в виде таблицы из 88
целых чисел (таблица Q на рис. 1); F – параметр, определяющий степень сжатия изображения, Round( ) – операция округления до ближайшего целого значения; Сq(k,l) – полученные в результате данной операции квантованные коэффициенты ДКП, которые могут быть как положительными, так и отрицательными 8-ми разрядными числами.
Важно отметить, что для квантования сигнала яркости и цветоразностных сигналов используются разные таблицы. Примеры таблиц квантования
для сигнала яркости и для цветоразностных сигналов приведены в табл. 1 и в
табл. 2, соответственно. В результате выполнения операций деления и округления многие коэффициенты ДКП становятся равными нулю. Именно квантование создает возможность уменьшения числа двоичных символов, необходимых для представления информации о коэффициентах ДКП, т. е. сжатия
365

изображения. В то же время именно квантование является источником нео братимых потерь информации при сжатии.
Выбор конкретной таблицы квантования в стандарте JРЕG оставлен на
усмотрение пользователей, но таблицы квантования сигналов яркости и цветности должны быть одни и те же для всех блоков данного изображения.
Таблица 1

Таблица 2

Операция деквантования, выполняемая в декодере JРЕG, заключается в
умножении коэффициентов Сq(k,l) на соответствующие коэффициенты Q(k,l)
из таблиц квантования. Если таблицы, использованные при кодировании, не
помещены в файл со сжатыми видеоданными, то при декодировании используются стандартные таблицы квантования “по умолчанию”.
Энтропийное кодирование. В первую очередь необходимо отметить,
что для кодирования постоянных составляющих Сq(0,0) используется особый
метод. Если остальные 63 коэффициента ДКП в каждом блоке кодируются
независимо от соответствующих коэффициентов в других блоках, то коэффициенты Сq(0,0) всех блоков каждой составляющей изображения предварительно кодируются с предсказанием. При этом коэффициент Сq (0,0) в каждом
блоке заменяется на величину DIFF = Сq (0,0) – РRED, где РRED – значение
коэффициента Сq(0,0) в предыдущем по порядку кодирования блоке этой же
составляющей. Для первого кодируемого блока берется РRED = 0. Для дальнейшего кодирования значения DIFF в каждом блоке преобразуются в двоичные числа с переменным числом бит, так что значения с малыми абсолютными
величинами представляются более короткими последовательностями двоичных
символов, а значения с большими абсолютными величинами – более длинными. Подробно правила выполнения этой операции здесь не рассматриваются.
366

В результате этих операций сокращается число двоичных символов, требуемых для представления информации о коэффициентах Сq (0,0) всех блоков.
Перед выполнением энтропийного кодирования остальных 63 квантованных коэффициентов ДКП в каждом блоке выполняется следующая подготовительная операция. Двумерная матрица коэффициентов преобразуется в
одномерную последовательность путем считывания ее элементов в зигзагообразном порядке, как показано в табл. 3. По вертикали и по горизонтали показаны значения индексов k,l коэффициентов Сq (k,l). В клетках таблицы показаны номера, которые получают эти коэффициенты в одномерной последовательности. Номер “0” в клетке, соответствующей Сq (0,0), показывает, что этот
коэффициент в данной операции не участвует.
Таблица 3
k\l

Как видно из табл. 3, первым следует коэффициент Сq(0,1), соответствующий самой низкочастотной составляющей по горизонтали, затем –
Сq(1,0), а затем все более и более высокочастотные составляющие. Последовательность завершается специальным символом ЕОВ (end of block – конец
блока).
Как отмечалось выше, в результате квантования многие из коэффициентов ДКП становятся равными 0, поэтому в получаемой одномерной последовательности этих коэффициентов оказывается большое число нулевых элементов. Каждый отличный от нуля коэффициент ДКП представляется в виде
пары чисел. Первое из этих чисел показывает, сколько нулевых значений
подряд прошло в последовательности перед данным ненулевым коэффициентом. Второе число в паре показывает значение самого квантованного коэффициента, преобразованное в число с переменным количеством бит. Правила
этого преобразования аналогичны используемым при кодировании постоянных составляющих, т. е. коэффициенты с малыми абсолютными величинами
представляются более короткими последовательностями двоичных символов,
а коэффициенты с большими абсолютными величинами – более длинными.
Если в результате квантования получилось много нулевых и малых по
абсолютной величине коэффициентов, кодирование по такому методу, называемому run length coding (“кодирование с бегущей длиной”), дает значительный выигрыш, так как, во-первых, уменьшается общее количество чисел,
367

представляющих кодируемый блок, а во-вторых, уменьшается число двоичных символов для представления большинства чисел (рис. 4).

Рис. 4. Процесс ДКП, квантования ДКП и Z-упорядочения:
а – исходный блок 88; б – блок коэффициентов ДКП; в – блок квантованных коэффициентов
и их Z-считывание; внизу – последовательность run length coding

Таким образом, для каждого блока 88 пикселов матрица квантованных
коэффициентов ДКП оказалась преобразованной в последовательность двоичных чисел (называемых в соответствии с терминологией теории кодирования символами), которые затем подвергаются энтропийному кодированию.
Чаще всего применяется кодирование по методу Хаффмена, который заключается в построении такого кода с переменной длиной кодового слова,
что чаще встречающимся (т. е. более вероятным) символам ставятся в соо тветствие более короткие кодовые слова, а реже встречающимся (менее вероятным) символам – более длинные кодовые слова. Это дает дополнительный
выигрыш в сжатии информации.
Кодирование по Хаффмену выполняется с помощью таблицы кодов, в
которой каждому символу кодируемой последовательности ставится в соо тветствие кодовое слово. Стандарт JPEG предусматривает возможность использования стандартной таблицы кодов “по умолчанию”. Возможно и построение таблицы кодов, наиболее эффективной для данного изображения. В
этом случае таблица кодов должна быть записана в файл, чтобы ее можно
было использовать при декодировании.
В процессе декодирования кода Хаффмена кодовые слова, считываемые
из файла сжатых видеоданных, преобразуются обратно в последовательность
чисел, по которым восстанавливаются значения квантованных коэффициентов ДКП. Все операции, выполняемые при подготовке к энтропийному кодированию, и само это кодирование являются полностью обратимыми и не создают потерь информации, а достигаемое при них сжатие является следствием ранее выполненного квантования.
Вместо кодирования по Хаффмену может использоваться другой вид энтропийного кодирования, называемый арифметическим кодированием.
На рис.5 представлена структурная схема кодера JPEG с перемежением
блоков.
368

Рис. 5. Структурная схема кодера JPEG c перемежением блоков

Формат файла JPEG. Сжатые видеоданные записываются в файл определенной структуры с расширением .jpg, о которой здесь даются только самые общие сведения.
Файл начинается с заголовка, содержащего различные сведения о файле.
Затем следует область данных об изображении, начинающаяся с маркера SOI
(Start of Image). За этим маркером могут быть записаны таблицы квантования
и таблица кодов для кодирования по Хаффмену. Затем следует заголовок
изображения, в котором содержатся сведения о размерах изображения (в количестве пикселов), о характере изображения (черно-белое или цветное), о
формате дискретизации и др. После этого следуют сами сжатые видеоданные.
Область данных завершается маркером ЕОI (End of Image).
Реализация и различные варианты JPEG. Метод JPEG реализуется,
как правило, программными средствами на компьютерах. Основные области
его применения: архивирование изображений на магнитных и оптических
дисках, передача неподвижных изображений по каналам связи, запись отснятых кадров в электронных фотокамерах и др.
Многие графические программы, например популярная программа Adobe Photoshop, могут сжимать изображения методом JPEG, создавая файлы
*.jpg, и декодировать такие изображения. Однако следует иметь в виду, что
не все программы дают совместимые между собой форматы файлов.
JPEG может использоваться и для сжатия движущихся изображений.
При этом каждый кадр кодируется независимо от других кадров. Такой метод, называемый Моtion JРЕG, может быть полезен для видеозаписи и в студийной аппаратуре, но он не дает достаточной степени сжатия видеоинформации для телевизионного вещания.
В заключение отметим, что JРЕG-2000 – это предложенный стандарт для
определения новой системы кодирования изображения, предназначенной для
Internet-приложений и мобильных приложений. В этой системе предлагается
узкая полоса частот, множественная разрешающая способность, устойчивость
к ошибкам, защищенность изображения и низкая сложность. Она базируется
369

на алгоритмах волнового сжатия, и по отношению к JРЕG в ней предлагается
улучшенная эффективность сжатия со многими возможностями разрешения.
В цифровом телевизионном вещании алгоритм JPEG используется как
составная часть стандарта MPEG-2.

370

ДОДАТОК У. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №25

371

372

ЛЕКЦІЯ №26. СТАНДАРТ MPEG
ЛІТЕРАТУРА:
1. Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 280 с.
2. Смирнов А. В., Пескин А.Е. Цифровое телевидение: от теории к практике.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 352 с.

1. Введение
К концу ХХ ст. совместными усилиями специалистов ряда стран удалось добиться сжатия спектра телевизионного сообщения в 10…20 раз. В
США, Японии и Европе проводились разработки по системам телевидения с
повышенной четкостью и цифровым методам передачи ТВ сигнала. В США
для цифрового телевидения разработан стандарт Digi Cypher. В Японии детально разработан новый стандарт качества на 1125 строк – МUSE (Мultiple
Sub-Nyquist Sampling Encode) – система кодирования с многократной субдискретизацией). В Европе объединенными усилиями Международной Организации Стандартизации и Международной Электротехнической Комиссии
(IЕС) были разработаны стандарты МРЕG (Моving Рiсturеs Ехреrts Сrоuр).
Стандарт МРЕG-1 оптимизирован для скоростей передачи цифровых
сигналов 1,5…3,5 Мбит/с (четкость в 4 раза меньше, чем в вещательном ТВ:
288 или 240 активных строк в кадре и 360 отсчетов в активной части строки,
формат дискретизации 4:2:0).
Стандарт МРЕG-2 предназначен для каналов связи, обеспечивающих
скорость 3...15 Мбит/с для обычного ТВ (720576 или 720480 отсчетов) и
60-80 Мбит/с для ТВЧ, а также для записи на DVD-диски.
В стандарте МРЕG-2 цифровой поток телевизионного сигнала со скоростью 216 Мбит/с (стандарт ITU-R BT 601) сжимается до 2...15 Мбит/с. Такое
сжатие позволяет передавать по спутниковому каналу с полосой 27/36 МГц
три-четыре ТВ программы повышенного качества по сравнению с аналоговым ТВ каналом.
Оба стандарта рассчитаны для телевещания с развертками 525 строк,
30 кадров/с и 625 строк 25 кадров/с с форматами 4:3, 16:9. Стандарт МРЕG-2
использует чересстрочную развертку, а МРЕG-1 – построчную, так как ориентирован на применение в персональных компьютерах и системах мультимедиа (в том числе запись на диски CD). Стандарт МРЕG-2 совместим с
предыдущим стандартом МРЕG-1 по видеопотоку «вперед» и «вверх».
Стандарт МРЕG-3 начинали разрабатывать для кодирования сигналов
ТВЧ. Однако после двухлетней работы над МРЕG-2 было принято решение о
расширении его возможностей: в него были включены алгоритмы для кодирования изображения ТВЧ, после чего МРЕG-3 как самостоятельный стандарт перестал использоваться.
373

Следующий этап развития стандарта МРЕG – МРЕG-4, работа над которым началась в 1993 г., вторая версия утверждена в 1999 г. Стандарт
МРЕG-4 предназначен для передачи видеоданных в низкоскоростных системах мультимедиа и видеоконференций по цифровым телефонным каналам. В этом случае используется стандарт развертки с четкостью, в 4 раза
меньшей, чем в стандарте МРЕG-1: 144 активных строки в кадре и 176 отсчетов в активной части строки, что позволяет снизить скорость цифрового
потока до 64 Кбит/с. Стандарт МРЕG-4 не предназначен для кодирования
программ вещательного телевидения.

2. Общие положения
Стандарт МРЕG-2 состоит из трех основных частей: системной (138181 – Systems, видео (13818-2 – Video) и звуковой (13818-3 – Audio).
Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео- и другой информации, рассматривает вопросы комбинирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи по линиям связи.
Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для
высококачественного цифрового видео и содержит средства для поддержки
ТВЧ. Стандарт МРЕG-2 определяется в терминах расширяемых профилей,
каждый из которых, являясь частным случаем стандарта, имеет черты, необходимые всем классам приложений.
Иерархические масштабируемые профили могут поддерживать такие приложения, как совместимое наземное многопрограммное ТВ (ТВЧ), пакетные сетевые видеосистемы, обратную совместимость с другими стандартами (МРЕG-1
и Н.261) и приложениями, использующими многоуровневое кодирование.
Такая система позволит потребителю использовать приемник для декодирования как стандартного телевизионного сигнала, так и сигнала ТВЧ из
того же вещательного канала.
Звуковая часть стандарта МРЕG-2 определяет кодирование многоканального звука. МРEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных комментаторских каналов. Он также расширяет возможности кодирования моно- и стереозвуковых сигналов в МРЕG-1 за счет использования
половинных частот дискретизации (16; 22,05 и 24 кГц) для улучшения кач ества при скоростях передачи 64 Кбит/с и ниже.
В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию предполагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем
вещания: SЕСАМ, РАL, NТSС, освобождение за счет этого существующих
радиоканалов и линий связи, а также их перепрофилирование для цифрового
ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должна быть
встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который предусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного
ТВ вещания, 27 МГц – для спутниковых систем непосредственного ТВ веща374

ния и 30, 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц – для фиксированных служб спутниковой
связи. Необходимо также учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутниковыми и наземными системами телевещания, предполагающую использование ТВ каналов кабельных и эфирных сетей вещания также для доведения
спутниковых программ до телезрителей.
Пропускная способность стандартного спутникового канала при полосе 32 МГц составляет 55 Мбит/с. Для вещания с профессиональным качеством необходима скорость цифрового потока 5-8 Мбит/с. Таким образом,
один стандартный спутниковый канал позволяет транслировать 4-5 телевизионных программ. Возможно использование цифровых каналов с более высокими коэффициентами сжатия. При этом в одном стандартном канале передается до десяти видеопрограмм. Однако в этих случаях заметна потеря качества изображения.
При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между
наземными и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом стандартном по полосе
пропускания спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это требование было учтено при разработке международных стандартов
на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и
наземных каналах связи – DVB-S, DVB-С и DVВ-Т (Digital Video Broadcasting – Satellite, Саblе, Теrrestrial) – путем применения для более узкополосных
радиоканалов более сложных и эффективных по плотности передачи информации методов модуляции.
При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма
важно правильно выбрать скорость передачи, поскольку от этого непосредственно зависит качество изображения и звукового сопровождения.
Согласно экспертным оценкам, для получения изображения студийного качества, соответствующего Рекомендации 601 МККР, необходимо передавать видеоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный
видеосигнал будет пригоден для последующей цифровой обработки. Для получения изображения с качеством, соответствующим качеству изображения
на экране бытового телевизора, будет достаточна скорость передачи около 6
Мбит/с. В этом случае декодированный видеосигнал будет малопригоден для
последующей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

3.Уровни и профили
Cтандарт МРЕG-2 – это целое семейство взаимосогласованных совместимых цифровых подстандартов сжатия телевизионного сигнала с различной
cтепенью сложности алгоритмов. Для реализации их совместимости применяется концепция уровней и профилей (табл. 1).
В МРЕG-2 предусмотрено четыре уровня, которые определяют разрешающую способность изображения:
> Низкий (Low Level, или SIF – Source Input Format – входной формат
для сжатия MPEG-1).
375

> Главный (Мain Level, или основной, соответствующий стандартам
изображения в ТВ вещании).
> Высокий 1440 (Нigh-1440: 1440 пиксела на 1152 строки).
> Высокий (Нigh Level: 1920 пиксела на 1152 строки).
Низкий уровень входного формата источника получается путем субдискретизации отсчетов стандарта ССIR 601 для цифровых телевизионных
сигналов. Во-первых, на MPEG кодер поступает только одно чересстрочное
поле в каждом кадре. Это не только вдвое уменьшает разрешение по вертикали, но и наполовину снижает временное разрешение. Чтобы привести в соответствие потери разрешения по вертикали, разрешение по горизонтали тоже
уменьшают наполовину: количество отсчетов сигнала яркости сокращается
с720 до 360 на строку (для стандарта РАL 625/50), а разрешение по цветности
снижается до 180 пикселов на строку. Кроме того, разрешение по вертикали
для сигнала цветности еще раз уменьшают наполовину, что снижает разрешающую способность исходного изображения в 16 раз.
Главный (основной) уровень соответствует качеству изображения вещательного телевидения с разрешением до 720 активных пикселов на 576
активных строк (PAL) и 480 строк для NTSC.
Нigh-1440 – это высокий уровень для изображений HDTV с разрешением до 1440 пикселов на 1152 строки, а высокий уровень для широкоэкранного формата HDTV дает разрешение до 1920 пикселов на 1152 строки.
Профили относятся к методам, которые используются кодером и декодером.
Стандарт предусматривает 5 профилей:
> Низкий (простой SIF – simple) – для реализации видеопотока без Вкадров.
> Главный (main) – для реализации всех уровней, но без масштабируемости.
> Масштабируемый по отношению сигнал/шум (SNR scalable).
> Пространственно масштабируемый (spatially scalable).
> Профессиональный (professional 4:2:2), пространственно масштабируемый и масштабируемый по отношению сигнал/шум.
Таблица 1. Уровни и профили стандарта MPEG

Профиль (Profile);
типы кадров;
формат дискретизации компонентов
Масштаб. Простран. Высокий
Уровень
Простой Главный по с/ш масштаб. (профес.)
Параметр
(Level)
(Simple); (Main);
(SNR
(spatially
(High);
I и Р; I, Р и В; scalable); scalable); I, Р и В;
I, Р и В; I, Р и В;
4:2:0
4:2:0
4:2:0
4:2:0
4:2:0
или 4:2:2
Отсчетов в строке
1920
1920
Высокий
Строк в кадре
1152
1152
(High)
–
–
–
Кадров в секунду
60
60
16:9
Макс. поток, Мбит/с
80
100
376

Высокий Отсчетов в строке
1440
1440
1440
1440
Строк в кадре
1152
1152
1152
–
–
(High Кадров в секунду
60
60
60
1440) Макс. поток, Мбит/с
60
60
80
Главный Отсчетов в строке
720
720
720
720
(основСтрок в кадре
576/480 576/480 576/480
576/480
–
ной)
Кадров в секунду 25/30
25/30
25/30
25/30
(Main) Макс. поток, Мбит/с
15
15
15
20
Низкий Отсчетов в строке
352
352
(Low
Строк в кадре
288
288
–
–
–
или
Кадров в секунду
30
30
Simple) Макс. поток, Мбит/с
4
4
До АЦП ТВ сигнал преобразуется в кадры с прогрессивной разверткой; сигналы RGВ преобразуются в цветоразностные сигналы U и V и яркости Y (рис. 1).
Три АЦП обрабатывают входные сигналы, выдавая цифровые 8-разрядные отсчеты СВ, СR и YD блоками 88 пикселов.
После АЦП производятся следующие преобразования:
1. Каждое из СВ, СR и YD изображений разбивается на макроблоки (три
матрицы 1616 пикселов – формат цветности 4:4:4 на рис. 2, вверху).
2. Производится преобразование из формата цветности 4:4:4 в формат
4:2:2 (горизонтальная субдискретизация цветоразностных компонентов) или
4:2:0 (горизонтальная и вертикальная субдискретизация компонентов СВ и СR).
Каждому формату цветности соответствует свой порядок блоков 88 в
выходном макроблоке (рис. 2):
Формат 4:4:4 – макроблок состоит из двенадцати блоков. Он содержит
четыре блока яркости YD, четыре СR и четыре СB, следующих в порядке, указанном на рис. 2, вверху. Матрицы СR и СB равны по размеру матрице YD.
Формат 4:2:2 – макроблок состоит из восьми блоков: четырех блоков
YD, двух СR и двух СB, следующих в порядке, указанном на рис. 2, посредине.
Матрицы СR и СB в два раза меньше матрицы YD по горизонтали и равны по
вертикали, но покрывают исходную площадь изображения 1616 пикселов.
Каждой паре отсчетов яркости по горизонтали соответствует по одному отсчету из
матриц цветности. Данный формат принят для оцифровки изображений профессиональными цифровыми видеокамерами, а также для цифрового телевидения.
Формат 4:2:0 – макроблок содержит шесть блоков: четыре блока яркости YD и по одному блоку цветности СR и СB, следующие в порядке, указанном
в нижнем ряду рис. 2. Матрицы СR и СB в два раза меньше (как по горизонтали,
так и по вертикали) матрицы YD, но покрывают исходную площадь изображения 1616 пикселов. Каждой паре отсчетов цветности СR и СB соответствует
матрица из четырех отсчетов яркости (два по вертикали, два по горизонтали).
Внутренняя организация макроблоков различна при кодировании полей
и кадров. При кодировании полей блоки яркости группируются по полям:
верхние – из первого полукадра, нижние – из второго. Блоки цветности распо377

лагаются в порядке следования кадров для обоих типов кодирования (для кодирования 4:2:2 и 4:4:4 данные цветности также могут располагаться по полям).

Рис. 1. Иллюстрация
метода сжатия ТВ сигнала в стандарте MPEG-2

CR

YD

Формат
4:4:4

1

2

CB

5

9

7

11

4

CR

1

2

5

+
3

Рис. 2. Разбивка
макроблока
на блоки

4

1

2

3

4

+

10

8

12

+

+
3

6

CB

+

6

7

8

CR

CB

5

+

6

Следующие друг за другом макроблоки объединяют в независимые
друг от друга серии (Slice). Серия является основным элементом синхронизации для восстановления данных, составляющих изображение, и обычно со378

стоит из всех блоков в горизонтальном направлении изображения с интервалом 16 строк, т. е. имеет высоту 16 пикселов. Порядок макроблоков в серии –
слева направо, порядок серий – сверху вниз. Представление информации сериями удобно для коррекции ошибок. Когда появляется ошибка в потоке
данных, декодер может обратиться к началу следующей серии. Соответственно число таких серий влияет на эффективность передачи.
3. Далее поток кадров разбивается на опорные І-, Р- и В-кадры (см. лекцию Цифр. ТВ-2).
3.1 Профиль 422P@ML
Доставка пользователям сигналов изображения и звука высокого качества по спутниковым и кабельным наземным каналам, а также в виде записей
на различных носителях вначале базировалось почти исключительно на стандарте МРЕG-2 «Главный профиль на главном уровне» (МР@МL) и его вариантах. В связи с тем, что имеются определенные ограничения в отношении
применения МР@МL, которые сужают его возможности в видеопроизводстве
(данная проблема возникла еще в начале 1994 г.), в составе МРЕG-2 была
образована так называемая подгруппа 422, на которую возлагалась задача
изучения этих ограничений. Результатом работы этой подгруппы стал стандарт «Профиль 422 на главном уровне» (422Р@МL), который в настоящее
время опубликован как поправка 2 к стандарту МРЕG-2 (422Р@МL Amendment: ITU-T Rec. H262(1996)/Amd.2 (1996E).
Механизм, используемый МРЕG-2, позволяет определить цифровой
поток МРЕG-2 и соответствующую модель декодера. Кодер в стандарте не
определен, что допускает различные варианты его реализации. Кроме того,
декодер может иметь характеристики, улучшающие качество, но не приводящие к отклонениям от опубликованного стандарта. Это дает возможность
различным производителям конкурировать друг с другом с целью достижения
наилучших результатов. Спецификация 422Р@МL обеспечивает макcимальную гибкость стандарта при сохранении идеологии МРЕG-2, благодаря чему:
 Кодирование может применяться к источникам 4:2:2 или 4:2:0.
Группа последовательных кадров может состоять из любой допустимой комбинации кадров І, Р и В.
 Кодированные цифровые потоки могут передаваться с любой скоростью, вплоть до 50 Мбит/с.
 Горизонтальное разрешение имеет верхний предел 720 пикселов.
 Вертикальное разрешение улучшено на 32 строки: 608 строк для системы 625/25 и 512 строк для 525/30. 422Р@МL является расширением МР@МL в
том смысле, что все параметры 422Р@МL равны параметрам, определенным для
МР@МL, или превышают их. Обратная совместимость гарантирует, что декодеры 422Р@МL будут способны декодировать цифровые потоки МР@МL.
Изменения, введенные в 422Р@МL, устранили многие опасения, которые высказывались относительно использования МР@МL в студиях, и создали значительный запас на будущее. В частности, более высокая скорость пе379

редачи (15-50 Мбит/с) позволяет улучшить базовое качество изображения и
получить лучшие характеристики при копировании.
4. Искажения изображений при сжатии в МРЕG.

Достижимые степени сжатия
Искажения, создаваемые внутрикадровым кодированием
1. Заметность границ блоков (блокинг-эффект). Соседние блоки кодируются и декодируются независимо друг от друга, то при больших степенях
сжатия изображения в соседних блоках могут сильно отличаться друг от друга по яркости, цвету, характеру деталей и текстуры.
2. Размытие изображения. Обусловлено ограничением либо полным обнулением коэффициентов ДКП, соответствующих высоким пространственным частотам, в результате чего мелкие детали изображения становятся размытыми или полностью пропадают.
3. Появление окантовок на резких переходах яркости изображения из-за
значительных искажений или полного подавления ВЧ части спектра.
4. Размытие цветов.
Имеет ту же причину, что и эффект окантовки на границах, но проявляется на участках изображения с резкими скачками в сигнале яркости.
5. Эффект ступенек. Возникает как результат неправильного восстановления или передачи краев изображений внутри блока. Эффект проявляется,
как правило, при восстановлении изображения в увеличенном масштабе.
Искажения, создаваемые межкадровым кодированием
1. Ложные границы. Наблюдаются при компенсации движения. Этот эффект является прямым следствием межкадрового кодирования видеосигнала.
2. Эффект “комаров”. Проявляется как флуктуации яркости или цветности в
блоке на границе между движущимся объектом и фоном. Эффект возникает вследствие различной степени квантования ошибок предсказания от кадра к кадру.
3. Зернистый шум в стационарной области. Проявляется как медленно
движущиеся мерцающие шумы низкой интенсивности в областях, в которых
имеется лишь малое движение либо движение отсутствует полностью.
4. Появление неправильных цветов в макроблоке по отношению к его
исходным цветам и к цветам окружающей области.
5. Появление следов за движущимися объектами, которые могут сохраняться сравнительно долго.
Достижимые степени сжатия. В формате 4:2:0, который используется
для ТВ вещания МР@МL, скорость передачи двоичных символов сокращается до 162 Мбит/с, относительно которой и будем определять степень сжатия.
В технических журналах отмечалось, что на практике для получения
студийного качества принятого изображения можно сжимать видеоинфо рмацию до скорости передачи 9 Мбит/с, т. е. в 18 раз. Для получения качества изображения, сравнимого с обычным изображением по системе РАL –
до 4...5 Мбит/с, т. е. в 30…40 раз. Качество изображения, сопоставимое с по380

лучаемым при воспроизведении видеозаписей стандарта VHS, достигается
при сжатии до уровня около 1,5 Мбит/с, т. е. более чем в 100 раз.
5.

Кодирование и декодирование звукового сопровождения в стандартах МРЕG-1 и МРЕG-2

Диапазон частот воспринимаемых человеком звуков приблизительно от 20
Гц до 20 кГц, поэтому частота дискретизации для обеспечения высококачественного звуковоспроизведения должна быть не менее 40 кГц. Так, при записи
музыки на компакт-диски применяется частота дискретизации 44,1 кГц.
Диапазон громкости передаваемых звуков следует выбрать не менее 90 дБ,
чтобы иметь возможность воспроизводить с высокой точностью звучание
хорошей музыки. Поэтому число двоичных разрядов АЦП для квантования
двуполярного звукового сигнала берется равным не менее 16, что дает не менее 65536 уровней квантования.
Таким образом, скорость передачи двоичных символов для звукового
сигнала одного канала приблизительно равна 0,7 Мбит/с, а для стереофонического звука – 1,4 Мбит/с. Эти числа показывают, что в системе цифрового
телевидения звуковую информацию также необходимо сжимать во много раз.
Методы сжатия звука, используемые в стандартах МРЕG-1 и МРЕG-2,
основаны на учете свойств человеческого слуха и относятся к методам сжатия с частичной потерей информации. При сжатии отбрасывается значительная часть информации, но качество воспроизводимого звука остается достаточно высоким. Следовательно, сжатие достигается в основном за счет
уменьшения психофизиологической избыточности.
5.1 Kодируемые звуковые сигналы. Уровни (Lауеrs)
В соответствии со стандартами МРЕG-1 и МРЕG-2 частота дискретизации входных звуковых сигналов может принимать значения 48,0, 44,1 и 32,0
кГц. В МРЕG-2 дополнительно предусмотрены значения 24,0, 22,05 и 16 кГц.
МРЕG-1 позволяет кодировать два звуковых сигнала, что дает стереофонический звук, а МРЕG2 – пять звуковых сигналов (левый, центральный, правый,
левый тыловой и правый тыловой), что обеспечивает объемное звучание (Surround). Указанные дополнительные возможности МРЕG-2 достигаются введением дополнительных составляющих, называемых расширениями (ekstension) в поток данных на выходе кодера. Помимо указанных выше, МРЕG-2
предусматривает расширение для дополнительного канала низких звуковых
частот (subwoofer) и расширение для многоязычного звукового сопровождения (до семи каналов).
В МРЕG-1 и в МРЕG-2 есть три уровня кодирования звуковой информации (Layer I, Layer II и Layer III) которые имеют общую основу, но различаются между собой сложностью применяемых средств обработки и достигае381

мой степенью сжатия, причем оба эти показателя растут с ростом номера
уровня. Декодер более высокого уровня может декодировать поток данных,
созданный кодером более низкого уровня, но не наоборот.
5.2 Операции, выполняемые при кодировании
На структурной схема кодера звуковой информации, приведенной на
рис. 3, показаны блок разложения на частотные диапазоны (РПд), блок квантования и кодирования (Кв. и Код.), блок формирования потока данных
(ФПД) и блок психоакустической модели (ПАМ).
Входной цифровой звуковой сигнал разделяется
на кадры (frame), каждый
из которых кодируется и
декодируется независимо
Рис. 3. Структура
от других кадров (Layer I и
кодера звука MPEG-2
Layer II) или с учетом некоторых данных из предыдущих кадров (Layer III). Размер кадра 384 отсчета
для Layer I и 1152 отсчета для Layer II и Layer III.
В МРЕG-1 и МРЕG-2 используется кодирование звуковых сигналов с
разложением исходного спектра на 32 одинаковых частотных поддиапазона.
После разделения частота дискретизации уменьшается в 32 раза, так что
число отсчетов в кадре в каждом поддиапазоне равно 12 для Lауеr I и 36 для
Lауеr II и Lауеr III.
На всех уровнях разделение исходного сигнала на частотные поддиапазоны (и синтез выходного сигнала из сигналов частотных поддиапазонов)
производится блоком цифровых фильтров – квадратурными зеркальными
фильтрами (КЗФ) (Quadrature Mirror Filter – QМF). Структурная схем а системы, в которой используются КЗФ, показана на рис. 4,а, положения получающихся частотных поддиапазонов – на рис. 4,б. Кодеры, канал связи и
декодеры не показаны.
Пара КЗФ состоит из цифрового нерекурсивного ФНЧ, обозначенного G,
и цифрового нерекурсивного ФВЧ, обозначенного Н. Передаточные характеристики этих фильтров, полученные в результате z-преобразования, – G(z) и
Н(z) соответственно. Обратные фильтры, обозначенные на схеме G–1 и Н–1,
имеют передаточные характеристики G(z–1) и Н(z–1) Коэффициенты фильтра
G–1 получаются перестановкой коэффициентов фильтра G в обратном порядке. Аналогично коэффициенты фильтра Н–1 получаются перестановкой коэффициентов фильтра Н.

382

а
Рис. 4. Структура системы
передачи с КЗФ (а) и
расположение частотных
поддиапазонов (б)

б

Особенность КЗФ состоит в том, что АЧХ фильтра Н получается зеркальным отображением АЧХ фильтра G, причем ось зеркальной симметрии
обычно расположена на частоте, равной, 1/4 частоты дискретизации. Пара
КЗФ позволяет разделить исходный цифровой сигнал х(п) на два сигнала частотных поддиапазонов, соответствующих нижней и верхней половинам его
полосы частот (это соответствует тому, что пара КЗФ делит полосу частот
входного сигнала на две равные части).Пара обратных фильтров позволяет
восстановить исходный сигнал по двум сигналам частотных поддиапазонов.
Чтобы КЗФ обладали указанными свойствами, их передаточные характеристики должны удовлетворять условиям
Н–1(z) Н(z) + G–1(z) G(z) = 2; Н–1(z) Н(–z) + G–1(z) G(–z) = 0.
При разложении на поддиапазоны после каждого фильтра G или Н выполняется децимация, при которой отбрасывается каждый второй отсчет. Дециматоры на структурной схеме обозначены кружками со стрелками, направленными вниз. В процессе синтеза сигнала из сигналов частотных поддиапазонов перед каждым обратным фильтром G–1 или Н–1 выполняется интерполяция, при которой между каждыми двумя отсчетами вставляется нуль.
Интерполяторы обозначены кружками со стрелками, направленными
вверх. Объединение сигналов осуществляется сумматорами, обозначенными
кружками со знаком “плюс” внутри.
Для разложения исходного сигнала х(п) на частотные поддиапазоны,
число которых больше двух, используют древовидную структуру. После прохождения фильтра Н в первой паре КЗФ и соответствующего дециматора
формируется сигнал х3(п), соответствующий верхней половине частотного
диапазона. Сигнал, соответствующий нижней половине частотного диапазона, получаемый после фильтра G в первой паре КЗФ, поступает на следующую пару КЗФ, которая делит нижний частотный поддиапазон еще раз. В
результате получаются сигналы х1(n) и х2(n).
При синтезе выходного сигнала сначала интерполируются, фильтруются
и объединяются сигналы z1(n) и z2(n), а затем результат объединяется с интерполированным и обработанным фильтром сигналом z3(n).
Достоинством КЗФ является то, что при их использовании не возникает
искажений, связанных с перекрытием частотных спектров сигналов смежных
поддиапазонов из-за неидеальности АЧХ фильтров. Кроме того, на всех сту383

пенях разложения и синтеза сигнала используются фильтры с одинаковыми
наборами коэффициентов, что позволяет упростить их реализацию.
На уровне Layer III после фильтрации в кодере (рис. 3) применяется модифицированное дискретное косинусное преобразование (МДКП). Сочетание
обычных фильтров и МДКП называется блоком гибридной фильтрации
(hibrid filterbank). В результате МДКП в каждом поддиапазоне каждого кадра
выделяются 18 частотных составляющих, представляемых коэффициентами
МДКП, которые обрабатываются. Некоторые параметры выполнения МДКП
и обработки получаемых коэффициентов могут изменяться в зависимости от
свойств сигнала. Это позволяет уменьшить искажения, возникающие при разложении на поддиапазоны и дискретизации.
Затем выполняется квантование данных. Предварительно определяются
масштабные множители (sса1еfactor). Для уровней Layer I и Layer II масштабный множитель зависит от максимального значения сигнала. При этом
для Layer I масштабный множитель определяется для каждого поддиапазона в
кадре, т. е. для 12 отсчетов сигнала поддиапазона. Для Layer II масштабные
множители определяются для групп по 12 отсчетов в каждом поддиапазоне,
причем множитель может быть общим для двух или трех групп. Таким образом, для каждого поддиапазона в кадре определяется до трех масштабных
множителей. Перед квантованием значения сигнала делятся на соответствующие масштабные множители.
Затем в блоке квантования и кодирования выполняется квантование данных. В основе сжатия звуковой информации на уровнях Layer I и Layer II лежит метод, называемый адаптивным распределением битов (adaptive bit allocation). Этот метод заключается в выполнении квантования с различным числом двоичных разрядов квантования для разных частотных поддиапазонов.
При этом используется равномерное квантование. Полное число битов, выделяемых на все поддиапазоны в данном кадре, зависит от частоты дискретизации входного сигнала и от заданной выходной скорости передачи двоичных
символов, т. е. от требуемой степени сжатия звуковой информации. Распределение битов по поддиапазонам осуществляется блоком ПАМ.
На уровне Layer III данными, подлежащими квантованию, являются не
отсчеты сигналов поддиапазонов, а коэффициенты МДКП. В каждом поддиапазоне эти коэффициенты разделяются на блоки (scalefactor bands), для каждого из которых определяется масштабный множитель, на который делятся
коэффициенты данного блока. Далее производится квантование по неравномерному закону. Разделение коэффициентов на блоки, выбор множителей и
параметров квантования осуществляется блоком ПАМ так, чтобы минимизировать заметность искажений звука, создаваемых квантованием.
После квантования на уровнях Layer II и Layer III выполняется кодирование полученных данных (на уровне Layer I дополнительное кодирование
результатов квантования не производится).
На уровне Layer II квантованные отсчеты сигнала в каждом поддиапазоне объединяются по три, и полученные последовательности битов кодиру384

ются с использованием таблиц кодов с переменной длиной. Кроме того, на
этом уровне кодируются с помощью соответствующих таблиц данные о распределении битов по поддиапазонам и данные о масштабных множителях.
На уровне Layer III квантованные коэффициенты МДКП кодируются по
Хаффмену с использованием одной из 18 предусмотренных в стандартах таблиц кодирования. Выбор таблицы осуществляется под управлением ПАМ.
Значительное сжатие данных в результате кодирования основано на том, что после квантования многие коэффициенты МДКП становятся малыми величинами
или нулями (это напоминает метод кодирования, использованный в JPEG).
Кроме того, на уровне Layer III кодируются с использованием соответствующих таблиц данные о масштабных множителях, о разделении частотных поддиапазонов на блоки и т.д.
5.3 Психоакустическая модель
Блок психоакустической модели (ПАМ) управляет квантованием и кодированием, определяя параметры выполняемых при этом операций так, чтобы
обеспечить наименьшую заметность искажений, создаваемых квантованием
(шумов квантования). В стандартах МРЕGi-1, МРЕG-2 предусмотрены два
варианта ПАМ, отличающиеся числовыми параметрами.
Одним из факторов, учитываемых в ПАМ, является различная чувствительность слуха на разных частотах. Наибольшая чувствительность характерна для частот 2...4 кГц, поэтому для поддиапазонов, попадающих в эту область, необходимо выделять больше битов, чтобы обеспечить более точное
квантование. Ближе к обоим концам диапазона слышимых частот чувствительность слуха уменьшается, поэтому для соответствующих частотных поддиапазонов можно выделять меньше битов, т. е. осуществлять более грубое
квантование.
Кроме того, алгоритм работы ПАМ учитывает явление маскирования
(или маскировки) одних звуков другими. Громкие звуки маскируют имеющиеся одновременно с ними более тихие звуки в других частотных поддиапазонах, причем чем дальше по частоте отстоит маскируемый тихий звук от маскирующего громкого звука, тем слабее сказывается эффект маскирования.
Например, если маскирующий звук имеет частоту 1000 Гц, а маскируемый
звук – 1100 Гц, то последний не будет слышен, если разница в уровнях громкости составляет не менее 18 дБ. Если же маскируемый звук имеет частоту
2000 Гц, то для полной маскировки необходима разница уровней громкости
не менее 45 дБ. Помимо этого, громкий звук маскирует звуки, следующие за
ним в интервале времени до 100 мс, и даже звуки, опережающие его на 4...5 мс.
Чтобы выполнить распределение битов в блоке ПАМ анализируется
спектр исходного звукового сигнала (не разложенного на поддиапазоны). Для
этого производится быстрое преобразование Фурье участков этого сигнала по
512 (Layer I) или по 1024 (Layer II и III) отсчетов, после чего вычисляются
385

спектр мощности звукового сигнала и значения звукового давления в каждом
частотном поддиапазоне.
Затем анализируются тональные (синусоидальные) и нетональные составляющие звукового сигнала, определяются локальные и глобальный пороги маскировки и вычисляются отношения сигнал/маскирующий сигнал для
всех поддиапазонов, на основании которых производится распределение битов по поддиапазонам (Layer I и Layer II) или выбор параметров обработки
коэффициентов МДКП (Layer III).
В тех поддиапазонах, в которых искажения звука, вызываемые квантованием, менее заметны для слушателя или маскируются большим уровнем
сигнала в других поддиапазонах, квантование делается более грубым, т. е. для
этих поддиапазонов выделяется меньше битов. Для полностью маскируемых
поддиапазонов битов совсем не выделяется. Благодаря этому удается существенно уменьшить количество передаваемой информации при сохранении
достаточно высокого качества звука.
Как уже отмечалось, ширина поддиапазонов одинакова. Например, если
частота дискретизации равна 44,1 кГц, то каждый поддиапазон имеет ширину
690 Гц. В то же время ширина диапазона частот, в котором маскирование сказывается одинаково (критического диапазона – critical band) зависит от положения этого диапазона на оси частот. На частотах порядка 100 Гц ширина
критического диапазона около 50 Гц, а на частотах порядка 10 кГц – почти
1,5 кГц. Поэтому разделение сигнала на одинаковые частотные поддиапазоны
неоптимально с точки зрения получения наилучшего качества звука, хотя и
наиболее удобно для реализации.
На уровне Layer III сигнал каждого поддиапазона проходит МДКП, каждый коэффициент которого представляет частотную составляющую. Всего
таких составляющих 18 в каждом поддиапазоне. Шаг по оси частот, таким
образом, уменьшается в 18 раз, т. е. до примерно 38 Гц при частоте дискретизации 44,1 кГц. Это меньше ширины самого узкого критического диапазона.
В пределах одного частотного поддиапазона блоки коэффициентов МДКП
(scalefactor bands) могут квантоваться по-разному, что позволяет более точно
учесть маскирование на разных частотах. Это позволяет говорить об увеличении разрешения по частоте в 18 раз, достигаемом на Layer III.
5.4 Структура потока данных звуковых сигналов
Формирование потока данных осуществляется в блоке ФПД (рис. 3). Самой крупной структурной единицей потока данных является звуковая последовательность (Audio Sequence), которая состоит из произвольного числа
кадров и не имеет собственного заголовка.
Кадр начинается с заголовка, структура которого одинакова для МРЕG-1
и МРЕG-2. Заголовок содержит сиихрослово, данные об уровне кодирования,
о частоте дискретизации кодируемых звуковых сигналов, о скорости переда386

чи двоичных символов в потоке данных, о режиме кодирования (стерео, два
независимых сигнала и т.д.) и другую информацию.
Далее в кадре следует область звуковых данных, в которой сначала следуют данные для контроля ошибок, затем данные о распределении бит, о
масштабных множителях и, наконец, кодированные данные о сигналах по
частотным поддиапазонам.
При использовании МРЕG-2 далее может следовать расширение, содержащее данные дополнительных звуковых каналов.
5.5 Декодирование звуковой информации
Структурная схема декодера приведена на рис. 5. Входные данные поступают на блок распаковки потока данных (РпПД), в котором по синхрословам выделяются отдельные кадры, поступающие затем на блок декодирования и деквантования (Код.–1 и Кв.–1).
Рис. 5. Структура
декодера звука
MPEG-2

Данные, содержащиеся в кадре, декодируются в соответствии с порядком их следования и таблицами кодов, которые содержатся в программе работы декодера. Декодированные данные о распределении битов и о масштабных множителях используются для декодирования и деквантования звуковых
данных. После деквантования на уровнях Layer I и Layer II отсчеты сигналов
поддиапазонов умножаются на соответствующие масштабные множители. На
уровне Layer III выполняется обратное МДКП.
После декодирования и деквантования отсчеты сигналов всех поддиапазонов объединяются в выходной цифровой звуковой сигнал, или несколько
сигналов, если звук многоканальный.
Аппаратные и программные реализации декодера значительно проще,
чем реализации кодера, так как в декодере не требуется психоакустическая
модель. Так, декодирование стереофонического звука, сжатого с применением уровня Layer III, производится в реальном времени программными средствами на обычном ПК, в то время как для выполнения соответствующего
кодирования необходимо сначала записать звуковой сигнал в несжатом виде
в файл, а затем осуществить сжатие, что занимает существенно большее время, чем воспроизведение.
Кодирование многоканального звукового сопровождения
Стандарт МРЕG-1 допускает четыре режима кодирования:
- обычный (независимый) стереофонический режим (stereo), в котором
сигналы двух каналов кодируются независимо друг от друга;
- соединенный стереофонический режим (joint_stereo), в котором для
увеличения степени сжатия кодируются, например, не сами сигналы левого и
правого каналов, а их сумма и разность;
387

- два совершенно независимых звуковых сигнала (dual_channel);
- один звуковой сигнал (single_channel).
Стандарт МРЕG-2 дает возможность кодировать до пяти каналов звука:
L – левый, R – правый, С – центральный, LS – левый тыловой и RS – правый
тыловой. При этом возможны варианты, отличающиеся числом кодируемых
каналов и расположением источников звука в пространстве, например, два
передних канала и два тыловых, три передних и один тыловой и т.д. Возможно также расширение для кодирование отдельного канала НЧ эффектов.
Возможны два варианта совместимости с МРЕG-1. Как отмечалось выше, каждый кадр в потоке данных МРЕG-2 состоит из основной части, которая может декодироваться декодерами МРЕG-1, и расширений, которые декодерами МРЕG-1 не воспринимаются. Обозначим Lo и Rо сигналы, данные
которых помещаются в основные части кадров в потоке данных.
В соответствии с первым вариантом перед кодированием выполняются
операции, называемые матрицированием
Lo = L + х*С + у*LS,
Rо = R + х*С + z*RS,
где х, у, z – постоянные коэффициенты. При декодировании декодером
МРЕG-2 выполняются обратные операции (дематрицирование). Такой вариант называется “совместимым назад” (backwards compatibility).
При использовании декодеров МРЕG-1 этот вариант обеспечит в воспроизводимых сигналах левого и правого каналов наличие информации о
центральном и тыловых каналах, т. е. звуковоспроизведение будет более полным. Однако операции матрицирования и дематрицирования вносят дополнительные шумы.
В соответствии со вторым вариантом матрицирование и, естественно,
дематрицирование не выполняются. При этом Lo = L, Rо = R. Такой вариант
называется “несовместимым назад” (nonbackwards compatible – NВС), и обеспечивает несколько лучшее качество звука при использовании декодеров
МРЕG-2. Для увеличения степени сжатия многоканального звука в МРЕG-2
предусмотрено использование адаптивного кодирования с предсказанием
сигналов каналов, данные о которых помещаются в расширения кадров, а
также некоторые другие средства уменьшения межканальной избыточности
звуковой информации.
5.6 Достижимое сжатие и качество звука
Для МРЕG-1 и для МРЕG-2 в случае отсутствия расширений потоки
сжатых звуковых данных имеют следующие диапазоны значений скорости
передачи двоичных символов:
- Layer I – 32...448 кбит/с (обычно 192 кбит/с на канал);
- Layer II – 32...384 кбит/с (обычно 128 кбит/с на канал);
388

- Layer III – 32...320 кбит/с (обычно 64 кбит/с на канал).
В случае кодирования по стандарту МРЕG-2 звуковых сигналов с частотами дискретизации 16, 22,05 и 24 кГц минимальные и максимальные значения скорости передачи двоичных символов уменьшаются в два и более раз,
причем самая минимальная скорость передачи равна 8 кбит/с. Если же кодируется многоканальный звук, и выходной поток данных содержит соответствующие расширения, то максимальные значения скорости передачи двоичных символов в МРЕG-2 увеличиваются до примерно 1000 кбит/с.
Кодер вносит задержку в распространение данных, так как во-первых,
при выполнении операций кодирования требуется иметь в ЗУ кодера определенное число последних отсчетов звукового сигнала, а во-вторых, выполнение требуемых вычислительных операций над этими отсчетами занимает некоторое время. Минимальные длительности задержек для Layer I – 50 мс, для
Layer II – 100 мс, для Layer III – 150 мс, однако задержки в реальных кодерах
могут быть значительно больше.
При одной и той же скорости передачи двоичных символов в выходном
потоке данных кодирование более высокого уровня обеспечивает более высокое качество воспроизводимого звука. Это обусловлено тем, что более точно
учитываются свойства сжимаемого сигнала, более гибко изменяются параметры квантования, а на уровне Layer III значительно повышается разрешающая способность по частоте. Значения, указанные в скобках как обычные,
соответствуют качеству звука, сопоставимому с качеством звучания обычных
(записанных без сжатия) компакт-дисков.
Уровень кодирования Layer II обеспечивает сжатие до 64 кбит/с на канал, т. е. примерно в 11-12 раз. Этот уровень используется при записи получивших широкое распространение компьютерных музыкальных дисков,
обеспечивающих при воспроизведении с помощью ПК 10...11 часов высококачественного звука. Записанные файлы со сжатой звуковой информацией
обычно имеют расширение “mp3”, а на дисках или их упаковках часто написано “МРЕG-3”, что, как следует из изложенного, неправильно.
6. Системный уровень МРЕG-2
Перейдем к рассмотрению системной части стандарта МРЕG-2, которая
описывает форматы объединения сжатых видеоданных, звукового сопровождения от одного или нескольких источников, а также других видов информации, в единый поток данных, удобный для передачи по каналам цифровой
связи. Стандарт МРЕG-2 не определяет защиту от ошибок, возможных при
записи и передаче, хотя он, конечно, предусматривает такую возможность.
Стандартом предусмотрено два вида мультиплексированных потоков:
уплотненный транспортный поток (Transport Stream – ТS) и уплотненный
программный поток (Program Stream).
На рис. 6 показана структурная схема процесса формирования транспортного потока. Видеосигналы, т. е. яркостный и цветоразностные сигналы
389

данной телевизионной программы, а также сигналы одного или нескольких
каналов звукового сопровождения данной программы преобразуются в цифровую форму в АЦП и кодируются в соответствующих кодерах, как это было
описано выше. Потоки данных на выходах кодеров называются элементарными потоками (ЕS – Elementary Stream).

Рис. 6. Формирование
транспортного потока
MPEG-2

В пакетизаторах Пакет. данные разделяются на пакеты – блоки данных,
начинающиеся с заголовков определенной структуры. Получающиеся потоки
называются пакетизированными элементарными потоками (Packetized Elementary Stream – РЕS). В каждом пакете в РЕS объединены данные, относящиеся к структурной единице входного сигнала, например к телевизионному
кадру или к кадру сжатого звукового сигнала. РЕS-пакеты могут быть переменной длины (до 64 кбайт).
РЕS-пакеты одной программы образуют программный поток.
Пакетизированные элементарные потоки нескольких телевизионных
программ, а также передаваемых дополнительных данных и сигналов управления объединяются в единый транспортный поток (ТS). При этом данные
перераспределяются в пакеты ТS, имеющие фиксированную длину 188 байт и
определенную структуру заголовка (стартовой синхрогруппы пакета), занимающего 4 байта. Следует отметить, что транспортный поток может соде ржать и всего один элементарный поток, но фиксированная длина пакетов ТS
сохраняется (незанятое поле заполняется нулями). Далее транспортный поток
проходит кодер канала (на рис. 6 не показан), в котором выполняется помехоустойчивое кодирование, и передается по каналу связи.
В заголовке каждого ТS-пакета имеется идентификатор пакета (РID), который определяет его тип и принадлежность находящихся в нем данных к
одному из передаваемых элементарных потоков. Каждый пакет может содержать данные только одного элементарного потока. Пакеты с данными разных
элементарных потоков передаются в транспортном потоке в произвольном
порядке.
Специальные пакеты типов РАТ (Ргоgram Аaajciation Таblе) и РМТ
(Ргоgram Мар Таblе) несут информацию о том, какие значения идентификаторов соответствуют тому или иному элементарному потоку. В особых пакетах в среднем 10 раз в секунду передаются метки времени (РСR – Ргоgram
Сlосk Reference), содержащие значения моментов времени по часам в пере390

дающей части системы. По этим меткам в декодирующей аппаратуре восстанавливаются тактовые частоты каждого отдельного элементарного потока,
которые между собой, вообще говоря, не синхронизированы, хотя и имеют
стандартное значение 27 МГц 1350 Гц.
Структурная схема приема и декодирования транспортного потока приведена на рис. 7. На вход поступает поток данных из канала связи, который
преобразуется декодером канала в транспортный поток ТS. В блоке декодирования и демультиплексирования (декодер и ДМп ТS) из транспортного потока извлекаются пакеты РАТ и РМТ, из которых получают идентификаторы
пакетов PES, содержащих данные требуемых элементарных потоков. Далее
PES-пакеты с такими идентификаторами извлекаются из транспортного потока, распаковываются, и из содержащихся в них данных формируются элементарные потоки видео и звуковой информации, поступающие на соответствующие декодеры.

Рис. 7. Прием и декодирование
транспортного потока MPEG-2

В блоке синхронизации (Синхр.) имеются генераторы тактовых импульсов
для видео и звукового декодеров. Подстройка частот этих генераторов производится по меткам времени РСR так, чтобы число тактовых импульсов, сформированных в декодере между двумя метками, соответствовало интервалу
между моментами, зафиксированными в этих метках. Благодаря этому обеспечиваются правильные длительности интервалов времени в декодируемой телевизионной программе. Если одновременно должны декодироваться несколько
элементарных потоков с разными временными базами (несколько независимых
телевизионных программ), то эти потоки приводятся к одной временной базе.
Программный поток МРЕG-2 аналогичен системному уровню стандарта
МРЕG-1 и содержит элементарные потоки одной телевизионной программы
или нескольких программ, имеющих общую временную базу, т. е. взаимно
синхронизированных. Длины пакетов программного потока могут быть различными. Структурные схемы формирования и приема программного потока
похожи на приведенные выше схемы для транспортного потока. Программный
поток может быть преобразован в транспортный поток. Возможно и обратное
преобразование.
Транспортный поток рекомендуется использовать при передаче по каналам связи с помехами, а программный поток – при отсутствии помех.
391

Следует также отметить, что синтаксис транспортного и программного
потоков позволяет обеспечивать условный (ограниченный, по паролю) доступ
к передаваемой информации, хотя непосредственно в стандарте МРЕG-2
средства решения этой задачи не определены.
Важная особенность цифрового телевидения заключается в том, что
транспортный поток может нести данные сразу нескольких ТВ программ и
поступает на модулятор сигнала для кабельной сети или спутниковой станции либо модулирует несущую наземной станции. Следовательно, одну несущую можно использовать для передачи нескольких каналов цифрового ТВ.
Цифровая услуга подобного типа называется “букетом”.
Сжатые по стандартам МРЕG-1, МРЕG-2 видео- и аудиоданные могут
также записываться в файлы. Видеопрограммы, сжатые по МРЕG-1, записываются на компьютерные видеодиски, а сжатые по МРЕG-2 – на диски DVD.
Рассмотрим подробнее структуру пакетов цифрового ТВ.
Элементарный поток содержит только один вид кодированной информации – звук или видео, данные, программную и системную управляющую информацию, а также другую частную (закрытую) информацию, передаваемую
для различных ассоциированных служб и для расшифровки (дескремблирования) ключей данных.
PES-пакет состоит из заголовка пакета и следующего за ним пакета
данных (одного элементарного потока) переменной длины (до 64 килобайт).
Заголовок пакета состоит из следующих полей:
> Стартовый код – три байта (FF 00 00h).
> Код идентификации потока – один байт. Обеспечивает распознавание
до 16 видео- и 32 аудиопрограмм – позволяет выделить из транспортного потока PES-пакеты, принадлежащие одному элементарному потоку ТВ-программы. Каждая из этих 48 программ может иметь “данные пользователя”.
> Поле длины PES-пакета (2 байта).
> Флаги 1 и 2 (по одному байту). Показывают, присутствуют или нет дополнительные поля (области). Они содержат информацию о скремблировании сигнала, его приоритете, авторском праве, а также поля дополнительной коррекции ошибок и т. д. Особую значимость имеют первые
два бита второго флага: биты P и D). Бит P указывает на наличие поля с
меткой времени воспроизведения PTS (Presentation Time Stamps), информирующими декодер о заданном времени вывода (вспроизведения)
элемента представления. Бит D указывает на наличие поля с меткой
времени декодирования (Decoding Time Stamps – DTS). Эти флаги используются декодером приемника для синхронизации аудио- видео- и
других данных и должны посылаться не реже, чем через 0,7 с – именно
этим определяется максимальная длина PES-пакета.
> Поле длины заголовка PES-пакета (1 байт). Указывает количество байтов дополнительных данных заголовка, которые могут присутствовать
392

до начала элементарного потока. Дополнительные данные могут иметь
длину до 200 байтов.
> Временная метка представления PTS.
> Временная метка декодирования DTS.
> Дополнительные данные.
Далее следует собственно элементарный поток.
Программный поток объединяет элементарные потоки одной программы, имеющие общую временную базу. Блок программного потока содержит
заголовок блока, системный заголовок (необязательный), за которым следует
некоторое количество PES-пакетов. Длина блока программного потока может
быть произвольной, но длительность его не должна превышать 0,7 с. Это связано с тем, что в заголовке содержится важная информация – опорное системное время. Системный заголовок содержит информацию о характеристиках программного потока, например, максимальная скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков. Декодер использует эту
информацию для того, чтобы решить, сможет ли он декодировать этот программный поток.
Программный поток предназначен для передачи по линиям, не вносящих
ошибки в цифровые данные. Поскольку блоки имеют сравнительно большую
переменную длину, то ошибка в блоке может означать потерю по крайней
мере одного кадра. Ошибка в заголовке означает выход декодера из синхронизации и потерю целого блока. Преимущества использования программного
потока в том, что процедура его создания и демультиплексирования относительно проста, а служебная информация в нем занимает весьма малую долю.
Транспортный поток может объединять PES-пакеты нескольких программ с независимыми временными базами. Он состоит из коротких пакетов
фиксированной длины (188 байтов).
К транспортным пакетам предъявляются следующие требования:
> Первый байт данных PES-пакета должен совпадать с первым байтом
данных пакета транспортного потока.
> Один пакет транспортного потока может содержать данные только
одного PES-пакета. В случае, если данные одного PES-пакета заканчиваются
внутри пакета транспортного потока, то оставшееся место заполняется полем
дополнительной информации.
Транспортные пакеты, переносящие разные элементарные потоки, могут появляться в произвольном порядке, но пакеты, принадлежащие одному
элементарному потоку, должны следовать в транспортном потоке в хронологическом порядке, т. е. в порядке их «нарезания» из РЕS-пакетов.
Структура транспортного пакета оптимизирована к условиям передачи
в каналах связи с шумами – это небольшая длина пакета, скремблирование,
кодирование по РС и перемежение по Форни. Поэтому в сиcтемах DVB и
ISDB к 188 байтам транспортного пакета добавляется 16 проверочных байтов
кода РС (позволяет исправить в пакете до 8 ошибок).
393

Структура TS-пакета показана на рис. 8. Содержание каждого транспортного пакета идентифицируется заголовком. Структура заголовка пакета
формируется из двух частей: фиксированной длины, состоящей из четырех
байтов, и переменной длины для поля адаптации. Некоторые важные функции заголовка описываются ниже.

Рис. 8. Структура транспортного пакета MPEG

Синхронизация пакетов осуществляется с помощью байта (слова) синхронизации sinc_bite, который является первым байтом в заголовке пакета.
Sinc_bite имеет фиксированное значение (47h), хотя далее в процессе кодирования для передачи применяются два альтернативных значения (47h и В8h).
Sinc_bite используется в декодере, чтобы обеспечить синхронизацию пакетов.
Идентификация пакетов. Помимо собственно видео- и аудиосигналов,
возможно, самой важной частью информации транспортного пакета является
поле заголовка длиной 13 бит, называемое полем идентификации пакета
(Расket Identification – РID), которое обеспечивает механизм мультиплексирования и демультиплексирования цифрового потока. РID предназначено для
идентификации пакетов, принадлежащих определенному элементарному или
управляющему потоку. Поле РID располагается в заголовке пакета всегда в
одном и том же месте, что позволяет легко извлекать пакеты, соответствующие конкретному элементарному потоку, как только в декодере устанавливается синхронизация пакетов. Из 2 13 возможных значений РID 17 зарезервировано для специальных целей, остальные 8175 могут использоваться для нумерации элементарных потоков.
Для распознавания элементарных потоков и объединения их в ТВпрограммы служит передаваемая вместе с полезной нагрузкой программная
информация (Program Specific Information – PSI) с ключевыми данными для
самонастройки приемника (Integrated Receiver Decoder – IRD). Эти данные
автоматически конфигурируют декодер и синхронизируют его для получения
на выходе полного видеосигнала. В системной спецификации MPEG-2 определено 4 типа таблиц с программной информацией:
> таблица соединения программ (Program Association Table – PAT);
> таблица плана программы (Program Map Table – PMT);
394

> таблица сетевой информации (Network Information Table – NIT);
> таблица условного доступа (Conditional Access Table – CAT).
Каждая из этих таблиц передается в виде полезной нагрузки одного
или нескольких транспортных пакетов. Таблица РАТ всегда переносится
транспортными пакетами с РID = 0. РАТ сообщает список номеров всех программ, содержащихся в транспортном потоке, и указывает идентификаторы
пакетов, в которых находятся РМТ-таблицы с информацией о программах и
элементарных потоках, из которых они складываются. Номер программы 0
зарезервирован, он используется для указания на РID пакета с сетевой информацией NIT о сетях передачи транспортного потока, частотах каналов,
характеристиках модуляции и т. п. В таблице РМТ также указывается РID
транспортных пакетов, переносящих метки опорного времени данной программы. Максимально допустимый период повторения таблицы РМТ – 400 мс.
Обнаружение ошибок на уровне пакета осуществляется в декодере при
помощи поля счетчика непрерывности continuity_counter. На передающей
стороне значение в этом поле циклически меняется от 0 до 15 для всех пакетов с одним и тем же РID. Получение на приемной стороне при нормальных
условиях пакетов с нарушением непрерывной последовательности значений
continuity_counter в потоке РID указывает на то, что в процессе передачи данные были потеряны.
Заголовок поля адаптации. Биты adaptation_field_control заголовка
транспортного уровня сообщают о наличии поля адаптации. Такая часть заголовка называется заголовком канала передачи данных. Заголовок поля ад в
пакётё МРЕG-2 имеет переменную длину. Использование этого поля очень
разнообразно. Оно содержит данные дополнительной синхронизации и временные характеристики, а также выполняет функцию «заполнения», чтобы
загрузить пакеты РЕS в транспортный поток предварительно указанным способом. Подобный уровень организации гарантирует, что при последующей
обработке транспортным потоком можно будет манипулировать определенными способами. Заголовок поля адаптации включает также несколько важных флагов, указывающих на наличие конкретных расширений поля.
Синхронизация и временные сигналы. В системе цифрового телевидения
количество данных, генерируемых для каждого кадра, является переменным,
поскольку зависит от метода кодирования изображения, который меняется. в
соответствии с числом параметров изображения.
Поэтому информация о синхронизации не может быть сформирована
непосредственно в начале передачи данных изображения; как это происходит
в аналоговом телевидении. Подобные требования предъявляются к поддержанию синхронизации видео- и связанных с ними аудиоданных. Решение проблемы заключается в передаче временной (синхронизирующей) информации в
заголовке поля адаптации выбранных пакетов, которая служит в качестве
опорной для временного сравнения в декодере. Иными словами, некоторые
пакеты содержат временную метку, и декодер должен гарантировать, что эти
пакеты будут декодированы в момент, достаточно близкий к требуемому
395

времени воспроизведения. Стандарт устанавливает два параметра: ссылку на
системные часы и ссылку на программные часы.
Ссылка на системные часы (System С1осk Reference – SCR) – зафиксированное мгновенное значение состояния системных часов кодера, которое
размещается на системном уровне цифрового потока. Во время декодирования эти значения используются для корректировки системных часов счетчика
тактовых импульсов в декодере.
Ссылка на программные часы (Рrоgram С1осk Reference – PCR) вставляется на программном уровне. (Вспомните, что отдельные телевизионные
сигналы в уплотненном потоке могут иметь различные видеоисточники, т.е.
они не обязательно синхронизированы друг с другом). Применение SСR и
PCR – это способ, с помощью которого декодер узнает текущее значение
времени и синхронизирует свою внутреннюю систему фазовой автоподстройки (ФАПЧ) частоты 27 МГц. Системные часы, по стандарту МРЕG, работают
на тактовой частоте 90 кГц. Ссылка на системные часы и временная метка
воспроизведения кодируются в цифровом потоке МРЕG при помощи 33 битов, которые могут представлять любой момент времени с периодом 24 ч.
Временные метки воспроизведения (РТS) являются отсчетами системных часов кодера, которые связаны с единицами представления видео или
аудио. Единица представления – это декодированное видеоизображение или
временная последовательность декодированного аудио. РТS содержит информацию о времени, когда изображение должно быть показано, или время
начала воспроизведения для временной последовательности аудио. Сравнивая РТS со своими внутренними часами (постоянно корректируемыми при
помощи SCR и РСR, декодер уточняет, когда следует выдавать заданный
фрагмент программы. Декодер или пропускает, или повторяет воспроизведение изображения так; чтобы на момент его вывода на экран РТS отличалась
от SСR не более чем на период тактовых импульсов частоты 90. кГц. Если
РТS опережает текущее значение SCR, декодер отбрасывает (не учитывает)
изображение; если РТS отстает от текущего значения SСR, декодер повторяет
воспроизведение.
6.1 Соединение цифровых потоков
Изображение, закодированное по стандарту MPEG, допускается монтировать только на границе I-кадра, или, выражаясь языком цифрового телевидения, в точке произвольного доступа. Очевидно, что транспортный поток
можно монтировать только тогда, когда в РЕS реализуется поиск подходящей
точки монтажа. Точка произвольного входа в транспортный поток отмечается флагом в заголовке поля адаптации пакета, который содержит точку
произвольного доступа для элементарного потока. Кроме того, в качестве
части заголовка поля адаптации иногда включают поле splice_countdown. Оно
указывает число пакетов с тем же РID, что и у текущего пакета, которое оста396

лось в цифровом потоке до точки входа в поток (соединения). Таким образом
заранее задается точка, в которой может произойти переключение с одного
фрагмента программы на другой. На уровне транспортного потока пакеты
РЕS организуются в пакетированный транспортный поток при помощи заголовка поля адаптации переменной длины так, что точки произвольного доступа в РЕS оказываются в начале пакетов транспортного уровня. Это значительно упрощает переключение цифровых потоков DTV и приводит к эффективному (быстрому) восстановлению изображения после точки переключения.
6.2 Таблица условного доступа
В уплотненном потоке наряду с таблицами РАТ и РМТ существует еще
одна чрезвычайно важная таблица – таблица условного доступа САТ, которая
передается при PID = 1, когда одна или более программ уплотненного потока
скремблируются (шифруются). Важно, что САТ не передает информацию о
праве доступа, а содержит только данные относительно управления этой информацией. Условный доступ рассматривается ниже.
6.3 Информация о службах DVB
К трем уже названным таблицам, которые являются частью стандарта
МРЕG и называются программно-зависимой информацией PSI, Европейский
проект DVB добавил собственные таблицы сервисной информации в уплотненный поток МРЕG-2. Они главным образом предназначены для выбора
телевизионных программ определенного уплотненного потока (или нескольких потоков), которые наиболее удобны и интересны для пользователя.
Именно информация о службах DVВ (совместно с РSI) используется для создания електронного путеводителя по программам (Е1есtronic Рrogramme
Guide – ЕРG) – Radiо Times цифрового телевидения в реальном времени.
Используют следующие таблицы DVB-SI (Sеrvice Information):
> таблицу сетевой информации NIT (Net Information Table), которая
определяет другие ВЧ каналы, связанные с данной сетью, но содержащие
различные уплотненные потоки, например другие транспортные потоки,
управляемые той же телевизионной компанией;
> та6лицу описания служб (Serviсе Dеsсriрtion Таblе – SDT), которая
перечисляет параметры, относящиеся к каждой службе уплотненного потока;
> таблицу информации о событиях (Еvеnt Information Таblе – ЕIТ), содержащую информацию о времени передачи программ;
> таблицу времени и даты (Тimе аnd Dаtе Таblе – ТDT), служащую для
обновления часов и календаря в приставке к телевизору на тот случай, если
они отклонились от реального времени.
DVB предлагает также дополнительные (необязательные) таблицы,
определяющие группы служб («букеты») для обзора возможностей выбора
программ в наиболее удобном виде:
397

> DAT – таблица группирования в пакет; разрешает группировать
услуги, которые могут быть использованы вместе. Каждая услуга может принадлежать одному или одновременно нескольким пакетам.
> RST – таблица статуса выполнения; используется для быстрого обновления статуса выполнения одного или нескольких событий. Содержимое
таблицы передается лишь один раз, когда происходит изменение статуса выполнения, в то время как другие таблицы периодически передаются повторно.
> ST – таблица состава; используется для замены или аннулирования
других таблиц или подтаблиц.
6.4 Условный доступ
Цифровое телевидение имело успех, поскольку большое количество
организаций рассчитывали заработать на нем деньги. В основе их планов лежала идея, что телевидение будет становиться все более «направленным», с
программами, соответствующими интересам определенных групп телезрителей, и последние готовы будут платить за просмотр понравившихся программ. Реализация этой идеи требует применения системы скремблирования
(шифрования) и условного доступа, чтобы программы невозможно было принимать, пока телезритель не заплатил за подобную привилегию. Обратите
внимание, что скремблирование и условный доступ – совершенно разные
компоненты, и, хотя Европейская система DVB указывает метод скремблирования и дескремблирования, который должен использоваться (общий алгоритм скремблирования), она не определяет систему условного доступа или
ключи дескремблирования, а также то, как они применяются в декодере.
Приватный характер условного доступа гарантирует, что оператор одной сети
не вправе обратиться к пользовательской базе данных другой сети, и приводит к довольно сложной ситуации, когда определенная программа транспортного потока может иметь несколько различных систем условного доступа.
Например, научно-фантастический канал может быть получен из одного и
того же транспортного потока от нескольких операторов, каждый из которых
имеет собственную систему условного доступа. Это довод в пользу САТ
(таблицы условного доступа), которая определяет PID для пакетов, содержащих сообщения разрешения доступа (Еntitlement Маnаgement Меssages –
ЕММs) для каждой системы условного доступа. Информация в заголовке канала передачи данных транспортного пакета указывает, зашифрованы ли полезные данные в пакете, и если это так, помечает ключ, который должен использоваться для дескремблирования. Информация заголовка пакета всегда
передается в «чистом» виде, то есть не скремблируется. Скремблирование
может выполняться на уровне РЕS или на транспортном уровне. Очевидно,
что информация о системе скремблирования или о механизме условного доступа очень уязвима с коммерческой точки зрения. По этой причине для всех,
за исключением официальных операторов, подписавших соглашение о неразглашении информации, доступным является только самое общее описание.
398

6.5 Системы SimulСrурt и МultiСrурt
Для того чтобы цифровой приемник смог расшифровать программу,
которая была зашифрована различными системами условного доступа, был
определен общий интерфейс (Соmmоп Interface – СI), который встраивается в
цифровой приемник или в приставку к телевизору. Действующие на базе модулей спецификации РСМСIА (Международная ассоциация производителей
плат памяти для персональных компьютеров IВМ РС) для компьютеров различные системы условного доступа (СА) могут последовательно вызываться
с помощью интегрированного (совмещенного) приемника-декодера IRD;
каждый модуль расшифровывает одну или несколько программ транспортного потока. Термин МultiСrурt используется для описания одновременной работы нескольких систем СА. Альтернативой является SimulСrурt. В этом случае коммерческие переговоры между поставщиками различных программ
привели к контракту, который позволил телезрителям применять одну определенную систему СА, встроенную в их IRD (или в один модуль РСМСIА
СI); чтобы смотреть все программы, скремблированные под защитой нескольких систем СА. SimulСrурt зависит от различных операторов, работающих вместе согласно кодексу поведения, действенность которого еще должна
быть доказана!
6.6 Канальное кодирование
В верхней части рис. 9 показан пакет системы МРЕG, состоящий из
188 байтов. Чтобы достигнуть соответствующего уровня защиты от ошибок,
требуемого для передачи цифровых данных по каналу с шумами на большие
расстояния, применяются неколько методов кодирования последовательно.
Эти методы включают рандомизацию при формировании спектра (или
скремблирование), кодирование по Риду-Соломону и перемежение по Форни. Данные методы распространяются на пакеты, общая длина которых составляет до 204 байт. Важно помнить, что оба вида пакетов – незакодированный пакет длиной 188 байт и кодированный пакет длиной 204 байта – используются в практических реализациях МРЕG- интерфейса.

Рис. 9. Структура транспортного пакета MPEG

399

В заключение отметим, что качество кодирования и декодирования телевизионных сигналов по стандарту МРЕG-2 определяется не только возможностями аппаратных средств, но и уровнем проработки специализированного программного обеспечения.
Стандартизация принципов построения цифровых систем позволяет
осуществлять обмен между спутниковыми, кабельными, эфирными системами телевещания и открывает возможность их интеграции в единую сеть.
7. Цифровой спутниковый приемник
Начало активного цифрового спутникового телевизионного вещания
(Digital Вrоаdсаsting Sаtеllitе – DBS) относится к середине 1996 г. К этому
времени был сформирован ряд цифровых пакетов и началось производство
цифровых приемников.
Одними из ключевых вопросов развития DBS являются конструкция,
режимы работы и особенно стоимость цифрового приемного оборудования.
В настоящее время именно цена и выполняемые функции цифрового спутникового приемника стали определяющими для владельцев цифровых пакетов и
фирм – производителей оборудования. Стоимость всех остальных компонентов приемного комплекса – рефлектора, облучателя, конвертора и др. – значительно ниже и практически не влияет на стоимость всего цифрового оборудования.
Напротив, аналоговые спутниковые приемники высокого качества сейчас гораздо более доступны, чем 10 – 15 лет назад, прежде всего, благодаря
стандартизации и большим производственным объемам.
Основными факторами, влияющими на стоимость цифровых спутниковых приемников, являются:
> Наличие открытых стандартов.
> Универсальность конструкции.
> Объем производства.
> Конкуренция производителей.
Создание и внедрение открытых стандартов, определяющих конструкции и производство цифровых приемников – только первый шаг для снижения издержек. Без МРЕG-2, который стал синонимом всего «цифрового телевизионного», цифровое спутниковое телевидение не достигло бы настоящего
успеха. Однако это только начало, так как во всем мире существуют несовместимые цифровые видеостандарты. Потенциальный успех МРЕG-2, DVB и
других перспективных стандартов может быть достигнут только при условии
их взаимной совместимости.
При создании открытого стандарта становится решаемой проблема
производства универсального цифрового приемника, что сделает цифровое
вещание более доступным. Существенным недостатком первых версий цифровых приемников является то, что они разрабатывались под определенные
400

полные пакеты телепрограмм и не принимали нешифрованные каналы –
называемые Free to Аiг.
Первой проблему приема этих каналов решила небольшая немецкая фирма
Маsсоm, которая на базе спутникового приемника Меdiа Маster фирмы Nokia
разработала программное обеспечение и выпустила модель Маscom 9500.
То обстоятельство, что конструкция нового приемника была точной
копией Меdiа Маdter, позволило установить модуль условного доступа
IRDETO и убедиться, что он, при наличии соответствующей карточки, позволяет принимать пакеты DF1 и Мultichоiсе стран Бенилюкса, а также итальянский пакет DSTV. Поэтому Маsсош 9500 может по праву считаться первым
приемником, не привязанным к конкретному пакету и претендующим на
определенную универсальность. Вскоре после него появились приемники
Меdiа Маster 9200 и 9500 Frее tо Аir, разработанные фирмой Nokia. Эти модели позволяют принимать любые свободные каналы и имеют широкие возможности для использования в будущем.
7.1 Схемотехника цифровых спутниковых приемников
Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Рассмотрим базовую структурную схему, представленную на
рис. 10. После того, как выделенный сигнал проходит цепи демодуляции, он
преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре производится
разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. Декодер
поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио, аналоговое аудио,
RGВ-выход и др.
Управление работой демультиплексора осуществляет микропроцессор,
обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления
(пульт дистанционного управления или модуль приемника).

Рис. 10. Обобщенная структурная схема цифрового пр иемника

401

В цифровом приемнике нет понятия «плохое качество изображения» –
качество картинки на экране телевизора при использовании профессиональной и бытовой аппаратуры одинаково высокое. В том случае, если уровень
ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране телевизора просто не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления.
Развитие цифровых приемников происходит с достаточно высокой интенсивностью, хотя со времени принятия стандарта МРEG-2 прошло несколько лет. Разработчики и изготовители приемного спутникового оборудования координируют свои усилия для упрощения конструкции и снижения
себестоимости. Следствием этого был выпуск в 1997 г. цифровых приемников уже третьего поколения.
Конечной целью совместных усилий является создание модульной архитектуры приемника, которая состояла бы из универсальных чипов, применяемых не только в спутниковом телевидении, но и в системах ММDSвещания цифровых кабельных сетях и других видах телекоммуникаций.
Ключ к успеху модульного подхода лежит в оптимальном разделении субблоков и организации связи между ними при помощи универсального гибкого
интерфейса и программного обеспечения.
Цифровые приемники первого поколения имели большое количество чипов, каждый из которых был ответственен за независимые задачи: коррекцию
ошибок, демодуляцию, демультиплексирование цифрового потока, обработку
данных (центральный процессор), МРЕG-2-декодирование видео- и аудио
сигналов (рис. 11). В этих моделях использовались дорогостоящие динамические оперативные запоминающие устройства (DRАМ) с произвольным порядком выборки. Все используемые чипы имели достаточно большие размеры и стоимость (около 55 % стоимости всего устройства). Слабым местом
этих конструкций был центральный процессор с 8- или 16-разрядной шиной
данных.

Рис. 11. Структурная схема цифрового приемника первого поколения

402

Рис. 12. Структурная схема цифрового приемника второго поколения

Приемники второго поколения (1996 г.) были разработаны с использованием всего трех чипов, которые осуществляют все функции обработки сигнала (рис. 12). Дополнительный четвертый чин обеспечивает прием цифровых программ кабельного ТВ. Спутниковый (или кабельный) модуль осуществляет демодуляцию сигнала и коррекцию ошибок. Центральный процессор встроен в следующий чип, который обеспечивает управление информационными потоками, дешифровку и контроль периферийных устройств и памяти. Последний чин содержит МРЕG-2 видео- и аудиодекодер. Еще одной
особенностью этой конструкции стало уменьшение числа DRАМ, а 32битный центральный процессор имеет более высокое быстродействие.

Рис. 13. Структурная схема цифрового приемника третьего поколения

403

Третье поколение цифровых приемников (1997 г.) основано только на
двух чипах (рис. 13). Первый модуль выполняет специфические задачи аналого-цифрового преобразования, демодуляции и коррекции ошибок. Объединение следующих двух чипов в один стало отличительной чертой приемника
третьего поколения. Он содержит центральный процессор, контроллер вводавывода, процессор информационных потоков, МРЕG-2 видео- и аудидекодер.
Уменьшено также число модулей оперативной памяти: один SDRAM объемом 16 Мбайт уверенно обслуживает модифицированный чип. Следует добавить, что скорость работы центрального процессора увеличена с 45 до 150 млн.
операций в секунду.
Таким образом, в настоящее время типичный цифровой спутниковый
приемник выполняет демодуляцию принятого сигнала и декодирование сжатого по технологии МРЕG-2 сигнала. Имеется также возможность организации обратного канала посредством модема через последовательный порт RS232. Минимальный объем оперативной памяти составляет 1 Мбайт. Через
этот разъем можно подключиться к персональному компьютеру и поменять
версию программного обеспечения.
7.2 Технические характеристики цифровых спутниковых приемников
Кроме традиционного диапазона частот, есть еще несколько параметров, присущих только цифровым системам.
В первую очередь это относится к возможности осуществлять одно- и
многопрограммный прием на одной частоте.
Singlе Сhаnnеl Реr Саrriеr (SСРС) – способ передачи, при котором
каждая программа модулирует отдельную несущую. Этот способ по сравнению с МСРС более энергоемок. Он используется в тех случаях, когда трансляционные точки разных программ географически разнесены. Частотное
мультиплексирование таких программ происходит уже в антенно-фидерной
линии спутникового бортового ретранслятора.
Multi Сhаnnеl Реr Саrriеr (МСРС) – передача нескольких разных программ на одной несущей. При этой системе передачи сначала производится
временное мультиплексирование элементарных потоков, составляющих разные передачи, а затем полученный групповой транспортный поток модулирует одну несущую. Этот способ передачи позволяет более эффективно, чем
при использовании SСРС-передачи, использовать полосу пропускания транспондера, так как упраздняются защитные интервалы между несущими.
Еще одним важным параметром является скорость передачи данных
(Sym Rate – SR). В большинстве случаев скорость одиночных каналов (SCR)
колеблется от 3 до 9 Мбит/с, а для пакетов (МСРС) – до 30 Мбит/с. Ограничение нижнего предела скорости значениями 15 – 18 Мбит/с является одной
из причин неспособности некоторых приемников принимать каналы Free То
Аir, многие из которых передаются поодиночке. Из этого следует, что
404

SR-диапазон, воспринимаемый приемником, должен на сегодняшний день
составлять 3 – 30 Мбит/с.
Важным параметром любого цифрового канала являются РID-коды,
которые определяют местонахождение отдельных элементарных потоков в
структуре транспортного потока. Информация об этих кодах хранится в таблице, называемой Program Мар Таblе.
Program Мар Таblе определяет местонахождение отдельных потоков,
составляющих все трансляции, передаваемые в мультиплексированном
транспортном потоке. Она содержит также необходимые аудио- и видеопараметры и другую вспомогательную информацию, которая может использоваться для формирования электронного гида, установки часов и т. д. Эта таблица передается в начале транспортного потока вместе с другой служебной
информацией.
Program Identification (PID) – код, определяющий местонахождение
определенного элементарного потока в общем транспортном потоке.
Некоторые приемники, предназначенные для приема определенного
пакета, не умеют считывать РID-коды из таблицы и пользуются готовыми
кодами, следовательно, не могут принимать ничего, кроме своего пакета
Наиболее существенный минус такого подхода – неспособность принимать каналы Free То Аir, достоинство – некоторая защищенность от приема
других платных трансляций. Кроме того, такие приемники требуют доработки программного обеспечения при любом изменении длины элементарных по
токов, входящих в состав пакета.
Другими специфическими характеристиками цифрового приемника являются тактовая частота процессора, а также объем оперативной и перепрограммируемой памяти.
Существенным недостатком, присущим многим европейским цифровым приемникам, является их жесткая ориентация на прием со спутников
Аstra, Eutelsat, Ноt Вird. Эта ориентация проявляется таким образом, что в
приемниках или просто не предусмотрена возможность занесения в память
каналов, передаваемых с других спутников, или можно запомнить только 1 –
2 канала. В более новых разработках ограничения на прием, связанные с возможностями программного обеспечения, постепенно исчезают и все больше
внимания уделяется вопросам скремблирования, организации условного доступа и методам персональной идентификации.
7.3 Организация условного доступа в спутн. цифр. приемниках
В настоящее время в Европе используется по крайней мере 6 различных систем цифрового скремблирования. Наибольшее распространение получили кодировки Irdetto и Viaccess. Все большую популярность завоевывает
приемопередающая аппаратура фирмы Scientific Аtlanta Inс., поддерживающая кодировку Power Vu, которая является авторской разработкой этой фир405

мы. Ряд французских, немецких и испанских каналов передаются в кодировке
Sеса, в меньшей степени используются кодировки Меdiaguard и Сrурtowork.
Все эти системы совместимы с требованиями DVВ-стандартов.
Очевидно, что универсальный цифровой приемник должен уметь работать с любой системой скремблирования. Эта проблема решается несколькими путями. Один из них – создание универсального модуля условного доступа, в котором система скремблирования задается программным путем. Такие
мо дули встраиваются в некоторые современные профессиональные и полупрофессиональные приемники, Система скремблирования задается в них через недокументированное меню. Однако в силу того, что создавались они для
приема совершенно определенных пакетов, их разработчики не склонны
афишировать универсальные возможности своей продукции.
Другой путь – реализация проекта создания общей системы скремблирования, который прорабатывается комиссиями DVB. При использовании
такой системы расшифровка программ от разных поставщиков может быть
индивидуализирована за счет разных условий доступа. Выполнение этих
условий проверяется специальной карточкой условного доступа (smart card).
Они передаются в виде двух сообщений в составе таблицы условного доступа
(Тhе Conditional Access Table), предусмотренной структурой транспортного
потока МРЕG-2. Одно из них – Entitlment Control Messages (ЕСМ) – содержит
индивидуальные критерии, определяющие возможность доступа к программе,
и конкретные параметры, необходимые для начала работы алгоритма. Второе
– Entitlment Management Messages (ЕММ) – содержит критерии для определения права доступа для конкретного пользователя. Такая система позволяет
принимать сообщения от разных поставщиков, заменяя флаг в модуле условного доступа. Однако использование общего алгоритма скремблирования –
это вопрос будущего, а сейчас для приема разных пакетов, как правило, требуются разные модули условного доступа. Более того, стандарт DVB предусматривает возможность существования пакета, в котором разные программы
скремблированы по-разному. Такой тип скремблирования называется MultiCript.

Рис. 14. Организация условного доступа с общим интерфейсом

406

С этой точки зрения более перспективным кажется использование общего интерфейса, посредством которого к базовому декодеру может подсоединяться один или несколько модулей условного доступа (рис.14). Демодулированный поток данных последовательно проходит все модули условного
доступа.
Каждый модуль расшифровывает те элементарные потоки в программах пакета, в которых используется соответствующая система скремблирования. На сегодняшний день идея общего интерфейса реализована на базе стандарта РСМСIА, известного по использованию в портативных компьютерах. В
новой версии РСМСIА использованы прежние электрические и механические
схемы, но изменен протокол взаимодействия. Структура общего интерфейса
позволяет модулю условного доступа взаимодействовать с периферийными
модулями декодера (модемом, дисплеем и т. д.). В силу этого он может использоваться для подключения модулей с новыми, пока еще не разработанными функциями.
По прогнозам разработчиков, дальнейшее развитие цифровых приемников связано с увеличением мощности центрального процессора, который
сможет управлять сложной 24-битной цветной 3D-графикой, увеличением
объема оперативной памяти, применением более скоростного модема в о братном канале, подключением в сеть Internet с возможностью использования
спутникового канала для приема данных. Следовательно, цифровой приемник
постепенно должен стать домашним центром интерактивной системы.
Следует отметить, что аналогичные задачи ставят перед собой производители персональных компьютеров. Уже сейчас владельцы не самого современного ПК могут производить обработку видеосигнала, сжатого МРЕС2, и обеспечивают прием каналов эфирного телевидения и радиовещания.
Очевидно, что в этом случае для приема цифровых спутниковых телевизионных программ необходим лишь недорогой модуль демодуляции принятого
сигнала, всю дальнейшую его обработку обеспечит ПК аппаратными или
программными средствами.

407

ДОДАТОК Ф. РИСУНКИ ДО ЛЕКЦІЇ №26

408

409

410

ЛЕКЦИЯ №27 СТАНДАРТЫ СПУТНИКОВОГО ЦИФРОВОГО
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ DVB-S и DVB-S2
Источники:
1. http://www.konturm.ru/tech.php?id=dvbs2
2. Барамыков А. «Выбор параметров трансляций пакетов ТВ-каналов DVB-S2»,
Теле-спутник, январь, 2012, стр.64-66.
3. А. Ануфриев «DVB-S2 выходит на орбиту», Телеспутник, март, 2007.
1. Основные сведения о стандарте DVB-S
Спутниковое (SAT) TV вещание было и остается самым быстрым,
надежным и экономичным способом подачи TV сигнала высокого качества в
любую точку обширного пространства.
Все вещательные искусственные спутники Земли (ИСЗ) размещаются на
так называемой геостационарной орбите (ГО) – круговой орбите высотой
~36000 км в плоскости экватора. Находясь на ГО, спутник неподвижен
относительно поверхности Земли, т.к. вращается с той же угловой скоростью,
что и Земля. Зона видимости геостационарной ИСЗ – около одной трети земной
поверхности.
Для SAT вещания выделены специальные участки радиочастотного
спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается повышенная
плотность потока мощности с ИСЗ. Наиболее освоен участок Ku-диапазона с
частотами 11,7…12,5 ГГц. Вещательную мощность ИСЗ в данной точке приема
принято характеризовать эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (Р
ЭИИМ), представляющей собой произведение выходной мощности
передатчика ИСЗ на коэффициент усиления передающей антенны в данном
направлении. ЭИИМ обычно выражается в дБВт (dBW) и обычно составляет
45…60 dBW. В соседних диапазонах 10,7…11,7 ГГц и 12,5…12,75 ГГц вещают
спутники так называемой фиксированной спутниковой службы с типовыми
значениями ЭИИМ 38…52 dBW.
Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность
энергетического потенциала спутникового ретранслятора, в силу чего в SAT
вещании
традиционно
используют
методы
обработки,
требующие
минимального отношения несущая/шум (C/N) на входе демодулятора в обмен,
например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании это был выбор
частотной модуляции (вместо амплитудной), а в цифровом вещании
приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование
(внешнее – блоковым кодом Рида-Соломона, а внутреннее – свёрточным кодом)
и модуляцию с невысокими кратностями (например, QPSK вместо более
высокоскоростной 16-QAM). Дополнительной особенностью цифрового SAT
вещания является тот факт, что многопрограммное вещание осуществляется за
счет мультиплексирования в цифровом потоке, а работа передатчика ИСЗ
осуществляется только на одной несущей в нелинейном режиме, что позволяет
411

повысить его выходную мощность на 2,5…4 dB по сравнению с линейным
режимом работы. Такое повышение энергетики эквивалентно уменьшению
диаметра рефлектора приемной антенны в 2 раза в сравнении с приемом
сигналов аналогового вещания.
В 1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский
стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного TV вещания стандарт DVB-S, работающий в полосе частот 11/12 ГГц (European Standard EN
300 421 v.1.1.2, 1997-08). Для целей SAT вещания выделены полосы частот в
диапазонах 12, 29, 40 и 85 ГГц. В диапазонах 40 ГГц и 85 ГГц выделен спектр
частот шириной в 2 ГГц.
В октябре 1996г. был принят проект Рекомендации по общим
функциональным требованиям к многопрограммным системам SAT вещания в
полосе частот 11/12 ГГц, а уже в октябре 1999 г. был выработан проект новой
Рекомендации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по
архитектуре системы: стандрат DVB-S (Система А), DSS (Система В), G1MPEG-2 (Система С) и ISDB- S (Система D).
Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом
DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного TV
вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной
SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние
интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к
системам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master
Antenna TV), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и
вторичном распределениях программ TV вещания. В настоящее время
практическое все цифровое SAT TV вещание на все пять континентов
осуществляется по стандарту DVB-S.
Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов:
 передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих (MCPC – Multiple
channels per carrier);
 мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на
одной несущей SCPC – Single channel per carrier);.
Число программ TV вещания, которое можно передавать с помощью
одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости
передачи информации, компонентного или композитного формата
кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности
исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым
видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.
Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое
количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно
низкими скоростями (менее 3 Мбит/с, что эквивалентно 9-10 TV каналов в
стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях
допустима и скорость в 1500 кбит/с, что эквивалентно не менее 20 TV каналов с
одного транспондера.
412

Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рис.1.
На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока
данных для его адаптации к каналу:
– транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии
энергии;
– внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона ( RS);
– сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием
выколотого сверточного кода;
– формирование сигнала в основной полосе частот и его модуляция.

Рис. 1 Структурная схема передающей части стандарта DVB-S

Для SAT систем TV вещания характерны ограниченная мощность
передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к
воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование
энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и
каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS (РидаСоломона) и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования
Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость
системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а
также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при
повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому
исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в
экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к
значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум
(C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не
более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10 10
…10-11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере.
413

Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими
характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое
соотношение BW/RS, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB,
RS – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости
сверточного кода R (или FEC) и скорости RS-кода 188/204, соответствующая
скорость передачи информационных символов составит:
RU = R∙(2Rs )∙(188/204) = 1,843∙ R∙R S.
Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений
кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет
полученную скорость символов RU и спектральную эффективность системы
CU=RU/BW.
Возможные варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, R U и
cпектральной эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для
QPSK модуляции приведены в табл.1.

Рис. 2 Структурная схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и
приемной сторонах показаны

414

Табл.1. Соотношение между параметрами кодирования и скоростью потока
R = 1/2

R = 2/3

R = 3/4

R = 5/6

R = 7/8

BW,
МГц

Rs,
Мсим/с

54

42,2

38,9

0,72

51,8

0,96

58,3

1,08

64,8

1,2

68

1,26

46

35,9

33,1

0,72

44,2

0,96

49,7

1,08

55,2

1,2

58

1,26

40

31,2

28,8

0,72

38,4

0,96

43,2

1,08

48

1,2

50,4

1,26

36

28,1

25,9

0,72

34,6

0,96

38,9

1,08

43,2

1,2

45,4

1,26

33

25,8

23,8

0,72

31,7

0,96

35,6

1,08

39,6

1,2

41,6

1,26

30

23,4

21,6

0,72

28,8

0,96

32,4

1,08

36

1,2

37,8

1,26

27

21,1

19,4

0,72

25,9

0,96

29,2

1,08

32,4

1,2

34

1,26

26

20,3

18,7

0,72

25

0,96

28,1

1,08

31,2

1,2

32,8

1,26

RU ,
Мбит/с

СU ,
RU ,
бит/(сГц) Мбит/с

СU ,
бит/(сГц)

RU ,
СU ,
Мбит/с бит/(сГц)

RU ,
Мбит/с

СU ,
RU ,
бит/(сГц) Мбит/с

СU ,
бит/(сГц)

Структурная схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на
передающей и приемной сторонах показаны на рис.2. Как уже отмечалось
выше, основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в
отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных
случаях могут использоваться 8-PSK (ФМ-8) и даже 16 QAM (КАМ-16).
Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить
требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Еб/N0 (отношение
энергии в одном бите информации к мощности шума, см. рис.3), а для
модуляции большей кратности пороговое значение Еб/N0 оказывается
несколько выше (табл.2).

Рис.3 График зависимости вероятности битовой ошибки от отношения энергии бита к
спектр. Плотности мощности флуктуационного шума
Табл. №2 Энергетические соотношения для различных видов модуляции
Модуляция

QPSK

Скорость

Спектральная

Запас на реализацию

Е б/N0

внутреннего кода

эффективность, бит/Гц

модема, dB

(2×10-4)

1/2

0,92

0,8

4,5

2/3

1,23

0,8

5

3/4

1,38

0,8

5,5

415

8PSK

16QAM

5/6

1,53

0,8

6

7/8

1,61

0,8

6,4

2/3

1,84

1

6,9

5/6

2,3

1,4

8,9

8/9

2,46

1,5

9,4

3/4

2,76

1,5

9

7/8

3,22

2,1

10,7

2. Основные характеристики DVB-S2
Стандарт второго поколения DVB-S2 для видеовещания, интерактивных
услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых (SAT)
приложений является дополнением к широко используемому стандарту [2]
SAT-вещания DVB-S. Новый стандарт был разработан консорциумом DVB
Project (Digital video Broadcasting Project – Проект цифрового видеовещания –
организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового
телевидения для Европы) и детально технически исследован Совместным
Техническим комитетом (JТС – Joint Technical Committee) радиовещания
Европейского Союза радиовещания (RBU – European Broadcasting Union),
Европейским комитетом по электротехнической стандартизации CENELEC
и Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов (ETSI –
European Telecommunications Standards).
Целью разработки стандарта DVB-S2 было создание механизма, который
бы позволил повысить эффективность использования спутникового канала
связи, то есть предоставить возможность передавать в заданной полосе частот
больше полезной информации при минимальных затратах на приемной
стороне. DVB-S2 сделан основе «набора инструментов», который во всех
областях применения позволяет решать проблемы, связанные с сохранением
одночиповых приемников на разумных уровнях сложности и тем самым
использовать продукты рынка абонентских устройств для профессиональных
приложений.
DVB-S2 – это DVB спецификация для широкополосных SAT применений
второго поколения, разработанная на базе отработанных технологий DVB-S [2]
и DVB-DSNG (Digital Satellite News Gathering – цифровая спутниковая видео
журналистика). Под DSNG обычно понимают передвижные системы передачи
TV информации с мест событий, именуемые системами сбора новостей.
Система DVB-S2 разрабатывалась в основном для:
 услуг TV вещания стандартной четкости (SDTV) и TV высокой четкости
(ТВЧ или HDTV);
 интерактивных услуг, включая доступ в Internet;
 профессиональных приложений.

416

Для всех этих приложений DVB-S2 использует последние достижения как
в модуляции, так и в кодировании канала, что позволяет увеличить
пропускную способность порядка 30% и более в сравнении с DVB-S. В
пределах передаваемого потока данных может использоваться широкий набор
адаптивного кодирования, модуляции и уровней защиты от ошибок (т.е.
скорости кодирования). Посредством реверсного канала (а это может быть
любой физический канал, включая и телефонные линии), информирующего
передатчик о фактических условиях приема, могут быть оптимизированы
параметры передачи для каждого индивидуального пользователя в режиме
вещания “точка-точка”.
2.1 Коррекция ошибок и модуляция
Коррекция ошибок – это ключевой инструмент для достижения наилучших
характеристик спутникового канала передачи информации в условиях высокого
уровня шумов и интерференции. Для каналов со случайным характером ошибок
(обычно с аддитивными помехами типа «белого шума») практический интерес
представляют лишь несколько кодов из десятков известных. Наиболее часто
разработчики используют три вида кодов: сверточные, Рида-Соломона и
турбокоды, к которым относятся коды с низкой плотностью проверки на
четность (Low Density Parity Check codes – LDPC). Сочетание нескольких схем
помехоустойчивого кодирования позволяет учесть различные условия
эксплуатации. Так, сверточный код обычно используется для передачи
речевого трафика, когда вероятность ошибки на бит может быть достаточно
большой, но не критичной для восприятия и понимания передаваемой
информации. При передаче данных, когда требуется более высокая надежность,
применяются так называемые каскадные коды, в которых внешним обычно
является код Рида-Соломона, а внутренним – сверточный. В процессе выбора
кодов для нового стандарта проводилось компьютерное моделирование, в
результате которого победителем была выбрана система, в качестве внешнего
кода использующая код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-ChaudhuriHocquenghem, BCH), а в качестве внутреннего – LDPC код, и которая позволяет
максимально близко подойти к пределу Шеннона для каналов с адаптивным
«белым», гауссовским, шумом. Выбранные LDPC коды используют очень
длинные блоки бит – 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и
16200 бит, критичных к задержкам.
Для достижения компромисса между излучаемой мощностью и
спектральной эффективностью, в DVB-S2 предусматривается расширенное
число скоростей кодирования (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и
9/10) при различных форматах модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK).
Так, скорости кодирования 1/4, 1/3 и 2/5 были введены для работы в
комбинации с QPSK модуляцией для наихудших условий связи, когда уровень
сигнала ниже уровня шума.
417

Форматы QPSK и 8PSK предлагаются для приложений вещания и могут
использоваться в SAT транспондерах, работающих в режиме, близкому к
насыщению. Формат 32АPSK предусматривает линейный режим работы
транспондера и требует повышенных значений несущая-шум C/N на входе
демодулятора, в силу чего он, в основном, используется для профессиональных
приложений, хотя и является самым широкополосным. Формат 16АPSK при
ограниченных требованиях к линейности транспондера (используются
специальные схемы предыскажений) может находить широкий диапазон
приложений, включая и TV вещание. Констелляции 16АPSK и 32АPSK
оптимизированы для работы по нелинейному транспондеру размещением точек
на окружностях (рис.1). Однако их рабочие характеристики на линейном канале
совместимы с традиционными форматами 16-QAM и 32-QAM соответственно.
DVB-S2 может работать с существующими транспондерами с большим
разнообразием требований по эффективности спектра и соотношению
сигнал/шум (C/N). Более того, стандарт не ограничен применением
транспортных пакетов MPEG-2 TS, позволяя передавать потоки произвольной
структуры – как пакетной, так и непрерывной. DVB-S2 более удобен для
передачи транспортных потоков различных типов, таких как
однопрограммные и многопрограммные транспортные потоки MPEG,
пакеты IP или ATM.
Благодаря выбору модуляционной констелляции и скоростей кодирования,
доступны эффективности спектра RU от 0,5 до 4,5 бит/с/Гц (см. рис.2).
При этом надо учитывать характеристики используемого транспондера.
DVB-S2, в отличие от DVB-S, имеет три значения коэффициента скругления
(roll-off factor), которые устанавливают разную степень эффективности
использования спектра: α = 0,35 (как и в DVB-S), α = 0,25 и α = 0,2
(приближение к прямоугольной форме), что дополнительно увеличивает
пропускную способность, хотя и предъявляет большие требования к
линейности
транспондера.
Более низкие значения коэффициента
обеспечивают большую крутизну фронтов несущей, что позволяет размещать
соседние несущие плотнее друг к другу и, соответственно, эффективнее
использовать спектр.

418

Рис.1 Сигнальное созвездие (констелляция) для различных видов модуляции

Рис.2 Зависимость спектральной эффективности от скорости кодирования кодом LDCP

2.2 Системные исполнения DVB-S2
Система DVB-S2 может использоваться в конфигурациях “одна несущая в
транспондере” или “много несущих в транспондере” (используется FDM –
частотное мультиплексирование). Очевидно, что при одной несущей
символьная скорость передачи RS будет соответствовать полосе пропускания
транспондера (B W=RS). При наличии же нескольких несущих, RS будет
соответствовать выделенному частотному диапазону данной услуги.
Максимальное же число предоставляемых услуг будет ограничено как полосой
транспондера и требуемой скоростью каждой из предоставляемых услуг, так и
допустимым уровнем взаимных помех между смежными несущими.
При одной несущей, в зависимости от выбранной скорости кодирования и
модуляционной констелляции, система может работать при C/N от -2,4 dB
419

(используя QPSK 1/4) до 16 dB (используя 32АPSK 9/10). Результаты расчетов
смодулированы на компьютере (рис.3) для вероятности ошибки пакета 10-7
как для DVB-S2 так и для DVB-S/DVB-DSNG, и соответствуют примерно
одному ошибочному пакету TS информации за час передачи TV услуги на
скорости 5 Мбит/с. При традиционном канале с гауссовым шумом увеличение
пропускной способности составляет 20-35% в сравнении с DVB-S и DVBDSNG при тех же условиях передачи или улучшение на 2…2,5 dB условия
приема при той же эффективности спектра RU.
На рис.3 и рис.4 представлена спектральная эффективность DVB-S2 для
постоянной SAT полосы пропускания BW = RS·(1 + α) c гауссовым шумовым
каналом при идеальной демодуляции. Кривые рис.4 не учитывают ухудшение
характеристик, ожидаемое на спутниковом канале из-за изменения формы
спектра сигнала, обязанное уменьшению фактора roll-off (α). Для DVB-DSNG
принято α = 0,35, как наихудший случай (возможно и α = 0,25).

Рис.3 Зависимость относительной спектральной эффективности от отношения C/N

Рис.4 Зависимость относительной спектральной эффективности от отношения C/N
420

Для режимов APSK (т.е. с амплитудной и фазовой модуляциями)
возможно введение предыскажений на приемной стороне, что позволяет
использовать каскад SAT усилителей в режиме, близкому к насыщению, тем
самым увеличивая выходную мощность, что особенно важно для режима
32 APSK. Для таких случаев используют специальные профессиональные
малошумящие конвертеры (LNC), цена на которые выше, чем на бытовые
конвертеры.
При множестве несущих в конфигурации ретранслятора введение схемы
предыскажений не приносит должного результата ни для одной из схем
модуляции. Исходя из этого, приходится снижать выходную мощность
передатчика (т.е. работать в квазилинейном режиме), в результате чего
снижается и реализуемое значение C/N.
2.3 Обратная совместимость со стандартом DVB-S
Большое количество установленных приемников DVB-S стандарта
значительно затрудняет вещателям процесс перехода на новый стандарт.
Особенно когда приемники субсидируются самими вещателями, а также на
общественных сетях, работающих в открытом режиме (free-to-air). В таких
случаях обратная совместимость может потребоваться на некий переходный
период, когда установленные приемники DVB-S будут работать по-прежнему, а
новые приемники получат новые сервисы и возможности от нового стандарта.
В конце переходного периода, когда завершится смена приемников,
транслируемый сигнал будет переведен из режима обратной совместимости и
обеспечит клиентов всеми возможностями DVB-S2. Режимы обратной
совместимости подразумевают передачу двух транспортных потоков в
одном спутниковом канале. Эти потоки имеют разные приоритеты – высокий
и низкий.
Первый поток (с высоким приоритетом - НР) совместим как с DVB-S [2],
так и с DVB-S2 приемниками. Второй же поток (с низким приоритетом - LP)
совместим только с DVB-S2 приемниками. Наличие двух потоков вызвано
неизбежностью наличия довольно длительного переходного периода от DVB-S
к DVB-S2 ввиду большого количества уже используемых DVB-S приемников.
Только в конце миграционного периода, когда будет наблюдаться полная
модуляция DVB-S2 приемников, излучаемый сигнал может быть изменен к
несовместимому с реверсным направлением режиму, используя таким образом
полный потенциал пропускной способности DVB-S2. Совместимость
реверсных направлений может быть осуществлена по двум технологиям:
 С многоуровневой модуляцией в асинхронном режиме. Такой рабочий режим
является традиционным для любого ВЧ канала, в силу чего он и не нашел
отражения в спецификации DVB-S2. При этом DVB-S сигнал передается на
значительно более высоком уровне мощности в сравнении с DVB-S2. Так как
результирующий комбинированный сигнал подвергается значительным
амплитудным изменениям огибающей, то он должен передаваться на
421

квазилинейном транспондере, т.е. в режиме, далеком от режима насыщения.
Как вариант, с целью наилучшего использования SAT источников энергии, НР
и LP сигналы могут усиливаться независимыми спутниковыми усилителями
(НРА), работающими вблизи режима насыщения. Результирующие сигналы
затем суммируются на канале нисходящего потока. Однако, такой подход
требует разработки и запуска спутников нового поколения.
 Иерархическая модуляция, при которой два НР и LP информационных TS
синхронно
комбинируются на символьном уровне модуляции на
неравномерной 8PSK констелляции. Так как результирующий сигнал в этом
случае будет иметь квазипостоянную огибающую (отсутствие амплитудной
модуляции), то он может быть передан на единственном транспондере,
работающем вблизи режима насыщения. Такое решение включено в стандарт
DVB-S2 как опция.
DVB-S2 совместимый поток низкого приоритета кодируется кодами
LDPC/BCH со скоростями свертки 1/4, 1/3, 1/2 или 3/5. После этого
преобразователь координат генерирует неоднородное созвездие 8PSK, в
котором два бита потока DVB-S высокого приоритета определяют точку
созвездия QPSK, в то время как один бит из кодера DVB-S2 LDPC смещается
на угол ±θ перед подачей в канал. Таким образом, результирующий сигнал
имеет квазипостоянную форму и может быть передан через один транспондер,
работающий в режиме, близком к насыщению.
2.4 Иерархическая модуляция
Иерархическая модуляция, предусматривает использование двух параллельных
каналов (рис.5): DVB-S и DVB-S2. По второму каналу (LP – низкий приоритет)
увеличивается размерность констелляции до неравномерной 8PSK (рис.6). Из
всех возможных конфигураций DVB-S2 потока разрешается только нормальная
конфигурация FEC фрейма с 64 800 битами (720 слотов × 90 бит). Угол
девиации θ (рис.6) может изменяться по требованию пользователя: большие
углы θ улучшают C/N по отношению к LP и понижают C/N для НР.
Для справочной информации, в табл.1 приведено отношение скоростей
передачи данных (в %) LP/HP. В техническом отчете [5] приведена формула
для расчета требуемого C/N LP для низкоприоритетного потока:

Рис.5 Иерархическая модуляция
422

Рис.6

(C/N)LP = (C/N)QPSK - 3 + ΔL + M

(1)

где: (C/N)QPSK заимствуется из [1] (см. табл.2) для пакетной вероятности
ошибки в 10-7 (канал AWGN);
М – конструктивный коэффициент запаса (минимальное значение М = 0,8 dB);
ΔL = -20lg(sinθ)
(2)

423

На рис.7 представлены требуемые C/N для НР и LP потоков в зависимости
от угла θ для неуниформной 8PSK констелляции при различных скоростях
кодирования. Короткими точками на рис.7 указаны границы реализации
режима реверсного канала. Фактически, с увеличением угла θ, констелляция
становится более похожей на стандартную 8PSK (рис.2). Приведенные расчеты
выполнены для наихудшего случая (α = 0,2) при символьной скорости в 20
Мбод.

Рис.7 Зависимость C/N от угла θ

2.5 Адаптивное кодирование и модуляция
Адаптивное кодирование и модуляция (АСМ) является “изюминкой” DVBS2. Такой режим работы применим для приложений класса “точка-точка”
(двухточечные приложения, например, IP вещание в один адрес или DSNG).
Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала
(например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т.е.
изменяются скорость кодирования (SR) и формат модуляции, вследствие чего
меняется и требуемое (C/N)треб у абонента. Проще говоря, режим АСМ
позволяет достигать максимальной скорости цифрового потока для любых
погодных условий. Порог C/N устанавливается на приемной стороне
потребителем данной услуги (рис.8) за счет непрерывного измерения C/(N + I)
(отношение несущая/(шум + помеха)) и посылки измеренного значения на
вещательную наземную передающую станцию посредством реверсного канала.
При этом параметры кодирования и модуляции могут изменяться от кадра к
кадру.

424

Рис.8 Адаптивная модуляция и кодирование

Чтобы избежать переполнения принимаемой информации во время плохих
условий приема (SR понижается), устанавливается механизм управления
скоростями информационных потоков. Иными словами, осуществляется
автоматическая
адаптация
полезного
трафика
к
физическим
возможностям канала. Критической проблемой в системах АСМ является
временная задержка в петле адаптации физического уровня, поскольку это
непосредственно связано с системной возможностью отслеживания
изменений состояния канала. Так, значительные временные задержки могут
приводить или к потере некоторых кадров при резком ухудшении прохождения
сигнала (плохие погодные условия, обычно это не более 1 dB в секунду) или к
потере потенциальной пропускной способности канала. Сознательное же
увеличение защитного порога срабатывания системы АСМ (по аналогии с АРУ)
приведет к экономической нецелесообразности ее использования.
Отметим, что механизм работы системы АСМ довольно сложен, особенно
на уровне подсистемы для поддержки АСМ с MPEG-TS (например,
мультиплексирование аудио, видео, мультимедиа и IP потоков с CBR и VBR),
где осуществляется добавление и удаление нулевых пакетов с формированием
CBR (TS с постоянной скоростью). Но, не смотря на всю сложность системы
АСМ, в зависимости от параметров линии связи и ее конфигурации, она
позволяет увеличить пропускную способность до 200% в сравнении с ССМ
(постоянство кодирования и модуляции).
2.6 Выбор параметров трансляций пакетов ТВ-каналов DVB-S2
Для добавления трансляций ТВ-пакетов в стандарте DVB-S2 большинство
спутниковых операторов задействуют свободный или освобожденный
частотный энергетический ресурс спутниковых ретрансляторов, ранее
использованный для передачи ТВ-пакетов в формате DVB-S. В этом случае для
трансляции обоих форматов используются одни и те же усилители
спутниковых транспондеров, обеспечивающие им практически одинаковую
ЭИИМ. Параметры трансляций в формате DVB-S давно выбраны
425

спутниковыми операторами и обеспечивают оптимальное качество приема на
рекомендованные антенны.
Как известно, применение в DVB-S2 внутреннего (inner) кодирования с
низкой плотностью проверок на четность — LDPC (Low-density parity-check,
разновидность турбокода) [1] и внешнего (outer) кодирования BCH (Bose,
Chaudhuri and Hocquenghem) по сравнению с DVB-S позволяет в той же
полосе частот используемого спутникового ретранслятора передавать
цифровой поток с большими скоростью и помехозащищенностью.
В зависимости от скорости кодирования и применяемых видов модуляции
(манипуляции) несущей можно реализовать любой из трех вариантов:
 использовать преимущества DVB-S2 и для увеличения скорости
цифрового потока, и для увеличения помехозащищенности цифрового
потока;
 использовать
преимущества
DVB-S2
только
для
увеличения
помехозащищенности цифрового потока с сохранением прежней скорости
цифрового потока;
 использовать преимущества DVB-S2 только для увеличения скорости
цифрового потока с сохранением прежней помехозащищенности цифрового
потока.
Однако следует отметить, что пороговые свойства DVB-S2 по
сравнению с DVB-S выражены значительно более резко вследствие
применения LDPC и BCH. По исследованиям [9], проведенным в компании
Hughes Network Systems по применению LDPC-кодирования в системах связи
нового поколения, изменение соотношения энергии символов к спектральной
плотности шума Es/No на входе декодера LDPC менее чем на 0,1 дБ приводит к
изменению BER (bit error rate или bit error ratio – плотность ошибок) на четыре
порядка (в 10 000 раз) (см. рис.9).

Рис.9 Зависимость битовой ошибки от Es /N0

426

Здесь зависимость BER (показана пунктиром) от Es/No из [9]
приведена только для 2/3 8-PSK. Переход от Es/No к Eb/No ‒ соотношению
энергии бит к спектральной плотности шума ‒ можно выполнить несколькими
путями, например, как
Eb/No = Es/No ‒ 10×log(n),
(3)
где n ‒ спектральная эффективность несущей. Однако и при других скоростях кодирования крутизна зависимости BER= f(Eb/No) существенно не изменится.
Специалистами по кодированию в [3] отмечено, что проявление
пороговых искажений при снижении соотношения несущая/шум в приемном
тракте приводит к появлению больших пакетов ошибок на выходе LDPCдекодера, вследствие чего последующий BCH-декодер уже не может
справиться с таким потоком ошибок. В результате пороговые явления будут
проявляться в полном разрушении изображения.
Примечание. С переходом на DVB-S2 для кодирования видео, особенно HD, как
правило, применяются кодеки [13, 14] по стандарту сжатия H.264 MPEG-4 для улучшенного
декодирования пакетов с ошибками. Тем не менее, с переходом на DVB-S2 следует
увеличивать энергетический запас (margin), если его величина недостаточна.

По этой важной причине с переходом на DVB-S2 следует увеличивать
энергетический запас (margin), если его величина недостаточна. Отметим, что,
как правило, в расчетах и исследованиях помехозащищенностей DVB-S и
DVB-S2 ограничиваются только
анализом воздействия
«белого»
шума ‒ Additive white Gaussian noise (AWGN) (Гауссова шума с равномерной спектральной плотностью) ‒ ввиду невозможности моделировать
реальные спектры
радиопомех,
действующих на приемные устройства
системы спутниковой связи, особенно в диапазоне C (4 ГГц).
В стандарте DVB-S для трансляций ТВ-каналов наиболее
часто
используется QPSK с FEC 3/4, реже 5/6 и 7/8. Сравнительные расчеты с
помощью калькулятора [11] для оценки выигрышей от применения DVB-S2
с различными системами модуляции (манипуляции) для перечис-ленных
систем модуляции DVB-S и сведены в таблицы 1-3.
Для сравнения возможностей стандартов рассмотрим обеспечи-ваемые в
их рамках параметры сигналов при одинаковых условиях приема. Примем
радиочастотное отношение сигнал несущей/шум С/N на входе приемника,
равное 10,9 дБ. Для сигнала стандарта DVB-S c FEC = 3/4 такой уровень
С/N обеспечивает получение Margin = 4,0 дБ. Отметим, что часть операторов
спутниковой связи, руководствуясь временной
рекомендацией
[12],
обеспечивают величину Margin только не менее 2-2,5 дБ (при условии «чистого
неба»).
Примечание. Margin ‒ величина, определяющая энергетический запас для устойчивой
работы приемной системы.

В таблицах 1-3 приведены результаты вычислений, выполненных по
калькулятору [11] для получения в DVB-S2 величины Margin не меньше, чем
у используемого DVB-S. Полоса размещения принята одинаковой, 36 МГц, для
большинства используемых спутниковых транспондеров.
427

428

Обозначения, использованные в таблицах:
Δfразм. ‒ полоса размещения DVB-S или DVB-S2 несущей;
roll-off ‒ коэффициент спада спектра модулированной (манипулированной) несущей после прохождения специального полосового фильтра, то есть
коэффициент избирательности этого фильтра;
Мсимв/с ‒ символьная скорость;
Мбит/с ‒ полученная скорость транспортного потока, то есть пропускная способность системы;
спектральная эффективность ‒ показатель эффективности использования полосы частот для передачи цифрового потока, здесь как соотношение
битовой скорости к символьной в спутниковом транспондере (Мбит/с/
Мсим/с), размерность Бит/Гц, в общем смысле ‒ параметр эффектив-ности
системы со сложными видами модуляции;
threshold ‒ пороговое значение Eb/N0, не менее для корректной работы
систем демодуляции и декодирования в приемных системах (устройствах);
margin = (Eb/N0 ‒ threshold), дБ ‒ величина, определяющая энергетический запас для устойчивой работы приемной системы.
Пояснения и комментарии к результатам вычислений в таблицах:
‒ в крайних левых колонках значений DVB-S2 в таблицах 1-3
приведены расчетные данные для получения максимальной (или близко к
максимальной) скорости транспортного потока, а в правых крайних ‒ для
получения максимальной помехозащищенности при сохранении скорости
транспортного потока;
‒ в средних колонках таблиц приведены расчетные данные для
получения комбинированного выигрыша;
‒ в таблицах не представлены расчеты для некоторых скоростей
кодирования DVB-S2 в переходной зоне от 8PSK к QPSK ввиду снижений
положительных изменений. По этой причине в таблице 1 не приведены
расчеты для FEC 9/10, 8/9 и 4/5 QPSK, в таблице 2 не приведены расчеты
для FEC 9/10, 8/9 и 5/6 QPSK;
‒ в таблице 3 не приведены расчеты для FEC 9/10 и 8/9 QPSK;
увеличение скорости цифрового потока в DVB-S2 происходит вследствие
применения
8-позиционной
манипуляции (8PSK), а повышение
помехоустойчивости с сохранением пропускной способности достигается
применением 4-позиционной манипуляции (QPSK);в расчетах использовалось
включение пилот-сигнала для повышения устойчивости приема. Это приводит
к снижению скорости цифрового потока не более чем на 2,4 процента.
2.7 Выводы
1. При сохранении существующего энергетического запаса (margin)
переход с DVB-S на DVB-S2 позволяет увеличить скорости цифрового
потока: по таблицам 1 и 2 в (55,7 Мбит/с/36,85 Мбит/с) ÷ (62,7 Мбит/с/40,96
429

Мбит/с), в 1,51 ÷ 1,53 раза; по таблице 3 — в 62,7 Мбит/с/43,0 Мбит/с, в 1,46
раза.
2. При сохранении существующей скорости цифрового потока переход с
DVB-S на DVB-S2 позволяет увеличить энергетический запас (margin) на (7,84,0 дБ) ÷ (6,87 дБ — 3,04 дБ) на 3,8 ÷ 3,83 дБ.
3. Однако наилучшим практическим решением будет получение комбинированного выигрыша по скорости цифрового потока и по энергетическому
запасу.

430

ЛЕКЦІЯ №28. CИСТЕМА НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ
СТАНДАРТУ DVB-T
ЛІТЕРАТУРА:
Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие для вузов.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 280 с.
2. Смирнов А. В., Пескин А.Е. Цифровое телевидение: от теории к практике. –
М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 352 с.
1.

1. Введение
Система наземного цифрового телевидения DVB-T принята как
Европейский стандарт и соответствует требованиям, согласованным с
различными заинтересованными сторонами, то есть журналистами, сетевыми
операторами,
изготовителями
оборудования
и
непосредственно
с
телевещателями.
Система
основана
на
использовании
COFDM
(Кодированное
Ортогональное Частотное разделение каналов). Она была определена для
передачи программ в контейнере данных и таким образом предоставляет
возможность выбора числа программ и уровней их качества от HDTV до LDTV.
Технические требования только описывают передаваемый сигнал и, таким
образом, не определяют приёмные устройства. При этом не определяется
содержание контейнера данных, за исключением того, что это - поток данных
MPEG-2. Выбор передающей системы и детальных параметров был сделан
после тщательного рассмотрения и тестирования в сотрудничестве между
заинтересованными сторонами, чтобы удовлетворить и технические и
коммерческие требования.
2. Характеристики наземного канала
Когда известен метод модуляции для цифрового телевидения, становятся
существенными характеристики канала. Методы модуляции для Европейских
DVB систем (спутникового и кабельного) были определены с учётом
оптимальных эксплуатационных показателей в соответствующих каналах при
минимальной сложности приемника, то есть с единственным несущим
колебанием квадратурной фазовой модуляции (QPSK) для спутникового, и
единственного несущего колебания QAM для кабельного ТВ.
Когда возникла необходимость определить систему для наземного
цифрового телевизионного вещания, основные параметры наземного канала,
обязательно должны быть приняты во внимание. Свойства этого канала
значительно отличается от спутниковых и кабельных каналов:
– наземный канал может повреждаться вследствие многолучевого приёма
(отражения сигнала от почвы и зданий) ;
– количество индустриальных помех может быть высоко
431

– немаловажный фактор в переполненном частотном спектре для телевещания
– интерференция к и от и аналогового и цифрового телевидения.
Характеристики наземного канала изменяются довольно значительно из-за
влияния окружающей среды. Характеристики могут быть описаны
математически номером, уровнем, и фазой отраженного сигнала.
Для оценки наземных телевизионных систем необходимо определить
несколько моделей канала, которые могут использоваться при моделировании.
В случае с DVB-T использовались три модели:
– гауссов канал, где прямой полученный сигнал только повреждается белым
шумом;
– канал «Ricean» (Райса-Релея), где прямой сигнал повреждался n-ым числом
отраженных сигналов изменяющегося уровня и фазы;
– канал Рэлея без прямого пути, и где есть только отраженные сигналы - те же,
что и в канале «Ricean».
Гауссов и более реалистичный канал «Ricean» наиболее характерны для
случая приема антенной на крыше, в то время как канал Рэлея характеризует
комнатный приём.
Минимально необходимые отношения сигнал/шум на входе эфирного ресивера
стандарта DVB-T для различных видов радиоканалов отображены в табл.6.7.

432

3.

Требования к цифровому наземному телевидению

Основными требованиями для цифровой наземной системы телевещания
являются следующие:
1) Качество телевизионного изображения: LDTV, SDTV и EDTV. Система
должна иметь возможность наращивания до HDTV.
2) Качество звукового сопровождения: окружающий звук, стереозвук и
дополнительные возможности (например, для слабослышащих людей).
3) Система должна быть максимально близка к спутниковым и кабельным
системам.
4) Пропускная способность должна рассматриваться для неких контейнеров
данных, которые могут содержать различные виды услуг, передаваемых
одновременно.
5) Система должна быть предназначена для стационарного приема так же, как
и для статичного комнатного приема.
6) Обслуживание должно быть оптимизировано под использование уже
существующих РПЦ.
7) Система должна позволить максимальную гибкость в частотном планировании.
8) Система должна быть разработана таким образом, чтобы позволить
существование одночастотных сетей. (несколько передатчиков, работающих
одновременно на одной частоте на одну и ту же зону охвата)
9) Система должна позволить использование одночастотных сетей
(покрывающих и теневые зоны) даже на начальном этапе внедрения.
10) Система должна обеспечить локальную и национальную зону покрытия
при приемлемых экономических и частотных условиях.
11) Система должна быть пригодна для борьбы с интерференцией, а также
минимизировать свою собственную интерференцию в существующие наземные
аналоговые службы.
12) Система должна обеспечить для вещания большую информационную
емкость и широкий охват территорий.
13) Должна быть возможность организации двухуровневых систем.
3.1

Выбор передающей и приемной системы

Пункты 1,2,4 связаны с обслуживанием, и не влияют на выбор
кодирования и модуляции.
Пункт 3 важен, поскольку максимальная общность между различными
средствами связи позволяет применять более дешевые ресиверы при более
простой передаче. Он будет влиять на кадрирование данных и кодирование
433

системы, но не обязательно на модуляцию, поскольку последняя должна быть
адаптирована к имеющейся передающей среде.
Пункт 5 требует, чтобы система работала в условиях многолучевого
приёма. Это - одно из основных требований для системы модуляции.
Мобильный прием не требуется, но может рассматриваться
как
«дополнительное реализуемое расширение». Способность справляться с быстро
изменяющимися свойствами канала не так уж необходима, однако система
должна иметь возможность справиться с некоторыми временными
искажениями, вызванными перемещающимися объектами.
Пункты 8 и 9 существенны для выбора системы модуляции.
Одночастотная сеть состоит из ряда передатчиков, использующих одну и ту же
частоту, для распространения идентичных программ в зоне охвата. Также это
может быть частным случаем многолучевого приема, где запоздалые сигналы
могут иметь тот же уровень, что и прямой сигнал, или даже выше. Наиболее
подходящая система для таких условий канала - COFDM (Кодированное
Ортогональное Частотное разделение каналов) - система, уже интенсивно
протестированная и эффективно работающая в DAB (Цифровом Звуковом
Радиовещании).
Все другие требования могут быть реализованы тщательным выбором
параметров передающей системы. Передающая система состоит из следующих
частей: кадрирование входных данных, внешняя рандомизация и защита от
ошибок, внутреннее кодирование, перемешивание и модуляция. Рисунок 3.1
показывает передающую сторону системы DVB-T. Соответствующий приемник
показан на Рисунке 3.2.

Рис.3.1 Формирование сигнала DVB-T
434

Рис.3.2 Декодирование сигнала DVB-T

Поскольку цифровые кабельные и спутниковые передающие системы уже
были определены в DVB и приняты как Европейские стандарты, DVB-T
система основана на спецификациях для спутника и кабеля по тем параметрам,
которые напрямую не связаны с характеристиками канала передачи.
3.2 Рандомизация
Рандомизация данных является первой операцией, выполняемой в системе
DVB-T. Ее цель - превратить цифровой сигнал в квазислучайный. Это
позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов
уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов
(такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Кроме того,
рандомизация приводит к более равномерному энергетическому спектру
излучаемого радиосигнала. Благодаря равномерному спектру повышается
эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие
радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому
телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.
Рандомизации предшествует операция адаптации цифрового потока,
представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2.
Пакеты, имеющие общую длину 188 байтов, объединяются в группы по восемь
пакетов. Непосредственно рандомизация осуществляется путем сложения по
модулю 2, то есть посредством логической операции «исключающее ИЛИ»
(XOR)
цифрового
потока
данных
и
двоичной
псевдослучайной
последовательности PRBS (Pseudo Random Binary Sequence).

435

Рис.3.3 К вопросу о построении генератора псевдослучайной последовательности PRBS

Генератор последовательности PRBS построен на базе 15-разрядного
регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи (Рис.3.3). Для того, чтобы
формируемая последовательность лишь походила на случайную и в приемнике
можно было бы восстановить передаваемые данные, в начале каждого восьмого
пакета производится инициализация генератора PRBS. Первый после
инициализации бит псевдослучайной последовательности PRBS складывается с
первым битом первого байта транспортного потока, следующего за
инвертированным байтом синхронизации. Байты синхронизации транспортных
пакетов не должны рандомизироваться. Восстановление исходных данных на
приемной стороне осуществляется с помощью такого же генератора PRBS,
который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов
адаптированного транспортного потока (на начало группы указывает
инвертированный синхробайт пакета).
3.3

Внешнее перемешивание и кодирование

Следующие части для DVB-T системы были определены тождественно к
кабельным и спутниковым техническим требованиям:
- кадрирование данных, внешнее перемешивание (перемежение, интерливинг)
и внешнее кодирование от ошибок;
- входной сигнал - транспортный поток MPEG-2, состоящий из пакетов по 188
байтов;
- сигнал сначала рандомизирован в псевдослучайную последовательность для
энергетического рассеивания;
- внешнее кодирование - кодирование Рида-Соломона, RS (204,188,t=8)
укороченный код, полученный из первоначального систематического кода
RS (255,239, t=8).
В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов
транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код РидаСоломона. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16
проверочных байтов. При декодировании на приемной стороне это позволяет
исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова
длиной 204 байта. Формирование пакетов данных с защитой от ошибок с
436

памятью внешнего кода Рида-Соломона RS (204, 188) Внешнее перемежение
осуществляется путем изменения порядка следования байтов в пакетах,
защищенных от ошибок.
Перемежение (рис.3.4) является временным перемешиванием байтов
данных, в приемнике исходный порядок следования байтов данных
восстанавливается. Полезным в перемежении является то, что длинные
пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и
искажающие

Рис.3.4 Перемежение данных

последовательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в
приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным
кодовым словам кода Рида-Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь
малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система
обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме
проверочных данных.
3.4 Внутреннее кодирование
Внутреннее кодирование в системе вещания DVB-T основано на
сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое
является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток
информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым
в процессе кодирования добавляется некоторое количество проверочных
символов, причем каждый блок кодируется независимо от других.
При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но
гораздо меньшей длины, их называют «кадрами информационных символов».
Обычно кадр включает в себя лишь несколько битов. К каждому
информационному кадру также добавляются проверочные символы, в
результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого
кадра производится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого
437

в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных
символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового.
Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра
информационных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает
между собой последовательные кадры.

Рис.3.5 К вопросу о формировании выходных сигналов X и Y в регистрах сдвига: а)
схема; б) порядок их передачи в зависимости от скорости кодирования

3.5 Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов
Внутреннее перемежение в системе DVB-T тесно связано с модуляцией
несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением,
определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие
колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой
принципов модуляции OFDM в системе DVB-T. Внутреннее перемежение
складывается из перемежения битов и перемежения цифровых символов
данных. Его первым этапом является демультиплексирование входного потока
данных.
Непосредственно за перемежением следует формирование
модуляционных символов (рис.3.6).

438

Рис.3.6 Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов: а) для
модуляции QPSK; б) для модуляции QAM-16

3.6

Выбор параметров OFDM

Важный момент, напрямую связанный с каналом передачи - система
модуляции. Выбор параметров для COFDM системы основан на сетевых
требованиях. Требования для гибкости системы, одночастотных сетей и для
покрытия мертвых зон
определяют главные параметры системы.
Одночастотные сети не планируется использовать во многих странах, и на
стадии внедрения их будет не много. Поэтому система должна позволить
максимальное частотно - экономичное использование традиционных сетей.
Высокие требования к гибкости системы требует технических условий,
которые содержат ряд различных режимов. Поскольку система должна также
быть определена для ресиверов различного уровня сложности, необходимо
сохранить максимальную общность между различными режимами работы.
Причем во всех случаях сложность устройств нужно сделать максимально
низкой. Основные параметры для DVB-T системы показаны в Таблице 3.1.

439

Таблица 3.1 Основные параметры DVB-T

3.7

Защитный интервал и число несущих

Требование к длине защитного интервала определяет число несущих
колебаний OFDM системы. Необходимая длина защитного интервала зависит
от расстояния между передатчиками одночастотной сети, или от задержки
естественных эхо-сигналов в случае традиционно спланированной сети. Чтобы
достигнуть максимальной скорости передачи информации, защитный интервал
должен быть ниже ¼ времени полезного символа, и естественно, быть как
можно короче. Коль скоро одночастотная сеть (SFN) должна быть основана
(главным образом) на существующих передающих центрах, необходимо
использовать защитный интервал приблизительно 250 µs. Это учтёт большую
область (площадь) SFN, например для региональной зоны, в то время как для
национальных SFN в некоторых странах идеально подошел бы защитный
интервал длиной приблизительно 500 µs. Разнос несущих OFDM системы
обратно пропорционален к продолжительности символа. Требование к
длительности защитного интервала определяет число несущих колебаний:
защитный интервал 250 µs может быть достигнут в OFDM системе с длиной
символа 1 MS и, следовательно, расстояние между несущими 1 Кгц, приводит к
8000 несущим колебаниям в канале шириной 8 МГЦ. Сигнал OFDM создан,
используя обратное БПФ, и ресивер использует БПФ при процессе
демодуляции. Размер БПФ - 2N, где N = 11 или N = 13 - значения,
используемые в DVB-T. Размер БПФ будет соответственно 2048 или 8192,
который определяет максимальное число несущих. На практике ряд несущих
колебаний в нижнем и верхнем конце OFDM спектра будут не использованы,
чтобы учесть разделение между каналами. Системы, использующие размер
440

БПФ 2048 часто упоминаются как ' 2К OFDM ', в то время как системы,
использующие размер БПФ 8192 часто упоминаются как ' 8К OFDM '. Больший
размер БПФ (меньший интервал между несущими) в настоящее время не
рассматривается для реализации бытовых ресиверов. Для DVB-T системы
определен и режим 2К и режим 8К. 2К ресивер не сможет принимать сигнал
8К, в то время как получатели 8К смогут принять, и режим 8К и 2К. Плата за
длинный защитный интервал (= ¼ активной продолжительности символа) более низкая информационная емкость. Чтобы позволить более высокую
емкость данных в местах, где одночастотные сети не требуются, определен
гибкий защитный интервал. Защитный интервал может иметь четыре
различных значения: ¼, 1/8, 1/16 и 1/32 активной длины символа.
3.8

Иерархическая передача

Стандартом DVB-T поддерживается также режим иерархической
модуляции.
Сущность иерархической модуляции заключается в таком выборе
параметров сигнальных векторов, который приводит к образованию в
цифровом потоке двух или более виртуальных каналов с разной скоростью
передачи, помехозащищенностью и, соответственно, зоной обслуживания.
Характеристики
виртуальных
каналов
определяются
различными
комбинациями точек в сигнальном пространстве и различными скоростями
кодирования (рис.3.18).

441

Один из возможных способов иерархической модуляции - применение
неравномерного квантования сигнальных векторов. Например, вместо четырех
равных шагов (-3, -1, +1, +3) для 16 QAM выбираются неравные шаги (-4, -2,
+2, +4) или даже (-6, -4, +4, +6). Нетрудно видеть, что первый шаг при этом
вдвое или, соответственно, вчетверо больше второго, а значит, и
помехоустойчивость приема в этих позициях существенно выше. В потоке с
более высокой помехоустойчивостью (он называется потоком высшего
приоритета HP – High Priority) может передаваться информация с более
высоким приоритетом, например, старшие разряды видео- и звукоданных или
базовый слой масштабируемого профиля. В потоке низшего приоритета (LP –
Low Priority) передается менее значимая часть информации (младшие биты
кодовых слов или улучшающие слои). Разница в пороговом отношении сигналшум для двух потоков может достигать 10-15 dB.
Второй, более распространенный способ осуществления иерархической
модуляции – совмещение двух схем модуляции одинаковой или разной
кратности – QPSK для НР потока и, например, QPSK для LP потока, как
показано на рис.3.18. Результирующий ансамбль будет уже 16 QAM. Каждая
пара битов первого потока QPSK (а в нем всегда используется QPSK)
определяет квадрант, занимаемый вектором при передаче данного символа.
Второй поток определяет сигнальную точку внутри данного квадранта, т.е.
оперирует значительно меньшими кодовыми расстояниями. Приемником
высшего приоритета этот поток воспринимается как дополнительный шум в
квадранте, несколько ухудшающий отношение сигнал/шум по сравнению со
стандартной QPSK. Это ухудшение можно скомпенсировать частичным
снижением скорости передачи НР потока. Отношение сигнал/шум,
необходимое для потока низшего приоритета, определяется общей
размерностью получившегося ансамбля сигналов. В результате при
неблагоприятных условиях распространения, когда не удается демодулировать
цифровой поток с низшим приоритетом, изображение на экране ТВ приемника
сохраняется, хотя и воспроизводится с пониженным качеством.
В зависимости от намерения вещателя, возможны различные варианты
реализации преимуществ иерархической модуляции. Одна из возможностей
связана с обеспечением приема на комнатные антенны и переносные
приемники. Для стационарных приемников с наружными антеннами
используется поток низшего приоритета, и зона обслуживания при этом
сокращается незначительно. Переносные приемники смогут принимать
приоритетный поток данных, содержащий “основные” программы или
программы с несколько ухудшенным качеством, в значительно более широкой
зоне обслуживания, чем в иерархической системе.
В другом варианте применение иерархической модуляции позволяет ценой
незначительного сокращения зоны обслуживания для потоков низшего
приоритета и увеличения зоны для высшего приоритета заметно увеличить
суммарную пропускную способность радиоканала.
442

Возможны и рассматриваются другие способы использования преимуществ
иерархической модуляции: прием на мобильные приемники, одновременное
вещание сигналов высокой и стандартной четкости и т.д. Нет сомнения, что
гибкость стандарта DVB-T позволит и в этой области выработать оптимальные
решения.
3.9

Опорные сигналы

Опорные сигналы необходимы, чтобы справиться с изменениями канала.
Эти опорные сигналы названы пилот-сигналами в спецификации DVB-T.
Пилот-сигналы распределены по времени и частоте, в пределах OFDM сигнала
и имеют известную амплитуду и фазу. Имеются два типа пилот - сигналов:
непрерывные, которые распределены беспорядочно по каждому OFDM
символу (OFDM символ состоит из всех несущих колебаний в течение
длительности одного символа) и переносятся теми же самыми несущими
колебаниями на всех OFDM символах, и рассеянных пилот-сигналов которые
распределены равномерно по времени и частототам в OFDM символах.
Непрерывные пилот сигналы могут использоваться для синхронизации и
оценки фазового искажения, в то время как рассеянные пилот сигналы
учитывают оценку характеристик канала с помощью интерполяции по времени
и частоте. Использование интерполяции по времени между рассеянными пилот
сигналами может позволить мобильный прием в том случае, если достаточна
напряженность поля.
3.10

Указатель параметров передачи (TPS)

Канал TPS (указатель параметров передачи) добавлен как часть сигнала
OFDM. Этот сигнал несет информацию о параметрах передачи вроде режима,
длины защитного интервала, модуляции, и разрядности кода. Он может
использоваться ресивером для более устойчивого приема. Сигнал TPS
передается с помощью BPSK (бинарная манипуляция смещения фазы) ряда
несущих колебаний, распределенных по всему OFDM символу. Один OFDM
символ несет один бит сигнала TPS, в то время как весь TPS сигнал передается
в более чем 68 OFDM символах (Рис.3.7).

443

Рис.3.7 Пилотные сигналы в структуре COFDM сигнала

3.11 Кадровая структура
Сигнал передается в виде OFDM-кадров. Точное число активных несущих
(несущих, переносящих полезную информацию), пилот-сигналов, и TPS
несущих было выбрано, исходя из следующих требований:
- максимальная емкость данных;
- общая кадровая структура для режима 2К и режима 8К;
- достаточный частотный защитный интервал между двумя смежными
каналами 8 МГц;
- достаточное число пилот сигналов для заданных эксплуатационных
показателей;
- одно и то же число полезных несущих во всех OFDM – символах;
- целое число MPEG-2 пакетов, переносятся одним кадром (или суперкадром)
независимо от режима передачи. Синхронизация кадров осуществляется
сигналом TPS. Один кадр состоит из 68 OFDM символов, причем это число
равно числу битов в сигнале TPS. Четыре OFDM кадра составляют один
суперкадр. Он будет всегда содержать целое число MPEG-2 пакетов,
независимо от режима передачи.
3.12

Использование системы DVB-T для каналов с различной шириной
полосы

DVB-T система разработана для каналов УВЧ шириной 8 МГц в Европе.
Однако система может быть адаптирована и к другой ширине полосы частот, и
способ адаптации к ширине полосы 7 МГЦ уже оговорён в спецификации.
Излучаемый сигнал определен элементарным временным элементом T (или
системная тактовая частота = 1/T). Системная тактовая частота - 64/7 МГЦ для
444

канала шириной 8 MHz. При изменении этой частоты расстояние между
несущими будет соответственно меняться. Все параметры системы будут
изменены в соответствии с системной тактовой частотой синхронизации.
Тактовая частота для каналов с другой шириной полосы частот зависит от
допустимой ширины полосы сигнала OFDM в данном растре канала. При
изменении только тактовой частоты, характеристики излучаемого сигнала
(кроме ширины полосы) и кадровая структура будут прежними.
Это дает возможность, например, использовать один и тот же набор чипов
для ресиверов независимо от ширины полосы частот при передаче. Для канала
шириной 7 МГц системная тактовая частота должна быть 8 МГц. Для ширины
полосы частот 6 МГЦ нужно использовать системную тактовую частоту 13.5
МГц * 8192 / (858 * 19) =6,784 МГц. Используя эту тактовую частоту в среде
NTSC, можно достичь тех же результатов, что и при использовании 8 МГц
каналов в среде PAL - несущие колебания совпадут с линейчатым спектром
аналогового ТВ и, таким образом, минимизируют интерференцию между
аналоговым и цифровым ТВ.
3.13 Особенности модуляции COFDM
Особенностью COFDM является передача сигнала на большом количестве
несущих колебаний (частотное разделение каналов). Таким образом, каждое
несущее колебание имеет умеренную скорость передачи информации. Несущие
колебания ортогональны, поэтому можно декодировать сигнал даже в случае,
если есть небольшое перекрывание спектров дельных несущих колебаний. Хотя
скорость передачи данных каждого несущего колебания невысока,
межсимвольная интерференция имела бы место, если бы не специальные меры.
Чтобы избежать межсимвольной интерференции, перед каждым символом
имеется защитный интервал. Защитные интервалы состоят из циклических
продолжений полезных символов. Это гарантирует, что ортогональность
несущих колебаний может быть восстановлена в принятом сигнале, даже при
наличии эхо-сигналов. Это справедливо, пока они (эхо-сигналы) не выходят за
предел защитного интервала. Ясно, что даже если, защитный интервал и
сохранит ортогональность полученных несущих, эхо-сигнал всё равно вызовет
замирание сигнала.
Именно поэтому, необходимо использовать «C» (кодирование) в OFDM.
Кодирование очень существенно для повышения эксплуатационных
показателей системы. Добавляя код для эффективного непосредственного
исправления ошибок, и перемежение, можно достичь достаточно низких
коэффициентов ошибок в каналах с замираниями, причем при значениях ОСШ
только на несколько dB выше, чем для Гауссова канала. Перемешивание
улучшает эксплуатационные показатели кодирования, поскольку распределяет
поврежденные биты, а это, в свою очередь, позволяет избежать пакетных
ошибок.
445

4. Основные принципы организации SFN зон вещания в DVB-T
SFN (Single Frequency Network) – одночастотная (синхронная) цифровая
вещательная сеть (зона). Это сеть, в пределах который два и более DVB – T
(DVB – H) передатчика синхронно модулируются одним и тем же сигналом и
работают на одной и той же частоте.
Преимущества синхронных зон:
• высокая эффективность использования частотного ресурса;
• обеспечение высокой энергетической эффективности сети (оптимизация
зоны покрытия, сигналы приходящие от нескольких синхронных передатчиков
могут складываться в приемной антенне, увеличивая уровень полезного
сигнала);
Недостатки синхронных зон:
• необходимость обеспечения строгой синхронизации работы всех DVB-T
передатчиков в середине одной зоны;
• собственная интерференция DVB-T передатчиков (задержка между
сигналами от двух передатчиков не должна превышать значение защитного
интервала);
• недопустимость модификаций цифровых потоков (невозможность
добавления местных программ);
Оборудование, необходимое для построения SFN – зон:
Для развертывания синхронных зон необходимо:
• оборудование формирования многопрограммного цифрового потока
(мультиплекса);
• оборудование синхронизации;
• систему доставки цифровых потоков до передатчиков синхронной зоны;
• DVB – T (H) передатчики поддерживающие режим работы SFN;
• Одночастотные маломощные ретрансляторы (Gap-filler).

Рисунок 1 – Пример построения синхронной сети цифрового ТВ

446

5. Развитие цифрового ТВ вещания в Украине
Развитие информационного общества, базирующееся на широком
использовании информационных
технологий,
признано
Организацией
Объединенных Наций стратегией развития человечества в ХХI столетии.
Сегодня мы являемся свидетелями вхождения Украины в глобальное
информационное пространство, развития инновационной экономики и
построения в стране информационного общества. В условиях формирования
глобального информационного общества доступность и качество услуг
связи и информационных технологий напрямую определяет уровень жизни
населения и конкурентоспособность экономики страны.
Задача стоит в том, чтобы создать такие условия, которые позволили
бы максимально эффективно
реализовать
потенциал
отрасли
инфокоммуникаций
и
использовать интеллектуальный потенциал
Украины для выхода ее на передовые позиции в этой сфере.
Сегодня
одним
из
центров внимания мирового сообщества
находится цифровое телевидение.
На рис. 2 приведена динамика роста в Европе всех видов цифрового
телевизионного вещания, и обращает на себя внимание существенный рост
удельного веса цифрового эфирного вещания.

Рисунок 2 – Состояние цифрового телевизионного вещания в Европе

Следует отметить, что на текущий момент в Европе сложилась следующая
пропорция в услугах цифрового телевизионного вещания:
– 67% – спутниковое непосредственное вещание;
– 14% – вещание по кабельным сетям;
– 13% – эфирное вещание.
447

При
этом
задействовано
7700
стволов
214
спутников,
распространяется более 3000 телепрограмм, причем организовано свыше
130
интерактивных
каналов
для
трансляции телевидения высокой
четкости.
Следует отметить, что по прогнозам экспертов объем телевещания
высокой четкости в эфирном наземном вещании к 2010 году может
достигать 14 каналов и имеет тенденцию дальнейшего роста.
В Украине телекоммуникационная среда имеет ряд особенностей:
– Значительное локальное цифровое
неравенство. Это обусловлено
отсутствием
зон полного покрытия соответствующими сетями вещания,
низкой платежеспособностью населения и
сравнительно
высокой
стоимостью
оконечного
абонентского
оборудования, предоставляющим пользователю услуги, например, Triple Play (т.е. ТВ вещание,
Интернет, телефон данные) при широкополосном доступе.
– Неравномерное покрытие территории зонами доступности базовых услуг
связи.
– Неравномерный платежеспособный спрос.
– Различные темпы проникновения телекоммуникационных услуг.
Причиной такого положения может стать и ценовая недоступность оконечного
оборудования, и отсутствие зоны покрытия сети, и т.д.
Вместе с тем телекоммуникационные рынки Украины отличаются высокой
динамикой роста телекоммуникационных рынков.
Особенно это касается широкополосного доступа, что представлено на рис. 3.
В
современных
условиях
для
инновационного
развития
телекоммуникаций особенно возрастает значение таких факторов, как
энергопотребление,
экологическая
безопасность, патентная защита,
конкурентоспособность. Рынок Украины достаточно емкий (рис.2). На слайде
представлены показатели рынка и нынешнее состояние возможностей приема
телевидения в Украине.
Обращает на себя внимание следующее:
– Высокий удельный вес наземного аналогового вещания составляет
около 78 %.
– Удельный вес кабельного ТВ вешания составляет 15,2 %, а спутникового –
5,4%.
– С учетом множества достоинств эфирного ТВ вещания необходимо
обеспечить плавный переход эфирного аналогового ТВ вещания Украины на
эфирное цифровое.

448

Рисунок 3 – Состояние рынка Украины, предоставляющего услуги телевещания

Согласно Решениям Региональной конференции Радиосвязи (РКР-06) в
2006 г. в Женеве сроком завершения аналогового вещания определен 2015
год.
Для Украины переход на цифровое телевещание очень актуален.
Согласно утвержденной правительством Украины в 2006 г. Концепции
внедрения цифрового телевизионного вещания и Планом использования
радиочастотного
ресурса
в
полосах
частот
174…230
МГц
и
470…862 МГц предполагается внедрение технологий цифрового наземного
телевизионного вещания стандарта DVB-T. Однако, в 2010 году было
прийнято решение в пользу технологи DVB-T2. При переходе от аналогового
эфирного вещания на цифровое необходимо обеспечить рынок Украины
цифровыми телевизионными приемниками – абонентскими терминалами,
тюнерами-приставками
к
телевизору,
или
сами
телевизорами,
449

принимающими сигналы
заданных цифровых стандартов. В частности, в
Украине должны быть приняты меры по производству на базе достижений
украинских ученых в области телекоммуникационных, информационных,
микроэлектронных и нанотехнологиях, в первую очередь, оборудования
для
массового использования населением цифровых приемников для
приема аналоговыми телевізорами сигналов
в
разных
цифровых
стандартов (DVB-Т,
DVB-S,
DVB-С, IPTV). Успешное разворачивание
сети наземного цифрового телевизионного вещания в стандарте DVB-Т
возможно лишь при условии развития общедоступных для населения
Украины
цифровых телевизионных приемников, серийно выпускаемых
отечественными предприятиями Украины.
6. Структурная
стандарта DVB-T

схема

цифровой

телевизионной

приставки

Cтруктурная схема цифровой телевизионной приставки показана на рис.А

Рисунок А – Структурная схема цифровой ТВ приставки
Основные типичные для цифровой ТВ приставки параметры:
– Уровень входного сигнала от -82 до -20 дБмВт.
– Спектр сигнала: OFDM, режимы 2К/8К.
– Схема демодуляции: COFDM.
– Демодуляция: QPSK, QAM-16, QAM-64.
– Защитный интервал: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.
450

–
–
–
–

– Коэффициент коррекции ошибок: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.
Поддержка режимов видеокомпрессии: H.264/AVC, MPEG-2;
Скорость входного потока: макс. 90 Мбит/с.
Поддержка режимов аудио компрессии: MPEG-1 Layer 1, Layer 2, AAC.
Частоты для дискретизации: 32 кГц, 44,1 кГц, 48 кГц.
7. Цифровая приставка для приёма ТВ стандартов DVB-T/DVB-C

Последнее пятилетие XX века ознаменовалось подлинной революцией в
развитии
телерадиовещания.
Произошел
стремительный
переход
к
использованию последних достижений в области цифровой обработки и
современных методов компрессии видео- и аудиосигналов. На совещаниях
соответствующих комитетов и организаций Международного союза
электросвязи (МСЭ) были приняты основные решения по унификации
стандартов в области цифрового наземного, кабельного и спутникового
телевидения. В связи с этим задачи проектирования, серийного производства и
реализации населению страны недорогих отечественных абонентских
приставок, предназначенных для приема сигналов цифрового эфирного и
кабельного телевидения на аналоговые телевизоры, имеют очень важное
значение для модернизации телекоммуникаций и развития информационной
инфраструктуры.
В данном разделе дается определение архитектуры построения и
описывается программноматематическое обеспечение абонентской приставки,
предназначенной для приема и обработки сигналов цифрового эфирного и
кабельного телевидения в стандартах DVB-T и DVB-С соответственно.
На рис. 1 представлена функциональная схема абонентской приставки
«Агат» для приема сигналов цифрового телевидения, разработанной и
изготовленной в ООО «Ратеос» (Российская Федерация).

451

Согласно
функциональной схеме изделие обеспечивает прием,
преобразование и декодирование программ цифрового телевидения в
стандартах DVB-T (EN 300 744) и DVB-C (EN 300 429). Абонентская
приставка «Агат» обеспечивает также декодирование транспортного потока для
алгоритмов компрессии MPEG-2 и MPEG-4/H.264 AVC (Advanced Video
Coding) с разделением/демультиплексированием цифровых сигналов звука и
изображения.
Высокочастотный DVB-T сигнал поступает на вход селектора каналов
(UHF Tuner) с полосой рабочих частот 174–230 МГц и 470–862 МГц. На
выходе селектора образуется балансный сигнал промежуточной частоты
(36,166
МГц), который подается на вход COFDM-демодулятора.
В абонентской приставке «Агат» поддерживается демодуляция сигналов со
следующими параметрами:
• режимы COFDM: 2, 4 и 8 К;
• ширина канала: 6, 7 и 8 МГц;
• защитные интервалы: 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32;
• виды модуляции несущих: QPSK, 16 QAM,
64 QAM;
• поддержка иерархии;
• скорости помехоустойчивого кодирования:
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8;
• декодирование Рида-Соломона.
Управление селектором и демодулятором осуществляется центральным
процессором по шине I 2C. Выходом демодулятора является параллельный
транспортный поток.
При приеме сигналов цифрового кабельного телевидения в стандарте
DVB-C высокочастотный сигнал поступает на вход селектора каналов (UHF
Tuner) с полосой рабочих частот 47–862 МГц. На выходе селектора образуется
балансный сигнал промежуточной частоты (36 МГц), который подается на вход
QAM-демодулятора. В абонентской приставке поддерживается демодуляция
сигналов со следующими параметрами:
• режимы 16, 32, 64, 128 и 256 QAM;
• различные скорости потоков;
• встроенные пре- и постэквалайзеры.
Управление селектором и демодулятором осуществляется центральным
процессором по шине I 2C. Выходом демодулятора является параллельный
транспортный поток.
Транспортный
поток
с
выхода
демодулятора
поступает
на
демультиплексор. На него можно подавать до трех транспортных потоков
одновременно, что в дальнейшем позволит реализовать новые функции
приставки: мультиформатность (приставки, работающие одновременно с
разными видами входных сигналов, например, DVB-T и DVB-С), «картинка в
картинке», запись одной программы при отображении другой и т. д.
452

В данном изделии задействовано два входа. Демультиплексор позволяет
также организовать встроенное дескремблирование закрытых программ по
нескольким алгоритмам. Считыватель SMART-карт предназначен для
интерфейса со SMART-картами при реализации в дальнейшем одной из систем
встроенного условного доступа (для просмотра платных телеканалов). Модуль
считывателя конструктивно реализован на отдельной двусторонней печатной
плате. Выделенные из транспортного потока видео и аудиопрограммы
попадают в программно-аппаратный MPEG-2/MPEG-4-декодер стандартного
(SD) или высокого (HD) разрешения, являющийся, по сути, отдельным
процессором. Декодер соответствует стандартам H.264/AVC MP@L4 и
HP@L4.1 (main and high profile) и ISO/IEC13818-2 MP@ML и MP@HL и
поддерживает одновременное декодирование двух MPEG-2 или MPEG-4
программ. Для работы декодера требуется внешняя динамическая память
(DDR), которая подключается через отдельный высокоскоростной 32разрядный интерфейс (видеопамять). Можно использовать как одну 32разрядную, так и две 16-разрядные микросхемы памяти емкостью 64, 128, 256
или 512 Мбит на скорости до 200 МГц.
Требуемый объем внешней памяти зависит от режима декодирования: для
декодирования программ в формате MPEG-2 достаточно 32 Мбайт памяти, а
для декодирования MPEG-4-программ необходимо уже 64 Мбайт; в этом
случае совместно с видеопамятью используется и системная память.
Декодированные звук и изображение поступают на видеокодер и аудио цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где формируются аналоговые сигналы
изображения (как композитный, так и компонентные RGB или YPbPr) и звука
(для звука имеется также цифровой выход в формате SPDIF). В приставке
предусмотрены два канала видео и аудио, через которые могут выводиться
одна и та же или разные программы. В изделии реализован также цифровой
интерфейс для вывода сигнала высокого (HD) разрешения в формате HDMI
(High-Definition Multimedia Interface). Помимо вывода декодированного
изображения обеспечивается также еще четыре слоя графической информации
(для фоновых изображений, экранных меню, курсоров и т. д.). Центральный
процессор изделия представляет собой 32-битный суперскалярный RISCпроцессор, работающий на частоте 266 МГц. Взаимодействие с другими
блоками осуществляется по внутренней высокоскоростной шине. Для работы
процессор использует внешнюю динамическую память, которая подключается
через отдельный высокоскоростной 32-разрядный интерфейс (системная
память), причем можно использовать как одну 32-разрядную, так и две 16разрядные микросхемы памяти емкостью 64, 128, 256 или 512 Мбит на
скорости до 200 МГц. При декодировании программ в формате MPEG-4
системная память используется декодером совместно с видеопамятью.
Абонентская приставка содержит также 16-разрядный интерфейс общего
назначения, к которому можно подключить внешнюю память (Flash для
исполняемой программы) или другие внешние устройства: Ethernet-контроллер,
модуль условного доступа Common Interface и др.
453

Для управления внешними устройствами микросхема центрального процессора
содержит широкий набор интерфейсов:
• четыре UART-интерфейса;
• три независимые шины I 2C (используются для управления модулем
сетевого интерфейса, передней панели, а также для связи с энергонезависимой
памятью EEPROM);
• два SMARTCARD-контроллера для реализации одного из вариантов
встроенного условного
доступа;
•
USB для подключения внешнего жесткого диска, видеокамеры,
клавиатуры и т. д.;
• интерфейс Serial ATA для подключения жесткого диска.На передней
панели устанавливается светодиодный семисегментный индикатор (4 разряда),
ИК-приемник сигналов пульта дистанционного управления и кнопки
включения основных функций. Программное обеспечение (ПО) изделия может
работать как под операционной системой Linux, так и под другой операционной
системой. На рис.2 представлена упрощенная структурная схема
взаимодействия восьми основных задач (потоков) ПО абонентской приставки.
При взаимодействии с аппаратной частью приставки программное обеспечение
обеспечивает реализацию следующих основных задач:
• поиск, демодуляцию и сопровождение в реальном масштабе времени
программ цифрового эфирного и кабельного телевидения;
• автоматическое структурирование телевизионных программ в группы
или списки по способу вещания и типу доступных сервисов;
• создание и обработку (удаление, перемещение, переименование и т. д.)
списков программ цифрового телевидения, исходя из предпочтений
пользователя (любимые списки);
• декодирование и слежение в реальном масштабе времени за видео- и
аудиопотоками программы в форматах MPEG-2/MPEG-4 (H.264 AVC), а также
за дополнительными сервисами программы, такими как субтитры и телетекст;
• непрерывное выделение из транспортного потока событий и создание
соответствующей электронной программы телевизионных передач;
• доступ пользователя ко всем сервисам программ, спискам, расписанию
передач, а также функциональным возможностям абонентской приставки с
помощью графического интерфейса;
• управление абонентской приставкой с помощью пульта дистанционного
управления, кнопок, а также отображение текущих режимов работы на
семисегментном индикаторе.
Конструктивно изделие представляет собой металлический корпус, в
котором расположены четыре печатные платы. Пластиковая декоративная
передняя панель и металлическая задняя панель с отверстиями под разъемы
являются съемными, что позволяет относительно легко модифицировать
корпус под различные исполнения, различный дизайн или под разные торговые
марки приставок в будущем. Основная четырехслойная плата содержит
454

селекторы каналов, демодуляторы, центральный процессор, память, разъемы
для входов и выходов сигналов и т. д. Размеры платы 204×147 мм. Модуль
считывателя SMART-карт выполнен на отдельной двустороннейй печатной
плате, которая крепится непосредственно к передней панели изделия на
защелках и соединяется с основной платой плоским кабелем. Модуль передней
панели изготовлен на односторонней печатной плате, которая также крепится
непосредственно к передней панели изделия и соединяется с основной платой
плоским кабелем. Модуль питания представляет собой однослойную плату,
устанавливаемую на основание корпуса.
На рис. 3 показана основная плата (плата декодера), а на рис. 4 — внешний
вид абонентской приставки «Агат», предназначенной для приема сигналов
цифрового эфирного и кабельного телевидения.

455

456

457

ДОДАТОК Х. Рисунки до лекції №28

458

Рис. 1. Структура приемного тракта системы DVB-T

Рис.3. Преобразование сигналов и данных в приемнике DVB-T
Рис.2. Преобразование сигналов и
данных в передатчике DVB-T

Таблица 2. Параметры сигналов в DVB-T в двух режимах

Рис. 9. Кодер DVB-T

459

Рис.10 К вопросу о формировании выходных сигналов X и Y в регистрах
сдвига: а) схема; б) порядок их передачи в зависимости от скорости кодирования

Рис.11. К вопросу о построении генератора псевдослучайной
последовательности PRBS

а)
б)
Рис.1. Модуляция: а) – иерархическая КАМ-16 (α = 1);
б) – иерархическая КАМ-16 (α = 2); в) – иерархическая КАМ-64 (α = 4)

в)
Рис. 8. Формирование радиосигнала OFDM

460

Передавачі цифрового ТВ мовлення стандарту DVB-T

Структурная схема и основные параметры передатчика ЦТВ
Полярис ТВЦ-10 НПФ «Триада» (Россия) (10 Вт)

Структурная схема передатчика ЦТВ Полярис ТВЦ-100 (100 Вт)

461

462

463

464

465

Схема організації телевізійного мовлення стандарту DVB-T в Одеському
регіоні

466

ЛЕКЦІЯ №29. CИСТЕМА НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО
ТЕЛЕБАЧЕННЯ СТАНДАРТУ DVB-T2
ЛІТЕРАТУРА:
1. Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие для вузов.
– М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 280 с.
2. Серов А.В. Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H. СПб.: БХВ-Петербург, 2010.
– 464 с.

1. Общие сведения о стандарте DVB-T2
К 2009 году, вопреки первоначальным планам, ни в одной из стран мира не
произошел тотальный переход на сети цифрового ТВ-вещания, хотя ряд стран
(США, Великобритния и др.) приблизились к этому вплотную. Однако в мире
уже продано порядка 244 млн. ТВ-приемников различных типов стандарта
DVB (C, S и T). Среди них 107 млн. – стандарта DVB-S и 94 млн. – стандарта
DVB-T. В связи со столь массовыми продажами цены на приемные
устройства продолжают неуклонно падать, уже сейчас DVB-T-приемники
стоят дешевле 30 евро. С другой стороны, в ближайшие годы (до 2012 г.)
практически все сколь-нибудь развитые страны планируют прекратить
аналоговое вещание. В том числе это означает и высвобождение частотного
ресурса для систем цифрового ТВ. Учитывая все это, консорциум DVB к
середине 2008 года выпустил новый стандарт наземного цифрового
вещания – DVB-T2 [1, 2]. Пока этот документ имеет статус предварительного
стандарта, однако ряд производителей начал выпуск соответствующего ему
оборудования, а в Великобритании ВВС приступила к экспериментальным
трансляциям DVB-T2 в июне 2008 года (передатчик размещался на юго-западе
Лондона). В марте 2009 года в Турине успешно прошел "фестиваль
подключений", в котором приняли участие шесть производителей
передающего (модулирующего) оборудования DVB-T2 и пять производителей
приемного.
Отметим, что DVB-T2 – это стандарт второго поколения. Первый стандарт
второго поколения консорциум DVB выпустил в 2003 году – стандарт
цифрового спутникового вещания DVB-S2. Но его рассматривать мы не будем,
поскольку практически все заложенные в DVB-S2 идеи были воплощены в
стандарте DVB-T2. Кроме того, мы будем анализировать DVB-T2 в сравнении с
его предшественником DVB-T, который описан многократно и достаточно
подробно (см., например, [3, 4]), поэтому основные принципы
формирования и трансляции сигнала в DVB-T останутся за рамками нашего
рассмотрения. Напомним лишь, что стандарт DVB-T подразумевает
трансляцию кодированного цифрового ТВ-сигнала (в формате кодирования
MPEG-2, а впоследствии – в более совершенных форматах, например, MPEG4). Для передачи цифровой сигнал кодируется и преобразуется в OFDM-сигнал.
467

OFDM – это технология модуляции посредством ортогональных несущих, т.е.
модулируются
множество
(в DVB-T –порядка 8 тыс.) несущих,
расположенных в заданной полосе с фиксированным шагом по частоте.
Скорость модуляции отдельной несущей при этом достаточно мала, что
позволяет использовать эффективное помехоустойчивое кодирование и
принимать меры для борьбы с межсимвольной интерференцией (вводить
специальные защитные интервалы в каждый OFDM-символ). Это актуально
при вещании в условиях сложного рельефа и городской застройки, когда
происходит
переотражение и многолучевое распространение сигнала,
возникают зоны замирания и т.п. Сама OFDM-модуляция реализуется
посредством алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье (на
передающей стороне) в цифровой форме. Основные параметры OFDMсигнала
–
отношение
длительности защитного интервала к общей
длительности символа, число номинальных поднесущих, тип модуляции
поднесущей (информационная емкость одного модуляционного символа, в
нашем случае зависящая от числа возможных положений значений амплитуды
и фазы сигнала). Стандарт DVB-T2 призван как минимум на 30% улучшить
емкость сетей ЦТВ по сравнению с DVB-T, при той же инфраструктуре сети и
частотных ресурсах. Однако на практике выигрыш оказывается не ниже 50%.
DVB-Т2 принципиально отличается как архитектурой системного уровня
(МАС-уровня – Media Access Control), так и особенностями физического
уровня.

На системном уровне принципиальное отличие нового стандарта – это
концепция магистральных потоков физического уровня (Physical Layer Pipe
– PLP). Если стандарт DVB-T был предназначен исключительно для
передачи пакетов MPEG-2, то сеть DVB-T2 способна транслировать самые
разные по природе и структуре информационные потоки (рис.1). Система DVBT2 способна передавать несколько независимых мультимедийных потоков,
каждый со своей схемой модуляции, скоростью кодирования и временными
интервалами. Возникает относительно сложная кадровая структура как на
логическом, так и на физическом уровне – ничего подобного в DVB-T не было.
Соответственно, в системе DVB-T2 появляется новая функция –
468

предварительная обработка входных потоков (рис.2). В целом, общая схема
обработки сигналов в системе DVB-2T существенно усложняется (рис.3).
В стандарте различаются три основных типа потоков – транспортный
поток (Transport Stream – TS), обобщенный инкапсулированный поток
(Generic Encapsulated Stream – GSE) и обобщенный непрерывный поток
(Generic Continuous Stream – GCS). Каждый поток представляет собой последовательность пользовательских пакетов (UP – User Packet). Транспортный
поток – это последовательность пакетов фиксированной длины (пакеты MPEG2, 188 байт, первый байт – всегда синхробайт со значением 47 16 ). Поток
GSE характеризуется пакетами переменной или фиксированной длины,
которая указывается в заголовках этих пакетов. Поток GCS представляет
собой непрерывный поток битов. Реально – это или последовательность
пакетов без указания их длины, или пакеты максимально возможной длины 64
Кбит. Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые
(Baseband) кадры (ВВ-кадры) – отдельно для каждого потока (рис.4). ВВ-кадр
содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле выравнивания. В
последнем можно передавать данные внутриканальной сигнализации. В
заголовке пакета содержится информация о типе транспортного потока,
размере пользовательского пакета (при необходимости) и всего поля данных,
наличии режимов удаления пустых пакетов и дополнительных синхропакетов,
используется постоянная/переменная модуляция и т.п. Размер поля данных и
выравнивающего поля определяется параметрами сверточного кодера (в сумме
не более 53770 бит).

469

Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, в
которых зачастую используются пустые пакеты (для выравнивания скорости
потока), разного рода задержки и т.п. для сохранения постоянной скорости
потока. Поэтому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной
информации, но с возможностью ее восстановления на приемном конце.
Кроме того, опционально предусмотрен и механизм сверточного кодирования
CRC-8 на уровне пользовательских пакетов.Сформированный
ВВ-кадр
скремблируется (рандомизируется путем перемножения на псевдослучайную
последовательность) и подвергается корректирующему кодирования. Механизм защитного кодирования – еще одна принципиальная особенность
стандарта DVB-T2. В качестве корректирующего кода используется каскадный
код. В качестве внешнего кода в нем применен блоковый кодер БоузаЧоудхури-Хоквингема
(БЧХ, ВСН). В качестве внутреннего –
низкоплотностный код с проверкой на четность (LDPC). В зависимости от
скорости кодирования LDPC, размер входного блока данных для БЧХ-кодера
может различаться (табл.1.), однако выходной размер кодового слова после
LDPC всегда составляет 64800 бит (рис.5).Перед модуляцией (кроме BPSK и
QPSK) кодовые слова подвергаются побитному перемежению и
распределяются по модуляционным символам (см. рис.3).

470

В DVB-T2 добавлена модуляция 256-QAM (8 бит на символ), что
повышает емкость канала передачи на 33% (относительно схемы 64-QAM
в DVB-T). Обычно переход от 64-QAM к 256-QAM требует увеличения
соотношения сигнал/шум на поднесущей на 4–5 дБ. Однако благодаря
применению корректирующих кодов BCH-LDPC, эффективность которых
гораздо выше традиционных кодов исправления ошибок (в т.ч. РидаСоломона), в DVB-T2 скорость кодирования может быть намного выше и
общая пропускная способность канала существенно возрастает.Еще одно
новшество DVB-T2 – введение схемы модуляции
с
"вращающимся"
сигнальным
созвездием
(рис.6).
Эта процедура
означает,
что
сформированный модуляционный символ поворачивается в комплексной
плоскости на определенный угол, зависящий от числа уровней модуляции (29°
для QPSK, 16,8° – для 16-QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg(1/16) для 256-QAM).
Более того, перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого
модуляционного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового
слова (т.е. берется из предыдущего символа этого слова, Q-компонента первого
символа становится равной Q-компоненте последнего).
В чем суть поворота сигнального созвездия? В квадратурных каналах
передаются проекции точки сигнала на соответствующие оси (синфазную и
квадратурную). При обычном сигнальном созвездии несколько точек
расположены на нескольких общих ортогональных линиях, и их проекции
совпадают. После поворота сигнального созвездия (см. рис.6) у каждой точки –
уникальные Q- и I-координаты. Некоторые из координат оказываются
достаточно близко друг к другу, но по одной координате точки всегда можно
восстановить другую ее координату. А механизм сдвига Q-координаты
приводит к тому, что исходные координаты сигнальной точки оказываются в
разных модуляционных символах (т.е. заведомо на разных поднесущих), что
существенно снижает вероятность их одновременной деградации как из-за
случайных импульсных помех, так и по причине селективных затуханий в
канале. В работе [2] отмечено, что применение такой техники обеспечивает
операционное усиление 7,6 дБ (рис.7). После формирования модуляционных
символов происходит их перемежение в пределах кодового слова.

471

Все рассмотренные до сих пор процедуры выполняются параллельно
для отдельных магистральных потоков. В результате для каждого PLP
формируется последовательность модуляционных символов. Из них
необходимо сформировать OFDM-символы. Но если в DVB-T эта процедура
была абсолютно прозрачной, то в DVB-T2, из-за возможности
транслировать
несколько
мультимедийных
потоков,
необходимо
сформировать достаточно сложную кадровую структуру. Кадр физического
уровня DVB-T2 (Т2-кадр) (рис.8) начинается с преамбулы Р1. Это OFDMсимвол с модуляцией DBPSK, двумя защитными интервалами с двух сторон (в
сумме 1/2 длительности символа). Он служит для синхронизации,
идентификации потока DVB-T2, а также содержит 7 информационных бит с
начальной информацией о Т2-кадре, а именно число номинальных поднесущих
в OFDM (1К–32К) и формат передачи следующей за Р1 преамбулы Р2 (режимы
MISO или SISO). Вся остальная информация о Т2-кадре (длина, модуляция,
скорость кодирования и т.п.) передается в преамбуле Р2, которая может
занимать несколько OFDM-символов. Далее следует поле данных
(информационные OFDM-символы).
Замыкает Т2-кадр специальный
завершающий OFDM-символ. В зависимости от параметров OFDM, в Т2-кадре
может быть от 60 до 2098 OFDM-символов при полосе передачи 8 МГц
(табл.2). Максимальная длительность Т2-кадра – 250 мс.Т2-кадры
объединены в суперкадр. Помимо Т2-кадров в суперкадр входят поля,
зарезервированные для дальнейшего использования (FEF – Future Extension
Frames). Они могут чередоваться в произвольном порядке. Максимальная длительность суперкадра – 128 с. Если в суперкадре нет FEF, его
максимальная длительность Т SF = 64 c, что соответствует 256 Т2-кадрам по
250 мс. Распределением потоков по кадрам занимается специальный
диспетчер еще на стадии формирования ВВ-кадров. Уже тогда, задолго до
формирования OFDM-символов, создается сигнальная информация. Стандарт
DVB-T2 чрезвычайно гибок с точки зрения мультиплексироания
множества потоков в единый трансляционный сигнал. Видимо,
разработчики хотели предусмотреть не только все, что они только могли
вообразить, но и то, что они даже представить пока не могли. Поэтому не будем
удивляться столь многообразному и, казалось бы, избыточному набору
возможностей.Формирование
OFDM-кадров
неразрывно
связано
с
распределением фрагментов различных магистральных потоков как внутри
Т2-кадра, так и в рамках суперкадра. С этой точки зрения стандарт выделяет
три типа потоков PLP – общий, а также потоки данных типа 1 и 2. Общий PLP –
это информация, общая для группы из нескольких PLP (например, таблицы
программ и сервисов PSI/SI для нескольких транспортных потоков).
Потоки PLP типа 1 в Т2-кадре не подразделяются на фрагменты – иными
словами, в каждом Т2-кадре может быть только один фрагмент каждого PLP
типа 1. Наконец, потоки типа 2 могут в пределах Т2-кадра разделяться на
несколько фрагментов (от 2 до 6480), следующих в кадре попеременно (рис.9).
472

Потоки могут отображаться на Т2-кадры по определенным правилам.
Например, поток N передается в группах по три смежных Т2-кадра, следующих
через интервал в один кадр. Более того, перед распределением по Т2-кадрам
в рамках каждого PLP возможно временное перемежение. Для этого кодовые
слова потока PLP после формирования модуляционных символов и их
перестановки группируются в т.н. интерливинговые кадры, содержащие
динамически изменяющееся целое число кодовых слов. Интерливинговый кадр
состоит из одного или нескольких инетрливинговых блоков (рис.10).

Перемежение символов происходит в пределах всего интерливингового
блока. Процедура разбиения на интегрливинговые блоки и кадры
473

выполняется на уровне магистральных потоков, с учетом их специфики.
Интерливинговые кадры отображаются на кадры физического уровня (Т2кадры) – один в один или один интерливинговый кадр в несколько Т2-кадров
(см. рис.10). Отметим, что плюс ко всем перечисленным видам
перемежения – на уровне бит в кодовых словах, модуляционных символов,
временного интервливнига, – используется еще и частотный интерливинг, т.е.
перестановка поднесущих в пределах OFDM-символа.
В стандарте DVB-T2 изменения коснулись и структуры OFDMсимволов. Увеличено возможное число номинальных поднесущих – помимо 8К
(8×1024) добавлены режимы 16К и 32К поднесущих (а также 1К и 4К).
Поскольку с увеличением числа поднесущих для OFDM-сигналов спектральная
характеристика становится более крутой (рис.11), можно расширить
используемый частотный диапазон, не выходя за границы разрешенной
спектральной маски. Это позволяет использовать в OFDM-символе больше
поднесущих для передачи данных. Такой режим допустимо использовать при
8К, 16К и 32К поднесущих. Эффект от расширенного режима составляет от
1,4% (8К) до 2,1% (32К).
Чем
больше
номинальных
поднесущих,
тем
длительнее
может быть OFDM-символ. Это, в
свою
очередь,
позволяет
уменьшить защитный интервал до
1/128 (против 1/32 в DVB-T).
Использование такого защитного
интервала при 32К номинальных
поднесущих
эквивалентно
защитному интервалу 1/32 при 8К
поднесущих. Однако пропускная
способность при этом возрастает
весьма существенно. Всего в
DVB-T2 разрешено использовать
семь
относительных
длин
защитных интервалов – 1/128, 1/32,
1/16, 19/256, 1/8, 19/128 и 1/4.В
DVB-T2 возможно и более гибкое
распределение пилотных
поднесущих.
Вместо
одной
фиксированной схемы
распределения пилотных частот в DVB-T,
в DVB-T2 предусмотрено восемь
различных схем их распределения.
Выбор варианта зависит от числа
номинальных
поднесущих
и
размера защитного интервала. В
474

результате если в DVB-T распределенные пилотные поднесущие составляли
8% всех поднесущих, то в DVB-T2 этот показатель может составлять также 1, 2
и 4%. Еще одна принципиально новая возможность – передача в режиме
MISO с использованием схемы Аламоути, т.е. приемник обрабатывает
сигнал от двух передающих антенн.
Вводятся и дополнительные частотные полосы – 10 МГц и 1,712 МГц
(последняя – для мобильных сервисов).В целом, все эти нововведения
позволяют создать очень гибкую и в то же время чрезвычайно эффективную
систему трансляции мультимедийных потоков. При этом максимальная
скорость входного транспортного потока после предобработки (например,
удаления нулевых пакетов) может превосходить 50 Мбит/с (табл.3).Разумеется,
совсем не обязательно использовать все возможности стандарта. В том числе
– и трансляцию множества мультимедийных потоков. Однако в сочетании с
новыми видами кодирования видеосигнала (такими как MPEG-4) эта
технология является существенным шагом вперед. И что важно с точки
зрения сетей широкополосного доступа, стандарт DVB-T2 – это уже не
"просто" система транспорта пакетов цифрового видеоконтента. Это – мощный
инструмент мультимедийного вещания, в который изначально заложены
огромные возможности по расширению функциональности. Конечно, в силу
своей однонаправленности он не может рассматриваться как конкурент
традиционным сетевым технологиям, но свое место в наступающую эпоху
технологий широкополосной беспроводной связи четвертого поколения (4G)
он, безусловно, займет.
И,
возможно, будет при этом не только
узкоспециализированным средством доставки телевизионного контента.
2. Основные особенности DVB-T2
Спецификация разработана прежде всего для приема на фиксированные
наружные антенны и имеет такие же характеристики частотного спектра, как и
у DVB-T, что предполагает возможность обратной совместимости с
существующей инфраструктурой вещания.
Как и DVB-T, DVB-T2 использует модуляцию OFDM (ортогональное
частотное уплотнение) и предоставляет набор режимов с разным количеством
несущих (1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k, 16k раширенный, 32k расширенный) и
созвездиями модуляции (QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM). Для защиты от
ошибок DVB-T2 использует LDPC (проверка на чётность с низкой плотностью)
и кодирование BCH (БЧХ — Боуза-Чоудхури-Хоквингхема). Новая техника,
известная как повернутые созвездия (рис.1), была введена для обеспечения
дополнительной устойчивости в определенных условиях.

475

Рис.1 Поворот сигнального созвездия 16-QAM

Стандарт DVB-T2 также требует внимательного обслуживания
передающего оборудования. В частности в режиме 32k, генерируются высокие
пики по мощности и, таким образом, сводится к минимуму эффективность
усилителя (или он может даже выйти из строя). Для ограничения этих пиков без
потери информации в спецификацию стандарта была введена специальная
характеристика, называемая уменьшением PAPR (отношения пиковой
мощности к средней).
3. Сравнение стандартов DVB-T и DVB-T2
Система DVB-T наиболее распространена в мире и представляет собой
самые последние технологии модуляции и кодирования, что обеспечивает
передачу аудио и видео услуг для абонентов. Система DVB-T2, как и DVB-T,
использует схему цифровой модуляции OFDM для устойчивости сигнала и
предлагает несколько режимов, позволяющих сделать его максимально гибким.
В докладе проведено сравнение стандартов цифрового наземного
телевизионного вещания DVB-T и DVB-T2, приведены сравнительная таблица
режимов передачи и пояснительные рисунки спектров цифровых сигналов.
Наиболее широко адаптированным и развернутым стандартом для
Цифрового Наземного Телевидения (DTT) является DVB-T, который был
опубликован в марте 1997 года. Эта система наиболее распространена в
мире и представляет собой самые последние технологии модуляции и
кодирования, что дает возможность высокоэффективно использовать
ценный наземный диапазон для передачи аудио, видео услуг и услуг
передачи данных для фиксированных,
портативных и мобильных
устройств. Услуги вещания существуют в настоящее время в более чем
35 странах мира, с перспективой дальнейшего развития в ближайшие годы.
В стандарте DVB-T, в качестве базовой, используется OFDM модуляция,
476

благодаря которой и достигаются уникальные свойства в части
возможности построения одночастотных сетей (SFN – Single Frequency
Network), обеспечения низкого требуемого отношения несущая/шум (C/N),
высокой степени защиты от многолучевости и низкой чувствительности к
эффекту Доплера (при приеме в движении). Помимо основных видов
модуляции (QPSK, 16 QAM и 64 QAM) в стандарте DVB-T
используется также и иерархическая модуляция, позволяющая в потоке
с высоким приоритетом передавать меньшее число программ и даже с более
худшим качеством, но со значительным увеличением зоны покрытия,
представляя тем самым вести прием на комнатные антенны в зоне покрытия.
Необходимость
увеличения
пропускной
способности
при
использовании дополнительных услуг рождает серьезные требования к
высокой эффективности используемых методов передачи.
Модификация DVB-T2 является идеальным решением, предоставляющим высокий уровень устойчивости сигнала и обеспечивающая
необходимое
увеличение
пропускной
способности, при сохранении
существующей инфраструктуры антенн. Следует заметить, что высвобождение
частотных ресурсов при отказе от аналогового вещания открывает
дополнительные возможности для предоставления услуг на основе этой новой
технологии.
Ключевыми требованиями для перехода на новый стандарт являются
увеличение объѐма передаваемой информации
и улучшение надежности,
что достигается при увеличении пропускной способности на 30-50% по
сравнению с предыдущей версией в аналогичных условиях распространения
сигнала. Как
и
предшественник,
DVB-T2
использует
OFDM
(ортогональное частотное мультиплексирование) модуляцию, с большим
числом поднесущих. Также вместе с DVB-T, новая спецификация
предлагает диапазон различных режимов, делающих его очень гибким
стандартом (см. таб. 1). В области устранения ошибок, DVB-T2
использует то же самое кодирование, что было использовано в DVB-S2.
LDPC (Low Density Parity Check - код с малой плотностью проверок на
четность) кодирование, объединенное с BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham –
БЧХ)
кодированием,
обеспечивает
превосходные
эксплуатационные
показатели в присутствии высоких шумовых уровней и взаимного влияния, в
результате чего реализуются
необходимые
условия
для
высококачественного
приѐма
радиосигналов цифрового
наземного
телевидения
стандарта
DVB-T2.
LDPC-коды
описываются
низкоплотностной проверочной матрицей, содержащей в основном нули и
относительно малое количество единиц. Последнее упрощает декодирование
информационных сигналов на приѐмной стороне канала связи.

477

Таблица 1. Сравнение имеющихся режимов передачи в DVB – T и в DVB – T2

Таблица 2. Сравнение имеющихся режимов передачи в DVB – T и в DVB – T2

Несколько различных вариаций параметров сигнала, таких как число
поднесущих, размер защитного интервала и количество пилот-сигналов
комбинируются таким образом, что потери могут быть минимизированы
для любых параметров, таких как зона обслуживания, мощность
передатчика и др. Новая технология обеспечивает дополнительную
надежность в зашумлѐнных каналах. Механизм передачи устроен так, что
имеется возможность отдельно настраивать модуляцию каждой переданной
услуги в пределах канала, чтобы обеспечить требуемые условия приема
(например, комнатная антенна/антенна на крыше). Этот же механизм
позволяет передавать поток таким образом, чтобы приемник мог
оптимизировать декодирование отдельной программы в большей степени, чем
целого пакета программ. Излучаемый OFDM сигнал описывается формулой
(1):

478

DVB-T2 также точно определяет метод построения передатчика, известный как
Alamouti кодирование, который улучшает перекрытие (покрытие) диапазона
частот в одночастотных сетях небольшого размера. Наконец, DVB-T2
определены возможности, с помощью которых стандарт может быть обратно
совместим и расширен в будущем, путем использования будущих,
расширенных по объему передаваемой информации, кадров. На
рис.1
представлен теоретический спектр сигнала DVB-T2 для различных
режимов передачи. Обратим внимание, что для расширенного режима 32К
используется увеличенная полоса частот в пределах 8 МГц канала.

Рис.1. Часть теоретического спектра DVB-T2 для относительной длительности защитного
интервала 1/8 (для канала 8 МГц).

В ближайшие годы в странах, где услуги DVB-T стали широко
распространены, будет осуществляться полный отказ от аналогового
вещания, и в процессе перехода на цифровое наземное телевизионное
вещание будут высвобождаться УВЧ и УКВ диапазоны для других целей.
Некоторые страны уже завершили переход на цифровое вещание. Одним из
стимулов перехода на цифровое вещание, будет введение новых услуг,
предусмотренных в стандарте DVB-T2.
Это
может
дать
начало
существования,
к
примеру,
списку
из
новых общенациональных
объединений каналов, предлагающих мультикастовые HDTV услуги или,
возможно, инновационные datacasting услуги. Как и с DVB-T, новый
стандарт нацелен на прием не только посредством roof-top и set-top
антенн, но и компьютеров, ноутбуков, автомобильных приемников и целого
ряда других инновационных приемных устройств. На рис.2 представлены
479

пилот-сигналы на краях кадра OFDM для модуляции 8К и режима нормальной
(а) и расширенной (b) поднесущей.

Рис.1а Вероятность битовой ошибки в зависимости от отношения энергии символа к
спектральной плотности мощности

Рис.2. Иллюстрация пилот-сигналов и TR ячеек на краю спектра в режиме расширенной и
нормальной поднесущей (8K PP7).

Переход
от
DVB-T
к
DVB-T2
должен
будет
тщательно
контролироваться со стороны государства. DVB Project полностью
предполагает, что DVB-T и DVB-T2 услуги будут сосуществовать бок о
бок в течении некоторого времени, чтобы прийти, в конце концов, к тому –
и это ясно из опытов в Австралии (DVB-T, MPEG-2 видео кодирование)
и Франции (DVB-T, MPEG-4 видео кодирование), что наземные HDTV
480

услуги в конечном итоге активизируют использование DVB-T2. Первой
страной, которая развернет DVB-T2, будет, вероятно, Великобритания,
где отключение передатчиков аналогового вещания идет полным ходом.
Британский координатор.
Ofcom
заявил
о
своѐм
намерении
преобразовать
одно
общенациональное объединение каналов в DVB-T2 с первыми передачами
для мультиканальной HDTV приставки, чтобы начать вещание в конце
2009 года. Тестовые же передачи начались немедленно после одобрения
стандарта в июне 2008 года. Технические условия DVB-T2 были одобрены
Управляющим Советом DVB в конце июня 2008 года. Первое издание было
выпущено в виде рекомендаций DVB и отправлено в ETSI (Европейский
Институт Телевизионных Стандартов) для публикации в виде формального
стандарта. Продавцы уже работают над дизайном DVB-T2 оборудования,
первые опытные образцы ожидаются в конце 2008 года - начале 2009 года.
Параллельно, дальнейшая работа будет востребована в рамках DVB
проекта и будет нацелена на создание исполняемых директив, тестирование
приѐмного оборудования и т.п. Для представления решения конечному
потребителю,
операторы
эфирного
вещания готовят пакеты новых
интересных услуг, включая значительно более широкий выбор каналов HighDefinition, которые используют все преимущества, обеспеченные высокой
емкостью и надежностью системы цифрового эфирного вещания DVB-T2.
4. Сравнение стандартов DVB-T и DVB-T2
Стандарт DVB-T2 является улучшенным и функционально расширенным
последователем стандарта DVB-T. В нем сохранены основные идеи обработки
сигнала (скремблирование, перемежение данных, кодирование), но при этом
каждый этап усовершенствован и дополнен. В целом изменения не коснулись
только модуляции OFDM (ортогональное частотное мультиплексирование).
В системе DVB-T2 для инкапсуляции информации может применяться не
только транспортный поток MPEG, но и транспортный поток общего
назначения (GSE), что позволяет снизить объем передаваемой служебной
информации и сделать адаптацию транспортного потока к сети более гибкой.
По сравнению с системой DVB-T привязки к какой-либо структуре данных на
уровне транспорта не существует.
В стандарте DVB-T вся полоса используется для передачи одного
транспортного потока. В новом стандарте применяется так называемая
концепция PLP (physical layer pipes – каналы физического уровня): передача в
одном физическом канале нескольких логических. Возможны два режима: с
передачей одного PLP – режим «A», с передачей нескольких PLP (multiPLP) –
режим «B». В режиме «B» несколько транспортных потоков передаются
одновременно, причем каждый из них помещается в свой PLP. Это позволяет
обеспечить сосуществование в одном радиочастотном канале услуг,
передаваемых с разной степенью помехоустойчивости: режим модуляции и
481

режим помехоустойчивого кодирования может выбираться для каждого PLP
индивидуально (рисунок 1), т. е. оператор может выбирать большую скорость
передачи или лучшую помехоустойчивость для каждой программы в
формируемом пакете. Приемник же декодирует только выбранный PLP и
отключается на время передачи PLP, которые не интересуют абонента, что
обеспечивает энергетическую экономию.

Рис. 1 – Пример использования PLP

В стандарте DVB-T2 усложнена система перемежения. Используется
битовое, частотное и дополнительно – временное перемежение. Оно
осуществляется не только внутри одного модуляционного символа, но и внутри
суперкадра, что позволяет увеличить устойчивость сигнала к импульсным
помехам и изменению характеристик тракта передачи.
Дополнительно в одночастотных сетях может поддерживаться технология
MISO (multiple input – single output), использующая кодирование Аламоути. В
этом случае передатчики в одночастотной сети передают не в точности один и
тот же сигнал, что позволяет избежать на приемной стороне так называемых
«провалов».
Следует отметить, что стандарт DVB-T2 предусматривает восемь
вариантов размещения пилот-сигналов. Если в системе DVB-T количество
пилот-сигналов составляло 8 % от общего числа несущих, то в системе DVB-T2
это значение может варьироваться: 1; 2; 4 и 8 %. Выбор схемы размещения
зависит от величины защитного интервала.
Для увеличения пропускной способности дополнительно введен режим
модуляции 256-QAM и размерности быстрого преобразования Фурье (FFT) 16k
и 32k, а также добавлены новые значения защитных интервалов: 1/128, 19/128,
19/256.
Почему в стандарте DVB-T не использовалась модуляция 256-QAM? Ведь
ее применение позволяет увеличить пропускную способность системы на
30–50 %. Ответ прост. Сверточные коды (СК) и коды Рида – Соломона (РС) не
обеспечили бы должной защиты от ошибок. Данная проблема решена в
стандарте DVB-T2. Основными механизмами, позволяющими повысить
помехоустойчивость системы, являются новые алгоритмы кодирования и
вращение сигнального созвездия.
482

В стандарте DVB-T2 вместо сверточных кодов используются коды с
низкой плотностью проверки на четность (LDPC), а вместо кода Рида –
Соломона – короткий код Боуза – Чоудхури – Хоквенгема (BCH). Зависимости
коэффициента битовых ошибок (BER) от отношения «сигнал/шум»
представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Сравнение кодирования LDPC и СК

Поведение характеристик при использовании кодирования LDPC + BCH
приближено к идеальному. Соответственно коды LDPC и BCH обеспечивают
более высокую помехоустойчивость, чем коды РС и СК, что позволяет
передавать большее количество информации в используемом канале.
Дополнительно введены относительные скорости кодирования 3/5 и 4/5.
Выигрыш в отношении «сигнал/шум» за счет использования новых
методов помехоустойчивого кодирования для стандарта DVB-T2 при
идентичном BER составит 5 дБ.
Еще одним новшеством в стандарте DVB-T2 является вращение
сигнального созвездия, позволяющее улучшить помехоустойчивость системы.
В таблице 1 приведены значения угла поворота созвездия в зависимости от
типа модуляции.

483

Таблица 1 – Значения угла поворота созвездия для различных типов модуляции
16
Тип модуляции
QPSK
64 QAM
QAM
Угол поворота
29°
16,8°
8,6°
созвездия

256 QAM
arctg(1/16)

На рисунке 3а изображено созвездие QPSK, на рисунке 3б – поворот этого
созвездия.

Рисунок 3 – Поворот сигнального созвездия QPSK

Нетрудно заметить, что каждый вектор такого созвездия приобретает свои
индивидуальные координаты I и Q. Соответственно в случае потери
информации об одной из координат ее можно будет восстановить. В результате
перемежения компоненты I и Q передаются раздельно, что уменьшает
вероятность их одновременной потери. В системе DVB-T каждая координата
встречается несколько раз, поэтому в случае потери информации об одной из
них определить, к какому квадранту относится точка, затруднительно.
Соответственно поворот созвездия дает выигрыш в отношении «сигнал/шум»
на несколько децибел.
5. Качество ТВ вещания в стандарте DVB-T2
Часто приходится делать выбор между качеством и количеством. Так, и в
сетях наземного цифрового телевизионного вещания выбор параметров
передачи тесно связан с выбором оптимального соотношения между
помехоустойчивостью и пропускной способностью системы. Проведем
сравнительный анализ данных параметров в системах DVB-T и DVB-T2.
Сравним
скорости
передачи
при
фиксированном
отношении
«сигнал/шум». Рассмотрим режимы с максимальной скоростью передачи
данных [1, 2]. Для стандарта DVB-T: 8k, 1/32, 64-QAM, для стандарта DVB-T2:
32k, 1/128, 256-QAM (таблица 2).
484

Таблица 2 – Сравнение скорости передачи для одинаковых отношений «сигнал/шум»
DVB-T
Относительная
Отношение
скорость
«сигнал/шум»,
кодирования
дБ
3/4
18,6
5/6
20
7/8
21,1

Скорость
передачи,
Мбит/с
27,14
30,16
31,67

Относительная
скорость
кодирования
2/3
3/4
4/5

DVB-T2
Отношение
«сигнал/шум»,
дБ
18,4
20,6
22

Скорость
передачи,
Мбит/с
40,23
45,24
48,27

Очевидно, что при равных отношениях «сигнал/шум» скорость передачи в
стандарте DVB-T2 по сравнению с предшественником увеличивается на
40–50 %. Это означает, что при том же радиусе зоны покрытия количество
передаваемых программ можно увеличить на 50–60 %.
Важно отметить, что при идентичных параметрах передачи (64-QAM,
относительная скорость кодирования 3/4, защитный интервал 1/4) отношение
«сигнал/шум» в стандарте DVB-T составляет 18,6 дБ, а в стандарте DVB-T2 –
15,4 дБ. Соответственно зона уверенного приема при прочих равных
параметрах будет значительно увеличена при построении сети стандарта DVBT2.
Проведем сравнение отношения «сигнал/шум» при одинаковых скоростях
передачи (таблица 3).
Таблица 3 – Сравнение отношения «сигнал/шум» при одинаковых скоростях
передачи
DVB-T
Относительная Отношение
Скорость
скорость
«сигнал/шум»,
передачи, Мбит/с
кодирования
дБ
27,14
3/4
18,6
30,16
5/6
20
31,67
7/8
21,1

DVB-T2
Относительная
Отношение
Скорость
скорость
«сигнал/шум», передачи,
кодирования
дБ
Мбит/с
3/5
12,67
27,02
2/3
14,17
30,07
3/4
15,4
33,82

Отношение «сигнал/шум» при той же скорости передачи данных на 5–6 дБ
меньше в стандарте DVB-T2. Соответственно, при том же радиусе зоны
обслуживания мощности передатчиков можно уменьшить в 3–4 раза.
Таблицы 2 и 3 представлены для режимов передачи, позволяющих
обеспечить максимальную пропускную способность системы, которая
достигается при максимальной размерности FFT, наивысшем порядке
модуляции и минимальном защитном интервале. При таких условиях
максимальное расстояние между соседними передатчиками в одночастотной
сети составит 8,4 км. Очевидно, что при проектировании сети такие расстояния
окажутся недостаточными. Поэтому необходимо использовать другие
защитные
интервалы,
позволяющие
увеличить
расстояние
между
передатчиками (таблица 4), несмотря на то, что пропускная способность
системы уменьшится.

485

Если в стандарте DVB-T скорость передачи для различных режимов
определена точно и ее значения отражены в таблицах нормативных
документов, то для стандарта DVB-T2 такие таблицы приведены только для
максимальных скоростей передачи. В общем случае пропускная способность
системы стандарта DVB-T2 зависит от следующих параметров:
 размерности FFT,
 типа модуляции,
 параметров кодов LDPC и BCH,
 длительности защитного интервала,
 выбранной схемы пилот-сигналов,
 использования режима PLP или multiPLP и некоторых других и
вычисляется в соответствии с формулой из [3].
Правильный подбор комбинации всех описанных параметров позволит
минимизировать потери в заданной зоне покрытия, оптимизировать значения
мощностей передатчиков, пропускную способность и помехоустойчивость
системы. При этом в стандарте DVB-T2 различных комбинаций параметров
значительно больше, чем в стандарте DVB-T, что делает его более гибким для
проектирования сетей цифрового телевизионного вещания.
Конечно, возникают определенные сомнения: так ли хорош стандарт
DVB-T2 и не сменит ли его так же быстро, например, стандарт третьего
поколения? Для ответа на поставленный вопрос необходимо определить
максимальные возможности стандарта DVB-T2. Для этого изобразим
зависимость максимальной пропускной способности от требуемого отношения
«сигнал/шум» для стандартов DVB-T, DVB-T2, а также изобразим границу
Шеннона, которая является теоретическим пределом увеличения пропускной
способности системы (рисунок 4).

486

Рисунок 4 – Максимальная пропускная способность систем DVB-T и DVB-T2

Характеристики стандарта DVB-T2 приближаются к границе Шеннона,
поэтому дальнейшее повышение помехоустойчивости и увеличение
пропускной способности вряд ли возможно в рамках существующей модели
цифрового наземного телевизионного вещания. Маловероятно, что в
ближайшем будущем появится стандарт наземного телевидения третьего
поколения семейства DVB. Скорее будет разработана принципиально новая
модель эфирного цифрового вещания, а это является сложной задачей,
требующей значительных временных затрат. Поэтому внедрение стандарта
DVB-T2 для второго и последующих мультиплексов будет оправданным.
Внедрение в Республике Беларусь стандарта DVB-T2 позволит вывести
наземное цифровое телевизионное вещание на качественно новый уровень.
Стандарт нового поколения открывает значительные перспективы по
увеличению количества вещаемых программ стандартной четкости и созданию
мультиплекса с программами высокой четкости. Дальнейшее развертывание
второго и третьего слоев НЦТВ стандарта DVB-T2 позволит обеспечить все
население страны высококачественным многопрограммным телевидением.

487

6. Архитектура системы DVB-T2
Основным отличием между системами DVB-T2 от DVB-T является то, что
мультиплексор должен быть подключен к T2 шлюзу. Этот T2 шлюз принимает
один или несколько мультиплексов, то есть по одному на PLP, от
мультиплексора и инкапсулирует их в немодулированные кадры. Далее T2
шлюз посылает этот контент модулятору DVB-T2 с помощью протокола
интерфейса модулятора T2-MI (рис.2).

Рис.2 Архитектура доставки мультиплексов до модуляторов DVB-T2

7. Структура кадра DVB-T2
DVB-T2 заимствует концепцую PLP (или канала физического уровня),
введенную в спецификации DVB-S2. PLP – это физический канал, который
может передавать один или несколько сервисов. Каждый PLP может иметь
различные скорости передачи данных и параметры защиты от ошибок.
Например, можно разделить SD и HD сервисы на разные PLP. Другим
примером является стандарт DVB-NGH (New Generation Handheld), который
будет основан на возможности использования нескольких PLP для включения
вещания мобильного телевидения поверх DVB-T2.
Стандарт DVB-T2 определяет несколько профилей:

Тип A: однопоточный вход, т.е. mono-PLP;

Тип B: многопоточный вход, т.е. multi-PLP. В режиме multi-PLP каналы
PLP фрагментированы по времени. Режим multi-PLP подразделяется на
несколько режимов:
 Тип 1: Для каждого PLP выделено по одному временному интервалу в кадре
T2. При этом от приемника требуется меньшая производительность (Рис.3).

488

Рис.3 Структура потока в режиме multi-PLP: Тип 1

 Тип 2: для каждого PLP выделено по два и более временных интервала в
кадре T2. При этом увеличивается временное разнесение. Если не ставится
целью экономия затрат производительности приемника, то количество
временных интервалов должно быть как можно больше (Рис.4).

Рис.4 Структура потока в режиме multi-PLP: Тип 1

Частотно-временное разнесение (TFS) создает большой мультиплекс,
объединяя радиочастотные каналы (до 6 каналов), чтобы создать один
"виртуальный" канал для возможности эффективного статистического
мультиплексирования. TFS в текущей спецификации DVB-T2 является
необязательным (рис.5).

489

Рис.5 Частотно-временное разнесение в DVB-T2

При необходимости можно определить тип (1 или 2) для каждого PLP, а
затем соединить в T2 кадре PLP разных типов.
T2 кадр начинается с преамбул P1 и P2. Ниже показана структура T2 кадра
(Рис.6).

Рис.6 Структура Т2 кадра
490

8. Интерфейс модулятора DVB-T2
T2 шлюз инкапсулирует данные в немодулированный (BaseBand) кадр.
Эти BB кадры отправляются на DVB-T2 модулятор с помощью специального
протокола интерфейса модулятора DVB-T2 MI, структура которого показана
ниже (Рис.6).

Рис.6 Формирование пакетов T2-MI

9. Особенности построения сетей эфирного цифрового телевидения
стандарта DVB-T2
Основной задачей при планировании сети НЦТВ является экономия
радиочастотного ресурса, поэтому реализация второго и третьего слоев, как и
первого, будет по возможности осуществляться по принципу одночастотных
сетей (все передатчики в синхронной зоне работают на одной и той же частоте
и передают один и тот же сигнал одновременно). Первый слой покрытия в
Республике Беларусь рассчитан в соответствии со стандартом DVB-T. Но
развитие технологий неизбежно. На сегодняшний день разработан стандарт
нового поколения DVB-T2, позволяющий более эффективно по сравнению со
стандартом DVB-T использовать выделенные частоты – в одном канале
передавать до 20 телевизионных программ стандартной четкости или 4–6
высокой четкости. Для стандарта DVB-T2 разработан ряд документов,
описывающих систему нового поколения и устанавливающих требования к
параметрам передачи.
Услуги наземного цифрового телевизионного вещания стандарта DVB-T
доступны уже более чем в 60 странах. Известно, что государства, ранее других
перешедшие на цифровое телевизионное вещание в стандарте первого
поколения (Англия, Италия, Финляндия, Швеция), уже осуществляют вещание
в соответствии с новым стандартом. Многие страны (Украина, Казахстан,
Чехия) проводят тестирование опытных зон, а Индия и страны Южной Африки
приняли решение о внедрении стандарта DVB-T2. Изучение, тестирование,
внедрение системы DVB-T2 является мировой тенденцией.
491

Результаты опытной эксплуатации подтвердили основное преимущество
стандарта второго поколения – увеличение пропускной способности на 30–40
% по сравнению со стандартом DVB-T. Это позволяет использовать
радиочастотный ресурс более рационально: в одном радиочастотном канале
передавать до 16–20 программ стандартной четкости или до 4–6 программ
высокой четкости (вместо 8–12 и 2–3 соответственно в системе DVB-T), а
также дает возможность организации 3D-вещания и трансляции множества
мультимедийных потоков. Анализ мирового опыта показывает, что в
зарубежных странах (Англия, Финляндия, Швеция, Испания) стандарт DVB-T2
применяется для организации вещания программ высокой четкости, что связано
с потребительским спросом на данный вид услуг. Выбор стандарта для
организации второго и третьего мультиплексов определит дальнейшую
стратегию развития НЦТВ в Республике Беларусь.
Стандарт нового поколения является наиболее перспективным для
дальнейшего развития НЦТВ, поэтому здесь будут рассмотрены особенности
построения одночастотной сети стандарта DVB-Т2.
В настоящее время цены на приставки, поддерживающие стандарт DVBT2, снижаются. Так, например, в Англии в феврале 2010 г. цена на приставку
достигала порядка 250 дол. США, к августу она снизилась до 155, и уже в июне
2011 г. составила 125 дол. США. Ожидается, что к моменту внедрения DVB-T2
цены на приставки будут соизмеримы с ценами на приставки DVB-T.
Структура одночастотной сети НЦТВ стандарта DVB-T2 представлена на
рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема сети стандарта DVB-T2

Серым цветом на схеме отмечены элементы (модулятор и T2-шлюз),
отличные от используемых в сети стандарта DVB-T.
Поступающие на вход системы транспортные потоки инкапсулируются в
Baseband-кадры (BB-кадры), являющиеся наименьшей структурной единицей
логического уровня сигнала DVB-T2. Т2-шлюз представляет собой связующее
492

звено между выходом мультиплексора и распределительной сетью и может
выполнять следующие функции:
• инкапсуляцию MPEG TS потоков, приходящих от типовых DVB-T
мультиплексоров, в BB-кадры;
• формирование T2-MI пакетов, содержащих информацию, необходимую
модулятору для дальнейшего формирования структуры сигнала DVB-T2;
• синхронизацию радиопередатчиков одночастотной сети;
• формирование T2-MIP (DVB-T2 Modulator Information Packet –
информационный пакет для модулятора DVB-T2) при использовании
ретрансляторов в сети;
• поддержку MISO (multi input – single output);
• управление PLP (physical layer pipes – каналы физического уровня).
Поскольку все функции – опциональные, конфигурация Т2-шлюза зависит
от требуемых функциональных возможностей проектируемой сети. При
построении многочастотных сетей Т2-шлюз может не использоваться, тогда
функцию инкапсуляции данных в ВВ-кадры выполняет модулятор. Применение
Т2-шлюза обязательно при:
• организации одночастотных сетей;
• использовании технологии MISO;
• использовании режима передачи нескольких PLP.
На выходе Т2-шлюза формируются T2-MI пакеты, формат которых
представлен на рисунке 2 [1].

Рисунок 2 – Общий формат T2-MI пакетов

Содержимое полезной нагрузки зависит от типа Т2-MI пакета,
определяемого полем packet_type. В поле payload («полезная нагрузка») может
передаваться полезная (BB-кадр) или служебная информация. Например, если
поле packet_type содержит значение 0016, то в поле полезной нагрузки
передается BB-кадр, если значение 2016 – метка времени (DVB-T2 timestamp),
необходимая для обеспечения синхронизации всех радиопередатчиков
одночастотной сети НЦТВ стандарта DVB-T2. Другие значения поля
packet_type отражают наличие служебной информации, нужной для
формирования физической структуры кадра сигнала DVB-T2 в модуляторе.
Посредством передаваемой служебной информации также осуществляется
конфигурация модуляторов DVB-T2.
493

Сформированные Т2-MI пакеты посредством интерфейса ASI
(Asynchronous Serial Interface – асинхронный последовательный интерфейс) или
IP (Internet Protocol) передаются через распределительную сеть (ВОЛС) к
модуляторам.
Система нового поколения обладает рядом особенностей высокочастотной
обработки сигнала:
используются
новые
алгоритмы кодирования,
дополнительные виды модуляции, размерности быстрого преобразования
Фурье (БПФ), относительные скорости кодирования, защитные интервалы и др.
Высокочастотная обработка осуществляется в модуляторе радиопередатчика
DVB-T2, где BB-кадр вместе со своим заголовком подвергается кодированию
LDPC и BCH. В результате образуются последовательности длиной 64800 или
16200 бит, которые называются FEC-кадром. Полученные биты перемежаются
в FEC-кадре (битовое перемежение) и в зависимости от выбранного вида
модуляции разбиваются на слова (например, 6 бит для созвездия 64QAM, 8 бит
– для 256QAM). На векторной диаграмме определенному набору бит в слове
соответствует свой вектор, а каждому вектору – свое комплексное число
(Re(z)jIm(z)). Совокупность элементов Re(z) и Im(z) называется COFDM
ячейкой. Последовательность ячеек COFDM, соответствующих одному FECкадру, и называется FEC-блоком (рисунок 3).

Рисунок 3 – Процесс формирования FEC-блока

В стандарте DVB-T2 дополнительно введено временное перемежение,
обеспечивающее защиту от импульсных помех. Завершающей структурной
единицей логического уровня сигнала DVB-T2, «заключающей в себе» закон
перемежения, является кадр перемежения. Он и определяет расположение
отдельных потоков PLP в суперкадре.
Кадр перемежения состоит из целого числа TI-блоков, которые в свою
очередь состоят из FEC-блоков (рисунок 4).

Рисунок 4 – Последовательность формирования сигнала DVB-T2 на логическом
уровне

494

Рекомендуется использовать комбинацию «один TI-блок в одном кадре
перемежения». Именно в этом случае перемежение будет выполняться в
течение более длительного периода времени [2]. Каждый кадр перемежения на
физическом уровне проецируется на один или несколько Т2-кадров.
Назначение T2-кадра заключается в переносе потоков PLP, P1- и L1сигнализации, т. е. T2-кадр содержит в себе услуги DVB-T2 и связанную с
ними служебную информацию.
P1-сигнализация предназначена для первичной инициализации сигнала
DVB-T2. L1-сигнализация необходима для:
• быстрого обнаружения приемником полезного сигнала;
• доступа к потокам PLP в рамках текущего (или последующего) Т2-кадра.
Завершающей структурной единицей сигнала DVB-T2 на физическом
уровне является суперкадр, который включает Т2-кадры и FEF-кадры (Future
Extension Frame – кадры перспективного расширения) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Физический уровень сигнала DVB-T2

FEF-кадры являются резервными и предназначены для будущего
использования. В одном суперкадре может содержаться до 255 T2-кадров.
Сформированный на выходе модулятора сигнал DVB-T2 усиливается и
передается в эфир.
Таким образом, для организации одночастотных сетей вещания в
стандарте DVB-T2 следует в тракте формирования программ установить T2шлюз, а в тракте передачи – модуляторы (радиопередатчики) стандарта DVBT2.

495

10. Расположение передатчиков цифрового эфирного ТВ вещания
стандарта DVB-T2
Источники:
1) http://www.efirt2.tv/mesta_pered_rus.html
2) http://ukr-t2.net/2012/12/18/raspolozhenie-peredatchikov-i-nomera-tv-kanalov/

Место расположения передатчика
№
Название
населенного пункта

Адрес
размещения

Сре
дний
радиус
покрытия,
км

Цифровые
пакеты

Х1

М
М М М
Х2 Х3 Х5

номера
телевизионных
каналов

АР Крым
1

Алупка

ул. Ленина, 64

25

2

Алушта

ул. Сергеева-Ценского, 13

20

3

Белогорск

ул. Нижнегорская, 33а

20

4

Чапаевка

Советский р-н

50

5

Джанкой

ул. Крайняя, 20

30

6

Евпатория

Раздольненское шоссе, 17

30

7

Феодосия

шоссе Симферопольское, 45а

25

мыс Сарыч (смт. Форос)

30

8 Севастополь
9

Анновка

Белогорский р-н

35

1

Керчь

ул. Орджоникидзе,144

55

Кировское

Черноморский р-н

40

1
Красноперекопск

ул. Таврическая, 105

50

1

Партенит

ул. Партенитская, 16а

25

Севастополь

пр-т. Победы, 96 (Воронцова
гора)

50

Заводское

Ленинский р-н

30

Судак

шоссе Восточное, 33

25

Симферополь

ул. Студенческая, 14

50

0
1
1
2
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8

Ялта

Южнобережное
шоссе, 55

496

25

4
9
6
2
4
5
7
4
2
1
4
4
7
2
7
1
6
5

4
3
5
0
3
7
5
7
2
8
3
3
2
6
4
3
3
1
4
0
2
1
2
1
2
6
5
7
2
6
6
9
3
7
3
6

4

2
1

3

3
0

3
2

3

5
6

4
8

4

5
1

4
8

3

4
9

3
0

2

2
8

3
2

2

2
9

3
0

4

3
6

2
1

4

4
9

4
8

6

2
2

4
3

2

2
4

4
0

3

4
4

4
3

2

5
3

3
7

4

4
8

4
0

2

3
0

3
0

4

3
2

3
2

3

6
0

5
8

2

5
1

3
7

4
8

Винницкая
область
1
9
2
0
2
1
2
2
2
3

Балановка

Бершадский р-н

65

Погребище

ул. Коцюбинского, 23

25

Винница

ул. Максимовича, 23

80

Шаргородский р-н

45

ул. Черняховского, 2

30

Володимир
ка
Ямполь

497

5
6
9
7
8

3
3
3
2
3
2
2
3
3
4

5

5
4

3

5
1

2
9

3

3
4

3
1

5

4
9

6
4

3

5
1

6
4

5
1

\
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
2
9

Волынская
область
Горохов

ул. Ватутина, 30а

35

Ковель

ул. Варшавская, 5

70

Любешов

ул. Лесная, 3

30

Подгайцы

Луцкий р-н

40

ул. Пионерская, 6

25

Нововолын
ск
Шацк

ул. 50 лет Победы,1б

498

30

8
4
5
3
6
2

5
7
4
7
2
2
4
7
2
1
2
1

5

4
0

2

5
2

5
9

6

5
2

4
9

5

5
5

2
8

3

2
6

4
8

3

6
3

4
1

2
8

3
0
3
1
3
2
3
3
3
4
3
5
3
6
3
7
3
8
3
9
4
0
4
1

Днепропетро
вская область
Днепропет
ровск
Дмухайловк
а
Кривой Рог

Орджоники
дзе

65

Магдалиновский р-н

25

ул.

Телевизионная,

8а

Могилев
Никополь

ул. Телевизионная, 3

Царичанский р-н
ул. Карла Либкнехта,
113а

65
25
35

ул. Тельмана, 11а

30

Покровский р-н

35

Павлоград

ул. Харьковская, 17а

25

Перещепин
о

ул. Шевченка, 126-б

30

Николаевка

Петропавловский р-н

35

ул. Ленина, 38-А

30

площадь Ленина, 5

30

Орлы

Вольногорс
к
Желтые
Воды

499

6
0
1
9
9
0
7
8
8
9
6
8

2
5
5
8
4
1
3
2
2
4
3
4
3
1
2
2
2
8
4
3
3
0
4
1

3

2
5

3

4
0

5
2

5

3
3

5
4

4

3
8

2
3

3

3
2

4
2

4

4
0

4
2

2

4
7

3
6

2

3
1

4
8

3

6
1

2
3

3

3
2

2
5

3

4
0

3
1

2

3
3

4
7

4
9

4
2
4
3
4
4
4
5
4
6
4
7
4
8

Донецкая
область
Краматорс
к
Артемовск
Донецк
Константин
овка
Красноарме
йск
Мариуполь
Торез

ул. Кирова,
(РТС Андреевка)
ул.
Люксембург, 54

699-а
Розы

60
25

ул. Пехотная, 4а

110

ул. Демещенко, 116

25

ул.
Днепропетровская, 1
ул. Кленовая Балка,
3
ул. Чернышевского,
15

500

30
60
35

1
0
6
0
3
9
3

2
2
5
2
5
8
5
2
4
8
3
2
5
7

4

3
3

4

3
8

3
5

5

5
2

5
1

4

2
9

3
5

4

4
7

3
6

4

6
3

3
4

2

2
4

3
3

5
2

Житомирска
я область
4
9
5
0
5
1
5
2
5
3
5
4
5
5
5
6
5
7

Андреевка

Черняховский р-н

65

Бердичев

ул. Ленина, 78

45

Брусилов

ул. Лермонтова, 171

25

Кожуховка

Коростенский р-н

30

Малинский р-н

30

ул. Куйбышева, 14

30

Юровка
НовоградВолынский
Олевск

ул.
СвятоНиколаевская, 146

60

Дубовый
Гай

Овруцкий р-н

55

Котлярка

Попельнянский р-н

35

501

0
7
3
2
3
2
1
0
1

5
0
2
5
3
4
3
0
3
7
3
1
5
2
5
2
2
8

4

4
3

3

4
2

2
5

3

2
3

3
9

4

3
8

3
6

2

2
6

2
2

2

3
7

3
1

5

3
5

5
3

5

4
3

5
3

2

3
4

2
2

2
3

Закарпатска
я область
5
8
5
9
6
0
6
1
6
2
6
3

Хуст

с.
Товста)

Рокосово

(гора

60

Мукачево

гора Павлова

20

Рахов

гора Терентин

30

Свалява

гора Кичера

25

Ужгород

ул. Крымская, 24а

25

гора Яворник

20

Великий
Березный

502

9
9
5
9
9
9

3
3
3
3
5
3
3
3
3
3
3
3

5

5
6

5

6
1

5
6

3

5
5

6
0

5

6
1

4
4

5

4
0

5
6

5

3
6

5
6

5
5

Запорожска
я область
6
4
6
5
6
6
6
7
6
8

Бердянск

ул. Руденка, 4-а

35

Мелитопол
ь

ул. Ленина,1-в (РТС
Камыш Заря)
пр-т.
Б.Хмельницкого, 88/4

Орехов

ул. Степная, 25

35

ул. Матросова, 24-а

55

Куйбышево

Запорожье

503

65
70

0
3
3
1
3

3
5
3
2
3
6
4
5
4
1

3

3
4

3

4
3

3
6

2

5
3

2
8

3

5
0

3
9

3

4
2

4
9

5
7

6
9
7
0
7
1
7
2

ИваноФранковская
область
Дебеславц
ы
Малая
Турья
ИваноФранковск
Микуличин

Коломыйский р-н

20

Долинский р-н

30

ул. Чорновола, 19

55

Яремчанская
городская рада

504

20

7
5
2
5

2
1
3
7
4
1
3
9

5

3
0

5

3
9

3
1

4

2
4

3
1

4

5
8

3
1

3
9

Киевская
область
7
3
7
4
7
5
7
6
7
7
7
8

Березань
Белая
Церковь

ул. Ленина, 37
ул.

Киев
Володарка

Таращанская,

196

Дыбинцы
Кагарлык

35

Богуславский р-н
вышка

РРС

ЦТЕ

УРРТ

30
40
35

ул. Дорогожицкая, 10

110

ул. Мира, 221а

40

505

3
6
8
3
6
3

3
7
5
8
4
0
3
6
2
1
3
3

2

2
1

5

3
6

5
7

3

5
9

6
0

3

5
3

5
7

3

2
3

4
9

5

2
9

2
2

5
0

Кировоград
ская область
7
9
8
0
8
1
8
2
8
3
8
4

Кировоград
Новоарханг
ельск
Новомирго
род
Новоукраин
ка
Александри
я
Устиновка

ул. Садовая, 88

65

ул.Славы, 153

40

ул. Ленина, 2

25

ул. Метелькова, 53

35

ул. Пахоменка, 2

45

ул. Пушкина, 43

35

506

9
5
6
6
0
0

4
3
3
0
2
2
3
1
4
8
5
7

5

2
2

3

4
7

2
9

3

5
3

2
3

6

2
5

5
2

3

5
7

3
1

3

5
2

5
2

2
3

Луганская
область
8
5
8
6
8
7
8
8
8
9
9
0
9
1
9
2
9
3

Беловодск

вышка РТС

35

Чернухино

Перевальский р-н

35

Луганск

ул. Демёхина, 25

65

пр-т. Ленина, 161а

30

Лисичанск
Попасная
Ровеньки

ул. Першотравнева,
152

35

ул. Выгонная, 22

70

Старобель
ск

с. Подгоровка, РТС

65

Сосновый

Сватовский р-н

25

Зориновка

Меловский р-н

30

507

2
4
2
4
1
2
2
2
4

3
2
4
2
3
0
5
3
4
2
3
5
3
5
3
7
2
2

5

2
5

4

3
4

2
3

6

6
2

4
0

5

3
4

3
5

4

6
3

2
3

5

3
6

4
0

5

2
2

6
2

3

5
8

2
5

5

4
7

2
5

3
1

Львовская
область
9
4
9
5
9
6
9
7

Броды

ул. Зеленая, 19

35

Львов

ул. Высокий Замок, 9

50

Новый
Раздол
Пидбуж

переул.
Придорожный, 18
Дрогобицкий р-н

508

35
35

1
2
4
9

2
7
2
8
6
7
3
6

5

3
5

2

5
0

4
0

4

3
3

3
0

3

4
2

5
1

5
0

9
8
9
9
1
00
1
01
1
02

Николаевск
ая область
Березнегов
атое
Николаев
Новый Буг
Первомайск
Вознесенск

ул. Спортивная, 30-А

30

пр-т Ленина, 24-р

65

майдан
Широкая
площадь, 10а
Подгороднянское
шоссе, 13
ул. Тимирязева, 175

509

30
55
45

3
4
1
0
9

3
7
3
8
2
2
5
8
4
5

2

3
1

5

2
6

3
9

4

4
8

2
2

2

6
2

5
6

2

5
9

5
1

2
7

1
03
1
04
1
05
1
06
1
07
1
08
1
09
1
10
1
11

Одесская
область
Викторовк
а
Измаил
Каменское

Березовский р-н
ул.

Железнякова,

260а

35
35

Арцизский р-н

50

Котовский р-н

65

Савранский р-н

35

Овидиопольский р-н

30

Одесса

дор. Фонтанская, 3

65

Сарата

ул. Мельничная, 1б

35

Ширяевский р-н

65

Вестерныч
аны
Ковбасова
Поляна
Николаевка

Жовтень

510

8
1
2
2
5
5
3
5
5

3
5
2
0
2
0
6
3
3
0
2
3
4
2
2
0
3
1

2

5
2

4

5
7

2
3

4

3
9

5
5

4

2
7

5
4

3

4
0

5
4

3

3
7

5
5

3

3
7

3
9

4

2
3

5
5

4

3
7

4
7

3
3

Ровенская
область
1
22
1
23
1
24

Антополь

Ровенский р-н

65

Дубровица

ул.
Железнодорожная, 7-і

35

Кузнецовск

ул. Хомецкая, 1

40

511

8
4
5

3
2
5
3
2
2

4

4
0

4

3
3

5
5

2

4
7

4
9

4
1

Полтавская
область
1
12
1
13
1
14
1
15
1
16
1
17
1
18
1
19
1
20
1
21

Гадяч
Гребенка

пл. Соборная, 65а
ул. Городищенская,
142

25
35

Искровка

Чутовский р-н

40

Кобеляки

ул. Полтавская, 29а

30

Красногоров
ка

Великобагачанский
р-н

65

Кременчуг

ул. Керченская, 7а

60

Лохвица

ул. Ленина, 104-а

30

ул. Грушевского, 27

35

Зиньковский р-н

30

Лубны
Перелески
Полтава

пр-т
Першотравневый,
(Первомайский) 26а

512

40

3

2

2
9
4
2
2
3
5
8
2
7
3
2
5
2
5
4
5
9
3
8

3

1

6
1
6
0
6
9
0
2

3
4

4

3
1

2
3

6

3
0

3
4

3

4
4

5
2

3

3
0

4
1

4

5
1

4
3

4

5
9

4
1

2

4
9

4
0

2

2
9

4
8

4
0

4
9

2
5

Сумская
область
1
25
1
26
1
27
1
28
1
29

Белополье

ул. 1 Мая, 15

60

Овлаши

Роменский р-н

30

Шостка

ул. Коротченко, 88

60

ул. Скрябина, 3

30

ул. Нескучанская, 50

60

Сумы
Тростянец

513

5
6
4
6
4

5
2
3
2
2
9
3
3
5
9

4

5
1

4

3
3

2
1

5

2
5

5
8

6

6
0

5
1

4

5
3

5
1

3
0

Тернопольс
кая область
1
30
1
31
1
32
1
33
1
34

Бережаны

ул.Залисся, 7

35

Бучач

с. Пидзамочек

25

Горишняя
Выгнанка

Чортковский р-н

35

Кременец

ул. Осовица, 12

30

Тернопольский р-н

65

Лозовая

514

7
7
7
0
5

5
2
5
9
2
1
3
2
2
9

3

2
3

5

5
3

6
4

2

4
7

4
2

3

5
0

2
3

3

4
3

2
3

3
7

Харьковска
я область
1
35
1
36
1
37
1
38
1
39
1
40

Изюм

ул. Крутая, 56

60

Харьков

ул. Деревянко, 1а

60

Купянск

ул. Ленина,87

50

Лозовая
Кегичевка
Великий
Бурлук

ул.

Кооперативная,

53А

50

ул. Кирова, 81

60

ул. Декоративная, 4

35

515

6
1
3
1
8
1

2
9
3
5
5
7
3
5
2
9
3
4

3

2
5

3

4
3

4
8

3

5
8

5
7

5

5
8

5
6

3

5
9

2
1

4

4
0

4
9

5
2

Херсонская
область
1
41
1
42
1
43
1
44
1
45
1
46

Чаплинка

ул. Ленина, 1

35

Геническ

ул. Ленина, 87-В

30

ул. Перекопская, 5

55

ул. Безродного, 116а

30

ул. Щорса, 13

30

Каховский р-н

65

Херсон
Новотроиц
кое
Нижние
Серогозы
Васильевка

516

7
3
4
8
2
9

2
8
3
1
3
8
4
8
5
8
2
1

3

3
7

3

3
3

3
5

5

2
7

3
9

3

4
4

2
8

3

2
1

3
7

4

3
9

5
7

3
6

Хмельницка
я область
1
47
1
48
1
49
1
50

Белогорье
Хмельницки
й
Кульчиевц
ы
Полонное

Белогорский р-н

30

пр-т Мира, 43

65

КаменецПодольский р-н
ул. Леси Украинки,
5А

517

65
45

7
2
2
9

4
8
2
9
2
9
4
2

4

5
1

2

3
4

5
1

2

5
0

5
1

4

4
4

5
1

5
8

Черкасская
область
1
51
1
52
1
53
1
54
1
55
1
56
1
57
1
58

Каменка
Буки
Черкассы
Канев
КорсуньШевченковский
Сатановка

30

Маньковский р-н

50

ул. Палёхи, 2

65

ул. Киевская, 27

35

ул. Марценюка, 1а

30

Монастырищенский
р-н

Полянецкое
Шпола

ул. Ленина, 1А

Уманский р-н
ул.

40-летия

11-а

518

35
35

Победы,

35

1
2
8
8
1
0
9
8

3
4
6
1
4
8
5
8
4
3
4
0
3
2
4
9

3

3
5

6

3
0

2
9

2

3
7

2
1

2

5
3

2
1

4

3
8

5
0

3

3
9

2
9

5

4
2

2
9

4

4
7

5
0

4
7

Черновицка
я область
1
59
1
60

Черновцы
Новоднестр
овск

ул. Билецкая, 6

45

квартал 27, дом. 5

60

519

3
0

4
9
6
4

4

5
9

3

4
0

6
4

2
5

Черниговск
ая область
1

Тиница

61
1

Бобровица

62
1

Чернигов

63
1
н

ул.

щина

Комсомольская,

Корюкивский р-н
переул. Урожайный,
8а

Биле

1

Дзержинского,

53Б

Нежи

1

66

ул.
113

Холмы

64
65

Бахмацкий р-н

Прилуцкий р-н

520

55
35
60
65
30
60

9
3
2
2
8
2

3
9
3
8
2
4
2
9
3
0
5
7

4

4
3

2

5
1

2
3

3

5
9

3
5

4

6
1

5
4

4

6
1

4
3

2

3
6

5
6

3
2

11. Ресиверы (Set-Top-Box) для приёма цифрового эфирного
телевидения стандарта DVB-T2

11.1 ROMSAT RS-300

Рис.1 Передняя панель ресивера

Рис.2 Задняя панель ресивера

Рис.3 Пульт дистанционного управления

Компания “Ромсат” (Украина, г. Киев) выпустила первый отечественный
цифровой эфирный приемник под одноименным брендом.
Новый цифровой ресивер Romsat RS-300 оптимизирован для приема как
открытых, так и закодированных системой Irdeto CCA телевизионных
программ стандартной и высокой четкости (HD).
Видеопросмотр в соответствии с предпочтениями пользователя обеспечит
удобный интерфейс экранного меню на украинском, русском и английском
языках, функции электронной программы передач, выбора языка звуковой
дорожки и субтитров, родительского контроля, настройки режимов и
информационные сообщения.
На передней панели удобно расположен порт USB, к которому можно
подключить флеш-накопитель для воспроизведения наиболее распространенных форматов музыки, видео и фотографий. Дополнительными
521

преимуществами приемника Romsat RS-300 можно назвать наличие кнопок
включения и переключения каналов на верхней панели корпуса, а также
возможность запрограммировать пульт для управления некоторыми функциями
других устройств. К примеру, можно запрограммировать включение/
выключение телевизора, регулировку громкости на телевизоре и т.д.
В этом DVB-T2-ресивере предусмотрена возможность подачи питания 5 В
на комнатную либо наружную антенну с усилителем.
Технические характеристики цифрового эфирного ресивера ROMSAT
RS-300
Поддержка систем условного доступа
Irdeto Cloaked CA
Интерфейс карты условного доступа
1 слот, в соответствии с ISO 7816
Поддержка сообщений систем условного доступа
в соответствии со спецификацией Irdeto CAS messaging
Поддержка символов кириллицы
в соответствии с ISO/IEC 8859-5
Подключение носителей информации
Через USB порт
Обновление ПО через эфир
в соответствии со спецификацией Irdeto CA
Тип демодулятора
Эфирный DVB-T2, согласно спецификаций EN 302 755
Рабочий диапазон частот:
МХ: 174-230МГц с частотной полосой канала 7 МГц
ДМХ: 470-862МГц с частотной полосой канала 8 МГц
Входной разъем:
1 x IEC 169-2, гнездо, 75 Ом
Выходной разъем (петлевой выход):
1 x IEC 169-2, штекер, 75 Ом
Питание антенны:
5 В +- 0.2 В, до 50 мА
Минимальное значение мощности на входе приемника:
Для полосы 7МГц: -99 дБм + C/N (согласно стандарта)
Для полосы 8МГц: -98,9 дБм + C/N (согласно стандарта)
Максимальное значение мощности на входе приемника:
- 5 дБм
Длина FFT пакетов:
1K, 2K, 4K, 8K, 8КЕ, 16K, 16КЕ,32K, 32КЕ
Типы модуляции:
QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM
Защитный интервал:
522

1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4
Коэффициенты коррекции ошибок:
1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Пилоты:
PP1, PP2, PP3, PP4, PP5, PP6, PP7, PP8
Профили видеопотока:
MPEG-2 MP@ML
MPEG-4 AVC MP/HP@L3
MPEG-4 AVC HP@L4
Скорость потока:
0.5 … 15 Mбіт/сек
Формат видеопотока:
CBR, VBR
Разрешение видео стандартной четкости (SD):
720×576, 704×576, 544×576, 352×576, 352×288
Разрешение видео высокой четкости (HD):
1920×1080, 1440×1080, 1280×1080, 1280×720
Формат кадра:
4:3 и 16:9
Аудиокодеки:
MPEG-1 Layer II
MPEG-4 AAC LC
MPEG-4 HE-AACv1
Частота дискретизации звука:
32, 44.1 и 48 кГц
Скорость потока звука:
32 … 384 кбит/сек
Аудио режимы:
моно, стерео, объединенное стерео
Питание приемника:
от сети 110-240В/50Гц
через адаптер питания 5В/1А
Энергопотребление:
В рабочем режиме: до 10 Вт
В режиме ожидания: до 1 Вт
11.2 Ресивер Trimax TR-2012HD
Декодер Trimax TR-2012HD Plus предназначен для приема открытых и
кодированных каналов цифрового эфирного телевидения DVB-T2/T, включая
HD-телевидение. В данном сет-топ-боксе предусмотрена бескарточная система
условного доступа Irdeto Cloaked CA. При появлении платных каналов в
стандарте DVB-T2 вы сможете воспользоваться картой доступа, вставив ее в
слот картоприемника, размещенного на передней панели приставки.
523

Обновление ПО
телетрансляции.

ресивера

происходит

автоматически

через

поток

Рис. Передняя панель ресивера Trimax TR-2012 HD

Рис. Задняя панель ресивера Trimax TR-2012 HD

На передней панели удобно расположен USB-порт: с помощью Flashнакопителя можно проигрывать медиафайлы (фото, музыка, видео) ряда
популярных форматов. Кнопки управления каналами также предусмотрены на
фронтальной панели корпуса Trimax. Стоит отметить, что устройство очень
компактное, что выгодно отличает его от аналогичных цифровых декодеров.
Ресивер разработан специально для украинского рынка и предлагается с
полной локализацией (русский, украинский языки). Простое меню легко могут
освоить даже пользователи, которые решили впервые воспользоваться
услугами цифрового телевидения. Функция электронного программного гида
(EPG) позволит ознакомиться с программой передач на 7 дней и запланировать
524

просмотр определенных телепрограмм согласно составленному вами
расписанию.
В этом DVB-T2-ресивере предусмотрена возможность подачи питания 5 В
на комнатную либо наружную антенну с усилителем.
Особенности:
–Компактная конструкция;
–Пластиковый корпус;
–Внешний блок питания;
–Кнопки управления каналами на передней панели;
–Проигрыватель медиафайлов;
–Поддержка HDTV;
–Гарантия производителя;
–Сервисные центры по всей Украине.
Основные характеристики:
–Частотный диапазон: МВ:174-230, ДМВ:474-858 МГц
–Входное сопротивление: 75 Ом
–Демодулятор: DVB-T, DVB-T2
–Чувствительность приемника: -99 дБм ~ -5 дБм
–Питание антенны: 5 В/ 50 мА
–Дисплей: Нет
–Система условного доступа : Irdeto CCA
–Картоприемник: 1
–Транспортный поток данных: MPEG-2 MP@ML, MPEG-4 AVC
MP/HP@L3, MPEG-4 AVC HP@L4
–Процессор: MSD5043
–Flash-память: 8 МБ
–Оперативная память: 128 МБ
–Максимальная скорость потока: 15 Мбит/с
–Разрешение видео: 576p, 720p, 1080i, 1080р
–Соотношение сторон экрана: 16:9 Pillar Box, 16:9 Pan&Scan, 16:9
Широкий экран, 4:3 Letter Box, 4:3 Pan&Scan, 4:3 Full, а также Авто
(через HDMI)
–Режимы аудио: Моно, стерео, совмещенное стерео
–Аудиокодеки: MPEG-1 Layer II, MPEG-4 AAC LC, MPEG-4 HE-AACv1
–Функция записи (PVR): Нет
–Требования к сети: 100-240 В, 50-60 Гц
–Потребление энергии: 8 Вт
–Цвет: Черный
–Интерфейсы
–ANT IN: 1
–ANT OUT: 1
–HDMI: 1
–Композитное видео: 1
525

–RCA L/R-аудио: 1
–USB 2.0: 1
–Габариты и вес
–Габариты: 190 x 115 x 40 мм
11.3 Trimax TR-2012HD PVR

Рис.3 Передняя панель

Рис.4 Задняя панель

В отличие от своего предшественника – ресивера Trimax TR-2012HD –
данная модель имеет металлический корпус прямоугольной формы и немного
больше по размеру. На передней панели ресивера расположен дисплей для
отображения номера телеканала и два индикатора – зеленого цвета (при
включенном состоянии) и красного цвета (при выключенном состоянии). Как и
в предыдущей модели, на передней панели по-прежнему имеются кнопки
переключения телеканалов и кнопка включения/выключения ресивера.
Еще одним новшеством данной модели стала откидная декоративная
крышка передней панели, под которой спрятан USB-разъем и картоприемник
для карт условного доступа.
На задней панели нового ресивера, как и у предшественника,
расположился антенный вход ANT IN, сквозной антенный выход LOOP OUT и
цифровой разъем HDMI.
В ресивере отсутствует разъем для так называемых «тюльпанов» (RCA),
однако добавлен разъем SCART. Также на задней панели имеется разъем для
блока питания.
Но самой главной отличительной особенностью данного ресивера является
наличие функции PVR, благодаря которой обладатели Trimax TR-2012HD PVR
могут записывать телепрограммы, ставить просмотр телеканалов на паузу или
записывать передачи по расписанию. Хочется отметить, что данной функции
ранее не было ни в одной модели цифрового эфирного ресивера,
адаптированного для работы в цифровой сети DVB-T2 Зеонбуд.
526

Trimax TR-2012HD PVR может воспроизводить HD видеофайлы высокого
разрешения со звуком Dolby Digital, проигрывать музыку и открывать любимые
фотографии. В качестве устройства для записи и воспроизведения теперь
можно использовать внешний жесткий диск.
Интересный момент! Как говорилось ранее, ресивер Trimax TR-2012HD
PVR имеет возможность записывать видео с эфира, однако записанное на
флеш-накопитель видео можно просматривать исключительно на приемнике
Trimax TR-2012HD PVR. Посмотреть видео на сторонних приемниках, плеерах
или компьютере – не удастся, так такой просмотр заблокирован.
Во всех других моделях цифровых эфирных ресиверов была проблема со
звуком при воспроизведении видеофайлов с USB-носителей, так как приемники
не поддерживали один из самых распространённых аудиоформатов (АС3) для
видеоконтейнеров. Ресивер Trimax TR-2012HD PVR поддерживает чтение
звуковой дорожки формата АС3. Для этого нет необходимости конвертировать
видеофайл в доступный формат или подключать ресивер к ЖК-телевизору с
помощью кабеля HDMI – достаточно подключить приемник к любому
телевизору посредством кабеля SCART с переходом на «тюльпаны».
Итак, подытожим характерные особенности нового цифрового эфирного
приемника:
– лаконичный дизайн;
– дисплей на передней панели;
– функция USB-PVR (запись телепередач на флеш-накопитель);
– функция Time Shift (возможность поставить телеэфир на паузу и
вернуться к просмотру позднее);
– запись телепередач по расписанию;
– кнопки управления каналами на передней панели;
– чтение звуковой дорожки формата АС3 в видеоконтейнерах;
– поддержка HDTV;
– гарантия производителя.

Рис.5 Схема подключения ресивера DVB-T2 к телевизору

527

Trimax TR-2012HD PVR - цифровий ефірний приймач з функціями PVR.
За допомогою функцій PVR користувач може записувати телепрограми,
поставити перегляд на паузу або записувати передачі за розкладом.
Унікальність приймача в тому, що на ринку сучасних пристроїв не існує
аналогів в своєму класі. Новинка буде цікава всім, особливо тим, хто хоче
використовувати приймач як невеликий медіа-центр. Trimax TR-2012HD PVR
може відтворювати HD відео файли високого дозволу зі звуком Dolby Digital,
програвати музику і відкривати улюблені фотографії. В якості пристрою для
запису та відтворення тепер можна використовувати зовнішній жорсткий диск.
Trimax TR-2012HD PVR розширює можливості відеоперегляду і стає
повноцінним медіацентром:

функція USB-PVR допоможе записувати та відтворювати у будь-який час
Ваші улюблені телепрограми без втрати якості;
 функція
TIMESHIFT дозволяє «поставити на паузу» пряму
телетрансляцію (футбольний матч, серіал, концерт і т. п.) та продовжити
перегляд після потрібної Вам перерви;
 Функція “ВІДКЛАДЕНИЙ ЗАПИС” забезпечує автоматичний запис
попередньо вибраних телепрограм при Вашій відсутності вдома та їх
перегляд у зручний час;
 Розширена підтримка кодеків забезпечує перегляд відеофільмів в HD
якості з цифровим звуком в форматі АС-3 (Dolby Digital)
Надає розширені можливості керування телепрограмами:








зручний інтерфейс користувача українською та російською мовами;
електронний програмний гід з розкладом телепрограм на 7 днів;
швидкий доступ до списків улюблених телеканалів: Новини, Фільми,
Спорт, Музика;
батьківський контроль за доступом до окремих телепрограмм;
можливість вибору мови звукової доріжки аудіосупроводу;
можливість вибору мови субтитрів чи їх відключення;
підтримка та адаптація форматів екрану 4:3 та 16:9.
Дає змогу поринути у новий захопливий світ цифрового телебачення:






світ кришталево чистого зображення без шумів та завад
широкий вибір відкритих та захищених системою Irdeto CCA телерадіопрограм
широкоформатне відео високої роздільчої здатності
цифровий звук та нові послуги цифрового ТБ
Розширює можливості прийому телесигналу, забезпечуючи:



прийом на відбитий сигнал при відсутності прямої видимості на телевежу
528



підтримку використання компактних активних панельних DVB-T/T2
кімнатних та зовнішніх антен

Використання зовнішнього USB накопичувача перетворює приймач в
повноцінний медіа програвач для:


відтворення відео, у тому числі HD 1080i, перегляду фото високої
роздільчої здатності, прослуховування музики у цифровий якості (Dolby
Digital)

Компактні розміри та низьке енергоспоживання приймача забезпечать
гармонійне поєднання з домашнім інтер’єром. Наявність клавіш вибору каналів
дозволяє використовувати приймач у режимі перегляду телепрограм навіть при
пошкодженні чи втраті пульта дистанційного керування.
Основні параметри ресиверу Trimax TR-2012HD PVR
Параметр
Модель приймача
Підтримка систем умовного доступу
Інтерфейс карти умовного доступу
Підтримка повідомлень систем умовного
доступу
Підтримка символів кирилиці
Підключення носіїв інформації

Значення параметра
ТR-2012HD PVR
Irdeto CloakedCA
1 слот, у відповідності до ISO 7816
у відповідності до специфікацій Irdeto
CAS messaging
У відповідності з ISO/IEC 8859-5
Через USB порт
у відповідності до специфікацій Irdeto
CA
Ефірний DVB-T2, згідно специфікацій
EN 302 755
МХ:174-230МГц з частотною смугою
каналу 7 МГц
ДМХ:470-862МГц з частотною смугою
каналу 8 МГц
1 x IEC 169-2, гніздо, 75 Ом
1 x IEC 169-2, штекер, 75 Ом
5 В +- 0.2 В, до 50 мА
Для смуги 7МГц: -99 дБм + C/N (згідно
стандарту)
Для смуги 8МГц: -98,9 дБм + C/N (згідно
стандарту)

Оновлення ПЗ через ефір
Тип демодулятора
Робочий діапазон частот
Вхідний роз’єм
Вихідний роз’єм (петлевий вихід)
Живлення антени
Мінімальне значення потужності на
вході приймача
Максимальне значення потужності на
вході приймача

- 5 дБм
1K, 2K, 4K, 8K, 8КЕ, 16K, 16КЕ,32K,
32КЕ
QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM
1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4

Довжина FFT пакетів
Типи модуляції
Захисний інтервал
529

Коефіцієнти корекції помилок
Пілоти

1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
PP1, PP2, PP3, PP4, PP5, PP6, PP7, PP8
MPEG-2 MP@ML
MPEG-4 AVC MP/HP@L3
MPEG-4 AVC HP@L4
0.5 … 15 Mбіт/сек
CBR, VBR
720x576, 704x576, 544x576, 352x576,
352x288
1920x1080, 1440x1080, 1280x1080,
1280x720
4:3 та 16:9
MPEG-1 Layer II
MPEG-4 AAC LC
MPEG-4 HE-AACv1
32, 44.1 та 48 кГц
32 … 384 кбіт/сек
моно, стерео, поєднане стерео
Від мережі 110-240В/50Гц через адаптер
живлення 12В/1А
В робочому режимі: до 10 Вт
В режимі очікування: до 1 Вт

Профілі відеопотоку
Швидкість потоку
Формат відеопотоку
Роздільна здатність відео стандартної
чіткості (SD)
Роздільна здатність відео високої
чіткості (HD)
Формат кадру
Аудіокодеки
Частота дискретизації звуку
Швидкість потоку звуку
Аудіо режими
Живлення приймача
Енергоспоживання

Вскрытие Trimax TR-2012HD PVR
Лучше всего сравнивать Trimax TR-2012HD PVR со своим
предшественником – Trimax TR-2012HD. Несмотря на кардинальные отличия
во внешнем виде корпуса и интерфейса программного обеспечения, внутри эти
устройства мало чем отличаются.
Корпус у TR-2012HD PVR достаточно вместительный, однако
используется нерационально. Конечно, в теории, охлаждаться устройство будет
лучше, но неужели нельзя было сразу предусмотреть посадочное место для
установки внутреннего HDD? Места более чем достаточно.

530

Рис.6 Фото открытого корпуса ресивера
Если посмотреть более детально, трудно не заметить, что PCB (платы) полностью идентичны (в
обеих случаях версия 5800 - 2AHTA6), за исключением распайки интерфейсов – у TR-2012HD PVR
распаян SCART, у TR-2012HD – комплект из 3-х RCA.

531

Рис.7 Фото платы ресивера Trimax TR-2012HD

532

Рис.8 Фото платы ресивера Trimax TR-2012HD PVR
В обоих ресиверах применяется идентичные: декодер MSB1230-LF (на фото слева)
флеш-память SPANSION FL064PIF (емкость 8 Мб) оперативная память SAMSUNG
K4B1G1646G-BCKO (128 Мб*)
Так в чём же отличие, спросите Вы? Отличие в процессоре. В TR-2012HD используется
процессор MStar MSD5043 (такой же установлен и в Strong SRT-8500), а именно версия
MStar MSD5043-102. В TR-2012HD PVR установлена несколько иная модификация данного
процессора – Mstar MSD5043-102-L2. Насколько они разные, сказать сложно, в сети нет
datasheet на эти микросхемы.

11.4 Цифровой эфирный ресивер THOMSON THT702

Рис 9. Передняя панель ресивера Thomson THT702

533

Рис.10 Задняя панель ресивера Thomson THT702
Еще одним из доступных цифровых эфирных HD приемников с поддержкой кодировки
Irdeto Cloaked CA для просмотра телевидения в формате T2 является ресивер Thomson
THT702.
Процесс подключения к бесплатному цифровому телевидению данного ресивера
достаточно прост: требуется подключить эфирную антенну к приемнику, а сам приемник к
телевизору.
Thomson THT702 можно подключить к телевизору используя один из 3-х способов:
– используя RCA выход;
– используя SCART выход;
– по цифровому выходу HDMI.
Первые 2 способа, как правило, подойдут для подключения к старым моделям
телевизоров, а 3-й к современным LCD телевизорам или плазменным панелям.
С помощью данного ресивера на всей территории Украины возможен прием 32-х
цифровых телеканалов от провайдера «Зеонбуд», которые вещают с 4-х мультиплексов.
Технические характеристики:
– поддержка систем условного доступа Irdeto Cloaked;
– картоприемник для карты условного доступа;
– сообщения Irdeto CAS messaging;
– поддержка кириллицы;
– обновление ПО через эфир;
– эфирный демодулятор DVB-T2;
– разрешение SD: 720×576, 704×576, 544×576, 352×576, 352×288;
– разрешение HD: 1920×1080, 1440×1080, 1280×1080, 1280×720;
– форматы изображения 4:3 и 16:9;
– энергопотребление: в рабочем режиме максимальное 8 Вт, в режиме ожидания
максимально 0,7 Вт;
– рабочий диапазон частот MВ 174-230 МГц с частотной полосой канала 7 МГц;
– рабочий диапазон частот ДМВ 470-862 МГц с частотной полосой канала 8 МГц;
– питание антенны 5 В до 50 мА;
– профили видеопотока: МРЕG-2 МР@МL, МРЕG-4 AVC МР/НР@L3, МРЕG-4 AVC
НР@L4;
– скорость потока 0,5 … 15 Мбит/сек;
– аудиокодеки: MPEG-1 Layer II, MPEG-4 AAC LC, MPEG-4-HE-AACv1;
– частота дискретизации звука 32, 44.1 и 48 кГц;
– скорость потока звука 32 … 384 кбит/сек;
– питание приемника 110-240 В / 50 Гц через адаптер питания 12 B / 1 А.
Комплект поставки:
– цифровой эфирный ресивер Thomson THT702;
– пульт дистанционного управления и батарейки типа ААА;
– блок питания 110-240В / 12В 1А;
534

– соединительный шнур по типу 3RCA-3RCA;
– инструкция на русском и украинском языках.

11.5 Ресивер STRONG SRT 8500

Рис. 10 Передняя панель ресивера

Рис.11 Задняя панель ресивера

Декодер Strong 8500 разработан для рынка Украины и предназначен для
приема сигнала цифрового эфирного телевидения DVB-T2/DVB-T, включая
телевидение высокой четкости (HDTV). В данном сет-топ-боксе предусмотрена
бескарточная система условного доступа Irdeto Cloaked CA. Наличие кодировки
Irdeto требуется для просмотра всех каналов, вещающих в новой сети "T2",
построенной в Украине. Данная модель оснащена картоприемником, что
позволит в дальнейшем получать доступ к дополнительным платным
телеканалам.
С помощью интуитивно понятного меню вы сможете легко настроить все
национальные и региональные каналы, которые вещают в сети стандарта DVBT2, а также DVB-T (для некоторых регионов). Электронный программный гид
(EPG) позволит легко сориентироваться в программе передач телеканалов.
Ресивер позволяет проигрывать различные типы медиафайлов с внешнего
Flash-накопителя; однако ограниченная поддержка аудиокодеков не позволяет
рассчитывать на то, что 8500 сможет заменить медиаплеер.
В этом декодере предусмотрена возможность подачи питания 5 В на
комнатную либо наружную антенну со встроенным усилителем.
535

Особенности:
– Современный дизайн;
– Металлический корпус;
– Удобный интерфейс;
– Медиапроигрыватель;
– Поддержка HDTV;
– Гарантия производителя.
Технические характеристики:
Тюнер
Тип разъема: IEC60169-2, гнездо, 75 Ом номинальное
Диапазон частот: МВ: 177.5 ~ 226.5 МГц
ДМВ: 474 ~ 858 МГц
Уровень входного сигнала: -82 дБм ~ -25 дБм
Питание антенны: DC 5 В макс. ток нагрузки 50 мA, защита от короткого
замыкания
Демодулятор DVB-T/T2
Демодулятор: Соответствует спецификациям DVB-T (EN 300 744),
DVB-T2 (EN 302 755)
Констелляция: QSPK, 16/64/256 QAM
Полоса частот: 7 или 8 МГц
Защитные интервалы: DVB-T = 1/32, 1/16, 1/8, 1/4;
DVB-T2 = 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4
FFT режимы: 1K, 2K, 4K; 8K, 16К, 32К нормальные и расширенные
Коэффициенты коррекции ошибок: DVB-T = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8;
DVB-T2 = 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Видеодекодер
Видео форматы: MPEG-2 MP@ML, MP@HL, MPEG-4 H.264/AVC
Скорость потока: до 30 Mбит/с
Соотношение сторон: 4:3 и 16:9
Преобразование аспекта: Letterbox, Pan & Scan, Авто
Частота кадров: 25 Гц для PAL
Разрешение видео: 576p, 720p, 1080i, 1080р
Аудиодекодер
Аудио форматы: MPEG-1 Layer 1 & 2, AAC
Аудио режимы: Моно Л/П, Стерео
Частотный диапазон: 20 Гц ~ 20 кГц,
неравномерность в полосе частот 60 Гц ~ 18 кГц +/- 0.5 дБ
Частота дискретизации: 32, 44.1, 48 кГц
Система условного доступа
Система: Irdeto CCA
Картоприемник: 1 слот, соответствующий требованиям ISO 7816
Система и память
Процессор: MSD5043
536

Флеш память: 8 Мбайт
Системная память: 128 Мбайт
Мультимедиа
Воспроизведение видео: поддерживаются различные форматы видео
файлов (MPG, MPEG, TS, VOB, MP4, AVI, MKV)
Воспроизведение аудио: форматы MP3, WMA,
Просмотр изображений: форматы JPG, PNG, BMP
11.6 Ресивер STRONG SRT 8502

Рис.13 Передняя панель ресивера

Рис.14 Задняя панель ресивера

Эфирный цифровой приемник Strong SRT 8502 с поддержкой
бескарточной системы условного доступа Irdeto Cloaked CA – еще один
ресивер, который работает в сети «Зеонбуд».
Основное отличие от модели Strong SRT 8500 – новый процессор STi H251
со встроенным демодулятором DVB-T/T2 и тюнер NXP TDA18219HN, что
позволило
значительно
повысить
чувствительность
и
уменьшить
энергопотребление. В Strong SRT 8502 используется внешний блок питания. К
537

сожалению, в данной модели отсутствует функция медиаплеера. Приемник
Strong SRT 8502 разработан специально для приема эфирного цифрового ТВ в
Украине и является рекомендованным цифровым приемником для работы в
сети «Зеонбуд». Strong SRT 8502 продается активированным, поэтому для
подключения к эфирному ТВ достаточно настроить и подключить эфирную
антенну и подсоединить приемник к телевизору.
Подключение к телевизору возможно:
- через аналоговый композитный выход, с помощью соединительного
шнура “тюльпан” (входит в комплект поставки);
- через цифровой выход HDMI, с помощью HDMI кабеля (приобретается
отдельно).
С помощью данного ресивера на всей территории Украины возможен
прием 32-х цифровых телеканалов от провайдера «Зеонбуд», которые вещают с
4-х мультиплексов.
11.6.1 Технические характеристики
Тюнер
Тип разъема: IEC60169-2, гнездо, 75 Ом номинальное
Диапазон частот: МВ: 177.5 ~ 226.5 МГц
ДМВ: 474 ~ 858 МГц
Уровень входного сигнала: -82 дБм ~ -25 дБм
Питание антенны: DC 5 В макс. ток нагрузки 50 мA, защита от короткого
замыкания
Демодулятор DVB-T/T2
Демодулятор: Соответствует спецификациям DVB-T (EN 300 744), DVBT2 (EN 302 755)
Констелляция: QSPK, 16/64/256 QAM
Полоса частот: 7 или 8 МГц
Защитные интервалы: DVB-T = 1/32, 1/16, 1/8, 1/4; DVB-T2 = 1/128, 1/32,
1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4
FFT режимы: 1K, 2K, 4K; 8K, 16К, 32К нормальные и расширенные
Коэффициенты коррекции ошибок: DVB-T = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8; DVB-T2
= 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Видеодекодер
Видеоформаты: MPEG-2 MP@ML, MP@HL, MPEG-4 H.264/AVC
Скорость потока: до 30 Mбит/сек
Соотношение сторон: 4:3 (Letterbox, PanScan, Комбинированный)
16:9 (Pillarbox, Широкоэкранный, Комбинированный)
Частота кадров: 50 Гц для PAL
Разрешение видео: 576p, 720p, 1080i, 1080р
Аудиодекодер
Аудио форматы: MPEG-1 Layer 1 & 2, AAC
Аудио режимы: Моно Л/П, Стерео
538

Частотный диапазон: 20 Гц ~ 20 кГц,
Неравномерность в полосе частот: 60 Гц ~ 18 кГц < +/- 0.5 дБ
Частота дискретизации: 32, 44.1, 48 кГц
Система условного доступа
Система: Irdeto Cloaked CA
Картоприемник: 1 слот, соответствующий требованиям ISO 7816
Система и память
Процессор: STi H251
Флеш память: 8 Мбайт
Системная память: 128 Мбайт
Разъемы
ВХОД АНТЕННЫ
ВЫХОД АНТЕННЫ
3 RCA (Композитное Видео, Аудио Левый и Правый)
S/PDIF (коаксиальный)
USB 2.0, разъем тип А
HDMI тип A, версия 1.3 с поддержкой HDCP
Общие характеристики:
– Внешний блок питания: напряжение сети: AC 100 – 240 В ~ 50/60 Гц,
напряжение на выходе: DC 12 В, 1 А
– Максимальная потребляемая мощность: 10 Вт (с подключенным
устройством USB);
– Потребляемая мощность в режиме ожидания: 1.00 Вт (без
подключенного устройства USB);
– Диапазон рабочих температур: 0 ~ +40° C;
– Температура хранения: -10 ~ +50° C;
– Допустимая влажность при эксплуатации: 10~85% RH, без конденсата;
– Габаритные размеры (Ш x Г x В) в мм: 190 x 177 x 45;
– Вес, нетто: 0.59 кг.
Комплект поставки:
– эфирный цифровой DVB-T2 ресивер Strong 8502;
– шнур 3RCA-3RCA;
– блок питания;
– руководство пользователя (укр./рус. языки);
– пульт дистанционного управления;
– 2 батарейки.
11.6.2 Упаковка и комплектация
Коробка из картона с фотопечатью. Цветовая гамма отличается от
предыдущих моделей. Теперь нет синей полосы, которая наводила на мысль,
что все ресиверы на украинском рынке приехали с одного китайского завода.
По прежнему присутствует круглый оранжевый логотип - "Т2", который
539

обозначает, что Thomson THT 702 полностью совместим с существующей
сетью цифрового вещания в Украине и одобрен компанией оператором Зеонбуд.

Рис.15 Фото внешней коробки ресивера Thomson

К сожалению, на сегодняшний день большинство ярких надписей на
коробке остаются просто надписями, вводя в заблуждение потенциального
покупателя. Никакой кристально чистой картинки в высокой четкости
нет, во всяком случае пока. Все каналы транслируются в стандартной
четкости 576p, с соотношением сторон 4:3. Электронная программа передач
на большинстве каналов отсутствует.
11.6.3 Аппаратная часть
Несмотря на подозрение в сходстве с Strong SRT 8502, до снятия верхней
крышки интрига сохранялась. И вот, волнительный момент. Та-да! Под
крышкой Thomson THT 702 у нас все та же платформа на которой сделан Strong
SRT 8502 - "MBJ-29-B". По монтажу элементов нареканий нет. Центральный
процессор без радиатора, производства STMicroelectronics, STiH251 (прессрелиз). Два чипа памяти 512Mbit DDR2 SDRAM, производства ProMOS
technologies - V59C1512164QDJ25 (пресс-релиз). ВЧ-блок TDA18219HN,
производства NXP (пресс-релиз). Контроллер смарт-карт TDA8024T,
производства NXP (пресс-релиз). И наконец контроллер индикатора HT68F30,
производства Holtek Semiconductor Inc.
540

Рис.16 Фото печатной платы ресивера

Рис.18 Фото процессора и модулей памяти

Рис.17 Фото ВЧ блока ресивера

541

Рис.19 Фото микросхемы контроллера
смарт-карт

Рис.21 Фото
усилителей

микросхем

Рис.20 Фото микросхемы контроллера
индикатора

операционных

11.6.4 Программное обеспечение и работа
Прием производился в городе Киев с шестого этажа на логопериодическую
антенну. Дом в пределах прямой видимости телецентра. При первом
автоматическом сканировании диапазона были найдены все 59 каналов. Кроме
вещания Зеонбуда в Киеве продолжается вещание четвертого мультиплекса в
формате DVB-T.
Программное обеспечение Thomson THT 702 идентично Strong SRT8502.
Из отличий заметил новый режим формата экрана - "Комбинированный". В
этом режиме изображение частично обрезается с сохранением пропорций, но
все равно по сторонам остаются черные полосы.
Подводя итоги по тесту мультимедиа можно сказать следующее.
Телеприставка Thomson THT 702 справляется с видео в формате 720p/1080p,
542

сжатым кодеком AVC, профиль сжатия не выше MP@3.1 или MP@4.1 с низким
битрейтом. Также она справляется с многоканальными аудиодорожками
формата MP3 и AAC. Меньше всего проблем с воспроизведением видео в
формате AppleTV с расширением MP4.

11.6.5 Выводы
Хочется подвести итог по всем телеприставкам, представленным на
украинском рынке, в целом. На данный момент в продаже присутствуют шесть
моделей телеприставок, одобренных оператором Зеонбуд для приема
цифрового эфирного телевидения в формате DVB-T2, закодированного Irdeto
CCA. По сути модели являются модификациями двух типов стандартных
схемо-технических решений, разработанных и произведенных в КНР. Отличия
между моделями минимальны. Но всех их объединяет умышленно
ограниченная функциональность. И эта "новая" приставка, поставляемая
компанией Strong Украина под торговой маркой Thomson, не стала
исключением.
Очевидно, что решение использовать торговую марку Thomson - это шаг
нацеленный на создание иллюзии выбора. Учитывая неблагоприятную для
покупателя, искусственно созданную ситуацию на рынке, я бы рекомендовал не
торопиться с приобретением подобных устройств. Не исключено, что до 2015
года, когда планируется отключение аналогового вещания, будет принято
решение отказаться от кодирования национальных мультиплексов. Да и
уровень распространения альтернативных способов просмотра телевидения к
тому времени станет еще выше.

543

12. Роль стандарту DVB-T2 в побудові національного ефірного
цифрового ТБ мовлення стандарту в Україні
Національна телекомунікаційна мережа України для цифрового ефірного
телерадіомовлення чотирьох цифрових пакетів (мультиплексів MX-1, MX-2,
MX-3, MX-5) в стандарті DVB-T2 включає в себе складові трьох ієрархічних
рівнів:
національний центр телемовлення;
регіональні центри телемовлення;
малопотужні активні ретранслятори.
Структура побудови складових мережі кожного ієрархічного рівня
має свої особливості, виходячи з поставлених завдань.
На рис.1.18 зображена функціональна схема національного центра
телемовлення запропонована в [12].
Вона складається з наступних структурних елементів:
Цифровий комутаційний вузол (ЦКУ) – виконує прийом всіх телеканалі
та їх обробки, для передачі в єдиному форматі в центр формування
мультиплексів, забезпечення трансляції каналів на супутник для регіонального
мовлення;
Центр формування мультиплексів – призначений для кодування потоків в
форматі MPEG-4, управління мультиплексами та їх синхронізація.
Передаючий комплекс містить формувачі, передавачі та міст складання
для доставки сформованого радіосигналу через АФС на передавальну антену;
Схема передбачає наступні розподільчі технології передачі відеосигналу
по мультиплексам:
- 1й та 2й – SDI;
- 3й – PAL (також транслюється на аналоговий передавач);
- 5й – IP (ведеться управління всіма мультиплексами, а також призначений
для вставки каналів регіонального мовлення).
- В цифровому комутаційному вузлі формується загальнонаціональний
контент у складі 4х цифрових мультиплексів MX-1, MX-2, MX-3 та MX-5, при
чому перші три мультиплексу мають повне (8 телепрограм) наповнення, а так
званий регіональний мультиплекс MX-5 заповнений частково (4 телепередачі).
- Четвертий мультиплекс MX-4 функціонує в стандарті DVB-T та не
передбачається в даній схемі.
Сигнали з виходу центрального комутаційного вузла поступають в центр
формування мультиплексів, де здійснюється їх кодування кодеком MPEG-4 та
модуляція в модуляторі QPSK для наступної передачі на супутник Astra
1G.Особливістю
супутникової
телекомунікаційної
мережі
доставки
мультиплексів є використання стандарту DVB-S2, 8PSK модуляції та технології
багато поточного мовлення (4 цифрових пакетів на одній несучій). Параметри
даного Multistream-пакету наступні: промінь західний, несуча частота 11992
МГц, поляризація – горизонтальна, модуляція – DVB-S2/8PSK, символьна
швидкість – SR 27500, FEC 8/9, Multistream, 4 потоки. Бітрейт пакету – 72,79
544

Мбіт/с. Даний пакет ТОВ «Зеонбуд» для роздачі сигналу для мережі наземних
DVB-T2 передавачів по Україні.

Рисунок 1.18 - Функціональна схема національного ЦТБ стандарту DVB-T2

Рисунок 1.19 - Функціональна схема регіонального центру телемовлення

545

Схема доставки мультиплексів для Києва та регіонів відрізняється. Не
менш важливу роль грає той факт, що розташована в Києві телебашта є
найвища в Україні і вся необхідна інфраструктура передавачів і доставки
телевізійних каналів вже частково наявна, тому вказана башта може покрити
доволі значну територію.
Для доставки (розподілу) програм регіональних та місцевих радіоканалів
на регіональні центри телемовлення може бути використана модифікована
мережа радіорелейних ліній зв’язку та мережа на оптоволоконних лініях
зв’язку або комбінація даних ліній.
Схема формування мультиплексів в регіонах(рис.1.18) має схожі принципи
доставки сигналу до передавачів, а різниця пов’язана с додавання до 5го
мультиплексу регіональних та місцевих каналів.
Регіональні центри телемовлення приймають супутниковою станцією
сигнал із супутника і передають його в регіональні передавальний комплекс.
П’ятий
мультиплекс
доповнюється
регіональними
та
місцевими
телепрограмами. Далі сигнали для кожного мультиплекса проходять через
декодер QPSK по індивідуальному тракту, потрапляють на відповідні
формувачі та передавачі. Сумарний радіочастотний сигнал після мосту
складання потрапляє в антенно-фідерну систему (АФС) і транслюється в ефір
передавальної антени.
Розглянута мережа побудована по принципу багаточастотної мережі, тобто
не є синхронною, тому не забезпечує максимальну ефективність використання
радіочастотного ресурсу. Більш того наявна значна кількість «білих плям».

546

ЛЕКЦІЯ №30 ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ
СТАНДАРТУ DVB-C
Литература:
1. European Standard EN 300 429 v.1.2.1 (1998-04). Digital Broadcasting (DVB);
Framing structure, channel coding and modulation for cable systems.
2. Локшин Б.А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. М., “Сайрус
Системс”, 2001г., 446с.
3. Зубарев Д.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое
телевизионное вещание. Основы, методы, системы. М., НИИР, 2001г., 568с.
В основе стандартов DVB (в том числе и стандарта DVB-C) лежит
стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения
MPEG-2 (см. табл.1). В настоящее время используется основной профиль без
масштабирования.

Структура
системы DVB-C (Стандарт
DVB-C)
максимально
гармонизирована со структурой спутниковой системы DVB-S, но в качестве
типа модуляции в ней используется не QPSK, а M-QAM с числом позиций М от
16 до 256 (т.е. от 16 QAM до 256 QAM).
Уровень High-1440 (1440×1152 элементов) соответствует телевидению
высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный
экран), а уровень High (1920×1152 элементов) - телевидению высокого
разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение).
На главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного
разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15
547

Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с,
соответствующей параллельному стыку по Рекомендации 601 МККР, можно
видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз.
Режим “Main Profile@Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко
используется в системах DVB (Стандарт DVB-C). На более высоких уровнях
главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи
возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней
разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов
кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более
высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и
больший объем ЗУ.
Ожидаемое внедрение цифрового телевидения в системы кабельного
телевидения (СКТ) ставят вопрос об их пригодности для этой цели и об оценке
необходимых совершенствований и доработок. В силу того, что в правильно
спроектированной СКТ
В силу того, что в правильно спроектированной СКТ довольно высокое
отношение сигнал/шум – S/N (по ГОСТ Р 52023-2003 не менее 43 dB для
аналогового ТВ), но в то же время значительно уже полоса канала в сравнении
со спутниковой системой, то оптимальным решением является использование
многопозиционной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation –
квадратурная амплитудная модуляция). Хорошее S/N согласно теоремы
Шеннона снижает вероятность ошибок BER (Bit Error Rate – частота
ошибочных бит) и позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого
кодирования.
Анализ помех и искажений, типичных для линейного тракта, позволяет
предположить, что цифровые сигналы окажутся менее чувствительными к
интермодуляционным искажениям (CSO и СТВ), чем аналоговые, благодаря
значительно меньшему требуемому защитному отношению S/D (цифровой
сигнал/цифровая помеха) в совпадающем и соседних каналах и более гладкому
спектру. В то же время цифровые QAM сигналы более чувствительны к
амплитудным и особенно фазовым искажениям в тракте, поэтому вопросы
согласования, коррекции характеристик остаются достаточно острыми.
Метод модуляции – QAM используется для передачи цифровых сигналов
и предусматривает дискретное изменение состояния сегмента несущей
одновременно по фазе и амплитуде.
В телевидении может применяться QAM модуляция различного уровня от
16 QAM до 256 QAM. Уровень модуляции определяет количество состояний
несущей, используемых для передачи информации. Число бит, передаваемых
одним состоянием, определяется как Log2(N) где N — уровень модуляции. Так,
модуляция 16 QAM передает 4 бита информации, а модуляция 256 QAM — 8
бит.

548

В коаксиальных линиях связи, характеризующихся высоким отношением
несущая/шум, и с высоким отношением амплитудной (передаточной)
характеристики, используется преимущественно QAM модуляция разного
уровня. Стандарт DVB-С предлагает в качестве основной использовать
64-уровневую QAM-модуляцию, позволяющую в канале с полосой
пропускания 7.92 МГц обеспечить скорость передачи данных 41.34 Мбит/с и
полезную скорость, с учетом помехоустойчивого кодирования – 38.1 Мбит/с.
Сигналы этого уровня не налагают особых требований к качеству
распределительного тракта и, как правило, могут быть добавлены в уже
существующие сети.
Для ретрансляции спутниковых потоков актуальным является
использование и 32 QAM. В этом случае в кабельном канале обеспечивается
скорость передачи данных 34.367 Мбит/с, совместимая со скоростью передачи
в спутниковых каналах связи. Полезная скорость передачи составляет при этом
31.367 Мбит/с (см. Табл.1.1).
Во вновь проектируемых кабельных сетях возможен переход к
модуляциям 128 QAM и 256 QAM, но он потребует ужесточения норм на
неравномерность АЧХ, ГВЗ и уровень отраженных эхо-сигналов в радиотракте
кабельной сети.
Для чего нужна более совершенная модуляция сигнала? Причина в растущем
числе каналов. В связи с тем, что разрешенные для вещания диапазоны
фиксированы, цель разработчиков – максимально эффективно их использовать

Рис.1 Сравнение спектров различных стандартов цифрового телевещания

(т.е. передавать в этих диапазонах больше каналов). В полосе частот, которую
занимает один аналоговый ТВ канал можно разместить несколько цифровых
549

того же качества. Т.к. основные расходы оператора это аренда спутникового
транспондера, цифровое телевидение быстрее всего было внедрено в
спутниковых системах связи. Буквально за два года (1997/1998г) цифрой метод
передачи QPSK стал основным стандартом спутникового вещания. Для
наземного (эфирного и кабельного) вещания принят метод модуляции (COFDM
и QAM) , который позволяет в стандартной полосе аналогового ТВ канала (8
Мгц) передавать до 12 каналов в цифровом виде. Модуляция QPSK использует
более широкий канал для передачи (36 МГц), но в отличие от QAM она лучше
защищена от помех. Очевидно, что чем выше уровень модуляции, тем
большими скоростными возможностями и меньшей помехоустойчивостью она
обладает. QAM модуляция более чем QPSK чувствительна к нелинейным
искажениям и шумам радиотракта. Она почти не используется для каналов
спутниковой связи, а используется для кабельных сетей, в которых выше
отношение сигнал/шум. Таким образом, метод модуляции QPSK позволяет
передать в 2.67 раза больше каналов, а метод 64 QAM в 12 раз больше, чем при
аналоговом способе (АМ – амплитудная модуляция).
Таблиця 1.1. Швидкості передачі двійкових символів, отримувані при різних
кількостях позицій КАМн
Вид модуляції Швидкість передачі, Повна швидкість Швидкість передачі
МСимв/с
передачі, Мбіт/с
корисних даних,
Мбіт/с
16-КАМн
6,89
27,56
25,2
32-КАМн
6,92
34,60
31,9
64-КАМн
6,84
41,04
38,9
Співставляючи данні останнього стовпчика таблиці швидкостями передачі
двійкових символів, необхідними для передачі телевізійних програм з різними
рівнями якості зображення, можливо оцінити, скільки програм з тією чи іншою
якістю зображення можна передати в одному каналі кабельного телебачення.
В передавальній частині системи кабельного цифрового телебачення
(рис.2) виконуються наступні операції:
- Перетворення аналогових телевізійного сигналу і сигналів звукового
супроводження в цифрову форму.
- Стиснення цифрових телевізійного сигналу і сигналу звукового
супроводження у відповідності до стандарту MPEG-2 і формування відповідних
елементарних потоків.
- Формування транспортного потоку у відповідності до стандарту DVB. В
транспортний потік входять елементарні потоки декількох телевізійних
програм і різні дані. Транспортні пакети об’єднуться по 8. В першому пакеті
кожної вісімки синхрогрупа інвертується, тобто замість шістнадцяткового
числа 0х47 передається 0хВ8. Це необхідно для циклової синхронізації в
приймачі.
550

- Скремблювання для захисту передаваємої програми від несанкціонованого
доступу і для отримання більш рівномірного розподілення потужності по
ширині смуги каналу зв’язку. Скремблювання не зачіпає синхрогрупи
транспортних пакетів, щоб їх можна було розпізнати в приймачі.

Рис.2 Структурная схема системы DVB-C

- Кодування з використанням кодів Ріда-Соломона. При цьому довжина
транспортних пакетів зростає з 188 до 204.
- Перемеження для захисту від пакетних помилок.
- Перетворення передаваємих байтів в символи КАМн. Наприклад, при
використанні 64-позиційної 64-КАМн кожні 3 байти перетворюються в 4
шестибітові символи.
- Диференційне кодування двох старших бітів для підвищення
завадостійкості.
- Перетворення символів в імпульси напруги, які подаються потім на
модулятори квадратурних складових I та Q. Щоб обмежити спектр
промодульованого сигналу, фронти і зрізи імпульсів згладжуються ФНЧ.
- Модуляція на проміжній частоті.
- Перенос модульованого сигнала на несучу частоту каналу і підсилення
потужності.
В приймачі мають виконуватися відповідні обернені операції. Структурна
схема приймального тракту кабельного цифрового телебачення показана на
рис.3.
551

Рис.3 Структурна схема приймального тракту кабельного цифрового телебачення

Вхідний сигнал з кабельної лінії потупає на тюнер, в якому, як в
звичайному телевізорі, виділяється потрібний канал, і сигнал цього каналу
переноситься на проміжну частоту. Потім в перетворювачі частоти виконується
додаткове пониження частоти. Для цього використовується несуча частота,
відновлена в демодуляторі КАМн чи в самому блоці перетворення частоти.
Смуга частот сигнала після пониження частоти зазвичай складає 3...11 МГц.
Далі сигнал проходить керуємий підсилювач, коефіцієнт підсилення якого
визначається сигналом АРП з демодулятора. Розмах сигналу при цьому
узгоджується з діапазоном вхідних напруг АЦП. Для прийому сигналів 16КАМн, 32-КАМн та 64-КАМн достатньо АЦП, який має 8 двійкових розрядів, а
для прийому 256-КАМн необхідно 9 двійкових розрядів. Дискретизація
виконується з частотою канальних символів, тобто коло 7 МГц.Тактові
імпульси ТІ формуються в демодуляторі.
Поступаючий на демодулятор цифровий сигнал перетворюється в сигнал
квадратурних складових I і Q, по яким відновлюються канальні символи. Потім
з цих символів формуються байти вихідного потоку даних. Наприклад, у
випадку 64-КАМн з 4 шестибітових канальних символів формуються 3
вихідних байти. В демодуляторі відновлюються частота несучої (перенесена в
діапазон ПЧ) і тактові імпульси канальних символів,які використовуються, як в
самому демодуляторі, так і в попередніх блоках.
Потім потік даних поступає в блок корекції помилок (Коректор помилок),
в якому відбувається деперемеження і декодування кода Ріда-Соломона. В
результаті відновлюються розміри транспортних пакетів (по 188 байтів) і
вихідний порядок слідування байтів в пакетах.
Далі потік даних поступає на дескремблер. Дескрембльований
транспортний потік приходить на демультиплексор (ДМП), в якому із
552

транспортного потоку вибираються пакети, які відносяться до обраної
програми, і формуються елементарні потоки відео, звукового супроводження і
даних. Управління дескремблером і демультиплексором здійснює контролер.
Демультиплексор обирає з транспортного потоку пакети з таблицями програм
(РАТ) і передає їх на контролер, який забезпечує відображення інформації про
програми в транспортному потоці на екрані. По командам користувача
обирається одна з програм, і дані о РІD пакетів, що відносяться до цієї
програми, передаються в демультиплексор, щоб у подальшому обирати ці
пакети. Допоміжні дані до обраної програми (субтітри і т.і.) поступають з
демультиплексора на контролер, який передає їх далі на блок відтворення
додаткової інформації.
Контролер пов’язаний також з системою умовного доступу (СУД), яка
включає засоби, що забезпечують доступ користувачів до платних програм, за
які він заплатив. Дані для дескремблювання програм передаються у відповідних
пакетах транспортного потоку. Для дескремблювання безкоштовних програм і
пакетів з інформацією загального користування додаткові дані не
потребуються.
Елементарні потоки відео і звуку з демультиплексора поступають на
відповідні декодери MPEG-2. На виходах декодера відео формуються сигнал
яскравості та кольороворізницеві сигнали в цифровій формі у відповідності до
Рекомендації 601. Ці сигнали поступають на ЦАП (блок ЦАП містить 3 ЦАП),
де перетворюються в аналогову форму та виводяться на роз`єми задньої панелі
ресиверу.

553

ЛЕКЦІЯ №31 ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ
СИСТЕМ ЦИФРОВОГО КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕБАЧЕННЯ СТАНДАРТУ
DVB-C2
Литература:
1. Digital Video Broadcasting (DVB), Digital Video Broadcasting (DVB); Frame
structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission
system for cable systems (DVB-C2), DVB internal document, will be published as
Draft ETSI EN 302 769. [4] U. Reimers, DVB – The Family of International
Standards for Digital Video Broadcasting, 2nd edition, Springer, 2004.
2. J. Robert, C. Schaaf, L. Stadelmeier DVB-C2 – стандарт передачи по сетям
КТВ следующего поколения, Телеспутник, №12, декабрь, 2009.
1. Введение
Многие кабельные операторы предоставляют сегодня целый ряд услуг, в
том числе аналоговое и цифровое ТВ, видео по требованию (VoD) и доступ к
Интернету. С ростом числа широкополосных сервисов потребуется увеличение
пропускной способности кабельных каналов, недостижимое во многих из
сегодняшних сетей. Появление недавно законченного стандарта DVB-C2
открывает возможность малозатратной модернизации таких сетей. Стандарт
предусматривает

применение

LDPC-кодирования

и

использование

QAM-модуляции с размерностью вплоть до 4096 QAM. Кроме того, вместо
одной несущей в нем используется OFDM, и это обеспечивает дополнительную
гибкость и помехоустойчивость. В данном материале рассмотрены алгоритмы и
эксплуатационные возможности нового стандарта.
Благодаря хорошим физическим характеристикам, HFC-сети представляют
собой

качественную

платформу

для

сегодняшних

и

завтрашних

широкополосных телекоммуникационных услуг. В прошлом их транспортный
спектр использовался, в основном, для передачи аналоговых ТВ-каналов. В
последние годы внедрение DVB-C в сочетании с компрессией MPEG-2
позволило вводить в сети огромное количество цифровых ТВ-каналов. В то же
время DVB-C, как правило, продолжает сосуществовать с аналоговым
вещанием, и к тому же во многих HFC-сетях присутствует двусторонняя
554

передача данных. Операторы формируют у себя пакет мультисервисных услуг
Triple Play, который, дополнительно к традиционному телевещанию, включает
телефонию и доступ к Интернет. А объемы IP-трафика стремительно растут, и
эта тенденция обещает сохраниться в будущем. Кроме того, все больше
видеоматериала предоставляется в формате ТВЧ (телевидение высокой
четкости), требующем значительно более высокой пропускной способности по
сравнению с телевидением стандартной четкости. И, в довершение всего,
используемый

спектр

прямого

канала

часто

ограничен

800

МГц.

Как показывает исследование, проведенное в рамках проекта ReDeSign, по
перечисленным причинам многие кабельные операторы вскоре столкнутся с
проблемой дефицита спектра. Решить эту проблему можно либо расширением
спектра, либо разделением сети на сегменты с меньшим числом абонентов. Оба
подхода требуют добавления множества активных и пассивных сетевых
компонентов, то есть достаточно затратны для оператора. Третий, наиболее
перспективный подход – реорганизация физического канала по технологии с
более эффективным использованием спектра. Такая технология как раз и
разработана в рамках недавно принятого стандарта DVB-C2.
2. Общая характеристика DVB-C2
Второе поколение стандартов DVB (DVB-X2), как и первое, включает три
основных транспортных стандарта, обслуживающих три главные транспортные
среды – DVB-S2 (спутниковый), DVB-T2 (эфирный) и DVB-C2 (кабельный).
Разработчики семейства стандартов DVB-X2 старались максимально
унифицировать компоненты стандартов, предназаначенных для разных среды.
В частности, во всех стандартах применяется единая схема помехоустойчивого
кодирования

(FEC

–

Forward

Error Correction).

Она

предусматривает

последовательное наложение внешней кодозащиты с применением кода Боуза–
Чоудхури–Хоквингема (Bose-Bhaudhuri-Hocquenghem, BCH) [5] и внутренней
кодозащиты с применением кода с низкой плотностью проверок на четность
555

(Low Density Parity Check Codes – LDPC). Более того, системные уровни DVBS2 и DVB-C2 тоже очень близки, что позволяет легко конвертировать
спутниковый сигнал в формат, регламентированный для кабельных сетей.
На первый взгляд может показаться странным, что для DVB-C2 была
выбрана схема модуляции COFDM. Но в следующих разделах будут показаны
преимущества этого подхода.
На рис. 1 показана упрощенная структурная схема передатчика DVB-C2.

Как в DVB-S2 и DVB-T2, в новом кабельном стандарте внутри одного
физического канала предусмотрено выделение транспортных труб. Они
получили название Physical Layer Pipe. PLP – это логический канал, который
может переносить обычный поток MPEG-2 TS или использоваться для
передачи IP с применением протокола Generic Stream Encapsulation (GSE).
Каждый PLP пропускается через блок входной обработки, за которой следует
556

модуль помехоустойчивого кодирования и далее – раскладчик QAM-символов.
Один или несколько PLP могут укладываться в так называемые слои данных
Data Slices (аналогичные каналам). Для повышения устойчивости к пакетным
ошибкам или воздействия узкополосных помех эти слои затем подвергаются
перемежению по времени и частоте. После этого они поступают в
формирователь кадра, собирающий воедино все слои и добавляющий пилотсигналы, а также преамбулу с сигнализацией первого уровня. На последнем
этапе сформированный кадр поступает в генератор OFDM-потока.
3. Концепция PLP
Применение PLP позволяет передавать в одном физическом канале
несколько независимых логических. Каждый PLP представляет собой такой
логический канал,

по которому передаются либо транспортные пакеты

MPEG-2 TS, либо IP-пакеты с использованием протокола GSE.
Идентификатор PLP Id, позволяющий идентифицировать конкретный PLP
на приемной стороне, является частью заголовка, передаваемого перед каждым
пакетом. После декодирования этого заголовка и извлечения PLP Id приемник
может определить, должен ли он декодировать пакет, следующий за
заголовком. Пакеты, не принадлежащие к запрашиваемому PLP, пропускаются,
то есть не поступают в QAM-демодулятор и декодер помехоустойчивого
кодирования.

В

результате

существенно

снижается

скорость

потока,

обрабатываемого приемником, а также процессорная мощность, требуемая для
этой обработки. Другое преимущество применения PLP заключается в том, что
разные потоки можно передавать с разным уровнем помехоустойчивости:
схема модуляции и режим помехоустойчивого кодирования для каждого PLP
могут выбираться индивидуально.
То есть каждой услуге может назначаться свое качество обслуживания
(Quality of Service, QoS). Преимущества индивидуального выбора параметров в
первую очередь проявляются при двусторонней передаче данных в режиме
557

точка–точка. Они могут выбираться в зависимости от характеристик каналов,
соединяющих ГС и конкретное абонентское устройство, а именно от
протяженности

линии,

количества

сетевых

усилителей

и

качества

внутридомовой разводки.
Эта техника может быть использована, например, для услуги доступа в
Интернет по кабелю через наложенную сеть DOCSIS. В этом случае для
передачи в прямом направлении используется канал DVB-C2, а информация о
качестве принимаемого сигнала может передаваться кабельным модемом по
обратному каналу. Это позволит повысить эффективность использования
спектра сети.
4. Раскладка на QAM-символы и помехоустойчивое кодирование
Как член семейства DVB-X2, стандарт DVB-C2 предусматривает то же
помехоустойчивое кодирование LDPC, которое ранее было заложено в
стандарты DVB-T2 [8] и DVB-S2. Коды этого класса известны еще с 60-х годов
прошлого века, но их практическое использование стало возможным только в
последнее время благодаря достижениям в области полупроводниковых
технологий.

Преимущества

их

применения

можно

проиллюстрировать

следующими цифрами. Поток DVB-C2 с относительной скоростью кодозащиты
9/10 может быть восстановлен декодером даже при плотности ошибок в
несколько процентов. В то время как применяемый в DVB-C код Рида—
Соломона при той же относительной скорости может восстановить поток до
квазибезошибочного состояния при плотности ошибок не более 2·10-4.
Эффективность

LDPC-кодирования

особенно

высока

при

кодировании

длинных последовательностей. Потому длина стандартного слова, к которому в
DVB-C2 прилагается LDPC, составляет 64800 бит (вместо 1632 бит или 204
Байт в DVB-C). То есть кодируемое слово больше не коррелированно с
транспортным пакетом MPEG-2 TS.
558

После LDPC в DVB-C2 предусмотрено применение кода BCH, налагаемого
с очень высокой относительной скоростью (около 0,99). Этот код с малой
корректирующей способностью введен для снижения порога коррекции LDPC.
Порог коррекции присутствует у всех итеративных схем кодирования, таких
как LDPC или турбокоды. Он проявляется в том, что при декодировании всегда
остается некоторое количество ошибок, не поддающихся коррекции при
последующих итерациях, выполняемых FEC-декодером.
Существенное

повышение

эффективности

помехоустойчивого

кодирования позволяет использовать более высокие размерности модуляции.
Если в DVB-C максимально можно использовать 256 QAM, то в DVB-C2
добавляются размерности 1024 и 4096 QAM. Допустимые комбинации
модуляций и схем помехоустойчивого кодирования приведены в таблице 1. В
ней также указаны уровни отношения сигнал/шум, требуемые для приема,
квазисвободного от ошибок. Эти уровни лежат в пределах примерно от 10 до 35
дБ, причем спектр допустимых модуляций и схем кодирования позволяет
подбирать их под требуемый сигнал /шум с шагом около 2 дБ.
Таблица 1. Допустимые в DVB-C2 сочетания модуляций и относительных скоростей
передачи, а также уровни отношения сигнал/шум, необходимые для квазисвободного от
ошибок приема
1024 QAM

4096
QAM

-

-

-

20,0 дБ

24,8 дБ

-

FEC

16 QAM

64 QAM

256 QAM

2/3

-

13,5 дБ

3/4

-

-

4/5

10,7 дБ

16,1 дБ

-

-

-

5/6

-

-

22,0 дБ

27,2 дБ

32,4 дБ

9/10

12,8 дБ

18,5 дБ

24,0 дБ

29,5 дБ

35,0 дБ

5. Применение OFDM в DVB-C2
Основным отличием DVB-C2 от DVB-C является применение OFDM
вместо одной QAM-модулированной несущей. Благодаря хорошо известной,
проверенной на практике устойчивости к различным видам канальных
искажений (например, многолучевым отражениям или узкополосным помехам),
OFDM применяется большинством современных одно- и двунаправленных
559

технологий передачи. Что касается семейства DVB, то OFDM вначале было
использовано в эфирном стандарте первого поколения DVB-T, а затем его
параметры расширили и усовершенствовали в стандарте DVB-T2. Набор
COFM-параметров, использованный в новом эфирном стандарте, вполне
соответствует и требованиям передачи в кабеле, поэтому он был перенесен
также и в DVB-C2. Благодаря общности COFDM-параметров и значительному
количеству

других

общих

блоков,

создание

чипов,

сочетающих

функциональность эфирного и кабельного стандартов, не приведет к
существенной избыточности по сравнению с одностандартными чипами.
В результате DVB-C2 поддерживает позаимствованный в DVB-T2 режим 4К с
продолжительностью полезного OFDM-символа 448 мкс и двумя вариантами
защитных интервалов — 1/64 и 1/128. Более того, в DVB-C2 используются те
же схемы распределения пилот-сигналов, что позволяет применять в обеих
системам единый блок оценки качества канала.
В то же время, в отличие от эфирного стандарта, DVB-C2 не должен
подчиняться жесткой частотной сетке. Так как кабельная сеть представляет
собой

закрытую

экранированную

среду,

то

нет

необходимости

координировать использование ее спектра с эфирными присвоениями.
Напротив, можно гибко адаптировать полосу канала под свои конкретные
потребности. Применение OFDM вместо одной модулированной несущей как
раз и является ключевым фактором, обеспечивающим эту возможность.
Ширина

канала

задается

выделением

ему

определенного

количества

OFDM-поднесущих. А характеристики входного фильтра и системные часы
остаются практически неизменными. Такой подход позволяет расширить
полосу передаваемого сигнала для размещения в нем большего количества
услуг. Чтобы не усложнять и не удорожать абонентское оборудование,
предполагается сегментированный прием таких каналов. Этот подход уже
используется в японской системе эфирного телевидения ISDB-T. Приемник со
стандартной полосой пропускания может извлечь из широкого пакета только ту
560

часть, которая содержит принимаемую в данный момент услугу, а полоса,
занимаемая этой частью, никогда не превышает 8 МГц.
Структура кадра DVB-C2 показана на рис. 2.

Каждый кадр C2 начинается с преамбулы, состоящей из одного или более
OFDM-символов и выполняющей две основные функции. С одной стороны, она
обеспечивает

надежную

временную

и

частотную

синхронизацию

OFDM-сигнала и самой структуры. Для этой цели в преамбулу вводится особая
последовательность

пилот-сигналов,

модулирующая

каждую

шестую

OFDM-поднесущую символов преамбулы. С другой стороны, преамбула
содержит сигнализацию 1-го уровня (L1), необходимую для декодирования
потоков данных и содержащейся в них полезной информации. Преамбула
состоит из циклически передаваемых блоков сигнализации L1, повторяющихся
в каждой полосе 7,61 МГц широкого канала. Фиксированное расположение
561

блоков L1 и их повторение с шагом 7,61 МГц обеспечивают их прием при
настройке тюнера на любые 8 МГц из занимаемого кадром диапазона. Как
показано на рис. 3, при переходе к частотному представлению сигнала (то есть
после

прямого

преобразования

Фурье)

приемник

имеет

возможность

разместить полученные им поднесущие в нужном порядке и восстановить всю
содержащуюся в преамбуле информацию. Причем даже потеря нескольких
поднесущих заметно не повлияет на работу системы, так как сигнализация
передается в очень устойчивом режиме.

В отличие от блоков сигнализации L1, слои не должны вписываться в жесткую
частотную сетку и могут быть расположены внутри потока совершенно
произвольно. Единственное требование – чтобы ни один слой по ширине не
превышал 7,61 МГц. Именно поэтому сигнализация L1 должна быть доступна
при

настройке

на

любой

частотный

сегмент

входного

потока.

Такая схема позволяет точно подстроить отводимую слою полосу под скорость
передаваемого в нем потока. Например, спутниковые потоки с очень разными
битовыми скоростями могут быть перенесены в поток DVB-C2 без
необходимости

забивать

ремультиплексировать

лишнее

место

транспортный

поток

стафинговыми
MPEG-2

TS.

битами
Слой

или
может

формироваться до тех пор, пока не будут заполнены все поднесущие OFDM562

сигнала. Размещение и ширина каждого слоя могут изменяться от фрейма к
фрейму, но это не влечет за собой необходимости перестраивать приемник.
Сигнализация в блоках L1 содержит не только начальную и конечную частоту
слоев, передаваемых в кадре, но также и оптимальную частоту настройки для
приема этого слоя. То есть передатчик может менять параметры слоев от кадра
к кадру в рамках заданной ему полосы приема.
6. Рабочие характеристики DVB-C2
Спецификация DVB-C2 регламентирует определенные характеристики
кабельных сетей. При их разработке принимались во внимание уже упомянутые
требования простоты ретрансляции спутниковых сигналов и возможность
адаптивно выбирать устойчивость соединения для персонифицированных
приложений (точка–точка). Более того, в кабельных сетях используется
экранированная среда передачи, что позволяет задействовать весь спектр,
например до 862 МГц, и не следовать жесткому частотному растру, заданному
для эфирных трансляций.
7. Повышение эффективности использование спектра
Одна из основных целей разработки спецификации DVB-C2 заключается,
разумеется,

в повышении

эффективности

использования

спектра.

Это

достигается применением LDCP-кодирования в сочетании с более высокими
схемами

QAM-модуляции,

а

также

за

счет

применения

OFDM.

Схема выигрыша за счет OFDM показана на рис. 4. В стандарте DVB-C с его
одночастотной модуляцией применяется маскирующий фильтр, задающий
форму передаваемого сигнала. В результате действия скругляющего фильтра,
по краям канала появляются скосы.

563

В DVB-C применяются фильтры с коэффициентом скругления 0,15, и на
эту же величину снижается эффективность использования спектра. В принципе,
возможно применения фильтров с меньшим коэффициентом, но это потребует
более высокой точности настроек передатчика и приемников. Надо отметить,
что этот фактор не зависит от абсолютной ширины канала, то есть для канала,
скажем, в 16 МГц спектральные потери на скругление будут теми же. Но в
случае с OFDM это не так. Тут потери связаны с добавлением защитного
интервала, введением пилот-сигналов и защитных полос по краям спектра. В
стандартном режиме с защитным интервалом 1/128 и плотностью размещения
пилот-сигналов

1/96

потери,

обусловленные

этими

двумя

факторами,

составляют примерно 2% . Что касается пограничных защитных полос, то они
требуются только между соседними каналами, но не внутри одного
OFDM-потока. И, как можно видеть на рис. 5, ширина пограничной защитной
полосы практически не зависит от полосы, занимаемой самим OFDM-сигналом.
Графики спектральной плотности идеальных сигналов DVB-C при ширине 7,61
и 450 МГц на граничной частоте практически накладываются друг на друга. То
есть для обоих сигналов достаточно защитной полосы примерно в 200 кГц.
564

Таким образом, с расширением полосы спектральные потери существенно
снижаются. Так, например, спектральные потери для сигнала DVB-C2 шириной
32 МГц (передающего, скажем, 5 слоев по 6,4 МГц) составляют всего 3,25%, в
то время как в DVB-C они составляют 15%.
Снижение потерь спектра за счет применения COFDM в сочетании с
LDPC-кодированием позволило создать систему, по эффективности передачи
близкую к теоретическому пределу. Если каналы DVB-C находятся ниже
предела примерно на 10 дБ, то каналы DVB-C2, как можно видеть на рис. 6, не
дотягивают до него всего 2-3 дБ.
В таблице 2 собраны возможные в DVB-C и DVB-C2 скорости передачи
информационных бит. Для более наглядного сравнения для обеих систем
рассматривается канал шириной 8 МГц. В случае DVB-C2 общая ширина
потока выбрана величиной в 32 МГц. Новые режимы, появившиеся в DVB-C2,
позволяют увеличить скорость на величину до 65% при требуемом отношении
сигнал/шум в 35 дБ, что в большинстве современных кабельных сетей вполне
реализуемо.

565

8. Уменьшение уровня помех от кабельных сетей
Одним из важнейших вопросов является снижение помех от кабельных
сетей. Экранированная среда передачи кабельных сетей теоретически позволяет
использовать в них весь спектр от 0 до почти 1 ГГц. Но неидеальное
каблирование внутри абонентских домов и квартир во многих случаях
566

приводит к излучению сигналов КТВ в эфир. Иногда это излучение достигает
уровней, которые могут создать помехи, например, полицейским или
диспетчерским

авиаслужбам.

В

этих

случаях

кабельных

операторов

принуждают снизить уровень сигнала, передаваемого на критических частотах,
или же им приходится полностью выключить каналы, создающие помехи. В
DVB-C2 такой необходимости не будет. Так как стандарт позволяет вырезать
отдельные OFDM-поднесущие, можно будет избирательно отключать только те
из них, которые создают помехи, а не весь канал целиком. Это тоже поможет
снизить потери спектра (рис.7).

9. Выводы
Недавно

разработанный

стандарт

DVB-C2

позволяет

существенно

повысить эффективность использования спектра. Это достигается за счет
применения более высоких размерностей QAM-модуляции (до 4096 QAM) в
сочетании с мощной системой помехоустойчивого кодирования на базе LDPCкодов. Кроме того, применение OFDM дает дополнительный выигрыш в плане
567

гибкости и эффективности, а также позволяет удешевить создание единых
приемных чипсетов DVB-T2/C2. Рабочие возможности стандарта близки к
теоретическому пределу. Это позволяет создать на его базе экономически
эффективную систему, включающую вещание ТВ высокой и стандартной
четкости, а также интерактивные услуги типа видео по требованию или доступа
к Интернету. Он также допускает передачу без транспортных пакетовMPEG-2
TS с применением протокола GSE, что дополнительно снижает объем
передаваемой служебной информации.

568